計算機組成原理復習筆記

計算機組成原理復習筆記前件知識：基本電路知識與、或、非、異或、與非、或非等如下表所示：真值表與或非（A）異或與非或非AB只0就為0只1就為1取反相異為1只0就為1只1就為000001011010111101001011011110000第一章計算機系統(tǒng)概論1．計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成：計算機組成原理由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。根據(jù)馮諾.依曼的存儲程序控制原理由五大部件組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。軟件系統(tǒng)：系統(tǒng)軟件、應用軟件計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)中央處理器（CPU）外設：輸入、輸出設備、外存儲器等主機內存儲器：DDR2，DDR3運算器控制器寄存器系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序編譯工具通用軟件特制軟件摩爾定律：記住價格與時間成反比。2．計算機系統(tǒng)性能指標字長（處理機字長）是指計算機處理器一次能夠完成的二進制位數(shù)（16，32，64）。MIPS是指計算機處理器每秒執(zhí)行百萬條指令。3．計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構分為五級以下圖所示：第4級第3級第2級第1級第5級第4級第3級第2級第1級第5級第二章運算方法和運算器1.原碼、反碼、補碼、移碼的計算方法性質原碼反碼補碼移碼正數(shù)原碼反碼補碼一樣移碼主要用于表示浮點數(shù)中的階碼負數(shù)連同符號位一起使用二進制表示除符號位以外其余位取反（0變1，1變0）除符號位外其余位取反加1（性質等于在反碼基礎之上加1）零[+0]原=00…00[-0]原=10…00[+0]反=00…00[-0]反=11…11[+0]補=[-0]補=00…00補碼的真值公式：將所有位上的數(shù)按基數(shù)2n-1（n為數(shù)所在的位置）相乘后求出和，這個和的結果就是補碼的真值。計算某個數(shù)大于或小于某個值得條件。例：[X]補=（01101）2,[Y]補=（11101）2。則X與Y的十進制數(shù)是多少。X=-0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+1=（+13）10Y=-1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=-8+4+1=（-1）102．原碼、反碼、補碼、移碼的表示范圍（n位二進制位數(shù)）碼制定點整數(shù)定點小數(shù)范圍舉例（n=8）范圍原碼-（2n-1-1）~+（2n-1-1）-127~+127-（1-2-(n-1)）~+（1-2-(n-1)）反碼-（2n-1-1）~+（2n-1-1）-127~+127-（1-2-(n-1)）~+（1-2-(n-1)）補碼-2n-1~+（2n-1-1）-128~+127-1~+（1-2-(n-1)）移碼-2n-1~+（2n-1-1）-128~+127-1~+（1-2-(n-1)）浮點數(shù)的表示范圍就省略了。3．BCD和ASCLL碼BCD：俗稱8421碼。使用4位二進數(shù)才表現(xiàn)一位十進制數(shù)。（4位）ASCLL碼：用于表示字符。（用一個字節(jié)八位來表示，只使用了七位。最前后一位始終為0）.記住特殊的字符的ASCLL碼值：字符十進制數(shù)ASCLL碼補充說明A651000001大小到小寫+32.小寫到大小-32.要求字符在這三個上面推即可獲得。a97110000104801100004．校驗碼：奇偶校驗奇偶校驗（含校驗碼的個數(shù)）110101數(shù) 奇校驗奇數(shù)個11101011 偶校驗偶數(shù)個11101010奇偶校驗提供奇數(shù)個錯誤檢測，無法檢測偶數(shù)個錯誤，更無法識別錯誤信息的位置。5．變形補碼與溢出判斷溢出方法：（1）雙符號位兩個符號位異號，用異或門實現(xiàn)變形補碼是判斷溢出的一種檢測方法。采用變形補碼后，任何正數(shù)，兩個符號位都是“0”，任何負數(shù)，兩個符號后都是“1”。如果兩個數(shù)相加后，在符號位中出現(xiàn)了“10”或“01”則說明溢出。參考下表判斷是否溢出。（2）單符號位最高位的進位和符號位進位異號。結果溢出判斷依據(jù)下表所示：符號位結果00正數(shù)01正溢出10負溢出11負數(shù)6．運算器（1）運算器是中央處理器的組成部分。主要功能是完成計算機的算術運算與邏輯運算。