计算机组成原理辅导.docx
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计算机组成原理辅导
《计算机组成原理》考试大纲
本考试大纲的特点:
从实际情况出发,将同学们必须掌握的知识点(考试的内容)具体化,免去了“必须掌握”、“要掌握”、“了解”、“必须弄清”等等字眼所说到的知识点,而这些知识点又可能会出现在试卷中,还不如将这些知识点都作为“要掌握的主要内容”在各章中列出,并尽量将涉及的内容要点也写出来,便于复习,“纲举目张”,我想效果会更好。
考试大纲后面列举一份考试卷,仅以说明试题的类型而已。
《计算机组成原理》是计算机专业的一门必修课程,
一.本课程的学习目的:
1.通过本课程的学习,掌握计算机硬件系统各部分的组成及工作原理。
2.掌握由各部件组成整机的工作原理,从而较好地建立起计算机的整机概念。
二.本课程的学习内容:
1.中央处理器的组成原理。
主要的内容是运算方法和运算器、控制器、指令系统和系统总线。
2.存储器的组织及输入输出组织。
主要的内容是高速缓冲存储器Cache、主存储器、外存储器和由它们组成的多级存储系统;常用的输入/输出设备和输入输出系统。
三.本课程的特点:
1.具有要求的基础较高,知识面广和承上启下的特点。
2.具有概念多、难度较大的特点。
根据以上的特点,要求在学习《计算机组成原理》课前必须要有一定的数字逻辑和数字电路的知识,学习本课程必须弄清原理,按质完成一定量的习题,要在理解的基础上记住有关的原理、概念和术语。
第1章计算机系统概论
本章的学习目的:
初步了解计算机系统的组成和计算机的工作过程,掌握常用的概念、名词术语,为以后各章的学习打下基础。
本章要掌握的主要内容:
1.计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的,硬件是物质基础,软件是解题的灵魂。
弄清硬件和软件的概念。
2.计算机硬件系统所包含的主要部分,各部分的功能及其组成框图。
3.计算机的工作过程,主要是周而复始地取出指令、解释指令和执行指令的过程。
而指令周期是指取出指令和执行指令所需的时间。
它包括取出指令、解释指令和执行指令两个阶段。
4.冯·努依曼计算机的设计思想是采用二进制表示各种信息以及存储程序和程序控制。
存储程序的概念是将解题程序(连同必须的原始数据)预先存入存储器;程序控制是指控制器依据所存储的程序控制全机自动、协调地完成解题任务。
存储程序和程序控制统称为存储程序控制。
它是电子数字计算机与其他计算工具的最大区别,是电子计算机之所以能高速进行大量计算工作的基础。
5.控制器和运算器合称为中央处理器CPU,当前CPU芯片还集成有存储管理部件、Cache等;CPU和内存储器合称为计算机主机。
6.指令字和数据均以二进制代码的形式存入存储器,计算机是如何区分出指令和数据的。
7.计算机系统的主要性能指标:
字长、存储容量、运算速度等。
8.计算机的运算速度是指它每秒钟执行指令的条数。
单位是MIPS(百万条指令每秒)
式中,n—指令的种类
fi—第i种指令在程序中出现的频度(%)
ti—第i种指令的指令周期
9.计算机系统按功能划分,通常为五级的层次结构:
依次是微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和高级语言级,每一级都可进行程序设计。
10.软件和硬件在逻辑功能的等效性及其例子。
11.本章主要的术语及概念:
运算器,控制器,中央处理器CPU,主机,存储器,I/O接口(适配器),I/O设备,总线,存储程序,程序控制,硬件,软件,运算速度,存储容量,单元地址,存储单元,程序,指令。
第2章运算方法和运算器
本章的学习目的:
弄清数据与文字在计算机中的表示法,定点加、减、乘、除运算的算法,浮点数的表示法及运算方法,逻辑运算的实现,定点、浮点运算器的组成及工作原理。
本章要掌握的主要内容:
1.进位计数制及不同计数制(十、二、八、十六)之间数的转换方法。
进位计数制有两个要素,一是基数R,二是位权Ri。
R是指计数制中所用到的数码个数,如十进制为0~9共十个数字符号;Ri是指R进制数数位的固定倍数。
2.计算机广泛使用二进制计数制。
3.计算机中表示的二进制位数B和人们习惯的十进制数D之间的位数关系:
B=3.32D
可见,一位十进制数要用3.32位二进制数表示,这应与二进制编码的十进制数(BCD码)区分开来。
4.数值数据在计算机中有定点表示和浮点表示两种数据格式。
5.定点表示法的表数范围、精度及其特点。
6.浮点表示这一部分的内容是一个难点,主要掌握以下内容:
(1).浮点数的构成:
N=RE×M
上式R是基数,通常R=2(也有R=8或R=16),对于同一台计算机,R是固定不变的,因此,计算机表示浮点数时只需表示指数(称为阶)E和尾数M。
E包括阶符(指明指数的正负)和阶码(整数),用于指明小数点的实际位置。
M为尾数,包括数符和尾数,M表示了数的精度和正负。
它在机器中的表示如下:
ES
E1E2…Em
MS
M1M2…Mn
˙
|←阶符→|阶码|←数符→|尾数|
形式小数点
所表示的浮点数,其形式小数点的位置在Ms之后。
由于整个数的小数点位置还应由阶来决定,即当E为正阶时,表明实际小数点的实际位置应右移;当E为负阶时,表明实际小数点的位置应左移。
由于所表示的尾数部分,其最大的绝对值约等于1,因此,所能表示的最大数是由阶码的位数来确定,而表示数的精度应由尾数的位数n决定。
(2).规格化浮点数是尾数的最高位为非零数值的浮点数。
表示为2-1≤|M|<1(R=2)
规格化数使一个浮点数的表示是惟一的,而且能保留最多的有效数字,避免丢失运算精度。
例:
某运算结果:
N=20001×0.0000000110001110,限定的尾数为8位,可得
N1=20001×0.00000001
或N2=2-0111×0.11000111,这二个数的精度不同,N2有8位数的精度,而N1只有1位数的精度。
N1是由N舍去尾数的低8位得到的,N2则是由N规格化后得到的。
(3).如何实现规格化?
当|M|≥1时,将尾数右移,每右移一位,阶码加1,称为向右规格化,简称右规;
当|M|<0.5时,将尾数左移,每左移一位,阶码减1,称为向左规格化,简称左规。
可见,规格化过程,就是自动调节比例因子的过程。
应注意的是,尾数为零的浮点数不能规格化。
(4).规格化浮点数的表数范围:
设阶码为m位,尾数为n位(不包括阶符和尾符),则规格化浮点数的表数范围为:
×
≤
≤
-
……
-
×
×
……
上式中(2m-1)和-(2m-1)是m位阶码能表示的最大和最小的阶码,而
和
则是规格化尾数绝对值最小和最大的值。
7.计算机中表示数的大小和正负的方法称为码制。
机器数的表示有原码、补码、反码和移码四种形式,重点掌握原码和补码。
8.原码、补码的性质归纳:
(1)补码的符号位作为数值的一部分看待,参加运算,而原码则不能。
(2)原码的表数范围相对于0来说是对称的,
整数:
-(2n-1)~0~+(2n-1)
小数:
-(1-2-n)~0~+(1-2-n)
而补码则可多表示一个最小负数:
整数:
-2n~0~+(2n-1)
小数:
-1~0~+(1-2-n)
(3)零的原码有二种表示形式(例如定点小数):
[+0]原=0.00…0,[-0]原=1.00…0
而零的补码只有一种表示形式(例如定点整数):
[+0]补=[-0]补=000…0
注意:
(-1)补码的表示方法!
