计算机组成原理复习提纲简版Word格式文档下载.docx

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4.是现代计算机的鼻祖。

摩尔定律：

在相等面积（制作成本）上，CPU上的晶体管数量以每18个月（或到24个月）倍增,速度倍增，价格减半（每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加）。

计算机的性能指标

吞吐量：

表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。

响应时间：

从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。

利用率：

在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。

处理机字长（机器字长）

处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；

与CPU的寄存器位数有关。

字长越长，数的表示范围越大，精度越高，数据处理的速度也越快。

机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样）。

总线宽度

一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。

主存储器容量

主存储器所能存储二进制数据的位数。

单位：

字节1字节（B）=8位

换算关系：

1K=2101M=2201G=2301T=240

主存储器带宽

单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，用字节数/秒表示。

主频/时钟周期

CPU主时钟的频率——主频；

其倒数为CPU的时钟周期（T周期）。

CPU的运算速度

CPU执行时间：

CPU执行一段程序所占用的CPU时间；

CPI：

执行一条指令所需的平均时钟周期数；

MIPS：

每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；

针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）

MFLOPS：

每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。

针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）

其他的性能指标：

主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……

计算机的发展

1.巨型化

2.微型化

3.多媒体化

4.网络化

5.智能化

冯•诺依曼（VonNeumann）体系结构

1946年由美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出

计算机的体系结构发生了许多变化，但二进制、程序存储和程序控制机制，依然是普遍遵循的原则。

1.采用二进制表示数据和指令。

2.指令由操作码和地址码组成。

3.采用存储程序并按地址顺序执行的机制，即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定任务，是冯·

诺依曼机的核心设计思想。

4.计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，以运算器为中心。

现代计算机的特点

1.将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；

而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；

其余的设备均为外设。

补充：

主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备；

2.以存储器为中心：

是为了减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；

运算器

运算器的功能

运算器是计算机中进行数据加工的部件，功能包括：

1、执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为ALU的部件完成

2、暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器完成

3、运算器通常也是数据传输的通路

运算器的特点

1.采用二进制数据进行运算；

2.运算器一次可以处理的数据位数称为机器字长；

3.机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；

4.运算器主要由ALU（算术逻辑单元）和各类通用寄存器构成。

存储器

存储器的功能

保存所有的程序和数据。

存储器的特点

1.二进制形式保存程序和数据；

2.存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；

存储器的分类

外存（辅助存储器）

●磁盘存储器、光盘存储器；

●CPU不可直接访问；

内存（主存储器）

●半导体存储器；

●CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。

两个与主存相关的寄存器

●MAR（存储器地址寄存器）：

接收由CPU送来的地址信息；

●MDR（存储器数据寄存器）：

作为外界与存储器之间的数据通路。

存储器的相关概念

存储元：

用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；

存储单元：

能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；

单元地址：

能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；

存储容量：

一个存储器所能保存的二进制信息的总量。

控制器

控制器的功能

根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。

1.解释并执行指令；

2.控制指令的执行顺序；

3.负责指令执行过程中，操作数的寻址；

4.根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。

指令的形式

●操作码：

指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；

●地址码：

指出进行以上操作的数据存放位置。

控制器工作的周期

取指周期：

取指令的一段时间

执行周期：

执行指令的一段时间

指令按顺序执行的控制部件：

指令计数器

每取出一条指令，指令计数器就加1（1条指令的字节数）；

遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；

相关概念

数据字：

该字代表要处理的数据；

指令字：

该字为一条指令；

指令流：

取指周期中，从内存读出的信息流；

数据流：

执行周期中，从内存读出的信息流。

PC:

程序计数器，其位数与MAR相同。

IR:

指令寄存器，其位数与MDR相同。

适配器与输入输出设备

输入设备：

将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备。

输出设备：

把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。

适配器：

保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。

系统总线：

构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。

系统程序

用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。

包括:

