计算机组成原理全书知识总结

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第一章计算机系统概论
1.计算机系统由软件和硬件两部分组成。
2.软件包括：系统软件和应用软件
系统软件（系统程序）：用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行；
应用软件（应用程序）：用户根据任务需要所编制得各种程序。
3.计算机系统的层次结构：
1）程序员直接编写机器语言（即01代码）
优点：编写的程序可以直接在机器上运行。
缺点：要求程序员对硬件及指令系统十分熟悉；
编写难度很大，操作过程容易出错。

2）二级层次结构

汇编语言：符号式的程序设计语言即用符号表示指令或数据所在的存储单元的地址。
虚拟机：具有翻译功能的机器（实际并不存在）
优点：用户编程更加方便；
缺点：仍要求程序员对硬件及指令系统十分熟悉；
汇编语言没有通用性。

  3）三级层次结构

高级语言出现：FORTRAN BASIC PASCAL C等。
优点：具有较强的通用性；
程序员不必了解实际机器的组成及其指令系统，只要掌握高级语言的语法
和语义就可以编程。
翻译程序：将高级语言翻译成机器语言；
1》编译程序：一次将源程序全部翻译后执行，只要源程序不变不用再次翻译
2》解释程序：对源程序逐句翻译，每句翻译后随即执行，相同的语句也会再次翻译。

4）四级层次结构

5）多级层次结构

4.计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性（包括指令集
数据类型，存储器寻址技术，I/0机理等）；
5.计算机组成：是指如何实现计算机体系结构所体现的属性。
6.计算机体系结构和组成区别：
例：指令系统是计算机系统的属性，属于结构；如何取指令，分析指令，运行指令是组成。
实例：惠普暗影精灵系列电脑不论是第几代，整个系列的结构是相同的，但是每代之间的
组成是不同的。
7.冯·诺依曼机：以“存储程序”概念为基础的计算机。
特点： 1》由运算器，存储器，控制器，输入设备和输出设备五部分组成；
2》指令和数据以同等地位放在存储器内，并按地址寻访；
3》指令和数据都用二进制数表示；
4》指令由操作码和地址码组成；
5》指令在存储器中按顺序存放（通常情况下顺序执行，特定条件可改变执行顺序）；
6》机器以运算器为中心。
8.现代计算机：以存储器为中心
运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，运算的中间结果可暂存在运算器内；
存储器：用来存放数据和程序；
控制器：用来控制，指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果；（控制5大部件
工作）
输入设备：将人们熟悉的信息转换成机器能识别的信息；
输出设备：将运算结果转换为人们熟悉的信息形式；
将运算器和控制器集成在一起就是CPU（中央处理器），输入，输出设备简称为I/O设
备，所以现代计算机可认为有三部分组成：CPU，I/O设备，主存储器。
CPU和主存储器合起来称为主机，I/O设备又称为外部设备（外设）；
存储器：分为主存储器和辅助存储器；（第四章详细讲解）
主存储器：用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息；
辅助存储器（外存）
9.主存储器：由存储体，各种逻辑部件和控制电路组成。
1) 存储体：由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干存储元件，每个存储元件可以存储一位二进制数，因此一个存储单元可以存储一串二进制数，这串二进
制数的位数叫做存储字长；
2）工作方式：按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存入和取出，即按地址
访问存储器（访存）；
3）主存中还包含两个寄存器：MAR(存储器地址寄存器)MDR（存储器数据寄存器）；
MAR:用来存放欲访问的存储单元地址，其位数应与存储单元的个数相等。
MDR:用来暂存将要从某存储单元取出或存入的代码，其位数应与存储字长相等；
4）早期存储字长和指令字长和数据字长都是相同的，方便存取，即存储字长决定
指令字长和数据字长；现在指令字长和数据字长不必一定和存储字长相等，但是由字节的个数来表示，即必须是字节的整数倍！
注意区分指令字长，数据字长，存储字长，MDR位数的区别和联系。
10.运算器：最少包括三个寄存器和一个算术逻辑单元（ALU）；
三个寄存器：ACC（累加器），MQ(乘商寄存器)，X（操作数寄存器）
前面提到运算器可暂存运算的中间结果，就存在寄存器中，运算的类型不同，所存
放的操作数类别也不同。

