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컴퓨터 구성 원리

컴퓨터 구성 원리에 대한 지식 요약. 컴퓨터 명령어, 수치 표현, 승수와 나눗셈 원리, MIPS 명령어 시스템 등 지식의 여러 측면을 포함합니다. 컴퓨터 구성 원리를 배우는 학습자가 지식 구조를 정리하고, 컴퓨터 구성 원리와 기술을 빠르게 익히며, 기초 지식을 탄탄하게 다질 수 있도록 도와줍니다. 컴퓨터 기초.

2024-03-02 22:24:43에 편집됨

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Python의 필수 유물의 비밀 가장 인기있는 10 개의 라이브러리 분석
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컴퓨터 구성 원리

컴퓨터 개요 및 기술

소개

컴퓨터 분류 및 특성

개인용 컴퓨터

섬기는 사람

네트워크 액세스로 과부하 작업 실행

슈퍼컴퓨터

고급 서버

알아채다

TB: 10^12바이트

TiB: 2^40바이트

임베디드 컴퓨터

가장 큰 금액

포스트 PC 시대

개인용 모바일 장치 PMD

스마트폰, 태블릿

클라우드 컴퓨팅

네트워크에서 서비스를 제공하는 대규모 서버 클러스터

컴퓨터 시스템 아키텍처의 8가지 훌륭한 아이디어

무어의 법칙에 따른 설계

단일 칩의 통합 수준은 18~24개월마다 두 배로 증가하며, 컴퓨터 설계자는 설계가 시작될 때가 아니라 완료될 때 프로세스 수준을 예측해야 합니다.

추상화를 사용하여 디자인 단순화

추상화를 사용하여 다양한 설계 수준을 표현합니다. 낮은 수준의 세부 사항은 높은 수준에서 볼 수 없으며 단순화된 모델만 볼 수 있습니다.

확률이 높은 이벤트 가속화

확률이 낮은 이벤트를 최적화하는 것보다 훨씬 더 나은 성능

병렬성을 통해 성능 향상

파이프라이닝으로 성능 향상

버킷의 릴레이 전달과 유사한 특수 병렬 시나리오

예측을 통해 성능 향상

잘못된 예측을 복구하는 데 비용이 많이 들지 않고 예측의 정확도가 상대적으로 높다고 가정하면, 추측을 통해 미리 특정 작업을 수행합니다.

메모리 계층

상단 레이어는 속도가 빠르고 용량이 작고 가격이 비싸지만 하단 레이어는 그 반대입니다.

이중화를 통해 신뢰성 향상

중복 부품은 고장난 부품을 대체할 수 있으며 오류 감지에 도움이 될 수 있습니다.

프로그래밍 개념 소개

컴퓨터 시스템 계층

폰 노이만 컴퓨터

컴퓨터 하드웨어 시스템은 연산 장치, 제어기, 메모리 및 I/O 장치로 구성됩니다.

이진 인코딩을 사용하여 데이터 표현

프로그램과 데이터 통합

컴퓨터에는 순차적인 명령을 처리하는 능력이 있습니다.

소프트웨어

애플리케이션 레이어

데이터베이스 시스템 원리

알고리즘 레이어

데이터 구조, 알고리즘 설계 및 분석

고급 언어 계층

프로그래밍 기초, C 프로그래밍

운영 체제 계층

컴파일 원리, 운영 체제

시스템 소프트웨어

운영 체제

기본 입력 및 출력 처리

외부 마을과 메모리 할당

여러 애플리케이션 간에 컴퓨터 리소스를 공유하는 서비스를 제공합니다.

컴파일러

고급 언어로 작성된 프로그램을 하드웨어에서 실행할 수 있는 명령어로 번역

명령어 시스템 계층: 명령어 세트

컴퓨터 구성 원리

하드웨어

명령어 시스템 계층: 명령어 세트

컴퓨터 구성 원리

논리 레이어: 논리 연산, 게이트 회로

이산수학, 디지털 논리

고급 언어에서 하드웨어 언어로

바이너리 비트

정보의 기본 요소

지침

컴퓨터 하드웨어가 이해하고 따르는 명령

어셈블러

니모닉 형식의 명령어를 해당 바이너리로 자동 변환합니다.

어셈블리어

니모닉 형식으로 표현된 기계 명령어

기계어

이진 요소로 표현된 기계 명령어

고급 프로그래밍 언어

C, C, Java, Visual, Visual Basic 등의 이식 가능한 언어는 단어와 대수 기호로 구성되어 있으며 컴파일러에 의해 어셈블리 언어로 변환될 수 있습니다.

컴퓨터 성능

성과 평가 기준

처리량 및 응답 시간

응답 시간 응답 시간

실행 시간, 하드 디스크 액세스, 메모리 액세스, I/O 활동, 운영 체제 오버헤드 및 CPU 실행 시간 등을 포함하여 컴퓨터가 작업을 완료하는 데 필요한 총 시간입니다.

처리량

대역폭은 단위 시간당 완료된 작업 수를 나타냅니다.

상대적 성능

성능 측정

클록 주기 및 클록 주파수

시계주기

컴퓨터 시스템은 시계를 사용하여 하드웨어에서 발생하는 다양한 일을 구동합니다.

시계주기는 시계 간격의 시간, 즉 시계의 한주기의 시간입니다.

