引子

回顾一下上学期末做的用FPGA设计CPU的课程设计。
大纲都在李明老师的电子设计自动化课程设计。

什么是指令？

下达任务的信号，系统接收到信号以后就应该去执行这个任务（执行指令）。
包含操作码+操作数。

指令集

下达某项或简单或复杂的任务的信号的集合：一条指令完成简单的任务就是精简指令，精简指令的集合叫精简指令集RISC,Reduced。一条指令完成复制的任务就是复杂指令，复杂指令的集合就叫复杂指令集CISC,Complex。

可以看下下面的指令，每个指令完成一些简单的任务。

LDA: data from memory to alu : get memory,send to alu
human: LDA 11
machine: 000 01011
mean:将memory中地址编号为11的数据传给alu的累加器a[7…0]中
brief： a[7…0]=mem[11] 8bit
STA: data from alu to memory:
human: STA 11
machine: 001 01011
mean:将alu的累加器a[7…0]中的数据传给memory中地址编号为11的8个bit
brief： mem[11]=a[7…0]

ADD: data from memory to alu ,then alu calculate.
human: ADD 12
machine: 010 01100
mean:将memory中地址编号为11的数据传给alu的累加器中
brief： a=a+ mem[12]
其它不解释了，耐心看下很好理解。

一个小栗子

举一个加法例子mem[11]+mem[12]mem[13]
用这些指令我们就可以完成一个加法：’b10101010+’b01010101.
(1) 把mem[11]存储的数据放到a里
(2) 把mem[12]的数据通过ALU和a计算，计算结果放入a
(3) 把a中存储的结果放到mem[13]里-----这样我们就可以再把mem[11]&mem[12]的结果放到mem[14],把mem[11]-mem[12]的结果放到mem[15]里

计算机组成+CPU组成

计算机本质上无非就做了两件事：取指令，执行指令。
先说取指令：
在哪取？From where?指令总有个存储的地方吧，这就是主存储器的功效了。
取到哪？To Where?取到的指令：要放到解码器（暂且可以理解为IP------指令寄存器）去分解成操作码+操作数。
依据啥？According to what?PC，又叫指令地址寄存器，存放了即将执行指令的地址。
再说执行指令：取到的指令在解码器中被分解成操作码+操作数。操作码放到controller 控制器，操作数；操作数根据操作码被controller解析觉得是让PC中存储的指令的地址跳转，或者作为ALU的一个立即操作数的数据的地址。
小结：
CPU在结构上分为存储单元（PC+IP+其它寄存器（在这个课设中stack memory勉强算吧））、控制器(controller)、运算器（ALU）。
计算机的五大组成部分：运算器+控制器+存储器+输入+输出。他这里的存储器包含寄存器+高速缓存+内存+外存。

计算机组成原理知识的堆砌，慢慢消化

一些计算机组成原理当中经常出现的问题？
第1章：计算机系统概论
1:计算机系统由哪两部分组成？计算机系统性能取决于什么？
2、计算机系统5层层次结构从下到上由哪五层组成？哪些是物理机，哪些是虚拟机？
3、在计算机系统结构中，什么是翻译？什么是解释？
4、什么是计算机体系结构？什么是计算机组成？以乘法指令为例说明二者区别。
5、冯诺依曼机器的主要特点？
6、画出现代计算机的组成框图。
7、什么是存储单元、存储字、存储字长、存储体？
8、主存储器中，什么是MAR，什么是MDR，存储器的最大容量由什么决定？
9、什么是机器字长，什么是存储字长长？
10、假设MAR寄存器的位数为16位，MDR寄存器的位数为16位，存储器的最大容量是多少？

第三章系统总线
1、为什么要使用总线？
2、总线的两大基本特征是什么？
3、系统总线按照传输信息的不同，分成哪几类？是单向的，还是双向的？
3、什么是总线宽度、总线带宽、总线复用、信号线数？
4、假设总线的工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则它最大的传输速率是多少？
5、简要说明单总线结构的概念及缺点？（现代计算机为什么要采用多总线结构？）
6、集中式总线判优控制有哪三种方式，哪种方式的优先级不能改变？
7、简述链式查询、计数器定时查询以及独立请求三种方式的工作原理。
8、什么是总线周期，分为哪几个阶段？
9、什么是总线通信控制，总线通信控制有哪几种？
10、什么是同步通信？其优点和缺点？
11、什么是异步通信？异步通信分为哪几种类型？
12、什么是波特率？什么是比特率？（需要掌握如何计算波特率、比特率）
13、异步通信时，常规需要设置的参数有哪些？
14、简述半同步通信的基本原理。
15、简述分离式通信的基本原理。
16、奇偶校验可以纠错吗？汉明码可以纠错码？

