计算机组成原理复习_任国林版课件

1、2 2、填空题（、填空题（1 1分分1616）1考试题型考试题型 例例1 1：八位二进制补码所能表示的十进制整数范围是八位二进制补码所能表示的十进制整数范围是_至至_，其补码，其补码分别为分别为 和和 。 例例2 2：CPUCPU响应某响应某I/OI/O中断请求的条件是无中断请求的条件是无DMADMA及更高级请求、及更高级请求、该该I/OI/O中断请求有效、中断请求有效、 及及 。1 1、选择题（、选择题（2 2分分1313） 例例1 1：集中式总线仲裁中，集中式总线仲裁中， 方式对接口电路故障最敏感。方式对接口电路故障最敏感。 A.A.独立请求独立请求 B.B.计数器定时查询计数器定时查询

2、C.C.菊花链查询菊花链查询 例例2 2：假定下列带奇偶校验位的字符码均没有数据错误，采用假定下列带奇偶校验位的字符码均没有数据错误，采用偶校验方式的字符码是偶校验方式的字符码是 。 A.11001011 B.11010110 C.11000001 D.11001001A.11001011 B.11010110 C.11000001 D.110010012 例：例：若若X X-1011-1011，Y Y+1101+1101，求，求XX原原、-Y-Y补补、XX移移， 求求X+YX+Y补补，用，用BoothBooth算法求算法求X XY Y。 例：例：简述冯简述冯诺依曼计算机模型的存储程序原理。诺

3、依曼计算机模型的存储程序原理。 例例1 1：用用1K1K4 4位的位的SRAMSRAM芯片组成芯片组成2K2K8 8位的存储系统，请说明位的存储系统，请说明需多少芯片、画出逻辑结构图需多少芯片、画出逻辑结构图( (含引脚含引脚) )。 课件课件CH3.P42CH3.P42例例5 5 例例2 2：单总线结构单总线结构CPU(CPU(课件课件P5)P5)中，请写出指令中，请写出指令R1(R2)+R3R1(R2)+R3的微操作步序列。的微操作步序列。 课件课件CH5.P26CH5.P26练习练习1 13 3、计算题（、计算题（6 6分分4 4）4 4、简答题（、简答题（5 5分分2 2）5 5、应用

4、题（、应用题（1212分分2 2）要求：要求：知识点掌握知识点掌握量化分析量化分析及及简单设计简单设计3第第1 1章章 计算机系统概论计算机系统概论一、计算机系统简介一、计算机系统简介 计算机功能与软硬件，层次结构，结构与组成计算机功能与软硬件，层次结构，结构与组成二、计算机系统组成二、计算机系统组成取指令取指令执行指令执行指令指令地址指令地址+ +“1 1”指令发生指令发生转移时转移时1 1、冯、冯诺依曼模型计算机诺依曼模型计算机； 数据表示与运算；数据表示与运算； ( (程序存储方式程序存储方式、程序控制机制程序控制机制) ) ( (按逻辑顺序按逻辑顺序) ) ( (一维一维、按地址按地址

5、) ) ( (自动自动、逐条逐条) ) ( (操作码操作码、地址码地址码) )指令格式指令格式42 2、计算机硬件组成、计算机硬件组成3 3、计算机软件组成、计算机软件组成 系统软件系统软件/ /应用软件、高级语言程序应用软件、高级语言程序/ /机器语言程序机器语言程序；CPUCPU主存主存I/OI/O接口接口1 1I/OI/O设备设备1 1I/OI/O接口接口n nI/OI/O设备设备n n磁盘适配器磁盘适配器磁盘磁盘4 4、计算机工作过程、计算机工作过程指令地址指令地址PCPC存储器存储器指令内容指令内容IRIR指令译码指令译码IDID功能部件功能部件+ +“1 1”地址形地址形成部件成部

6、件取指令取指令取指阶段取指阶段分析指令分析指令执行指令执行指令执行阶段执行阶段指令产生转移时指令产生转移时5三、计算机系统性能指标三、计算机系统性能指标1 1、硬件性能参数、硬件性能参数 * *机器字长：机器字长：CPUCPU同时处理的位数；同时处理的位数； 常指常指CPUCPU中哪个部件？中哪个部件？ * *机器主频：机器主频：单位单位( (1KHz=11KHz=110103 3HzHz) )； 对应对应CPUCPU哪个时序信号？哪个时序信号？ * *存储容量：存储容量：单位单位( (1KB=11KB=12 21010B B) )，最大主存容量；，最大主存容量；2 2、系统性能指标、系统性能