클록 주파수

시계 주기의 역수

CPU 실행 시간

특정 작업을 실행하기 위해 CPU에 소요된 시간(IO 및 기타 작업에 소요된 시간 제외)

사용자 CPU 시간

CPU가 사용자 프로그램을 실행하는데 걸리는 시간

시스템 CPU 시간

사용자에게 서비스를 제공하는 운영 체제에서 소비한 CPU 시간

수업 성과

CPI

명령어당 클록 주기

명령어당 평균 CPU 클럭 사이클 수

클래식 CPU 성능 공식

프로그램의 CPU 실행 시간 =프로그램의 CPU 클럭 사이클 수 x 클럭 사이클 시간 =프로그램/클럭 주파수에 대한 CPU 클럭 사이클 수

프로그램의 CPU 클럭 사이클 수 =프로그램의 명령어 수 x 명령어당 평균 클럭 사이클 수(CPI)

CPU 시간 = 명령어 수 xCPIx 클럭 사이클 시간 = 명령 수 xCPI/클럭 주파수

알아채다

명령어 수는 컴퓨터 아키텍처에 따라 다르며 컴퓨터의 성능에 따라 달라지지 않습니다. 구현

CPI는 스토리지 시스템을 포함한 컴퓨터의 다양한 설계 세부 사항과 밀접한 관련이 있습니다. 및 프로세서 아키텍처

CPI는 동일한 명령어 세트의 다양한 애플리케이션 및 구현에 따라 다릅니다.

두 대의 컴퓨터를 비교할 때는 세 가지 요소를 모두 고려해야 합니다.

프로그램 성과 관련 요인

하드웨어 개념 소개

컴퓨터 구성 요소

데이터 경로

일반적으로 레지스터를 포함한 완전한 산술 및 논리 연산

제어

CPU의 구성 요소로서 프로그램 명령에 따라 데이터 경로, 메모리 및 I/O 작업을 지시하여 프로그램 기능을 공동으로 완료합니다.

메모리

런타임 프로그램과 필요한 데이터가 저장되는 장소입니다.

입력

키보드, 마우스 등 정보를 전달하는 컴퓨터 장비

터치 스크린

용량 감지

산출

모니터, 디스크, 프린터, 스피커 등 계산 결과를 사용자에게 표시하는 장치입니다.

감시 장치

LCD

LCD는 광원이 아니라 빛을 전달하는 제어 장치이다.

동적 매트릭스 디스플레이

트랜지스터를 사용하여 개별 픽셀의 빛 투과 제어

픽셀

이미지 요소의 가장 작은 단위

😋

하드웨어

CPU

데이터 경로

완전한 산술 연산

제어 장치

프로그램 지침에 따라 올바르게 실행되도록 데이터 경로, 메모리 및 I/O 장치를 안내합니다.

은닉처

SRAM(정적 랜덤 액세스 메모리)

빠르다, 비싸다

메모리

접속시간 및 용량

구성과 읽기 및 쓰기 원리

메인 메모리

동적 랜덤 액세스 메모리 DRAM

기본 저장 장치

😋

구성과 표현

정보는 커패시터 CS에 저장되고 T는 데이터의 입력 및 출력을 제어하는 게이트 제어 튜브입니다. 해당 게이트는 읽기/쓰기 선택에 연결됩니다. 라인(워드라인), 드레인, 소스는 각각 데이터라인(비트라인)과 메모리 커패시터(CS)에 연결된다. 데이터 1 또는 0을 커패시터 CS로 전하의 유무로 판단할 수 있습니다.

읽기와 쓰기의 원리

선택(워드) 라인에 하이 레벨을 추가하여 T 튜브를 켭니다. "0"을 쓸 때 데이터 라인에 낮은 레벨을 추가하여 CS의 전하가 데이터 라인으로 방전되도록 합니다. "1"을 쓸 때 데이터 라인에 높은 레벨을 추가하여 데이터 라인을 CS에 충전하십시오. 읽을 때 데이터 라인에 읽기 전압이 있습니다. CS 충전금액에 비례합니다.

핵심 구성 요소: MOS 트랜지스터

😋

읽기, 쓰기 및 새로 고침 작업 그림

😋

칩 로직 구조

😋

메모리 모듈 스트립

작은 띠 모양의 인쇄 회로 기판에 특정 수의 메모리 칩을 사용하여 고정된 저장 용량을 가진 메모리 모듈을 형성합니다.

분류

30피트

8비트 데이터 라인, 용량 256KB~32MB

72피트

32비트 데이터 버스

100피트 이상

32비트 데이터 버스와 64비트 데이터 버스 모두에 사용되며 용량은 4MB~512MB

기타 동적 랜덤 액세스 메모리

동기식 동적 랜덤 액세스 메모리 SDRAM

동기식 인터페이스를 갖춘 동적 랜덤 액세스 메모리. 일반적으로 DRAM(동적 랜덤 액세스 메모리)에는 비동기식 인터페이스가 있어 언제든지 제어 입력의 변경에 응답할 수 있습니다. SDRAM에는 제어 입력에 응답하기 전에 클럭 신호를 기다리는 동기화 인터페이스가 있어 컴퓨터의 시스템 버스와 동기화할 수 있습니다. 시계는 들어오는 명령어를 파이프라인으로 처리하는 유한 상태 머신을 구동하는 데 사용됩니다. 이를 통해 SDRAM은 동기식 인터페이스가 없는 비동기식 DRAM에 비해 더 복잡한 작동 모드를 가질 수 있습니다.

이중 데이터 속도 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리 DDR SDRAM

데이터 전송 속도가 두 배인 SDRAM입니다. 증가된 속도로 인해 데이터 전송 속도가 기존 SDRAM보다 두 배 더 좋습니다.

메모리 한쪽의 핀 수는 92개(양면 184개), 노치 왼쪽에 52개, 노치 오른쪽에 40개입니다.

2세대 이중 데이터 속도 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리 DDR2 SDRAM

DDR SDRAM보다 더 높은 작동 성능과 더 낮은 전압을 제공하며 DDR SDRAM(Double Data Rate 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리)의 후속 제품입니다.

메모리의 단면에는 120개 핀(양면에는 240개), 노치 왼쪽에 64개, 노치 오른쪽에 56개의 핀이 있습니다.

3세대 이중 데이터 속도 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리 DDR3 SDRAM

DDR2 SDRAM보다 더 높은 작동 성능과 더 낮은 전압을 제공하며 DDR2 SDRAM(쿼드 데이터 속도 동기식 동적 랜덤 액세스 메모리)의 후속 제품입니다(8배 증가).

