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【Computer Organization笔记28】总复习

本次笔记内容：
P55 计算机组成原理（55）
P56 计算机组成原理（56）

我的计组笔记汇总：计算机组原理成笔记

视频地址：计算机组成原理清华大学刘卫东全58讲国家精品课程 1080P 更完

幻灯片见我的 GitHub 仓库：计算机组成原理 src/slides

本节课幻灯片：组成原理51 summary.pptx

老师首先总结了实验：

实验分组：129人选课，共有 44 + 5 组；
完成情况：
- 绝大部分完成了基本要求，并有一定的扩展功能：中断、FLASH、VGA、旁路、分支预测等
- 其中，有一些组有特色鲜明的扩展
  - 5 组同学选择了用 MIPS32 指令运行教学操作系统或升级的监控程序（清华中的大神，申请到了 32 位实验的机会）
  - 完全独立运行的教学计算机系统
  - 双教学计算机通信

很牛逼，清华大学贵系。做 16 位已经很难了，其中的大神做了 32 位机，据说性能还很好。老师：做 16 位的同学们没有给我眼前一亮的感觉。老师也找了自己的原因：本学期压力大，课程多，老师之前沟通不够。希望在明年暑假的计算机综合实验中，见到大家的才华。

文章目录

课程总结：计算机能做什么？
学习目的
学习目标
教学思路
信息时代
图灵机（Turing Machine）
- 图灵可计算
- 计算机的诞生
计算机（理论上）能做什么？
- 计算机能做什么
- 计算机为什么能完成这些工作
- 怎么完成
- 什么是计算机？
- - 运算器
  - 数据表示
  - 算数运算和逻辑运算
  - 电路实现
  - 数据通路
各单元知识点
- 运算器
- 控制器
- - 不同层次的程序
  - 指令系统和指令格式
  - 寻址方式
  - 多周期控制器组成
  - 微程序控制器的组成
  - 硬连线控制器
  - 支持流水的CPU
  - 微程序控制器
  - 组合逻辑控制器
  - 指令流水的控制
  - 多周期CPU的控制器设计
  - 指令流水
- 存储器
- - 层次存储器系统
  - Cache
  - 虚拟存储器
  - MIPS协处理器CP0（这个在 2013年课程中未讲）
- 输入输出系统和设备
- - 控制方式
  - 总线
  - 成组传输
  - 接口
  - 外部设备功能
总结

课程总结：计算机能做什么？

培根：科学的力量取决于大众对他的了解。

张钹：计算机的力量取决于大众对他的应用。

学习目的

了解计算机的组成
- 五大组成部件
掌握计算机的运行原理
- 计算机为什么能执行高级语言程序
了解现代计算机中的一些核心技术
- 流水、Cache、虚拟存储
提高编程能力
培养设计计算机的技能
成为计算机科学家、计算机专家

学习目标

掌握单CPU计算机的完整硬件组成
- 基本工作原理
- 内部运行机制
- 建立完整计算机系统概念
了解计算机系统的新发展
达到能独立设计一台完整计算机的水平
- 硬件、软件齐全
- 功能基本完整
知识和能力两方面都提高

教学思路

程序是如何在硬件上运行的？
指令在计算机内的表示？
指令的核心功能是什么？
如何完成对数据的加工？
如何完成指令执行流程的控制？
数据存储的需求是什么？
如何实现数据存储和高效访问？
数据如何入/出计算机？

信息时代

信息技术(Information Technology)
* 计算技术(Computation) —计算机
* 通信技术(Communication) —通信机
* 网络技术——
- 计算机网络 = 计算+ 通信
- (Network= Computation + Communication)

冯诺依曼的模型中，计算机是串行的；未来有没有可能出现一种架构，计算机是并行的呢？

图灵机（Turing Machine）

图灵可计算

“computable numbers” 图灵可计算 - 在有限机械步中可完成的计算
“computational complexity” 计算复杂性 - 指数（与问题规模的关系） / 多项式

计算机的诞生

1943 电子器件的应用（电子管）
1946 ENIAC 电子计算机
1949 EDSAC 存储程序计算机
1953 IBM 701（电子管）
1960 晶体管计算机
1965 IBM 360（集成电路）
* 冯诺曼(von Neumann)结构
按地址存储数据和程序的串行计算结构

