计算机组成原理考点

第一章计算机系统概述¶

计算机硬件组成要素：哪些部分？功能是什么
- 运算器: 算术与逻辑运算
- 存储器: 存储指令和数据
- 控制器: 执行指令/协调各部件工作
- 总线: 连接各个部件的公共通路
- 输入、输出设备与适配器: 信息转换/与用户交互
计算机系统的层次结构：以语言为特点
- 高级语言机器 M4（软件）: 用编译程序翻译成汇编语言程序
- 汇编语言机器 M3（软件）: 用汇编程序翻译成机器语言程序
- 操作系统机器 M2（软件）: 向上提供“广义指令”（系统调用）
- 用机器语言的机器 M1（硬件）: 执行二进制机器指令
- 微程序机器 M0（硬件）由硬件直接执行微指令

第二章数据的表示与运算（运算器）¶

不同进制数的转换
数的机器码：原、反、补、移码的表示范围（表示形式与对应的真值）
- 原、反码表示范围相同；补、移码表示范围相同，比原、反多表示一个最小负数(1 0000/0 00000)
定点数的表示：纯整数、纯小数，表示范围
- 注意规格化尾数最大负数(绝对值最小) 只能取到1 000...0001
浮点数的表示：非规格化、规格化、 IEEE754 标准（特定的规格化格式）
- 不同形式的特点，存储格式、表示范围、真值
定点数（补码表示）的加减法运算：基本规则、溢出判断
- -y 的补码、变形补码的表示
定点数的乘法：基本规则、乘法阵列包含器件数量
定点数除法：基本规则、不恢复余数除法计算
n 位加法器的设计原理
- 级联形成 n 位加法器(行波进位加法器) 的特点
- 先行进位的基本原理；先行进位 n 位加法器的特点
- 74181 和 74182 的外部特性、如何形成 ALU
浮点数加、减法运算：运算流程、各阶段特点
- 对阶, 尾数加减, 规格化, 舍入, 溢出
流水线定义与特点：同步时钟控制

第三章存储器¶

存储器的组成：存储元、存储单元、地址
- 存储元: 存储器中最小的物理单元, 保存一个二进制位
- 存储单元: 由若干个存储元组成；每个存储单元占用 1 个地址
- 地址: 标识存储单元所在的位置
不同方式下的存储器的分类；
分级存储体系的特点；存储容量、寻址范围（地址数量）计算
SRAM 存储器的特点； SRAM 的基本组成部分；读写周期分析
DRAM 存储器的特点（ VS. SRAM）；DRAM 的基本结构； DRAM 的刷新
- 集中刷新，分散刷新，异步刷新
存储器的设计（容量扩充） 【必考】
并行存储器的工作原理、特点：双端口存储器、多模交叉存储器（带宽）
设置 Cache 的原理与目标、 Cache 的评价指标
主存与 Cache 的地址映射不同方式下主存、 Cache 的地址格式；行标记容量；映像关系
- 全相联，直接映射，组相联

第四章指令系统¶

指令系统的基本概念：指令、指令系统
- 指令：指示计算机执行某种操作的命令（微指令、机器指令、宏指令）
- 指令系统：一台计算机所有机器指令的集合。（CISC、RISC）
指令的格式：操作码、地址码（多种情况）；格式分析、指令编码
- 操作码：不可变长度、可变长度
- 地址码：零地址、一地址（隐含指定）、二地址、三地址
- 格式分析：RR、RS、SS
指令的寻址方式
- 顺序寻址（PC+1）
- 跳跃寻址（JMP）
数据的寻址方式：不同寻址方式下，有效地址的计算方式；数据实际存储位置
- 隐含寻址、立即寻址D = A、直接寻址D=(A)、间接寻址D=((A))
- 寄存器寻址D=(Ri)、寄存器间接寻址D=((Ri))
- 偏移寻址EA=A+(R)
  - 相对寻址（相对于 PC, 即 PC=R）
  - 基址寻址（基址 R 变，A 不变）
  - 变址寻址（基址 R 不变，A 变）

