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计算机组成原理基础
计算机组成原理基础
第一章
●P1~计算机系统的层次结构
高级语言机器-->汇编语言机器-->操作系统机器-->机器语言机器-->微指令系统
●P7~计算机体系结构
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，即概念性的结构和功能特性。
计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等，大都属于抽象属性。
●P7~计算机组成
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含对程序员来说是透明的硬件细节。
例如，指令系统体现了机器的属性，这是属于计算机结构的问题。
但指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，这些都属于计算机组成问题。
●P16~计算机硬件的主要技术指标
计算机硬件的主要技术指标包括：
机器字长、存储容量、运算速度。
第三章
●P41~部件互连方式
计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种，即：
分散连接和总线连接。
●P43~系统总线分类及其作用
总线按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线。
片类总线：
芯片内部的总线。
系统总线：
CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线。
按系统总线传输信息的不同，又可分为数据总线、地址总线和控制总线。
●P44~通信总线传输方式
通信总线：
用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统之间的通信。
按传输方式可分为串行通信和并行通信。
●P45~总线特性
总线特性包括：
机械特性、电气特性、功能特性和时间特性。
●P46~总线主要性能指标
总线宽度（数据总线根数）、总线宽带（总线的数据传输率）、时钟同步/异步、总线复用（一条信号线上分时传送的两种信号）、信号线数（数据总线、地址总线和控制总线）、总线控制方式（突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式）、其它指标。
●P47~总线标准（自己看书）。
●P57~集中控制仲裁方式
集中控制仲裁方式分为链式查询、计数器定时查询、独立请求方式。
链式查询中用2根确定总线使用权属于哪个设备，计数器查询用log2n根线，其中n是允许接纳的最大设备数，而独立请求方式需采用2n根线。
●P59~总线周期的四个阶段
总线周期的四个阶段：
申请分配阶段、寻址阶段、传数阶段和结束阶段。
●P59~通信控制的四种方式及其各自特点
通信控制分为同步通信、异步通信（又可分为不互锁方式、半互锁方式、全互锁方式）、半同步通信和分离式通信。
第四章
●P68~存储器的三种分类及其具体内容
按存储介质分类：
半导体存储器、磁表明存储器、磁芯存储器和光盘存储器。
按存取方式分类：
随机存储器、只读存储器、串行访问存储器。
按在计算机中的作用分类：
主存储器、辅助存储器和缓冲存储器。
●P70~存储器的层次结构
存储器的层次结构主要体现在缓存-主存（解决CPU和主存速度不匹配的问题）和主存-辅存（解决存储系统的容量问题）这两个存储层次上。
●P73~主存的主要技术指标
主存的主要技术指标：
存储容量、存储速度（由存取时间和存取周期表示）。
●P86~刷新原因、怎样刷新、刷新方式
动态RAM靠电容存储电荷，电容上的电荷一般只能维持1~2ms，因此必须在2ms内对所有存储单元恢复一次原状态，即刷新。
刷新过程实质是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程。
刷新方式有：
集中刷新、分散刷新和异步刷新。
●P87~动态RAM和静态RAM比较
1.在同样大小的芯片中，动态RAM的集成度远高于静态RAM；
2.动态RAM行、列地址按先后顺序传送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少。
3.动态RAM的功耗比静态RAM小。
4.动态RAM的价格比静态RAM价格便宜。
●P91~存储容量的扩展
位扩展：
指增加存储字长。
字扩展：
指增加存储器字的数量。
字、位扩展：
指既增加存储字的数量，又增加存储字长。
●P103~提高访存速度的措施
提高访存速度的措施：
单体多字系统、多体并行系统（采用多体模块组成的存储器）。
●P109~程序访问局部性
CPU从主存取指令或取数据，在一定时间内，只是对主存局部地址区域的访问，由于指令和数据在主存内都是连续存放的，并且有些指令和数据往往会被多次调用，使得CPU在执行程序是，访存具有相对的局部性，这就称为程序访问的局部性。
●P117~地址映射
由主存地址映射到Cache地址称为地址映射。
地址映射分为：
直接映射、全相连映射、组相连映射。
●P123~替换策略
常用替换算法有先进先出算法、近期最少使用算法和随机法。
●P124~磁表面存储器的主要技术指标
主要技术指标有：
记录密度、存储容量、平均寻址时间、数据传输率和误码率。
●P128~评价记录方式的主要指标
平均一种记录方式的优劣标准主要反映在编码效率和自同步能力等方面。
