重点和难点计算机组成原理

1、重点和难点计算机组成原理 第一章计算机系统概论*重 点本章重点突出计算机组成的概貌和框架，由此 简洁明了地了解计算机内部的工作过程实际上 是指令流和数据流在此框架内由I/O t存储器t CPU存储器t I/O的过程，是通过逐条取指令、 分析指令和执行指令来运行程序的。同时要了解 到当今计算机尽管发展到千变万化的程度， 但其 最根本的组成原理还是基于冯诺依曼的结构。1. 冯诺依曼体系结构存储程序和程序控制是冯诺依曼型计算机 的设计思想。存储程序的概念是将解题程序(连 同必须的原始数据)预先存入存储器；程序控制 是指控制器依据存储的程序控制全机自动、 协调 地完成解题任务。冯诺依曼体系结构开创了程

2、 序设计的时代，到目前为止，绝大多数计算机仍 沿用这一体制。2. 计算机的结构和功能(1) 功能从本质上来说，计算机的结构和功能 运作都很简单。基本功能：数据处理、数据存储、 数据传送、控制。(2) 结构计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接 可以划分为外围设备和通信线路。主要有4种结 构组件：中央处理单元（cpu：控制计算机的操作并 完成数据处理主存储器：存储数据 I/O :在计算机及其外部环境之间传输数据 系统互连：为CPU主存和I/O之间提供某 些通信机制*难点本章概念、名词较多，这些只是为进一步深 化学习打下基础，因此严格讲本章没什么难点， 只要建立计

3、算机组成的框架即可。对指令和数据 都以0或1代码存于存储器中，计算机如何区 分它们这一问题，应特别注意重点理解。第二章计算机的发展和应用*重 点了解从1946年ENIAC诞生到二十世纪五、六 十年代，由于构成计算机的元器件发展变化（由 电子管t晶体管t集成电路），使计算机的性能 有了很大提高，每隔6至7年，计算机便更新 换代一次，运算速度约提高一个数量级。而到了 二十世纪七十年代，自从 Intel公司生产了第 一个微处理器芯片后，随着集成度成倍的提高， 以每隔18个月芯片上的晶体管数就翻一番的速 度使计算机得到极为广泛的应用，以至整个社会 从制造时代进入到信息时代，出现了知识大爆 炸，从而要激

4、发学习本课程的积极性和主动性。第三章系统总线*重 点要求了解随着计算机的发展，应用领域的不断 扩大，I/O设备的种类和数量也越来越多。为了 更好地解决I/O设备与主机之间连接的灵活性， 计算机的结构从分散连接发展成总线连接。由于 各个子系统都通过总线交换信息，这就产生了总 线的瓶颈问题，影响了计算机的速度。为了克服 总线瓶颈又产生了多总线结构，进一步为了设计 简化，便于维护，有利于批量生产，又提出了各 种总线标准。特别是为了解决众多部件争用总 线，必须对总线进行判优控制和通信控制。1. 总线仲裁。当多个主设备同时争用总线控制权时，由总 线仲裁部件以优先权或公平策略进行仲裁，授 权于其中的一个主

5、设备总线的控制权。仲裁方式：(1) 集中式仲裁方式： 链式查询方式； 计数器定时查询方式； 独立请求方式；(2) 分布式仲裁方式。2. 总线的一次信息传送过程分为五个阶段：请求 总线、总线仲裁、寻址目的地址、信息传送、状 态返回。为同步主方、从方的操作，必须制定定 时协议。定时方式：(1) 同步定时：事件出现在总线上的时刻由总 线时钟信号来确定；(2) 异步定时：采用应答方式进行总线传输控 制。*难 点为了解决总线上各模块争夺总线的使用权， 解决通信双方如何获知传输开始和结束，以及通 信双方如何协调配合，总线的通信控制是至关重 要的。第四章存储器 *重 点存储器如同人的大脑具有记忆功能一样，是

6、 计算机组成的一个重要部件，它直接影响到计算 机存储信息的容量和计算机的运行速度。围绕着计算机速度的提高，容量的扩大，促使存储器 从基本组成元件到整体结构都在不断的发展和 完善。当今计算机大多以半导体存储器作为主存 储器，以硬盘或光盘作为辅助存储器。为了更好 解决存储器的速度、容量和价格/位之间的矛盾， 采用Cache-主存和主存-辅存的存储器结构，使 存储器的总体性能得到很大的提高。必须掌握各 类存储器的工作原理，以及各类存储器在存储器 的存储层次结构中各自起的作用。1. 随机读写存储器的工作原理。(1) SRAM存储器(2) DRAM存储器2. 只读存储器的工作原理，(1) ROM存储器

