计算机的硬件基本结构(计算机硬件基本结构图)

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存储单元:每个存储单元放一串二进制代码

存储字(word):存储单元中二进制代码组合

存储字长:存储单元中二进制代码的位数

存储元:存储二进制的电子元件,可存bit

MAR:地址寄存器

MDR:数据寄存器

运算器:用于实现算术运算(如:加减乘除)、逻辑运算(如:与或非)
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ACC:累加器,用于存放操作数,或运算结果

MQ:乘商寄存器,在乘、除运算时,用于存放操作数或运算结果

X:通用的操作数寄存器,用于存放操作数

ALU:算术逻辑单元,通过内部复杂的电路,实现算术运算、逻辑运算

DR:数据缓存寄存器

PSW:状态条件寄存器,用于保存指令的运行状态

控制器

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CU:控制单元,分析指令,给出控制信号

IR:指令寄存器,存放当前执行的指令

PC:程序计数器,存放下一条指令地址,有自动加1功能

AR:地址寄存器,保存当前CPU所访问的内存单元地址

ID:指令译码器,对操作码进行分析

Single:单一的 Multiple:多样的

体系结构类型 结构 关键特性 代表 单指令流单数据流(SISD) 控制部分:一个
处理器:一个
主存模块:一个 单处理器系统 单指令流多数据流(SIMD) 控制部分:一个
处理器:多个
主存模块:多个 各处理器以异步的形式执行同一条指令 并行处理机
阵列处理机
超级向量处理机 多指令流单数据流(MISD) 控制部分:多个
处理器:一个
主存模块:多个 被证明是不可能的,至少不实际 目前没有,有文献称流水线计算机为此类 多指令流多数据流(MIMD) 控制部分:多个
处理器:多个
主存模块:多个 能够实现作业、任务、指令等各级全面并行 多处理机系统
多计算机










指令:是指计算机执行某种操作的命令,是计算机运行的最小功能单位

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统,也称为指令集

指令格式:一组有意义的二进制代码

一条指令通常包含操作码字段和地址码字段

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  • 立即寻址:操作数作为指令的一部分直接写在指令中,这种操作数成为立即数。
  • 寄存器寻址:指令所要的操作数已存储在某寄存器中,或把目标操作数存入寄存器。
  • 直接寻址:指令所要的操作数存放在内存中,在指令中直接给出该操作数的有效地址。
  • 寄存器间接寻址:操作数在存储器中,操作数的有效地址用SI、DI、BX和BP四个寄存器之一来指定。
  • 寄存器相对寻址:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)或变址寄存器(SI、DI)的内容和指令中的8位/16位偏移量之和。
  • 基址加变址寻址方式:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)和一个变址寄存器(SI、DI)的内容之和。
  • 相对基址加变址寻址:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)的值、一个变址寄存器(SI、DI)的值和指令中的8为/16位偏移量之和。

CISC(Complex) RISC(Reduced) 指令系统 复杂、庞大 简单、精简 指令数目 一般大于200条 一般小于100条 指令字长 不固定 定长 可访存指令 不加限制 只有个LoadStore指令 各种指令执行时间 相差较大 绝大多数一个周期内完成 各种指令使用频度 相差较大 都比较常实用 通用寄存器数量 较少 多 控制方式 绝大多数为微程序控制 绝大多数为组合逻辑控制 指令流水线 可以通过一定方式实现 必须实现

指令的控制方式有顺序方式、重叠方式和流水方式三种。

流水方式:是指并行性或并发性嵌入计算机系统里的一种形式,它把重复的顺序处理过程分解为若干个子过程,每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。
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流水周期为执行时间最长的一段
流水线计算公式为:
1条指令执行时间+(指令数-1)*流水线周期

例:
若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分,且三部分的时间分别是取指2ns,分析2ns,执行1ns。
那么,流水线周期是多少?100条指令全部执行完毕需要多少时间?

流水线周期为2ns(流水线周期为执行时间最长的一段)

100条指令执行时间:(2+2+1)+(100-1)*2=203ns

流水线的吞吐率

流水线的吞吐率(Though Put rate,TP):是指单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。

计算流水线吞吐率的最基本的公式如下:

TP=

流水线开始工作后,须经过一定时间才能达到最大吞吐率,这就是建立时间,若m个子过程所用的时间一样,均为△t,则建立时间:
T0=m*△t


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