計算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)

期末考試題型及分值1.選擇題（30分）2.填空題（20分）3.簡答題（20分）4.計算題（30分）第１章計算機(jī)系統(tǒng)概論第３章系統(tǒng)總線第４章存儲器第５章輸入輸出系統(tǒng)第６章計算機(jī)的運(yùn)算方法第７章指令系統(tǒng)第８章CPU的結(jié)構(gòu)和功能第１章計算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計算機(jī)系統(tǒng)簡介1.4本書結(jié)構(gòu)1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計算機(jī)的基本組成1.1計算機(jī)系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)計算機(jī)的實體，如主機(jī)、外設(shè)等一、計算機(jī)的軟硬件概念硬件軟件1.2計算機(jī)的基本組成1.計算機(jī)由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運(yùn)算器為中心2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，

可按地址尋訪5.存儲程序一、馮·諾依曼計算機(jī)的特點(diǎn)5.存儲程序存儲體大樓存儲單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲字存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)存儲器的基本組成1.2MDR主存儲器存儲體MAR2.計算機(jī)的解題過程MARMDR1.2存儲器地址寄存器,反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器,反映存儲字長(1)存儲器的基本組成(2)控制器的基本組成取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCU取指執(zhí)行PC

存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

IR

存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令CU

控制單元1.3計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長2.運(yùn)算速度CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法主頻每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)CPI每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPS221

=

256

KB213

=

1

KB如3.存儲容量主存容量輔存容量存儲單元個數(shù)

×

存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如MARMDR

容量10

816

32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1.31K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位第３章系統(tǒng)總線3.1總線的基本概念3.2總線的分類3.3總線特性及性能指標(biāo)3.4總線結(jié)構(gòu)3.5總線控制3.1總線的基本概念一、什么是總線總線是連接各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質(zhì)。二、總線的特點(diǎn)在任何時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。3.2總線的分類1.片內(nèi)總線2.系統(tǒng)總線芯片內(nèi)部的總線數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線雙向與機(jī)器字長、存儲字長有關(guān)單向與存儲地址、I/O地址有關(guān)有出有入計算機(jī)各部件之間的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認(rèn)中斷請求、總線請求3.通信總線串行通信總線并行通信總線傳輸方式3.2用于計算機(jī)系統(tǒng)之間或計算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信1.機(jī)械特性2.電氣特性3.功能特性4.時間特性二、總線特性尺寸、形狀、管腳數(shù)

及

排列順序傳輸方向和有效的電平范圍每根傳輸線的功能信號的時序關(guān)系3.3地址數(shù)據(jù)控制3.3總線特性及性能指標(biāo)三、總線的性能指標(biāo)1.總線寬度2.總線帶寬3.時鐘同步/異步4.總線復(fù)用5.信號線數(shù)6.總線控制方式7.其他指標(biāo)數(shù)據(jù)線的根數(shù)每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps）同步、不同步地址線與數(shù)據(jù)線復(fù)用地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的總和負(fù)載能力并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)3.33.5總線控制一、總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制分布式集中式主設(shè)備(模塊)對總線有控制權(quán)從設(shè)備(模塊)響應(yīng)從主設(shè)備發(fā)來的總線命令1.基本概念鏈?zhǔn)讲樵冇嫈?shù)器定時查詢獨(dú)立請求方式1.鏈?zhǔn)讲樵兎绞教攸c(diǎn)：容易擴(kuò)充，對電路故障敏感2.計數(shù)器定時查詢方式特點(diǎn)：優(yōu)先級可以改變，使用總線機(jī)會均等3.獨(dú)立請求方式特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活二、總線通信控制1.目的2.總線傳輸周期主模塊申請，總線仲裁決定主模塊向從模塊給出地址和命令主模塊和從模塊交換數(shù)據(jù)主模塊撤消有關(guān)信息申請分配階段尋址階段傳數(shù)階段結(jié)束階段解決通信雙方協(xié)調(diào)配合問題3.5由統(tǒng)一時標(biāo)控制數(shù)據(jù)傳送充分挖掘系統(tǒng)總線每個瞬間的潛力同步通信異步通信

