电子计算机分为两大类

第一章

电子计算机分为两大类：电子模拟计算机电子数字计算机

通用计算机可分为超级计算机大型机服务器工作站微型机和单片机六类

1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种态势减慢成每18个月翻一番，这就是人们所称的摩尔定律

计算机的性能指标

吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。

响应时间：表征从输入有效到系统产生相应之前的时间度量，用时间单位来度量。

利用率：在给定的时间间隔内系统被实际实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。

处理机字长：指处理机运算其中一次能够完成二进制数运算的位数，例32位，64位。

总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目。

存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟主时钟的频率叫CPU的主频。

CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间。

数字计算机的主要组成结构：存储器运算器控制器适配器输入/输出设备

存储器是有许多存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。

运算器的每一个基本操作就叫做一条指令，而结算某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称为程序。

指令的形式：操作码地址码

操作码指出指令所进行的操作，如加，减，乘，除，取数，存数等。

地址码表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元中取出，或运算的结果应该存到哪个单元中去。

将解题的的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序，而控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制。存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的体系结构。

把指令的一段时间叫做指令周期，而把执行指令的一段时间叫做执行周期。

早起的计算机术语中，把运算器和控制器和在一起称为中央处理器，简称CPU。

当CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”。

通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。

某计算机的字代表要处理的数据，则称为数据字；如果某字为一条指令，则称为指令字。

取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。

外围设备是通过适配器部件与主机相连系。

系统总线是构成计算机系统的骨架。

计算机软件分为两大类：系统程序（比较通用）应用程序（针对性强）

系统程序包括：各种服务性程序语言程序操作系统数据库管理系统。

目的程序即人们用机器语言编写的程序。

汇编语言即用一些约定的文字，符号和数字按规定的格式来表示各种不同的命令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序。

汇编程序作用即自动的把符号语言表示的程序（汇编源程序）翻译成用机器语言表示的目的程序。

用算法语言编写的程序成为源程序。

把源程序翻译为机器语言，采用两种方法：编译系统（编译程序和运行系统的合称）解释系统。

软件与硬件的逻辑等价性是什么？

随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软，硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。

第二章

在选择计算机的数的表示方式时，考虑的几个因素：1)要表示的数的类型.2)可能遇到的数值范围.3)数值精确度.4)数据存储和处理所需要的硬件代价.

数据表示格式有两种:1)定点格式.2)浮点格式

为了提高数据的表示精度，当尾数的值不为0时，尾数域的最高有效位应为1，这称为浮点数的规格化表示。

十进制数串在计算机内主要有两种表示形式：1）字符串形式。2）压缩的十进制数串形式。

汉字的输入编码主要有三类：1）数字编码优点是：无重码2）拼音码3）字形编码

第三章内部存储器

存储单元：目前主要采用半导体器件和磁性材料，一个双稳态半导体电路或是一个CMOS晶体管或磁性材料的存储单元，均可以存储一位二进制代码。这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位,称为存储位元.由若干个存储位元组成一个存储单元。

根据存储材料的性能及使用方法不同,存储器有各种不同的分类方法。

1、根据存储介质可分为半导体存储器和磁表面存储器

2、根据存取方式可分为随机存储器和顺序存储器存储

3、根据内容可变性可分为只读存储器(ROM)和随机读写存储器(RAM)

主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。

存储容量：指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。

存储时间：又称为存储器访问时间,是指一次读操作命令发出到该操作完成,将数据读出到数据总路线上所经历的时间.通常取写操作时间等于读操作时间,故称为存储器存取时间。

存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔最小的时间.通常,存周期略大于存储时间,其时间单位为ns。

存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标。

任何一个SRAM，都有三组信号线与外部打交道：1、地址线2、数据线3、控制线为什么RAM要刷新？

答：因为读的过程对电容放电，如果不刷新数据将会丢失。

刷新操作有二种方式：集中式刷新方式散式刷新方式。、

只读存储器ROM分为掩模ROM和可编程ROM两类。

可编程ROM又分为PROM、EPROM和E2PROM

Cache的功能是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的五项重要技术。

CPU与cache之间的数据交换是以字节为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干字组成，是定长的。

地址映射：为了把主存块放到cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到cache

中，称做地址映射。地址映射方式有全相联方式、直接方式和组相联方式三种。

硬件实现的常用算法主要有以下三种：最不经常用的LFU算法近期最少使用的LRU 算法随机替换

Cache的写操作策略：可选用如下三种写操作策略。

1.写回法

2,全写法

3.写一次法

第四章

计算机的指令有微指令，机器指令和宏指令之分。

一台计算机中所有机器指令集合，称为这台计算机的指令系统。

系列计算机，是指基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机。

指令系统应满足如下四方面要求：完备性，有效性，规整性，兼容性

一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。

数据通常分为四类：地址数据，数值数据，字符数据，逻辑数据

当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。分为指令寻址和数据寻址方式。

指令的寻址方式有两种：顺序寻址方式跳跃寻址方式。

常用的三种偏移寻址：相对寻址基址寻址变址寻址。

第五章

CPU的基本部分变成了运算器，cache，控制器三大部分。

CPU模型128页

CPU中的重要寄存器：数据缓冲寄存器指令寄存器程序计数器数据地址寄存器通用寄存器状态字寄存器

操作控制器可分为时序逻辑型和存储逻辑型两种（按设计方法不同）。第一种称为硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的。