 参考课本P14-P15的实际运算中操作数的寄存位置理解这个表。

11.控制器：由程序计数器（PC）,指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成；
1）一条指令需要三个阶段：取指，分析，执行。
取指阶段：控制器命令存储器读出一条指令；
分析阶段：控制器分析指令，得到操作类型（操作码）和操作数地址（地址码）
执行阶段：根据操作类型和地址码完成操作。
计算机的工作过程就是周而复始的取出指令，分析指令和执行指令的过程。
2）PC:用来存放欲执行的指令的地址，与主存中的MAR有一条直接通路，且可以自动
加一，即指向下一条指令地址。
IR：用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。
IR中的指令的操作码送至CU(OP（IR）→CU)分析指令，获得操作类型；
IR中的指令的地址码送至MAR （Ad（IR）→MAR），准备读数据。
PC与MAR功能上相同，IR与MDR功能上相同，他们的差别在于PC,IR寄存的是
指令的地址和指令，而MAR和MDR寄存的可以是指令的地址和指令也可以是数
据的地址和数据。
切记：指令的地址码和指令内部的地址码是不一样的！！！
12. I/O包括各种I/O设备和相应的接口。
13. 内存读指令：【PC】→MAR，主存读出指令，指令→MDR，MDR→IR
内存读操作数：Ad（IR）→MAR，主存读出操作数，操作数→MDR→X
内存读操作：地址→MAR，读出信息，信息→MDR
内存写操作：信息→MDR，信息地址→MAR，信息写入

本节要理解掌握三部分的组成，每一部分的名字（英文）作用一定要掌握，掌握计算机读写操作的原理，后面几张都是以本章为基础。
14.存储容量=主存容量+辅存容量
主存容量=存储单元个数存储字长
15.运算速度
1）吉普赛法：每条指令的执行时间乘以它们在全部操作中所占的百分比再求和。（实际上是求时间的加权平均数）
公式见课本P17（让计算的可能性不大）
求出来的实际为平均运行时间，运算速度=1/Tm
2）现在采用单位时间内执行的指令的平均条数来衡量，单位MIPS（百万条指令每秒）
或采用CPI:执行一条指令所需要的时钟周期；IPC：每个时钟周期内执行的指令条数
时钟周期=主频的倒数 V=f/CPI=fIPC f为主频
第三章系统总线
1.计算机五大部件之间的互连方式：分散连接和总线连接
2.分散连接：各部件之间使用单独的连线
缺点：1》CPU工作效率较低
2》无法解决I/O与主机之间连接的灵活性。
3.总线连接：将各部件连到一组公共信息传输线上。
4.总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件分时共享的传输介质。
因为总线同时连接多个部件，多个部件同时请求会发生冲突，因此采用分时的访问方式；（但是多个部件可以同时从总线上获得相同信息）
5.以CPU为中心的双总线结构
缺点：I/O与主存交换信息时仍然占用CPU，影响CPU的工作效率

