2022年完整word版,计算机组成原理考点总结终结版汇总.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 内部资料,转载请注明出处,感谢合作;一、运算机系统概述(一)运算机进展历程(明白)学问点一:第一台运算机 ENIAC 学问点二: 冯.诺依曼( VanNeumann)首次提出 储备程序 的概念, 将数据和程序一起放在储备器中 ,使得编程更加便利;50 多年来,虽然对冯 .诺依曼机进行了很多改革,但结构变化不大,仍旧称为 冯.诺依曼机 ;学问点三:一般把运算机的进展分为四个阶段:第一代( 1946-50s后期):电子管运算机时代;其次代( 50s中期 -60s后期):晶体管运算机时代;第三代( 60s中期 -70s前期):集成电路运算机时代;第四
2、代( 70s初-):大规模集成电路运算机时代;学问点四: 冯诺依曼运算机的特点冯诺依曼体系运算机的核心思想是“储备程序” 的概念;它的特点如下:1 运算机由运算器、储备器、掌握器和输入设备、输出设备五大部件组成;2 指令和数据都用二进制代码表示;3 指令和数据都以同等位置存放于储备器内,并可按地址寻访;4 指令是由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数所在储备器中的位置;5 指令在储备器内是次序存放的;6 机器以运算器为核心,输入输出设备与储备器的数据传送通过运算器;(二)运算机系统层次结构(明白)运算机系统的层次结构,通常可有五个以上的层次,在每一个层次上都能进行
3、程序设计;由下自上可排序为:第一级微程序机器级,微指令由机器直接执行,其次级传统机器级,用微程序说明机器指令,第三级操作系统级, 一般用机器语言程序说明作业掌握语句,第四级汇编语言机器级,这一级由汇编程序支持和执行,第五级高级语言机器级,采纳高级语言, 由各种高级语言编译程序支持和执行;仍可以有第六级应用语言机器级,采纳各种面对问题的应用语言;名师归纳总结 1.运算机硬件的基本组成第 1 页,共 17 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 图中实线为掌握线,虚线为反馈线,双线为数据线;图中各部件的功能是:1 运算器用来完成算术运算和规律运算,并将运算的中
4、间结果暂存在运算器内;2 储备器用来存放数据和程序;3 掌握器用来掌握、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果;4 输入设备用来将人们熟识的信息形式转换为机器能识别的信息形式,常见的有键盘、鼠标等;5 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟识的信息形式如打印机输出、显示器输出等;运算机的五大部件在 掌握器 的统一指挥下,有条不紊地自动工作;由于 运算器和掌握器 在规律关系和电路结构上联系非常紧密,特别在大规模集成电路制作工艺显现后,这两大部件往往制作在同一芯片上,因此, 通常将他们合起来统称为中央处理器,简称 CPU ;把输入设备与输出设备简称为 I/O 设备;因此, 现代运算机可认为由三大部
5、分组成:CPU 、 I/O 设备及主储备器 MM ;CPU与 MM 合起来称为主机,I/O 设备叫作外设;储备器分为主储备器 MM 和帮助储备器;主存可直接与 CPU 交换信息,辅存又叫外存;2. 运算机软件的分类运算机的软件通常又分为两大类:系统软件和应用软件;系统软件又称为系统程序,主要用来治理整个运算机系统,监视服务, 使系统资源得到合理调度,确保高效运行;它包括:标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序、数据库治理系统、网络软件等等;应用软件又称为应用程序,它是用户依据任务所编制的各种程序;名师归纳总结 3.运算机的工作过程第 2 页,共 17 页- - - - - - -精选学
6、习资料 - - - - - - - - - 1运算器运算器包括三个寄存器和一个算逻单元ALU ;其中 ACC 为累加器, MQ 为乘商寄存器,X 为操作数寄存器;这三个寄存器在完成不同运算时,所存放在操作数类别也各不相同;2储备器主储备器包括储备体、各种规律部件及掌握电路等;主存的工作方式就是按储备单元的地址号来实现对储备字各位的存(写入)也即按地址拜访储备器(简称访存);、取(读出) ;这种存取方式叫做按地址存取,为了能实现按地址拜访的方式,主存中仍必需配置两个寄存器 MAR 和 MDR ;MAR是储备器地址寄存器 ,用来存放欲拜访的储备单元的地址,其位数对应储备单元的个数;MDR 是储备器
