计算机组成原理复习笔记

计算机组成原理复习笔记前件知识：基本电路知识与、或、非、异或、与非、或非等如下表所示：真值表与或非（A）异或与非或非AB只0就为0只1就为1取反相异为1只0就为1只1就为000001011010111101001011011110000第一章计算机系统概论1．计算机系统组成计算机系统组成：计算机组成原理由硬件系统与软件系统组成。根据冯诺.依曼的存储程序控制原理由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。软件系统：系统软件、应用软件摩尔定律：记住价格与时间成反比。2．计算机系统性能指标字长（处理机字长）是指计算机处理器一次能够完成的二进制位数（16，32，64）。MIPS是指计算机处理器每秒执行百万条指令。计算机系统硬件系统软件系统中央处理器（CPU）外设：输入、输出设备、外存储器等主机内存储器：DDR2，DDR3运算器控制器寄存器系统软件应用软件操作系统数据库管理系统程序编译工具通用软件特制软件3．计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构分为五级以下图所示：第二章运算方法和运算器1.原码、反码、补码、移码的计算方法性质原码反码补码移码正数原码反码补码一样移码主要用于表示浮点数中的阶码负数连同符号位一起使用二进制表示除符号位以外其余位取反（0变1，1变0）除符号位外其余位取反加1（性质等于在反码基础之上加1）零[+0]原=00…00[-0]原=10…00[+0]反=00…00[-0]反=11…11[+0]补=[-0]补=00…00补码的真值公式：将所有位上的数按基数2n-1（n为数所在的位置）相乘后求出和，这个和的结果就是补码的真值。计算某个数大于或小于某个值得条件。例：[X]补=（01101）2,[Y]补=（11101）2。则X与Y的十进制数是多少。X=-0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+1=（+13）10Y=-1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=-8+4+1=（-1）102．原码、反码、补码、移码的表示范围（n位二进制位数）码制定点整数定点小数范围举例（n=8）范围原码-（2n-1-1）~+（2n-1-1）-127~+127-（1-2-(n-1)）~+（1-2-(n-1)）反码-（2n-1-1）~+（2n-1-1）-127~+127-（1-2-(n-1)）~+（1-2-(n-1)）补码-2n-1~+（2n-1-1）-128~+127-1~+（1-2-(n-1)）移码-2n-1~+（2n-1-1）-128~+127-1~+（1-2-(n-1)）浮点数的表示范围就省略了。3．BCD和ASCLL码BCD：俗称8421码。使用4位二进数才表现一位十进制数。（4位）ASCLL码：用于表示字符。（用一个字节八位来表示，只使用了七位。最前后一位始终为0）.记住特殊的字符的ASCLL码值：第5级第4级第3级第2级第1级字符十进制数ASCLL码补充说明A651000001大小到小写+32.小写到大小-32.要求字符在这三个上面推即可获得。a97110000104801100004．校验码：奇偶校验奇偶校验（含校验码的个数）110101数奇校验奇数个11101011偶校验偶数个11101010奇偶校验提供奇数个错误检测，无法检测偶数个错误，更无法识别错误信息的位置。5．变形补码与溢出判断溢出方法：（1）双符号位两个符号位异号，用异或门实现变形补码是判断溢出的一种检测方法。采用变形补码后，任何正数，两个符号位都是“0”，任何负数，两个符号后都是“1”。如果两个数相加后，在符号位中出现了“10”或“01”则说明溢出。参考下表判断是否溢出。（2）单符号位最高位的进位和符号位进位异号。结果溢出判断依据下表所示：符号位结果00正数01正溢出10负溢出11负数6．运算器（1）运算器是中央处理器的组成部分。主要功能是完成计算机的算术运算与逻辑运算。运算器的组成部件有：算术逻辑运算单元（ALU）、数据缓冲寄存器、通用寄存器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。（2）提高运算器高速性采用的措施：先行进位阵列乘除法流水线（3）74181ALU（算术逻辑运算单元）:4位算术逻辑运算单元，支持16种逻辑运算、16种算术运算组内先行进位（4）74182CLA（先行进位发生器）先行进位部件，可以实现多组74181ALU的组间先行进位组合形式（5）ALU的设计：片内先行进位，片间串行进位。16位ALU和32位ALU的设计。（6）编址：字节编址与字编址字节编址：某计算机内存按字节编址，内存地址区域从44000H到6BFFFH，共有___(11)___K字节。若采用16K×4bit的SRAM芯片，构成该内存区域共需___(12)___片。算法为6BFFFH-44000H+1H=28000H=163840/1024=160K(1+F=16逢十六进一,所以6BFFFH+1H=6C000H)内存按字节编址,这163839应该是Byte。内存160K，8bit,采用16K×4bit的SRAM芯片，需要160/16×8/4=20片字编址：给出容量、字长，计算寻址范围例：字长32位，存储容量64KB，寻址范围64KB/32=64K*8/32=16K按字编址的寻址范围是：0~64M。也即0000000~3FFFFFFH计算步骤：256M字节=256*1024*1024*8位，按计算机按32位字长单字编址。则单字的位数为32位，范围为（256*1024*1024*8位）/32位=64M。此外若计算机按32位字长半字编址。则半字的位数为16位，范围为（256*1024*1024*8位）/16位=128M计算机按32位字长双字编址。则双字的位数为64位，范围为（256*1024*1024*8位）/64位=32M第三章多层次的存储器1．存储器的层次因为对容量大、速度快、成本低要要求，在一个存储器中要求同时兼顾这三方法是不容易的。多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器、外存储器，来解决这个矛盾。CPU可以直接访问内存储器（主存储器和cache），而不能直接访问外存储器（磁盘和光盘）。2．外存和内存比较存储器容量速度价格内存储器小快高外存储器大慢低3．