计算机组成原理总复习--课件

第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1 1、计算机系统：计算机硬件和计算机软件。计算机（指、计算机系统：计算机硬件和计算机软件。计算机（指硬件）应由硬件）应由运算器运算器、控制器控制器、存储器存储器、总线和输入总线和输入/输出输出设备设备五大功能部件组成。运算器和控制器合称为五大功能部件组成。运算器和控制器合称为中央处中央处理器；运算器理器；运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算行的运算是算术运算和逻辑运算，所以运算器又称为算术逻辑运算部件；术逻辑运算部件；控制器控制器是整个计算机的指挥中心，它是整个计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。计算机的各部件有条不紊地自动工作。存储器存储器是用来存是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现能够实现“存储程序，程序控制存储程序，程序控制”的基础，常见的三级的基础，常见的三级存储系统是：存储系统是：cachecache、主存储器和外存储器；、主存储器和外存储器；外围设备外围设备是是指除了指除了CPUCPU和内存以外的其它设备。和内存以外的其它设备。1PPT课件2PPT课件2 2、了解冯、了解冯 诺依曼型计算机的基本工作原理：诺依曼型计算机的基本工作原理：“存储程序，按地址顺序执行存储程序，按地址顺序执行”。3 3、了解计算机的层次结构（、了解计算机的层次结构（P14P14）。）。3PPT课件第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器1 1、数制及其转换、数制及其转换2 2、数据表示格式、数据表示格式3 3、定点数的表示方法及数的表示范围；定点加法、定点数的表示方法及数的表示范围；定点加法、减法、乘法、除法运算；溢出的概念及检测方法。减法、乘法、除法运算；溢出的概念及检测方法。4PPT课件4 4、数值数据的编码：数值数据的编码：有符号数的表示有符号数的表示原码表示法原码表示法补码表示法补码表示法反码表示法反码表示法移码表示法移码表示法补码运算补码运算变形补码判溢出变形补码判溢出5PPT课件码制表示法小结码制表示法小结XX原原、XX反反 、XX补补用用“0 0”表示正号，用表示正号，用“1 1”表示负号；表示负号；XX移移用用“1 1”表示正号，用表示正号，用“0 0”表表示负号。示负号。如果如果X X为正数，则为正数，则XX原原=X=X反反 =X=X补补。如果如果X X为为0 0，则，则 XX补补 、XX移移有唯一编码，有唯一编码，XX原原、XX反反有两种编码。有两种编码。移码与补码的形式相同，只是符号位相反。移码与补码的形式相同，只是符号位相反。6PPT课件数据的四种机器表示法中，数据的四种机器表示法中，移码移码表示法主要用于表表示法主要用于表示示浮点数的阶码浮点数的阶码。由于。由于补码补码表示对加减法运算十分表示对加减法运算十分方便，因此目前机器中广泛采用补码表示法。在这方便，因此目前机器中广泛采用补码表示法。在这类机器中，数用补码表示、补码存储、补码运算。类机器中，数用补码表示、补码存储、补码运算。也有些机器，数用原码进行存储和传送，运算时改也有些机器，数用原码进行存储和传送，运算时改用补码。还有些机器在做加减法时用补码运算，在用补码。还有些机器在做加减法时用补码运算，在做乘除法时用原码运算。做乘除法时用原码运算。7PPT课件5 5、定点数的加、减运算串行进位补码加、减法器的、定点数的加、减运算串行进位补码加、减法器的逻辑图。逻辑图。6 6、逻辑运算逻辑运算7 7、机器中的浮点表示；浮点数的规格化表示；、机器中的浮点表示；浮点数的规格化表示；8PPT课件7 7、浮点运算方法和浮点运算器、浮点运算方法和浮点运算器浮点加法浮点加法/减法运算减法运算完成浮点加减运算的操作过程大体分为五步：完成浮点加减运算的操作过程大体分为五步：1.0 1.0 操作数的检查；操作数的检查；2.2.比较阶码大小并完成对阶；比较阶码大小并完成对阶；3.3.尾数进行加或减运算；尾数进行加或减运算；4.4.结果规格化并进行舍入处理；结果规格化并进行舍入处理；5.5.