第四章存储器

1、存储器按存取方式，可以分成哪四类？哪些属于随机访问存储器，哪些属于串行访问存储器？
2、衡量存储器使用哪三个指标？寄存器、缓存、主存中，哪个速度最快？哪个最便宜？
3、常见的存储系统层次结构有哪两种？透明性如何？各自用来解决什么问题的？
4、字在存储单元中有两种存储方式，大端方式和小端方式。各是什么含义？x86采用的是哪种存储方式？
5、主存的三个主要技术指标
6、什么是存取时间？什么是存取周期？哪个大？
7、什么是存储器带宽？（要了解如何计算存储器带宽）
8、半导体存储芯片译码驱动包含哪两种方式，请简要说明。
9、随机存储器包含哪两大类？哪个需要刷新？请从速度、容量、价格等方面进行简要比较。
10、只读存储器有哪几种？
11、单片存储器芯片的容量有限，很难满足实际需要，因此必须将若干存储芯片连接在一起才能组成足够容量的存储器。
存储器的扩展通常有位扩展和字扩展，什么是字扩展，什么是位扩展？请举例简要说明
12、熟虑掌握存储器的扩展，包括地址空间分配、地址线的连接、数据线的连接、片选信号的产生及连接等；
13、假设欲检测的二进制代码为n位，为了使其具有1位的纠错能力，需添加K位检测位，组成n+k位的代码。问，应添加多少位检测位？
应添加的检测位位数：2的k次方大于等于n+k+1。
因为要使其有1位的检测能力，必须使用k位来说明n+k位到底哪一位出现了错误，k位能表达的数量为2的k次方，而n+k位到底哪一位
出现了错误或者是全部正确，共有n+k+1种状况，因此，k的取值需要满足：2的k次方大于等于n+k+1
14、对于汉明码，应熟练掌握汉明码的编码方式（按照配偶或配奇的原则），以及给出汉明码，得到要传送的原始信息（包括纠错过程）。
15、提高访存速度的三种方式。
16、简述单体多字的存储系统的工作原理，及其优点。
17、多体并行系统有哪两种编址方式？请简要说明其编址方式及其优点。
19、在四位低位交叉编址中，假设存取周期为T，总线传输周期为τ，为了实现流水线方式存储，应满足什么条件？如果连续读取四个字，所需要的时间是多少？
20、需要大家掌握多体并行存储器在高位交叉编址（顺序存储）和低位交叉编址（交叉存储）的情况下，存储器带宽的计算方式。
21、在CPU和内存之间引入cache的原因。
22、什么是程序的局部性原理。
CPU从主存取指令或数据，在一定时间内，只是对主存局部地址区域访问。
23、Cache命中率、平均访问时间以及访问效率的计算。
24、Cache写操作有哪两种方式？
1）写直达法：写操作既写入Cache又写入主存；
2）写回法：只把数据写入Cache而不写入主存，当Cache中数据被替换出去之后才写入主存。
25、将主存地址映射到Cache地址称为地址映射，常见的Cache映射方式有哪几种？
直接映射、全相联映射、组相联映射。
26、直接映射的优缺点？
优点：地址变换速度快。缺点：cache利用率不高，块冲突率高；
27、全相联映射的优缺点？
优点：cache利用率高，块冲突率低。缺点：地址变换复杂，需要较多的硬件。
28、需要大家掌握各种映射方式之下，写出主存地址格式、cache地址格式，以及主存地址向cache地址的转换。
29、Cache常用的替换算法有哪些？哪个命中率最高？
1）先进先出、近期最少使用算法和随机替换算法；
2）命中率最高的是近期最少使用算法；
30、磁盘的三地址结构包括哪些？
柱面、磁头号和扇区号

第五章输入输出系统

1、I/O系统的发展大致可以分为哪4个阶段？
2、I/O设备编址有哪两种方式？各有什么优缺点？
3、I/O设备与主机的联络方式有哪几种？
4、I/O总线包括哪四类？
5、I/O设备通常使用D触发器（完成触发器）和B触发器（工作触发器）来标识设备所处的状态。
6、程序查询的基本工作原理。
7、什么是中断？
8、中断服务程序的基本流程包括哪四部分？
9、什么是单重中断和多重中断？
10、CPU响应中断的时机？
11、什么是DMA？
DMA：直接内存访问。在主存和I/O设备之间建立独立的总线连接。
12、在DMA方式中，由于DMA接口与CPU共享主存，可能会出现两者争用主存的冲突，为解决冲突，DMA和主存交换数据时，通常采用哪三种工作方式？
13、DMA工作过程包括哪三部分？
1）预处理
2）数据传输
2）后处理

