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计算机组成原理复习资料 整理：妳要好好的第一章 计算机系统概论世界上第一台计算机在1946年由宾夕法尼亚大学研制而出名为：ENIAC。首选提出计算机采用“二进制”代码表示数据和指令，并提出“程序存储”的概念的是冯诺依曼。计算机的发展：第一代计算机从1946年1956年是电子管数字计算机；第二代从1957年1964年是晶体管数字计算机；第三代从1965年1970年是集成电路计算机；第四代是从1971年以后是超大规模集成电路计算机。计算机的发展可以归纳为巨型化、微型化、网络化、和智能化4个方面。计算机的分类：巨型主机、大型主机、小型计算机、微型计算机、工作站。计算机的应用：数值计算、信息处理、过程控制、辅助教学、辅助设计、人工智能、机器人。计算机硬件的基本组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。计算机各部件之间的连接是通过总线实现的。总线就是指计算机各部件之间的一组公共信息线，它是信息传送的公共通路。总线的分类有许多方法，如按用途分为控制总线、数据总线和地址总线三大类；按总线在计算机中连接的位置分有片内总线、片间总线、板间总线和通讯总线四大类；还有单向、双向总线；单总线、多总线等许多种分类方法。计算机软件通常泛指各类程序和文件，由于它们在计算机中的表示是一些不能直接接触到的二进制信息，所以称为软件。 计算机软件的分类：系统软件和应用软件。操作系统的基本功能：处理器管理、存储器管理、输入输出设备管理、文件管理。计算机的语言：机器语言、汇编语言、高级语言。计算机的性能指标：字长、运算速度、主存容量、配置外围设备。字长是指计算机一个机器字长中包含的二进制位数，标志着处理的数据精度；字长越长处理精度越高，处理能力就越强。第四章 存储系统衡量存储器有3个指标：容量、速度、和价格/位。存储系统的层次结构：Cache主存辅存根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器件有各种不同的分类法。按存储介质分。作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。按存取方式分。如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，而且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。半导体存储器是随机存储器。如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。磁盘存储器是半顺序存储器。按存储器的读写功能分。有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器（ROM）。既能读出又能写入的半导体存储器。称为随机读写存储器（RAM）。按信息的可保存性分。断电后信息立即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写存储器RAM是非永久性存储器。按在计算机系统中的作用分。根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。一个SRAM存储器由存储体、读写电路、地址译码电路和控制电路等组成。动态MOS存储器的存储原理是：利用芯片中电容上存储电荷状态的不同来记录信息。通常定义为：电容充电到高电平为1；电容放电到低电平为0。闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性，因而是一种全新的存储器技术。闪速存储器具有以下一些明显的特点：固有的非易失性、廉价的高密度、可直接执行、固态性能。Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。主存与Cache的地址映射：全相联映射方式、直接映射方式、组相联映射方式。虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。主存外存层次的基本信息传送单位可采用几种不同的方案：段、页或段页。在页式虚拟存储系统中，把虚拟空间分成页，称为逻辑页；主存空间也分成相同样大小的页，称为物理页。 虚拟地址到主存地址的变换是由放在主存的页表来实现的。存储保护：存储区域保护、访问方式保护。（了解 课本P131）第五章 指令系统计算机程序是由一系列的机器指令组成的。 指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。计算机的程序就是人们把需要用计算机解决的问题变换成计算机能够识别的一串指令或语句。编写程序的过程，称为程序设计，而程序设计所使用的工具则是计算机语言。指令包含的信息及格式：一地址指令、零地址指令、二地址指令、三地址指令、多地址指令。（课本P137页）指令长度与字长的关系：字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它与计算机的功能有很大的关系，是计算机的一个重要技术指标。首先，字长决定了计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高。因此，高性能的计算机字长较长，而性能较差的计算机字长相对要短一些。其次，地址码长度决定了指令直接寻址能力，若为n位，则可直接寻址2n字节。这对于字长较短（8位或16位）的微型机来说，远远满足不了实际需要。扩大寻址能力的方法，一是通过增加机器字长来增加地址码的长度；二是采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，用基地址加位移量的方法（参见寻址方式）来增加地址码长度。指令的长度主要取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。由于操作码的长度、操作数地址的长度及指令格式不同，各指令的长度不是固定的，但也不是任意的。为了充分地利用存储空间，指令的长度也通常为字节的整数倍。