计算机组成原理复习笔记.docx
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计算机组成原理复习笔记
计算机组成原理复习笔记
前件知识:
基本电路知识
与、或、非、异或、与非、或非等如下表所示:
真值表
与
或
非(A)
异或
与非
或非
A
B
只0就为0
只1就为1
取反
相异为1
只0就为1
只1就为0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
第一章计算机系统概论
1.计算机系统组成
计算机系统组成:
计算机组成原理由硬件系统与软件系统组成。
根据冯诺.依曼的存储程序控制原理由五大部件组成:
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
软件系统:
系统软件、应用软件
计算机系统
硬件系统
软件系统
中央处理器(CPU)
外设:
输入、输出设备、外存储器等
主机
内存储器:
DDR2,DDR3
运算器
控制器
寄存器
系统软件
应用软件
操作系统
数据库管理系统
程序编译工具
通用软件
特制软件
摩尔定律:
记住价格与时间成反比。
2.计算机系统性能指标
字长(处理机字长)是指计算机处理器一次能够完成的二进制位数(16,32,64)。
MIPS是指计算机处理器每秒执行百万条指令。
3.计算机系统的层次结构
计算机系统的层次结构分为五级以下图所示:
第4级
第3级
第2级
第1级
第5级
第二章运算方法和运算器
1.原码、反码、补码、移码的计算方法
性质
原码
反码
补码
移码
正数
原码反码补码一样
移码主要用于表示浮点数中的阶码
负数
连同符号位一起使用二进制表示
除符号位以外其余位取反(0变1,1变0)
除符号位外其余位取反加1(性质等于在反码基础之上加1)
零
[+0]原=00…00
[-0]原=10…00
[+0]反=00…00
[-0]反=11…11
[+0]补=[-0]补=00…00
补码的真值公式:
将所有位上的数按基数2n-1(n为数所在的位置)相乘后求出和,这个和的结果就是补码的真值。
计算某个数大于或小于某个值得条件。
例:
[X]补=(01101)2,[Y]补=(11101)2。
则X与Y的十进制数是多少。
X=-0×24+1×23+1×22+0×21+1×20=8+4+1=(+13)10
Y=-1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=-8+4+1=(-1)10
2.原码、反码、补码、移码的表示范围(n位二进制位数)
码制
定点整数
定点小数
范围
举例(n=8)
范围
原码
-(2n-1-1)~+(2n-1-1)
-127~+127
-(1-2-(n-1))~+(1-2-(n-1))
反码
-(2n-1-1)~+(2n-1-1)
-127~+127
-(1-2-(n-1))~+(1-2-(n-1))
补码
-2n-1~+(2n-1-1)
-128~+127
-1~+(1-2-(n-1))
移码
-2n-1~+(2n-1-1)
-128~+127
-1~+(1-2-(n-1))
浮点数的表示范围就省略了。
3.BCD和ASCLL码
BCD:
俗称8421码。
使用4位二进数才表现一位十进制数。
(4位)
ASCLL码:
用于表示字符。
(用一个字节八位来表示,只使用了七位。
最前后一位始终为0).记住特殊的字符的ASCLL码值:
字符
十进制数
ASCLL码
补充说明
A
65
1000001
大小到小写+32.小写到大小-32.要求字符在这三个上面推即可获得。
a
97
1100001
0
48
0110000
4.校验码:
奇偶校验
奇偶校验(含校验码的个数)110101数
奇校验奇数个11101011
偶校验偶数个11101010
奇偶校验提供奇数个错误检测,无法检测偶数个错误,更无法识别错误信息的位置。
5.变形补码与溢出
判断溢出方法:
(1)双符号位两个符号位异号,用异或门实现
变形补码是判断溢出的一种检测方法。
采用变形补码后,任何正数,两个符号位都是“0”,任何负数,两个符号后都是“1”。
如果两个数相加后,在符号位中出现了“10”或“01”则说明溢出。
参考下表判断是否溢出。
(2)单符号位最高位的进位和符号位进位异号。
结果溢出判断依据下表所示:
符号位
结果
0
0
正数
0
1
正溢出
1
0
负溢出
1
1
负数
6.运算器
(1)运算器是中央处理器的组成部分。
主要功能是完成计算机的算术运算与逻辑运算。
运算器的组成部件有:
算术逻辑运算单元(ALU)、数据缓冲寄存器、通用寄存器、多路转换器和数据总线等逻辑构件。
(2)提高运算器高速性采用的措施:
●先行进位
●阵列乘除法
●流水线
(3)74181ALU(算术逻辑运算单元):
4位算术逻辑运算单元,支持16种逻辑运算、16种算术运算
组内先行进位
(4)74182CLA(先行进位发生器)先行进位部件,可以实现多组74181ALU的组间先行进位
组合形式
(5)ALU的设计:
片内先行进位,片间串行进位。
16位ALU和32位ALU的设计。
(6)编址:
字节编址与字编址
字节编址:
某计算机内存按字节编址,内存地址区域从44000H到6BFFFH,共有___(11)___K字节。
若采用16K×4bit的SRAM芯片,构成该内存区域共需___(12)___片。
算法为6BFFFH-44000H+1H=28000H=163840/1024=160K(1+F=16逢十六进一,所以6BFFFH+1H=6C000H)
内存按字节编址,这163839应该是Byte。
内存160K,8bit,采用16K×4bit的SRAM芯片,需要160/16×8/4=20片
字编址:
给出容量、字长,计算寻址范围
例:
字长32位,存储容量64KB,寻址范围64KB/32=64K*8/32=16K
按字编址的寻址范围是:
0~64M。
也即0000000~3FFFFFFH
计算步骤:
256M字节=256*1024*1024*8位,按计算机按32位字长单字编址。
则单字的位数为32位,范围为(256*1024*1024*8位)/32位=64M。
此外若计算机按32位字长半字编址。
则半字的位数为16位,范围为(256*1024*1024*8位)/16位=128M
计算机按32位字长双字编址。
则双字的位数为64位,范围为(256*1024*1024*8位)/64位=32M
第三章多层次的存储器
1.存储器的层次
因为对容量大、速度快、成本低要要求,在一个存储器中要求同时兼顾这三方法是不容易的。
多级存储器体系结构,即使用高速缓冲存储器、主存储器、外存储器,来解决这个矛盾。
CPU可以直接访问内存储器(主存储器和cache),而不能直接访问外存储器(磁盘和光盘)。
2.外存和内存比较
存储器
容量
速度
价格
内存储器
小
快
高
外存储器
大
慢
低
3.半导体随机读写存储器
半导体随机读写存储器分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)的。
存储器
用处
刷新
行列地址复用
SRAM
cache
不需要
不是
DRAM
内存
需要
是
4.DRAM的两种刷新方式
DRAM刷新方式:
集中式刷新、分散式刷新;
集中式刷新:
每隔一段时间连接刷新所有行。
分散式刷新:
每隔一段时间刷新一行。
5.主存的性能指标
存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。
存储容量:
存储器中可以存放内容的存储单元总数。
存取时间:
一次读/写的时间。
存储周期:
存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。
存储器带宽:
单位时间内存取的信息量(b/s,B/s做量度)。
存取时间、存储周期、存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。
6.存储器扩展
存储器容量的扩充主要有字长位数扩展和字存储容量扩展。
(1)字长位数扩展
d=设计要求的存储器容量/已知芯片存储容量
例:
利用1MX4位的SRAM芯片,设计一个存储容量为1MX8位的SRAM存放器。
d=(1MX8)/(1MX4)=2(片)
(2)字存储容量扩展
例:
利用1MX8位的DRAM芯片,设计2MX8位的DRAM存储器。
d=(2MX8)/(1MX8)=2(片)
7.地址线与数据线
一个512K×16的存储器,其地址线和数据线的条数
地址线:
512K=512*1024=29*210=219,所以地址线为19。
数据线:
16就是数据线。
8.只读存储器和闪速存储器
只读存储器(ROM):
掩模ROM,可编程ROM(EPROM和E2PROM);
闪速存储器:
Flash存储器。
EPROM:
光擦可编程的只读存储器
E2PROM:
电擦可编程的只读存储器
9.提高存储器访问速度的方法:
●双端口存储:
两套相互独立的读写电路
●交叉存储:
同时读写,顺序传送(流水)
●Cache:
解决CPU和主存之间的速度匹配问题
10.地址映射和替换算法
知识点
名称
解释
主存与Cache地址映射
全相联映射
主存中的一块的地址(块号)和块的内容(字)一起放在cache的行中,块地址存在cache行的标记部分中。
直接映射
一种多对一的映射关系,但一个主存块只能复制到cache中一个特定位置。
组相联映射
前两种折衷方案。
Cache中替换算法(策略)
最不经常使用(LFU)
把一段时间内访问次数最少的那行数据换出。
近期最不经常使用(LRU)
近期长久未被访问的行换出。
随机替换
从特定位置随机选取一行换出即可。
11.虚拟存储器
采用虚拟存储器的主要目的是扩大存储器空间,并能进行自动管理。
常用的虚拟存储器系统由哪两级存储器组成?
主存——辅存
第四章指令系统
1.指令
计算机程序:
由一系统机器指令组成。
机器指令:
被称为指令,由操作码字段(操作性质)与地址码字段(操作数,地址,结果等)组成。
介于微指令与宏指令之间。
每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。
从操作数的物理位置来说,可将指令归结为三种类型:
寄存器—寄存器型(RR)、寄存器—存储器型(RS)、存储器—存储器型(SS)
2.指令系统
指令系统类别
特点
精简指令系统(RISC)
1.选取使用频率最高的一些简单指令,指令条数少;
2.指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少;
3.只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器之间进行。
复杂指令系统(CISC)
指令多,寻址方式多等。
3.计算机寻址方式
寻址方式种类
解释
隐含寻址
指令中隐含着操作数的地址
立即寻址
指令中直接给出操作数
直接寻址
指令中给出操作数在内存中的存储地址
间接寻址
指令中给出操作数地址在内存中的地址
寄存器寻址
指令中给出操作数在寄存器的地址。
寄存器间接寻址
操作数地址在通用寄存器中,操作数在通用寄存器指定的内存地址中
偏移寻址
直接与寄存器寻址方式结合:
相对寻址,基址寻址,变址寻址。
段寻址
微机中采用这种寻址方式
堆栈寻址
寄存器堆栈和存储器堆栈
4.程序控制类指令的功能是?
答:
程序控制指令用于程序执行流程的控制。
程序控制指令又称转移指令,主要是改变程序执行的顺序。
5.汇编语言特性:
硬件相关、编制难度大、执行速度快。
第