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1、计算机组成原理总复习串讲n大家好，自我介绍，胡成玉n今天，由我来给大家进行计算机组成原理总复习的串讲教学目的教学目的 通过本课程的学习，大家要掌握计算机各大部件的功能、组成原理、逻辑实现、设计方法及其相互间连接构成系统的技术，建立起整机的概念。本课程是计算机科学与技术专业的基础课。教材教材 ：计算机组成原理 白中英主编，科学出版社参考教材：参考教材：1、计算机组成与结构 王爱英主编（第二版）清华大学出版社第一章 计算机系统概论n在第一章中，主要是先说明了计算机的分类和应用，然后采用自上而下的方法，粗略的介绍了硬件、软件的概念和组成，主要目的是使大家有了一个较粗的总体概念。以便后面章节的学习。n
2、第一小节主要掌握计算机的分类，了解计算机的应用领域。计算机分为电子模拟计算机和电子数字计算机，后者又可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微机、单片机等。n第二小节要求大家熟悉计算机硬件的组成，主要由运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备组成，还要了解每个部分的在计算机中的作用。熟悉冯.诺依曼型计算机工作的原理，主要是存储程序并按地址顺序执行。n后面两个小节需要了解计算机软件的组成和分类，熟悉计算机系统的层次结构。了解固件的概念。计算机软件一般分两大类:系统程序和应用程序。固件是指那些存储在永久保存信息器件中的程序，是具有软件功能的硬件。n这些就是第一章的主要内容。下面我开始介绍第二章
3、的主要内容和重难点。第二章 运算方法和运算器n本章首先讲述数据和文字的表示方法，然后讲述了定点运算方法，定点运算器的组成，最后讲述了浮点运算方法、浮点运算器的组成。这一章重难点较多，现在，我按小节的顺序强调一下。第一小节，内容包括数据格式、数的机器码表示、字符和字符串编码、汉字的表示、校验码。常见的数据格式有：定点格式和浮点格式。我们要熟悉定点数和浮点数的定义、表示方法、范围、这两种表示方法的差异，其中浮点数的表示是个难点。比如：定点格式是指：在定点表示法中，小数点位置固定不变。定点格式常有两类：定点小数和定点整数n定点小数法：定点小数法：约定小数点在符号位与数值部分最高位之间。n定点整数法定
4、点整数法 约定小数点的位置在数值部分最右一位的右端。二进制数的编码表示二进制数的编码表示主要解决问题是符号如何表示？带符号数据如何参与运算？目前计算机系统中已经形成了一套完整的带符号数的二进制编码系统，即原码、反码和补码、移码。n重点掌握数的机器码表示，包括原码、补码、反码、移码的定义，要搞清楚四种码制的表示范围、作用以及它们之间的转换，特别注意的是0的几种码制表示方法。下面概述一下：几种码制的比较n相同点：1、对于正数，它们等于正数本身，对于负数各有不同的表示。n2、最高位都表示符号位，补码和反码的符号位可以作为数值的一部分看待，和数值一起参加运算，但是，原码的符号位必须分开处理。n3、对于
5、真值0，原码和反码各有两种表示形式，而补码只有一种形式。n4、原码，反码表示的正负数范围相对于0来说是对称的，但是补码的负数表示的范围比正数宽，能多表示一个最负的数，其值为2n或者为1下面讨论一下下面讨论一下 数据校验码数据校验码问题：在数据在计算机内的存取、处理、传输过程中都有可能产生错误。解决方法：精心设计电路，提高硬件的可靠性 采用某种带有特征能力的编码方法，来 发现或纠正出错位。我们常用的校验方法是奇校验和偶校验。奇偶校验码是开销最小、最简单、最广泛使用的一种校验码，它只能发现数据中的一位错。具体实现方法：为每个字节补充一个二进制位，称为校验位，设置校验位的值为“0”或“1”，使9个数
