知識點整理計算機組成原理

1、一、系統(tǒng)概述一計算機開展歷程二計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.計算機硬件的根本組成2.計算機軟件的分類3.計算機的工作過程三性能指標吞吐量對網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、端口、虛電路或其他設(shè)施，單位時間內(nèi)成功地傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量(以比特、字節(jié)、分組等測量)。響應(yīng)時間CPU時鐘周期Clock Cycle：又稱節(jié)拍沒沖或T周期，是處理操作的最根本單位，是計算機中最根本的、最小的時間單位。主頻的倒數(shù)主頻: 即CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率CPU Clock Speed。CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關(guān)系。CPI Clock cycle Per Instruction表示每條計算機指令執(zhí)

2、行所需的時鐘周期。CPU執(zhí)行時間MIPS(Million Instruction per second)每秒執(zhí)行百萬條指令某機器每秒執(zhí)行300萬條指令，那么記作3 MIPSMFLOPS (Million Floationg-point Operations per Second，每秒百萬個浮點操作)衡量計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標之一。 對于一給定的程序，MFLOPS的定義為：MFLOPS=操作浮點數(shù)/執(zhí)行時間*10E610E6位10的6次方。指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間，一般由假設(shè)干個機器周期組成，是從取指令、分析指令到執(zhí)行完所需的全部時間。機器周期：又稱cpu周期在計算機中，為了便于管理

3、，常把一條指令的執(zhí)行過程劃分為假設(shè)干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、存儲器讀、存儲器寫等，這每一項工作稱為一個根本操作。完成一個根本操作所需要的時間稱為機器周期。通常用內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定因而又稱總線周期在電子技術(shù)中，脈沖信號是一個按一定電壓幅度，一定時間間隔連續(xù)發(fā)出的脈沖信號。脈沖信號之間的時間間隔稱為周期；而將在單位時間如1秒內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)稱為頻率。頻率是描述周期性循環(huán)信號包括脈沖信號在單位時間內(nèi)所出現(xiàn)的脈沖數(shù)量多少的計量名稱；頻率的標準計量單位是Hz赫。二、數(shù)據(jù)的表示和運算一數(shù)制與編碼1.進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換2.真值和機器數(shù)真值: 帶+-符號的數(shù)機器數(shù):

4、 符號數(shù)字化的數(shù)編碼方式正數(shù)表示負數(shù)表示原碼同原同補碼同原逐位求反加一反碼同逐位求反移碼根補碼差一個符號位補碼比原碼反碼多表示一個負數(shù)碼4.字符與字符串5.校驗碼二定點數(shù)的表示和運算1.表示定點數(shù)的表示定點小數(shù)表示范圍: 定點小數(shù)運算的過程中存在著上溢和下溢.定點整數(shù)表示范圍定點整數(shù)運算的過程中存在著上溢而不存在下溢.無符號數(shù)的表示有符號數(shù)的表示2.運算定點數(shù)的位移運算無符號數(shù)的移位邏輯移位左移:高位移出,低位填零右移:低位移出高位填零有符號數(shù)的移位算術(shù)移位碼制填補代碼正數(shù)原碼、補碼、反碼0負數(shù)原碼0補碼左移添0右移填1反碼都填1加減乘除運算原碼定點數(shù)的加/減運算補碼定點數(shù)的加/減運算定點數(shù)的

5、乘/除運算原碼定點數(shù)的乘法運算補碼定點數(shù)的乘法運算每次根據(jù)乘數(shù)最后兩位的差值來判斷如何運算原碼定點數(shù)的除法運算商符另計算恢復(fù)余數(shù)法第一次進行減除數(shù)操作如果余數(shù)小于0,那么商上0,加除數(shù)(恢復(fù)余數(shù))進行左移一位.如果余數(shù)大于0,那么商上1,并尾數(shù)直接進行左移.下次減除數(shù).最后根據(jù)計算中的左移位數(shù),判斷出余數(shù)的右移位數(shù).不恢復(fù)余數(shù)法(加減交替法)補碼定點數(shù)的除法運算加減交替法(符號位和數(shù)值局部一起參加運算)溢出概念和判別方法三浮點數(shù)的表示和運算1.浮點數(shù)的表示；浮點數(shù)的表示范圍；IEEE754標準float大小為4字節(jié)，即32位，內(nèi)存中的存儲方式如下： 符號位1 bit 指數(shù)8 bit 尾數(shù)23

