计算机组成原理所有概念

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1、2018/11/3,1,考试题型,选择题 、填空题、简答题、综合题希望大家认真复习，仔细审题，不要提前交卷！答题完毕之后，认真检查，开考一个小时之后，才能交卷！,2018/11/3,2,主要内容（电子计算机的基本结构）,冯.诺依曼计算机模型 1、计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。 2、存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。 3. “程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。操作码规定了该指令的操作类型，地址码指示存储操作数和运算结果的存储单元地址，操作数的数

2、据类型由操作码类规定。,2018/11/3,3,冯.诺依曼计算机模型 4、指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算 。 5、程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中 。 6、设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。,主要内容（电子计算机的基本结构）,2018/11/3,4,存储程序的思想计算机的用途和硬件完全分离：硬件结构采用定性逻辑，提供某些固定不变的功能，通过编制不同的程序来满足不同用户对计算机的应用需求。 把指令汇总在一起形成一个程序，并将其存储在计算机中。通过逐条指令执行来完

3、成问题的求解。,主要内容（电子计算机的基本结构）,2018/11/3,5,计算机的体系结构指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。这些属性主要是指令系统、数据表示、中断系统、寄存器组织等。 计算机的组成计算机体系结构的逻辑实现 计算机的实现计算机组成的物理实现,主要内容（电子计算机的基本结构）,2018/11/3,6,可见属性可以看见的属性，比如对于汇编语言程序员，指令集是可见的。MAR、MDR寄存器对汇编语言程序员是不可见的，对汇编语言程序员来说，也是透明的。透明属性本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。数据总线的宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明对

4、硬件设计者、计算机维修人员 不透明,主要内容（电子计算机的基本结构）,2018/11/3,7,主要内容（处理器）,处理器的组成处理器的基本组成包括：寄存器、运算器和控制器处理器的内部有大量的寄存器：通用寄存器、基址寄存器、变址寄存器、程序计数器、指令寄存器、状态控制字寄存器以及用户透明的MAR、MDR处理器的所有工作都是在控制单元CU的指挥下完成的。处理数据的功能单元叫算术逻辑单元ALU，它的功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。,2018/11/3,8,主要内容（处理器）,处理器的工作过程处理器的主要工作就是周而复始地执行指令，所以它的基本功能包括取指令、分析指令、取数据、处理数据、写回结

5、果。（1）取指令。处理器根据PC给出的主存地址访问主存储器，取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内部专门存放当前指令的指令寄存器 IR，然后PC加1。,2018/11/3,9,主要内容（处理器）,处理器的工作过程 （2）分析指令。处理器将指令寄存器IR中的操作码部分取出送入指令译码器（Decoder）进行译码。根据译码结果判断出指令的功能（即指令将要执行什么操作）、操作数的寻址方式以及操作数的数据类型，形成源操作数或目的操作数的物理地址。 （3）取数据。根据源操作数的物理地址访问主存储器，取出源操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据寄存器，如累加器ACC。,2018/11/3,10,主要内

6、容（处理器）,处理器的工作过程 （4）处理数据。处理器将源操作数送入运算器，并根据指令译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处理结果存回通用数据寄存器或缓冲寄存器。 （5）写回结果。如果指令要求将结果写回寄存器或主存储器，那么处理器将根据目的操作数的地址，将目的操作数写入寄存器或主存储器。,2018/11/3,11,主要内容（处理器）,机器周期、时钟周期、主存周期、指令周期 处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。时钟周期是计算机的基准时钟（一个节拍）。机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间。选取处理器访问一次主存的时间(也称主存周期)作为机器周期。,2018/11/3,

7、12,主要内容（处理器）,指令（操作码和操作数）指令是处理器完成的最小功能单位。所有指令的集合称为指令集。指令也是计算机体系结构中最重要的属性。指令包括操作码和操作数。操作码规定了指令所具有的功能。操作数是指令所要处理的数据。常以数据所在存储单元的地址形式给出。也称 “指令地址码”。指令格式的特征。每一条指令的机器码（二进制数的编码具有唯一性）,2018/11/3,13,主要内容（处理器）,把在同一CPU周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条微指令（Microinstruction）。它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中。,2018/11/3,14,主要内

8、容（处理器）,一条机器指令对应一个微程序，微程序由若干条微指令序列组成。从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系来看，前者与内存储器有关，后者与控制存储器有关。,2018/11/3,15,主要内容（处理器）,寻址方式所谓寻址方式（Addressing）指的是指令按照何种方式寻找或访问到所需的操作数或信息。寻址方式分为指令寻址和数据寻址。指令寻址是为了找到下一条指令；数据寻址是为了找到本条指令所需的操作数。,2018/11/3,16,主要内容（处理器）,寻址方式对于指令寻址：顺序寻址和跳跃寻址。 数据寻址（采用不同寻址方式的目的是缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性 ）,立

9、即数寻址 直接寻址 间接寻址 堆栈寻址,寄存器寻址 寄存器间接寻址 基址寻址 变址寻址,2018/11/3,17,主要内容（处理器）,转移指令和子程序调用的区别转移指令和子程序的调用都是程序控制类指令，都可以改变程序执行的顺序。 转移指令分条件跳转和无条件跳转。改变程序执行的顺序，改写程序计数器PC的值，跳到另外的地方去执行另一段程序。不需要对程序的断点进行保护，跳转之后，不会回到原来的地方继续执行。,2018/11/3,18,主要内容（处理器）,转移指令和子程序调用的区别子程序调用的时候，首先把当前程序的断点保存到系统堆栈中，（断点处指令的CS：IP）然后由子程序名获得子程序的入口地址，把子

