第一章_電腦群組成原理與體繫結構_知識點

標籤：查詢   附加   多媒體   相對   虛擬位址   範圍   故障   作業系統   浮點   

1. 1.      名詞解釋

a)        DRAM：動態隨機存取記憶體;（電腦主存）

b)        SRAM: 靜態隨機存取儲存空間;

c)        Cache: 快取;

d)        DMA：直接存取器存取（不需要 CPU 執行程式指令來傳送資料  ）

e)        EEPROM: 電可擦可程式化唯讀記憶體

f)         累加寄存器：用來暫時存放算術邏輯運算組件ALU運算的結果資訊

g)        程式計數器（PC）是存放執行指令的地方，計算之前就要用到。

h)        指令寄存器（IR）儲存當前正在執行的一條指令。

i)          地址寄存器（AR）用來儲存當前CPU所要訪問的記憶體單元的地址。

j)          MTBF:可靠性的度量指標

k)        VLIW：Very Long Instruction Word，超長指令字，一種非常長的指令組合，它把許多條指令連在一起，增加了運算的速度。

l)          軟體的可靠性是指一個系統在給定時間間隔內和給定條件下無失效啟動並執行機率。

m)     軟體的可用性是指軟體在特定使用環境下為特定使用者用於特定用途時所具有的有效性。

n)        軟體的可維護性是指與軟體維護的難易程度相關的一組軟體屬性。

• o)        軟體的延展性是指是否可以通過運行更多的執行個體或者採用分散式處理來支援更多的使用者。

p)        全相連：是指主存中任一塊都可以映射到Cache中任一塊的方式

q)        直接映射

r)         組相連

s)         串相連

t)         浮點數：浮點數能表示的數的範圍由階碼的位元決定，精度由尾數的位元決定。

u)        CISC是複雜指令系統電腦

v)        RISC是精簡指令系統電腦。

w)      三個匯流排：

                         i.              資料匯流排：傳送資料資訊，CPU一次傳輸的資料與資料匯流排頻寬相等

                       ii.              控制匯流排：傳送控制訊號和時序訊號，如讀/寫、片選、中斷響應訊號等

                      iii.              地址匯流排：傳送地址，它決定了系統的定址空間 

x)        匯流排分類

                         i.              PC匯流排

                       ii.              PCI匯流排

                      iii.              ISA匯流排

                      iv.              EISA匯流排

y)    運算器：

                i.         算數邏輯單位ALU

               ii.         累加寄存器

              iii.         資料緩衝寄存器

              iv.         狀態條件寄存器

z)    控制器：

                i.         程式計數器PC

               ii.         指令寄存器IR

              iii.         指令解碼器

              iv.         時序組件

aa)    CPU中的寄存器

                i.         程式計數器用於存放指令的地址。令當程式順序執行時，每取出一條指令，PC內容自動增加一個值，指向下一條要取的指令。當程式出現轉移時，則將轉移地址送入PC，然後由PC指向新的程式地址。

               ii.         程式狀態寄存器用於記錄運算中產生的標誌資訊，典型的標誌為有進位標誌位、零標誌位、符號標誌位、溢出標誌位、奇偶標誌等。

              iii.         地址寄存器包括程式計數器、堆棧指標、變址寄存器、段地址寄存器等，用於記錄各種記憶體位址。

              iv.         累加寄存器是一個資料寄存器，在運算過程中暫時存放被運算元和中間運算結果，累加器不能用於長時間地儲存一個資料。

bb)  迴圈冗餘校正碼在進行編碼時，其編碼的結果由資料位元+校正位組成，其中資料位元在前，而校正位在後。

cc)    指令寄存器用來存放當前正在執行的指令，對使用者是完全透明的。

dd)  狀態寄存器用來存放計算結果的標誌資訊，如進位標誌、溢出標誌等。

ee)   通用寄存器可用於傳送和暫存資料，也可參與算術邏輯運算，並儲存運算結果。

ff)       CPU中的解碼器的主要作用是對指令進行解碼。

gg)    資料匯流排：計算方法，資料匯流排的位元是微電腦的一個重要指標，通常與微處理的字長相一致。 

hh)  地址匯流排：計算方法

1. 2.    概念：

a)       在電腦中，實現電腦與外部裝置之間資料交換經常使用的方式有無條件傳送、程式查詢、中斷和直接儲存空間存取(DMA)。其中前三種都是通過CPU執行某一段程式，實現電腦記憶體與外設間的資料交換。只有DMA方式下，CPU交出電腦系統匯流排的控制權，不參與記憶體與外設間的資料交換。而DMA方式工作時，是在DMA控制硬體的控制下，實現記憶體與外設間資料的直接傳送，並不需要CPU參與工作。由於DMA方式是在DMA控制器硬體的控制下實現資料的傳送，不需要CPU執行程式，故這種方式傳送的速度最快。

