计算机组成原理----学习笔记2020-06-12

第一章  计算机系统概论

1. 计算机的分类

(1)电子模拟计算机-----------特点：数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。

(2)电子数字计算机-----------特点：按位计算，并且不连续地跳动计算

数字计算机分为：通用计算机和专用计算机

通用计算机：超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机和多核级，  其复杂性、性能、价格依次递减

2.计算机性能指标

吞吐量、响应时间、利用率、处理机字长、总线宽度、存储器容量、存储器带宽、主频/时钟周期、CPU执行时间、CPI、MIPS、FLOPS

3.计算机硬件

计算机的硬件有有形的电子器件构成，包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。早期将运算器和控制器合在一起称为CPU(中央处理器)。目前的CPU包含了存储器，因此称为中央处理机。存储程序并按地址顺序执行，这是冯.诺依曼型计算机的工作原理，也是CPU自动工作的关键。

4.计算机软件

计算机软件分为系统程序和应用程序。

系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能和用途，包括：各种服务性程序、语言类程序、操作系统、数据库管理系统

应用程序是针对某一应用课题领域开发的软件。

5.计算机系统的层次结构

计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构，通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。

计算机的性能指标主要是CPU性能指标、存储器性能指标和I/O吞吐率

第二章：运算方法和运算器

1.对数据与文字的表示方法进行了了解

2.理解并会运用定点加法、减法、乘法和除法运算，以及浮点运算方法，但不太熟练

第三章 多层次储存器

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？

1)可以分为随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存储器；

2)随机存储器和只读存储器属于随机存储器，即存取时间与物理地址无关；

3)顺序存储器(典型的如磁带)和直接存储器(典型的如磁盘)属于串行存储器，即存取时间与物理地址有关。

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？

1)速度、容量、位价格。

2)寄存器速度最快，主存最便宜。

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？

1)缓存-主存层次：用来缓解CPU和主存速度不匹配的问题，由硬件来完成，对所有的程序员完全透明。

2)主存-辅存层次：用来解决主存容量不够的问题，由操作系统和硬件共同完成，对应用程序设计者透明，对系统程序设计者不透明。

(现在一般存储器都即能按字访问，也能按照字节访问，因此，存储器编址时，每个字节都有一个独立的地址。)

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？

1)大端方式：字的低位存在内存的高地址中，而字的高位存在内存的低地址中；

2)小端方式：字的低位存在内存的低地址中，而字的高位存在内存的高地址中。

3)x86CPU采用的是小端方式。

5、主存的三个主要技术指标

存储容量、存取速度和存储带宽

6、什么是存取时间？什么是存取周期？哪个大？

1)存取时间：启动一次存储器完成本次操作(读或写)所需的时间；

2)存取周期：连续两次启动存储器所需要的最小间隔时间；

3)存取周期包含存取时间；

7、什么是存储器带宽？(要了解如何计算存储器带宽)

