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计算机组成原理重点第一章1.冯·诺依曼计算机模型。1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成；2）存储器以二进制形式存储指令和数据；3）存储程序工作方式；4）五部件以运算器为中心进行组织。2.计算机系统性能指标字长，主频，主存容量，RASIS特性，兼容性第二章数据表示1.n位定点小数X（不考虑符号），其表示范围为：2-n≤|X|≤1-2-n2.n位定点整数X（不考虑符号），其表示范围为：0≤|X|≤2n-13.采用定点数表示数的范围较小，运算很容易产生溢出。浮点表示法的最大特点是它可以表示很大的数据范围以及较高的数据精度。4.一个n位定点整数补码能表示的数值范围是：-2n-1≤X≤2n-1﹣15.一个n位定点小数补码能表示的数值范围是：-1≤X≤1﹣2-(n-1)第四章存储系统1.存储器的主要性能指标容量，速度，价格2.半导体只读存储器：掩膜只读存储器ROM可编程ROM（PROM）可擦除和编程的ROM（EPROM）电擦除电改写只读存储器（EEPROM）闪速存储器（flashmemory）3.高速缓冲存储器工作原理：设置Cache是为了解决CPU和主存之间的速度匹配问题，理论依据是程序访存的局部性规律。映射方式：有直接映像、全相联映像和组相联映像。替换算法：先进先出法（FIFO）“近期最少使用”算法（LRU）4.虚拟存储器功能：1.是一种解决存储容量和存取速度矛盾的一种有效措施，是管理存储设备的有效方法。2.用户编制程序时就无需考虑所编程序在主存中是否放得下以及放在什么位置等问题。3.虚拟存储器使计算机具有辅存的容量，接近于主存的速度和辅存的位成本。管理方法：虚拟存储器的管理方式有段式、页式或段页式三种。5.磁表面存储器的性能指标存储密度存储容量平均存取时间数据传送速率6.硬磁盘存储器的基本组成主要由磁记录介质、磁盘驱动器、磁盘控制器三大部分组成。7.硬盘容量和数据传输率的计算！未格式化容量=记录面数×理论柱面数×内圆周长×位密度（bit）！理论上的柱面数应该等于（磁盘有效记录区外径-有效记录区内径）÷2×道密度。！磁道能记录的二进制信息位的理论值等于内圆周长×位密度；内圆的记录密度最大。！实际容量=记录面数×实际柱面数×每道扇区数×每扇区的字节数（字节容量）！数据传输率=（每分钟转速÷60）×内圆周长×位密度（bit/S）第五章指令系统1.指令一般的格式操作码OP+地址码A2.指令字长度：一个指令字包含的所有二进制代码的位数。有等长指令字结构和变长指令字结构。3.指令系统性能的指标指令所占存储空间是否尽可能小；表现在指令中代码密度是否高、信息冗余量是否少；指令代码对应用需求的效率是否高，表现在非特权指令中功能性指令所占比例是否高、指令中操作数的访问范围满足应用需求的概率是否大、对操作系统和编译程序的支持程度是否高；指令的译码速度、执行速度是否快。4.寻址方式：立即寻址，直接寻址，间接寻址，相对寻址，基址变址寻址，隐含寻址方式5.指令系统设计的基本思路任务是确定所有机器指令的格式、类型、操作以及对操作数的访问方式。出发点是提高指令系统的性能/价格比。基本设计思想：（1）确定计算机系统中的基本操作（包括操作系统和高级语言的）是由硬件实现还是由软件实现；（2）按照尽量缩短平均码长、方便译码与执行的原则，设计指令字格式。6.堆栈是一种按特定顺序访问的存储区；其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。堆栈存取方式堆栈最底部存放数据的位置是固定不变的，该位置称为栈底；堆栈中存放的最上面数据的位置是不停变化的，该位置称为栈顶；存取数据只能在栈顶进行，不可中间插入或者从中间将数据取出。堆栈存取方式在指令中的应用•堆栈操作对临时保存和恢复某些数据极为简便。堆栈存取方式对应的操作有建栈、入栈和出栈三种，可对应指令系统中的三条指令。•建栈操作只是存储器地址赋值给堆栈指针SP。•只需要入栈（push）和出栈（pop）两种指令。