计组原理复习
存储程序并按地址顺序执行; 运算器 存储器 输入设备 输出设备 控制器
计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器输入输出设备及总线系统组成。而总线分为数据总线、地址总线、控制总线，其结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构。存储器 (Memory) 是用来存放数据和程序的部件运算器是对信息进行运算处理的部件，控制器是整个计算机的控制核心。负责协调控制各部件 它的主要功能是读取指令、翻译指令代码、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令;输入设备能将数据和程序变换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，并顺序地把它们送入存储器中;输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。
区分:取指周期取出的既为指令流向控制器,执行周期取出的既为数据流向运算器 1946 ANIAC埃尼阿克
超级计算机 大型机 服务器 pc机 单片机 多核机
CPI表示每条指令周期数 MIPS每秒执行百万条定点指令 FLOPS 表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量集齐浮点数操作
时间局部性: 最近被访问的信息可能还要被访问,
空间局部性: 最近被访问的信息邻近地址的信息也可能被访问。
Cpu内寄存器cache 主板内:cache主存 主板外:磁盘 光盘 离线:磁带
DRAM刷新:DRAM存储位元是基于电容器上的电 荷量存储信息的,① DRAM 的读操作是破坏性的，会使电容器上的电荷流失②而未读写的也要定期刷新，因为电荷会逐渐泄露而减少。
刷新⽅式: ①集中式刷新策略：每一个刷新周期中集中一段时间对DRAM的所有行进行刷新
②分散式刷新策略: 每⾏的刷新操作被均匀地分配到刷新周期时间内。
Cpu管理外围设备方式：1无条件传送方式(简单I/O方式)2程序查询方式3程序中断方式4直接内存访问方式5通道和输入/输出处理器
引入是为了解决CPU和主存之间的速度差异。1.直接映射：每个主存块只能映射到Cache的一个特定位置。2.组相联映射：Cache被划分为多个组，每个组包含多个Cache行。3.全相联映射：每个主存块可以映射到Cache的任意位置，没有固定的映射关系。
总线仲裁：①集中式仲裁（包含：链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式）每个功能模块两条线连接到总控制线，一条仲裁器的总线请求，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。当多个设备需要访问总线时，它们向中央控制器发送请求，控制器根据优先级或其他算法确定下一个获得总线访问权的设备。②分布式仲裁：不需要集中的总线仲裁器。每个设备都有自己的仲裁逻辑来决定是否获得总线访问权。多个设备同时请求总线访问时，它们会根据事先约定的优先级或仲裁算法来进行决策。
Cache写策略 全写法：当CPU对Cache写命中时，把数据同时写入Cache和主存 写回法：CPU对Cache写命中时，只修改Cache的内容，不立即写入主存，仅当此块被换出时才写回主存
CPU欲访问的信息已在Cache中的比率称为Cache的命中率。设一个程序执行期间Cache的总命中次数为Nc，访问主存的总次数为Nm,则命中率H=Nc/(Nc+Nm)
可见为提高访问效率，命中率H越接近1越好。设t为命中时的Cache访问时间，Tm为未命中时的访问时间，1-H表示未命中率，则Cache-主存系统的平均访问时间T为
Ta =HTc+(1-H)Tm（Tc是cache存取周期 Tm是主存存取周期）
隐含地址：
不明确给出操作数地址，而在指令中隐含操作数地址。立即寻址：
形式地址A中存放的就是操作数本身。只需访存1次。直接寻址：
指令中的形式地址A是操作数的真是地址EA。间接寻址：
形式地址A中给出的是操作数有效地址所在的地址。可以一次也可以多次间接寻址。寄存器寻址：
在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号。访存一次：仅取指令。寄存器间接寻址：
指在寄存器R中给出的是操作数所在主存单元的地址。两次访存：①取指②寻址。偏移寻址 相对寻址：
指程序计数器（PC）的内容加上指令格式中的形式地址A形成的操作数有效地址。A是相对于下一条指令（PC先+1）的位移量，可正负，补码表示偏移寻址 基址寻址：
将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A形成操作数的有效地址。EA=偏移寻址 变址寻址：
指有效地址A等于指令中形式地址A与变址寄存器IX的内容之和。EA=(IX)+A
堆栈寻址： 操作数存放在堆栈中，隐含SP栈顶作为操作数地址。
复杂指令系统计算机（CISC）
一条指令完成一个复杂的基本功能
复杂指令系统计算机（RISC)
一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。
