计算机硬件基础名词解释

硬件基础名词解释流水线技术:将功能部件分离、执行时间重叠的一种技术，它可以在增加尽可能少的硬件设备情况下有效地提高CPU性能。超流水线技术:把流水段进一步细分，使各段的功能部件在每个时钟周期内被使用多次，这样，在一个时钟周期内多条指令流入流水线，即在一个基本时钟周期内分时发射多条指令。超标量:超标量处理器是指在处理器中安排多个指令执行部件，多条指令可以被同时启动和独立执行。多核技术:在一个处理器封装中包含多个处理器核心。超长指令字:VLIW中编译器经过优化策略，将多条能并行执行的指令合并成一条具有多个操作码的超长指令。微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序。微程序存储器：存放计算机指令系统所对应的所有微程序的一个专门存储器。通道程序：通道控制器和I/O处理器可以独立地执行一系列的I/O操作，I/O操作序列被称为I/O通道程序。指令系统：一台计算机能执行的机器指令全体称为该机的指令系统。堆栈：堆栈是一种按特定顺序访问的存储区；其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。输入输出系统：通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道或I/O处理器以及I/O软件统称为输入输出系统。接口：接口是CPU与“外部世界”的连接电路，负责“中转”各种信息。中断：由于内部/外部事件或由程序的预先安排引起CPU暂停现行程序，转而处理随机到来的事件，待处理完后再回到被暂停的程序继续执行，这个过程就是中断。中断系统：是计算机实现中断功能的软、硬件的总称。中断向量：把中断服务程序的首址PC和初始PSW称为中断向量。数据通路：数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路。寻址方式：指定当前指令的操作数地址以及下条指令地址的方法称为寻址方式。有效地址：数据实际存在的存储器地址。波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，以位/秒（b/s）表示，也称为数据位率。它是衡量串行通信速率的重要指标。指令助记符：为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符。RISC技术：精简指令集计算机，简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的性能、指令数目较少，一般都选用使用频度最高的一些简单指令、指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。CISC技术：复杂指令集计算机，实现了软件功能向硬件功能转移、便于使机器指令的功能接近高级语言语句的功能、有利于简化汇编语言程序设计，提高高级语言执行效率。总线标准：指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些协议与规范。区别时钟周期、机器（总线）周期和指令周期指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期，一般包括三个子周期。取指令周期间址周期：从存储器取出操作数执行周期机器周期（一般：取指周期=机器周期）所有指令执行过程中的一个基准时间确定机器周期需考虑的因素每条指令的执行步骤每一步骤所需要的时间基准时间的确定以完成最复杂指令功能的时间为准以访问一次存储器的时间为基准时钟周期：每两个相邻的时钟脉冲上升（下降）沿之间的时间间隔称为T状态，节拍或时钟周期（ClockCycle）时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间一个机器周期内可以完成若干微操作，每个微操作需要一定的时间，时钟周期（节拍）将一个机器周期分成了若干时间段指令周期包含机器周期，机器周期包含时钟周期微操作：一条指令的功能是通过执行一系列操作控制步完成的；这些控制步中的基本操作称为微操作。微命令：微操作的控制信号，如PCin，Zout等，而微操作是微命令的操作内容。