半同步通信

分離式通信

3.總線通信的四種方式采用應(yīng)答方式

，沒有公共時鐘標(biāo)準(zhǔn)同步、異步結(jié)合3.5第４章存儲器4.1概述4.2主存儲器4.3高速緩沖存儲器4.4輔助存儲器4.1概述一、存儲器分類1.按存儲介質(zhì)分類(1)半導(dǎo)體存儲器(2)磁表面存儲器(3)磁芯存儲器(4)光盤存儲器易失TTL、MOS磁頭、載磁體硬磁材料、環(huán)狀元件激光、磁光材料非易失(1)存取時間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問）順序存取存儲器磁帶4.12.按存取方式分類(2)存取時間與物理地址有關(guān)（串行訪問）隨機(jī)存儲器只讀存儲器直接存取存儲器磁盤在程序的執(zhí)行過程中可讀可寫在程序的執(zhí)行過程中只讀磁盤、磁帶、光盤高速緩沖存儲器（Cache）FlashMemory存儲器主存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)RAM動態(tài)RAM3.按在計算機(jī)中的作用分類4.1高低小大快慢輔存寄存器緩存主存磁盤光盤磁帶光盤磁帶速度容量價格位／1.存儲器三個主要特性的關(guān)系二、存儲器的層次結(jié)構(gòu)CPUCPU主機(jī)4.1緩存CPU主存輔存2.緩存主存層次和主存輔存層次緩存主存輔存主存虛擬存儲器10ns20ns200nsms虛地址邏輯地址實地址物理地址主存儲器4.1（速度）（容量）4.2主存儲器一、概述1.主存的基本組成存儲體驅(qū)動器譯碼器MAR控制電路讀寫電路MDR地址總線數(shù)據(jù)總線讀寫……………2.主存和CPU的聯(lián)系MDRMARCPU主存讀數(shù)據(jù)總線地址總線寫4.2設(shè)地址線24根按字節(jié)尋址按字尋址若字長為16位按字尋址若字長為32位3.主存中存儲單元地址的分配4.2224=16M8M4M尋址范圍：(2)存儲速度4.主存的技術(shù)指標(biāo)(1)存儲容量(3)存儲器的帶寬主存存放二進(jìn)制代碼的總位數(shù)

讀出時間寫入時間存儲器的訪問時間

存取時間存取周期讀周期寫周期

連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲器操作（讀或?qū)懀┧璧淖钚￠g隔時間

位/秒4.2芯片容量二、半導(dǎo)體存儲芯片簡介1.半導(dǎo)體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu)譯碼驅(qū)動存儲矩陣讀寫電路1K×4位16K×1位8K×8位片選線讀/寫控制線地址線…數(shù)據(jù)線…地址線（單向）數(shù)據(jù)線（雙向）1041411384.2二、半導(dǎo)體存儲芯片簡介1.半導(dǎo)體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu)譯碼驅(qū)動存儲矩陣讀寫電路片選線讀/寫控制線地址線…數(shù)據(jù)線…片選線讀/寫控制線（低電平寫高電平讀）（允許讀）4.2CSCEWE（允許寫）WEOE存儲芯片構(gòu)成存儲器用16K×1位的存儲芯片組成64K×8位的存儲器

32片4.2（64K×8）÷（16K×1）=32片(1)動態(tài)RAM2.動態(tài)RAM(DRAM)采用電容存儲電荷來表示信息，所以必須刷新才能保持信息。刷新的周期為2ms(4)動態(tài)RAM刷新①集中刷新（

存在“死區(qū)”

）4.2②

分散刷新（無“死區(qū)”

）③分散刷新與集中刷新相結(jié)合（異步刷新）（

“死區(qū)”很短

）3.動態(tài)RAM和靜態(tài)RAM的比較DRAMSRAM存儲原理集成度芯片引腳功耗價格速度刷新電容觸發(fā)器高低少多小大低高慢快有無主存緩存4.2四、只讀存儲器（ROM）1.掩模ROM(MROM)2.PROM(一次性編程)4.23.EPROM(多次性編程)4.EEPROM(多次性編程)用1K

