- 資料的表示
- 計算機結構
- Flynn分類法
- CISC與RISC
- 流水線技術
- 存儲系統
- 總線系統
- 可靠性
- 校驗碼
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計算機結構
計算機結構由5部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入裝置、輸出裝置。
其中運算器和控制器是CPU的組成部分。
運算器包括算術邏輯單元(ALU)、累加寄存器(AC)、資料緩沖寄存器(DR)、狀态條件寄存器(PSW)四部分組成。
控制器包括程式計數器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器、時序部件四部分組成。
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計算機體系結構分類 - Flynn
| 體系結構類型 | 結構 | 關鍵特性 | 代表 |
|---|---|---|---|
| 單指令流單資料流SISD | 控制部分：1個 處理器：1個 主存子產品：1個 | 單處理器系統 | |
| 單指令流多資料流SIMD | 控制部分：1個 處理器：多個 主存子產品：多個 | 各處理器以異步的形式執行同一條指令 | 并行處理機 陣列處理機 超級向量處理機 |
| 多指令流單資料流MISD | 控制部分：多個 處理器：1個 主存子產品：多個 | 被證明不可能 至少是不實際 | 目前沒有，有文獻成流水線計算機為此類 |
| 多指令流多資料流MIMD | 控制部分：多個 處理器：多個 主存子產品：多個 | 能夠實作作業、任務、指令等各級全面并行 | 多處理機系統多計算機 |
考察點：體系結構類型的特點。
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CISC與RISC
RISC(Reduced Instruction Set Computer)和CISC(complex instruction set computer)是目前CPU的兩種架構。
它們的差別在于不同的CPU設計理念和方法。
| 指令系統類型 | 指令 | 尋址方式 | 實作方式 | 其他 |
|---|---|---|---|---|
| CISC（複雜） | 數量多，使用頻率差别大，可變長格式 | 支援多種 | 微程式控制技術（微碼） | 研制周期長 |
| RISC（精簡） | 數量少，使用頻率接近，定長格式， 大部分為單周期指令，操作寄存器， 隻有Load/store操作記憶體 | 支援方式少 | 增加了通用寄存器； 硬布線邏輯控制為主； 适合采用流水線 | 優化編譯，有效支援進階語言 |
考察點：兩種指令系統類型的特點。
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流水線技術
1、概念
流水線是指在程式執行時多條指令重疊進行操作的一種準并行處理實作技術。各種部件同時處理是針對不同指令而言的，它們可同時為多條指令的不同部分進行工作，以提高各部件的使用率和指令的平均執行速度。
2、流水線式指令執行
指令的執行分取指、分析、執行三個步驟，每個步驟是由不同的部件完成。
3、流水線計算
流水線周期為執行時間最長的一段。
流水線計算公式為：
（1）理論公式：1條指令執行時間 + （指令條數 - 1）*流水線周期
（2）實踐公式：（k + n -1）* 周期，其中k是指令執行段數，n是指令條數
4、例子
若指令流水線把一條指令分為取指、分析和執行三部分，且三部分的時間分别是取指2ns，分析2ns，執行1ns。那麼，流水線周期是多少？100條指令全部執行完畢需要的時間是多少？
答：流水線周期是2ns，100條指令全部執行完畢需要的時間是2+2+1+(100-1)*2=5+198=203 ns
5、流水線吞吐率
（1）概念
流水線的吞吐率（Though Put rate，TP）是指在機關時間内流水線所完成的任務數量或輸出的結果數量。
（2）計算公式
計算流水線吞吐率的最基本的公式如下：
TP = 指令條數 / 流水線執行時間，
如，上面例子中的吞吐率TP=100/203
（3）流水線最大吞吐率
其中，n 是指令條數，k是執行一條指令需要的步驟，
是流水線周期。
6、流水線加速比
（1）概念
完成同樣一批任務，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間比稱為流水線的加速比。
（2）計算公式
計算流水線加速比的基本公式如下：
S = 不使用流水線執行時間 / 使用流水線執行時間
如，上面例子中的流水線加速比S=(2+2+1)*100/203 = 500/203
7、流水線的效率
（1）概念
流水線的效率是指流水線的裝置使用率。在時空圖上，流水線的效率定義為n個任務占用的時空區與k個流水段總的時空區之比。
（2）計算公式
E = n個任務占用的時空區 / k個流水段的總的時空區 =
（3）例子
一個任務需要4個步驟完成，完成每個步驟的時間是
，
，
，
，連續處理4個任務的時空圖如下所示，
則流水線效率為圖中有顔色的長方形和與整個長方形的比 =
考察點：流水線的執行時長問題，先使用理論公式計算，再使用實踐公式