计算机组成原理复习提纲

一、本课程学习要求：

了解数据信息的表示、运算方法与各类半导体存储器、辅助存储器、打印设备与显示装置设备；掌握计算机组成与系统结构的基本概念、基本原理、基本算法、基本结构和分析方法；掌握运算器、控制器、存储器的构成与原理；掌握指令流程、组合逻辑控制、微程序控制等内容；能对计算机的工作原理有清楚的认识并能够分析计算机的性能。

二.先行课程.：计算机导论  数字电路 

第一章   计算机系统概论（1）

第二章   计算机的逻辑部件(补充）

第三章   计算机的运算方法(重点)（2）

第四章   系统总线（6）

第五章   存储器(重点)（3、7）

第六章   指令系 统（4）

第七章   CPU的结构和功能(重点)（5）

第八章   输入输出系统(重点)（7，8）

注：括号里对应的是《计算机组成原理》第四版各章节

三、计算机系统(重点)

1.冯.诺依曼体系结构

计算机采取事先编制程序、存储程序、自动连续运行程序的工作方式，称为存储程序方式。按存程序方式工作的计算机统称为冯·诺依曼体制计算机。

冯·诺依曼体制的要点:

(1) 采用二进制代码表示数据和指令

(2) 采用存储程序工作方式（核心概念）

2、计算机主要技术指标

      1）.主频：主频＝外频×倍频，决定了计算机的运行速度，它的单位是兆赫兹（MHz）

      2）.字长：参与运算的数的基本位数，决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，通常计算机有8/16/32/64位字长。

3）.存储容量:等于存储的字数*字长，其单位有:1B＝8bit，1KB＝ 1024B ，1MB＝ 1024KB, 1G＝ 1024M

4）.运算速度（MIPS）：每秒执行指令的条数，单位是每秒百万指令.

5）.外设配置:输入输出设备性能等。

3、总线的基本概念(重点)

⑴总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

⑵总线的分类(重点) ①片内总线：芯片内部的总线；

②系统总线：计算机各部件之间的信息传输线；

③数据总线：双向，与机器字长、存储字长有关；

④地址总线：单向，与存储地址、 I/O地址有关；

⑤控制总线：中断请求、总线请求，存储器读、存储器写，总线允许、中断确认

⑥通信总线：串行并行；

4、总线特性及 (重点)

①机械特性：尺寸、形状；

②电气特性：传输方向和有效的电平范围；

③功能特性：每根传输线的功能地址数据控制；

④ 时间特性：信号的时序关系

5、性能指标

① 总线宽度：数据线的根数

② 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MB／s）

③ 时钟同步/异步

④总线复用：地址线与数据线复用

⑤信号线数：地址线、数据线和控制线的总和

⑥总线控制方式：并发、自动、仲裁、逻辑、计数

6、机器指令(重点)

计算机的程序：是解决某一实际问题的指令序列；

⑴    指令：就是要计算机执行某种操作的命令。命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码串,也叫机器语言代码。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。

⑵ 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。

⑶ 复杂指令系统计算机(CISC)；精简指令系统计算机（RISC）。

7、对指令系统性能的要求

⑴完备性：用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。

⑵ 有效性：利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。

⑶规整性：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。

对称性指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；

   匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；

⑷ 兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

8、指令的一般格式

指令格式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。

①    操作码字段表征指令的操作特性与功能；若操作码字段的位数固定为m位，则指令系统最多可表示2^m条指令。

② 地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身。寻址范围:在存储器容量的某个范围内寻找操作数.若某指令的每个操作数地址为n位,则寻址范围为2ⁿB

③寻址方式 (重点)确定本条指令的数据地址及下一条欲执行指令的指令地址的方法.

9、I/O 与主机信息传送的控制方式(重点)；输入输出系统的组成(重点)

①分辨率和灰度级：在显示屏幕上，图像都是由称作像素的光点组成的，光点的多少称作分辨率（显示设备能够表示像素的个数）；所显示像素点的暗亮差别称作灰度级。

注意：像素越密，分辨率越高，图像越清晰。

10、外部设备(输入/输出设备和辅助存储器)

外部设备与主机(CPU和内存)之间的控制部件：(设备控制器/设备适配器/接口).

