重點和難點計算機組成原理

1、重點和難點計算機組成原理 第一章計算機系統(tǒng)概論*重 點本章重點突出計算機組成的概貌和框架，由此 簡潔明了地了解計算機內(nèi)部的工作過程實際上 是指令流和數(shù)據(jù)流在此框架內(nèi)由I/O t存儲器t CPU存儲器t I/O的過程，是通過逐條取指令、 分析指令和執(zhí)行指令來運行程序的。同時要了解 到當(dāng)今計算機盡管發(fā)展到千變?nèi)f化的程度， 但其 最根本的組成原理還是基于馮諾依曼的結(jié)構(gòu)。1. 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)存儲程序和程序控制是馮諾依曼型計算機 的設(shè)計思想。存儲程序的概念是將解題程序(連 同必須的原始數(shù)據(jù))預(yù)先存入存儲器；程序控制 是指控制器依據(jù)存儲的程序控制全機自動、 協(xié)調(diào) 地完成解題任務(wù)。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)開創(chuàng)了程

2、 序設(shè)計的時代，到目前為止，絕大多數(shù)計算機仍 沿用這一體制。2. 計算機的結(jié)構(gòu)和功能(1) 功能從本質(zhì)上來說，計算機的結(jié)構(gòu)和功能 運作都很簡單?；竟δ埽簲?shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、 數(shù)據(jù)傳送、控制。(2) 結(jié)構(gòu)計算機是以某種方式與其外部環(huán)境交互的實體。概括地說，與外部環(huán)境的所有連接 可以劃分為外圍設(shè)備和通信線路。主要有4種結(jié) 構(gòu)組件：中央處理單元（cpu：控制計算機的操作并 完成數(shù)據(jù)處理主存儲器：存儲數(shù)據(jù) I/O :在計算機及其外部環(huán)境之間傳輸數(shù)據(jù) 系統(tǒng)互連：為CPU主存和I/O之間提供某 些通信機制*難點本章概念、名詞較多，這些只是為進一步深 化學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，因此嚴(yán)格講本章沒什么難點， 只要建立計

3、算機組成的框架即可。對指令和數(shù)據(jù) 都以0或1代碼存于存儲器中，計算機如何區(qū) 分它們這一問題，應(yīng)特別注意重點理解。第二章計算機的發(fā)展和應(yīng)用*重 點了解從1946年ENIAC誕生到二十世紀(jì)五、六 十年代，由于構(gòu)成計算機的元器件發(fā)展變化（由 電子管t晶體管t集成電路），使計算機的性能 有了很大提高，每隔6至7年，計算機便更新 換代一次，運算速度約提高一個數(shù)量級。而到了 二十世紀(jì)七十年代，自從 Intel公司生產(chǎn)了第 一個微處理器芯片后，隨著集成度成倍的提高， 以每隔18個月芯片上的晶體管數(shù)就翻一番的速 度使計算機得到極為廣泛的應(yīng)用，以至整個社會 從制造時代進入到信息時代，出現(xiàn)了知識大爆 炸，從而要激

4、發(fā)學(xué)習(xí)本課程的積極性和主動性。第三章系統(tǒng)總線*重 點要求了解隨著計算機的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷 擴大，I/O設(shè)備的種類和數(shù)量也越來越多。為了 更好地解決I/O設(shè)備與主機之間連接的靈活性， 計算機的結(jié)構(gòu)從分散連接發(fā)展成總線連接。由于 各個子系統(tǒng)都通過總線交換信息，這就產(chǎn)生了總 線的瓶頸問題，影響了計算機的速度。為了克服 總線瓶頸又產(chǎn)生了多總線結(jié)構(gòu)，進一步為了設(shè)計 簡化，便于維護，有利于批量生產(chǎn)，又提出了各 種總線標(biāo)準(zhǔn)。特別是為了解決眾多部件爭用總 線，必須對總線進行判優(yōu)控制和通信控制。1. 總線仲裁。當(dāng)多個主設(shè)備同時爭用總線控制權(quán)時，由總 線仲裁部件以優(yōu)先權(quán)或公平策略進行仲裁，授 權(quán)于其中的一個主

5、設(shè)備總線的控制權(quán)。仲裁方式：(1) 集中式仲裁方式： 鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑?計數(shù)器定時查詢方式； 獨立請求方式；(2) 分布式仲裁方式。2. 總線的一次信息傳送過程分為五個階段：請求 總線、總線仲裁、尋址目的地址、信息傳送、狀 態(tài)返回。為同步主方、從方的操作，必須制定定 時協(xié)議。定時方式：(1) 同步定時：事件出現(xiàn)在總線上的時刻由總 線時鐘信號來確定；(2) 異步定時：采用應(yīng)答方式進行總線傳輸控 制。*難 點為了解決總線上各模塊爭奪總線的使用權(quán)， 解決通信雙方如何獲知傳輸開始和結(jié)束，以及通 信雙方如何協(xié)調(diào)配合，總線的通信控制是至關(guān)重 要的。第四章存儲器 *重 點存儲器如同人的大腦具有記憶功能一樣，是