指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。

一个CPU周期时间又包含有若干个时钟周期。

取出和执行任何一条指令所需的最短时为两个CPU周期。

任何一条指令，它的指令周期至少需要两个CPU周期。

指令周期之间的关系131页（图5.3）

取指周期和执行周期如何工作流程132页（图5.4）

MOV指令的指令周期：

取指周期：

1.程序计数器PC中装入第一条指令地址101。

2.PC的内容被放到指令地址总线ABUS上，对指存进行译码，并启动读命令。

3.从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR。

4.程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备。

5.指令寄存器中的操作码（OP）被译码。

6.CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。

执行周期：

1.操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择R0

作目标寄存器。

2.OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作。

3.OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。

4.OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）。

5.OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由00变为10。至此，指令执行结束。

LAD指令的指令周期：

取指周期：

在LAD指令的取指周期中，CPU的动作完全与MOV指令取指周期中一样，只是PC 提供的指令地址为102，按此地址从指令存储器读出“LDA R1，6”指令放入IR中，然后将PC+1，使PC内容变成103，为取下条ADD指令做好准备。

执行周期：

1.操作控制器OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBUS上。

2.OC发出操作命令，将地址码6装入数存地址寄存器AR。

3.OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上

4.OC发出命令，将上的数据100装入缓冲寄存器DR。

5.OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的数10 被冲掉。至此，LAD指令执行周期结束。

注意：数据总线上分时进行了地址传送和数据传送所以需要2个CPU周期。

JMP指令的指令周期：

执行周期：

1.OC发生操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上。

2.OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此JMP指令执行周期结束。

在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍点位—节拍脉冲二级体制。

时序信号产生器是由时钟源，环形脉冲发生器，节拍脉冲和读写时序译码逻辑，启停控制逻辑等部分组成。

控制方式有同步控制，异步控制，联合控制三种方式。

微程序控制的基本思想，就是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信息编程所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里。

控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令，而执行部件受微命令后所进行的操作，叫做微操作。

产生后继微地址有两种方法：计数器方式多路转移方式

微指令格式分为两类：水平型微命令垂直型微命令

并行处理技术：时间并行空间并行

时间并行：指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

空间并行：指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。

由于流水过程中会出现三中相关冲突：资源相关数据相关控制相关

资源相关：是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。

数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。

控制相关：控制相关冲突是由转移指令引起的。

为了减小转移指令对流水线性能的影响，有两种转移处理技术：延迟转移法转移预测法

第六章总线系统

总线是构成计算机系统的互联机构,是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。

一个单处理器系统中的总线,大致分为三类：

1. CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线,称为内部总线。

2. CPU同计算机系统的其他高速功能部件,如存储器,通道等互联连接的总线,称为系统总线。

3. 中,低速I/O设备之间互相连接的总线,称为I/O总线。

外围设备是通过适配器与计算机连接起来的，通过适配器可以实现高速CPU与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机和外设之间的所有数据传送和控制。适配器通常简称为接口。

总线分成如下四部分：数据传送总线、仲裁总线、中断和同步总线和分用线。

集中式仲裁可分为：链式查询方式、计数器定时查询方式和独立请求方式。

课后题：

14、PCI是一个与处理器无关的（D）。它采用（C）时序协议和（A）式仲裁策略，并有（B）能力。

A集中 B 自动配置 C 同步 D 高速外围总线

15、PCI总线的基本传输机制是猝发式传送。利用（）可以实现总线间的（）传送，使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。PCI允许（）总线（）工作。

A桥 B 猝发式 C 并行 D 较大规模

16、InfiniBand是一个高性能的（A）标准，数据传输率达（B），它可连接（C）台服务器，适合于高成本的（D）计算机的系统。

A I/O

B 30GB/S

C 64000

D 较大规模

第七章外围设备

外围设备：除了CPU和主存外,计算机系统的每一部分都可作为一个外围攻设备来看待。

温彻斯特磁盘机温彻斯特磁盘机简称温盘。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随意拆卸的整体。工件时，高速旋转在盘面上形成的气垫磁头平稳浮起。

磁盘地址是由记录面号（也称磁头号）、磁道号和扇区号三部分组成。

格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。

平均存取时间找道时间、等待时间、数据传送时间

第八章输入输出系统

信息交换方式可分为程序查询方式、程序中断方式、直接内存访问（DMA）方式、通道方式。

计算题：

例1 若浮点数x的754标准存储格式为(41360000)16，求其浮点数的十进制数值。

解：将16进制数展开后，可得二制数格式为

0 100 00010 011 0110 0000 0000 0000 0000

S 阶码(8位) 尾数(23位)

指数e=阶码-127=10000010-01111111=00000011=(3)10

包括隐藏位1的尾数

1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1.011011

于是有

x=(-1)S×1.M×2e=+(1.011011)×23=+1011.011=(11.375)10

例2将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式。

解：首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.59375=10100.10011

然后移动小数点，使其在第1，2位之间：

10100.10011=1.010010011×24 e=4

于是得到：S=0,E=4+127=131,M=010010011

最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：

0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000=(41A4C000)16

例13 x1=-1110,x2=+1101

解：[x1]补=10010 [x2]补=01101

[-x1]补=01110 [-x2]补=10011

例14 x=+1101,y=+0110

引入：可能产生溢出的情况

两正数加，变负数，上溢（大于机器所能表示的最大数）

两负数加，变正数，下溢（小于机器所能表示的最小数）

一、检测方法

单符号位法

Cf C0

0 0 正确（正数）

0 1 上溢

1 0 下溢

1 1 正确（负数）

V=Cf ⊕C0 其中Cf为符号位产生的进位,C0为最高有效位产生双符号位法（参与加减运算的数采用变形补码表示）

例17 x=-01100,y=+01000 求x+y

例18 x=-1100,y=-1000 求x+y

例20 设x=+15,y=-13,用带求补器的原码阵列乘法器求x.y=?

解：[x]原=01111 ,[y]原=11101

11101符号位运算：0⊕1=1

63页1，4，5，6,7题

字位同时扩展

91页例5

102页8,9,10题

118页例3 125页3,4,5题