计算机组成原理:408考研|王道|学习笔记II

系列目录

计算机组成原理 学习笔记I
计算机组成原理 学习笔记II


目录

  • 系列目录
  • 第四章 指令系统
    • 4.1 指令系统
      • 4.1.1 指令格式
      • 4.1.2 扩展操作码指令格式
    • 4.2 指令的寻址方式
      • 4.2_1 指令寻址
      • 4.2_2 数据寻址
    • 4.3 程序的机器级代码表示
      • 4.3.1 高级语言与机器级代码之间的对应
      • 4.3.2 常用的x86汇编指令
      • 4.3.3 AT&T格式和Inter格式
    • 4.4 CISC 和 RISC 的基本表示
  • 第5章 中央处理器
    • 5.1 CPU的功能和基本结构
    • 5.2 指令执行过程
    • 5.3 数据通路的功能和基本结构
      • 5.3.1 数据通路-单总线结构
      • 5.3.2 数据通路-专用通路结构
    • 5.4 控制器的功能和工作原理
    • 5.5 异常和中断处理(详见OS)
    • 5.6 指令流水线
    • 5.7 多处理器的基本概念
      • 5.7.1 SISD、SIMD、MIMD向量处理器的基本概念
      • 5.7.2 共享内存多处理器(Shared Memory multiProcessor, SMP) 的基本概念
      • 5.7.3 多核处理器(multicore)的基本概念
  • 第6章 总线
    • 6.1 总线概述
    • 6.2 总线操作(事务)和定时
    • 6.3 总线仲裁与总线标准(408不考)
  • 第7章 输入/输出系统
    • 7.1 I/O 系统的基本概念
    • 7.2 I/O 接口
    • 7.3 I/O 方式🌟
      • 7.3.1 程序查询方式
      • 7.3.2 程序中断方式
      • 7.3.3 DMA方式🌟🌟🌟


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第四章 指令系统

4.1 指令系统

4.1.1 指令格式

  • 指令的定义
    • 指令,又称机器指令,是计算机运行的最小功能单位
    • 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统,又称指令集
    • 不能执行其他指令系统的指令——x86架构、ARM架构
  • 指令格式
    • (一条指令)指令=操作码(OP)字段+地址码(A)字段(可能有多个)
  • 🌟指令的分类
    • 地址码数目分类
      • 零地址指令
        • 零地址(指令)的运算类指令又称堆栈运算类指令,两个操作数隐含在栈顶和次栈顶
        • ⚠️堆栈指令的访存次数
      • 一地址指令
      • 二、三地址指令
      • 四地址指令
    • 指令字长分类
      • 定长指令字结构
        • 半字长指令
        • 单字长指令
        • 双字长指令
      • 变长指令字结构
    • 操作码长度分类
      • 定长操作码
      • 可变长操作码(不定长操作码)
        • 定长指令字结构+可变长操作码->扩展操作码指令格式
    • 操作类型分类
      • 数据传送类:进行主存与CPU之间的数据传送
        • LOAD
          • 作用:用指令将数据从主存读到某寄存器中
        • STORE
          • 作用:用指令将数据从某寄存器中写入主存
      • 运算类
        • 算术逻辑操作
          • 算术
          • 逻辑
        • 移位操作
          • 算数移位
          • 逻辑移位
          • 循环移位(带进位和不带进位)
      • 程序控制类:改变程序执行的顺序
        • 转移操作
          • 无条件转移 JMP
          • 条件转移
            • JZ:结果为0
            • JO:结果溢出
            • JC:结果有进位
          • 调用和返回 CALL和RETURN
          • 陷阱(Trap)与陷阱指令
          • 循环指令
      • 输入输出类(I/O):进行CPU和I/O设备之间的数据传送
        • 输入输出操作
          • CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)

4.1.2 扩展操作码指令格式

定长指令字结构+可变长操作码->扩展操作码指令格式(不同地址数的指令使用不同长度的操作码)

