【超详细】计算机组成原理考点总结

第一章 计算机系统概论

冯诺依曼型计算机特点

1. 计算机由运算器，控制器，存储器，输入和输出设备5部分组成
2. 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，并以二进制表示。（这也是其与哈佛结构的区别所在）
3. 指令由操作码和地址码组成
4. 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的储存单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变
5. 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器

区别以运算器为中心的计算机还是存储器的方法

看输入设备能否直接与存储器相连，是的话就是以存储器为中心

计算机系统

1. 硬件
   1. 主机
      • CPU：运算器与控制器
      • 存储器
   2. I/O设备
      • 输入设备
      • 输出设备
2. 软件
   - 系统软件：用来管理整个计算机系统
   - 应用软件：按任务需要编制成的各种程序

第三章 运算方法和运算部件

数据的表示方法和转换

1. 机器数正0负1

   符号数值化的带符号二进制数，称为机器数。

2. 真值:符号位加绝对值

3. 余三码:在8421码的基础上，把每个编码都加上0011
   当两个余三码想加不产生进位时，应从结果中减去0011;产生进位时，应将进位信号送入高位，本位加0011

4. 格雷码:任何两个相邻编码只有1个二进制位不同，而其余3个二进制位相同

5. 8421码
   权值从高到低为8、4、2、1
   算术运算时，需对运算结果进行修正
   方法：如果小于、等于(1001)2，不需要修正；否则加6修正

带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及加减法运算

1. 原码
   1. 定义：最高位为符号位0/1+数值的绝对值形式
   2. 特点
   （1） 值+0，-0的原码分别为00000、10000，形式不唯一；
   （2）正数的原码码值随着真值增长而增长，负数的原码码值随着真值增长而减少
   （3）$n+1$位原码表示定点整数范围$[－(2^n－1),2^n－1]$
   3. 运算：绝对值相加减，由数值大小决定运算结果符号

2. 补码
   1. 运算:
   （1）结果不超过机器所能表示范围时，[X+Y]补=[X]补+[Y]补
   （2）减法运算:[X–Y]补=[X+(–Y)]补=[X]补+[–Y]补
   2. 结论
   （1）负数的补数＝模＋负数
   （2）互为补数的绝对值相加＝模
   （3）在补数中，减法运算即加法运算
   3. 定义
   （1）定义法，即[X]补=2·符号位+X （MOD 2）
   （2）X为正数，则符号0+X的绝对值；X为负数，则X的绝对值取反+1。
   4. 特点
   （1）数值零的补码表示唯一
   （2）正数补码码值随着真值增大而增大，负数补码码值随着真值增大而增大
   （3）$n+1$位补码所表示定点整数范围$[－ 2^n,2^n－1]$，$n+1$位补码所表示定点小数范围$[－1,1－2－n]$

3. 反码

4. 移码
   - 移码与补码的表示范围相同，
   - 一个真值的移码和补码仅仅相差一个符号位。无论正负。
   - 移码保持了数据原有的大小顺序，移码大真值就大，移码小，真值就小。

补，反，原，移码的相互转换

1. 原码：正数是其二进制本身；负数是符号位为1,数值部分取X绝对值的二进制。

2. 反码：正数的反码和原码相同；负数是符号位为1,其它位是原码取反。

3. 补码：正数的补码和原码，反码相同；负数是符号位为1，其它位是原码取反，未位加1。或者从最后开始数，遇到第一个“1”，除第一个“1”不变，前面数字分别取反

4. 移码：将符号位取反的补码（不区分正负）

5. 反码-》原码
   方法：符号位不变，正数不变，负数数值部分取反。

6. 补码-》原码
   方法1：正数不变，负数数值部分求反加1。
   方法2：串行转换

7. 移码-》原码
   方法：移码转换为补码，再转换为原码

8. 数据从补码和反码表示形式转换成原码:
   自低位开始转换，从低位向高位，在遇到第一个1之前，保存各位的0不变，第一个1也不变，以后得各位按位取反，最后保持符号位不变，经历一遍后，即可得到补码

定点数和浮点数

1. 定点数：小数点固定在某个位置上的数据

2. 浮点数：根据IEEE754国际标准，常用的浮点数有两种格式
   1. 单精度(32位)=8位阶码+24位尾数
   单精度浮点数(32位)，阶码8位(含一位符号位)，尾数24(含一位符号位)，取值范围:-2的127次方～(1-2的-23次方)*2的127次方
   2. 双精度(64位)=11位阶码+53位尾数
   双精度浮点数(64位)，阶码11位(含一位符号位)，尾数53位(含一位符号位)，取值范围:-2的1023次方～(1-2的-52次方)*2的1023次方