7、数据寄存器 ,用来存放从储备体某单元取出的代码或者预备往某储备单元存入的代码,其位数与储备字长相等;要想完整地完成一个取或存操作;3掌握器掌握器是运算机组成的神经中枢,由它指挥全机各部件自动、和谐地工作; 详细而言,它第一要命令储备器读出一条指令,这叫取指过程; 接着对这条指令进行分析,指出该指令要完成什么样的操作,并按寻址特点指明操作数的地址,这叫分析指令过程;最终依据操作数所在的地址,取出操作数并完成某种操作,这叫作执行过程; 以上就是通常所说的完成一条指令操作的取指、分析和执行三阶段;掌握器由程序计数器 PC,指令寄存器IR 以及掌握单元 CU 几部分组成; PC 用来存放当前欲执行指令
8、的地址,它与主存的 MAR之间有一条直接通路,且具有自动加 1 的功能,即可自动形成下一条指令的地址;IR 用来存放当前的指令,IR 的内容来自主存的 MDR ;IR 中的操作码送到 CU,用来分析指令;其地址码作为操作数的地址送至储备器的MAR ; CU 用来分析当前指令所需完成的操作,并发出各种微操作命令序列,用以掌握全部被控对象;名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4I/O I/O 子系统包括各种外部设备及相应的接口;每一种设备都是由 I/O 接口与主机联系的,它接受 CU 发出的各种掌握命令完成相应的操作;运
9、算机的解题过程如下:第一把构成程序的有序指令和数据,通过键盘输入到主存单元中,并置 PC 的初值为0(即令程序的首地址为 0);启动机器后,运算机便自动按储备器中所存放的指令次序,有序地逐条完成取指令、分析指令和执行指令,直至执行到程序的最终一条指令为止;(三)运算机性能指标1. 吞吐量、响应时间( 1 吞吐量:单位时间内的数据输出数量;( 2 响应时间:从大事开头到大事终止的时间,也称执行时间;2. CPU 时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间( 1) CPU时钟周期:机器主频的倒数,Tc Rc ( 2)主频: CPU工作主时钟的频率,机器主频( 3)CPI:执行一条指令所需要的平均时钟周
10、期( 4)CPU执行时间:TCPU=In CPI TC In 执行程序中指令的总数 CPI 执行每条指令所需的平均时钟周期数 T C时钟周期时间的长度3. MIPS 、MFLOPS ( 1)MIPS:MIPSMillion Instructions Per Second MIPS = In/Te 106 = In/In CPI Tc 106 106 = Rc/CPI Te:执行该程序的总时间 In :执行该程序的总指令数 Rc:时钟周期 Tc 的到数 MIPS 只适合评判标量机,不适合评判向量机;标量机执行一条指令,得到一个运行结 果;而向量机执行一条指令,可以得到多个运算结果;( 2) MF
11、LOPS: MFLOPSMillion Floating Point Operations Per Second MFLOPS=Ifn/Te 106 Ifn :程序中浮点数的运算次数 MFLOPS 测量单位比较适合于衡量向量机的性能;一般而言,同一程序运行在不同的计 算机上时往往会执行不同数量的指令数,但所执行的浮点数个数经常是相同的;名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二、数据的表示和运算(一)数制与编码1. 进位计数制及其相互转换2. 真值和机器数3. BCD 码4. 字符与字符串5. 校验码(二)定点数的表示和
12、运算1. 定点数的表示无符号数的表示;有符号数的表示;2.定点数的运算/减运算;补码定点数的加/减运算;定点数的乘定点数的位移运算;原码定点数的加/除运算;溢出概念和判别方法;(三)浮点数的表示和运算1. 浮点数的表示浮点数的表示范畴;IEEE754 标准2. 浮点数的加 /减运算(四)算术规律单元 ALU 1. 串行加法器和并行加法器2. 算术规律单元 ALU 的功能和机构三、储备器层次机构 (cache-主存 -外存的层次结构、cache 的三种不同映象方式、主存芯片的子扩展和位扩展方案设计以及续存相关地址转换的内容是重点)(一)储备器的分类1按储备介质分(1)半导体储备器;储备元件由半导
