计算机组成原理

计算机组成原理重点讲授计算机系统的硬件组成，及其主要功能子系统的基本原理和逻辑设计；主要内容包括计算机系统概述，数据的表示、运算与校验，CPU子系统，存储子系统，总线与I/O子系统，I/O设备及接口等。

计算机组成原理

• 第一章
  • 1.1计算机分类
    • 电子模拟计算机
    • 电子数字计算机
  • 1.2计算机发展简史
    • 第一代1946-1957
    • 第二代1958-1964
    • 第三代1965-1971
    • 第四代1972-1990
    • 第五代1991年开始
  • 1.3计算机的硬件
    • 运算器
      • 主要功能是算术运算及逻辑运算
        • 采用二进制，运算规律简单，电子器件容易实现
    • 存储器
      • 保存阶梯的原始数据和解题步骤
        • 磁盘存储器和光盘：外存储器
        • 半导体存储器：内存储器
    • 控制器
      • 从内存中取出解题步骤加以分析，然后进行某种操作
        • 将解题的程序存放到存储器中成为存储程序
        • 控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制
    • 输入/输出设备
      • 外围设备与主机间通过适配器连接
  • 1.5计算机系统的层次结构
    • 多级组成的计算机系统
      • 第一级：微程序设计级
        • 直接由硬件执行
      • 第二级：一般机器级
        • 微程序
      • 第三级：操作系统级
        • 操作系统
      • 第四级：汇编语言级
        • 汇编程序
      • 第五级：高级语言级
        • 编译程序
    • 硬件与软件的逻辑等价性
      • 软、硬件间的界限已经变得模糊了
      • 任何操作都可以由软件来实现也可以由硬件来实现
      • 任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成
      • 实体硬件机的功能范围在不断扩大
    • 计算机的性能指标
      • 处理机字长
        • 指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数
        • 通常与处理机的寄存器位数有关
        • 对硬件的造价有较大影响
      • 存储器容量
        • 存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB,MB,GB,TB表示
        • 存储器容量越大，存放的信息就越多，处理问题的能力就越强
      • 主频/时钟周期
        • 主时钟的频率f叫做CPU的主频，单位MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）
        • 主频的倒数成为CPU的时钟周期，单位μs，ns
      • CPI
        • 表示每条指令的周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数
        • CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数
      • MIPS
        • 表示平均每秒执行多少百万条定点指令数
      • FLOPS
        • 表示每秒执行浮点操作的次数
• 第二章
  • 2.1数据的表示方式
    • 2.1.1数据格式
      • 定点数的表示方法
        • 约定计算机中所有数据的小数点位置是固定不变的
        • 将数据表示成定点纯小数或定点纯整数
          • 如果表示纯整数：0≤|x|≤1-2^-n
          • 如果表示纯小数：0≤|x|≤2ⁿ - 1
      • 浮点数的表示方法
        • 浮点数N被表示为：N=M×R^E
          • M：尾数
          • E：指数，常称为阶码
          • R：基数
            • 计算机中基数固定为2
        • N可以写为不同形式
          • 尾数最高位为1的浮点数成为规格化数
        • 所以计算机中浮点数表示形式为 N=0.M×2^E
      • 二进制编码存储
        • 基数固定为2，不存储
        • 尾数小数点前的0省略不存储
        • 从前到后分别为：阶符、阶码值、数符、尾数值
    • 2.1.2数的机器码表示
      • 原码表示法
        • 原码有两种0
          • 000……0
          • 100……0
      • 补码表示法
        • 补码中只有一种0
        • 原码中不能表示-2^n，而在补码中可以
          • [-128]补=10000000
        • 对于负数，原码变补码
          • 原码符号位为1不变，其他各位求反得到反码
          • 反码符号位为1不变，反码数值最低位+1得到补码
      • 移码表示法
        • 用于阶码的表示
          • 将数值向x轴正方向平移
        • 移码与补码有特殊对应关系：形式相同，符号位反
    • 2.1.3 IEEE754标准
  • 2.2定点加法减法运算
    • 2.2.1 补码加法
      • 公式：[x]补+[y]补 = [x+y]补
      • 符号位要作为数的一部分一起参加运算
      • 要在模2^n+1的意义下相加，超过的进位要丢掉
    • 2.2.2 补码减法
      • 公式：[x-y]补 = [x]补+[-y]补
        • [-y]补=包括符号位求反后末尾+1
    • 2.2.3 溢出概念与检测方法
      • 两正数相加结果大于机器字长所能表示的最大正数称为正溢
      • 两负数相加结果小于机器字长所能表示的最大正数称为负溢
      • 为判断溢出是否发生采用两种检测方法：
        • 双符号位法
          • 双符号位的补码称为变形补码
          • 变形补码表示：
            • 正数：00……
            • 负数：11……
          • 如果结果出现10或01则表示发生溢出
          • 最高符号位永远表示结果的的正确符号
          • 当以变形补码运算时，如果运算结果的两个 符号位相异，表示溢出；相同时，表示未溢出
        • 单符号位法
          • 设Cf为符号位产生的进位，C0位最高有效位产生的进位
          • 当Cf=C0时无溢出
          • 当Cf≠C0时产生溢出
  • 2.3 定点乘法运算
    • 2.3.1 原码并行乘法
      • 人工算法与机器算法的同异性
        • 机器通常只有N位长，两个N位数相乘，乘积可能为2N位
        • 只有两个操作数相加的加法器难以胜任将N个位积一次相加起来的运算
