计算机组成原理全书知识总结

计算机组成原理全书知识总结下载该⽂档见主页第⼀章计算机系统概论1.计算机系统由软件和硬件两部分组成。2.软件包括：系统软件和应⽤软件系统软件（系统程序）：⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，⾼效运⾏；应⽤软件（应⽤程序）：⽤户根据任务需要所编制得各种程序。3.计算机系统的层次结构：1）程序员直接编写机器语⾔（即01代码）优点：编写的程序可以直接在机器上运⾏。缺点：要求程序员对硬件及指令系统⼗分熟悉；编写难度很⼤，操作过程容易出错。2）⼆级层次结构汇编语⾔：符号式的程序设计语⾔即⽤符号表⽰指令或数据所在的存储单元的地址。虚拟机：具有翻译功能的机器（实际并不存在）优点：⽤户编程更加⽅便；缺点：仍要求程序员对硬件及指令系统⼗分熟悉；汇编语⾔没有通⽤性。3）三级层次结构⾼级语⾔出现：FORTRANBASICPASCALC等。优点：具有较强的通⽤性；程序员不必了解实际机器的组成及其指令系统，只要掌握⾼级语⾔的语法和语义就可以编程。翻译程序：将⾼级语⾔翻译成机器语⾔；1》编译程序：⼀次将源程序全部翻译后执⾏，只要源程序不变不⽤再次翻译2》解释程序：对源程序逐句翻译，每句翻译后随即执⾏，相同的语句也会再次翻译。4）四级层次结构5）多级层次结构4.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（包括指令集数据类型，存储器寻址技术，I/0机理等）；5.计算机组成：是指如何实现计算机体系结构所体现的属性。6.计算机体系结构和组成区别：例：指令系统是计算机系统的属性，属于结构；如何取指令，分析指令，运⾏指令是组成。实例：惠普暗影精灵系列电脑不论是第⼏代，整个系列的结构是相同的，但是每代之间的组成是不同的。7.冯·诺依曼机：以“存储程序”概念为基础的计算机。特点：1》由运算器，存储器，控制器，输⼊设备和输出设备五部分组成；2》指令和数据以同等地位放在存储器内，并按地址寻访；3》指令和数据都⽤⼆进制数表⽰；4》指令由操作码和地址码组成；5》指令在存储器中按顺序存放（通常情况下顺序执⾏，特定条件可改变执⾏顺序）；6》机器以运算器为⼼。8.现代计算机：以存储器为⼼运算器：⽤来完成算术运算和逻辑运算，运算的中间结果可暂存在运算器内；存储器：⽤来存放数据和程序；控制器：⽤来控制，指挥程序和数据的输⼊，运⾏以及处理运算结果；（控制5⼤部件⼯作）输⼊设备：将⼈们熟悉的信息转换成机器能识别的信息；输出设备：将运算结果转换为⼈们熟悉的信息形式；将运算器和控制器集成在⼀起就是CPU（中央处理器），输⼊，输出设备简称为I/O设备，所以现代计算机可认为有三部分组成：CPU，I/O设备，主存储器。CPU和主存储器合起来称为主机，I/O设备⼜称为外部设备（外设）；存储器：分为主存储器和辅助存储器；（第四章详细讲解）主存储器：⽤来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息；辅助存储器（外存）9.主存储器：由存储体，各种逻辑部件和控制电路组成。1)存储体：由许多存储单元组成，每个存储单元⼜包含若⼲存储元件，每个存储元件可以存储⼀位⼆进制数，因此⼀个存储单元可以存储⼀串⼆进制数，这串⼆进制数的位数叫做存储字长；2）⼯作⽅式：按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存⼊和取出，即按地址访问存储器（访存）；3）主存中还包含两个寄存器：MAR(存储器地址寄存器)MDR（存储器数据寄存器）；MAR:⽤来存放欲访问的存储单元地址，其位数应与存储单元的个数相等。