计算机组成原理

计算机组成原理

1.计算机系统概述

1. 计算机发展历程

2.计算机系统的组成

• 冯诺依曼体系结构：以运算器为核心

• 冯诺依曼体系结构的特点

• 现在计算机体系结构：以内存为核心

• CPU，主机，外设

3.存储器

• 主存储器由存储体，MAR，MDR组成
• 和右边的图进行类比，MAR存储CPU想要获取数据的地址，在存储体中找到后放在MDR中，CPU从MDR中把数据取走。

• 存储体是由一个个存储单元组成的

• 存储字：存储单元中二进制代码的集合

• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数

4.运算器

5. 控制器

6. 计算机的工作过程（重点）

• 程序被编译成二进制存储在主存中

工作过程

• （MAR）：表示MAR里边的值为0

• M(MAR) ：主存储器所指向的存储单元里边的值

• OP（IR）：取操作码

• Ad（IR）：取地址码

7. 计算机的层次结构

• 注意编译程序和解释程序的区别

编译程序:将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次)

解释程序将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着再翻译下一句(每次执行都要翻译)

8.计算机的性能指标

1. 存储器

2. CPU

3.系统整体的性能指标

4. 思考

2. 数据的表示和运算

1.进位计数制

• 其他进制转十进制

• 二进制<——> 八进制，十六进制 (注意：小数部分也是从右往左算)

• 十进制——>任意进制（整数部分）

• 十进制——>任意进制（小数部分）

• 十进制转二进制（拼凑法，适用于十进制数不是很大的情况）

• 真值和机器数

2.BCD码

• 概念

• 8421码

• 8421码相加

1. 可以转换成十进制相加后，再转换成8421码
2. 机算方法：不在范围内，加6。如图所示

• 其他表示方式

3. 字符与字符串

• ASCII码

• 汉字的表示和编码

• 字符串的表示形式

• 知识回顾

4.奇偶校验码

• 校验原理

• 奇偶校验码

• 硬件实现

5.海明码

• 设计思想

• 求解步骤

• 全校验

1. 海明码只能纠错一位（一个数据传错时，可以纠正）
2. 可以检错两位

6. 循环冗余校验码（CRC码）

• 基本思想

• 例题

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-c0hn3Q3Y-1677291339292)(C:\Users\86155\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220126201152982.png)]

• CRC校验码计算过程

7. 定点数的表示

• 定点数和浮点数的概念

• 无符号数

• 原码

• 反码

• 补码(高频考点)

• 移码

• 技巧

• 补码的作用（注意：执行加法运算时，符号位一起参加运算）

8.移位运算

• 原码的算数移位

• 反码的算数移位

• 补码的算数移位

• 总结

• 逻辑移位

9. 溢出判断

• 符号扩展

10.原码乘法运算

• 机器实现（视频 P18节）

11.补码乘法运算

• 机器实现

• 手算步骤

12.原码除法运算

• 机器运算过程

• 恢复余数法

• 加减交替法

13.补码除法运算

14.强制类型转换

15.数据的存储和排列

• 大小端模式

• 边界对齐

16. 浮点数的表示

• 浮点数的表示

• 尾数的规格化

17. IEEE 754 浮点数标准

• 标准

• 示例（十进制转换为浮点数）

• 示例（浮点数转换为十进制数）

• 单精度浮点数表示的最大值，最小值

• 特殊数值

18.浮点数的运算

• 和十进制的科学计数法进行类比

• 浮点数加减法（P26）

• 舍入

• 强制类型转换

19. 电路的基本原理

• 基本的逻辑运算

• 复合逻辑

3.存储系统

1. 主存简单模型和寻址概念

• 存储器芯片的基本结构

• 寻址

2.存储器RAM

• 两种RAM的比较

• DRAM的刷新

3.ROM(只读存储器)