×

4位存儲芯片組成1K

×

8位的存儲器？片五、存儲器與CPU的連接1.存儲器容量的擴(kuò)展(1)位擴(kuò)展（增加存儲字長）10根地址線8根數(shù)據(jù)線DD……D0479AA0???21142114CSWE4.22片(2)字?jǐn)U展（增加存儲字的數(shù)量）用1K

×

8位存儲芯片組成2K

×

8位的存儲器11根地址線8根數(shù)據(jù)線4.2？片2片1K×8位1K×8位D7D0???????????????WEA1A0???A9CS0A10

1CS1(3)字、位擴(kuò)展用1K

×

4位存儲芯片組成4K

×

8位的存儲器8根數(shù)據(jù)線12根地址線WEA8A9A0...D7D0…A11A10CS0CS1CS2CS3片選譯碼……………………4.21K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4？片8片

2.存儲器與CPU的連接

(1)地址線的連接(2)數(shù)據(jù)線的連接(3)讀/寫命令線的連接(4)片選線的連接(5)合理選擇存儲芯片(6)其他時序、負(fù)載4.2地址線的連接：CPU的地址線數(shù)一般比存儲芯片的地址線數(shù)要多，通常將CPU地址線的低位與存儲芯片的地址線相連，而高位可作存儲芯片擴(kuò)充用或者其他如片選信號等。數(shù)據(jù)線的連接：CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)不一定相等，必須對存儲芯片進(jìn)行位擴(kuò)展。保證其數(shù)據(jù)位數(shù)與CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)相等讀寫控制線的連接：CPU讀寫控制線與存儲芯片讀寫控制線可以直接相連，高電平為讀,低電平為“寫”。片選線的連接：一般與CPU訪存控制和CPU地址線有關(guān)，用CPU的高地址和訪存控制信號共同產(chǎn)生存儲器的片選信號。這是由譯碼器來完成。合理選擇存儲芯片：通常選用ROM存放系統(tǒng)程序和常量等，RAM存放用戶程序。六、存儲器的校驗1.漢明碼是具有一位糾錯能力的編碼4.22.漢明碼的組成3.漢明碼的糾錯過程七、提高訪存速度的措施采用高速器件調(diào)整主存結(jié)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu)Cache–主存4.3高速緩沖存儲器一、概述1.問題的提出解決CPU和主存（DRAM）的速度差異理論基礎(chǔ)：程序訪問的局部性原理2.Cache的工作原理主存和緩存的存儲塊的大小相同(3)Cache的命中率CPU欲訪問的信息在Cache中的比率命中率與Cache的容量與塊長有關(guān)(4)Cache–主存系統(tǒng)的效率效率e

與命中率有關(guān)

設(shè)Cache命中率為h，訪問Cache

的時間為tc

，

訪問主存的時間為tm

4.3則

e=×100%tc

h

×

tc+(1－h(huán))×tm

訪問Cache的時間

平均訪問時間

e=×100%二、Cache–

主存的地址映射1.直接映射每個緩存塊

i

可以和若干個主存塊對應(yīng)每個主存塊

j

只能和一個緩存塊對應(yīng)2.全相聯(lián)映射主存中的任一塊可以映射到緩存中的任一塊主存字塊標(biāo)記

字塊內(nèi)地址主存地址m=t+c

位b位4.3組Cache字塊內(nèi)地址組地址主存字塊標(biāo)記s=t+r

位q=

c－r

位b

位主存地址m

位共Q

組，每組內(nèi)兩塊（r=1)某一主存塊

j

按模Q

映射到緩存的第i

組中的任一塊i=j

mod

Q3.組相聯(lián)映射4.34.4輔助存儲器一、概述1.特點(diǎn)不直接與CPU交換信息2.磁表面存儲器的技術(shù)指標(biāo)道密度Dt位密度DbC=n×

k×

s尋道時間+等待時間(1)記錄密度(2)存儲容量(3)平均尋址時間(4)數(shù)據(jù)傳輸率(5)誤碼率輔存的速度尋址時間磁頭讀寫時間Dr

=

Db

×V出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比第５章輸入輸出系統(tǒng)5.6DMA方式5.5程序中斷方式5.4程序查詢方式5.3I/O接口5.2外部設(shè)備5.1概述二、輸入輸出系統(tǒng)的組成1.I/O軟件(1)

