计算机组成原理与系统结构

复习第1章概述1.1计算机系统的基本组成及其层次结构理解1.2计算机的体系结构、组成和实现理解1.3计算机发展进步与拓展应用的历程一般了解复习第2章数字电路基础和计算机中的逻辑部件2.1数字电路基础一般了解半导体材料和晶体二极管简介，2双极型三极管的结构及其伏安特性，MOS管的结构及其伏安特性2.2基本逻辑门和布尔代数知识基础理解最基本的逻辑门电路，布尔代数知识基础2.3组合逻辑电路及其应用重点掌握基本逻辑门，三态门，数据选择器，译码器和编码器，组合逻辑电路应用举例2.4时序逻辑电路及其应用重点掌握基本R\|S触发器，D型触发器与寄存器、计数器器件，时序逻辑电路应用举例2.5现场可编程器件及其应用一般了解现场可编程器件概述，通用可编程器件GAL20V8的内部结构及其编程使用2.6几个专用功能器件和存储器芯片的引脚图一般了解复习第3章数据表示、数据运算算法和逻辑电路实现3.1数字化信息编码的概念和二进制编码知识理解数字化信息编码的概念，二进制编码和码制转换，检错纠错码3.2数据表示——常用的信息编码重点掌握逻辑类型数据的表示，字符类型数据的表示，数值类型数据的表示3.3二进制数值数据的编码与运算算法重点掌握原码、反码、补码的定义，补码加、减运算规则和电路实现，原码一位乘法的实现算法和电路实现，原码一位除法的实现算法和电路实现，补码一位乘法、除法和其他快速乘除法的实现思路复习第4章计算机中的运算器部件4.1运算器部件概述理解4.2定点运算器部件的功能、组成与设计重点掌握定点运算器部件概述，位片结构的运算器芯片Am2901，教学计算机运算器的设计与实现实例4.3浮点运算与浮点运算器一般了解浮点数的运算规则，浮点运算器举例4.4当前流行的计算机中的运算器部件概述一般了解复习第5章指令、指令系统和汇编语言程序设计5.1指令格式和指令系统概述重点掌握操作码的组织与编码，有关操作数的个数、来源、去向和地址安排，关于指令的分类5.2寻址方式概述与应用实例重点掌握基本寻址方式概述，寻址方式应用举例5.3指令系统和汇编语言程序设计举例理解教学计算机的指令系统说明，教学计算机的汇编程序设计举例复习第6章计算机的控制器部件6.1控制器的功能、组成与指令执行步骤重点掌握控制器部件的功能及其组成，指令的执行步骤6.2硬连线控制器部件重点掌握硬连线控制器的组成和运行原理简介，教学计算机的硬连线控制器的组成、设计与实现实例6.3微程序控制器部件重点掌握微程序控制器的基本组成和工作原理，微程序设计中的下地址形成逻辑的硬件技术，教学计算机微程序控制器的组成、设计与实现实例复习第7章多级结构的存储器系统概述和主存储器7.1多级结构的存储器系统概述理解7.2主存储器部件的组成与设计重点掌握主存储器概述，动态存储器的记忆原理和读写过程，静态存储器的存储原理和芯片内部结构7.3教学计算机的内存储器实例理解7.4提高存储器系统性能的可行途径理解复习第8章高速缓冲存储器和虚拟存储器8.1高速缓冲存储器重点掌握高速缓冲存储器的运行原理，高速缓冲存储器的3种映像方式，高速缓冲存储器使用中的几个问题8.2虚拟存储器部件重点掌握虚拟存储器概述，段式存储管理，页式存储管理复习第9章辅助存储器设备与磁盘阵列技术9.1外部存储设备概述理解9.2磁盘设备的组成与运行原理一般了解9.3光盘设备的组成与运行原理一般了解9.4磁盘阵列技术与容错支持一般了解复习第10章输入输出设备10.1输入输出设备概述理解设备简介，点阵式设备运行原理概述，10.2显示器设备的组成和运行原理重点掌握显示器设备概述，CRT阴极射线管的组成和运行原理，CRT字符显示器的组成和运行原理，CRT图形显示器，液晶显示器的组成和运行原理，计算机终端10.3打印机设备的组成与运行原理重点掌握针式打印机的组成及其打印过程，喷墨打印机的组成及其打印过程，激光打印机的组成及其打印过程10.4计算机的输