運算器的組成部件有：算術邏輯運算單元（ALU）、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、通用寄存器、多路轉換器和數(shù)據(jù)總線等邏輯構件。（2）提高運算器高速性采用的措施：先行進位陣列乘除法流水線（3）74181ALU（算術邏輯運算單元）:4位算術邏輯運算單元，支持16種邏輯運算、16種算術運算組內先行進位（4）74182CLA（先行進位發(fā)生器）先行進位部件，可以實現(xiàn)多組74181ALU的組間先行進位組合形式（5）ALU的設計：片內先行進位，片間串行進位。16位ALU和32位ALU的設計。（6）編址：字節(jié)編址與字編址字節(jié)編址：某計算機內存按字節(jié)編址，內存地址區(qū)域從44000H到6BFFFH，共有___(11)___K字節(jié)。若采用16K×4bit的SRAM芯片，構成該內存區(qū)域共需___(12)___片。算法為6BFFFH-44000H+1H=28000H=163840/1024=160K(1+F=16逢十六進一,所以6BFFFH+1H=6C000H)內存按字節(jié)編址,這163839應該是Byte。內存160K，8bit,采用16K×4bit的SRAM芯片，需要160/16×8/4=20片字編址：給出容量、字長，計算尋址范圍 例：字長32位，存儲容量64KB，尋址范圍64KB/32=64K*8/32=16K按字編址的尋址范圍是：0~64M。也即0000000~3FFFFFFH計算步驟：256M字節(jié)=256*1024*1024*8位，按計算機按32位字長單字編址。則單字的位數(shù)為32位，范圍為（256*1024*1024*8位）/32位=64M。此外若計算機按32位字長半字編址。則半字的位數(shù)為16位，范圍為（256*1024*1024*8位）/16位=128M計算機按32位字長雙字編址。則雙字的位數(shù)為64位，范圍為（256*1024*1024*8位）/64位=32M第三章多層次的存儲器1．存儲器的層次因為對容量大、速度快、成本低要要求，在一個存儲器中要求同時兼顧這三方法是不容易的。多級存儲器體系結構，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器、外存儲器，來解決這個矛盾。CPU可以直接訪問內存儲器（主存儲器和cache），而不能直接訪問外存儲器（磁盤和光盤）。2．外存和內存比較存儲器容量速度價格內存儲器小快高外存儲器大慢低3．半導體隨機讀寫存儲器半導體隨機讀寫存儲器分為靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）和動態(tài)隨機存儲器（DRAM）的。存儲器用處刷新行列地址復用SRAMcache不需要不是DRAM內存需要是4．DRAM的兩種刷新方式DRAM刷新方式：集中式刷新、分散式刷新；集中式刷新：每隔一段時間連接刷新所有行。分散式刷新：每隔一段時間刷新一行。5．主存的性能指標存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬。存儲容量：存儲器中可以存放內容的存儲單元總數(shù)。存取時間：一次讀/寫的時間。存儲周期：存儲器進行連續(xù)讀和寫操作所允許的最短時間間隔。存儲器帶寬：單位時間內存取的信息量（b/s,B/s做量度）。存取時間、存儲周期、存儲器帶寬三個概念反映了主存的速度指標。6．存儲器擴展存儲器容量的擴充主要有字長位數(shù)擴展和字存儲容量擴展。（1）字長位數(shù)擴展 d=設計要求的存儲器容量/已知芯片存儲容量例：利用1MX4位的SRAM芯片，設計一個存儲容量為1MX8位的SRAM存放器。d=(1MX8)/(1MX4)=2(片)（2）字存儲容量擴展例：利用1MX8位的DRAM芯片，設計2MX8位的DRAM存儲器。d=(2MX8)/(1MX8)=2(片)7.地址線與數(shù)據(jù)線一個512K×16的存儲器，其地址線和數(shù)據(jù)線的條數(shù)地址線：512K=512*1024=29*210=219，所以地址線為19。數(shù)據(jù)線：16就是數(shù)據(jù)線。8．只讀存儲器和閃速存儲器只讀存儲器（ROM）：掩模ROM，可編程ROM（EPROM和E2PROM）；閃速存儲器：Flash存儲器。EPROM：光擦可編程的只讀存儲器E2PROM：電擦可編程的只讀存儲器9．提高存儲器訪問速度的方法：雙端口存儲:兩套相互獨立的讀寫電路交叉存儲：同時讀寫，順序傳送（流水）Cache：解決CPU和主存之間的速度匹配問題10．地址映射和替換算法知識點名稱解釋主存與Cache地址映射全相聯(lián)映射主存中的一塊的地址（塊號）和塊的內容（字）一起放在cache的行中，塊地址存在cache行的標記部分中。