计算机组成原理与体系结构

分值: 6分左右

知识点

数据的表示
计算机结构
Flynn分类法
CISC和RISC
流水线技术
存储系统
总线系统
可靠性
校验码

数据的表示

1. 进制转换

小数点后是负数的平方, 2的-2次方=1/4.
开方顺序是3210.-1-2
eg. 101.01 = 1*4+1+1/4 = 5又1/4.
二进制和八进制与十六进制互转是二进制三三分或四四分
eg. 10001110 转成八进制三三分为10 = 2, 001 =1,110 =6. 因此10001110 = 216;
10001110 转成十六进制三四分为1000 = 8,1110 =E. 因此10001110 = 8E;

2. 编码问题

原码,反码,补码,移码

	正1	负1	1减1	备注
原码	0000 0001	1000 0001	1000 0010	第一位是符号位,0为正，1为负，此处1000 0010代表-2。
反码	0000 0001	1111 1110	1111 1111	第1位符号位，其他位在原码基础上取反。原码的1000 0001取反后是1111 1110；反码1-1=-0
补码	0000 0001	1111 1111	0000 0000	负数补码是在反码的基础上+1，因此反码的1111 1110补码是1111 1111
移码	1000 0001	0111 1111	1000 0000	在补码的基础上符号位取反

数值表示范围（常见考题）

	整数	例子
原码	-(2^(n-1)-1) ~ 2 ^(n-1)-1	1字节n=8能表示-127~127
反码	-(2^(n-1)-1) ~ 2 ^(n-1)-1	n=8能表示-127~127
补码	-2^(n-1) ~ 2 ^(n-1)-1	n=8能表示-128~127

总结：都是2^(n-1) -1 , 只有补码不用-1；

3. 浮点数运算

浮点数表示：
N = M * R^e

M: 尾数 e：指数 R：基数

eg 119 = 1.19 * 10^2

1.19是尾数，2是指数，10是基数

対阶 -> 尾数计算 -> 结果格式化

eg， 9900 + 120

9.9 * 10^3 + 1.2 * 10^2

対阶：指数低的向高的转换： 0.12 * 10^3

尾数计算： 9.9+0.12 = 10.02

结果格式化： 10.02 * 10^3 格式化为1.002 * 10^4

计算机结构

主机： CPU+内存

image.png

1. CPU分为运算器和控制器

常考

运算器 ->运算

算数逻辑单元ALU（算数）: 处理数据,对数据进行算数运算和逻辑运算
eg. 1+1,
累加寄存器AC （存运算的数，加减法都用）: 为alu提供工作区
eg. 1+1+1 =>1+1在alu做, 做完把2存储到ac,再在alu中计算2+1
数据缓冲寄存器DR（暂存数据）
状态条件寄存器PSW（状态）

控制器 -> 指令,控制

程序计数器PC: 好像存放的是指令的顺序
指令寄存器IR : 好像存放的是指令
指令译码器ID: 解释指令
时序部件,好像是AR,也叫地址寄存器

Flynn分类法

把常见计算机做个分类

单指令流单数据流 SISD: 单处理器系统, 老电脑,单核, 现在基本都是双核,四核,八核, SISD基本就单片机
单指令流多数据流 SIMD: 阵列处理器,
多指令流单数据流 MISD:理论模型
多指令流多数据流 MIMD:最常见

CISC VS RISC

常见选择题,题型一般为,哪个选项不是CISC/RISC特点

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其他
CISC(复杂)	数量多,使用频率差别大,可变长格式	支持多种	微码	研制周期长
RISC(精简)	数量少,使用频率接近,基本为单周期指令	支持少	增加通用寄存器；硬布线逻辑控制为主：适合流水线	优化编译，支持高级语言

CISC，以前计算机少，定制化；RISC是随着计算器发展，简化了。RISC是目前主流。

流水线基本概念

必考，多考计算

1. 概念

通过某种原理，提高计算机指令运行效率。

->取指->分析->执行->
顺序执行的话浪费大量面，并发执行指令提高很多效率。

image.png

2. 计算（重点）

流水线周期和流水线执行时间

流水线周期：取值，分析，执行3个过程中耗时最长的时长是流水线周期

流水线计算公式
1条指令执行时间+（指令条数-1）*流水线周期

理论公式：（t1+t2） + (n-1)*t
ps.以上是流水线理论公式，如果选项中没有理论公式计算出来的值，则按实际公式走。

例：三部分时间分别是取值2，分析2，执行1. 问：流水线周期是？全部执行时间是？

流水线周期： 2 = 2 >1, so 2
理论：2+2+1+992 = 203
实际：（3+99）2 = 204

流水线吞吐率 TP

TP = 指令条数/流水线执行时间

按上面例子， TP = 100/203

TP最大吞吐率

TPmax = 1/2（周期）

流水线加速比

S = 不使用执行时间/使用执行时间

按例 S=500/203

流水线效率

效率 = 执行面积/总面积