2022年计算机组成原理知识点总结 .docx

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1、精品_精品资料_运算机组成原理学问点总结第一章一、数字运算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）运算机硬件组成：储备器、运算器、掌握器、输入设备、输出设备.1、储备器（主存）主要功能：储存原始数据和解题步骤.包括：内储备器（CPU直接拜访）,外储备器.2、运算器主要功能：进行算术、规律运算.3、掌握器主要功能：从内存中取出解题步骤 程序 分析,执行操作.包括：运算程序和指令（指令由操作码和的址码组成）.4、输入设备主要功能：把人们所熟识的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式.5、输出设备主要功能：把运算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式.注： 1、冯

2、诺依曼结构：储备程序并按的址次序执行.2、中心处理器（ CPU）：运算器和处理器的结合.3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流,流向掌握器.数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流,由内存流向运算器.二、数字运算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库治理系统.2、应用程序：用户利用运算机来解决某些问题而设计.三、运算机的性能指标.1、吞吐量：表征一台运算机在某一时间间隔内能够处理的信息量,用 bps 度量.2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量,用时间单位来度量.3、利用率：在给定的时间间隔内,系统被实际使用的时间所在的比率

3、,用百分比表示.4、处理机字长：常称机器字长,指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数,如 32 位机、 64 位机.5、总线宽度：一般指 CPU从运算器与储备器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数.6、储备器容量：储备器中全部储备单元（通常是字节）的总数目,通常用KB、MB、GB、TB来表示.7、储备器带宽：单位时间内从储备器读出的二进制数信息量,一般用B/s （字节/ 秒）表示.8、主频/ 时钟周期： CPU的工作节拍受主时钟掌握,依据规定在某个时间段做什么（从什么时候开头、多长时间完成）,主时钟不断产生固定频率的时钟信号.主频（主时钟的频率）度量单位是MHZ、GHZ.时钟周

4、期（主频的倒数）度量单位是微秒、纳秒.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_9、CPU执行时间：表示 CPU执行一段程序所占用的 CPU时间,可用下式运算CPU时间=CPU时钟周期数XCPU时钟周期长.10、CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期数,可用下式运算CPI=执行某段程序所需的 CPU时钟周期数 / 该程序包含的指令条数.11、MIPS：平均每秒执行多少百万条定点指令数, 用下式运算MIPS=指令条数/（程序执行时间 106）12、FLOPS：平均每秒执行浮点操作的次数,用来衡量机器浮点操作的性能,用下式运算FLOPS程= 序中的浮点操作次数 / 程序执行时间（秒）其次章

5、一、数据和文字的表示方式1、原码、补码、反码、移码的求法及表示范畴.（ 1）第一应明确机器字长（ 2）原码、补码、反码、移码的求法（ 3）表示范畴2、补码加减法运算,加法运算溢出检测.（ 1）补码加法运算规章（ 2）补码减法运算规章（ 3）变形补码表示法00表示正数11表示负数（ 4）变形补码运算：规章同补码加减法运算规章,双符号位数值化、参与运算. （ 5）加法运算溢出检测1）单符号位法2）双符号位法参见例题、习题3、并行加法器的进位方法及规律表达式（1） ）直接从全加器的进位公式推导.（2） ）串行进位：某位的运算必需等到下一位的进位传递来以后,才能开头.也就是进位从最低位向最高位逐级传递

6、,速度慢.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_C1=G0+P0C0 C2=G1+P1C1 C3=G2+P2C2 C4=G3+P3C3（3） ）并行进位：全部进位可以同时产生,实际上只依靠于数位本身、来自最低位的进位 C0. C1=G0+P0C0 C2=G1+P1G0+P1P0C0 C3=G2+P1G1+P2P1G0+P2P1P0C0 C4=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P其0C中0：G0=A0B0 P0=A0+B0 G1=A1B1 P1=A1+B1 G2=A2B2 P2=A2+B2 G3=A3B3 P3= A3+B3Gi：进位产生函数,表示两个数位都为

