计算机组成原理总复习.

第一章引言2本章目标•了解计算机组织与计算机结构的区别•理解计算机系统常用计量单位•了解计算机发展史•了解计算机系统分层的概念•了解并能够解释vonNeumann体系结构及计算机基本部件的功能3容量和速度的单位:•Kilo-(K)=1thousand=103and210（1024）•Mega-(M)=1million=106and220（1048576）•Giga-(G)=1billion=109and230•Tera-(T)=1trillion=1012and240•Peta-(P)=1quadrillion=1015and2501.3计算机系统的实例采用二进制还是十进制取决于测量的是什么。4•Hertz=每秒钟循环次数(频率)–1MHz=1,000,000Hz–处理器速度MHz或GHz.•Byte=存储单位–1KB=210=1024Bytes–1MB=220=1,048,576Bytes–主存以MB为单位–磁盘存储以GB或TB为单位1.3计算机系统的实例51.3计算机系统的实例时空的度量:•Milli-(m)=1thousandth=10-3•Micro-()=1millionth=10-6•Nano-(n)=1billionth=10-9•Pico-(p)=1trillionth=10-12•Femto-(f)=1quadrillionth=10-156•Millisecond=千分之一秒=毫秒–硬盘存取速度通常是10--20milliseconds.•Nanosecond=纳秒=1billionthofasecond–主存存取速度50--70nanoseconds.•Micron(micrometer)=百万分之一米=微米–计算机集成电路器件的集成尺寸。1.3计算机系统的实例7•周期是频率的倒数•总线133MHz频率，周期就是7.52纳秒从109X1÷133X106得来1.3计算机系统的实例133,000,000cycles/second=7.52ns/cycle81.3计算机系统的实例充分理解下列广告中列出的各项数据的含义：9•几个常见标准化组织：–TheInstituteofElectricalandElectronicEngineers(IEEE)促进世界电机工程一体化进程建立计算机行业部件标准、数据标准和信号协议标准等等。1.4标准化组织机构一览10•TheInternationalTelecommunicationsUnion(ITU)国际电联–电信系统标准的制定，包括数据通信、电报电话等•TheAmericanNationalStandardsInstitute(ANSI)•TheInternationalOrganizationforStandar-dization(ISO)1.4标准化组织机构一览11•第0代:机械计算机(1642-1945)•第1代:真空管计算机VacuumTubeComputers(1945-1953)•第2代:晶体管计算机(1954-1965)•第3代：集成电路计算机(1965-1980)•第4代:超大规模集成电路计算机(1980-)1.5计算机发展历程12•摩尔定律(1965)：“集成电路中晶体管的密度每年将翻一番。Thedensityoftransistorsinanintegratedcircuitwilldoubleeveryyear.”•当代版本:–“硅芯片集成密度将18个月翻一番。Thedensityofsiliconchipsdoublesevery18months.”1.5计算机发展历程13•Rock’sLaw洛克定律–ArthurRock,Intel财务专家–“建设一个生产半导体产品的资金每4年翻一番”–1968年,建设一个芯片生产厂需要$12,000此时,一个主管经理年薪$12000$12,000可在大城市的郊区购买一套豪华别墅。1.5计算机发展历程14•每一个“虚拟机器层”是其下面的底层的抽象•每一层通过召唤其底层的功能，来执行该层特有的指令•最底层的计算机电路是最终执行各层功能的载体1.6计算机系统的层级结构Level6~level0各层解释151.7vonNeumann模型•如今的程序存储计算机具有如下特点：–三大硬件系统:•CPU•主存•一个输入输出系统–连续的指令执行能力–在主存和CPU之间有单一的数据通路，称为vonNeumann瓶颈（bottleneck）161.7vonNeumann模型•vonNeumann系统的一般描述如图所示•都是利用取值-译码-执行循环往复的过程来执行程序171.7vonNeumann模型•在过去的若干年中，以提高计算机的处理效率和处理能力为目的，传统的程序存储计算机获得了持续改进。•逐渐演变成为如今的“三总线”结构。数据、控制和地址总线、采用变址寄存器寻址以增加批量访问数据时的方便、浮点数据提高数据精度和表数范围、外设中断和异步输入输出访问方式、虚拟存储/高速缓存和指令流水线技术等。计算机的基本组成计算机由五个基本部分所组成运算器(arithmeticunit)控制器(controlunit)存储器(memory)输入设备(inputdevice)输出设备(outputdevice)计算机的基本组成ImprovedNouemanArchitecture20•60年代后期，曾尝试过双处理器来增加计算机的吞吐量•70年代，曾使用32个处理器制造出超级计算机系统•80年代超级计算机甚至发展到了1,000个处理器•1999年,IBM曾宣称其蓝色基因计算机系统包含了超过1百万个处理器1.8非vonNeumann模型21•并行处理是另一种提高计算机计算能力的方法•更激进想法的是试图从根本上重新发明计算机的计算的概念–例如遗传计算机、量子计算机和数据流计算机•至今还难以确定这些计算机是否会成为未来新一代计算机的基础1.8非vonNeumann模型第2章计算机系统中数据表示方法•字和字节的概念•数制及其之间的转换•计算机中数值的运算：补码体系，浮点运算•计算机中字符编码•什么是基数？