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计算机组成原理复习笔记

计算机组成原理复习笔记

前件知识：

基本电路知识

与、或、非、异或、与非、或非等如下表所示：

真值表

与

或

非（A）

异或

与非

或非

A

B

只0就为0

只1就为1

取反

相异为1

只0就为1

只1就为0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

0

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

0

0

0

0

第一章计算机系统概论

1．计算机系统组成

计算机系统组成：

计算机组成原理由硬件系统与软件系统组成。

根据冯诺.依曼的存储程序控制原理由五大部件组成：

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

软件系统：

系统软件、应用软件

摩尔定律：

记住价格与时间成反比。

2．计算机系统性能指标

字长（处理机字长）是指计算机处理器一次能够完成的二进制位数（16，32，64）。

MIPS是指计算机处理器每秒执行百万条指令。

3．计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构分为五级以下图所示：

第二章运算方法和运算器

1.原码、反码、补码、移码的计算方法

性质

原码

反码

补码

移码

正数

原码反码补码一样

移码主要用于表示浮点数中的阶码

负数

连同符号位一起使用二进制表示

除符号位以外其余位取反（0变1，1变0）

除符号位外其余位取反加1（性质等于在反码基础之上加1）

零

[+0]原=00…00

[-0]原=10…00

[+0]反=00…00

[-0]反=11…11

[+0]补=[-0]补=00…00

补码的真值公式：

将所有位上的数按基数2n-1（n为数所在的位置）相乘后求出和，这个和的结果就是补码的真值。

计算某个数大于或小于某个值得条件。

例：

[X]补=（01101）2,[Y]补=（11101）2。

则X与Y的十进制数是多少。

X=-0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+1=（+13）10

Y=-1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=-8+4+1=（-1）10

2．原码、反码、补码、移码的表示范围（n位二进制位数）

码制

定点整数

定点小数

范围

举例（n=8）

范围

原码

-（2n-1-1）~+（2n-1-1）

-127~+127

-（1-2-（n-1））~+（1-2-（n-1））

反码

-（2n-1-1）~+（2n-1-1）

-127~+127

-（1-2-（n-1））~+（1-2-（n-1））

补码

-2n-1~+（2n-1-1）

-128~+127

-1~+（1-2-（n-1））

移码

-2n-1~+（2n-1-1）

-128~+127

-1~+（1-2-（n-1））

浮点数的表示范围就省略了。

3．BCD和ASCLL码

BCD：

俗称8421码。

使用4位二进数才表现一位十进制数。

（4位）

ASCLL码：

用于表示字符。

（用一个字节八位来表示，只使用了七位。

最前后一位始终为0）.记住特殊的字符的ASCLL码值：

字符

十进制数

ASCLL码

补充说明

A

65

1000001

大小到小写+32.小写到大小-32.要求字符在这三个上面推即可获得。

a

97

1100001

0

48

0110000

4．校验码：

奇偶校验

奇偶校验（含校验码的个数）110101数

奇校验奇数个11101011

偶校验偶数个11101010

奇偶校验提供奇数个错误检测，无法检测偶数个错误，更无法识别错误信息的位置。

5．变形补码与溢出

判断溢出方法：

（1）双符号位两个符号位异号，用异或门实现

变形补码是判断溢出的一种检测方法。

采用变形补码后，任何正数，两个符号位都是“0”，任何负数，两个符号后都是“1”。

如果两个数相加后，在符号位中出现了“10”或“01”则说明溢出。

参考下表判断是否溢出。

（2）单符号位最高位的进位和符号位进位异号。

结果溢出判断依据下表所示：

符号位

结果

0

0

正数

0

1

正溢出

1

0

负溢出

1

1

负数

6．运算器

（1）运算器是中央处理器的组成部分。

主要功能是完成计算机的算术运算与逻辑运算。

运算器的组成部件有：

算术逻辑运算单元（ALU）、数据缓冲寄存器、通用寄存器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。

（2）提高运算器高速性采用的措施：

●先行进位

●阵列乘除法

●流水线

（3）74181ALU（算术逻辑运算单元）:

4位算术逻辑运算单元，支持16种逻辑运算、16种算术运算

组内先行进位

（4）74182CLA（先行进位发生器）先行进位部件，可以实现多组74181ALU的组间先行进位

组合形式

（5）ALU的设计：

片内先行进位，片间串行进位。

16位ALU和32位ALU的设计。

（6）编址：

字节编址与字编址

字节编址：

某计算机内存按字节编址，内存地址区域从44000H到6BFFFH，共有___（11）___K字节。

若采用16K×4bit的SRAM芯片，构成该内存区域共需___（12）___片。

算法为6BFFFH-44000H+1H=28000H=163840/1024=160K（1+F=16逢十六进一,所以6BFFFH+1H=6C000H）

内存按字节编址,这163839应该是Byte。

内存160K，8bit,采用16K×4bit的SRAM芯片，需要160/16×8/4=20片

字编址：

给出容量、字长，计算寻址范围

例：

字长32位，存储容量64KB，寻址范围64KB/32=64K*8/32=16K

按字编址的寻址范围是：

0~64M。

也即0000000~3FFFFFFH

计算步骤：

256M字节=256*1024*1024*8位，按计算机按32位字长单字编址。

则单字的位数为32位，范围为（256*1024*1024*8位）/32位=64M。

此外若计算机按32位字长半字编址。

则半字的位数为16位，范围为（256*1024*1024*8位）/16位=128M

计算机按32位字长双字编址。

则双字的位数为64位，范围为（256*1024*1024*8位）/64位=32M

第三章多层次的存储器

1．存储器的层次

因为对容量大、速度快、成本低要要求，在一个存储器中要求同时兼顾这三方法是不容易的。

多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器、外存储器，来解决这个矛盾。

CPU可以直接访问内存储器（主存储器和cache），而不能直接访问外存储器（磁盘和光盘）。

2．外存和内存比较

存储器

容量

速度

价格

内存储器

小

快

高

外存储器

大

慢

低

3．半导体随机读写存储器

半导体随机读写存储器分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）的。

存储器

用处

刷新

行列地址复用

SRAM

cache

不需要

不是

DRAM

内存

需要

是

4．DRAM的两种刷新方式

DRAM刷新方式：

集中式刷新、分散式刷新；

集中式刷新：

每隔一段时间连接刷新所有行。

分散式刷新：

每隔一段时间刷新一行。

5．主存的性能指标

存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。

存储容量：

存储器中可以存放内容的存储单元总数。

存取时间：

一次读/写的时间。

存储周期：

存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。

存储器带宽：

单位时间内存取的信息量（b/s,B/s做量度）。

存取时间、存储周期、存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。

6．存储器扩展

存储器容量的扩充主要有字长位数扩展和字存储容量扩展。

（1）字长位数扩展

d=设计要求的存储器容量/已知芯片存储容量

例：

利用1MX4位的SRAM芯片，设计一个存储容量为1MX8位的SRAM存放器。

d=（1MX8）/（1MX4）=2（片）

（2）字存储容量扩展

例：

利用1MX8位的DRAM芯片，设计2MX8位的DRAM存储器。

d=（2MX8）/（1MX8）=2（片）

7.地址线与数据线

一个512K×16的存储器，其地址线和数据线的条数

地址线：

512K=512*1024=29*210=219，所以地址线为19。

数据线：

16就是数据线。

8．只读存储器和闪速存储器

只读存储器（ROM）：

掩模ROM，可编程ROM（EPROM和E2PROM）；

闪速存储器：

Flash存储器。

EPROM：

光擦可编程的只读存储器

E2PROM：

电擦可编程的只读存储器

9．提高存储器访问速度的方法：

●双端口存储:

两套相互独立的读写电路

●交叉存储：

同时读写，顺序传送（流水）

●Cache：

解决CPU和主存之间的速度匹配问题

10．地址映射和替换算法

知识点

名称

解释

主存与Cache地址映射

全相联映射

主存中的一块的地址（块号）和块的内容（字）一起放在cache的行中，块地址存在cache行的标记部分中。

直接映射

一种多对一的映射关系，但一个主存块只能复制到cache中一个特定位置。

组相联映射

前两种折衷方案。

Cache中替换算法（策略）

最不经常使用（LFU）

把一段时间内访问次数最少的那行数据换出。

近期最不经常使用（LRU）

近期长久未被访问的行换出。

随机替换

从特定位置随机选取一行换出即可。

11．虚拟存储器

采用虚拟存储器的主要目的是扩大存储器空间，并能进行自动管理。

常用的虚拟存储器系统由哪两级存储器组成？

主存——辅存

第四章指令系统

1．指令

计算机程序：

由一系统机器指令组成。

机器指令：

被称为指令，由操作码字段（操作性质）与地址码字段（操作数，地址，结果等）组成。

介于微指令与宏指令之间。

每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。

从操作数的物理位置来说，可将指令归结为三种类型：

寄存器—寄存器型（RR）、寄存器—存储器型（RS）、存储器—存储器型（SS）

2．指令系统

指令系统类别

特点

精简指令系统（RISC）

1.选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；

2.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；

3.只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。

复杂指令系统（CISC）

指令多，寻址方式多等。

3．计算机寻址方式

寻址方式种类

解释

隐含寻址

指令中隐含着操作数的地址

立即寻址

指令中直接给出操作数

直接寻址

指令中给出操作数在内存中的存储地址

间接寻址

指令中给出操作数地址在内存中的地址

寄存器寻址

指令中给出操作数在寄存器的地址。

寄存器间接寻址

操作数地址在通用寄存器中，操作数在通用寄存器指定的内存地址中

偏移寻址

直接与寄存器寻址方式结合：

相对寻址，基址寻址，变址寻址。

段寻址

微机中采用这种寻址方式

堆栈寻址

寄存器堆栈和存储器堆栈

4．程序控制类指令的功能是？

答：

程序控制指令用于程序执行流程的控制。

程序控制指令又称转移指令，主要是改变程序执行的顺序。

5．汇编语言特性：

硬件相关、编制难度大、执行速度快。

第5章中央处理器

1．中央处理器

中央处理器（CPU）的作用：

指令控制，操作控制，数据加工。

由运算器、控制器和寄存器组构成。

CPU中的主要寄存器有：

程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR），通用寄存器（R0~R3）、。

状态条件寄存器（PSW）。

2．操作控制器

名称：

操作控件器

作用

根据指令操作码和时序信号产生各种操作控制信号

分类

硬布线控制器

原理

公式

控制信号是指令操作码译码器输出Im、时序信号（节拍电位Mi,节拍脉冲Tk）和状态条件信号Bj的逻辑函数。

C=f（Im,Mi,Tk,Bj）;

微程序控制器

原理：

主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成，其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微指令寄存器两部。

原理图如下图所示：

3.指令周期

指令周期是指CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间。

4．水平型微指令与垂直型微指令比较

比较

水平性微指令一次可完成多个微操作，垂直型一次只能完成1到2个微操作。

1.

水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型指令则较差。

2.

水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。

3.

由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。

垂直型微指令则相反，微指令字较短而微程序长。

4.

水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。

5．并行处理技术

并行性：

并发性是指两个以上的事件在同一时间间隔内发生。

一个m段流水线处理器提高的效率

计算：

第一条指令m，其他指令1，若有n条指令则m+（n-1），效率mn/[m+n-1]

