【正文】 1)直接控制法在微指令的控制字段中,每一位代表一個微命令,在設(shè)計微指令時,是否發(fā)出某個微命令,只要將控制字段中相應(yīng)位置成“1”或“0”,這樣就可打開或關(guān)閉某個控制門,這就是直接控制法.2)字段直接編譯法在計算機(jī)中的各個控制門,在任一微周期內(nèi),不可能同時被打開,而且大部分是關(guān)閉的(相應(yīng)的控制位為“0”).所謂微周期,(一組)微命令,在每次選擇使用它們的微周期內(nèi),只有一個微命令起作用,那么這若干個微命令是互斥的.選出互斥的微命令,并將這些微命令編成一組,成為微指令字的一個字段,用二進(jìn)制編碼來表示, 就是字段直接編譯法.3)字段間接編譯法字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步縮短微指令字長的一種編譯法. 如果在字段直接編譯法中,還規(guī)定一個字段的某些微命令,要兼由另一字段中的某些微命令來解釋,稱為字段間接編譯法. (3)微地址的形式方式.1)微程序入口地址的形成1一級轉(zhuǎn)移方式 當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置固定時,可直接使操作碼與入口地址的部分位對應(yīng).2多級轉(zhuǎn)移方式 先按照指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移到某條微指令,以區(qū)分出是哪一大類,然后可以進(jìn)一步按指令操作碼轉(zhuǎn)移,區(qū)分出是該指令中的哪一類具體操作.2)微程序后繼地址的形成1以增量方式產(chǎn)生后繼微地址. 在順序執(zhí)行微指令時,后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個增量(通常為1)形成的。cy2+… =(加法指令減法指令的cy2(計算有效地址)時需要。cy2 。T1 。imm(或disp)為立即數(shù)(或位移量). 加法指令功能:將寄存器(rs)中的一個數(shù)與存儲器中的一個數(shù)(其地址為(rsl)＋disp)相加,結(jié)果放在寄存器rd中,rs與rd為同一寄存器.加法指令完成以下操作:①取指周期從存儲器取指令,送入指令寄存器,并進(jìn)行操作碼譯碼(分析指令). 程序計數(shù)器加1,為下一條指令作好準(zhǔn)備. 控制器發(fā)出的控制信號:PC→AB,W/R=0,M/IO=1。CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)指令格式指令字長尋址方式可訪問指令各種指令使用頻率各種指令執(zhí)行時間復(fù)雜,龐大一般大于200一般大于4一般大于4不固定不加限制相差很大相差很大簡單,精簡一般小于100一般小于4一般小于4固定32位只有LOAD/STORE指令相差不大絕大多數(shù)在一個機(jī)器周期完成優(yōu)化編譯實現(xiàn)很難較容易程序源代碼長度較短較長控制邏輯實現(xiàn)方式絕大多數(shù)為微程序控制絕大多數(shù)為硬連線控制RISC機(jī)的主要優(yōu)點可歸納如下①充分利用VLSI芯片的面積②提高了計算機(jī)運行速度③便于設(shè)計,降低成本,提高可靠性④有效支持高級語言程序五, 中央處理器(CPU)(一) CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)CPU主要是由運算器和控制器組成,由于運算器(實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算)部分在第二部分介紹過,所以本節(jié)主要介紹控制器的組成和工作原理.1．控制器的功能計算機(jī)對信息進(jìn)行處理(或計算)是通過程序的執(zhí)行而實現(xiàn)的,程序是完成某個確定算法的指令序列,它必須具有以下基本功能:1)．取指令2)．分析指令3)．執(zhí)行指令計算機(jī)不斷重復(fù)順序執(zhí)行上述三種基本操作:取指,分析,執(zhí)行。因此出現(xiàn)了RIC技術(shù).計算機(jī)執(zhí)行程序所需的時間P可用下式表述：P=ICT其中,I是高級語言程序編譯后在機(jī)器上運行的機(jī)器指令數(shù)；C為執(zhí)行每條機(jī)器指令所需的平均機(jī)器周期；T是每個機(jī)器周期的執(zhí)行時間.