7、指标 * *响应时间：响应时间：T T响应响应T TCPUCPUT TI/OI/O等待等待，T TCPUCPUI IN NCPICPIT TC C * *吞吞 吐吐 量：量：T TP PI IN(N(任务任务i)i)T TCPU(CPU(任务任务i)i)3 3、性能设计、性能设计 * *冯冯诺依曼模型性能瓶颈：诺依曼模型性能瓶颈：CPU-MEMCPU-MEM、指令串行执行；、指令串行执行； * *优化方法：优化方法：平衡设计、平衡设计、CPUCPU性能设计性能设计6第第2 2章章 数据的表示与运算数据的表示与运算一、数据的编码一、数据的编码1 1、数制及转换、数制及转换2 2、机器数及其编码、

8、机器数及其编码原码原码 无无 1 1111 111 1 1001 001 1 1000000 0 0000 000 0 0001 001 0 0111111反码反码 无无 1 1000 000 1 1110 110 1 1111111 0 0000 000 0 0001 001 0 0111111补码补码 1 1000 000 1 1001 001 1 1111 111 0 0000 000 0 0001 001 0 0111111移码移码 0 0000 000 0 0001 001 0 0111 111 1 1000 000 1 1001 001 1 1111111真值真值 -2-2n-1n

9、-1 -(2 -(2n-1n-1-1) -1) -1 -1 0 0 +1 +(2+1 +(2n-1n-1-1)-1) 原码、补码、反码、移码的定义、特性、相互转换；原码、补码、反码、移码的定义、特性、相互转换；3 3、十进制数编码、十进制数编码(BDC(BDC码码) )74 4、字符及字符串编码、字符及字符串编码 字符码的类型，字符编码与字符数据，字符码的类型，字符编码与字符数据， 字符串常见编码方法字符串常见编码方法5 5、检验码、检验码 * *冗余检验思想：冗余检验思想：检错及纠错原理；检错及纠错原理； * *奇偶校验码奇偶校验码 ：编码原理、校验方法、校验能力；编码原理、校验方法、校验能

10、力； 校验码组成校验码组成 数据数据m mn-1n-1mm1 1校验位校验位p p1 1 校验位编码校验位编码奇校验奇校验 p p1 1m mn nm mn-1n-1m m1 11 1 (mod 2) (mod 2) 偶校验偶校验 p p1 1m mn nm mn-1n-1m m1 1 (mod 2) (mod 2) * *海明校验码：海明校验码：编码原理、校验能力目标编码原理、校验能力目标校验原理推导校验原理推导 编码方法、校验方法编码方法、校验方法8二、数据的表示二、数据的表示1 1、数值数据的表示方法、数值数据的表示方法 * *硬件特征：硬件特征：二进制表示二进制表示( (只有只有0/1

11、)0/1)、定长运算定长运算； * *表示方法：表示方法：进制、符号、小数点、数码长度、运算方法；进制、符号、小数点、数码长度、运算方法； * *数据的表示属性：数据的表示属性：表示格式、编码方式、数码长度；表示格式、编码方式、数码长度；2 2、数的定点表示、数的定点表示 定点表示方法，定点数的表示定点表示方法，定点数的表示 ；3 3、数的浮点表示、数的浮点表示 浮点表示方法，浮点数的表示、规格化浮点表示方法，浮点数的表示、规格化 ，IEEE754IEEE754标准；标准；4 4、非数值数据的表示、非数值数据的表示 * *字符的表示：字符的表示：表示方法，关系运算处理方法；表示方法，关系运算处

12、理方法； * *逻辑数的表示：逻辑数的表示：表示方法，运算处理方法表示方法，运算处理方法硬件需设置状硬件需设置状态位态位(Z(Z、C/S)C/S)9三、定点数的运算方法三、定点数的运算方法1 1、移位运算、移位运算 逻辑移位逻辑移位/ /算术移位的移位规则、溢出判断方法算术移位的移位规则、溢出判断方法2 2、补码加减运算、补码加减运算 * *运算规则：运算规则：AABB补补AA补补BB补补，AABB补补AA补补-B-B补补 * *溢出判断：溢出判断：OVROVR )Z)(BZ(A1 -n1 -n1 -n1 -n2n1 -nCC1 -nnZZ * *硬件配置及流程硬件配置及流程：思路为思路为AA

