计算机系统结构和体系（计算机组成与体系结构）

在程序的执行过程中，Cache与主存的地址映射是由硬件自动完成的。

PV操作可以查看：https://blog.csdn.net/m0_37063785/article/details/88802580

流水线周期

流水线指令中耗时最长的即为流水线周期。

指令的流水处理

流水方式。流水方式是模仿工业生产过程的流水线（如汽车装配线）而提出的一种指令控制方式。流水（pipelining）技术是把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。如图1-3所示。

n条指令按照流水方式执行所需总时间为：

1条指令执行时间 (n-1)*流水线周期

例：

将一条指令的执行过程分解为取指、分析和执行三步，按照流水方式执行，若取指时间t取指=4△t、分析时间t分析=2△t、执行时间t执行=3△t，则执行完100条指令，需要的时间为（ ）△t。 （5）A．200 B.300 C.400 D.405

试题分析

第一条指令执行时间 (指令数-1)*各指令段执行时间中最大的执行时间。 4△t 3△t 2△t （100-1）X 4△t = 405△t

内存地址计算

内存按字节编址。若用存储容量为32Kx8bit的存储器芯片构成地址从A0000H到DFFFFH的内存，则至少需要（ 8 ）片芯片。

分析

1B=8bit

DFFFFH – A0000H 1 = 40000H=2^18B,

32KB=2^5*2^10B=2^15B,

2^18B/2^15B=2^3=8片。

概念主存

DRAM：动态随机存取存储器;

SRAM: 静态随机存取存储器;

Cache: 高速缓存;

EEPROM: 电可擦可编程只读存储器。

计算机系统的主存主要是由（ DRAM）构成的。

编码

海明码

设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足关系： 2ᵏ-1>=n k

设有数据为8位，那么 2⁴-1=15>8 4=12,则校验位为4位，即这个海明码长12位

那么2⁰=1，2¹=2，2²=4，2³=8为校验位

奇偶校验码（Parity Codes）

奇偶校验是一种简单有效的校验方法。这种方法通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验），从而使码距变为2。对于奇校验，它可以检测代码中奇数位出错的编码，但不能发现偶数位出错的情况，即当合法编码中奇数位发生了错误，即编码中的1变成0或0变成1，则该编码中1的个数的奇偶性就发生了变化，从而可以发现错误。

常用的奇偶校验码有三种：水平奇偶校验码、垂直奇偶校验码和水平垂直校验码。

逻辑运算数据的表示原码、反码、补码、移码

原码 直接转换的二进制，最高位为符号位，无法进行算术运算 范围：-(2^(n-1)-1)~2^(n-1)-1，n=8,-127~127

反码 正数与原码相同；负数，除符号位外，按位取反 范围：-(2^(n-1)-1)~2^(n-1)-1，n=8,-127~127

补码 正数与原码相同；负数=反码 1 范围：-2^(n-1)~2^(n-1)-1，n=8,-128~127

移码：对补码首位取反，用于浮点运算

浮点数 N=M*R^e M为尾数 e是指数 R为基数 对阶-尾数计算-结果格式化

计算机结构

计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。

CPU

运算器、控制器等部件被集成在一起统称为中央处理元（Central Processing Unit, CPU）

CPU的功能

（1）程序控制。CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是CPU的重要职能。

（2）操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

（3）时间控制。CPU对各种操作进行时间上的控制，这就是时间控制。CPU对每条指令的整个执行时间要进行严格控制。同时，指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。

（4）数据处理。CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果被人们所利用。所以，对数据的加工处理是CPU最根本的任务。

1）运算器

（1）算术逻辑单元。ALU是运算器的重要组成部件，负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

（2）累加寄存器（AC）。当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

（3）数据缓冲寄存器（DR）。在对内存储器进行读写操作时，用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字，将不同时间段内读写的数据隔离开来。DR的主要作用为：作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站；作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲；在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。

（4）状态条件寄存器（PSW）。PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，主要分为状态标志和控制标志。

2）控制器

程序计数器PC Program Counter 指令寄存器IR Instruction Register 指令译码器 ID Instruction Decoder 时序部件