또한 메모리 단면에 120핀(양면에 240핀), 노치 왼쪽에 72핀, 노치 오른쪽에 48핀이 있습니다.

디스크

외관 및 구조의 개략도

😋

작동 원리

😋

쓰기 1: 코일이 순방향 전류를 통과시켜 N-S 상태로 만듭니다.

0 쓰기: 코일이 역전류를 통과하여 S-N 상태가 됩니다.

읽기: 자기 헤드는 고정되어 있고 캐리어는 움직입니다. 캐리어의 작은 자화 유닛 외부의 자기력선은 자기 헤드 코어를 통해 폐루프를 형성하므로 코어 코일의 양쪽 끝에서 유도 전압이 얻어집니다. 극성에 따라 1 또는 0을 읽을 수 있습니다.

저장 구조

😋

플래시 메모리

EPROM 저장 요소를 기반으로 개발된 고밀도 비휘발성 읽기/쓰기 메모리입니다.

밀도가 높다는 것은 저장 용량이 매우 크다는 것을 의미합니다.

비휘발성이란 저장된 데이터가 전원 없이 오랫동안 유지될 수 있음을 의미합니다.

RAM과 ROM의 장점을 모두 갖고 있어 스토리지 기술의 획기적인 발전이라 할 수 있습니다.

읽기 원리

읽기 전용 광 디스크(CD-ROM) 시스템은 모두 공통 원리를 기반으로 합니다. 즉, CD의 정보는 피트 형태로 배포됩니다. 피트는 "1"로 표시되고 피트가 없는 경우는 "0"으로 표시됩니다. 일련의 구덩이(기억 요소)가 정보 기록을 형성합니다.

데이터 저장에 사용되는 CDROM 디스크의 경우 이 피트 분포는 디지털 "1" 및 "0" 코드의 쓰기 또는 읽기 표시 역할을 합니다. 이를 위해서는 레이저를 광원으로 사용해야 하며, 이를 위해서는 좋은 광학 시스템을 사용할 수 있습니다.

광디스크에 기록된 정보는 피트 형태로 영구적으로 저장됩니다. 판독 중 레이저 빔의 초점이 피트에 조사되면 회절이 발생하고 반사율이 낮습니다. 초점이 볼록한 표면에 닿으면 대부분의 빛이 돌아옵니다. 반사광을 기반으로 기록된 정보는 광량을 변경하고 광전 변환을 수행하여 판독할 수 있습니다.

😋

저장 구조

정보가 기록되는 트랙을 라이트 트랙이라고 합니다. 광 트랙은 광 디스크에서 주소 지정이 가능한 가장 작은 단위인 섹터로 구분됩니다. 섹터의 구조는 그림에 나와 있습니다.

😋

줄자

테이프 드라이브의 기록 원리는 자기 캐리어가 자기 테이프라고 불리는 플라스틱 스트립이라는 점을 제외하면 기본적으로 자기 디스크 드라이브의 기록 원리와 동일합니다. 기록 시 자기 헤드를 통해 정보 코드를 테이프에 기록할 수 있습니다. 코드가 기록된 테이프가 자기 헤드 아래로 이동하면 자기 헤드 코일에 기전력이 유도되어 정보 코드를 읽을 수 있습니다. 테이프 저장 장비는 테이프 드라이브와 테이프의 두 부분으로 구성됩니다. 일반적으로 대용량 저장 장비의 데이터 백업으로 사용됩니다.

테이프의 데이터는 순차적으로 액세스되는 반면 디스크는 무작위로 액세스되므로 테이프는 디스크보다 느립니다.

분류

1/4인치 테이프(QIC)

36-72개 트랙, 병렬 데이터 기록

용량 80MB~1.2GB

디지털 오디오 테이프(DAT)

회전 스캔

용량 12GB

8mm 테이프

용량 25GB

디지털 선형 테이프(DLT)

최대 용량 35GB

프로세서 및 메모리 제조 기술

트랜지스터

전기 신호로 제어되는 간단한 스위치

집적 회로

수천 개의 트랜지스터로 구성된 칩

대규모 집적 회로

수십만~수백만 개의 트랜지스터로 구성된 회로

CPU 전력 소비 벽

전력벽 문제

지배적인 집적 회로 기술은 CMOS이며, 그 주요 전력 소비는 소스는 동적 전력 손실, 즉 트랜지스터의 스위칭 과정에서 손실되는 전력입니다. 소비전력 = 부하 용량 x 전압² x 스위칭 주파수 ▪ 클록 주파수에 따른 스위칭 주파수 ▪ 부하 커패시턴스는 출력과 프로세스에 연결된 트랜지스터 수의 함수입니다. ▪ 현재는 CPU의 각 세대마다 주파수 증가에 따른 전력 소모를 상쇄하기 위해 전압을 낮추고 있습니다. 성장, 20년 만에 전압이 5V에서 1V로 감소

컴퓨터 성능을 더욱 향상시키는 방법

더 강력한 냉각 기술을 사용하는 것은 비용이 많이 듭니다

단일 프로세서에서 다중 프로세서로 이동

■과거에는 프로그래머가 하드웨어, 아키텍처 및 컴파일러의 혁신에 의존하여 코드를 수정하지 않고도 18개월마다 프로그램 성능을 두 배로 늘릴 수 있었습니다. ■이제 응답 시간을 크게 향상시키려는 프로그래머는 프로그램을 다시 작성해야 하며, 코어 수가 계속 두 배로 증가함에 따라 프로그래머는 계속해서 코드를 개선해야 합니다.

CPU 제조예

반도체 재료: 실리콘

특수 화학을 사용하여 실리콘에 특정 재료를 추가하면 작은 영역을

좋은 지휘자

좋은 절연체

제어 가능한 도체 또는 절연체

VLSI 회로는 위의 재료를 수억 개 조합하여 구성됩니다.