13、补补BB补补0 0，AA补补BB补补1 1 * *无符号数运算：无符号数运算：与有符号数相同，仅溢出判断不同与有符号数相同，仅溢出判断不同3 3、原码一位乘法运算、原码一位乘法运算4 4、补码一位乘法运算、补码一位乘法运算 比较法运算规则、硬件配置、算法流程比较法运算规则、硬件配置、算法流程 运算规则、运算规则、硬件配置、算法流程，无符号数乘法硬件配置、算法流程，无符号数乘法10四、浮点数的运算方法四、浮点数的运算方法 浮点加减浮点加减运算规则与警戒位、运算规则与警戒位、运算步骤运算步骤、算法流程、算法流程五、算术逻辑单元五、算术逻辑单元ALUALU2 2、ALUALU组成组成 ALUALU功

14、能功能数据表示与运数据表示与运算算 ALUALU结构结构以加法器为基础以加法器为基础 ALUALU组成组成1 1、加法器组成、加法器组成 全加器、串行进位加法器，并行进位逻辑、并行进位加法器全加器、串行进位加法器，并行进位逻辑、并行进位加法器3 3、运算器组成、运算器组成 运算器运算器ALUALU状态状态REGREG CPU CPU运算器运算器状态状态REGREG移位器移位器REGREG堆堆锁存器锁存器ALUALUMUXMUX锁存器锁存器G G11第第3 3章章 存储系统存储系统一、存储系统概述一、存储系统概述1 1、存储器性能指标、存储器性能指标二、半导体存储器二、半导体存储器2 2、层次结

15、构存储系统、层次结构存储系统 用户需求的矛盾，程序访问局部性，层次结构与存储器用户需求的矛盾，程序访问局部性，层次结构与存储器2 2、DRAMDRAM 存储元及芯片组成，行刷新与引脚，读写时序，刷新方式存储元及芯片组成，行刷新与引脚，读写时序，刷新方式3 3、ROM ROM 芯片特征、存储元状态、读写控制芯片特征、存储元状态、读写控制1 1、SRAMSRAM 存储元组成，芯片组成、参数与引脚存储元组成，芯片组成、参数与引脚 ，读写时序，读写时序12三、主存储器三、主存储器1 1、主存储器组成、主存储器组成 应用需求，主存组成应用需求，主存组成(ROM+RAM)(ROM+RAM)、应用特性、应用

16、特性2 2、主存储器逻辑设计、主存储器逻辑设计 SRAMSRAM及及DRAMDRAM芯片芯片的位扩展、字扩展、字位扩展的位扩展、字扩展、字位扩展设计设计 模块信号模块信号芯片信号及连接芯片信号及连接3 3、主存储器与、主存储器与CPUCPU的连接的连接 CPU CPU外部接口，主存所有信号线与外部接口，主存所有信号线与CPUCPU引脚的连接引脚的连接4 4、提高访存速度的措施、提高访存速度的措施 CPUCPU访存特征，多模块访存特征，多模块MEM(MEM(并行方式、交叉方式并行方式、交叉方式) )， 高性能高性能MEM(EDO DRAMMEM(EDO DRAM、SDRAMSDRAM、DDR S

17、DRAM)DDR SDRAM)，双端口，双端口MEMMEM13四、四、CacheCache1 1、CacheCache基本原理基本原理 功能与引脚，性能，与主存交换单位、存储空间管理，功能与引脚，性能，与主存交换单位、存储空间管理， 基本工作原理，结构与组成基本工作原理，结构与组成2 2、CacheCache相关技术相关技术 * *地址映像及变换：地址映像及变换：全相联、直接、组相联全相联、直接、组相联 映像规则、目录表结构、地址变换方法映像规则、目录表结构、地址变换方法2 2、CacheCache的改进的改进 请求字处理技术、多级请求字处理技术、多级CacheCache结构、结构、DIBDI