●P130~硬盘存储器的组成
硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片3大部分组成。
第五章
●P156~输入输出系统的发展阶段
输入输出系统的发展阶段有：
早期阶段、接口模块和DMA阶段、具有通道结构的阶段和具有I/O处理机的阶段。
●P157~接口中数据通路和控制通路及其作用
数据经过接口即起到缓冲作用，又可完成串--并转换。
控制通路用以传送CPU向I/O设备发出的各种控制命令，或使CPU接受来自I/O设备的反馈信号。
●P157~DMA及其作用
DMA（直接存储器）存储技术，其特点是I/O设备与主存之间有一条直接数据通路，I/O设备可以与主存直接交换信息，使CPU在I/O设备与主存直接交换信息时能继续完成自身的工作，故资源利用率得到了进一步提高。
●P158~输入输出系统的组成
输入输出系统的组成由I/O软件和I/O硬件两部分组成。
●P158~I/O软件的主要任务
1.将用户编制的程序（或数据）输入主机内；
2.将运算结果输送给用户；
3.实现输入蔬菜系统与主机工作的协调等。
●P158~I/O指令组成部分及其各自作用
I/O指令由操作码、命令码和设备码组成，操作码字段可作为I/O指令与其它指令的判别代码，命令码体现I/O设备的具体操作，设备码是多台I/O设备的选择码（相当于设备的地址）。
●P159~通道指令及其作用
通道指令是对具有通道的I/O系统专门设置的指令，这类指令一般用以指明参与传送（写入或读取）的数据组在主存中的首地址；指明需要传送的字节数或所传送数据组的末地址；指明所选设备的设备码及完成的某种操作的命令码。
●P159~通道控制字、通道程序
通道控制字是通道用于执行I/O操作的指令，可以由管理程序存放在主存的任何地方，由通道从主存中取出并执行。
通道程序即由通道指令组成，它完成某种外围设备与主存之间传送信息的操作。
●P159~I/O硬件的组成
在带有接口的I/O系统中，一般包括接口模块及I/O设备两大部分。
●P160~I/O设备编址方式及其特点
1.统一编址：
将I/O地址看做是存储器地址的一部分，特点是占用了存储空间，减少了主存容量，但无须专用的I/O指令；
2.不统一编址：
I/O指令和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令，特点是由于不占主存空间，故不影响主存容量，但需设I/O专用指令。
●P161~I/O设备的三种联络方式
立即响应方式、异步工作采用应答信号联络、同步工作采用同步时标联络。
●P162~I/O设备与主机交换信息的5种控制方式
程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存储方式（DMA）、I/O通道方式、I/O处理机方式。
●P166~I/O设备分类
人机交互设备、计算机信息的存储设备、机-机通信设备。
●P186~接口；为什么需要接口？
接口可以看做两个系统或两个部件之间的交接部分，它既可以是两种设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。
主机与I/O设备间设置接口的理由如下：
1.一台机器通常配有多台I/O设备，它们各自有其设备号（地址），通过接口可实现I/O设备的选择；
2.I/O设备种类繁多，速度不一，与CPU速度相差可能很大，通过接口可实现数据缓冲，达到速度匹配；
3.有些I/O设备可能串行传送数据，而CPU一般为并行传送，通过接口可实现数据串-并格式的转换；
4.I/O设备的输入输出电平可能与CPU的输入输出电平不同，通过接口可实现电平转换；
5.CPU启动I/O设备工作，要向I/O设备发各种控制信号，通过接口可传送控制命令；
6.I/O设备需将其工作状态及时向CPU报告，通过接口可监视设备的工作状态，并可保存状态信息，供CPU查询。
●P187~I/O总线组成
数据线、设备选择线、命令线和状态线。
●P188~接口功能
地址功能、传送命令的功能、传送数据的功能和反映I/O设备工作状态的功能。
●P189~接口分类
1.按数据传送方式分类，有并行接口和串行接口两类；
2.按功能选择的灵活性分类，有可编程接口和不可编程接口两种；
3.按通用性分类通用接口和专用接口；
4.按数据传送的控制方式分类，有程序型接口和DMA接口。
●P194~中断
计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向这些异常情况或特殊请求的处理，处理介绍后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是“中断”。
●P199~中断处理过程的5个阶段
中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回。
●P199~中断服务程序流程的四大部分
保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回。
●P203~DMA与主存交换数据的三种方式
停止CPU访问主存、周期挪用、DMA与CPU交替访问。
●P204~DMA接口的功能
1.向CPU申请DMA传送；
2.在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转交，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争；
3.在DMA期间管理系统总线，控制数据传送；
