K和k的计算可以用约等于指令流水线一开始的几个周期.ppt

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1、K和和k的计算可以用约等于的计算可以用约等于指令流水线一开始的几个指令流水线一开始的几个周期周期计算机系统计算机系统I/O systemProcessorCompilerOperatingSystem(Windows 2K)Application(ex:browser)Digital DesignCircuit DesignInstruction Set ArchitectureDatapath&Control transistorsMemoryHardwareSoftwareAssembler 指令集体系结构（指令集体系结构（ISA）以指令系）以指令系统为核心，包含数据类型格式定义、统为核心

2、，包含数据类型格式定义、寄存器设计、存储器访问和保护方寄存器设计、存储器访问和保护方式、式、I/O访问方式、中断结构、计访问方式、中断结构、计算机状态的定义和切换等等。算机状态的定义和切换等等。ISA设计的好坏直接决定了计算机的性设计的好坏直接决定了计算机的性能和成本。能和成本。第二章 数据的机器级表示数据的类型数据的类型分为数值型数据分为数值型数据和非数值型数据和非数值型数据数值数据数值数据三要素：进位计数制、定浮点和编码三要素：进位计数制、定浮点和编码定点整数定点整数,有无符号整数和有符号整数有无符号整数和有符号整数定点整数用补码表示定点整数用补码表示 浮点数用浮点数用IEEE754标准，

3、标准，float(32位位)的格式的格式第三章 运算方法与部件补码定点数的加补码定点数的加/减法器：减法器：在在“无符号加法器无符号加法器”加加“溢出检测溢出检测”和和“求负求负”电路电路定点数的乘除法器：定点数的乘除法器：用用“加法加法+右移右移”实现乘法、实现乘法、“加法加法+左移左移”实现除法实现除法浮点数运算：浮点数运算：用定点数的加减乘除运算实现用定点数的加减乘除运算实现。加减运算：对阶、尾数加减、规格化、舍入加减运算：对阶、尾数加减、规格化、舍入为保证精度，浮点运算时要增加为保证精度，浮点运算时要增加“保护位保护位”，并考虑，并考虑“舍入舍入”所有运算都在所有运算都在ALU（算术逻

4、辑部件）上运行（算术逻辑部件）上运行ALU的运算由来自控制器对指令译码的操作控制端决定的运算由来自控制器对指令译码的操作控制端决定ALU的核心是的核心是“加法器加法器”第四章 存储器分层结构半导体随机访问存储器半导体随机访问存储器记忆单元记忆单元 存储芯片存储芯片 存储模块存储模块(内存条内存条)存储器存储器层次：磁带层次：磁带-磁盘磁盘-主存主存-cache-寄存器寄存器虚拟存储器管理虚拟存储器管理分页式分页式(页表页表)，分段式，分段式(段表段表)，段页式，段页式(段表页表段表页表)TLB的引入的引入虚拟地址和物理地址转换虚拟地址和物理地址转换高速缓冲存储器高速缓冲存储器cache程序访问

5、局部化程序访问局部化:时间局部性时间局部性空间局部性空间局部性映射关系映射关系:直接映射直接映射全相联映射全相联映射组相联映射组相联映射第五章 指令系统指令系统（指令集体系结构中最核心部分）是软指令系统（指令集体系结构中最核心部分）是软/硬件的交界面硬件的交界面一条指令必须隐含或明显地包含：一条指令必须隐含或明显地包含：操作码操作码/源操作数地址源操作数地址/结果值地址结果值地址/下一条指令地址下一条指令地址CPU根据指令的操作码和指令格式确定操作数的类型、长度和地址根据指令的操作码和指令格式确定操作数的类型、长度和地址寻址方式寻址方式 寄存器寄存器/寄存器间接寄存器间接/直接直接/间接间接/

6、立即立即/堆栈堆栈/偏移偏移(相对、变址和基址相对、变址和基址)操作类型操作类型传送传送/算术算术/逻辑逻辑/字符串字符串/输入输出输入输出/程序流控制程序流控制/系统控制系统控制/根据设计和实现风格，指令系统分为两类：根据设计和实现风格，指令系统分为两类：CISC：复杂指令集计算机：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机：精简指令集计算机 第六章 中央处理器CPUCPU的功能的功能执行指令、检测执行指令、检测“异常和中断异常和中断”并响应并响应CPUCPU的组成的组成数据通路数据通路中包含中包含组合合逻辑单元和存元和存储信息的状信息的状态单元元寄存器有两类：用户可见和系统专用（寄存器有两

