《计算机组成原理》复习提纲2.docx
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《计算机组成原理》复习提纲2
《计算机组成原理》复习提纲
1.VonNeumann计算机的体系结构***
1.数据表示及运算采用二进制，指令及其他非数位信息也以二进制表示
2.存储程序控制
（1）将计算机要解决的问题抽象为数学模型，并按顺序分解为解题的步骤。
（2）将计算机程序顺序存入存储器，将所需原始数据也存入存储器，这称为“程序存储”。
（3）计算机将存放在存储器中的指令逐条取出并执行，对原始数据进行加工求得最终结果。
2.VonNeumann计算机硬件基本组成***
运算器的功能是进行算术和逻辑运算，控制器是协调计算机系统各部件进行有条不紊地工作的核心部件。
存储器是计算机系统的记忆设备，主要用于存放程序和数据。
CPU包括运算器和控制器，有时还包括Cache。
CPU和主存储器一起通常又称为主机。
3.计算机系统的层次结构
可参照P9图1-2，也可如下图所示，图的右侧表示与该级有关的人员。
***4.数的真值、原码、反码、补码、移码的定义及其相互转换规则（参见第二章，要求会做实验一中的所有习题）浮点数加减法规则
***5.补码加减运算规则：
a.参加运算的操作数用补码表示；
b.补码的符号位与数值位同时进行加运算；
c.若作加，则两数补码直接相加。
若作减，将减数补码连同符号位一起按位取反，末位加1，然后再与被减数相加；
d.运算结果即为和／差的补码。
***6.用变形补码判别法判断两数加减的结果是否溢出的规则是：
a.若运算结果的两符号位相同，则不发生溢出；
b.若运算结果的两符号位相异，结果溢出，最高位表示其符号，次高位为溢出的数值，而不是符号。
7.计算机中的运算器是进行数据处理的部件。
是可以完成加、减、乘、除四则运算；与、或、非、异或逻辑运算及移位、计数、取补等运算的装置。
ALU是集多种逻辑功能和加法运算功能于一体的一套硬件，是运算器的核心。
此外，还包括有存放数据的寄存器、传送数据的内部总线以及进行数据选择的多路选择器。
原码、补码一位乘算法。
**8.程序是由一系列有序的指令构成。
指令是执行某种基本操作（如加、减、移动等）的命令。
它由一组二进制代码表示，指示计算机硬件完成指定的基本操作。
**9. 一台计算机的所有指令的集合称为该机的指令系统。
指令系统是计算机硬件的语言系统。
指令系统既为软件设计者提供最低层的程序设计语言，也为硬件设计者提供了最基本的设计依据。
因此说指令系统是软件和硬件的主要界面。
***10.一条指令应包括两个基本部分—操作码和地址码，操作码用于说明该指令操作的性质及功能。
地址码用来描述该指令的操作对象，由它给出操作数地址或给出操作数，及操作结果存放地址。
**11.操作码字段愈长，可以安排的操作种类愈多。
或者说操作码的位数决定了指令系统的规模。
简单地讲，假若个计算机指令系统需要有N条指令，操作码的二进位数为n，则应满足
关系式:
N≤2n
操作数地址字段如果表示的是操作数的直接地址，显然这个字段愈长，其地址的范围就愈大。
简单地说，操作数地址字段的位数决定了可以访问的内存的规模。
如果操作数地址字段包含有寻址方式信息，该字段愈长可提供不同的寻址方式愈多，带给程序没计者的选择也愈多。
12.指令中包括的地址码字段有：
①操作数的地址，用以指明操作数的存放处。
②操作结果的地址，用于运算结果的存放。
**13.指令格式设计的准则：
（1）指令功能完备性与有效性的统一:
在满足操作种类、寻址范围和寻址方式的前提下，指令尽可能短。
（2）指令格式设计中的规整性:
指令长度应为字节的整数倍。
这样可以充分利用存储空间并增加访问内存的有效性。
（3）在设计系列机时，保证指令系统的兼容性：