第五章 CPU¶

CPU 的基本组成：各部分的功能与特点
- 运算器：实现数据的算术和逻辑运算（ALU、ACC、PSW、CT、寄存器组、移位器）
- 控制器：产生控制信号, 协调和指挥各个部件完成执行指令的操作（PC、IR、指令译码器、(M)AR、(M)DR、时序系统、微操作信号发生器）
- cache：存储指令和数据
指令周期、 CPU 周期与时钟周期的关系
- 指令周期： CPU 从内存取出一条指令并执行这条指令的所有操作时间总和。(如 ADD、SUB、LAD、MOV 等)
  - 一个指令周期又可细分成若干个 CPU 周期
- CPU 周期：又称机器周期(机器指令周期)，一般用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
  - 一个 CPU 周期又包含若干时钟周期
- 时钟周期： CPU 处理操作的基本时间单位，通常称为节拍脉冲或 T 周期
  - CPU 中最小的时间单位，时钟周期越短(时钟频率越高)说明计算机工作速度越快
指令周期分析：方框语言描述指令周期流程图
- 注意测试必须占一个 CPU 周期, 若后续无 CPU 周期, 添加一个空的 CPU 周期
时序产生器的功能；控制方式
- 时序产生器: 生成各种时序信号，控制计算机中各个部件的协调工作
- 时序信号：控制不同部件之间的时间协调，保证计算机系统的正常工作
- 控制方式
  - 同步控制方式: 指令在执行时所需的机器周期数 (CPU 周期）和时钟周期数（节拍脉冲）都固定不变
  - 异步控制方式: 指每个操作控制信号根据需要确定完成时间
  - 联合控制方式: 同步控制和异步控制相结合的方式
微程序控制器的工作原理：控制的核心思想；基本组成部分、各部分功能与关系
- 核心思想: 将机器指令执行过程分为若干个微操作，并通过预先设计和存储在 ROM（只读存储器）中的微程序来控制这些微操作的执行顺序和时序，从而实现对整个计算机系统中各个部件的协调控制
- ①控制存储器 CM: 用于存放实现全部指令系统的微程序 (用 ROM 制造)
- ②微指令寄存器 μIR: 用来存放当前执行的一条微指令 (分段存放)
  - 微命令寄存器: 存放 P 字段+操作控制字段
  - 微地址寄存器 μAR: 顺序控制字段
- ③地址转移逻辑: 用于形成下条微指令的微地址
微程序的设计
- 微命令编码技术；微地址形成方式（微地址转移逻辑的设计）
- 1 条指令的微程序设计（根据指定的数据通路图，完成某一特定功能的指令的程序）
硬连线控制器的工作原理（ Vs. 微程序控制器
- 使用门电路和触发器构成的逻辑电路来产生控制信号
流水线的相关：不同的相关类型；数据相关的判断
- 资源相关、数据相关（WAR、RAW、RAR）、控制相关

第六章总线系统¶

单总线、多总线结构的特点
- 单总线：系统内的所有部件均由同一条总线(系统总线) 连接，进行数据传输和控制信号传递
- 多总线：将计算机系统中的总线分为数据总线、地址总线和控制总线等多条总线，用于传输不同类型的信息
总线带宽的计算：单位时间内通过总线的数据位数（MB/s）
总线接口的定义、作用
- 接口: CPU 和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件
- 作用: 控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断等。
总线的仲裁：仲裁的目的、仲裁策略、仲裁的不同实现方式及其特点
- 目的: 多个功能模块争用总线时，必须由总线仲裁部件选择一个主设备使用总线
- 集中式仲裁: 由总线控制部件进行仲裁
  - 链式查询方式(菊花链)
  - 计时器定时查询方式
  - 独立请求方式
- 分布式仲裁: 不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线
总线信息传送过程（ 5 个阶段）
- 请求总线、总线仲裁、寻址、信息传送、状态返回
总线的定时方式：同步、异步；分析周期图
- 同步定时: 系统采用统一的时钟信号，所有事件的出现时间均由该时钟信号确定
- 异步定时: 系统依靠应答方式或互锁机制来决定事件出现的时间

