計算機組成原理總復(fù)習(xí)

1、計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)計算機組成原理計算機組成原理孫新德計算機科學(xué)與應(yīng)用系計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第2頁第一章 計算機系統(tǒng)概述第二章 運算方法和運算器第三章 內(nèi)部存儲器第四章 指令系統(tǒng) 第五章 中央處理機 第六章 總線系統(tǒng)第七章 外圍設(shè)備第八章 輸入輸出系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容計算機組成原理計算機組成原理期末考試l考試形式考試形式 閉卷閉卷 筆試，時間筆試，時間120120分鐘分鐘l考試題型考試題型填空題：填空題：1 111111111分分單項選擇題：單項選擇題：2 215153030分分分析簡答題：分析簡答題：10+910+91919分分計算題：計

2、算題： 10102 22020分分設(shè)計題：設(shè)計題： 10102=202=20分分l課程總成績計算課程總成績計算考試成績考試成績70%+70%+平時成績平時成績30%30%計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第4頁第第1章章 計算機系統(tǒng)概述復(fù)習(xí)要點計算機系統(tǒng)概述復(fù)習(xí)要點l計算機性能指標(biāo)計算機性能指標(biāo)l計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成l馮馮.諾依曼計算機設(shè)計思想及各部分功能諾依曼計算機設(shè)計思想及各部分功能計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第5頁第第2章章 運算方法和運算器復(fù)習(xí)要點運算方法和運算器復(fù)習(xí)要點2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)與文字的表示l定點數(shù)xxnxn

3、-1x1x0在定點機中表示如下:l純小數(shù)表示范圍純小數(shù)表示范圍(012n 各位均為各位均為0時最小；時最??；各位均為各位均為1時最大時最大)： 0|12nl純整數(shù)的表示范圍為：的表示范圍為：0|2n1xn xn-1 x1x0數(shù)符數(shù)符數(shù)值部分數(shù)值部分小數(shù)點位置小數(shù)點位置xn xn-1 x1x0數(shù)符數(shù)符數(shù)值部分數(shù)值部分小數(shù)點位置小數(shù)點位置計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第6頁2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)與文字的表示l浮點數(shù)表示浮點數(shù)表示 e.，階碼e為整數(shù)，尾數(shù)M為最高位非零的純小數(shù)計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第7頁2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)與

4、文字的表示IEEE754浮點數(shù) 是符號位，是尾數(shù)(23位)，用小數(shù)表示，小數(shù)點放在尾數(shù)域的最左有效位的右邊。為階碼(8位)，采用移碼方式來表示，即 e127 真值為真值為(1)s(1.)2127教材教材P18例例1和例和例2計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第8頁2.1 數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)與文字的表示l數(shù)的機器碼表示數(shù)的機器碼表示 把符號位和數(shù)值位一起編碼把符號位和數(shù)值位一起編碼,也稱機器數(shù)。也稱機器數(shù)。原碼原碼：符號位用：符號位用0或或1表示。表示。反碼反碼：正數(shù)的反碼等于原碼，負數(shù)的反碼是把：正數(shù)的反碼等于原碼，負數(shù)的反碼是把原碼符號位不變，各位取反。原碼符號位不變

5、，各位取反。補碼補碼：正數(shù)的反碼等于原碼，負數(shù)的反碼是把：正數(shù)的反碼等于原碼，負數(shù)的反碼是把原碼符號位不變，各位取反，末位加原碼符號位不變，各位取反，末位加1。移碼移碼：e移移=2k+e，常用來表示浮點數(shù)的階碼。，常用來表示浮點數(shù)的階碼。計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第9頁2.1數(shù)據(jù)與文字的表示數(shù)據(jù)與文字的表示l原碼、反碼和補碼相同點：原碼、反碼和補碼相同點：（1）三種編碼的最高位都是符號位。）三種編碼的最高位都是符號位。（2）當(dāng)真值為正時，三種編碼的符號位都用）當(dāng)真值為正時，三種編碼的符號位都用0表示，表示，數(shù)值部分與真值相同。數(shù)值部分與真值相同。 （3）當(dāng)真值為負