6.单总线结构
同一时刻多个部件同时占用总线时会发生冲突，总线用判优逻辑使各部件按照优先级来占用总线，也会影响整机的工作速度。

7.以存储器为中心的双总线结构（现代计算机这类结构）
存储总线只供主存与CPU之间的信息传输，提高了传输效率，降低了系统总线的压力。

8.按照连接部件的不同分为：片内总线，系统总线，通信总线
1）片内总线：芯片内部的总线（如CPU内部，寄存器与寄存器之间，寄存器与ALU之间的连接）。
2）系统总线：各大部件之间的信息传输线。
系统总线按照传输信息的不同分为：数据总线，地址总线，控制总线。
数据总线：用来传输各部件之间的数据信息，双向传输，其位数（总线宽度）与机
器字长，存储字长有关。
地址总线：用来指出数据总线上的数据所在的存储单元地址或I/O设备的地址，
单向传输，其位数与存储单元的个数有关。
控制总线：用来发出各种控制信号的传输线；对任一控制线来说它是单向传输，但
是对于控制总线总体来说是双向的。对于CPU来说，控制信号有输入也有输出。
3）通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信；
按照传输方式分为：串行总线和并行总线；
串行和并行的数据传输速率与距离成反比；
并行总线的传输速度比串行总线的速度快，但是成本比串行高得多。
9.总线特性：机械特性，电气特性，功能特性，时间特性。
10.总线性能指标（了解）
1）总线宽度：数据总线根数（每根传输一位二进制数）
2）总线带宽：总线的数据传输速率计算方法：工作频率*（总线宽度/8）
3）时钟同步/异步
4）总线复用
5）信号线数：地址总线，数据总线，控制总线的总和；
6）总线控制方式：包括突发工作，自动配置，仲裁方式，逻辑方式，计数方式
7）其他指标：如负载能力，电源电压，总线宽度能否扩展。
11.总线标准（了解）
12.总线结构
13.总线控制：判优控制和通信控制
判优控制包括：集中式（将控制逻辑集中在一处）和分布式（将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上）
集中控制优先权仲裁方式：
1）链式查询：BG到达的接口有BR（总线请求），BG不再往下传，并建立总先忙BS信号。特点：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级低的设备很难获得使用权。
2）计时器定时查询：当某个请求占用总线的设备地址与计数值一致时，便获得总线控制权。特点：一旦优先次序被固定，设备的优先级就被固定；采用循环方式，使各设备的优先级相等；优先次序可以改变；对电路故障不如链式查询敏感；增加了控制线（设备地址线）数，控制复杂。
3）独立请求方式：每台设备有独立的总线请求线BR和总线同意线BG，由排队电路确定优先次序。特点：响应速度快；优先次序控制灵活；但是控制线数量多，控制复杂。
链式查询采用2根线确定总线使用权属于哪个设备；计时器定时查询采用log②n根线；
独立请求方式采用2n根线。（n为允许接纳的最大设备数）
通信控制：采用分时方式控制通信时间。四种方式：同步通信，异步通信，半步通信，分离式通信。
完成一次总线操作的时间称为总线周期，包括四个阶段：申请分配阶段，寻址阶段，传
数阶段，结束阶段。
1）同步通信：通信双方由统一时标控制数据传送。
优点：规定明确统一，模块间配合简单一致。缺点：主，从模块属于强制同步，必须在限定时间内完成规定的要求；公共时钟由最慢速度的部件确定，严重影响总线的工作效率，给设计带来了局限性，缺乏灵活性。
总线传输周期越短，数据线位数越多传输速率越快。
2）异步通信：采用应答方式通信，有三种应答方式：不互锁方式，半互锁方式，全互锁方式。
不互锁方式：主模块发出请求信号不必等从模块的回答信号，一段时间后确认从模块已收到请求信号后，便撤销请求信号。从模块接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并经过一段时间后确认主模块已收到回答信号后，自动撤销回答信号。
例：CPU向主存写信息，CPU要先后给出地址信号，写命令和写入数据。
半互锁方式：主模块发出请求信号，必须接到从模块的回答信号后才撤销请求信号，有互锁关系；从模块在接到请求信号后发出回答信号，不必等待获知主模块的请求信号已经撤销，而是隔一段时间后自动撤销回答信号，无互锁关系。
例：CPU访问存储器，发出访存命令后必须接到存储器未被占用的信号后才可访问。
全互锁方式：主模块发出请求信号后，必须等待从模块的回答信号后才撤销请求信号；从模块发出回答信号后，必须等待获知主模块请求信号撤销后再撤销回答信号。
例：网络通信中，通信双方采用全互锁方式。
第四章存储器