入设备重点掌握计算机键盘的组成和运行原理，鼠标设备复习第11章输入输出系统11.1计算机输入输出系统概述理解11.2计算机总线的功能与组成重点掌握计算机总线概述，计算机总线构成，总线仲裁和数据传输控制，教学计算机的总线系统实例11.3输入输出接口概述重点掌握计算机输入输出接口的基本功能，通用可编程接口的一般组成，串行接口实例11.4常用的输入输出方式概述重点掌握常用的输入输出方式，中断的概念和中断处理过程，DMA的概念和DMA处理过程复习第12章流水线技术12.1流水线的基本概念理解流水线简介，流水线的表示方法，流水线的特点，流水线的分类方法12.2流水线的性能指标理解流水线的吞吐率，流水线的加速比，流水线的效率，流水线的最佳段数12.3DLX指令集与DLX流水线一般了解DLX指令集结构介绍，DLX的一种简单实现，DLX流水线的实现原理12.4流水线中的相关问题理解结构相关，数据相关，控制相关，12.5指令级并行技术一般了解基本概念，多指令发射技术复习第13章并行计算机体系结构13.1计算机体系结构概述理解计算机体系结构的发展，计算机体系结构的分类13.2并行计算机系统概述一般了解并行计算机系统分类，并行性、可扩展性和可编程性，13.3并行计算机系统的设计问题理解并行计算机系统的互联网络，并行计算机系统的性能问题，并行计算机系统的软件问题13.4SIMD计算机简介一般了解阵列处理机，向量处理机13.5共享内存的多处理机系统一般了解一致性内存访问的UMA多处理机系统，非一致性内存访问的NUMA多处理机系统13.6基于消息传递的多计算机系统一般了解大规模并行处理机，工作站集群，消息传递软件包基本门电路门电路实现逻辑运算的数字电路输入端和输出端有两种状态分别表示逻辑1和逻辑0。MOS场效应晶体管输出输入RVccGDS0V基本的门电路符号逻辑符号二选一电路异或门或非门与非门非门或门A+BA或者BABA+BABABBBBBBAAABAAAAA与门门电路01三态门高阻状态输出控制功能输出输入(d)(c)(b)(a)三态门的用途直接连接到公共信号线路总线总线第0位数据S0~S3D0C0B0A0双向连接总线C2baC1逻辑门电路的分类组合逻辑电路不具备记忆功能建立在简单逻辑门基础上可以用真值表和逻辑表达式表示时序逻辑电路具有记忆功能电路的输出取决于输入状况和电路的状态建立在触发器的基础上寄存器计数器触发器一种具有记忆功能的电路有两个稳定的电路状态建立在R-S锁存器(latch)的基础上RSQQ半加器分为半加器和全加器两种半加器有两个输入端和两个输出端半加器的逻辑表达式：S=ABC=ABHAABSC输入信号输出信号ABSC0000011010101101全加器进位输入Ci，进位输出Co。逻辑表达式：FAACiBSCoS=ABCi+ABCi+ABCi+ABCi=ABCiCo=ABCi+ABCi+ABCi+ABCi=AB+BCi+ACi输入信号输出信号ABCiSCo0000000110010100110110010101011100111111寄存器（Register）由多个D触发器构成可以存放一个完整的二进制数据通常用一个名字表示如R1、R2对寄存器内容的操作移位、计数、清除、装入DQDQDQDQA3A2A1A0I0I1I2I3CLK87150015(d)表示高低字段(c)表示位序(b)表示各个位(a)符号表示R3(H)R3(L)R210001110R1寄存器的数据传输并行输入并行输出R1R2R2R1DQDQDQDQA3A2A1A0I0I1I2I3CLKDQDQDQDQA3A2A1A0I0I1I2I3CLKR1R2编码器编码的信息与译码的信息2n个输入信号的编码器有n个输出信号输入信号中只有一个是有效的电平D7D6D5D4D3D2D1D0A0A1A28-3编码器D7D6D5D4D3D2D1D0A2A1A00000000100000000010001