新型的计算机指令系统包括老型号机器的所有指令，使得在老型号机器上运行的所有软件都可不加任何修改地在新机器上运行。
***14.由指令中提供的形式地址演变为有效地址的方法称为寻址方式。
各种寻址方式的含义（参见4.2.5节，要求当给定一条机器汇编语言指令及其功能说明后，能指出该指令有哪几个操作数，各操作数所在的位置及其寻址方式并能计算操作数的具体地址）
**15.按功能分类，各种常见的指令类型（P93—95）
逻辑运算功能设定、寄存器的设置、CPU内部数据通路的宽度和结构等。
（3）指令流程设计根据CPU的硬件设置和结构，确定各类指令的指令流程，并考虑各类指令的共性,在不影响功能、速度的原则下考虑将其共同部分尽量统一。
（4）控制器的设计控制器有组合逻辑控制和微程序控制两种方式。
若采用组合逻辑控制方式，需要设计控制器的时序系统，并把指令流程中的每一个微操作落实到某个确定的时序中，同时尽量考虑其规整性。
若采用微程序控制方式，就要考虑微指令的格式设计，以及与每条机器指令所对应的微程序的设计。
**16.控制器是协调计算机系统各部件进行有条不紊地工作的核心部件。
***17.控制器由下列部件组成：
（1）指令寄存器IR（InstructionRegister）用来存放由内存取出的指令。
在指令执行过程中指令一直保存在IR中。
指令是控制器工作的依据，IR内容的改变就意味着一条新指令的开始。
（2）程序计数器PC（ProgramCounter）用来存放即将执行的指令的地址，具有计数器的功能。
当程序开始执行时，PC内装有程序的起始地址。
当程序顺序执行时，每执行一条指令，PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数（这就是为什么称为程序计数器的原因）。
当程序转移时，转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值，此PC值就是转去的地址，以此实现转移。
（3）时序部件用于产生计算机系统所需的各种时序（定时）信号。
（4）程序状态字寄存器PSW（ProgamStatusWord） PSW用来存放两类信息：
一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息。
（5）微操作形成部件根据IR的内容（指令），PSW的内容（状态信息）以及时序线路三方面的内容，由微操作控制形成部件产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号（也称微命令成微操作）。
微操作形成方式有组合逻辑和微程序两种方式，其形成部件的结构也大不相同。
很据微操作的形成方式可将控制器分为组合逻辑控制器和微程序控制器两大类。
***18.指令执行基本过程（很重要）
任何指令执行过程中，都有取指令和执行指令两个最基本的指令执行过程，若指令涉及的操作数存放于内存，还应包括有取操作数阶段。
（1）取指令阶段
取指令操作对所有指令都是相同的。
它是将程序计数器PC的内容作为地址去读内存，将该单元的内容即指令读出送往指令寄存器IR。
同时PC的内容自增，指向下一条指令，也就是说取指令是一次内存的读操作。
（2）取操作数阶段
由于寻址方式的不同（直接、间接、基址，相对、变址等），取操作数的过程也大不相同。
取操作数是一次或多次内存的读操作，还可能包括操作数地址的计算（如变址、基址、相对等）。
（3）执行指令阶段
执行指令是根据指令操作码对操作数实施各种算术、逻辑及移位操作。
对于结果地址在内存的，还应包括一次内存的写操作。
对于转移指令或子程序调用及返回等指令，应对PC的内容进行更断。
19.指令周期,CPU周期，节拍周期，节拍脉冲
（1）指令周期顾名思义，指令周期就是执行一条指令所需的时间，从取指令开始到执行结束。
由于指令的功能不同、难易不同．所需的执行时间也不同。
