程序的局部性原理
程序的局部性原理是计算机体系结构的核心原理之一，是 Cache、虚拟内存等技术的设计基础，指程序在执行过程中，倾向于访问局部范围内的指令和数据，具体分为时间局部性和空间局部性两类。
| 类型 | 核心概念 | 典型场景 |
|---|---|---|
| 时间局部性 | 某条指令或某个数据被访问后，短期内大概率会被再次访问 | 1. 循环语句中的指令（反复执行同一批指令）2. 频繁调用的变量（如循环计数器） |
| 空间局部性 | 某条指令或某个数据被访问后，其相邻地址的指令 / 数据大概率会被访问 | 1. 顺序执行的指令序列（CPU 按地址顺序取指）2. 数组的连续元素访问（数组在内存中连续存储） |
全相联映射的检索过程为：
CPU 访问内存时，先从地址提取主存块号，然后依次与 Cache 中每一行的标记字段比较，若某行标记等于块号且有效位为 1，则命中，用块内偏移量定位字节；若都不匹配或有效位为 0，则未命中，从主存读数据块加载到 Cache 。
程序中断
程序中断是指计算机在执行正常程序的过程中，由内部 / 外部事件触发，暂停当前程序的执行，转而去处理该事件对应的中断服务程序，处理完成后再自动返回原程序断点处继续执行的机制。
中断系统的分类：描述的是整个中断处理机制的硬件架构和管理能力：
- 单级中断系统：所有中断源只有一个优先级，CPU 只能按 “先来先服务” 的顺序处理，不支持中断嵌套。
- 多级中断系统：中断源被划分成不同优先级，CPU 可以暂停低优先级的中断服务程序，优先处理高优先级的中断，支持中断嵌套。
刷新存储器
刷新存储器（又称帧缓冲器）是显示系统的专用高速存储器，用于存储屏幕所有像素的颜色信息，支撑显示器按固定频率读取数据并稳定显示图像。
存储容量的决定因素
存储容量由屏幕分辨率和像素深度共同决定，
计算公式为：存储容量 = 屏幕分辨率（横向像素数 × 纵向像素数）× 像素深度（bit）
- 分辨率：屏幕像素总数，分辨率越高，容量需求越大；
- 像素深度：存储单个像素颜色信息的二进制位数，位数越多（颜色表现力越强），容量需求越大。
I/O 控制方式
| 方式 | CPU 干预程度 | 速度 | 硬件复杂度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 程序查询方式 | 完全干预 | 最慢 | 最低 | 低速、少量外设 |
| 程序中断方式 | 部分干预 | 中速 | 中等 | 中高速、需及时响应外设 |
| DMA(直接存储器访问)方式 | 无干预 | 最快 | 最高 | 高速批量数据传送（磁盘） |
| 通道方式 | 极少干预 | 高速 | 很高 | 大型机、多外设并行 |
时钟周期，机器周期，指令周期
时钟周期是时间基准，机器周期是基本操作的时间单位，指令周期是一条指令的总执行时间。
时钟周期又称节拍周期，是计算机中最基本的时间单位，等于CPU 主频的倒数（例如主频 2GHz 的 CPU，时钟周期为 0.5ns）。它是 CPU 内部操作（如寄存器传输、ALU 运算）的最小时间刻度，由硬件振荡器的脉冲信号决定。
机器周期又称CPU 周期，是 CPU 完成一个基本操作所需的时间，由若干个时钟周期组成。不同基本操作的机器周期可能包含 不同数量的时钟周期（例如取指操作、访存操作、运算操作各对应一个机器周期）。机器周期是衡量指令执行步骤的基本单位，常见的机器周期有取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。
指令周期是 CPU取出并执行一条指令所需的全部时间，由若干个机器周期组成。不同指令的指令周期长度不同：
- 简单指令（如寄存器寻址加法指令）可能仅包含取指周期 + 执行周期；
- 复杂指令（如间接寻址访存指令）可能包含取指周期 + 间址周期 + 执行周期；
- 若执行后有中断请求，还会增加中断周期。
指令周期 > 机器周期 > 时钟周期，三者是包含与被包含的层级关系：
记忆知识点
- CPU 与主存交换信息是以字为单位，CPU 与 Cache 交换信息的单位是块
- 硬盘的磁头可分为固定磁头和移动磁头
- CPU 从内存取出一条指令并执行该指令的时间称为指令周期；它常用若干个机器周期来表示
- -127的反码等于0的移码
- 高级语言的编译系统属于系统软件，不是应用程序
- 快速传递进位信号是并行进位实现手段，不是最终目的。
- 多级中断会有中断嵌套的情况，需要按照“后进先出”的顺序恢复现场，而堆栈的存储方式正好是“后进先出”，能高效地依次保存和恢复各级中断的现场信息。
- 冯・诺依曼机按地址访问存储器，依程序计数器 顺序取指令执行
- 同步控制是由统一的时钟信号来控制各个操作的时序，所有部件的动作都按照这个统一时钟的节拍来进行。