7、1Pi ：进位传递函数,表示某位上的两个数位有一个为1,假如来自低位的进位为1,就确定会产生进位.4、浮点加减法运算方法.比较阶码大小、对阶尾数加减法运算规格化处理尾数舍入处理溢出判定参见例题、习题5、流水线原理、时钟周期确定、时间公式、加速比、时空图（ 1）把一个任务分割为一系列的子任务,使各子任务在流水线中时间重叠、并行执行.过程段 Si 之间重叠执行.（2）时钟周期的确定第三章一、储备系统概念1、储备容量：指一个储备器中可以容纳的储备单元总数.典型的储备单元存放一个字节,因此通常用字节数来表示,KB、MB、GB、TB.2、存取时间：读操作时间指一次读操作命令发出到该操作完成、数据读出到数

8、据总线上所经受的时间.通常写操作时间等于读操作时间,故称为存取时间.3、存取周期：也称读写周期,指连续启动两次读/ 写操作所需间隔的最小时间.通常储备周期略大于存取时间,由于数据读出到总线上,仍需要经过数据总线、CPU内部数据通路传递给掌握器 / 运算器.4、储备器带宽：单位时间里储备器可以存取的信息量,通常用位/ 秒、字节 / 秒表示.二、储备器的分级结构.对储备器的要求是容量大、 速度快、成本低, 但是在一个储备器中要求同时兼顾这三个方面的要求是困难的.为明白决这方面的冲突, 目前在运算机系统中通常采纳多级储备器体系结构,即高速缓冲储备器、主储备器和外储备器.CPU能直接拜访高速缓冲储备器

9、 cache 和内存. 外存信息必需调入内存后才能为CPU进行处理.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1、高速缓冲储备器（ cache）：高速小容量半导体储备器,强调快速存取指令和数据.2、主储备器：介于 cache 与外储备器之间,用来存放运算机运行期间的大量程序和数据.要求选取适当的储备容量和存取周期,使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程序.3、外储备器：大容量帮助储备器,强调大的储备容量,以满意运算机的大容量储备要求,用来存放系统程序、应用程序、数据文件、数据库等.三、SRAM储备器（ P67）1、DRAM储备器（ P70）基本储备元：由一个 MOS晶体管和电容器组成的记

10、忆电路.储备原理：所储备的信息 1 或 0 由电容器上的电荷量来表达（布满电荷：1.没有电荷： 0）.一个 DRAM储备元的写、读、刷新操作（ P71）DRAM的刷新：集中式刷新和分散式刷新（ P73） 2、储备器容量的扩充（ P73）位扩展增加储备字长（ P73）字扩展增加储备字的数量（ P73） 字、位扩展（ P74）d=设计要求的储备器容量 已知芯片储备容量d为芯片数四、只读储备器 ROM和闪速储备器1、只读储备器 ROM分掩模 ROM无 法修改 和可编程 ROM,后者又分为一次性编程的 PROM和多次编程的 EPROM和 E2PRO.M2、闪速储备器 FLASH：写操作,读取操作,擦除

11、操作.3、并行储备器双端口储备器：指同一个储备器具有两组相互独立的读写掌握线路.多模块交叉储备器： 连续的址分布在相邻的不同模块内, 同一个模块内的的址都是不连续的. 对连续字的成块传送可实现多模块流水式并行存取, 大大提高储备器的带宽.五、cache 储备器1、高速缓冲储备器 cache 的基本原理 cache 是一种高速缓冲储备器,为明白决CPU和主存之间速度不匹配而采纳的一项重要技术.2、主存和 cache 均依据商定长度划分为如干块.主存中一个数据块调入到 cache 中,就将数据块的址 （块编号） 存放到相联储备器 CAM中,将数据块内容存放在 cache 中. 当 CPU拜访主存时

12、, 同时输出物理的址给主存、相联储备器 CAM,掌握规律判定所拜访的块是否在cache 中： 如在,就命中, CPU直接拜访 cache.如不在,就未命中, CPU直接拜访主存, 并将该单元所在数据块交换到 cache 中.3、cache 命中率相关运算：命中率 h, Nc 表示 cache 完成储备的总次数, Nm表示主存完成存取的总次数.就有： h=Nc/Nc+Nm可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4、cache 与主存的的址映射（ P94）全相联映像：主存中的任一块可以映象到缓存中的任一块.直接映像： 每个缓存块可以和如干个主存块对应.每个主存块只能和一个缓存块对应.组相联

