《计算机组成原理》唐朔飞第二版_笔记

《计算机组成原理》唐朔飞第⼆版_笔记
第1章概论
1，计算机系统的软硬件概念
1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。

2）软件：由⼈们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应⽤软件。

①系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，⾼效运⾏。

它包括：标准程序库、语⾔处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、⽹络
软件等。

②应⽤软件⼜称应⽤程序，它是⽤户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。

2、计算机系统的层次结构：
1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

2）微程序级：第⼀级是微程序级。

这级的机器语⾔是微指令集，程序员⽤微指令编写的微程序，⼀般是直接由硬件执⾏的。

3）传统机器级：第⼆级是传统机器级，这级的机器语⾔是该机的指令集，程序员⽤机器指令编写的程序可以由微程序进⾏解释。

操作
4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，⼀⽅⾯它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另⼀⽅⾯它⼜是传统机器的延伸。

5）汇编语⾔级：第四级是汇编语⾔级，这级的机器语⾔是汇编语⾔，完成汇编语⾔翻译的程序叫做汇编程序。

6）⾼级语⾔级：第五级是⾼级语⾔级，这级的机器语⾔就是各种⾼级语⾔，通常⽤编译程序来完成⾼级语⾔翻译的⼯作。

7）应⽤语⾔级：第六级是应⽤语⾔级，这⼀级是为了使计算机满⾜某种⽤途⽽专门设计的，因此这⼀级语⾔就是各种⾯向问题的应⽤语⾔。

把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的⼯作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作⽤。

3、计算机组成和计算机体系结构
1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。

2）计算机系统的属性：是指站在不同计算机层级下看到的指令集、数据类型、寻址技术等。

3）计算机组成：是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。

eg.是否有乘法指令是结构问题，乘法指令的具体实现是组成问题。

4、计算机的基本组成
冯诺依曼结构特点：
1）计算机由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备五⼤部件组成
2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访
3）指令和数据均⽤⼆进制数表⽰
4）指令有操作码和地址码组成，操作码⽤来表⽰操作的性质，地址码⽤来表⽰操作数在存储器中的位置
5）指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执⾏的，在特定条件下，可根据运算结构或根据设定的条件改变执⾏顺序
6）机器以运算器为中⼼，输⼊输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

现代计算机：由CPU（集成了运算器和控制器）、I/O设备、主存储器
5、计算机硬件的主要技术指标
1）机器字长：CPU⼀次能处理数据的位数
2）存储容量：包括主存和辅存，等于存储单元个数 * 存储字长
3）运算速度：单位时间执⾏指令的平均条数，MIPS（Million Instruction Per Second，百万条指令每秒）
第2章计算机的发展史
计算机的发展：第⼀代电⼦管计算机、第⼆代晶体管计算机、第三代集成电路计算机
前三代的跟新换代主要体现在组成计算机基本电路的元器件（电⼦管、晶体管、集成电路）
第四代⼤规模集成电路计算机、第五代超⼤规模集成电路计算机
第3章系统总线
1，分散连接：各部件之间使⽤单独的连线
2，总线连接：将各部件连到⼀组公共信息传输线上
3，三种总线结构：1)以CPU为中⼼的双总线结构；2）单总线结构；3）以存储器为中⼼的双总线结构
4，总线分类
1）按数据传送⽅式：串/并⾏传输总线，并⾏中按传输宽度分8、16、32、64为传输总线
2）按连接部件：⽚内总线、系统总线（CPU、主存、I/O设备各⼤部件之间的信息传输线）、通信总线（串⾏和并⾏通信的数据传送速率都与距离成反⽐）
3）系统总线：数据总线、地址总线、控制总线
5、总线性能指标
1）总线宽度：通常指数据总线的根数
2）总线带宽：总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，单位MBps(兆字节每秒)
3）时钟同步/异步：数据与时钟同步⼯作的总线称为同步总线
4）总线复⽤：⼀条信号线上分时传送两种信号。

