计算机组成思维导图模板_ProcessOn思维导图、流程图

中央处理器

中央处理器CPU

CPU组成

运算器

ALU 算数逻辑单元

暂存寄存器

ACC 累加寄存器

通用寄存器组

AX 累加器

BX 基址寄存器

CX 计数器

DX 数据寄存器

PSW 状态字寄存器

OF 溢出标志

SF 符号标志

ZF 零标志

CF  进/借位标志

移位器

CT 计数器

控制器

PC 程序计数器

IR 指令寄存器

ID 指令译码器

MAR 存储地址寄存器

MDR 存储器数据寄存器

时序系统

微操作发生器

其他

MMU 存储器管理单元

指令部件

CU 控制单元

中断机构

BIU 总线接口单元

CPU功能

指令控制

PC, IR, ID

操作控制

时间控制

数据加工

ALU, REG ,REG组

异常及中断处理

外部访问

I/O访问

寄存器组织

用户可见寄存器

数据寄存器

累加寄存器 AC

地址寄存器 AR

基址寄存器

程序计数器 PC

通用寄存器组 GPRS

状态字寄存器 PSR

专用寄存器

指令寄存器 IR

存储器地址寄存器 MAR

存储器数据寄存器 MDR

控制寄存器

微指令寄存器

CPU工作流程

指令周期

取指周期

间址周期

执行周期

中断周期

CPU/机器周期

时钟周期

异常/中断

中断处理程序

中断响应

中断周期

指令执行过程

取指令

指令操作译码

取操作数

数据操作/运算

保存结果

指令地址计算/PC+1

指令执行方案

单指令周期CPU

多指令周期CPU

流水线方案

基本结构图

CPU 控制方式

同步控制方式

异步控制方式

联合控制方式

数据通路

组成

部件

ALU

通用寄存器

状态寄存器

Cache

MMU

浮点运算逻辑

异常和中断处理逻辑

基本结构

总线结构

内部单总线

内部三总线

点点结构

专用数据通路方式

微操作与控制

寄存器间传送uOP

算逻运算uOP

执行算数或逻辑运算

执行过程组织

设计

指令系统分析

功能部件设计

单周期数据通路设计

指令系统分析

功能部件设计

数据操作单元

地址计算单元

寄存器组

特殊功能寄存器

部件互连设计

指令执行过程的组织

多周期数据通路设计

控制器

控制器类型

硬布线控制器

时序系统

时钟周期

机器周期

指令周期

微操作命令分析

类型

单周期

多周期

微程序控制器

相关概念

主存地址位数

编址方式

映射方式

主存块【Cache行】大小

字位数

写策略

Cache数据容量、总容量

位数计算

PC 程序计数器

IR 指令寄存器

指令字长

操作码位数计算

单位换算

秒

十次幂

语言级别

机器语言

汇编语言

高级语言

位/字长/格式

字长

机器字长

存储字长

指令字长

数据字长

位与字节

单位

位bit

字节Byte

字word

存储单元

大小端模式

大端模式

小端模式

C语言的数值

进制

16进制表示 0x(具体16进制值)

8进制表示 0(具体8进制值)

