计算机组成原理
2024-01-12 11:08:11 0 举报AI智能生成
计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件组成的学科，它涵盖了计算机系统的各个方面，如CPU、内存、存储设备、输入输出设备等。计算机组成原理还涉及计算机指令集、计算机架构、计算机网络等方面的知识。通过学习计算机组成原理，我们可以更深入地理解计算机的工作原理，为更好地利用计算机系统打下坚实的基础。
作者其他创作
大纲/内容
定义——组成计算机程序、指示计算机硬件执行某项运算或操作功能的命令
格式：操作码+操作数地址
读取指令
判断指令类型
读寄存器
译码
数据计算
地址计算
ALU执行
内存读写
数据写回
执行
步骤
单指令周期的CPU系统
多指令周期的CPU系统——需要几个周期就分配几个周期
指令流水线的CPU系统
方案
指令周期——执行一条指令所用的时间
指令
立即数寻址
寄存器寻址、寄存器间接寻址
直接寻址
变址寻址
相对寻址
基地址寻址
间接寻址
堆栈寻址
寻址方式
R型指令
I型指令
J型指令
MIPS32——RISC结构
单字
双字
种类
0X——A组
10——B组
11——D组
IR15、IR14——区分指令组
基本指令0
扩展指令1
IR13
简化控制器实现
IR12
同一指令组中的不同指令
IR11—IR8
操作码
DR/SR
IO端口地址：80/81
offset相对寻址偏移量
立即数
直接地址
变址偏移量
操作数
指令格式：操作码+操作数地址字段
教学计算机的指令系统80x86
各计算机的指令系统
顺序执行
无条件转移执行
条件分支执行
循环执行
子程序调用与返回执行
程序结构
在屏幕上输出一个Aor其他字符
用次数控制lianxushuchu0—9
常见程序
汇编语言
指令系统——一台计算机支持使用的全部指令
程序计数器PC——保存指令在内存中的地址
指令寄存器IR
节拍发生器Timing
控制信号产生部件CU
组成
MIPS32
I/O——串行接口
存储器
运算器D、Y
控制器信息输入输出、IR
数据总线DB——部件间数据传送
控制器地址输出引脚
地址总线AB——选择存储器芯片内的控制单元
控制总线CB
总线
PC
CU
Timing
1个ispMACH
IR
AR
flag
中断相关
2个74LS377
构成
MEM->IRPC+1->PC从存储器中读指令存入IR形成下条指令的地址（内存、控制器）
取指周期
运算器内完成相应计算
保存计算结果
保存标志位信息
算术与逻辑运算指令
控制器内完成转移地址的计算
保存转移地址到PC
相对转移指令
读取指令转移地址送PC
读取立即数送DRPC+1->PC内存、控制器/运算器
长转移指令
R0和串口间完成数据传送运算器/串口
输入输出指令
计算存储器的单元地址送AR
读写存储器指令
读子程序入口地址送PCPC+1->NPC
CALA
执行周期
读写存储器指令——内存读/写
CALA——修改堆栈指针送AR
存储周期1
写NPC内容（主程序断点）到堆栈
存储周期2
节拍划分
1 不允许内存和I/O
0 允许内存和I/O
MIO
1串口
0内存
REQ
1读
0写
WE
串口工作信号
TECXP硬布线控制器——单总线结构多指令周期
实例
硬布线控制器
一经写入仅供读取
断电后保存
主存储器的组成部分
只读存储器ROM
控制存储器（控存）——存储整个指令系统所需要的全部微程序
微指令寄存器——提高执行速度
微指令下地址线路——提供下一条微指令在控存中的地址
与指令的关系——是指令与计算机硬件电路之间建立联系的媒介
微命令段16位
时序电路输入控制字段7位
6位微指令转移地址字段
1微指令是否条件转移的判断码
4命令码
下地址字段11位
划分
微周期——指令在执行阶段的每一个执行步骤
微操作——在微周期的每一步操作
微指令——提供完成微操作的控制信号
取指操作（公用于所有指令）
A组指令——各用一条微指令（相对转移指令共用一条）
准备内存地址
完成读写操作
B组指令——各用两条微指令
CALA——三条指令
执行操作
执行步骤
TECXP微程序控制器
微程序控制器
程序计数器PC
指令执行的步骤标记线路