第七章外围设备¶

外围设备：定义、基本组成要素、常见的外设及其分类
- 定义：计算机系统（主机）与外界交换信息的装置
- 基本组成 :
  - 存储介质: 用于信息的保存;
  - 驱动装置: 用于移动存储介质,使之正常工作;
  - 控制电路: 用于使该外设与外界(如 CPU)的信息传递。
- 分类
  - 输入输出设备；
  - 外存设备；
  - 数据通信设备；
  - 过程控制设备
硬磁盘存储器的特点：读写原理（简要）、硬盘组成结构、信息分布、地址表示
- 写：磁头写线圈脉冲电流，磁化存储元；读：磁头读线圈将存储元的剩磁状态转换为电信号读出
- 组成：磁记录介质、磁盘控制器、磁盘驱动器
- 纪录面、磁道、圆柱面、扇区
- 地址：磁道号（柱面号）、记录面号（磁头号）、扇区号
硬磁盘的技术指标计算：存储容量（格式化、非格式化）、存取时间
- \(\textcolor{#66ccff}{非格式容量}=最大位密度 \times 最内圈磁道周长 \times 总磁道数\)
- \(\textcolor{#66ccff}{格式化容量}=每道扇区数 \times 扇区容量 \times 总磁道数\)
- \(\textcolor{#66ccff}{T_a=T_s+\frac 1{2r}+\frac b{rN}}\) 寻道时间+平均等待时间+数据传送时间
显示设备的基本概念：像素、分辨率、灰度级或颜色数、刷新存储器及其容量、带宽的计算
- 像素：构成图像的基本单位。
- 分辨率：显示器能表示的像素个数。
- 灰度级：像素明暗差别的程度。
- 颜色数：显示器能显示的颜色的种类。
- 刷新存储器: 存放图像信息用于刷新的存储器，也叫显示存储器；
  - 容量：M = r x C (r: 分辨率， C：灰度级)

第八章输入输出¶

接口的定义
- 为 CPU 和主存、 I/O 设备之间传送信息而设的转换逻辑部件。
I/O 设备与 CPU 交换信息的过程
- 输入过程：
  - CPU 送地址选择某一输入设备；
  - CPU 等候数据成为有效
  - CPU 读入数据，存入相应的寄存器中。
- 输出过程：
  - CPU 送地址选择某一输出设备；
  - CPU 把数据放在数据总线上；
  - 输出设备取数据。
主机与外设信息交换方式概述：哪两类？具体 4 种方式
- 程序实现
  - 程序查询方式
  - 程序中断方式
- 硬件实现
  - DMA 方式
  - 通道方式
程序查询方式特点：设备编址方式、接口电路结构、工作流程
- 编址方式
  - 与存储器统一编址: 在存储器总的地址空间中分出一个区域，作为 I/O 系统中的设备地址。
  - 独立编址:内存与外围设备地址各自独立。
- 接口电路
  - 设备选择电路
  - 数据缓冲寄存器
  - 设备状态标志电路
程序中断方式：基本概念、中断处理过程的流程、接口电路结构
- 当有某些随机事件发生时 CPU 暂停执行当前的程序，转去执行引起中断的程序，处理完后再返回继续执行原程序
- 中断请求 → 中断响应 → 中断服务
单级中断 VS 多级中断：多级中断下，如何通过修改屏蔽字改变中断处理优先级
DMA 方式：基本思想、一般处理流程、不同的传送方式
- 通过硬件控制总线实现主存与 I/O 设备间的直接数据传送, 在传送过程中无需 CPU 程序干预
- 流程
  - DMA 请求：外设通过接口向 CPU 发 DMA 请求信号。
  - DMA 响应： CPU 将工作改为 DMA 操作方式，将总线控制权交给 DMA 控制器。
  - DMA 数据传送： DMA 控制器发总线信号，在主存和 I/O 寄存器之间传送数据。
  - 结束处理：数据传送完后，发结束中断请求，通知 CPU 进行后处理。
- 传送方式
  - CPU 与 DMA 控制器控制内存方式
    - 停止 CPU 访问内存
  - DMA 与 CPU 交替访存
    - 周期挪用
通道方式：基本思想
- 通道：一种专用处理器，通过执行通道程序进行 I/O 操作的管理，为主机与 I/O 设备提供数据传送通道。

计算机组成原理考点

第一章 计算机系统概述¶

第二章 数据的表示与运算（运算器）¶

第三章 存储器¶

第四章 指令系统¶

第五章 CPU¶

第六章 总线系统¶

第七章 外围设备¶

第八章 输入输出¶

第一章计算机系统概述¶

第二章数据的表示与运算（运算器）¶

第三章存储器¶

第四章指令系统¶

第六章总线系统¶

第七章外围设备¶

第八章输入输出¶