（2）CPU工作周期CPU周期是根据指令执行的基本过程划分的。
根据指令执行的各个阶段将一个指令周期划分为取指令周期，取操作数周期和执行周期三个CPU周期。
CPU周期也常称为机器周期。
一般取从主存中读取一个数据字的最长时间。
（3）时钟（节拍）周期节拍周期是完成CPU内部一些最基本操作所需的时间。
一个CPU周期可能包括几个节拍周期。
（4）定时脉冲定时脉冲通常作为触发器的打入脉冲与节拍周期相配合完成一次数据传送。
20.根据是否有统一的时钟，控制方式可分为同步控制方式、异步控制方式和准联合控制方式。
（按照课件）
1.同步控制方式
所谓同步控制方式，就是系统有一个统一的时钟，所有的控制信号均来自这个统一的时钟信号。
同步控制方式的优点是时序关系比较简单，控制逻辑在结构上易于集中，设计简单。
2.异步控制方式
异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络。
3.联合控制方式
当CPU进行内存的读写操作或进行I/O设备的数据传送时，是按同步方式插入一个时钟周期或几个时钟周期，直到内存或I/O设备的应答信号到达为止。
联合控制方式是CPU进行内存的读写操作和I/O数据传送操作通常采用的方式，较好的解决了同步与异步的街接问题。
21.计算机的设计大致需要经过以下几个基本步骤：
（l）指令系统设计指令系统的设计要根据计算机的用途，考虑到完备性、有效性、规整性准则。
a．完备性指任何所需要的功能都可由一条或若干条指令实现。
b．有效性指完成某一功能所用指令少（占用空间少，运行速度快）。
c．规整性指指令格式统一规整。
（2）数据通路的设计根据指令的功能、希望达到的运行速度以及价格等设设计目标，确定CPU硬件线路，这包括运算器的宽度、算术运算、
22.组合逻辑控制器的设计步骤：
（1）将各指令的CPU周期的微流程用微操作表示；
（2）将指令微流程中各个微操作落实到具体的CPU周期、具体的节拍周期或节拍脉冲；
（3）对于指令流程中的每一个微操作，用一个逻辑与或表达式表示；（4）用组合逻辑器件实现得到的与或表达式。
23.微程序控制的思想：
将一条指令的执行过程替换成一条条微指令的读出和控制的过程。
其优点是使得控制器的设计变得容易，控制器的结构规整，查错容易。
若要扩充指令功能或增加新的指令，只要修改被扩充的指令的微程序或重新设计一段微程序就可以了，与其他指令不发生任何关系，大大简化了系列机的设计。
但因为每一条指令的执行都意味着若干次存储器的读操作，使得指令的执行速度要比组合逻辑方式明显减慢。
***24.微程序控制器的组成（参见P146）（很重要）红字
（1）控制存储器CMCM是微程序控制器的核心，存放着与所有指令对应的微程序。
由于微程序执行时只需要读出，不能写入，因此CM为ROM器件，而且，为了弥补微程序控制器速度慢的缺点，CM通常选择高速器件。
（2）微地址寄存器μAR当读取微指令时，用来存放其地址（相当于主存MAR）。
（3）微指令寄存器μIR用来存放由CM中读出的微指令（相当于控制器中的IR）。
微指令由两部分组成，一部分为微命令字段，这部分经过译码（或不译码）产生CPU所需的所有微操作控制信号；另一部分给出与下条微指令地址有关的信息，用以指导下条微指令地址的形成。
（4）微地址形成线路它依据指令寄存器IR中的操作码和寻址方式，微指令寄存器μIR的次地址NA（NextAddress）字段提供的次地址，外部复位信号Reset，以及程序状态字PSW中的有关信息（在条件转移时将起作用），产生微指令的地址。
（5）时序部件提供时序信号，与组合逻辑方式相比，微程序控制方式的时序要简单得多，它的基本单位是微周期。
微周期是指由控存CM中读出一条微指令并执行完成所用的时间。
指令周期由若干个微周期组成。
25.微地址的形成有以下几种情况：