• A：PCI总线是与处理器无关的高速外围设备总线。
• B：PCI总线的基本传输机制包含猝发式传送。
• C：PCI设备分为主设备和从设备，不是所有PCI设备都是主设备。
• D：系统中可以有多个PCI总线（比如通过桥接扩展），不是只允许一条。
IEEE 754是浮点数的标准格式；尾数影响精度，指数影响范围；浮点数与定点数的表示方式不同。
MIPS受指令集影响，不能单独作为性能评判依据；CPI越小表示效率越高；吞吐率和响应时间是衡量性能的重要指标。
一个汉字通常占用2个字节或更多，而一个英文字符才占用1个字节。
ASCII码仅能表示英文字符和控制字符，不能表示中文字符。
在定点运算器中，内部总线的主要作用是连接各个功能部件并传输数据
内部总线用于在运算器的不同模块之间传输数据，是数据通路的重要组成部分。定点运算器通常由加法器、寄存器、逻辑运算单元和移位器等基本部件构成，共同完成算术和逻辑运算。
在补码加法中，当两个同号数相加结果符号与原数相反时，可能发生溢出。而正负相加通常不会导致溢出。
多功能ALU可以执行多种算术和逻辑操作，通常由多个功能模块组成，并通过控制信号选择所需的操作。
多功能ALU通常由算术运算模块、逻辑运算模块、控制模块和数据通路组成。
算术运算模块负责执行加法、减法等操作；
逻辑运算模块执行与、或、非、异或等逻辑操作；
控制模块根据指令选择操作类型；
数据通路负责数据的传输和存储。补码加法中溢出的检测方法主要有两种：一是双符号位法，二是比较符号位法。
双符号位法通过检查 结果的两个符号位 是否相同 来判断溢出；
比较符号位法则通过比较 操作数和结果 的 符号位来判断溢出。
这些方法常用于定点运算器的设计中，以确保运算结果的正确性。当I/O设备需要CPU处理数据时，会向CPU发出中断请求信号。
显存大小 = 分辨率 × 每个像素所占字节数
微程序控制器基本组成包括：
1.控制存储器（CM）：存放所有指令的微程序（微指令序列）；
2.微指令寄存器（μIR）：存放当前执行的微指令，包括操作控制字段和顺序控制字段；
3.微地址形成部件：根据指令操作码（入口地址）、顺序控制字段、条件码等生成下条微指令地址；
4.微地址寄存器（μMAR）：存放将要访问的微指令地址，控制对CM的读操作。微程序控制器由控制存储器（CM）、微指令寄存器（μIR）、地址转移逻辑等组成。
控制存储器存放微程序，
微指令寄存器存放当前微指令，
地址转移逻辑产生下条微指令地址。程序计数器（PC）是指令寻址的部件，不属于 微程序控制器 特有。
数据通路的设计主要关注硬件组件之间的连接、控制信号的协调以及数据传输的效率
柱面是由多个磁道组成的，磁道又由多个扇区构成，扇区是磁盘读写的基本单位。而一个柱面并不包含多个盘片，而是多个磁头同时访问的相同半径位置的磁道集合。
微程序控制器通过微指令实现控制逻辑，具有较高的灵活性，尤其适合复杂指令集的实现。然而，其执行速度不一定比硬连线控制器快。
基本的静态存储元（SRAM）通常由6个晶体管组成，形成两个交叉耦合的反相器，用于稳定地存储一位数据。
在SRAM读操作中，当片选信号有效且地址稳定后，数据通常会在一个时钟周期后出现在数据总线上。
虚拟存储器由操作系统负责管理和调度，它扩展了程序可使用的地址空间，但其访问速度通常低于主存。
存储器的常见分类方式包括按存储介质（如半导体、磁性材料）、按存取方式（如随机存取、顺序存取）、按信息保存时间（如易失性、非易失性）。
SDRAM是一种与系统时钟同步工作的DRAM，能够提高数据访问的速度和效率。
存取时间是衡量存储器访问速度的重要指标，它指的是从发出访问请求到数据可被使用的这段时间。
片选信号：RAS（Row Address Strobe）信号用于激活行地址，CAS（Column Address Strobe）信号用于激活列地址。
访问时间是衡量存储器性能的重要指标，通常以纳秒（ns）为单位。
页表用于将逻辑地址中的页号转换为对应的物理地址中的块号，从而完成地址映射。
DRAM存储元基于电容工作，需要定期刷新，虽然比SRAM慢，但功耗较低，适合大规模存储。
存储系统的层次结构由寄存器、Cache、主存和辅存组成。
设计目的是通过在不同层次之间平衡速度、容量和成本，提高整体系统的性能和效率。cache存储器的命中率是指处理器访问的数据在cache中找到的概率。
命中率越高，意味着处理器可以直接从cache获取数据，减少了访问主存的次数，从而提高了系统的整体性能。
反之，命中率低会导致更多的主存访问，增加延迟，降低系统效率。DRAM存储元基于电容的充放电特性来存储数据。由于电容会逐渐放电导致数据丢失，因此需要定期刷新以维持数据的完整性。
题：指令格式设计
题：扩展存储空间：位扩展
题：CPU 微操作与指令执行流程设计
本题链接：题：关于CPU 指令执行流程与微操作控制-CSDN博客
