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计算机组成复习资料
《计算机组成复习》
一、计算机概论
1.计算机系统组成:
1.1硬件系统
存储器、运算器、控制器、输入输出设备。
1.2软件系统
固件---一种具有软件特性的硬件,将程序固定在ROM中组成的部件。
程序设计语言----分为机器语言、汇编语言、高级语言。
机器语言-----用二进制代码表示的计算机语言,可以直接执行。
1.3计算机系统的层次结构
三个层次—硬件系统(最内层,系计算机系统的核心)、软件系统(中间层,为用户提供基本的操作面)、应用软件(最外层)
复习要点:
计算机性能指标---字长、主频、运算速度、存储系统的容量。
JPEG/MPEG。
计算机体系结构及其组成。
二、计算机中数的表示方法
2.1数值数据的表示
2.1.1真值/机器数
真值----用正负号来表示正数和负数。
机器数----用一位数码0或1来表示数的正负号。
2.1.2数的机器码表示
原码/补码(零的补码是唯一的)/反码/移码(正数的移码为符号位为1,数值不变;负数的移码为符号位0,后面是该数的补码)。
2.1.3数的浮点表示法
浮点数的表示格式
浮点数的规格化
原码规格化后---正数0.1XXXX,负数1.1XXXX
补码规格化后---正数0.1XXXX,负数1.0XXXX
浮点数的表示范围
溢出问题----当一个浮点数阶码大于机器的最大阶码时,为上溢;反之为下溢
2.2非数值数据的表示
2.2.1字符的表示
ASCII码
汉字的输入-----分国标码、区位码、拼音码、五笔字型
机内码----机器内部处理和存储汉字的一种代码。
机内码=国标码+8080H;其中国标码=区位码+2020H;
2.3数据信息的校验
奇偶校验码/海明码/循环码
2.4定点补码加、减运算
补码加、减运算规则:
,《公式》[X]补+[Y]补=[X+Y]补
[X]补-[Y]补=[X-Y]补=[X+(-Y)]补;
参加运算的数都用补码表示/数据的符号与数据一样参加运算/求差时将减数求补,用求和代替求差/运算结果为补码,如果符号位0,表明运算结果为正,反之为负/符号位的进位为模值,应该丢掉。
〈溢出判断法〉----两个符号相同的数相运算,其运算结果符号相反就产生溢出(单符号情况)/如果结果两个符号位相同,则没有溢出发生,如果不同,则有溢出发生,第一符号位为结果的真正符号位(双符号情况)/当两个单符号位补码进行加减运算时,若最高数值位向符号位的进位值C与符号位产生的进位输出值S相同,则没有溢出发生,如果两个进位值不同,则有溢出发生。
2.5定点乘法运算
2.5.1原码乘法
原码一位乘法规则
1)被乘数和乘数均取绝对值参加运算,符号位单独考虑。
2)被乘数取双符号,部分积的长度同被乘数,初值为零。
3)从乘数的最低位yn开始判断,若yn=1则部分积加上被乘数|X|,然后右移1位,若yn=0则部分积加上0,然后右移1位。
4)重复3),判断n次。
原码两位乘法规则:
1)符号位不参加运算,最后的符号(乘积的符号位)是被乘数的符号异或乘数的符号的结果。
2)部分积与被乘数均采用3位符号,乘数末位增加1位C,其初值为0。
3)按照下表操作。
Yn-1
Yn
C
操作
0
0
0
加X,右移2位,0→C
0
0
1
加X,右移2位,0→C
0
1
0
加X,右移2位,0→C
0
1
1
加2X,右移2位,0→C
1
0
0
加2X,右移2位,0→C
1
0
1
减X,右移2位,1→C
1
1
0
减X,右移2位,1→C
1
1
1
加0,右移2位,1→C
〈注〉:
若尾数为偶数,乘数用双符号,最后一步不移位;反之用单符号,最后一步移一位。
2.5.2补码乘法
补码一位乘法的运算规则(布斯算法)
1)符号位参与运算,运算的数均以补码表示。
2)被乘数取双符号位,参加运算,部分积初值为0。
