计算机组成原理¶
第1章 计算机系统概述¶
计算机结构¶
- 冯诺依曼结构
- 哈佛结构
计算机的工作过程¶
---
title: 计算机的单周期执行过程
---
flowchart LR
subgraph As [取指令]
A1("PC-->MAR"):::A-->A2("M(MAR)-->MDR"):::A-->A3("PC+1-->PC"):::A-->A4("MDR-->IR"):::A
classDef A fill:#f96, stroke:111, stroke-width:3px
end
A4-.->分析指令-->B1
subgraph Bs [执行指令]
B1("IR(X)-->MAR"):::B-->B2("M(MAR)-->MDR"):::B-->B3("MDR-->ACC"):::B
classDef B fill:#f9f, stroke:111, stroke-width:3px
end
计算机的性能指标¶
- 字长
- 存储容量
- 运算速度（这个要学会算）
- 主频
- 指令执行速度
- CPI
- FLOPS
- 可靠性
第2章 运算方法和运算器
¶
数据的表示¶
计算机中常用的表示方法¶
-
原码：和真值对应。符号位
0表示正数，1表示负数。表示范围是\([-(2^{n-1}-1),2^{n-1}-1]\) -
补码：正数的补码等于原码，负数的补码可以将原码的出最后一位1开始（不包括），往前将所有位取反得到。表示范围是\([-2^{n-1},2^{n-1}-1]\)
-
移码：移码的实质是将有符号数变成无符号数。经常用来比较两个数的大小。将原码的符号位取反即可（正负数一样处理）。处理完后可以当做无符号整数按位比较，表示范围是\([0,2^n-1]\)
- \([X+Y]_补 = [X]_补+[Y]_补\)
- \([X+Y]_移 = [X]_移+[Y]_补\)
定点数的表示¶
符号位固定，小数点位置固定。（常见的是纯整数或者纯小数）
浮点数的表示¶
$$
N=M \times 2^{E}
$$
其中\(N\)是浮点数的真值，\(M\)是尾码，\(E\)是阶码
- 符号由\(M\)的符号决定
- 精度由\(M\)的位数决定
- 范围由\(E\)的位数决定
IEEE-754格式¶
-
IEEE-754中浮点数的表示的格式为\(N=(-1)^S \times 2^{E'}\times(1+M)\)，其中\(S\)表示符号位；\(E'\)表示阶码的移码，也可以表示为\(E'=E-Bias\)；\(M\)表示尾码。
-
符号位只有一位，\(0\)表示正数，\(1\)表示负数
-
单精度浮点数的结构：\(S(1) + E(8) + M(23)\)
-
双精度浮点数的结构：\(S(1) + E(11) + M(52)\)
-
特殊的一些浮点数
| 阶码 | 尾码 | 数据 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 非0 | 非规格数 |
| 全1 | 0 | 无穷大 |
| 全1 | 非0 | 非数 |
定点数的加减法¶
补码加法公式 $$ [A+B]_补=[A]_补+[B]_补 $$ 溢出判别
- 上溢：结果大于最大表示范围
- 下溢：结果小于最小表示范围
- 运算符比较法：只有运算符相同时才可能溢出，才进行进位判断溢出情况
- 变形补码法（双符号位）：
- 使用双符号位进行加法运算
- 结果的符号位相异是表示溢出，\(01\)表示上溢出，\(10\)表示下溢出
补码减法 $$ [A-B]_补=[A]_补+[-B]_补 $$
定点数的乘法¶
\(X=-0.1011,Y=0.1101\)，计算\(X\times Y\) $$ \begin{aligned} &部分积 &&乘数 &&&操作说明\ &{\color{OliveGreen}00.0000} &&0.11010 &&&初始化部分积P_0\ +&{\color{Mahogany}00.1011} && &&&{\color{Mahogany}判断y_ny_{n+1}=10，+[-X]补}\ --&-----\ &00.1011 && &&&求和\ &{\color{OliveGreen}00.0101} &&1 \quad 0.1101 &&&右移一位\ +&{\color{Mahogany}11.0101} && &&&{\color{Mahogany}判断y_ny=01，+[X]补}\ --&-----\ &11.1010 && &&&求和\ &{\color{OliveGreen}11.1101} &&01 \quad 0.110 &&&右移一位\ +&{\color{Mahogany}00.1011} && &&&{\color{Mahogany}判断y_ny=10，+[-X]补}\ --&-----\ &00.1000 && &&&求和\ &{\color{OliveGreen}00.0100} &&001 \quad 0.11 &&&右移一位\ +&{\color{Mahogany}00.0000} && &&&{\color{Mahogany}判断y_ny\ --&-----\ &00.0100 && &&&求和\ &{\color{OliveGreen}00.0010} &&0001 \quad 0.1 &&&右移一位\ +&{\color{Mahogany}11.0101} && &&&{\color{Mahogany}判断y_ny_{n+1}=01，+[X]_补}\ --&-----\ &{\color{NavyBlue}11.1011} &&0001 &&&求和，得到结果\}=11，+0
