计算机体系结构及其组成《计算机体系结构及其组成》全文大纲一机内代码及运算链接机内代码及运算 - 软考备战三-CSDN博客1.1 数的进制1.1.1 进制表示法十进制、二进制、八进制、十六进制的前缀与组成1.1.2 进制转换方法整数部分转换十进制转R进制除R取余法、R进制转十进制按权展开、二进制与八/十六进制互转分组转换小数部分转换十进制转R进制乘R取整法、R进制转十进制负幂次展开注意事项小数转换误差、取余/取整方向、位数对齐1.2 码制1.2.1 原码定义、0的表示不唯一、加减复杂1.2.2 反码正数同原码负数取反、0的表示不唯一1.2.3 补码反码1、0表示唯一、统一加减法简化硬件1.2.4 移码符号位取反的补码、用于浮点数阶码比较1.3 定点数和浮点数1.3.1 区别与对比小数点位置、表示范围、精度、运算复杂度、适用场景1.3.2 定点数的运算加减法补码运算规则与模运算乘法视为整数运算符号位单独处理溢出处理符号位溢出与数值位溢出逻辑运算与、或、非、异或1.3.3 浮点数的运算对阶 → 尾数运算 → 规格化 → 舍入 → 溢出处理1.4 BCD码及其运算1.4.1 定义与特点有权码8421/2421、无权码余3码/格雷码1.4.2 BCD码运算与修正加法结果9或进位时加6修正1.4.3 余3码8421码加3运算时的加减3修正规则1.5 文字符号的编码1.5.1 ASCII码7位/扩展8位、可显示字符与控制字符1.5.2 GB2312-80双字节、简体中文、区位码1.5.3 BIG5编码繁体中文、与GB2312不兼容1.5.4 GBK编码GB2312扩展、兼容BIG5、双字节1.5.5 GB18030-2000单/双/四字节、兼容GBK、支持少数民族文字1.5.6 Unicode与ISO10646全球统一代码点、UTF-8/16/32编码形式总结与对比表各编码标准的定义、方式、字符集与适用场景1.6 校验码基本概念码距汉明距离与检错/纠错能力的关系1.6.1 奇偶校验码垂直奇偶校验、水平奇偶校验1.6.2 海明码和恒比码校验位放在2的幂次位、公式 mk12^k、单比特纠错1.6.3 CRC循环冗余校验码多项式除法求余数、检错能力强二中央处理器、存储器链接中央处理器、存储器 - 软考备战四-CSDN博客2.1 中央处理器CPU1. 运算器ALU算术逻辑单元、ACC累加寄存器、DR数据缓冲寄存器、PSW状态条件寄存器2. 控制器PC程序计数器、IR指令寄存器、ID指令译码器、AR地址寄存器时序系统时钟周期、CPU周期机器周期、指令周期控制方式组合逻辑控制硬布线 vs 微程序控制微程序控制核心微命令、微操作、微指令、微程序微指令格式水平型微指令 vs 垂直型微指令3. 寄存器组通用寄存器 vs 专用寄存器2.2 存储系统层次结构1. 存储器三个特性速度、容量、位价2. 内存主存性能指标存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽分类RAMSRAM/DRAM、ROMPROM/EPROM/EEPROM、Flash、NVRAM基本结构存储体、存储单元、存储元件主存编址按字编址 vs 按字节编址、芯片数量计算公式3. 外存辅存硬盘HDD/SSD、软盘、光盘、磁带、闪存盘三输入/输出及其控制链接输入/输出及其控制 - 软考备战五-CSDN博客3.1 输入/输出设备1. 输入设备字符、图形图像、语音模拟、其他输入设备的工作过程2. 输出设备显示、打印绘图、语音影像、磁记录输出设备的工作过程3. 既是输入又是输出的设备硬盘、光盘、U盘、触摸屏、网卡3.2 输入输出系统I/O 系统定义与组成外围设备 输入输出控制系统三大特点异步性、实时性、设备无关性CPU与外设交换数据的基本过程输入过程、输出过程3.3 I/O 控制方式对比程序查询方式CPU主动轮询、效率最低程序中断方式外设主动请求、中断处理过程、效率较高DMA方式硬件控制、直接传送数据块、总线占有方式、效率最高通道/IOP方式独立处理器执行I/O程序、效率极高、用于大型机3.4 I/O 接口与编址方式I/O接口基本结构数据、状态、控制寄存器及译码逻辑编址方式对比统一编址存储器映射 vs 独立编址I/O映射如x86的IN/OUT3.5 常见输入/输出接口标准磁盘接口IDE、SCSI、SATA串行接口RS-232并行接口老式打印口USB (通用串行总线)IEEE 1394 (火线)3.6 联机、脱机和假脱机联机操作CPU直接控制脱机操作卫星机预处理减少主机等待假脱机技术SPOOLing输入井/输出井、预输入/缓输出、独占设备改共享四总线结构、指令流和数据流链接总线结构、指令流和数据流 - 软考备战六-CSDN博客4.4 总线仲裁集中式控制链式查询、计数器定时查询、独立请求方式的优缺点分布式控制4.1 三态门结构与作用解决多设备共享总线信号冲突高阻态概念与总线有效信号控制4.2 总线总线特性物理、功能、电气、时间特性总线分类按传输方式串行总线 vs 并行总线按功能片内总线、系统总线DB数据、AB地址、CB控制、外总线通信总线按时序控制同步总线 vs 异步总线按结构单总线、双总线、三总线、四总线桥接器结构及优缺点4.3 并行内总线VS并行外总线并行内总线系统总线/局部总线PC、ISA、EISA、PCI、AGP等并行外总线通信总线IEEE 1284、SCSI、IEEE 488及被串行取代的趋势4.5 可靠性计算指标MTTF平均失效前时间、MTTR平均修复时间、MTBF平均故障间隔时间可用性与可靠性函数A(t)、R(t)、M(t) 计算公式三种系统可靠性计算串联系统乘积、并联系统1减失效概率乘积、混合型系统4.6 指令流水线技术基本概念指令流、时间并行与空间并行典型五级流水线IF取指 → ID译码 → EX执行 → MEM访存 → WB写回性能指标执行时间、吞吐率(TP)、加速比(S)、效率(η)及对应公式流水线冒险结构冒险资源冲突、资源重复设置数据冒险RAW/WAR/WAW、数据转发/旁路、Load-Use阻塞控制冒险分支预测、延迟分支/延迟槽4.7 数据流三个视角计算机系统视角组件间传递、大数据流式计算视角持续到达、通信/字节流视角组成要素数据源、传输通道、处理节点、目的地、控制信息分类按方向输入/输出、按内容业务/日志/多媒体、按处理实时/批/微批主要特点动态连续、有序时序、高速大容量、一次存取表示方法数据流图DFD四大基本元素外部实体、加工、数据存储、数据流逻辑DFD vs 物理DFD分层结构顶层DFD、第0层、第1层...底层的原子加工4.8 计算机的分类Flynn分类法基于指令流、数据流、多倍性SISD单指令流单数据流传统单核SIMD单指令流多数据流GPU/阵列机MISD多指令流单数据流理论模型MIMD多指令流多数据流多核/分布式按程序流程机制分类控制流计算机、数据流计算机、归约机五指令系统链接指令系统 - 软考备战七-CSDN博客5.1 基础知识1. 指令概论组成操作码 地址码按地址数量分类零/一/二/三/四地址指令按长度分类定长指令字 vs 变长指令字扩展操作码2. 寻址方式指令寻址顺序寻址PC1 vs 跳跃寻址数据寻址立即、直接、隐含、间接、寄存器、寄存器间接、基址、变址、相对、堆栈寻址3. 指令类型数据传送类MOV、堆栈操作PUSH/POP、数据交换运算类算术、逻辑、移位指令程序控制类转移JMP/条件转移、子程序调用CALL/返回RET输入/输出指令独立编址IN/OUT vs 统一编址MOV5.2 CISC和RISC对比指令系统、长度、寻址方式、执行时间、硬件实现、访存方式、典型代表RISC的优势与特点适合VLSI、硬布线逻辑控制、大量通用寄存器重叠寄存器窗口、流水线技术、Load/Store架构、对编译器要求高5.3 ARM处理器简介特点低功耗、高性能、低成本应用领域移动端、嵌入式、现进入PC/服务器架构32位ARM指令集 16位Thumb压缩指令集六并行处理技术和并行处理机链接并行处理技术和并行处理机 - 软考备战八_位串字串 位并字串-CSDN博客6.1 概念并行性 vs 并发性控制并行 vs 数据并行粒度粗、中、细粒度时延与并行度6.2 并行性的等级处理数据的角度字串位串 → 字串位并 → 字并位串 → 全并行执行程序的角度指令内部并行 → 指令级并行 → 任务/过程级并行 → 作业/程序级并行6.3 提高计算机并行性的措施时间重叠流水线技术时间并行资源重复多核/多处理单元空间并行资源共享分时系统提高并发性6.4 并行处理机性能参数PE数量、峰值性能、通信带宽与时延结构分类分布式存储并行处理PE有独立本地存储点对点通信共享式分布处理PE共享全局主存易冲突需交叉编址特点强大的向量运算能力适合大型数组/矩阵使用资源重复的并行方式空间并行标量运算作用需配备标量处理机负责控制流和标量操作编译系统依赖极度依赖编译器的向量化自动识别能力