3)乘数可取单符号位,以决定最后一步是否需要校正,即是否加[-X]补。
4)乘数末位增设附加位Yn+1,且初值为0。
5)按照下表操作。
Yn
Yn+1
操作
0
0
部分积右移1位
0
1
部分积加X补,右移1位
1
0
部分积加(-X)补,右移1位
1
1
部分积右移1位
按照上述算法进行n+1步操作,但第n+1步不再移位,仅根据y0与y1的比较结果作相应的运算。
补码两位乘法的运算规则
1)符号位参加运算,两数均用补码表示。
2)部分积与被乘数均采用3位符号,乘数末位增加1位Yn+1,其初值为0。
3)按照下表操作。
Yn-1
Yn
Yn+1
操作
0
0
0
加0,右移2位
0
0
1
加X补,右移2位,
0
1
0
加X补,右移2位,
0
1
1
加2X补,右移2位,
1
0
0
加2(-X)补,右移2位,
1
0
1
加(-X)补,右移2位,
1
1
0
加(-X)补,右移2位,
1
1
1
加0,右移2位,
若尾数为偶数,乘数用双符号位,最后一步不移位,反之用单符号位,最后一步移1位。
2.6定点除法运算
2.6.1原码一位除法
2.6.2补码一位除法
2.7浮点算术运算
对阶/尾数相加/结果规格化/溢出判断
三、存储器系统
3.1半导体存储器
静态MOS/动态MOS/双极型
3.2高速缓冲存储器*(它的工作原理)
地址映象与变换------直接映象/全相联映象/组相联映象。
替换策略及更新策略------LRU(最近最小使用)/FIFO
3.3虚拟存储器(
虚地址(由页式虚拟存储器格式/段式虚拟存储器格式/段页式虚拟存储器格式组成)/实地址;
虚拟存储器和主存-Cache存储器;
3.4多体交叉存储器
3.5存储保护
存储区域保护/访问方式保护
3.6磁表面存储器
3.6.1磁记录原理和记录方式
*记录方式----归零制/不归零制/调相制/调频制
3.6.2记录的地址格式
磁盘的地址格式
驱动器号
磁道号(柱面号)
记录面号(磁头号)
扇区号
3.6.3磁盘存储器的主要技术指标
存储密度/存储容量/平均存取时间/数据传输率
例:
设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用MREQ(低电平有效)作访存控制信号,用WR(低电平有效)作读写控制信号(高电平读,低电平写),现要求:
画出CPU与存储器的连接图;存储芯片地址空间分配为:
最小4K地址空间为系统程序区,相邻的4K地址空间为系统程序工作区,接着是24K用户程序区。
(芯片:
ROM有-2KB;4KB;8KB;32KB/RAM有—2KB;8KB;16Kх1位;1KХ4位;4Kх4位。
解题;
最小的4KBROM地址空间:
0000H~0FFFH;
相邻的4KBRAM地址空间:
1000H~1FFFH;
相邻的24KBRAM地址空间:
2000H~3FFFH;
4000H~5FFFH;
6000H~7FFFH。
四、指令系统
4.1基本概念
指令/指令系统:
指令—操作码(操作性质)/地址码(表示操作对象)
地址码—零地址指令/一地址指令/二地址指令/三地址指令
寻址方式----就是寻找指令地址和操作数有效地址的方式。
分指令的寻址方式(有顺序和跳跃方式):
操作数的寻址方式
指令格式:
OP
寻址特征MOD
形式地址D
《操作数的寻址方式》
◆立即寻址,操作数在指令中,Data=D
◆直接寻址,操作数地址在指令中,EA=D
◆存储器间接寻址,操作数地址在内存中,EA=(D)
◆寄存器寻址,操作数在寄存器中,Data=(R)
◆寄存器间接寻址,操作数地址在寄存器中,EA=(R)
◆隐含寻址,操作数的地址隐含在指令的操作码中
◆变址寻址,操作数地址为变址寄存器中的内容与位移量D之和,EA=(R)变址+D
◆基址寻址,操作数地址为基址寄存器中的内容与位移量D之和,EA=(R)基址+D
