tang7mj的博客

实现时间并行的基础是“部件功能专用化”，即将一件工作按功能分割为若干部分，每一部分指定给专门的部件完成，然后按时间重叠原理使各部分执行过程在时间上重叠，从而提高处理器的速度。当通过提高处理器主频提升单处理器性能的方法受到制约时，处理器厂商转向处理器片内并行技术。多处理器系统由多台处理器组成，每台处理器独立执行自己的程序和指令流，相互之间通过专用网络连接，共同完成计算任务。图9.3展示了不同结构的处理器形态，包括单核处理器、多处理器、多线程处理器、多核处理器以及多核多线程处理器。

CPU作为计算机的核心部件，其高效运作是计算机性能的关键。了解CPU的原理和组成对于理解计算机的运作至关重要。随着技术的进步，CPU的设计和性能也在不断进化，推动着整个计算机行业的发展。CPU的设计虽因计算机而异，但必备的寄存器至少有六种。这些寄存器通常只存储一个计算机字，承担着临时存储信息的角色。保存运行时所需的数据信息和状态信息。对寄存器中的数据进行处理和指令译码。产生操作控制信号，建立寄存器间的数据通路。为操作控制信号提供定时，实施时间上的约束。

基本显示系统用于一般的字符和图形显示，而专用显示系统用于高分辨率图形或图象显示。新一代的多媒体计算机对图象显示技术的要求不断提高，促进了显示技术的快速发展，尤其是在处理速度、图象质量和用户交互性方面。显示设备的种类非常繁多，根据不同的标准，它们可以被分为多种类别。光栅扫描图形显示器由于其通用性强、功能丰富，成为目前应用最广泛的图形显示器类型，尤其在复杂图形和高级视觉效果的显示中表现优异。图7.5描述了汉字显示的整个过程，从键盘输入汉字编码，通过代码转换程序，到字形检索程序检索字模库，并最终显示字形点阵。

外围设备包括了除中央处理单元（CPU）和内存之外的所有计算机部件，它们在整个计算机系统中占据了极为重要的地位。自20世纪60年代以来，外围设备的发展历程表明其与主机的价格比例已从3:1变化到1:3—10，这一变化不仅体现了外围设备技术的飞速进步，也反映出其在计算机系统中的价值逐渐增加。外围设备的发展方向主要集中于成本降低、体积减小、速度提升、容量增大及功耗降低。

VAX-11/780中的同步底板互联总线（SBI）是该系统的数据通路脊梁。通过SBI，CPU和I/O系统能够直接访问内存，实现了速度和效率的显著提升。SBI不仅服务于标准的I/O设备，而且能够连接到更高速的I/O设备。更为独特的是，它还允许LSI-11控制台微处理机与CPU进行通信。VAX-11/780的设计不仅反映了当时对计算机性能和通信效率的追求，而且也展示了在硬件控制策略上的创新。SBI总线的同步通信方式和分散式控制结构是为了满足日益增长的数据处理需求，并在小型机的领域内树立了新的标准。

这种方式下，READY和ACK信号的宽度会根据传输条件的不同而变化，以适应不同的传输距离和部件速度。如图6.11(a)所示，链式查询方式的总线控制部件可能是CPU的一部分，在I/O总线中，则可能是通道的一部分。这可以通过将时钟信号从CPU或总线控制部件发送到每个部件来实现，也可以让每个部件拥有自己的时钟发生器，但这些时钟必须与总线控制部件发出的信号同步。总线通信指的是通过总线进行的数据传输。同步通信的缺点在于，如果总线上的部件存取时间差异很大，会导致效率损失，因为公共时钟必须以最慢的部件为准来设计。

在数字计算机中，总线接口是实现数据交换的核心部分，负责在计算机系统的各个组件之间传输信息。这一节我们将深入了解总线接口的不同信息传输方式，以及这些方式在实际应用中的优势和局限性。

总线是一个多功能部件间数据传输的公共通路。内部总线：这是连接CPU内部各寄存器及运算部件间的总线。系统总线：它连接同一台计算机系统内的CPU、内存、通道和各类I/O接口。多机系统总线：负责多台计算机之间的相互连接。在这一章节中，我们将重点介绍系统总线。单总线结构由于其简洁性在许多计算机系统中被广泛采用。然而，由于总线被系统中所有部件共享，这可能导致带宽成为系统性能的瓶颈，尤其是在多个设备同时请求总线时。高性能计算机系统可能采用更复杂的总线结构来缓解这一限制。