7.复杂指令集计算机CISC精简指令集计算机RISCRISC的主要特点：①选用使用频度高的一些简单指令，复杂指令用简单指令组合。②指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少。③只有取数/存数(LOAD/STORE)指令访存。④CPU中有多个通用寄存器。⑤采用流水技术,一个时钟周期完成一条指令。⑥采用组合逻辑实现控制器。⑦采用优化的编译程序。CISC的主要特征：①指令系统庞大复杂，各种指令使用频度差别大②指令长度不固定、指令格式种类多，寻址方式多③访存指令不受限制④CPU中设有专用寄存器⑤大多数指令需要多个时钟周期执行完毕⑥采用微程序控制器⑦难以用优化编译生成高效的目的代码RISC和CISC的比较：①RISC更能充分利用VLSI芯片的面积②RISC更能提高计算机运算速度指令数目、指令格式、寻址方式少通用寄存器多，采用组合逻辑便于流水线操作③RISC便于设计、成本低、可靠性高④RISC有利于编译程序代码优化⑤RISC不易实现指令系统兼容第六章中央处理器组织CPU=寄存器(PC、IR)+CU+ALU+中断系统1.CPU的四种基本功能：存储器读：读取某一主存单元的内容，并将其装入某一个CPU寄存器；存储器写：把一个数据字从某一CPU寄存器存入给定的主存单元中；把一个数据字从某一CPU寄存器送到另一个寄存器或者ALU；进行一个算术运算或逻辑运算，将结果送入某一CPU寄存器或存储器。2.控制器三种时序控制方法：同步，异步，联合控制方法3.指令ADD＠R3，R1的执行控制序列步动作说明1PCout,MARin,Read,ClearY,1=C0,Add,Zin；取指，(PC)+12Zout,PCin,WMFC；(PC)+1=PC3MDRout,IRin；指令=IR4R3out,MARin,Read；取数据5R1out,Yin,WMFC；(R1)=Y6MDRout,Add,Zin；相加7Zout,R1in,End；结果=R1◆无条件转移(相对)指令的控制序列步动作1PCout,MARin,Read,ClearY,1=C0,Add,Zin2Zout,PCin,WMFC3MDRout,IRin4PCout,Yin5（IR的偏移字段)out,Add,Zin6Zout,PCin,End（3）MOVx（R0）,@(R1)；其中，源操作数为变址寻址，目的操作数为间接寻址，x在该指令的下一字中。1PCout,MARin,Read,ClearY,1=C0,Add,Zin；取指，(PC)+12Zout,PCin,WMFC；(PC)+1=PC3MDRout,IRin；指令=IR4PCout,MARin,Read,ClearY,1=C0,Add,Zin5Zout,PCin,WMFC；(PC)+1=PC6MDRout,Yin；x=Y7R0out,ADD,Zin；x+（R0）=Z8Zout,MARin,Read,WMFC；（MEM）=BUS=MDR9R1out,MARin,Write,WMFC；MDR=BUS=（MEM）10END4.决定CPU性能最重要三个因素：指令的功能强弱，时钟周期的长短，执行每条指令所需时钟周期数。5.组合逻辑控制器的设计步骤：(1)由CPU数据通路和指令功能，排列出每条指令的操作控制步序列(微操作序列)；(2)确定机器的状态周期、节拍与工作脉冲；(3)列出每个操作控制信号的逻辑表达式；表达式由指令操作码、时序状态以及状态条件信息（允许有空缺）等因子组成；只须节拍电位控制的信号不用考虑脉冲。6.微指令的格式：水平型微指令和垂直型微指令。编码：1）直接表示法2）分段直接编码法3）字段间接编码法7.微指令地址生成技术有计数器法和下地址字段法两种。8.访存冲突：在流水线上，取指令、取操作数都要访问主存；要求CPU必须能够同时访问主存的两个单元。◆解决访存办法1）设置分别存放指令和操作数的两个独立编址的主存；2）采用多体交叉存储器，使两条相邻指令的操作数存放在不同的存储体内；3）采用指令预取（指令缓冲）技术。9.指令发射策略指令发射是指启动指令执行处理器功能的过程；发射指令所采用的协议或规则称为指令发射策略。