MDR:⽤来暂存将要从某存储单元取出或存⼊的代码，其位数应与存储字长相等；4）早期存储字长和指令字长和数据字长都是相同的，⽅便存取，即存储字长决定指令字长和数据字长；现在指令字长和数据字长不必⼀定和存储字长相等，但是由字节的个数来表⽰，即必须是字节的整数倍！注意区分指令字长，数据字长，存储字长，MDR位数的区别和联系。10.运算器：最少包括三个寄存器和⼀个算术逻辑单元（ALU）；三个寄存器：ACC（累加器），MQ(乘商寄存器)，X（操作数寄存器）前⾯提到运算器可暂存运算的中间结果，就存在寄存器中，运算的类型不同，所存放的操作数类别也不同。参考课本P14-P15的实际运算中操作数的寄存位置理解这个表。11.控制器：由程序计数器（PC）,指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成；1）⼀条指令需要三个阶段：取指，分析，执⾏。取指阶段：控制器命令存储器读出⼀条指令；分析阶段：控制器分析指令，得到操作类型（操作码）和操作数地址（地址码）执⾏阶段：根据操作类型和地址码完成操作。计算机的⼯作过程就是周⽽复始的取出指令，分析指令和执⾏指令的过程。2）PC:⽤来存放欲执⾏的指令的地址，与主存中的MAR有⼀条直接通路，且可以⾃动加⼀，即指向下⼀条指令地址。IR：⽤来存放当前的指令，IR的内容来⾃主存的MDR。IR中的指令的操作码送⾄CU(OP（IR）→CU)分析指令，获得操作类型；IR中的指令的地址码送⾄MAR（Ad（IR）→MAR），准备读数据。PC与MAR功能上相同，IR与MDR功能上相同，他们的差别在于PC,IR寄存的是指令的地址和指令，⽽MAR和MDR寄存的可以是指令的地址和指令也可以是数据的地址和数据。切记：指令的地址码和指令内部的地址码是不⼀样的12.I/O包括各种I/O设备和相应的接⼝。13.内存读指令：【PC】→MAR，主存读出指令，指令→MDR，MDR→IR内存读操作数：Ad（IR）→MAR，主存读出操作数，操作数→MDR→X内存读操作：地址→MAR，读出信息，信息→MDR内存写操作：信息→MDR，信息地址→MAR，信息写⼊本节要理解掌握三部分的组成，每⼀部分的名字（英⽂）作⽤⼀定要掌握，掌握计算机读写操作的原理，后⾯⼏张都是以本章为基础。14.存储容量=主存容量+辅存容量主存容量=存储单元个数存储字长15.运算速度1）吉普赛法：每条指令的执⾏时间乘以它们在全部操作中所占的百分⽐再求和。（实际上是求时间的加权平均数）公式见课本P17（让计算的可能性不⼤）求出来的实际为平均运⾏时间，运算速度=1/Tm2）现在采⽤单位时间内执⾏的指令的平均条数来衡量，单位MIPS（百万条指令每秒）或采⽤CPI:执⾏⼀条指令所需要的时钟周期；IPC：每个时钟周期内执⾏的指令条数时钟周期=主频的倒数V=f/CPI=fIPCf为主频第三章系统总线1.计算机五⼤部件之间的互连⽅式：分散连接和总线连接2.分散连接：各部件之间使⽤单独的连线缺点：1》CPU⼯作效率较低2》⽆法解决I/O与主机之间连接的灵活性。3.总线连接：将各部件连到⼀组公共信息传输线上。4.总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件分时共享的传输介质。因为总线同时连接多个部件，多个部件同时请求会发⽣冲突，因此采⽤分时的访问⽅式；（但是多个部件可以同时从总线上获得相同信息）5.以CPU为中⼼的双总线结构缺点：I/O与主存交换信息时仍然占⽤CPU，影响CPU的⼯作效率6.单总线结构同⼀时刻多个部件同时占⽤总线时会发⽣冲突，总线⽤判优逻辑使各部件按照优先级来占⽤总线，也会影响整机的⼯作速度。7.