半导体随机读写存储器半导体随机读写存储器分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）的。存储器用处刷新行列地址复用SRAMcache不需要不是DRAM内存需要是4．DRAM的两种刷新方式DRAM刷新方式：集中式刷新、分散式刷新；集中式刷新：每隔一段时间连接刷新所有行。分散式刷新：每隔一段时间刷新一行。5．主存的性能指标存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。存储容量：存储器中可以存放内容的存储单元总数。存取时间：一次读/写的时间。存储周期：存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。存储器带宽：单位时间内存取的信息量（b/s,B/s做量度）。存取时间、存储周期、存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。6．存储器扩展存储器容量的扩充主要有字长位数扩展和字存储容量扩展。（1）字长位数扩展d=设计要求的存储器容量/已知芯片存储容量例：利用1MX4位的SRAM芯片，设计一个存储容量为1MX8位的SRAM存放器。d=(1MX8)/(1MX4)=2(片)（2）字存储容量扩展例：利用1MX8位的DRAM芯片，设计2MX8位的DRAM存储器。d=(2MX8)/(1MX8)=2(片)7.地址线与数据线一个512K×16的存储器，其地址线和数据线的条数地址线：512K=512*1024=29*210=219，所以地址线为19。数据线：16就是数据线。8．只读存储器和闪速存储器只读存储器（ROM）：掩模ROM，可编程ROM（EPROM和E2PROM）；闪速存储器：Flash存储器。EPROM：光擦可编程的只读存储器E2PROM：电擦可编程的只读存储器9．提高存储器访问速度的方法：双端口存储:两套相互独立的读写电路交叉存储：同时读写，顺序传送（流水）Cache：解决CPU和主存之间的速度匹配问题10．地址映射和替换算法知识点名称解释主存与Cache地址映射全相联映射主存中的一块的地址（块号）和块的内容（字）一起放在cache的行中，块地址存在cache行的标记部分中。直接映射一种多对一的映射关系，但一个主存块只能复制到cache中一个特定位置。组相联映射前两种折衷方案。Cache中替换算法（策略）最不经常使用（LFU）把一段时间内访问次数最少的那行数据换出。近期最不经常使用（LRU）近期长久未被访问的行换出。随机替换从特定位置随机选取一行换出即可。11．虚拟存储器采用虚拟存储器的主要目的是扩大存储器空间，并能进行自动管理。常用的虚拟存储器系统由哪两级存储器组成？主存——辅存第四章指令系统1．指令计算机程序：由一系统机器指令组成。机器指令：被称为指令，由操作码字段（操作性质）与地址码字段（操作数，地址，结果等）组成。介于微指令与宏指令之间。每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。从操作数的物理位置来说，可将指令归结为三种类型：寄存器—寄存器型（RR）、寄存器—存储器型（RS）、存储器—存储器型（SS）2．指令系统指令系统类别特点精简指令系统（RISC）①.选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；②.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；③.只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。复杂指令系统（CISC）指令多，寻址方式多等。3．计算机寻址方式寻址方式种类解释隐含寻址指令中隐含着操作数的地址立即寻址指令中直接给出操作数直接寻址指令中给出操作数在内存中的存储地址间接寻址指令中给出操作数地址在内存中的地址寄存器寻址指令中给出操作数在寄存器的地址。寄存器间接寻址操作数地址在通用寄存器中，操作数在通用寄存器指定的内存地址中偏移寻址直接与寄存器寻址方式结合：相对寻址，基址寻址，变址寻址。段寻址微机中采用这种寻址方式堆栈寻址寄存器堆栈和存储器堆栈4．程序控制类指令的功能是？答：程序控制指令用于程序执行流程的控制。程序控制指令又称转移指令，主要是改变程序执行的顺序。5．汇编语言特性：硬件相关、编制难度大、执行速度快。第5章中央处理器1．中央处理器中央处理器（CPU）的作用：指令控制，操作控制，数据加工。由运算器、控制器和寄存器组构成。CPU中的主要寄存器有：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR），通用寄存器（R0~R3）、。状态条件寄存器（PSW）。2．操作控制器名称：操作控件器作用根据指令操作码和时序信号产生各种操作控制信号分类硬布线控制器原理公式控制信号是指令操作码译码器输出Im、时序信号（节拍电位Mi,节拍脉冲Tk）和状态条件信号Bj的逻辑函数。C=f(Im,Mi,Tk,Bj);微程序控制器原理：主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微指令寄存器两部。原理图如下图所示：3.指令周期指令周期是指CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间。4．水平型微指令与垂直型微指令比较比较水平性微指令一次可完成多个微操作，垂直型一次只能完成1到2个微操作。①.水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型指令则较差。②.水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。③.由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反，微指令字较短而微程序长。④.水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。5．并行处理技术并行性：并发性是指两个以上的事件在同一时间间隔内发生。一个m段流水线处理器提高的效率计算：第一条指令m，其他指令1，若有n条指令则m+(n-1)，效率mn/[m+n-1]若n很大，则mn/[m+n-1]约等于mn/n，即m第六章总线系统1．系统总线总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传递的公共通路。总路线分类解释内部总线CPU内部连接各寄存器及