计算机（理论上）能做什么？

对{0，1} 进行以下基本运算：

+：1+1=0*，1+0=1（0+1=1），0+0=0
-：1-1=0，1-0=1，0-1=1*，0-0=0
&：1 &1=1，1 & 0=0（0 & 1=0），0 & 0=0
|：1 |1=1，1 | 0=1（0 | 1=1），0 | 0=0
-：-1=0，-0=1

如此简单的运算能解决复杂的问题？

计算机能做什么

文字处理、科学计算、通讯，社会生活的方方面面
只能执行指令系统中的指令，完成规定的功能
只能完成二进制算术加法运算和逻辑运算
只能完成逻辑运算

计算机为什么能完成这些工作

将任务分解成算逻运算的组合
- 程序设计和算法
- 好处：固化操作，能快速复制
- 缺点：并不是所有任务都能分解成算逻运算的组合
自动快速执行算逻运算
- 比人脑运算要快
- 不足：受时间、空间限制
接收指令，并输出结果
- 存储程序
- 输入输出系统和设备

怎么完成

ALU
- 完成算术逻辑运算
存储器
- 存储程序和数据
输入设备
- 人机交互
输出设备
- 人机交互
总线
- 各部件之间连接和数据交换
控制器
- 自动、连续完成

什么是计算机？

运算器

数据表示
- 数值数据表示
- 逻辑数据表示
- 字符数据表示
- 检错纠错码
算术运算
- 加法运算
- 减法运算
- 乘法运算
- 除法运算
- 浮点数运算
逻辑运算
- 逻辑与、或、非
电路实现

数据表示

二进制数据表示
- 数值数据和逻辑数据统一
- 字符和数值统一
- 指令和数据统一
- 最容易实现
补码数据表示
- 减法和加法统一
- 乘法和加法统一（加法、移位）
- 除法和加法统一（加、减和移位）
检错纠错码
- 奇偶校验
- 海明校验

算数运算和逻辑运算

完成算术运算
- 加、减、乘、除
给出运算结果
给出结果状态
- C、Z、V、S
浮点数据的算术运算
根据标志位进行逻辑判断
指令中的逻辑判断

电路实现

ALU
移位器
寄存器组
Q寄存器
多路选通电路
译码器

数据通路

各单元知识点

运算器

算术逻辑运算
数据表示
- 原、反、补码
- 检错纠错码
- 浮点数据表示 IEEE754
数据运算
- 补码加、减运算
- 原码一位乘除运算
- 浮点数算术运算
电路实现

控制器

自动执行指令
- 将指令系统的指令转换为完成指令功能对应的控制信号
- 分步骤执行指令
- 得到下一条指令的地址
连续执行指令
- 下地址
- 节拍
- 段间寄存器
提高指令执行速度
- 指令流水
- 多流水线设置
- 多核
- 并行计算机

不同层次的程序

指令系统和指令格式

指令和指令系统
- 指令是指挥计算机各部件完成规定功能的命令
- 计算机系统的全部指令的集合称为指令系统
操作码
- 指明指令需要完成的功能
- 对指令进行译码的输入
操作数地址
- 指明指令处理的对象
指令格式
- 如何在指令字中安排操作码和操作数地址

寻址方式

立即数寻址
- 常量
寄存器寻址
直接寻址
间接寻址
变址寻址
堆栈寻址
基地址寻址
- 段表

多周期控制器组成

①程序计数器PC
- 存放指令地址，有增量或接收新值功能
②指令寄存器IR
- 存放指令内容：操作码与操作数地址
③指令执行步骤标记线路
- 指明每条指令的执行步骤和相对次序关系
④控制信号记忆或产生线路
- 给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号
各部件包括：运算器部件主存储器部件
总线及输入/输出接口（输入/输出设备）
也包括：控制器部件
设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制

微程序控制器的组成

硬连线控制器

支持流水的CPU

要解决的问题可能更多一些，比如数据冲突、结构冲突、控制冲突。

微程序控制器

下地址字段
- 指出下一个微操作
微控存
- 给出全部控制信号
为什么能完成？
- 指令系统是有限的，且指令的微操作也是有限的
- 存储器技术
有什么好处？
- 扩展容易、实现简单、兼容性好
- 复杂的指令系统CISC

组合逻辑控制器

节拍发生器
- 标明当前微操作
- 完成微操作间的转换
控制信号生成逻辑
- 输入：节拍状态和指令操作码
- 输出：该微操作的全部控制信号
为什么能完成？
- 精简的指令系统、更强大的逻辑实现能力
有什么好处？
- 速度快、适合流水线操作