13、映像：某一主存块j按模 u映射到缓存 的第 i组中的任一块.5、替换算法（ P98）先进先出算法（ FIFO）：把一组中最先调入 cache 的块替换出去,不需要随时记录各个块的使用情形,所以实现简洁,开销小.近期最少使用算法（ LRU）：将近期内长期未被拜访过的行 块 换出.每行设置一个计数器, cache 每命中一次,命中行计数器清零,其它各行计数器增1.当需要替换时,比较各特定行的计数值,将计数值最大的行换出.最不常常使用（ LFU）：被拜访的行计数器增加 1,换值小的行,不能反映近期cache 的拜访情形.6、随机替换：从特定的行位置中随机的选取一行换出.第四章一、指令系统1、指令系统

14、：一台运算机中全部机器指令的集合, 称为这台运算机的指令系统.指令系统是表征一台运算机性能的重要因素, 其格式与功能直接影响机器的硬件结构、软件、适用范畴等.寻址方式：告知运算机如何猎取指令和运算所需要 的操作数.即如何供应将要执行的指令所在储备单元的物理的址.如何供应运算所需要的操作数所在储备单元的物理的址、或者操作数所在内部寄存器的编号.2、CISC：指令条数多、 结构形式复杂多样、 寻址方式种类繁多、 功能复杂多样、翻译执行效率低、许多指令难得用到.CISC 使运算机的研制周期长,难以保证正确性,不易调试、爱护,大量使用频率很低的复杂指令铺张了系统硬件资源.RISC：选取使用频率最高的一

15、些简洁指令, 指令条数少, 复杂功能通过宏指令实现.指令长度、格式、结构形式、寻址方式种类少,翻译执行效率高.只有取数/ 存数指令拜访储备器,其余指令的操作均在CPU内部寄存器之间进行.RISC可缩短运算机的研制周期、易于保证正确性、调试、爱护,系统硬件资源使用效率高.第五章1、中心处理器基本概念指令周期： 取出一条指令并执行这条指令所需要的时间.微指令周期： 从掌握储备器中读出一条微指令的时间加上执行该条微指令的时间.微命令：掌握部件通过掌握线向执行部件发送的各种掌握信号/ 操作命令.微操作：执行部件接收微命令以后所完成的操作, 微操作是执行部件中最基本的、不行再分解的操作.微指令： 一组实

16、现肯定操作功能的微命令的组合形式,称为微指令. 由操作掌握和次序掌握两大部分组成.指令流水线： 指指令执行步骤的并行. 将指令流的处理过程划分为取指令、 指令译码、执行、写结果等几个并行处理的过程段.2、CPU的功能.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_（1） ）指令掌握：掌握程序的执行次序.由于程序是一个指令序列, 这些指令的相互次序不能任意颠倒, 必需严格依据程序规定的次序进行.（2） ）操作掌握：掌握器产生取指令、执行指令的所需要的全部操作掌握信号,并依序送往相应的部件,从而掌握这些部件按指令的要求完成规定的动作.（3） ）时间掌握对各种操作实施时间上的定时.在运算机中,各种

17、指令的操作信号和整个执行过程均受到时间的严格定时和大事 先后次序掌握（应在规定的时间点开头,在规定的时间内终止）,以保证运算机有条不紊的自动工作.（4） ）数据加工：完成指令规定的运算操作.3、依据给定的模型机和数据通路结构,画出指令周期流程（1） ）依据模型机和数据通路结构,分析指令周期流程.（2） ）指令周期流程实际上是一个指令流、数据流在数据通路上的流淌过程.4、微程序掌握器的原理及组成框图.（1） ）基本原理设计阶段：第一,依据 CPU的数据通路结构、指令操作定义等,画出每条指令的指令周期流程图（详细到每个时钟周期、微操作、微命令）.然后,依据微指令 格式、指令周期流程图编写每条指令的

