计算机组成与体系结构

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1、第一章 绪论1、计算机是指能对数字化信息进行自动、高速算数和逻辑运算的通用处理装置。2、计算机中的总线分为3 种类型：数据类总线、地址类总线和控制类总线。数据总线用于在这些部件或设备之间传送属于数据信息（指令和数据）的电气信号；地 址总线则用于在这些部件或设备之间传送属于地址信息的电气信号；控制总线用于向存储部 件和外围设备穿送起控制作用的电气信号。3、至今占有主流地位的仍是以存储程序原理为基础的冯诺伊曼型计算机。第二章 运算方法与运算器1、对二进制数可以选用原码、反码、补码、移码等编码方案。2、计算机常用的数据表示格式有2种：定点格式和浮点格式。（1）、定点数的表示：用一个n+1位字来表示一

2、个定点数，其中一位用x0用来表示数的符号, 其余位代表它的量值：（符号位用“0正1负”表示）x0X1X2X3Xn1Xn符号量值（尾数）（2）、浮点数的表示：N=MRe , M称为浮点数的尾数（纯小数），R称为阶的基数（一般 规定R为2、4、8或16等），E称为阶的阶码（整数）。例如:N =11.0101=0.110101*210。3、十进制数串的表示方法：字符串形式和压缩的十进制数串形式。4、二进制数值数据的编码方法：1 ）、原码表示法:若定点小数为x=0恳匹.，其原码定义是（实例见P22） 冈原訂 x1x=0；J-x=1+lxl 0=x-1. 注：+0 =0.000.0， -0 =1.000

3、.0 原原 2）、补码表示法：（一个负数的补码等于模减该负数的绝对值）若定点小数为x=+0.x1x2.xn,其补码形式为x=x0 x1x2.xn,补码表示的定义是 冈补=x1x=0；l,2+x=2-IxI0=x=-1.若定点整数X=XX2.Xn,其补码的定义是（实例见P2223）x2n+1+x=2n+1-|xl2nx=0；0=x=-2n.注：0 的补码表示只有一种形式（+0 =-0 =0.0000）补补 3）、反码表示法：对定点小数x=0.XX2.xn，其反码表示的定义是x = . x1x=0；（2-2-n） +x 0=x=-1. （n 代表数的位数）注：0 的反码不唯一（+0 =0.000.

4、0， -0 =1.111.1）反反例 5 设机器字长 16 位，定点表示，尾数 15 位，字符 1 位，问P25) 1)定点原码整数表示时，最大正数是多少？最小负数是多少？2)定点原码小数表示时，最大正数是多少？最小负数是多少？ 解 定点原码整数表示：最大整数=(215-1)10=(+32767)10=(0 111 111 111 111 111)2 最小负数值=-(215-1)10=(-32767)10=(1 111 111 111 111 111) 定点原码小数表示：最大正数值=(1-2-15)10=(+0.111 111 111 111 111)最小负数值=-(1-2-15)10=(-0

5、.111 111 111 111 111) 证明题1. 证明补码的加法公式是 x +y =x+y (mod2) (|x|1,|y|1,|x+y|0,y0，则 x+y0 相加两数都是正数，故其和也一定是正数。正数的补码和原码是一样的，根据数据补 码的定义可得：x补+y补尸+=伙+补(mod2)(2) xO,yvO则 x+y0 或 x+yvO 相加的两数一个为正，一个为负，因此相加结果有正、负两种可能。根据数据补码的定义做如下分析：因为x补=x，y补=2+y 所以x补+y补=x+2+y=2+(x+y) 当x+y0时，2+ (x+y) 2,进位2必丢失，又因(x+y) 0,故x补+y补尸+=伙+补(

6、mod2)当 x+yvO 时，2+ (x+y) 2，又因(x+y) 0,故x补+y补=2+ (x+y) =x+y补(mod2)(3) x0，则 x+y0 或 x+y0这种情况和第2种情况一样，把x和y的位置对调即得证。(4) x0,y0则 x+y0相加两数都是负数，则其和也一定是负数。因为x补=2+x，y补=2+y所以 x +y =2+x+2+y=2+( 2+x+y) (mod2)补补上式右边分为“2”和(2+x+y)两部分。既然(x+y)是负数，而其绝对值又小于1, 那么(2+x+y)就一定是小于2而大于1的数，进位“2”必丢失，又因(x+y) 0,所以 x补+y补=2+ (x+y)=x+y

7、补(mod2)2.证明数用补码表示时，减法运算的公式为x-y=x补-y=x补+-y补补 补 补 补补只要证明-yh=-y补，上式即得证。证明如下：补补因为x+y补x补+y补(mod2) 所以y补=x+y补-冈补 因为x-y补=伙+ (-y)补=刃补+卜y补 所以卜y补=伙-刃补-x补 将“所以”后的两式相加，得卜刃补+y补=x+y补+x-y补-x 补-x 补=x+y+x-y补-x补-x 补=x+x补-x 补-x补=所以卜y补=-y补（mod2）所以x-y补#补-y补#补+-y补 由y补求-y补的法则是：对y补包括符号位求反且最末位加1,即可得到-y补。补补补补5、溢出 概念：在计算机中,由于逻

