计算机组成原理1

第一章 概论1. 计算机硬件由运算器，控制器，存储器，输入设备和输出设备等五个基础部分组成.2. 早起的计算机中为了减少数据线路，采用一条公共的数据线路连接各大部件，这种公共的数据线路称为总线。3. CPU 由运算器，控制器组成. 运算器主要包括算逻单元和寄存器.4. 为了保存运算中需要的数据，在运算器中一般都有临时存放数据的部件，称为寄存器.5. 通常把CPU ，内存和输入输出接口电路合在一起构成的子系统称为主机.6. 存储器用来存储数据和程序，可分成主存和附存。主存就是主机内部的存储器.附存也称外存，用于存放大量的数据和程序，如硬盘，光盘,磁盘等.7. 控制器就是控制每条指令的执行部件.8. 计算机指令是一种用二进制编码表示的操作命令，在运算之前先存储在主存中.9. 输入输出设备也称为外设或I/O设备.10. 通常把一个完整的程序以及相应的文档称为软件.11. C语言是一种语言而不是编译程序，C+是C语言的编译程序.12. 编译程序将高级语言的程序文本转换成二进制代码后存放在一个可执行文件中,而解释程序不生成可执行文件，它一边分析高级语言的程序源代码，一边完成程序中所需要完成的操作. 机器语言指由指令代码构成的语言,计算机硬件能够直接识别和执行.13. 为了解决程序设计的困难，人们用各种容易记忆的文字符号来表示计算机指令，而不是二进制代码表示指令，这种符号系统就构成了计算机汇编语言.它是机器代码的符号化表示，不同的计算机有不同的汇编语言，而且与硬件有关.用汇编语言编写的程序具有较紧凑的代码和较高的执行速度。14. 采用一种接近于人类自然语言，具有数学表达能力的语言，具有通用性，和计算机的型号和硬件无关，这种语言称为高级语言.它要经过编译和解释才能在硬件上执行. 但成语代码较长，执行速度较慢.15. 计算机语言包括机器语言，汇编语言和高级语言.16. 计算机硬件和软件在功能上是等同的，在逻辑上是等效的，区别在于速度，成本，可靠性，存储容量，变更周期等。最基本的硬件功能不能有软件来代替.17. 应用软软件，系统软件和硬件构成了计算机的三个层次。硬件是最内层的，应用软件是最外层的.18. 虚拟机是用户从某个角度看到的计算机的形象，这个形象由软件构成.19. 计算机软件由系统软件和应用软件构成,主要的系统软件由操作系统软件，另一类是对程序设计语言进行处理的软件，包括编译程序，解释程序，汇编程序等.应用软件则完成用户所希望完成的具体工作 ，如文字处理，数据处理，视频播放和上网等.20. 一个字所包含的位数称为字长，字长一般是字节的整数倍.字节是一个8位二进制信息.21. 计算机中的每个二进制数据代码称为位，它是数据的最小表示单位.第二章 数据编码和数据运算1.定点数是指小数点位置固定不变的数据.小数点固定在最低位的右边的数叫定点整数，小数点固定在最高位的后边的数叫定点小数.2.原码：是带符号数在计算机中的编码表示方法之一，用一个符号位开表示数据的正负，0表示正号，1表示负号，其余的代码表示数据的绝对值.3.补码：正数的补码和原码相同，负数的补码是将二进制位按位取反后在最低位加1.4.反码：正数的反码和原码相同，负数的反码是将二进制位按位取反.5.移码：符号位用1表示正号，用0表示负号,其余位和补码相同.移码的表示方法只是将数据的二进制码加上一个常数2的n次方.6.BCD码：二-十进制码，是一种压缩的十进制数编码表示方式，即在一个字节中存放两个十进制数.7.数据真值：就是数据的二进制表示.它的最高位的0可以省略.8.浮点数在计算机表示格式主要包括两部分，一部分是带符号定点小数编码，称为尾数，另一部分表示小数点的位置编码，称为阶码.9.为了使得每一个数据在计算机中都有唯一的编码，提出了规格化的要求，它的一般要求是使得尾数的绝对值大于或等于1/R,对于基数为2的尾数，要求其绝对值大于或等于1/2.