若n很大，则mn/[m+n-1]约等于mn/n，即m

第六章总线系统

1．系统总线

总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传递的公共通路。

总路线分类

解释

内部总线

CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线

系统总路线

CPU同其他高速功能部件之间连接的总线

分类名称

功能

数据总线

传输数据

控制总线

提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号及时序信号

地址总线

指定主存和I/O设备接口电路的地址

I/O总路线

I/O设备之间互连的总线

2．总线仲裁方式

按仲裁电路位置分

解释

集中式仲裁

每个功能模块有两条线连到总线控制器：

一条送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。

分类

说明

链式查询方式

解释

在查询链中离总线最近的设备具有最高优先级，离总线仲裁器越远，优先级低。

优点

用很少线就可以实现总线仲裁，易扩充设备。

缺点

低优先级设备难得到响应，对电路故障最敏感。

计数器定时

查询方式

解释

计数器来实现优先级的序列变更。

优点

可改变优先次序。

缺点

灵活性是以增加线数为代价的，若从零开始，低优先级设备难得到响应。

独立请求方式

解释

根据排队电路，它根据一定的优先次序决定设备请求的响应。

优点

响应时间最快，即确定响应设备时所花费时间少。

对优先次序的控制相当灵活。

缺点

分散（分布）式仲裁

分布式仲裁不需要集中的总路线仲裁器，每个潜在的主能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。

需要将自己的仲裁号与共享的仲裁号进行比较，大于时仲裁号将被收回。

最后，获胜者的仲裁号留在仲裁总线上。

3．单总线系统

从信息流的传送效率来看，单总线系统工作效率最低。

4．同步通信比异步通信具有较高的传输频率的原因

原因：

用一个公共的时钟信号（统一时序信号）进行同步

第七章外存与I/O设备

1．磁盘存储器

技术指标

解释

存储密度

存储密码分为道密度、位密度、面密度。

存储容量

可以存储的字节总数。

平均存取时间

根据读写指令，磁头从一个位置转移到新的记录位置，至开始读或写数据所需要的时间。

组成：

寻道时间，等待时间，数据传输时间。

平均等时间等于转一圈时间的一半

数据传输率

在单位时间内向主机传送数据的字节数

2．磁盘驱动器向盘片磁层记录数据时，采用的写入方式是串行的还是并行的？

答采用的是并行。

第八章输入输出系统

1．I/O控制方式

I/O控制方式

解释

实现方式

说明

程序查询方式

程序实现

是一种最简单的输入输出方式，数据传输靠计算机程序控件。

程序中断方式

由外设主动来通知CPU，当中断来时，CPU停止现行程序，转向中断处理程序。

外设有中断优先级别。

说明的问题：

尽管中断请求随机，只有在公操作时才处理中断请求

直接内存访问（DMA）方式

硬件实现

是一种全完由硬件执行I/O交换的工作方式。

既考虑到中断响应，又节约中断开销。

通道方式

磁盘驱动器向盘片磁层记录数据时，采用的写入方式是串行的还是并行的？

2．DMA控制器与CPU分时使用内存时，通常采用那几种方法？

答：

停止CPU访问、周期挪用、DMA和CPU交替访存。

采用DMA方式传送数据时，每传送一个数据要占用一个存储周期的时间。

计算题：

1、负整数原码表示，反码表示，补码表示和移码表示（用8位二进制表示，并设最高位为符号位，真值

为7位）。

例如：

-12

解题思路：

原码：

先将十进制数换算成二进制表示。

将其使用八位二进制进行表示，并将最高位设置为符号位，如正数是0表示，负数为1。

这样表示出来的是原码。

反码：

正数的反码为原码。

负数为原码除符号以外其余位取反（原来为1的，反码中则为0，否则为1）。

补码：

正数的补码为原码。

负数为反码+1。

注意溢出的判断（参考上面的解释）。

移码：

正数与负数的移码都为补码符号位取反之后表示。

根据上述求解过程得出：

[-12]原=10001100;[-12]反=11110011;[-12]补=111110100;[-12]移=01110100;

2、已知X=（1100）2,Y=（-1101）2,用变形补码计算X+Y、X-Y，并指出是否溢出。

解题思路：

先把X，Y原码，补码求出。

并在在补码中使用两来来表示符号位进位情况。

使用两个数进行相加结果两位符号进位中出现”01”和”10”则出现溢出情况。

01为正溢，10为负溢。

减法中，可以把减数当成负数进行计算，则X-Y=X+（-Y）。

根据上述计算规则，结果：

[X]原=[X]补=001100；

[Y]原=11101；[Y]补=110010；[-Y]补=001101；

X+Y=[X]补+[Y]补。

[X]补001100

+[Y]补110010

---------------------------------

[X+Y]补111110

两个符号位出现了“11”，没有溢出。

X-Y=[X]补+[-Y]补。

[X]补001100

+[-Y]补001101

---------------------------------

[X+Y]补011001

两个符号位出现了“01”，表示正溢出。

3、用原码阵列乘法器计算X×Y，X为0011，Y为-1101。

解题思路：

先求出[X]原、[Y]原。

再求出|X|和|Y|。

|X|X|Y|。

[X]原=0011；

[Y]=11101，[Y]原=11101；

|X|=11；|Y|=1101；

|Y|X|X|=1101

X11

------------------------

1101

1101

-------------------------

100111

固[XXY]原=1100111.