1.服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；

2.语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；

3.操作系统；

4.数据库管理系统；

应用程序

用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序

计算机系统的层次结构

微程序级（硬件）、机器指令级（与硬件紧密相关）、操作系统级、汇编语言级、高级语言级。

计算机系统的硬件性能指标

包括机器字长、存储器容量、运算速度和配置外设等。

计算机的绝大部分操作或指令都可以用软件或硬件来实现，所实现的功能在逻辑上是等价的。

某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。

第二章

数字化编码有两个要素：

选用少量简单的基本符号和一定的组合规则，用以表示大量复杂多样的信息。

数据的类型

按数制分

十进制：

在微机中直接运算困难；

二进制：

占存储空间少，硬件上易于实现，易于运算；

十六进制：

方便观察和使用；

二-十进制：

4位二进制数表示1位十进制数，转换简单。

按数据格式分

真值：

没有经过编码的直观数据表示方式，其值可带正负号，任何数制均可

机器数：

符号化编码后的数值（包括正负号的表示），一般位数固定（8、16、32……），不能随便忽略任何位置上的0或1；

按数据的表示范围分

定点数：

小数点位置固定，数据表示范围小；

浮点数：

小数点位置不固定，数据表示范围较大。

按能否表示负数分

无符号数：

所有位均表示数值，直接用二进制数表示；

有符号数：

有正负之分，最高位为符号位，其余位表示数值。

按编码不同又可分为原码、反码、补码、移码……

进位计数制两大要素

基数R：

允许使用的基本数码个数。

主要特点是逢R进1。

权Wi：

也称位权，指某一位i上数码的权重值，与数码所处的位置i有关。

Wi＝Ri。

计算机采用二进制表示数据

电路简单、工作可靠、简化运算、逻辑性强

表示十进制的编码

BCD码：

使用4位二进制编码来表示1位十进制数字，4位二进制共16个编码，选用其中的10个来表示数字0～9。

不同的选择构成不同的BCD码。

有权码：

编码的每一位都有固定的权值，加权求和就是该十进制数。

如8421码、2421码等。

无权码：

编码的每一位并没有固定的权，主要包括格雷码、余3码等。

小数点固定在某一位置的数据；

纯小数：

有符号位：

0≤|x|≤1-2-n

无符号位：

0≤x≤1-2-n-1

表示范围：

0.0…0=0≤|x|≤1-2-n=0.1…1

小数点的位置是机器约定好的，并没有实际保存

纯整数

有符号数x=xsxn-1…x1x0|x|≤2n-1

无符号数x=xnxn-1…x1x00≤x≤2n+1-1

定点机特点

1.所能表示的数据范围小

2.运算精度较低

3.运算简单，速度快

原码

由原码求补码的简便原则（负数）

●除符号位以外,其余各位按位取反，末位加1；

●从最低位开始，遇到的第一个1以前的各位保持不变，之后各位取反。

求相反数的补码

连符号位一起各位求反，末位加1

反码

不带符号位求反。

移码

阶符（阶码的符号位）

阶码

数符（N整个数的符号）

尾数

常用来表示浮点数，用定点整数形式的移码，把真值平移2n个单位。

与补码符号位相反。

●可以比较直观地判断两个数据的大小；

浮点数运算时，容易进行对阶操作；

●表示浮点数阶码时，容易判断是否下溢；

当阶码为全0时，浮点数下溢。

阶码是在机器中表示一个浮点数时需要给出指数，这个指数用整数形式表示。

正数

原码，补码

原、补码的编码完全相同

补码和移码的符号位相反，数值位相同

负数

符号位为1，数值部分与真值的绝对值相同

补码

符号位为1，数值部分与原码各位相反，且末位加1

符号位与补码相反，数值位与补码相同

浮点数规格化

规格化要求（定义）

1/R≤|尾数|<

1；

R为基数，如2，即大于1/2

浮点数的溢出：

阶码溢出

上溢：

阶码大于所能表示的最大值；

无穷

下溢：

阶码小于所能表示的最小值；

0

机器零：

尾数为0，或阶码小于所能表示的最小值；

最大正数N=M×

Re，阶码最大，尾数最大。

最小负数N=M×

Re，负的尾数，其绝对值最大，阶码最大

浮点数在数的表示范围、数的精度、溢出处理和程序编程方面（不取比例因子）均优于定点数。

但在运算规则、运算速度及硬件成本方面又不如定点数。

字符串形式

1.每个十进制数位占用一个字节；

2.除保存各数位，还需要指明该数存放的起始地址和总位数；

3.主要用于非数值计算的应用领域。

压缩的十进制数串形式

1.采用BCD（二-十编码）码表示，一个字节可存放两个十进制数位；

4：

1

2.节省存储空间，便于直接完成十进制数的算术运算；

如何在计算机内使用二进制表示十进制数？

BCD（BinaryCodedDecimal）码：

8421码：

4位二进制数位的权从高到低依次是8、4、2、1.

