计算机组成原理基础知识

第一章计算机系统概述

1.1 计算机的发展历程

（1）第一阶段（1946-1957）：电子管计算机

特点：集成度低，体积大，功耗高，运行速度慢，操作复杂
（2）第二阶段（1957-1964）：晶体管计算机

特点：相对电子管计算机，体积小，速度快，功耗低，可靠性高，配备显示器
（3）第三阶段（1964-1980）：集成电路计算机

特点：操作系统诞生
（4）第四阶段（1980-至今）：大规模、超大规模集成电路计算机

特点：集成度高，速度快，体积小，价格低，用途广泛

1.2.1 计算机硬件基本组成

1、1946年世界上第一台电子数字计算机 ENIAC

2、冯诺依曼机

（1）计算机硬件由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备

（2）指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻址

（3）指令和数据以二进制码表示

（4）指令由操作码和地址码组成

（5）采用存储程序的方式，要求计算机完成的功能必须事先编制好相应的程序，并输入到存储器中，计算机的工作过程是运行程序的过程

（6）以运算器为中心（输入、输出设备与存储器之间的数据传输经过运算器）

1.3 计算机的性能指标

1、机器字长

CPU一次能处理二进制数据的位数，实际上指该计算机中的运算器的位数

2、运算速度

（1）CPU主频（f）：CPU内部时钟的频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。

（2）CPU时钟周期长（T）：主频的倒数、CPU执行操作的最小时间单元

（3）CPU执行时间：表示CPU执行某段程序所需的时间

CPU 执行时间 = CPU时钟周期数 * CPU时钟周期长

（4）CPI：表示执行一条指令所需的时钟周期数

CPI = 执行某段程序所需的CPU时钟周期数 / 该程序包含的指令条数

（5）MIPS：表示每秒执行多少百万条指令

MIPS = 指令条数 / 执行时间 * 10^6

MIPS = f / （CPI * 10^6 ）= 指令条数 /（时钟周期数 * 时钟周期长）

第二章数据的表示和运算

2.1.1 数制之间的转换

1、二进制转换其他进制：

八进制：3个二进制位为1个八进制位

十六进制：4个二进制位为1个八进制位

2、十进制转换其他进制：

整数部分：除基取余法低位到高位先取得的"余"是整数的低位

小数部分：乘积取整法高位到地位先取得的"整"是小数的高位

注意：有的十进制小数无法用二进制精准表示，如0.3

2.1.2 真值和机器数

真值：实际的带正负号的数值（符合人类习惯的数字）

机器数：正负号需要被数字化（数字实际存到机器里的形式）

2.1.3 BCD 码

1、8421码

有权码

每4个二进制位对应一个十进制位（有6个冗余状态）

8、4、2、1分别对应每一位的权值

0000~1001 分别对应0 ~ 9，进行加法后若超出该范围（1010 ~10010），则需 +0110进行修正（强制向高位进1）

2、余3码

无权码

8421码 +（0011）

3、2421码

2、4、2、1分别对应每一位的权值

表示0 ~ 4时最高位为0，表示5 ~ 9时最高位为1

2.1.4 ASCII 码

1、ASCII 码：

通常用8bit表示一个字符，最高位都为0

共128个字符，0 ~ 31、127位控制/通信字符，32~126为可印刷字符

所有大写字母、所有小写字母、所有数字的编码都是连续的

2.1.5 校验码

1、数据校验码和码距

码字间的距离：两个码字之间有几个位不同

码距：一个编码方案中，合法的最小的码字间的距离

若码距 = 2，有检错能力；若码距 = 3，可能有纠错能力

2、奇偶校验码的形成

在信息位的首部或尾部添加一个奇偶校验位

奇校验：整个校验码（信息位和校验位）中 “1” 的个数为奇数

偶校验：整个校验码（信息位和校验位）中 “1” 的个数为偶数

3、循环冗余校验码

移位（补零）：生成多项式的最高次幂

2.2.1 定点数的表示

1、有符号数的表示

（1）原码

（2）反码

（3）补码

（4）移码

2.2.2 定点数的运算

1、定点数的加减法运算

2、溢出判断

3、符号扩展

2.3.1 浮点数的表示

1、浮点数的表示

2、浮点数的规范化

3、IEEE 754标准

（1）移码

（2）I EEE 754

（3）例题

2.4 并行加法器中进位的产生和传递

1、串行进位的并行加法器

2、并行进位的并行加法器

3、并行加法器的优化

（1）组内并行，组间串行

（2）组内并行，组间并行

第三章存储器

3.2 存储器的层次化结构

寄存器和部分Cache位于CPU中；

部分Cache和主存位于主机中；

3.3 半导体随机存储器

1、SRAM和DRAM的区别

半导体随机存储器（RAM）按存储元件在运行中能否长时间保存信息划分，有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）两种。