6、位中含有“1”值的个数为奇数或为偶数，分别称为奇校验或偶校验。n第二小节熟悉补码加减法的运算法则，主要是补码加减法公式及变补公式。分别是：x+y补=x补y补xy补=x补y补y补y补变补n在此基础上，掌握采用溢出的两种检测方法。就是单符号位法和变形补码的方法。难点在于基本的二进制加/减法器和十进制加法器的逻辑实现。n第三小节是定点乘法运算，重难点在于带符号的阵列乘法器的逻辑设计和实现。在这里，我们要搞清楚，带求补器的阵列乘法器，既适用于原码乘法、也适用于补码乘法，只不过在原码乘法时，算前求补和算后要补都不需要。例题参见教材41页例17，18。然后对于直接补码并行乘法器仅做了解即可。n第四小节讲的
7、是定点除法运算，这一节也是个比较难的一节，主要是熟悉手工计算除法和恢复余数的除法及不恢复余数的除法的区别。在此基础上，了解不恢复余数阵列除法器的逻辑结构。n第五小节讲的定点运算器的组成，我们首先要搞清楚数值计算和逻辑运算的方法。然后熟悉芯片74181和74182的逻辑组成结构和引脚。学会用这两个芯片组成多位的运算器。这也是非常重要的一点。n第六小节只需要了解浮点加减运算的操作过程即可。浮点运算器逻辑结构不需要大家掌握。下面我们来看第三章的内容。第三章存储系统第三章存储系统本章讲述的存储系统的分类、分级结本章讲述的存储系统的分类、分级结构与主存储器的技术指标等，这一章构与主存储器的技术指标等，这
8、一章也比较重要。下面我们分节讲述。也比较重要。下面我们分节讲述。第一小节是存储器的概述首先是 存储器的分类n按存储介质分，半导体存储器，磁表面存储器、光存储器等n按存取方式分：随机存储器，顺序存储器n按在计算机中的作用分：主存储器，辅助存储器，高速缓冲存储器，控制存储器n还有按读写功能分，按信息的可保存性分等分类方法。2，要掌握存储器的分级结构 分级结构主要是高速缓冲存储器主存储器外存储器三层结构3，了解主存储器的性能指标主要包括存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽几个方面。n第二小节讲的随机读写存储器随机读写存储器分为静态mos存储器和动态mos存储器。我们需要掌握：1、静态MOS存储器
9、的基本存储元电路图及其读写操作，还要熟悉SRAM存储器的组成，它由存储体、读写电路、地址译码电路和控制电路等组成。2、动态MOS 存储器（DRAM）基本存储单元电路及其读写和刷新操作，还要熟悉动态MOS存储器的组成。3、最重要部分是存储器和CPU的连接以及如何对存储器进行扩展。扩展常采用位扩展、字扩展法、字位同时扩展法三种方法。n4、了解存储器的读写周期特别是DRAM的刷新，常见的刷新方式为集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新。第三节讲述的是只读存储器和闪速存储器这一节我们主要是做一下粗略的了解。1、ROM的概念和分类ROM它只能读出，不能写入，故称只读存储器。最大的优点是具有不易失性，即使电源
10、切断，ROM的信息也不会丢失。根据编程方法不同，我们通常分成三类：掩模式只读存储器、一次编程只读存储器、多次编程只读存储器。2、闪速存储器的优点，工作原理、和CPU连接等n第四节讲述的高速存储器高速存储器包括双端口存储器、多模块交叉存储器、相联存储器、1、双端口存储器：由同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路而得名。我们可以了解一下它得逻辑结构，读写控制。特别是当两个端口地址不相同时，产生冲突时的读写控制。2、多模块交叉存储器组织方式有两种，顺序方式和交叉方式，需要了解这两种方式的优缺点。3、相联存储器相联存储器是按内容访问的存储器。而其他前面我们介绍的存储器是按地址访问的。相联存储器的原
11、理是把存储单元所存内容的某一部分作为检索项，去搜索该存储器，并将存储器中与该检索项符合的存储单元内容进行读出和写入。另外，还需要了解相联存储器组成和相联存器一般应用在什么场合。第五小节：讲授的是cache存储器Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间的速度不匹配采用的一种重要的硬件技术。了解主存与cache的地址映射方式。有三种映射方式全相联映射方式直接映射方式组相联映射方式，其中组相联方式是前二者的折中方案。最后一小节是虚拟存储器，它只是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，并不是任何实际的物理存储器。它的作用，主要解决存储容量和速度的矛盾。虚拟存储器有页式、段式、段页式三种。
