计算机组成原理笔记唐朔飞版)资料.pdf

目录目录 一、概念. 2 一、1 概念 . 2 一、2 基本组成 3 一、3 主要技术指标 5 一、4 小结 . 5 二、系统总线 . 5 二、1 基本概念 5 二、2 总线结构 7 二、3 总线控制 9 二、4 小结 . 12 三、存储器. 12 三、1 简介 12 三、2 主存储器 13 三、3 只读存储器 . 18 三、4 存储器与 CPU 的连接 18 三、5 高速缓冲存储器 19 三、6 辅助存储器 22 三、7 小结 . 23 四、输入、输出系统 . 23 四、1 概述 23 四、2 I/O 接口 24 四、3 程序查询方式 26 四、4 接口中的中断 . 26 四、4 DMA 技术 . 29 四、5 小结 . 32 五、计算机的运算方法 . 32 五、1 无符号数 . 32 五、2 数的定点表示和浮点表示 34 五、3 定点运算 36 五、4 浮点四则运算 42 五、5 ALU 单元 43 五、6 小结 45 六、指令系统 . 46 六、1 机器指令 46 六、2 操作数类型及操作类型 46 六、3 寻址方式 47 六、4 指令格式 48 六、5 RISC 技术 48 六、6 小结 . 49 七 CPU 的结构与功能 49 七、1 CPU 的结构 . 49 七、2 指令周期 50 七、3 指令流水 . 54 七、4 中断系统 57 七、5 小结 . 59 八、控制单元 . 59 八、1 微操作命令的分析 59 八、2 多级时序系统 61 八、3 小结 . 64 九、控制单元的设计 . 64 九、1 组合逻辑设计 64 九、2 微程序设计 . 66 九、3 设计举例 70 九、4 小结 . 73 一、一、概念概念 一、1 概念 1、 硬件:看的见，摸得着的电子元器件。

2、 软件分为 系统软件 ，应用软件 3、 系统软件：管理整个计算机系统，监视系统，合理调度系统资源，高效运行包括：标 准程序库、 语言处理程序 （汇编程序（翻译汇编语言的程序） ， 编译程序） ，操作系统（批 处理、分时、实时） 、服务程序（诊断、调试、连接程序） 、数据库管理、网络软件 4、 应用软件 ：科学计算、数据处理、过程控制、事务管理 5、 计算机解题过程： 6、 计算机层次结构： 7、 编译：高级语言全部语句一次性转换为机器语言程序（补充虚拟机器 M4） 解释：源程序一条语句翻译成机器语言的一条语句，并立即执行翻译一条执行一条 例：BASIC 语言 8、 计算机体系结构：用机器或汇编语言编程的程序员能看到的传统机器的属性（指令集、 数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等抽象属性） 计算机组成：是指的如何实现 计算机体系结构中体现的属性多数是硬件细节 一、2 基本组成 1、典型冯诺伊曼结构（运算器为中心） 2、硬件框图（存储器为中心） 图例：运算器：算数运算与逻辑运算； 存储器：存放数据与程序； 控制器：控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算的结果； 输入/出设备：将熟悉的信息形式 与 机器能识别的信息形式装换。

3、现代硬件框图 主要含三大部分：CPU(运算器+控制器)（主频+架构） 、I/O 设备、主存储器 4、上机前的准备工作 建立数学模型-设计算法编写程序 5、主存 主存的工作方式：按存储单元的地址号实现对存储字各位的 存（写入） 、取（读出） 即按 地址访问存储器 期间会用到两个寄存器 MAR 与 MDR MAR—存储器地址 寄存器； MDR— 存储器数据 寄存器现在的发展是指令字长和数据字长是可变的（字节的整数倍） 6、运算器 运算器包含 3 个寄存器和一个算数逻辑单元 （ALU） 3 个寄存器包括 ACC （累加器） ， MQ （乘 商寄存器） ，操作数寄存器MQ 在乘法和除法计算中会用到 7、控制器 所用到的寄存器：程序计数器（PC） 、指令寄存器（IR） 、控制单元（CU）. PC 与 MAR 相关，存放当前欲执行指令的地址； IR 存放当前指令，此内容来自 MDR其中的操作码将送至 CU，用于分析指令其中的地址 码将作为操作数的地址送至主存的 MAR 取指取指---命令存储器读出一条指令； 例：控制器将 PC 送到主存的 MAR，命令主存“读” ，主存 MAR 中的地址 所对应的单元内 容 进入 MDR。

