2020計算機組成原理期末復習

第一章

1:了解計算機組成及分類

 電子計算機從總體上來說分為兩大類:電子模擬計算機和電子數字計算機。

1）電子模擬計算機的特點是數值由連續量來表示,運算過程也是連續的。 

2）電子數字計算機的主要特點是按位運算,並且不連續地跳動計算。 

數字計算機可分為 專用計算機和 通用計算機，是根據計算機的 效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性來划分的。

• 通用計算機分為： 超級計算機（Supercomputer）， 大型機（Mainframe）， 服務器（Server），PC機， 單片機（Single-Chip Computer），多核機6 類，其區別在於 體積、復雜度、功耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統規模和價格

– 馮 · 諾伊曼體系結構

• 主要特點： 使用二進制數和存儲程序

• 設計思想： 存儲程序並按地址順序執行

• 把程序及其操作數據 一同存儲

• 馮 · 諾伊曼計算機具有 5 大部件

– 控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備

2:了解指令和程序概念及相互關系

每一個基本操作稱為一條 指令，而解算某一問題的一串指令序列，稱為 程序。

存儲器所有存儲單元的總數稱為存儲器的 存儲容量。

每個存儲單元都有編號，稱為 單元地址。

如果某字代表要處理的數據，稱為數據字。如果某字為一條指令，稱為 指令字。

3:熟悉計算機發展簡史（特別是我國計算機發展過程)

我國計算機發展：1958年   我國第一台電子管計算機

        1964年         我國第一台晶體管計算機

        1971年    我國第一台集成電路計算機

        1983年   我國第一台億次巨型電子計算機誕生了

        2016年  “神威·太湖之光”世界上首台運算速度超過十億億次的計算機 

第二章

1:掌握二進制(B)，八進制(O)，十進制(D)，十六進制(H)的轉換及表示

一、概念

數制：也稱為計數制，=固定的符號+統一的規則。

進位計數制：是數制的一種，描述滿幾進1的一種計數規則。常用的進位計數制有：十進制、二進制、八進制、十六進制。

數碼：用來表示數制的符號。

基數：數碼的個數。

位權：某一位所處位置的價值（R^n-1）。

位進制	二進制	八進制	十進制	十六進制
規則	逢2進1	逢8進1	逢10進1	逢16進1
基數	2	8	10	16
數碼	0,1	0，1,2…，7	0，1,2…，9	0,1,2…，9  A,B,C,D,E,F
位權	2i-1	8i-1	10i-1	16i-1
表示形式	1011B (1011)2	145O (145)8	145D (145)10	15EH (15E)16

二、進制轉換（自行復習進制的加減法）

1.R進制轉十進制

         方法：乘權求和法

2.十進制轉R進制

方法：整數：輾轉相除，反向取余。

小數：輾轉相乘，正向取整。

3.二進制 ó 八/十六進制

方法：分組法

4.十進制轉換成二進制

         方法：分兵點將法。

5.兩個結論

         2ⁿ轉成二進制是100000…（n個0）

         2^n-1轉成二進制是111111（n個1）

1.1原碼、反碼、補碼

         原碼反碼補碼通常用八位二進制表示，其中第一位表示符號位，其他位表示數值位，其中符號位中，用1表示負，0表示正。

         正數：[X]_原 = [X]_負 = [X]_補

         負數：反碼為原碼的符號位不變，其余位相反。

                     [X]_補 = [X]_反 + 1

負數的補碼為原碼最后一位有效位之前取反，符號位和該位（含自身）之后的不變

2:了解計算機中定點二進制運算器中，減法運算如何實現

• 從 [ ｙ ] 補 求 [- ｙ ] 補 的法則 ：

對[ｙ]補包括符號位“求反且最末位加1”，即可得到[-ｙ]補

3:掌握溢出相關概念及檢測方法，和奇偶校驗作用（可能會考計算題)

