计算机组成原理考研补习总线CPUM接口I/O设备建立整机概念两个层次两个方面CPU整机概念硬件系统整机概念逻辑组成工作机制主要内容:1、CPU(1)逻辑组成寄存器传送级:微操作控制级:各类指令的流程微命令序列寄存器、ALU设置,数据通路结构(2)工作机制指令的执行过程微命令序列微命令产生方式时序控制方式:组合逻辑控制微程序控制同步控制2、常用运算方法规则和进位链(1)原码、补码一位乘法,原码两位乘法,原码、补码不恢复余数除法,浮点运算法(1)基本概念(2)半导体存储器的逻辑设计芯片地址分配、片选逻辑、框图(2)串行进位、并行进位、分级同时进位3、存储器4、总线(1)基本概念(2)系统总线:信号组成,时序控制方式5、接口(1)I/O传送的控制机制中断:基本概念、中断控制器与接口、中断过程(2)接口设计接口组成、拟定命令字和状态字格式、扩展中断源6、常用外设原理(1)键盘:键码转换方法(2)CRT显示器:VRAM与屏幕显示的对应关系(VRAM内容和容量、地址组织、信息转换、同步计数器的设置)DMA:基本概念、DMA控制器与接口、DMA过程硬件扫描软件扫描(3)打印机:信息转换、调用过程(中断方式)(4)磁盘:信息分布与寻址信息、磁记录方式、调用过程(DMA方式)、速度指标和容量指标第一章CPU组织题型:综合设计单选简答1.1逻辑组成(模型机)1、CPU数据通路框图(寄存器级)2、结构特点(1)寄存器独立结构可编程:R0~R3、PC、SP、PSW非编程:C、D、IR、MAR、MBR(2)ALU部件作为CPU内部数据传送通路的中心。输入选择器:选择操作数来源ALU:运算处理输出移位器:选择输出方式(3)內总线单向数据总线(ALU总线),实现数据分配。(4)与系统总线的连接由MAR、MBR实现连接。从内总线接收数据采用同步打入方式,从系统总线接收数据采用置入方式。1.2工作机制用寄存器传送语言描述指令从读取到执行的整个流程。1.2.1指令流程(寄存器传送级)拟定流程的关键:清楚了解数据通路结构熟练掌握基本寻址方式1、基本寻址方式(模型机)寄存器寻址:R寄存器间址:(R)自减型寄存器间址:–(R)、–(SP)(用于入栈操作)自增型寄存器间址:(R)+、(SP)+(用于出栈操作)立即寻址:(PC)+变址:X(R)相对寻址:X(PC)2、思路(2)分清源和目的,确定所采用的寻址方式源在前,目的在后。(3)按周期拟定分步流程(1)了解指令功能,具体完成什么操作MOV:源数目的地ADD:结果目的地JMP:转移地址PCRST:返回地址PCJSR:子程序入口PC,并保存返回地址模型机允许:每一步完成一次从M读出,并经数据通路传送的操作;或一次经数据通路传送的操作;或一次向M写入的操作。3、例题(1)MOV(SP)+,X(R1);(2)MOVX(R2),–(SP);(3)ADD–(R0),X(R3);(4)NEGR2;(5)JMP(R0);(6)JSR(R1)+;(7)JMPX(PC);(8)AND(PC)+,X(PC);指令流程在微操作级的具体实现。1.2.2微命令序列1、微命令设置(1)数据通路操作ALU输入选择:R0A、CB、……ALU功能选择:加、减、加1、传送、……移位功能选择:左移、右移、直送、……结果分配:CPR0、CPR1、CPC、……(2)访存操作地址使能EMAR、读R、写W(读/写R/W)、置入SMBR、置入SIR(3)时序转换(组合逻辑控制方式)周期状态设置、清除:节拍(时钟周期)计数、清除:FTSTDTET周期状态触发器:CPFT1FT1STCPST1DTCPDT1ETCPET节拍计数器:TT+1CPT1FT、CPFT、……T+1、CPT2、例题MOV(SP)+,(R0);FT0:MIRPC+1PCST0:SPMARST1:MMBRCST2:SP+1SPDT0:R0MARET0:CMBRET1:MBRMET2:PCMAR1.2.3微命令的产生方式1、组合逻辑控制方式(1)基本思想综合化简产生微命令的条件,形成相应逻辑式,用组合逻辑电路实现。执行指令时,由组合逻辑电路(微命令发生器)在相应时间发出所需微命令,控制有关操作。