福建工程学院计算机结构与组成期末考试重点

第一章计算机层次结构：数字逻辑层（使用何种线路存储信息、传输信息、运算和加工信息等）-微体系结构层（为了执行指令，需要设置哪些功能部件，这些部件如何组成和怎样运行等）-指令系统层（是硬件系统设计、实现的最基本最重要的依据、节省硬件资源和有利于提高程序运行效率同时用于设计软件程序）-操作系统层（主要负责计算机系统中的资源管理与分配，以及向使用者和程序设计人员提供简单、方便、高效的服务）-汇编语言层-高级语言层-应用层计算机硬件系统由五大功能部件组成，包括：运算器、控制器、存储器（高速缓存、主存储器、虚拟存储器）、输入设备、输出设备！运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：1.执行数值数据的加减乘除等算术运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为ALU的线路完成。2.暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器和乘商寄存器承担。3.运算器通常也是数据传输的通路。控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号：1.正确分析与执行每条指令：取指令－分析指令－执行指令。2.保证指令按规定序列自动连续地执行。3.对各种异常情况和请求及时响应和处理。存储器：由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟存储器所组成的多级存储器系统，是计算机中用于存储程序和数据的部件。这三级存储器各自的功能分工、所用的存储介质的工作原理和特性各不相同。输入设备是向计算机中送入程序和数据的具有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人机交互联系，如计算机键盘和鼠标等。输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备，例如打印机、显示器等。计算机系统的软件分为：系统软件、应用软件软硬件关系：计算机的硬件、软件二者相互依存，分工互动，缺一不可，硬件是计算机系统中保存与运行软件程序的基础，软件则是指挥硬件完成预期处理功能的命令。计算机系统主要的性能指标：计算机字长（CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关）、CPU速度（1、主频2、CPU每秒能执行的指令条数MIPS）、存储容量（存放二进制信息的总位数）、内存储器的存取周期和外存储器的数据传送速率、输入输出设备的入出速度、计算机内部的并行处理能力第二章交换律A+B=B+AAB=BA结合律A+(B+C)=(A+B)+CA(BC)=(AB)C分配律A+BC=(A+B)(A+C)A(B+C)=AB+AC吸收律A+AB=AA(AB)=ABA+AB=A+B(A+B)(A+C)=A+BC反演律AB=A+BA+B=AB半加器不考虑进位，组合逻辑电路：电路的输出仅决定于该电路当前输入的状态，与电路以前的状态（以前的输入信号或操作过程无关，即无记忆功能。时序逻辑电路：含有触发器记忆功能的电路电路的输出状态不仅与当前输入信号的状态有关，还与电路以前的状态（以前的输入信号或操作过程）有关。第三章计算机为什么要用二进制：1、符号个数少，物理上容易实现，即容易找到具有稳定状态且方便控制，容易用两个状态表示0、1；2、与逻辑的真假两个值相对应，易于逻辑判断；3、二进制编码、计数和算术运算规则简单，易于电路实现，为提高计算机运算速度和降低使用成本奠定基础。数字化编码的两大要素：基本符号的种类和这些符号的组合规则原码、反码、补码；补码运算；溢出判断：正数的原码=反码=补码，负数补码=反码+1，两个正数和为负数正溢出，两个负数相加为正数负溢出。