1.存储器的层次结构主要体现在：缓存-主存主存-辅存两个存储层次上
缓存-主存主要解决CPU与主存速度不匹配的问题；
主存-辅存主要解决存储系统的容量问题。
2.主存的技术指标：存储容量，存储速度，存储器带宽
1）提高存储器带宽的措施：缩短存储周期；增加存储字长；增加存储体。
2）动态RAM的刷新：某些存储单元长期得不到访问，不进行读/写操作，存储的信息
会慢慢消失，所以要定时刷新，一般取2ms，这个时间称为刷新周期。
刷新方式：集中刷新，分散刷新，异步刷新
1》集中刷新：在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行刷新，此
刻必须停止读写操作。不能读写的这段时间称为死时间（存取周期×存储单元行数）。
计算死时间率：（存取周期×128）/刷新周期（以128×128的存储芯片为例）
2》分散刷新：对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。
计算刷新时间：已知读/写周期，则存取周期=2*读/写周期
刷新时间=存取周期×128 （以128×128的存储芯片为例）
3》异步刷新：在2ms内对128行刷新一遍，但是不是同时刷新（即每15.6微秒刷新
一行），每次刷新只停止一个读取周期，即死时间缩短为0.5微秒。
3.存储器与CPU的连接（必考一道大题，这一节对各种连接图的理解非常重要）
1）存储器容量扩展
位扩展：增加存储字长例如：两片1k×4位组成1k×8位的存储器
位扩展芯片数据线的连接方式见课本P92图4.32
字扩展：增加存储字的数量例如：两片1k×8位组成2k×8位的存储器
字扩展芯片数据线和地址线的连接方式见课本P93图4.34
字位扩展：既增加存储字长又增加存储字的数量例如：8片1k×4位组成
4k×8位数据线和地址线连接见课本P93图4.35（考试出字位扩展的可能性极大）
课本例4.1与例4.2好好看看！图要自己画画！！
4.存储器校验：汉明编码。（必考）
1）汉明码编写
①确定检测位个数k 2^k >= k+n+1 （n为原数据位数）
②将检测位插入到原数据的正确位置（检测位插入的位置按照2^k放置，例：C1放在
第一位，C2放在第二位，C4放在第4位，C8放在第8位…）
③按照题意奇校验或者偶校验配置汉明码（奇校验的检测小组中1的个数位奇数，偶
校验的检测小组中1的个数为偶数）
C1所在检测小组包含第1 3 5 7 9…位
C2所在检测小组包含第2 3 6 7 10 11…位
C4所在检测小组包含第4 5 6 7 12 13 14 15…位
C8所在检测小组包含第8 9 10 11 12 13 14 15…位（检测小组包含哪几位要记住
考试不会提供）
2）汉明码的纠错过程
将接收到的汉明码确定新的检测位P1 P2 P4…
P1=C1小组的所有位进行异或运算
P2=C2小组的所有位进行异或运算
…
如果为偶检验Pi应等于0 为奇检验Pi应等于1，否则说明接收的汉明码出错
具体哪一位出错，将新的检测为逆序排列（例：P4 P2 P1）得到一个二进制数，
这个二进制数对应的十进制数就是要纠错的哪一位（例：110就对应第6位出错）
5.提高访存速度的措施
1）单体多字系统前提：指令和数据在主存内必须是连续存放的，如果不是，这种
方法效果不再明显；
3）多体并行系统采用多体模块的存储器
① 高位交叉编址高位地址表示体号低位地址为体内地址
连续读取n个字的时间t=nT （T存取周期）
② 低位交叉编址低位地址表示体号高位地址为体内地址
连续读取n个字的时间t=T+（n-1）τ （τ为总线传输周期）
求存储器带宽：存储字长×字数÷时间
6.求Cache的命中率，平均访问时间，效率（结合下面的地址映射考一道计算题）
命中率=访问Cache的次数÷（访问Cache的次数+访问主存的次数）
平均访问时间=Cache的存取周期×命中率+主存的存取周期×未命中率
效率=访问Cache的时间÷平均访问时间
6.Cache-主存地址映射（P120-P122的课本例题）这几道例题一定要会做。
1）直接映射（一对多）
主存地址格式：主存字块标记 Cache子块地址字块内地址
2）全相联映射(多对多)
主存地址格式：主存字块标记字块内地址
3）组相联映射
主存地址格式：主存字块标记组地址字块内地址
（只是考试的话建议直接做P120-P122的课本例题，会计算每一部分的位数即可，计
算比较容易，如果想理解每种映射原理，好好看看课本上的图，实在不行支持面基，包教会）
第六章计算机的运算方法
1.原码反码补码移码转换
正数：原码=反码=补码
负数：反码=原码除符号位外取反补码=原码除符号位外取反加一
无论正数还是负数，移码都是原码连同符号位取反加一
[y]补求移码等于 [-y]补
2.浮点数表示：

