計(jì)算機(jī)組成原理知識點(diǎn)總結(jié)

計(jì)算機(jī)組成原理知識點(diǎn)總結(jié)第一章一、數(shù)字計(jì)算機(jī)的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）

計(jì)算機(jī)硬件組成：存儲器、運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

1、存儲器（主存）主要功能：保存原始數(shù)據(jù)和解題步驟。包括：內(nèi)存儲器（CPU直接訪問），外存儲器。

2、運(yùn)算器主要功能：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算。

3、控制器主要功能：從內(nèi)存中取出解題步驟(程序)分析，執(zhí)行操作。包括：計(jì)算程序和指令（指令由操作碼和地址碼組成）。

4、輸入設(shè)備主要功能：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識別的二進(jìn)制信息形式。

5、輸出設(shè)備主要功能：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器所能接收和識別的信息形式。注：1、馮諾依曼結(jié)構(gòu)：存儲程序并按地址順序執(zhí)行。2、中央處理器（CPU）：運(yùn)算器和處理器的結(jié)合。3、指令流：取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流，流向控制器。數(shù)據(jù)流：在執(zhí)行器周期中從內(nèi)存讀出的信息流，由內(nèi)存流向運(yùn)算器。二、數(shù)字計(jì)算機(jī)的軟件及各自主要功能（P11）1、系統(tǒng)軟件：包括服務(wù)性程序、語言程序、操作程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。2、應(yīng)用程序：用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些問題而設(shè)計(jì)。三、計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)。

1、吞吐量：表征一臺計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量，用bps度量。

2、響應(yīng)時(shí)間：表征從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來度量。

3、利用率：在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所在的比率，用百分比表示。

4、處理機(jī)字長：常稱機(jī)器字長，指處理機(jī)運(yùn)算中一次能夠完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)，如32位機(jī)、64位機(jī)。

5、總線寬度：一般指CPU從運(yùn)算器與存儲器之間進(jìn)行互連的內(nèi)部總線一次操作可傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。

6、存儲器容量：存儲器中所有存儲單元（通常是字節(jié)）的總數(shù)目，通常用KB、MB、GB、TB來表示。

7、存儲器帶寬：單位時(shí)間內(nèi)從存儲器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量，一般用B/s（字節(jié)/秒）表示。8、主頻/時(shí)鐘周期：CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制，按照規(guī)定在某個時(shí)間段做什么（從什么時(shí)候開始、多長時(shí)間完成），主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘信號。主頻（主時(shí)鐘的頻率）度量單位是MHZ、GHZ；時(shí)鐘周期（主頻的倒數(shù)）度量單位是微秒、納秒。

9、CPU執(zhí)行時(shí)間：表示CPU執(zhí)行一段程序所占用的CPU時(shí)間，可用下式計(jì)算

CPU時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)

X

CPU時(shí)鐘周期長。

10、CPI：執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)，可用下式計(jì)算

CPI=執(zhí)行某段程序所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)/該程序包含的指令條數(shù)。

11、MIPS：平均每秒執(zhí)行多少百萬條定點(diǎn)指令數(shù)，用下式計(jì)算

MIPS=指令條數(shù)

/（程序執(zhí)行時(shí)間

×

106）

12、FLOPS：平均每秒執(zhí)行浮點(diǎn)操作的次數(shù)，用來衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能，用下式計(jì)算

FLOPS=程序中的浮點(diǎn)操作次數(shù)/程序執(zhí)行時(shí)間（秒）第二章一、數(shù)據(jù)和文字的表示方式1、原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼的求法及表示范圍。

（1）首先應(yīng)明確機(jī)器字長（2）原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼的求法（3）表示范圍

2、補(bǔ)碼加減法運(yùn)算，加法運(yùn)算溢出檢測。

（1）補(bǔ)碼加法運(yùn)算規(guī)則

（2）補(bǔ)碼減法運(yùn)算規(guī)則

（3）變形補(bǔ)碼表示法

00

表示正數(shù)

11

表示負(fù)數(shù)