正+正得负；负+负得正；正-负得负；负-正得正数值位有向符号位的进位，但符号位不产生向更高位的进位；或数值位没有向符号位的进位，但符号位有向更高位的进位（双进位判断、异或门实现）双符号位的值为01或10奇偶校验码原理：在K位有效信息位之外增加1位校验，使K+1位码字中的1的个数保持为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）海明码计算校验位的位数：假设有效信息位为k位，增加r位校验位，构成n=k+r位海明码字。若要求海明码能纠正一位错误，用r位校验位产生的2r个状态表明有无出错及错误位置，则要求r满足：2r≥k+r+1（检一纠一）如果要求能纠正一位错误，并能同时发现两位错误，则应满足2r≥k+r+2（2r-1≥k+r）（检二纠一）举例8位编码数据位，计算有4位纠正位P4=D7D6D5D4P3=D7D3D2D1P2=D6D5D3D2D0P1=D6D4D3D1D0监督表达式:S4=P4D7D6D5D4S3=P3D7D3D2D1S2=P2D6D5D3D2D0S1=P1D6D4D3D1D0若S4S3S2S1=0000，则信息正确。否则，表示Hi位出错i=S4S3S2S1的十进制数值。第四章运算器是计算机五大功能部件之一，在控制器的指挥控制下，完成指定给它的运算处理功能(算术、逻辑运算)，由一个被称为ALU的线路完成；暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器和乘商寄存器承担；也是CPU内部数据传送的重要通路。运算器通常包括定点运算器和浮点运算器两种类型：定点运算器：完成对整数类型数据的算术运算、逻辑类型数据的逻辑运算浮点运算器：完成对浮点类型数据的算术运算定点运算器功能：1、完成算术与逻辑运算功能2、暂存参加运算的数据和中间结果3、乘除法运算的硬件线路支持4、作为处理机内部数据通路（DataPath）定点运算器的基本组成：算术逻辑运算单元ALU：核心部件，位数取决于机器字长，通常为16、32、64位，将关系到处理数据的能力。暂存器：用来存放参与计算的数据及运算结果，它只对硬件设计者可见，即只被控制器硬件逻辑控制或微程序所访问。通用寄存器堆：用于存放程序中用到的数据，它可以被软件设计者所访问。寄存器个数将影响读写存储器的频率，将影响系统的运行速度。标志寄存器：用来保存ALU操作结果的某些状态，这种状态可作为外界对操作进行分析的一个依据，也可以用于判断程序是否要转移的条件，该寄存器通常也称为状态寄存器。内部总线：用于连接各个部件的信息通道。、片与片的连接串行方式传送用时长，影响系统性能并行进位（运算时同时得到自己的进位信号）采用并行进位的目的是提高加法器的运算速度。浮点运算器IEEE754标准格式化浮点数的实际公式是：N=(－１)S*（1+M）*2^（E－127）S符号位，M是尾数（一般1.几取后面的0.几）IEEE754不使用隐藏位，阶码移128浮点数的实际公式是：N=(－１)S*M*2^（E－128）第五章用于组成计算机程序、指示计算机硬件执行某项运算或操作功能的命令叫指令硬件系统用于实现每条指令的功能，解决指令之间的连接关系；软件由按一定规则组织起来的许多条指令组成，完成一定的数据运算或者事务处理功能。指令系统优劣是一个计算机系统是否成功的关键因素。对指令系统的要求完备性:指令齐全，编程方便高效性：占内存少，运行速度快规整性：指令和数据使用规则统一、简单，易学易记兼容性：新旧机指令软件兼容机器语言是计算机硬件能直接识别和运行的指令的集合,是二进制码组成的指令，用机器语言设计程序基本不可行。汇编语言是对计算机机器语言进行符号化处理的结果,再增加一些为方便程序设计而实现的扩展功能。高级语言又称算法语言，它的实现思路，不再是过分地“靠拢”计算机硬件的指令系统，而是着重面向解决实际问题所用的算法，瞄准的是如何使程序设计人员能够方便地写出处理问题和解题过程的程序，力争使程序设计工作的效率更高。指令是由操作码和操作数地址两部分组成的操作码：用来指明该指令所要完成的操作，如加法、减法、传送、移位、转移等等。操作数：用来寻找运算所需要的操作数（源操作数和目的操作数）。操作码的组织与编码1.操作码长度固定：将操作码集中放在指令字的一个字段内。这种格式便于硬件设计，指令译码时间短，广泛应用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及RISC中。2.