例如地址信号和数据信号⽤⼀组物理线路传输。

5）信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。

6）总线的控制⽅式：突发⼯作、⾃动配置、仲裁⽅式、逻辑⽅式、计数⽅式等
7）其它指标：如负载能⼒、电源电压、总线宽度能否扩展等
6、总线标准
1）ISA总线
2）EISA总线
3）VESA(VL-BUS)总线
4）PCI总线
5）AGP总线
6）RS-232总线
7）USB总线
7、总线结构
1）单总线结构
2）多总线结构
第4章存储器
1、存储器分类
1）按存储介质：半导体存储器、磁表⾯存储器、磁芯存储器
2）按存取⽅式：
2.1）随机存储器（Read Access Memory，RAM）：静态RAM、动态RAM
2.2）只读存储器（Read Only Memory，ROM）：掩模型只读存储器（Masked ROM，MROM）、可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）、闪速存储器Flash Memory
2.3）串⾏访问存储器（顺序存取存储器）：对存储单元读写是，需按其物理位置的先后顺序寻址地址，例如磁带存储器。

磁盘是部分串⾏访问的存储器，先直接访问磁道，然后在磁道上串⾏访问，称为直接存取存储器。

3）按在计算机中的作⽤分类
3.1）主存（主存储器）：可以和CPU直接交换信息。

3.2）辅存（辅助存储器）：⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，不能与CPU直接交换信息。

3.3）缓存（Cache）：⽤于CPU和和主存之间，起到缓冲作⽤。

2、存储器的性能指标：速度、容量、位价（每位价格）
3、存储器的层次结构
存储系统层次结构主要体现在缓存 - 主存和主存 - 辅存这两个存储层次上
缓存 - 主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题
主存 - 辅存层次主要解决存储系统的容量问题
现代计算机系统⼏乎都具有这两个存储层次，构成缓存、主存、辅存三级存储系统。

虚拟存储系统：地址空间与编址范围相对应，指令地址码称为逻辑地址。

主存的实际地址称为物理地址。

4、主存储器
1）存储单元地址的分配：存储单元的空间位置是由单元地址号来表⽰的，⽽地址总线是⽤来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出或写⼊⼀个存储字。

不同机器存储字长不同，为8的整数倍。

2）主存的技术指标
①存储容量：存储单元个数*存储字长/8
②存储速度
③存储器带宽
3）随机存取存储器
动态RAM的应⽤要⽐静态RAM⼴泛得多。

①动态RAM集成度⾼，如动态RAM基本单元电路为⼀个MOS管，静态RAM的基本单元电路可为4~6个MOS管。

②动态RAM⾏、列地址按先后顺序输送，减少了芯⽚引脚，封装尺⼨较⼩。

③动态RAM功耗低。

④动态RAM价格更便宜。

⑤静态RAM速度快，存取周期快8~16倍。

容量不⼤的⾼速缓冲存储器多⽤静态RAM实现。

5、辅助存储器
1）磁盘
硬磁盘和软磁盘存储器的存储原理和记录⽅式是相同的，但结构差异较⼤：硬盘转速⾼、存取速度快，硬盘有固定磁头、固定盘、盘组等结构，软盘都是活动头、可换盘⽚结构。

2）光盘
利⽤光学⽅式进⾏读/写信息的圆盘，使⽤寿命长，存储容量⼤。

3）辅助存储器对⽐
①光盘的介质互换性好，存储容量⼤，可⽤于⽂献档案、图书管理、多媒体等⽅⾯的应⽤。

但由于⽬前价格较贵，故尚不能代替磁带机。

②硬磁盘存储容量⼤，数据传输率⽐光盘⾼（采⽤磁盘阵列，数据传输率可达100Mbps），等待时间短。

它作为主存的后备存储器，⽤以存放程序的中间和最后结果。

③软磁盘存储容量⼩，数据传输率低，平均寻道时间长，⽽且是接触式存取，盘⽚不固定在驱动器中，要求超净运⾏环境否则容易造成盘⾯磨损存⼼误码，不易提⾼精度，已逐渐淘汰。

④磁带存储器历史⽐磁盘更久，1960年后期逐渐被磁盘取代。

它的数据传输率更低，采⽤接触式记录，容量也很⼤，每兆字节价格较低，记录介质也容易装卸、互换和携带，可⽤做磁盘的后备存储器。

第5章输⼊输出系统
1、输⼊输出系统的4个发展阶段
1）早期阶段：I/O设备通过CPU与主存交换信息
2）接⼝模块和DMA阶段：总线结构
3）具有通道结构的阶段
4）具有I/O处理机的阶段
2、输⼊输出系统的组成
1）I/O软件
①将⽤户编制的程序或数据输⼊主机内
②将运算结果输送给⽤户
③实现输⼊输出系统与主机⼯作的协调等
2）I/O硬件
3、I/O设备与主机的联系⽅式
1）I/O设备编址⽅式：统⼀编址、不统⼀编址。