(2)RISC的特點1)優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令。另一方面,其結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,速度較快,但其占用元件較多,占硅片面積大,且功耗大,所以集成度不高.靜態(tài)隨機(jī)存儲單元2. DRAM存儲器的工作原理常見的DRAM存儲單元有三管式和單管式兩種,“”,電容上無電荷表示0.電容上的電荷一般只能維持12ms,因此即使電源不掉電,為保證信息的不丟失,必須在2ms之內(nèi)就要對存儲單元進(jìn)行一次恢復(fù)操作,DRAM具有集成度更高,功耗低等特點,目前被各類計算機(jī)廣泛使用.(四) 只讀存儲器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀／寫的隨機(jī)存儲器,當(dāng)?shù)綦姇r,所存儲的內(nèi)容消失,即使停電,分為ROM,PROM,EPROM,E2ROM和Flash Memory1. 只讀存儲器(ROM) 掩模式ROM由芯片制造商在制造時寫入內(nèi)容,“有／無”來表示該存儲單元的信息(“1”或“0”),可以用二極管或晶體管作為元件,顯而易見,其存儲內(nèi)容是不會改變的.2. 可編程序的只讀存儲器(PROM) PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來確定ROM中的內(nèi)容,常見的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”.剛出廠的產(chǎn)品,(寫入).顯而易見,斷開后的熔絲是不能再接通了,.3. 可擦可編程序的只讀存儲器(EPROM)為了能修改ROM中的內(nèi)容,信息改寫用紫外線照射即可擦除.4. 可電擦可編程序只讀存儲器(E2PROM) E2PROM的編程序原理與EPROM相同,擦除原理完全不同,重復(fù)改寫次數(shù)有限制(因氧化層被磨損),一般10萬次. 其讀寫操作可按每個位或每個字節(jié)進(jìn)行,類似SRAM,但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒,因此具有電擦除功能. 5. 快除讀寫存儲器(Flash Memory) F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其讀寫過程和E2PROM不同,F1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位.(五) 主存儲器與CPU的連接1個存儲器的芯片的容量是有限的,它在字?jǐn)?shù)或字長方面與實際存儲器的要求都有很大差距,N位,若使用LK位存儲器芯片,那么,這個存儲器共需要M/LN/K存儲器芯片.1．位擴(kuò)展 ,片選己,讀寫控制端R/W可相應(yīng)并聯(lián),數(shù)據(jù)端分別引出.2)字?jǐn)U展 字?jǐn)U展指的是增加存儲器中字的數(shù)量. 靜態(tài)存儲器進(jìn)行字?jǐn)U展時,將各芯片的地址線,數(shù)據(jù)線,讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián),而由片選信號來區(qū)分各芯片的地址范圍. 3)字位擴(kuò)展 實際存儲器往往需要字向和位向同時擴(kuò)充.(六) 雙口RAM和多模塊存儲器雙端口存儲器是一種具有兩個單獨的讀/寫端口及控制電路的存儲器,通過增加一個讀/寫端口,雙端口存儲器擴(kuò)展了存儲器的的信息交換能力.為了解決CPU與主存儲器之間的速度匹配問題,在高速存儲器中,(位擴(kuò)展,字?jǐn)U展,字位擴(kuò)展)的方法,將n個字長為W位的存儲器并行連接,多體并行方式和多體交叉方式.(七) 高速緩沖存儲器(Cache實際上,這是來自法文的一個單詞,意思是隱蔽之所或藏東西的地方)概述1. 問題的提出避免 CPU “空等” 現(xiàn)象CPU 和主存(DRAM)的速度差異1. 