6、bit float 有效數(shù)字是6-7位 取值范圍 -3.4*10(-38)3.4*10(38) double大小為8字節(jié)，即64位，內(nèi)存布局如下： 符號位1 bit 指數(shù)11 bit 尾數(shù)52 bit double有效數(shù)字是15-16位 取值范圍 -1.7*10(-308)1.7*10(308)2.浮點數(shù)的加/減運算有關(guān)概念:/*s0時補碼規(guī)格化形式為s補。*/*s0為補碼且s=-0.5時規(guī)定-0.5不是規(guī)格化數(shù)*/補碼的規(guī)格化數(shù) 是首位非符號位與符號位 相異 那么為規(guī)格化數(shù)。因為補碼負數(shù)，0為有效位，1為無效位，而原碼負數(shù)，1為有效位，0為無效位，故補碼負數(shù)跟原碼負數(shù)規(guī)格化形式不同。注：有效

7、位即為代表數(shù)值的位。左右規(guī)時，需要左規(guī)，左規(guī)一位，階碼減一*/*右規(guī)：當尾數(shù)出現(xiàn)01.或10.時，表示尾數(shù)溢出，可通過右規(guī)處理，右移一位，階碼加一*/定點運算中溢出不允許但浮點運算中溢出允許?？赏ㄟ^右規(guī)處理，只是影響精度左右規(guī)移位與算數(shù)移位不一樣浮點數(shù)階碼真值加127不加128的原因因為當階碼e為全0且尾數(shù)M也為全0時，表示的真值x為零，結(jié)合符號位S為0或1，有正零和負零之分。當階碼e為全1且尾數(shù)M為全0時，表示的真值x為無窮大，結(jié)合符號位S為0或1，也有正無窮和負無窮之分。這樣的32位浮點數(shù)表示中，要除去e用全0和全1255表示零和無窮大的特殊情況，指數(shù)的偏移值不選12810000000，而

8、選12701111111。對于規(guī)格化浮點數(shù)，e的范圍變?yōu)?到254，真正的指數(shù)值E那么為-126到+127。四算術(shù)邏輯單元ALU硬件結(jié)構(gòu):一位全加器:xi yi 為相加數(shù)第i位。Ci-1表示低位進位信號Si第i位的和。Ci為i位產(chǎn)生的進位。1.串行加法器和并行加法器串行加法器只用一位全加器來實現(xiàn)兩個數(shù)的相加運算。從低位到高位逐位運算優(yōu)點：本錢低缺點：速度慢并行加法器串行進位、并行加法原理:并行進位、并行加法組內(nèi)并行、組間串行雙重分組快速進位鏈：組內(nèi)與組間并行，大組間串行2.算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機構(gòu)三、存儲器層次機構(gòu)一存儲器的分類按存儲介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲器 (雙極型: 耗電量大,低集成 Mo

9、s) 優(yōu)點: 體積小、功能低、存取時間短缺點: 電源消失時所存儲信息也喪失磁外表存儲器優(yōu)點: 非易失性磁芯存儲器優(yōu)點: 非易失性缺點: 體積大、工藝復(fù)雜、功耗大光盤存儲器優(yōu)點: 記錄密度高,耐用、可靠性高、可互換性強按存取方式分1) 隨機存儲器RAM(可讀寫)任何一個存儲單元可隨機存取,存取時間與存儲單元物理位置無關(guān).SRAM、DRAM2) 只讀存儲器ROM(可讀寫)存固定不變的程序 3) 串行訪問存儲器按在計算機中的作用分主存儲器(與cpu直接交換信息)RAM: SRAM觸發(fā)器 DRAM 電容ROM: MROM不可編程 PROM一次編程屢次編成: EPROM紫外線擦洗 EEPROM電擦洗快擦