6、時，三種編碼的符號位都用）當(dāng)真值為負時，三種編碼的符號位都用1表示，表示，但數(shù)值部分的表示各不相同。但數(shù)值部分的表示各不相同。（4）表示的數(shù)據(jù)范圍基本一樣，）表示的數(shù)據(jù)范圍基本一樣，-2nX2n(整數(shù)整數(shù))或或-1X1( 小數(shù)小數(shù))，補碼多表示一個數(shù)，補碼多表示一個數(shù)-2n(整數(shù)整數(shù))或或-1(小小數(shù)數(shù))。l原碼、反碼和補碼區(qū)別：對負數(shù)的表示方法不同；原碼、反碼和補碼區(qū)別：對負數(shù)的表示方法不同；原碼和反碼有正原碼和反碼有正0和負和負0之分，補碼則沒有。之分，補碼則沒有。計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第10頁2.2 定點加法、減法運算定點加法、減法運算l補碼的加減法則：

7、補碼的加減法則： X+Y補=X補+Y補 （ mod 2n+1） X-Y補=X補+-Y補對對Y補補求補可得到求補可得到-Y補補l掌握溢出判斷的兩種方法，會用變形補碼掌握溢出判斷的兩種方法，會用變形補碼計算兩個整數(shù)的和與差，注意溢出與最高計算兩個整數(shù)的和與差，注意溢出與最高位進位的區(qū)別。位進位的區(qū)別。計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第11頁2.2 定點加法、減法運算定點加法、減法運算l基本的二進制加法器基本的二進制加法器全加器的表達式為：全加器的表達式為： Si = Ai Bi Ci Ci+1 = AiBi + BiCi + AiCi理解行波進位的補碼加法理解行波進位的補碼

8、加法/減法器的多功減法器的多功能計算能計算(加減加減)和進位特點，如何提速？和進位特點，如何提速？l例例17、18和習(xí)題和習(xí)題5、6計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第12頁2.3 定點乘法運算定點乘法運算l主要掌握原碼定點乘法主要掌握原碼定點乘法l基本法則：兩個數(shù)的數(shù)值部分相乘，符號基本法則：兩個數(shù)的數(shù)值部分相乘，符號由異或決定由異或決定 原碼原碼1位乘法位乘法 不帶符號的陣列乘法不帶符號的陣列乘法 帶符號的陣列乘法帶符號的陣列乘法l例例20、例、例21和習(xí)題和習(xí)題7計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第13頁2.4 定點除法運算定點除法運算l理解可

9、控加法理解可控加法/減法（減法（CAS）單元原理）單元原理l掌握利用加減交替法計算兩個原碼的商的掌握利用加減交替法計算兩個原碼的商的方法方法l例例23和習(xí)題和習(xí)題8l移位操作移位操作計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第14頁2.5 定點運算器的組成定點運算器的組成l理解理解ALU的多功能特點的多功能特點l掌握串行進位鏈和并行進位鏈的表達式，掌握串行進位鏈和并行進位鏈的表達式，并分析并行進位運算器速度高的原因并分析并行進位運算器速度高的原因l結(jié)合結(jié)合74181ALU邏輯結(jié)構(gòu)圖理解并行進位的邏輯結(jié)構(gòu)圖理解并行進位的實現(xiàn)實現(xiàn)l習(xí)題習(xí)題11計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2

