计算机组成原理复习知识总结

第1章计算机系统概论1.1.1计算机的软硬件概念硬件：构成计算机系统的设备实体--——物质基础软件：各类程序和文件---硬件功能的完善与扩充1.1.2计算机系统的层次结构虚拟机：通过配置软件扩充机器功能后所形成的一台计算机编译（translation）：将编写的源程序中全部语句一次全部翻译成机器语言程序后，再执行机器语言程序解释（interpretation）：将源程序的一条语句翻译成机器语言后，立即执行它，然后再翻译执行下一条语句。即边解释边执行，不生成目标代码。1.2计算机的基本组成1.2.1冯·诺依曼计算机的特点计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成。指令和数据均用二进制代码表示。指令和数据都存放于存储器中，并可按地址访问。指令由操作码和地址码组成。指令在存储器内按顺序存放。机器以运算器为中心。（1）运算器组成：算术逻辑部件ALU：完成各种运算功能，核心部件为加法器。寄存器组：存放数据,三个基本寄存器：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X)。（2）主存储器主存（内存）的组成：存储体、各种逻辑部件及控制电路。存储体→存储单元→存储元件（存储元）存储字：一个存储单元存储的一串二进制代码。存储字长：一个存储字所含二进制代码的个数。主存的工作方式：按地址存取MAR（存储器地址寄存器）：位数由存储单元的个数决定。MDR（存储器数据寄存器）：其位数与存储字长相等。（3）控制器取指分析执行控制器的组成：PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）CU（控制单元）（4）I/OI/O子系统包括各种外部设备及相应接口1.3计算机硬件的主要技术指标1.3.1机器字长机器字长：CPU一次能处理的数据的位数，通常与寄存器的位数有关。1.3.2存储容量包括主存和辅存容量。主存容量：主存中存放二进制代码的总数(bit)存储容量=存储单元个数*存储字长1.3.3运算速度常用的衡量单位：1）主频（MHz）：CPU的时钟频率，即一秒钟内所含的时钟周期数。2）执行一条指令所需要的时钟周期数（CPI）。3）每秒平均运行指令条数（MIPS，百万条指令每秒）4）每秒浮点运算次数（MFLOPS，百万次浮点运算每秒）第二章计算机的发展及应用2.1.1计算机的产生和发展2.2计算机的应用2.2.1科学计算和数据处理2.2.2工业控制和实时控制2.2.3网络技术的应用2.2.4虚拟现实2.2.5办公自动化和管理信息系统2.2.6CAD/CAM/CIMS（计算机集成制造系统）2.2.7多媒体技术2.2.8人工智能第三章系统总线3.1总线的基本概念五大部件之间的互连方式：分散连接：各部件之间通过单独的连线相连；总线连接：各部件连到一组公共信息传输线上。总线（BUS）：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。（共享性、分时性）3.2总线的分类3.2.1片内总线片内总线：芯片内部的总线，又称为元件级总线。3.2.2系统总线系统总线：计算机内各大部件之间的总线。又叫板级总线或板间总线1.数据总线数据总线（DB）：用来传输各部件间的数据信息。双向传输总线数据总线宽度：指数据总线的条数，与机器字长、存储字长有关2.地址总线地址总线（AB）：用来传输地址信息。地址线的位数与存储单元个数有关3.控制总线控制总线（CB）：用来发出控制信号的传输线3.2.3通信总线通信总线：用于计算机系统之间，或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通讯等）之间的通信。串行通信、并行通信3.3总线特性及性能指标总线特性：机械特性、电气特性、功能特性、时间特性3.3.2总线性能指标3.4总线结构3.4.1单总线结构单总线结构：使用一条单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备。3.4.2多总线结构3.5总线控制总线上所连接的设备，按其对总线有无控制功能，分为：主设备、从设备按照仲裁控制机构的位置不同，分为：集中式仲裁、分布式仲裁。