13、体器件组成的叫半导体储备器;其优点是体积小、功耗低、存取时间短;其缺点是当电源消逝时,所存信息也立即丢失,是一种 易失性储备器 ;名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2)磁表面储备器;按载磁体外形的不同,可分为磁盘、磁带和磁鼓;现代运算机已很少采纳磁鼓; 由于用具有矩形磁滞回线特性的材料作磁表面物质,它们按其剩磁状态的不同而区分 “ 0”或“ 1”,而且剩磁状态不会轻易丢失,故这类储备器具有非易失性的特点;3 磁芯储备器 不用了4)光盘储备器;光盘储备器是应用激光在记录介质磁光材料 上进行读写的储备器,具有非易失性的
14、特点;光盘记录密度高、耐用性好、牢靠性高和可互换性强等;2按存取方式分类按存取方式可把储备器分为随机储备器、四类;只读储备器、 次序储备器和直接存取储备器(1)随机储备器 RAMRandom Access Memory ;RAM 是一种可读写储备器,其特点是储备器的任何一个储备单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与储备单元的物理位置无关; 运算机系统中的主存都采纳这种随机储备器;由于储备信息原理的不同,RAM又分为静态 RAM 以触发器原理寄存信息 和动态 RAM 以电容充放电原理寄存信息 ;(2)只读储备器 ROMRead only Memory ;只读储备器是能对其储备的内容读出,而不能
15、对其重新写入的储备器;这种储备器一旦存入了原始信息后,在程序执行过程中,只能将内部信息读出,而不能随便重新写入新的信息去转变原始信息;因此, 通常用它存放固定不变的程序、常数以及汉字字库,甚至用于操作系统的固化;它与随机储备器可共同作为主存的一部分,统一构成主存的地址域;只读储备器分为掩膜型只读储备器MROM (Masked ROM )、可编程只读储备器PROMProgrammable ROM 、可擦除可编程只读储备器 EPROMErasable Programmable ROM 、用电可擦除可编程的只读储备器 EEPROMElectrically Erasable Programmable
16、ROM ;以及近年来显现了的快擦型储备器 速度比 EEPROM 快得多;Flash Memory ,它具有 EEPROM 的特点,而(3)串行拜访储备器;假如对储备单元进行读写操作时,需按其物理位置的先后顺序查找地址, 就这种储备器叫做串行拜访储备器;明显这种储备器由于信息所在位置不同,使得读写时间均不相同;如磁带储备器, 不论信息处在哪个位置,读写时必需从其介质的始端开头按次序查找,故这类串行拜访的储备器又叫次序存取储备器;仍有一种属于部分串行拜访的储备器,如磁盘; 在对磁盘读写时, 第一直接指出该储备器中的某个小区域 磁道,然后再次序寻访,直至找到位置;故其前段是直接拜访,后段是串行拜访,
17、叫直接存取储备器;名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 17 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3按在运算机中的作用分类按在运算机系统中的作用不同,储备器又可分为主储备器、帮助储备器、 缓冲储备器;(二)储备器的层次化结构 主要是为明白决速度匹配问题储备器有 3 个重要的指标:速度、容量和每位价格,一般来说,速度越快,位价越高;容量越大,位价越低,容量大,速度就越低;上述三者的关系用下图表示:寄存器缓存主存磁盘磁带储备系统层次结构主要表达在缓存-主存 - 辅存这两个储备层次上,如下图所示:CPU 缓存主存辅存(三)半导体随机存取储备器1.SRAM 储备器的工
18、作原理静态 RAM 由于静态 RAM 是触发器储备信息,因此即使信息读出后,它仍保持其原状态,不需要再 生;但电源掉电时,原存信息丢失,故它属易失性半导体储备器名师归纳总结 2.DRAM 储备器的工作原理第 7 页,共 17 页(四)只读储备器(五)主储备器与CPU 的连接(六)双口 RAM 和多模块储备器(七)高速缓冲储备器(Cache)1.程序拜访的局部2.Cache 的基本工作原理- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3. Cache 和主存之间的映射方式4. Cache 中主存块的替换算法5. Cache 写策略(八)虚拟储备器1. 虚拟储备器的基
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