(2)优缺点优点:速度快。缺点:设计不规整,结构零乱,不易修改、扩充指令系统功能。(3)应用用于高速计算机及小规模机器中。2、微程序控制方式(1)基本思想1)将微命令以代码形式编成微指令,控制一步操作;2)若干微指令编成一段微程序,解释执行一条机器指令;3)微程序事先存放在控制存储器(CM)中,执行机器指令时再取出。注意区分:微指令:机器指令:产生微命令,控制完成机器指令功能的一步操作。实现指令系统功能所规定的一种操作。微程序:工作程序:包含若干微指令,解释执行一条机器指令。包含若干机器指令,完成某一特定任务。CM:主存:存放微程序,位于CPU内。存放工作程序,位于CPU外。(2)优缺点优点:结构规整,设计效率高,性价比高,可靠性高,易于修改、扩展指令系统功能。缺点:速度较慢,执行效率受影响。(3)应用用于速度要求不是很高、功能复杂的机器中,特别适用于系列机。3、微指令拟定微指令格式,了解微指令编码方法和微地址形成方式。(1)CPU内部数据通路操作控制格式:分几段,各段功能含义模型机分段原则:按操作类型分段,同类互斥微命令放同一字段。AIBISMC0SZOEMARRWSTSC33522311124AI:A输入选择BI:B输入选择SM:ALU功能选择C0:初始进位选择S:移位功能选择ZO:结果分配AIBISMC0SZOEMARRWSTSC33522311124(2)访存操作控制EMAR:地址使能R:读W:写(3)辅助操作控制ST:开中断、关中断、SIR(4)顺序控制SC:提供后续微地址形成方式增量方式断定方式1.2.4时序控制方式掌握定义、特点、应用场合。1、同步控制方式(1)定义:各项操作与统一时序信号同步。操作与时序信号的关系同步控制方式异步控制方式(2)特点:1)有明显时序时间划分;3)各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。2)时钟周期(节拍)时间固定;(3)应用场合:用于CPU内部、设备内部、总线操作(各挂接部件速度差异小、传送时间确定、传送距离较近)。2、异步控制方式(2)特点:1)无严格时钟周期划分;2)各操作间的衔接、各部件之间的数据传送采取异步应答方式。(3)应用场合:用于异步总线操作(各挂接部件速度差异大、传送时间不确定、传送距离较远)。(1)定义:各项操作按需要安排不同时间,不受统一时序约束。主设备:从设备:申请并控制总线的设备。响应主设备请求的设备。3、同步方式在实际应用中的变化(2)总线周期中插入延长周期。(3)同步方式引入异步应答。(1)不同指令安排不同时钟周期数。(扩展同步方式)1.3运算方法与运算器1.3.1运算方法1、原码一位乘法(1)原码运算操作数和结果用原码表示,绝对值参加运算,符号单独处理。(2)算法规则用乘数末位作判断位。2、补码一位乘法(1)补码运算操作数和结果用补码表示,符号位参加运算。(2)算法规则乘数末位设置附加位,两位判断位。3、原码两位乘法如何处理+3X操作。4、原码不恢复余数除法算法规则:根据余数的正负决定上商及下一步操作5、补码不恢复余数除法算法规则:根据余数与除数同号或异号决定上商及下一步操作。6、浮点运算加减法运算过程:(1)判操作数是否为0。(3)尾数加/减(2)对阶原则:小阶向大阶对齐操作:小阶增大,尾数右移(4)结果规格化左规(尾数绝对值小于1/2):尾数左移,阶码-1右规(尾数绝对值大于1):尾数右移,阶码+11.3.2运算器1、硬件组成运算器全加器串行移位器ALU输入选择器ALU部件寄存器并行加法器加法器输入选择器进位链并行分组2、进位逻辑写出任一位Ci的进位逻辑。(1)串行进位(2)并行进位(3)分组、分级同时进位(分段写,直至Ai、Bi、C0)1.4其他基本概念(1)溢出及判断方法、扩展操作码、地址结构、隐地址、显地址等显式I/O指令(2)I/O指令的设置隐式I/O指令(3)I/O指令的功能扩展I/O指令中留有扩展余地用通用I/O指令或MOV指令访问接口中的控制/状态寄存器(4)主机对外设的寻址方式单独编址(为接口寄存器分配端口地址)统一编址(为接口寄存器分配总线地址)