（4）變形補(bǔ)碼運(yùn)算：規(guī)則同補(bǔ)碼加減法運(yùn)算規(guī)則，雙符號位數(shù)值化、參加運(yùn)算。

（5）加法運(yùn)算溢出檢測

1）單符號位法

2）雙符號位法

參見例題、習(xí)題

3、并行加法器的進(jìn)位方法及邏輯表達(dá)式

（1）直接從全加器的進(jìn)位公式推導(dǎo)。

（2）串行進(jìn)位：某位的運(yùn)算必須等到下一位的進(jìn)位傳遞來以后，才能開始。也就是進(jìn)位從最低位向最高位逐級傳遞，速度慢。4、cache與主存的地址映射（P94）

全相聯(lián)映像：主存中的任一塊可以映象到緩存中的任一塊。

直接映像：每個緩存塊可以和若干個主存塊對應(yīng)；每個主存塊只能和一個緩存塊對應(yīng)。組相聯(lián)映像：某一主存塊

j

按模

u

映射到

緩存

的第

i

組中的任一塊。

5、替換算法（P98）

先進(jìn)先出算法（FIFO）：把一組中最先調(diào)入cache的塊替換出去，不需要隨時(shí)記錄各個塊的使用情況，所以實(shí)現(xiàn)容易，開銷小。

近期最少使用算法（LRU）：將近期內(nèi)長久未被訪問過的行(塊)換出。每行設(shè)置一個計(jì)數(shù)器，cache每命中一次，命中行計(jì)數(shù)器清零，其它各行計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí)，比較各特定行的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值最大的行換出。

最不經(jīng)常使用（LFU）：被訪問的行計(jì)數(shù)器增加1，換值小的行，不能反映近期cache的訪問情況。

6、隨機(jī)替換：從特定的行位置中隨機(jī)地選取一行換出。第四章一、指令系統(tǒng)1、指令系統(tǒng)：一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計(jì)算機(jī)性能的重要因素，其格式與功能直接影響機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)、軟件、適用范圍等。

尋址方式：告訴計(jì)算機(jī)如何獲取指令和運(yùn)算所需要的操作數(shù)。即如何提供將要執(zhí)行的指令所在存儲單元的物理地址；如何提供運(yùn)算所需要的操作數(shù)所在存儲單元的物理地址、或者操作數(shù)所在內(nèi)部寄存器的編號。2、CISC：指令條數(shù)多、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣、尋址方式種類繁多、功能復(fù)雜多樣、翻譯執(zhí)行效率低、很多指令難得用到。CISC使計(jì)算機(jī)的研制周期長，難以保證正確性，不易調(diào)試、維護(hù)，大量使用頻率很低的復(fù)雜指令浪費(fèi)了系統(tǒng)硬件資源。

RISC：選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少，復(fù)雜功能通過宏指令實(shí)現(xiàn)；指令長度、格式、結(jié)構(gòu)形式、尋址方式種類少，翻譯執(zhí)行效率高；只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作均在CPU內(nèi)部寄存器之間進(jìn)行。

RISC可縮短計(jì)算機(jī)的研制周期、易于保證正確性、調(diào)試、維護(hù)，系統(tǒng)硬件資源使用效率高。第五章1、中央處理器基本概念

指令周期：取出一條指令并執(zhí)行這條指令所需要的時(shí)間。

微指令周期：從控制存儲器中讀出一條微指令的時(shí)間加上執(zhí)行該條微指令的時(shí)間。

微命令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)送的各種控制信號/操作命令。

微操作：執(zhí)行部件接收微命令以后所完成的操作，微操作是執(zhí)行部件中最基本的、不可再分解的操作。

微指令：一組實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合形式，稱為微指令。由操作控制和順序控制兩大部分組成。

指令流水線：指指令執(zhí)行步驟的并行。將指令流的處理過程劃分為取指令、指令譯碼、執(zhí)行、寫結(jié)果等幾個并行處理的過程段。

2、CPU的功能。

（1）指令控制：控制程序的執(zhí)行順序；

由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴(yán)格按照程序規(guī)定的順序進(jìn)行。

（2）操作控制：控制器產(chǎn)生取指令、執(zhí)行指令的所需要的全部操作控制信號，并依序送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求完成規(guī)定的動作。