18、B结构、哈佛结构结构、哈佛结构 * *写策略：写策略：命中策略命中策略/ /不命中策略的原理，两者的组合不命中策略的原理，两者的组合 * *替换算法：替换算法：RANDRAND、FIFOFIFO、LRULRU 算法原理、实现方法、特点算法原理、实现方法、特点14五、虚拟存储器五、虚拟存储器1 1、虚拟存储器概述、虚拟存储器概述 VMVM定义、组成，工作原理，主存存储管理定义、组成，工作原理，主存存储管理(VM-MM)(VM-MM)的组织的组织2 2、虚拟存储器存储管理、虚拟存储器存储管理 段式、页式、段页式的段式、页式、段页式的存储管理方法及地址变换方法存储管理方法及地址变换方法虚拟虚拟存储器

19、存储器主存主存辅存辅存辅助辅助软硬件软硬件数据数据虚拟虚拟地址地址命令命令虚存虚存- -主存主存地址映像及变换地址映像及变换成功时成功时系统异常系统异常不成功时不成功时虚存虚存- -辅存辅存地址映像及变换地址映像及变换不成功时不成功时成功时成功时主存存储管理主存存储管理3 3、虚拟存储器工作过程、虚拟存储器工作过程 完成访问过程，地址变换优化与完成访问过程，地址变换优化与TLBTLB，优化后，优化后完成访问过程完成访问过程15第第4 4章章 指令系统指令系统一、指令系统组成一、指令系统组成1 1、指令功能、指令功能 操作数的类型及长度，操作的类型操作数的类型及长度，操作的类型( (功能、操作数

20、及个数功能、操作数及个数) ) * *指令系统：指令系统：机器指令，指令系统定义、与软硬件关系机器指令，指令系统定义、与软硬件关系2 2、指令格式、指令格式 * *约定参数：约定参数： * *操作码：操作码：操作类型的编码方法操作类型的编码方法 ， * *地址码：地址码：操作数地址及下条指令地址的表示方法操作数地址及下条指令地址的表示方法 * *指令字：指令字：组成、特征、结构组成、特征、结构OPOPA A1 1A A2 2目标地址目标地址(A1) OP (A2)(A1) OP (A2)OPDOPD类型及长度类型及长度? ?OPOP编码编码? ?A1/A2?A1/A2?显示个数显示个数? ?下

21、条指令下条指令? ?部件及地址部件及地址? ?16二、操作数存放与寻址方式二、操作数存放与寻址方式1 1、操作数存放方式、操作数存放方式 数据在数据在REGREG、MEMMEM、指令中的存放，、指令中的存放， 不同长度不同长度的表示方法的表示方法 堆栈、操作步骤与存取特征、堆栈、操作步骤与存取特征、MEMMEM堆栈堆栈2 2、寻址方式、寻址方式 * *指令寻址：指令寻址：顺序与跳转，显式与隐含顺序与跳转，显式与隐含 * *数据寻址：数据寻址：方式与地址形成方式与地址形成三、指令系统举例及发展三、指令系统举例及发展 性能、优化方法，性能、优化方法，CISCCISC，RISCRISC 本章学习目标

22、：本章学习目标：利用给定的指令系统，能够编写程序利用给定的指令系统，能够编写程序17第第5 5章章 中央处理器中央处理器一、一、CPUCPU结构与工作原理结构与工作原理1 1、CPUCPU功能与结构功能与结构 五大功能五大功能部件及基本结构，寄存器组织部件及基本结构，寄存器组织2 2、CPUCPU工作流程工作流程 指令周期与指令系统，指令周期与指令系统，CPUCPU功能功能CPUCPU工作流程工作流程4 4、数据通路组织、数据通路组织 性能与微操作步，数据通路种类，性能与微操作步，数据通路种类， 单总线通路单总线通路运算器组织，微操作序列运算器组织，微操作序列微操作步序列微操作步序列3 3、指