程序訪問的局部性從大量的統(tǒng)計中得到的一個規(guī)律是,程序中對于存儲空間90%的訪問局限于存儲空間的10%的區(qū)域中,而另外10%的訪問則分布在存儲空間的其余90%:時間局部性:如果一個存儲項被訪問,則可能該項會很快被再次訪問. 空間局部性:如果一個存儲項被訪問,則該項及其鄰近的項也可能很快被訪問.2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成,:處理機(jī)按主存地址訪問存儲器,存儲器地址的高段通過主存Cache地址映象機(jī)構(gòu)借助查表判定該地址的存儲單元是否在Cache中,如果在,則Cache命中,Cache不命中,則需要訪問主存,并從主存中調(diào)入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊到Cache中,若Cache中已寫滿,則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去,并修改有關(guān)的地址映象關(guān)系.從這個工作原理我們可以看出,然后是替換的問題.. 3. Cache和主存之間的映射方式因為處理機(jī)訪問都是按主存地址訪問的,而Cache的空間遠(yuǎn)小于主存,如何知道這一次的訪問內(nèi)容是不是在Cache中,在Cache中的哪一個位置呢? 這就需要地址映象,(空間)與主存中若干塊相對應(yīng),如此,訪問一個主存地址時,:直接映象,全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象. ,主存中存儲單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個位置,這是固定的,若這個位置已有數(shù)據(jù),則產(chǎn)生沖突,原來的塊將無條件地被替換出去.,.組相聯(lián)映象指的是將存儲空間的頁面分成若干組,各組之間的直接映象,而組內(nèi)各塊之間則是全相聯(lián)映象.4. Cache中主存塊的替換算法在直接映象方式下,不存在塊替換的算法,因為每一塊的位置映象是固定的,.思想優(yōu)點缺點隨機(jī)算法RAND用軟的或硬的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生上層中要被替換的頁號簡單,易于實現(xiàn)沒有利用上層存儲器使用的歷史信息,沒有反映等程序局部性,命中率低.先進(jìn)先出FIFO選擇最早裝入上層的頁作為被替換的頁實現(xiàn)方便,利用了主存歷史的信息不能正確反映程序局部性原理,命中率不高,可能出現(xiàn)一種異?，F(xiàn)象.近期最少使用法LRU選擇近期最少訪問的頁作為被替換的頁比較正確反映程序局部性,利用訪存的歷史信息,命中率較高實現(xiàn)較復(fù)雜優(yōu)化替換算法OPT將未來近期不用的頁換出去命中率最高,可作為衡量其他替換算法的標(biāo)準(zhǔn)不現(xiàn)實,只是一種理想算法5. Cache寫策略對Cache的寫操作,并沒有寫入主存,.更新策略思想優(yōu)點缺點寫回法是指在CPU執(zhí)行寫操作時,信息只寫入Cache中,僅當(dāng)需要替換時,才將改寫過的Cache塊先送回主存(寫回),然后再調(diào)塊(設(shè)置dirty位)有利于省去許多將中間結(jié)果寫入主存的無謂開銷.需設(shè)修改位增加Cache的復(fù)雜性全寫法(寫直達(dá)法)在寫操作時,將數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存實現(xiàn)開銷小,簡單為了寫中間結(jié)果浪費了不少時間另外,當(dāng)寫不命中時(也就是寫Cache塊時,這塊早被人替換出去而在Cache中找不到時)是不是要把這塊再取回Cache中,有兩個解決方法:u 不按寫分配法,就是直接寫到主存里,不再把該地址對應(yīng)的塊調(diào)回Cache中.u 按寫分配法,就是寫到主存,而且把這一塊從主存中調(diào)入到Cache.一般寫回法用按寫分配法,全寫法則采用不按寫分配.(八) 虛擬存儲器1. 虛擬存儲器的基本概念虛擬存儲器是主存的擴(kuò)展,虛擬存儲器的空間大小取決于計算機(jī)的訪存能力而不是實際外存的大小,外存被看作邏輯存儲空間,訪問的地址是一個邏輯地址(虛地址),虛擬存儲器使存儲系統(tǒng)既具有相當(dāng)于外存的容量又有接近于主存的訪問速度.