컴퓨터 지침

기본 개념, MIPS 지도 시스템

지침의 기본 개념

컴퓨터 언어의 세 가지 수준

고급 언어

어셈블리 언어(명령 니모닉을 사용하여 프로그램 작성)

기계어(명령 코드로 프로그램 작성)

명령어 세트 시스템을 기계어라고 하며, CPU가 직접 해석할 수 있는 데이터입니다.

명령 및 명령 시스템

지침

컴퓨터 작동의 가장 작은 기능 단위는 컴퓨터 하드웨어의 작동을 지시하는 명령입니다. 이는 여러 개의 이진 비트로 구성된 비트열입니다.

컴퓨터가 제공하는 모든 명령은 컴퓨터의 명령 시스템을 구성합니다. 명령어는 프로그래머가 컴퓨터에 기본 작업 및 처리 기능을 수행하도록 지시하는 데 사용됩니다. 여러 명령이 예상되는 작업을 완료하기 위한 프로그램을 구성할 수 있습니다.

명령 시스템

정의

컴퓨터가 제공하는 모든 명령은 컴퓨터의 명령 시스템을 구성합니다.

명령어는 프로그래머가 컴퓨터에 기본 작업이나 처리 기능을 수행하도록 지시하는 데 사용됩니다.

예

X86

체계

윈도우, 리눅스

칩

인텔, AMD

CISC

팔

체계

안드로이드, iOS, 윈도우 모바일

칩

금어초, 애플, 기린

MIPS

체계

리눅스

칩

갓슨 No.3

RISC

CISC와 RISC

명령 시스템의 개발

복잡한 명령 집합 컴퓨터 CISC

수백 개의 명령어와 거대한 명령어 시스템으로 인해 컴퓨터 개발 주기가 길어져 정확성 확보가 어렵고, 사용 빈도가 낮은 복잡한 명령어가 많이 사용되어 하드웨어 자원이 낭비됩니다.

RISC

X86 명령어 세트에서 가장 일반적으로 사용되는 10개 명령어의 사용 빈도 합은 96%에 이릅니다.

MIPS 명령어 세트

MIPS 컴퓨터 하드웨어 작업

의미

내부 인터록 파이프라인 단계가 없는 마이크로프로세서 RISC 칩

애플리케이션

SGI 슈퍼컴퓨터

임베디드 시스템

라우터

게임 장비

중국 룽손

MIPS 32비트 컴퓨터 시스템 다이어그램

😋

기본 개념 및 배경지식

비트, 바이트, 워드

비트비트

정보의 가장 작은 단위인 이진수 1비트

바이트바이트

8비트

단어 단어

데이터의 단위를 나타내는 용어

워드의 비트 수(워드 길이)는 컴퓨터 시스템 아키텍처의 중요한 특성입니다.

현대 컴퓨터의 단어 길이는 일반적으로 32비트 또는 64비트입니다.

메모리에 데이터 저장

메모리

바이트 배열로 볼 수 있음

각 바이트에는 고유한 인덱스(주소)가 있습니다.

한 바이트의 메모리에 접근할 때 주소가 필요합니다.

한 단어가 여러 바이트를 차지합니다.

32비트

1워드=4바이트

64비트

1워드=8바이트

주소라는 단어는 포함된 첫 번째 바이트의 주소입니다.

단어의 시작 주소는 4의 배수여야 합니다.

😋

바이트 저장 순서

리틀 엔디안 주소 지정

워드 주소로서의 리틀 엔디안 바이트

빅 엔디안 주소 지정

워드 주소로서의 빅 엔디안 바이트

😋

MIPS 명령어의 이진 표현

MIPS 명령어는 모두 단일 단어 명령어입니다(명령어 길이 = 기계어 길이).

MIPS 하드웨어

MIPS CPU

32개의 범용 레지스터

각 레지스터 크기는 단일 워드(32비트) 크기와 동일합니다.

MIPS 레지스터

😋

MIPS(32비트) 컴퓨터 메모리

MIPS(32비트) 컴퓨터 시스템에서 주소는 32비트 이진 문자열입니다.

최대 메모리 용량은 2^32Bytes/2^30Words입니다.

단어의 시작 주소는 4의 배수여야 합니다.

MIPS 32비트 컴퓨터 기능

레지스터는 데이터에 빠르게 접근하기 위해 사용됩니다. MIPS에서는 레지스터에 저장된 숫자에 대해서만 산술 연산을 수행할 수 있습니다. 레지스터 $zero는 항상 0이고 레지스터 $at는 큰 상수를 처리하기 위해 어셈블러에 의해 예약되어 있습니다.

메모리는 데이터 전송 명령어를 통해서만 접근할 수 있습니다. MIPS는 바이트 주소 지정을 사용하므로 연속된 단어 주소는 4만큼 다릅니다. 데이터 구조, 배열 및 오버플로 레지스터를 보유하는 데 사용되는 메모리

MIPS 컴퓨터 하드웨어 피연산자

피연산자 및 메모리 피연산자 등록

피연산자 등록

산술 연산의 피연산자는 레지스터에서 나와야 합니다.

MIPS 컴퓨터에는 32개의 레지스터가 있으며 각 레지스터의 크기는 32비트입니다.

예를 들어

😋

메모리 피연산자

데이터 전송 지침

정의

메모리와 레지스터 사이에서 데이터를 전송하는 명령어

분류

가져오기 명령어 lw(워드 로드)

😋

단어 저장 sw(저장 단어)

😋

오버플로 등록

정의

프로그램 변수의 개수가 레지스터 개수보다 훨씬 많습니다. 일반적이지 않은 변수를 메모리에 저장하는 과정입니다.

레지스터의 데이터를 사용하기가 더 쉽습니다.

