计算机组成与系统结构的基础概念

计算机组成与系统结构1.计算机的主要部件：中央处理器、存储器、输入输出设备、（总线）。

2.软件系统的分类：操作系统、语言处理程序、应用软件。

3.机器字长是指该计算机能进行多少位二进制数的并行运算，实际上是指该计算机中的运算器有多少位，通常计算机的数据总线和寄存器的位数与机器字长一致。

4.CPU速度是指单位时间内能够执行指令的条数。

5.存储器完成一次数据的读（取）或写（存）操作所需要的时间称为存储器的存取（或访问）时间。

6.存储器执行一次完整的读/写操作所需要的时间称为存取周期。

7.系统的可靠性通常用平均无故障时间和平均故障修复时间来表示。

8.浮点数的机器表示由三部分组成，前面是尾符，中间是阶码部分，用移码表示，最后是尾数数值位，尾数部分用原码表示。

9.语音通过拾音设备转换成频率、幅度连续变化的电信号（模拟量），然后通过声卡对模拟量进行采样得到数字信号。

10.具有检测某些错误或带有自动纠正错误能力的数据称为数据校验码。

11.通常把一组编码中任何两个编码之间代码不同的位数称为这两个编码的距离，也称为海明距离。

12.设有效信息位的位数为n，校验位的位数为k，则组成的海明校验码共长n+k位。

K与n应满足关系：2k-1≥n+k13.CRC码一般是指在n位信息码之后拼接k位校验位，应用CRC码的关键是如何从n位信息位简便的得到k位校验位的编码。

14.舍入的方法：恒舍法、恒置1法、下舍上入法（在十进制中就是四舍五入，在二进制中就是0舍1入）、查表舍入法、设保护位法。

15.补码加减法运算的规则：（1）参加运算的各个操作数均以补码表示，运算结果仍以补码表示。

（2）按二进制数“逢二进一”的运算规则进行运算。

（3）符号位与数值位按同样规则一起参与运算，结果的符号位由运算得出。

（4）进行补码加法时，将两补码数直接相加，得到两数之和的补码；进行补码减法时，将减数变补，然后与被减数相加，得到两数之差的补码。

（5）补码总是对确定的模而言，如果运算结果超过了模，则将模自动丢掉。

16.溢出的判断方法：（1）根据两个操作数的符号位与结果的符号位是否一致进行判断。

（2）根据两数相加时产生的进位判别溢出。

（3）采用变形补码进行运算并进行溢出判断。

17.把n个全加器串接起来，就可以进行两个n位数的相加，这种加法器称为串行进位的并行加法器。

18.原码一位乘法的规则：（1）参加运算的操作数取其绝对值。

（2）令乘数的最低位为判断位，若为1，加被乘数，若为0，则加0。

（3）累加后的部分积以及乘数右移一位。

（4）重复n次（2）和（3）。

（5）符号位单独处理，同号为正，异号为负。

19.原码除法运算方法：恢复余数法、不恢复余数法（加减交替法）。

20.不恢复余数法的算法的一般步骤：（P53）21.浮点数加/减运算的操作过程：计算阶差→实现尾数的加/减运算→规格化处理、舍入、溢出处理。

22.ALU是运算器中的核心部件，是功能较强的组合逻辑部件。

ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。

23.通用寄存器主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。

通用寄存器的数据存取速度是非常快的，目前一般是十几个纳秒。

24.计算机中的数据、指令和地址等信息从一个部件传输到另一个部件所经过的路径，连同路径上的设备，如寄存器、暂存器、控制逻辑门、加工部件等，统称为数据通路。

25.指令系统应满足的条件：完备性、有效性、规整性、兼容性。

26.指令要素：操作码、源操作数、目的操作数、下一条指令的地址。

27.指令字长是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，也就是指令的长度。

28.指令操作码的编码可分为规整型（定长编码）和非规整型（变长编码）。

29.确定指令格式的原则：（1）指令长度应尽可能的短。

（2）指令字长与机器字长应是字符长度的整数倍关系。

（3）指令操作码字段应有足够的位数。

（4）指令中地址段的位数要足够长。

30.指令系统按指令的使用权分为特权指令和非特权指令；按指令使用范围分为通用指令和专用指令。

31.控制器的功能：控制指令的正确执行、控制程序和数据的输入及结果的输出、异常情况和特殊请求的处理。

32.指令部件包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、地址形成部件。

33.程序状态寄存器用以存放程序的工作状态和指令执行的结果特征，如管态、目态、ALU运算的结果为0、结果为负、结果溢出等。

34.一条指令的执行过程可以分解为若干简单的基本操作，称之为微操作，这些微操作是有着严格的时间顺序要求、不能随意颠倒。

35.时序信号发生器用以产生计算机所需的各种时序信号，以便控制有关部件在不同的时间完成不同的微操作。

36.微操作控制信号形成部件的功能是根据指令部件提供的操作控制电位、时序部件所提供的各种时序信号，以及有关的状态条件，产生机器所需要的各种微操作控制信号。

37.组合逻辑控制器的最大优点是速度快，但是微操作信号发生器结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。