12、第四章 指令系统n这一章相对简单，一台计算机中所有指令的集合，称为这台计算机的指令系统。它是一台计算机性能的重要因素。n在第一节中，我们要了解指令系统的发展和性能要求。四个方面的要求：完备性、有效性、规整性和兼容性。第二节中讲授的指令格式，以下几个方面我们需要掌握：1、机器指令的基本组成。包括操作码字段和地址码字段。操作码表示该指令进行什么性质的操作，比如加法、减法等。地址码指定参与操作的操作数的地址。2、指令种类有四种。数据处理（算术和逻辑运算指令）、数据存储（存储器器指令）、数据传送（I/O指令）、控制（测试和分支指令）第三节 指令和数据的寻址方式寻址方式指的是如何确定指令中操作数的地址及
13、下条指令的地址。1、指令的寻址方式分为：顺序寻址方式、跳跃寻址方式2、操作数的寻址方式比较多，要重点掌握隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址，寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式，了解相对寻址方式、基址寻址寻址方式、变址寻址方式和块寻址方式。第四节 堆栈寻址方式 堆栈是一组能存储和取出数据的暂时存储单元。它和存储器的差别在于对数据的存取方法或寻址方法不同。它采用“后进先出”的原理。按结构不同，可以分为两种常用堆栈类型：（1）寄存器堆栈，一些CPU中有一组专门的寄存器组，它们称为串联堆栈，其中每一个寄存器能保存一个字的数据。（2）存储器堆栈：指在主存中，设定一部分为堆栈区，一旦设定，就不能做其他
14、用途。n第五节 典型指令首先要搞清楚指令的分类。从指令的操作码功能来考虑：分为数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制指令、输入输出类指令、字符串类指令、系统控制类指令7大类。然后了解精简指令系统和复杂指令系统相比，它的主要的特点。第五章 中央处理器这一章详细的介绍了CPU的功能和基本组成，指令周期的概念、时序产生器的组成、微程序控制技术、硬布线控制器，传统的CPU结构，在此基础上介绍了当前先进的CPU的科技成果。下面我们概述一下每节的重难点。n第一节 CPU的功能和组成CPU有四个方面的功能（1）指令控制，主要控制程序的顺序（2）操作控制，主要是翻译和执行指令（3）时间控制，
15、指对各种操作时间定时（4）数据加工，对数据进行算术和逻辑运算，这是CPU的根本任务。CPU的组成：传统的CPU由运算器和控制器组成。n控制器由程序计数器、指令寄存器。指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的决策机构。n运算器由算术逻辑单元，累加寄存器。数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据的加工处理部件。同时我们还应该熟悉CPU中的主要寄存器：主要是指令寄存器IR、程序计数器PC、地址寄存器AR、缓冲寄存器DR，累加寄存器AC，状态条件寄存器PSW，我们应该知道它们的功能，知道它们主要作用。n第二、三节 指令周期和指令时序的产生首先搞清楚指令周期、机器周期、时钟周期的概念：
16、指令周期是从存储器中取出一条指令并执行这条指令的时间。一个指令周期由若干个CPU周期组成，CPU周期也就机器周期。而一个CPU周期又由多个时钟周期组成。再就是信号的来源：时钟信号时钟信号作为时间的基准，由时钟脉冲发生器产生。周期信号周期信号用于控制不同阶段的操作，用触发器实现。节拍信号节拍信号用于控制周期内的微操作，用节拍信号发 生器实现。然后我们要了解典型指令的指令周期，比如CLA，ADD等指令的指令周期。n第四节 微程序控制器首先了解微程序控制的几个基本概念微操作微操作：一条指令功能的实现是通过一系列有序的基本操作来完成的，这些操作称为微操作，它是执行单元能够完成的最基本动作。微命令：微命