溢出处理溢出处理9PPT课件浮点乘法浮点乘法/除法运算除法运算浮点数的乘除运算大体分为五步：浮点数的乘除运算大体分为五步：1.0 1.0 操作数检查；操作数检查；2.2.阶码加阶码加/减操作；减操作；3.3.尾数乘尾数乘/除操作；除操作；4.4.结果规格化及舍入处理；结果规格化及舍入处理；5.5.溢出处理溢出处理8 8、了解浮点运算流水线的基本概念、了解浮点运算流水线的基本概念10PPT课件第三章第三章 内部存储器内部存储器1 1、存储器概念及分类；、存储器概念及分类；半导体存储器的分类半导体存储器的分类ROMROM：RAMRAM：SRAMSRAM、DRAMDRAM11PPT课件2 2、存储器的分级：对存储器的要求是容量大、速度、存储器的分级：对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，但在一个存储器中要求同时兼顾这三方快、成本低，但在一个存储器中要求同时兼顾这三方面是困难的。为了解决这方面的矛盾，目前在计算机面是困难的。为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用系统中，通常采用多级存储器体系结构多级存储器体系结构，即使用高速，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。缓冲存储器、主存储器和外存储器。CPUCPU能直接访问能直接访问cachecache和主存储器，和主存储器，CPUCPU不能直接访问外存储器，外存不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能为储器的信息必须调入内存储器后才能为CPUCPU进行处理。进行处理。CacheCache的作用是解决的作用是解决CPUCPU和主存的速度不匹配问题。和主存的速度不匹配问题。12PPT课件3 3、主存储器的技术指标、主存储器的技术指标4 4、存储器容量的扩充问题，要求：会计算存储容量、存储器容量的扩充问题，要求：会计算存储容量、所需芯片的个数，能完整地画出逻辑图。所需芯片的个数，能完整地画出逻辑图。5 5、并行存储器：双端口存储器、多模块交叉存储器、并行存储器：双端口存储器、多模块交叉存储器6 6、了解、了解cachecache基本原理、地址映射方式、替换策略基本原理、地址映射方式、替换策略和写操作策略等。和写操作策略等。7 7、了解虚存的基本概念及其作用。、了解虚存的基本概念及其作用。13PPT课件问题：问题：计算机系统的存储器子系统为什么要采用层计算机系统的存储器子系统为什么要采用层次结构？都有哪些类型的存储器？次结构？都有哪些类型的存储器？CPUCPU要执行的程序要执行的程序和要处理的数据放在什么存储器中？和要处理的数据放在什么存储器中？CacheCache的作用是的作用是什么？什么？14PPT课件问题：问题：假设某假设某CPUCPU有有1616条数据线，条数据线，1616条地址线（典型条地址线（典型的的1616位机），那么该给这个位机），那么该给这个CPUCPU配置多大的主存储器配置多大的主存储器（单位为字节）？如果只有（单位为字节）？如果只有16K16K1616的主存储器芯片，的主存储器芯片，则需要多少片？你能画出这些主存储器芯片和该则需要多少片？你能画出这些主存储器芯片和该CPUCPU之间的逻辑连接图吗？之间的逻辑连接图吗？15PPT课件第四章第四章 指令系统指令系统1 1、指令格式、指令格式分类：三分类：三 /二二 /一一 /零零 地址地址二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，又可归结为三种类型：又可归结为三种类型：存储器存储器-存储器（存储器（SSSS）型指令）型指令寄存器寄存器-寄存器（寄存器（RRRR）型指令）型指令寄存器寄存器-存储器（存储器（RSRS）型指令）型指令16PPT课件2 2、指令字长度、指令字长度指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数。数。机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，决定了计算机的运算精度。数，决定了计算机的运算精度。机器字长通常与主存单元的位数一致。