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Questions and Answers
在计算机系统中,CPU直接控制I/O操作的方式称为什么?
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计算机系统中的memory hierarchy的主要设计目标是什么?
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在中断处理机制中,来自外部设备的中断称为什么?
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在I/O系统中,使用缓冲来减少I/O操作的开销的技术称为什么?
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在计算机系统中,寄存器是位于哪一级的 memory hierarchy 中?
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在I/O系统中,多个I/O设备共享同一个总线的方式称为什么?
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Instruction Set Architecture (ISA) 的主要功能是什么?
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什么类型的 ISA 是指令集较少、更简单的架构?
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Pipeline 处理的主要目的是什么?
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Pipeline 中的 StructuralHazards 是什么样的冲突?
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什么技术可以提高 Pipeline 的性能?
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I/O 系统的主要功能是什么?
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什么是 Pipeline 中的 Write Back 阶段?
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什么是 Instruction Fetch 阶段的主要功能?
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Study Notes
Instruction Set Architecture (ISA)
- Definition: ISA is the interface between the computer's hardware and software, defining the syntax and semantics of the instructions that a computer's processor can execute.
- Components:
- Instruction format: defines the layout of an instruction in memory
- Instruction types: e.g., arithmetic, load/store, control flow, etc.
- Operand formats: defines how operands are represented in memory
- Addressing modes: defines how memory addresses are calculated
- Types of ISA:
- CISC (Complex Instruction Set Computer): many complex instructions, e.g., x86
- RISC (Reduced Instruction Set Computer): fewer, simpler instructions, e.g., ARM
- VLIW (Very Long Instruction Word): instructions are very long and encode multiple operations
Pipeline Processing
- Definition: a technique for improving CPU performance by breaking down the instruction execution process into a series of stages, each of which performs a specific function.
- Stages:
- Instruction Fetch (IF)
- Instruction Decode (ID)
- Operand Fetch (OF)
- Execution (EX)
- Memory Access (MEM)
- Write Back (WB)
- Pipeline hazards:
- Structural hazards: conflicts between instructions for resources
- Data hazards: dependencies between instructions
- Control hazards: conflicts between instructions for control flow
- Techniques to improve pipeline performance:
- Instruction-level parallelism (ILP): execute multiple instructions concurrently
- Pipelining: execute multiple stages of the pipeline concurrently
- Superscalar execution: execute multiple instructions in a single clock cycle
Input/Output Systems
- Definition: I/O systems manage the exchange of data between the computer and external devices.
- Types of I/O systems:
- Programmed I/O: CPU directly controls I/O operations
- Interrupt-driven I/O: CPU is interrupted by I/O devices to perform I/O operations
- Direct Memory Access (DMA): I/O devices access memory directly without CPU intervention
- I/O interfaces:
- Parallel I/O: multiple bits are transmitted simultaneously
- Serial I/O: single bits are transmitted sequentially
- Bus-based I/O: I/O devices share a common bus
- I/O management techniques:
- I/O scheduling: prioritize I/O requests to optimize performance
- I/O buffering: use buffers to reduce the overhead of I/O operations
Memory Hierarchy
- Definition: a multi-level structure for organizing and managing memory, with each level serving as a cache for the next level.
- Levels of the memory hierarchy:
- Registers: small, fast on-chip memory
- Cache: small, fast memory that stores frequently accessed data
- Main Memory: larger, slower memory that stores program instructions and data
- Secondary Storage: non-volatile storage for long-term data storage
- Memory hierarchy design goals:
- Minimize memory access time
- Maximize memory bandwidth
- Optimize memory usage
Interrupt Handling
- Definition: a mechanism for handling asynchronous events, such as I/O completions or errors, by temporarily suspending normal program execution.
- Interrupt types:
- External interrupts: generated by external devices, e.g., keyboard presses
- Internal interrupts: generated by internal events, e.g., divide-by-zero errors
- Interrupt handling process:
- Interrupt detection: CPU detects an interrupt request
- Interrupt acknowledgement: CPU acknowledges the interrupt request
- Context saving: CPU saves the current program context
- Interrupt handling: CPU executes the interrupt handler routine
- Context restoration: CPU restores the original program context
- Interrupt handling techniques:
- Interrupt nesting: allow multiple interrupts to be handled concurrently
- Interrupt prioritization: prioritize interrupts based on their urgency
指令集架構(ISA)
- ISA 定義了電腦硬體和軟體之間的接口,規定了指令的语法和語意
- ISA 组成部分:
- 指令格式:定義指令在記憶體中的布局
- 指令類型:例如算術、加載/存儲、控制流等
- 運算元格式:定義運算元在記憶體中的表示方式
- 地址模式:定義記憶體地址的計算方式
- ISA 類型:
- CISC(複雜指令集電腦):許多複雜的指令,例如 x86
- RISC(精簡指令集電腦):較少、簡單的指令,例如 ARM
- VLIW(非常長指令字):指令非常長,編碼多個操作
管道處理
- 管道處理定義:通過將指令執行過程分解為一系列階段,每個階段執行特定的功能,以改善 CPU 的性能
- 管道階段:
- 指令獲取(IF)
- 指令解碼(ID)
- 運算元獲取(OF)
- 執行(EX)
- 記憶體訪問(MEM) +寫回(WB)
- 管道危險:
- 结構性危險:指令之間的資源衝突
- 資料危險:指令之間的依賴關係
- 控制危險:指令之間的控制流衝突
- 提高管道性能的技術:
- 指令級並行(ILP):同時執行多個指令
- 管道化:同時執行多個階段
- 超標量執行:在單個時鐘週期中執行多個指令
输入/输出系統
- 输入/输出系統定義:管理電腦和外部設備之間的數據交換
- 输入/输出系統類型:
- 程式化输入/输出:CPU 直接控制输入/输出操作
- 中斷驅動输入/输出:CPU受到输入/输出設備的中斷,以執行输入/输出操作
- 直接記憶體存取(DMA):输入/输出設備直接訪問記憶體,不需要 CPU 干預
- 输入/输出接口:
- 并行输入/输出:同時傳輸多個位元
- 串行输入/输出:單個位元的序列传输
- 总線基礎输入/输出:输入/输出設備共享同一個总線
- 输入/输出管理技術:
- 输入/输出排程:優先输入/输出請求以優化性能
- 输入/输出緩衝區:使用緩衝區以減少输入/输出操作的開銷
記憶體層次
- 記憶體層次定義:多層次的結構,以組織和管理記憶體,每個層次充當下一個層次的緩存
- 記憶體層次級別:
- 註冊器:小、高速的晶片內記憶體
- 快取:小、高速的記憶體,存儲頻繁訪問的數據
- 主記憶體:較大、較慢的記憶體,存儲程序指令和數據
- 次記憶體:非易失性存儲,長期存儲數據
- 記憶體層次設計目標:
- 最小化記憶體訪問時間
- 最大化記憶體頻寬
- 優化記憶體使用
中斷處理
- 中斷處理定義:處理异步事件,例如输入/输出完成或錯誤,通過暫時中斷正常的程序執行
- 中斷类型:
- 外部中斷:由外部設備生成,例如鍵盤按鍵
- 內部中斷:由 CPU 內部事件生成,例如除零錯誤
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Description
指令集架构(ISA)是计算机硬件和软件之间的接口,定义了处理器可以执行的指令的语法和语义。本quiz涵盖指令格式、指令类型、操作数格式和寻址模式等组件。