  • 扩展操作码
    • 举例1——指令字长为16位,每个地址码占4位
    • 举例2
  • 指令(的)操作码
    • 操作码分类
      • 定长操作码
      • 扩展操作码(不定长操作码)

4.2 指令的寻址方式

4.2_1 指令寻址

⚠️每一条指令的执行都分为“取指令”、“执行指令”两个阶段

  • 指令寻址
    • 确定下一条要执行的指令的存放地址
    • 由程序计数器PC指明
  • 指令寻址的分类
    • 顺序寻址
      • (PC) + ‘‘1’’ ——> PC
      • 此处的"1"要理解为1个指令字长
      • 每次取指令结束后,一定会PC+“1”
    • 跳跃寻址
      • 执行转移类指令导致的PC值改变

4.2_2 数据寻址

|操作码(OP) | 地址码(A)|

  • 按寻址方式的不同
    • 指令寻址
      下一条欲执行指令的指令地址
      始终由程序计数器PC给出
      • 顺序寻址
      • 跳跃寻址
    • 数据寻址
      • 分类(10种)
        • 隐含寻址(0000)
        • 立即寻址(0001)
        • 直接寻址(0010)
        • 间接寻址(0011)
        • 寄存器寻址(0100)
        • 寄存器间接寻址(0101)
        • 相对寻址(0110)
        • 基址寻址(0111)
        • 变址寻址(1000)
        • 堆栈寻址(1001)
      • 地址码拓展
        • 一地址指令
          • |操作码(OP)|寻址特征|形式地址(A)|
          • 求出操作数的真实地址,称为有效地址(EA)
        • 二地址指令
          • |操作码(OP)|寻址地址|形式地址( A 1 A_1 A1)|寻址地址|形式地址( A 2 A_2 A2)|
      • 直接寻址
      • 间接寻址
        • 一次间址
        • 两次间址
      • 寄存器寻址(不访问主存,只访问寄存器)
      • 寄存器间接寻址(比一般间接寻址快)
      • 隐含寻址(指令中隐含着操作数的地址)
      • 立即寻址(指令执行时间最短)
        • 形式地址A就是操作数本身,又称为立即数(如汇编语言中,LOAD # 985,#表示立即寻址特征),一般采用补码形式
          在这里插入图片描述

4.3 程序的机器级代码表示

4.3.1 高级语言与机器级代码之间的对应

4.3.2 常用的x86汇编指令

4.3.3 AT&T格式和Inter格式

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

4.4 CISC 和 RISC 的基本表示

CISC:Complex Instruction Set Computer
RISC:Reduced Instruction Set Computer
在这里插入图片描述



第5章 中央处理器

5.1 CPU的功能和基本结构

用户不可见的寄存器:MAR、MDR、IR、暂存寄存器

  • CPU的功能
    • 指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理
  • 运算器的功能
    • 对数据进行加工
  • 控制器的功能
    • 取指令、分析指令、执行指令
  • 运算器的基本结构
    • 算术逻辑单元ALU
    • 暂存寄存器
    • 通用寄存器组
    • 累加寄存器ACC
    • 程序状态字寄存器PSW
    • 移位器、计数器
  • 数据通路的基本结构
    管理多条通路:多路选择器MUX与三态门
    • 专用通路
    • 内部总线
  • 控制器的基本结构
    • 程序计数器PC
    • 指令寄存器IR
    • 指令译码器、时序系统、微操作信号发生器
    • 存储器地址寄存器MAR
    • 存储器数据寄存器MDR

