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计算机硬件组成、运算器、控制器奇偶校验码、循环冗余校验码、海明码指令系统指令操作数寻址方式、CISC和RISC、指令流水线的计算存储系统分级存储、局部性原理、cache、主存编址计算、磁盘输入输出技术程序查询方式、中断方式、DMA总线结构可靠性指标、串并联系统可靠性计算
二、计算机硬件组成
计算机基本硬件系统五大组成部分运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备运算器的四个重要寄存器 算术逻辑单元ALU实现对数据的算术和逻辑运算累加寄存器AC运算结果和源操作数的存放区数据缓冲寄存器DR暂时存放内存的指令或数据状态条件寄存器PSW保存指令运算结果的条件码内容如溢出标志等总结 执行所有的算术运算如加减乘除等执行所有的逻辑运算进行逻辑测试如与、或、非、比较等。考点 归属问题下面哪几个属于运算器功能对应的运算器如暂时存放内存的指令或数据是哪个寄存器控制器的四个重要寄存器 指令寄存器IR暂存CPU执行指令程序计数器PC存放指令执行地址地址寄存器AR保存当前CPU所访问的内存地址指令译码器ID分析指令操作码总结 控制整个CPU的工作最为重要。CPU依据指令周期的不同阶段来区分二进制的指令和数据因为在指令周期的不同阶段指令会命令CPU分别去取指令或者数据。
三、计算机系统体系结构 四、存储系统 计算机采用分级存储体系的主要目的是为了解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题。两级存储Cache-主存、主存-辅存虚拟存储体系。局部性原理总的来说在CPU运行时所访问的数据会趋向于一个较小的局部空间地址内包括下面两个方面 时间局部性原理如果一个数据项正在被访问那么在近期它很可能会被再次访问即在相邻的时间里会访问同一个数据项。空间局部性原理在最近的将来会用到的数据的地址和现在正在访问的数据地址很可能是相近的即相邻的空间地址会被连续访问。1、存储系统-cache
高速缓存Cache用来存储当前最活跃的程序和数据直接与CPU交互位于CPU和主存之间容量小速度为内存的5-10倍由半导体材料构成。其内容是主存内存的副本拷贝对于程序员来说是透明的。Cache由控制部分和存储器组成存储器存储数据控制部分判断CPU要访问的数据是否在Cache中在则命中不在则依据一定的算法从主存中替换。地址映射在CPU工作时送出的是主存单元的地址而应从Cache存储器中读/写信息。这就需要将主存地址转换为Cache存储器地址这种地址的转换称为地址映射由硬件自动完成映射分为下列三种方法直接映射、全相连映射、组组相连映射。替换算法的目标就是使Cache获得尽可能高的命中率。常见算法有如下几种 随机替换算法先进先出算法近期最少使用算法优化替换算法命中率及平均时间 Cache有一个命中率的概念即当CPU所访问的数据在Cache中时命中直接从Cache中读取数据设读取一次Cache时间为1ns若CPU访问的数据不在Cache中则需要从内存中读取设读取一次内存的时间为1000ns若在CPU多次读取数据过程中有90%命中Cache则CPU读取一次的平均时间为90%*110%*1000ns
五、循环冗余校验码CRC
环冗余校验码CRC简称循环码是一种常用的、具有检错、纠错能力的校验码在早期的通信中运用广泛。循环冗余校验码常用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。
例假设原始信息串为10110CRC 的生成多项式为G(x)x^4x1求CRC 校验码。 1在原始信息位后面添0假设生成多项式的阶为r则在原始信息位后添加r个0 本题中G(x)阶为4则在原始信息串后加4个0得到的新串为101100000作为被 除数。 2由多项式得到除数多项中x的幂指数存在的位置1不存在的位置0。本题中 x的幂指数为0,1,4的变量都存在而幂指数为2,3的不存在因此得到串10011。 3生成CRC校验码将前两步得出的被除数和除数进行模2除法运算即不进位也 不借位的除法运算。除法过程如下图所示。 得到余数1111。 注意余数不足r则余数左边用若干个0 补齐。如求得余数为11r4则补两个0 得到0011。 4生成最终发送信息串将余数添加到原始信息后。上例中原始信息为10110 添加余数1111 后结果为10110 1111。发送方将此数据发送给接收方。 5接收方进行校验。接收方的CRC 校验过程与生成过程类似接收方接收了带校验和的帧后用多项式G(x)来除。余数为0则表示信息无错否则要求发送方进行重传。 六、海明码
汉明码Hamming Code是在电信领域的一种线性调试码以发明者理查德·卫斯里·汉明的名字命名。汉明码在传输的消息流中插入验证码当计算机存储或移动数据时可能会产生数据位错误以侦测并更正单一比特错误。由于汉明编码简单它们被广泛应用于内存RAM。
例求信息1011的海明码 1.校验位的位数和具体的数据位的位数之间的关系 所有位都编号从最低位编号从1开始递增校验位处于2的nn0 1 2……次方中即处于第 1,2,4,8,16,32……位上其余位才能填充真正的数据位若信息数据为1011则可知第1,2,4位为 校验位第3,5,6,7位为数据位用来从低位开始存放1011得出信息位和校验位分布如下2.计算校验码 ◆将所有信息位的编号都拆分成二进制表示如下图所示◆上图中7421表示7由第4位校验位(r2)和第2位校验位(r1)和第1位校验位(r0)共同校验同理第6位数据位642第5位数据位541第3位数据位321前面知道这些2的n次方都是校验位可知第4位校验位校验第7 6 5三位数据位因此第4位校验位r2等于这三位数据位的值异或第2位和第1位校验位计算原理同上. ◆计算出三个校验位后可知最终要发送的海明校验码为1010101.七、指令流水线 ◆流水线时间计算 流水线周期指令分成不同执行段其中执行时间最长的段为流水线周期。 流水线执行时间1条指令总执行时间总指令条数-1*流水线周期。 流水线吞吐率计算吞吐率即单位时间内执行的指令条数。 公式指令条数/流水线执行时间。 流水线的加速比计算加速比即使用流水线后的效率提升度即比不使用流水线快了多少倍越高 表明流水线效率越高 公式不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间。