数据字节数

int 4B

short 2B

char 1B

图示

数据转换

有符号->无符号

浮点数->整数

高精度->低精度

强制转换规则

转换路径

等级优先次序

常见数值精度

char 4bit/1B

整数

有符号 -128~127

无符号 0~255

short 16bit/4B

整数

有符号 -32 768 ~ 32 767

无符号 0~65 535

int 32bit/8B

整数

有符号 -2,147,483,648~2,147,483,647

无符号 0~4,294,967,291

[long/double] 64bit/16B

存储

整数/补码

i = 0x123

浮点数/IEEE754

f = 1.456E3

unsigned int/ int / float

周期

时钟周期

振荡周期

CPU周期/机器周期

状态周期

指令周期

总线周期

任务周期

中断周期/中断响应周期

存取周期

935 考纲

2021】 一、计算机系统概述   (一)计算机发展历程   (二)计算机系统层次结构   1.计算机硬件的基本组成   2.计算机软件的分类   3.计算机的工作过程   (三)计算机性能指标   响应时间、吞吐率，CPU时钟周期、主频 、CPI、CPU执行时间，MIPS、MFLOPS   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.数据编码： 机器数及其编码，BCD码，字符编码   3<strike>.校验码</strike> (二)数据的表示 1. 数值数据的定点表示： 无符号数的表示，有符号数的表示 2. 数值数据的浮点表示： 浮点表示方法，IEEE754标准 3. 非数值数据的表示： 字符与字符串的表示，逻辑数的表示 (三) 定点数的运算   位移运算，位扩展运算， 原码加/减运算，补码加/减运算， 原码一位乘法运算，补码一位乘法运算， 溢出概念和判别方法   (四)浮点数的运算   加/减运算   (五)算术逻辑单元ALU   1.串行进位加法器和并行进位加法器   2.算术逻辑单元ALU的功能和结构    三、存储器层次结构   (一)存储器的分类   (二)存储器的层次化结构   (三)半导体随机存取存储器   1. SRAM存储器的工作原理   2. DRAM存储器的工作原理   3.只读存储器 (四)主存储器 主存的逻辑设计，主存与CPU的连接 ，提高访存速度的措施   (五)高速缓冲存储器(Cache)   1.Cache的基本工作原理   2.Cache和主存之间的映射方式   3. Cache中主存块的替换算法   4. Cache写策略   (六)虚拟存储器   1.虚拟存储器的基本概念   2.虚拟存储器的实现   页式虚拟存储器，段式虚拟存储器， 段页式虚拟存储器，TLB(快表)   四、指令系统   (一)指令格式 指令的功能，指令的基本格式， 操作码字段的功能及表示， 地址码字段的功能及表示， 指令字的相关概念   (二)指令的寻址方式   1.有效地址的概念   2.数据寻址和指令寻址  3.常见寻址方式   (三) CISC和RISC的基本概念   五、中央处理器(CPU)   (一) CPU的功能和基本结构 (二) 指令执行过程      CPU的工作流程，指令的执行过程， CPU基本操作与微操作的关系， 指令执行过程的微操作序列 (三)数据通路的功能和基本结构 数据通路的类型，单总线数据通路的基本结构， 微操作与微操作命令的关系， 指令执行过程的微操作命令序列   (四)控制器的功能和工作原理   1.硬布线控制器 基本结构，时序系统组成， 信号时序控制方式，微操作控制信号形成   2.微程序控制器   微程序相关概念，微指令的编码方式， 微地址的形成方式   (五)指令流水线   1.指令流水线的基本概念   2.指令流水线的基本实现   3.超标量和动态流水线的基本概念   (六)多核处理器的基本概念   六、总线   (一)总线概述   1.总线的基本概念   2.总线的分类   3.总线的组成及性能指标 4. 总线的操作过程   (二)总线仲裁   1.集中仲裁方式：链式查询， 计数器定时查询，独立请求   2.分布仲裁方式的基本概念   (三)总线操作定时   同步定时方式，异步定时方式，半同步定时方式   (四)总线标准    七、输入输出(I/O)系统   (一)I/O系统基本概念   (二)外部设备   输入设备，输出设备，外存储器   (三) I/O接口(I/O控制器)   1.I/O接口的功能和基本结构   2.I/O端口及其编址   3.I/O地址空间及其编码   (四)I/O方式   1.程序查询方式   2.程序中断方式   中断的基本概念，中断响应过程， 中断处理过程，多重中断和中断屏蔽的概念   3.DMA方式   DMA控制器的组成，DMA传送过程 <strike>4.通道方式</strike>