（1）取指阶段所有指令对应的微程序的首地址都相同，都是从CM的固定单元取出第一条用于取指令的微指令。
（2）取数阶段在微程序的取数阶段，主要根据寻址方式确定微程序的流向。
（3）执行阶段 在微程序的执行阶段，应根据操作码确定各自执行阶段微程序的入口。
（4）微程序的最后一条微指令的次地址NA字段指向控存CM的取指令单元，又开始了下一条指令（下一段微程序）的执行。
***26. 几个基本概念
微指令体现微操作控制信号及执行顺序的一串二进制编码，称作微指令。
其中，体现微操作控制信号的部分称为微命令字段，另一部分体现微指令的执行顺序，称为次地址NA字段。
微命令与微操作 实现某种基本操作的控制信号称为微命令，由微命令控制实现的最基本操作称为微操作。
微程序 用以控制一条指令执行的一系列排列有序的微指令，称为微程序。
***27.微指令编码方式一般有三种：
1.直接控制方式
这种方法是对机器中的每一个微命令都用一个确定二进制位予以表示，该位为1，表示选用该微命令；为0表示不选用。
这种方式简单、直观，只要读出微指令，便得到微命令，不需要译码，因此速度快，而且多个微命令位可以同时为1,并行性好。
但这种方式最致命的缺点是微指令过宽。
2.分段编码控制法
所谓分段编码控制法，就是把微指令分段，称为字段，把互斥的微命令编在同一字段，而把相容的微命令编在不同的字段。
各字段独立编码，每种编码代表一个微命令；分段编码控制法法可以有效地缩短微指令字长，而且可根据需要保证微命令间相互配合和一定的并行控制能力，是一种最基本、应用最广泛的微命令编码方法。
按明显的互斥命令分段（属于同一部件或同一类的微命令），这种微命令编码称为“水平型微指令”。
这种方法字段含义明确，便于设计和查错。
当指令功能扩充或增加新的指令时，也可十分方便地修改或设计新的微程序，但微指令字包含的字段较多，使得微指令字较宽，信息利用率较低。
将互斥的微命令尽可能编入同一字段，这种微命令编码一般称为“垂直型微指令”。
这种方法可最大限度地减少微命令所包含的字段数，有效地缩短微指令宽度，但各字段含义不十分明确，微指令设计时需要仔细查看所有指令流程以确定微命令之间的相容或互斥关系，当增加或扩充新的机器指令时，同样需要仔细地查看和考虑新增加或新扩充的指令是否影响了原有的相容或互斥关系。
3.分段间接编码方式
在这种方式中，一个字段译码后的微命令还需要由另一字段的微命令加以解释，才能形成最终的微命令。
其优点是可有效减少微指令字长宽度，使得微指令中的字段进一步减少，编码的效率进一步提高，缺点是有可能使得微指令的并行能力下降，并增加译码线路的复杂性，这都意味着执行速度的降低。
28.微地址产生方式
1.顺序方式
当微指令的微地址连续时应当采用顺序方式，可以像程序中使用PC那样，使µAR内容加一，指向下一条微指令。
这时次地址NA将无意义。
当然，若将次地址NA设置为下一条微指令地址，使次地址控制为无条件转移同样也是顺序执行，尽管形式上为无条件转移。
2.无条件转移
当微指令的地址不连续时采用无条件转移，这时转向地址由次地址NA字段指明。
而次地址控制字段NAC指明下地址产生方式为无条件转移。
有时，无条件转移还附加一些状态或条件。
例如准备好信号READY=1时才将次地址NA指明的转向地址送入μAR。
3.条件转移
当需要根据某个条件的成立与否选择执行不同的微指令序列时，由条件转移方法实现。
即当某条件成立时，转向由次地址NA字段指明的微地址，反之则选择μAR+1，顺序执行。
条件转移中的条件通常由次地址控制NAC字段予以说明。
4.多分支转移
当微程序执行到某些点需要根据某些情况执行三种及三种以上不同的微操作时，靠多分支转移实现。
转向地址可由逻辑网络实现，也可用ROM实现（以操作码OP为ROM地址，以转向地址为ROM内容）。
再如次地址控制NAC字段的5#控制是根据指令寻址方式实现多分支来转移。