在现代计算机体系结构中，RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）无疑占据了极其重要的地位。RISC的设计哲学是简化指令集，从而实现高效的指令执行速度。与之对应的是CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）。今天我们就来深入探讨RISC的特点以及它的CPU硬件结构。

流水线技术的引入标志着处理器设计向并行处理的转变，它极大提高了处理速度，缩短了指令周期，从而使计算机能够以更高的频率完成更多的任务。通过细分任务，平衡各个阶段的处理速度，并合理安排任务的流转，流水线处理器成为了提高计算效率的关键技术之一。流水线技术是现代计算机架构的核心组成部分，它在不同级别上的应用大大加速了计算过程。通过对任务的细化和分解，流水线不仅提高了单个处理器的性能，还开启了多处理器并行处理的新篇章，使得复杂的计算任务得以在更短的时间内完成。

IBM 370系列的CPU结构充分体现了当时对大型机性能的追求，它不仅在技术上进行了创新，也在系统结构上提供了灵活性和安全性。这一系列计算机的出现，不仅推动了当时计算机技术的飞速发展，也为今天的计算机架构奠定了基础。当我们回顾IBM 370系列时，可以感受到早期计算机科学家们的智慧和远见，他们为处理复杂的计算任务，设计了如此精密而强大的系统。Intel 80486 CPU作为一个转折点，不仅在硬件设计上引入了当时先进的RISC技术，而且在性能上也实现了巨大飞跃。

因此，随着微程序控制器的出现，硬布线控制器逐渐被替代。门阵列控制器是一种更为灵活的设计，利用预先设计的芯片阵列，通过编程实现不同的逻辑功能。此外，通过使用现代的设计工具，门阵列控制器可以实现更复杂的控制逻辑，提供更高的性能和更好的资源优化。这表明，虽然门阵列控制器是组合逻辑控制器，但与早期的硬布线控制器不同的是，它通过程序可编的方式，不需通过硬联线连接实现。通过这种设计，短指令和长指令对节拍时间的利用都是一样的，这虽然简化了节拍控制，但也可能造成对短指令节拍时间的浪费，从而降低CPU的指令执行速度。

AM2910是微程序控制器设计中的关键组件，它通过精巧的电路设计来实现微指令地址的多种生成方式。该芯片提供的灵活性和功能性使它成为了微程序控制器设计中不可或缺的一环。通过有效地控制和生成微指令地址，AM2910使微程序的执行更加高效和灵活。水平型微指令和垂直型微指令在设计微程序控制器时都有各自的优势和局限性。在选择微指令格式时，设计师需要考虑具体的应用场景、成本、性能需求和用户友好性，以确定哪一种微指令格式最适合其系统架构。

微程序控制器的引入，无疑是计算机技术里的一次革新。它不仅为硬件设计带来了前所未有的灵活性，还极大地提升了计算机系统的维护性和可靠性。在计算机的精密世界里，微程序控制器就像是一位高效的编导，精确指挥着电子组件这些演员，完成每一个精彩的运算场景。微程序控制器将复杂的计算机硬件行为编织成易于管理和修改的软件形式。这不仅使计算机的操作变得更加灵活和高效，还极大地简化了计算机设计和维护工作。在这个由数以百万计的微指令构成的精妙系统中，微程序控制器无疑是实现计算机指令和操作的大脑和指挥官。

时序信号就像是CPU的生物钟，它通过产生一系列定时脉冲来指挥和协调整个计算机的运作。从启动到执行各种操作，CPU的每一步都严格按照时序信号的指挥进行，确保每个部件在正确的时间完成任务。我们可以将时序信号看作是指挥计算机硬件合奏的指挥棒。就像指挥家控制乐队的节奏，时序信号保证了数据和指令在合适的时间被正确处理和转移。在计算机硬件的设计和功能实现中，时序信号的作用至关重要。它不仅确保了数据和指令的准确性，还提升了计算机系统的整体效率和可靠性。

计算机的自动化工作依赖于CPU能够从存放程序的内存中取出指令并执行。这个从取指到执行的过程不断重复，形成了一个闭环的循环。这个循环会一直持续，除非遇到停机指令。每当CPU取出并执行一条指令，它都需要完成一系列操作，这个完成一条指令所需的时间被称为“指令周期”。简单地说，指令周期是从取出到执行一条指令所需的时间。