2022】 一、计算机系统概述   (一)计算机发展历程   (二)计算机系统层次结构   1.计算机硬件的基本组成   2.计算机的工作过程   (三)计算机性能指标   响应时间、吞吐率，CPU时钟周期、主频 、CPI、CPU执行时间，MIPS、MFLOPS   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.数据编码： 机器数及其编码，BCD码，字符编码    (二)数据的表示   1.数值数据的定点表示： 无符号数的表示，有符号数的表示   2.数值数据的浮点表示： 浮点表示方法，IEEE754标准   3.非数值数据的表示： 字符与字符串的表示，逻辑数的表示   (三)定点数的运算   位移运算，位扩展运算，补码加/减运算， 原码一位乘法运算，补码一位乘法运算， 溢出概念和判别方法   (四)浮点数的运算   加/减运算   (五)算术逻辑单元ALU   1.串行进位加法器和并行进位加法器   2.算术逻辑单元ALU的功能和结构    三、存储器层次结构   (一)存储器的分类   (二)存储器的层次化结构   (三)半导体随机存取存储器   1.SRAM存储器的工作原理   2.DRAM存储器的工作原理   3.只读存储器   (四)主存储器   主存的逻辑设计，主存与CPU的连接， 提高访存速度的措施   (五)高速缓冲存储器(Cache)   1.Cache的基本工作原理   2.Cache和主存之间的映射方式   3.Cache中主存块的替换算法   4.Cache写策略   (六)虚拟存储器   1.虚拟存储器的基本概念   2.虚拟存储器的实现   页式虚拟存储器，段式虚拟存储器， 段页式虚拟存储器，TLB(快表)   四、指令系统   (一)指令格式   指令的功能，指令的基本格式， 操作码字段的功能及表示， 地址码字段的功能及表示， 指令字的相关概念   (二)指令的寻址方式   1.有效地址的概念   2.数据寻址和指令寻址   3.常见寻址方式   (三)CISC和RISC的基本概念   五、中央处理器(CPU)   (一)CPU的功能和基本结构   (二)指令执行过程   CPU的工作流程，指令的执行过程， CPU基本操作与微操作的关系， 指令执行过程的微操作序列   (三)数据通路的功能和基本结构   数据通路的类型，单总线数据通路的基本结构， 微操作与微操作命令的关系， 指令执行过程的微操作命令序列   (四)控制器的功能和工作原理   1.硬布线控制器 基本结构，时序系统组成， 时序信号形成，微操作控制信号形成   2.微程序控制器   (五)异常和中断机制   1.异常和中断的基本概念   2.异常和中断的处理过程   (六)指令流水线   1.指令流水线的基本概念   2.指令流水线的基本实现   3.超标量和动态流水线的基本概念   (六)多核处理器的基本概念   六、总线   (一)总线概述   1.总线的基本概念   2.总线的分类   3.总线的组成及性能指标   4.总线的操作过程   (二)总线仲裁   1.集中仲裁方式：链式查询， 计数器定时查询，独立请求   2.分布仲裁方式的基本概念   (三)总线传输与定时   总线事务类型，总线定时方式，总线标准   七、输入输出(I/O)系统   (一)I/O系统基本概念   (二)外部设备   输入设备，输出设备，外存储器   (三) I/O接口(I/O控制器)   1.I/O接口的功能和基本结构   2.I/O端口及其编址   (四)I/O方式   1.程序查询方式   2.程序中断方式   中断响应过程，中断处理过程，多重中断和中断屏蔽的概念   3.DMA方式   DMA控制器的组成，DMA传送过程

系统概述

功能

数据处理

数据存储

数据传输

发展

历史

电子管/磁鼓存储器

晶体管/磁芯存储器

中小规模集成电路//磁芯

超大规模集成电路/半导体

趋势

微型化、网络化、智能化

巨型化、并行化、超高速

组成

冯诺依曼计算机

五大部件 硬件结构

计算器【核心】

控制器

存储器

输入设备

输出设备

工作方式

“存储程序”

程序由若干条指令组成的指令序列

程序执行可看作指令执行过程，取指令、分析指令、执行指令

顺序取指工作

以运算器为中心，I/O和存储器数据都经过运算器

根据指令周期的不同阶段区分存储器取出的是指令还是数据

存储器结构

只需一个存储器，可为由定长单元组成的一维空间

指令数据都由二进制表示

现代计算机结构

硬件结构

存储器

主存

辅存

存储字长

运算器

加法器 ALU

浮点运算器 FPU

各类寄存器

控制器

程序计数器 PC

指令寄存器 IR

指令译码器 ID

控制单元 CU

I/O设备

辅存和 I/O 合称外设

总线

系统总线

数据总线 DBus

控制总线 CBus

地址总线 ABus

总线传输

工作方式

总线传输

优点

传输控制简单、可扩展性好

缺点

需要分时进行信息传输【总线共用】

I/O接口

定义

在外设和总线之间增设连接电路

主要功能

数据缓冲、格式转换、通信控制...

