計(jì)算機(jī)組成原理----學(xué)習(xí)筆記2020-06-12

第一章? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1. 計(jì)算機(jī)的分類

（1）電子模擬計(jì)算機(jī)-----------特點(diǎn)：數(shù)值由連續(xù)量來表示仁卷，運(yùn)算過程也是連續(xù)的。

（2）電子數(shù)字計(jì)算機(jī)-----------特點(diǎn)：按位計(jì)算，并且不連續(xù)地跳動計(jì)算

數(shù)字計(jì)算機(jī)分為：通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)

通用計(jì)算機(jī)：超級計(jì)算機(jī)镀梭、大型機(jī)、服務(wù)器苍姜、PC機(jī)鲁僚、單片機(jī)和多核級，? 其復(fù)雜性容达、性能古涧、價(jià)格依次遞減

2.計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

吞吐量、響應(yīng)時(shí)間花盐、利用率羡滑、處理機(jī)字長、總線寬度算芯、存儲器容量柒昏、存儲器帶寬、主頻/時(shí)鐘周期熙揍、CPU執(zhí)行時(shí)間职祷、CPI、MIPS诈嘿、FLOPS

3.計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)的硬件有有形的電子器件構(gòu)成堪旧，包括運(yùn)算器、存儲器奖亚、控制器淳梦、適配器、輸入輸出設(shè)備昔字。早期將運(yùn)算器和控制器合在一起稱為CPU（中央處理器）爆袍。目前的CPU包含了存儲器首繁，因此稱為中央處理機(jī)。存儲程序并按地址順序執(zhí)行陨囊，這是馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的工作原理弦疮，也是CPU自動工作的關(guān)鍵。

4.計(jì)算機(jī)軟件

計(jì)算機(jī)軟件分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序蜘醋。

系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計(jì)胁塞，簡化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率压语，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能和用途啸罢，包括：各種服務(wù)性程序、語言類程序胎食、操作系統(tǒng)扰才、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是針對某一應(yīng)用課題領(lǐng)域開發(fā)的軟件。

5.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件厕怜、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)衩匣，通常由微程序級、一般機(jī)器級粥航、操作系統(tǒng)級琅捏、匯編語言級、高級語言級組成躁锡，每一級上都能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)午绳，且得到下面各級的支持。

計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)主要是CPU性能指標(biāo)映之、存儲器性能指標(biāo)和I/O吞吐率

第二章：運(yùn)算方法和運(yùn)算器

1.對數(shù)據(jù)與文字的表示方法進(jìn)行了了解

2.理解并會運(yùn)用定點(diǎn)加法、減法蜡坊、乘法和除法運(yùn)算杠输，以及浮點(diǎn)運(yùn)算方法，但不太熟練

第三章 多層次儲存器

1秕衙、存儲器按存取方式蠢甲，可以分成哪四類？哪些屬于隨機(jī)訪問存儲器据忘，哪些屬于串行訪問存儲器鹦牛？

1）可以分為隨機(jī)存儲器、只讀存儲器勇吊、順序存儲器和直接存儲器曼追；

2）隨機(jī)存儲器和只讀存儲器屬于隨機(jī)存儲器，即存取時(shí)間與物理地址無關(guān)汉规；

3）順序存儲器（典型的如磁帶）和直接存儲器（典型的如磁盤）屬于串行存儲器礼殊，即存取時(shí)間與物理地址有關(guān)驹吮。

2、衡量存儲器使用哪三個(gè)指標(biāo)晶伦？寄存器碟狞、緩存、主存中婚陪，哪個(gè)速度最快族沃？哪個(gè)最便宜？

1）速度泌参、容量脆淹、位價(jià)格。

2）寄存器速度最快及舍，主存最便宜未辆。

3、常見的存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)有哪兩種锯玛？透明性如何咐柜？各自用來解決什么問題的？

1）緩存-主存層次：用來緩解CPU和主存速度不匹配的問題攘残，由硬件來完成拙友，對所有的程序員完全透明。

2）主存-輔存層次：用來解決主存容量不夠的問題歼郭，由操作系統(tǒng)和硬件共同完成遗契，對應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者透明，對系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)者不透明病曾。

