26计算机组成原理王道书知识点梳理

基于王道考研教材深度提炼，专攻计算机组成原理核心模块！本导图通过树状逻辑梳理数据表示、指令系统、存储结构等高频考点，帮助考生快速构建系统化知识体系。

计算机组成

• 第一章 计算机系统概述
  • 计算机发展历程
    • 计算机硬件发展历程
    • 计算机软件发展历程
  • 计算机系统的层次结构
    • 计算机系统的组成
    • 计算机硬件
    • 计算机软件
    • 计算机系统的层次结构
    • 计算机系统的工作原理
  • 计算机的性能指标
    • 计算机的主要性能指标
      • 机器字长
        • 计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数=通用寄存器的位数=ALU的宽度
      • 数据通路带宽
        • 指数据总线一次所能并行传送信息的位数
      • 主存的容量
        • MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储单元的字长。
      • 运算速度
        • 吞吐量
          • 系统在单位时间内处理请求的数量
        • 响应时间
          • 指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。
        • CPU时钟周期
          • CPU工作的最小时间单位
        • 主频（cpu时钟频率）
          • cpu每秒钟能执行多少时钟周期
            • cpu时钟周期=1/主频
        • CPI
          • 执行一条指令所需的时钟周期数
        • IPS
          • 即每秒执行多少条指令， IPS=主频/平均CPI
        • cpu的执行时间
          • cpu的执行时间=cpu时钟周期数/主频=（指令条数×CPI）÷主频
• 第二章 数据的表示和运算
  • 数制与编码
    • 进位计数制及其相互转换
      • B二进制 O八进制 D十进制 H十六进制
    • 定点数的编码表示
      • 真值和机器数
      • 机器数的定点表示
        • 定点小数
        • 定点整数
      • 原码、补码、反码、移码
        • 负数补码=原码符号位不变取反+1
        • 原码与反码一一对应，补码与移码一一对应
        • 字长为n+1的原码表示范围为：
        • 字长为n+1的补码表示范围为：
        • 移码常用来表示浮点数的阶码，它只能用来表示整数。补码符号位取反即为移码。
        • 移码大真值就大，移码小真值就小
    • 整数的表示
      • 无符号整数的表示
      • 有符号整数的表示
    • c语言中的整数类型及类型转换
      • 有符号整数以补码形式存储
      • 有符号数与无符号数的相互转换
        • 二进制各位位值不变，仅改变解释这些位的方式
      • 不同字长的整型变量之间的转换
        • 大字长->小字长
          • 高位截断
        • 小字长->大字长
        • char型为8位无符号整数
  • 运算方法和运算电路
    • 基本运算部件
      • 运算器由算数逻辑单元ALU、移位器、状态寄存器PSW和通用寄存器组等组成
      • 一位全加器
      • 串行进位加法器
      • 并行进位加法器
      • 带标志加法器
      • 算数逻辑单元
    • 定点数的移位运算
      • 逻辑移位
        • 将操作视为无符号整数。逻辑移位的规则：左移时，高位移出，低位补0；右移时，低位移出，高位补0。对于无符号整数的逻辑左移，若高位的1移出，则发生溢出。
      • 算数移位
        • 将操作数视为有符号数。算术移位的规则：左移时，高位移出，低位补0，若移出的高位不同于移位后的符号位，即左移前后的符号位不同，则发生溢出；右移时，低位移出，高位补符号位，若低位的1移出，则影响精度。
    • 定点数的加减运算
      • 无符号数的加减运算
        • 无符号数和有符号数进行运算，有符号数会变成无符号数
      • 有符号数的加减运算
      • 溢出判别方法
        • 采用一位符号位
          • 参加操作的两个数的符号相同，结果又与原操作数的符号不同，则表示结果溢出。
        • 采用双符号位
          • 两个符号位相同表示未溢出；两个符号位不同表示溢出，此时最高位符号位代表真正的符号。
        • 采用一位符号位根据数值位的进位情况判断溢出
          • 若符号位(最高位)的进位 Cn，与最高数位(次高位)的进位Cn-1相同，说明无溢出，否则说明有溢出。
      • 加减运算电路
      • 利用符号位比较大小
        • 无符号数大小的比较
        • 有符号数大小的比较
    • 定点数的乘除运算
  • 浮点数的表示与运算
    • 浮点数的表示
      • 浮点数的表示格式
      • 浮点数的表示范围
      • 浮点数的规格化