机器字长通常与主存单元的位数一致。单字长指令：指令字长度等于机器字长度的指令。单字长指令：指令字长度等于机器字长度的指令。半字长指令：指令字长度等于半个机器字长度的半字长指令：指令字长度等于半个机器字长度的指令。指令。双字长指令：指令字长度等于两个机器字长度的双字长指令：指令字长度等于两个机器字长度的指令。指令。17PPT课件3 3、指令指令的寻址方式的寻址方式顺序寻址方式顺序寻址方式跳跃寻址方式跳跃寻址方式4 4、操作数操作数寻址方式寻址方式隐含寻址：指令中不是明显地给出操作数的地隐含寻址：指令中不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址；址，而是在指令中隐含着操作数的地址；立即寻址：操作数直接在指令字中给出；立即寻址：操作数直接在指令字中给出；直接寻址：在指令的操作数地址字段直接给出直接寻址：在指令的操作数地址字段直接给出操作数在存储器中的地址；操作数在存储器中的地址；18PPT课件寄存器寻址方式：在指令字中直接给出操作数所在寄存器寻址方式：在指令字中直接给出操作数所在的通用寄存器的编号；的通用寄存器的编号；寄存器间接寻址方式：在寄存器中给出的不是一个寄存器间接寻址方式：在寄存器中给出的不是一个操作数，而是操作数地址，操作数在存储器中；操作数，而是操作数地址，操作数在存储器中；间接寻址：指令地址字段的形式地址不是操作数的间接寻址：指令地址字段的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数地址的地址。真正地址，而是操作数地址的地址。相对寻址：是指把相对寻址：是指把程序计数器程序计数器PCPC的内容加上指令字的内容加上指令字格式中给出的形式地址（称为格式中给出的形式地址（称为相对寻址偏移量相对寻址偏移量）而）而形成指令的有效地址；形成指令的有效地址；19PPT课件基址寻址：基址寻址：是指把在指令字中给出的一个数值与是指把在指令字中给出的一个数值与一个特定的寄存器（称为一个特定的寄存器（称为基地址寄存器基地址寄存器）的内容）的内容相加之和作为操作数的地址；相加之和作为操作数的地址；变址寻址：变址寻址：指把在指令字中给出的一个数值（称指把在指令字中给出的一个数值（称为为变址偏移量变址偏移量）与指定的一个寄存器（称为）与指定的一个寄存器（称为变址变址寄存器寄存器）的内容相加之和作为操作数的地址。）的内容相加之和作为操作数的地址。20PPT课件问题：问题：从某种程度上来说，计算机系统的核心就是从某种程度上来说，计算机系统的核心就是其指令系统，因为指令系统连接着计算机系统的软其指令系统，因为指令系统连接着计算机系统的软件子系统和硬件子系统，指令系统设计的性能好坏，件子系统和硬件子系统，指令系统设计的性能好坏，直接影响着计算机系统的性能好坏。请回答，一个直接影响着计算机系统的性能好坏。请回答，一个完善的指令系统应包括哪些类型的指令？应满足哪完善的指令系统应包括哪些类型的指令？应满足哪4 4方面的性能要求？就你理解而言，一个指令系统应方面的性能要求？就你理解而言，一个指令系统应该支持哪些基本的寻址方式？该支持哪些基本的寻址方式？21PPT课件第五章第五章 中央处理器中央处理器1 1、CPUCPU的功能的功能指令控制指令控制操作控制操作控制时间控制时间控制数据加工数据加工2 2、控制器的功能、控制器的功能22PPT课件3 3、CPUCPU中的主要寄存器中的主要寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 DRDR指令寄存器指令寄存器 IRIR程序计数器程序计数器 PCPC数据地址寄存器数据地址寄存器 ARAR通用寄存器通用寄存器 （R R0 0R R3 3)状态条件寄存器状态条件寄存器 PSWPSW4 4、操作控制器、操作控制器硬布线控制器硬布线控制器微程序控制器微程序控制器23PPT课件5 5、指令周期：取出一条指令并执行这条指令所需、指令周期：取出一条指令并执行这条指令所需的时间。指令周期常常用若干个的时间。指令周期常常用若干个CPUCPU周期数来表示。周期数来表示。6 6、CPUCPU周期：一个机器周期一般完成一个基本操作。周期：一个机器周期一般完成一个基本操作。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPUCPU周期，也叫总线周期；一个周期，也叫总线周期；一个CPUCPU周期时间又包含周期时间又包含有若干个时钟周期。