002计算机组成原理

计算机组成原理一、计算机系统概述（一）计算机发展历程1、第一代：2、第二代：3、第三代：4、第四代：（二）计算机系统层次结构1、系统层次结构：a)软件研究对象b)硬件研究对象2、计算机硬件的基本组成a)冯诺依曼机b)现代计算机3、计算机软件的分类a)按功能分：应用软件和系统软件b)三个级别的语言：机器语言、汇编语言、高级语言4、计算机的工作过程a)把程序和数据装入到主存储器中b)从程序的起始地址运行程序c)用程序的首地址从存储器中取出第一条指令，经过译码、执行步骤等控制计算机各功能部件协同运行，完成指令功能，并计算下一条指令的地址d)用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行之，直到程序结束为止；每一条指令都是在取指、译码和执行的循环过程中完成的。5、寄存器存放的操作数a)运算器ACC（累加器）MQ（乘商寄存器）X（操作数寄存器）ALU（算术逻辑运算单元）b)控制器CU（控制单元）IR（指令寄存器）PC（程序计数器）c)存储器MDR（存储器数据寄存器）MAR（存储器地址寄存器）（三）计算机性能指标1、机器字长2、数据通路宽度3、主存容量4、吞吐量5、响应时间6、CPU时钟周期7、主频8、CPI9、CPU执行时间10、MIPS11、MFLOPS二、数据的表示和运算（一）数制与编码1、进位计数制及其相互转换a)二进制、八进制、十进制、十六进制b)二进制转八进制和十六进制c)任意进制转十进制d)十进制转任意进制2、真值和机器数a)真值b)机器数3、BCD码a)8421码b)余3码c)2421码4、字符与字符串a)大端存储b)小端存储5、校验码a)奇偶检验码实现方法：奇校验：偶检验缺点：b)海明校验码特点：编码规则：c)循环冗余校验码（二）定点数的表示和运算1、定点数的表示a)无符号数的表示b)有符号数的表示原码补码反码移码2、定点数的运算—定点小数、定点整数a)定点数的移位运算算术移位逻辑移位循环移位原码、补码、反码的移位b)原码定点数的加/减运算加法规则减法规则c)补码定点数的加/减运算d)定点数的乘/除运算原码一位乘法补码一位乘法原码一位除法补码一位除法e)溢出概念和判别方法采用一位符号位采用双符号位（三）浮点数的表示和运算1、浮点数的表示a)浮点数的格式：b)浮点数表示范围c)浮点数的规格化：左规右规d)IEEE754标准短浮点数长浮点数临时浮点数表示范围单精度双精度2、浮点数的加/减运算对阶尾数求和规格化舍入溢出判断（四）算术逻辑单元ALU1、串行加法器和并行加法器一位全加器串行加法器并行加法器2、算术逻辑单元ALU的功能和结构三、存储器层次结构（一）存储器的分类1、性能指标：存储容量、单位成本、存储速度2、按在计算机中的作用（层次）分：主存、辅存、缓存3、按存储介质分：磁表面存储器、半导体存储器、光盘储存器、磁芯片存储器（已被淘汰）4、按存取方式分：随机存储器（RAM），只读存储器（ROM）5、按信息的可保存性分：易失性存储器、非易失性存储器（二）存储器的层次化结构1、Cache-主存层次2、主存-缓存层次（三）半导体随机存取工作原理1、基本结构：a)存储矩阵：b)译码驱动c)读/写控制线d)片选线e)地址线f)数据线2、SRAM存储器的工作原理特点：3、DRAM存储器的工作原理a)刷新方式：集中刷新分散刷新异步刷新4、SRAM与DRAM的比较：SRAMDRAM存储信息触发器电容破坏性读出否是需要刷新不要要运行速度快慢集成度低高发热量大小存储成本高低（四）只读存储器1、掩膜式只读存储器（MROM）2、一次可编程只读存储器（PROM）3、可擦除可编程只读存储器（EPROM）4、闪速存储器（FlashMemory）（五）主存储器与CPU的连接1、连接原理a)主存通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU相连b)数据总线的位数与工作频率的乘积正比于数据传输率c)地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间2、存储容量的扩展a)位扩展法b)字扩展法c)字位同时扩展法3、存储芯片的地址分配和片选CPU要访问存储单元，首先要选择存储芯片——片选，然后从选中的芯片依地址码选择相应的存储单元，已进行数据访问——字选。