（現(xiàn)在一般存儲器都即能按字訪問牍蜂，也能按照字節(jié)訪問，因此泰涂，存儲器編址時(shí)鲫竞，每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)獨(dú)立的地址。）

4逼蒙、字在存儲單元中有兩種存儲方式从绘，大端方式和小端方式。各是什么含義是牢？x86采用的是哪種存儲方式僵井？

1）大端方式：字的低位存在內(nèi)存的高地址中，而字的高位存在內(nèi)存的低地址中驳棱；

2）小端方式：字的低位存在內(nèi)存的低地址中批什，而字的高位存在內(nèi)存的高地址中。

3）x86CPU采用的是小端方式蹈胡。

5渊季、主存的三個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)

存儲容量朋蔫、存取速度和存儲帶寬

6、什么是存取時(shí)間却汉？什么是存取周期驯妄？哪個(gè)大？

1）存取時(shí)間：啟動一次存儲器完成本次操作（讀或?qū)懀┧璧臅r(shí)間合砂；

2）存取周期：連續(xù)兩次啟動存儲器所需要的最小間隔時(shí)間青扔；

3）存取周期包含存取時(shí)間；

7翩伪、什么是存儲器帶寬微猖？（要了解如何計(jì)算存儲器帶寬）

單位時(shí)間內(nèi)存儲器存取的信息量；

8缘屹、半導(dǎo)體存儲芯片譯碼驅(qū)動包含哪兩種方式凛剥，請簡要說明。

1）線選法：所有的地址芯片通過一個(gè)譯碼器譯碼轻姿，選擇一個(gè)存儲單元的各位犁珠，適合于存儲容量不大的芯片；

2）重合法：將地址分為兩組互亮，每組通過一個(gè)譯碼器譯碼犁享，選擇行或列，行豹休、列交叉處就是要訪問的存儲位炊昆。

9、隨機(jī)存儲器包含哪兩大類威根？哪個(gè)需要刷新凤巨？請從速度、容量洛搀、價(jià)格等方面進(jìn)行簡要比較磅甩。

1）靜態(tài)RAM：采用鎖存器原理實(shí)現(xiàn)；

2）動態(tài)RAM：采用電容原理實(shí)現(xiàn)姥卢，需要刷新。

3）相比于動態(tài)RAM渣聚，靜態(tài)RAM的速度快独榴、容量小、價(jià)格高奕枝，一般用于緩存棺榔，而動態(tài)RAM一般用于內(nèi)存。

10隘道、只讀存儲器有哪幾種症歇？

1）掩模ROM（MROM）：出廠后內(nèi)容不能被更改郎笆。

2）PROM：可編程只讀存儲器，可以進(jìn)行一次性編程忘晤；

3）EPROM：可擦除只讀ROM宛蚓，用紫外線照射；

4）EEPROM：電可擦除只讀ROM设塔。

6）FLash Memory：采用EEPROM的非易失性存儲器凄吏。

11、單片存儲器芯片的容量有限闰蛔，很難滿足實(shí)際需要痕钢，因此必須將若干存儲芯片連接在一起才能組成足夠容量的存儲器。

存儲器的擴(kuò)展通常有位擴(kuò)展和字?jǐn)U展序六，什么是字?jǐn)U展任连，什么是位擴(kuò)展？請舉例簡要說明

1）位擴(kuò)展：增加存儲器的字長例诀，例如兩個(gè)1K * 4位的存儲芯片構(gòu)成1個(gè)1K*8位的存儲器随抠；

2）字?jǐn)U展：增加存儲器的字?jǐn)?shù)，例如兩個(gè)1K * 8位的存儲芯片構(gòu)成1個(gè)2K * 8位的存儲器余佃；

通常字?jǐn)U展和位擴(kuò)展兩種方式混合使用暮刃。

12、熟慮掌握存儲器的擴(kuò)展爆土，包括地址空間分配椭懊、地址線的連接、數(shù)據(jù)線的連接步势、片選信號的產(chǎn)生及連接等氧猬；

參看P94頁，例4.1

13坏瘩、假設(shè)欲檢測的二進(jìn)制代碼為n位盅抚，為了使其具有1位的糾錯(cuò)能力，需添加K位檢測位倔矾，組成n+k位的代碼妄均。問，應(yīng)添加多少位檢測位哪自？