靠寻址方式的不同编码实现不同的分支。
5．微地址寄存器首地址的产生
任何指令的执行必须从取指令开始，因此应使μAR的起始地址为取指令微程序段第一条微指令的地址，比如控存CM的1#单元。
这可由开机时CPU的复位命令Reset将μAR置为1。
29.主存储器的基本组成及各部分的作用（P176）***（很重要）
主存储器的组成如图，主要包含：
（1）贮存信息的存储矩阵。
这是一个由基本存储单元排列起来的存储阵列。
（2）寻址机构。
包括地址寄存器（MAR）和地址译码器。
地址寄存器起地址缓冲作用，地址译码器用于从2n个单元中选出一个。
（3）数据缓冲器。
它是存储器暂存输入数据和输出数据的器件，在数据传送中起数据缓冲作用。
（4）读/写控制电路。
接受CPU发来的相关控制信号，以控制数据的输入/输出。
主存储器通过地址总线、数据总线和控制总线和CPU相连。
30.存储器分类（可参考P168页起内容）
（l）按存储介质存储器可分为：
a．以磁性材料为存储介质的磁存储器。
b．电子介质的半导体存储器。
C．光介质的激光存储器。
（2）按用途及与中央处理机CPU的关系,存储器可分为：
a：
主存储器MM（MainMemory）简称主存，又称内存储器（IntenalMemory），简称内存。
它用来存放计算机运行期间要执行的程序与数据。
CPU可直接读、写主存储器中的单元。
从结构上看，主存直接与CPU相联系。
目前主存主要由CMOS半导体集成电路组成，按随机存取方式工作。
b．控制存储器CM（ControlMemory）。
对采用微程序控制的CPU，控存是存放控制信息，即存放微程序的存储器，它由高速只读存储器ROM构成，在结构上控存属于CPU。
c．高速缓冲存储器（Cache）。
它用来存放主存中最活跃部分（正在执行的程序和正在使用的数据）的副本，以解决主存速度的不足，它也是按地址进行随机存取，由TTL（Transistor-transistorLogic），ECL（EmitterCoupledLogic）等高速半导体存储器件构成。
d．外存储器（ExternalMemory），也称辅助存储器。
它用来存放当前不参与运行的大量信息．当需要用这些信息时，CPU要先调入主存后，才能使用。
外存的特点是：
比主存容量大，价格低，但速度也慢。
磁盘、磁带和光盘是目前常用的外存储器。
（3）按寻址方式存储器又可分为：
a．随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）。
若能对任一存储单元（不论这个被访问的单元在什么位置）进行访问而且读写时间都是相同的（即读写时间与存储单元的位置无关），这种存储器就称“随机存取存储器”。
主存储器、控制存储器及高速缓存都是由随机存取存储器构成的。
b.顺序存储器SAM（SerialAccessMemory）。
只能顺序读写存储单元的存储器称为“顺序存储器”。
磁带是典型的顺序存储器，只有被访问的单元通过固定的读／写头时，才能读写它，所需要的读写时间取决于该单元与读／写头的相对位置。
处于不同的位置，所需的读写时间是不同的。
在SAM中，一般只能用平均读写时间作为使用参数。
顺序存储器最大的优点是：
不同的存储单元可以共享同一套读写线路，所以结构简单。
c.直接存储器DAM（DirectAccessMemory）。
磁盘即属此类存储器，它的寻道过程可看作随机方式，而在一圈磁道上是按顺序存取的，是介于前两类之间的一类存储器，因为它是对一个小的区域—扇区直接寻址，故称“直接存储器”。
（4）按读写功能存储器分为：
a.读写存储器RWS（Read/WriteStorage），既能读出，又能写入的存储器。
b.只读存储器ROM（ReadOnlyMemory），只能读出，不能写入的存储器。
31.存储器的主要性能指标（P173-P174）***
1.存储器容量