第七章总线1.总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线；一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。总线按连接部件不同分为：片内总线、系统总线、通信总线。系统总线按传输信息不同分为：数据总线（双向，其位数与机器字长和存储字长有关，总线宽度）、地址总线（由CPU输出，单向）、控制总线。2.串行传输▲串行总线的数据在数据线上按位进行传送，只需一根数据线，线路成本低，适合远距离的数据传输。▲使用串行通信总线连接慢速设备，象键盘、鼠标和终端设备等。▲串行传输中的数据转换发送部件中并行数据到串行数据的转换，称为拆卸；接收部件中串行数据转换成并行数据，称为装配。▲串行传输中的数据传输速率在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元；波特率：每秒钟通过信道传输的码元数。每秒钟通过信道传输的信息量称为位传输速率，简称比特率。波特率一般大于或等于比特率。3．并行传输▲并行总线的数据在数据线上同时有多位一起传送，每一位要有一根数据线。▲并行数据传输需要联络控制信号。4.总线裁决：决定哪个总线主控设备将在下次得到总线使用权的过程称为总线裁决。两类总线裁决方式：集中式和分布式集中式裁决方式：使用总线控制器；分布式裁决方式：控制逻辑分散在各个部件或设备中。5.定时问题：如何来定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束。◆总线通信的定时方式有四种：同步协议异步协议半同步协议分离事务协议6.总线带宽一个总线的带宽主要由总线定时方式所用的协议决定的。◆影响总线带宽的其他几个因素有：(1)数据总线宽度；(2)信号线是专用还是分时复用；(3)是否允许大数据块传送。◆总线设计的目标：支持大范围内具有不同等待时间和数据传输速率的设备的需求。7.总线异步通信协议的步骤：请求，响应，撤销请求，撤销响应异步通信子协议类型：全互锁，半互锁，不互锁第九章输入输出组织1.I/O接口的功能：（1）数据缓冲（2）错误或状态检测（3）控制和定时（4）数据格式转换；（5）与主机和设备通信2.I/O接口的分类(1)按数据传送方式分，有并行接口和串行接口(2)可编程接口和不可编程接口(3)按通用性来分，有通用接口和专用接口3.I/O端口的编址方式(1)独立编址方式：对所有的I/O端口单独进行编号，成为一个独立的I/O地址空间。需要用专门的输入输出指令来访问I/O端口。(2)统一编址方式：将主存地址空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。访存指令和输入输出指令相同。比较统一编址方式有关主存的寻址方式都可用于I/O端口的寻址。外设或I/O寄存器数目几乎不受限制。主存空间减少；址线都需参与地址译码，使译码电路变复杂独立编址方式寻址速度快；专用I/O指令，使得程序清晰。程序设计灵活性差些；控制逻辑较复杂。4.I/O控制方式类型1.程序直接控制方式（查询方式）▲从I/O接口取得外设和接口的状态，根据状态来控制外设和主机的信息交换。2.程序中断控制方式▲执行相应的I/O指令，将启动命令发送给相应的I/O接口和外设，然后CPU继续执行其他程序。3.直接存储器存取方式▲简称为DMA方式，用于高速设备和主机的数据传送，采用成批数据交换方式。▲用专门的硬件（DMA控制器）来控制总线进行数据交换。4.通道和I/O处理器方式▲获得CPU和外设之间更高的并行性，让种类繁多、物理特性各异的外设能以标准的接口连接到系统中。5.中断：由于内部/外部事件或由程序的预先安排引起CPU中断正在执行的程序，转到相应的服务程序中去。！！！中断系统的基本职能(1)及时记录各种中断请求信号；(2)自动响应中断请求；(3)自动判优；(4)保护被中断程序的断点和现场；(5)中断屏蔽；现代计算机大多采用中断嵌套技术。！！！I/O中断处理过程①中断请求：INTR②中断判优：链式排队③中断响应：INTA，