10、型存儲器Flash Memory 輔助存儲器: 磁盤、磁帶、光盤緩沖存儲器緩沖存儲器二存儲器的層次化結(jié)構(gòu) CPU緩存 主存輔存這種層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)為程序訪問的局部性緩存-主存層次的速度接近于緩存,高于主存,容量和位價接近于主存.主存-輔存層次的速度接近于主存,容量接近于輔存三半導(dǎo)體隨機存取存儲器存儲器的工作原理存儲器的工作原理四只讀存儲器五主存儲器與CPU的連接步驟:首先分析系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)范圍如果對系統(tǒng)程序區(qū)或用戶程序區(qū)進行分解時尋址范圍小的靠前.這樣,設(shè)計片選邏輯時方便設(shè)計片選邏輯沒給出譯碼器的首先找出各片中最小容量的,以它為標準找出片選位/*ROM的線接地*/*CPU的地址線不能空*/

11、給出譯碼器. 特別注意CPU地址線高位值與譯碼器配對. 為低電平.六雙口RAM和多模塊存儲器七高速緩沖存儲器Cache1.程序訪問的局部的根本工作原理一些性能指標：Cache命中率：Cache主存系統(tǒng)的平均訪問時間 訪問效率 和主存之間的映射方式全相連映射方式主要特點可使主存的一個塊拷貝到cache中的任意一行上.地址形式:主存字塊標記 m=t+c位主存塊內(nèi)地址 b位m為主存字塊標記m=主存位數(shù)-b將主存中一個塊的地址(塊號)與塊的內(nèi)容(字)一起存于cache的行中,其中塊地址存于cache行的標記局部中.硬件實現(xiàn):全部標記用一個相連存儲器來實現(xiàn),全部數(shù)據(jù)用普通RAM來實現(xiàn).缺點是比擬器電路多

12、,難于實現(xiàn).檢索過程: = 1 * GB3 CPU訪存指令指定一個內(nèi)存地址 = 2 * GB3 指令中的塊號與cache中所有行的標記同時在比擬器中進行比擬.如果塊號命中:那么按主存塊內(nèi)地址從cache中讀取一個字.如果塊號未命中:那么按內(nèi)存地址從主存中讀取這個字.直接映射方式主要特點:一個主存塊只能拷貝到cache的一個特定行位置上去.地址形式:Cache的行號i和主存的塊號j有如下函數(shù)關(guān)系.i=j mod m m為cache中的總行數(shù)主存字塊標記 t位Cache字塊地址 行號c位字塊(行)內(nèi)地址 b位t為字塊標記,t=m-cb為塊內(nèi)地址位數(shù) 由塊大小得知m為主存地址,m=主存地址位數(shù)b m

13、=t+cc為catch字塊地址,由cache塊數(shù)決定檢索過程: = 1 * GB3 CPU訪存指令指定一個內(nèi)存地址 = 2 * GB3 用c位行號找到cache中的此一行. = 3 * GB3 內(nèi)存地址中的t位標記與此行的標記在比擬器中比擬如果相符即命中,用主存地址中最后b位(塊內(nèi)地址) 讀取所需求的字. 如果不符,那么未命中,由主存讀取所的要求字.缺點: 每個主存塊只有一個固定的行位置可存放產(chǎn)生沖突頻繁換入換出效率下降優(yōu)點:硬件簡單組相連映射方式主要特點:主存塊存放到哪個組是固定的,至于存到該組哪一行是靈活的.地址形式:Cache分成u組,每組v行。m=u*v m為cache中的總行數(shù)組號q

14、=j mod u j為主存塊號S位塊號分成兩局部：低序的d位用于表示cache組號。高序的s-d位作為標記。主存字塊標記(tag) s-d位組號 d位字號(由塊大小決定)注:唐朔飛老師書里的組內(nèi)塊號位并入tag里了可由塊大小行大小和編址方法字還是字節(jié)找出字號位數(shù)由cache容量和塊大小確定cache共有幾行及行號位數(shù)。根據(jù)組內(nèi)塊數(shù)或幾路相連來確定組內(nèi)塊號位數(shù)。組號位數(shù)=行號位數(shù)組內(nèi)塊號位數(shù)組內(nèi)塊號位數(shù)并入tag里Tag=主存地址位數(shù)cache地址位數(shù)+組內(nèi)塊號位數(shù)。檢索過程: = 1 * GB3 CPU訪存指令指定一個內(nèi)存地址 = 2 * GB3 用內(nèi)存地址中塊號位的低d位(即組號)找到相應(yīng)組