如果尾数是原码，位数部分表示的是一个绝对值，如果尾数的绝对值大于或等于1/2，那么就意味着尾数尾数的最高位必须是1;对于补码编码的尾数，则意味着尾数的最高位与符号位相反.一个浮点数，如果它的尾数最高位数值不为零，则称它是规格化的.规格化使得它能够表示最多有效数据位数,并且使得浮点数的表示方法唯一.10.在浮点数中，当数值的绝对值太大，以至于大于浮点数所表示的数据时，称其为上溢，当数据的绝对值太小，以至于小于它所能表示的数据时，称其为下溢.浮点数溢处的特征是阶码溢处.11校验码是一种能够发现或者纠正错误的数据编码.最常用的奇偶校验码，它只能检查处奇数个错误,只能检查出一组代码中的一个错误,而且不能纠正错误.能纠正错误的数据编码有海明码和循环码.12.定点数的加减运算一般都采用补码运算,因为补码的符号位可以一起直接参加运算.13定点数的补码运算中结果出超出数据编码的表示范围，从而发生溢出的现象.判断溢出的方法有三种,第一种根据符号位进行判断,一个正数加上一个负数是不会溢出的;第二种是双符号位补码,并判断结果的两个符号位.在运算之前给每个数加上一个符号位，使的数据的两个符号位相同,如果运算结果的两个符号位相同，表示没有溢出，如果不同，则表示发生了溢出.第三种是根据数据的进位情况,即根据数据的最高位和次高位的进位状况来判断结果是否有溢出,如果符号位的进位值与最高位数值的进位值不同，则产生了溢出.14.原码一位乘法中用到加法和移位两种操作.补码一位乘法中用到相加，相减和移位三种操作.15.两个代码的码距指这两个代码之间不同位的个数.编码码距指这种编码的全部代码中，各代码之间距离的最小值.16.机器零：浮点数中一种数据表示方式，当浮点数的尾数位和阶码都为0时所表示0的的值.17.当运算结果超出机器数所能表示的范围时，称为溢出。 显然，两个异号数相加或两个同号数相减，其结果是不会溢出的。仅当两个同号数相加或者两个异号数相减时，才有可能发生溢出的情况。第三章 存储系统1 Cache: 如果把程序在一段时间内集中访问的这一部分数据放在高速的存储器中，访问存储器的平均时间就可以大大减少，从而减少程序的执行时间。这种高速小容量的临时存储器 称为cache.2.直接映象：主存地址和cache地址之间的一种映象方式,一个数据块只能映象到cache中的唯一位置.它是最直接的映象方式.3.全相联映象：主存地址和cache地址的映象方式，每个贮存块可以映象到任何cache块. 最灵活.4.组相联映象：主存地址和cache地址之间的一种映象方式，将存储空间分为若干组，各组之间是直接映象，而组与组之间是全相联映象.5.页：页式虚拟存储器把虚拟存储空间分成一个个相同大小的单位，称为页.6.层次化存储系统: 不同的工作速度,不同的容量和不同的成本的存储器件构成的存储系统 称为层次化的存储器系统.计算机中经常采用的层次化存储体系是由cache ,主存，外存构成的三级层次.cache的位置在CPU和主存的中间.7.cache 命中:CPU访问的数据或代码存在于cache中时的情形.8.cache失效：CPU访问的数据或代码不存在cache中的情形.cache中不命中的统计概率称为cache的失效率.9.命中时间:在cache命中时的访存时间.它等于cache 的访问时间.10.失效时间：cache中不命中时因访问主存而增加的访问时间称为cache的失效时间.11.块表:主存与cache地址映象机制，由查块表判定贮存地址的存储单元是否在cache中以及在cache中的位置.12.页表：虚存中进行页面地址转换的表格，其中包括每个页的主存页号，装入位和访问方式等.13.在页式虚存中，虚拟地址有哪几部分构成？它和物理地址之间有什么关系？ 在页式虚存中，每个虚拟地址都可以看作由三部分组成：基号，虚页号和页内地址.物理地址分为页号和页内地址两部分，基号用于存储器保护，如果内存命中的话，地址映象机构将基号和虚页号转换成主存的实际页号.如果页面大小为2的p次方，那么页内地址就是 p位.虚拟地址的其余高位部分就是页号.