溢出概念

• 兩個正數相加 , 結果 大於機器所能表示的最大正數 , 稱為 正溢

• 兩個負數相加 , 結果 小於機器所能表示的最小負數 , 稱為 負溢

溢出檢測方法

• 雙符號位法 （變形補碼、模 4 補碼）

– 如果兩個數相加后，其結果的 符號位出現“ 01” 或“ 10” 兩種組合 時 , 表示 發生溢出

– 最高符號位永遠表示結果的正確符號

2、單符號位法

校驗碼

檢測和糾正計算機處理信息中的錯誤

• 元件故障、噪聲干擾等各種因素常常導致計算機在處理信息過程中出現錯誤

• 為了防止錯誤 , 可將信號采用專門的邏輯線路進行編碼以 檢測錯誤 , 甚至 校正錯誤

• 通常的方法是 , 在每個字上添加一些校驗位 , 用來確定字中出現錯誤的位置

• 計算機中常用這種 檢錯 或 糾錯 技術進行存儲器讀寫正確性或傳輸信息的檢驗

• 最簡單且應用廣泛的檢錯碼是采用 一位校驗位 的奇校驗或偶校驗

奇偶校驗

• 只有當ｘ中包含有 奇數個 1 時 , 奇校驗位 C=0

• 只有當ｘ中包含有 偶數個 1 時 , 偶校驗位 C=0

• 奇偶校驗可提供 奇數個錯誤檢測 , 但 無法檢測偶數個錯誤 , 更 無法識別錯誤信息的位置

4:變形補碼計算二進制加減法中的運用

5:掌握浮點數的表示方法

IEEE754標准

S數的符號位，1位，在最高位，“0”表示正數，“1”表示負

數。

M是尾數，23位，在低位部分，采用純小數表示

E是階碼，8位，采用移碼表示。移碼比較大小方便。

6:原碼乘法相關概念（書中36頁)

第三章

1:高速緩沖存儲器的作用

解決CPU和主存之間速度不匹配

高速緩沖存儲器主要是用來在內存和CPU之間作個數據緩沖的橋梁，因為CPU的處理速度是所有計算機硬件中最快的，內存轉換的速度跟不上CPU的處理速度，需要有個緩沖區域。

• 存儲器分級結構中應解決的問題：

– 當需從輔存中尋找指定內容調入主存時，如何准確定位？

• 依靠相應的輔助軟硬件。

– 當 CPU 訪問 cache ，而待訪問內容不在 cache 中時，應如何處理？

• 從主存向 cache 中調入相應內容。

• 以上過程均由操作系統管理。

2:掌握存儲器的地址線和數據線的條數計算

– 某機存儲容量為 2K×16 ，則該系統所需的地址線為  11  根，數據線位數為  16   根。

3:掌握cache的替換策略及cache的寫操作策略    P100-101

cache的替換策略

LFU（最不經常使用 ）：將近一段時間內被訪問次數最少的那行換出。

    方法：被訪問的行計數器增加1，換值小的行，不能反映近期cache的訪問情況， 

LRU（近期最少使用） ： 將近期內長久未被訪問過的行換出。

    方法：被訪問的行計數器置0，其他的計數器增加1，換值大的行。

隨機替換：從特定的行位置中隨機地選取一行換出即可。

cache的寫操作策略

4:掌握存儲器的字擴展和位擴展    P68-69

存儲芯片的字位擴展

• 擴展方法

– 先進行位擴展，形成滿足位要求的存儲芯片組；

– 再使用存儲芯片組進行字擴展。

5:了解RAM和ROM的功能及特點    P64

（1）RAM和ROM的區別

①RAM：random access memory  隨機存儲器，特點：既能讀又能寫，是程序運行的地方，斷電后數據全部丟失，也被稱為易失性存儲器。

②ROM：read only memory  只讀存儲器，特點：只能讀不能寫，存放BIOS的地方，斷電后數據不丟失，也被稱為非易失性存儲器。

cache相關計算 P93

N _c為cache完成的存取的總次數，N _m為主存 完成的存取的總次數

t _c 表示命中時的cache訪問時間，t _m表示未命中時的主存 訪問時間，1-h表示未命中率（缺失率）

h = (ta -tm)/(tc-tm)

設計主存地址

注意此題的主存容量大小是4k個塊乘以128字

cache與虛存的異同

(1)出發點相同(2)原理相同

(3)側重點不同(4)數據通路不同(5)透明性不同(6)未命中時的損失不同

第四章

指令系統基本概念

指令：就是要計算機執行某種操作的命令。從計算機組成的層 次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。

微指令是微程序級的命令，它屬於硬件；

宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬於軟件；

機器指令：介於微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一 條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。

一台計算機中所有機器指令的集合，稱為這台計算機的指令系 統。

1:RISC和CISC的相關知識點

• 復雜指令系統計算機 ( CISC ) 與精簡指令系統計算機（ RISC ）

為什么會出現CISC到RISC的轉變？

– 2/8 規則： 20% 的指令是常用指令，但在程序中出現的頻率卻占到 80%

– 為了降低控制器設計難度

• 一個完善的指令系統應滿足如下四方面的要求：

– 完備性

– 有效性

– 規整性

– 兼容性

2:指令的格式及分析指令的格式特點（書中126頁例題4.2-4.3)