MIPS 산술 명령어는 두 개의 레지스터를 읽고, 작업을 수행하고, 결과를 다시 저장할 수 있습니다.

MIPS 데이터 전송 명령어는 하나의 피연산자만 읽거나 쓸 수 있습니다.

메모리에 비해 레지스터는 액세스 시간이 짧고 처리 속도가 더 빠르며, 레지스터 액세스는 메모리보다 적은 전력을 소비합니다.

더 높은 성능을 달성하고 전력을 절약하려면 컴파일러는 레지스터를 효율적으로 활용해야 합니다.

상수 또는 즉치 피연산자

명령어에 직접 피연산자를 제공하세요.

$zero 레지스터는 항상 0으로 설정됩니다.

지속적이고 즉각적인 운영

즉시 추가

😋

즉석 숫자와 andi rt rs,imm

즉시 높은 비트 가져오기 명령 lui rt,imm

즉시 전화번호 li rdest,imm 가져오기

요약

😋

이 책의 완전한 MIPS 어셈블리 언어

MIPS 피연산자

😋

MIPS 어셈블리 언어

😋

MIPS 명령어 형식

컴퓨터의 명령어 표현

명령어

명령어의 완전한 이진 표현

명령어 길이

명령어 단어의 이진 코드 자릿수

명령 형식

연산코드

이 명령어의 연산 기능을 나타냅니다. 각 명령어에는 특정 연산 코드가 있습니다.

피연산자 주소

피연산자가 저장되는 주소를 지정하며, 경우에 따라 피연산자 자체(즉시값)를 지정합니다.

삽화

😋

숫자 형태의 명령어는 기계어가 되고, 이러한 명령어의 순서는 기계어가 됩니다.

컴퓨터의 명령은 일련의 높은 전기 신호와 낮은 전기 신호로 표시됩니다.

MIPS 어셈블리 언어로 인코딩 규칙 등록

$s0-$s7은 16-23에 매핑됩니다.

$t0-$t7은 8-15에 매핑됩니다.

MIPS 어셈블리 언어로 된 기계 명령어

어셈블리어

$t0,$s1,$s2 추가

십진수 형식

😋

이진 형식

😋

16진수

😋

MIPS 명령어 형식

저장 공간 할당

😋

설명하다

작전

명령어의 기본 동작(opcode)

첫 번째 소스 피연산자 레지스터

두 번째 소스 피연산자 레지스터

연산 결과를 저장하는 데 사용되는 대상 레지스터

샴

시프트 지시에 사용되는 변위량

기능

op 필드에서 특정 작업 변형을 나타내는 데 사용되는 기능 코드

문제가 있습니다

레지스터 2개와 상수 1개, 상수는 2^5로 제한됩니다.

타협

모든 명령어의 길이를 동일하게 유지하려면 다양한 유형의 명령어가 서로 다른 명령어 형식을 갖도록 허용하세요.

세 가지 형식 유형

😋

요약

지침

😋

예

😋

논리 연산 지침

논리 연산

정의

여러 비트 또는 워드의 단일 비트에서 작동

유형

예

왼쪽으로 논리적 시프트, 오른쪽으로 논리적 시프트

😋

비트별 AND

😋

비트별 OR

😋

비트 부정

연산코드

왼쪽으로 논리적 시프트

좀

논리적 오른쪽 시프트

srl

비트별 AND

그리고,앤디

비트별 OR

아니면, 오리

비트 부정

...도 아니다

결정 지침

정의

입력과 계산 중에 생성된 값을 기반으로 다양한 명령을 실행합니다.

분류

조건부 분기 지침

같으면 분기

beq 레지스터1, 레지스터2, L1

같지 않으면 분기

레지스터1,레지스터2,L1

예

고급 언어

if(i==j) f=g h; else f=g-h;

어셈블리어

bne $s3,$s4,Else #ij가 같지 않으면 Else로 이동 add $s0,$s1,$s2 #gh 더해서 f에 저장 j 종료 #종료로 이동 그렇지 않으면: sub $s0,$s1,$s2 #gh를 빼서 f에 저장합니다. 출구:

while 루프 문 컴파일

고급 언어

동안(사바[i]==k) 나는 =1;

어셈블리어

루프: sll $t1,$s3,2 #$t1=4*i add $t1,$t1,$s6 #$t1=저장 주소[i] ($s6에는 저장 주소가 있음) lw $t0,0($t1) #$t0=저장[i] bne $t0,$s5,Exit #save[i] k와 같지 않을 때 나가기 추가 $s3,$s3,1 #i=i 1 j Loop #루프로 돌아갑니다. 출구:

미만인 경우 설정

효과

한 변수가 다른 변수보다 작은지 비교합니다.

문법

$t0,$s3,$s4

설명하다

$s3의 값이 $s4의 값보다 작으면 $t0은 1로 설정되고, 그렇지 않으면 0으로 설정됩니다.

요약

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프로세스에 대한 컴퓨터 하드웨어 지원, MIPS 명령어 주소 지정 모드

프로세스에 대한 MIPS 컴퓨터 지원

할당 규칙 등록

$a0~$a3

매개변수 전달

$v0~$v1

반환 값

$ra

출발지점으로 돌아가기 위한 복귀주소 레지스터

점프 및 링크 지침

특정 주소로 점프하고 $ra 레지스터에 다음 명령어의 주소를 저장합니다.

jal 절차주소

레지스터 점프 명령

무조건 레지스터에서 지정한 주소로 점프

주니어 $ra

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수치 표현 및 연산

데이터 인코딩 및 표현

컴퓨터에 저장해야 하는 개체

인코딩으로 표현

기본 요소

0, 1

성격

자릿수

26자 -> 5자리

대문자 및 소문자 기타 기호->7비트

세계의 다른 언어로 된 텍스트 -> 16비트(유니코드)

중요한 인간-컴퓨터 인터페이스

기호로 구성됨

각 기호는 인코딩되어 입력 및 출력 장치에 의해 최종적으로 변환됩니다.