6、 計算機組成的一個重要部件，它直接影響到計算 機存儲信息的容量和計算機的運行速度。圍繞著計算機速度的提高，容量的擴大，促使存儲器 從基本組成元件到整體結(jié)構(gòu)都在不斷的發(fā)展和 完善。當(dāng)今計算機大多以半導(dǎo)體存儲器作為主存 儲器，以硬盤或光盤作為輔助存儲器。為了更好 解決存儲器的速度、容量和價格/位之間的矛盾， 采用Cache-主存和主存-輔存的存儲器結(jié)構(gòu)，使 存儲器的總體性能得到很大的提高。必須掌握各 類存儲器的工作原理，以及各類存儲器在存儲器 的存儲層次結(jié)構(gòu)中各自起的作用。1. 隨機讀寫存儲器的工作原理。(1) SRAM存儲器(2) DRAM存儲器2. 只讀存儲器的工作原理，(1) ROM存儲器

7、EPROM存儲器(3) 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)3. 存儲器的組織(位擴展、字?jǐn)U展、字位同時擴 展)4. Cache引入的理論依據(jù)。程序訪問的局部性。地址映射 全相聯(lián)映射方式：靈活但映射函數(shù)復(fù)雜，不易實現(xiàn)(2)直接映射方式：映照簡單，不需計算，快速但效率不高，易顛簸”組相聯(lián)映射方式：組內(nèi)全相聯(lián)映射、組間直接 映射*難 點要求運用以前學(xué)過的電路知識和本章所學(xué)的 半導(dǎo)體存儲芯片，設(shè)計存儲器和 CPU的連接電 路。注意要合理選用芯片，以及 CPU和存儲器 芯片之間的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的連接，特 別是存儲芯片片選邏輯的確定。本章另一個難點是掌握不同的 Cache-主存地 址映象直接影響主存地址字段的分配及替換

8、策 略和命中率。第五章輸入輸出系統(tǒng)*重點輸入輸出系統(tǒng)是人機對話和人機交互的紐 帶和橋梁。由于輸入輸出設(shè)備工作速度與計算機 主機的工作速度極不匹配為此，既要考慮到輸 入輸出設(shè)備工作的準(zhǔn)確可靠，又要充分挖掘主機 的工作效率，因此要求掌握主機與 I/O交換的 三種控制方式，即程序查詢、程序中斷和 DMA 以及它們各自所需的硬件及軟件支持。1. 程序中斷方式。中斷：計算機在執(zhí)行正常程序的過程中，出現(xiàn) 某些異常事件或某種請求時，處理機暫停執(zhí)行當(dāng) 前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行更緊急的程序，并在執(zhí)行結(jié)束 后,自動恢復(fù)執(zhí)行原先程序的過程。特點：硬件結(jié)構(gòu)較查詢方式復(fù)雜些，服務(wù)開銷時間 較大；主程序與設(shè)備并行運行，CPU效率

9、較高；具有實時響應(yīng)的能力。2. 中斷處理過程。中斷處理過程為：中斷請求中斷源識別判優(yōu) 中斷響應(yīng)中斷處理中斷返回中斷源：引起中斷事件的來源。判優(yōu)：找出優(yōu)先級最高的中斷源給予響應(yīng)。中斷源識別：采用的方法有： 軟件查詢法； 硬件排隊法； 矢量中斷。 CPU響應(yīng)中斷的條件： 至少有一個中斷 源請求中斷；CPU允許中斷； 當(dāng)前指令執(zhí) 行完。中斷響應(yīng)的工作-由硬件自動完成：關(guān)中 斷； 保留斷點信息； 轉(zhuǎn)到中斷處理程序入 口。中斷處理-由軟件(中斷處理程序)完成。3. DMA傳送方式。解決與CPU共享主存的矛 盾。停止CPU訪問內(nèi)存。CPU效率低；(2) 周期挪用。適用于外設(shè)讀取周期大于內(nèi)存 存取周期；(3

