大学计算机组成原理期末复习资料

大学计算机组成原理期末复习资料引言计算机组成原理是计算机专业的核心基础课程，它揭示了计算机硬件系统的内部工作机制与构成原理。学好这门课程，不仅有助于深入理解计算机的运行本质，更为后续的操作系统、计算机体系结构、嵌入式系统等课程奠定坚实的理论与实践基础。本复习资料旨在梳理课程核心知识点，帮助同学们系统回顾、巩固重点、突破难点，以期在期末考试中取得理想成绩。请同学们结合教材、课堂笔记及习题，融会贯通，灵活运用。一、计算机系统概述1.1计算机系统基本概念计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分构成。硬件是物理实体，是计算机工作的物质基础；软件是运行在硬件之上的程序及其相关数据和文档，是计算机的灵魂。二者相互依存，缺一不可。计算机的基本工作原理遵循冯·诺依曼体系结构，其核心思想包括：*存储程序：将指令和数据以同等地位存储于存储器中，计算机在工作时自动、逐条地从存储器中取出指令并执行。*五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。其中，运算器和控制器通常集成在中央处理器（CPU）中。1.2计算机性能指标评估计算机性能的主要指标包括：*字长：CPU一次能处理的二进制数据的位数，直接影响计算机的运算精度和处理能力。*主频（时钟频率）：CPU内核工作的时钟频率，单位通常为GHz，一定程度上反映了CPU的运算速度。*运算速度：通常用MIPS（每秒百万条指令）或FLOPS（每秒浮点运算次数）衡量。*存储容量：包括主存容量和辅存容量，反映计算机存储数据的能力。*吞吐量：单位时间内系统处理的信息量。*响应时间：从用户提交请求到系统给出响应所经历的时间。理解这些指标时，需注意它们并非孤立存在，实际性能往往是多种因素综合作用的结果。二、数据的表示与运算2.1数制与编码计算机内部采用二进制进行数据存储和运算，因为二进制只有0和1两个状态，易于用物理器件实现（如高低电平）。*数制转换：重点掌握二进制、八进制、十进制、十六进制之间的相互转换。整数部分除基取余，小数部分乘基取整。*BCD码：用4位二进制数表示1位十进制数，是十进制数的二进制编码形式，主要用于输入输出。*字符编码：如ASCII码，用于表示英文字符。了解其基本编码规则及可表示的字符范围。2.2机器数与真值*真值：带正负号的实际数值。*机器数：在计算机中表示的、连同符号位一起数字化的数。通常用最高位表示符号位，0表示正，1表示负。2.3定点数的表示与运算*定点表示：约定机器数的小数点位置固定不变。分为定点整数（小数点在最低位之后）和定点小数（小数点在符号位与数值位之间）。*原码：符号位+真值的绝对值。表示简单，但进行减法运算复杂，且存在+0和-0。*反码：正数的反码与原码相同；负数的反码是原码符号位不变，数值位按位取反。*补码：解决原码减法运算复杂的问题。正数的补码与原码相同；负数的补码是反码加1。补码的优势在于可以将减法运算转化为加法运算，且0的表示唯一。*移码：主要用于表示浮点数的阶码，便于比较大小。移码的表示为真值加上一个偏置值。*定点数运算：包括加法、减法（用补码实现）、乘法（原码一位乘、补码一位乘）、除法（原码恢复余数法、原码不恢复余数法）。理解运算规则及硬件实现的基本思想。2.4浮点数的表示与运算*浮点数表示：N=M×R^E，其中M为尾数（决定精度），E为阶码（决定表示范围），R为基数（通常为2）。机器中通常表示为：符号位S（尾数符号）、阶码E（含阶符）、尾数M（含数符，通常规格化）。*规格化：为提高精度，尾数的最高位应为1（对于基数为2）。*浮点数运算：步骤包括对阶（小阶向大阶看齐，尾数右移）、尾数加减、规格化、舍入、溢出判断。三、存储系统3.1存储系统概述存储系统是计算机中用于存放程序和数据的部件。其核心目标是容量大、速度快、成本低，但这三者往往相互矛盾。通常采用多级存储体系结构来平衡这三者的关系，如“寄存器-Cache-主存-辅存”层次。*层次结构：从上到下，速度越来越慢，容量越来越大，单位成本越来越低。上层是下层的“缓存”。*局部性原理：程序访问的局部性是Cache和虚拟存储技术的基础，包括时间局部性（最近访问的信息可能再次访问）和空间局部性（邻近的信息可能被访问）。3.2半导体存储器*分类：*随机存取存储器（RAM）：可读可写，断电后信息丢失。