10、021-11-3第15頁2.6 浮點運算方法和運算器浮點運算方法和運算器l了解浮點數(shù)加減乘除運算過程了解浮點數(shù)加減乘除運算過程l初步認識流水線的功能初步認識流水線的功能l習(xí)題習(xí)題9計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第16頁第第3章章 內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點l三級存儲體系滿足計算機系統(tǒng)對存儲器大三級存儲體系滿足計算機系統(tǒng)對存儲器大容量、高速度、低成本的要求容量、高速度、低成本的要求 Cache強調(diào)快速存取，以便使存取速度與強調(diào)快速存取，以便使存取速度與CPU速度相匹配速度相匹配 外存主要強調(diào)大容量，以滿足計算機的大容量外存主要強調(diào)大容量，以滿足計算機的大容量存

11、儲要求存儲要求 主存介于二者之間，要求適當(dāng)?shù)娜萘亢痛鎯χ苤鞔娼橛诙咧g，要求適當(dāng)?shù)娜萘亢痛鎯χ芷?，以容納系統(tǒng)的核心軟件和較多的用戶程序期，以容納系統(tǒng)的核心軟件和較多的用戶程序計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第17頁第第3章章 內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點l存儲位元與存儲單元存儲位元與存儲單元l比較比較SDRAM、DRAM、ROM存儲位元，理存儲位元，理解它們的存儲原理及解它們的存儲原理及DRAM刷新概念。刷新概念。l尋址空間與地址空間，機器字與存儲字，訪尋址空間與地址空間，機器字與存儲字，訪存空間與存儲空間存空間與存儲空間(容量容量)。l存儲器容量的擴充存儲器

12、容量的擴充 字長位數(shù)擴充字長位數(shù)擴充 字存儲容量擴充字存儲容量擴充 字長和容量同時擴充字長和容量同時擴充l復(fù)習(xí)例復(fù)習(xí)例2、例、例3和補充例題及作業(yè)題和補充例題及作業(yè)題1/2/5計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第18頁第第3章章 內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點內(nèi)部存儲器復(fù)習(xí)要點l理解并行存儲提高存取速度的原理，掌握多理解并行存儲提高存取速度的原理，掌握多模交叉存儲器模交叉存儲器 t順順=mT，t交交=T+(m-1) ,例例5和習(xí)題和習(xí)題8lCache的地位與作用，的地位與作用，cache提速的原理提速的原理 Cpu與與cache數(shù)據(jù)交換以字為單位數(shù)據(jù)交換以字為單位, cache與主存

13、與主存數(shù)據(jù)交換以塊為單位數(shù)據(jù)交換以塊為單位lCache的命中率概念與計算，例的命中率概念與計算，例6與習(xí)題與習(xí)題10l了解主存與了解主存與cache的地址映射的三種方式的地址映射的三種方式l了解三種替換算法了解三種替換算法l了解三種寫操作策略了解三種寫操作策略計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第19頁第第4章章 指令系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點指令系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點 l理解由理解由CISC發(fā)展到發(fā)展到RISCl掌握指令格式，理解掌握指令格式，理解RR、RS、SS型指令型指令特點特點l了解基本尋址方式了解基本尋址方式 計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第20頁第第5章章 中

14、央處理機復(fù)習(xí)要點中央處理機復(fù)習(xí)要點lCPU的功能與組成的功能與組成lCPU中的主要寄存器（中的主要寄存器（6個）個）l操作控制器分類：硬布線控制器和微程序操作控制器分類：硬布線控制器和微程序控制器控制器l知道指令周期、機器周期、時鐘周期的概知道指令周期、機器周期、時鐘周期的概念與相互關(guān)系念與相互關(guān)系l會分析指令的執(zhí)行過程，能畫出指令周期會分析指令的執(zhí)行過程，能畫出指令周期流程圖流程圖l理解節(jié)拍脈沖、節(jié)拍電位、時鐘周期、理解節(jié)拍脈沖、節(jié)拍電位、時鐘周期、CPU周期的關(guān)系周期的關(guān)系計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第21頁第第5章章 中央處理機中央處理機一、微程序控制基本概念