23、令执行过程、指令执行过程 指令执行过程指令执行过程基本操作基本操作微操作微操作指令执行的微操作序列指令执行的微操作序列18冯冯诺依曼模型诺依曼模型指令系统指令系统 CPU CPU工作流程工作流程指令周期指令周期实现实现CPUCPU结构结构基本基本OPOPOPOP 指令指令i i执行的执行的OPOP序列序列 指令指令i i执行的执行的OPOP步步序列序列CPUCPU数据通路数据通路运算器运算器(ALU)(ALU)CPUCPU功能功能控制器控制器程程 序序当前指令当前指令指令功能部件指令功能部件 CPU CPU工作原理与组成：工作原理与组成：19二、控制器组成与工作原理二、控制器组成与工作原理1

24、1、控制器基本结构、控制器基本结构 CU(CU(指令指令/ /时序时序/ /操作形成操作形成) )、BIUBIU、中断机构、中断机构2 2、时序系统组成、时序系统组成 -时序的时序的“序序” * *CPUCPU相关周期：相关周期：指令周期，机器周期、节拍周期、节拍脉冲指令周期，机器周期、节拍周期、节拍脉冲 * *时序系统组成：时序系统组成：环形信号发生器、信号周期组成；环形信号发生器、信号周期组成；3 3、信号时序控制方式、信号时序控制方式 -时序的时序的“时时” 同步方式、异步方式、联合方式；同步方式、异步方式、联合方式；4 4、微操作控制信号的形成、微操作控制信号的形成 微操作与微操作命令

25、，微操作信号有效条件、形成电路；微操作与微操作命令，微操作信号有效条件、形成电路；三、硬布线控制器三、硬布线控制器 结构，形成电路的设计方法结构，形成电路的设计方法20四、微程序控制器四、微程序控制器1 1、微程序控制器思想、微程序控制器思想 CUCU2 2、微程序控制器组成原理、微程序控制器组成原理 CUCU3 3、微指令格式及编码格式、微指令格式及编码格式 CUCU4 4、微指令地址形成方式、微指令地址形成方式 CUCU5 5、微程序控制器设计、微程序控制器设计 CUCU21五、五、CPUCPU举例举例六、指令流水技术六、指令流水技术 本章学习目标：本章学习目标：对于给定的指令系统，设计相

26、应的对于给定的指令系统，设计相应的CPUCPU 8086 CPU 8086 CPU的基本参数、基本结构、存储管理、控制器组成；的基本参数、基本结构、存储管理、控制器组成；1 1、流水线基本原理、流水线基本原理 CUCU2 2、流水线相关处理、流水线相关处理 CUCU3 3、高性能流水线、高性能流水线 CUCU22第第6 6章章 总线及互连总线及互连1 1、总线基本概念、总线基本概念 定义、分类、特性、性能指标，系统总线信号组成。定义、分类、特性、性能指标，系统总线信号组成。2 2、总线传输与控制、总线传输与控制 * *操作步骤：操作步骤：4 4个阶段的个阶段的任务任务、各部件完成的功能；、各部

27、件完成的功能； * *总线仲裁：总线仲裁：3 3种方式的信号线连接、种方式的信号线连接、仲裁原理仲裁原理及特点；及特点； * *总线定时：总线定时：4 4种协议的种协议的定时及传输原理定时及传输原理、信号线及特点；、信号线及特点； * *传输模式：传输模式：各种模式的功能、特点；各种模式的功能、特点； * *总线标准：总线标准：ISAISA、PCIPCI标准概况。标准概况。3 3、总线互连结构、总线互连结构 * *总线结构：总线结构：多总线结构的优势、模型与实物；多总线结构的优势、模型与实物； * *总线互连：总线互连：总线与设备的连接、总线与总线的连接总线与设备的连接、总线与总线的连接( (

28、桥桥) )。23第第7 7章章 输入输出系统输入输出系统2 2、I/OI/O设备与主机的联系设备与主机的联系 * *编址方式编址方式统一编址、统一编址、独立编址独立编址； 指令指令、总线信号总线信号种类种类 * *寻址方式寻址方式编址、寻址；编址、寻址； 惟一，监视、比较惟一，监视、比较/ /判断判断 * *联络方式联络方式异步、同步、立即响应异步、同步、立即响应一、一、I/OI/O系统组成系统组成1 1、I/OI/O系统组成系统组成 * *目标目标可扩展性、可扩展性、CPUCPU性能；性能； * *组成组成I/OI/O设备、设备、I/OI/O接口、接口、I/OI/O管理部件，管理部件，I/O