\end{aligned} $$
浮点数的加减法¶
第3章 存储系统¶
概述¶
分类¶
性能指标¶
- 存储容量 $$ 存储容量=存储单元格数\times 存储字长(bit) $$
- 存储速度
- 位价
数据地址和存储顺序¶
- 大端模式：高位低存（相反）
- 小端模式：高位高存（相同）
半导体常用的扩展方法¶
- 位扩展
- 字扩展
体系结构¶
RAM¶
SRAM¶
控制信号
- \(\overline{CS}\)：片选线，低电平有效
- \(\overline{WE}\)：写允许信号，低电平写，高电平读
- \(V_{CC}\)和\(GND\)是电源和接地端
特点
- 优点：访问速度快，常用语告诉数据存储应用中
- 缺点：功耗大，成本高
DRAM¶
存储元采用的晶体管数量比SRAM更少，成本和功耗更低，但是容易漏电，需要刷新
控制信号
- \(\overline{RAS}\)和\(\overline{CAS}\)分别表示行信号选择和列信号选择
- \(\overline{WE}\)是写允许信号
- \(V_{CC}\)、\(V_{SS}\)、\(V_{SS}\)提供DRAM工作和刷新时所需要的电平
- \(GND\)是接地端
刷新策略
- 集中刷新
集中刷新方式是指在 4000 个存取周期中取连续的 128 个存取周期,对存储器进行逐行刷新,如下图所示。这种刷新的特点是芯片的刷新操作集中在 64 μ s 内,在这个时间段中, CPU 是不能访问 DRAM 的,这个时间又称为“死时间”,而 64 μs 对 CPU 来说是一个相当长的时间。集中刷新方式中 DRAM 的死时间率 =128 / 4000=3.2% 。
- 分散刷新
分散刷新方式是指将 4000 个存取周期分为 2000 个基本周期,每个基本周期中包含两个存取周期时间段,其中一个供 CPU 访问存储器,另一个用于存储器自身的逐行刷新,如下图 所示。分散刷新虽然将死时间分散了,但是死时间率 =1 / 2=50% ,整个系统的效率降低了。
- 异步刷新
异步刷 新 方 式 是 指 将 4000 个 存 储 周 期 分 为 128 个 时 间 段,每 个 时 间 段 15.5 μ s(2ms / 128=15. 6 μ s 取存取周期的最大整数倍),即 31 个存取周期,每个时间段中 30 个存取周期用于存储器的读取或保持, 1 个存取周期对 DRAM 中的一行执行刷新操作。这种刷新方式的死时间率 =1 / 31=3. 22% 。相较于前两种方式,异步刷新方式不但分散了死时间。
ROM¶
分类¶
- MROM：掩膜型只读存储器，一般用于存放固定程序和数据，如显示字符的模点阵代码
- PROM：可编程一次的的制度存储器
- EPROM：紫外线可擦除可编程只读存储器
- EEPROM：电可擦除可编程只读存储器
- FLASH：闪存
高速缓冲存储器¶
工作原理¶
通过Cache技术提高CPU访问速度是基于程序局部性原理。
程序局部性原理：是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体来说，局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性。
时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中）。
空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。
性能指标
- 缓存命中率
- Cache-主存系统的平均访问时间和Cache效率
架构图¶
Cache-主存的地址映射和变换¶
- 直接映射
把主存中的A地址始终映射在Cache中的特定位置，比如对于主存地址进行取模运算然后映射缓存
- 全相联映射
将主存和Cache任意映射。主存中A地址的数据放入后，A地址的主存块号会被标记，以用来映射Cache
- 组相联映射（目前使用最广泛）
在全相联的基础上加上一个分组的策略，也就是分组映射。
Cache替换策略¶
- 随机算法
- LRU算法
- LFU算法
Cache和主存的一致性¶
-
写回法：只写Cache并标记，替换出去是根据标记决定是否写回磁盘。容易导致不一致问题
-
写直达：写回缓存的同时写回主存。保证了一致，但是效率极低