7、EPROM存储器(3) 芯片内部结构3. 存储器的组织(位扩展、字扩展、字位同时扩 展)4. Cache引入的理论依据。程序访问的局部性。地址映射 全相联映射方式：灵活但映射函数复杂，不易实现(2)直接映射方式：映照简单，不需计算，快速但效率不高，易颠簸”组相联映射方式：组内全相联映射、组间直接 映射*难 点要求运用以前学过的电路知识和本章所学的 半导体存储芯片，设计存储器和 CPU的连接电 路。注意要合理选用芯片，以及 CPU和存储器 芯片之间的地址线、数据线和控制线的连接，特 别是存储芯片片选逻辑的确定。本章另一个难点是掌握不同的 Cache-主存地 址映象直接影响主存地址字段的分配及替换

8、策 略和命中率。第五章输入输出系统*重点输入输出系统是人机对话和人机交互的纽 带和桥梁。由于输入输出设备工作速度与计算机 主机的工作速度极不匹配为此，既要考虑到输 入输出设备工作的准确可靠，又要充分挖掘主机 的工作效率，因此要求掌握主机与 I/O交换的 三种控制方式，即程序查询、程序中断和 DMA 以及它们各自所需的硬件及软件支持。1. 程序中断方式。中断：计算机在执行正常程序的过程中，出现 某些异常事件或某种请求时，处理机暂停执行当 前程序，转而执行更紧急的程序，并在执行结束 后,自动恢复执行原先程序的过程。特点：硬件结构较查询方式复杂些，服务开销时间 较大；主程序与设备并行运行，CPU效率

9、较高；具有实时响应的能力。2. 中断处理过程。中断处理过程为：中断请求中断源识别判优 中断响应中断处理中断返回中断源：引起中断事件的来源。判优：找出优先级最高的中断源给予响应。中断源识别：采用的方法有： 软件查询法； 硬件排队法； 矢量中断。 CPU响应中断的条件： 至少有一个中断 源请求中断；CPU允许中断； 当前指令执 行完。中断响应的工作-由硬件自动完成：关中 断； 保留断点信息； 转到中断处理程序入 口。中断处理-由软件(中断处理程序)完成。3. DMA传送方式。解决与CPU共享主存的矛 盾。停止CPU访问内存。CPU效率低；(2) 周期挪用。适用于外设读取周期大于内存 存取周期；(3

10、) DMA与CPU交替访问。适用于CPU工作周 期比内存存取周期长得多的情况。*难 点要对处理中断的各类软、硬件技术运用自如； 要认清周期窃取的含义；要分清 CPU响应中断 和允许周期挪用的时间。第六章计算机的运算方法*重 点要认识到计算机内部的各种运算与人们习 惯的运算是不同的，不仅运算方法有差异，就是 数的表示也不同。要求掌握计算机中有符号数、 无符号数、定点数和浮点数的各种表示，以及移 位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位 乘及补码Booth算法、定点原码和补码加减交 替除法，以及浮点补码加减运算。了解不同的运 算方法对运算器结构的影响，以及提高运算速度 采取的各种措施，包括快速进

11、位链的设计方法。 1.定点加法、减法运算。米用二进制补码加法加法:X+丫补=X补+丫补 (mod 2) 减法：X-Y补=凶 补+-Y补 (mod 2)2 定点乘法。同原码乘法一样：符号位：单独处理(异或产生)数值位：求两数绝对值之商3. 定点二进制除法公式：两种运算方法： 恢复余数法：运算步骤不确定，控制复杂，不适合计算机运算。 加减交替法：不恢复余数，运算步骤确定，适 合计算机操作。法则：余数为正：商1,下一步作减法；余数为负：商0，下一步作加法。4. 多功能算术/逻辑运算单元（ALU）。ALU是运算器的核心部件。举例：74181ALU,可进行四位并行算术 /逻辑运 算。特点：多功能： 控制

12、端M用来控制作算术运算还是逻辑运算M= 0时，为算术运算；W 1时，为逻辑运算。 正逻辑工作或负逻辑工作正逻辑：逻辑1用高电平表示；5. 定点运算器基本结构运算器包括ALU阵列乘除器件、寄存器、 多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。 运算器的设计，主要是围绕着ALU和寄存器同数 据总线之间如何传送操作数和运算结果而进行 的。运算器的三种结构形式：单总线结构的运算器：这种结构的主要缺点 是操作速度较慢，但控制电路比较简单。双总线结构的运算器：两操作数可分别通过 两条总线送入ALU操作时间较单总线结构的运 算器快。三总线结构的运算器：三总线结构的运算器 的特点是操作时间快。*难点溢出判断是各