微指令：可同时执行的一组微命令组成一条微指令，完成一个基本运算或传送功能。微程序：完成指定任务的微指令序列称为微程序；一条机器指令其功能可由一段微程序解释完成。中断传送方式、DMA传送方式、通道传送方式指令的格式指令的一般格式：操作码、地址码按指令包含的地址码个数分类：四地址指令、三地址指令、二地址指令、单地址指令、零地址指令定长操作码指令：1、位数和位置固定，2、共有m条指令，指令中操作码字段的位数为N位，则有如下关系式：N≥log2m（m≤2N)扩展操作码（变长操作码）指令：1、位数、位置不固定2、让操作数地址个数多的指令（如三地址指令）的操作码字段短些，操作数地址个数少的指令（如一或零地址指令）的操作码字段长些操作数存储方式（操作数可以存储在指令、寄存器、堆栈和存储器中；）数据存储方式（大端、小端的布局）数据的边界对齐的特点：信息按整数边界存储称为数据边界对齐：数据长度为2n个字节，则该数据在存储器中最小存储地址的最低n位应为0。优点：提高访存速度缺点：浪费存储空间存储器堆栈的操作：自底向上生成堆栈、自顶向下生成堆栈常用的寻址方式指令寻址:顺序寻址、跳跃寻址操作数寻址：立即寻址：操作数在指令中优：不用再次访存取数据缺：数字不能再改变寄存器寻址：操作数在寄存器中优：指令短、不用访存执行速度快；直接寻址：操作数在存储器中寄存器间接寻址：操作数在存储器中存储器间接寻址：操作数在存储器中相对寻址：操作数在存储器中（PC）+A基址寻址：操作数在存储器中固定内容的寄存器+A变址寻址：操作数在存储器中变内容的寄存器+A（数组）跳转语句的跳转偏移的计算有关数据通路的问题结合CPU内部结构图有哪些内部寄存器和通用寄存器内部：MAR:存储器地址寄存器MDR:存储器数据寄存器PC:程序计数器（下一条要取出的指令的地址）IR:指令寄存器（当前取出准备执行的指令）Y:暂存输入ALU的数据Z:暂存ALU的输出结果条件码寄存器–存放进位、溢出等条件码PSW:程序状态字寄存器–存放程序状态字前三步格式固定，以后有READ或WRITE就要WMFC1PCout,MARin,Read,ClearY,1=C0,Add,Zin；取指，(PC)+12Zout,PCin,WMFC；(PC)+1=PC3MDRout,IRin；指令=IRCPU内部结构数据通路是如何的（哪些控制信号）PPTP19页一条指令执行的控制序列问题控制器的实现方案组合逻辑方式的实现方法：•时序信号的控制方式•同步控制方式：1、定长，统一节拍（最长、繁做标准）的机器周期•2、不定长，分散节拍（实际需求）机器周期3、延长节拍异步控制方式：没有集中统一的时序信号，机器效率高联合控制方式：功能部件内部基本采用同步控制方式，功能部件之间采用异步控制方式控制器按结构分类：硬布线方式实现（RISC）（组合逻辑电路）：组合逻辑控制器和PLA控制器，硬布线控制器由逻辑门组合实现基于时钟信号CLK驱动的计数器来控制每个控制步，Zin=T1+T6·ADD+T5·BR+T5·N·BRN…End=T7·ADD+T6·BR+（T6·N+T4·N）·BRN+…微程序方式实现（CISC）：微程序控制器由控制存储器和存放当前正在执行的微指令的寄存器直接控制下实现指令周期的组成取指令周期：在指令周期开始之时，根据PC值将指令从存储器中取出放进IR中。间址周期：从存储器取出操作数，受操作数数目，寻址方式影响，如果无需从存储器读取操作数，则无此子周期。执行周期：根据操作码完成指令的执行。机器（总线）周期与总线传输率的关系流水线技术各种相关性及其解决办法1、结构相关：指令在重叠执行的时候由于硬件资源不能满足重叠执行的要求，而产生的一种结构上的相关，如访存冲突。解决方法：–阻塞法–资源重复法»使用哈佛结构存储体，代码与数据分开存放»使用多体交叉存储器，使两条相邻指令的操作数存放在不同的存储体内–采用指令预取技术»提前将指令取出并放入指令队列中；指令发射部件将队列头上的指令发送到空闲的执行部件去执行»适用于访存周期短的情况2、数据相关:某条指令的操作数依赖前一条或前几条指令的运行结果，这就是数据相关。