4.确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度；
5.在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号。
●P205~DMA接口的主要组成部分
主存地址寄存器（AR）、字计数器（WC）、数据缓冲寄存器（BR）、DMA控制逻辑、中断机构、设备地址寄存器（DAR）。
●P206~DMA数据传送过程
预处理、数据传送和后处理3个阶段。
●P210~DMA接口类型及其主要特点
1.选择型DMA接口：
在物理上可连续多个设备，在逻辑上只允许连接一个设备，即在某一段时间内，DMA接口只能为一个设备服务，关键是在预处理时将所选设备的设备好送入设备地址寄存器；
2.多路型DMA接口：
不仅在物理上可以连接多个设备，而且在逻辑上也允许多个设备同时工作，各个设备采用字节交叉的方式通过DMA接口进行数据传送。
第六章
●P231~定点数和浮点数的比较
1.当浮点机和定点机中数的位数相同时，浮点数的表示范围比定点数的大得多；
2.当浮点数为规格化数时，其相对应精度远比定点数高；
3.浮点数运算要分阶码部分尾数部分，而且运算结果都要求规格化，故浮点运算步骤比定点运算不步骤多，运算速度比定点运算低，运算线路比定点运算的复杂；
4.在溢出判断方法上，浮点数是对规格化数的阶码进行判断，而定点数是对数值本身进行判断。
●P238~怎样判断补码加减运算的溢出
1.用一位符号位判断溢出：
对于加法，只有在正数加正数或负数加负数才有可能出现溢出。
对于减法，只有在正数减负数或负数减正数才有可能出现溢出；
2.用两位符号位判断溢出：
当2位符号位不同时，表示溢出，否则，无溢出。
高位（第一位）符号为永远盗版真正的符号。
“01”表示正溢出，“10”表示负溢出。
●P269~浮点加减运算步骤
1.对阶，使两数的小数点位置对齐；
2.尾数求和，将对阶后的两尾数按定点加减运算规则求和（差）；
3.规格化：
为增加有效数字的位数，提高运算精度，必须将求和（差）后的尾数规格化；
4.舍入：
为提高精度，要考虑尾数右移时丢失的数值位；
5.溢出判断：
即判断结果是否溢出。
●P273~机器零
1.如果一个浮点数的尾数全为0，则不论其阶码为何值，计算机在处理时都把这种浮点数当作零看待；
2.如果一个浮点数的阶码小于它所表示范围的最小值，则不论其尾数为何值，计算机在处理时都把这种浮点数当作零看待。
●P281~ALU
ALU电路是既能完成算术运算又能完成逻辑运算的部件。
●P285~并行进位链
并行进位链是指并行加法器中的进位信号是同时产生的，又称先行进位、跳跃进位等，有单重分组跳跃进位和双重分组跳跃进位两种实现方案。
第七章
●P301~指令系统
计算机就是连续执行每一条机器语句而实现全自动工作的。
人们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令，而又将全部机器指令的集合称为机器的指令系统。
●P301~指令组成部分及其作用
1.操作码：
用来指明该指令所要完成的操作；
2.地址码：
用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。
●P304~操作数类型
机器中常见的操作数类型有地址、数字、字符、逻辑数据等。
●P306~指令常见的操作类型
数据传送、算术逻辑操作、移位、转移、输入输出和其它。
●P310~两种指令寻址方式
1.顺序寻址：
通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；
2.跳跃寻址：
通过转移类指令实现。
●P311~常见的数据寻址方式
立即寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址、堆栈寻址。
●P320~影响指令格式设计的5个主要因素
1.操作类型：
包括指令数及操作的难易程度；
2.数据类型：
确定哪些数据类型可以参与操作；
3.指令格式：
包括指令字长、操作码位数、地址码位数、地址个数、寻址方式类型，以及指令字长和操作码位数是否可变等；
4.寻址方式：
包括指令和操作数具体有哪些寻址方式；
5.寄存器个数：
寄存器的多少直接影响指令的执行时间。
●P326~RISC和CISC
RISC即精简指令系统计算机，CISC即复用杂指令系统计算机。
●P330~RISC的主要特点
1.选取使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用但又不复杂的指令，让复杂指令的功能由频度高的简单指令的组合来实现；
2.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；
3.只有读取/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成；
4.CPU中有多个通用寄存器；
5.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期；
6.控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制；
7.采用优化的编译程序。
●P333~RISC的主要优点
1.充分利用VLSI芯片的面积；
2.提高计算机运算速度；
3.便于设计，可降低成本，提高可靠性；
4.有效支持高级语言程序。
第八章
●P337~控制器的功能
控制器负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。