18、微程序. 最终,把整个指令系统的微程 （其中取指令的微程序段是公用的）固化到掌握储备器中.运行阶段：第一,逐条执行取指令公用微程序段,掌握取指令操作.然后,依据 指令的操作码字段, 经过变换, 找到该指令所对应的特定微程序段, 从掌握储备器中逐条取出微指令, 依据微操作掌握字段, 直接或经过译码产生微命令 （掌握信号）,掌握相关部件完成指定的微操作.一条微指令执行以后,依据微的址字 段取下一条微指令（2） ）构成框图掌握储备器 ROM：存放全部指令系统的微程序.微的址寄存器 uPC：具有自动增量功能,给出次序执行的下一条微指令的址.微命令寄存器 uIR：存放由掌握储备器读出的一条微指令.的址转

19、移规律：依据指令寄存器 IR 的操作码,定位到该指令对应的微程序段,uPC初值.假如判定条件 P/ 状态条件 =FALSE,就 uPC=uPC +1,次序执行假如判定条件 P/ 状态条件 =TRUE,就 uPC=依据策略形成新的微指令的址, 程序转移.5、流水线中资源相关、数据相关、掌握相关问题.资源相关： 是指多条指令进入流水线后, 在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_数据相关： 在一个程序中, 假如必需等前一条指令执行完毕以后, 才能执行后一条指令,那么这两条指令就是数据相关的.掌握相关： 掌握相关冲突是由转移类指令引起的.

20、当执行转移类指令时, 可能为次序取下条指令.也可能转移到新的目标的址取指令.假如流水线次序取指令, 而程序却需要转移时, 进入流水线的指令并不是将要执行的指令, 或者转移的目标指令可能仍没有进入流水线,从而使流水线发生断流.第六章1、总线系统基本概念.总线：总线是一组能为多个部件分时共享的信息传送线,用来连接多个部件并为之供应信息交换通路.2、总线分类内部总线（ CPU内）,系统总线（主机内, CPU外）,总线（输入,输出总线）.3、总线的特点：物理特点：总线的物理连接方式,包括总线的根数,总线的插头,插座的外形, 引脚线的排列方式等.功能特点：总线中每一根的功能.电气特点：电气特点定义每一根

21、线上信号的传递方向及有效电平范畴.时间特点：时间特性定义了每根线在什么时间有效.4、总线带宽：衡量总线性能的重要指标,定义为总线本身所能达到的最高传输效率.有关公式运算： Dr：总线带宽, T=1/f ：总线时钟周期, D：一个总线周期传送的数据量.就有： Dr=D/T=D*f .5、总线连接方式单总线结构： 总线分时工作, 连接到总线上的部件应高速运行,外围设备与主存统一编址,信息传送的效率和吞吐量受限.多总线结构： HOST总线：宿主总线,连接多 CPU、cache、主存、北桥. 64 位数据线、 32 位数据线、同步定时总线.PCI 总线：与处理器无关的高速外围总线,连接高速的PCI 设

22、备, 32/64 位数据线、32 位的址线、同步定时、集中仲裁、猝发传送.LAGACY总线：遗留总线,可以是ISA、EISA、MCA等传统总线,连接中、低速设备,爱护用户以前的投资.桥的分类： HOST桥（北桥）、 PCI/LAGACY桥（南桥）、 PCI/PCI 桥.桥的作用：（1） ）连接两条总线,使彼此相互通信.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_（2） ）总线转换部件,可以把一条总线上的的址空间映射到另一条总线的的址空间上,从而使系统中任意一个总线上的主设备都能看到同样的一份的址表.（3） ）信号缓冲、电平转换、掌握规律转换等.6、总线仲裁：当总线上的多个主设备（主方）同时