指令流水的控制

段间寄存器
- 标明当前的流水段
- 保存上一流水步骤的结果及后续控制信号
控制信号生成逻辑
- 输入：指令操作码
- 输出：该指令的全部控制信号
为什么能完成？
- 规整的指令系统、更强大的逻辑实现能力
- 精致的指令执行步骤划分
有什么好处？
- 多条指令并行执行，性能高

多周期CPU的控制器设计

确定指令系统
- 操作码、操作数地址、寻址方式
划分指令流程
设计每个微操作的控制信号
设计节拍或下地址
设计时序、启停等其他电路

指令流水

指令流水的基本概念
指令流水中的冲突
- 结构冲突
- 数据冲突
- 控制冲突
指令流水冲突的解决方案
- 插入等待周期（气泡）
- 增加资源
- 旁路技术
- 分支预测
  - 动态/静态
指令流水实现

存储器

处于计算机中心
层次存储器结构
- 高速缓冲存储器（Cache）
- 主存储器（DRAM）
- 虚拟存储器
半导体存储器
- SRAM
- DRAM
- FLASH
磁表面存储器
光盘
每种存储介质的存储原理、特点

层次存储器系统

程序的局部性原理
- 时间局部性
- 空间局部性
层次间应满足的原则
- 包含性
- 一致性

Cache

硬件实现
参数
地址映射
- 直接映射
- 全相联
- 多路组相联
提高命中率
- 块大小、Cache容量、替换算法
- 写策略

虚拟存储器

逻辑空间到物理空间
虚存的管理
- 段式管理、页式管理、段页式管理
段表
- 段起始地址、段长、控制位
页表
- 实页号、控制位
- 每一个虚页均在页表中有一个表项进行说明
快表（TLB）
- 页表的Cache，实现虚页号到实页号的转换
- 转换速度

MIPS协处理器CP0（这个在 2013年课程中未讲）

用于处理难以用常规指令解决的问题
- 配置
- Cache控制
- 异常/中断控制
- 存储管理控制
- 其他事项
使用寄存器实现

输入输出系统和设备

控制方式
- CPU如何控制输入/输出？（输入/输出方式）
传输方式
- 使用传输通道、方式、速率等（总线、接口）
数据识别和转换
- 数/模转换、语音识别等，转换为字符、数据等计算机能识别的格式（设备）

控制方式

程序直接控制（轮询）
- CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备
程序中断
- 外部设备请求，CPU响应，CPU与外设并行工作
直接存储访问（DMA）
- 专用输入/输出控制器
- 独占总线/总线周期窃取
通道
- 字节多路通道
- 选择通道
- 数组多路通道
外围处理机

总线

多设备共享的信息通道
- 地址
- 数据
- 控制
多总线系统
总线仲裁
- 主设备和从设备
- 集中仲裁、分布仲裁
总线传输
- 同步
- 异步

成组传输

对主存储器的要求
- Cache、DMA等
- SDRAM
- PCI总线
经过等待时间后，按总线时钟传送数据

接口

提供主机识别（指定、找到）使用的I/O设备的支持（为每个设备规定几个地址码或编号）
建立主机和设备之间的控制与通信机制
提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲机构
提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持