◆相对寻址,操作数地址为程序计数器的内容与位移量D之和,EA=(PC)+D
《指令系统》略
RISC指令系统和CISC指令系统的特点见教材
五、中央处理器
5.1基本概念
*CPU----控制器/运算器;(它由PC/IR/AR/DR/AC/SCR组成)
控制器---由PC/IR/AR/DR/指令译码器(分别对操作码字段/寻址方式字段/地址码字段进行译码,向控制器提供特定的操作信号)/时序发生器(产生计算机系统所需要的各种时序信号)/微操作形成部件(根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)以及时序线路的信号,产生控制整个计算机系统所需的各种开展信号。
控制器---根据其结构分成组合逻辑型/微程序控制型。
组合逻辑控制器(硬连线控制器)---将控制部件看作产生固定时序控制信号的逻辑电路。
PLA控制器—同组合逻辑控制器相似。
微程序控制器---核心部件为CM(存储微程序的控制存储器),由ROM构成。
微指令寄存器---存放微指令(从ROM内读出),包含微操作控制字段(微命令字段)和顺序控制字段(微地址字段)。
运算器---ALU/GR(通用寄存器组)/PSW(程序状态字寄存器)等。
CPU功能—指令控制/操作控制/时序控制/数据加工
指令周期(取指令、分析指令、执行指令)/机器周期(CPU周期)/时钟周期(T周期)
控制器控制方式----同步控制/异步控制/联合控制
《微程序控制器》微命令/微操作/微指令/微程序/相斥性微命令/相容性微命令/微指令周期/水平型微指令/垂直型微指令。
微程序执行顺序的控制-----产生下一条微指令地址的方式有三:
A.计数器方式
B.下址字段法
C.增量方式与断定方式相结合
微命令的编码方法----直接控制法/译码控制法/混合控制法
微指令格式-----水平型/垂直型微指令。
《微程序控制器工作原理》
六、输入输出系统
《输入输出系统的特点》异步性/实时性/设备无关性
〈接口功能〉/接口组成(数据缓冲寄存器/设备地址识别线路/设备状态字寄存器/主机命令字寄存器/数据格式转换线路/数据地址寄存器/控制逻辑)
〈I/O接口的编址方式〉-----端口地址与主存统一编址方式/端口地址单独编址方式。
〈基本输入输出方式〉
◆程序查询方式
◆程序中断方式
◆DMA方式
◆通道方式
◆外围处理机方式
〈接口分类〉串行接口/并行接口
〈程序查询方式〉----是利用程序控制实现CPU和I/O设备之间的数据传送
例:
传送一个数据的过程:
1)CPU通过接口启动外设工作,将BS(忙)触发器置1,请求传送数据,同时将RD(就绪)触发器置0;
2)外设动作开始;
3)外设传送数据,同时CPU从I/O接口读入状态字;
4)假如这个设备尚未准备就绪,则第3)步重复,一直到这个设备准备好交换数据,将RD触发器置1;
5)向CPU发出准备就绪信号READY;
6)CPU从I/O接口的数据寄存器输入数据,或者将数据从CPU输出至接口的数据缓冲寄存器,与此同时,CPU将接口中的状态标志复位。
〈程序中断方式〉
A.中断分类
a)内中断—自愿中断(指令中断)/强迫中断(硬件故障/软件中断)
b)外中断(强迫中断)---外设中断/人工干预
B.程序中断的处理过程
C.中断源的建立与屏蔽
D.CPU响应中断的条件
1)在CPU内部设置的中断允许触发器必须是开放的
2)外设有中断请求时,中断请求触发器必须处于1,保持中断请求信号
3)外设(接口)中断允许触发器必须为1,这样才能把外设中断请求送至CPU
4)具备以上三个条件,CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。
〈中断识别方法〉----程序查询法/硬件查询法独立请求法
〈DMA方式〉
1)DMA定义
2)DMA优缺点
3)DMA控制器的基本操作;传送过程;