指令的长度与机器的字长没有固定的关系，它既可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器的字长。前者称为短格式指令，后者称为长格式指令，一条指令存放在地址连续的存储单元中。在同一台计算机中可能既有短格式指令又有长格式指令，但通常是把最常用的指令（如算术逻辑运算指令、数据传送指令）设计成短格式指令，以便节省存储空间和提高指令的执行速度寻址方式是指根据指令中给出的地址码寻找操作数有效地址的方式。存储器既可用来存放数据，又可用来存放指令。因此，当某个操作数或某条指令存放在某个存储单元时，其存储单元的编号，就是该操作数或指令在存储器中的地址。形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。操作数的寻址方式：隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式、相对寻址方式、基址寻址方式、变址寻址方式、块寻址方式、段寻址方式。复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，简称CISC）。精简指令系统计算机RISC。第六章 指令系统CPU由运算器和控制器两大部分组成。CPU的主要功能是：指令控制、操作控制、时序控制、数据加工。CPU中的主要寄存器：寄存器用来保存运算和控制过程中的中间结果、最后结果、控制信息和状态信息。各种CPU的寄存器可能有所差异，但都应具有以下6种寄存器：数据缓冲寄存器（DR）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、累加寄存器（AC）、状态寄存器（PSW）。指令周期：CPU每进行一种操作，都要有时间的开销，即CPU取指、译码、执行，需要一定的时间，这一系列操作的时间称为指令周期。指令周期常常用机器周期数来表示，机器周期又称CPU周期。一个机器周期又包含若干个时钟周期。时钟周期是处理操作的最小时间单位，它通常被称为节拍或T周期。流水线基本概念：流水线分类：指令流水线、算术流水线、处理机流水线。多媒体CPU ：多媒体技术是指计算机把各种不同的电子媒质集成起来，统一进行存储、处理和传输。这些电子媒质包括计算机屏幕显示、视频光盘、CD-ROM以及语言和声音的综合，同时在这些部件之间建立逻辑连接，从而使整个系统具有交互性。显然，多媒体技术使计算机进一步摆脱了“计算工具”的传统观念，成为处理各种信息的强有力工具。 第七章 总线系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。一个计算机系统中的总线，大致分为三类：CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线，称为内部总线；连接CPU与计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等的总线，称为系统总线；中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为I/O总线。总线的连接方式：单总线结构、双总线结构、三总线结构。I/O设备适配器通常简称为接口。接口是指CPU与主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。一个标准接口可能连接一个设备，也可能连接多个设备。典型的接口通常具有如下功能：控制：接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭等。缓冲：接口在外围设备和计算机系统其他部件之间作为一个缓冲器，以协调各种设备在速度上的差异。状态：接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析使用。转换：接口可以完成任何要求的数据转换，例如并-串转换或串-并转换，因此数据能在外围设备和CPU之间正确地传送。整理：接口可以完成一些特别的工作，例如在需要时可以修改字计数器或当前主存地址寄存器。程序中断：每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口就发生一个中断请求信号到CPU。一个适配器必有二个接口：一是和系统总路线的接口，二是和外设的接口。适配器分为：串行数据接口和并行数据接口。总线的控制：集中式总线控制：集中式总线控制中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。分布式总线控制：分布式总线控制不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时，把它们惟一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上，每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大，则它的总线请求不予响应，并撤消它的仲裁号。最后，获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上。显然，分布式控制是以优先级仲裁策略为基础。总线通信：同步通信、异步通信。总线的信息传送模式：串行传送、并行传送、分时传送。PCI总线周期的操作过程有如下特点：采用同步时序协议；总线周期由被授权的主方启动，以帧FRAME#信号变为有效来指示一个总线周期的开始；一个总线周期由一个地址期和一个或多个数据期组成；地址期为一个总线时钟周期，一个数据期在没有等待状态下也是一个时钟周期；总线周期长度由主方确定；主方启动一个总线周期时要求目标方确认；主方结束一个总线周期时不要求目标方确认。第八章 计算机的外围设置中央处理器和主存储器构成计算机主机。除主机以外，围绕着主机设置的各种硬件装置叫做外围设备。外围设备的分类：输入设备、输出设备、外存储器、数字通信与控制设备。外围设备的一般功能：外围设备是人机对话的通道；外围设备是完成数据媒体变换的设备；外围设备是计算机系统软件和信息的驻地；外围设备是计算机在各领域应用的桥梁。输入设备：键盘、鼠标、图像输入设备、触摸屏。输出设备：显示设备种类繁多。