        • 所谓规格化操作，是指通过调整一个非规格化浮点数的尾数和阶码的大小，使非零浮点数在尾数的最高数位上保证是一个有效值。
      • IEEE754标准
        • • 指数=阶码-偏置值（看成无符号数运算）
            • • • IEEE754单精度浮点数相互转换示例
    • 浮点数的加减运算
      • 1.对阶：使得两浮点数的阶码相等。小阶码向大阶码看齐，将阶码小的尾数右移一位，阶码加1，直到两个数的阶码相等为止。尾数右移时，低位溢出的位不要丢掉，应保留并参加尾数部分的运算。
      • 2.尾数加减：按定点原码小数的加减运算规则进行运算。IEEE754浮点数尾数中有一个隐藏位，加减时需要将隐藏位还原到尾数部分。
      • 3.尾数规格化：
      • 4.舍入
        • 就近舍入（0舍1入）
        • 正向舍入
        • 负向舍入
        • 截断法
      • 5.溢出判断
    • c语言中的浮点数类型
      • 等式的赋值和判断会导致强制类型转换，char->int->long->double ，float->double。不同类型混合运算时，遵循类型提升原则。
    • 数据的大小端和对齐存储
      • 数据按边界对齐方式存放要求其存储地址时自身大小的整数倍。
• 第三章 存储系统
  • 存储器概述
    • 存储器的分类
      • 按在计算机中的作用（层次）分类
        • 主存储器
        • 辅助存储器
        • 高速缓冲存储器
      • 按存储介质分类
        • 按存储介质，存储器可分为磁表面存储器(磁盘、磁带)、磁芯存储器、半导体存储器(MOS型存储器、双极型存储器)和光存储器(光盘)。
      • 按存取方式分类
        • 随机存储器（RAM）
        • 只读存储器（ROM）
        • 都支持随机访问，RAM易失，ROM非易失
        • 串行访问存储器
          • 对存储单元进行读/写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻址，包括顺序存取存储器(如磁带)和直接存取存储器(如磁盘、光盘)。
      • 按信息可保存性分类
        • 易失性存储器
          • 如RAM
        • 非易失性存储器
          • 如ROM、磁表面存储器和光存储器
        • 破坏性读出
        • 非破坏性读出
    • 存储器的性能指标
      • 存储容量
      • 单位成本
      • 存储速度
    • 多级层次的存储系统
  • 主存储器
    • SRAM芯片和DRAM芯片
      • SRAM
      • DRAM
        • 刷新
        • DRAM芯片的地址复用技术
          • DRAM 芯片容量较大，地址位数较多，为了减少芯片的地址引脚数，通常采用地址引脚复用技术，行地址和列地址通过相同的引脚分先后两次输入，这样地址引脚数可减少一半。
      • SRAM和DRAM的比较
    • 只读存储器
      • 只读存储器的特点
        • ROM 和 RAM 都是支持随机访问的存储器,其中SRAM 和 DRAM均为易失性半导体存储器而 ROM 中一旦有了信息，就不能轻易改变，即使掉电也不会丢失。ROM 具有两个显著的优点:①结构简单，所以位密度比可读/写存储器的高。②具有非易失性，所以可靠性高。
      • ROM的类型
    • 主存储器的基本组成
    • 多模块存储器
      • 单体多字存储器
        • 在单体多字系统中，每个存储单元存储m个字，总线宽度也为m个字，一次并行读出 m个字。在一个存取周期内，从同一地址取出m 条指令，然后将指令逐条送至 CPU执行，即每隔 1/m存取周期，CPU 向主存取一条指令。这显然提高了单体存储器的工作速度。
        • 缺点:只有指令和数据在主存中连续存放时，这种方法才能有效提升存取速度。一旦遇到转移指令，或操作数不能连续存放时，这种方法的提升效果就不明显。
      • 多体并行存储器
        • 高位交叉编址
        • 低位交叉编址
          • 启动方式
            • 轮流启动
            • 同时启动
  • 主存储器与CPU的连接
    • 连接原理
    • 主存容量的扩展
      • 位扩展法
      • 字扩展法
      • 字位同时扩展法
    • 存储芯片的地址分配和片选
      • 线选法
      • 译码片选法
    • 存储器与CPU的连接
  • 外部存储器
    • 磁盘存储器
      • 优缺点
      • 组成
      • 存取时间
        • 寻道时间+旋转延迟时间+传输时间
      • 磁盘地址结构
    • 固态硬盘
      • 磨损均衡
        • 动态磨损均衡
        • 静态磨损均衡
  • 高速缓冲存储器
    • 程序访问的局部性原理
      • 时间局部性
        • 时间局部性是指最近的未来要用到的信息，很可能是现在正在使用的信息，因为程序中存在循环和需要多次重复执行的子程序段，以及对数组的存储和访问操作。