MDR 将此内容送给 IR 分析分析---分析指令需要的操作，并按寻址特征指明操作数的地址---； 例：CU 分析 IR 中的内容，假如 IR 中的操作码部分为取数指令，CU 将 IR 中的地址码部分送 至 MAR，命令主存“读” ，地址码对应的存储单元的内容进入 MDR，在根据四则运算的操作 要求，MDR 中内容进入相应寄存器（此例为进入 ACC） 执行执行----根据操作数所在地址以及指令的操作码完成某种操作---； 此步骤主要在运算器中进行，详细可参考四则运算的过程 一、3 主要技术指标 1、机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，与 CPU 的寄存器位数有关不能单从精度和数 的表示范围来考虑 2、存储容量：存储容量=存储单元个数 X 存储字长 MAR 位数—反映存储单元的个数，MDR 的位数—存储字长 3、运算速度 吉普森法 TM机器运算速度，fi 第 i 种指令占全部操作的百分比；ti 第 i 指令的执行时间 MIPS---单位时间内执行指令的平均条数 CPI----执行一条指令所需的时钟周期（主频的倒数） FLOPS---浮点运算次数每秒 4、唐朔飞版《计算机组成原理》 一、4 小结 计算机软、硬件概念，计算机层次结构，基本组成，主要技术指标， （机器字长、存储容量、 运算速度） 。

重点：冯诺依曼结构的计算机 二、系统总线二、系统总线 二、1 基本概念 1、分散连接 以存储器为中心的冯诺伊曼结构， 采用了中断技术 （CPU 与慢速外设的分离） 、 DMA 技术 （少 量干预 CPU 的前提下，高速外设与主存交换数据） 2、总线 ： 连接多个部件信息传输线，是各部件共享的传输介质 总线由许多传输线或通路串行传输与并行传输 3、面向 CPU 的双总线结构 单总线结构（总线争夺） 4、双总线结构 5、总线的分类 数据传送方 式 并行传输 串行传输 连接部件的 不同 片内总线 CPU 内部、寄存器之间、寄存器与算逻单元与 ALU 通信总线 串行通信总线 种类多 并行通信总线 系统总线系统总线 （电路板之 间的总线） CPU 主存 与 I/O 信息传 输线 数据总线 传输功能部件的数据信息 地址 CPU 欲访问的存储单元的地址 或 I/O 端口的地址 单向传输 反映寻址范围 控制 发出控制信号的传输线 单根是单向的，总体是双向的 6、物理实现 7、指标 总线宽度总线宽度：数据总线的根数； 标准传输率标准传输率：总线上每秒能传输的最大字节量 （MB/s）. 时钟同步、异步； 总线复用： 地址总线与数据总线物理上是一根。

提高利用率； 信号线数：地址、数据、控制三种总线数的总和； 总线控制方式：并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式 二、2 总线结构 1、单总线 2、双总线（大中型计算机系统） 3、三总线 4、三总线 某时刻，DMA 总线与主存总线只 能用其一 DMA:高速外设与主存连接 说明：局部总线：连接 CPU 与 Cache 以及部分外设； 扩展总线：连接各种接口，再通过接 口连接外部设备； 系统总线：连接扩展总线，实现外设与主存信息交换；连接 Cache，实 现 Cache 与主存信息交换 5、四总线 外部设备做了区分，高速总线通过 Cache/桥 与局部总线 、系统总线进行通信 6、举例：PCI 总线 二、3 总线控制 1、判优控制（仲裁逻辑） 主设备（有控制权）CPU ， 从设备（响应主设备）主存、外设 主设备发出总线请求信号， 总线控制器根据 判优、 仲裁逻辑按一定的优先等级顺序 调度总 线的使用 判优控制有集中式集中式 、分布式、分布式（DMA 技术） 2、集中式详解 链式查询链式查询 BS—总线忙；BR—总线请求；BG—总线同意三条线都属于控制线的范畴 BG 线将 I\O 设备串联，且确定了优先级。