按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（Cathode Ray Tube，简称CRT）显示器、液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称LCD）、等离子显示器等。按所显示的信息内容分类，有字符显示器、图形显示器、图像显示器三大类。 磁存储器都是利用铁磁材料的剩磁特性保存信息的。用磁性材料两种不同的剩磁状态分加别代表0和1两种不同的信息。磁记录介质指的是涂有薄层磁性材料的信息载体。可以脱机保存信息，并且可以作为不同系统之间信息交换的手段。因此又称为磁记录媒体。根据记录介质的基底不同，主要有软性介质（磁带和软磁盘片）和硬性介质（硬磁盘片）两种。 硬磁盘存储器的技术指标：存储密度存储密度分道密度与位密度。存储容量 一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。平均存取时间存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息所需要的时间。数据传输率磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫做数据传输率。第9章 输入输出系统I/O系统功能：控制和定时、CPU通信、设备通信、数据缓冲、检错。输入输出设备的编址：CPU对I/O设备有两种寻址方式：一是将外围设备与存储器统一编址，另一是外围设备单独编址方式。将I/O设备和内存统一进行编址，即将内存地址编码扩大到外围设备上。在统一编址的输入输出系统中，CPU将输入输出设备视为内存的一部分。这样，对外设的访问就如同对主存单元的访问一样。这种编址方式的优点是操作方式灵活，不一定使用专门的I/O指令，使用通用的访内存的指令即可完成访问外设的操作。因而，不需要专门的I/O指令就可以实现对外设的数据传送操作。缺点是需占用小部分存储空间。 接口的分类：按照数据传送的宽度可分为并行接口和串口。在并行接口中，设备和接口是将一个字节（或字）的所有位同时传送。在串行接口中，设备和接口间的数据是一位一位串行传送的，而接口和主机之间是按字节或字并行传送。接口要完成数据格式的串-并转换。按主机访问I/O设备的控制方式，可分成程序控制输入输出接口、程序中断输入输出接口和直接存储器存取（DMA）接口等。按时序控制方式可分为：同步接口、异步接口。同步接口是指与同步总线相连的接口，其信息传送由统一的时序信号同步控制。异步接口则是指与异步总线相连的接口，其信号传送采用异步应答方式控制。I/O数据传送控制方式：程序直接控制方式、程序中断传送方式、直接存储器存取方式、I/O通道控制方式（I/O Channel Control）、外围处理机方式。直接程序控制方式：立即程序传送方式、程序查询方式。DMA的特点主要表现在以下几个方面：DMA使内存既可被CPU访问，同时也可被快速外设直接访问。在传输数据块时，内存地址的确定、数据的传送及计数控制器的计数等工作均由硬件完成。需要在内存中开设专用缓冲区，及时提供或接收数据。在DMA数据传送开始前和结束后，CPU通过中断方式对缓冲区进行预处理和后处理。CPU几乎完全与外设并行工作，提高系统的效率。 DMA三种工作方式：CPU暂停方式、CPU周期窃取方式、直接访问存储器工作方式。DMA控制器组成：设备寄存器、中断控制逻辑、DMA控制/状态逻辑。 DMA传送过程：DMA预处理、DMA控制I/O设备与主存之间的数据交换、DMA后处理。课后练习部分第一章2计算机系统的组成有共有哪几种说法？什么是硬件？什么叫软件？二者之间的关系是什么？计算机系统的组成有硬件和软件两种。硬件是：电子计算机系统中所有实体部件和设备部份的统称。从基本结构上讲，计算机可以分为五部分，运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。软件是：通常泛指各类程序和文件，由于它们在计算机中的表示是一些不能直接接触到的二进制信息，所以称为软件。 二者之间关系：计算机系统的软件与硬件可以相互转换，它们之间没有固定不变的界面。 3CPU指什么？它由哪些部分组成？处理器的任务是什么？CPU是指中央处理单元的缩写，可以简称为微处理器，人们常叫处理器。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线构成。寄存器组用于在指令执行过后存放操作数和中间数据。由运算器完成指令所规定的运算用及操作、任务、取出指令、解释指令、执行指令。4控制器由哪些部件组成，简要说明各个部件的功能？控制器是计算机的指挥中心，主要负责对程序规定的控制信息进行分析、控制和协调，使计算机各部件能够有条不紊地进行输入输出操作或内存访问。控制器由存放程序指令地址的程序计数器（PC），指令寄存器（IR），指令译码（ID）和时序电路。功能从内存取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。对指令进行译码或测试。并产生相应控制信号，以便启动动作。5简述计算机的基本组成及组成部分功能？基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。运算器：执行算术运算和逻辑运算；控制器：对程序规定的控制信息进行分析，控制和协调，使计算机各部件能有条不紊地进行输入输出操作或内存访问。存储器：存放程序和数据。输入设备：人们所熟悉的某种信息形成，变化成计算机内部能接受和识别的二进制数据。输出设备：是将计算机处理的结果，变换成人或其它机器设备所能接受和识别的信息形式。6硬件的角度来看，我们计算机有哪些层次？从硬件角度看，计算机有系统分析级、用户程序级、操作系统级、机器语言级、微程序级。7评价计算机系统性能的指标有哪些？计算机的性能指标：字长、运算速度、主存容量、配置外围设备。第四章1什么叫主存储器？有什么特点？有什么用途？主存储器简称主存，是计算机硬件的一个重要部件，由大量存储单位组成，每个储存单元存放一个数据字，每个字单元有一个地址编号，CPU按地址存取数据，每次读写一个字。特点是：速度比辅存快，容量比高速缓冲存储器大。在PC机中，主存的用途是，暂时存放正在执行的程序、原始数据、中间结果和运算结果；作为CPU运行程序的区域，配合CPU与外设打交道。