《计算机组成原理》基础概念笔记整理
文章目录
- 《计算机组成原理》复习整理
- 第一章 计算机系统概论
- 第二章 计算机的发展及应用(略)
- 第三章 系统总线
- 第四章 存储器
- 第五章 输入输出系统
- 第六章 计算机的运算方法
- 第七章 指令系统
- 第八章 CPU的结构和功能
- 第九章 控制单元的功能
- 第十章 控制单元
《计算机组成原理》复习整理
以下我将使用笔记的方式，将整本书重点整理一下，或许会有纰漏，望大家多多包涵。
第一章 计算机系统概论
- 计算机的硬件：计算机中的电子电路和物理装置；
- 计算机硬件的五大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；
- 计算机的软件：计算机运行所需的程序及相关的资料；
- 软件系统：一台计算机中的全部程序的集合；
- 计算机软件的分类（按功能划分）：应用软件和系统软件；
- 系统软件：用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能的软件；
- 应用软件：用户为解决某种应用问题而编制的程序；
指令和数据的区分：指令和数据都存储在存储器中，用不同的时间段来划分，取指周期取出的为指令，执行周期取出的为数据。还可以由地址来源划分，有PC(程序计数器)所指的存储单元取出的是指令，由IR(指令寄存器)指令地址所指存储单元取出的是操作数。
机器指令：计算机能全部识别并执行的指令；
指令系统：计算机全部指令的集合；
英文代号解释：
CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成；
PC：Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址；
IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。
CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。
ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。
ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。
MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。
X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；
MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。
MDR : Memory Data Register,存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或者要写入某存储单元的数据。
I/O:Input/Output equipment,输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换和传送；
MIPS:Million Instruction Per Second,每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。
CPI : Cycle Per Instruction,执行一条指令所需时钟的周期数，计算机运算速度指标计量单位之一；
FLOPS:Floating Point Operation Per Second,每秒浮点运算次数，计算机运算速度计量单位之一。
存储器：
MAR：地址寄存器；
MDR：数据寄存器；
运算器：
ALU：算术逻辑运算单元；
ACC：累加器；
MQ：乘商寄存器；
X：操作数寄存器；
控制寄存器：
PC：程序计数器；
IR：指令寄存器；
CU：控制单元。
第二章 计算机的发展及应用(略)
第三章 系统总线
计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种：1、各部件之间使用单独的连线，称为分散连接；2、将各部件连接到一组公共信息传输线上，称为总线连接。
由于一开始分散连接都需要经过运算器，使CPU负载过大，严重影响CPU的正常使用（工作效率），后来改为存储器为中心采用DMA和中断技术，使CPU效率得到很大的提升。随着技术的进步人们的需求的逐渐扩大，需要的I/O设备日益增多，分散连接已无法满足，由此出现总线连接的方式。
总线连接：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输物质。
下面就是介绍总线连接。
- 总线：是计算机系统中的各部件之间进行信息传输的公共通道；(即：多个部件共享传输部件)
- 总线传输特点：某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即：分时使用。