输入输出系统发展四个阶段: ①早期阶段CPU和I/O 串行工作

②接口模块和 DMA（直接存储器存取）阶段，中断方式 DMA 方式

③具有通道结构的阶段；通道是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O之间交换信息的部件，可视为一种具有特殊功能的处理器。此阶段通道管理的I/O设备与主机交换信息时，CPU不直接参与管理，实现了I/O设备与CPU的并行工作。根据信息交换方式，通道可分成：字节多路通道、选择通道、成组多路通道三种类型。

④外围处理机阶段

11、I/O 与主机信息传送的控制方式

①程序直接传送方式②程序中断方式③直接存储器存取（DMA）方式④通道和I/O处理机方式

12、程序中断方式

中断:在接到随机请求后,CPU暂停执行原来的程序,转去执行中断处理程序,为响应的随机事件服务,处理完毕后CPU恢复原程序的继续执行,这个过程称为中断.

13、DMA控制方式的基本思想

是一种完全由硬件执行的主存与外设之间数据直接传送的I/O控制方式,由DMA控制器从CPU接管对总线的控制权，数据传送不经过CPU，而直接在主存和外设之间进行。一般用于高速成组的数据传送。

14、 DMA与主存交换数据的三种方式

(1) 停止CPU 访问主存(2) CPU周期挪用（或周期窃取）

DMA 访问主存有三种可能：CPU此时不访存；CPU 正在访存；CPU 与 DMA 同时请求访存（此时CPU将总线控制权让给 DMA）

(3) DMA 与 CPU 交替访问：（直接访问存储器工作方式）

15、DMA 的工作过程DMA 传送过程：预处理、数据传送、后处理

16、主存储器（重点）高速缓冲存储器（重点）辅助存储器（重点）

MDR（存储器数据寄存器):存放从存储器中读出或将要写入存储体的数据；

MAR（存储器地址寄存器):存放地址总线提供的将要访问的存储单元的地址码；

17、存储器三个主要特性的关系（速度，容量，价格）

18、.主存储器的主要技术指标.

   主存容量：存储器空间的大小

   存储器存取时间(TA):指访问一次存储器所需要的时间。

   存储周期（TM）：指连续两次存储器访问的最小时间    间隔。

   传送速度：每秒传送的数据位数，单位是位数/秒，也叫传输率（TR）

若W为存储器字长，TR=W/TM

把存放一个二进制的物理器件称为记忆单元,它是存储器最基本的构件.

SRAM:存取速度快,但集成度低,功耗较大.构成高速缓冲存储器和小容量内存系统.

DRAM:集成度高,功耗小,但存取速度慢,用来组成大容量系统

19、DRAM 刷新：为了维持DRAM记忆单元存储信息，通常每隔2ms就必须对存储体中所有记忆单元的栅极电容补充一次电荷，这个过程就是刷新。

20、CPU 的功能与结构(重点)；指令周期(重点)；微程序控制(重点)

现代的CPU由运算器、控制器和Cache三大部件组成。

CPU的中心任务是逐条地从内存中取出指令，并执行指令所需的操作，完成程序的预定任务。

21、CPU的四大基本功能

(1). Pc ir  指令控制－－控制程序中指令的执行顺序

  程序的顺序控制称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。

(2). cu 操作控制－－形成执行指令所需的控制信号并送往相应部件

一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。

(3). cu时间控制－－对操作控制信号加以时间上的约束

对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令的整个执行过程都受到时间的严格定时。

(4). ALU数据加工－－对数据进行相应的算术逻辑运算及相应加工处理

 数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。

ALU累加器:实现逻辑和算术运算；寄存器:存放运行的指令(数据)或指令(数据)地址；中断系统:处理异常情况和特殊请求；CU:发出各种操作命令,控制各部件运行.

22、指令周期：取出并执行一条指令所需的全部时间；

23、1）. 微命令和微操作

     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。

2）. 微地址和微指令

     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。

（一条微指令由若干条微命令构成） 微地址：存放微指令的地址。

3）. 微程序（指令）实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列.（一条指令）

    结论： 一条指令（微程序）由若干条微指令构成，一条微指令由若干个微命令构成，一条微命令对应一个微操作。

24、微程序控制的基本思想:

将微程序设计技术和存储技术相结合,用微程序设计的思想来组织操作控制逻辑,将微命令按一定规则组合成微指令,再把这些微指令按时间先后排列构成微程序,放在一个只读的控制存储器中.当机器运行时，逐条地读出这些“微指令”，从而产生所需要的各种微操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。  

微命令——微指令——微程序（指令）—— 放在只读控制存储器中——需要执行某微操作（某条指令的某个部分）时直接取出相应的微指令就能执行。

 

25、机器指令与微指令的关系

1）.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。

2）.从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。