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第一章计算机系统基础知识

1、逻辑运算

2、数的表示

3、总线系统

5、流水线

6、存储器

7、可靠性、校验码   

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第一章计算机系统基础知识

1、逻辑运算

与：有0则0，全1才1

或：有1则1，全0才0

异或：相同为0，不同为1

例1：内存按字节编址从A5000H到DCFFFH区域其内存容量为？

解：DCFFFH-A5000H+1

=DCFFFH+1-A5000H

=DD000H-A5000H

=38000H=3*16^4+8*16^3

=3*2^16+8*2^12=(192+32)*2^10=224k

例2：内存按字节编址，地址从90000H到CFFFFH，若用存储容量为16K*8bit的存储器芯片构成该内存，至少需要多少片？

技巧：总片数=总容量/每片容量

解：CFFFFH-90000H+1

=D0000H-90000H

=40000H    ———>需要转换成十进制

=4*16^4

=4*2^16               

=4*2^6K

  

2、数的表示

                （+1）        （-1）      （+1）+（-1）

原码： 0000 0001     1000 0001       1000 0010

反码： 0000 0001     1111 1110       1111 1111

补码： 0000 0001     1111 1111       0000 0000

移码： 1000 0001     0111 1111       1000 0000

计算机的基本组成

运算器

1. 算术逻辑单元ALU：数据的算术运算和逻辑运算
2. 累加寄存器AC：为ALU提供一个工作区，暂存数据
3. 数据缓冲寄存器DR：写内存时，暂存指令或数据
4. 状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志

控制器

1. 程序计数器PC：存储下一条要执行的指令地址
2. 指令寄存器IR：存储即将执行的指令
3. 指令译码器ID：对指令进行分析
4. 时序部件：提供时序控制信号指令中的操作码字段

3、总线系统

 性能指标：带宽B/s=位宽bit×工作频率 1/s   

一条总线同一时刻仅允许一发多收

1. 数据总线：在CPU与RAM之间来回传送需要处理/存储的数据    双向传送  CPU ⟷  RAM
2. 地址总线：用来指定RAM中存储数据的地址                   单向传送  CPU → RAM
3. 控制总线：将微处理器控制单元信号传送到周边                双向传送  CPU ⟷  外设

例3）：总线宽度为32bit，时钟频率为200MHz，若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的字，则该总线宽度为多少MB/s？

解：  带宽B/s=位宽bit×工作频率 1/s

带宽=数据总量（bit）/总时间（s）

t=1/f  =1/200M （时间=频率的的倒数

4、寻址方式

 最大的寻址空间范围（假设OP为13位，操作数最多19位，范围219=512KB

指令系统采用不同的寻址方式的目的是：扩大寻址空间，提高编程的灵活性

1）立即寻址： 

 MOV R1，#40H（立即寻址指令，存入R1计算器中

操作数直接在指令中，速度快灵活性差

2）直接寻址：

指令中存放操作数的地址

3）间接寻址：

操作数中放的是指向操作数地址的指针

4）寄存器寻址：

 例：R0中存放MOV R0，#40H

在R1中  MOV R1,R0

5）寄存器间接寻址

在寄存器中存放操作数的地址

5、流水线

多指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术

流水线计算公式：

流水线周期：各部分中执行时间最久的一部分

通过流水线的总时间Tk：1条指令执行的时间+（指令条数-1）*流水线周期

例4）指令条数为4，指令分为2部分2s和3s ，1s，则总时间为？

解：Tk（2+3+1）+（4-1）*3=15s

流水线的吞吐率（TP）：

TP=n/Tk （n条指令/通过流水线的总时间）单位时间内能完成的指令条数

流水线最大吞吐率：流水线周期的倒数1/t

6、存储器

1. cache

平均系统周期时间（以读操作为例：使用cache+主存储器）：t3=t1*h+（1-h）*t2

h：访问cache的访问命中率；

t1：cache的周期时间；

t2主存储器的周期时间；

t3：系统平均周期时间

        2. 地址映像 由SRAM组成

• 直接映像和变换：主存地址：主存区号+区内块号+块内地址

主存与缓存分成大小相同的数据块，缓存每一区的块数与主存的块数相等，

主存中的某一区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的地址

特点

1. 地址变换电路简单，访问速度快
2. 空间利用率低，冲突概率高
3. 对页面置换算法依赖度高，cache空间利用率低，命中率低

例5）假设一采用直接映像的高速缓存分成32块，主存共有2048块，问主存区号和块内区号分别应设几位？

解：2048÷32=64（区）

主存区号=64 ∴为6位，区内块号32位，∴为5位

• 全相联地址映像  主存地址：主存块号+块内地址

主存和缓存分成大小相同的数据块，主存的某一数据块可以装入缓存任一空间中，

特点：空间利用率高，命中率高，冲突率低

  实现复杂，速度慢，适合小容量的cache

• 组相联地址映像 主存地址：主存区号+区内组号+组内块号+块内地址

主存和cache按同样大小分块，

组间采用直接映像（cache1组对主存1组，cache2组对主存2组），

组内采用全相联映像（cache1组0块对主存1组0块、1块；

cache2组0块对主存1组0块、1块）

特点：

直接映像和全相联映像的折中，实现难度和造价高

1. 输入输出设备管理

• 直接程序控制：无条件传送方式（时时刻刻准备）、

程序查询方式（CPU不断访问查看外部设备是否空闲

若空闲，将数据传送给外部设备）

• 中断方式
• 直接存储器存取方式DMA：cpu将数据发送给DMA，DMA直接与外设交互

cpu只在开始和结束时干预

• 输入输出处理机（IOP）：用在大型分布式主机    

7、可靠性、校验码   

（1）可靠性

• 串联系统    可靠度：R=R1×R2×R3×……×Rn

• 并联系统    可靠度：R=1-(1-R1)×(1-R2)×(1-R3)×……×(1-Rn)

• 混合系统    可靠度：R=R×(1-R)3×(1-R)2

1. 校验码

• 码距（不同码字个数）

任意两个（所有）码字之间合法编码的最小距离

例如：

用1位长度的二进制编码，A=1，B=0，A，B之间最小码距为1

用2位长度的二进制编码，A=11，B=00，A，B之间的码距为2

用3位长度的二进制编码，A=111，B=000为合法编码，A，B之间的码距为3

• 检错

奇偶校验码：仅可检错，可检测1（奇位）位错

通过编码中增加一位校验位来使编码中1的个数位奇数（奇校验

或为偶数（偶校验），从而使码距变为2

CRC（循环冗余码）：仅可检错，可检测多位错   模2运算

利用多项式为k个数据位 产生r个校验位来进行编码

编码长度：k+r

海明码：可检错，且可纠1位错  

数据位是n位，校验位是k位，n和k必须满足2k-1≥n+k