29、I/O指令指令3 3、I/OI/O传送控制方式传送控制方式 * *目标目标减少占用减少占用CPUCPU时间、提高传送速度；时间、提高传送速度； * *控制方式控制方式程序查询、程序中断方式，程序查询、程序中断方式，DMADMA方式，通道方式方式，通道方式24二、二、I/OI/O设备设备1 1、I/OI/O设备设备 键盘、鼠标、显示器、打印机的键盘、鼠标、显示器、打印机的组成组成及及工作原理工作原理；2 2、存储设备、存储设备 * *结构与操作结构与操作盘状盘状/ /带状，寻道带状，寻道+ +定位；定位； * *性能指标性能指标存储密度、存储容量、寻址时间、数据传输率等存储密度、存储容量、寻址时

30、间、数据传输率等 * *磁盘磁盘MEMMEM组成组成盘片、驱动器、控制器盘片、驱动器、控制器 例例磁盘组有磁盘组有6 6个双面盘片个双面盘片( (两外侧盘面不用两外侧盘面不用) )，每个盘面有，每个盘面有204204个磁道、每个磁道有个磁道、每个磁道有1212个扇区、每个扇区可记录个扇区、每个扇区可记录512B512B数据，数据，磁盘机转速为磁盘机转速为7200rpm7200rpm，平均寻道时间为，平均寻道时间为8ms8ms。 计算磁盘存储空间；计算磁盘存储空间； 计算磁盘平均寻址时间；计算磁盘平均寻址时间； 计算磁盘数据传输率；画出磁盘地址格式及参数。计算磁盘数据传输率；画出磁盘地址格式及参

31、数。251 1、I/OI/O接口功能接口功能 设备选址、数据缓冲、操作中转、信号转换、状态监视设备选址、数据缓冲、操作中转、信号转换、状态监视三、三、I/OI/O接口接口2 2、I/OI/O接口组成接口组成 * *硬件组成：硬件组成：两段式工作过程；两段式工作过程；数据数据总线总线控制控制总线总线地址地址总线总线外设信外设信号号内部控制内部控制逻辑电路逻辑电路数据输出锁存寄存器数据输出锁存寄存器状态寄存器状态寄存器数据输入缓冲寄存器数据输入缓冲寄存器控制寄存器控制寄存器数据总线数据总线缓冲缓冲地址总线地址总线锁存锁存设备选设备选择电路择电路端口地址译码器端口地址译码器信号转换逻辑信号转换逻辑

32、* *软件组成：软件组成：I/OI/O端口端口I/OI/O指令指令驱动程序驱动程序26四、程序查询方式四、程序查询方式1 1、程序查询方式流程、程序查询方式流程 传送控制原理，接口程序模型；传送控制原理，接口程序模型；测试测试所读的状态所读的状态N N与与I/OI/O接口接口( (外设外设) )交换交换数据数据读读I/OI/O接口接口( (外设外设) )状态状态Y Y外设就绪外设就绪? ?向向I/OI/O接口接口写写启动命令启动命令2 2、接口硬件组织、接口硬件组织 * *所接收总线操作：所接收总线操作：启动设备、状态查询、数据传送；启动设备、状态查询、数据传送； * *所触发内部操作：所触发

33、内部操作：BSIO BSIO BSIO BSIO 设备选择电路设备选择电路端口译码电路端口译码电路控制口控制口数据口数据口 Q Q S BS RS BS R状态口状态口 Q Q S RD RS RD R27五、程序中断方式五、程序中断方式1 1、中断概念、中断概念 * *中断与中断方式：中断与中断方式：指令间指令间下条指令下条指令立即立即返回点指令由返回点指令由请求类型请求类型确定确定中断向量表中断向量表IVTIVT中断允许位中断允许位IFIF * *中断分类：中断分类：现行程序现行程序中断服务程序中断服务程序按请求按请求类型分类型分外中断外中断内中断内中断 可屏蔽可屏蔽不可屏蔽不可屏蔽中断中断异常异常按识别按识别中断源分中断源分向量中断向量中断非向量中断非向量中断按可否重按可否重叠响应分叠响应分单重中断单重中断多重中断多重中断282 2、I/OI/O中断过程中断过程 * *中断响应：中断响应：识别中断源、保