5.2 指令执行过程

  • 指令周期
    • 机器周期/CPU周期——CPU时钟周期/节拍
    • 取指周期、间址周期、执行周期、中断周期
    • 标志触发器FE、IND、EX、INT
  • 数据流
    • 取指周期:取指令——根据PC中的内容取出指令代码并存放在IR中
    • 间址周期:取操作数有效地址EA——根据IR中指令地址码操作数有效地址
    • 执行周期:取操作数——根据指令字的操作码和操作数进行相应的操作
    • 中断周期:处理中断请求,保存程序断点,送中断向量
  • 执行方案
    • 单指令周期:所有指令选用相同的执行时间,指令间串行
    • 多指令周期:不同类型指令选用不同的执行步骤,指令间串行
    • 流水线方案:隔一段时间启动一条指令,多条指令处于不同阶段,同时运行

5.3 数据通路的功能和基本结构

5.3.1 数据通路-单总线结构

ALU需要配合暂存器使用

  • 数据通路
    • 定义:数据在功能部件之间传送的路径
    • 基本结构:
      • CPU内部单总线方式
      • CPU内部多总线方式
      • 专用数据通路方式
  • 内部总线:指同一部件,如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线
  • 系统总线:指同一计算机系统的各部件,如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线

5.3.2 数据通路-专用通路结构

多路选择器MUX与三态门
见PPT例题

5.4 控制器的功能和工作原理

  • 硬布线控制器(计组TOP3难度 但并非重点)
  • 微程序控制器(考试重点,且有概率出大题)
    • 控制单元CU的结构
      • 微地址形成部件
        • 微地址即微指令在CM中的存放地址
        • 通过指令操作码形成对应微程序的第一条微指令的存放地址
      • 顺序逻辑
        • 根据某些机器标志和时序信息确定下一条微指令的存放地址
      • CMAR(µIR)
        • 指明将要执行的下一条微指令(在主存中)的存放地址
      • 地址译码器
        • 将CMAR内的地址信息译码为电信号,控制CM读出微指令
      • 控制存储器(控存)CM
        • 存放所有机器指令对应的微程序(微指令序列)
        • 集成在CU内部,用ROM实现,按地址寻访
        • 通常在CPU出厂时就将所有微程序写入
      • CMDR(µIR)
        • 微指令寄存器,用于存放当前正在执行的微指令
        • CM(µPC)——>µIR
    • 工作原理
      • 指令周期=取指周期——>间址周期——>执行周期——>中断周期
        其中间址、中断周期可有可无
      • 处理取指、间址、中断周期的微指令序列通常是公用的(指令相同)
        指令周期的微指令序列各不相同
      • 取指周期的微指令序列固定从#0开始存放
        执行周期的微指令序列的存放根据指令操作码确定
    • 概念对比
      • 微命令、微操作、微指令、微程序之间的关系
        1个指令对应1个微程序
      • 指令周期:从主存取出并执行一条机器指令所需的时间
      • 微周期(微指令周期):从控制器存储器取出一条微指令并执行相应微操作所需的时间
  • 微指令的设计
    • 微指令格式
      • 水平型微指令
      • 垂直型微指令
      • 混合型微指令
    • 水平型微指令的编码方式
      • 🌟直接编码(直接控制)
        • 控制码的每个bit对应一个微命令,微指令执行速度更快
      • 🌟字段直接编码
        • 将互斥性的微命令分在同一个段内,相容的分在不同的段
        • 每个段留出一个状态表示“不操作”
        • 微指令操作码需要经过译码电路
      • 字段间接编码
    • 下一条微指令地址的形成方式
      • 🌟断定法(下地址法)
      • 🌟计数器法
      • 根据指令操作码确定执行周期微程序首地址
      • 由专门的硬件指明取指/中断周期的微程序首地址

5.5 异常和中断处理(详见OS)