일반적으로 컴퓨터 메모리에 문자열 형태로 저장됩니다.

다양한 문자 세트 인코딩 표준

아스키

정보 교환을 위한 미국 표준 코드

7비트 바이너리 인코딩과 짝수 체크 비트를 사용하여 총 8비트, 1바이트 점유

128개의 서양 문자를 나타냅니다.

영어 알파벳

소수

구두

세부

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유니코드

16비트를 사용하여 문자를 표현하면 65536개의 문자를 표현할 수 있습니다.

전체 인코딩 공간을 블록으로 나누고, 각 블록은 16의 정수배로 블록별로 할당한다.

현지화용으로 6400 코드 포인트 예약

여전히 모든 문자를 포함할 수는 없습니다.

수치 데이터 표현

검토: 기본 시스템 관련

캐리 계산 방법(임의의 진수는 십진법에 따라 확장됨)

공식

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의미

N은 숫자 값을 나타냅니다.

r은 이 숫자 체계의 기본입니다.

i는 0부터 시작하는 이러한 기호의 비트 수를 나타냅니다.

Di는 비트 번호 i의 기호입니다.

r^i는 비트 번호 i에서 1로 표시되는 값입니다.

일반적으로 사용되는 베이스

바이너리는 컴퓨터 내부적으로 사용됩니다.

8진수 16진수는 2진수의 약어입니다.

인간이 사용하는 십진법

숫자 체계 변환

데이터를 표현하는 방법 선택과 관련된 요소

데이터 유형

소수, 정수, 실수, 복소수

숫자 범위

데이터가 접할 수 있는 최대값과 최소값

수치 정확도

실수가 제공할 수 있는 유효 자릿수. 부동 소수점 숫자의 경우 정밀도가 부족하면 오류가 발생하고 오류가 누적되면 문제가 발생합니다.

저장, 처리, 전송을 위한 하드웨어 비용

저장공간 점유, 전송속도

일반적으로 사용되는 두 가지 데이터 형식

고정 소수점 수

특징

고정 소수점 위치

고정 소수점 정수

고정 소수점 소수점

제한된 수치 범위, 간단한 처리 하드웨어 필요

고정 소수점 숫자 표시 방법

고정 소수점 형식

모든 데이터의 소수점 위치는 고정됨을 합의합니다.

고정된 위치에 있도록 합의했기 때문에 소수점은 더 이상 기호로 표시되지 않습니다.

데이터는 일반적으로 순수 십진수 또는 순수 정수로 표시됩니다.

표시 방법

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순수 십진수

소수점은 Xn과 Xn-1 사이입니다.

[0,1-2^(-n)]

순수 정수

소수점은 X0 오른쪽에 있습니다.

[0,2^n-1]

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정수 인코딩

원본 코드

구성

부호 비트 숫자의 절대값

양수는 이렇게 표현됩니다

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음수는 이렇게 표현됩니다

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범위

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특징

표현은 간단하고 동일한 참값 간에 쉽게 변환할 수 있으며 곱셈과 나눗셈 연산 규칙도 간단합니다.

덧셈과 뺄셈 연산이 번거롭다

덧셈: 동일한 부호를 가진 값을 더하고 다른 부호를 가진 값을 뺍니다.

빼기: 먼저 절대값을 비교한 후 절대값이 큰 쪽을 피감수로 사용하고 다른 쪽을 빼기로 사용하여 차이를 만들고 절대값이 큰 기호를 기호로 사용합니다.

0과 -0이 있습니다

매우 혼란스럽습니다.

10000000

00000000

역방향 코드

값의 부호 비트 비트 단위 부정

특징

0의 보수는 고유하지 않습니다.

범위

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보어

1의 보수 1

양수의 보수는 양수 자체이고, 음수의 보수는 원래 음수에 모듈로를 더한 값입니다.

보완 부호 비트

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특징

뺄셈 연산을 덧셈 연산으로 변환

참값 0의 보수는 고유합니다.

범위

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서명된 번호

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부호 없는 번호

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요약하다

원래 코드와 양수의 보수가 동일함

부호 비트는 0이고 숫자 비트는 참값입니다.

0의 원래 역코드는 2개의 코드를 갖고, 보수코드는 1개의 코드만 갖는다.

원래 코드와 음수의 보수가 다릅니다.

부호 비트 1

숫자 비트

원본 코드: 숫자의 절대값

음수 코드: 절대값을 부정합니다.

2의 보수: 1의 보수 1

부동 소수점 수

소수점 위치 부동

수치 범위는 매우 크고 필요한 처리 하드웨어는 복잡합니다.

표시 방법

소수 과학 표기법

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이진 과학 표기법

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부동 소수점 숫자를 표현하는 방법

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정규화된 표현 방법

가수 값이 0이 아닌 경우 가수 필드의 가장 왼쪽 비트는 항상 1입니다.

최상위 비트는 항상 1이므로 이 비트는 저장되지 않고 소수점 왼쪽에 숨겨져 있는 것으로 간주됩니다.

IEEE754 표준

부동 소수점 산술 표준

기수는 2로 지정하고, 지수 코드 E는 프레임시프트로 표현하고, 가수 M은 원본 코드로 표현하며, 이진 정규화 방식에 따르면 값의 최상위 비트는 항상 1로 저장된다. 기본적으로 1개로, 가수 표현 범위를 실제 저장 공간보다 1배 더 크게 만듭니다.

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요약하다

정규화된 형태

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단정밀도 부동 소수점 수

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배정밀도 부동 소수점 수

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부동 소수점 진리 계산

정규화된 32비트 부동 소수점 수

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정규화된 64비트 부동 소수점 수

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특별 규정

E는 모두 0이고, M은 모두 0이며, 부호 비트와 결합하면 0과 -0이 있습니다.