000001000100000100001100010000100001000001010100000011010000000111译码器n个输入信号的译码器有2n个输出信号每个输出信号对应于n个输入信号的一种编码输出信号中只有一个处于有效状态通常还有一个输出许可信号（EN）A2A1A0END7D6D5D4D3D2D1D0000100000001001100000010010100000100011100001000100100010000101100100000110101000000111110000000xxx000000000D7D6D5D4D3D2D1D0A0A1A2EN3-8译码器数据选择器根据选择信号从多个输入端中选择一个作为输出有n个选择信号的数据选择器从2n个输入数据线中选择一个作为输出逻辑表达式：功能表Y=1S0SI0+1SS0I1+S10SI2+S1S0I3S1S0YI0I1I2I3S1S0Y00I001I110I211I3计算机的硬件结构图1-1计算机的基本结构存储器输出输入运算器控制器数据线路控制信号基本概念ALU存储器（读、写、访问）容量（字、字节）字长指令程序CPU主机总线…M-3M-2M-143210存储地址数据字计算机系统结构概论一、概念计算机实现Implementation器件选择，机械、封装、印板、机箱、电源、冷却设计计算机组成Organization逻辑设计计算机系统结构Architecture外特性设计系统结构的研究范围新型系统结构设计并行性数据流推理机神经网性能成本评价运算速度存储容量I/O带宽外特性指令系统数据表示寻址方式寄存器集界面设计确定硬件功能数制二进制数采用2个计数符号计数规则：逢2进一一个n位的二进制数x0x1…xn-2xn-1代表的数值为：x0*2n-1+x1*2n-2+…+xn-2*21+xn-1*20数制转换将二进制数转换成八进制数从小数点的位置开始每三位一组分别转换成相应的八进制数的计数符号不足三位时补0将二进制数转换成十六进制数四位一组进行转换例0010101102=1268=5616数制转换将八进制数转换成二进制数从小数点的位置开始每一位八进制数分别转换成三位二进制数将十六进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数整数部分采用除2取余法小数部分采用乘2取整法x02n-1+x12n-2+…+xn-221+xn-120将1810表示成二进制数解：根据上述转换方法的转换过程为：1890(18除以2得9，余0)41(9除以2得4，余1)20(4除以2得2，余0)10(2除以2得1，余0)01(1除以2得0，余1)可得到结果为10010将十进制数0.81转换成二进制数解：转换的过程是：0.811.62取1(0.81乘以2得1.62)1.24取1(0.62乘以2得1.24)0.48取0(0.24乘以2得0.48)0.96取0(0.48乘以2得0.96)1.92取1(0.96乘以2得1.92)得结果为0.11001机器数计算机中表示的二进制数据真值一个机器数所代表的实际数值定点数定点整数定点小数(b)定点小数(a)定点整数x7x6x5x4x3x2x1x0x6x7x5x4x3x2x1x0定点数的编码机器数无符号数半字、字、双倍字、四倍字有符号数原码、反码、补码、移码1位符号位原码表示法编码方法符号位加数值位正数符号位为0负数符号位为1求值方法x=(-1)x0(x12n-1+…xn-12+xn)数值范围-2n+1≤x≤2n-1原码表示法零有两种表示方式例设x=1010，y=-1010，求[x]原和[y]原解：[x]原=01010[y]原=11010例设x=0.1010，y=-0.1010，求[x]原和[y]原解：[x]原=0.1010[y]原=1.1010补码表示法补码编码0010-0011=1111，