外部设备功能

完成数据的输入（和/或）输出
- 信号转换
- 数据采样
与接口进行连接
- 接口信号，电平标准等
与主机进行通信
- 通过总线进行
- 速度和方式

总结

老师希望大家读教材，只看课上讲的 ppt 肯定是不够的。

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2.4.1 输出技巧 #include <stdio.h> int main() { int i, n; scanf("%d", &n); for (i = 1; i <= n; i++) printf("%d\n", i); return 0; } 习题2-2 水仙花数(daffodil
struts2中jsp自动跳转到Action 麦田的设计者 jsp webxml struts2 自动跳转
1、在struts2的开发中，经常需要用户点击网页后就直接跳转到一个Action，执行Action里面的方法，利用mvc分层思想执行相应操作在界面上得到动态数据。毕竟用户不可能在地址栏里输入一个Action（不是专业人士） 2、＜jsp:forward page="xxx.action" /＞，这个标签可以实现跳转，page的路径是相对地址,不同与jsp和j
php 操作webservice实例 IT独行者 PHP webservice
首先大家要简单了解了何谓webservice，接下来就做两个非常简单的例子，webservice还是逃不开server端与client端。我测试的环境为：apache2.2.11 php5.2.10做这个测试之前，要确认你的php配置文件中已经将soap扩展打开，即extension=php_soap.dll; OK 现在我们来体验webservice //server端 serve
Windows下使用Vagrant安装linux系统 _wy_ windows vagrant
准备工作：下载安装 VirtualBox ：https://www.virtualbox.org/ 下载安装 Vagrant ：http://www.vagrantup.com/ 下载需要使用的 box ：官方提供的范例：http://files.vagrantup.com/precise32.box 还可以在 http://www.vagrantbox.es/
更改linux的文件拥有者及用户组(chown和chgrp) 无量 c linux chgrp chown
本文（转） http://blog.163.com/yanenshun@126/blog/static/128388169201203011157308/ http://ydlmlh.iteye.com/blog/1435157 一、基本使用：使用chown命令可以修改文件或目录所属的用户：命令
linux下抓包工具矮蛋蛋 linux
原文地址： http://blog.chinaunix.net/uid-23670869-id-2610683.html tcpdump -nn -vv -X udp port 8888 上面命令是抓取udp包、端口为8888 netstat -tln 命令是用来查看linux的端口使用情况 13 . 列出所有的网络连接 lsof -i 14. 列出所有tcp 网络连接信息 l
我觉得mybatis是垃圾！：“每一个用mybatis的男纸，你伤不起” alafqq mybatis
最近看了每一个用mybatis的男纸，你伤不起原文地址：http://www.iteye.com/topic/1073938 发表一下个人看法。欢迎大神拍砖；个人一直使用的是Ibatis框架，公司对其进行过小小的改良；最近换了公司，要使用新的框架。听说mybatis不错；就对其进行了部分的研究；发现多了一个mapper层；个人感觉就是个dao；
解决java数据交换之谜百合不是茶数据交换
交换两个数字的方法有以下三种，其中第一种最常用 /* 输出最小的一个数 */ public class jiaohuan1 { public static void main(String[] args) { int a =4; int b = 3; if(a<b){ // 第一种交换方式 int tmep =
渐变显示 bijian1013 JavaScript
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探索JUnit4扩展：断言语法assertThat bijian1013 java 单元测试 assertThat
一.概述 JUnit 设计的目的就是有效地抓住编程人员写代码的意图，然后快速检查他们的代码是否与他们的意图相匹配。 JUnit 发展至今，版本不停的翻新，但是所有版本都一致致力于解决一个问题，那就是如何发现编程人员的代码意图，并且如何使得编程人员更加容易地表达他们的代码意图。JUnit 4.4 也是为了如何能够
【Gson三】Gson解析{"data":{"IM":["MSN","QQ","Gtalk"]}} bit1129 gson
如何把如下简单的JSON字符串反序列化为Java的POJO对象? {"data":{"IM":["MSN","QQ","Gtalk"]}} 下面的POJO类Model无法完成正确的解析： import com.google.gson.Gson;
【Kafka九】Kafka High Level API vs. Low Level API bit1129 kafka
1. Kafka提供了两种Consumer API High Level Consumer API Low Level Consumer API(Kafka诡异的称之为Simple Consumer API，实际上非常复杂) 在选用哪种Consumer API时，首先要弄清楚这两种API的工作原理，能做什么不能做什么，能做的话怎么做的以及用的时候，有哪些可能的问题
在nginx中集成lua脚本：添加自定义Http头，封IP等 ronin47 nginx lua
Lua是一个可以嵌入到Nginx配置文件中的动态脚本语言，从而可以在Nginx请求处理的任何阶段执行各种Lua代码。刚开始我们只是用Lua 把请求路由到后端服务器，但是它对我们架构的作用超出了我们的预期。下面就讲讲我们所做的工作。强制搜索引擎只索引mixlr.com Google把子域名当作完全独立的网站，我们不希望爬虫抓取子域名的页面，降低我们的Page rank。 location /{
java-归并排序 bylijinnan java