b)       快取：Cache

                        i.             快取Cache有如下特點：它位於CPU和主存之間，由硬體實現；容量小，一般在幾KB到幾MB之間；速度一般比主存快5到10倍，由快速半導體儲存空間製成；其內容是主存內容的副本（所以Cache無法擴大主存的容量），對程式員來說是透明的；Cache既可存放程式又可存放資料。

                      ii.             Cache儲存空間用來存放主存的部分拷貝（副本）。控制部分的功能是：判斷CPU要訪問的資訊是否在Cache儲存空間中，若在即為命中，若不在則沒有命中。命中時直接對 Cache儲存空間定址。未命中時，若是讀取操作，則從主存中讀取資料，並按照確定的替換原則把該資料寫入Cache儲存空間中：若是寫入操作，則將資料寫入主存即可。

c)       單匯流排：

                        i.             在單匯流排結構中，CPU與主存之間、CPU與I/O裝置之間、I/O裝置與主存之間、各種裝置之間都通過系統匯流排交換資訊。單匯流排結構的優點是控制簡單方便，擴充方便。但由於所有裝置組件均掛在單一匯流排上，使這種結構只能分時工作，即同一時刻只能在兩個裝置之間傳送資料，這就使系統總體資料轉送的效率和速度受到限制，這是單匯流排結構的主要缺點。

d)       虛擬儲存空間

                        i.             是一個容量非常大的儲存空間的邏輯模型，不是任何實際的實體儲存體器。它藉助於磁碟等輔助儲存空間來擴大主存容量，使之為更大或更多的程式所使用。
虛擬儲存空間指的是主存-外存層次。它以透明的方式給使用者提供了一個比實際主存空間大得多的程式地址空間。此時的程式的邏輯地址稱為虛擬位址（虛地址），程式的邏輯地址空間稱為虛擬位址空間。物理地址（真實位址）由CPU地址引腳送出，它是用於訪問主存的地址。設CPU地址匯流排的寬度為m位，那麼物理地址空間的大小用2m來表示。

e)       幾個定點小數

                        i.             原碼，反碼：2^n-1

                       ii.             補碼，移碼：2^n

f)        電腦中對存放裝置的訪問速度排序(快到慢)：通用寄存器>Cache>硬碟

g)       Cache的地址映像方式中，發生塊衝突次數排序（大到小）：直接映像>組相聯映像>全相聯映像，

h)       中斷系統

                        i.             中斷系統是電腦實現中斷功能的軟硬體總稱。一般在CPU中設定中斷機構，在外設介面中設定中斷控制器，在軟體上設定相應的中斷服務程式。中斷源在需要得到CPU服務時，請求CPU暫停現行工作轉向為中斷源服務，服務完成後，再讓CPU回到原工作狀態繼續完成被打斷的工作。中斷的發生起始於中斷源發出插斷要求，中斷處理過程中，中斷系統需要解決一系列問題，包括中斷響應的條件和時機，斷點資訊的保護與恢複，中斷服務程式入口、中斷處理等。中斷回應時間，是指從發出插斷要求到開始進入中斷服務程式所需的時間。

i)         流水線：

                        i.             採用非同步控制方式在給流水線提速的同時，會明顯增加流水線阻塞的機率，所以不會明顯提高整體效能。

j)     CISC電腦指複雜指令集運算機，是20世紀六、七十年代發展起來的系列電腦。這種電腦所支援的指令系統趨於多用途、強功能化。指令系統圍繞著縮小與進階語言的語義差距以及有利於作業系統的最佳化而設計。指令系統的複雜化使得設計周期變長，正確性難於保證，不易維護。而且在複雜的指令系統中，只有少數基本指令是經常使用的，需要大量硬體支援的複雜指令利用率卻很低。所以在70年代末，隨著VLSI技術的發展產生了RISC電腦。