10、程序的入口地址写入PC，从而去执行子程序中的指令。子程序内部最后的一条指令是子程序的返回指令 RET。 其作用就是从堆栈中恢复断点的值，以便程序能从断点处继续执行。,2018/11/3,19,主要内容（处理器）,指令的流水线技术 流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子程序可以与其他子过程同时进行。流水线技术具有如下特点： 流水过程由若干有联系的子过程组成； 每个子过程用专用的功能段实现； 各个功能段所需的时间应尽量相等，这个时间一般作为时钟周期。,2018/11/3,20,主要内容（处理器）,小端规则和大端规则低地址的单元存放低位字节，高地址的单元存放高位字节小端规则 低地址的

11、单元存放高位字节，高地址的单元存放低位字节大端规则,2018/11/3,21,主要内容（存储器）,存储器的主要指标存储器的容量、访问速度、成本容量越大越好、访问速度越快越好、成本越低越好！存储器的组织形式：存储单元数目存储字长如210 x 8 该存储器有 10位地址总线，共有1024个存储单元，每个存储单元存储8位。,2018/11/3,22,主要内容（存储器）,ROM、RAMROM只读存储器，掉电后信息可以保留。一般用作系统程序存储。RAM随机存储器，一般用作用户程序存储。,2018/11/3,23,主要内容（存储器）,主存和辅存能够被处理器直接访问的存储器称为主存储器；不能被处理器直接访问

12、的存储器称为辅助存储器。,2018/11/3,24,主要内容（存储器）,存储器访问的局部性原理时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。,2018/11/3,25,主要内容（存储器）,层次结构的存储系统计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次是采用高速缓冲存储器的“Cache主存”层次，以及基于虚拟存储器的“主存辅存”层次。引入Cache的目的是为了解决访问主存速度不够快的问题。高度缓存Cache位于CPU和主存储器之间。主存与Cache映射的三种方式：直接映射、相联映射、组相联映射,2018/11/3,26,主要内容（存储器）,

13、存储器寻址范围某处理器字长32位，其存储容量为16MB，若按双字编址，它的寻址范围是多少？解： 处理器字长为32位，双字编址，则每个寻址单元存储的二进制数据的位数为64位。总的存储容量为16MB，则寻址范围为16MB/64=2M,2018/11/3,27,主要内容（存储器）,存储器的接口电路位的扩展、字扩展、字和位的同时扩展处理器的数据总线宽度大于存储器的数据线宽度，需要进行位的扩展。处理器的地址总线宽度大于存储器的地址线宽度，需要进行字的扩展。,2018/11/3,28,主要内容（输入输出接口与中断系统）,IO接口的概念计算机的外设往往不能直接与系统总线相连，需要一个中间环节完成数据缓冲、数

14、据格式转换、通信控制、时序和电平匹配等工作，这个中间环节就是接口电路。,主机与外设之间设置接口适配电路的原因: 利用接口可实现多台外部设备的选择。 通过接口可实现数据缓冲达到速度匹配。 通过接口可实现数据串-并格式的转换。 通过接口可实现电平转换。 通过接口可传送控制命令。 通过接口可监视设备的工作状态。,2018/11/3,29,主要内容（输入输出接口与中断系统）,IO端口地址端口是指接口电路中的一些寄存器，分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的就有数据端口、控制端口和状态端口。处理器通过对端口地址的寻址，找到相应的IO设备。对I/O的编址有两种方式，一种是独立编址I/O，另一种是

15、存储器映象I/O。,2018/11/3,30,主要内容（输入输出接口与中断系统）,中断的概念中断（Interrupt）是一个由内外部事件激发来中断当前正在执行程序而运行另一个处理程序的过程。有些中断是可屏蔽的，有些中断是不可屏蔽的。,2018/11/3,31,主要内容（输入输出接口与中断系统）,中断的执行过程 Step1、保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前PC值入栈。 Step2、关中断：屏蔽其它中断请求信号。 Step3、保护现场：将中断服务程序使用的所有寄存器内容入栈。 Step4、中断处理：执行中断源所要求的中断服务程序。 Step5、恢复现场：恢复被使用寄存器的原有内容。 Ste

16、p6、开中断：允许接受其它中断请求信号。 Step7、中断返回：执行IRET指令，栈顶内容PC，程序跳转回断点处。,2018/11/3,32,主要内容（输入输出接口与中断系统）,中断向量表中断向量和向量表对于理解硬件和软件中断是重要的。中断向量包含中断服务程序的地址。,2018/11/3,33,主要内容（输入输出接口与中断系统）,技术在DMA控制器的控制，直接完成IO与主存储器之间的数据传送。DMA控制器需要获得对总线的使用权。DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要用 一个存储周期。,2018/11/3,34,主要内容（信息的表示）,电子计算机中数的表示，英文字母汉字的表示计算机中带符号的数，需要用一个二进制位表示符号，小数点不需要表示出来。通过定点数和浮点数来表示。理解算术运算式，溢出的判断方法。定点数的补码表示方法。一个英文字母用一个字节描述，一个汉字需要两个字节表示。,2018/11/3,35,主要内容（信息的表示）,IEEE 754 标准定义的单精度数共32位，1位符号位，8位指数位，23位尾数。,