7、类：用户可见和系统专用（PCPC，IRIR，MARMAR，MDRMDR，PSWRPSWR）控制器控制器对指令指令进行行译码，与指令，与指令执行中的机器状行中的机器状态、时序信号（序信号（时钟）等）等组合，生成合，生成对数据通路数据通路进行控制的控制信号行控制的控制信号微程序控制器微程序控制器指令周期指令周期取指令、译码、取指令、译码、(取数取数)、执行、执行、(存结果存结果)、(中断响应中断响应)一条指令的执行是数据在数据通路中流动的过程一条指令的执行是数据在数据通路中流动的过程数据通路的设计数据通路的设计单周期单周期DatepathDatepath：CPI=1(ClockCPI=1(Cloc

8、k宽度为最复杂指令周期宽度为最复杂指令周期)多周期多周期DatepathDatepath：CPI1(ClockCPI1(Clock宽度为最复杂子周期宽度为最复杂子周期)流水线流水线DatepathDatepath：CPICPI1(Clock1(Clock宽度为最复杂子周期宽度为最复杂子周期)几个“长度”或“单位”机器字长：机器字长：CPU中定点运算数据通路的位数中定点运算数据通路的位数“字字”：机器中所有信息宽度的计量单位。例如：机器中所有信息宽度的计量单位。例如：80 x86系列系列:16位；位；IBM303X系列：系列：32位。位。指令字长：指令字长：指令的位数指令的位数 编址单位：编址单

9、位：存储单元的宽度存储单元的宽度。大多为。大多为8位位 存取宽度：存取宽度：一次从一个由多个一次从一个由多个DRAM芯片构成的芯片构成的存储模块中同时读写的信息的宽度存储模块中同时读写的信息的宽度 总线宽度：总线宽度：传输单位，也就是一次最多能在总线传输单位，也就是一次最多能在总线上传输的信息位数上传输的信息位数 第七章第七章 流水线处理器流水线处理器流水线流水线CPU的设计的设计分段分段+流水段寄存器流水段寄存器高性能流水线高性能流水线超流水线超流水线：更多的流水线级（段）数：更多的流水线级（段）数多发射流水线：同时发射多个指令，有多条流水线同时进行多发射流水线：同时发射多个指令，有多条流水

10、线同时进行静态多发射（静态多发射（VLIW处理器）处理器）动态多发射（动态多发射（超标量超标量处理器）处理器）流水线冒险的种类和解决方法流水线冒险的种类和解决方法结构冒险，数据冒险，控制冒险结构冒险，数据冒险，控制冒险转发，寄存器前半写后半读转发，寄存器前半写后半读提醒：注意复习几个提醒：注意复习几个quiz第八章第八章 总线总线总线的设计总线的设计信号线类型信号线类型控制线、数据线和地址线。数据控制线、数据线和地址线。数据/地址分离或复用地址分离或复用总线可以采用总线可以采用“同步同步”或或“异步异步”方式进行定时。方式进行定时。同步总线用同步总线用“时钟时钟”信号定时，异步总线用信号定时，

11、异步总线用“握手信号握手信号”定时定时总线的裁决：有集中和分布两类裁决方式总线的裁决：有集中和分布两类裁决方式分布裁决：自举裁决、冲突检测分布裁决：自举裁决、冲突检测集中裁决：菊花链、独立请求并行判优集中裁决：菊花链、独立请求并行判优总线事务：总线事务：总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型如存储器读、存储器写、如存储器读、存储器写、I/O读、读、I/O写等写等总线带宽：总线带宽：单位时间内在总线上传输的最大数据量单位时间内在总线上传输的最大数据量第九章第九章 输入输出系统输入输出系统磁盘存储器：寻道时间、旋转等待时间、传输时间磁盘存储器：

12、寻道时间、旋转等待时间、传输时间I/O接口：接口：用于在主机（用于在主机（IO总线）和设备之间进行命令、数据、状态信总线）和设备之间进行命令、数据、状态信息的传递转换。息的传递转换。I/O端口：端口：I/O接口中接口中CPU可访问的寄存器，对可访问的寄存器，对I/O设备的寻址就是对设备的寻址就是对I/O端口的访问（统一编址和独立编址）端口的访问（统一编址和独立编址）重要的重要的I/O传输方式传输方式中断方式：外设请求中断方式：外设请求+CPU响应响应+中断服务程序处理中断服务程序处理中断响应过程（硬件中断响应过程（硬件-处理器）：关中断、保护断点、转中断服务程序处理器）：关中断、保护断点、转中断服务程序中断处理过程（软件中断处理过程（软件-OS）：准备阶段、处理阶段、恢复并返回阶段）：准备阶段、处理阶段、恢复并返回阶段直接存储器访问方式（直接存储器访问方式（DMA方式）：方式）：用于磁盘等高速外设与主存之间直接成批的数据交换用于磁盘等高速外设与主存之间直接成批的数据交换DMA控制的控制的IO过程：控制器初始化、数据传输、结束处理过程：控制器初始化、数据传输、结束处理数据传输的控制方式：周期挪用法数据传输的控制方式：周期挪用法考试顺利考试顺利结束结束