计算机组成原理
2021-01-20 11:49:17 153 举报AI智能生成
计算机组成原理是计算机科学的一个分支，主要研究计算机硬件系统的设计、实现和优化。它涵盖了从基本的电子元件到复杂的多处理器系统的所有内容。这个领域的主要研究对象包括中央处理器（CPU）、内存、输入/输出设备、数据总线等。计算机组成原理不仅关注这些部件的物理结构和工作原理，还研究它们如何协同工作以完成各种计算任务。此外，它还涉及到操作系统和编译器的设计，因为这些软件需要直接与硬件交互。总的来说，计算机组成原理是理解计算机工作原理的基础，对于计算机科学和工程专业的学生来说是非常重要的。
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大纲/内容
计算机发展和应用
计算机发展
世界上第一台计算机：ENIAC
第一台实现存储程序的计算机：EDSAC
第一台商品化批量生产的：UNIVAC-I，标志着计算机时代的开始
发展
第一代：电子管
第二代：晶体管
第三代 ：中小规模集成电路 开始出现操作系统
第四代：大规模和超大规模集成电路 操作系统广泛应用
应用
科学计算（最早）
数据处理（最广泛，最重要）
计算机系统的层次结构
高级语言层
汇编语言层
操作系统层
机器语言层
微程序机器层
数据的表示和运算
对阶：小阶向大阶看齐
规格化
左规：不是规格化数转为规格化数
右规：溢出处理
多媒体数据
音频
WAV、MIDI、WMA
视频
MPG、RM
指令系统
指令系统组成
（一台计算机
中所有机器
指令的集合）
（一台计算机
中所有机器
指令的集合）
从计算机组成的层次结构
微指令：属于硬件
宏指令：属于软件，由若干机器指令组成
机器指令：硬件软件交界
按特权类型
非特权指令
功能性
非功能性（转移，控制指令）
特权指令：一般不允许用户使用，但可以通过访管指令调用操作系统，再由操作系统执行
按类型（不考）
数据传送类：一般可按字节，字传送
算数运算类
逻辑运算类
字符串类
系统控制指令：中断，系统管理，存储管理
程序控制指令（JMP）：改变指令执行顺序（转移指令）
输入输出
其他指令
指令系统原则
完备性
规整性
正交性：指令格式在不相关的字段之间相互独立
均匀性：指令实现与数据类型无关
对称性：相同和相似的操作具有相同规定
兼容性：向前兼容
可扩充性：保留指令字空间
寻址方式
指令寻址
顺序寻址
跳跃寻址
直接
间接
相对
数据寻址
立即寻址
直接寻址
EA=A
间接寻址：优点是扩大了寻址范围；多级间接寻址的寻址范围小于一级间接寻址
EA=(A)
寄存器寻址/寄存器直接寻址
EA =R
寄存器间接寻址
EA=(R)
变址寻址：面向用户，地址改变时无需修改指令
EA=A+(Rx)
便于处理数组问题
基址寻址：面向系统，用于逻辑/物理地址转换
EA=A+(Rb)
可以扩大操作数的寻址范围
解决程序在主存中的再定位
相对寻址：操作数地址不固定，与指令地址相差固定值A，位移量A可正可负，通常用补码表示，常用于转移指令
EA=A+(PC)
隐含寻址：硬件实现，用于一地址指令（另一个操作数隐含在累加器ACC中）
堆栈寻址：软件实现，用于零地址指令
寄存器组实现堆栈：硬堆栈
主存空间实现堆栈：软堆栈
总线系统
分类
按数据传送方式
串行传输总线
并行传输总线
按连接部件
片内总线：芯片内部的总线
系统总线：计算机各部件之间
地址总线：单向
数据总线：双向
控制总线：双向
通信总线：计算机系统之间
总线标准
PCI 并行
SCSI 并行
RS-232C 串行
FireWire 串行
USB 串行
总线控制
总线仲裁
集中式仲裁
（需要中央仲裁器）
（需要中央仲裁器）
链式查询：离中央仲裁器最近的有最高优先级
计数器定时查询
独立请求：每个设备使用独立的请求和授权线
分布式仲裁（优先级仲裁为基础，将自己的仲裁号与总线上的比较）
总线通信控制
同步通信（统一时钟控制，一般用于片内总线）
异步通信
不互锁方式
半互锁方式
全互锁方式
半同步通信（设备内同步，设备间异步）
分离式通信（无主从模块之分）
存储系统
分类（按读写功能）
ROM
MROM：掩模型只读存储器（固件，无法修改）
PROM：可编程只读存储器（只能写一次）
EPROM：可擦除可编程只读存储器（紫外线照射透明窗）
EEPROM：用电可擦除只读存储器
RAM