虛擬存儲器的訪問也涉及到虛地址與實地址的映象,替換算法等,這與Cache中的類似,前面我們講的地址映象以塊為單位,而在虛擬存儲器中,.虛擬存儲器與Cache存儲器的管理方法有許多相同之處,.虛擬存儲器的三種不同管理方式:按存儲映象算法,分為段式,頁式和段頁式等,這些管理方式的基本原理是類似的.2. 頁式虛擬存儲器頁式管理:是把虛擬存儲空間和實際空間等分成固定大小的頁,處理機(jī)邏輯地址由虛頁號和頁內(nèi)地址兩部分組成,實際地址也分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分,由地址映象機(jī)構(gòu)將虛頁號轉(zhuǎn)換成主存的實際頁號.頁式管理用一個頁表,包括頁號,每頁在主存中起始位置,對應(yīng)用程序員的透明的.3. 段式虛擬存儲器段式管理: ,每個用戶程序模塊可分到一個段,并可放大和縮小.(段號),段起點,.4. 段頁式虛擬存儲器段頁式管理:是上述兩種方法的結(jié)合,它將存儲空間按邏輯模塊分成段,每段又分成若干個頁,段的起點必須是某一頁的起點.5. TLB(快表)在虛擬存儲器中進(jìn)行地址變換時,需要虛頁號變換成主存中實頁號的內(nèi)部地址變換,表示該頁在主存中,可按主存地址問主存。如果上次商上0,如果余數(shù)與除數(shù)同號商上1,(設(shè)數(shù)值部分n位).3〉商的最后一位一般采用恒置1的辦法,并省略了最低+.5)溢出概念和判別方法當(dāng)運算結(jié)果超出機(jī)器數(shù)所能表示的范圍時,兩個異號數(shù)相加或兩個同號數(shù)相減,才有可能發(fā)溢出的情況,一旦溢出,運算結(jié)果就不正確了,:1〉當(dāng)符號相同的兩數(shù)相加時,如果結(jié)果的符號與加數(shù)(或被加數(shù))不相同,則為溢出.2〉當(dāng)任意符號兩數(shù)相加時,如果C=Cf,運算結(jié)果正確,其中C為數(shù)值最高位的進(jìn)位,≠Cf ,則為溢出,所以溢出條件=C⊕Cf .3〉,當(dāng)結(jié)果的兩個符號位甲和乙不相同時,= fs2⊕fs1 ,或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1(三) 浮點數(shù)的表示和運算1. 浮點數(shù)的表示1)浮點數(shù)的表示范圍。[Y]原= (X0⊕Y0)∣(X1 X2 …Xn)當(dāng)真值為正時,原碼,補(bǔ)碼和反碼的表示形式均相同,即符號位用“0”表示,數(shù)值部分與真值部分相同輸出設(shè)備將機(jī)器運算結(jié)果轉(zhuǎn)為人熟悉的信息形式運算器最少包括3個寄存器(現(xiàn)代計算機(jī)內(nèi)部往往設(shè)有通用寄存器)和一個算術(shù)邏輯單元(ALU Arithmetic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)為累加器,MQ(MultiplierQuotient Register)為乘商寄存器,X為操作數(shù)寄存器,這3個寄存器在完成不同運算時,說存放的操作數(shù)類別也各不相同.計算機(jī)的主要硬件指標(biāo) () 主機(jī)完成一條指令的過程——以取數(shù)指令為例() 主機(jī)完成一條指令的過程——以存數(shù)指令為例(二) 計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1. 計算機(jī)硬件的基本組成計算機(jī)硬件主要指計算機(jī)的實體部分,通常有運算器,控制器,存儲器,輸入和輸出五部分.CPU是指將運算器和控制器集成到一個電路芯片中.2. 計算機(jī)軟件的分類計算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深?系統(tǒng)軟件:用于管理整個計算機(jī)系統(tǒng),合理分配系統(tǒng)資源,確保計算機(jī)正常高效地運行,這類軟件面向系統(tǒng).(包括:標(biāo)準(zhǔn)程序庫,語言處理程序,OS,服務(wù)程序,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)軟件)應(yīng)用軟件:是面向用