数据处理指令：如ADD（加法）、SUB（减法）等，实现基本的算术运算。内存访问指令：如LDR（装载）和STR（存储），用于寄存器和内存之间的数据传输。分支指令：如B（分支）和BL（带链接的分支），用于控制程序流程。逻辑指令：如AND、ORR等，进行位运算。移位指令：如LSL（逻辑左移）和LSR（逻辑右移），对数据进行位移操作。ARM汇编语言提供了一种强大的工具集，用以实现精细的硬件控制和优化的程序性能。

通过深入了解和掌握各类典型指令，程序员和系统设计师可以更好地优化软硬件交互，提升系统性能。每种指令在实际应用中都扮演着关键角色，理解它们的工作原理是每个计算机科学专业人士的基础技能。

无论是简单的子程序调用还是复杂的递归计算，存储器堆栈都能有效支持，确保程序运行的高效性和数据的安全性。存储器堆栈的管理依赖于堆栈指示器（Stack Pointer, SP），它是CPU中的一个专用寄存器，指向当前的栈顶地址。与串联堆栈中数据的物理移动不同，存储器堆栈的栈顶是由堆栈指示器动态指定的，数据在物理上保持不动，堆栈指示器的值在进栈和出栈操作中相应增减。如图4.8所示，进行进栈操作时，首先将累加器中的数据存入SP指向的当前栈顶地址，然后SP递减（栈顶地址降低），为下一个数据的进栈做好准备。

跳跃寻址，又称为非顺序寻址，是一种允许程序跳过某些指令或跳转到程序的另一部分继续执行的寻址方式。在这种寻址方式下，程序计数器（PC）不再简单地递增，而是根据当前执行指令指定的地址进行更新。操作数的各种寻址方式提供了不同的策略来适应程序设计中的各种需求，从最简单的直接寻址到复杂的复合寻址。了解这些寻址方式的原理和应用，对程序员来说至关重要，因为这影响着程序的组织、优化和最终执行效率。每种寻址方式都有其独特的用途，合理利用这些方法，可以显著提升程序设计和系统性能。

此外，安全性相关的数据类型，如加密算法中使用的特定数值类型，也越来越受到重视。在现代计算机体系结构中，操作数类型的多样化为编程和硬件设计提供了极大的灵活性和优化空间。每个字符由一个独特的7位代码表示，加上最高位用作奇偶校验，使每个字符总是以8位字节的形式存储和传送。地址数据实际上也是一种形式的数据。在多数情况下，操作数的有效地址需要通过某种计算来确定，此时，地址被视为无符号整数进行处理。通过深入了解和合理应用这些操作数类型，开发者和系统设计师可以更好地优化他们的程序和系统，满足日益增长的性能和功能需求。

这种模型的主要好处是它增加了内存的保护和隔离，使得不同程序间的内存访问互不干扰，提高了系统的安全性。同时，大页模式（4MB页）可以减少页表的大小和深度，降低页表查找时的延迟，适用于需要处理大量数据的应用，如大型数据库和内存密集型应用。通过这四种模式的组合，IA-32体系结构为不同的应用场景和系统需求提供了广泛的支持，允许系统设计师根据具体的性能要求和安全需求来选择最合适的存储管理策略。在IA-32架构的分页模式下，虚拟内存系统可以使用两种不同的页大小，每种页大小对地址映射的方式有明显的不同。

构成典型CPU的不仅有六个主要寄存器，还包括算术逻辑运算电路(ALU)、指令译码器、操作控制器和时序产生器。这些组件共同工作，实现了CPU对指令的提取和执行、数据的处理及各种操作的时序控制。其中，操作控制器和时序产生器的作用尤为关键，它们确保了数据在CPU内部的正确流动和指令执行的精确时序，是计算机能够高效运行的保证。

在讨论指令格式之前，我们首先要了解什么是指令字。指令字是表示一条机器指令的二进制代码，它是计算机指令系统的基础。每一条机器指令都对应着一个唯一的指令字。简而言之，指令字就是机器指令的二进制表示。寻址方式是计算机组成和设计中的核心概念之一，它决定了指令如何指定和访问操作数。通过理解和合理利用各种寻址方式，可以设计出功能强大且高效的计算机指令集。随着计算机科学的发展，寻址方式的设计也在不断进步，以适应更加复杂和多样化的计算需求。

指令的兼容性和向后兼容性：为了保证计算机系统的稳定性和兼容性，需要保证指令集的向后兼容性，即新的指令系统要能够执行旧的指令，同时还需要保证指令的兼容性，即不同厂商的处理器之间要能够相互兼容。指令系统的设计应该尽可能的提高执行速度，减少指令的执行时间，提高CPU的吞吐量。指令的执行速度：对于一些需要高性能计算的应用，对于指令的执行速度有非常高的要求，需要尽可能减少指令执行的时间。指令集的复杂度：随着计算机应用的不断扩展，对于新的应用场景需要新的指令和操作，导致指令集的复杂度不断增加。