Flynn分类法

MISD（多指令流单数据流）：被证明不可行，没有实际应用

指令集

CISC (Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机)

指令：指令集庞杂，各指令使用频率差别大，指令可变长格式

寻址方式：支持多种

实现方式：微程序控制技术（微码）

其它：研制周期长

RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）

指令：通过减少指令总数和简化指令功能，降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行。操作寄存器，只有Load/Store操作内存

寻址方式：支持方式少

实现方式：增加了通用寄存器，硬布线逻辑控制为主，适合采用流水线

其它：优化编译，有效支持高级语言

真题

1.将一条指令的执行过程分解为取指、分析和执行三步，按照流水方式执行，若取指时间t取指=4△t、分析时间t分析=2△t、执行时间t执行=3△t，则执行完100条指令，需要的时间为（ ）△t。

分析

第一条指令执行时间 (指令数-1)*各指令段执行时间中最大的执行时间。 4△t 3△t 2△t （100-1）X 4△t = 405△t

2.在机器指令的地址字段中，直接指出操作数本身的寻址方式称为（ C ）。 （4）A．隐含寻址 B.寄存器寻址 C.立即寻址 D.直接寻址

试题分析

立即寻址是一种特殊的寻址方式，指令中在操作码字段后面的部分不是通常意义上的操作数地址，而是操作数本身，也就是说数据就包含在指令中，只要取出指令，也就取出了可以立即使用的操作数。 在直接寻址中，指令中地址码字段给出的地址A就是操作数的有效地址，即形式地址等于有效地址。 间接寻址意味着指令中给出的地址A不是操作数的地址，而是存放操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。 寄存器寻址指令的地址码部分给出了某一个通用寄存器的编号Ri，这个指定的寄存器中存放着操作数。

3.Cache的地址映像方式中，发生块冲突次数最小的是（ ）。

全相联映像块冲突最小，其次为组相联映像，直接映像块冲突最大。

4.三总线结构的计算机总线系统由（ ）组成。

B.数据总线、地址总线和控制总线

5.属于CPU中算术逻辑单元的部件是（ ）。

B.加法器

试题分析

运算器：

① 算术逻辑单元ALU

② 累加寄存器

③ 数据缓冲寄存器

④ 状态条件寄存器

控制器：

① 程序计数器PC

② 指令寄存器IR

③ 指令译码器

④ 时序部件

6.在屏蔽软件错误的容错系统中，冗佘附加技术的构成不包括（ ）。

A．关键程序和数据的冗余存储及调用

试题分析

主要的冗余技术有结构冗余（硬件冗余和软件冗余）、信息冗余、时间冗余和冗余附加四种。

4．冗余附加 冗余附加是指为实现上述冗余技术所需的资源和技术，包括程序、指令、数据，以及存放和调用它们的空间等。

7.在CPU中，（ ）不仅要保证指令的正确执行，还要能够处理异常事件。

B.控制器

8.循环冗余校验码（CRC）利用生成多项式进行编码。设数据位为k位，校验位为r位，则CRC码的格式为（ ）。

A．k个数据位之后跟r个校验位

试题分析

循环冗余校验码在进行编码时，其编码的结果由数据位 校验位组成，其中数据位在前，而校验位在后。

9.（ C ）不属于按寻址方式划分的一类存储器。

A．随机存储器 B.顺序存储器 C.相联存储器 D.直接存储器

试题分析

相联存储器是一种按存储内容来存储和访问的存储器，不属于按寻址方式划分的存储器。

1. CPU中译码器的主要作用是进行（ B ）。

A．地址译码 B.指令译码 C.数据译码 D.选择多路数据至ALU

试题分析

在计算机中，通常都是二进制代码，如果我们要将一个信息放到计算机中去表述，就都需要将其编码为二进制代码，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。而译码就是编码的逆过程。 CPU中的译码器的主要作用是对指令进行译码。

11.在计算机系统中采用总线结构，便于实现系统的积木化构造，同时可以（ C ）。

A．提高数据传输速度 B.提高数据传输量 C.减少信息传输线的数量 D.减少指令系统的复杂性

12.编写汇编语言程序时，下列寄存器中程序员可访问的是（ A ）。

A．程序计数器(PC)

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