计算机组成与嵌入式系统笔记01

            计算机组成与嵌入式系统笔记

第1章 计算机的基本结构

1.计算机组成

（1）程序是执行任务的指令序列。程序存储在存储器中。处理器从存储器中一条接一条地取出程序指令，然后完成所需要的操作。

（2）存储器的功能是存储程序和数据。它分为主存储器和辅助存储器两种。
作为主存储器的辅助手段，一个更小更快的被称为高速缓存(cache)的RAM（random-access memory）设备可用于存储目前正在执行的程序段以及所有相关的数据。
在程序开始执行的时候，高速缓存是空的。所有程序指令和任何所需的数据都存储在主存中。随着执行过程的推进，指令被读取到处理器芯片中，并且在高速缓存中存放每一条指令的副本。当指令执行需要主存中的数据时，数据被取出同时拷贝到高速缓存中。
比如执行循环语句，这些指令可以从高速缓存中获取，或者当相同的数据单元被反复访问时，这些内容也可以从高速缓存中获得。

（3）大多数计算机的操作是由处理器的算术逻辑部件(ALU)或运算器执行的。任意的算术或逻辑运算，都是通过将所需的操作数送至ALU执行运算的处理器中开始的。得到的结果数据可能存储在主存中，或者保留在处理器中以便直接使用。

当操作数被送入处理器时，它们被存储在寄存器(register)中，每个寄存器可以存储一个字的数据。寄存器的访问时间比处理器芯片上的高速缓存的访问时间更短。

（4）计算机内的所有活动都由控制器控制。

2.基本操作
Load R2,LOC
读取地址标签LOC所指向的存储单元的内容，然后将其装入处理器寄存器R2中。（R2原始值被覆盖）
Add R4,R2,R3
把寄存器R2与R3的内容相加，然后将 和 放入寄存器R4中（R4原始值被覆盖）
Store R4,LOC
把寄存器R4中的操作数复制到存储单元LOC中。(LOC的原始内容被覆盖)

比如执行如下命令所需步骤:（假设包含该指令的存储单元的地址最初是在寄存器PC中。）
$LoadR2,LOC$
● 将指令字的地址从寄存器 PC 发送到存储器中，并发出一个读控制命令。
● 等待所请求的字从存储器中取回，然后把它装入寄存器 IR 中，它在 IR 中被控制电路解释（或译码）以便确定所需执行的操作。
● 递增寄存器 PC 的内容以指向存储器中的下一条指令。
● 将地址值 LOC 从寄存器 IR 中的指令发送到存储器并发出一个读控制命令。
● 等待所请求的字从存储器中取回，然后将其装入寄存器 R2 中。

3.寄存器
指令寄存器(instruction register,IR)，保存当前正在执行的指令。它的输出结果可由控制电路使用，以产生控制指令执行过程中不同处理部件的时序信号。
程序计数器(program counter,PC)时另一个专用的寄存器，它包含下一条即将被读取和执行的指令的存储器地址。在一条指令的执行过程中，PC中的内容相应地更新为下一条将被执行指令的地址。
通用寄存器(general-purpose register)，也被称作处理器寄存器。功能很多，比如保存从存储器中载入的待处理的的操作数。

4.处理器－存储器接口是管理主存储器和处理器之间数据传输的电路。如果需要从存储器中
读取一个字，该接口会向存储器发送该字的地址，同时送出一个读控制信号。接口等待要取回
的字，然后将它传输到适当的处理器寄存器中。如果一个字需要被写入到存储器中，接口会向
存储器传输该字的存储地址和内容，同时送出一个写控制信号。

5.中断
设备发出一个中断（interrupt）信号，向处理器提出服务请求。处理器通过
执行中断服务程序（interrupt-service routine）来提供所请求的服务。因为这样的转变可能会改
变处理器的内部状态，所以必须在处理中断请求之前将处理器的状态保存在存储器中。通常，
要保存的信息包括 PC 中的内容、通用寄存器的内容以及一些控制信息。当中断服务程序完成
时，处理器的状态就从存储器中恢复，从而使得被中断的程序可以继续执行。

6.溢出问题：
当两个加数具有相同的符号，而和的符号与加数的符号不同时就发生了溢出，如果两个数做减法，或者两个加数符号不同时，怎么判断溢出呢?
以8位有符号二进制数为例，其实计算机可以控制第9位的，计算机在处理溢出时，如果第9位和第8位数字组成是10或者01，就表示溢出了。01比较简单就是两个正数相加或者正数减去负数等等的溢出，
10也表示溢出是因为：假设我们现在面对的是9位二进制数，那么
-129~-256表示为: 1 0111 1111 ~ 1 0000 0000，第8位始终是0，即负数溢出时只能是10。
以上，计算机用(符号位+1,符号位)组成的数:01和10来判断溢出。

7.计算机体系结构研究软件和硬件功能的划分，比如:
如果这个计算机要做乘法操作，可以这样:
（1）只有加法器（硬件）时，软件借助加法器进行累加操作，实现乘法
（2）有乘法器（硬件）时，硬件自己就实现了乘法，不需要借助软件。
计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现，它研究部件怎么组合完成硬件功能。
计算机实现是计算机体系结构的物理实现。
系列机，虽然计算机的型号不一样，但是逻辑实现是一样的。