15、 = 3 * GB3 內(nèi)存地址中塊號域的高s-d位(即tag)與該組所有行的標記同 時進行比擬. = 4 * GB3 如果某一行命中(相符),那么用w位字號(塊內(nèi)地址)找到具體字. 如果未命中,此時按內(nèi)存地址訪問主存.中主存塊的替換算法寫策略八虛擬存儲器1.虛擬存儲器的根本概念2.頁式虛擬存儲器3.段式虛擬存儲器4.段頁式虛擬存儲器快表四、指令系統(tǒng)一指令格式1.指令的根本格式2.定長操作碼指令格式3.擴展操作碼指令格式二指令的尋址方式1.有效地址的概念2.數(shù)據(jù)尋址和指令尋址3.常見尋址方式三CISC和RISC的根本概念五、中央處理器CPU一CPU的功能和根本結(jié)構(gòu)cpu的功能取指令分析指令分析指

16、令完成什么操作,即控制器需要發(fā)出什么命令分析參與這次操作的操作數(shù)地址(有效地址)執(zhí)行指令根據(jù)分析指令產(chǎn)生的操作命令和操作數(shù)的地址的要求,發(fā)出各種微操作命令序列控制程序輸入和運算結(jié)果輸出總線管理中斷處理即:(1)指令控制(2)操作控制(3)時間控制數(shù)據(jù)加工(4)數(shù)據(jù)加工(5)中斷處理cpu結(jié)構(gòu)ALU: (1)存放操作數(shù)(2)實現(xiàn)算數(shù)、邏輯運算CU: 發(fā)出各種操作命令序列中斷系統(tǒng):處理異常情況存放器: cpu的存放器(1).用戶可見存放器通用存放器功能:存放操作數(shù)尋址方式所用存放器基址、變址,也可用專用存放器代替存地址(間接尋址)數(shù)據(jù)存放器: 存操作數(shù)地址存放器: 存放地址條件代碼存放器: (2)

17、.控制和狀態(tài)存放器 MAR、MDR、PC、IR二指令執(zhí)行過程指令周期取值周期執(zhí)行周期取值令、分析指令執(zhí)行指令各種指令操作功能不同,從而指令周期也不同如:無條件轉(zhuǎn)移:指令周期取值周期加法指令指令周期取值周期執(zhí)行周期(包括兩個存取周期)四個指令周期都有cpu訪存操作訪存目的:取值:為取值間值:取有效地址執(zhí)行:取操作數(shù)中斷:保存程序斷點/不是在存放器里存嗎?每一個程序的程序斷點存儲位置在哪里?取值周期中斷周期取值周期執(zhí)行周期有間值?有中斷?為了區(qū)別各個指令周期,在cpu內(nèi)設(shè)置四個標志觸發(fā)器.三數(shù)據(jù)通路的功能和根本結(jié)構(gòu)四控制器的功能和工作原理1.硬布線控制器2.微程序控制器微程序、微指令和微命令；微指

18、令的編碼方式；微地址的形式方式。五指令流水線1.指令流水線的根本概念2.超標量和動態(tài)流水線的根本概念這一局部大書講的好因只有一條指令流水線,所以稱為標量流水計算機.所謂超標量流水,是指它有兩條以上的指令流水線.六、總線一總線概述1.總線的根本概念總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu),是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送 的公共通路.借助于總線連接,計算機在各系統(tǒng)功能部件之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù) 和控制信息的交換,并在征用資源的根底上進行工作.2.總線的分類在單處理機系統(tǒng)中大致分三類:內(nèi)部總線:CPU內(nèi)部連接各存放器及運算部件之間的總線.系統(tǒng)總線CPU同計算機系統(tǒng)的其他高速功能部件.如存儲器、通道等.I/O總

