计算机组成原理

计算机系统概述

TODO：本文为目录，后续使用连接补全。

1. 计算机系统基本概念

计算机的定义与组成

  • 硬件系统：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器
  • 软件系统：系统软件、应用软件

计算机分类

  • 按处理器数量：单处理器、多处理器、分布式处理器
  • 按应用场景：嵌入式系统、服务器、超级计算机

冯·诺依曼体系结构

  • 存储程序原理
  • 五大部件：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备
  • 指令的顺序执行

2. 数据的表示和运算

1. 数制与编码

  • 数制：二进制、八进制、十进制、十六进制
  • 不同数制之间的转换
  • 编码：
    • BCD码（Binary-Coded Decimal）
    • ASCII码
    • Unicode编码
    • 补码、反码、原码

2. 定点数与浮点数

  • 定点数表示：符号位、整数部分、小数部分
  • 浮点数表示：
    • IEEE 754标准
    • 尾数、阶码、符号位
    • 单精度与双精度浮点数

3. 算术运算

  • 整数的加减法：二进制加法、减法；溢出与进位处理
  • 浮点数运算：浮点数加减乘除；规格化与舍入

4. 逻辑运算

  • 基本逻辑运算：与（AND）、或（OR）、非（NOT）；异或（XOR）、同或（XNOR）
  • 逻辑移位与算术移位：左移、右移；算术左移、算术右移；循环移位

3. 存储器层次结构

1. 存储器分类

  • 主存储器：
    • 随机存取存储器（RAM）
      • 动态RAM（DRAM）
      • 静态RAM（SRAM）
    • 只读存储器（ROM）
  • 辅助存储器：硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、光盘（CD/DVD）、磁带

2. 存储器层次结构

  • 缓存存储器（Cache）：
    • 一级缓存（L1 Cache）
    • 二级缓存（L2 Cache）
    • 三级缓存（L3 Cache）
  • 虚拟存储器：页表机制；页面置换算法（如LRU、FIFO）；虚拟地址与物理地址的转换

3. 存储器的工作原理

  • 主存和缓存的映射方式：直接映射、全相联映射、组相联映射
  • 写策略：写直达（Write-Through）、写回（Write-Back）

4. 指令系统

1. 指令格式与寻址方式

  • 指令格式：操作码与操作数；固定长度指令与可变长度指令
  • 寻址方式：
    • 立即寻址
    • 直接寻址
    • 间接寻址
    • 寄存器寻址
    • 寄存器间接寻址
    • 相对寻址
    • 基址寻址
    • 变址寻址

2. 指令的分类

  • 数据传送指令：MOV、LOAD、STORE
  • 算术运算指令：ADD、SUB、MUL、DIV
  • 逻辑运算指令：AND、OR、XOR、NOT
  • 控制转移指令：JMP、CALL、RET、JNZ、JZ
  • 输入/输出指令：IN、OUT

5. 中央处理器（CPU）

1. CPU的组成

  • 控制单元：指令的解码、执行
  • 运算单元：算术逻辑单元（ALU）
  • 寄存器：
    • 通用寄存器
    • 专用寄存器：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、状态寄存器（PSW）

2. CPU的工作过程

  • 取指周期
  • 译码周期
  • 执行周期
  • 存储周期

3. 流水线技术

  • 流水线基本原理
  • 指令级并行
  • 流水线的分类：指令流水线、算术流水线
  • 流水线的相关问题：数据相关、控制相关、结构相关
  • 流水线优化：分支预测（Branch Prediction）、延迟槽（Delay Slot）

6. 输入输出系统

1. 输入输出设备

  • 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
  • 输出设备：显示器、打印机、扬声器

2. 输入输出接口

  • I/O地址空间：独立编址、统一编址
  • I/O传输方式：程序查询方式、中断方式、直接存储器访问（DMA）

3. 中断系统

  • 中断的概念
  • 中断源
  • 中断优先级
  • 中断处理过程：中断请求、中断响应、中断服务

7. 总线系统

1. 总线的分类

  • 片内总线
  • 片外总线
  • 系统总线：数据总线（Data Bus）、地址总线（Address Bus）、控制总线（Control Bus）

2. 总线的工作方式

  • 同步通信
  • 异步通信
  • 半双工通信
  • 全双工通信

3. 总线仲裁

  • 集中式仲裁：菊花链仲裁法（Daisy Chain）、集中仲裁器法
  • 分布式仲裁

8. 高性能计算技术

1. 指令级并行（ILP）

  • 超标量处理器（Superscalar Processor）
  • 超长指令字（VLIW）

2. 数据级并行（DLP）

  • SIMD（单指令多数据流）
  • MIMD（多指令多数据流）

3. 存储器一致性与缓存一致性

  • MESI协议（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）
  • 写回策略与写直达策略

9. 计算机系统的性能评估

1. 性能指标

  • 时钟频率
  • CPI（每条指令的时钟周期数）
  • MIPS（每秒执行的百万条指令数）
  • 吞吐量（Throughput）

2. 性能优化方法

  • 缓存优化
  • 流水线优化
  • 分支预测
  • 编译器优化
posted @ 2024-09-14 15:23  cy_b  阅读(192)  评论(0)    收藏  举报