8、辑器件的限制,数的表示范围是有一定限制的,因此就存在 着数的大小超出机器所能表示的范围的情况,称为“溢出”。检测方法：用单符号位判断溢出,用双符号位判断溢出（两个符号位出现“10”,表示已 溢出）。6、全加器：多功能算术/逻辑运算单元（ALU ）不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能， 而且具有先行进位逻辑,从而实现高速运算。Cn+i+1=Yi+XiCn+in+i+1 i i n+i7、完成浮点加减运算的操作过程有5步： 0操作数检查，比较阶码大小并完成对阶， 尾数求和运算，结果规格化，舍入处理。8、为了实现流水，首先必须把输入的任务分割为一系列的子任务，使各子任务能在流水线 的各个阶段并发地执

9、行。本章还需注意P54的图2-17和P63的图2-23.第三章 指令系统1、指令的寻址方式：顺序寻址方式，跳跃寻址方式。（指令=操作码+地址码）2、操作数寻址方式：隐含寻址，立即寻址，寄存器寻址方式，直接寻址，间接寻址，寄存 器间接寻址方式，相对寻址方式，基址寻址方式，变址寻址方式，基址变址寻址。3、堆栈寻址方式：串联堆栈，存储器堆栈（存储器堆栈中，进栈时先存入数据，后修改堆 栈指示器；出栈时，先修改堆栈指示器，然后取出数据）。4、指令系统：一台计算机所有指令的集合称为该机的指令系统。5、一个较完善的指令系统应当包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序 控制指令、输入输出指令、字符

10、串指令和特权指令。（了解各指令的用途）6、RISC （精简指令）的主要特点：（具体见P ）8586 能使指令大为简化，更有效地支持了高级语言，控制器的速度也大为提高，进一步提高 了工作速度和处理能力。第四章 中央处理器1、中央处理器（CPU）是计算机的核心组成部分，主要包括运算器、控制器和cache存储器。2、控制器：由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、时序产生器和操作控制器 等组成。运算器：由算术逻辑运算单元（ALU）,累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器 组成，它是数据加工处理部件。3、CPU中的主要寄存器：程序计数器PC，数据缓冲寄存器DR，地址寄存器AR，指令寄存器

11、IR,累加寄存器AC,条件状态寄存器PSW。4、COU每取出并执行一条指令，都要根据指令的功能要求完成一系列的操作，所需要的时 间叫做一个指令周期。即,指令周期是CPU从内存取出一条指令并执行完这条指令的时间总 和。5、取指令阶段CPU的动作如下（1）程序计数器PC的内容A （八进制）被装入地址寄存器AR；（2）程序计数器内容加1,变成A+1,为取下一条指令做好准备；（3）地址寄存器的内容被放到地址总线上；（4）所选存储器单元A的内容进过数据总线，传送到数据缓冲寄存器DR；（5）数据缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器IR；（6）指令寄存器中的操作码被译码或测试；（7）CPU识别出是指令CLA，至

12、此，取指令阶段结束。例 1（P ）1026、微指令和微程序在计算机的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合构成一条微指令。 一条机器指令的功能是用许多条微指令组成的序列来实现的，我们将实现一条机器指令 功能的微指令序列称为微程序。7、机器指令与微指令的关系 一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。机器指令是从内存中取出的，因此与内存储器有关；微指令是存放在CPU中的控制存储 器中的，因此与控制存储器有关。第五章 存储系统1、存储器的分级结构CPU寄存器内存外存cache磁带光盘磁盘主存分级存储系统可以分为两个层次:高速缓存和主存间称为cache-主存存储

13、层次，即cache 存储系统；主存-外存存储层次称为虚拟存储系统。2、程序运行的局部性原理主要体现在:时间方面、空间方面和指令执行顺序方面。3、使存储芯片的容量满足存储器实际要求的方法:位扩展法、字扩展法和字位同时扩展法。例1、2 （P ）1381394、双端口存储器:一个具有左端口和右端口的存储器，每个端口都有各自独立的读写控制 线路和各自的数据总线、地址总线和控制总线，从而可以通过两个端口同时对存储器进行读 写操作，提高存储器的存取速度。5、存储器都是按地址访问的，而相联存储器是按内容访问的。6、Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一项重 要技术。7

14、、高速缓冲技术就是利用程序的局部性原理，把程序中正在使用的部分（活跃块）存放在 一个高速的容量较小的存储器（cache）中，使CPU的访存操作大多数针对cache进行，从 而使程序的执行速度大大提高。8、CPU和cache之间的数据交换以字为单位，而cache与主存之间的数据交换以块为单位。9、在计算机系统中设置cache的一个主要目的是为了提高存储系统的速度。10、全相联映射方式是主存中的任意一块可以映射到cache中任意的块位置上。11、组相联映射方式把主存按cache的容量分区，主存中的各区和cache再按同样大小划分 成数量相等的组，组内再划分为块，主存的组到cache的组之间采用直接映射方式，对应组 内各块之间采用全相联映射方式。12、调度方式有分页式、段式和段页式3种。存储方式有段式存储、页式存储和段页式存储。13、有多个用户在机器上运行，即称为多道程序，多道程序的每一道（每个用户）需要一个 基号（用户标识号），可由它指明该道程序的段表起始地址（存放在基址寄存器中）。第六章 输入输出设备1、显示存储器（刷新存储器）RAM：显示存储器存放欲显示字符的ASCII码，其容量与显示 屏能显示的字符个数有关。2、显示适配器由刷新存储器、ROM BIOS、显示控制器3部分组