包括SRAM（静态RAM，速度快，成本高，用于Cache）和DRAM（动态RAM，速度较慢，成本低，用于主存）。DRAM需要刷新。*只读存储器（ROM）：断电后信息不丢失。包括掩模ROM、PROM、EPROM、EEPROM/FlashMemory等。*主存与CPU的连接：地址线、数据线、控制线的连接。涉及存储器的扩展（位扩展、字扩展、字位同时扩展）。*存储器的校验：如奇偶校验、汉明码校验，用于检测和纠正数据在存储和传输过程中可能出现的错误。3.3Cache存储器*Cache的基本原理：利用局部性原理，把主存中近期常用的数据块调入Cache，CPU访问时先查Cache，命中则直接从Cache获取，未命中则从主存调入并替换。*Cache的映射方式：直接映射、全相联映射、组相联映射。理解各自的优缺点及地址变换过程。*Cache的替换策略：当Cache满时，需要替换掉不常用的块。常用策略有随机替换（RAND）、先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）。*Cache的写策略：写命中时，有写回法（Write-back）和写直达法（Write-through）；写未命中时，有写分配法和非写分配法。3.4辅助存储器*磁表面存储器：如硬盘（HDD）、软盘。了解其基本组成、工作原理（磁头、磁道、扇区、柱面）、主要性能指标（容量、转速、平均寻道时间、平均等待时间、数据传输率）。*光存储器：如CD-ROM、DVD。了解其基本原理和特点。*固态硬盘（SSD）：基于FlashMemory，相比HDD，具有速度快、无机械部件、功耗低等优点。四、指令系统4.1指令系统概述指令是计算机执行某种操作的命令，是CPU能够识别并执行的最小功能单位。指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合，是计算机硬件和软件之间的接口。*指令的基本格式：操作码字段（OP）+地址码字段（A）。操作码指明指令的操作类型；地址码指明操作数的地址或操作数本身。*指令字长：一条指令所占的二进制位数。可以是固定字长或可变字长。4.2寻址方式寻址方式是指确定指令中操作数地址或下一条指令地址的方法。*立即寻址：操作数直接在指令中。*直接寻址：指令地址码字段给出操作数在主存中的地址。*间接寻址：指令地址码字段给出的是操作数地址的地址。*寄存器寻址：操作数在寄存器中。*寄存器间接寻址：寄存器中存放的是操作数在主存中的地址。*变址寻址：操作数地址=变址寄存器内容+形式地址。*基址寻址：操作数地址=基址寄存器内容+形式地址。*相对寻址：主要用于程序转移，转移地址=PC内容+形式地址。理解各种寻址方式的特点、有效地址计算及应用场景。4.3指令类型常见的指令类型包括：*数据传送类指令：如MOV，实现数据在寄存器与存储器之间的传送。*算术运算类指令：如加、减、乘、除、增1、减1、求补等。*逻辑运算与移位类指令：如与、或、非、异或，以及算术移位、逻辑移位、循环移位。*程序控制类指令：如转移（JMP）、条件转移（JZ,JC）、调用（CALL）、返回（RET）、中断等。*输入输出类指令：实现主机与外设之间的数据交换。*其他指令：如停机、空操作、堆栈操作等。4.4指令系统的性能要求一个完善的指令系统应具备完备性、有效性、规整性、兼容性等特点。五、中央处理器（CPU）5.1CPU的功能与组成CPU是计算机的核心部件，主要功能包括指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。CPU主要由运算器、控制器和寄存器组组成。*运算器：核心是算术逻辑单元（ALU），用于完成算术运算和逻辑运算。还包括累加器（ACC）、数据缓冲寄存器（DR）、状态条件寄存器（PSW）等。*控制器：计算机的“神经中枢”，负责指挥和协调计算机各部件的工作。主要包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序产生器、微操作信号发生器等。*寄存器组：CPU内部的高速存储单元，用于暂存数据、地址和指令。分为通用寄存器和专用寄存器。5.2指令周期指令周期是指从取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。