片选信号：线选法：译码片选法：4、存储器与CPU的连接a)读/写命令线的连接b)片选线的连接c)合理选择存储芯片（六）双口RAM和多模块存储器1、双端口RAM（时间并行）2、多模块存储器（空间并行）a)单体多字系统b)多体并行系统高位交叉编址低位交叉编址（七）高速缓冲存储器（Cache）1、程序访问的基本工作原理2、Cache的基本工作原理3、Cache和主存之间的映射方式a)全相联映射主存字块标记字块内地址b)直接映射主存字块标记Cache字块地址字块内地址c)组相联映射主存字块标记组地址字块内地址4、Cache中主存块的替换算法a)随机算法（RAND）b)先进先出法（FIFO）c)最近最少使用算法（LRU）5、Cache写策略a)全写法b)写回法（八）虚拟存储器1、虚拟存储器的基本概念a)将主存与辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的地址空间。b)利用程序的局部性原理c)虚拟地址的大小取决于内存的地址线数2、页式虚拟存储器3、段式虚拟存储器4、段页式虚拟储存器5、TLB（快表）四、指令系统（一）指令格式1、指令的种类：a)数据传送指令b)运算类指令c)程序控制类指令d)输入输出类指令2、指令的格式a)基本格式：操作码字段地址码字段b)定长操作码指令格式c)扩展操作码指令格式（二）指令的寻址方式1、指令寻址：a)顺序寻址b)跳跃寻址：直接（绝对）相对间接2、数据寻址a)隐含寻址b)立即数寻址c)直接寻址d)间接寻址e)寄存器寻址f)相对寻址g)基址寻址h)变址寻址i)堆栈寻址（三）CISC和RISC的基本概念1、基本概念a)CISC：复杂指令系统计算机b)RISC：精简指令系统计算机2、CISC和CIRC的特点CISCRISC指令系统复杂，庞大简单，精简指令数目一般大于2000条一般小于100条指令字长不固定等长寻址方式一般大于4一般小于4可访存指令不加限制只有LOAD/STORE指令各种指令执行时间相差较大绝大多数在一个周期内完成各种指令使用频度相差很大都比较常用通用寄存器数量较少较多目标代码难以用优化编译生成高效的目标代码采用优化的编译程序，生成代码较为高效控制方式绝大多数为微程序控制绝大多数为硬布线控制3、RISC和CISC的比较五、中央处理器（CPU）（一）CPU的功能和基本结构1、功能a)指令控制b)操作控制c)时间控制d)数据加工e)中断处理2、结构a)运算器1）算术逻辑单元（ALU）2）通用寄存器组3）程序状态寄存器4）暂存器5）移位器6）计数器（CT）b)控制器（硬布线控制器和微程序控制器）1）程序计数器（PC）2）指令寄存器（IR）3）存储器地址寄存器（MAR）4）存储器数据寄存器（MDR）5）指令译码器6）时序系统7）微操作信号发生器（二）指令执行过程1、指令的执行a)取指令b)分析指令c)执行指令2、指令周期a)单指令周期b)多指令周期c)流水线方案（三）数据通路的功能和基本结构1、功能2、基本结构a)CPU内部总线方式b)专用数据通路方式1）寄存器之间数据传送2）主存与CPU之间的数据传送3）执行算术或逻辑操作（四）控制器的功能和工作原理1、控制器的地位与结构2、硬布线控制器a)时序系统及微操作1）时钟周期2）机器周期3）指令周期4）微操作命令分析b)CPU的控制方式：1）同步控制方式采用定长的机器周期采用不定长的机器周期采用中央控制和局部控制相结合的方法2）异步控制方式3）联合控制方式3、微程序控制器a)基本概念：b)基本术语1）微命令与微操作2）微指令与微周期3）主存储器与控制存储器4）程序与微程序地址寄存器（MAR）微地址寄存器（CMAR）指令寄存器（IR）微指令寄存器（CMDR）c)微程序控制器1）基本组成2）工作过程d)微命令的编码方式1）直接编码（直接控制）方式2）字段直接编码方式3）字段间接编码方式4）混合编码方式e)微地址的形成方式1）水平型微指令2）垂直型微指令4、硬布线和微程序控制器的特点a)硬布线：1）优点：由于控制器的速度取决于电路延迟，所以速度快2）缺点：由于将控制部件看做专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，所以把用最少元件和取得最高速度作为设计目标，一旦设计完成，不可能通过其他额外修改添加功能。