定点整数(-1)补=111…1不是最小的一个数
定点小数(-1.0)补=100…0是最小的一个数
以8位数为例:
10000000
10000001
…
11111111
00000000
00000001
…
01111110
01111111
-128
-127
…
-1
0
+1
…
+126
+127
-1
-0.1111111
…
-0.0000001
0
+0.0000001
…
+0.1111110
0.1111111
(4)补码右移时,移空位(数的最高位)补上和符号相同的代码,补码左移时,移空位(数的最低位)补0;而原码左右移时,移空位均补上0。
(5)原码表示法便于输入输出,有利于实现乘除运算,不利于加减运算;补码表示法便于加减运算,乘除运算也有较好算法,故多被采用。
9.字符的ASCII码、字符串的表示方法。
10.汉字的表示方法包括汉字的输入编码,汉字内码和汉字字模码。
11.奇偶校验码校验位的生成,查错过程及查错功能。
12.补码加法的规则是任意两个数的补码之和等于该两数和之补码,即
[X]补+[Y]补=[X+Y]补(mod2)
对于定点小数来说,上式的先决条件是:
-1≤x<1,-1≤y<1,-1≤x+y<1。
13.补码减法的运算公式:
[X-Y]补=[X]补+[-Y]补(mod2)
在用补码表示的机器中,存储的是[x]补和[y]补的机器数,而减法运算则是指令的要求,上式表明要做减法,必须从[y]补求出[-y]补(称为对y求补),再把减法变为加法进行运算。
[-Y]补=¬[Y]补+2-n(各位变反,末位加1)
14.溢出的检测与处理
溢出是指当运算结果大于机器所能表示的最大正数(上溢)或小于机器所能表示的最小负数(下溢)。
采用双符号位补码(模4补码、变形补码)运算,便于判溢出。
15.由逻辑门电路组成的全加器的逻辑方程式:
16.计算机实现乘除运算的方法:
(1)用乘除运算子程序实现;
(2)在加法器和寄存器中增添控制线路实现;
(3)用阵列乘除法器实现。
17.原码一位乘法的算法(一般了解):
(1)符号位单独处理,ZS=XS
YS
(2)从乘数的最低位开始,逐位与被乘数相乘,若该乘数位Yn-i+1=1,则部分积Pi-1+|x|,若Yn-i+1=0,则Pi-1+0,相加后右移一位,得新的部分积Pi,重复n次可得乘积的绝对值|P|。
(可见,乘法过程变为+|x|或+0以及右移操作)
(3)给|P|置乘积的符号位Zs,可得[x×y]原
18.原码除法的运算规则(一般了解)
(1)商的符号位单独处理,即qS=XS
YS
(2)商的尾数
商的原码[q]原=qs.q1q2…qn
(3)被除数X、除数Y、商q和余数rn之间的关系应满足:
X=q×Y+rn0≤|rn|≤2–n×Y
19.计算机中的基本逻辑运算、逻辑运算的特点及其应用。
20.运算器的三种基本结构及其特点,运算器的实例。
21.浮点运算的算法:
浮点算术运算由阶和尾数两部分的运算组成,它们的运算可采用任何一种相应的定点运算的方法进行。
设两浮点数:
,
则
(1)浮点加减法运算:
Ex 或=(Mx±My× )× Ex≥Ey (2)浮点乘法运算: (3)浮点除法运算: 22.浮点加减法运算的步骤: (P95例【2.34】) (1)首先是对阶,就是使两个浮点数的阶码取得一致的过程。 通常用加法线路求阶差: 若 >0,即Ex>Ey,应将My右移,每右移一位, -1,直至 =0为止; 若 <0,即Ex +1,直至 =0为止。 (2)取大阶Max(Ex,Ey)暂作结果的阶,将对阶后的尾数按指令要求相加或相减。 (3)将运算结果规格化(以双符号补码为例) A.右规条件: 运算结果两个尾符S0'S0状态不同,即: 右规的操作是尾数右移,阶码加1; B.