10、) DMA與CPU交替訪問。適用于CPU工作周 期比內(nèi)存存取周期長得多的情況。*難 點要對處理中斷的各類軟、硬件技術(shù)運用自如； 要認(rèn)清周期竊取的含義；要分清 CPU響應(yīng)中斷 和允許周期挪用的時間。第六章計算機的運算方法*重 點要認(rèn)識到計算機內(nèi)部的各種運算與人們習(xí) 慣的運算是不同的，不僅運算方法有差異，就是 數(shù)的表示也不同。要求掌握計算機中有符號數(shù)、 無符號數(shù)、定點數(shù)和浮點數(shù)的各種表示，以及移 位、定點補碼加減運算、定點原碼一位乘和兩位 乘及補碼Booth算法、定點原碼和補碼加減交 替除法，以及浮點補碼加減運算。了解不同的運 算方法對運算器結(jié)構(gòu)的影響，以及提高運算速度 采取的各種措施，包括快速進

11、位鏈的設(shè)計方法。 1.定點加法、減法運算。米用二進制補碼加法加法:X+丫補=X補+丫補 (mod 2) 減法：X-Y補=兇 補+-Y補 (mod 2)2 定點乘法。同原碼乘法一樣：符號位：單獨處理(異或產(chǎn)生)數(shù)值位：求兩數(shù)絕對值之商3. 定點二進制除法公式：兩種運算方法： 恢復(fù)余數(shù)法：運算步驟不確定，控制復(fù)雜，不適合計算機運算。 加減交替法：不恢復(fù)余數(shù)，運算步驟確定，適 合計算機操作。法則：余數(shù)為正：商1,下一步作減法；余數(shù)為負(fù)：商0，下一步作加法。4. 多功能算術(shù)/邏輯運算單元（ALU）。ALU是運算器的核心部件。舉例：74181ALU,可進行四位并行算術(shù) /邏輯運 算。特點：多功能： 控制

12、端M用來控制作算術(shù)運算還是邏輯運算M= 0時，為算術(shù)運算；W 1時，為邏輯運算。 正邏輯工作或負(fù)邏輯工作正邏輯：邏輯1用高電平表示；5. 定點運算器基本結(jié)構(gòu)運算器包括ALU陣列乘除器件、寄存器、 多路開關(guān)、三態(tài)緩沖器、數(shù)據(jù)總線等邏輯部件。 運算器的設(shè)計，主要是圍繞著ALU和寄存器同數(shù) 據(jù)總線之間如何傳送操作數(shù)和運算結(jié)果而進行 的。運算器的三種結(jié)構(gòu)形式：單總線結(jié)構(gòu)的運算器：這種結(jié)構(gòu)的主要缺點 是操作速度較慢，但控制電路比較簡單。雙總線結(jié)構(gòu)的運算器：兩操作數(shù)可分別通過 兩條總線送入ALU操作時間較單總線結(jié)構(gòu)的運 算器快。三總線結(jié)構(gòu)的運算器：三總線結(jié)構(gòu)的運算器 的特點是操作時間快。*難點溢出判斷是各

13、種運算方法的一個難點，而定 點運算和浮點運算判斷溢出的方法是不同的。 對 于浮點運算，應(yīng)特別注意區(qū)分浮點數(shù)和用補碼表 示的浮點規(guī)格化形式這兩個概念，前者指的是真 值，后者指的是機器數(shù)，由于補碼規(guī)格化數(shù)的特 殊約定，兩者表示的數(shù)的范圍是不同的。本章的另一個難點是掌握原碼和補碼運算 的最根本的區(qū)別在于對符號位的處理。 原碼乘除 法結(jié)果的符號均和數(shù)值部分的運算分開進行，而 補碼乘除法結(jié)果的符號是在數(shù)值部分的運算過 程中自動形成的。值得注意的是機器內(nèi)只設(shè)加法 器，故全部減法運算實質(zhì)是通過加法操作實現(xiàn) 的，這就有一個對減數(shù)求“補”的問題。原碼除 法中減去除數(shù)的絕對值，一律用加上除數(shù)絕對值 的補碼實現(xiàn)。應(yīng)

14、特別注意-X補和-X*補的區(qū) 別，其中X*是真值X的絕對值。本章的第三個難點是，若浮點數(shù)的階碼采用 移碼運算時，其運算規(guī)則和溢出判斷規(guī)則與補碼 運算是不同的。第七章指令系統(tǒng)*重 點要求了解機器的指令系統(tǒng)決定了一臺計算 機的功能，而一旦計算機的指令系統(tǒng)確定以后， 計算機的硬件必須給予支持。指令系統(tǒng)主要體現(xiàn) 在它的操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方 法等方面。要求：掌握不同的尋址方式對操作數(shù)尋址范圍以及 對編程的影響掌握不同的尋址方式所要求的硬件和信息的 加工過程。了解RISC的主要特點及其與CISC的區(qū)別。1 指令系統(tǒng)。指一臺計算機中所有機器指令 的集合，是表征計算機性能的重要因素。2 指令系