建议按照以下学习目标进行学习：了解虚拟存储器的基本概念和原理。包括什么是虚拟存储器、虚拟地址和物理地址、虚拟内存、页面置换算法等。了解虚拟存储器的实现方式。包括基于请求分页、请求分段和请求段页混合的虚拟存储器实现方式，以及页表、页表项等相关概念。学习虚拟存储器的常见页面置换算法，包括最优页面置换算法、先进先出页面置换算法、最近最久未使用页面置换算法、时钟页面置换算法等。了解各种算法的特点和适用场景。学习虚拟存储器中的页面调度算法，包括随机调度算法、先入先出调度算法、轮转调度算法、优先级调度算法等。

Cache存储器作为一种高速缓存，其理解和掌握对于计算机体系结构的学习和实践都是至关重要的。以下是Cache存储器的重点、难点和易错点：Cache存储器的基本原理：Cache存储器是主存储器的一种高速缓存，用于存储CPU频繁访问的指令和数据。Cache存储器的地址映射：包括直接映射、全相联映射和组相联映射，不同的映射策略会影响Cache存储器的效率和命中率。

如果我要学习并行存储器，我会采取以下几个步骤：了解并行存储器的基本概念和原理。学习并行存储器的前提是要对存储器的基本原理有所了解，包括存储器的分类、工作原理、读写时序等。学习并行存储器的特点和应用。并行存储器在高性能计算、图形图像处理等领域具有广泛的应用，学习并行存储器的特点和应用可以帮助我们更好地理解其在实际应用中的作用和优势。学习并行存储器的组成和结构。了解并行存储器的组成和结构可以帮助我们更深入地理解其工作原理和性能表现。掌握并行存储器的读写时序和操作流程。

只读存储器（Read-Only Memory，ROM）是一种只能读取数据而不能写入的存储器。它是一种非易失性存储器，通常用于存储程序、固件、配置信息等数据。ROM的数据是在制造过程中被预设的，因此它不能像RAM一样被程序写入和修改。ROM的读取速度通常比RAM慢，但是它具有很高的可靠性和稳定性，因为它不会因为断电而失去数据。ROM的主要分类包括以下几种：Mask ROM：它是制造时被编程的ROM，也称为固定程序ROM。在生产过程中，使用特殊的工具来编程，一旦编程就不能再修改。

动态随机存储器（DRAM）是计算机中最常用的内存类型之一，其工作原理和结构与静态随机存储器（SRAM）有所不同。以下是DRAM学习中的重点和难点和易错点的总结：

静态随机存取存储器（SRAM）是计算机存储器中的一种，具有快速读/写速度和易于实现的优点。以下是SRAM的重点、难点和易错点总结：SRAM的逻辑结构和基本存储元阵列。SRAM的读/写时序，包括地址信号和控制信号的设置和时序关系。SRAM的容量扩充方法和技术，包括级联和交织等方式。SRAM的读/写时序比较复杂，需要理解控制信号的作用和时序关系，同时需要考虑时序误差对读/写操作的影响。SRAM的容量扩充需要考虑多个存储器的地址映射和数据传输，容易出现地址冲突和数据丢失等问题。

理解计算机存储器的基本概念，包括存储器的分类、存储单元、存储器容量等基本概念。掌握存储器的存取原理，包括地址结构、存取周期、存取速度等相关概念。熟悉常见的存储器类型，包括随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存存储器等，以及它们的特点和应用场景。了解常见的存储器接口标准，包括SATA、NVMe、SD、MMC等接口标准，以及它们的特点和应用场景。熟悉存储器的组成和层次结构，包括寄存器、高速缓存、主存储器、辅助存储器等层次结构，以及它们的特点和应用场景。

1.浮点数的表示方法和规范：浮点数采用科学计数法表示，分为符号位、尾数和指数三部分。IEEE 754是目前最常用的浮点数规范。2.浮点数的运算原理：浮点数加减法的原理是对齐、舍入、加减，乘法的原理是对阶、相乘、规格化，除法的原理是对阶、除、规格化。3.浮点运算器的结构和实现方法：浮点运算器通常采用流水线结构实现，每个流水线阶段负责一部分运算操作。浮点运算器的设计需要考虑精度、速度、功耗等方面的权衡。4.误差分析和处理：由于浮点数的表示精度有限，浮点运算可能会引入误差。