直接映射一種多對一的映射關系，但一個主存塊只能復制到cache中一個特定位置。組相聯(lián)映射前兩種折衷方案。Cache中替換算法（策略）最不經(jīng)常使用（LFU）把一段時間內訪問次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。近期最不經(jīng)常使用（LRU）近期長久未被訪問的行換出。隨機替換從特定位置隨機選取一行換出即可。11．虛擬存儲器采用虛擬存儲器的主要目的是擴大存儲器空間，并能進行自動管理。常用的虛擬存儲器系統(tǒng)由哪兩級存儲器組成？主存——輔存第四章指令系統(tǒng)1．指令計算機程序：由一系統(tǒng)機器指令組成。機器指令：被稱為指令，由操作碼字段（操作性質）與地址碼字段（操作數(shù)，地址，結果等）組成。介于微指令與宏指令之間。每一條指令可以完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。從操作數(shù)的物理位置來說，可將指令歸結為三種類型：寄存器—寄存器型（RR）、寄存器—存儲器型（RS）、存儲器—存儲器型（SS）2．指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)類別特點精簡指令系統(tǒng)（RISC）選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少；指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少；只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行。復雜指令系統(tǒng)（CISC）指令多，尋址方式多等。3．計算機尋址方式尋址方式種類解釋隱含尋址指令中隱含著操作數(shù)的地址立即尋址指令中直接給出操作數(shù)直接尋址指令中給出操作數(shù)在內存中的存儲地址間接尋址指令中給出操作數(shù)地址在內存中的地址寄存器尋址指令中給出操作數(shù)在寄存器的地址。寄存器間接尋址操作數(shù)地址在通用寄存器中，操作數(shù)在通用寄存器指定的內存地址中偏移尋址直接與寄存器尋址方式結合：相對尋址，基址尋址，變址尋址。段尋址微機中采用這種尋址方式堆棧尋址寄存器堆棧和存儲器堆棧4．程序控制類指令的功能是？答：程序控制指令用于程序執(zhí)行流程的控制。程序控制指令又稱轉移指令，主要是改變程序執(zhí)行的順序。5．匯編語言特性：硬件相關、編制難度大、執(zhí)行速度快。第5章中央處理器1．中央處理器中央處理器（CPU）的作用：指令控制，操作控制，數(shù)據(jù)加工。由運算器、控制器和寄存器組構成。CPU中的主要寄存器有：程序計數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、地址寄存器（AR）、緩沖寄存器（DR），通用寄存器（R0~R3）、。狀態(tài)條件寄存器（PSW）。2．操作控制器名稱：操作控件器作用根據(jù)指令操作碼和時序信號產生各種操作控制信號分類硬布線控制器原理公式控制信號是指令操作碼譯碼器輸出Im、時序信號（節(jié)拍電位Mi,節(jié)拍脈沖Tk）和狀態(tài)條件信號Bj的邏輯函數(shù)。C=f(Im,Mi,Tk,Bj);微程序控制器原理：主要由控制存儲器、微指令寄存器和地址轉移邏輯三大部分組成，其中微指令寄存器分為微地址寄存器和微指令寄存器兩部。原理圖如下圖所示：OPOP地址轉移邏輯微地址寄存器P字段控制字段控制存儲器地址譯碼碼頭指令寄存器IR狀態(tài)條件微命令信號微命令寄存器……微程序控制器組成原理框圖3.指令周期指令周期是指CPU從主存取出一條指令加上執(zhí)行這條指令的時間。4．水平型微指令與垂直型微指令比較比較水平性微指令一次可完成多個微操作，垂直型一次只能完成1到2個微操作。水平型微指令并行操作能力強，效率高，靈活性強，垂直型指令則較差。水平型微指令執(zhí)行一條指令的時間短，垂直型微指令執(zhí)行時間長。由水平型微指令解釋指令的微程序，有微指令字較長而微程序短的特點。垂直型微指令則相反，微指令字較短而微程序長。水平型微指令用戶難以掌握，而垂直型微指令與指令比較相似，相對來說，比較容易掌握。5．并行處理技術并行性：并發(fā)性是指兩個以上的事件在同一時間間隔內發(fā)生。一個m段流水線處理器提高的效率 計算：第一條指令m，其他指令1，若有n條指令則m+(n-1)，效率mn/[m+n-1]若n很大，則mn/[m+n-1]約等于mn/n，即m第六章總線系統(tǒng)1．系統(tǒng)總線總線是構成計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構，是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳遞的公共通路。