      • 空间局部性
        • 空间局部性是指最近的未来要用到的信息，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的，因为指令通常是顺序存放、顺序执行的，数据一般也是以向量、数组等形式簇聚地存储的。
    • Cache的基本工作原理
      • 基本工作原理
        • CPU与Cache之间以字为单位传输，Cache与主存之间以块为单位传输。主存与Cache间的操作由硬件完成。
    • Cache和主存的映射方式
      • 直接映射
      • 全相联映射
      • 组相联映射
      • Cache行内
    • Cache中主存块的替换算法
      • 随机算法
      • 先进先出算法
      • 最近最少使用算法（LRU）
      • 最不经常使用算法
    • Cache的一致性问题
      • 写操作命中（要被修改的块在Cache中）
        • 全写法（直写法）
          • 当 CPU 对 Cache 写命中时,必须把数据同时写入 Cache和主存。
        • 回写法
          • 当 CPU 对 Cache 写命中时，只把数据写入 Cache，而不立即写入主存，只有当此块被替换出时才写回主存。
      • 写操作不命中
        • 写分配法
          • 更新主存单元，然后把这个主存块调入 Cache。它试图利用程序的空间局部性，缺点是每次写不命中都要从主存读一个块到Cache 中。
        • 非写分配法
          • 只更新主存单元，而不把主存块调入 Cache。
      • 非写分配法＋全写法，写分配法＋回写法
  • 虚拟存储器
    • 虚拟存储器的基本概念
    • 页式虚拟存储器
      • 页表
      • 地址转换
      • 快表TLB
      • 具有TLB和Cache的多级存储系统
      • TLB、Cache和Page缺少组合的分析
    • 段式虚拟存储器
    • 段页式虚拟存储器
    • 虚拟存储器与Cache的比较
• 第七章 输入输出系统
  • I/O系统基本概念
    • 输入输出系统
    • 外部设备
    • I/O控制方式
  • I/O接口
    • I/O接口的功能
    • I/O接口的基本结构
    • I/O接口的类型
    • I/O端口及其编址
  • I/O方式
    • 程序查询方式
    • 程序中断方式
    • DMA方式
      • DMA控制器的组成
      • DMA的传输方式
        • 停止cpu访存
        • 周期挪用
        • DMA与CPU交替访存
      • DMA的传送过程
      • DMA方式和中断方式的区别
• 第六章 总线
  • 总线概述
    • 总线的基本概念
      • 总线是一组能为多个部件分时和共享的公共信息传送线路。分时和共享是总线的两个特点。分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，若系统中有多个部件，则它们只能分时地向总线发送信息。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间互相交换的信息都可通过这组线路分时共享，多个部件可同时从总线上接收相同的信息。
    • 总线的分类
      • 按功能层次分类
      • 按时序控制分类
      • 按数据传输方式分类
    • 系统总线的结构
      • 单总线结构
      • 双总线结构
      • 三总线结构
    • 常见的总线标准
    • 总线的性能指标
  • 总线事务和定时
    • 总线事务
    • 总线定时
      • 同步定时方式
      • 异步定时方式
      • 半同步定时方式
      • 分离式定时方式
• 第五章 中央处理器
  • CPU的功能和基本结构
    • CPU的功能
      • 中央处理器(CPU)由运算器和控制器组成。其中，控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列:运算器的功能是对数据进行加工。
    • CPU的基本结构
    • CPU的寄存器
  • 指令执行过程
    • 指令周期
    • 指令周期的数据流
      • 取值周期
      • 间址周期
      • 执行周期
        • 执行周期的任务是取操作数，并根据 IR 中的指令字的操作码通过 ALU 操作产生执行结果。不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。
      • 中断周期
    • 指令执行方案
      • 单周期处理器
      • 多周期处理器
      • 流水线处理器
  • 数据通路的功能和基本结构
    • 数据通路的功能
    • 数据通路的组成
      • 组合逻辑元件（操作元件）
      • 时序逻辑元件（状态元件）
    • 数据通路的基本结构
      • CPU内部单总线方式
      • CPU内部多总线方式
      • 专用数据通路方式