以存储器为中⼼的双总线结构（现代计算机这类结构）存储总线只供主存与CPU之间的信息传输，提⾼了传输效率，降低了系统总线的压⼒。8.按照连接部件的不同分为：⽚内总线，系统总线，通信总线1）⽚内总线：芯⽚内部的总线（如CPU内部，寄存器与寄存器之间，寄存器与ALU之间的连接）。2）系统总线：各⼤部件之间的信息传输线。系统总线按照传输信息的不同分为：数据总线，地址总线，控制总线。数据总线：⽤来传输各部件之间的数据信息，双向传输，其位数（总线宽度）与机器字长，存储字长有关。地址总线：⽤来指出数据总线上的数据所在的存储单元地址或I/O设备的地址，单向传输，其位数与存储单元的个数有关。控制总线：⽤来发出各种控制信号的传输线；对任⼀控制线来说它是单向传输，但

控制总线：⽤来发出各种控制信号的传输线；对任⼀控制线来说它是单向传输，但是对于控制总线总体来说是双向的。对于CPU来说，控制信号有输⼊也有输出。3）通信总线：⽤于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信；按照传输⽅式分为：串⾏总线和并⾏总线；串⾏和并⾏的数据传输速率与距离成反⽐；并⾏总线的传输速度⽐串⾏总线的速度快，但是成本⽐串⾏⾼得多。9.总线特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，时间特性。10.总线性能指标（了解）1）总线宽度：数据总线根数（每根传输⼀位⼆进制数）2）总线带宽：总线的数据传输速率计算⽅法：⼯作频率*（总线宽度/8）3）时钟同步/异步4）总线复⽤5）信号线数：地址总线，数据总线，控制总线的总和；6）总线控制⽅式：包括突发⼯作，⾃动配置，仲裁⽅式，逻辑⽅式，计数⽅式7）其他指标：如负载能⼒，电源电压，总线宽度能否扩展。11.总线标准（了解）12.总线结构13.总线控制：判优控制和通信控制集中式（将控制逻辑集中在⼀处）和分布式（将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件上）集中控制优先权仲裁⽅式：1）链式查询：BG到达的接⼝有BR（总线请求），BG不再往下传，并建⽴总先忙BS信号。特点：只需很少⼏根线就能按⼀定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级低的设备很难获得使⽤权。2）计时器定时查询：当某个请求占⽤总线的设备地址与计数值⼀致时，便获得总线控制权。特点：⼀旦优先次序被固定，设备的优先级就被固定；采⽤循环⽅式，使各设备的优先级相等；优先次序可以改变；对电路故障不如链式查询敏感；增加了控制线（设备地址线）数，控制复杂。3）独⽴请求⽅式：每台设备有独⽴的总线请求线BR和总线同意线BG，由排队电路确定优先次序。特点：响应速度快；优先次序控制灵活；但是控制线数量多，控制复杂。链式查询采⽤2根线确定总线使⽤权属于哪个设备；计时器定时查询采⽤log②n根线；独⽴请求⽅式采⽤2n根线。（n为允许接纳的最⼤设备数）通信控制：采⽤分时⽅式控制通信时间。四种⽅式：同步通信，异步通信，半步通信，分离式通信。完成⼀次总线操作的时间称为总线周期，包括四个阶段：申请分配阶段，寻址阶段，传数阶段，结束阶段。1）同步通信：通信双⽅由统⼀时标控制数据传送。优点：规定明确统⼀，模块间配合简单⼀致。缺点：主，从模块属于强制同步，必须在限定时间内完成规定的要求；公共时钟由最慢速度的部件确定，严重影响总线的⼯作效率，给设计带来了局限性，缺乏灵活性。总线传输周期越短，数据线位数越多传输速率越快。2）异步通信：采⽤应答⽅式通信，有三种应答⽅式：不互锁⽅式，半互锁⽅式，全互锁⽅式。