4)DMA操作中软硬件分工-----数据传送前的准备工作,以及传送结束后的处理工作都是由软件完成,DMA控制器负责复杂数据传送。
〈三种DMA传送方式〉
a)停止CPU使用主存
b)周期挪用(适合I/O设备读写周期大于内存存储周期)
c)CPU与DMA交替使用主存
d)〈DMA操作过程(指周期挪用方式)〉----准备阶段/传送阶段/结束阶段
〈通道方式〉(用于大中型计算机)---基本功能/通道类型(选择通道/数组多路通道/字节多路通道/通道适配器
《显示输出设备》---CRT/LCD/等离子。
图形(是指计算机绘制的各种几何图形)/图象(是指摄像机或扫描仪等输入设备获取的实际场景的静止图画)
分辨率----是指显示器所能表示的像素的个数。
像素越多,分辨率越高,图象越清晰。
灰度级----是指黑白显示器所显示的像素点的亮暗差别程度,在彩色显示器中则表示为颜色不同。
灰度级越多,图象层次越清晰逼真。
刷新----为了使肉眼能感觉到稳定的图象显示,必须使电子束不停地重复扫描,这个重复扫描过程叫做刷新。
刷新存储器(视频存储器)----为了不断提供刷新图象的信号,在显示系统内必须有一个存储器存放这些信息,这个存储器叫做~~,刷新存储器的容量由图象分别率和灰度级决定。
(例如:
分辨率1024Х768和灰度级为256,[用八位二进制数表示一个像素的灰度],因此它的刷新存储器的存储容量1024Х768=768KB)。
随机扫描(控制电子束在CRT屏幕上随机地运动,从而产生图形和字符的方式)/光栅扫描(分隔行扫描/逐行扫描,是电视系统的扫描方式)
《字符显示器》----以CRT字符显示器为例,由CRT和控制机构(有接口(接受来自主机的显示信息),刷新存储器(存放字符的编码信息和该字符的显示属性,在西文显示系统里,每一个字符的编码为ASCII码,显示屏上的每个字符对应刷新存储器的两个存储单元(一个是显示编码,另一个是显示属性),所以最小存储容量是每帧字符数乘2。
)字符发生器(实现编码到字型的转换,由字库和字符发生电路组成,并由显示控制逻辑协调动作。
字库存储各个字符的光点信息,并以字符的编码为地址,读出这些信息,送到CRT上显示)。
控制逻辑电路(显示控制、同步控制、消隐以及光标控制)。
显示器的控制逻辑和存储逻辑一般都在主机接口板上,终端是由显示器和键盘组成的一套独立的输入输出设备。
它能够完成显示控制与存储、键盘管理以及通信控制的功能,还可以完成简单的编辑工作。
《打印输出设备》----常用的是点阵针式打印机,一般是并行口串行打印机。
《计算机系统中的总线》----内部总线(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(同一台计算机系统的各部件(如CPU、内存、各I/O接口间互相连接的总线))/多机系统总线(多台处理机之间互相连接的总线)。
概念题:
总线周期----一次总线操作所需要的时间。
波特率----每秒通过信道传输的二进制位数。
总线协议----总线通信同步方式规定了实现总线数据传输的定时规则。
《系统总线结构》---单总线/双总线/三总线
《总线控制方式》--串行链接方式/计数器定时查询方式/独立请求方式。
系统总线----ISA/EISA/PCI。
设备总线----IDE(在主机和磁盘驱动器之间使用的集成总线)/SCSI(各种计算机的系统接口)/AGP(用于三维图象处理,传输视频信号)/USB接口(实现外设的快速连接);概念:
单处理器系统中的总线分为三类---低速I/O设备之间互相连接的总线是I/O总线;同一计算机系统内的高速功能部件之间互相连接的总线是系统总线;CPU内部连接各寄存器以及运算部件之间的总线是内部总线。
数据传输率是衡量总线性能的重要指标。
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