计算机组成

### 计算机组成知识点详解 #### 一、定点数和浮点数的表示法 - **定点数**：定点数是指小数点位置固定的数值表示方法。在计算机内部，定点数可以分为纯整数（小数点固定在最低位之后）和纯小数（小数点固定在最高位之前）。定点数的计算需要注意溢出问题，当计算结果超出所能表示的最大值或最小值范围时，会导致结果作废。 - **浮点数**：浮点数是一种能够表示非常大或非常小数值的方法，通过调整小数点的位置来实现。浮点数的计算按照特定步骤进行，包括对阶、尾数加减、规格化、舍入、判溢出等。现代计算机中的浮点数计算通常采用流水线技术以提高效率。 #### 二、存储单元与存储容量 - **存储容量单位换算**：常见的存储容量单位包括KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）等。1KB = 1024B，1MB = 1024KB，1GB = 1024MB。 - **SRAM与DRAM**：SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）都是常用的RAM类型。SRAM无需刷新，速度快但成本高；DRAM需要定期刷新，速度慢但成本低。 - **存储容量扩展**：可以通过增加存储芯片的数量或者改变存储芯片的连接方式来扩展存储容量。常见的扩展方式有字长位数扩展和存储容量扩展两种。 - **只读存储器（ROM）**：ROM是一种只能读不能写的存储器，分为掩膜ROM（制造时写入数据，无法更改）和可编程ROM（包括EPROM和EEPROM）。EPROM通过紫外线擦除，而EEPROM则通过电信号擦除。 - **并行存储器**：为了解决CPU与主存储器之间的速度不匹配问题，引入了并行存储器技术，通过增加数据宽度和并行度来提高访问速度。 - **Cache缓存**：为了进一步解决CPU与主存储器的速度差异，引入了Cache缓存技术。Cache是一种高速存储器，位于CPU与主存之间，用于存储频繁访问的数据和指令。命中率是指Cache被成功访问的比例，平均访问时间则是衡量Cache性能的重要指标之一。 #### 三、地址映射与虚存 - **地址映射方式**：主要有全相联映射、直接映射和组相联映射。全相联映射允许Cache中的任何一行与主存中的任意一行对应；直接映射中Cache的每一行仅能与主存中特定的一行对应；组相联映射则是前两者的折中方案。 - **虚存**：虚存是一种虚拟化的存储技术，它允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间。通过分页或分段技术，操作系统可以将部分不常用的程序代码和数据暂时存放在磁盘上，而将经常访问的部分保留在物理内存中。 #### 四、机器指令 - **机器指令**：机器指令是计算机硬件能够直接识别和执行的指令集，它们由操作码和地址码组成。操作码指定了要执行的操作类型，地址码则指定了操作数的位置。 - **指令格式**：指令通常由操作码字段OP和地址码字段组成，其中操作码标识了指令的操作类型，地址码指定了操作数的地址。 - **寻址方式**：寻址方式决定了如何获取操作数的地址。常见的寻址方式有隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址、段寻址和堆栈寻址等。 #### 五、CPU的基本组成 - **控制器**：负责解释指令和控制指令的执行。主要组件包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、时序产生器和操作控制器（OC）。 - **运算器**：负责执行算术逻辑运算。主要组件包括算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器（R0~R3）、数据缓冲寄存器（DR）和状态条件寄存器（PSW）。 - **指令周期与CPU周期**：指令周期是指取出并执行一条指令所需的时间，而CPU周期（也称机器周期）是CPU访问内存一次所需的时间。一个指令周期至少包含两个CPU周期。 - **取指令步骤**：取指令的过程包括从内存读取指令、解码指令、执行指令和存储结果等多个步骤。 #### 六、微程序控制 - **微程序**：微程序是一种存储在控制存储器中的控制序列，用于实现机器指令的控制逻辑。微程序控制方式通过一系列简单的微指令来实现复杂指令的执行，提高了CPU设计的灵活性和可靠性。 - **微指令与机器指令的区别**：微指令是实现机器指令的具体步骤，它们之间存在层次关系。机器指令更加面向用户，而微指令面向内部控制。此外，微指令的格式通常包含操作控制部分和判别测试部分，以及可能的直接地址字段。 #### 七、并行性与流水线 - **并行性**：并行性指的是同时处理多个任务的能力。并行处理技术可以通过时间并行（如流水线处理）和空间并行（如使用多个处理器）来实现。 - **时间并行**：通过时间重叠技术让多个处理过程在时间上相互错开，利用同一套硬件设备的不同部分轮流工作来提高效率。 - **空间并行**：通过增加硬件资源来实现并行处理，例如使用多个处理器或多个处理单元。 - **流水线CPU**：流水线技术将指令执行过程分解成多个阶段，并在不同阶段同时处理多条指令，从而显著提高处理器的吞吐量。现代高性能CPU广泛采用了流水线技术。 以上内容覆盖了计算机组成的多个核心知识点，有助于深入理解计算机硬件的工作原理及其关键技术。