不互锁⽅式：主模块发出请求信号不必等从模块的回答信号，⼀段时间后确认从模块已收到请求信号后，便撤销请求信号。从模块接到请求信号后，在条件允许时发出回答信号，并经过⼀段时间后确认主模块已收到回答信号后，⾃动撤销回答信号。例：CPU向主存写信息，CPU要先后给出地址信号，写命令和写⼊数据。半互锁⽅式：主模块发出请求信号，必须接到从模块的回答信号后才撤销请求信号，有互锁关系；从模块在接到请求信号后发出回答信号，不必等待获知主模块的请求信号已经撤销，⽽是隔⼀段时间后⾃动撤销回答信号，⽆互锁关系。例：CPU访问存储器，发出访存命令后必须接到存储器未被占⽤的信号后才可访问。全互锁⽅式：主模块发出请求信号后，必须等待从模块的回答信号后才撤销请求信号；从模块发出回答信号后，必须等待获知主模块请求信号撤销后再撤销回答信号。例：⽹络通信中，通信双⽅采⽤全互锁⽅式。第四章存储器1.存储器的层次结构主要体现在：缓存-主存主存-辅存两个存储层次上缓存-主存主要解决CPU与主存速度不匹配的问题；主存-辅存主要解决存储系统的容量问题。2.主存的技术指标：存储容量，存储速度，存储器带宽1）提⾼存储器带宽的措施：缩短存储周期；增加存储字长；增加存储体。2）动态RAM的刷新：某些存储单元长期得不到访问，不进⾏读/写操作，存储的信息会慢慢消失，所以要定时刷新，⼀般取2ms，这个时间称为刷新周期。刷新⽅式：集中刷新，分散刷新，异步刷新1》集中刷新：在规定的⼀个刷新周期内，对全部存储单元集中⼀段时间逐⾏刷新，此

1》集中刷新：在规定的⼀个刷新周期内，对全部存储单元集中⼀段时间逐⾏刷新，此刻必须停⽌读写操作。不能读写的这段时间称为死时间（存取周期×存储单元⾏数）。计算死时间率：（存取周期×128）/刷新周期（以128×128的存储芯⽚为例）2》分散刷新：对每⾏存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。计算刷新时间：已知读/写周期，则存取周期=2*读/写周期刷新时间=存取周期×128（以128×128的存储芯⽚为例）3》异步刷新：在2ms内对128⾏刷新⼀遍，但是不是同时刷新（即每15.6微秒刷新⼀⾏），每次刷新只停⽌⼀个读取周期，即死时间缩短为0.5微秒。3.存储器与CPU的连接（必考⼀道⼤题，这⼀节对各种连接图的理解⾮常重要）1）存储器容量扩展位扩展：增加存储字长例如：两⽚1k×4位组成1k×8位的存储器位扩展芯⽚数据线的连接⽅式见课本P92图4.32字扩展：增加存储字的数量例如：两⽚1k×8位组成2k×8位的存储器字扩展芯⽚数据线和地址线的连接⽅式见课本P93图4.34字位扩展：既增加存储字长⼜增加存储字的数量例如：8⽚1k×4位组成4k×8位数据线和地址线连接见课本P93图4.35（考试出字位扩展的可能性极⼤）课本例4.1与例4.2好好看看！图要⾃⼰画画！4.存储器校验：汉明编码。（必考）1）汉明码编写①确定检测位个数k2^k>=k+n+1（n为原数据位数）②将检测位插⼊到原数据的正确位置（检测位插⼊的位置按照2^k放置，例：C1放在第⼀位，C2放在第⼆位，C4放在第4位，C8放在第8位…）③按照题意奇校验或者偶校验配置汉明码（奇校验的检测⼩组中1的个数位奇数，偶校验的检测⼩组中1的个数为偶数）C1所在检测⼩组包含第13579…位C2所在检测⼩组包含第23671011…位C4所在检测⼩组包含第456712131415…位C8所在检测⼩组包含第89101112131415…位（检测⼩组包含哪⼏位要记住考试不会提供）2）汉明码的纠错过程将接收到的汉明码确定新的检测位P1P2P4…P1=C1⼩组的所有位进⾏异或运算P2=C2⼩组的所有位进⾏异或运算…如果为偶检验Pi应等于0为奇检验Pi应等于1，否则说明接收的汉明码出错具体哪⼀位出错，将新的检测为逆序排列（例：P4P2P1）得到⼀个⼆进制数，这个⼆进制数对应的⼗进制数就是要纠错的哪⼀位（例：110就对应第6位出错）5.