全部控制信号的产生部件
控制器
基本存储单元——存储一位二进制码的存储元件
断电后不保存
主存储器的主要组成部分
随机访问存储器RAM
顺序访问存储器SAS
按照存取方式划分
地址总线——选择存储单元位数决定可访问存储单元的最大数目——最大寻址空间，32位—4GB
数据总线——在各功能部件之间传送数据
控制总线——指明总线工作类型
与CPU和外围设备连接交互途径——三大总线
特点
应用——读写快、高速缓存器
SRAM静态存储器
应用——集成度高、大容量主存储器
集中式刷新
分散式刷新
刷新
DRAM动态存储器
分类
连接方式——将多片存储器的地址、片选、读写端连在一起，数据端单独引出
位扩展——加大字长
字扩展——增加存储器中字的数量
芯片个数：存储器容量/芯片容量
多余位2-4译码器
芯片容量位地址总线
地址总线（单箭头）
高位
低位
数据总线（双箭头）
WE/R/W控制读写（单箭头）
逻辑图
字位扩展
容量扩展
提升性能的途径
主存储器（内存）
段表——变换逻辑地址为主存中的实际地址
段——把在逻辑上、处理功能上有一定独立性的程序段单独划分成一个独立的程序单位
优点——易于分别编译、管理、修改和保护，实现程序对段的共享
缺点——给主存空间的分配与管理带来麻烦，出现碎块，浪费存储器的有效可用容量
段式存储器管理
页：2的整数次方个字
虚地址：虚页号 页内地址
实地址：实页号 页内地址
重要区别：页是人为规定
页式存储器管理——以页为单位进行主存与虚存之间的信息交换
存储器管理——操作系统
虚拟存储器——高速磁盘上的一片存储空间
磁记录介质
磁盘驱动器
硬盘控制器
磁盘设备——硬磁盘
外部存储器
辅助存储器（包括外存）
作用——提高CPU访问存储器系统的平均速度
原理——把cpu最近可能用到的少量信息从主存中复制到Cache中
容量
平均访问时间 = 命中时间 x 命中率 + 失效损失 x 缺失率
交换信息量
组织方式
多级cache更好
换字算法
影响命中率的因素
性能指标——命中率
保存从主存某一存储单元复制过来的数据内容
数据字段
保存相应数据内容的地址信息
标志字段
1有效
0无效
有效字段
组织形式
总容量：单元数x单元长度
二者对应关系完全随意
优点：有很大灵活性
缺点：必须挨个寻找比较
全相联映像方式
二者对应关系硬性规定
优点：比较简单
缺点：缺乏灵活性，影响命中率
直接映像方式
有限的随意对应
多路组相联映像方式
映像方式
先后后出
最近最少使用算法
随机替换
块替换算法
高速缓冲存储器（cache）
按照功能效用划分
磁表面存储器
光盘存储器
外存
半导体存储器（主存）
按照存储介质划分
特点：读写速度尚可，容量适中，核心地位
主存
特点：读写速度慢，容量大
虚拟存储器
特点：读写速度快，容量小，离cpu更近
高速缓存
结构
时间局限性
空间局限性
指令顺序执行局限性
局限性
一致性原则——信息不管在哪都保持相同的值
包含性原则——外层一定包含内层的信息
存放信息原则
多级结构存储器系统
盘面
键开关
内部线路
键盘
光学式
光电式
机械式
鼠标
数码相机
传真机
常见的输入设备
输入设备
AGP总线——数据传输
显示存储器：容量=像素个数*byte数
显示器
打印机
输出设备
I/O硬件——由计算机系统中所有I/O设备及其接口电路组成，是I/O系统的基础。
I/O软件——I/O驱动程序
I/O与内存统一编址
I/O独立编址
I/O编址方式——CPU访问I/O设备是通过给每台I/O设备分配一个唯一的编号来识别的，称为I/O地址
连接方式——总线式
程序中断方式：CPU利用效率略高，CPU、各外设可并行工作
直接存储器存取方式（DMA）：外设直接访问内存， CPU利用效率高；
信息传送的控制方式
串行接口
接口
端口
I/O系统
输入输出系统
内外中断
软件中断
中断源及分类
中断请求
中断响应
中断优先级
中断屏蔽
中断嵌套
禁止(开/关)中断
一次完整的中段过程由中断请求、中断响应、中断处理3个阶段
堆栈
关中断—>保存断点和现场
判中断源并转入中断服务程序
开中断—>执行中断服务程序
关中断—>恢复现场和断点
开中断—>返回断点
处理过程