格雷码：

又叫循环码，任何两个相邻的编码之间只有一位二进制位不同。

优点：

用它构成计数器时，在从一个编码变到下一个编码时，只有一个触发器翻转即可，波形更完美、可靠。

但有多种编码方案。

余3码：

对应的8421码加上0011构成的。

ASCII码（美国国家信息交换标准字符码）

包括128个字符，共需7位编码；

ASCII码规定：

最高位为0，余下7位作为128个字符的编码。

最高位的作用：

奇偶校验；

扩展编码。

字符串

●指连续的一串字符，每个字节存一个字符。

●当存储字长为2、或4个字节时，在同一个存储单元中;

可按从低位字节向高位字节的顺序存放字符串的内容;

或按从高位字节向低位字节的次序顺序存放字符串的内容。

汉字的输入编码

目的：

直接使用西文标准键盘把汉字输入到计算机。

分类：

主要有数字编码（区位码，国标码）、拼音码、字形编码三类。

汉字内码

用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码，由两个字节表示。

汉字可以通过不同的输入法输入，但其内码是唯一的。

汉字机内代码中两个字节的最高位均规定为“1”。

一般采用两个字节表示，为了和ASCII区别，最高位为1。

汉字字模码

用点阵表示的汉字字形代码，用于汉字的输出。

把汉字引入计算机的是王选院士。

将汉字字形经过点阵数字化后形成的一串二进制数，用于汉字的显示和打印。

将所有汉字的字形点阵代码按内码顺序集中起来，构成汉字库。

数据校验原因

为减少和避免数据在计算机系统运行或传送过程中发生错误，在数据的编码上提供了检错和纠错的支持。

数据校验码的定义

能够发现某些错误或具有自动纠错能力的数据编码；

也称检错码；

数据校验的基本原理是扩大码距；

码距：

任意两个合法码之间不同的二进制位的最少位数；

仅有一位不同时，称其码距为1。

奇偶校验码

判断数据中1的个数设置1位校验位；

分奇校验和偶校验两种，只能检错，无纠错能力；

海明校验码

在奇偶校验的基础上增加校验位而得；

具有检错和纠错的能力；

循环冗余校验码（CRC）

通过模2的除法运算建立数据信息和校验位之间的约定关系；

具有很强的检错纠错能力。

[X+Y]补=[X]补+[Y]补

[X-Y]补=[X]补+[-Y]补

特点：

（1）使用补码进行加减运算，符号位和数值位一起参加运算。

（2）补码减法通过加法实现。

定点运算器

1.取得操作数：

由内存通过总线送到寄存器组的、外部输入的立即数

2.进行加减等算术运算和逻辑运算、移位运算、乘除运算：

控制信号、结果状态

3.暂时存放参加运算的数据、暂存或输出运算结果：

寄存器组、Q寄存器、移位寄存器、数据总线

4.将各部件连接起来

算术逻辑运算单元ALU：

核心部件

暂存器：

用来存放参与计算的数据及运算结果，它只对硬件设计者可见，即只被控制器硬件逻辑控制或微程序所访问

通用寄存器堆：

用于存放程序中用到的数据，它可以被软件设计者所访问。

内部总线：

用于连接各个部件的信息通道。

其他可选电路

内部总线

根据总线所在位置分

●内部总线：

指CPU内各部件的连线。

●外部总线：

指系统总线，即CPU与存储器、I/O系统之间的连线。

按总线的逻辑结构分

●单向总线：

信息只能向一个方向传送。

●双向总线：

信息可以分两个方向传送，既可以发送数据，也可以接收数据。

单总线结构的运算器

同一时间内，只能有一个操作数放在单总线上。

缺点：

操作速度较慢。

控制电路比较简单。

双总线结构的运算器

两个操作数同时加到ALU进行运算。

三总线结构的运算器

ALU的两个输入端分别由两条总线供给；

ALU的输出则与第三条总线相连。

必须指出的是，分析某一种运算器的运算过程和通路一个基本的原则就是在一个CPU周期（一步）内，某条总线上的数据必须是唯一的，且不能保留（至下一个CPU周期）。

（1）对阶：

规则：

小阶向大阶对齐；

操作：

小阶阶码增大，尾数右移。

（2）尾数相加减：

MbMxMy

（3）结果规格化：

尾数运算的结果可能有两种情况：

A）尾数溢出：

需要右规，即尾数右移1位，阶码＋1

B）|尾数|<

2-1：

需要左规，即尾数左移1位，阶码－1。

（4）舍入处理：

用截断法、0舍1入法、末位恒置1等

（5）阶码溢出判断：

若阶码Eb正溢出，置溢出标志；

若阶码Eb负溢出，置结果为机器零。

第三章存储器

存储器要求

●能够有两个稳定状态来表示二进制中的“0”和“1”

●容易识别

●两个状态能方便地进行转换

●几种常用的存储介质（磁介质、触发器、电容、光盘）

存储器和CPU的关系

是计算机中存储正处在运行中的程序和数据（或一部分）的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU、与其它部件连通。

地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间

数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量

控制总线CB指出总线周期的类型和本次入出操作完成的时刻

按存储介质分

半导体存储器：

用半导体器件（MOS管）组成的存储器（系统主存、Cache）;

磁表面存储器：

用磁性材料（磁化作用）做成的存储器（软盘、硬盘、磁带）;