特点：线路只需三根，对线路故障敏感 计时器定时查询计时器定时查询 接口提出总线请求，总线控制部件接受到请求信号以后，开始计数，计数为 0 时，设备地址 线上信号为 0，此时 I\O 接口 0 检测自己是否发出过总线请求，若无，计数器累加，I\O 接 口 1 检测自身是否发出请求，若是，则使用总线 优先级： 计数器先到谁， 谁获得了总线使用权 在响应某个接口之后， 可以归零， 可以累加， 控制灵活线路较多 独立请求方式独立请求方式 BR—总线请求，BG—总线同意单独提出请求，控制部件知道是谁提出了请求 优先级：排队器，可用程序实现控制灵活，设备扩展复杂，线路增多，响应时间短 3、总线通信控制（分时方式）基本概念 四个阶段四个阶段： 申请分配阶段：主设备提出申请，控制部件指定下一周期总线的使用权归谁； 寻址阶段：获得使用权的主设备发出从设备的地址； 传数：数据交换； 结束：主设备撤销系统总线上的残余信号 总线通信控制总线通信控制：： 解决通信双方如何获知传输开始与传输结束，如何协调、配合 控制分类控制分类：同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信 4、同步通信 由统一时标控制数据传送，此时标由控制部件产生，其他各部件与其同步。

举例： “读”命令（即 CPU 的数据输入） T1 主模块发地址， T2 主模块发读指令 T3 从模块提供数据 T4 主模块撤销读命令 主模块在总线传输的固定的时刻进行命令的下达， 不管从模块的具体实现过程， 这就需要各 模块的参数的配合工作效率较低，缺乏灵活性 5、异步通信 应发方式（握手方式） ：适合设备速率相差较大的 6、半同步通信 : 综合同步异步，增加了 WAIT 信号线 （微机常见） 举例： “读”命令，参考同步通信中 ，在 T3 时刻主模块是要读数据的，但是在半同步中， 从模块如果没有准备好数据，可以置位 WAIT 信号线通知主模块，这时主模块会加入 WAIT 时间，等到从模块准备好了，从模块再取消 WAIT 信号，主模块回归正常 请求信号与应答信号撤销的不同 方式分为三种： 不互锁、半互锁、全互锁（安全） 分析每条总线的空闲时间，可提高效率 7、分离式通信： （大型机使用） 双主模块，将一个传输周期（总线周期）分解为两个子周期 第一子周期：主模块 A 在获得总线使用权之后，将命令、地址、主模块 A 的编号及其他信 息 发到系统总线上，主模块 B 接受传输完成后，模块 A 立即放弃总线使用权。

不用 等 B 的处理结果 第二子周期：B 处理完成后，申请总线使用权，将 A 的编号、B 的地址以及有效数据上传总 线，供 A 接收 二、4 小结 本章讲述总线概念、分类、特性、结构及控制 重点内容： 要求掌握系统总线在计算机硬件结构中的低位和作用，以及为了克服总线瓶颈 问题而采用的多总线结构此外，为了解决众多部件争用总线，必须对总线进行判优和通讯 控制 三、存储器三、存储器 三、1 简介 1、分类 存储方式 半导体（主存） 光盘 磁表面（附存） 存取方式 随机存储器 RAM 静、动态 串行访问存储器 （顺序存取、直接存取） 只读存储器 ROM 在计算机的作用 主存（RAM\ROM） 闪存 辅存(磁盘、磁带、光盘) 缓存 2、层次结构（多级） PS : 辅存可以划出部分空间作为主存， 用来存储程序---虚拟存储器 （CPU 与操作系统支持） 三、2 主存储器 1、简介 引入缓存的原因： 1、CPU 追求速度，主存追求容量 2、程序的集中式原理：计算机执行程序的 位置相对集中， 顺序执行语句分布较密集 缓存就可以小部分主存内容的拷贝CPU 在。