其他名称

设备适配器、设备控制器

层次结构

编程语言级别

高级语言M4

汇编语言M3

操作系统M2【平台/软硬交界面】

机器语言M1

微程序级M0

翻译/解释

翻译 将程序直接转化为可执行【机器语言】程序

解释 每一条语句在运行中动态解释为一条等效机器语言

软件与硬件

OS 软硬件交界面【虚拟机器与实际机器之间部分】

工作过程

程序执行顺序

顺序型指令

跳转(转移)型指令

程序执行机制

程序执行 循环的指令执行

指令执行过程

取指令

分析指令

执行指令

控制执行 CU

指标

硬件技术

机器字长 = CPU 整数运算处理位数

CPU 主频

节拍脉冲/机器脉冲源

CPU 主时钟周期/节拍周期

CPU 时钟周期

时钟脉冲信号的宽度

CPU 主频/时钟频率

单位 一般为 MHz 或 GHz【10进制量】

CPI

存储容量

CPU 可寻址空间大小

2^MDR 2^MAR

字数 字长

编址单位

字

字节

数据通路带宽

性能

响应时间/执行时间

定义 一个任务从提交到完成所花的全部时间

公式

CPU时间

吞吐率/吞吐量

定义 单位时间内计算机完成的总工作量

公式

单位

MFLOPS

MIPS

指令条数 / (指令时间 1e6)

主频 / CPI

数据表示与运算

数据编码

数值转换

进位计数制

按权展开

公式

常用进位单位

Binary 二进制

【%o】Octal 八进制

8进制表示 0(具体8进制值)

Decimal 十进制

【%x】Hexadecimal 十六进制

16进制表示 0x(具体16进制值)

二进制编码优点

表示方便

对应布尔逻辑运算

编码和运算规则简单，能够用逻辑门电路方便实现

进制转换

二次幂进制转换

二进制转八进制

二进制转十六进制

十进制转换

任意进制数转换为十进制

十进制转换为任意进制

整数转换

除基取余

减权定位

小数转换

乘基取整

减权定位

机器数编码

概念

机器数

真值

有符号数编码

原码

n位机器数，1位表示符号，n-1位表示数值，则数值最高权位2^{n-2} <span class="equation-text" data-index="0" data-equation="[X]_原=\begin{cases} X ,0\leq X<2^{n-1}【\sum_{i=1}^{n-2}2^i=2^{n-1}-1】\\2^{n-1}-X=2^{n-1}+|X|,-2^{n-1}<X\leq 0 \end{cases}\\ [+0]_原=0000\neq [-0]_原=1000" contenteditable="false">

运算

加减运算先比较大小，符号与数值分开运算【手工运算】

表示范围与真值相同，但编码 +0 ≠ -0

补码

表示 <span class="equation-text" data-index="0" data-equation="[X]_原=\begin{cases} 2^n+X=X ,0\leq X<2^{n-1}\\2^{n}+X=2^{n}-|X|,-2^{n-1}\leq X\leq 0 \end{cases},(\mod 2^n)\\ [+0]_原= [-0]_原= 0000" contenteditable="false">

[X]与[-X]转化

全部位取反末位加1【相反数补码】

运算

正数补码=正数原码

负数补码=-真值原码（数值位为各位取反，末位加1)

补码运算符号位一起参与计算 非溢出运算下，符号位直接参与到运算中，并且舍去第位

负数补码 = 负数反码 + 1 正数补码 = 反码 = 原码

反码

移码

表示【补码符号位取反】

特点

零表示唯一

真值的补码和移码在符号位相反

移码全为0时，对应真值最小值 ; 移码全为一时，对应真值最大值

移码保持了数据的原有大小顺序，移码越大真值越大，反之同理

无符号编码

BCD编码

有权码

8421码【默认】

公式

其他 2421、5211、4311码

无权码

余3码

公式

格雷码

无符号数编码

字符编码

字符

输入码

字模/字形码

内码

交换码

字符集

ASCII

GB2312-80

Unicode

字符编码

数据校验码

概念

数据校验

校验码

数据信息/数据位

校验信息/校验位

码距

判断编码冗余程度

码字中位置不同的个数的最小值

编码类型

奇偶校验码

基本原理

通过校验码中1的个数为奇数（偶）来判断是否有误 <span class="equation-text" data-index="0" data-equation="数据位M=m_n...m_1,校验位P=p_1,则校验码位MP=m_n...m_1p_1\\奇校验位P=m_n \bigoplus ... \bigoplus m_1\bigoplus 1,偶校验位m_n \bigoplus ... \bigoplus m_1" contenteditable="false">

异或

故障字

优缺点

优点：简单，开销小 缺点：码距为2较小，不能确定错位置，无纠错能力

海明校验码

基本原理