3. 为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示:当R=2，且尾数值不为0时，其绝对值应大于或等于(0.5)10

4. 浮点数加法：对阶，尾数相加减，规格化操作（规则简化是符号位和数值最高位不同，即00.1xxxx或11.0xxxx），舍入，检查阶码溢出。

二进制乘法原理

1. x = -1011,y = 0101,求(x-y)补

   解：[x]原=1,1011，[x]补=1,0101

   [y]原=0,0101，[y]补=0,0101,[-y]补=1,1011

   [x-y]补=1,0101+1,1011=1,0000

2. 原码乘法的原理：操作数绝对值相乘，符号单独处理(由两原码符号位异或决定，相同为0，不同为1)

3. 浮点数：阶码决定取值范围，尾数决定精度

第四章 主存储器

主存储器处于全机中心低位

辅助存储器或称为外存储器，通常用来存放主存的副本和当前不在运行的程序和数据

主存储器的主要技术指标

• 主存容量：主存储器存储单元的总数
• 存取速度：由存储器存取时间和存储周期表示
• 存储器存取时间：启动一次存储器操作(读/写)到完成该操作所经历的时间
• 存储周期：连续启动两次独立的存储器操作所间隔的最小时间

存储器相关概念

• 一个16K×8位的存储器，其地址线14条和数据线8条
• 控制存储器存放的是微程序
• 虚拟存储器管理的目的是：扩大程序空间
• 静态RAM存储单元采用触发器电路存储信息
• 动态RAM存储单元采用电容存储信息
• Cache一般采用静态RAM实现
• Cache命中率h因素-程序行为，块大小，Cache容量和组织方式

存储器的组成与控制

存储器容量扩展

• 位扩展:用多个存储器芯片对字长进行扩充：
• 字扩展:增加存储器中字的数量，提高存储器的寻址范围
• 字位扩展，假设一个存储器的容量为M×N位，若使用L×K位存储器芯片，那么，这个存储器共需要(M/L)×(N/K)个存储器芯片
  

存储器的主要性能比较

三级存储体系，两级存储层次

cache的命中率

第五章:指令系统

精简指令系统计算机（RISC）——用于小型机
复杂指令系统计算机（CISC）——用于大型机

20世纪70年代末人们提出了便于VLSI实现的精简指令系统计算机，简称RISC，同时将指令系统越来越复杂的计算机称为复杂指令系统计算机，简称CISC

• 指令系统采用不同寻址方式的目的是：缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活
  性
• RISC三要素：1. 有限的简单的指令集 2. CPU配备大量寄存器 3. 强调对指令流水线 的优化( RISC机器一定是流水CPU)
• 不需要访存的是立即寻址，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

指令分类-按照功能分类

• 数据传送指令：存数取数指令，传送指令，成组传送，字节交换，清累加器AC,堆栈指令等。
• 算术逻辑运算指令：实现数据信息的加工，代码的转换、判断等
• 程序控制指令：控制指令的转向
• I/O指令：
• 其他指令：PSW的置位、复位，测试指令，堆栈指令，特权指令，停机指令，控制台指令等。

指令分类-按照操作码分类

字和双字是所占的内存位不一样，字16位，双字32位，不同的类型数字采用不同的指令了。简单说单字长指令操作16位内存数据，如整数，字等：；数字指令操作32位内存数据，如双整，双字，实数等

单字长一般是16位，双字长一般是32位，三字长一般为48位。

指令分类-按照地址码分类

第六章：中央处理器

• CPU组成：控制器，运算器，存储器
• CPU是计算机的中央处理部件，具有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工等基本功能
• CPU中至少要有如下六类寄存器：指令寄存器、程序计数器、地址寄存器、数据缓冲寄存器、通用寄存器、状态条件寄存器

各种寄存器的作用

控制器的组成与作用

1. 控制器的功能
   - 取指令：发出指令地址，取出指令的内容
   - 分析指令
   - 执行指令：
   - 控制程序和数据的输入和结果输出
   - 中断处理和相应特殊请求
2. 控制器的组成
   - 指令部件：程序计数器，指令寄存器，指令译码器或操作码译码器
   - 操作控制部件：操作控制器
   - 时序部件：时序控制信号形成部件
3. 周期概念：
   - 指令周期：完成一条指令所需的时间，包括取指令、分析指令、执行指令
   - 机器周期：也称为CPU周期，是CPU从内存中读取一个指令的时间，通常等于取指周期
   - 时钟周期：称为节拍脉冲或T周期，是基准脉冲信号