2存储器的主要技术指标的哪些？含义是什么？衡量存储器有3个指标：容量、速度和价格/位。容量是指存储器的大小，能存储的数据量；速度是指存储器每秒或每分读取或写入数据的速度；价格/位是指存储器每兆字节需要的价格，例如：每兆0.31元，521就需几百元。3什么叫虚拟存储器？为什么要构造虚拟存储器？虚拟存储器只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。虚拟存储器不仅解决存储容量和存取速度矛盾的一种方法，也是管理存储设备的有效方法，有了虚拟存储器，用户无需考虑所编程序在主存中是否放得下或放在什么位置等问题。4什么叫Cache？简述它的工作原理？Cache是一种高速缓冲存储器，中这了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。Cache工作原理：在存储器中设置了Cache的情况下，CPU进行存储器访问时，首先访问Cache标记，判断是否命中，如果命中就访问Cache（数据部分），否则访问主存。第5章 7（1）操作数在寄存器中，为寄存器寻址方式；（2）操作数地址在寄存器中称为寄存器间接寻址方式；（3）操作数在指令中，称为立即数寻址方式。（4）操作数地址（主存）在指令中，为直接寻址方式；（5）操作数的地址，为某一寄存器中的内容与位移量之和则可以是基址、变址、相对寻址方式。9试论指令兼容的优缺点？兼容优点：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统兼容即各机种上基本软件可以通用。缺点：由于不同机种指令推出的时间不同，在造构和性能上有差异，做到所有软件兼容不是可能的，只能做到“向上兼容”即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。10讨论RISC和CISC在指令系统方面的主要区别？从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。因此在并行处理方面RISC明显优于CISC，RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行。由于RISC执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。从软件角度来看，CISC运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而且它拥有大量的应用程序。因为全世界有65%以上的软件厂商都理为基于CISC体系结构的PC及其兼容机服务的，象赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。而RISC在此方面却显得有些势单力薄。虽然在RISC上也可运行DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要慢许多。目前CISC与RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5就是一个最明显的例子，它们的内核都是基于RISC体系结构的。他们接受CISC指令后将其分解分类成RISC指令以便在遇一时间内能够执行多条指令。由此可见，下一代的CPU将融合CISC与RISC两种技术，从软件与硬件方面看二者会取长补短。第6章1目前的CPU包括运算器、控制器和Cache。 2CPU的四个主要功能是：指令控制、操作控制、时序控制、数据加工。 3CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫指令周期，它常用若干个机器周期来表示，而后者又包含若干个时钟周期。 4任何指令周期的第一步一定是取指周期。5什么是指令周期？机器周期？时钟周期？指取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个 CPU 周期数 来表示， CPU 周期也称为机器周期，而一个 CPU 周期又包含若干个时钟周期（也称为节拍脉冲或 T 周期）。 判断题：见课本P1896.计算机内部有哪两股信息在流动？它们彼此有什么关系？一般是控制信息，即操作指令，其发源地是控器。它分散流向各个部件：一股是数据信息，它受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件，边流动边加工处理。7什么叫指令？什么叫微指令？二都之间有什么关系？指令是CPU取指、译码、执行，即CPU进行的每一种操作。微指令是指在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令和组合，构成一条微指令。二者之间关系：CPU从存储器取出一条指令并执行这条指令的时间和称为指令周期，指令周期由若干个机器周期构成，而机器周期又由若干个时钟周期（节拍）构成，二者关系息息相关。 第7章P205 选择题1 比较单总线、双总线、三总线接口的性能特点？单总线结构：它是一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件，各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线。其结构如图所示。单总线的优点是允许I/O设备之间或I/O设备与内存之间直接交换信息，只需CPU分配总线使用权，不需要CPU干预信息的交换。所以总线资源是由各大功能部件分时共享的。单总线的缺点是由于全部系统部件都连接在一组总线上，所以总线的负载很重，可能使其吞量达到饱和甚至不能胜任的程度。故多为小型机和微型机采用。 双总线结构：它有两条总线，一条是内存总线，用于CPU、内存和通道之间进行数据传送；另一条是I/O总线，用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。其结构如图所示。双总线结构中，通道是计算机系统中的一个独立部件，使CPU的效率大为提高，并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的，通道实际上是一台具有特殊功能的处理器，所以双总线通常在大、中型计算机中采用。