计算机组成原理
计算机组成原理
- 一、计算机系统概述
- 冯诺依曼计算机体系结构
- 三个级别的语言
- (一)计算机发展历程
- (二)计算机系统层次结构
- (三)计算机性能指标
- 二、数据的表示和运算
- (一)数制与编码
- (二)定点数的表示和运算
- (三)浮点数的表示和运算
- (四)算术逻辑单元ALU
- detail
- 三、存储器层次结构
- (一)存储器的分类
- (二)存储器的层次化结构
- (三)半导体随机存取存储器
- (四)主存储器与CPU的连接
- (五)双口RAM和多模块存储器
- (六)高速缓冲存储器(Cache)
- (七)虚拟存储器
- 四、指令系统
- (一)指令格式
- (二)指令的寻址方式
- (三)CISC和RISC的基本概念
- 五、中央处理器(CPU)
- (一)CPU的功能和基本结构
- (二)指令执行过程
- (三)数据通路的功能和基本结构
- (四)控制器的功能和工作原理
- (五)指令流水线
- 六、总线
- (一)总线概述
- (二)总线仲裁
- (三)总线操作和定时
- (四)总线标准
- 七、输入输出(I/O)系统
- (一)I/O系统基本概念
- (二)外部设备
- (三)I/O接口(I/O控制器)
- (四)I/O方式
- （五） 中断
一、计算机系统概述
冯诺依曼计算机体系结构
五大功能部件
早期以处理器为中心，现在以存储器为中心
计算机的层次结构（多级抽象）
三个级别的语言
机器语言 汇编语言 高级语言
(一)计算机发展历程
(二)计算机系统层次结构
1.计算机系统的基本组成
2.计算机硬件的基本组成
3.计算机软件和硬件的关系
4.计算机的工作过程
(三)计算机性能指标
吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间； MIPS、MFLOPS 、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS。
二、数据的表示和运算
(一)数制与编码
1.进位计数制及其相互转换
2.真值和机器数
3.BCD码
4.字符与字符串
5.校验码：海明码
掌握次数海明码的算法，给定一串二进制序列能写出相对应的海明码
给定一串海明码能够对其纠错
纠错一位，俩位需要多少位校验位
(二)定点数的表示和运算
1.定点数的表示
原码 反码 补码 移码
掌握定义及其转化
溢出判断
掌握加减法
无符号数的表示；有符号整数的表示。
2.定点数的运算
定点数的位移运算；原码定点数的加减运算；补码定点数的加/减运算；
定点数的乘除运算；溢出概念和判别方法。
(三)浮点数的表示和运算
1.浮点数的表示
符号阶码尾数的含义
IEEE754标准：短 长 临时浮点数节码位数分别为8 11 15
阶码是移码 尾数是原码 一位符号位 一位隐藏位 几个特殊值
掌握加减法
溢出判断
机器零
舍入判断溢出
2.浮点数的加/减运算
(四)算术逻辑单元ALU
功能：算数和逻辑运
串行加法器，并行加法器，进位链
1.串行加法器和并行加法器
2.算术逻辑单元ALU的功能和结构
detail
C语言结构体的对齐机制
大端法和小端法
各种数据表示方法的精度（相互转换是否精度受损）
三、存储器层次结构
(一)存储器的分类
半导体存储器。磁盘，磁带……
易失性or持久性
随机存取or顺序存取
单位造价……
(二)存储器的层次化结构
cache（多级） 主存（内存） 辅存（外存）
(三)半导体随机存取存储器
1.SRAM存储器
2.DRAM存储器
3.只读存储器
4.Flash存储器
比较
(四)主存储器与CPU的连接
芯片选择：内存用ram 外存或固化程序用rom
位扩展：一个地址对应多个芯片，使存取字长成倍增加（与CPU数据线数对应）
字扩展：增加地址线数用于选片，存取字长不变
字位扩展：
(五)双口RAM和多模块存储器
双口RAM：读取不会冲突，写入可能冲突
