【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

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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。

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。