计算机组成原理期末复习整理

计算机组成原理期末复习整理

 

计算机组成原理

一 计算机的基本组成

1.计算机系统指的是电子数字通用计算机系统（使用电子线路，数字式电路，功能多样）

2.一个完整的计算机系统包括两大部分：硬件系统和软件系统

计算机组成示意图：

 

3.冯诺伊曼体系结构

• 由五大部件组成：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备（以运算器为中心）

 

地址总线：包括地址总线（AB），数据总线（DB），控制总线（CB）

五大部件都是做什么的，简答一下

存储器：存放指令和数据

运算器：在控制器控制下，进行计算机和逻辑运算

控制器：对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生并发送各部件所需要的控制信号，从而使整个计算机自动，协调的工作

输入设备：将外界的信息转换为计算机能够识别的二进制代码，输入设备是给计算机输入信息的设备

输出设备：将计算机处理结果转换成人们或者其他设备能够接受的形式

计算机的层次结构

 

二、计算机系统主要的技术与性能指标（重点）

2.1字长：

选用多少个二进制位来表示一个指令称为计算机的字长

如：在32位字长的而计算机系统中，一个整数，一条指令通常用32位二进制数表示，称为一个字。运算器，存储器，数据和地址总线等通常被设计为32位

作用：字长对计算机的处理能力和运行性能有明显影响，字长较长有利于提高计算机的性能

2.2 CUP的速度

CPU主频：一秒钟提供给CPU的时钟脉冲数，通常用HZ表示。

只用主频说明其运行速度未必准确

CPU运行速度：CPU每一秒钟能够执行的指令条数

单位：MIPS（million instructions per second）

公式：MIPS=主频/CPI

要知道这个指令总的执行条数 I=T*主频/CPI  T是程序运行时间

例题：

 

2.3存储容量和读写速度

分为内存储器和外存储器两大类

内存称为主存，通常用半导体器件实现，读写速度快，价格高，容量较小，可通过CPU直接访问

外存称为辅助存储器，主要包括磁盘设备，光盘设备，磁带设备等，读写要慢的多，价格较低，容量大，外存上的信息经过操作系统成批地与内存交换

1. 1. 存储容量=存储单元个数×存储字长
   2. 单位：字节       1字节（B）=8位
   3. 度量：1K=210  1M=220   1G=230  1T=240

例题：

 

字节：64位/8=8字节

按字节寻址：2MB/8B=2^21/8

按半字节寻址：2MB/4B=2^21/4

按字寻址：2MB/8B=2^21/1

输入输出设备的出入速度：

3.计算机的组成，结构以及实现概述

好像没考点，了解一下ppt

向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到

计算机的发展经过：

第一代电子管计算机->第二代晶体管计算机->第三代集成电路计算机->第四代大规模与超大规模集成电路计算机

三、运算器(计算题看书，只记了考点)

1. 二进制/十进制/十六进制的相互转换。

2.n+1位原码、反码、补码表示的定点整数表示范围；n+1位原码、反码、补码表示的定点小数表示范围。

3.为什么引入补码？（符号位和数值位的统一，加法和减法的统一）

4.补码加减法的溢出处理。（红P41，双符号位（变形）的补码）

5.浮点数表示的基本格式（尾数符号位、阶码、尾数），为什么按照这个格式，为什么用移码表示阶码？（便于比较数值大小）

6.浮点数加减法的流程和溢出处理。（红P54—55）

7.定点补码一位乘法的两种方法。（红P46—48）

8.原码除法。

9.海明校验码的编码。（红P62-63）

10.IEEE754标准的计算。

 

四、存储器

（简答）

1.从工作原理说明SRAM比DRAM速度更快、成本更贵。（从单个存储单元的结构和读写特性方面理解、单双译码方式）

SRAM是随机存储器中的静态存储器，主要用触发器来控制，T1导通表示1,T2导通表示0，断电不会失去信息且不需要刷新，不是破坏性读出，双向译码n位地址分为行列，分别译码；DRAM是随机存储器中的动态存储器，主要由电容来控制电容有电荷表示1，无电荷表示0，读写特性是破坏性读出，需要定期刷新，分两次送行列地址。

（单个存储单元的结构我并不是很懂）

2.存储器的字扩展和位扩展。（注意数据线、地址线和片选信号和译码器的连接）

位扩展法：只加大字长，而存储器的字数与存储器芯片字数一致，对所有片子使用共同片选信号；

字扩展法：仅在字向扩充，而位数不变。需由片选信号来区分各片地址。

字位同时扩展法：一个存储器的容量假定为M×N位，若使用l×k 位的芯片(l＜M，k＜N)，需要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要(M/l)×(N/k)个存储器芯片。

3.虚拟存储器、页表、快表（TLB）。

4.Cache地址映像，尤其是组相联映像，计算地址格式以及如何提高Cache的命中率。

磁盘存储容量和数据传输率的计算。

 