- 三态驱动缓冲电路(总线部件大多配有，意义：减轻总线上的负载)：该电路的输出状态分为，高电平、低电平、高阻。
- 总线按照传送信息分类：数据总线、地址总线、控制总线(用来发出各种控制信息的传输线注：单向传输)；
- 总线的控制方法：1、总线控制逻辑基本集中在一起，称为集中式；2、总线控制逻辑分散在总线上各个部件的，称为分散式。
- 系统总线的集中控制优先权仲裁的三种方式(总线判优控制：为解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题);
1、链式查询；(连接简单，易于扩充，对电路最敏感。)
注：BS(总线忙)1条、BR(总线请求)1条、BG(总线响应)1条
2、计数器查询；(优先级设置比较灵活，对故障不敏感，连线及控制部分过程比较复杂。)
注：计数器总线log2 N条、BR(总线请求)1条、BG(总线忙)1条
3、独立请求；(请求方式速度最快，但硬件用量大，连线多，故成本高。)
注：BS(总线忙)1条、BR(总线请求)N条、BG(总线响应)N条
- RS-232串行传送的一帧为：1位起始位、5-8位数据位、0-1位校验位、1-2位终止位。起始位位低电平有效，终止位为高电平有效。
- 信息传送的方式有：串行传送、并行传送、并串行传送、分时传送；
- 常用的微机总线有：ISA总线、EISA总线、MCA总线、PCI总线。
- 总线宽度：指数据总线的根数，用bit做单位；
- 总线带宽：指总线在单位时间内可以传输的数据总量，相当于总线的数据传输率，等于总线工作频率与总线宽度(转换为字节)的乘积； （通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用：MBps(兆字节每秒)）
- 总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。（也就是说两种不同性质且不同时出现的信号分时使用同一组总线）
- 总线的主设备：指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备；
- 总线的从设备：指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备，它只能被动接受主设备发来的命令；
- 总线的传输周期： 指总线完成一次完整可靠的传输所需要的时间；
- 总线的通信控制：指总线传送过程中双方的时间配合方式。
- 同步通信和异步通信的区别；
同步通信，由统一的时钟控制，控制方式简单，灵活性差，当系统中的各部件工作速度差异大的时候，总线工作效率明显下降，适用于差别不大的场合；异步通信，指没有统一时钟控制的通信，部件之间采用应答方式进行联系，控制方式较同步方式，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异大的时候，有利于提高总线工作效率。
- 半同步通信。
半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点：半同步通信既能像同步通信那样有统一时钟控制,又能像异步通信那样允许传输时间不一致，一次工作效率也介于两者之间。
- 设置总线标准设置的原因：总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；
- plug and play:即插即用。EISA/PCI等具有此功能。
若想要提高总线的数据传输率，可提高总线的时钟频率，或减少总线周期中的时钟个数，或增加总线宽度。
注意：比特率和波特率的运算。
波特率是全部传送的信息，而比特率是有价值的数据位信息。
第四章 存储器
- 存储单元：由若干个存储位组成 的一个存储字节或存储字；
- 存储容量：存储器中存储二进制代码的总位数；
- 存储器的分类
按照存储介质划分：1、半导体存储器；2、磁表面存储器；3、磁芯存储器；4、光盘存储器；
按照存取方式划分：1、随机存储器；2、只读存储器；3、串行访问存储器；
按照在计算机中的作用分类：就是常见的主存储器、辅助存储器、缓存存储器。
主存储器：随机存储器RAM(静态RAM和动态RAM)、只读存储器ROM(MROM/PROM/EPROM/EEPROM)；
辅存：磁盘、磁带、光盘。
缓存（Cache）.
- 存储器的层次结构：寄存器、缓存、主存、磁盘、磁带。
存储器层级结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个存储上。
- 主存储器相关算法。
存储容量=存储单元个数存储字长
存储容量(字节)=存储单元个数存储字长/8
存储周期=存储时间+恢复时间
- RAM动态刷新：集中刷新、分散刷新、异步刷新；
- 随机存取存储器分为：静态RAM和动态RAM;
- 静态RAM电路：1、静态RAM基本单元电路；2、静态RAM芯片；3、静态RAM读/写时序。
- 动态RAM电路：1、动态RAM的基本单元电路；2、动态RAM芯片；3、动态RAM时序；4、动态RAM的刷新
- 动态RAM时序：1、读时序；2、写时序；