k)    RISC電腦指精簡指令集電腦，這種電腦有下列特點。

                i.         指令系統中只包含使用頻率較高但不複雜的指令。

               ii.         指令長度固定，指令格式少，定址方式少。

              iii.         只有存取數指令訪問主存，其他指令都在寄存器之間運算。

              iv.         大部分指令在一個機器周期內完成，採用流水技術。

               v.         CPU中增加了通用寄存器的數量。

              vi.         硬聯邏輯控制，不用微程式控制技術。

             vii.         採用最佳化的編譯，以有效地支援進階語言。

l)     Flynn

                i.         SISD機器是一種傳統的串列電腦，它的硬體不支援任何形式的並行計算，所有的指令都是串列執行。並且在某個刻度內，CPU只能處理一個資料流。因此這種機器被稱作單指令流單資料流機器。早期的電腦都是SISD機器，如馮諾.依曼架構，如IBM PC機，早期的巨型機和許多8位的家用機等。

               ii.         單指令流多資料流機器（SIMD）

              iii.         SIMD是採用一個指令流處理多個資料流。這類機器在數字訊號處理、影像處理、以及多媒體資訊處理等領域非常有效。

              iv.         Intel處理器實現的MMXTM、SSE（Streaming SIMD Extensions）、SSE2及SSE3擴充指令集，都能在單個刻度內處理多個資料單元。也就是說我們現在用的單核電腦基本上都屬於SIMD機器。

               v.         多指令流單資料流機器（MISD）

              vi.         MISD是採用多個指令流來處理單個資料流。由於實際情況中，採用多指令流處理多資料流才是更有效方法，因此MISD只是作為理論模型出現，沒有投入到實際應用之中。

             vii.         多指令流多資料流機器（MIMD）

            viii.         MIMD機器可以同時執行多個指令流，這些指令流分別對不同資料流進行操作。最新的多核計算平台就屬於MIMD的範疇，例如Intel和AMD的雙核處理器等都屬於MIMD。

m)     

                        i.             結構冗餘  靜態  動態 混合

1. 靜態冗餘。靜態冗餘又稱為屏蔽冗餘或被動冗餘，常用的有三模冗餘和多模冗餘。靜態冗餘通過表決和比較來屏蔽系統中出現的錯誤。例如，三模冗餘是對三個功能相同，但由不同的人採用不同的方法開發出的模組的運行結果進行表決，以多數結果作為系統的最終結果。即如果模組中有一個出錯，這個錯誤能夠被其他模組的正確結果“屏蔽”。由於無需對錯誤進行特別的測試，也不必進行模組的切換就能實現容錯，故稱為靜態容錯。
2. 動態冗餘。動態冗餘又稱為主動冗餘，它是通過故障檢測、故障定位及故障恢複等手段達到容錯的目的。其主要方式是多重模組待機儲備，當系統檢測到某工作模組出現錯誤時，就用一個備用的模組來頂替它並重新運行。各備用模組在其待機時，可與主模組一樣工作，也可不工作。前者叫做熱備份系統（雙重系統），後者叫做冷備份系統（雙工系統、雙份系統）。在熱備份系統中，兩套系統同時、同步運行，當聯機子系統檢測到錯誤時，退出服務進行檢修，而由熱備份子系統接替工作，備用模組在待機過程中其失效率為0；處於冷備份的子系統平時停機或者運行與聯機系統無關的運算，當聯機子系統產生故障時，人工或自動進行切換，使冷備份系統成為聯機系統。在運行冷備份時，不能保證從系統斷點處精確地連續工作，因為備份機不能取得原來的機器上當前啟動並執行全部資料。
3. 混合冗餘。混合冗餘技術是將靜態冗餘和動態冗餘結合起來，且取二者之長處。它先使用靜態冗餘中的故障屏蔽技術，使系統免受某些可以被屏蔽的故障的影響。而對那些無法屏蔽的故障則採用主動冗餘中的故障檢測、故障定位和故障恢複等技術，並且對系統可以作重新設定。因此，混合冗餘的效果要大大優於靜態冗餘和動態冗餘。然而，由於混合冗餘既要有靜態冗餘的屏蔽功能，又要有動態冗餘的各種檢測和定位等功能，它的附加硬體的開銷是相當大的，所以混合冗餘的成本很高，僅在對可靠性要求極高的場合中採用。