因为主存的页面大小是相同的,虚拟地址的页内地址部分与物理地址的页内地址部分是相同的.14.段式虚存和页式虚存各有什么特点？页式管理内似与cache的管理方法，比较简单，但在存储空间较大时，页表很大，页表本身占用的存储空间将很大;段式管理的优点是用户地址空间分离，段表占用的存储空间数量少，管理简单.缺点是整个段必须一起调入或调出，这样使得段长不能大于内存容量.第四章 指令系统1.指令:指计算机执行某种操作的命令 .是对CPU硬件完成的基本功能的描述.一台计算机中所有的指令构成它的指令集或称指令系统.2.寻址方式： 指令地址码的编码方式以及操作数的存储位置.指令中表示操作数存储位置的方式统称为寻址方式.3.隐含寻址：有些指令中用某种隐含的方式表示操作数的存储位置，称为隐含寻址方式.3.计算机指令中包含的信息有操作数的类型，操作数的存储位置，操作结果的存储位置等. 表示操作类型的代码称为操作码，表示操作数和结果存储位置的代码称为地址码.指令操 作码可分为固定长度操作码和可变长度操作码.4.操作数的寻址方式有立即数寻址,直接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，存储器间接寻址，相对寻址，变址寻址,基址寻址等.5.堆栈：一中按特殊顺序访问的存储区，访问只在区域的一端进行. 是一种先入后出的访问方式.第五章 控制器1.指令周期：从一条指令的启动到下一条指令的启动的间隔时间。2.机器周期：指令执行中每一步操作所需的时间。 时钟周期：一般的计算机的数字电路是一个同步时序电路，采用一个同一的时钟信号，这个时钟信号的周期就成时钟周期。3.指令仿真：通过改变微程序实现不同机器指令系统的方式，使得在一种计算机上可以运行另一种计算机上的指令代码。4.指令模拟：在一种计算机上用软件来解释执行另一种计算机的指令。5.硬连线逻辑：一种控制器逻辑，用一个时序电路产生时间控制信号，采用组合逻辑电路实现各种控制功能。6.微程序：存储在控制存储中的完成指令功能的程序，由微指令组成。7.微指令：控制器存储的控制代码，分为操作控制部分和顺序控制部分。8.微操作：在微程序控制器中，执行部件接受微指令后所进行的操作。9.微地址：微每时令在控制存储器中的存储地址。10.控制存储器：CPU内用于存放实现指令系统全部指令的微程序的只读存储器称为控制存储器。11.相容性微操作：在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。12.相斥性微操作：不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。13.CPU 中主要包括运算器和控制器.CPU的基本功能是指指令控制，操作控制，数据运算，异常处理和中断处理.CPU中的寄存器包括程序计数器PC,指令寄存器IR,通用寄存器等.14.总线：将寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上，这条公共通路称为总线. 用一条总线连接各个寄存器的CPU结构称为单总线结构.15. ADD R3, R1, R2 PC MAR PC+1 MAR DBUSMDR,MDRIR R1Y R2+YZ ZR316. LOAD Ry,Rx 寄存器Rx指定存储器地址，数据装入寄存器Ry.PCMARPC+1MAR DBUSMDR,MDRIRRxMAR 当Rx为寄存器间接寻址时，多一步 DBUSMDRDBUSMDR,MDRRz17. STORE Ry,RxPCMARPC+1MARDBUSMDR,MDRIRRxMARRyMDR18. JUMP 1000 无条件相对转移指令 PCMAR PC+1MAR DBUSMDR,MDRIR PCY Y+IR(地址段) Z ZPC19. JUMP 1000 无条件绝对转移指令 PCMAR PC+1MAR DBUSMDR,MDRIR IR(地址段) PC20. BNE 1000 条件绝对转移指令 它在标志N为1时进行转移 PCMAR PC+1MAR DBUSMDRIR If(N) IR(地址段) PC 21. BNE 1000 条件相对转移指令 PCMARPC+1MAR DBUSMDRIR If(N) PCY Else end Y+IR(地址段) Z ZPC 原码一位乘法运算规律乘数，被乘数R0部分积当乘数用位二进制数原码表示时共循环次，根据乘数最低位是还是，是时加，是时加R2.