（3）時(shí)間控制

對各種操作實(shí)施時(shí)間上的定時(shí)；

在計(jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號和整個執(zhí)行過程均受到時(shí)間的嚴(yán)格定時(shí)和事件先后順序控制（應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)開始，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)結(jié)束）

，以保證計(jì)算機(jī)有條不紊地自動工作。

（4）數(shù)據(jù)加工：完成指令規(guī)定的運(yùn)算操作。

3、根據(jù)給定的模型機(jī)和數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，畫出指令周期流程

（1）根據(jù)模型機(jī)和數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，分析指令周期流程。

（2）指令周期流程實(shí)際上是一個指令流、數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)通路上的流動過程。

4、微程序控制器的原理及組成框圖。

（1）基本原理

設(shè)計(jì)階段：首先，根據(jù)CPU的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、指令操作定義等，畫出每條指令的指令周期流程圖（具體到每個時(shí)鐘周期、微操作、微命令）。然后，根據(jù)微指令格式、指令周期流程圖編寫每條指令的微程序。最后，把整個指令系統(tǒng)的微程（其中取指令的微程序段是公用的）固化到控制存儲器中。

運(yùn)行階段：首先，逐條執(zhí)行取指令公用微程序段，控制取指令操作。然后，根據(jù)指令的操作碼字段，經(jīng)過變換，找到該指令所對應(yīng)的特定微程序段，從控制存儲器中逐條取出微指令，根據(jù)微操作控制字段，直接或經(jīng)過譯碼產(chǎn)生微命令（控制信號），控制相關(guān)部件完成指定的微操作。一條微指令執(zhí)行以后，根據(jù)微地址字段取下一條微指令（2）構(gòu)成框圖

控制存儲器ROM：存放全部指令系統(tǒng)的微程序；

微地址寄存器uPC：具有自動增量功能，給出順序執(zhí)行的下一條微指令地址。

微命令寄存器uIR：存放由控制存儲器讀出的一條微指令。

地址轉(zhuǎn)移邏輯：①根據(jù)指令寄存器IR的操作碼，定位到該指令對應(yīng)的微程序段，uPC

初值；②如果判斷條件P/狀態(tài)條件=FALSE，則

uPC=uPC

+1，順序執(zhí)行③如果判斷條件P/狀態(tài)條件=TRUE，則uPC=根據(jù)策略形成新的微指令地址，程序轉(zhuǎn)移。

5、流水線中資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)問題。

資源相關(guān)：是指多條指令進(jìn)入流水線后，在同一機(jī)器時(shí)鐘周期內(nèi)爭用同一個功能部件所發(fā)生的沖突。

數(shù)據(jù)相關(guān)：在一個程序中，如果必須等前一條指令執(zhí)行完畢以后，才能執(zhí)行后一條指令，那么這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)的。

控制相關(guān)：控制相關(guān)沖突是由轉(zhuǎn)移類指令引起的。當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令時(shí)，可能為順序取下條指令；也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令。如果流水線順序取指令，而程序卻需要轉(zhuǎn)移時(shí)，進(jìn)入流水線的指令并不是將要執(zhí)行的指令，或者轉(zhuǎn)移的目標(biāo)指令可能還沒有進(jìn)入流水線，從而使流水線發(fā)生斷流。第六章1、總線系統(tǒng)基本概念。

總線：總線是一組能為多個部件分時(shí)共享的信息傳送線，用來連接多個部件并為之提供信息交換通路。2、總線分類內(nèi)部總線（CPU內(nèi)），系統(tǒng)總線（主機(jī)內(nèi)，CPU外），總線（輸入，輸出總線）。3、總線的特征：物理特征：總線的物理連接方式，包括總線的根數(shù)，總線的插頭，插座的形狀，引腳線的排列方式等。功能特征：總線中每一根的功能。電氣特征：電氣特征定義每一根線上信號的傳遞方向及有效電平范圍。時(shí)間特征：時(shí)間特性定義了每根線在什么時(shí)間有效。4、總線帶寬：衡量總線性能的重要指標(biāo)，定義為總線本身所能達(dá)到的最高傳輸效率。有關(guān)公式計(jì)算：Dr：總線帶寬，T=1/f：總線時(shí)鐘周期，D：一個總線周期傳送的數(shù)據(jù)量。則有：Dr=D/T=D*f。5、總線連接方式單總線結(jié)構(gòu)：總線分時(shí)工作，連接到總線上的部件應(yīng)高速運(yùn)行，外圍設(shè)備與主存統(tǒng)一編址，信息傳送的效率和吞吐量受限。多總線結(jié)構(gòu)：HOST總線：宿主總線，連接多CPU、cache、主存、北橋。64位數(shù)據(jù)線、32位數(shù)據(jù)線、同步定時(shí)總線。