15、一、微程序控制基本概念1. 微命令：控制部件通過控制線向執(zhí)行部件發(fā)微命令：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。出的各種控制命令。 2. 微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操微操作：執(zhí)行部件接受微命令后所進行的操作?？煞譃橄嗳菪晕⒉僮骱拖喑庑晕⒉僮?。作。可分為相容性微操作和相斥性微操作。3. 微指令：在一個微指令：在一個CPU周期內(nèi)，一組實現(xiàn)微周期內(nèi)，一組實現(xiàn)微操作功能的微命令的組合構(gòu)成一條微指令。操作功能的微命令的組合構(gòu)成一條微指令。4. 微程序：一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程微程序：一系列微指令的有序集合構(gòu)成微程序。一條機器指令對應(yīng)一個微程序。序。一條機器指令對應(yīng)一個微程序。計

16、算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第22頁5. 微指令周期：從控制存儲器中讀出一條微指微指令周期：從控制存儲器中讀出一條微指令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時間。常常取微令并執(zhí)行相應(yīng)操作所需要的時間。常常取微指令周期等于指令周期等于CPU周期周期6. 微地址：微指令在控制存儲器中的位置編碼微地址：微指令在控制存儲器中的位置編碼 *理解關(guān)系理解關(guān)系微指令指 令微程序程 序組成組成解釋支持計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第23頁第第5章章 中央處理機中央處理機二、微程序控制原理二、微程序控制原理1.原理：把操作控制信號編程微指令，存放原理：把操作控制信號編程微指

17、令，存放在一個只讀存儲器中，當(dāng)機器運行時，一在一個只讀存儲器中，當(dāng)機器運行時，一條一條讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機所條一條讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機所需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。行所規(guī)定的操作。2.結(jié)合微程序控制器組成原理框圖說明微指結(jié)合微程序控制器組成原理框圖說明微指令的執(zhí)行過程令的執(zhí)行過程計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第24頁第第5章章 中央處理機中央處理機三、微程序設(shè)計技術(shù)三、微程序設(shè)計技術(shù) 微程序設(shè)計技術(shù)是利用微程序設(shè)計技術(shù)是利用軟件方法軟件方法來設(shè)計硬件來設(shè)計硬件的一門技術(shù)的一門技術(shù)1.微命令編碼

18、微命令編碼（1）直接表示：簡單直觀，微指令字較長）直接表示：簡單直觀，微指令字較長（2）編碼表示：可以較小的二進制信息位表）編碼表示：可以較小的二進制信息位表示較多的為命令信號示較多的為命令信號（3）混合表示）混合表示計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第25頁第第5章章 中央處理機中央處理機2.微地址形成方法微地址形成方法l微程序入口微地址可以由取指公操作所取微程序入口微地址可以由取指公操作所取指令的操作碼指令的操作碼op決定決定l后繼微地址的形成則有計數(shù)器和多路轉(zhuǎn)移后繼微地址的形成則有計數(shù)器和多路轉(zhuǎn)移（斷定）兩種方式（斷定）兩種方式計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)

19、2021-11-3第26頁第第5章章 中央處理機中央處理機3.微指令格式微指令格式l水平型微指令：一次可以定義并執(zhí)行多個并水平型微指令：一次可以定義并執(zhí)行多個并行微操作的微指令。其并行操作能力強，效行微操作的微指令。其并行操作能力強，效率高，靈活性強，執(zhí)行一條指令用時短率高，靈活性強，執(zhí)行一條指令用時短l垂直型微指令：設(shè)置微操作碼字段來表示微垂直型微指令：設(shè)置微操作碼字段來表示微指令的功能。每一條微指令功能簡單，微指指令的功能。每一條微指令功能簡單，微指令字較短，但是實現(xiàn)一條機器指令的微程序令字較短，但是實現(xiàn)一條機器指令的微程序要比水平型微指令長得多要比水平型微指令長得多l(xiāng)習(xí)題習(xí)題6、8、11