13、种运算方法的一个难点，而定 点运算和浮点运算判断溢出的方法是不同的。 对 于浮点运算，应特别注意区分浮点数和用补码表 示的浮点规格化形式这两个概念，前者指的是真 值，后者指的是机器数，由于补码规格化数的特 殊约定，两者表示的数的范围是不同的。本章的另一个难点是掌握原码和补码运算 的最根本的区别在于对符号位的处理。 原码乘除 法结果的符号均和数值部分的运算分开进行，而 补码乘除法结果的符号是在数值部分的运算过 程中自动形成的。值得注意的是机器内只设加法 器，故全部减法运算实质是通过加法操作实现 的，这就有一个对减数求“补”的问题。原码除 法中减去除数的绝对值，一律用加上除数绝对值 的补码实现。应

14、特别注意-X补和-X*补的区 别，其中X*是真值X的绝对值。本章的第三个难点是，若浮点数的阶码采用 移码运算时，其运算规则和溢出判断规则与补码 运算是不同的。第七章指令系统*重 点要求了解机器的指令系统决定了一台计算 机的功能，而一旦计算机的指令系统确定以后， 计算机的硬件必须给予支持。指令系统主要体现 在它的操作类型、数据类型、地址格式和寻址方 法等方面。要求：掌握不同的寻址方式对操作数寻址范围以及 对编程的影响掌握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的 加工过程。了解RISC的主要特点及其与CISC的区别。1 指令系统。指一台计算机中所有机器指令 的集合，是表征计算机性能的重要因素。2 指令系

15、统的性能要求：完备性、有效性、规整形、兼容性3 指令寻址方式：顺序寻址方式：指令逐条顺序执行，PC+1-PC 跳跃寻址方式：程序转移4. 引入操作数寻址方式目的：(1) 缩短指令长度；(2) 扩大寻址范围；(3) 提高编程灵活性。5. 操作数的寻址(1) 立即寻址(2) 直接寻址间接寻址(4) 寄存器寻址(5) 寄存的间接寻址(6) 偏移寻址：1)相对寻址；2)基址寻址；3) 变址寻址(7) 堆栈寻址*难 点要求掌握设计指令格式的方法，学会根据指 令系统的要求，确定指令字中各字段的位数及其 含义。特别是在实际机器中，指令字长不一定等 于存储字长，因此应格外注意各种寻址方法和地址格式的运用 第八

16、章CPU的结构和功能*重 点要认识到机器的核心是cpu通过对cpu的 功能和内部结构的了解，掌握机器完成一条指令 的全过程是在 CPU的统一指挥下进行的，而且 CPU在不同的工作周期内访存的性质是不同的。 此外还应掌握中断技术在提高整机效能方面所 起的作用，以及为了进一步提高数据的处理能 力，开发系统的并行性，在现代计算机中大量采 用流水技术。1. CPU功能和组成；2. CPU的组织（运算部件、寄存器设置、存储器 接口、时序部件）；3. 指令周期；指取出并执行一条指令的时间。由 若干个CPU周期组成。CPU周期：通常用内存中读取一个指令字 的最短时间来规定CPU周期。一个CPU周期包含 若干

17、个时钟周期。时钟周期：是CPU处理操作的最基本单位。4. 典型指令周期流程(1) 非访内指令指令周期流程(2) 直接访内指令指令周期流程(3) 间接访内指令指令周期流程(4) 程序控制指令周期5. 时序系统：时序系统最基本体制：电位一脉冲制，即脉 冲到达之前，电平信号必须要稳定。硬布线控制器时序系统一般由周期、节拍和 工作脉冲三级时序所组成；微程序控制器时序系统一般由节拍、工作脉 冲二级时序所组成。*难 点中断技术在现代计算机中起着重要作用。为 了更好地吃透这一内容，建议结合第五章学习， 便于建立整机概念。第九章控制单元的功能*重 点理解控制单兀为完成不同指令所发出的各 种操作命令，以及指令周

18、期、机器周期、时钟周 期与操作命令的关系。1 控制单元模型2 指令执行的过程：简单计算机总体结构、各 类信息传送的路径，设置微操作控制信号3. 指令操作流程4. 指令微操作序列*难 点CPU的控制方式，微操作命令的分析及多级时 序系统。第十章控制单元的设计*重 点要求初步掌握控制单元的两种设计方法，从而 进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在 设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同。 结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写 出其相应的微操作命令及节拍安排。1.操作控制器设计方法(1) 硬布线控制器：组合逻辑型，采用组合逻辑 技术实现；(2) 微程序控制器存储逻辑型，以微程序解释 执行机器指令，采用存储逻辑技术实现；(3) 门阵列控制器组合逻辑与存储逻辑结合 型，采用可编程逻辑器件实现。2 微命令：指控制部件通过控制线向执行部件 发出的各种控制命令，是构成控制信号序列的最 小单位。微操作：执行部件