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计算机组成原理自学笔记范文

计算机组成原理

计算机分类：

电子模拟计算机、电子数字计算机（电脑）

数字计算机：

专用计算机、通用计算机

通用计算机：

巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机

通用计算机：

超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机、单片机

计算机的硬件

存储单元：

保存一个数的16个寄存器为一个存储单元

指令形式：

操作码+地址码

控制器的取指周期、执行周期

字节：

8个位字：

一个以上字节，字节的整数倍，常见的有2个字节的，其长度称为字长

计算机的发展：

电子管、晶体管、小规模集成电路、大型集成电路、举行集成电路19世纪开始

计算机软件

计算机程序：

系统程序、应用程序

系统程序：

各种服务性程序、语言程序、操作系统、数据库管理系统

计算机程序：

目的程序、汇编程序、源程序

源程序翻译系统：

编译系统、解释系统

操作系统：

批处理、分时、网络、实时

计算机系统多级：

微程序设计级、一般机器、操作系统级、汇编语言级、高级语言级

运算方法和运算器

数据表示：

定点格式、浮点格式

浮点数=阶符+阶码+数符+尾数

整数转二进制除2，小数转二进制乘2

十进制数串：

字符串形式、压缩十进制数串形式

另外还可以自定义数据：

标识符数据表示、描述符数据表示

标识符数据=标识符+数据

描述符数据=描述符标识+特征标记+数据块长度+数据块起始地址

机器码：

原码、补码、反码、移码

原码有+0和-0之分，即0000和1000

0的补码只有一种形式

反码也有+0和-0之分，即0000和1111

移码的符号位与前三种相反，0表示负，1表示正

主要采用补码，移码主要用来表示阶码

ASII码由七位加一位偶校验码组成

汉字的编码：

1、汉字输入编码：

数字编码、拼音编码、字形编码

2、汉字内部处理：

内码

3、汉字输出：

字模码

从[ｙ]补求[－ｙ]补的法则是：

对[ｙ]补包括符号位“求反且最末位加1”,即可得到

[－ｙ]补

上溢与下溢，同号的相加才可能溢出

采用双符法表示溢出：

01、10均为溢出

行波进位加减器

流水式阵列乘法器为并行乘法器

原码乘法有两种：

直接原码乘法，带求补的间接原码乘法器

间接原码乘法，符号求补的阵列乘法器：

当输入都是不带符号时，输入输出都不需要求补，而当输入是带符号时，输入两数求补，乘积结果求补再输出

补码乘法的符号位参与运算，原码的符号的则要分开运算。

补码转换为真值的计算公式：

补码乘法器是含有负1的，有四类全加法器FA

补码除法：

余数恢复法，交替加减法

可控加法/减法单元CAS

不恢复余数除法：

加减交替进行，注意负数的右移

逻辑加表示或，逻辑乘表示与

总线分内部总线和外部总线，

运算器包括ALU、阵列乘法器、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件

运算器类型：

单总线结构的运算器、双总线结构的运算器、三总线结构的运算器

双总线结构需要设置输出或输出缓冲寄存器

三总线结构有总线旁路器，把不需要修改的操作数直接输出

浮点数加法减法步骤：

0操作数检查、比较阶码大小完成对阶、尾数进行加减运算、规格化处理并舍入

溢出条件是阶码的最高符号位为1。

此时,当两位符号位为10时,表明上溢,为11时,表明下溢。

当最高符号位为0时,表明没有溢出；两位符号位为01时,结果为正；为00时,结果为负。

线性流水线的时钟周期、线性流水线的加速比

存储系统

存储器：

随机读写存储器、只读存储器、闪速存储器、高速存储器、cache存储器、虚拟存储器。

存储介质主要采用半导体器件和磁性材料

存储元可以存储一位二进制信息，若干存储元组成存储单元，许多存储单元构成存储器

主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器

主存的技术指标：

存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽

存储器带宽：

单位时间里存储器所存取的信息量

SRAM的组成：

存储体、地址译码器、驱动器、I/O电路、片选、输出驱动电路

存储器的扩展方法：

位扩展法、字扩展法、字位同时扩展法

DRAM的刷新方式有：

集中式、分散式、异步式

ROM的种类：

掩模式、一次编程、多次编程

地址总线的宽度决定了存储器的存储容量，数据总线的宽度决定了存储器的字长。

加速CPU和主存之间有效传输措施：

采用更高速的主存或加长存储器字长、采用并行操作的双端口存储器、采用cache、采用交叉存储器

高速存储器：

双端口存储器、多模块交叉存储器、相关联存储器

相关联存储器的组成：

检索寄存器、屏蔽寄存器、符合寄存器、比较线路、代码寄存器、存储体。

主要用于虚拟存储器中放分段表、页表和快表；作为存放cache的行地址

CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。

地址映射即是应用某种方法把主存地址定位到cache中。

址映射方式有全相联方式、直接方式和组相联方式三种

Cache的替换策略：

最不经常使用算法（LFU）、近期最少使用算法（LRU）、随机替换

Cache的写入策略：

写回法、全写法、写一次法

L2级cache的内容是主存的子集，而L1级cache又是L2级cache的子集。

L2负责整个系统的cache/主存一致性，L1负责响应L2，与L2一起维护L1/L2两个cache的一致性，保证三级存储系统的一致性。

虚拟存储器是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。

主存-外存层次的基本信息传送单位可采用几种不同的方案：

段、页或段页。

页式虚拟存储系统中，虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成同样大小的页，称为物理页。

在虚拟存储系统中，通常采用页表保护、段表保护和键式保护方法。

指令系统

从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。

　　微指令：

微程序级的命令，它属于硬件；

　　宏指令：

由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；

　　机器指令（指令）：

介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。

指令系统：

一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。

指令系统的性能要求：

完备性、有效性、规整性、兼容性

规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。

低级语言分机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言），这两种语言都是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。