23、竞争使用总线时,必需通过总线仲裁部件,以某种方式和策略挑选其中一个主设备（主方）,接管总线的掌握权,传送信息.总线同步定时： 在同步定时协议中, 大事显现在总线上的时刻由公共的统一的总线同步时钟信号来确定, 所以总线中包含时钟信号线. 每个大事都必需在规定的时间点开头, 并在规定的时间范畴内终止. 每个大事的连续时间、 一次总线操作的时间是确定的.总线异步定时： 在异步定时协议中, 后一大事显现在总线上的时刻取决于前一大事什么时候终止,即建立在应答式或互锁机制基础上. 在这种系统中, 不需要统一的公共同步时钟信号.一个大事连续的时间、 一次总线操作的时间是不确定的.7、总线接口的功能（1） ）

24、掌握接口依据 CPU的指令信息掌握外围设备的动作,如启动、关闭设备等.（2） ）缓冲在为部设备和运算机系统其它部件之间用作为一个缓冲器,以补偿各种设备在速度上的差异.（3） ）状态接口监视外部设备的工作状态并储存状态信息,状态信息包括“预备就绪”、“忙”、“错误”等,供 CPU询问外部设备时进行分析之用.（4） ）转换可以完成任何要求的数据转换, 以确保数据能在为部设备和 CPU之间正确的传送, 如数据格式转换、并 - 串转换等.（5） ）整理可以完成一些特殊的功能, 如在批量数据传输时自动修改字计数器、 当前内存的址寄存器.（6） ）程序中断每当外围设备向 CPU恳求某种动作时,接口即发送中

25、断恳求信号给CPU,申请中断.第七章1、外围设备的定义和分类除了 CPU和主存外, 运算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待.外围设备可分为输入设备、 输出设备、 外存设备、 数据通信设备和过程掌握设备几大类.2、磁记录原理运算机的外储备器又称磁表面储备设备. 所谓磁表面储备, 是用某些磁性材料薄薄的涂在金属铝或塑料表面作载磁体来储备信息. 磁盘储备器、磁带储备器均属于磁表面储备器.磁性材料上出现剩磁状态的的方形成了一个磁化元或储备元, 是记录一个二进制信息位的最小单位.3、磁表面储备器的读写原理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_在磁表面储备器中, 利用一种称为磁头的装置来

26、形成和判别磁层中的不同磁化状态.通过电 - 磁变换,利用磁头写线圈中的脉冲电流,可把一位二进制代码转换成载磁体储备元的不同剩磁状态.通过磁- 电变换,利用磁头读出线圈,可将由储备元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出.4、磁盘的组成和分类硬磁盘是指记录介质为硬质圆形盘片的磁表面储备设备.它主要由磁记录介质、磁盘掌握器、磁盘驱动器三大部分组成.温彻斯特磁盘简称温盘, 是一种采纳先进技术研制的可移动磁头固定盘片的磁盘机.它是一种密封组合式的硬磁盘,即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等 组装成一个不行随便拆卸的整体.5 磁盘上信息的分布记录面、磁道、扇区磁道编号磁盘的址由记录面号（也

27、称磁头号）、磁道号和扇区号三部分组成.磁盘储备器的技术指标储备密度：储备密度分道密度、位密度和面密度.道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数,单位道/ 英寸.位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数,单位为位/ 英寸.面密度：位密度和道密度的乘积,单位为位/ 平方英寸.平均储备时间 =寻道时间 +等待时间 +数据传送时间数据传输率磁盘 cache磁盘 cache 是为了补偿慢速磁盘和主存之间速度上的差异.磁盘阵列 RAID（ P218）RAID：独立磁盘冗余阵列（廉价冗余磁盘阵列）,或简称磁盘阵列.简洁的说, RAID是一种把多块独立的硬盘 （物理硬盘） 按不同方式组合起来形成一个硬盘组（规律硬盘） ,从而供应比单个硬盘更高的储备性能和供应数据冗余的技术.组成磁盘阵列的不同方式成为RAID级别. RAID0提高储备性能的原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取,这样,系统有数据恳求就可以被多个磁盘并行的执行, 每个磁盘执行属于它自己的那部分数据恳求. 这种数据上的并行操作可以充分利用总线的带宽,显著提高磁盘整体存取性能.可编辑资料 - - - 欢迎下载