统⼀编址就是将I/O地址看做是存储器地址的⼀部分。

2）设备寻址：选中设备
3）传送⽅式：串⾏、并⾏传送
4）联络⽅式：⽴即响应⽅式、异步⼯作采⽤应答信号联络、同步⼯作采⽤同步时标联络
4、I/O设备与主机的连接⽅式：辐射式、总线式
5、I/O设备与主机信息传送的控制⽅式
1）程序查询⽅式
2）程序中断⽅式
3）DMA⽅式
6、I/O设备，即外设
1）⼈机交互设备：键盘、显⽰器
2）计算机信息的存储设备：磁盘
3）机-机通信设备：Modem
7、输⼊设备
1）键盘：硬件实现（编码键盘法）、软件实现（⾮编码键盘法）
2）⿏标：机械式、光电式
3）触摸屏：电阻式、电容式、表⾯超声波式、扫描红外线式和压感式
8、输出设备
1）显⽰设备：CRT显⽰器、液晶显⽰器
2）打印设备
9、多媒体技术
1）多媒体的定义（Multimedia）所谓媒体，是指信息传递和存储的最基本的技术和⼿段。

常见媒体包括⾳乐、语⾔、图⽚、⽂件、书籍、电视、⼴播、电话等。

2）多媒体计算机的关键技术
①⾳视频数据的压缩和解压缩技术
②多媒体专⽤芯⽚
③⼤容量存储器
④适⽤于多媒体技术的软件
10、I/O接⼝
1）接⼝：两个系统或两个部件之间的交接部分，既可以是两种硬设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

2）I/O接⼝：通常指主机与I/O设备之间设置的⼀个硬件电路及其相应的软件控制
3）端⼝：接⼝电路中的⼀些寄存器，这些寄存器分别⽤来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端⼝分别称为数据端⼝、控制端⼝和状态端⼝。

若⼲个端⼝加上相应的控制逻辑才能组成接⼝。

11、接⼝功能
1）选址功能
2）传送命令的功能
3）传送数据的功能
4）反应I/O设备⼯作状态的功能
12、接⼝类型
1）传送⽅式：并⾏接⼝、串⾏接⼝
2）功能选址的灵活性：可编程接⼝、不可变成接⼝
3）通⽤性：通⽤接⼝、专⽤接⼝
4）数据传送的控制⽅式：程序型接⼝、DMA型接⼝
第6章计算机的运算⽅法
1、⽆符号数：没有符号的数，在寄存器中的每⼀位均可⽤来存放数值。

2、有符号数
1）真值：带“+”或“-”符号的数
2）机器数：把符号“数字化”的数
①原码：符号位为0表⽰正数，符号位为1表⽰负数，数值位即真值的绝对值
②补码
③反码
3）三种机器数特点：
①三种机器数的最⾼位均为符号位
②真值为正时，原码、反码和补码的表⽰形式均相同，符号位是“0”
③真值为负时，符号位都是“1”，数值位：补码是原码的“求反加⼀”，反码是原码的“每位求反”
3、定点数：⼩数点固定在某⼀位置的数
4、浮点数：⼩数点的位置可以浮动的数
第7章指令系统
1、机器指令
1）概念：机器语⾔是有⼀条条语句构成，每⼀条语句能准确表达某种语义。

每条机器语⾔的语句称为机器指令，全部机器指令的合集称为机器的指令系统。

2）指令组成：操作码+地址码
3）指令字长：取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数
2、操作数类型
1）地址
2）数字
3）字符
4）逻辑数据
3、数据在存储器中的存放⽅式
1）通常存放于存储器或寄存器中
2）边界对齐：为便于硬件实现，通常要求多字节的数据在存储器存放时满⾜“边界对准”
3）数据不对准边界的计算机中，数据（例如⼀个字）可能在两个存储单元中，此时需要访问两次存储器，并对⾼低字节位置进⾏调整后，才能得到⼀个字。

4）⼤⼩端：低字节为低地址（⼩端）
4、操作类型
1）数据传送：包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间传送
2）算术逻辑操作：算术运算（加、减、乘、除、增1、减1、取负数即求补）和逻辑运算（与、或、⾮、异或）
3）移位：算术移位、逻辑移位、循环移位
4）转移
①⽆条件转移
②条件转移
③调⽤与返回
④陷阱（Trap）与陷阱指令：陷阱其实是⼀种意外事故的中断。

⼀旦出现意外故障，就是计算机就发出陷阱信号，暂停当前程序的执⾏，转⼊故障处理程序进⾏相应的故障处理。

5）输⼊输出：CPU与外设寄存器之间数据传送
6）其它：等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等。