第六章计算机的运算方法
1、掌握有符号数的原码计算方法，以及通过原码求真值；
2、掌握补码计算的方法，以及通过补码求原码，然后求真值的方法。
1）通过原码求补码：符号位不变，各位取反，末位加1；
2）通过补码求原码：符号位不变，各位取反，末位加1；
3、原码中0有2种表示方法（正零和负零），补码中0只有一种表示方法（正零和负零的表示方法一致）
4、假设有符号数的位数为8（包括符号位），补码能表示的真值的范围？
补码能表示的真值范围为-128~+127（参见补码定义）
5、掌握求反码以及移码的方法。
6、什么是定点表示？什么是浮点表示？
１）定点表示：小数点固定在某一位置的数为定点数；
２）浮点表示：小数点位置可以浮动的数。
7、浮点数在机器中的表示形式，由哪几部分组成？
由尾数、数符、阶码、阶符四部分组成。
8、掌握规格化浮点数的表示范围（最大正数、最小正数、最大负数、最小负数）的计算方法。
9、IEEE754标准规定的浮点数由哪几部分组成？
由数符、阶码（含阶符）以及尾数组成。
10、IEEE754标准规定的浮点数中，阶码和尾数用什么形式表示？
阶码用移码表示，其偏移量是2^(n-1)，尾数用原码表示。
11、float占多少位？double占多少位？
float为短实数，占32位，其中阶码8位，尾数23位。
double为长实数，占64位，其中阶码占11位，尾数为52位。
12、对正数进行算术移位，当正数采用源码、补码、反码时，左移或右移时，低位或高位添补什么代码？
对于正数，其源码、补码、反码均等于真值，左移时，低位添补0，右移时，高位添补0。
13、对负数进行算术移位，当负数采用源码、补码、反码时，左移或右移时，低位或高位添补什么代码？
对于源码，左移或右移时，低位或高位均添补0；
对于补码：左移时，低位添补0，右移时高位添补1
对于反码：左移或右移时，低位或高位均添补1；
14、什么是逻辑移位？
逻辑移位是对无符号数的移位，由于无符号数不存在符号位，左移时，高位移丢，低位补零。右移时，低位移丢，高位补零。
15、加法和减法时，什么情况下可能发生溢出？如何简单判断发生溢出？
1）正数加正数，正数减负数，负数加负数，负数减正数时，可能会发生溢出。
2）如果参加操作的两个数符号相同（转换成补码的加法），其结果与源操作数符号不同，即为溢出。
3）如果补码采用1位符号位，如果最高有效位的进位和符号位的进位不同，则发生溢出。
16、定点乘法运算可以使用加法和移位来实现吗？
可以。
17、浮点加减运算基本按照哪几步来进行？
1）对阶：使小数点对齐；
2）尾数求和：将对阶后的两个尾数按照定点加减运算规则求和；
3）规格化：尾数规格化；
4）舍入：尾数右规时，丢失数值位；
5）溢出判断：判断结果是否溢出。

18、如何判断浮点运算结果是否溢出？
阶码是否超出了其表示范围。（使用2个符号位判溢出）

第七章指令系统
1、什么是机器指令？什么是指令系统？
2、一条指令包含哪两个主要部分？请简要说明各部分作用。
3、操作码长度有固定长度和可变长度两种，各自有什么优点？
4、指令中地址码中的地址可以是哪些设备的地址？
可以是主存地址、寄存器地址或I/O设备的地址；
5、指令中地址的个数可以有几个？
四地址、三地址、二地址、一地址以及零地址。
6、假设指令中有四个地址、三个地址、两个地址以及一个地址，各自需要访存几次？
1）四地址：访存4次；
2）三地址：访存4次；
3）两地址：访存3次；
4）一地址：访存2次；
7、当使用寄存器代替指令字中的地址码字段后，有哪些优点？
1）扩大指令字的寻址范围；
2）缩短指令字长；
3）减少访存次数
8、数据在存储器中存储时，为什么要按照边界对齐？
减少访存次数。
9、寻址方式包括哪两类？
10、什么是形式地址？什么是有效地址？
11、了解各种寻址方式的概念及根据形式地址形成有效地址的方式。
12、什么是RISC？什么是CISC？
RISC：精简指令集；
CISC：复杂指令集；

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