19、線中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線.3.總線的組成及性能指標二總線仲裁1.集中仲裁方式每個功能模塊有兩條線連到中央仲裁器: = 1 * GB3 總線請求線BR, 功能模塊仲裁器. = 2 * GB3 總線授權(quán)信號線BG 仲裁器功能模塊集中式仲裁的分類: 1)鏈式查詢方式 2)計數(shù)器定時查詢方式 3)獨立請求方式2.分布仲裁方式三總線操作和定時1.同步定時方式2.異步定時方式四總線標準七、輸入輸出I/O系統(tǒng)一I/O系統(tǒng)根本概念二外部設(shè)備1.輸入設(shè)備：鍵盤鼠標坐標定位部件.有機械式和光電式.2.輸出設(shè)備：顯示器打印機3.外存儲器：硬盤存儲器磁盤陣列光盤存儲器 三I/O接口I/O控制器接口的功能

20、和根本結(jié)構(gòu)端口及其編址四I/O方式1.程序查詢方式(主要用于單片機)2.程序中斷方式中斷的根本概念/*引起中斷的各種因素：人為設(shè)置、程序性事故、硬件故障、I/O設(shè)備、外部事件。*/某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準備就緒后,它主動向cpu發(fā)出請求中斷的信號,當cpu響應(yīng)這個中斷請求時,便暫停運行主程序,并自動轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷效勞程序.當中斷效勞程序結(jié)束以后cpu回到原來的主程序.中斷響應(yīng)過程中斷處理過程多重中斷和中斷屏蔽的概念。方式DMA控制器的組成DMA傳送過程。 DMA的數(shù)據(jù)塊傳送分為三個階段：傳送前預(yù)處理、正式傳送、傳送后處理預(yù)處理階段: CPU給DMA下達輸入輸出任務(wù),即測試設(shè)備狀態(tài),向DMA控制器的

21、設(shè)備地址存放器中送入設(shè)備號并啟動設(shè)備如：讀磁盤時把將要從中讀取數(shù)據(jù)的磁盤源地址送入等,向內(nèi)存地址存放器中送入起始地址,向字計數(shù)器中送入交換的數(shù)據(jù)字個數(shù).這些工作完成后,cpu繼續(xù)執(zhí)行原來的主程序。正式傳送當外設(shè)準備好發(fā)送數(shù)據(jù)或接受數(shù)據(jù)時,它發(fā)出DMA請求,由DMA控制器向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請求(HOLD).CPU在本機器周期執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)該請求,并使CPU的總線驅(qū)動器處于第三態(tài)(高阻狀態(tài)).之后CPU與系統(tǒng)總線相脫離,而DMA控制器接管數(shù)據(jù)總線與地址總線的控制,并向內(nèi)存提供地址,于是,在內(nèi)存和外存設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)交換.每交換一個字,那么地址計數(shù)器和字計數(shù)器加1CPU提出中斷報告.傳送后處理

22、:一旦DMA的中斷請求得到響應(yīng),CPU停止主程序的執(zhí)行,轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷效勞程序做一些DMA的結(jié)束處理工作.這些工作包括校驗送入內(nèi)存的數(shù)據(jù)是否正確;決定繼續(xù)用DMA方式傳送下去,還是結(jié)束傳送.4.通道方式寫節(jié)拍安排時不能再一個節(jié)拍里有總線應(yīng)用沖突.直接映像組相連映像: (兩種答法)(1) r由組內(nèi)包含塊數(shù)決定,即r路塊字為組內(nèi)包含塊數(shù).其中q機器語言 翻譯程序匯編語言程序-機器語言程序 需要匯編程序(源)高級語言程序-匯編語言程序-機器語言程序(目標) (中間語言)也可以直接變?yōu)闄C器語言程序這些過程需要虛擬機來完成MIPS:第一代:電子管計算機-ENIAC微型計算機-個人計算機位擴展(增加存儲字長)2片1k*4位,可組成1k*8位.字擴展(增加存儲字的數(shù)量)2片1k*8位可組成2k*8位的存儲器連接2. 主存與cpu的連接1)cpu地址線數(shù)存儲芯片地址線數(shù)Cpu地址線低位與存儲芯片地址線地位開始相連cpu數(shù)據(jù)線與存儲芯片數(shù)據(jù)線不等時進行擴位.讀(高)寫(低)讀/寫命令線的連接. (片選控制端)與 cpu的地點平