存储容量是指存储器所能容纳的二进制信息总量，通常以字节表示。
常用单位有字节B（Byte），千字节KB（KiloByte），兆字节MB（MegaByte）和吉字节GB（GigaByte）为单位，1KB＝210Byte，1MB=220Byte，1GB＝230Byte。
2.存储器速度
（1）存取时间从存储器读取一次信息（或写入一次信息）所需要的时间，称为“存取时间”，记为tA。
存取时间tA对随机存储器一般是指：
从CPU发出读命令起，到所要求的读出信息出现在存储器输出端为止所需要的时间。
存取时间取决于存储介质的物理特性及所使用的读出机构的特性。
（2）存储周期存储器进行一次完整的读写操作所需的全部时间，称为“存取周期”。
或者说，存取周期是指两次连续的存储器操作（如两次连续的读操作）之间所需要的最小时间间隔，用tm表示。
存取周期往往比存取时间要大。
如动态RAM存储器，在每次读操作时，原存信息被破坏，必须把读出信息重新写入原来单元加以恢复，使得存取周期tm等于读数时间与写入时间之和。
即使对那些不需要重写（非破坏性读出）的半导体存储器，也还需要有一段“复原时间”，使存储器恢复稳定的内部状态，才能有把握地对存储器进行下一次访问。
对任何一种存储器，在读或写操作之后，总会有这段内部状态的恢复时间（或称稳定时间），因而总有tm>tA。
（3）存储器带宽单位时间内存储器可读写的字节数（或二进制的位数）称为存储器的带宽，记作Bm。
（带宽除了与存储周期有关外，还与存储器一次可读写的二进制位数有关，若存储器的字长为W位，则Bm=W／tm。
带宽Bm反映的是存储器的数据吞吐速率。
常称为存储器的“数据传输率”。
通常以bit/s或B/s为度量单位。
）***要会算，不要背！
3．存储器可靠性
一般是指存储器对外界电磁场及温度等变化的抗干扰能力。
一般用平均故障间隔时间来衡量。
4．价格（成本）
这包括信息存储单元本身的成本和必须的外围电路的成本。
设S是存储容量，C为整个存储器的价格，则存储器的成本c为c=C／S元/位。
32.静态RAM和动态RAM的主要特点***
静态RAM是基于触发器的原理存储信息的，信息的读出是非破坏性的，只要不断电，信息就不会丢失，不需要刷新，存取速度较快，价格较高，通常用于Cache等要求高速存取的存储器中；动态RAM是靠电容存储电荷的原理存储信息的，信息的读出是破坏性的，即使不断电，信息也会逐渐丢失，因此需要定期刷新，存取速度较慢，集成度高，价格较低，通常用于组成主存储器。
（背）
33．ROM的作用及种类
（一）ROM的应用
（1）存放软件。
把ROM作为主存的一部分存放一些常用程序，这样可以减少RAM的容量，降低主存成本。
如存放管理程序，高级语言的编译程序，引导程序，固定子程序及数据表格等。
（2）存放微程序。
用作CPU的控制存储器，存放执行指令所需要的微操作控制信号。
（3）存放特殊编码。
如用作CRT显示器中的字符发生器，汉字库等。
（二）ROM的种类
掩模只选存储器MROM：
由生产厂生产的存有固定信息的ROM（MaskedReadOnlyMemory），用户只能选用而无法修改原存的信息。
一次性编程只读存储器PROM：
一种封装后可编程序（可写入信息）的半导体只读存储器。
存储的初始内容是全“0”或全“1”，由用户根据自己的需要，用过载电压来写入信息，但只能写一次。
可改写的只读存储器EPROM：
是一种可多次改写的ROM，一般可重写数十次。
一般指“紫外线擦除电可编程只读存储器”。
电可改写只读存储器E2PROM和闪存
E2PROM是指可加高压擦除的只读存储器，即电可改写（重编程）的PROM（ElectricallyErasablePROM）。
“闪存”具备RAM（可随机读写）与ROM（随机
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