简答题：

1．一个定点补码整数[N]补=XnXn-1……X0,写出补码的真值公式。

解：

[N]补的真值：

-Xn*2n-1+Xn-1*2n-2+….+X0*2n-n；

例：

[X]补=011101;[Y]补=111101；求其补码真值；

[X]补补码值为0*25+1*24+1*23+1*22+0*21+1*20=0+16+8+4+0+1=29

[Y]补补码值为-1*25++1*24+1*23+1*22+0*21+1*20=-32+16+8+4+0+1=-3

2.利用定点小数的补码真值公式，解决问题，例P62的第2题

例P62的第2题:

设[x]补=a7.a6a5….a0,其中ai取0或1，若要x>-0.5,求a0,a1,a2,…,a6的取值。

当a7=0时，无论a6~0取什么值,[x]补的真值都>-0.5;

当a7=1时，a6=1，a5~0之间至少有一个不为0.则[x]补的真值会>-0.5;

例：

[x]补=1.1110000，其真值为；

[x]补=-1*20+1*2-1+1*2-2+1*-3+0*2-4+0*2-5+0*2-6+1*2-7=-1+0.5+0.25+0.125+0+0+0+0=-0.125;

3.指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据？

从时间上讲，取指令事件发生在“取指周期”；取数据事件发生在“执行周期”。

从空间上讲，从内存读出的指令流向控制器（指令寄存器）；从内存读出数据流流向运算器（通用寄存器）。

4.提高存储器速度可采用哪些措施，请说出至少五种措施。

①采用高速器件②采用cache（高速缓冲存储器）③采用多体交叉存储器

④采用双端口存储器⑤加长存储器的字长

5.请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。

指令周期是指取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期，而一个CPU周期又包含若干个时钟周期（也称为节拍脉冲或T周期）。

6.RISC指令系统的三个重要特点是什么？

（1）选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令。

（2）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

（3）只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。

应用题

应用题

1、8K*8位EPROM芯片组成16K*16位的只读存储器，试问：

（1）数据寄存器多少位？

16

（2）地址寄存器多少位？

14

（3）共需要多少个EPROM芯片？

16K*16/（8K*8）=4

（4）画出此存储器与CPU的连接图。

解题过程：

（下同）

（1）数据寄存器位数就是就是扩充后的数据位数即16K*16位中的后一个16。

（2）即16K=214中14。

（3）D=设计要求的存储器容量/已知芯片存储容量

（4）图如上所示。

8K*8位EPROM芯片组成32K*16位的只读存储器，试问？

（1）数据寄存器多少位？

16

（2）地址寄存器多少位？

15

（3）共需要多少个EPROM芯片？

32K*16/（8K*8）=8

（4）画出此存储器与CPU的连接图。

2、指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。

（1）单字长还是双字长，单地址还是多地址

（2）OP操作码字段最多指定多少种操作

（3）寻址方式、

RS、SS、RR中的何种，寄存器个数，寻址方式个数

参考书上的例子。

P121

3.画出微程序控制器组成框图。

P158，图5.23

4．请画出中断处理过程流程图。

5.解释流水线中都有哪些主要问题，其中数据相关有哪几种，举一例说明。

写出流水线中的三类数据相关，并判断以下指令各存在哪种类型的数据相关。

P171-P172

解：

要使用流水线具有良好的性能，必须使流水线畅通流动，不发生断流。

但由于流水过程中会出现以下三种相关冲突，实现流水线的不断流是困难的，这三种相关是资源相关、数据相关和控制相关。

三类数据相关：

写后读（RAW）相关；读后写（WAR）相关；写后写（WAW）相关。

指出存在那些数据相关。

参考P172。

6.用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

指令流水线有取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、写回寄存器