• 为什么需要ROM？

因为RAM里面的数据容易丢失。

4.存储器基本概念

• 存储器的分类

• 性能指标

数据的宽度：在一个存储周期中存储的位数

• 层次化结构

5. 主存与CPU的连接

• CS：片选线（决定主存是否工作）这种写法是高电平有效
• WE：读写控制线
• A0~A13：地址线
• D0~D7：数据线

• 译码器

• 线选法和译码线选法的区别

6.主存与CPU的连接（例题）

• 分析

• 图解

7.双端口RAM和多模块存储器

• 双端口RAM

• 多模块存储器

• 高位交叉编址和低位交叉编址

• 流水线问题

8.局部性原理及性能分析

• 局部性原理

• 性能分析

• 例题（蓝色字体为答案）

9. Cache 地址映射

• Cache的工作原理

• 地址映射——全相连映射

• 地址映射——直接映射

• 地址映射——组相连映射

10.cache替换算法及写策略

• 替换算法

LRU侧重于近期表现，LFU侧重于全局表现

• 例题

• 命中时的写策略

1. 写回法

2. 全写法

• 未命中时的写策略

1. 写分配法

2. 非写分配法

11. 虚拟存储器

• 概念

• 页式虚拟存储器

• 段式虚拟存储器

• 段页式虚拟存储器

• 快表

4.指令系统

1.指令格式

• 指令的含义

• 指令的格式

• 地址码

• 扩展操作码举例

• 扩展操作码的规范

• 指令操作码

• 操作类型

2.指令寻址

• 数据存放

• 指令寻址

3.数据寻址1

• 操作数类型

• 地址码的构成

寻址特征：采用哪一种方式进行寻址

通过寻址特征和形式地址求出有效地址

• 立即寻址

• 直接寻址

• 间接寻址

• 寄存器寻址

• 寄存器间接寻址

• 隐含寻址

• 总结

4.数据寻址2——偏移寻址

• 基址寻址

• 变址寻址

• 相对寻址

• 相对寻址举例

• 总结

5. 数据寻址——堆栈寻址

6.CISC和RISC

• 基本含义

• 特点

5.中央处理器

1.CPU功能和基本结构

• CPU的功能

• 运算器和控制器的功能

• 运算器的基本结构

• 控制器的基本结构

• CPU的基本结构

2.指令周期的数据流

• 指令周期

• 指令周期流程

• 取指周期

• 间址周期

• 中断周期

• 指令执行方案

3. 数据通路1——CPU内部单总线通路

• 数据通路

• CPU内部单总线方式

在介绍这个之前，首先区别一下系统总线和内部总线。

内部总线是指同一部件，如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线;

系统总线是指同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类l/o接口间互相连接的总线。

• 例题

取指周期

间址周期

执行周期

4. 数据通路2——专用数据通路

• 取指周期

• 例题

第一问

第二问

第三问

第四问

第五问

第六问

5. 控制器1——硬布线

• 控制器的结构和功能

• 控制单元的输入和输出

• CPU的控制方式

6.控制器2——微程序

• 控制器的设计思路

• 微程序的基本思想

• 微程序控制器的基本结构

• 控制存储器

• 微指令的格式

• 微指令的编码方式

• 微指令的地址形成方式

前两种理解，后四种了解（不重要）

• 下地址方式例题

• 一些易混淆的概念

指令=微程序

微程序由多个微指令组成

微指令由多个微命令组成

微命令是微操作的控制信号

微操作是微命令的执行过程

7.指令流水线的概念及性能指标

• 指令流水的定义

• 流水线的表示方法

• 流水线的性能指标

1. 吞吐率

2. 加速比

3. 效率

8.影响流水线的因素及分类

• 机器周期的设置

• 影响流水线的因素

1. 结构相关

2. 数据相关

• 例题

• 数据相关的一些概念

RAW（read after write）：写后读

另外两个同上

3. 控制相关

• 总结

• 流水线的分类

• 流水新的多发技术

1. 超标量技术

2. 超流水技术

3. 超长指令字

6.总线

1.总线的概念和分类

• 总线的特点

• 总线特性

• 总线的分类

• 串行总线与并行总线

• 按总线功能

• 系统总线的结构

1. 单总线结构

2. 双总线结构

3. 三总线结构

2.性能指标

• 带宽例题

• 上节遗留问题：串行总线和并行总线哪个速度更快

• 总结

3. 总线仲裁

• 基本特点

• 集中仲裁方式（重要）

1. 链式查询方式

2. 计数器查询方式

3. 独立请求方式

• 三种方式总结

• 分布仲裁方式（了解即可）

4. 总线操作和定时

• 总线传输的四个阶段

• 同步定时方式

• 异步定时方式

• 例题（数据传输率）

• 半同步通信（扩展）

• 分离式通信（拓展）

5. 总线标准

• 基本特点

7. 输入输出系统

1. IO系统基本概念

• 演变过程

• IO系统基本组成

• IO方式简介

2. 输入输出

• 外部设备

• 显示器

3. 外存储器

• 基本概念

• 磁盘存储器

1. 磁盘设备的组成

2. 性能指标

3. 存取时间计算过程

4. 磁盘地址和磁盘的工作过程

4. IO接口

• 功能

• 基本结构

• 接口与端口

• IO端口及其编址

• IO接口的类型

5. 程序查询方式

• 程序查询方式流程图

• 接口结构

• 例题

• 总结

6. 中断系统

• 基本概念

• 分类

• 中断请求标记

• 中断判优

• 优先级设置

• 中断处理过程

• 中断隐指令

• 中断服务程序

• 单重中断和多重中断

• 中断屏蔽技术

• 中断屏蔽技术 例题（重要，需掌握）

7. 程序中断方式

• 程序中断方式过程

恢复现场即算做下一次启动

• 例题 第一问

• 例题 第二问 （重要）

CPI：执行一条指令所需要的时钟周期

8. DMA方式

• DMA 控制器

• 结构

• DMA传送方式

• DMA方式的特点

• DMA方式与中断方式对比

• CPU占用情况 中断方式

• CPU占用情况 DMA方式

• 总结