I/O指令(2)通道指令CPU指令的一部分通道自身的指令指出數(shù)組的首地址、傳送字?jǐn)?shù)、操作命令如IBM/370通道指令為64位2.I/O硬件設(shè)備I/O接口設(shè)備設(shè)備控制器通道操作碼命令碼設(shè)備碼5.1四、I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式1.程序查詢方式CPU和I/O串行工作5.12.程序中斷方式CPU和I/O并行工作3.DMA方式CPU和I/O并行工作I/O中斷處理過程1.CPU響應(yīng)中斷的條件和時間(1)條件(2)時間允許中斷觸發(fā)器EINT=1用開中斷指令將EINT置“1”在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前5.5中斷向量地址得到中斷服務(wù)程序的入口地址程序中斷方式五、中斷服務(wù)程序流程1.中斷服務(wù)程序的流程(1)保護(hù)現(xiàn)場(2)中斷服務(wù)(3)恢復(fù)現(xiàn)場(4)中斷返回2.單重中斷和多重中斷不允許中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序單重中斷多重中斷允許級別更高的中斷源中斷現(xiàn)行的中斷服務(wù)程序5.5區(qū)別：開中斷的位置2.DMA與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式(1)停止CPU訪問主存5.65.6DMA方式(2)周期挪用（或周期竊?。?3)DMA與CPU交替訪問第６章計算機(jī)的運(yùn)算方法6.1無符號數(shù)和有符號數(shù)6.3定點(diǎn)運(yùn)算6.2數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示6.4浮點(diǎn)四則運(yùn)算6.5算術(shù)邏輯單元6.1無符號數(shù)和有符號數(shù)一、無符號數(shù)寄存器的位數(shù)反映無符號數(shù)的表示范圍帶符號的數(shù)符號數(shù)字化的數(shù)真值機(jī)器數(shù)1.機(jī)器數(shù)與真值二、有符號數(shù)+0.10110

1011小數(shù)點(diǎn)的位置2.原碼(1)定義6.1[+

0]原

≠

[-0]原

(2)0的表示(4)求補(bǔ)碼的快捷方式當(dāng)真值為負(fù)時，補(bǔ)碼可用原碼除符號位外每位取反，末位加1求得6.1當(dāng)真值為負(fù)時，原碼可用補(bǔ)碼除符號位外每位取反，末位加1求得[1]補(bǔ)=2+x=10.00001.0000=1.0000[+0]補(bǔ)=[0]補(bǔ)(2)0的表示4.反碼(1)定義[+0]反≠[0]反

(2)0的表示三種機(jī)器數(shù)的小結(jié)

對于正數(shù)，原碼=補(bǔ)碼=反碼

對于負(fù)數(shù)，符號位為1，其數(shù)值部分原碼除符號位外每位取反末位加1

補(bǔ)碼原碼除符號位外每位取反反碼最高位為符號位，書寫上用“,”（整數(shù)）或“.”（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號位隔開6.1例6.11000000000000000100000010…011111111000000010000001111111011111111011111111…128129-0-1-128-127-127-126二進(jìn)制代碼無符號數(shù)對應(yīng)的真值原碼對應(yīng)的真值補(bǔ)碼對應(yīng)的真值反碼對應(yīng)的真值012127…253254255…-125-126-127…-3-2-1…-2-1-0…+0+1+2+127…+0+1+2+127…+0+1+2+127…6.1+0設(shè)機(jī)器數(shù)字長為8位（其中１位為符號位）對于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無符號數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和反碼時，對應(yīng)的真值范圍各為多少？解：已知[y]補(bǔ)求[y]補(bǔ)6.1即得[y]補(bǔ)[y]補(bǔ)連同符號位在內(nèi)，每位取反，末位加15.移碼表示法6.1補(bǔ)碼與移碼只差一個符號位[+0]移=[0]移最小真值的移碼為全0用移碼表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼-100000-11111-11110-00001±00000+00001+00010+11110+11111……真值x(n

=

5)[x]補(bǔ)[x]移[x]移對應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)(3)真值、補(bǔ)碼和移碼的對照表……012313233346263……000000000010000001011111100000100001100010111110111111……011111011110000010000001000000111111100010100001100000-100000±00000+111110000001111110000001000006.16.2數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出一、定點(diǎn)表示Sf