- 动态RAM与静态RAM的比较
动态RAM的优势：
1、在同样大小的芯片中，，动态RAM的集成度远远高于静态RAM的集成度；
2、动态RAM减少了芯片的引脚，封装尺寸也相应的减少；
3、动态RAM的功耗比静态RAM要小；
4、动态RAM的价格比静态RAM的价格便宜；
动态RAM的缺点：
1、动态原件（电容），比静态RAM低；
2、动态RAM需要再生，故需配置再生电路，也需要消耗一部分的功率。
- 随机存储器：可随机存取任一单元，存取时间基本固定，与存储单元地主无关的存储器；
- 只读存储器(ROM)：存储器中的内容一旦写入就不能改变，只能读出的存储器；
- EPROM：紫外线擦除、电写入的只读存储器；
- EEPROM：电擦除、电写入的只读存储器；
- 组成主存时使用ROM和RAM；(ROM和RAM的区别)
RAM是随机存储内存；ROM是只读内存。
- 使用存储芯片组成存储器时，有3中方法：位扩展法、字扩展法、字位扩展法（既增加存储字的数量、又增加存储字长）
- 程序访问的局限性是使用高速缓存Cache的依据；
- Cache：为解决CPU与主存速度差距较大的问题，在CPU与主存之间插入的速度高、位价高、容量小的存储器。
- 采用Cache的目的：提高CPU访问主存的速度，不能扩大主存的容量；
- Cache访问的命中：要访问的内存单元在Cache中，Cache的全部功能由硬件实现；
- Cache的地址映射方法：直接、全相连、组相连；
- Cache的替换算法：FIFO（先进先出）算法；LRU（近期最少使用）算法 、随机法；
- Cache的写策略：写回发、写直达法。（写直达法的一致性更好）；
- 统一缓存：指令和数据都放在同一个缓存内的高速缓冲存储器；
- 分立缓存：指令和数据放在独立的两个高速缓冲存储器中；
- 三级存储系统：Cache、主存和辅存；
- 一个存储单元有许多单个存储二进制位的存储元构成，存储字长：一个存储单元存储的二进制位个数；一个存储单元可包含1或者多个字节；
- 磁盘存储器的平均存取时间是平均找道时间加上平均等待时间；
- CPU只能直接访问主存而不能直接访问外存。
有人疑惑主存、外存的区别简单给个地址去了解下：
https://blog.csdn.net/not_repeat/article/details/51570681
- 光盘不能采用随机存储方式来访问；
第五章 输入输出系统
- I/O接口：主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及相应的软件控制；
- 输入设备：把现实的信息形式变换为计算机能接受并识别信息形式的设备；
- 输出设备：将计算机处理过的二进制代码信息，转换为人们能识别信息形式的设备；
- I/O端口的统一编制方式：将I/O端口地址看作是内存单元地址的一部分。特点：I/O地址占用了存储空间，减少了主存的容量，访问I/O使用访问主存的专用指令；
- I/O端口的不统一（即独立）编制方式：I/O端口地址与内存单元的地址是分开的，有各自独立的存储空间。特点：不影响主存容量，访问I/O时使用专用指令；
- I/O的控制方式有：程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式(DMA);
- I/O设备与主机采用程序查询方式交换信息，CPU与设备处于串行工作状态；程序中断方式，CPU与设备并行工作；
- 中断：计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊情况时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常或特殊请求的处理，处理结束后，再返回到现行程序的间断处继续执行源程序，这个过程就叫做中断；
- 中断识别的方法有：程序查询法、硬件查询法、独立请求法；
- I/O设备的中断传输方式可以做到实时响应，但大批量传输数据时，中断次数过于频繁，效率受到影响；
- DMAC与CPU同时访问主存所引起主存使用权冲突的处理方法有：停止CPU使用主存法、DMAC与CPU交替使用主存法、周期挪用发；
- 在采用DMA方式的I/O系统中，其基本思想主要是主存与外存设备之间建立直接的数据通道；
第六章 计算机的运算方法
- 浮点数的位数采用补码的时候，其符号位与第一数位不同的为规格化数；
- 两补码相加，采用一位符号位，若最高位进位或次高位进位异或结果为1的时候，表示结果溢出。采用双符号位，则结果的双符号位不同时，表示结果溢出；
- 浮点数由阶码和尾数组成，阶码一般用补码、移码表示，尾数一般用原码、补码表示；
- 规格化补码的规定：
IEEE754的阶码为8为的移码，尾数为原码；
- 机器字长：CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关；
- 机器字长直接影响加法器位数、数据总线宽度和存储字长，一般加法器位数、数据总线宽度和存储字长与机器字长一致；