5.6 指令流水线

  • 基本概念
    • 指令执行过程划分为不同阶段,占用不同的资源,就能使多条指令同时执行
    • 表示方法
      • 指令流程图:主要用于分析影响流水线的因素
      • 时空图:主要用于分析流水线的性能
  • 性能指标
    • 吞吐率TP
    • 加速比S
    • 效率E
  • 影响因素
    • 结构相关(资源冲突)
      多条指令争用同一资源
      解决方法:
      • 暂停相关指令
      • 资源重复配置
    • 🌟数据相关(数据冲突)
      后续指令需要用到之前指令的执行结果
      解决方法:
      • 暂停相关指令
        • 硬件阻塞(stall)——根据指令流程图分析耗时
        • 软件插入"NOP"
      • 数据旁路技术
      • 编译优化,调整指令顺序
    • 控制相关(控制冲突)
      遇到转移指令和其他改变PC值的指令时发生
      解决方法:
      • 分支预测
      • 预取两个方向的指令
      • 加快和提前形成条件码
      • 提高转移方向的猜准率
  • 分类
    • 按使用级别:部件功能级、处理机级、处理机间
    • 按完成功能:单功能、多功能
    • 按连接方式:动态、静态
    • 按有无反馈信号:线性、非线性
  • 多发技术
    • 超标量流水线技术
    • 超流水线技术
    • 超长指令字技术

5.7 多处理器的基本概念

5.7.1 SISD、SIMD、MIMD向量处理器的基本概念

  • SISD单指令流单数据流
  • SIMD单指令流多数据流
  • MISD多指令流单数据流
  • MIMD多指令流多数据流
  • 向量处理器(SIMD思想的进阶应用)

5.7.2 共享内存多处理器(Shared Memory multiProcessor, SMP) 的基本概念

多处理器系统(简称)

5.7.3 多核处理器(multicore)的基本概念

和共享内存多处理器是同一个东西,命名角度不同



第6章 总线

6.1 总线概述

  • 总线概念与分类
  • 总线的性能指标
    • 总线的传输周期(总线周期)
    • 总线时钟周期
    • 总线的工作频率
    • 总线的时钟频率
    • 总线宽度
    • 总线带宽
    • 总线复用
    • 信号线数

6.2 总线操作(事务)和定时

  • 总线传输的四个阶段
    • 申请分配阶段
    • 寻址阶段
    • 传输阶段
    • 结束阶段
  • 定时
    • 同步定时方式(同步通信)
    • 异步定时方式(异步通信)——不互锁、半互锁、全互锁
    • 半同步通信
    • 分离式通信

6.3 总线仲裁与总线标准(408不考)



第7章 输入/输出系统

7.1 I/O 系统的基本概念

  • 基本概念
    • IO硬件
      输入设备、输出设备、 外存设备、I/O接口(I/O控制器)
    • IO软件
      • IO指令
        CPU执行的指令,用于控制IO接口或控制通道
      • 通道指令
        通道执行的指令,与CPU机器指令不是一套东西
  • I/O控制方式
    • 程序查询方式
      CPU“忙等”慢速设备完成工作,二者串行工作
    • 程序中断方式
      设备准备数据时,CPU继续工作,设备准备好之后向CPU发出中断请求,CPU在指令周期的末位检查中断并作出中断响应(执行中断处理程序)
    • DMA方式
      主存与IO交换信息时由DMA控制器控制,传输完一整块数据才需要中断
    • 通道方式
      通过IO指令启动通道,通道执行通道指令序列,通道程序放在主存中

7.2 I/O 接口

  • 作用与结构
    作用:
    在这里插入图片描述 结构:

    • 数据缓冲寄存器(DBR)
    • 状态/控制寄存器
    • 串-并转换机构
    • I/O控制逻辑
    • 地址译码逻辑
  • I/O端口
    在这里插入图片描述

    • 指IO控制器(接口电路)中可被CPU直接访问的寄存器
    • 统一编制:IO端口和主存地址空间统一,用访存指令访问IO端口
    • 独立编制:IO端口地址与主存地址相互独立,用IO指令访问IO端口
  • 分类

    • 按数据传送方式
      • 并行接口
      • 串行接口
    • 按主机访问I/O设备的控制方式
      • 程序查询接口
      • 中断接口
      • DMA接口
    • 按功能选择的灵活性
      • 可编程接口
      • 不可编程接口