多体RAM：实质上就是字扩展，低位交叉可以把数据均匀的存储到多个芯片。实现并行读写；高位交叉用满一个芯片才会用下一个（地址连续）
实现条件：模块数m 模块存储周期T 总线传输周期r满足，m>=T/r
(六)高速缓冲存储器(Cache)
1.Cache的基本工作原理
命中率：cache命中次数/总读写次数
访问效率：全部cache命中所需时间/实际消耗时间
2.Cach和主存之间的映射方式
直接映射 组相联映射 全映射
物理地址结构：字块标记+cache字块地址/cache组地址+快内偏移
为什么把cache字块地址/cache组地址放在较低位：局部性原理
3.Cache中主存块的替换算法
FIFO LRU……
熟记替换选择标准
4.Cache写策略
命中：写回法 全写法
未命中：写分配法 非写分配法
(七)虚拟存储器
1.虚拟存储器的基本概念
2.页式虚拟存储器
3.段式虚拟存储器
4.段页式虚拟存储器
5.TLB(快表)
四、指令系统
(一)指令格式
1.指令的基本格式
2.定长操作码指令格式
3.扩展操作码指令格式
(二)指令的寻址方式
1.有效地址的概念
2.数据寻址和指令寻址
3.常见寻址方式
立即寻址 寄存器寻址 直接寻址 （多次）间接寻址 基址寻址……
掌握寻找方式 给定指令和内存情况后 判断有效地址/实际取出的数据
(三)CISC和RISC的基本概念
性质 性能比较
五、中央处理器(CPU)
(一)CPU的功能和基本结构
运算器 控制器
各类寄存器 PC IR ACC MAR MDR ……
作用，用户可见/不可见
(二)指令执行过程
指令周期vs 机器周期
取值周期 间址周期 执行周期 终端周期
(三)数据通路的功能和基本结构
掌握不同机器周期的微操作序列
(四)控制器的功能和工作原理
1.硬布线控制器
适用RISC
2.微程序控制器
适用CISC
微程序、微指令和微命令；机枪指令 微操作 ……
掌握微操作序列的编码方式 微指令格式 微地址形成方式
(五)指令流水线
1.指令流水线的基本概念
常见四段 五段指令流水线
性能分析：执行n条指令所需时间 加速比
结构相关 数据相关机器解决方法
指令流水线的基本实现
2.超标量和动态流水线的基本概念
(六)多核处理器的基本概念
六、总线
(一)总线概述
1.总线的基本概念
2.总线的分类
3.总线的组成及性能指标
总线时钟频率 传输周期 总线带宽……
(二)总线仲裁
1.集中仲裁方式
链式查询方式 计数器定时查询方式 独立请求方式
各种方式的优缺点即所需数据线数目
2.分布仲裁方式
(三)总线操作和定时
1.同步定时方式
2.异步定时方式
全互锁 半互锁 不互锁
3.猝发传输
一个总线周期内传输多个连续地址的数据
(四)总线标准
各类总线标准：
ISA EISA AGP PCI SATA USB ……
七、输入输出(I/O)系统
(一)I/O系统基本概念
(二)外部设备
1.输入设备：
键盘 典型的中断设备
鼠标
2.输出设备：
显示器 给定刷新率 分辨率 颜色位深可以计算所需带宽
打印机
3.外存储器：
硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器
磁盘：熟悉其结构运行和寻址方式（盘面号 柱面号 扇面号等）计算寻到延迟 旋转延迟 传输延迟
(三)I/O接口(I/O控制器)
1.I/O接口的功能和基本结构
熟悉接口结构和编制方式（独立编址 统一编址）
I/O总线类型 数据线 地址线 控制线
2.I/O端口及其编址
(四)I/O方式
1.程序查询方式
2.程序中断方式
中断的基本概念；中断响应过程；
中断处理过程；多重中断和中断屏蔽的概念。
3.DMA方式
DMA控制器的组成，DMA传送过程。
4.通道方式
优缺点辨析
（五） 中断
外中断
内中断
掌握中断过程
中断隐指令
单重中断与多重中断
中断屏蔽
计算程序查询方式 程序中断方式 DMA方式下I/O过程所需时间