b)微程序1）优点：同组合逻辑控制器相比，微程序控制器具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点。2）缺点：由于微程序控制器采用了存储程序原理，所以每条指令都要从控存中取一次，影响了速度。（五）指令流水线1、指令流水线的基本概念a)基本概念b)影响因素c)分类d)性能指标1）流水线的吞吐率2）流水线的加速比3）流水线的效率2、超标量和动态流水线的基本概念a)超标量流水线技术b)超流水线技术c)超长指令字六、总线（一）总线概述1、总线的基本概念a)概述b)基本术语1）波特率2）比特率3）总线宽度4）总线带宽5）总线的传输周期6）主设备7）从设备8）总线复用9）总线仲裁2、总线的分类a)片内总线b)系统总线1）数据总线2）地址总线3）控制总线c)通信总线3、总线的组成及性能指标a)总线的物理和逻辑连接b)结构1)单总线结构2)多总线结构c)性能指标1）总线宽度2）总线频率3）总线带宽4）寻址能力5）负载能力6）是否支持并行传输（二）总线仲裁1、集中仲裁方式a)链式查询方式b)计数器定时查询方式c)独立请求方式2、分布仲裁方式a)概念（三）总线操作和定时1、总线周期：a)申请分配周期b)寻址阶段c)传输阶段d)结束阶段2、总线复用、猝发传输方式、总线定时3、同步定时方式4、异步定时方式a)不互锁方式b)半互锁方式c)全互锁方式（四）总线标准1、ISA总线2、EISA总线3、VESA局部总线4、PCI局部总线5、AGP6、PCI-Express7、RS-23C总线8、USB总线9、PCMCIA总线10、IDE总线11、SCSI总线12、SATA总线七、输入输出（I/O）系统（一）I/O系统基本概念1、外部设备2、接口3、输入设备4、输出设备5、外存设备（二）外部设备1、输入设备：鼠标、键盘2、输出设备：a)显示器1）主要参数：屏幕大小点距灰度级刷新刷新频率显示存储器（VRAM）：VRAM容量=分辨率*灰度级位数VRAM带宽=分辨率*灰度级位数*帧频2）阴极射线管显示器（CRT）3）液晶显示器（LCD）4）发光二极管显示器（LED）b)打印机1）主要参数打印分辨率打印速度（PPM）2）针式打印机3）喷墨式打印机4）激光打印机3、外存储器：a)硬盘存储器b)磁盘阵列c)光盘存储器（三）I/O接口（I/O控制器）1、I/O接口的功能和基本结构a)功能：1）实现主机和外设的通信联络控制2）进行地址译码和设备选择3）实现数据缓冲4）信号格式的转换5）传送控制命令和状态信息b)结构内部接口外部接口2、I/O端口及其编址a)存储器统一编址b)独立编址（四）I/O方式1、程序查询方式2、程序中断方式a)中断的基本概念1）基本思想2）中断作用b)中断工作流程1）中断请求2）中断判优3）CPU响应中断的条件4）中断处理c)中断处理过程1）关中断2）保存断点3）引出中断服务程序：硬件向量法、软件查询法4）保存现场和屏蔽字5）开中断6）执行中断服务程序7）关中断8）恢复现场和屏蔽字9）开中断、中断返回d)多重中断e)中断屏蔽f)中断和调用子程序的区别3、DMA方式a)DMA传送方式：1）停止CPU访问主存2）周期挪用3）DMA与CPU交替访存b)DMA控制器的组成c)DMA传送过程1）预处理（1）指明数据传送方向——输入（主存写）or输出（主存读）（2）设备地址送DMA接口中的设备地址寄存器DAR（3）主存首地址送DMA接口中的主存地址计数器AR（4）传送数据字数送DMA接口中的字计数器WC（5）启动设备2）数据传送（1）主存地址送至总线（2）数据送至I/O设备（或主存）（3）主存地址加1（4）传送字数减