*机器周期（CPU周期）：指令周期中划分的若干个阶段，通常以主存访问时间为基准。*时钟周期（节拍脉冲）：机器周期内的时间细分，是CPU操作的基本时间单位。指令周期由若干个机器周期组成，一个机器周期由若干个时钟周期组成。5.3指令执行过程以一条指令的执行流程为例（如取数指令）：1.取指令：PC->MAR->地址总线->主存，读信号->主存->数据总线->MDR->IR。PC内容自动加1。2.指令译码：ID对IR中的操作码进行译码。3.取操作数：根据寻址方式计算操作数地址，从主存或寄存器中取出操作数。4.执行指令：ALU根据操作码对操作数进行运算。5.写回结果：将运算结果存入指定的寄存器或主存单元。5.4数据通路数据通路是CPU内部各功能部件之间传送信息的通路，由总线、寄存器和ALU等组成。理解数据在通路中的流向和控制信号。5.5控制器设计*硬布线控制器：采用组合逻辑电路产生微操作控制信号。速度快，但设计复杂，灵活性差。*微程序控制器：将微操作控制信号以微指令的形式存放在控制存储器（CM）中。执行指令时，通过读取并执行微指令来产生控制信号。设计灵活，易于修改和扩展，但速度相对较慢。*微指令格式：通常包括操作控制字段（微命令）和顺序控制字段（下址字段）。*微程序：一系列微指令的有序集合，对应一条机器指令的执行过程。5.6流水线技术为提高CPU利用率和指令执行速度，采用流水线技术。将指令的执行过程分解为若干个独立的阶段（如取指IF、译码ID、执行EX、访存MEM、写回WB），不同指令的不同阶段可以在时间上重叠执行。*流水线的性能指标：吞吐率、加速比、效率。*流水线的相关与冲突：结构相关（资源冲突）、数据相关、控制相关。了解这些冲突产生的原因及解决方法（如定向技术、暂停、预测分支等）。六、总线系统6.1总线概述总线是计算机系统中各部件之间传输信息的公共通路。*总线的分类：按传输信息类型分，有数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）；按层次结构分，有片内总线、系统总线（如CPU、主存、I/O接口之间）、通信总线（计算机之间或计算机与外设之间）。*总线的特性：包括机械特性、电气特性、功能特性、时间特性。6.2总线的仲裁当多个主设备同时请求使用总线时，需要总线仲裁机构来决定总线的使用权。*集中式仲裁：仲裁逻辑集中在一处。如链式查询、计数器定时查询、独立请求方式。*分布式仲裁：仲裁逻辑分散在各个主设备中。6.3总线的定时与数据传送模式*同步定时：总线上所有设备的操作由统一的时钟信号同步控制。*异步定时：采用握手信号（如请求、响应）来协调双方的操作，没有统一时钟。*数据传送模式：包括读/写操作、块传送、猝发传送、DMA传送等。6.4总线标准为使不同厂商的产品能够兼容，制定了各种总线标准，如PCI、PCI-E、USB、SATA等。了解其基本特点和应用场景。七、输入输出（I/O）系统7.1I/O系统概述I/O系统是计算机与外部世界进行信息交换的桥梁，包括I/O设备、I/O接口和相关软件。*I/O设备的分类：按功能分，有输入设备、输出设备、外存设备；按信息传输速率分，有高速、中速、低速设备。*I/O接口的功能：数据缓冲、设备选择、信号转换、时序控制、数据格式转换、中断管理等。7.2I/O接口的编址方式*统一编址（存储器映射编址）：I/O接口地址与主存单元地址统一编址，占用主存地址空间。CPU通过访问存储器的指令来访问I/O设备。*独立编址（I/O映射编址）：I/O接口地址单独编址，不占用主存空间。CPU需使用专门的I/O指令来访问I/O设备。7.3I/O数据传送方式*程序查询方式：CPU主动查询外设状态，若准备就绪则进行数据传送。CPU效率低。*程序中断方式：外设准备就绪时主动向CPU发出中断请求，CPU暂停当前程序，转去执行中断服务程序（数据传送），完成后返回原程序。CPU效率较高。*中断响应过程：中断请求、中断判优、中断响应、中断处理、中断返回。*中断向量：每个中断源对应一个中断服务程序入口地址。*中断屏蔽：通过中断屏蔽寄存器控制某些中断是否允许响应。*直接存储器存取（DMA）方式：外设与主存之间直接进行数据传送，不经过CPU，由DMA控制器控制。适用于高速、大批量数据传送。*DMA传送过程：DMA请求、DMA响应、DMA传送（数据在设备与主存间直接传送）、DMA结束。*通道方式和I/O处理机：进一步减