38.取指令的具体操作：（1）将程序计数器PC中的内容送至存储器地址寄存器MAR中，并送地址总线AB。

（2）由控制单元CU经控制总线CB向存储器发读命令。

（3）从主存中取出的指令通过数据总线DB送到存储器数据寄存器MDR中。

（4）将MDR的内容送到指令寄存器IR中。

（5）将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。

39.节拍的控制方式：（1）统一节拍：采用统一的、具有相等时间间隔和相同数目的节拍。

（2）分散节拍：按照机器周期的实际需要安排节拍数，以提高时间利用率。

（3）延长节拍：在考虑多数机器周期要求的情况下，选取适当的节拍数作为基本节拍。

如果在某个机器周期内统一的节拍数无法完成该周期的全部微操作，则可以延长一或两个节拍。

（4）时钟周期插入：在一些微型计算机中，时序信号不设置节拍，而直接使用时钟周期信号。

在时钟周期之间可以插入任意个等待时钟周期，以等待速度较慢的存储部件或外部设备完成读或写操作。

40.CPU的功能：（1）对程序进行顺序控制，也称为指令控制。

（2）管理并产生由主存取出的每条指令的操作信号，把各种信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

（3）时间控制，即对各种操作实施时间上的控制。

（4）数据加工，即对数据进行算术运算和逻辑运算处理等。

41.执行指令的基本功能：（1）取指令存储单元的内容，并将它送到CPU中的寄存器。

（2）把CPU中寄存器的内容存入指定的存储单元。

（3）把CPU的一个寄存器的内容送到另一个寄存器。

（4）执行算术逻辑操作，把结果存入CPU的一个寄存器中。

42.在模型机中。

各类信息的传送路径如下：（1）指令传输路径MM→MDR→BUS→IR（2）地址传输路径指令地址：PC→BUS→MAR，并且指令地址PC加1（PC+1→PC）数据地址：操作数地址与转移地址根据不同的寻址方式要求决定。

如为寄存器间接寻址，则将指定寄存器的内容（R i）→BUS→MAR（3）数据传输路径寄存器→寄存器：经总线之间传送R i→BUS→R j寄存器→存储器：R i→BUS→MDR→MM存储器→寄存器：MM→MDR →BUS→ R i43.模型机的指令格式（P120）44.模型机的机器周期：取指周期、分析及取数周期、执行周期。

45.一条机器指令可以分解成一个微操作序列，微操作是计算机中最基本的、不可再分解的操作。

例如PC→MAR。

46.微命令是指那些直接作用于部件或控制门电路的控制命令。

例如ADD、READ、WRITE、IR in、ADDR out、PC out、MAR in 。

47.微命令和微操作是一一对应的。

微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。

48.控制完成一组微操作的二进制编码字称为微指令。

49.微指令包含的信息：微操作码字段、微地址码字段。

50.存放微程序的存储器称为控制存储器，一般采用只读存储器ROM。

51.微程序的执行过程（1）启动取指微指令或微程序，根据程序计数器PC所提供的指令地址，从主存储器中取出所要执行的机器指令，送入指令寄存器IR中，并且完成PC增量，为下条指令准备地址。

（2）根据IR寄存器中的指令码，微地址形成电路产生该指令的微程序起始地址，并送入微地址寄存器µMAR中。

（3）在µMAR微地址中经译码、驱动后，从被选中的控制存储器单元中取出一条微指令并送入微指令寄存器µIR中。

（4）在µIR中的微指令操作控制字段经译码或直接产生一组微命令，并送往有关的功能部件，控制其完成所规定的微操作。

（5）µIR中微指令的地址控制字段及有关状态条件送往微地址形成电路，产生下条微指令地址，再读取并执行下条微指令。

如此循环，直到一条机器指令的微程序全部执行完毕。

（6）一条指令的微程序执行结束，再启动取指令微指令或微程序，读取下条机器指令。

根据该指令码形成起始微地址，又转入执行它的一段微程序。

52.微指令编码方法：直接控制法、最短编码法，字段直接编码法、（字段间接编码法、常数源字段的设置）。

53.字段直接编码法是将微指令操作控制字段划分为若干个子字段，每个子字段的所有微命令都进行统一编码。

因此，不同子字段的不同编码表示不同的微命令。

54.字段的划分原则：（1）把互斥的微命令划分在同一个字段内，相容性的微命令划分在不同的字段内。

（2）字段的划分应与数据通路结构相适应。

（3）一般每个子字段应留出一个状态，表示本字段不发任何微命令，一般留出最小的编码，如00或000等。

（4）每个子字段所定义的微命令数不宜太多，否则将使微命令译码复杂。

55.水平型微指令与垂直型微指令的比较：（1）水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强；垂直则差。

（2）水平型微指令执行一条指令的时间短；垂直则长。

（3）由水平型微指令解释微指令的微程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点；垂直则相反。

（4）水平型微指令用户难以掌握；垂直则与机器指令相似，较容易掌握。

56.微程序控制器的设计步骤：（1）确定微指令格式和执行方式。

（2）定义微命令集，确定微命令编码方式和微指令排序方式。

（3）编制微程序：列出机器指令的全部微指令节拍安排，按已定的微指令格式编制微程序，并对所有微程序进行优化和代码化。

（4）写入程序：将二进制表示的全部微程序写入控制寄存器。

57.存储器按信息的可保存分类可以分为易失性存储器和非易失性存储器。

58.存储体是存储器的核心部件，信息就存放在存储体内，它是由许多存储单元的集合形成的。

59.只读存储器（ROM）按照工作方式可以分为：掩膜ROM、可编程ROM、紫外线可擦除的可编程ROM、电可擦除的可编程ROM、快擦除读写存储器。

60.Cache的命中率计算：设cache的存取时间为t c，命中率为h，主存的存取时间为t M，则平均存取时间为h*t c+（1-h）（t c+t M）61.Cache写的方法主要有写直达法和写回法，同时写入cache和主存的称为写直达法。