五、控制器：

1.指令操作码扩展方法，为什么要扩展，扩展的原则是什么？（红P90-91）

这样不仅可以有效地缩短操作码在程序中的平均长度，节省存储器空间；而且缩短了经常使用的指令的译码时间，因而可以提高程序的运行速度。

扩展的原则：使用频度高的指令应分配短的操作码，使用频度低的指令应分配较长的操作码

指令设计：操作码+寻址模式+操作数

2.微程序控制器和硬布线控制器的设计思想以及使用于RISC还是CISC？

根据指令步骤标记线路和控制信号产生线路具体组成和运行原理的不同有两种不同的控制器设计方法：

硬布线控制器(组合逻辑控制器)：

　　 采用时序逻辑技术来实现，生成法产生控制信号。

微程序控制器：

　　 采用存储逻辑技术来实现，查表法产生控制信号。

硬布线：

• 定义：控制器的操作控制信号形成部件是由复杂的组合逻辑门电路和一些触发器构成，因此又称为组合逻辑控制器，或常规逻辑控制器。
• 基本原理：根据指令的功能、当前的时序及外部和内部的状态情况，按时间的顺序发送一系列微操作控制信号。
• 特点：速度快，设计较为繁琐、不规整，修改、扩充较难。

硬布线特点：

1. 微操作控制信号由组合逻辑电路即时产生。
2. 硬布线控制器电路设计较为繁琐、不规整。
3. 硬布线控制器非常不利于指令的修改和扩充。 现代微电子设计技术的自动化程度日益增高，极大地弥补了这个缺陷。
4. 执行速度快，节省芯片面积。

硬布线控制器多应用于RISC系统

微程序：

在计算机中，一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的，这些基本操作称为微操作(微命令)。例如，前面讲到的加法指令，分成四步(取指令、计算地址、取数、加法运算)完成，每一步实现若干个微操作。       

微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令，它含控制命令(信号)与下一条执行的微指令地址。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行这些微指令，就可以实现指令的功能。

微程序：计算机的程序由指令序列构成，而计算机每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这些微指令序列的集合就叫做微程序。

执行过程：

 

执行一条机器指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。

 

 

微程序控制器特点：

• 采用ROM存储控制信号
• 可扩展性好，兼容性易实现
• 容易实现复杂的指令系统
• 性能比较低
• 并行性不好

主要用在CISC中

3.微指令设计，控制字段（直接控制方法和字段编码方法）+地址字段（增量法与增量与下址结合方法），控存容量计算。

控制字段

微指令设计：

1. 直接控制法：直接用微指令字的一位作一个控制信号，简单且速度快，但是会使指令字变得很长
2. 字段直接编译法：把互斥的控制信号分在一组加以编码，经译码器给出控制信号，速度会稍慢，但可大大减短微指令字长度，确保互斥

地址字段

1.以增量方式产生后继微地址。

    在顺序执行微指令时，后继微地址由现行微地址加上一个增量(通常为1)形成的；而在非顺序执行时则要产生一个转移微地址。

2.增量与下址字段结合产生后继微地址

   微指令的下址字段分成两部分：

   转移控制字段BCF和转移地址字段BAF，

 BCF控制转移条件，BAF控制转移的目标地址。

   当条件成立时，微程序要转移，将BAF送μPC，否则顺序执行下一条微指令(μPC+1)。

例题：

某机字长32位，控制器采用微程序控制方式，微指令字长32位，采用水平型直接控制与字段编码相结合的微指令格式，共有微命令40个，其中10个微命令采用直接控制方式，30个微命令采用字段编码控制方式，共构成4个相斥类（各包含7个、15个、3个、5个微命令）。可测试的外部条件有4个（CF、ZF、SF、OF）。要求：

（1）设计该微指令的具体格式。

（2）控制存储器容量是多少？

 

控制存储器容量和下址字段相同

六、输入输出

1. 中断处理流程（红P233-234）

 

有软件和硬件两种办法来确定中断源：查询法和串行排队链法

2.刷新存储器

    刷新：为了得到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程称为刷新。

    刷新存储器：为了提供不断刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中，也称视频存储器，或者帧（Frame）存储器。

注：刷新存储器的存储容量由图像分辨率和灰度级共同决定，存取周期必须满足刷新频率要求。

 

灰度级：表示图像显示器中每个光点的亮暗级别或颜色种类。

灰度级别越多，表示的图像就越细腻、逼真。

 

例：分辨率为1024×1024，65536级灰度的图像，则存储容量为1024×1024×log265536=2MB。       

 

3.输入输出设备数据传送四种控制方式

1. 1. 程序查询方式；
   2. 程序中断方式；
   3. 直接存储器访问（DMA）方式；
   4. 通道与输入输出处理机（IOP）方式。

 

4.输入输出设备统一编址和独立编址的区别

统一编址：

优点：

• 指令系统中不设置专用的I/O指令，用功能很强的访存指令(如LOAD/STORE或者MOV)来访问I/O端口，通过地址来区分访问的是存储器还是I/O端口。
• 微机的读写控制逻辑较为简单。
• 外设数目或I/O寄存器数几乎不受限制。

缺点：

• I/O端口占用部分主存空间，可用主存空间减小；
• I/O端口地址译码电路复杂，译码时间较长。
• 访存指令较长，执行速度较慢；

独立编址：

优点：

• I/O端口地址不占用存储器地址空间；
• 使用专用I/O命令(IN/OUT)，指令短，执行速度快，可读性强。
• I/O端口数量不多，占用地址线少，地址译码简单，速度较快；

缺点：

• 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指令类型少，程序设计灵活性较差
• 要求处理器提供MEMR/MEMW和IOR/IOW两组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。