import java.util.Arrays; public class MergeSort { public static void main(String[] args) { int[] a={20,1,3,8,5,9,4,25}; mergeSort(a,0,a.length-1); System.out.println(Arrays.to
Netty源码学习-CompositeChannelBuffer bylijinnan java netty
CompositeChannelBuffer体现了Netty的“Transparent Zero Copy” 查看API（ http://docs.jboss.org/netty/3.2/api/org/jboss/netty/buffer/package-summary.html#package_description）可以看到，所谓“Transparent Zero Copy”是通
Android中给Activity添加返回键 hotsunshine Activity
// this need android:minSdkVersion="11" getActionBar().setDisplayHomeAsUpEnabled(true); @Override public boolean onOptionsItemSelected(MenuItem item) {
静态页面传参 ctrain 静态
$(document).ready(function () { var request = { QueryString : function (val) { var uri = window.location.search; var re = new RegExp("" + val + "=([^&?]*)", &
Windows中查找某个目录下的所有文件中包含某个字符串的命令 daizj windows 查找某个目录下的所有文件包含某个字符串
findstr可以完成这个工作。 [html] view plain copy >findstr /s /i "string" *.* 上面的命令表示，当前目录以及当前目录的所有子目录下的所有文件中查找"string&qu
改善程序代码质量的一些技巧 dcj3sjt126com 编程 PHP 重构
有很多理由都能说明为什么我们应该写出清晰、可读性好的程序。最重要的一点，程序你只写一次，但以后会无数次的阅读。当你第二天回头来看你的代码时，你就要开始阅读它了。当你把代码拿给其他人看时，他必须阅读你的代码。因此，在编写时多花一点时间，你会在阅读它时节省大量的时间。让我们看一些基本的编程技巧：尽量保持方法简短尽管很多人都遵
SharedPreferences对数据的存储 dcj3sjt126com
SharedPreferences简介： &nbs
linux复习笔记之bash shell (2) bash基础 eksliang bash bash shell
转载请出自出处： http://eksliang.iteye.com/blog/2104329 1.影响显示结果的语系变量（locale） 1.1locale这个命令就是查看当前系统支持多少种语系，命令使用如下： [root@localhost shell]# locale LANG=en_US.UTF-8 LC_CTYPE="en_US.UTF-8"
Android零碎知识总结 gqdy365 android
1、CopyOnWriteArrayList add(E) 和remove(int index)都是对新的数组进行修改和新增。所以在多线程操作时不会出现java.util.ConcurrentModificationException错误。所以最后得出结论：CopyOnWriteArrayList适合使用在读操作远远大于写操作的场景里，比如缓存。发生修改时候做copy，新老版本分离，保证读的高
HoverTree.Model.ArticleSelect类的作用 hvt Web .net C#hovertree asp.net
ArticleSelect类在命名空间HoverTree.Model中可以认为是文章查询条件类，用于存放查询文章时的条件，例如HvtId就是文章的id。HvtIsShow就是文章的显示属性，当为-1是，该条件不产生作用，当为0时，查询不公开显示的文章，当为1时查询公开显示的文章。HvtIsHome则为是否在首页显示。HoverTree系统源码完全开放，开发环境为Visual Studio 2013
PHP 判断是否使用代理 PHP Proxy Detector 天梯梦 proxy
1. php 类 I found this class looking for something else actually but I remembered I needed some while ago something similar and I never found one. I'm sure it will help a lot of developers who try to
apache的math库中的回归——regression（翻译） lvdccyb Math apache
这个Math库，虽然不向weka那样专业的ML库，但是用户友好，易用。多元线性回归，协方差和相关性（皮尔逊和斯皮尔曼），分布测试（假设检验，t，卡方，G），统计。数学库中还包含，Cholesky，LU，SVD，QR，特征根分解，真不错。基本覆盖了：线代，统计，矩阵，最优化理论曲线拟合常微分方程遗传算法（GA），还有3维的运算。。。
基础数据结构和算法十三：Undirected Graphs (2) sunwinner Algorithm
Design pattern for graph processing. Since we consider a large number of graph-processing algorithms, our initial design goal is to decouple our implementations from the graph representation
云计算平台最重要的五项技术 sumapp 云计算云平台智城云
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《京东技术解密》有奖试读获奖名单公布 ITeye管理员活动
ITeye携手博文视点举办的12月技术图书有奖试读活动已圆满结束，非常感谢广大用户对本次活动的关注与参与。 12月试读活动回顾： http://webmaster.iteye.com/blog/2164754 本次技术图书试读活动获奖名单及相应作品如下：一等奖（两名） Microhardest：http://microhardest.ite