15、統(tǒng)的性能要求：完備性、有效性、規(guī)整形、兼容性3 指令尋址方式：順序?qū)ぶ贩绞剑褐噶钪饤l順序執(zhí)行，PC+1-PC 跳躍尋址方式：程序轉(zhuǎn)移4. 引入操作數(shù)尋址方式目的：(1) 縮短指令長度；(2) 擴大尋址范圍；(3) 提高編程靈活性。5. 操作數(shù)的尋址(1) 立即尋址(2) 直接尋址間接尋址(4) 寄存器尋址(5) 寄存的間接尋址(6) 偏移尋址：1)相對尋址；2)基址尋址；3) 變址尋址(7) 堆棧尋址*難 點要求掌握設(shè)計指令格式的方法，學(xué)會根據(jù)指 令系統(tǒng)的要求，確定指令字中各字段的位數(shù)及其 含義。特別是在實際機器中，指令字長不一定等 于存儲字長，因此應(yīng)格外注意各種尋址方法和地址格式的運用 第八

16、章CPU的結(jié)構(gòu)和功能*重 點要認(rèn)識到機器的核心是cpu通過對cpu的 功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，掌握機器完成一條指令 的全過程是在 CPU的統(tǒng)一指揮下進行的，而且 CPU在不同的工作周期內(nèi)訪存的性質(zhì)是不同的。 此外還應(yīng)掌握中斷技術(shù)在提高整機效能方面所 起的作用，以及為了進一步提高數(shù)據(jù)的處理能 力，開發(fā)系統(tǒng)的并行性，在現(xiàn)代計算機中大量采 用流水技術(shù)。1. CPU功能和組成；2. CPU的組織（運算部件、寄存器設(shè)置、存儲器 接口、時序部件）；3. 指令周期；指取出并執(zhí)行一條指令的時間。由 若干個CPU周期組成。CPU周期：通常用內(nèi)存中讀取一個指令字 的最短時間來規(guī)定CPU周期。一個CPU周期包含 若干

17、個時鐘周期。時鐘周期：是CPU處理操作的最基本單位。4. 典型指令周期流程(1) 非訪內(nèi)指令指令周期流程(2) 直接訪內(nèi)指令指令周期流程(3) 間接訪內(nèi)指令指令周期流程(4) 程序控制指令周期5. 時序系統(tǒng)：時序系統(tǒng)最基本體制：電位一脈沖制，即脈 沖到達(dá)之前，電平信號必須要穩(wěn)定。硬布線控制器時序系統(tǒng)一般由周期、節(jié)拍和 工作脈沖三級時序所組成；微程序控制器時序系統(tǒng)一般由節(jié)拍、工作脈 沖二級時序所組成。*難 點中斷技術(shù)在現(xiàn)代計算機中起著重要作用。為 了更好地吃透這一內(nèi)容，建議結(jié)合第五章學(xué)習(xí)， 便于建立整機概念。第九章控制單元的功能*重 點理解控制單兀為完成不同指令所發(fā)出的各 種操作命令，以及指令周

18、期、機器周期、時鐘周 期與操作命令的關(guān)系。1 控制單元模型2 指令執(zhí)行的過程：簡單計算機總體結(jié)構(gòu)、各 類信息傳送的路徑，設(shè)置微操作控制信號3. 指令操作流程4. 指令微操作序列*難 點CPU的控制方式，微操作命令的分析及多級時 序系統(tǒng)。第十章控制單元的設(shè)計*重 點要求初步掌握控制單元的兩種設(shè)計方法，從而 進一步理解組合邏輯控制器和微程序控制器在 設(shè)計思想、硬件組成及其工作原理方面的不同。 結(jié)合時序系統(tǒng)的概念，學(xué)會按不同指令要求，寫 出其相應(yīng)的微操作命令及節(jié)拍安排。1.操作控制器設(shè)計方法(1) 硬布線控制器：組合邏輯型，采用組合邏輯 技術(shù)實現(xiàn)；(2) 微程序控制器存儲邏輯型，以微程序解釋 執(zhí)行機器指令，采用存儲邏輯技術(shù)實現(xiàn)；(3) 門陣列控制器組合邏輯與存儲邏輯結(jié)合 型，采用可編程邏輯器件實現(xiàn)。2 微命令：指控制部件通過控制線向執(zhí)行部件 發(fā)出的各種控制命令，是構(gòu)成控制信號序列的最 小單位。微操作：執(zhí)行部件