          • 早起计算机中为了简化硬件结构，采用串行的1位乘法方案，即多次执行“加法---移位”的操作来实现
          • 串行方法运算太慢，自从大规模集成电路问世以来，出现了各种形式的流水式阵列乘法器，他们属于并行乘法器
      • 不带符号位的阵列乘法器
      • 带符号位的阵列乘法器
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          • 带求补器的阵列乘法器可以分为两种情况
          • 带球不起的原码阵列乘法器，输入输出均为原码表示
          • 带求补器的补码阵列乘法器，输入输出均为补码表示
  • 2.4 定点除法运算
    • 2.4.1 原码除法运算原理
      • 两个原码表示的数相除时，商的符号由两数的符号位相异或求得，商的数值部分由两数的数值部分相除求得。
      • 机器除法运算的特点：
        • （1）必须先减后判。先做减法，若余数为正，才知道够减；若余数为负，则不够
        • （2）不够减时必须恢复原来的余数，以便再继续往下运算，这种方法称为恢复余数法
      • 加减交替法的运算规则是：
        • 本次余数为正，商1，下次除数右移一位做减法运算
        • 本次余数为负，商0，下次除数右移一位做加法运算
    • 2.4.2 并行除法器
      • 1、可控加/减法单元
        • 和阵列乘法器相似，阵列除法器也是一种并行运算部件。
        • CAS单元的功能：
          • P=0时，Bi取原值，CAS做加法运算
          • P=1时，Bi取反，CAS做减法运算，但需要由末位CAS的进位端Ci输入1，相当于B各位取反末位加1变[-B]补
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  • 2.5 定点运算器的组成
    • AM2901
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  • 2.6 浮点运算方法和浮点运算器
    • 2.6.1 IEEE754标准的浮点加减法运算
      • 设有两个浮点数x和y，分别为
      • 其中，Ex和Ey分别为数x和y的阶码
      • Mx和My分别为x和y的尾数
      • 设Ex≤Ey 那么x和y进行加减的运算规则为
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    • 2.6.3 浮点运算流水线
      • 1、流水线原理：
      • 把输入的任务分割为一系列子任务，时各子任务能在流水线的各个阶段并发地执行
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• 第四章
  • 4.1 教学机指令系统
  • 3.2 教学机监控命令
  • 4.3 教学机简单程序设计
  • 4.4 教学机复杂程序设计
• 第三章
  • 3.1 存储系统概述
    • 3.1.1 存储系统的层次结构
      • 程序的局部性原理
        • 构成多级存储系统的依据就是程序的局部性原理
        • 在某一段时间内频繁访问某一局部的存储器地址空间，而对此范围以外的地址空间则很少访问的现象称为程序的局部性原理
          • 程序的局部性可以从两个角度分析
            • 时间局部性：最近被访问的信息很可能还要被访问
            • 空间局部性：最近被访问的信息邻近地址的信息也可能被访问
      • 多级存储系统的组成
        • 正在执行的程序的指令和数据存储在CPU能直接访问的存储器中，这种侠义的存储器就是内存储器。
        • 为了扩大存储容量，在内存之外增加容量更大但访问速度稍慢的外存储器，或称为辅助存储器。
          • CPU不能直接访问外存储器，必须调入内存储器后才能由CPU处理
        • 由于CPU和内存储器的工作速度都在提高，于是在CPU和内存储器之间增加了速度更高但容量更小的半导体高速缓冲存储器，即cache，用与存放常规内存中增在使用的一些信息块副本。
    • 3.1.2 存储器的分类
      • 概念：
        • 存储位元→存储单元→存储器
      • 分类：
        • 按介质
        • 存取方式
        • 读写功能
        • 信息易失性
        • 在计算机系统中的作用
    • 3.1.3 存储器的编址和端模式
      • 存放一个机器字的存储单元称为字存储单元，相应的地址叫字地址
      • 存放一个字节的单元称为字节存储单元，相应的地址叫字节地址
      • 大端模式：将一个字的高位字节放在内存的低地址端，低位字节放在内存的高地址端
      • 小端模式：将一个字的低位字节放在内存的低地址端，高位字节放在内存的高地址端
    • 3.1.4 主存储器的技术指标
      • 1、存储容量
      • 2、存取时间
      • 3、存储周期
      • 4、存储器带宽
  • 3.2 静态随机存取存储器
    • 3.2.1 基本的静态存储元阵列
      • SRAM优点是存取速度快，但存储密度和容量不如DRAM大
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    • 3.2.2 基本的SRAM逻辑结构
      • · 目前的SRAM芯片采用双译码方式，以便组织更大的存储容量。 · 二级译码:第一级进行x向(行译码)和y向(列译码)的独立译码，然后在存储阵列中完成第 二级的交叉译码。 · 字单元宽度:1位、4位、8位，甚至有更多的字节。
    • 3.2.3 SRAM读/写时序
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    • 3.2.4 存储器容量的扩充
      • 1、位扩展
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      • 2、字扩展
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      • 3、字位扩展
        • 先进行位扩展，再进行字扩展
  • 3.3 动态随机存取存储器
  • 3.4 只读存储器
  • 3.5 并行存储器
  • 3.6 cache存储器
• 第六章
  • 6.1 总线的概念和结构形态
    • 6.1.1 总线的基本概念
      • 总线是构成计算机系统的互联机构，是多个功能部件之间进行数据传输的公共通路
      • 一个单处理器系统中的总线大致分为三类
        • 1，CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线，称为内部总线
        • CPU同计算机系统的其他高速功能部件连接的称为系统总线
        • 中低速设备之间互联的总线称为I/O总线
    • 6.1.2 总线的连接方式
      • 1.单总线结构