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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。