微程序控制计算机的基本工作原理

• 微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作
• 微命令：将指令分为若干条微指令，按次序执行这些微指令。组成微指令的操作即微命令
• 微程序：计算机的程序由指令序列构成，而计算机每条指令的功能均由微指令序列解释完成，这些微指令序列的集合就叫做微程序

微命令–》微指令–》微程序 A–》B表示由A组成B

控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常这种控制命令叫做微命令，是最小单位，组成微指令，而执行部件接受微命令后所执行的操作就叫做微操作。
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，构成一条微指令
事实上一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列通常叫做微程序。

1. 控制存储器：微程序一般是存放在专门的存储器中的，由于该存储器主要存放控制命令（信号）与下一条执行的微指令地址（简称下址）
2. 存储单元内容
   （1）微指令的控制信号——控制位
   （2）下条微指令的地址——下址字段
3. 执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序

微程序设计技术

1. 如何缩短微指令字长
   - 直接控制法（容量太小）：每一位代表一个控制信号，直接送往相应的控制点
   - 字段直接编译法：选出互斥的微指令，每个字段都要留出一个代码，表示本段不发出任何指令（000）
   - 字段间接编译法：指令之间相互联系的情况，译码输出端要兼由另一字段中的某些微命令配合解释
   - 常熟源字段E(了解)

2. 微指令格式：

   1. 水平型微指令:采用长格式，一条微指令能控制数据通路中多个功能部件并行操作。其一般格式如下：
      控制字段 判别测试字段 下地址字段。

   2. 垂直型微指令：采用短格式，一条微指令只能控制一两种操作。

   3. 水平型微指令与垂直型微指令的比较：
      (1)水平型微指令并行操作能力强，指令高效，快速，灵活，垂直型微指令则较差。
      (2)水平型微指令执行一条指令时间短，垂直型微指令执行时间长。
      (3)由水平型微指令解释指令的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。
      (4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。

   总结：水平型微指令一指多用，长度虽长但并行性高，速度快，够灵活；垂直型微指令单指单用，长度虽短但效率低，并行性差，指令数多。

第七章 总线系统

介绍总线的基本概念，总线的连接方式，总线接口，总线的仲裁、定时及事务类型，PCI、ISA等总线。

总线的概念

• 总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。
• 总线带宽：指总线本身所能达到的最高传输速率。

单处理器的总线类型：

1. 内部总线：CPU芯片内部连接各寄存器及运算器等部件之间的总线。速度极高
2. 系统总线：CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互连的总线。包括地址、数据和控制信号线，电源线等，速度较快
3. I/O总线：多台计算机之间，或计算机与一些I/O设备之间的连接总线。一般包括数据线和控制线。速度较低

总线上信息传送过程的五个阶段：

请求总线→总线仲裁→寻址→信息传送→状态返回

集中式仲裁

由中央仲裁器（总线控制部件）对主方的总线请求信号(BR)进行裁决，并送出总线授
权信号(BG)。BS是总线状态（是否忙）， 也写作BB。
（1） 计数器定时查询方式
在BS=0时，请求总线的设备，若其地址与计数值一致时， BS置“1”，获得了总线使
用权，并中止计数查询。
（2） 独立请求方式
每个设备均有一对BR和BG线，通过自身的BRi线请求，由中央仲裁器经判优发出
BGi以使优先设备获得总线使用权。
（3） 链式查询方式BG按优先级由高至低依次传送的总线查询方式

分布式仲裁

分布式仲裁：以优先级仲裁策略为基础，主方它们有总线请求时，把各自惟一的仲裁
号发送到共享的仲裁总线上，由各自的仲裁器比较，留大撤小，获胜者的仲裁号保留
在仲裁总线上。

总线结构

总线结构 ：
1）数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成。
2）仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线。
3）中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作，包括中断请求线和中断认可 线。 4）公用线：包括时钟信号线、电源线、地线、系统复位线以及加电或断电的时序信号
线等。

最后:其他的重要概念

• 程序中断处理过程：中断源的中断请求，中断响应，中断处理，中断返回
• DMA方式传输数据时，每传送一个数据，就要占用一个存储周期
• 溢出判定：
  1. 单符号位的判溢 ：两操作数同号且和数的符号与操作数的符号不同
  2. 双符号位的判溢: 01/10
• 动态RAM存储信息依靠的是：电容电荷
• 半导体存储器分为：动态存储器&静态存储器

• 微指令格式 ：控制字段+下址字段
• 指令格式：操作码+地址码
• 总线：内部总线，系统总线，I/O总线
• 提出中断请求的条件是 ： 外设工作完成和系统允许时