-
写一次：第一次写命中是采用写直达，之后采用写回。多核心下无法保证数据一致性。
-
MESI：将写回算法和状态标记结合，保证了数据一致性，但是存在伪共享的问题
第4章 总线技术¶
概述¶
总线的特点：共享性和独立性
- 共享性：总线系统内的所有设备可用
- 独立性：同一时间内只能有一个设备使用总线
分类¶
总线的性能指标¶
- 总线宽度：总线同时能传送的二进制数据的位数
- 总线工作频率：总线每秒传输数据的次数。常用\(MHz\)表示
- 总线带宽：总线数据传输速率，计算公式为：\(总线带宽=总线宽度\times 总线工作频率\)
系统总线结构¶
单总线结构¶
特点
- 结构简单，灵活，易扩展
- 性能低
双总线结构¶
特点
- 效率相比单总线有所提高
- 硬件复杂度相比单总线更复杂
多总线结构¶
形式多种多样，不举例，可参考第3章 系统总线 | MyBlog - GxkOrd
共同特点
- 兼容高速和低速的设备，性能高
- 复杂度大大增加
总线的通信方式¶
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title: 总线周期
---
flowchart
A(总线请求和仲裁阶段)--"获取总线控制权，成为主设备"-->B(寻址阶段)--发出需要访问的存储器或I/O端口和控制信号-->C(传送数据阶段)--主设备和从设备进行数据传输-->D("结束阶段 交出控制权")
- 同步通信：发送和接受双方都在同一时钟下进行操作。
- 优点：时序简单，控制方便，适用于总线长度较短，各部件存取时间接近的情况。具有较高的传输频率
- 缺点：如果各设备之间速度差别很大，会使得快速地设备等待慢速的设备。导致资源浪费
- 异步通信：允许各设备有自己的时钟控制。数据传输采用答应模式（握手方式）
- 优点：速度和可靠性都有所增强
- 缺点：传输过程复杂，由于增加了答应时间，速度还是有所影响。
- 半同步控制方式：结合同步和异步，采用公共时钟，对于速度相进的采用同步通信。速度较慢的增加一个等待的阶段
总线信息传送¶
- 串行传送：从低位到高位依次传送数据。速度较慢，成本低，适合远距离传送
- 并行传送：所有位同时发送，每一位都有各自的传输线。速度快，但是线数要求多，成本高。适合近距离传送
- 串并行传送：分组，组内并行传送，组与组串行传送。
- 分时传送
第5章 指令系统¶
指令系统的分类¶
CISC¶
CISC(Complex Instruction Set Computer)
复杂指令集计算机，目的是强化指令功能，实现软件功能性硬件功能转移。更适用于通用机，我们日常使用的PC通常就是使用CISC架构。以InterX86为典型。
特点
- 具有庞大的指令系统
- 采用可变长度的指令格式
- 指令寻址方式多样
- 指令系统中包含一些特殊用途的指令
RISC¶
RISC(Reduced Instruction Set Computer)
精简指令集计算机，目的是尽可能降低指令集的复杂度，已达到简化实现、提高性能的目的。更适用于专用机。如MISP、Motorola等微处理机。
特点
- 指令数量较少
- 指令长度固定
- 大多数指令都在一个机器周期内完成
- 通用寄存器数量多
对比¶
| CISC | RISC |
|---|---|
| 指令系统庞大，指令数目一般多达200多条 | 精简了指令系统，流水线以及常用指令均可用硬件执行 |
| 寻址方式多、代码长度不固定 | 所有指令长度均相同 |
| 访问存储器指令不加限制 | 只有load和store可以访问存储器，其他操作均在寄存器中执行 |
| 各指令执行时间相差很大 | 所有指令的功能单一，在一个机器周期内完成 |
指令的格式¶
指令包含操作码和地址码两个部分。
操作码的基本格式¶
- 固定长度操作码
- 便于硬件规整，缩短指令的译码时间。
- 可变长度操作码
- 增加指令译码部件的复杂度，增加译码的时间。
地址码的基本格式¶
-
三地址指令（R型指令） $$ OP \quad |\quad A_3 \quad | \quad A_2 \quad | \quad A_1\ (A_1)OP(A_2)\rightarrow A_3 $$
-
二地址指令（最常用的指令格式）
$$ OP \quad | \quad A_2 \quad | \quad A_1\ (A_1)OP(A_2)\rightarrow A_2 $$
- 一地址指令（自增，自减）
$$ OP \quad | \quad A_1\ OP(A_1)\rightarrow A_1\ 或者\ (A_1)OP(ACC)\rightarrow ACC $$
- 零地址指令
寻址方式¶
指令寻址¶
- 顺序寻址：通过PC自增实现顺序寻址
- 跳跃寻址：类似于
goto语句，将PC值直接改变
数据寻址¶
-
立即寻址：操作数就在指令中。速度快，常用语对主存单元或者寄存器的初始化操作
-
寄存器寻址：在寄存器中访问数据，不用访问内存，执行速度快。