集中式控制有三种优先权仲裁方式：链式查询、计数器定时查询、独立请求方式3.5.2总线通信控制总线在完成一次传输周期时，分为四个阶段：申请分配阶段→寻址阶段→传数阶段→结束阶段1.同步通信：通信双方由统一时标控制数据传送2.异步通信：不互锁方式半互锁方式全互锁方式3.半同步通信4.分离式通信第4章存储器4.1概述4.1.1存储器分类1.按存储介质分类(1)半导体存储器—易失性存储器优点：体积小、功耗低、存取时间短。缺点：断电时，所存信息也随即丢失。1.双极型2.MOS型(2)磁表面存储器—非易失性存储器。特点：容量大、价格低、存取速度慢，多用作辅助存储器(3)磁芯存储器(4)光盘存储器特点：非易失性，记录密度高、耐用性好、可靠性高、可互换性强。2.按存取方式分类(1)随机存储器（RAM)—主存静态RAM（SRAM）：用触发器原理寄存信息（非破坏性读出）动态RAM（DRAM）：用电容充放电原理寄存信息（破坏性读出）(2)只读存储器ROM分类：掩膜型只读存储器（MPROM）可编程只读存储器（PROM）可擦除可编程只读存储器（EPROM）电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）快擦型存储器（FlashMemory）(3)串行访问存储器顺序存取（SAM）、直接存取（DAM）3.按在计算机中的作用分类(1)主存储器可和CPU直接交换信息。大多为MOS型半导体存储器(2)辅助存储器是主存的后援，不能和CPU直接交换信息。(3)缓冲存储器4.1.2存储器的层次结构现代计算机采用Cache--主存--辅存的三层次存储系统4.2主存储器2.主存的技术指标（1）存储容量（2）存储速度（3）存储器的带宽：表示每秒从存储器进出信息的最大数为提高带宽，可采用以下措施：缩短存取周期、增加存储字长、增加存储体4.2.2半导体存储芯片简介译码驱动方式：线选法（小容量存储器）、重合法4.2.3随机存储器（RAM）静态RAM：利用双稳态触发器来保存信息，只要不断电，信息是不会丢失的。动态RAM：利用电容存储电荷来保存信息，使用时需不断给电容充电才能使信息保持。2.动态RAM芯片(DRAM)需要周期地对电容进行充电，以补充泄漏的电荷，这就叫再生或刷新。刷新周期（再生周期）：上一次刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍的时间间隔。刷新过程的实质：是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。刷新方式集中式刷新在一个刷新周期（2ms）内集中安排一段时间逐行进行刷新，此刻停止读写操作。分散式刷新对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。将一个存取周期分成两段，前半段用于正常读写或保持，后半段用于刷新。优点：不存在“死区”，控制较简单。缺点：刷新动作过于频繁，系统速度损失一半。异步式刷新是前两种方式的结合。3.动态RAM与静态RAM的比较4.2.5存储器与CPU的连接存储容量的扩展，通常分为：位扩展：增加存储字长。字扩展：增加存储器字的数量。4.2.7提高访存速度的措施寻找高速元件—采用层次结构—主存-cache层。调整主存的结构—并行主存结构。4.3高速缓冲存储器（Cache）程序访问的局部性原理CPU在执行程序时，在一定时间内，只是对局部范围的主存地址频繁访问，而对此范围外的地址甚少访问。原因：指令和数据地址分布的相对簇聚。指令连续存放数据，特别是数组连续存放有些指令和数据往往会被多次调用，如：子程序、循环。根据此原理，只要将CPU近期要访问的数据，提前送到Cache，就可使CPU在一定时间内只访问Cache。2.Cache的工作原理命中率：指CPU要访问的信息已在Cache内的比率。影响Cache命中率的重要因素：容量、块长3.Cache的基本结构组成：Cache存储体、地址映象机构、Cache替换机构（4）Cache的读/写操作写操作：写直达法、写回法4.Cache的改进（1）单一缓存和两级缓存（片内缓存、片外缓存）（2）统一缓存和分开缓存4.3.2Cache-主存地址映象地址映象：由主存地址映象到Cache地址。