计算机组成原理

前言

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PS:这是思维导图，不是知识点详解

计算机系统概述

计算机系统简介

• 软件

  • 系统软件
  • 应用软件

• 硬件

计算机的发展历程

• 第一代计算机

  • 电子管

• 第二代计算机

  • 晶体管

• 第三代计算机

  • 中小规模集成电路

• 第四代计算机

  • 超大规模集成电路

计算机的层次结构

• 五层结构

计算机系统分类与发展方向

• 分类

  • 电子模拟计算机

  • 电子数字计算机

    • 通用机
    • 专用机

  • 指令流数据流分类

• 发展方向

  • 复杂化
  • 精简化

计算机的硬件组成

• 冯诺依曼计算机

  • 六大特点

• 现代计算机的组织结构

  • 以存储器为核心

• 计算机的功能部件

  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器
  • 输入/输出设备

计算机的性能指标

• 容量
• 速度

数据的表示和运算

数制与编码

• 进位计数法

  • 一进制
  • 十进制
  • 二进制
  • 其它

• 相互转换

  • 十进制与其他进制

    • 按权展开想加
    • 除基取余&乘基取整

  • 二进制与二的指数进制

    • 分组转换

• BCD码

  • 8421码

    • 加6修正

  • 余三码

  • 2421码

• 字符与字符串

  • ASCII码
  • 字符串大端小端模式
  • 汉字编码

• 校验码

  • 校验原理
  • 奇偶校验码
  • 汉明校验码
  • 循环冗余码

定点数的表示与运算

• 定点数的表示

  • 无符号数

  • 真值与机器数

  • 有符号数

    • 原码
    • 反码
    • 补码
    • 移码

• 定点数的运算

  • 移位运算
  • 加减运算
  • 溢出判断
  • 乘除运算
  • 强制类型转换

浮点数的表示与运算

• 浮点数的表示

  • 基本标识
  • IEEE754标准

• 浮点数的运算

算术逻辑单元ALU

• ALU

  • 功能
  • 基本结构

• 加法器

  • 一位全加器
  • 串行加法器
  • 并行加法器

存储系统

存储器概述

• 分类

  • 作用（层次）

    • cache、主存、辅存

  • 存储介质

    • 磁芯、磁表面、半导体、光

  • 存取方式

    • 随机存取

      • RAM、ROM

    • 串行访问

      • 顺序存取：磁带
      • 直接存取：磁盘

• 性能指标

  • 存储容量

    • 存储字数×字长

  • 单位成本

    • 每位价格=总成本/总容量

  • 存储速度

    • 数据传输率（主存带宽）=数据宽度/存储周期

存储器的层次化结构

• Cache—主存层次：硬件实现，解决CPU速度与主存不匹配问题
• 主存—辅存层次：硬件+操作系统实现，解决容量问题，逐渐形成虚拟存储

半导体随机存储器

• 基本结构

• SRAM和DRAM

  • SRAM工作原理
  • DRAM工作原理
  • DRAM的刷新
  • RAM的读写周期

• ROM

  • ROM的特点
  • ROM的类型

主存与CPU的链接

• 链接原理

• 主存容量的扩展

  • 位扩展法
  • 字扩展法
  • 字位同时扩展法

• 存储芯片的地址分配和片选

  • 线选法
  • 译码片选法

• 存储器与CPU的链接

  • 合理选择存储芯片
  • 地址线的链接
  • 数据线的连接
  • 读/写命令线的链接
  • 片选线的链接

双端口RAM和多模块存储器

• 双端口RAM

• 多模块存储器

  • 单体多字存储器
  • 多体并行存储器

高速缓冲存储器

• 地址映射方式

  • 全相联：主存字块标记|字块内地址
  • 直接映射：主存字块标记|Cache字块地址|字块内地址
  • 组相联：主存字块标记|组地址|字内块地址
  • 标记项：有效位、标记位（主存字块标记）