應(yīng)添加的檢測位位數(shù)：2的k次方大于等于n+k+1丰包。

因?yàn)橐蛊溆?位的檢測能力，必須使用k位來說明n+k位到底哪一位出現(xiàn)了錯(cuò)誤壤巷，k位能表達(dá)的數(shù)量為2的k次方邑彪，而n+k位到底哪一位

出現(xiàn)了錯(cuò)誤或者是全部正確，共有n+k+1種狀況胧华，因此寄症，k的取值需要滿足：2的k次方大于等于n+k+1

14宙彪、對于漢明碼，應(yīng)熟練掌握漢明碼的編碼方式（按照配偶或配奇的原則）有巧，以及給出漢明碼释漆，得到要傳送的原始信息（包括糾錯(cuò)過程）。

15剪决、提高訪存速度的三種方式灵汪。

1）采用高速元器件；

2）采用存儲層次結(jié)構(gòu)：cache-主存結(jié)構(gòu)柑潦；

3）調(diào)整主存結(jié)構(gòu)：包括單體多字享言，多體并行兩種方式。

16渗鬼、簡述單體多字的存儲系統(tǒng)的工作原理览露，及其優(yōu)點(diǎn)。

1）單體多字存儲系統(tǒng)一次訪存取出多個(gè)CPU字譬胎，即存儲字為CPU字的n倍（假設(shè)一次訪存取出n個(gè)cpu字）差牛。

2）優(yōu)點(diǎn)是：顯著提高了存儲器帶寬。

17堰乔、多體并行系統(tǒng)有哪兩種編址方式偏化？請簡要說明其編址方式及其優(yōu)點(diǎn)。

1）高位交叉編址方式：存儲體的編址方式為順序存儲镐侯，即一個(gè)存儲體存滿后侦讨，再存入下一個(gè)；存儲單元地址的高位為存儲體的編號苟翻。

高位交叉編址并不能提高單次訪存速度韵卤，但能使多應(yīng)用并行訪存，提高系統(tǒng)的并發(fā)性崇猫。

2）低位交叉編址方式：存儲體的編址方式為交叉存儲沈条。即程序連續(xù)存放在相鄰的存儲體之中。存儲單元地址的低位為存儲體的編號诅炉。

低位交叉編址能顯著提高單次訪存速度蜡歹。

19、在四位低位交叉編址中涕烧，假設(shè)存取周期為T季稳，總線傳輸周期為τ，為了實(shí)現(xiàn)流水線方式存儲澈魄，應(yīng)滿足什么條件？如果連續(xù)讀取四個(gè)字仲翎，所需要的時(shí)間是多少痹扇？