单位时间内存储器存取的信息量；

8、半导体存储芯片译码驱动包含哪两种方式，请简要说明。

1)线选法：所有的地址芯片通过一个译码器译码，选择一个存储单元的各位，适合于存储容量不大的芯片；

2)重合法：将地址分为两组，每组通过一个译码器译码，选择行或列，行、列交叉处就是要访问的存储位。

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。

1)静态RAM：采用锁存器原理实现；

2)动态RAM：采用电容原理实现，需要刷新。

3)相比于动态RAM，静态RAM的速度快、容量小、价格高，一般用于缓存，而动态RAM一般用于内存。

10、只读存储器有哪几种？

1)掩模ROM(MROM)：出厂后内容不能被更改。

2)PROM：可编程只读存储器，可以进行一次性编程；

3)EPROM：可擦除只读ROM，用紫外线照射；

4)EEPROM：电可擦除只读ROM。

6)FLash Memory：采用EEPROM的非易失性存储器。

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

1)位扩展：增加存储器的字长，例如两个1K * 4位的存储芯片构成1个1K*8位的存储器；

2)字扩展：增加存储器的字数，例如两个1K * 8位的存储芯片构成1个2K * 8位的存储器；

通常字扩展和位扩展两种方式混合使用。

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；

参看P94页，例4.1

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。

1)采用高速元器件；

2)采用存储层次结构：cache-主存结构；

3)调整主存结构：包括单体多字，多体并行两种方式。

16、简述单体多字的存储系统的工作原理，及其优点。

1)单体多字存储系统一次访存取出多个CPU字，即存储字为CPU字的n倍(假设一次访存取出n个cpu字)。

2)优点是：显著提高了存储器带宽。

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。

1)高位交叉编址方式：存储体的编址方式为顺序存储，即一个存储体存满后，再存入下一个；存储单元地址的高位为存储体的编号。

高位交叉编址并不能提高单次访存速度，但能使多应用并行访存，提高系统的并发性。

2)低位交叉编址方式：存储体的编址方式为交叉存储。即程序连续存放在相邻的存储体之中。存储单元地址的低位为存储体的编号。

低位交叉编址能显著提高单次访存速度。

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？

1)T= 4τ

2)连续读取四个字，所需要的时间为T + (4-1)τ

注意：假设不是低位交叉编址，而是高位交叉编址，连续读取四个字所需要的时间仍然为4T。

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。

1)避免cpu空等I/O访存；

2)缓解CPU和主存速度不匹配的问题。

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4章 指令系统

4.1 指令系统的发展与性能需求

程序：计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。

指令就是计算机执行某种操作的命令。

计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。

微指令：微程序级的命令，属于硬件。

宏指令：若干条机器指令组成的软件指令，属于软件。

机器指令：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令。

每一条指令可完成一个独立的算术运算或算术逻辑运算操作。

4.1.2指令系统的性能要求

完备性

指令系统丰富、功能齐全、使用方便。

有效性

该指令系统编写的程序能够高效率地运行。

高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

规整性

对称性

匀齐性

指令格式和数据格式的一致性

兼容性

系列机各机种之间具有相同的基本结构和共有的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。

4.2 指令格式

机器指令是机器字来表示。

表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。

指令格式，则是指令字用二进制代码来表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。

一条指令的结构如下形式来表示：

操作码

设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。

操作码字段应该执行怎样的操作？

加法，减法，乘法，除法，取数，存数等等。

一般来说，一个包含 nn 位的操作码最多能表示 2n2n 条指令。

地址码

有几个操作数地址，称为几操作数 或 几地址指令。

在早期，一般操作数有被操作数、操作数和操作结果这三种数，所以就形成了三地址指令格式。

后来发展成二地址格式、一地址格式和零地址格式。

(1)零地址指令：只有操作码，没有地址码。

(2)一地址指令只有一个地址码，指定一个操作数，另一个操作数是隐含的。

例数学含义：AC

累加寄存器AC中的数据位隐含的被操作数，操作结果又回到累加寄存器AC中，而累加寄存器中原来的数随即被冲掉。

op表示操作性质：加、减、乘、除…

(AC)表示累加寄存器中AC的数；(A)表示内存中地址A的存储单元中的数；然后运算完又送回到(AC).

(3)二地址指令，有两个地址码字段A1,A2A1,A2 ,分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器中通用寄存器的地址，其中A1A1 兼做存放操作结构的地址。so数学含义：A1

在二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，可以归结为三种类型：

1.访问内存的指令格式，称为存储器-存储器(SS)型。

2.访问寄存器的指令格式，称为寄存器-寄存器(RR)型。

3.即要访问内存单元，又要访问寄存器，称为寄存器-存储器(RS)型。

(4)三地址指令中有三个操作数 A1,A2,A3A1,A2,A3,其数学含义：A3

指令字长度

一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，他决定了计算机的运算精度。

半字长指令：指令字长度等于半个机器字长度的指令。

单字长指令：指令字长度等于机器长度的指令。

双字长指令：指令字长度等于两个机器长度的指令。

多字长指令的缺点：必须两次或三次访问内存以取出一整条指令，这就降低了CPU的运算速度，同时又占用了更多的空间

4.3 操作数类型

4.3.1 一般的数据类型

地址数据

无符号整数

数值数据

①定点整数或定点小数；②浮点数；③压缩十进制数，一个字节用两位BCD码表示

字符数据

目前广泛使用ASCII码

逻辑数据

一个单元有若干二进制位项组成，每个位的值可以是1或0.

4.4 指令和数据的寻址方式

寻址方式分为 指令寻址方式 和 地址寻址方式。

在冯·诺依曼型结构的计算机中，内存中指令的寻址和数据的寻址是交替进行的。

4.4.1 指令的寻址方式

有两种；

顺序寻址方式

指令地址在内存中按顺序安排，当执行一段程序时，通常是一条指令接一条指令的顺序进行。

指令的顺序寻址方式，必须使用程序计数器PC来计数指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地址。

跳跃寻址方式

所谓跳跃，是指下条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出。

4.4.2 操作数基本寻址方式

隐含寻址

不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。操作数在专用寄存器中

直接寻址

特点：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址A。

如果用D表示操作数，那么直接寻址的表达式为:D=(A).

EA=A.

寄存器寻址

当操作数不在内存中，而是放在CPU的通用寄存器中，可采用寄存器寻址方式。

指令结构中的RR型指令，就是采用寄存器寻址方式的例子。

EA=R

寄存器间接寻址

与寄存器寻址的区别：

指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。

EA=(R).

偏移寻址

直接寻址和寄存器间接寻址的结合。

EA=A+(R)；

常用的三种偏移寻址：

相对寻址：EA=A+(PC);引用的专用寄存器是程序计数器(PC).

基址寻址：EA=A+(R);引用的专用寄存器是基址寄存器.

变址寻址：EA=A+(R);引用的专用寄存器是变址寄存器.

段寻址方式

EA=A+(R)；

EA=栈顶