S1S2

Sn…數(shù)符數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置Sf

S1S2

Sn…數(shù)符數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置或定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī)原碼補(bǔ)碼反碼–(1–2-n)~+(1–2-n)–(2n

–1)~+(2n

–1)–1~+(1–2-n)–2n~+(2n

–1)–(1–2-n)~+(1–2-n)–(2n

–

1)~+(2n

–1)1.浮點(diǎn)數(shù)的表示形式Sf

代表浮點(diǎn)數(shù)的符號n

其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度m

其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍jf

和m

共同表示小數(shù)點(diǎn)的實際位置6.2jf

j1

j2

jm

Sf

S1S2

Sn

……j

階碼S

尾數(shù)階符數(shù)符階碼的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置2.浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍–2(2m–1)×(1

–

2–n)–2–(2m–1)×2–n2(2m–1)×(1

–

2–n)2–(2m–1)×2–n最小負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)負(fù)數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)下溢0上溢上溢–215

×(1

–

2-10)

–2-15

×2-10

215

×(1

–

2-10)

設(shè)m=4

n=10上溢階碼>最大階碼下溢階碼<最小階碼按機(jī)器零處理6.22-15

×2-10

2.算術(shù)移位規(guī)則1右移添1左移添00反碼補(bǔ)碼原碼負(fù)數(shù)0原碼、補(bǔ)碼、反碼正數(shù)符號位不變6.3添補(bǔ)代碼碼制真值3.溢出判斷(1)一位符號位判溢出參加操作的兩個數(shù)（減法時即為被減數(shù)和“求補(bǔ)”以后的減數(shù)）符號相同，其結(jié)果的符號與原操作數(shù)的符號不同，即為溢出硬件實現(xiàn)最高有效位的進(jìn)位符號位的進(jìn)位=1如10=101=1有溢出00=011=0無溢出6.3溢出(2)兩位符號位判溢出[x]補(bǔ)'

=

x1＞x≥04+x0＞x≥–1（mod4）[x]補(bǔ)'+[y]補(bǔ)'=[x+y]補(bǔ)'（mod4）[x

–y]補(bǔ)'=[x]補(bǔ)'+[–

y]補(bǔ)'（mod4）結(jié)果的雙符號位相同

未溢出結(jié)果的雙符號位不同

溢出最高符號位代表其真正的符號00.×××××11.×××××10.×××××01.×××××00,×××××11,×××××10,×××××01,×××××6.34.原碼乘法(1)原碼一位乘運(yùn)算規(guī)則x*=0.x1x2

xn

為x

的絕對值…y*=0.y1y2

yn

為y

的絕對值…乘積的符號位單獨(dú)處理x0

y0數(shù)值部分為絕對值相乘x*?

y*6.36.4浮點(diǎn)四則運(yùn)算一、浮點(diǎn)加減運(yùn)算1.對階(1)求階差(2)對階原則小階向大階看齊2.尾數(shù)求和3.規(guī)格化(1)規(guī)格化數(shù)的判斷原碼不論正數(shù)、負(fù)數(shù)，第一數(shù)位為1補(bǔ)碼符號位和第一數(shù)位不同6.4(2)左規(guī)(3)右規(guī)尾數(shù)左移一位，階碼減1，直到數(shù)符和第一數(shù)位不同為止當(dāng)尾數(shù)出現(xiàn)01.×××或10.×××?xí)r（>1）時，需右規(guī)尾數(shù)右移一位，階碼加14.舍入在對階和右規(guī)過程中，可能出現(xiàn)尾數(shù)末位丟失引起誤差，需考慮舍入(1)0舍1入法

(2)

恒置“1”法5.溢出判斷6.4第７章指令系統(tǒng)7.1機(jī)器指令7.2操作數(shù)類型和操作類型7.3尋址方式7.4指令格式舉例7.5RISC技術(shù)7.1機(jī)器指令一、指令的一般格式操作碼字段

地址碼字段1.操作碼反映機(jī)器做什么操作2.地址碼反映機(jī)器操作的