写后读相关(RAW)addi$1,$2,10;$1=$2+10sub$5,$1,$4;$5=$1-$4–解决方法»阻塞（后推法）»定向转发（向前数据通路法）»乱序定向转发用乱序解决写后读（RAW）相关3、控制相关：当程序执行到条件分支指令的时候，会出现与控制相关的问题。控制相关可以看作是对指令指针寄存器PC的RAW相关问题。i.解决方法1.阻塞阻塞：–分支预测»静态预测：编译器来完成，预测部分代码放在转移指令中，指令的操作码字段指明转移被预测为发生还是不发生。»动态预测：用硬件记录上次转移预测的结果，并以此为依据来预测下次转移是否会发生。现代计算机经常采用一种转移目标缓冲器BTB来保存更多的信息以提高预测的准确度和程序执行的性能。显然，同样的转移指令在不同的场合可能有不同的预测结果。延迟槽法LOOP：SLR1；R1左移1位DecR2；R2←(R2-1)BNZLOOP；不为零，转移NEXT：AddR1+R3LOOP：DecR2BNZLOOPSLR1NEXT：AddR1+R3延迟槽法：编译程序编译时，将转移指令前与转移指令无关的n条指令或空指令放入延迟槽；，延迟槽在紧跟在转移指令后静态预测根据指令的情况，通常转移地址小于当前指令地址，预测为转移命中，如果转移地址比当前指令地址大，则预测转移不被命中动态预测根据程序历史行为和分支历史行为来协助判断分支是否命中，这是在运行时的判断。多发射技术超标量技术超流水线技术指令发射策略：按序发射按序完成，通过控制译码完成时间，执行指令也能够按序地开始按序发射无序完成（只受三种相关困扰）无序发射无序完成接口的功能1、数据缓冲功能（数据口）2、接受和执行CPU命令功能（命令口）3、控制和监视设备执行功能（状态口）4、设备选择功能5、信号转换功能6、可编程功能7、与主机和设备通信功能端口概念：I/O端口是供CPU直接存取访问的接口中的寄存器或电路端口地址的形成：是对接口中的不同寄存器或电路的编号，该编号加上该接口的基地址称为该端口的I/O端口地址。CPU通过向命令端口发命令来对接口，最终对设备进行控制。访问设备实际上是访问相关的端口I/O端口的编址方式和特点：1、I/O统一编址（存储器映象I/O编址）（MiniSys）优点：1、不必使用专用I/O指令2、外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制3、读写控制逻辑较简单缺点：1、占用部分MEM空间，可用MEM空间减小2、对MEM访问指令较长，执行速度较慢3、I/O端口地址译码时间较长2、I/O独立编址（x86）优点：–MEM地址空间不受I/O端口地址空间影响；–I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快，使得此类指令执行速度快；–使用专用I/O命令(IN/OUT)，与MEM访问命令(LOAD/STORE、MOV)有明显区别,便于理解和检查。缺点：–专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，寻址方式也少，程序设计灵活性较差；–要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。MiniSys:0～FEFFH为存储空间FF00～FFFFH为I/O空间中断类型和中断响应过程中断分类内中断由处理器内部异常产生的中断1、硬件故障中断2、程序性错误3、程序性中断（失效：启动后、执行前被检测到，回到该条指令，重新启动；自陷：指令执行完后才报告，回下条指令继续执行；终止：错误位置无法确定，由中断服务程序重新启动操作系统）外中断由外设完成任务或出现特殊情况引起CPU响应中断的条件1、CPU处于开中断状态2、至少要有一个未被屏蔽的中断请求3、当前指令执行完后响应中断CPU对中断的响应与处理1、关中断：将屏蔽掉所有新中断请求2、保护断点信息（将下条指令的地址保存：进栈）3、识别中断源（找到最高优先级中断的中断服务程序入口地址）•查询中断（查询每个设备的中断状态位）•向量中断（中断请求设备发出中断类型号）4、转入中断服务程序5、保护现场，开中断（保护通用寄存器的值）6、执行中断服务程序（中断处理的核心部分）7、恢复现场（恢复通用寄存器的内容）8、关中断9、中断返回中断优先级1、软件轮询法：查询顺序决定优先级，结构简单、响应慢、CPU的利用率低；2、硬件链式中断