操作码长度不固定：指令操作码分散在指令字的不同字段中。3.交叉安排：操作码字段与操作数字段有所交叉操作数类型存储器类型：操作数存放在主存中，A为其地址信息寄存器类型：操作数存放在CPU的通用寄存器中，A为寄存器号立即数类型：操作数存放在指令（地址字段）中外围设备（接口）寄存器：通过端口地址操作指令功能的分类：算术与逻辑运算类指令、移位操作类指令、数据传送类指令、转移类指令，子程序调用与返回指令、输入输出指令、特权指令、其它指令。主要寻址方式：1.立即数寻址：所需的一个操作数在指令的地址字段部分直接给出。例：操作数1234H，这里的H表示1234是16进制的值2.直接寻址：在指令的地址码字段，直接给出所需的操作数(或指令)在存储器中的地址。例：Addr=5718H，[5718H]=3，则用5718H作地址，从内存储器单元中读出的操作数就是3。3.寄存器寻址、寄存器间接寻址4.变址寻址:操作数的地址由指定的变址寄存器（由Reg指定）的内容和指令中的变址偏移量（Disp）相加得到,例：LDRXR0，Offset[R5];Offset=18H，Reg=5，(R5)=5700H,则操作数地址=5718H5.相对寻址：指令的地址由程序计数器PC的内容（即当前执行指令的地址）和指令的相对寻址偏移量相加得到，【例】JR48H;Disp=48H,(PC)=5600H则实际地址=5648H6.间接寻址：指令的地址码字段给出的内容既不是操作数，也不是操作数的地址，而是操作数（或指令）地址的地址，这被称为间接寻址方式，多一次读内存储器的操作。7.基址寻址：在计算机中设置一个专用的基址寄存器，操作数（或指令）的地址通过基址寄存器的内容和指令中的地址码相加得到，【例】Disp=18H，[BS]=5700H则操作数地址=5718H8.堆栈寻址第六章计算机的功能：是执行程序（依次排列起来的指令代码）控制器的功能：正确地分步完成每一条指令规定的功能,正确且自动地连续执行指令;控制器的组成1）程序计数器（PC）：提供指令在内存中的地址，可以增量或接收下一条要执行的指令地址。2）指令寄存器（IR）：保存读取的指令内容。3）指令步骤标记线路:标记出每条指令的各个执行步骤的相对次序关系。4）时序控制信号产生部件：给出计算机各功能部件协同运行所需要的控制信号。（各部件包括运算器部件、主存储器部件、总线及输入/输出接口(输入/输出设备)、也包括控制器部件）控制器的分类硬连线的控制器：基本原理是根据指令的要求、当前的时序及外部和内部的状态情况，按时间的顺序发送一系列微操作控制信号。它由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组合逻辑控制器，或常规逻辑控制器。提供信号：生成法：将操作码和微操作序号作为输入，写出控制信号和下一微操作序号的逻辑表达式，然后，用相应的逻辑器件实现。微程序的控制器：思想就是每条机器指令的功能都用一段相应的微程序来实现，在微程序设计中充分运用了软件的程序设计技术，使得微程序流程中也有微程序分支、微程序循环、微子程序等。提供信号：查表法：将每一操作码的每个微操作对应的全部控制信号和下一操作步骤事先存储在控制存储器中，需要的时候从控制存储器中读出。硬连线的控制器组成：程序计数器PC、指令寄存器IR、脉冲源、启停控制逻辑和节拍发生器、时序控制信号产生部件节拍发生器的作用：是用多位触发器的输出信号的不同组合状态来标识每条指令的不同执行步骤。遵循的原则是：尽量做到从当前节拍切换到下一个节拍时，只有一个触发器的状态发生变化，办不到时，也要尽量使状态发生变化的触发器数目最少。此外，还要考虑有利于对写出的节拍发生器的逻辑表达式的逻辑化简。控制器应提供的控制信号：1.运算器部件、2.读写主存储器或I/O接口、3.对内部总线数据来源的控制、4.寄存器接收和其它特定控制信号硬连线控制器的优点：形成控制信号所必需的信号传输延时时间短，对提高系统运行速度有利。缺点：设计控制计算机各功能部件所需的时序控制信号的逻辑比较复杂，尤其是不方便对设计方案的改动微指令具有两项功能：（1）提供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号。（2）读出下一条待用微指令的地址，以