有若干个时钟周期。7 7、时钟周期：通常称为节拍脉冲或、时钟周期：通常称为节拍脉冲或T T周期，它一般周期，它一般是处理操作的最基本单位。是处理操作的最基本单位。8 8、掌握各指令周期是如何实现的。、掌握各指令周期是如何实现的。9 9、针对指令周期的执行过程给出、针对指令周期的执行过程给出CPUCPU的逻辑组成及的逻辑组成及各部分的功能。各部分的功能。24PPT课件25PPT课件1010、要求会画指令周期流程图（方框图、操作序列、要求会画指令周期流程图（方框图、操作序列图）图）1111、微程序控制器、微程序控制器微程序控制原理微程序控制原理微程序控制器原理框图微程序控制器原理框图微命令和微操作微命令和微操作微操作可分为相容性和相斥性微操作可分为相容性和相斥性26PPT课件27PPT课件机器指令与微指令的关系：一条机器指令对应一机器指令与微指令的关系：一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。微指令进行解释和执行。28PPT课件1111、微命令编码、微命令编码直接表示法直接表示法编码表示法编码表示法混合表示法混合表示法1212、流水、流水CPUCPU计算机的并行技术主要有三种形式：计算机的并行技术主要有三种形式：时间并行：时间重叠时间并行：时间重叠空间并行：资源重复空间并行：资源重复时间并行时间并行+空间并行空间并行流水流水CPUCPU是以时间并行性为原来构造的处理器是以时间并行性为原来构造的处理器29PPT课件1313、流水线中的主要问题、流水线中的主要问题资源相关资源相关数据相关数据相关控制相关控制相关30PPT课件问题：问题：在计算机硬件系统的各部分中，在计算机硬件系统的各部分中，CPUCPU绝对是核绝对是核心中的核心。心中的核心。CPUCPU的主要任务就是执行指令，请顺着的主要任务就是执行指令，请顺着CPUCPU执行一条指令的思路，简述执行一条指令的思路，简述CPUCPU逻辑组成的各部逻辑组成的各部分及其作用。分及其作用。31PPT课件第六章第六章 总线系统总线系统1 1、总线的基本概念、总线的基本概念2 2、总线、总线的的连接方式连接方式3 3、了解总线的内部结构、了解总线的内部结构4 4、了解总线信息的传送方式，掌握串行传送方式的、了解总线信息的传送方式，掌握串行传送方式的 格式。格式。5 5、什么是接口？有什么功能？、什么是接口？有什么功能？6 6、总线仲裁的方式，理解集中式仲裁的几种方式。、总线仲裁的方式，理解集中式仲裁的几种方式。7 7、总线的定时方式、总线的定时方式32PPT课件现代计算机系统中，总线子系统显得越来越重要。现代计算机系统中，总线子系统显得越来越重要。在总线子系统中，接口概念不得不提，请问：接口在总线子系统中，接口概念不得不提，请问：接口是什么？接口的功能有哪些？列举你所知道的计算是什么？接口的功能有哪些？列举你所知道的计算机系统的接口部件？机系统的接口部件？33PPT课件第七章第七章 外围设备外围设备1 1、外围设备的一般功能、分类；、外围设备的一般功能、分类；2 2、磁表面磁表面存储器的特点存储器的特点；3 3、磁盘存储器上信息的分布、磁盘存储器上信息的分布记录面记录面磁道磁道扇区扇区柱面柱面4 4、相关计算（磁盘存储容量、平均等待时间、数、相关计算（磁盘存储容量、平均等待时间、数据传输率等。）据传输率等。）34PPT课件问题：问题：磁道和柱面是什么关系？为什么外存储器比磁道和柱面是什么关系？为什么外存储器比内存储器要慢很多？大约慢什么数量级呢？内存储器要慢很多？大约慢什么数量级呢？35PPT课件第八章第八章 输入输出系统输入输出系统1 1、外围设备的信息交换方式；、外围设备的信息交换方式；2 2、计算机系统输入输出接口计算机系统输入输出接口的作用；的作用；3 3、计算机系统硬件中断的基本过程。、计算机系统硬件中断的基本过程。36PPT课件问题：问题：对于软件程序设计来说，进程是灵魂，对于对于软件程序设计来说，进程是灵魂，对于硬件实现机制来说，中断是灵魂。计算机系统硬件硬件实现机制来说，中断是灵魂。计算机系统硬件中断的基本过程包括中断的基本过程包括哪哪四个阶段，四个阶段，并并简述这四个阶简述这四个阶段的具体内容。段的具体内容。37PPT课件