提⾼访存速度的措施1）单体多字系统前提：指令和数据在主存内必须是连续存放的，如果不是，这种⽅法效果不再明显；3）多体并⾏系统采⽤多体模块的存储器①⾼位交叉编址⾼位地址表⽰体号低位地址为体内地址连续读取n个字的时间t=nT（T存取周期）②低位交叉编址低位地址表⽰体号⾼位地址为体内地址连续读取n个字的时间t=T+（n-1）τ（τ为总线传输周期）求存储器带宽：存储字长×字数÷时间6.求Cache的命中率，平均访问时间，效率（结合下⾯的地址映射考⼀道计算题）命中率=访问Cache的次数÷（访问Cache的次数+访问主存的次数）平均访问时间=Cache的存取周期×命中率+主存的存取周期×未命中率效率=访问Cache的时间÷平均访问时间6.Cache-主存地址映射（P120-P122的课本例题）这⼏道例题⼀定要会做。1）直接映射（⼀对多）主存地址格式：主存字块标记Cache⼦块地址字块内地址2）全相联映射(多对多)主存地址格式：主存字块标记字块内地址3）组相联映射

3）组相联映射主存地址格式：主存字块标记组地址字块内地址（只是考试的话建议直接做P120-P122的课本例题，会计算每⼀部分的位数即可，计算⽐较容易，如果想理解每种映射原理，好好看看课本上的图，实在不⾏⽀持⾯基，包教会）第六章计算机的运算⽅法1.原码反码补码移码转换正数：原码=反码=补码负数：反码=原码除符号位外取反补码=原码除符号位外取反加⼀⽆论正数还是负数，移码都是原码连同符号位取反加⼀[y]补求移码等于[-y]补2.浮点数表⽰：（尾数为⼩数，数符与尾数之间⽤点尾数为整数，数符与尾数之间⽤逗号）3.IEEE754标准格式：按IEEE标准常见的浮点数三种：以178.125按IEEE标准转换为短实数为例①将原数变为浮点数1.0110010001×2^111（⼩数点前是最⾼位⾮符号位，标准浮点数为0.10110010001×2^1000，之所以留便确定隐藏位）②将阶码补充为⼋位00000111再加上偏移量127（偏移量固定，看上表）得到10000110③将尾数最⾼位1进⾏隐藏且补充到23位01100100010000000000000④与第⼀位数符组合在⼀起010000110011001000100000000000004.移位运算1）2）移位运算后的正确性判断正数：不论原码，反码，补码，左移时⾼位丢1错误，右移时低位丢1影响精度负数：原码左移⾼位丢1错误，右移低位丢1影响精度；反码左移⾼位丢0错误右移低位丢0影响精度；补码左移⾼位丢0，结果出错，右移低位丢1影响精度。5.加减运算[A]补+[B]补=[A+B]补（这个太简单了考试考乘除，不会考这个）6.溢出判断1）同正同负相加，结果符号不⼀致则溢出；2）两位符号位加⼊运算，如果结果的两位符号位不⼀样，则溢出；3）⼀位符号位运算，如果两个操作数的符号位的进位情况和数值进位情况不⼀致，则溢出。7.乘除运算（以题为例）1）乘法①原码⼀位乘：[X]原=1.1110[Y]原=1.1101求[X·Y]原X₀=1Y₀=1（表⽰符号位）X*=0.1110Y*=0.1101（原码不包含符号位）X₀⊕Y₀=0[X·Y]原=0.10110110②补码⼀位乘：[X]补=1.0101[Y]补=0.1101（切记，补码为负数右移时补1）[X·Y]补=11.01110001③补码⼀位乘的优化算法（Booth算法）：该算法运算时不考虑乘数（[Y]补）的正负问题因为[X]补=0.1101[Y]补=0.1011所以[-X]补=1.0011[X·Y]补=0.100011