-
存储器寻址
-
直接寻址：指令字中直接存放目标数据的主存地址
-
间接寻址：由于指令字长度限制，可能无法完全表示主存中的所有部分，因此可以先映射到主存，再通过主存中的数据（地址）寻找目标地址。间接寻址通常利用最高位最为标志位，最高位为1是表示该地址是间接地址。类似于指针
-
寄存器间接寻址：与上面唯一不同的是，间接地址存放在寄存器中，效率稍微高一些
-
基址寻址和变址寻址：通过分段和偏移量来确定地址位置。其中基址寻址一般给操作系统使用，变址寻址一般用来方位数组中的元素。
-
相对寻址：常用于程序跳转，在程序计数器上加上偏移量，比如一些流程控制
-
组合寻址：将以上两种不同的寻址方式组合起来使用
-
堆栈寻址：通过栈帧中寻找数据。
OP I X A 操作码 间址特征 寻址模式 形式地址 寻址方式 I X 有效地址EA 直接寻址 0 00 \(EA=A\) 相对寻址 0 01 \(EA=(PC)+A\) 变址寻址 0 10 \(EA=(R) +A\) 寄存器直接寻址 0 11 \(EA=R\) 间接寻址 1 00 \(EA=(A)\) 先相对后间接寻址 1 01 \(EA=((PC)+A)\) 先变址后间接寻址 1 10 \(EA=((R)+A)\) 寄存器间接寻址 1 11 \(EA=(R)\)
指令分类¶
MIPS32指令简介¶
寄存器组¶
32个通用寄存器¶
| 编号 | 名称 | 使用规则 |
|---|---|---|
| $0 | $zero | 常数0 |
| $1 | $at | 汇编程序临时存储超出16位的数据 |
| $2、$3 | $v1、$v2 | 函数返回值，不够用时使用堆栈 |
| $4~$7 | $a0~$a3 | 函数输入参数，不够用时使用堆栈 |
| $8~$15 | $t0~$t7 | 临时寄存器（不受保护） |
| $16~$23 | $s0~$s7 | 存储寄存器，变量或者存储单元的起始地址（基地址） |
| $24、$25 | $t8、$t9 | 临时寄存器 |
| $26、$27 | $k0、$k1 | 系统保留指针 |
| $28 | $gp | 全局指针 |
| $29 | $sp | 堆栈指针 |
| $30 | $fp | 帧指针 |
| $31 | $ra | 函数调用返回地址 |
特殊功能寄存器¶
| 名称 | 功能 |
|---|---|
| HI、LO | 用于存储整数乘/除和乘/加操作 |
| PC | 程序计数器 |
FPU寄存器¶
MIPS的CPU还有32个浮点寄存器($f0~$f31)，每个都是32位，单精度浮点数占一个寄存器，双精度占两个字节。
MIPS指令格式¶
R型指令¶
Register型指令，数据来自三个寄存器
| Opcode[31:26] | rs[25:21] | rt[20:16] | rd[15:11] | Shamt[10:6] | Funct[5:0] |
|---|---|---|---|---|---|
| 6 | 5 | 5 | 5 | 5 | 6 |
操作码，R型固定000000 |
源操作数寄存器编号1 | 源操作数寄存器编号2 | 目的操作数寄存器编号 | 移位指令的移位次数，非移位指令的为0 |
对于R型指令的子功能操作码 |
常用R型指令Funct字段取值
| 指令 | ADD | ADDU | SUB | SUBU | AND | OR | XOR | NOR | SLL | SRL | SLT |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Funct | 20H | 21H | 22H | 23H | 24H | 25H | 26H | 27H | 00H | 02H | 2AH |
I型指令¶
Immediate型指令，和立即数有关
| Opcode[31:26] | rs[25:21] | rt[20:16] | rd[15:0] |
|---|---|---|---|
| 6 | 5 | 5 | 16 |
| 操作码，表明该指令的功能 | 源操作数寄存器编号 | 目的操作数寄存器编号 | 立即数或偏移量 |
J型指令¶
Jump型指令，和控制转移有关。为实现远距离程序转移而设置
| Opcode[31:26] | rt[25:0] |
|---|---|
| 6 | 26 |
| 操作码，表明该指令的功能 | 目的操作数寄存器编号 |
- J指令无条件转移，将PC设置到一个新的32位地址
- JAL指令转移前先保存下一条指令的地址到
$ra中，然后再宠幸设置PC的值J型和JAL配合可实现函数的调用和返回。
第6章 中央处理器¶
处理器概述¶
CPU的主要功能¶
- 指令控制：按顺序执行指令。
- 操作控制：根据指令发出控制信号协助各部件完成指令
- 时序控制：定时的给出各种操作信号。
- 数据加工：对数据进行算术运算、逻辑运算等处理
- 中断控制：计算机运行过程中突发事件的处理能力