左规条件: 结果非零且为正,尾数最高位M1=0;或结果为负,尾数最高位M1=1,即: 左规的操作是尾数每左移一位,阶码减1。 (4)舍入处理 当尾数右移时,为减少误差,需进行舍入处理。 常用的舍入法有“0舍1入法”和“恒置1法”。 (5)最后检测结果是否溢出。 浮点数的溢出是指运算结果的阶大于机器所能表示的最大正阶。 若溢出,转中断处理或停机。 23.浮点运算流水线: (1)线性流水线时钟周期的确定: τ=Max(τi)+τl=τm+τl (2)K级线性流水线的加速比: Ck= = (3)实例见P102【例2.37】 28.本章主要的术语、概念。 进位计数制,码制,规格化浮点数,左规,右规,舍入,溢出,机器数,真值,原码,补码,求补,ASCII码,汉字内码,数据校验码,变形补码,浮点运算流水线,加速比。 重中之重: 有关补码运算的证明题,浮点运算 第3章存储系统 本章的学习目的: 了解半导体存储元件的存储机理,由半导体存储器芯片组成主存的工作原理,高速缓冲存储器、多模块交叉并行存储系统和虚拟存储器的基本概念及工作原理,存储系统的层次结构,外存储器的工作原理及硬盘的主要技术指标。 本章要掌握的基本内容: 1.存储器的分类,主要掌握按存取方式分类和按在计算机系统中的作用分类。 2.存储系统的设计目标: 在一定的成本下,获得尽可能大的存储容量,尽可能高的存取速度以及可靠性等。 3.存储系统的分级结构 (1)高速缓冲存储器 在计算机系统中用于存放最活跃的程序和数据的高速小容量存储器。 (2)主存储器 用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的半导体存储器。 内存储器(简称内存)包括主存储器和高速缓冲存储器,是CPU能直接访问的存储器。 (3)辅助存储器(外存储器) 存放当前暂不参与运行的程序和数据,需要时再与主存成批交换信息的存储器。 例如磁表面存储器(磁盘、磁带)、光盘存储器。 4.主存储器的技术指标 (1)存储容量 主存存储单元的总数,通常用字数或字节数表示。 按字节编址的主存,存储容量的单位可用KB、MB、GB、TB等单位表示: 1KB=210B,1MB=220B,1GB=230B,1TB=240B 熟练掌握容量与地址码位数的关系 (2)存储周期Tmc 两次读/写操作之间所需的最短间隔时间。 Tmc的单位是ns(纳秒),1ns=10-9s。 当前半导体存储器的Tmc已小于10ns。 5.MOS静态存储元的组成及其存储二进制数的机理—用双稳态触发器的两个稳定状态表示1和0。 6.冯•努依曼计算机的工作方式基本特点之一是按给定的地址访问存储器。 地址译码通常用双译码的结构。 (矩阵X×Y) 7.主存储器与CPU的连接,包括地址线、数据线和控制线的连接。 根据存储器容量的要求,可将若干存储器芯片按位、字、或字位进行扩展,如课本P136图3.25和图3.26所示。 所需某种规格存储器芯片数N的计算如下: 8.四管、单管动态存储元的存储机理—用电容存储电荷的多少表示1和0。 9.动态存储器的刷新,三种主要的刷新方式。 10.半导体只读存储器的分类: (1)掩膜式只读存储器(MROM) 是由制造厂家把信息“写入”,用户不能修改的存储器片。 (2)(一次性)可编程的只读存储器(PROM) 信息由用户编程写入,但不能“擦除”再写的存储器片。 (3)光可擦可编程的只读存储器(EPROM) 写入信息后可用紫外光擦除,再编程写入的只读存储器。 (4)闪速存储器(FlashMemory)的工作原理及其工作模式 闪速存储器是一种快速电擦除、可改写型的存储器。 11.解决主存与CPU速度不匹配的主要途径: (1)在CPU内部设置多个通用寄存器或加长存储器的字长; (2)采用并行操作的存储器;例如双端口、相联存储器和多模块交叉存储器; (3)在CPU和主存之间插入高速缓冲存储器(Cache)。 