- 74LS181是片内先行进位的4位ALU电路，其4位进位是同时产生的。多片74LS181级连，进行组内并行、组间串行；即组内先行进位，组间串行进位。与74LS182配合，进位是组内并行，组间并行；即组内先行进位，组间先行进位；
第七章 指令系统
- 指令一般由两个字段构成：1、操作码字段；2、地址码字段；
- 指令的操作码：每条指令中用于表示其操作性质的代码；
- 操作码的长度：即二进制位数，有固定长度（定长）和可变长度（变长）两种，但一般都是字节的整数倍；
- 指令中的地址码：表示操作数地址的代码；
- 寻址方式：寻找指令所需数据地址的方式和寻找下一条指令地址的方式；
- 寻址方式有两种：指令寻址和数据寻址；
- 有4、3、2、1、0地址指令，执行时各需要访问存储器4、4、3、2、1次；
- 一般情况下，各地址码长度相同，固定长度的操作码的位数有指令的条数决定；
- 指令的寻址方式有顺序和跳跃两种方式、采用跳跃寻址方式，可以实现程序的条件转移和无条件转移；
- 操作数寻址方式就是形成操作数有效地址的方法；
- 常用的操作数寻址方式有：立即寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、变址寻址和堆栈寻址等。各寻址方式的含义及应用；
- 存储器堆栈中，需要一个堆栈指示器，它是CPU中的一个专用寄存器，他指定的主存单元就是堆栈的栈顶；
- 相对寻址的基址是程序计数器的PC值；
- 除立即寻址和寄存器寻址外，其他寻址方式中，操作数都是存放在主存单元中。操作数的有效地址的计算；
- CISC：复杂指令系统计算机；
- RISC：精简指令系统计算机；
- RISC的目标是减少指令数；
第八章 CPU的结构和功能
- PC：程序计数器，涌来存放现行指令的地址，通常具有计数功能，当遇到转移指令是，PC的值可被修改；
- IR：指令寄存器，存放当前要执行的指令；
- MDR ：存储器数据寄存器，功能是存放CPU与存储器要交换的数据；
- MAR ：存储器地址寄存器，功能是存放CPU要访问的存储器的地址；
- 指令周期一般有3部分组成：取指周期、译码周期和执行周期；
- CPU是按照指令（和译码）、执行指令周而复始运行的；
- 中断源：引起中断的各个因素；
- 中断优先级：多个终端同时发生时，对各个中断源响应的先后次序；
- 中断分为内部中断和外部中断、可屏蔽中断和非可屏蔽中断、软中断和硬中断；
- 中断嵌套：高优先级的中断打断优先级的中断服务；
- 中断的处理过程是：中断响应、识别中断源、保护现场、中断服务、恢复现场、中断返回；
- 中断类型号是通过数据总线传送的。中断向量地址是中断服务程序入口地址的指示器；
- 保护现场包括：保护程序断电和保护CPU内部个寄存器的内容；
- 寻找中断服务程序入口地址有两种方法：硬件向量法和软件查询法；
- CPU内部的允许中断触发器，其状态受软件的控制，1允许0禁止；
第九章 控制单元的功能
- 取指周期的操作：
T0:PC->MAR,1->R.
T1:M(MAR)->MDR,PC+1->PC.
T2:MDR->IR,OP(IR)->ID
- 间址操作：
T0:Ad(IR)->MAR,1->R
T1:M(MAR)->MDR
T2:MDR->Ad(IR)
- 执行周期的操作：完成由指令操作规定的动作，包括传送结果及记录状态信息；
- 指令周期一般有4部分组成：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期；
- 指令周期：CPU从内存取出一条指令并执行该指令的时间称为指令周期，它常用若干个机器周期来表示；
第十章 控制单元
- 通常控制器的设计分为组合逻辑设计和微程序设计两大类，相对应的控制器结构就有布线逻辑式和存储逻辑式；
- 组合逻辑控制器：以使用最少原件和取得最高操作速度为设计目标，用产生专门固定时序控制信号的组合逻辑电路设计的控制器；
- 微程序控制器：用存储逻辑替代组合逻辑，用类似程序设计的方法设计的控制器；
- 微命令：打开或关闭控制之门的控制命令；
- 微操作：由微命令控制的打开或者关闭控制门的操作；
- 微指令：若干微命令的组合，能产生一组控制信号，控制执行相应一组微操作的指令。
- 微周期：取出并执行一条微指令所需的时间；
- 控制存储器：用于存放全部的指令的所有微程序的存储器。微程序存放在控制器存储器中；
- 微命令的组合与编码方式有4种：直接译码方式、字段直接编码方式、字段间接编码方式、混合编码方式；
- 字段直接编码方式中一个字段在任一时刻最多能同时提供1个微命令；
- 微指令的格式有：水平型、垂直型；
- 微指令寄存器：存放由控制存储器独处的一条微指令信息的寄存器；
- 微指令的执行方式有：顺序执行的方式、重叠执行的方式；
- 在微程序控制器中，一条机器指令对应一个微程序，N跳机器指令对应N+3个微程序。
http://www.doc88.com/p-4631548297268.html
https://wenku.baidu.com/view/ebc073d384254b35eefd34d5.html