總路線分類解釋內部總線CPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線系統(tǒng)總路線CPU同其他高速功能部件之間連接的總線分類名稱功能數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)控制總線提供主存、I/O接口設備的控制信號和響應信號及時序信號地址總線指定主存和I/O設備接口電路的地址I/O總路線I/O設備之間互連的總線2．總線仲裁方式按仲裁電路位置分解釋集中式仲裁每個功能模塊有兩條線連到總線控制器：一條送往仲裁器的總線請求信號線BR，一條是仲裁器送出的總線授權信號線BG。分類說明鏈式查詢方式解釋在查詢鏈中離總線最近的設備具有最高優(yōu)先級，離總線仲裁器越遠，優(yōu)先級低。優(yōu)點用很少線就可以實現(xiàn)總線仲裁，易擴充設備。缺點低優(yōu)先級設備難得到響應，對電路故障最敏感。計數(shù)器定時查詢方式解釋計數(shù)器來實現(xiàn)優(yōu)先級的序列變更。優(yōu)點可改變優(yōu)先次序。缺點靈活性是以增加線數(shù)為代價的，若從零開始，低優(yōu)先級設備難得到響應。獨立請求方式解釋根據(jù)排隊電路，它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定設備請求的響應。優(yōu)點響應時間最快，即確定響應設備時所花費時間少。對優(yōu)先次序的控制相當靈活。缺點分散（分布）式仲裁分布式仲裁不需要集中的總路線仲裁器，每個潛在的主能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。需要將自己的仲裁號與共享的仲裁號進行比較，大于時仲裁號將被收回。最后，獲勝者的仲裁號留在仲裁總線上。3．單總線系統(tǒng)從信息流的傳送效率來看，單總線系統(tǒng)工作效率最低。4．同步通信比異步通信具有較高的傳輸頻率的原因原因：用一個公共的時鐘信號（統(tǒng)一時序信號）進行同步第七章外存與I/O設備1．磁盤存儲器技術指標解釋存儲密度存儲密碼分為道密度、位密度、面密度。存儲容量可以存儲的字節(jié)總數(shù)。平均存取時間根據(jù)讀寫指令，磁頭從一個位置轉移到新的記錄位置，至開始讀或寫數(shù)據(jù)所需要的時間。組成：尋道時間，等待時間，數(shù)據(jù)傳輸時間。平均等時間等于轉一圈時間的一半數(shù)據(jù)傳輸率在單位時間內向主機傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)2．磁盤驅動器向盤片磁層記錄數(shù)據(jù)時，采用的寫入方式是串行的還是并行的？答采用的是并行。第八章輸入輸出系統(tǒng)1．I/O控制方式I/O控制方式解釋實現(xiàn)方式說明程序查詢方式程序實現(xiàn)是一種最簡單的輸入輸出方式，數(shù)據(jù)傳輸靠計算機程序控件。程序中斷方式由外設主動來通知CPU，當中斷來時，CPU停止現(xiàn)行程序，轉向中斷處理程序。外設有中斷優(yōu)先級別。說明的問題：盡管中斷請求隨機，只有在公操作時才處理中斷請求直接內存訪問（DMA）方式硬件實現(xiàn)是一種全完由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。既考慮到中斷響應，又節(jié)約中斷開銷。通道方式磁盤驅動器向盤片磁層記錄數(shù)據(jù)時，采用的寫入方式是串行的還是并行的？2．DMA控制器與CPU分時使用內存時，通常采用那幾種方法？答：停止CPU訪問、周期挪用、DMA和CPU交替訪存。采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時，每傳送一個數(shù)據(jù)要占用一個存儲周期的時間。計算題：1、負整數(shù)原碼表示，反碼表示，補碼表示和移碼表示（用8位二進制表示，并設最高位為符號位，真值為7位）。例如：-12解題思路：原碼：先將十進制數(shù)換算成二進制表示。將其使用八位二進制進行表示，并將最高位設置為符號位，如正數(shù)是0表示，負數(shù)為1。這樣表示出來的是原碼。反碼：正數(shù)的反碼為原碼。負數(shù)為原碼除符號以外其余位取反（原來為1的，反碼中則為0，否則為1）。補碼：正數(shù)的補碼為原碼。負數(shù)為反碼+1。注意溢出的判斷（參考上面的解釋）。移碼：正數(shù)與負數(shù)的移碼都為補碼符號位取反之后表示。根據(jù)上述求解過程得出：[-12]原反補移=01110100;2、已知X=(1100)2,Y=(-1101)2,用變形補碼計算X+Y、X-Y，并指出是否溢出。解題思路：先把X，Y原碼，補碼求出。并在在補碼中使用兩來來表示符號位進位情況。