什么是位置（权重）编码系统？234.56=2x102+3x101+4x100+5x10-1+6*10-2•计算机中常用数制及其之间的转换：•二进制•十六进制•八进制1.无符号整数的转换•十进制数转换成任意x进制数除x取余，从下向上•二进制转换成十进制∑(位值x位权)倍乘转换法2分数转换•十进制数转换成任意x进制数:乘x取整,从上到下3二进制数转换成八进制或十六进制数(1)二到八：三位一组，直接写出(2)二到十六：四位一组，直接写出•符号幅值表示法符号（1=负，0=正）+幅值.表数范围=-（2N-1-1）~+（2N-1-1）•补码运算的概念，利用“计算9的个数”算术理论实现补码运算正数的补码=原码负数的补码=反码+1•浮点表示法：•符号位指出了数值的正负•指数部分的长度决定了表数范围的大小•尾数部分的长度决定了表数的精度•两种方法表达一个小数：（1）在指数带符号位；（2）偏移指数•什么是规格化浮点数？•什么是浮点误差？如何克服？•什么是IEEE-754浮点标准？•什么是字符编码?•unicode编码标准的5部分内容第3章布尔代数和数字逻辑布尔代数是一种处理二值变量的逻辑数学，布尔表达式表达了对布尔变量的操作常见的三种操作是与（AND）,或（OR）,非（NOT）3132真值表是描述布尔操作的有效工具之一布尔表达式越简单电路实现起来越容易，为此，需要千方百计化简布尔表达式布尔表达式化简的0-1定律：33注：幂等律（idempotent)恒等式（identity）交换律、结合律、分配律34吸收律、反演律（德摩根）、互补律35吸收律（补充）x+y=x+yx(+y)=xy反演律的扩充:可以扩展到任意多个变量36通常采用两种标准的规范表达式：与-或（积之和）形式：变量之间先“与”后“或”●或-与（和之积）形式：变量之间先“或”后“与”37什么是逻辑门电路？逻辑符号38三种基本的逻辑门符号：直接对应着其布尔操作（“与”门、“或”门、“非”门）39“异或”门40试写出其表达式？41什么是组合逻辑电路？给定表达式可以画出逻辑电路，反之亦然。例如半加器和全加器42全加器实现电路43等价符号(x⊕y)carry_in(x⊕y)xysum=x⊕y⊕carry_incarry_out=xy+(x⊕y)carry_in译码器的作用：对出现在地址总线上的地址信号进行译码44多路选择器作用：用于从多个输入中选择一个输出45选择控制线输入线什么是时序逻辑电路？SR-触发器及其逻辑符号(2-或非门)46(2或非门)理解状态特征表：Q(t)原态和Q(t+1)新态47事实上，SR触发器可看作有三个输入:S,R和Q，所以其真值表如右注意：当S=R=1时，存在输出状态不定的可能48改进SR触发器，得到J-K触发器49J-K触发器的特征表50D-触发器特征表5152实例状态转换表53答案完成下列时序逻辑电路的真值表54练习55答案第4章简单计算机模型MARIE574.1概述58计算机由哪几部分组成？各部分的功能是什么？例如，输入输出接口的主要功能实现外围设备与CPU之间数据的交换为CPU提供外设的状态信息（输入输出状态寄存器）实现系统总线与外设之间的信号转换计算时钟周期（clockcycletime）的大小：一个800MHz的计算机，时钟周期是多少？1.25ns4.1概述59CPU性能方程改善CPU吞吐量的方法：减少一个程序中指令的数量（编写短小精悍的程序）减少每条指令所用的时钟周期个数（指令系统设计问题）减少每个时钟周期的长度（提高主频时钟频率）4.1概述60对于2N个需要编址的单元，需要使用多少条地址线？例如，4M×16的存储器，分别需要多少根地址线？按照字节编址按照字编址什么是低位和高位交叉存取技术？4.1概述614.1概述例子：若采用256k×8的RAM芯片构建一个2M×16的主存储器，且按字编址，回答：•需要多少片RAM芯片？•每个字需要多少RAM芯片？•每个RAM芯片需要多少个地址线？•这个存储器有多少组？•所有存储器需要多少地址线？•采用高位交叉方式，地址14存储单元位于什么位置？•采用低位交叉方式，地址14存储单元位于什么位置？624.1概述BANK0BANK1BANK7634.1概述答案：•需要多少片RAM芯片？16•每个字需要多少RAM芯片？2•每个RAM芯片需要多少个地址线？218•这个存储器有多少组？8（2片一组）•所有存储器需要多少地址线？2M×16=221•采用高位交叉方式，地址14单元位于什么位置？BANK0(000-000000000000001110)•采用低位交叉方式，地址14存储单元位于什么位置？BANK6(000000000000000001-110)64什么是中断？中断产生有哪些原因？哪些方式？CPU响应中断的过程？4.1概述654.2MARIE学习汇编语言编程有哪几步？了解具体CPU的硬件体系结构：多少个寄存器，每个寄存器的用途理解数据通路：数据沿着哪条线路传送指令体系结构：指令格式和每条指令可完成的操作指令的执行过程研读实例动手编程664.2MARIE理解MARIE体系结构674.2MARIEMARIE数据通路684.2MARIE7个寄存器的各自功能694.2MARIEMARIE的指令格式:MARIE的指令集:出现在IR中的形式704.3指令的执行过程MARIE指令的执行过程取指译码执行71实例：作业做过的练习题4.4一个简单的程序724.5A编译程序的讨论什么是汇编器？汇编器（assembler）和编译器（compiler）有什么区别？73实例：用MARIE汇编语言编写实现下列功能的程序代码：ifX1doX:=X+1;elseY:=Y+1;4.5A编译程序的讨论74答案：ORG100If,100Load