• 替换算法

  • 随机算法（RAND）
  • 先进先出算法（FIFO）
  • 近期最少使用算法（LRU）
  • 最不经常使用算法（LFU）

• 写策略

  • 命中

    • 全写法
    • 写回法

  • 不命中

    • 写分配法
    • 非写分配法

虚拟存储器

• 基本概念

• 页式虚拟存储器

  • 页表
  • 快表
  • 具有TLB和Cache的多级存储系统

• 段式虚拟存储器

• 段页式虚拟存储器

• 虚拟存储器与Cache的比较

输入/输出系统

I/O系统基本概念

• 输入/输出系统

  • 几个基本概念

    • 外部接口
    • 接口
    • 输入设备
    • 输出设备
    • 外存设备

  • I/O软件

  • I/O硬件

• I/O控制方式

  • 程序查询
  • DMA
  • 通道

外部设备

• 输入设备
• 输出设备
• 外存储器

I/O接口

• I/O接口的功能
• 基本结构
• I/O接口的类型
• I/O端口及其编址

I/O方式

• 程序查询方式
• 程序中断方式
• DNA方式

总线

总线概述

• 定义

  • 一组能为多个部件同事共享的公共信息传送线路

• 特性

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 时间特性

• 分类

  • 按数据传输格式

    • 串行
    • 并行

  • 按功能

    • 片内总线

    • 系统总线

      • 数据总线
      • 地址总线
      • 控制总线

    • 通信总线

  • 按时序控制方式

    • 同步
    • 异步

• 总线结构

  • 单总线结构

    • 系统总线

  • 双总线结构

    • 主存总线
    • I/O总线

  • 三结构总线

    • 主存总线
    • I/O总线
    • DMA总线

总线仲裁

• 集中仲裁方式

  • 链式查询方式
  • 计数器定时查询方式
  • 独立请求方式

• 分布仲裁方式

总线操作和定时

• 总线传输的四个阶段

  • 申请分配阶段
  • 寻址阶段
  • 传输阶段
  • 结束阶段

• 定时同步方式

• 异步定时方式

总线标准

• 系统总线

  • ISA、EISA

• 局部总线

  • VESA、PCI、PCI-E、AGP、

• 设备总线

  • RS-232C、USB、PCMCIA、IDE、SCSI、SATA

指令系统

指令格式

• 定长指令字格式与变长指令字格式

• 操作码

  • 定长操作码与变长操作码

  • 操作类型

    • 数据传送
    • 算术逻辑运算
    • 移位操作
    • 转移
    • 输入输出

• 地址码

  • 零地址、一地址、二地址、三地址
  • 定长指令字结构与变长指令字结构

数据存放方式

• 编址与寻址
• 大端与小端
• 边界对齐

指令寻址方式

• 指令寻址

  • 顺序寻址
  • 跳跃寻址

• 数据寻址

  • 隐含寻址、立即寻址
  • 直接寻址、间接寻址
  • 寄存器寻址、寄存器间接寻址
  • 偏移寻址：基址寻址、变址寻址、相对寻址
  • 堆栈寻址

CISC和RISC

中央处理器

CPU的功能和基本结构

• CPU的功能

  • 指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理

• 运算器的功能

  • 对数据进行加工

• 控制器的功能

  • 取指令、分析指令、执行指令

• 多通路管理

  • 多路选择器MUX与三态门

• 运算器的基本结构

  • 算术逻辑单元ALU
  • 暂存寄存器
  • 通用寄存器组
  • 累加寄存器ACC
  • 程序状态寄存器PSW
  • 移位器、计数器

• 控制器的基本结构

  • 程序计数器PC
  • 指令寄存器IR
  • 指令译码器、时序系统、微操作信号发生器
  • 存储器地址寄存器MAR
  • 存储器数据寄存器MDR

• 数据通路的基本结构

  • 专用通路
  • 内部总线

• 寄存器透明度

  • 不透明

    • 通用寄存器组、程序状态寄存器PSW、程序计数器PC

  • 透明

    • MAR、MDR、IR、暂存寄存器

指令执行过程

• 指令周期

  • 机器周期/CPU周期—CPU时钟周期/节拍
  • 取指周期、间址周期、执行周期、中断周期
  • 标志触发器FE、IND、EX、INT

• 数据流

  • 取指周期

    • 根据PC中的内容取出指令并存放在IR中

  • 间址周期

    • 根据IR中的指令地址码取操作数有效地址

  • 执行周期

    • 根据指令字的操作码对操作数进行相应的操作

  • 中断周期

    • 保存断点、送中断向量、处理中断请求

• 执行方案

  • 单指令周期
  • 多指令周期
  • 流水线方案

• 不同阶段访存目的

数据通路的功能和基本结构

• CPU内部总线

  • 单总线
  • 多总线

• 专用通路总线

控制器的功能和工作原理

指令流水线

• 基本概念

  • 指令执行周期划分为不同阶段，占用不同的资源，就能同时使多条指令同时执行

  • 表示方法

    • 指令流程图：用于分析影响流水线的因素
    • 时空图：主要用于分析流水线的性能

• 分类

  • 按使用级别：部件功能级、处理机级、处理机间
  • 按完成功能：单功能、多功能
  • 按连接方式：动态、静态
  • 按有无反馈信号：线性、非线性

• 性能指标

  • 吞吐率TP
  • 加速比S
  • 效率E

• 影响因素

  • 结构相关
  • 数据相关
  • 控制相关

• 多发技术

  • 超标量流水线技术
  • 超流水线技术
  • 超长指令字技术