1）T= 4τ

2）連續(xù)讀取四個(gè)字铛漓，所需要的時(shí)間為T + （4-1）τ

注意：假設(shè)不是低位交叉編址，而是高位交叉編址鲫构，連續(xù)讀取四個(gè)字所需要的時(shí)間仍然為4T浓恶。

20、需要大家掌握多體并行存儲器在高位交叉編址（順序存儲）和低位交叉編址（交叉存儲）的情況下结笨，存儲器帶寬的計(jì)算方式包晰。

21、在CPU和內(nèi)存之間引入cache的原因炕吸。

1）避免cpu空等I/O訪存伐憾；

2）緩解CPU和主存速度不匹配的問題。

22赫模、什么是程序的局部性原理树肃。

CPU從主存取指令或數(shù)據(jù)，在一定時(shí)間內(nèi)瀑罗，只是對主存局部地址區(qū)域訪問胸嘴。

23、Cache命中率斩祭、平均訪問時(shí)間以及訪問效率的計(jì)算劣像。

24、Cache寫操作有哪兩種方式摧玫？

1）寫直達(dá)法：寫操作既寫入Cache又寫入主存耳奕；

2）寫回法：只把數(shù)據(jù)寫入Cache而不寫入主存，當(dāng)Cache中數(shù)據(jù)被替換出去之后才寫入主存席赂。

25吮铭、將主存地址映射到Cache地址稱為地址映射，常見的Cache映射方式有哪幾種颅停？

直接映射谓晌、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射癞揉。

26纸肉、直接映射的優(yōu)缺點(diǎn)？

優(yōu)點(diǎn)：地址變換速度快喊熟。缺點(diǎn)：cache利用率不高柏肪，塊沖突率高；

27芥牌、全相聯(lián)映射的優(yōu)缺點(diǎn)烦味？

優(yōu)點(diǎn)：cache利用率高，塊沖突率低。缺點(diǎn)：地址變換復(fù)雜谬俄，需要較多的硬件柏靶。

28、需要大家掌握各種映射方式之下溃论，寫出主存地址格式屎蜓、cache地址格式，以及主存地址向cache地址的轉(zhuǎn)換钥勋。

29炬转、Cache常用的替換算法有哪些？哪個(gè)命中率最高算灸？

1）先進(jìn)先出扼劈、近期最少使用算法和隨機(jī)替換算法；

2）命中率最高的是近期最少使用算法乎婿；

30测僵、磁盤的三地址結(jié)構(gòu)包括哪些？

柱面谢翎、磁頭號和扇區(qū)號

第4章 指令系統(tǒng)

4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能需求

4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展

程序：計(jì)算機(jī)的程序是由一系列的機(jī)器指令組成的捍靠。

指令就是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。

計(jì)算機(jī)的指令有微指令森逮、機(jī)器指令和宏指令榨婆。

微指令：微程序級的命令，屬于硬件褒侧。

宏指令：若干條機(jī)器指令組成的軟件指令良风，屬于軟件。

機(jī)器指令：介于微指令和宏指令之間闷供，通常簡稱為指令烟央。

每一條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或算術(shù)邏輯運(yùn)算操作。

4.1.2指令系統(tǒng)的性能要求

完備性

指令系統(tǒng)豐富歪脏、功能齊全疑俭、使用方便。

有效性

該指令系統(tǒng)編寫的程序能夠高效率地運(yùn)行婿失。

高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小钞艇、執(zhí)行速度快。

規(guī)整性

對稱性

勻齊性

指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性

兼容性

系列機(jī)各機(jī)種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共有的基本指令集豪硅，因而指令系統(tǒng)是兼容的哩照，即各機(jī)種上基本軟件可以通用。

4.2 指令格式

機(jī)器指令

機(jī)器指令是機(jī)器字來表示懒浮。

表示一條指令的機(jī)器字飘弧，就稱為指令字，通常簡稱指令。

指令格式眯牧，則是指令字用二進(jìn)制代碼來表示的結(jié)構(gòu)形式蹋岩，通常由操作碼字段和地址碼字段組成。

一條指令的結(jié)構(gòu)如下形式來表示：

操作碼

設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)学少，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個(gè)操作碼。

操作碼字段應(yīng)該執(zhí)行怎樣的操作秧骑？

加法版确，減法，乘法乎折，除法绒疗，取數(shù)，存數(shù)等等骂澄。

一般來說吓蘑，一個(gè)包含 nn 位的操作碼最多能表示 2n2n 條指令。

地址碼

有幾個(gè)操作數(shù)地址坟冲，稱為幾操作數(shù) 或 幾地址指令磨镶。

在早期，一般操作數(shù)有被操作數(shù)健提、操作數(shù)和操作結(jié)果這三種數(shù)琳猫，所以就形成了三地址指令格式。

后來發(fā)展成二地址格式私痹、一地址格式和零地址格式脐嫂。

（1）零地址指令：只有操作碼，沒有地址碼紊遵。

（2）一地址指令只有一個(gè)地址碼账千，指定一個(gè)操作數(shù)，另一個(gè)操作數(shù)是隱含的暗膜。

例數(shù)學(xué)含義：AC<–(AC)op(A)

累加寄存器AC中的數(shù)據(jù)位隱含的被操作數(shù)匀奏，操作結(jié)果又回到累加寄存器AC中，而累加寄存器中原來的數(shù)隨即被沖掉桦山。

op表示操作性質(zhì)：加攒射、減、乘恒水、除…

(AC)表示累加寄存器中AC的數(shù)会放；(A)表示內(nèi)存中地址A的存儲單元中的數(shù)；然后運(yùn)算完又送回到(AC).