前者利用双稳态触发器来保存信息，只要不断电，信息就不会丢失。

后者利用MOS电容存储电荷来保存信息，使用时，需不断给电容充电才能使信息保持。

静态存储器的集成度低，但功耗较大。

动态存储器的集成度高，功耗小。

2、DRAM的再生和刷新

DRAM 存储器中，对存储单元的读出就是对电容的放电过程，读完后需要再把原来的数据，写回存储单元中，这个过程称为再生；由于 DRAM 都用小电容存储数据，电容存在漏电阻，时间久了会导致电荷丢失，需要定时补充电荷，重新写入数据，这个过程称为刷新。

Tips：

（1）刷新操作不需要CPU控制

（2）刷新以行为单位，仅需要行地址

（3）一行中所有芯片是同时刷新的

3.4 非易失性存储器

1、概念

（1）只读存储器 ROM

存储内容由半导体制造厂按用户提出的要求在芯片的生产过程中直接写入，无法修改

（2）一次性的可编程序的只读存储器 PROM

存储内容可以由用户用专门的设备（编程器）一次性写入，之后无法修改

（3）可擦可编程序的只读存储器 EPROM

紫外线擦除 UVEPROM

电擦除 EEPROM

修改次数有限、写入时间很长

（4）快擦除读写存储器闪速存储器 Flash Memory

例如：U盘、写入速度较快

（5）固态硬盘 SSD

控制单元+FLASH芯片

3.5 主存储器与CPU的连接

1、存储容量的扩展

（1）位扩展（数据线）

（2）字扩展（地址线）

2、主存储器与CPU的连接

例题：

3.7.2 Cache基本工作原理

1、命中率平均访问时间

2、例题

第四章指令系统

指令（机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。

4.1.1 指令的基本格式

一条指令的执行（假设每个地址都是主存地址）：

取地址访存1次（假设指令字长 = 存储字长）

取两个操作数访存2次

存回结果访存1次

共访存 4次

操作码的位数决定指令的数目。

定长操作码：n 位 → 2^n 条指令

扩展操作码：操作码长度可变

4.2 指令的寻址方式

在程序执行过程中，操作数可能在某个寄存器中或存储器中，也可能在指令中。

寻址方式是确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。

有效地址：通常把指令中地址码字段给出的地址称作形式地址(用字母A表示)，这个地址一般不
能直接用来访问存储器，形式地址经过某种运算而得到的可用来访问存储器的地址称作有
效地址(用EA表示)，有效地址实际上是操作数所在单元位置到段地址的距离，由段地址和
有效地址可以直接得出操作数在存储器中的物理地址。`
1、数据存放

2、指令寻址

3、数据寻址

（1）立即寻址

（2）直接寻址

（3）间接寻址

（4）寄存器寻址

（5）寄存器间接寻址

（6）隐含寻址

（7）基址寻址

（8）变址寻址

（9）相对寻址

4.4 CISC和RISC的基本概念

（1）CISC

基于复杂指令系统设计的计算机成为复杂指令集计算机

加入更多的复杂指令到指令系统中，提高计算机的处理速率

（2）RISC

基于精简指令系统设计的计算机成为精简指令集计算机

RISC的中心思想是要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令，除去访存指令外，其他指令的操作均在单周期内完成，指令格式力求一致，寻址方式尽可能减少，并提高编译的效率，最终达到加快机器处理速度的目的

第五章中央处理器

5.1.1 CPU的基本功能

5.1.2 CPU的基本结构

根据CPU的功能，要取指令，必须有存储器用于存放当前指令地址；

要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和对指令进行译码的部件；

要执行指令，必须有一个能发出各种操作命令序列的控制部件CU；

要完成算术运算和逻辑运算，必须有存放操作数的寄存器和实现运算功能的部件ALU；

为了处理异常情况和特殊情况，还必须有中断系统

因此，CPU一般可由寄存器、ALU、控制单元CU、中断系统四部分组成。

5.2 数据通路

1、指令周期、机器周期、节拍

2、例题

如果采用微程序控制方式，实现加法指令通常需要哪四条微指令？

取指微指令、计算地址微指令、取数微指令、加法运算和送结果微指令。

（1）从存储器取指令，送入指令寄存器，并进行操作码译码（分析指令）。

（2）计算数据地址，将计算得到的有效地址送到地址寄存器AR

（3）到存储器取数。

（4）进行加法运算，结果送到寄存器。

其中取指令和取数周期通过总线访问存储器，计算地址和运算送结果周期在CPU内部进行操作，总线空闲。

5.3 微程序控制器

计算机各个部件所需要的微操作控制信号均由控制器的“时序控制信号形成部件”根据指令的要求来产生。“时序控制信号信号形成部件”根据指令的要求来产生。“时序控制信号形成部件”的实现一般有两种方式：一是采用组合逻辑来实现，即“硬布线控制器”；二是采用存储逻辑来实现，即“微程序控制器”。