• 指令格式

– 指令字用二進制代碼表示的結構形式，通常由操作碼字段和地址碼字段組成

– 操作碼 字段表征指令的 操作特性與功能

– 地址碼 字段通常指定參與操作的 操作數的地址

3:指令在計算機中的存放形式

二進制

第五章

1:了解CPU基本組成和各部分功能

運算器,控制器,Cache組成

2:掌握運算器和控制器的組成及其各部分功能部件的作用

P146-148

•控制器

– 由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成

– 完成 協調和指揮 整個計算機系統的操作

– 控制器的主要功能有：

1)從內存中取出一條指令，並指出下一條指令在內存中的位置

2)對指令進行譯碼或測試，並產生相應的操作控制信號，以便啟動規定的動作

3)指揮並控制CPU、內存和輸入/輸出設備之間數據流動的方向

•運算器

1）由算術邏輯單元(ALU)、通用寄存器(累加寄存器)、數據緩沖寄存器和狀態條件寄存器組成

2）是數據加工處理部件

3）運算器接受控制器的命令而進行動作，是執行部件

運算器有兩個主要功能：

(1)執行所有算術運算

(2)執行所有邏輯運算

寄存器

1.數據緩沖寄存器（DR）

• 數據緩沖寄存器：暫時存放從數據存儲器讀出的數據或者存放來自外設的數據或者存放 ALU 運算結果。

2.指令寄存器（IR）

• 指令寄存器用來 保存當前正在執行的一條指令

3.程序計數器(PC)

保證程序能夠連續地執行下去，確定下一條指令的地址

4.數據地址寄存器(AR)

• 保存當前 CPU 訪問的數據 Cache 單元地址。

5.通用寄存器(R0～R3)

• 通常簡稱為累加器，它是一個通用寄存器 （ R0-R3 ）。

• 其功能是：當運算器的算術邏輯單元 (ALU) 執行算術或邏輯運算時，為 ALU 提供一個工作區， 暫時存放 ALU 運算的結果信息

6.程序狀態字寄存器(PSWR)

• 狀態條件寄存器保存由算術指令和邏輯指令運行或測試的結果建立的各種 條件碼 內容，這些 標志位 通常分別由 1 位觸發器保存

• 狀態條件寄存器還保存中斷和系統工作 狀態 等信息

• 因此，狀態條件寄存器是一個由各種 狀態條件標志 拼湊而成的寄存器

3:掌握計算機是如何區分指令和數據的

通過不同的時間段來區分指令和數據，即在取指令階段（或取指微程序）取出的為指令，在執行指令階段（或相應微程序）取出的即為數據。如果通過地址來源區分，由PC提供存儲單元地址的取出的是指令，由指令地址碼部分提供存儲單元地址的取出的是操作數。

4:掌握微程序控制器的相關概念及機器指令和微指令，微程序的關系

微程序控制器    P163

優點：規整性，靈活性，可維護性

• 基本思想：仿照解題的方法，把操作控制信號編制成微指令，存放到控制存儲器里，運行時，從控存中取出微指令，產生指令運行所需的操作控制信號。

微程序設計技術是用軟件方法來設計硬件的技術。

微命令和微操作

• 微命令 ：控制部件向執行部件發出的各種控制命令叫作微命令，它是構成控制序列的最小單位。

• 微操作：是微命令的操作過程。

– 微命令和微操作是一一對應的。

– 微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。

– 微操作是執行部件中最基本的操作。

微指令和微程序

– 微指令 ：指在同一 CPU 周期內並行或並發執行的微操作控制信息集合。 它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的 控制存儲器中。

- 微程序： 一系列微指令的有序集合就是微程序。 一段微程序對應一條指令 。

• 微地址：存放微指令的控制存儲器的單元地址

機器指令與微指令的關系

– 機器指令 （通常簡稱為指令）： 介於微指令與宏指令之間，每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作

• 1. 一條機器指令對應一個微程序

• 2. 指令、程序、地址與內存有關，微指令、微程序、微地址與控制存儲器有關

• 3. 每一個 CPU 周期對應一條微指令

5:了解時序電路的作用

時序電路具有記憶功能

 CPU中的控制器用它指揮機器的工作

 CPU可以用時序信號/周期信息來辨認從內存中取出的

是指令（取指）還是數據（執行）

 一個CPU周期中時鍾脈沖對CPU的動作有嚴格的約束

 操作控制器發出的各種信號是時間（時序信號）和空

間（部件操作信號）的函數。

第六章 P189

1:掌握總線的定義及總線的分類及作用

定義： 總線是 構成計算機系統的互聯機構，是多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通路。

分類：

• 內部總線 ： CPU 內部連接各寄存器及運算器部件之間的總線。

• 系統總線 ：外部總線。 CPU 和計算機系統中其他高速功能部件相互連接的總線。

•I/O總線： 中低速I/O設備相互連接的總線。

作 用：

借助於總線連接，計算機在各系統功能部件之間實現地址、數據和控制信息的交換，並在爭用資源的基礎上進行工作。  

2:系統總線的定義及其特性

• 總線的特性可分為：物理特性、功能特性、電氣特性、時間特性。

第八章

1:掌握DMA的定義和功能    P260

定義： 直接內存訪問(DMA),是一種完全由硬件執行 I/O 交換的工作方式

功能： 不需要經過CPU進行數據傳輸

2:DMA的數據塊傳送的分類

1、停止CPU訪問內存

2、周期挪用方式

3、DMA與CPU交替訪問