●P338~用户可见寄存器及其作用
用户可见寄存器，用户可对这类寄存器编程，以及通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数。
●P339~对用户透明的寄存器及其作用
1.通用寄存器：
可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器；
2.数据寄存器：
用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围，有些机器允许使用两个连续的寄存器存放双倍字长的值；
3.用于存放地址，其本身可以具有通用性，也可用于特殊的寻址方式；
4.条件码寄存器：
用于存放条件码，它们对用户来说是部分透明的。
●P342~CU
控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件。
P342~微操作序列形成方法
现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种：
一种是组合逻辑设计方法，为硬连线逻辑；另一种是微程序设计方法，为存储逻辑。
●P342~指令周期、取指周期、执行周期
1.指令周期：
CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间；
2.取址周期：
取址阶段完成取指令和分析指令的操作时间；
3.执行周期：
执行阶段完成执行指令的操作时间。
●P346~并行性两个方面及四个级别
两个方面：
同时性和并发性；
四个级别：
作业级或程序级、任务级或进程级、指令之间级和指令内部级。
●P346~粗粒度、细粒度及其实现
1.粗粒度：
一般用算法（软件）实现。
从计算机体系上看，粗粒度并行性是在多个处理机上分别运行多个进程，有多台处理机合作完成一个程序；
2.细粒度：
一般用硬件实现。
细粒度并行性是指在处理机的操作级和指令级的并行性，其中指令的流水作业就是一项重要技术。
●P346~指令流水
将一个计算任务细分成若干个子任务，每个子任务由专门的部件处理，多个计算任务依次进行并行处理。
●P346~影响流水线性能的因素
三种相关：
结构相关、数据相关和控制相关。
●P350~数据相关的几种形式及主要解决方法
数据相关冲突可分为写后读相关、读后写相关和写后写相关。
主要解决方法有后推法和采用定向技术（又称为旁路技术或相关专用通路技术）。
●P353~流水线性能指标
流水线性能指标：
吞吐量、加速比和效率。
●P355~常见的流水线多发技术
常见多发技术有超标量技术、超流水线技术和超长指令技术。
●P359~引起中断的各种因素
认为设置的中断、程序性事故、硬件故障、I/O设备和外部事件。
●P359~中断系统要解决的问题
1.各中断源如何向CPU提出中断请求；
2.当多个中断源同时提出中断请求时，中断系统如何确定优先响应哪个中断源的请求；
3.CPU在什么条件、什么时候、以什么方式来响应中断；
4.CPU响应中断后如何保护现场；
5.CPU现在中断后，如何停止原程序的执行而转入中断服务程序的入口地址；
6.中断处理结束后，CPU如何恢复现场，如何返回到原程序的间断处；
7.在中断出来过程中又出现了新的中断请求，CPU该如何处理。
●P360~INTR及中断请求标记寄存器
为了判断是哪个中断源提出请求，在中断系统中必须设置中断请求标记触发器，即INTR，当其状态为“1”时，表示中断源有请求。
这种触发器可集中在CPU内，组成一个中断请求标记寄存器。
●P360~中断判优及其实现方法
当某一时刻有多个中断源提出中断请求是，中断系统必须按其优先顺序予以响应，这称为中断判优。
中断判优有硬件排队和软件排队两种实现方式。
●P362~硬件向量法
硬件向量法就是利用硬件产生向量地址，再由向量地址找到中断服务程序的入口地址。
●P362~EINT及其作用
EINT为中断触发器，当中断触发器为“1”时，意味着CPU允许响应中断源的请求；当其为“0”时，意味着CPU禁止响应中断。
●P363~中断隐指令及其内容
中断隐指令即在机器指令系统中没有的指令，它是CPU在中断周期内由硬件自动完成的一条指令。
它包括的操作有保护断点、寻找入口地址和关中断。
●P364~保护现场和恢复现场
1.保护现场包括保护程序断点和保护CPU内部各寄存器内容的现场；
2.恢复现场是指在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处理前的状态，这部分工作也由中断服务程序完成。
●P365~中断嵌套（多重中断）
当CPU正在执行某个中断服务程序时，另一个中断源又提出新的中断请求，而CPU又响应了这个新的请求，暂时停止正在运行的服务程序，转去执行新的中断服务程序，这称为中断嵌套。
第九章
●P379~控制单元的外特性、输入、输出信号
1.输入信号：
时钟、指令寄存器、标志和来自系统总线的（控制总线）控制信号；
2.输出信号：
CPU内的控制信号和送至系统总线（控制总线）的信号。
●P386~多级时序系统组成
机器周期和节拍（状态）。
●P387~CU的控制方式及四种具体形式
CU的控制方式：
同步控制、异步控制、联合控制和人工控制。
根据喻楚云老师点的重点整理，因全部手动打出来的，所以难免有错别字，希望读者对照每小条前面的页码翻书复习。
整理人：
静水无踪
2010年7月13日
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