使用兩個數(shù)進行相加結果兩位符號進位中出現(xiàn)”01”和”10”則出現(xiàn)溢出情況。01為正溢，10為負溢。減法中，可以把減數(shù)當成負數(shù)進行計算，則X-Y=X+（-Y）。根據(jù)上述計算規(guī)則，結果：[X]原=[X]補=001100；[Y]原=11101；[Y]補=110010；[-Y]補=001101；X+Y=[X]補+[Y]補。 [X]補 001100+[Y]補110010---------------------------------[X+Y]補 111110兩個符號位出現(xiàn)了“11”，沒有溢出。X-Y=[X]補+[-Y]補。 [X]補 001100+[-Y]補001101---------------------------------[X+Y]補 011001兩個符號位出現(xiàn)了“01”，表示正溢出。3、用原碼陣列乘法器計算X×Y，X為0011，Y為-1101。解題思路：先求出[X]原、[Y]原。再求出|X|和|Y|。|X|X|Y|。[X]原=0011；[Y]=11101，[Y]原=11101；|X|=11；|Y|=1101；|Y|X|X|=1101X11------------------------ 1101 1101-------------------------100111固[XXY]原=1100111.簡答題：1．一個定點補碼整數(shù)[N]補=XnXn-1……X0,寫出補碼的真值公式。解：[N]補的真值：-Xn*2n-1+Xn-1*2n-2+….+X0*2n-n；例：[X]補=011101;[Y]補=111101；求其補碼真值；[X]補補碼值為0*25+1*24+1*23+1*22+0*21+1*20=0+16+8+4+0+1=29[Y]補補碼值為-1*25++1*24+1*23+1*22+0*21+1*20=-32+16+8+4+0+1=-32.利用定點小數(shù)的補碼真值公式，解決問題，例P62的第2題例P62的第2題:設[x]補=a7.a6a5….a0,其中ai取0或1，若要x>-0.5,求a0,a1,a2,…,a6的取值。當a7=0時，無論a6~0取什么值,[x]補的真值都>-0.5;當a7=1時，a6=1，a5~0之間至少有一個不為0.則[x]補的真值會>-0.5;例：[x]補=1.1110000，其真值為；[x]補=-1*20+1*2-1+1*2-2+1*-3+0*2-4+0*2-5+0*2-6+1*2-7=-1+0.5+0.25+0.125+0+0+0+0=-0.125;3.指令和數(shù)據(jù)均存放在內存中，計算機如何從時間和空間上區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？從時間上講，取指令事件發(fā)生在“取指周期”；取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在“執(zhí)行周期”。從空間上講，從內存讀出的指令流向控制器（指令寄存器）；從內存讀出數(shù)據(jù)流流向運算器（通用寄存器）。4.提高存儲器速度可采用哪些措施，請說出至少五種措施。①采用高速器件②采用cache（高速緩沖存儲器）③采用多體交叉存儲器④采用雙端口存儲器⑤加長存儲器的字長5.請說明指令周期、機器周期、時鐘周期之間的關系。指令周期是指取出并執(zhí)行一條指令的時間，指令周期常常用若干個CPU周期數(shù)來表示，CPU周期也稱為機器周期，而一個CPU周期又包含若干個時鐘周期（也稱為節(jié)拍脈沖或T周期）。6.RISC指令系統(tǒng)的三個重要特點是什么？（1）選取使用頻率最高的一些簡單指令，以及很有用但不復雜的指令。（2）指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。（3）只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行。應用題應用題1、8K*8位EPROM芯片組成16K*16位的只讀存儲器，試問：（1）數(shù)據(jù)寄存器多少位？16（2）地址寄存器多少位？14（3）共需要多少個EPROM芯片？16K*16/（8K*8）=4（4）畫出此存儲器與CPU的連接圖。A13CPUA13CPUA12-A0A12-A08K×8K×88K×88K×8K×88K×8D7-D0D7-D0D15-D8D15-D0D15-D0解題過程：（下同）數(shù)據(jù)寄存器位數(shù)就是就是擴充后的數(shù)據(jù)位數(shù)即16K*16位中的后一個16。即16K=214中14。D=設計要求的存儲器容量/已知芯片存儲容量圖如上所示。8K*8位EPROM芯片組成32K*16位的只讀存儲器，試問？（1）數(shù)據(jù)寄存器多少位？16（2）地址寄存器多少位？15（3）