12.双端口存储器是指同一个存储器具有两组相互独立的读写控制电路。 双端口存储器是用硬件的冗余取得高带宽。 在奔腾机中用作数据Cache。 13.多模块交叉存储器 多模块交叉存储器的基本原理是: 把M=2n个容量为L个存储单元的存储器模块进行交叉编址,使通常按地址自然递增访问存储器的操作依次发生在不同的存储模块中,由于每个存储模块都有自己的读/写电路和地址寄存器、数据缓冲寄存器,就能对不同存储模块同时访问,达到提高存储器工作速度的目的。 多模块交叉存储器的并行操作关键在于各存储模块的交叉编址。 设有M个存储器模块,存储模块编号为J(J=0,1,2,…,(M-1)),每个存储模块容量为L个存储单元,单个模块的单元顺序号为i(i=0,1,2,…,(L-1))。 则Mj模块的编址模式为: 例如M=4,则用模4交叉编址 模块号地址编址序列最末二位地址状态 M00,4,8,…(4i+0),…4(L-1)+000 M11,5,9,…(4i+1),…4(L-1)+101 M22,6,10,…(4i+2),…4(L-1)+210 M33,7,11,…(4i+3),…4(L-1)+311 在理想的情况下,每 (Tmc—存储周期)可读/写一次。 多模块交叉主存系统是以硬件的冗余和交叉编址技术换取高带宽。 【主存带宽计算举例】设存储器容量为128K字,字长32位,模块数m=4,分别用顺序方式和交叉方式进行组织。 存储周期TMC=80ns,数据总线宽度为32位,假定总线传送周期T=15ns。 问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少? 【解】顺序方式和交叉方式读取m=4个字的信息总量都为 q=32b×4=128b 顺序存储器和交叉存储器连续读取4个字所需的时间分别为 T1=mTMC=4×80=320ns=32×10-8(s) T2=TMC+(m-1)τ=80+(4-1)×20=140ns=14×10-8(s) 顺序存储器和交叉存储器的带宽各是 W1=128/(32×10-8)=4×108(b/s) W2=128/(14×10-8)=9.14×108(b/s) 14.相联存储器 是按内容寻址的存储器,即用某项内容(关键字)作为地址来存取的存储器。 相联存储器主要用于存放Cache的行标记,虚拟存储器的分段表、页表和快表。 15.高速缓冲存储器(Cache) Cache是介于CPU与主存之间,用于存放当前最活跃的程序块和数据的高速小容量存储器。 Cache实现的工作原理是CPU运行程序的局部性原理,即指CPU执行的程序所使用的存储单元是相对集中或小批簇聚于相邻单元中。 Cache的命中率H是指CPU在Cache中访问到的次数n1与总的访问次数n之比。 不命中率(脱耙率): (1-H) 在有Cache的主存系统中,CPU访问存储器的平均周期: TA=H×Tcc+(1-H)×Tmc 上式中: Tcc——Cache的存储周期 Tmc——主存的存储周期 Cache的访问效率: e=Tcc/TA CPU与Cache、主存的存储层次。 16.虚拟存储器 用户想象中的具有机器地址字所限定的存储空间的内存储器,是指“主存-辅存”的存储层次,它使计算机系统具有外存的容量,接近于主存的速度和外存的位成本。 通常,虚存空间大于实存空间是虚拟存储系统的基本特征,虚存空间是由辅存(如磁盘)支持的。 主存-辅存之间数据的三种传送单位: 段、页、段页及特点。 17.磁表面存储器的写、读操作 (1)写操作 磁头写入线圈加入写脉冲电流I,产生磁通φ,通过磁头缝隙将高速运动的磁层磁化,磁层的剩磁记录了写入的二进制信息。 (2)读操作 记录有信息的磁层高速通过磁头缝隙,与铁芯耦合形成闭合磁路,磁通的变化则在读出线圈感应出电势,经放大输出读出信号。 