112）除法（除法只学习原码除法）①恢复余数法[X]原=1.1011[Y]原=1.1101求[X/Y]原求得：X₀=1Y₀=1X*=0.1011Y*=0.1101[-Y*]补=1.0011X₀⊕Y₀=0（符号位运算，原码除法的符号位和数值位的运算也是分离的）[X/Y]原=0.1101②加减交替法（不恢复余数）[X]原=1.1011[Y]原=0.1101求[X/Y]原求得：X₀=1Y₀=0X*=0.1011Y*=0.1101[-Y*]补=1.0011X₀⊕Y₀=1[X/Y]原=1.11018.浮点数加减运算X=0.1101×2¹⁰Y=0.1011×2⁰¹求X+Y求得[X]补=00，10；00.1101[Y]补=00，01；00.1011①对阶（阶码作差，谁阶码⼩谁尾数右移阶差位并且阶码加上阶差）②求和（将对阶后的数的尾数对应求和）[X+Y]补=00，10；01.0010③规范化（尾数为01.xxx或10.xxx时，右规，尾数每右移⼀位，阶码加⼀；尾数为00.0xxx或11.1xxx时，左规，尾数每左移⼀位，阶码减⼀。）该题为01.xxx，所以右规[X+Y]补=00，11；00.1001④舍⼊处理（对阶或者规范化的过程中可能因为移动⽽丢掉数字，可能会影响精度，通常采⽤0舍1⼊法，丢0舍去，丢1的话需要在尾数末尾加1）本题在对阶过程中丢1，所以在末尾加1[X+Y]补=00，11；00.1010所以X+Y=0.1010×2¹¹（注意：有时舍⼊处理时会引起溢出，即加1后两位符号位不⼀致，此时重复规范化处理）第七章指令系统1.指令格式：操作码的长度可以是固定的，也可以不是固定的1）对于长度固定的，其指令总数也是固定的，总数=2的操作数位数次⽅例如：操作码有4位，指令总数=2的4次⽅(这⾥计算的是最多有这么多种，可以⽐这个少，但不能⽐这个多）2）对于长度不固定的，会增加指令译码难度，所以采⽤扩展操作码技术即指令的字长（总位数）固定，操作码位数越多，操作数地址码位数越少。会计算指令总数，以课本P302例7.1为例（实际是排列组合思想）指令字长16位，操作数地址码6位，采⽤扩展操作码技术若⼆地址指令X种，⼀地址指令最多有M种，则M=(2^4-X)×2^6⼆地址指令时：操作码位数=16-12=4位，所以⼆地址指令总共有2^4种（即4个数字⼀共有这么多的排列⽅式），实际⼆地址指令有X种，所以操作码剩余的排列种数为(2^4-X)种；扩展操作码后，变为⼀地址指令（即有⼀段地址码扩展为操作码），⼀段地址码为6位，所以最多有2^6种排列，加上没扩展之前还剩余的(2^4-X)种，则⼀共有(2^4-X)×2^6种排列。（课本上第⼆问的问题应该是求⼀地址指令的实际种数，因为下边计算的是实际种数，印刷有问题，这⾥求的是⼀地址指令的最多种数，主要是理解这种计算⽅法）2.操作数类型：地址，数字，字符，逻辑数据；3.数据在存储器中的存放⽅式：对准边界⽅式，可减少平均访存时间；字节次序有低字节低地址和⾼字节低地址不对准边界⽅式，取数据时可能要多次访存；4.操作类型1）数据传送2）算术逻辑操作3）移位4）转移：指令通常按顺序执⾏，当需要改变这种顺序时就需要转移指令；①⽆条件转移：直接把程序转移到需要执⾏的指令处；②条件转移：若条件满⾜则转移到需要执⾏的指令处，否则不转移；③调⽤与返回：将重复使⽤的程序设定为⼦程序，当需要调⽤时调⽤对应指令；调⽤指令：CALL和返回指令：RETURN配合使⽤。CALL指令：⽤于从当前的程序位置转移⾄⼦程序⼊⼝；RETURN指令：⽤于⼦程序执⾏完后重新回到原程序断点；④陷阱与中断5）输⼊输出6）其他：等待指令，停机指令，空操作指令……5.寻址⽅式包括两类：指令寻址和数据寻址1）指令寻址：顺序寻址和跳