计算机组成原理复习要点

课程总复习第一章计算机系统概论1计算机的分类电子计算机从总体上来说分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的。电子数字计算机的主要特点是按位运算,并且不连续地跳动计算。数字计算机与模拟计算机的主要区别见表1.1:表1.1数字计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压计算方式数字计算电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无2计算机系统结构与性能之间的关系分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机六类，其结构复杂性、性能、价格、依次递减。3计算机的硬件组成一般结构由：运算器+存储器+控制器+适配器与输入/输出设备等构成。应掌握各部分的主要功能。[指令与程序的基本概念]：1)指令的形式指令的内容由两部分组成,即操作的性质和操作的地址。前者称为操作码,后者称为地址码。操作码地址码2)存储程序的思想（冯.诺依曼结构计算机原理）：周而复始地进行取指/执行的操作，完成既定的任务。非冯.诺依曼结构计算机则是指：脱离“存储程序”控制的模式，完成计算机功能。3)指令流和数据流概念指令和数据统统放在内存中,从形式上看,它们都是二进制数码。一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流,它流向控制器；而执行周期中从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器。适配器与输入设备、计算机的系统结构发展发展趋势（自阅）4计算机的软件[软件的组成和分类]计算机软件一般分为两大类：一类叫系统程序,一类叫应用程序。系统程序用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途。应用程序是用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。[软件的发展演变]目的程序--汇编程序--源程序--操作系统--数据库管理系统5计算机系统的层次结构计算机系统多级结构包括：微程序设计级--一般机器级--操作系统级--汇编语言级--高级语言级第二章运算方法与运算器1数据与文字的表示方法[数据格式]计算机中常用的数据表示格式有两种，一是定点格式，二是浮点格式。一般来说，定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单。而浮点格式容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。应当掌握：1）定点数的表示方法，包括：纯小数、纯整数目前计算机中多采用定点纯整数表示，因此将定点数表示的运算简称为整数运算。2）浮点表示法：一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数决定了浮点数的表示精度；阶码：用整数形式表示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示范围。）。[数的机器码表示]计算机中把数据的符号位和数字位一起编码，来表示相应的数据。各种表示法有：原码、补码、反码、移码等。为了区别一般书写表示的数和机器中这些编码表示的数，通常将前者称为真值，后者称为机器数或机器码。要求重点掌握：原码、补码、反码、移码表示方法的求取和相互转换。上面的数据四种机器表示法中，移码表示法主要用于表示浮点数的阶码。[字符、字符串及汉字的表示方法]（自阅）注意：汉字的输入编码、汉字内码、字模码是计算机中用于输入、内部处理、输出三种不同用途的编码,不要混为一谈。[校验码]为了防止计算机在处理信息过程中出现错误,可将信号采用专门的逻辑线路进行编码，以检测错误,甚至校正错误。掌握最简单且应用广泛的检错码：采用一位校验位的奇校验或偶校验。注意到：奇偶校验可提供单个错误检测,但无法检测多个错误,更无法识别错误信息的位置。2定点加法减法运算[补码加减法][溢出概念与检测方法]两个正数相加,结果大于机器所能表示的最大正数,称为上溢。而两个负数相加,结果小于机器所能表示的最小负数,称为下溢。为了判断“溢出”是否发生,可采用两种检测的方法：第一种方法是采用双符号位法,这称为“变形补码”或“模4补码”。结论为：1）当以模4补码运算,运算结果的二符号位相异时,表示溢出；相同时,表示未溢出。此逻辑表达式可用异或门实现。2）模4补码相加的结果,不论溢出与否,最高符号位始终指示正确的符号。第二种方法是采用单符号位法。当最高有效位产生进位而符号位无进位时,产生上溢；当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生下溢。此逻辑表达式也可用异或门实现。[基本的二进制加法/减法器]：由n个一位全加器组成。[十进制加法器]十进制加法器可由BCD码(二－十进制码)来设计,它可以在二进制加法器的基础上加上适当的“校正”逻辑来实现,该校正逻辑可将二进制的“和”改变成所要求的十进制格式。3定点乘、除法运算1）不带符号的阵列乘（除）法器2）带符号的阵列乘（除）法器包括：原码并行乘（除）法器和补码并行乘（除）法器。掌握：补码与真值的关系、求补器原理和一般化全加器概念。4定点运算器的组成[逻辑运算]主要掌握是指逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异四种基本运算。[多功能算术/逻辑运算单元(ALU)]多功能算术/逻辑运算单元(ALU)不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能,而且具有先行进位逻辑,从而能实现高速运算。[定点运算器的基本结构]运算器包括ALU\阵列乘除器\寄存器\多路开关\三态缓冲器\数据总线等逻辑部件。计算机的运算器大体有如下三种结构形式单总线结构的运算器这种结构的主要缺点是操作速度较慢。但是由于它只控制一条总线,故控制电路比较简单。双总线结构的运算器在这种结构中,两个操作数同时加到ALU进行运算,只需一次操作控制,而且马上就可以得到运算结果。三总线结构的运算器在三总线结构中,ALU的两个输入端分别由两条总线供给,而ALU的输出则与第三条总线相连。这样,算术逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。很显然,三总线结构的运算器的特点是操作时间快。