SRAM：静态随机存储器，快，集成度低，常用高速缓存cache
DRAM：动态随机存储器，慢，集成度高，常用内存
cache地址映射（由硬件完成）
直接映射：实现简单，利用率低
全相联映射：成本较高，失效率最低
组相联映射：组间直接映射，组内全相联映射
使cache与主存内容保持一致的方法
写直达法：同时写入cache和主存
写回法：仅当cache的数据被替换时才写入主存
中央处理器
CPU的组成
运算器
算术逻辑单元ALU
累加寄存器ACC
通用寄存器
状态标志寄存器PSWR
数据总线
控制器
程序计数器PC
指令寄存器 IR
指令译码器
地址寄存器
时序产生器
操作控制器
影响指令流水的性能因素
资源相关（结构相关）
征用同一个功能部件
数据相关
必须等待前一条指令执行完毕，才能执行后一条指令
控制相关
转移指令引起
时序系统和控制方式
时序系统（从大到小）
指令周期
取指周期
间址周期
执行周期
中断周期
CPU周期/机器周期
时钟周期/节拍
多级时序系统的组成
CPU周期/机器周期
时钟周期/节拍
控制方式
同步控制方式
异步控制方式
联合控制方式：组件内同步，组件间异步
人工控制方式
微程序设计
基本概念（从小到大）
微操作/微命令
微指令
微程序（存放在微程序控制器中的控制存储器中 ROM）
机器指令
程序（在主存或辅存）
微指令编码
直接编码法（直接控制法）（每一个独立的二进制位表示一个微命令）
字段编码法
字段直接编码法：若干二进制位表示一个操作
字段间接编码法：进一步缩短微指令字长
最短编译法
微指令格式
水平型微指令：具有良好并行性（直接编码和字段编码的微指令）（执行时间短）
垂直型微指令：并行能力差（最短编译法编码的微指令）（执行时间长）
微地址形成
增量方式（计数器法）：顺序寻址
优点：简单
缺点：转移分支很多时，逻辑电路更复杂，影响执行速度
断定方式（下地址字段法）：在微指令中设置专门的转移字段
（由微程序设计者指定，或根据根据现行微指令的状态特征或条件码）
（由微程序设计者指定，或根据根据现行微指令的状态特征或条件码）
优点：消除了专门的转移指令
缺点：增加了微指令长度
I/O系统
互联网络
互联网络三大要素
互联拓扑
开关元件
控制方式
结构参数
网络规模：节点数
节点度：入度+出度
节点距离：两点之间最少边
网络直径：任意两节点最大值
网络对剖宽度
网络对称
主机与I/O设备的联系
I/O指令构成
操作码
命令码
设备码
编址方式
统一编址：统一编址将I/O地址看做是存储器地址的一部分，
占用主存空间，但无需专用的I/O指令，进行输入输出操作时使用访存指令
占用主存空间，但无需专用的I/O指令，进行输入输出操作时使用访存指令
不统一编址（独立编址）：不占用主存，I/O地址和存储器地址是分开的，
所有对I/O设备的访问必须有专门的I/O指令。
所有对I/O设备的访问必须有专门的I/O指令。
传送方式
并行传送
串行传送
I/O接口
组成
端口
数据端口：存放数据信息的寄存器
控制端口：存放控制信息的寄存器
状态端口：存放状态信息的寄存器
控制逻辑电路
功能
选址
传送数据
传送命令
反应设备工作状态
主机与I/O设备信息传送的控制方式
程序查询方式：CPU和I/O处于串行工作状态，CPU效率低，适用I/O设备少，数据传输率低的系统
程序中断方式：实现CPU和I/O设备并行工作，适用于随机出现的服务
直接存储器存储方式（DMA方式）：数据交换不经过CPU，直接在内存和I/O设备间进行，能满足高速I/O设备的需要（信息交互单位：数据块）
I/O通道控制方式：一般用于中大型计算机
中断
中断响应的条件
CPU的允许中断触发器EINT为1
CPU响应中断的时间是指令执行阶段的结束时刻
中断处理的阶段
中断请求
中断判优
中断响应
关中断
寻找中断服务程序入口地址（中断向量）
硬件向量法
软件查询法
保护程序断点
中断服务
保护现场（一般用堆栈）
由中断隐指令保存程序断点（程序计数器PC的内容）
由中断服务程序（操作系统）保存通用寄存器和状态寄存器的内容
分析中断源，确定中断原因
中断服务
恢复现场
中断返回
DMA
CPU停止访问内存
DMA与CPU交替访问：适用于CPU周期>内存周期
周期挪用：适用于I/O设备读写周期>内存周期
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