PCI總線：與處理器無關(guān)的高速外圍總線，連接高速的PCI設(shè)備，32/64位數(shù)據(jù)線、32位地址線、同步定時(shí)、集中仲裁、猝發(fā)傳送。

LAGACY總線：遺留總線，可以是ISA、EISA、MCA等傳統(tǒng)總線，連接中、低速設(shè)備，保護(hù)用戶以前的投資。

橋的分類：HOST橋（北橋）、PCI/LAGACY橋（南橋）、PCI/PCI橋。

橋的作用：

（1）連接兩條總線，使彼此相互通信；（2）總線轉(zhuǎn)換部件，可以把一條總線上的地址空間映射到另一條總線的地址空間上，從而使系統(tǒng)中任意一個總線上的主設(shè)備都能看到同樣的一份地址表；

（3）信號緩沖、電平轉(zhuǎn)換、控制邏輯轉(zhuǎn)換等。6、總線仲裁：當(dāng)總線上的多個主設(shè)備（主方）同時(shí)競爭使用總線時(shí)，必須通過總線仲裁部件，以某種方式和策略選擇其中一個主設(shè)備（主方），接管總線的控制權(quán)，傳送信息。

總線同步定時(shí)：在同步定時(shí)協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻由公共的統(tǒng)一的總線同步時(shí)鐘信號來確定，所以總線中包含時(shí)鐘信號線。每個事件都必須在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)開始，并在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)結(jié)束。每個事件的持續(xù)時(shí)間、一次總線操作的時(shí)間是確定的。

總線異步定時(shí)：在異步定時(shí)協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻取決于前一事件什么時(shí)候結(jié)束，即建立在應(yīng)答式或互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上。在這種系統(tǒng)中，不需要統(tǒng)一的公共同步時(shí)鐘信號。

一個事件持續(xù)的時(shí)間、一次總線操作的時(shí)間是不確定的。

7、總線接口的功能

（1）控制接口依據(jù)CPU的指令信息控制外圍設(shè)備的動作，如啟動、關(guān)閉設(shè)備等。

（2）緩沖

在為部設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其它部件之間用作為一個緩沖器，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速度上的差異

。

（3）狀態(tài)

接口監(jiān)視外部設(shè)備的工作狀態(tài)并保存狀態(tài)信息，狀態(tài)信息包括“準(zhǔn)備就緒”、“忙”、“錯誤”等，供CPU詢問外部設(shè)備時(shí)進(jìn)行分析之用。

（4）轉(zhuǎn)換

可以完成任何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以確保數(shù)據(jù)能在為部設(shè)備和CPU之間正確地傳送，如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、并-串轉(zhuǎn)換等。

（5）整理

可以完成一些特別的功能，如在批量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)自動修改字計(jì)數(shù)器、當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器。

（6）程序中斷

每當(dāng)外圍設(shè)備向CPU請求某種動作時(shí)，接口即發(fā)送中斷請求信號給CPU，申請中斷。

第七章1、外圍設(shè)備的定義和分類

除了CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每一部分都可作為一個外圍設(shè)備來看待。外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和過程控制設(shè)備幾大類。

2、磁記錄原理

計(jì)算機(jī)的外存儲器又稱磁表面存儲設(shè)備。所謂磁表面存儲，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁盤存儲器、磁帶存儲器均屬于磁表面存儲器。

磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個磁化元或存儲元，是記錄一個二進(jìn)制信息位的最小單位。

3、磁表面存儲器的讀寫原理

在磁表面存儲器中，利用一種稱為磁頭的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲元的不同剩磁狀態(tài)；通過磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號輸出。

4、磁盤的組成和分類

硬磁盤是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤片的磁表面存儲設(shè)備。

它主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤控制器、磁盤驅(qū)