1.CISC控制器大多采用微程序控制，即采用存储程序，设计好的指令提前存储。RISC控制器采用组合逻辑控制。
2.RISC更能提高运算速度。因为RISC采用流水线技术，指令数、寻址方式、指令格式种类少，所以运算速度快。
3.RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性。
4.RISC有利于编译程序代码优化。
运算器组成：
1.算术逻辑单元。2.暂存寄存器。3.累加寄存器。4.通用寄存器。5.程序状态寄存器。6.移位器。7.计数器。
单指令周期
对所有指令都选用相同的执行时间来完成，称为单指令周期方案。
每条指令都在固定时间内完成，指令之间串行执行（前一条完成才能执行下一条）。
指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。
2.多指令周期
对不同类型指令选用不同执行步骤完成，称为多指令周期方案。
指令间串行执行。指令需要几个周期就分配几个周期。
1.时钟周期：用时钟信号控制节拍发生器可产生节拍，每个节拍宽度正好等于一个时钟周期。每个节拍内机器可完成一个或几个需执行的操作。
2.机器周期：机器周期可视为所有指令执行的一个基准时间。访问一次存储器的时间是固定的，因此常用存取周期作为基准时间，即内存中读取一个指令字的最短时间作为机器周期。在存储字长=指令字长前提下，取指周期可视为机器周期。
指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
单字长二地址指令；操作码：2^6=64条指令；
寄存器-寄存器寻址，寻址速度快，这种指令通常是用算术逻辑指令RR
4．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
双字长二地址指令；可以表示 2^6=64条指令；寄存器-存储器寻址；有效地址通过变址求得：E=（变址寄存器）± D，变址寄存器可有16个。 RS
（1）操作数在寄存器中，为（ 寄存器直接）寻址方式。
（2）操作数地址在寄存器，为（ 寄存器间接）寻址方式。
（3）操作数在指令中，为（ 立即 ）寻址方式。
（4）操作数地址（主存）在指令中，为（ 直接）寻址方式
（5）操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和可以是（ 相对 基址 变址 ）寻址方式。
(2)流水线的实际吞吐量:执行20条指令共用5+1x19-24个流水周期共2400ns所以实际吞吐率为:
(3)流水线的加速比为:
设流水线操作周期为T
则n指令串行经过k个过程段的时间为n*k*T ;而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为(k+n-1)*T;故 20条指令经过5个过程段的加速比为:
1.程序查询方式：CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备。
2.程序中断方式：I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求时才给响应。
3.DMA方式：主存和IO设备间有一条直接数据通路，主存与IO设备交换信息时，无需调用中断服务。
4.通道方式：系统中设置通道控制部件。每个通道连接若干外设，执行IO命令时，只需启动相关通道，通道执行通道程序完成IO操作。
1.磁盘容量：一个磁盘所能存储的字节总数称磁盘容量。有非格式化和格式化之分。
2.记录密度：指盘片单位面积上记录的二进制信息量。以道密度，位密度，面密度表示。
3.平均存取时间：由寻道时间（磁头移动到目的磁道的时间），旋转延迟（定位到要读写扇区的时间），传输时间三部分构成。
4.数据传输率：磁盘在存储器单位时间内向主机传送数据的字节数。
某磁盘存储器的转速为3000r/min，共有4个记录
面，5道/mm，每道记录信息为12288B，最小磁道直径为230mm,共有275道，问:
(1)磁盘存储器的存储容量是多少
(2) 最大位密度，最小位密度是多少
(3)磁盘数据传输率是多少
(4)平均等待时间是多少
给出一个磁盘地址格式方案
（1）每道记录信息容量=12288字节，每个记录面信息容量=275×12288字节，共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为4×275×12288字节 = 13516800字节（2）最高位密度D1按最小磁道半径R1计算（R1 = 115mm）：D1 = 12288字节/2πR1= 17字节/mm最低位密度D2按最大磁道半径R2计算R2 = R1 +（275/5） = 115 + 55 = 170mmD2 = 12288字节/2πR2 = 字节/mm（3）磁盘数据传输率r = 3000/60 = 50周/秒N = 12288字节（每道信息容量）C = r×N = 50×12288 = 614400字节/秒（4）平均等待时间 = 1/2r = 1/2×50 = 1/100秒= 10毫秒（5）本地磁盘存储器假设只有一台。有4个记录面，每个记录面有275个磁道。假设每个扇区记录1024个字节，则需要12288字节/1024字节=12个扇区。
