计算机组成原理学习指导.doc

计算机组成原理学习指导计算机组成原理课程要求学生掌握第一到第六章及第八章的内容，第七章内容不作要求。考试题型为单选题，填空题，设计题，考试内容基本按教学大纲要求，所以要求学生认真复习上课课件及完成课后的练习。第一章 计算机系统概论一掌握的知识点计算机的分类；计算机系统的组成；计算机的五大硬件；计算机系统的层次结构；计算机的主机等概念。二复习要点1. 计算机硬件包括哪些？ 输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部分组成2. 计算机的主机是由运算器，主存储器，控制器等部件组成。3. 完整的计算机系统应包括配套的硬件设备和软件系统4. 说明计算机系统的层次结构。计算机系统可分为：微程序机器级，一般机器级（或称机器语言级），操作系统级，汇编语言级，高级语言级。5. 计算机的主要性能指标有哪些？主要性能指标有：基本指长、数据通路宽度、主存容量等6. 计算机系统的分类。1） 按计算机系统的性能与价格的综合指标分为巨型机，大型机，中型机，小型机，微型机。2） 按计算机系统的处理器个数和种类分为单处理机，多处理机，并行处理机，关联处理机，超标量处理机，超流水线处理机，大规模并行处理机。第二章 运算方法和运算器一掌握的知识点数制转换及常用的数据格式；数的机器码表示及相互转换；数据奇偶校验；基本的逻辑关系、逻辑代数。二复习要点1 掌握不同数制之间（二进制、八进制、十进制及十六进制）的转换2 计算机中常用的两种数据表示格式为定点格式与浮点格式，其中定点数由符号位和数值域两部分组成，浮点数由符号位，尾数，阶码组成。3 带符号数的表示1） 某机字长32位。其中1位符号位，31位表示尾数。若用定点整数表示，则最大正整数是+(231-1)2） 在补码表示法机器数中，零的表示形式是唯一的。3） 定点8位字长的字，采用2的补码形式表示时，一个字所能表示的整数范围是-128+127。若是定点16位字长的字，其它一样，则为-216216-1。4 一位十进制数，用BCD码表示需4位二进制码 ，用ASCII码表示需7位二进制码。5 对字符码的奇偶位校验。6 运算器是一种既做算术运算，又做逻辑运算的运算部件。7 在定点二进制运算器中，减法运算一般通过补码运算的二进制加法器来实现。8 如将十进制数（123.375）转化成二进制数、八进制数、十六进制数。二进制 1111011.011 八进制 173.3 十六进制 7B.39 Intel80486是32位微处理器，而Pentium是64位微处理器。 10 字符信息是符号数据，属于处理非数值领域的问题。国际上采用的字符系统是七单位的ASCII码。11 书后习题5的参考答案1) 00 11110 2) 00 00110 3) 11 01001 (都无溢出)12 书后习题6的参考答案1) 01 11010 正溢 2) 11 11100 3) 01 01110 正溢第三章 存储系统一掌握的知识点掌握存储器的分类和分级结构；掌握存储器的技术指标； 掌握RAM的字位扩展；掌握Cache的命中率、访问效率等概念；了解ROM、EPROM和Cache的一般结构；了解Cache存储器的地址映射和置换策略；了解主存-辅存结构和虚拟存储技术。二复习要点1 存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。存储器中最小的存储单位是一个二进制位，称存储元。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。2 计算机系统中的存贮器系统包括主存贮器和外存贮器。其中内存储器的特点是容量小，速度快，成本高，外存储器的特点是容量大，速度慢，成本低。3 主存和CPU之间增加cache存储器的目的是什么？答：为了解决CPU和主存之间的速度匹配问题。4 采用虚拟存储器的主要目的是什么？扩大存储器空间，并能进行自动管理。5 PROM、EPROM、EEPROM分别指什么？答：PROM是一次编程只读存储器；EPROM是指光擦除可编程的只读存储器；EEPROM是指电擦除可编程的只读存储器。6 主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。7 课件中的“主存容量的扩展”、“动态RAM的刷新”、“cache的命中率、效率和平均访问时间”等章节的例子8 书后习题1答：1）能存储220字=1M字=4MB 2） 需要8片512K*8位的芯片 3）需1位地址作芯片选择9 书后习题3答：1） 框图略2） 采用异步刷新方式，两次刷新的最大时间间隔是2MS，假设片内用512*256的结构，则刷新一遍所需的实际刷新时间为0.5us*512=256us10 书后习题4答：1）共需1024K/128K*32bit/8bit=32片DRAM芯片2）框图略3）刷新周期=8ms/1024=7.9us10 书后习题91) H=Nc/(Nc+Nm)=2420/(2420+20)= 96.8%2) Ta=H*Tc+(1-H)Tm=46.4ns3) 效率e=Tc/Ta=40/46.4=86.2%11 书后习题10根据 Ta=H*Tc+(1-H)*Tm 得H=150/160=93.75%12 举例：CPU 执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，已知cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。 解：h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=95% r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/r+(1-r)h=1/5+(1-5)0.95=83.3% ta=tc/e=50ns/0.833=60ns第四章 指令系统一掌握的知识点指令格式的基本类型；指令和数据的基本寻址方式。