①⾮数值处理指令：字符串传送、字符串⽐较、字符串查询及字符串转换等
②特权指令：⽤于操作系统或其他系统软件，⽤户不能使⽤
③向量指令：对整个向量或矩阵进⾏求和、求积运算
5、寻址⽅式
寻址⽅式是指确定本条指令的数据地址以及下⼀条将要执⾏的指令地址的⽅法。

1）指令寻址
①顺序寻址：程序计数器PC加1，⾃动形成下⼀条指令的地址
②跳跃寻址：通过转移类指令实现
2）数据寻址
①⽴即寻址
②直接寻址
③隐含寻址
④间接寻址
⑤寄存器寻址
⑥寄存器间接寻址
⑦基址寻址
⑧变址寻址
⑨相对寻址
⑩堆栈寻址
6、RISC技术
1）概念：RISC即精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）；CISC即复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）
2）80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使⽤处理机中20%的指令，⽽且这些指令都是属于简单指令，如取数、加、转移等。

3）主要特点：
①选取使⽤频度较⾼的⼀些简单指令以及⼀些很有⽤但⼜不复杂的指令，让复杂的指令的功能由频度⾼的简单指令组合来实现。

②指令长度固定，指令格式种类少，寻址⽅式种类少。

③只有取数/存数（LOAD/STORE）指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成。

④CPU中有多个通⽤寄存器。

⑤采⽤流⽔线技术，⼤部分指令在⼀个时钟周期内完成。

采⽤超标量和超流⽔线技术，可使每条指令的平均执⾏时间⼩于⼀个时钟周期。

⑥控制器采⽤组合逻辑控制，不⽤微程序控制。

⑦采⽤优化的编译程序。

4）RISC和CISC的⽐较，RISC的优点
①充分利⽤VLSI芯⽚的⾯积
②提⾼计算机运算速度
a、RISC机的指令数、寻址⽅式和指令格式种类较少，⽽且指令的编码很有规律，因此RISC的指令译码⽐CISC的指令译码快
b、RISC机内通⽤寄存器多，减少了访存次数，可加快运⾏速度。

c、RISC机采⽤寄存器窗⼝重叠技术，程序嵌套时不必将寄存器内容保存到存储器中，故提⾼了执⾏速度
d、RISC机采⽤组合逻辑控制，⽐采⽤微程序控制的CISC机的延迟⼩，缩短了CPU的周期。

e、RISC机选⽤精简指令系统，适合流⽔线⼯作，⼤多数指令在⼀个时钟周期内完成。

③便于设计，可降低成本，提⾼可靠性
④有效⽀持⾼级语⾔程序
第8章 CPU的结构和功能
1、CPU的功能
①取指令
②分析指令
③执⾏指令
2、CPU结构框图
3、CPU的寄存器
1）⽤户可见寄存器
①通⽤寄存器
②数据寄存器
③地址寄存器
④条件码寄存器
2）控制和状态寄存器
①MAR：存储器地址寄存器，⽤于存放将被访问的存储单元的地址
②MDR：存储器数据寄存器，⽤于存放欲存⼊存储器的数据或最近从存储器中读出的数据
③PC：程序计数器，存放现⾏指令的地址
④IR：指令寄存器，存放当前欲执⾏的指令
4、控制单元和中断系统
1）控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件，现代计算机中微操作命令序列的形成⽅法有两种：
①组合逻辑设计⽅法，为硬连线逻辑
②微程序设计⽅法，为存储逻辑
2）中断系统主要⽤于处理计算机的各种中断
5、指令周期
1）概念：CPU每取出并执⾏⼀条指令所需的全部时间称为指令周期。

由于各种指令操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不相同的。

2）提⾼处理机的速度
①提⾼器件的性能
②改进系统的结构，开发系统的并⾏性
a、所谓并⾏，包含同时性和并发性两个⽅⾯。

前者是指两个或多个事件在同⼀时刻发⽣，后者是指两个或多个事件在同⼀时段发⽣。

b、并⾏性体现在不同等级上。

通常分为4个级别：作业级或程序级、任务级或进程级、指令之间级和指令内部级。

前两者为粗粒度，⼜称过程级，⼀般⽤软件算法实现；后两级为细粒度，⼜称指令级，⼀般⽤硬件实现。

③指令流⽔的原理
指令流⽔类似于⼯⼚的装配线，装配线利⽤了产品在装配的不同阶段其装配过程不同这⼀特点，使不同产品处在不同的装配段上，即每个装配段同事对不同产品进⾏加⼯，这样可⼤⼤提⾼装配效率。