5浮点运算方法和浮点运算器[浮点加法、减法运算]设有两个浮点数ｘ和ｙ,它们分别为ｘ＝2Eｘ·Mｘｙ＝2Eｙ·Mｙ其中Eｘ和Eｙ分别为数ｘ和ｙ的阶码,Mｘ和Mｙ为数ｘ和ｙ的尾数。完成浮点加减运算的操作过程大体分为四步：1）0操作数的检查；2）比较阶码大小并完成对阶；3）尾数进行加或减运算；4）结果规格化并进行舍入或溢出处理。掌握运算规则与方法（如：对阶规则、运算结果的规格化方法、舍入及溢出处理等）。[浮点乘法、除法运算]浮点数的乘除运算大体分为四步：1）0操作数检查；2）阶码加/减操作；3）尾数乘/除操作；4）结果规格化及舍入处理。[浮点运算流水线]理解流水线原理与特点，线性流水线定义以及k级线性流水线的加速比的计算。第三章存储系统1存储器概述[掌握存储器分类][存储器的分级结构]目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。2随机读写存储器[SRAM存储器]基本存储元基本存储元主要掌握六管SRAM存储元的电路图及读写操作过程。SRAM存储器的组成包括：存储体；地址译码器；驱动器；I/O电路；片选；输出驱动电路等。[存储器与CPU连接]主要掌握：★位扩展法：只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致,对片子没有选片要求。★字扩展法:仅在字向扩充，而位数不变.需由片选信号来区分各片地址。★含字、位同时扩展的典型存储系统的设计。存储器的读、写周期注意：读周期与读出时间是两个不同的概念。读出时间：是从给出有效地址到外部数据总线上稳定地出现所读出的数据信息所经历的时间。读周期时间：则是存储片进行两次连续读操作时所必须间隔的时间，它总是大于或等于读出时间。[DRAM存储器]四管动态存储元：四管的动态存储电路是将六管静态存储元电路中的负载管T3，T4去掉而成的。注意理解它和六管静态存储元电路的区别。[DRAM的刷新]动态MOS存储器采用“读出”方式进行刷新。从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷新周期。而刷新信号周期则是指给芯片发送的刷新动作信号的周期。常用的刷新方式：集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新。掌握各方式的主要特点与计算。[存储器控制电路]DRAM控制器用于DRAM的刷新控制，其包括刷新计数器、刷新/访存裁决、刷新控制逻辑等控制电路。[高性能的主存储器]了解EDRAM芯片、EDRAM内存条等主要特点。3只读存储器和闪速存储器要求：了解闪速存储器的逻辑结构和闪速存储器的工作模式与原理，以及闪速存储器与CPU的连接方法。主要特点：闪速存储器是在EPROM功能基础上增加了电路的电擦除和重新编程能力。4高速存储器[双端口存储器]掌握逻辑结构和有/无冲突时的读写控制。[多模块交叉存储器]掌握存储器的模块化组织及其各模块的物理安排方式；多模块交叉存储器的基本结构。[相联存储器]理解：相联存储器的基本原理、相联存储器的组成和功能。5cache存储器掌握：1）cache的功能和基本工作原理、cache的命中率的概念与计算方法。2）主存与cache的地址映射。地址映射即是应用某种方法把主存地址定位到cache中。地址映射方式：全相联方式、直接方式和组相联方式的思想与分析方法。3）了解替换策略的概念。4）cache的写操作策略的特点。6虚拟存储器掌握：1）虚拟存储器的基本概念及其与主存/cache结构的区别2）主存-外存层次的基本信息传送单位，即：段、页或段页的划分与使用方法。3）页式、段式和段页式虚拟存储器各自特点与管理方法。4）了解主要替换算法的实现与特点。7存储保护了解：1）存储区域保护方法，包括：页表保护、段表保护、键式保护和环保护等方法。2）访问方式保护的思想。第四章指令系统1指令系统的基本概念指令：就是要计算机执行某种操作的命令。计算机的指令有：微指令、机器指令和宏指令之分。微指令：微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。包括：复杂指令系统计算机(CISC)、精简指令系统计算机（RISC）。[指令系统的性能要求]一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：完备性、有效性、规整性、兼容性。[低级语言与硬件结构的关系]2指令格式包括：操作码、地址码、指令字长度、指令助记符。[操作码]指令字（简称指令）即表示一条指令的机器字。指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能；地址码字段通常指定参与操作的操作数或操作数的地址。从操作数的物理位置来说，又可归结为SS型、RR型和RS型等三种类型。[指令字长度]指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。3指令和数据的寻址方式包括：指令的寻址方式、操作数寻址方式[指令的寻址方式]当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。寻址方式分为两类，既指令寻址方式和数据寻址方式，前者比较简单，后者比较复杂。[指令的寻址方式]有两种：一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。[操作数寻址方式]：形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。其主要包括：1）隐含寻址特点是：在指令中不明显的给出而是隐含着操作数的地址。2）立即寻址特点是：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而直接是操作数本身。3）直接寻址特点是：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D。4）间接寻址特点是：指令地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，D单元的内容才是操作数的有效地址。5）寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式与寄存器寻址方式的区别在于：指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。6）相对寻址方式相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。程序计数器的内容就是当前指令的地址。7）基址寻址方式将CPU中基址寄存器