重點和難點計算機(jī)組成原理

1、精選word文檔 下載可編輯第一章 計算機(jī)系統(tǒng)概論*重 點本章重點突出計算機(jī)組成的概貌和框架，由此簡潔明了地了解計算機(jī)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存儲器cpu存儲器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(jī)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)。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(jī)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(jī)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)了程序設(shè)計的時代，到目前為止，絕大多數(shù)

2、計算機(jī)仍沿用這一體制。計算機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能(1)功能從本質(zhì)上來說，計算機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能運作都很簡單?；竟δ軘?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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)制*難 點本章概念、名詞較多，這些只是為進(jìn)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，只要建立計算機(jī)組成的框架即可。對指令和數(shù)據(jù)都以 或1 代碼存于存儲器中，計算機(jī)如何區(qū)

3、分它們這一問題，應(yīng)特別注意重點理解。第二章計算機(jī)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(jī)的元器件發(fā)展變化（由電子管晶體管集成電路），使計算機(jī)的性能有了很大提高，每隔6 至7 年，計算機(jī)便更新?lián)Q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(jī)得到極為廣泛的應(yīng)用，以至整個社會從制造時代進(jìn)入到信息時代，出現(xiàn)了知識大爆炸，從而要激發(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(jī)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不

4、斷擴(kuò)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(jī)之間連接的靈活性，計算機(jī)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(jī)的速度。為了克服總線瓶頸又產(chǎn)生了多總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步為了設(shè)計簡化，便于維護(hù)，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(jìn)行判優(yōu)控制和通信控制?？偩€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(jìn)行仲裁，授權(quán)于其中的一個主設(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

5、式仲裁方式?？偩€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(jìn)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，是計算機(jī)組成的一個重要部件，它直接影響到計算機(jī)存儲信息的容量和計算機(jī)的運行速度。圍繞著計算機(jī)速度的提高，容量的擴(kuò)大，促使存儲器從基本組成元件到整體結(jié)構(gòu)都在

6、不斷的發(fā)展和完善。當(dāng)今計算機(jī)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。隨機(jī)讀寫存儲器的工作原理。(1) sram存儲器(2) dram存儲器只讀存儲器的工作原理，(1) rom存儲器(2) eprom存儲器(3) 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)存儲器的組織(位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位同時擴(kuò)展）cache引入的理論依據(jù)。程序訪問的局部性。地址映射(1)全相聯(lián)映射方式靈活但映射函數(shù)復(fù)雜，不易實

7、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”(3)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(jī)對話和人機(jī)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(jī)主機(jī)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

8、主機(jī)的工作效率，因此要求掌握主機(jī)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。程序中斷方式。中斷計算機(jī)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(jī)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效率較高； 具有實時響應(yīng)的能力。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

9、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。 dma傳送方式。解決與cpu共享主存的矛盾。(1)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)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(jī)的運算方法*重 點要認(rèn)識到計算機(jī)內(nèi)

10、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(jī)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(bǔ)碼加減運算、定點原碼一位乘和兩位乘及補(bǔ)碼booth 算法、定點原碼和補(bǔ)碼加減交替除法，以及浮點補(bǔ)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(jìn)位鏈的設(shè)計方法。1定點加法、減法運算。采用二進(jìn)制補(bǔ)碼加法加法 x+y補(bǔ)=x補(bǔ)+y補(bǔ) （mod 2）減法 x-y補(bǔ)=x補(bǔ)+-y補(bǔ) （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)絕對值之商定點二進(jìn)制除法公式兩種運算方法 恢

11、復(fù)余數(shù)法運算步驟不確定，控制復(fù)雜，不適合計算機(jī)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(jī)操作。法則余數(shù)為正商1，下一步作減法；余數(shù)為負(fù)商，下一步作加法。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(jìn)行四位并行算術(shù)/邏輯運算。特點:多功能 控制端m用來控制作算術(shù)運算還是邏輯運算m時，為算術(shù)運算；m1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；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

12、而進(jìn)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(bǔ)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(jī)器數(shù)，由于補(bǔ)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(bǔ)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

13、部分的運算分開進(jìn)行，而補(bǔ)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(jī)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(bǔ)”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(bǔ)碼實現(xiàn)。應(yīng)特別注意-x補(bǔ)和-x*補(bǔ)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(bǔ)碼運算是不同的。第七章指令系統(tǒng)*重 點要求了解機(jī)器的指令系統(tǒng)決定了一臺計算機(jī)的功能，而一旦計算機(jī)的指令系統(tǒng)確定以后，計算機(jī)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

14、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(jī)中所有機(jī)器指令的集合，是表征計算機(jī)性能的重要因素。2指令系統(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?指令逐條順序執(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(kuò)大尋址范圍；(3)提高編程靈活性。操作數(shù)的尋址(1) 立即尋址(2) 直接尋址(3) 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

15、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(jī)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。第八章cpu 的結(jié)構(gòu)和功能*重 點要認(rèn)識到機(jī)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(jī)器完成一條指令的全過程是在cpu 的統(tǒng)一指揮下進(jìn)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(jī)效能方面所起的作用，以及為了進(jìn)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(jī)中大量采用流水技術(shù)。cpu功能和組成；cpu的組織(運算部件、寄存器設(shè)置、存儲器接口、

16、時序部件)；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周期包含若干個時鐘周期。時鐘周期:是cpu處理操作的最基本單位。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)程序控制指令周期時序系統(tǒng)時序系統(tǒng)最基本體制電位脈沖制，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(jī)中起著重要作用。為了更好地吃透這一內(nèi)容，

17、建議結(jié)合第五章學(xué)習(xí)，便于建立整機(jī)概念。第九章控制單元的功能*重 點理解控制單元為完成不同指令所發(fā)出的各種操作命令，以及指令周期、機(jī)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(jī)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 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(jìn)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。操作控制器設(shè)計方法(1)硬布線控制

18、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(jī)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)行部件接受微命令后所進(jìn)行的操作，是計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中最基本的操作。微周期從控存中讀取一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)的一步操作所需的時間。微指令由每個微周期的操作所需的控制命令構(gòu)成一條微指令。微指令包含了若干微命令信息。微程序即一系列微指令的有序集合，可以控制實現(xiàn)一條機(jī)器指令。3cu的組合邏輯設(shè)計(1)組合邏輯設(shè)計方法微操作控制信號的綜合化簡邏輯實現(xiàn)(2)組合邏輯cu的框圖4微程序設(shè)計(1)微程序控制原理基本概念微程序計算機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制(2)微指令設(shè)計追求的目標(biāo)(1)有利于縮短微指令字長度；(2)有利于減小控制存儲器的容量；(3)有利于提高微程序的執(zhí)行速度；(4)有利于對微指令的修改；(5)有利于