将这种装配⽣产线的思想⽤到指令的执⾏上，就引出了指令流⽔的概念。

6、中断系统
1）中断概念产⽣的原因：为了提⾼计算机的效率，为了处理⼀些异常情况以及实时控制、多道程序和多处理机的需要
2）引起中断的各种因素
①⼈为设置的中断
②程序性事故：如定点溢出、浮点溢出、操作码不能被识别、除法中出现“⾮法”等
③硬件故障：插件接触不良、通风不良、磁表⾯损坏、电源掉电等
④I/O设备
⑤外部事件：⽐如⽤户通过键盘来中断现⾏程序
3）中断源：不可屏蔽中断（电源掉电）、可屏蔽中断
4）中断请求标记
5）中断判优逻辑
任何⼀个中断系统，在任⼀时刻，只能响应⼀个中断源的请求。

①硬件排队
②软件排队
6）中断服务程序⼊⼝地址的寻找
①硬件向量法：利⽤硬件产⽣向量地址，再由向量地址找到中断服务程序的⼊⼝地址。

②软件查询法
7）中断响应
①响应中断的条件：允许中断触发器EINT为1
②响应中断的时间：指令执⾏周期结束后
③中断隐指令：CPU响应中断后，即进⼊中断周期。

在中断周期内，CPU要⾃动完成⼀系列操作
a、保护程序断点
b、寻找中断服务程序的⼊⼝地址
c、关中断
8）保护现场和恢复现场
①保护程序断点：由中断隐指令完成
②保护CPU内部各寄存器内容：可在中断服务程序中由⽤户⽤机器指令编程实现
9）中断屏蔽技术
①多重中断概念：即中断可嵌套
②多重中断的条件：1、提前设置“开中断”指令；2、优先级别搞的中断源有权中断优先级别低的中断源
第9章控制单元的功能
略
第10章控制单元的设计
略
附录 PC整机介绍
1，PC主机组成：主要由主板、处理器、主存、芯⽚组，以及通过各个端⼝和总线插槽接⼊的外部设备
2，主板组成
①CPU插座（Socket）或插槽（Slot）
②内存条插槽
③连接硬盘、软盘驱动器和光盘驱动器等外部设备接⼝的插座
④接插各种⽤途的接⼝卡所需的扩展插槽
⑤连接⿏标、键盘、打印机和调制解调器的串并端⼝
⑥CPU芯⽚、内存条、系统芯⽚组、BIOS芯⽚、CMOS芯⽚
⑦电源、电池、电阻和电容等
⑧跳线和开关
3、CPU芯⽚及插座
主板的性能主要取决于CPU，CPU芯⽚内部总线的宽度时钟频率（主频）是决定CPU性能的主要参数。

内部总线越宽，在每个时钟节拍内可以传送的数据越多，有利于进⾏更⼤的数据量运算。

主频越⾼，执⾏每条指令的时间越短，运算速度越快，整机性能也越好。

4、配套芯⽚和器件
1）BIOS芯⽚装有基本输⼊输出系统程序，完成冷启动、热启动、上电⾃检、基本输⼊/输出驱动程序、系统硬件配置分析、引导DOS启动或引导ROM BASIC解释程序以及BIOS中断管理。

该程序固化在ROM芯⽚上，早期采⽤EPROM作为BIOS芯⽚，现在⼤多数PC采⽤Flash Memery作为BIOS芯⽚。

2）芯⽚组：主板上除了CPU、内存条、BIOS芯⽚外，还有众多⽀持芯⽚和接⼝芯⽚，这些芯⽚按其功能不同，采⽤VLSI技术将它们分别集成在⼏块芯⽚中，如总线的缓冲和控制芯⽚，CPU的复位、Cache控制、存储器控制、协处理器接⼝芯⽚，以及CMOS与8042振荡源芯⽚等
3）CMOS RAM芯⽚⽤于提供系统的⽇期、时间、保存系统的硬件配置参数和软硬盘规格、显⽰器接⼝的类型、键盘和其他硬件的设置。

PC系统上电启动到引导完成，必须从CMOS RAM中读取若⼲参数数据，设定为开启开机的初始状态。

如果CMOS RAM芯⽚损坏或内容丢失，会造成软、硬盘⽆法使⽤、⿏标⼯作失效等故障。