二复习要点1 一条指令的结构形式，常由操作码字段和地址码字段组成。其中，操作码字段表征指令的操作特性与功能，地址码字段指定参与操作的操作数的地址。2 指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是缩短指令长度、扩大寻址空间、提高编程灵活性。3 在指令的地址字段中，直接指出操作数本身的寻址方式，称为立即寻址。4 从操作数的物理位置来说，可将指令归结为哪三种类型？指令归结为：存储器-存储器型（SS型），寄存器-寄存器型（RR型）， 寄存器-存储器型（RS型）。5 指令字长度分为单字长，半字长，双字长三种形式。例如奔腾机中目前采用32位长度的单字长形式。6 指令寻址的基本方式有两种，即顺序寻址方式方式和跳跃寻址方式。7 操作数的寻址方式有哪些？有：隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、相对寻址、变址寻址等方式8 书后习题3参考答案1）单字长二地址指令 2）OP字段可指定64条指令3）源操作数、目标操作数都是通用寄存器（分别为16位），所以为RR型指令，两操作数均在寄存器中。9 书后习题4参考答案、1）双字长二地址指令，用于访问存储器。 2）OP字段可指定64条指令3）RS型指令，一个操作数在通用寄存器（为16位）、一个操作数在主存中4）有效地址可通过变址寻址求得，EA=变址寄存器的内容+偏移量10 书后习题6参考答案1） 直接寻址 2） 相对寻址 3） 变址寻址4） 基址寻址 5） 间接寻址 6）先基址寻址后间接寻址第五章 中央处理器一掌握的知识点中央处理器的功能和组成；掌握指令周期的基本概念和基本指令周期类型；了解CPU结构及流水线CPU的概念。二复习要点1 传统的CPU由运算器和控制器组成，现在的CPU的基本部分变成了运算器、Cache和控制器三大部分。2 指令周期指CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间；机器周期指读取一个指令字的最短时间；时钟周期指处理操作的最基本单位。3 请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。 指令周期是指取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期，而一个CPU周期又包含若干个时钟周期（也称为节拍脉冲或T周期）。4 CPU的控制方式有同步控制方式，异步控制方式，联合控制方式三种。5 微指令，微命令，微操作，微程序，微周期等基本概念。微指令：指控制存储器中的一个单元的内容，即控制字，是若干微命令的集合微命令：指控制部件向执行部件发出的各种控制命令，是微操作的控制信号 微操作：微命令的操作过程微周期：从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微命令所需的全部时间微程序：一系列微指令的有序集合。一段微程序对应一条机器指令。6 微指令的格式大体分成水平型微指令和垂直型微指令两类。7 流水CPU的基本原理：指为了实现流水，先把输入的任务分割为一系列子任务，并使各子任务能在流水线的各个阶段并发地执行。当任务连续不断地输入流水线时，在流水线的输出端便连续不断地输出执行结果，从而实现子任务级的并行性。8 流水CPU是由一系列叫做“段”的处理线路所组成，和具有m个并行部件的CPU相比，一个m段流水CPU具备同等水平的吞吐能力。第六章 总线系统一掌握的知识点掌握总线的基本概念和总线结构；了解总线接口，总线控制和总线通信；了解一些典型的总线。二复习要点1 一个计算机系统中的总线，大致分为哪几类？解：一个计算机系统中的总线分为三类：（1） 同一部件如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。（2） 同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线，称为系统总线。（3） 多台处理机之间互相连接的总线，称为多机系统总线。 2 系统总线中地址线的功能是用于指定主存和I/O设备接口电路的地址。3 PCI总线是当前流行的总线。它是一个高带宽且与处理器无关的标准总线。4 总线的仲裁按照总线仲裁电路的位置不同，可分为集中式仲裁和分布式仲裁。5 集中式总线仲裁有三种方式：链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式，且独立请求方式响应时间最快。6 衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率。7 书后部分习题的参考答案8C 9C，A，C 10A 11D 12A14D，C，A，B 15B，A，B，D，C 16B，A，D，C，E 8 举例：1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总线带宽是多少？2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?解：设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个周期传送的数据量用D表示，根据总线带宽定义，有：1) Dr = D/T = Df = 4B33106/s = 132MB/s 2) Dr = D/T = Df = 8B66106/s = 528MB/s 第八章 输入输出系统一掌握的知识点熟悉外围设备的信息交换方式；了解程序中断方式；了解输入、输出控制的DMA方式； 了解输入、输出控制的通道方式。二复习要点1 外围设备的输入/输出控制分哪几类？答：有程序查询方式、程序中断方式、直接内存访问（DMA）方式、通道方式、外围处理机方式2 在PPU(外围处理机)方式、中断方式、DMA方式、通道方式等控制方式中，主要由程序实现的是中断方式。3 中断处理过