7.3 I/O 方式🌟

在这里插入图片描述

7.3.1 程序查询方式

在这里插入图片描述

7.3.2 程序中断方式

  • 程序中断方式
    • 中断系统
      • 中断的基本概念

      • 工作流程

        • 中断请求
          ![[截屏2024-07-10 19.35.42.png]]
          • 分类
            • 内中断(又称异常、例外、陷入)
              • 自愿中断——指令中断
              • 强迫中断
                • 硬件故障
                • 软件中断
            • 外中断(中断)
              • 外设请求
              • 人工干预
          • 中断请求标记触发器INTR
        • 中断响应
          • 响应中断的条件
          • 中断判优
            • 软件:查询程序
            • 硬件:排队器
            • 优先级的设置
        • 中断处理
          • 中断隐指令
            • 关中断
            • 保存断点(PC)
            • 引出中断服务程序
              • 软件查询法
              • 硬件向量法——中断向量
          • 中断服务程序
      • 单重中断与多重中断
        在这里插入图片描述

        • 中断服务程序的具体步骤
        • 中断屏蔽技术
          • 屏蔽字
          • 程序执行轨迹
    • 程序中断方式
      • 工作流程
      • CPU占用情况
        • 中断响应(隐指令)
        • 中断服务程序

7.3.3 DMA方式🌟🌟🌟

  • DMA控制器
    • 主要功能
      • 传送前:接收外设的DMA请求,向CPU发出总线请求;接管总线控制权
      • 传送时:管理总线,控制数据传送;确定主存单元地址及长度,能自动修改对应参数
      • 传送后:向CPU报告DMA操作的结束
    • 组成
      • 主存地址计数器:存放要交换数据的主存地址
      • 传送长度计数器:记录传送数据的长度
      • 数据缓冲寄存器:暂存每次传送的数据
      • DMA请求触发器:设置准备好数据后将其置位
      • 控制/状态逻辑:由控制和时许电路及状态标志组成
      • 中断机构:数据传送完毕后触发中断机构,提出中断请求
  • 传送过程
    • 预处理:CPU完成寄存器初值设置等准备工作
    • 数据传送:CPU继续执行主程序,DMA控制器完成数据传送
    • 后处理:CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
  • 传送方式
    • 停止CPU访存:需要数据传送时,停止CPU访存,总线控制权交给DMA控制器
    • 交替访存:将CPU周期分为DMA访存和CPU访存两个部分
    • 周期挪用(周期窃取):I/O设备需要访存时,挪用一个或几个存取周期
  • 特点
  • 与中断方式的区别
  • CPU占用情况

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Let‘s Encrypt性价比最高的申请SSL证书

SSL/TLS证书作为确保网站数据传输安全性的重要手段&#xff0c;受到了广大网站运营者的青睐。然而&#xff0c;高昂的证书费用往往成为许多小型网站和个人博客的负担。 申请Lets Encrypt免费泛域名SSL证书步骤 1. 登录来此加密网站&#xff0c;输入域名&#xff0c;可以勾选泛…

二分查找算法【折半查找算法】

二分查找算法 二分查找算法&#xff0c;也称为折半查找&#xff0c;是一种在有序数组中查找特定元素的高效算法。它的工作原理是通过不断地将搜索区间减半来缩小目标值可能存在的范围&#xff0c;直至找到目标值或确定目标值不存在于数组中。二分查找的关键在于每次比较都能排…

节点流与处理流:深入解析Java中的IO流

节点流与处理流&#xff1a;深入解析Java中的IO流 1、节点流&#xff08;Node Stream&#xff09;1.1 定义1.2 好处1.3 示例 2、处理流&#xff08;Processing Stream&#xff09;2.1 定义2.2 好处2.3 创建特征2.4 示例 3、总结 &#x1f496;The Begin&#x1f496;点点关注&…

国产大模型第一梯队玩家,为什么pick了CPU?