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

指令字长度：

一个指令字中包含二进制代码的位数。

机器字长：

计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。

为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。

这种缩写码叫做指令助记符。

在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。

当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。

寻址方式分为两类，既指令寻址方式和数据寻址方式，前者比较简单，后者比较复杂。

指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。

当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取跳跃寻址方式。

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。

操作数的寻址方式：

隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式、相对寻址方式、基地址寻址方式、变址寻址方式、块寻址方式、段寻址方式

堆栈是一组能存储和取出数据的暂时存储单元。

很多计算机把存储器的一部分用作堆栈。

堆栈结构类型:

串联堆栈、存储器堆栈

存储器堆栈中，进栈时先存入数据，后修改堆栈指示器；出栈时，先修改堆栈指示器，然后取出数据。

指令的分类：

数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、字符串处理指令、特权指令、其他指令

中央处理器

CPU的功能：

指令控制、操作控制、时间控制、数据加工

CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成

运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。

CPU内的6个类要寄存器：

数据缓冲寄存器DR、指令寄存器IR、程序计数器PC、地址寄存器AR、累加器AC、状态条件寄存器PSW

操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。

指令周期 CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。

CPU周期  又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期 通常称为节拍脉冲或T周期。

一个CPU周期包含若干个时钟周期。

CLA是一条非访内指令，它需要两个CPU周期，其中取指令阶段需要一个CPU周期，执行指令阶段需要一个CPU周期。

ADD指令的指令周期由三个CPU周期组成

STA指令的指令周期由三个CPU周期组成

方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。

菱形通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧接它的前面一个框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。

总之，计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。

硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。

在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。

微程序控制器中使用的时序信号产生器由时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑等部分组成。

控制方式即控制不同操作序列时序信号的方法。

常用的有同步控制、异步控制、联合控制三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式。

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微命令控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。

微操作执行部件接受微命令后所进行的操作。

微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。

微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。

微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。

一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。

因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。

简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。

微命令编码方法：

直接表示法、编码表示法、混合表示法

微地址产生后继地址的两种方法：

计数器方式、多路转移方式

微指令的格式大体分成两类：

水平型微指令和垂直型微指令

按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：

全水平型（不译法）微指令，字段译码法水平型微指令，以及直接和译码相混合的水平型微指令。

微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。

流水线分类：

指令流水线、算数流水线、处理机流水线

流水线中的三种冲突：

资源相关、数据相关、控制相关

动态执行技术是指通过预测程序流来调整指令的执行，并分析程序的数据流来选择指令执行的最佳顺序。

动态执行技术涉及数据相关性及指令调度法、转移预测法、指令的发射顺序与完成顺序等流水技术基本要素。

总线系统

总线的分类：

内部总线、系统总线、I/O总线

总线特性：

物理特性、功能特性、电气特性、时间特性

总线的连接方式：

单总线结构、双总线结构、三种线结构

计算机系统中，传输信息采用三种方式：

串行传送、并行传送和分时传送。

接口即I/O设备适配器，具体指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。

按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

总线的一次信息传送过程，大致可分为如下五个阶段：

请求总线，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）

一个总线周期由一个地址期和一个或多个数据期组成

多级总线内的总线种类：

HOST总线、PCI总线、LAGACY总线

即插即用简称PnP

外围设备

除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。

外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。

按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、等离子显示器等。

为了不断提供刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器，也叫视频存储器。

图形是用计算机表示和生成的图，称作主观图像。

在计算机中表示图形，只需存储绘图命令和坐标点，没有必要存储每个像素点。

而图像所处理的对象多半来自客观世界，即由摄像机摄取下来存入计算机的数字图像，这种图像称为客观图像。

显示适配器由刷新存储器、显示控制器、ROMBIOS三部分组成

常用的计算机输入设备分为图形输入、图像输入、声音输入等几类

针式打印机由打印头与字车、输纸机构、色带机构与控制器四部分组成。

常用记录方式可分为不归零制（NRZ），调相制（PM），调频制（FM）几大类

评价一种记录方式优劣的标准：

编码效率、自同步能力、检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码译码电路的复杂性等。

通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。

硬磁盘机主要由磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器三大部分组成。

磁盘控制器包括控制逻辑与时序、数据并-串变换电路和串-并变换电路。

磁盘驱动器包括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统等。

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硬磁盘机通常按以下方法分类：

按盘片结构分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。

各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成

每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白段组成

磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率

衡量驱动器的性能指标主要有如下三项：

数据传输率、数据缓冲器容量、接口类型

输入输出系统

CPU管理外围设备的方式：

程序查询方式、程序中断方式、直接内存访问方式DMA、通道方式、外围处理机方式

通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器（IOP），它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。

公操作是指一条指令执行结束后CPU所进行的操作，如中断处理、直接内存传送、取下条指令等

根据计算机系统对中断处理的策略不同，可分为单级中断系统和多级中断系统

在单级中断中，采用串行排队链法来实现具有公共请求线的中断源判优识别。

开关理论中把若干个布尔量排成的序列定义为布尔向量。

由于存储器的地址码是一串布尔量的序列，因此常常把地址码称为向量地址。

直接内存访问（DMA）是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。

在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。

周期挪用的方法适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。

DMA控制器与CPU分时使用内存通常采用以下三种方法：

停止CPU访问内存、周期挪用、DMA与CPU交替访内

I/O系统一般具有四级连接：

CPU与内存<-->通道<-->设备控制器<-->外围设备。

CPU是通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。

来自通道的中断有两种，一种是数据传送结束中断，另一种是故障中断。

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通道的类型：

选择通道、数组多路通道、字节多路通道