基本的地址映像方式：直接映象、全相联映象、组相联映象1.直接映像i=jmodC(C=2c)i是cache的字块号，j是主存的字块号，C为缓存块数。优点：实现简单。缺点：主存块与缓存块的对应关系固定，不够灵活Cache空间的得不到充分利用，命中率降低。2.全相联映像允许主存中的每一个字块映像到Cache中的任何一个字块位置上主存地址的高m位（t+c）全部作为主存字块标记特点：它是最灵活但成本最高的一种方式。3.组相连映像把Cache字块分为Q组，每组包含R个字块，则组相联映像函数为：i为缓存的组号，j为主存的块号主存的第j块映象可到Cache的第i个组内的任一块（0~R-1）组间为直接映像，而组内为全相联映像。4.3.3替换算法先进先出（FIFO）算法、最近最少使用（LRU）算法、随机法4.4辅助存储器第五章输入输出系统5.1概述5.1.1输入输出系统的发展概况1.早期阶段2.接口模块和DMA阶段3.具有通道结构的阶段4.具有I/O处理机的阶段5.1.2输入输出系统的组成输入输出系统由两部分组成：I/O软件、I/O硬件5.1.3I/O设备与主机的联系方式编址方式：(1)统一编址(2)独立编址寻址方式传送方式：并行传送、串行传送联络方式连接方式：辐射式、总线式5.1.4I/O与主机信息传送的控制方式程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式（DMA）、I/O通道方式、I/O处理机方式5.2外部设备5.2.2输入设备1.键盘2.鼠标器（机械式、光电式）3.触摸屏5.2.3输出设备1.显示器2.打印设备（硬拷贝设备）5.3I/O接口I/O接口：主机与外设之间设置的一个硬件电路，及其相应的软件控制。端口：接口中的一组寄存器（数据端口、控制端口、状态端口）5.3.2接口的功能和组成选址功能、传送命令功能、传送数据的功能、反映I/O设备工作状态的功能5.3.3接口类型按数据传送方式分：并行接口、串行接口按功能选择的灵活性分：可编程接口、不可编程接口按通用性分：通用接口、专用接口按数据传送的控制方式分：程序型接口、DMA接口5.5程序中断方式中断处理过程经历五个阶段：中断请求、中断判优、中断响应、中断服务、中断返回5.5.5中断服务程序的流程保护现场、中断服务、恢复现场、中断返回5.6DMA方式5.6.1DMA传送方式DMA控制器与CPU分时使用主存，通常有以下三种方法（1）停止CPU访问主存（2）周期挪用（3）DMA与CPU交替访存5.6.3DMA的工作过程1.DMA传送过程预处理→数据传送→后处理第六章计算机的运算方法6.1无符号数和有符号数三种机器码的特点：正数的原码、补码和反码表示形式相同，即符号位为“0”，数值部分与真值绝对值相同。负数的原码、补码和反码表示形式不同，但其符号位都为1，且数值部分有如下关系补码是原码的“求反加1”反码是原码的“按位求反”6.3定点运算6.3.2加法与减法运算（补码）已知[y]补，求其机器负数[–y]补的方法是：将[y]补连同符号位一起按位求反，末位加1。溢出的条件两同号数相加(或两异号数相减)才可能发生溢出。两异号数相加(或两同号数相减)不会产生溢出溢出分类正溢、负溢判断溢出的三种方法：1）采用单符号位判断若两正数相加，结果为负表明发生了正溢；若两负数相加，结果为正表明发生了负溢。3)采用变形补码第七章指令系统7.1机器指令7.1.1指令的一般格式1.操作码两种编码方式：1）固定长度编码优点：指令非常规整，有利于简化硬件设计和减少指令译码时间缺点：信息的冗余极大，使程序的总长度增加2）可变长度编码优点：能有效的压缩程序中操作码的平均长度。缺点：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。扩展操作码技术的基本思想：使操作码的长度随地址数的减少而增加。2.地址码地址：主存地址、寄存器地址、I/O设备地址（端口号）1）四地址指令需访存4次（2）三地址指令后续指令的地址隐含在程序计数器PC中，需访存4次（3）二地址指令需访存4次，若将结果暂存于累加器ACC中，只需访存3次。（4）一地址指令需访存3