5.4 指令流水线

1、流水线的性能指标

（1）吞吐率

（2）加速比

2、流水线的相关问题

（1）数据相关：例如，第一条指令最后保存的地址为第二条指令的操作数地址。

（2）流水线阻塞（产生“气泡”）：指令较多、繁简程度不一、执行时间及流水线级数不同，最终可能产生不能连续工作的情况。

（3）编译形成的程度不能发挥流水线的作用。

（4）存储器供应不上为连续流动所需的指令和数据。

（5）遇到程序转移指令。

第六章总线

6.1.1 总线的概念

1、总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

2、总线特性

（1）机械特性：尺寸、形状、管脚数、排列顺序

（2）电气特性：信号传输方向和有效的电平范围

（3）功能特性：每根传输线的功能（地址、数据、控制）

（4）时间特性：信号的时序关系

6.1.2 总线的分类

1、按照总线的数据传输方式

（1）并行总线

优点：信号线各自独立，信号传输快，接口简单；

缺点：电缆线极多

（2）串行总线

优点：电缆线数少，便于远距离传送

缺点：信号传输慢，接口复杂

2、按照总线的数据传输内容

（1）数据总线

用来传输各功能部件之间的数据信息（指令、操作数），它是双向传输总线。其位数与机器字长、存储字长有关

（2）地址总线

用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或I/O端口的地址，它是单向传输总线（只能从CPU传向I/O端口或外部存储器），地址总线的位数与主存地址空间的大小有关

（3）控制总线

控制总线传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令和主存（或外设）返回CPU的反馈信号

3、按照总线的层次位置

（1）片内总线

片内总线是芯片内部的总线。

它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线

（2）内部总线

内部总线又称为系统总线或板级总线，是计算机系统内各功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间相互连接的总线。

（3）外部总线

计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如远程通信设备、测试设备）之间信息传送的总线，外部总线也称为通信总线

4、总线结构

（1）单总线结构

（2）双总线结构

（3）三总线结构

6.1.3 总线的性能指标

1、总线时钟频率

总线的工作频率，以MHz表示，它是影响总线传输速率的重要原因之一。

2、总线宽度（总线位宽）

是总线可同时传输的数据的位数，用bit（位）表示，如8位、16位、32位等。显然总线的宽度越大，它在同一时刻能够传输的数据越多。

3、总线传输速率（总线带宽）

是指在总线上每秒传输的最大字节数（B），用MBps表示，即每秒多少兆字节。

影响总线传输速率的因素有总线带宽、总线频率等。

总线带宽（MBps） = 总线宽度 * 1/8 * 总线频率

串行：总线带宽（MBps） = 总线频率 * 管线数

4、总线数据传输周期

默认总线数据传输周期是1个时钟周期传输1个字的数据块。

5、多路复用

总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。

可以使用较少的线传输更多的信息，减少总线的数目。

6、总线数据传输的握手方式

同步方式、异步方式、半同步方式、分离方式

7、总线控制方式

第七章输入输出系统

7.3 I/O 接口

1、I/O 接口的功能

2、接口电路中传递的信息类型

（1）数据信息

数字量：通常以8位或16位的二进制数以及ASCII码的形式传输，主要是由键盘、磁盘、光盘等输入的信息或主机送给打印机、显示器、绘图仪等的信息。

模拟量：模拟的电压、电流或者非电量。对模拟量输入而言，需要经过传感器转换成电信号，再经A/D转换器变成数字量；如果需要输出模拟控制量的话，就要进行上述过程的逆转换。

开关量：用 “0” 和 “1”来表示两种状态，如开关的通/断、电机的转/停、阀门的开/关等。

（2）状态信息

CPU在传送数据信息之前，经常需要先了解外设当前的状态。如输入设备的数据是否准备好、输出设备是否忙等。用于表征外设工作状态的信息就成为状态信息，它总是由外设通过接口输入给CPU的。状态信息的长度不定，可以是一个二进制位或多个，含义也随外设的具体情况不同而不同

（3）控制信息

用来发布控制命令、控制外设工作的信息，例如，A/D转换器的启停信号，控制信号总是CPU通过接口发出的

3、端口的概念

CPU和外设进行数据传输时，各类信息在接口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器为I/O端口，每个端口有一个端口地址

4、端口的编址方式

5、常用的接口

（1）串行接口

只需要一对信号线来传输数据，主要用于传输速度不高，传输距离较长的场合。

（2）并行接口

串行接口按位传送数据，速度慢，而且主机是按字或者字节处理数据，使用串行接口需要进行并串的转换。对速度要求较高的设备，采用并行数据传输方式比较合适。

（3）USB接口

通用串行总线

由一个插在PCI总线上的根集线器组成，它的电缆接口可以连接I/O设备或者扩展集线器。

USB中有4根导线，2根数据线，一根电源，一根地线。

（4）IDE EIDE接口

广泛应用于PC中，IDE最多连接2个IDE设备，EIDE最多连接4个IDE设备

（5）SCSI接口

应用于工作站和PC服务器中，成为主机和智能外设连接的统一I/O接口，可以控制磁盘驱动器、磁带机、光盘、打印机、扫描仪等外设。

（6）IEEE1394 串行接口

高速率，实时性好，即插即用，支持热插拔

（7）AGP接口

把主存和显存通过芯片组直接连接，提高数据传输率

（8）PCMCIA接口

广泛应用于笔记本电脑的接口，通常同来插上闪速存储器卡或Network卡。