        • 根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接电路，避免使用共享的总线，性能较但硬件量大。
    • 数据通路的操作举例
  • 控制器的功能和原理
    • 控制器的结构和功能
    • 硬布线控制器
    • 微程序控制器
      • 微程序控制的基本概念
      • 微程序控制器的组成和工作原理
      • 微指令的编码方式
        • 微指令的编码方式也称微指令的控制方式，是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号。编码的目标是在保证速度的情况下，尽量缩短微指令字长。
        • 直接编码（直接控制）方式
        • 字段直接编码方式
        • 字段间接编码方式
      • 微指令的地址形成方式
      • 微指令的格式
        • 微指令格式与微指令的编码方式有关，通常分为水平型微指令和垂直型微指令两种。
        • 水平型微指令
        • 垂直型微指令
        • 硬布线和微程序控制器的特点
  • 异常和中断机制
    • 异常和中断的基本概念
    • 异常和中断的分类
      • 异常的分类
        • 故障
        • 自陷
        • 终止
      • 中断的分类
    • 异常和中断响应过程
  • 指令流水线
    • 指令流水线的基本概念
    • 流水线的基本实现
      • 流水线设计的原则
      • 流水线的逻辑结构
    • 流水线的冒险与处理
      • 在指令流水线中，可能遇到一些情况使得后续指令无法正确执行而引起流水线阻塞，这种现象称为流水线冒险。根据导致冒险的原因不同分为结构冒险、数据冒险和控制冒险3种。
      • 结构冒险
      • 数据冒险
      • 控制冒险
    • 流水线的性能指标
    • 高级流水线技术
  • 多处理器的基本概念
    • SISD、SIMD、MIMD
    • 硬件多线程的基本概念
      • 在传统 CPU 中，线程的切换包含一系列开销，频繁地切换会极大影响系统的性能，为了减少线程切换过程中的开销，便诞生了硬件多线程。在支持硬件多线程的CPU 中，必须为每个线程提供单独的通用寄存器组、单独的程序计数器等，线程的切换只需激活选中的寄存器，从而省略了与存储器数据交换的环节，大大减少了线程切换的开销。
    • 多核处理器的基本概念
    • 共享内存多处理器的基本概念
• 第四章 指令系统
  • 指令系统
    • 指令集体系结构
    • 指令的基本格式
      • 零地址指令
      • 一地址指令
      • 二地址指令
      • 三地址指令
      • 四地址指令
    • 定长操作码指令格式
      • 定长操作码指令在指令字的最高位部分分配固定的若干位(定长)表示操作码。一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示 2"条指令。定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利。当计算机字长为32 位或更长时，这是常规用法。
    • 扩展操作码指令格式
    • 指令的操作类型
  • 指令的寻址方式
    • 指令寻址和数据寻址
      • 指令寻址
        • 顺序寻址
          • 通过程序计数器PC加1（1条指令的长度），自动形成下一条指令的地址。
        • 跳跃寻址
      • 数据寻址
    • 常见的数据寻址方式
      • 隐含寻址
        • 这种类型的指令不明显地给出操作数的地址，而是隐含操作数的地址。例如，单地址的指令格式就隐含约定第二个操作数由累加器(ACC)提供，指令中只明显指出第一个操作数的地址。因此，累加器(ACC)对单地址指令格式来说是隐含寻址
      • 立即（数）寻址
        • 指令字中的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，也称立即数，采用补码表示。
      • 直接寻址
        • 指令字中的形式地址 A 就是操作数的真实地址 EA
      • 间接寻址
      • 寄存器寻址
        • 与直接寻址的原理一样，只是把访问主存改为访问寄存器，指令的地址字段给出的是操作数所在寄存器的编号
      • 寄存器间接寻址
      • 相对寻址
      • 基址寻址
      • 变址寻址
      • 堆栈寻址
  • 程序的机器级代码表示
    • 看书
  • CISC和RISC的基本概念
    • 复杂指令系统计算机（CISC）
    • 精简指令系统计算机（RISC）
    • CISC和RISC的比较
• 各种字长
  • 存储字长
    • 存储字长指一次内存访问能读取或写入的数据位数。存储字长取决于硬件设计（如总线宽度）。需匹配CPU的机器字长，避免多次访存（若存储字长小于机器字长，需多次读取）
  • 机器字长=数据总宽度=通用寄存器位数
    • CPU一次能处理的二进制位数，由整数运算数据通路的宽度决定，与通用寄存器位数一致
  • 指令字长
    • 单条指令包含的二进制位数，反映指令的复杂度（如操作码+操作数地址的总长度）。指令字长通常为存储字长的整数倍