光盘存储器：

用光介质（光学性质）构成的存储器（光盘）;

按存取方式分

随机存储器：

存取时间和存储单元的物理位置无关（半导体存储器）；

顺序存储器：

存取时间和存储单元的物理位置有关（磁带）；

半顺序存储器：

存取时间部分地依赖于存储单元的物理位置（磁盘存储器）；

相联存取存储器：

按内容检索到存储位置进行读写（快表）。

按存储内容可变性分

只读存储器（ROM）：

只能读出而不能写入的半导体存储器；

随机读写存储器（RAM）：

既能读出又能写入的半导体存储器；

按信息易失性分

易失性存储器：

断电后信息即消失的存储器；

非易失性存储器：

断电后仍能保存信息的存储器；

按在计算机系统中的作用分

主存储器：

能够被CPU直接访问，速度较快，用于保存系统当前运行所需的所有程序和数据；

辅助存储器：

不能被CPU直接访问，速度较慢，用于保存系统中的所有的程序和数据；

高速缓冲存储器（Cache）：

能够被CPU直接访问，速度快，用于保存系统当前运行中频繁使用的程序和数据；

控制存储器：

CPU内部的存储单元。

指存储器能存放二进制代码的总数。

存储容量=存储单元个数×

存储字长（用a×

b表示）

存储字长/8，单位为B（字节）

存取时间（访问时间）：

从启动一次访问操作到完成该操作为止所经历的时间；

以ns为单位，存取时间又分读出时间、写入时间两种。

存取周期：

存储器连续启动两次独立的访问操作所需的最小间隔时间。

以ns为单位，存取周期=存取时间+复原时间。

存储器带宽：

每秒从存储器进出信息的最大数量；

单位为位/秒或者字节/秒。

（1）一致性原则：

处在不同层次存储器中的同一个信息应保持相同的值。

（2）包含性原则：

处在内层的信息一定被包含在其外层的存储器中，反之则不成立,即内层存储器中的全部信息，是其相邻外层存储器中一部分信息的复制品。

随机访问

随机访问任何单元，访问时间与信息存放位置无关。

每一位有自己的读写设备。

串行访问

顺序地一位一位地进行，访问时间与位置有关。

共用一个读写设备。

顺序访问和直接访问

（cache）静态RAM（SRAM）

由MOS电路构成的双稳态触发器保存二进制信息；

访问速度快，只要不掉电可以永久保存信息；

集成度低，功耗大，价格高；

使用双稳态触发器表示0和1代码。

电源不掉电的情况下，信息稳定保持（静态）。

存取速度快，集成度低（容量小），价格高。

常用作高速缓冲存储器Cache。

（主存）动态RAM（DRAM）

由MOS电路中的栅极电容保存二进制信息；

集成度高，功耗约为SRAM的1/6，价格低；

访问速度慢，电容的放电作用会使信息丢失，要长期保存数据必须定期刷新存储单元；

主要种类有：

SDRAM、DDRSDRAM

因为该存储器必须定时刷新，才能维持其中的信息不变；

DRAM的存储元：

由MOS晶体管和电容组成的记忆电路；

电容上的电量来表现存储的信息：

充电—1，放电—0。

外部地址引脚比SRAM减少一半;

送地址信息时，分行地址和列地址分别传送；

内部结构：

比SRAM复杂。

●刷新电路：

用于存储元的信息刷新；

●行、列地址锁存器：

用于保存完整的地址信息；

行选通信号（RowAddressStrobe），列选通信号（ColumnsAddressStrobe）

DRAM的读写周期

●与SRAM的读写周期相似，只是地址总线上的信号有所不同；

●在同一个读写周期内发生变化，分别为行地址、列地址；

实质：

将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入。

以行为单位进行刷新。

刷新：

在固定时间内对所有存储单元，通过“读出（不输出）—写入”的方式恢复信息的操作过程；

刷新方式：

以存储矩阵的行为单位刷新；

故刷新计数器的长度与DRAM的行数相同；

刷新周期：

从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM全部刷新一遍为止，一般为8ms。

集中式刷新和分散式刷新。

集中式刷新：

在一个刷新周期内，利用一段固定时间，依次对存储矩阵的所有行逐一刷新，在此期间停止对存储器的读/写操作；

存在死区时间，会影响CPU的访存操作；

分散式刷新

将每个系统工作周期分为两部分，前半部分用于DRAM读/写/保持，后半部分用于刷新存储器的一行；

系统存取时间延长一倍，导致系统变慢；

异步式刷新

在一个刷新周期内，分散地刷新存储器的所有行；

既不会产生明显的读写停顿，也不会延长系统的存取周期；

刷新要求：

一是定时刷新，即严格按刷新周期规定的时间