E는 모두 1이고 M은 모두 0이며 x=무한대입니다. 부호 비트와 결합하면 양수 및 음수 무한대가 있습니다.

숫자 범위(32비트)

코드 E

8비트 이진수

지수 참값 범위: -126~127

특별한 경우

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오류 감지 및 수정 코드

코드 거리

두 가지 법적 코드 간에는 최소한 몇 가지 이진 비트 차이가 있습니다.

일반적으로 사용되는 세 가지 오류 감지 및 수정 코드

패리티 코드

병렬 데이터 전송을 위해

원칙

k비트 데이터 코드에 체크비트를 1개 추가하여 k개의 1비트 코드워드에서 값이 1인 자릿수가 항상 짝수 또는 홀수가 되도록 한다.

전산 표현

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회로 구현

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해밍 체크 코드

병렬 데이터 전송을 위해

순환 중복 검사 코드

직렬 데이터 전송용

배송 및 검수 과정

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논리값

0->거짓，1->참

색상

위치, 주소, 지침

작업

고정 소수점 덧셈과 뺄셈 원리

2의 보수 덧셈과 뺄셈

공식

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추가 기능

부호 비트는 작업에 참여하기 위해 숫자의 일부로 처리되어야 합니다.

모듈로 2^(n 1)을 초과하는 캐리는 폐기됩니다.

오버플로 감지

오버플로의 개념

고정 소수점 정수 기계에서 숫자 표현 범위의 절대값은 <2^(n-1)입니다.

연산 중에 연산 결과가 기계어 길이가 나타낼 수 있는 범위를 벗어나는 현상을 오버플로(overflow)라고 합니다.

오버플로가 발생할 수 있음

양수 두 개를 더해 음수가 되고 오버플로됩니다.

두 개의 음수를 추가하여 양수와 언더플로로 만듭니다.

탐지 방법

이중 부호 비트 방법

덧셈과 뺄셈 연산에 관련된 숫자는 변형된 보수 코드를 사용하여 표현됩니다.

계산 규칙

두 부호 비트 모두 숫자로 처리되며 작업에 참여합니다.

두 개의 숫자는 모듈로 2^(n 2)으로 추가되고, 가장 높은 부호 비트에서 생성된 캐리는 폐기됩니다.

발각

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단일 부호 비트 방법

가장 높은 비트가 생성됩니다.

계산기 구성

기본 기술

완전한 산술 및 논리 연산

피연산자 가져오기: 레지스터 뱅크, 데이터 버스

작업 결과 출력 및 저장: 레지스터 그룹, 데이터 버스

연산의 중간 결과 임시 저장: 시프트 레지스터

작업 결과 상태 가져오기

제어 신호를 이해하고 이에 대응합니다.

기본 논리 회로

논리 게이트 회로

완전한 논리 연산

가산기

추가 작업 완료

방아쇠

데이터를 저장

멀티플렉서, 시프터

선택하다, 연결하다

데이터 경로

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ALU 기능 및 디자인

기능

피연산자에 대한 완전한 산술 및 논리 연산

더하기, 그리고, 또는

설계

산술 연산

가산기

논리 연산

AND 게이트 또는 게이트

곱셈 원리와 승수

이진 곱셈 알고리즘 설명

기본 알고리즘

승수의 현재 비트 == 1이면 피승수와 부분 곱을 합산합니다.

승수의 현재 비트 == 0인 경우 부분 곱을 건너뛰고 이동합니다.

모든 비트가 완료되면 부분 제품이 최종 결과가 됩니다.

N자리 승수*M자리 피승수

N M 비트의 곱

곱셈 알고리즘 1

프로세스

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개선하다

X*yi를 얻을 때마다 이전 결과와 누적되어 Pi를 얻는데 이를 부분곱이라고 합니다. 마지막 합산을 기다리지 않기 때문에 매번 곱셈 결과 X*yi를 저장하는 비용이 줄어듭니다.

X*yi를 얻을 때마다 왼쪽으로 이동하여 이전 부분 곱 Pi에 추가하는 대신 부분 곱 Pi를 오른쪽으로 이동하여 X*yi에 추가합니다. 덧셈 연산은 항상 부분 곱의 상위 n 비트에 대해 수행되므로 n 비트 덧셈기를 사용하여 두 개의 n 자리 숫자를 곱할 수 있습니다.

승수에서 1인 비트에 대해 덧셈과 오른쪽 시프트를 수행하고, 0인 비트에 대해서만 오른쪽 시프트를 수행하며 덧셈 연산을 수행하지 않습니다.

곱셈 알고리즘 2

프로세스

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분할 원리 및 구분선

원래 코드 분할 규칙

원본코드로 표현되는 두 숫자를 나누는 경우, 두 숫자의 부호를 비트 단위로 더하여 몫의 부호를 구하고, 두 숫자의 숫자부분을 나누어 몫의 숫자부분을 구한다.

고정 소수점 소수 나눗셈

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분할 하드웨어 구조

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분할 프로세스

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문제

가산기와 레지스터의 협력으로 배당 자릿수가 길어지고 몫은 비트 단위로 계산되어야 합니다.

이는 왼쪽에서 숫자를 제거하면 해결될 수 있으며 피제수의 하위 부분은 최종 몫과 동일한 레지스터를 공유할 수 있으며 나머지와 몫은 동시에 왼쪽으로 이동됩니다.

부문 구현

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독창적인 코드 분할 방식

회복적 잔여법

뺄셈이 충분하지 않으면 원래 나머지를 복원하여 연산을 계속합니다.

현재 나머지 + 제수

덧셈과 뺄셈을 번갈아 가며

연산 중 뺄셈이 불충분하게 발생하면 나머지를 복원하고 나머지 부호에 따라 연산을 계속할 필요가 없습니다.

나머지 > 0, 나머지를 한 자리 왼쪽으로 이동하고 제수를 뺍니다.