（3）二地址指令钉凌，有兩個(gè)地址碼字段A1,A2A1,A2?,分別指明參與操作的兩個(gè)數(shù)在內(nèi)存中或運(yùn)算器中通用寄存器的地址咧最，其中A1A1?兼做存放操作結(jié)構(gòu)的地址。so數(shù)學(xué)含義：A1<?(A1)op(A2)

在二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來說矢沿，可以歸結(jié)為三種類型：

1.訪問內(nèi)存的指令格式滥搭，稱為存儲器-存儲器(SS)型。

2.訪問寄存器的指令格式捣鲸，稱為寄存器-寄存器(RR)型瑟匆。

3.即要訪問內(nèi)存單元，又要訪問寄存器栽惶，稱為寄存器-存儲器(RS)型愁溜。

（4）三地址指令中有三個(gè)操作數(shù) A1,A2,A3A1,A2,A3,其數(shù)學(xué)含義：A3<?(A1)op(A2)

指令字長度

一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)，稱為指令字長度外厂。

機(jī)器字長：計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)冕象，他決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。

半字長指令：指令字長度等于半個(gè)機(jī)器字長度的指令汁蝶。

單字長指令：指令字長度等于機(jī)器長度的指令渐扮。

雙字長指令：指令字長度等于兩個(gè)機(jī)器長度的指令。

多字長指令的缺點(diǎn)：必須兩次或三次訪問內(nèi)存以取出一整條指令掖棉，這就降低了CPU的運(yùn)算速度墓律，同時(shí)又占用了更多的空間

4.3 操作數(shù)類型

4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型

地址數(shù)據(jù)

無符號整數(shù)

數(shù)值數(shù)據(jù)

①定點(diǎn)整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)；②浮點(diǎn)數(shù)啊片；③壓縮十進(jìn)制數(shù)只锻，一個(gè)字節(jié)用兩位BCD碼表示

字符數(shù)據(jù)

目前廣泛使用ASCII碼

邏輯數(shù)據(jù)

一個(gè)單元有若干二進(jìn)制位項(xiàng)組成，每個(gè)位的值可以是1或0.

4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式

尋址方式分為 指令尋址方式 和 地址尋址方式紫谷。

在馮·諾依曼型結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中齐饮，內(nèi)存中指令的尋址和數(shù)據(jù)的尋址是交替進(jìn)行的。

4.4.1 指令的尋址方式

有兩種笤昨；

順序?qū)ぶ贩绞?/h4>

指令地址在內(nèi)存中按順序安排祖驱，當(dāng)執(zhí)行一段程序時(shí)，通常是一條指令接一條指令的順序進(jìn)行瞒窒。

指令的順序?qū)ぶ贩绞睫嗥В仨毷褂贸绦蛴?jì)數(shù)器PC來計(jì)數(shù)指令的順序號，該順序號就是指令在內(nèi)存中的地址崇裁。

跳躍尋址方式

所謂跳躍匕坯，是指下條指令的地址碼不是由程序計(jì)數(shù)器給出，而是由本條指令給出拔稳。

4.4.2 操作數(shù)基本尋址方式

隱含尋址

不是明顯地給出操作數(shù)的地址葛峻，而是在指令中隱含著操作數(shù)的地址。操作數(shù)在專用寄存器中

直接尋址

特點(diǎn)：在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址A巴比。

如果用D表示操作數(shù)术奖，那么直接尋址的表達(dá)式為:D=(A).

EA=A.

寄存器尋址

當(dāng)操作數(shù)不在內(nèi)存中礁遵，而是放在CPU的通用寄存器中，可采用寄存器尋址方式采记。

指令結(jié)構(gòu)中的RR型指令佣耐，就是采用寄存器尋址方式的例子。

EA=R

寄存器間接尋址

與寄存器尋址的區(qū)別：

指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)唧龄，而是操作數(shù)的地址兼砖，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。

EA=(R).

偏移尋址

直接尋址和寄存器間接尋址的結(jié)合既棺。

EA=A+(R)掖鱼；

常用的三種偏移尋址：

相對尋址：EA=A+(PC);引用的專用寄存器是程序計(jì)數(shù)器（PC）.

基址尋址：EA=A+(R);引用的專用寄存器是基址寄存器.

變址尋址：EA=A+(R);引用的專用寄存器是變址寄存器.

段尋址方式

EA=A+(R)；

堆棧尋址

EA=棧頂