AI一天&#xff0c;人间一年。 现在不论是大模型本身&#xff0c;亦或是AI应用的更新速度简直令人直呼跟不上—— Sora、Suno、Udio、Luma……重磅应用一个接一个问世。 也正如来自InfoQ的调查数据显示的那般&#xff0c;虽然AIGC目前还处于起步阶段&#xff0c;但市场规模已…

Java方法入门(006)

♦️方法的概念 什么是方法&#xff1f; 方法是将一组完成特定功能的代码整合在一起&#xff0c;以达到简化开发&#xff0c;减少代码耦合&#xff0c;提高代码复用性的结构&#xff0c;类似与C语言中的函数。方法是程序中最小的执行单元&#xff0c;可降低代码的重复性。 如用…

前后端如何实现非对称加解密-使用RSA为例讲解!

写在最前面&#xff0c;RSA是一种非对称加密算法&#xff0c;使用不同的公钥和私钥进行加密和解密。 下面是使用RSA进行加密和解密的代码示例&#xff1a; 前端&#xff1a;使用CryptoJS进行RSA加密 在前端JavaScript中&#xff0c;使用jsencrypt库来进行RSA加密&#xff1a…

MT3046 愤怒的象棚

思路&#xff1a; a[]存愤怒值&#xff1b;b[i]存以i结尾的&#xff0c;窗口里的最大值&#xff1b;c[i]存以i结尾的&#xff0c;窗口里面包含✳的最大值。 &#xff08;✳为新大象的位置&#xff09; 例&#xff1a;1 2 3 4 ✳ 5 6 7 8 9 则ans的计算公式b3b4c4c5c6b7b8b9…

从0开始的STM32HAL库学习1

基础外设初始化配置步骤 本学习以stm32f103c8t6为主控芯片学习。配合DMK-Keil使用&#xff0c;因为cubeide我还没找到很好的教程&#xff0c;而且用了几次发现不会用&#xff0c;所以还是先学习hal库&#xff0c;等hal库学习完之后再用学习使用cubeide&#xff0c;两者使用应该…

16. Revit API: Family、FamilySymbol、FamilyInstance

前言 前面写着一直絮絮叨叨&#xff0c;感觉不好。想找些表情包来&#xff0c;写得好玩点&#xff0c;但找不到合适的&#xff0c;或者说耗时费力又不满意&#xff0c;而自个儿又做不来表情包&#xff0c;就算了。 其次呢&#xff0c;之前会把部分类成员给抄表列出来&#xf…

短视频矩阵系统多账号搭建技术源码(saas开发者技术独立搭建)

在构建云服务环境以部署虚拟机方面&#xff0c;以Amazon Web Services&#xff08;AWS&#xff09;为示例&#xff0c;需采购并配置适当数量的EC2实例以及相关网络设施。 接下来&#xff0c;根据业务需求&#xff0c;应创建多个社交媒体平台如抖音和快手的官方账户&#xff0c;…

基于springboot+mybatis学生管理系统

基于springbootmybatis学生管理系统 简介&#xff1a; 题目虽然是学生管理系统&#xff0c;但功能包含(学生&#xff0c;教师&#xff0c;管理员),项目基于springboot2.1.x实现的管理系统。 编译环境 &#xff1a; jdk 1.8 mysql 5.5 tomcat 7 框架 &#xff1a; springboot…

Postman使用教程【项目实战】

目录 引言软件下载及安装项目开发流程1. 创建项目2. 创建集合(理解为&#xff1a;功能模块)3. 设置环境变量&#xff0c;4. 创建请求5. 测试脚本6. 响应分析7. 共享与协作 结语 引言 Postman 是一款功能强大的 API 开发工具&#xff0c;它可以帮助开发者测试、开发和调试 API。…