题型： 选择题 20 分 名词解释 12 分 简答 18 分 计算 50 分 一点说明： 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可以不算

1. 题型： • 选择题20分 • 名词解释12分 • 简答18分 • 计算50分 • 一点说明： • 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可以不算

2. Application (ex: browser) Operating Compiler System (Windows 2K) Software Assembler Instruction Set Architecture Hardware Processor Memory I/O system Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors 计算机系统 指令集体系结构（ISA）以指令系统为核心，包含数据类型格式定义、寄存器设计、存储器访问和保护方式、I/O访问方式、中断结构、计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能和成本。

3. CPU设计 存储器系统 学习的内容 系统总线 I/O接口和数据传输 信息（指令和数据）的表示。指令系统的设计。

4. 第一章 计算机系统概述 • 计算机系统的组成和分层结构 • 硬件子系统：运算器、控制器、存储器、I/O设备 • 软件子系统：系统软件和应用软件 • 冯·诺依曼机器结构 • “存储程序”工作方式 • 计算机的性能 • CPU性能指标：CPI 、MIPS、FLOPS • CPU性能的测量：基准程序

5. CPI和哪些因素有关？ • 时钟周期长度 • 指令类型和条数 • 是一个平均值，并不能很好的反映性能 • 为什么MIPS也不能很好的反映计算机性能？ • 不同机器的指令集不同 • 程序由不同的指令混合而成 • 指令使用的频度动态变化

6. 第二章 数据的机器级表示 • 数据的类型 • 分为数值型数据和非数值型数据 • 数值数据 • 三要素：进位计数制、定浮点和编码 • 定点整数,有无符号整数和有符号整数 • 定点整数用补码表示 • 浮点数用IEEE754标准，float(32位)的格式

7. 第三章 运算方法与部件 • 补码定点数的加/减法器： • 在“无符号加法器”加“溢出检测”和“求负”电路 • 定点数的乘除法器： • 用“加法+右移”实现乘法、“加法+左移”实现除法 • 浮点数运算： • 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 • 为保证精度，浮点运算时要增加“保护位”，并考虑“舍入” • 所有运算都在ALU（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 • ALU的核心是“加法器”

8. 第四章 存储器分层结构 • 半导体随机访问存储器 • 记忆单元 – 存储芯片 – 存储模块(内存条) – 存储器 • 层次：磁带-磁盘-主存-cache-寄存器 • 虚拟存储器管理 • 分页式(页表)，分段式(段表)，段页式(段表＋页表) • TLB的引入 • 虚拟地址和物理地址转换 • 高速缓冲存储器cache • 程序访问局部化:时间局部性\空间局部性 • 映射关系:直接映射\全相联映射\组相联映射

9. 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/硬件的交界面 • 一条指令必须隐含或明显地包含： 操作码/源操作数地址/结果值地址/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 • 寻址方式 寄存器/寄存器间接/直接/间接/立即/堆栈/偏移(相对、变址和基址) • 操作类型 • 传送/算术/逻辑/字符串/输入输出/程序流控制/系统控制/…… • 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 • RISC：精简指令集计算机

10. 第六章 中央处理器 • CPU的功能——执行指令、检测“异常和中断”并响应 • CPU的组成 • 数据通路中包含组合逻辑单元和存储信息的状态单元 • 寄存器有两类：用户可见和系统专用（PC，IR，MAR，MDR，PSWR） • 控制器对指令进行译码，与指令执行中的机器状态、时序信号（时钟）等组合，生成对数据通路进行控制的控制信号 • 微程序控制器 • 指令周期 • 取指令、译码、 (取数)、执行、(存结果)、(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 • 数据通路的设计 • 单周期Datepath：CPI=1(Clock宽度为最复杂指令周期) • 多周期Datepath：CPI>1(Clock宽度为最复杂子周期) • 流水线Datepath：CPI≈1(Clock宽度为最复杂子周期)

11. 几个“长度”或“单位” • 机器字长：CPU中定点运算数据通路的位数 • “字”：机器中所有信息宽度的计量单位。例如：80x86系列:16位；IBM303X系列：32位。 • 指令字长：指令的位数 • 编址单位：存储单元的宽度 。大多为8位 • 存取宽度：一次从一个由多个DRAM芯片构成的存储模块中同时读写的信息的宽度 • 总线宽度：传输单位，也就是一次最多能在总线上传输的信息位数

12. 第七章 流水线处理器 • 流水线CPU的设计 • 分段+流水段寄存器 • 高性能流水线 • 超流水线：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 • 静态多发射（VLIW处理器） • 动态多发射（超标量处理器） • 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 • 转发，寄存器前半写后半读 • 提醒：注意复习几个quiz

13. 第八章 总线 • 总线的设计 • 信号线类型 • 控制线、数据线和地址线。数据/地址分离或复用 • 总线可以采用“同步”或“异步”方式进行定时。 • 同步总线用“时钟”信号定时，异步总线用“握手信号”定时 • 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 • 集中裁决：菊花链、独立请求并行判优 • 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 • 如存储器读、存储器写、I/O读、I/O写等 • 总线带宽：单位时间内在总线上传输的最大数据量

14. 第九章 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 • I/O接口：用于在主机（IO总线）和设备之间进行命令、数据、状态信息的传递转换。 • I/O端口：I/O接口中CPU可访问的寄存器，对I/O设备的寻址就是对I/O端口的访问（统一编址和独立编址） • 重要的I/O传输方式 • 中断方式：外设请求+CPU响应+中断服务程序处理 • 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 • 中断处理过程（软件-OS）：准备阶段、处理阶段、恢复并返回阶段 • 直接存储器访问方式（DMA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 • DMA控制的IO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

15. 考试顺利