（尾数为小数，数符与尾数之间用点尾数为整数，数符与尾数之间用逗号）
3.IEEE754标准
格式：

按IEEE标准常见的浮点数三种：以178.125按IEEE标准转换为短实数为例

① 将原数变为浮点数 1.0110010001×2^111（小数点前是最高位并非符号位，
标准浮点数为0.10110010001×2^1000，之所以留最高位在小数点前是方便确定隐藏位）
② 将阶码补充为八位 00000111 再加上偏移量127（偏移量固定，看上表）得到
10000110
③ 将尾数最高位1进行隐藏且补充到23位01100100010000000000000
④ 与第一位数符组合在一起 0 10000110 01100100010000000000000
4.移位运算
1）

2）移位运算后的正确性判断
正数：不论原码，反码，补码，左移时高位丢1错误，右移时低位丢1影响精度
负数：原码左移高位丢1错误，右移低位丢1影响精度；反码左移高位丢0错误右移低位丢0影响精度；补码左移高位丢0，结果出错，右移低位丢1影响精度。

5.加减运算 [A]补+[B]补=[A+B]补（这个太简单了考试考乘除，不会考这个）
6.溢出判断
1）同正同负相加，结果符号不一致则溢出；
2）两位符号位加入运算，如果结果的两位符号位不一样，则溢出；
3）一位符号位运算，如果两个操作数的符号位的进位情况和数值最高位的进位情况不
一致，则溢出。
7.乘除运算（以题为例）
1）乘法
① 原码一位乘：[X]原=1.1110 [Y]原=1.1101 求[X·Y]原
X₀=1 Y₀=1 （表示符号位） X*=0.1110 Y*=0.1101 （原码不包含符号位）

X₀⊕Y₀=0 [X·Y]原=0.10110110
② 补码一位乘：[X]补=1.0101 [Y]补=0.1101 （切记，补码为负数右移时补1）

[X·Y]补=11.01110001
③ 补码一位乘的优化算法（Booth算法）：该算法运算时不考虑乘数（[Y]补）的正负问题！！！
因为[X]补=0.1101 [Y]补=0.1011
所以[-X]补=1.0011

[X·Y]补=0.10001111
2）除法（除法只学习原码除法）
①恢复余数法 [X]原=1.1011 [Y]原=1.1101 求[X/Y]原
求得：X₀=1 Y₀=1 X*=0.1011 Y*=0.1101 [-Y*]补=1.0011

 X₀⊕Y₀=0  （符号位运算，原码除法的符号位和数值位的运算也是分离的）[X/Y]原=0.1101

②加减交替法（不恢复余数）[X]原=1.1011 [Y]原=0.1101 求[X/Y]原
求得：X₀=1 Y₀=0 X*=0.1011 Y*=0.1101 [-Y*]补=1.0011

X₀⊕Y₀=1 [X/Y]原=1.1101
8.浮点数加减运算 X=0.1101×2¹⁰ Y=0.1011×2⁰¹ 求X+Y
求得[X]补=00，10；00.1101 [Y]补=00，01；00.1011
①对阶（阶码作差，谁阶码小谁尾数右移阶差位并且阶码加上阶差）
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