每个循环步骤都分成两步，第一步作加法算数（加0或加），第二步向右移一位.初始时R0 R1 中放乘积的初值,R0初值为0.补码一位乘法运算规律乘数，被乘数R0部分积当乘数用位二进制数补码表示时共循环次，给乘数R1 最低位后在添加一位Yn+1,当R1最低位Yn和Yn+1的乘积为11或00时，加0.当Yn和Yn+1的乘积为01时，加R2 .当Yn和Yn+1的乘积为10时，减R2 ，即加【-】补.Yn+1的初值为0.每一步循环分两步，第一步作加法或减法运算,第二步向右移一位.RO R1中存放乘积的初值,R0初值为0.原码一位除法运算规律A 加减交替法R1=被除数 R2=除数 R0 R1 中开始存放被除数的值，最后存放余数和商 .当除数用位二进制数原码表示时共循环次，在初始值时先减除数的值.共分4大步，先比较余数的正负，当余数为负时，余数左移一位在R0R1的最低位商0，接着加上R2.当余数为正时，余数左移一位在ROR1的最低位商1，接着减去R2.直到最后一步第4步分为4小步，前2小步和前面3大步相同,第3小步根据第2小步余数结果先左移一位，再根据余数正负决定商1或商0.第4小步只是将右移一位.前3步每步先作移位，再作加减.每步分两小步.而第4步分4小步.最终结果中R0中存放余数，R1中存放商.B 恢复余数法R1=被除数 R2=除数 R0 R1 中开始存放被除数的值，最后存放余数和商 .当除数用位二进制数原码表示时共循环次，在初始值时R0 R1 先左移一位商0.接着前3步每步分3小步，第1小步作减法运算，减去R2.第2小步根据第1小步余数正负,当余数为负时，加上，商，当余数为正时，商1第3小步左移1位.第4步前面3小步和之前一样,第4小步是R0右移1位.两者区别在于加减交替法每步先左移1位，再作加减运算,而恢复余数法是每步先作减法运算，再左移1位.编码方式 最小值编码 最小值 最大值编码 最大值 数值范围n+1位无符号定点整数 000000 0 111111 2n+1-1 0x2n+1-1n+1位无符号定点小数 0.00000 0 0.11111 1-2-n 0x1-2-nn+1位定点整数原码 1111111 -2n+1 0111111 2n-1 -2n+1x2n-1n+1位点定小数原码 1.111111 -1+2-n 0.111111 1-2-n -1+2-nx1-2-nn+1位定点整数补码 1000000 -2n 0111111 2n-1 -2nx2n-1n+1位点定小数补码 1.000000 -1 0.111111 1-2-n -1x1-2-nn+1位定点整数反码 1000000 -2n+1 0111111 2n-1 -2n+1x2n-1n+1位点定小数反码 1.000000 -1+2-n 0.111111 1-2-n -1+2-nx1-2-nn+1位定点整数移码 0000000 -2n 1111111 2n-1 -2nx2n-1n+1位点定小数移码 小数没有移码定义存储器的字位扩展字扩展实际就是增加其容量,可以把N个存储器串联在一起组成.位扩展实际就是增加其数据位数, 可以把N个存储器并联在一起组成.地址线从CPU 指向存储芯片，是单向的,数据线是CPU和存储器之间，是双向的.例如：用16K X 8 芯片 组成64K X 16 芯片所需芯片为 M/m X N/n =64/16 X 16/8=8 所需地址线为 ：16K=2 14 ,需要地址线14条.