                       ii.             資訊冗餘
資訊冗餘是在實現正常功能所需要的資訊外，再添加一些資訊，以保證運行結果正確性的方法。例如，檢錯碼和錯誤修正碼就是資訊冗餘的例子。這種冗餘資訊的添加方法是按照一組預定的規則進行的。符合添加規則而形成的帶有冗餘資訊的字稱為碼字，而那些雖帶有冗餘資訊但不符合添加規則的字則稱為非碼字。當系統出現故障時，可能會將碼字變成非碼字，於是在解碼過程中會將引起非碼字的故障檢測出來，這就是檢錯碼的基本思想。錯誤修正碼則不僅可以將錯誤偵測出來，還能將由故障引起的非碼字糾正成正確的碼字。
由此可見，資訊冗餘的主要任務在於研究出一套理想的編碼和解碼技術來提高資訊冗餘的效率。編碼技術中應用最廣泛的是同位碼、海明校正碼和迴圈冗餘校正碼。

              iii.         時間冗餘
時間冗餘是以時間（即降低系統運行速度）為代價以減少硬體冗餘和資訊冗餘的開銷來達到提高可靠性的目的。在某些實際應用中，硬體冗餘和資訊冗餘的成本、體積、功耗、重量等開銷可能過高，而時間並不是太重要的因素時，可以使用時間冗餘。時間冗餘的基本概念是重複多次進行相同的計算，或稱為重複執行（複執），以達到故障檢測的目的。
實現時間冗餘的方法很多，但是其基本思想不外乎是對相同的計算任務重複執行多次，然後將每次的運行結果存放起來再進行比較。若每次的結果相同，則認為無故障；若存在不同的結果，則說明檢測到了故障。不過，這種方法往往只能檢測到瞬時性故障而不宜檢測永久性的故障。

              iv.         冗餘附加
冗餘附加是指為實現上述冗餘技術所需的資源和技術，包括程式、指令、資料，以及存放和調用它們的空間等。

n)       各定址方式

                        i.             立即定址：指令的地址欄位指出的不是運算元的地址，而是運算元本身；

                       ii.             直接定址：在指令格式的地址欄位中直接指出運算元在記憶體的地址；

                      iii.             寄存器定址：指令中給出的運算元地址不是記憶體的地址單元號，而是通用寄存器的編號（當運算元不放在記憶體中，而是放在CPU的通用寄存器中時，可採用寄存器定址方式）；

                      iv.             寄存器間接定址方式與寄存器定址方式的區別在於：指令格式中運算元地址所指向的寄存器中存放的內容不是運算元，而是運算元的地址，通過該地址可在記憶體中找到運算元；

                       v.             相對定址：把程式計數器PC的內容加上指令格式中的形式地址來形成運算元的有效地址。

• o)       匯流排複用，顧名思義就是一條匯流排實現多種功能。常見的匯流排複用方式有匯流排分時複用，它是指在不同時段利用匯流排上同一個訊號線傳送不同訊號，例如，地址匯流排和資料匯流排共用一組訊號線。採用這種方式的目的是減少匯流排數量，提高匯流排的利用率。

p)       

1. 3.    計算方法：

a)       可靠度計算：

                        i.             串聯組件的可靠度=各組件的可靠度的乘積。

                      ii.             並聯組件的可靠度=1-組件失效率的乘積。

b)       流水線執行n條指令所需的時間

                        i.             第一條指令執行時間+(指令數-1)*各指令段執行時間中最大的執行時間。

c)       記憶體按位元組編址。若用儲存容量為32Kx8bit的儲存空間晶片構成地址從A0000H到DFFFFH的記憶體，則至少需要（  ）片晶片。

                i.         DFFFFH – A0000H + 1 = 40000H = 4*16^4 = 2^2*(2^4)^4=2^18B  將其化成幾個位元組數,

               ii.         32KB=32*1024 = 2^5*2^10B=2^15B,

                      iii.             2^18B/2^15B=2^3=8片。

第一章_電腦群組成原理與體繫結構_知識點