由于读、写操作的互斥性,因此,写入线圈和读出线圈可以合二为一,分时使用。 18.磁盘存储器的主要技术指标 (1)存储密度 磁盘记录区单位面积所能存储的二进制位的数量。 例如希捷公司的磁盘,存储密度达16Gb/英寸2。 预计到2007年达到1Tb/英寸2 存储密度通常用道密度Dt和位密度Db来衡量。 Dt是指磁盘在记录区内径向单位长度所记录的磁道数。 单位是TPI(道/英寸)或TPM(道/毫米)。 Db通常指最内圈磁道单位长度所能记录的二进制位数。 单位是bPI(位/英寸)或bPM(位/毫米)。 (2)存储容量C 磁盘装置所能存储的二进制数据的总量(格式化容量)。 C=n×K×L×S 式中: n——数据盘记录面数 K——每个记录面的磁道数 L——每一磁道记录的扇区数 S——每一扇区的字节数 例如当前3.5英寸的硬盘容量已达120GB。 (3)平均存取(定位)时间 指发出读/写命令后,磁头由某一位置移动到所指定的记录位置并开始进行读/写操作所需的时间。 平均存取时间通常用平均找道时间Ts和平均等待时间TL之和来衡量。 TA=Ts+TL 式中, 式中: Tc—盘片旋转一圈所需的时间,n—转/秒 Tsmax—最大的找道时间,Tsmin—最小的找道时间 (4)数据传输率Dtr 磁盘存储器在单位时间里读/写的二进制信息量,单位是KB/S(千字节/秒) Dtr=p×s或Dtr=Db×V 式中: p——每秒转数 s——每道容量 Db——位密度 V——最内圈磁道线速度 例: 设硬盘的平均找道时间为Ts秒,转速为p转/秒,每道容量为s个字,则读/写一块字数为W的数据所需时间T约为: 19.硬磁盘存储器的记录格式参见P166图3.52,编址方案为: 记录面号,磁道号,扇区号,(台号) 【磁盘数据更新时间计算例子】某磁盘的平均找道时间为20毫秒,平均旋转等待时间为7毫秒,数据传输率为2.5M字节/秒。 磁盘机上存放着500个文件,每个文件的平均长度为1M字节。 现需将所有文件逐一读出并检查更新,然后写回磁盘机,每个文件平均需要2毫秒的额外处理时间。 问; (1)检查并更新所有文件需要占用多少时间? (2)若磁盘机的旋转速度和数据传输速率都提高一倍,检查并更新全部文件的时间是多少? 【解】 (1)每次磁盘读或写的时间=找道时间+等待时间+数据传输时间,故总的文件更新时间为 (2)若磁盘机的旋转速度提高一倍,则平均旋转等待时间缩短为3.5毫秒;若磁盘机的数据传输率都提高一倍,则变为5M字节/秒,故总的文件更新时间为 20.光盘存储器的分类及工作原理。 21.本章主要的术语、概念 存储元,ROM,RAM,Cache,主存,内存,外存(辅存),存储周期,静态存储器,动态存储器,刷新,写操作,读操作,多模块交叉存储器,双端口存储器,Cache的命中率,相联存储器,虚拟存储器,道密度,位密度,平均定位时间,平均等待时间,记录格式,数据传输速率。 第4章指令系统 本章的学习目的: 弄清计算机指令系统按功能划分的指令种类;两种指令系统计算机: CISC(复杂指令系统计算机)和RISC(精简指令系统计算机)指令的特点;指令和数据的寻址方式;堆栈及其应用。 本章要掌握的基本内容: 1.指令的基本格式及指令系统与硬件、软件之间的关系 操作码字段OP 地址码字段A OP——指示指令的操作性质,用二进制代码表示,OP通过指令译码器进行解释。 A——通常用于指示操作数的地址或指令地址。 决定指令格式的主要因素有三个: 一是操作的种类,二是地址的数目,三是寻址方式。 2.操作码OP的结构 (1)操作码的位数n取决于操作的种类N 2n≥N,即n≥log2N 3.地址码
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