20、計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第27頁第第5章章 中央處理機中央處理機四、流水四、流水CPUl并行概念與種類并行概念與種類l知道計算機流水線的種類知道計算機流水線的種類l繪制指令流水線時空圖，分析說明指令執(zhí)繪制指令流水線時空圖，分析說明指令執(zhí)行效率的提高行效率的提高l理解指令流水線中可能出現(xiàn)的理解指令流水線中可能出現(xiàn)的3種種“相關(guān)相關(guān)”l計算流水線的吞吐率和加速比計算流水線的吞吐率和加速比 TP=n/Tk S=T0/Tk=kn/k+n-1l習(xí)題習(xí)題12、13計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第28頁第六章第六章 總線系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點總線系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點l

21、總線概念：信息傳遞的公共通道總線概念：信息傳遞的公共通道l基本性能指標(biāo)：帶寬，基本性能指標(biāo)：帶寬，MB/sl總線分類：總線分類：內(nèi)部總線：內(nèi)部總線：芯片內(nèi)部連接各元件的總線芯片內(nèi)部連接各元件的總線系統(tǒng)總線：系統(tǒng)總線：連接連接CPU、存儲器和各種、存儲器和各種I/O模塊模塊等主要部件的總線。等主要部件的總線。I/O總線：總線：用于主機和用于主機和I/O設(shè)備之間或計算機系設(shè)備之間或計算機系統(tǒng)之間的通信。統(tǒng)之間的通信。計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第29頁第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)l系統(tǒng)總線的組成系統(tǒng)總線的組成數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 雙向，用來傳遞數(shù)據(jù)雙向，用來傳遞數(shù)據(jù)地址線地址

22、線 單向，用來給出數(shù)據(jù)所在的主存單向，用來給出數(shù)據(jù)所在的主存單元或單元或I/O端口地址端口地址控制線控制線 用來傳送主存和用來傳送主存和IO接口設(shè)備的控接口設(shè)備的控制信號和響應(yīng)信號制信號和響應(yīng)信號計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第30頁第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)l計算機系統(tǒng)中信息傳遞的三種方式：串行、計算機系統(tǒng)中信息傳遞的三種方式：串行、并行和分時并行和分時l總線接口是指總線接口是指CPU、主存和外圍設(shè)備之間、主存和外圍設(shè)備之間通過系統(tǒng)總線進行連接的變準化邏輯部件，通過系統(tǒng)總線進行連接的變準化邏輯部件，在兩個部件之間起著在兩個部件之間起著“轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器”作用。作用。

23、l外圍設(shè)備控制器是對外圍設(shè)備的操作進行外圍設(shè)備控制器是對外圍設(shè)備的操作進行控制的部件。與總線接口有不同的分工?？刂频牟考?。與總線接口有不同的分工。計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第31頁第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)l總線的仲裁總線的仲裁主方申請總線使用權(quán)，啟動一個總線周期；主方申請總線使用權(quán)，啟動一個總線周期；從方響應(yīng)主方的請求。從方響應(yīng)主方的請求。仲裁方式分集中式仲裁和分布式仲裁兩種仲裁方式分集中式仲裁和分布式仲裁兩種集中式仲裁需要有一個總線仲裁器（總線集中式仲裁需要有一個總線仲裁器（總線控制器，處于控制器，處于CPU之中）。比較鏈式查詢、之中）。比較鏈式查詢、計數(shù)器定時、獨立請求三種方式特點計數(shù)器定時、獨立請求三種方式特點分布式仲裁沒有集中的總線仲裁器分布式仲裁沒有集中的總線仲裁器,每一個每一個主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器計算機組成原理計算機組成原理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)2021-11-3第32頁第六章第六章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)l總線定時總線定時為了同步主從方的操作，必須制訂為了同步主從方的操作，必須制訂定時定時協(xié)協(xié)議，定時就是事件出現(xiàn)在總線上的時序關(guān)議，定時就是事件出現(xiàn)在總線上的時序關(guān)系。分為同步定時和異步定時系。分為同步定時和異步定時l總線一次傳