中断请求功能一般是由接口硬件完成的
中断请求—>中断判优 —>中断响应—>中断服务—>中断返回
中断（控制器和低速小数据量外部设备）
DMA控制器
预处理
数据传送
传送结束处理
传送阶段
直接存储器访问 DMA（高频外设）
数据传送方式
内部总线
输入输出总线
系统总线
外部总线
总线种类
地址总线
数据总线
控制总线
类型
内存读周期
内存写周期
I/O读周期
I/O写周期
周期阶段
数据时间
地址时间
时间段
总线周期——一次内存读写or一次输入输出设备读写操作所必需的时间
单总线ISA
双总线ISA+EISA
PCI总线
三总线
总线结构
总线宽度——n根总线=2^n的寻址能力
同步总线
不允许不完整的总线周期
主同步信号
从同步信号
握手
异步总线
总线时钟
链式查询——近者优先
计数器定时查询——优先次序可变
线很多
独立请求
集中式
分散式
总线仲裁
输入输出设备
运算器
输入/输出设备——通过接口与总线相连
硬件
软件
基本组成
0数字逻辑层
1微体系结构层
2指令系统层
3操作系统层
4汇编语言层
5高级语言层
层次结构
cpu主频率——cpu系统使用的时钟脉冲的频率
每秒执行的指令条数（MIPS）
cpu速度
性能指标
计算机体系结构——硬件与软件功能的划分
计算机体系结构的具体实现
计算机组成
计算机系统
概念
流水线技术
基本概念
对小数x2/8/16
对整数/2/8/16
10 to 2、8、16
每3/4位一转换
2 to 8、16
数制转换
奇偶校验码
检错校验码
编码——二进制码
逻辑类型——0&1
字符串——连续存储，每个字节一个字符
字符类型——7位基2码 最高位为0
整数
浮点数——N=MxR^E
数值类型
4位有权码
4位无权码
十进制数的编码
负数：1-X
原码表示法
负数：2+X mod2
补码表示法
负数：(2-2^(-n))+X mod(2-2^(-n))
反码表示法
定点小数
和的符号与加数符号相反
溢出问题
[X+Y]补=[X]+[Y]
[X-Y]补=[X]+[-Y]
补码加减运算
1、取被乘数和乘数的绝对值，将两个数的符号位异或保存
2、定义A保存高位部分积初值为0000，定义B初值为被乘数，定义C初值为乘数
当此时C最低位为1时——A+B
当此时C最低位为0时——不操作
3、对C的最低位进行判断并分为两种情况
4、将A和C循环右移，A中最低位移入C中最高位，A中最高位用0补齐
5、当C中乘数全部移出时，暂停，计算符号位得到结果
原码一位乘法
1、先求出被除数和除数的补码，将被除数减去除数的补码
若余数为正——>判定为够贱，下一步进行减法操作，商最低位补1
若余数为负——>判定为不够减，下一步进行加法操作，商最低位补0
2、将余数和商循环左移，最低位上1，根据余数的值判断下一步运算情况
3、得到最后结果再计算符号位
原码一位除法
1、算被乘数的正负补码，两个数的符号位参与
当差为正时——A+B
当差为0时——不操作
当差为负时——A-B
3、对C这一步的最低位和上一步的最低位的差进行判断并分为三种情况
4、将A和C循环右移，A中最低位移入C中最高位，A中最高位用符号位补齐
5、当C中乘数全部移至符号位时，暂停，得到符号位之前的结果
补码一位乘法
1、先判断是否为同号，同则减、上1，异则加、上0
2、商最低位恒为1
补码一位除法
二进制数的编码
数据表示
数据相关和线路实现
输入：R&S
输出：F
与或
异或、异或取反、!R&S
逻辑运算
加
减R-S、S-R
算术运算
运算功能
ALU(逻辑运算单元)
AB读
B写
读写A & B
4位通用寄存器（16个）
4位Q寄存器(乘商寄存器、移位）
D输入
Y输出
5组多路选择器——实现芯片内部与外部信息的输入输出
选择ALU运算方式I5—I3
选择ALU数据来源I2—I0
选择ALU输出结果处理I8—I6
控制信号
OE——控制Y的输出
工作脉冲CP
A地址
B地址
其他输入信号
控制与操作
Am2901
读出N1、N2
ND写入数据时的寄存器编号
寄存器组（128个）
ALU
MIPS
计算机组成原理
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