定点运算器主要由算术逻辑单元(ALU)、寄存器、总线、控制单元等组成，其中ALU是核心部件。不同的总线结构会影响到运算器的性能和功能，单总线结构简单，但是存在总线瓶颈，三总线结构复杂，但是性能较高。定点运算器的设计需要考虑运算精度、速度和功耗等因素，并且需要充分考虑硬件实现的成本和可行性。定点运算器的设计需要充分考虑硬件实现的成本和可行性，需要在性能和功耗之间做出折中。在设计过程中需要考虑多种运算模式和不同的数据类型，如整型、浮点型、定点型等。

熟悉定点数的表示方法和定点数的基本运算法则，理解定点除法运算的基本概念和原理。学习余数查商法的算法流程和计算方法，并能够手动计算出除法的结果。熟悉处理舍入误差和溢出的方法，能够正确处理各种异常情况。使用Verilog HDL或其他硬件描述语言编写定点除法运算的模块，并进行仿真和测试，确保其能够正确地进行除法计算。进一步优化定点除法运算的性能，例如采用查表法、位移法和乘法法等高效的计算方法，或者使用流水线和并行计算等方式提高运算速度。实践中遇到的问题进行记录和总结，加深对定点除法运算的理解和掌握。

定点乘法的基本原理和算法；定点乘法的精度分析；定点乘法的实现方法和优化策略；定点乘法在数字信号处理中的应用。定点数的表示和运算；定点数的溢出和截断处理；定点乘法的精度和误差分析；定点乘法的高效实现和优化。定点数位宽和小数点位置的选取；定点数的溢出和截断处理；定点乘法的算法细节，如符号扩展、进位处理等；定点乘法的优化策略的选取。为了避免这些易错点，需要对定点乘法有深入的理解，并仔细设计和优化算法。同时，也需要进行严格的精度分析和测试，以保证算法的正确性和有效性。

在进行定点加法和减法运算之前，需要先了解定点数的表示方法，包括定点数的位数、小数点位置以及符号位等信息。定点加法和减法的原理和补码加法的原理类似，但是需要考虑到定点数的位数和小数点位置等因素。建议先了解定点数的表示方法，再通过实例演练加减法的过程，掌握定点加法和减法的基本原理。在进行定点加法和减法运算时，需要注意处理进位和溢出的情况，例如，当两个正数相加结果超出了定点数的表示范围时，会产生溢出；当两个负数相加结果超出了定点数的表示范围时，同样也会产生溢出。

（3）利用多路选择逻辑实现多种输入组合选择，使加法器扩展为多功能的算术、逻辑运算部件ALU；（4）加法器与移位器的组合可以构成乘法器与除法器，两种定点运算部件（定点整数的阶码运算器，定点小数的尾数运算器）的组合可以构成浮点运算器；（1）将一位二进制加法运算规则工程化为逻辑关系，用基本的门电路构成一位全加器；（5）算术、逻辑运算部件加上相关的寄存器组，就构成了一般的运算器组织。（2）n位全加器连同进位传递逻辑（进位链），构成n位并行加法器；（3）在超级小型机及以上的机型中。，加法运算与移位的配合可以实现。

（3）利用多路选择逻辑实现多种输入组合选择，使加法器扩展为多功能的算术、逻辑运算部件ALU；（4）加法器与移位器的组合可以构成乘法器与除法器，两种定点运算部件（定点整数的阶码运算器，定点小数的尾数运算器）的组合可以构成浮点运算器；各种复杂的运算处理最终可分解为算术四则运算与基本的逻辑运算，而算术四则运算的核心是。（1）将一位二进制加法运算规则工程化为逻辑关系，用基本的门电路构成一位全加器；（5）算术、逻辑运算部件加上相关的寄存器组，就构成了一般的运算器组织。，阶码运算与尾数的运算组合可以实现。

上面提到的二进制数，没有提到符号问题，故是一种无符号数的表示。在BCD码中，0～9之间的十进制数的BCD码与二进制数中的表示形式是一样的，而1010～1111这6种状态不使用，因此用标准BCD码表示十进制数时，只要对每个十进制数字用适当的二进制数代替即可。当为负数时，最高位（符号位）为“1”，其余位不是此数的二进制值，必须把它们按位取反，且在最低位加1，才是它的二进制值。计算机内的汉字需要在屏幕上显示或在打印机上输出时，需要知道汉字的字形信息，汉字内码并不能直接反映汉字的字形，而要采用专门的字形码。