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【计算机组成原理】计算机概论组成篇二

计算机概论组成篇二

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计算机的高速缓存

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CPU与主存的速度不匹配

高速缓存的工作原理

字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字
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例子：假设主存用户空间容量为4G，字块大小为4M，字长为32位，则对于字地址中的块地址m和块内地址b的位数，至少应该是多少？
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命中率

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例子：假设CPU在执行某段程序时，共访问了Cache命中2000次，访问主存50次，已知Cache的存取时间为50ns，主存的存取时间为200ns，求Cache-主存系统的命中率、访问效率和平均访问时间。
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总结：
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高速缓存的替换策略

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随机算法

先进先出算法(FIFO)

  • 把高速缓存看做是一个先进先出的队列
  • 优先替换最先进入队列的字块
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最不经常使用算法(LFU)

  • 优先淘汰最不经常使用的字块
  • 需要额外的空间记录字块的使用频率

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最近最少使用算法(LRU)

  • 优先淘汰一段时间内没有使用的字块
  • 有多种实现方法，一般使用双向链表
  • 把当前访问节点置于链表前面（保证链表头部节点是最近使用的）

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计算机的指令系统

机器指令的形式

机器指令主要由两部分组成：操作码、地址
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  • 操作码指明指令所要完成的操作
  • 操作码的位数反映了机器的操作种类
2^8=256
  • 地址码直接给出操作数或者操作数的地址
  • 分三地址指令、二地址指令和一地址指令

三地址指令
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(addr1)OP(addr2) → (addr3)

二地址指令
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(addr1)OP(addr2) → (addr1)或(addr2)

一地址指令
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(addr1)OP→ (addr1)
(addr1)OP(ACC) → (addr1)

零地址指令

  • 在机器指令中无地址码
  • 空操作、停机操作、中断返回操作等

机器指令的操作类型

数据传输

  • 寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传送
  • 数据读写、交换地址数据、清零置一等操作

算术逻辑操作

  • 操作数之间的加减乘除运算
  • 操作数的与或非等逻辑位运算

移位操作

  • 数据左移（乘2）、数据右移（除2） 完成数据在算术逻辑单元的必要操作

控制指令

  • 等待指令、停机指令、空操作指令、中断指令等

机器指令的寻址方式

指令寻址

  • 顺序寻址
  • 跳跃寻址

【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第25张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第26张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第27张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第28张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第29张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第30张图片

数据寻址

  • 立即寻址

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  • 直接寻址

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  • 间接寻址

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总结
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计算机的控制器

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程序计数器

  • 程序计数器用来存储下一条指令的地址
  • 循环从程序计数器中拿出指令
  • 当指令被拿出时，指向下一条指令

时序发生器

  • 电气工程领域，用于发送时序脉冲
  • CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作

指令译码器

  • 指令译码器是控制器的主要部件之一
  • 计算机指令由操作码和地址码组成
  • 翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据

指令寄存器

  • 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
  • 从主存或高速缓存取计算机指令

指令寄存器

  • 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
  • 从主存或高速缓存取计算机指令

主存数据寄存器

  • 保存当前CPU正要读或写的主存数据

通用寄存器

  • 用于暂时存放或传送数据或指令
  • 可保存ALU的运算中间结果
  • 容量比一般专用寄存器要大

计算机的控计算器

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数据缓冲器

  • 分为输入缓冲和输出缓冲
  • 输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
  • 输出缓冲暂时存放送往外设的数据

ALU

  • ALU：算术逻辑单元，是运算器的主要组成
  • 常见的位运算（左右移、与或非等）
  • 算术运算（加减乘除等）
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状态字寄存器

  • 存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）
  • 存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断位等）

通用寄存器

  • 用于暂时存放或传送数据或指令
  • 可保存ALU的运算中间结果
  • 容量比一般专用寄存器要大

指令执行过程

指令执行过程

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CPU的流水线设计

  • 类似工厂的装配线
  • 工厂的装配线使得多个产品可以同时被加工
  • 在同一个时刻，不同产品均位于不同的加工阶段

【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第47张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第48张图片【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第49张图片

计算机的异构计算设备

图像处理器(GPU)

又称显示核心、视觉处理器、显示芯片
擅长执行复杂的数学和几何计算
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Intel

  • 主要是集成显卡，配合自家的CPU
  • 占据GPU市场的60%以上

Nvidia

  • 世界上最大的独立显卡厂商
  • Geforce系列、Quadro系列、Tesla系列

AMD

  • 自AMD收购ATI后，市场进一步扩大
  • 世界上第二大的独立显卡厂商
  • 是常见游戏机Xbox、PS4等的GPU厂商

现场可编程门阵列(FPGA)

  • 是一种专用集成电路，诞生于1985年 电路级别的设备，属于硬件层面的开发
  • AI人工智能的大热，FPGA逐渐走进大众的视野
    【计算机组成原理】计算机概论组成篇二_第52张图片

AI的大规模参数训练
音视频、图像处理等复杂计算

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按字母分类： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ其他