나머지 > 0, 나머지를 한 위치 왼쪽으로 이동하고 제수를 추가합니다.

부동 소수점 산술 연산

부동 소수점 덧셈과 뺄셈

산술 규칙

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프로세스

0 피연산자 확인

순서는 순서차이를 구하고 순서코드가 작은 숫자의 가수를 오른쪽으로 이동시키고, 순서코드 값이 큰 값을 취한다(가수를 왼쪽으로 이동시키면 최상위 비트가 손실되는데, 이는 큰 손실이므로 가수를 오른쪽으로 이동하세요)

가수 더하기 및 빼기

결과 정규화

반올림

왜

정렬이나 정규화 시 가수가 오른쪽으로 이동하여 낮은 비트가 손실되어 오류가 발생할 수 있습니다.

데이터 유형을 변환할 때도 반올림이 필요합니다.

IEEE754 표준 반올림 방법

가장 가까운 자리로 반올림(0~1)

버려진 가장 높은 비트는 1 대 1입니다.

0을 향해 반올림

검열됨

양의 무한대를 향해 반올림

양수의 추가 자릿수가 모두 0이 아닌 경우 1로 반올림되고, 음수인 경우 잘립니다.

음의 무한대로 반올림

음수의 추가 자릿수가 모두 0이 아닌 경우 양수가 잘리면 1로 반올림됩니다.

오버플로 확인

부동 소수점 오버플로

과다

값이 너무 큽니다.

지수 코드 값이 8바이너리 비트의 표현 범위를 초과했습니다.

언더플로

값이 너무 작습니다.

지수 코드가 8비트 바이너리의 표현 범위를 초과했습니다.

삽화

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오버플로 판단 및 처리

부동 소수점 숫자의 오버플로는 코드 오버플로로 표현됩니다.

왼쪽 타이밍(가수를 왼쪽으로 이동, 지수 코드 -1)

먼저 지수 코드가 모두 0인지 확인하고, 그렇다면 지수 코드가 언더플로되고, 그렇지 않으면 지수 코드 -1 이후 지수 코드가 모두 0인지 확인하고, 그렇다면 지수 코드가 언더플로됩니다.

오른쪽 타이밍(가수를 오른쪽으로 이동, 지수 코드 1)

먼저 지수 코드가 모두 1인지 확인하고, 그렇다면 지수 코드가 언더플로됩니다. 그렇지 않으면 지수 코드가 1인 후 지수 코드가 모두 1인지 확인하고, 그렇다면 지수 코드가 언더플로됩니다.

부동 소수점 덧셈 및 뺄셈 구성요소

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부동 소수점 곱셈과 나눗셈

공식

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작업 단계

0 피연산자 확인

코드 추가 및 빼기 작업

곱셈

ExEy의 최상위 비트가 모두 1이고 Ez의 최상위 비트가 0이거나 Ez가 모두 1이면 지수 코드가 오버플로됩니다.

ExEy의 가장 높은 비트가 모두 0이고 Ez의 가장 높은 비트가 1이거나 Ez가 모두 0이면 지수 코드가 언더플로우됩니다.

분할

Ex의 최상위 비트가 1, Ey의 최상위 비트가 0, Ez의 최상위 비트가 0이거나 Ez가 모두 1이면 지수 코드가 오버플로됩니다.

Ex의 최고 비트가 0, Ey의 최고 비트가 1, Ez의 최고 비트가 1이거나 Ez가 모두 0이면 지수 코드가 언더플로우됩니다.

가수 곱셈 및 나눗셈 연산

결과 정규화

반올림

코드 덧셈과 뺄셈

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추가 비트

효과

정렬 중 오른쪽으로 이동한 비트별 OR 연산의 중간 결과를 보호합니다.

다루다

왼손일 경우 가수로 이동됩니다.

반올림의 기준으로

IEEE754 규정

중간 결과에는 오른쪽에 두 개의 추가 비트가 추가되어야 합니다.

보호 비트

가수 오른쪽의 비트

반올림 비트

보호 비트의 오른쪽에 있는 비트

부동 소수점 연산 파이프라인

병렬성을 향상시키는 두 개의 채널

공간적 병렬성

다중 작업 프로세서 및 수퍼스칼라 프로세서와 같은 중복 구성 요소 추가

시간적 병렬성

조립 라인 기술 등 운영 프로세스 개선

파이프라인 특성

파이프라이닝은 단일 작업의 지연 시간을 줄이는 것이 아니라 전체 시스템의 처리량을 향상시킵니다.

여러 작업이 동시에 수행되며 서로 다른 리소스를 차지합니다.

가능한 속도 향상 비율 = 파이프라인 단계 수

파이프라인 효율성은 가장 긴 단계로 인해 제한됩니다.

각 단계에 소요되는 시간이 다르면 파이프라인의 효율성이 저하됩니다.

라인을 로드하고 비우는 것도 속도 향상을 감소시킵니다.

충돌로 인해 파이프라인이 중단됩니다.

조립 라인의 기본 개념

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조립 라인 원리

파이프라인 클록 주기

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속도 향상 분석

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소개하다

작업은 파이프라인에서 연속적이어야 합니다. 작업을 지속적으로 제공해야만 파이프라인의 효율성을 최대한 활용할 수 있습니다.

작업을 여러 관련 하위 작업으로 나눕니다. 각 하위 작업은 전용 기능 구성 요소로 구현됩니다.

파이프라인의 각 기능 단위 뒤에는 버퍼 레지스터 또는 래치가 있어야 합니다.

조립 라인의 각 섹션 시간은 최대한 동일해야 합니다. 그렇지 않으면 막힘과 흐름 중단이 발생할 수 있습니다.

파이프라인에는 로딩 시간과 비우는 시간이 필요합니다. 파이프라인이 완전히 가득 찼을 때만 완전히 효율적일 수 있습니다.

부동 소수점 산술 단위