17、令：对应某个微操作的命令称为微命令，它是执行单元可以接受的控制信号序列的最小单位。微指令：微指令：是对指令的分解，是一组微命令的组合。主要包含两个字段：操作控制字段、顺序控制字段。n微程序：微指令的有序集合称为微程序。一条机器指令的功能通过许多条微指令来实现，即一条机器指令对应一段微程序。n控制存储器：存放微程序的高速只读存储器。n微程序控制：指令的执行是通过执行该指令对应的微程序来实现的控制方式，称为微程序控制方式。在此基础上，我们应该了解微程序控制器的原理框图：它主要由控制存储器、微指令存储器、地址转移逻辑三大部分组成。n第五节 微程序设计技术在了解微程序控制器基本原理的基础上，如何确定微
18、指令的结构，是设计微程序的关键。微指令格式微指令格式 微指令格式：控制字段+顺序控制字段（下址字段）控制字段每位表示一个微操作控制信号然后考虑的是 指令操作微程序化。微指令的编码微指令的编码微指令的编码就是对微指令中的操作控制字段进行编码，通常有三种方法可供选择：直接表示法，编码表示法、混合表示法。具体微地址的形成方法常有两种方法，计数器的方式、多路转移的方式。我们做一下了解即可。后面的小节内容有兴趣的同学可以自己阅读一下。第六章 总线系统总线技术是计算机系统的一个重要技术，有点学者说PC就是由CPU、总线系统、操作系统三个部分组成。第一节讲述的是总线的概念和结构。总线定义：它是构成计算机系统
19、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道。一个单处理器的总线我们可分为三类：内部总线，系统总线，I/O总线内部总线指CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。系统总线指CPU同计算机系统的其他高速部件互相连接的总线。I/O总线指中低速I/O设备之间互相连接的总线。对于每种总线，我们还要了解其物理特征、功能特性、电器特性、时间特性按连接方式来分，单机系统中总线结构有三种类型：单总线结构、双总线结构、三总线结构第二节 总线接口首先了解信息的传送方式有三种传送方式：串行传送，分时传送，并行传送。出于速度和效率的考虑，系统总线上传送信息必须采用并行传送方式。当信息串行传送时，只有一条
20、传输线，且采用脉冲传送。当信息并行传送时，每个数据位都需要一根单独传输线。n接口的基本概念和功能接口是指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口在功能上可以起到：控制外围设备、缓冲使得减小速度差异、显示工作状态、数据转换、程序中断等功能。n第三节总线的仲裁、定时和数据传送模式总线仲裁是总线系统的核心问题之一。是为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，常常采用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为作为总线的下一次主方，接管总线的控制权。按仲裁电路的位置，分为：集中式仲裁和分布式仲裁。在这里，我们要搞清楚它们的区别。总线的定时又是总线系统的核心问题之一。为了同步主方和从
21、方，必须制定定时协议。常见的协议有同步定时和异步定时两种方式。对于这两种方式，我们要熟悉。n当前的总线标准大都支持以下数据传送模式（1）读写操作（2）块传送操作（3）写后读、读后写操作（4）广播和广集操作，我们做一下了解即可。在第四节中，我们了解一下PCI总线即可。PCI总线是当前流行的总线，是一个与处理器无关的总线，又是至关重要层次总线。采用了同步定时协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力，在微型机有广泛的应用。第八章 输入和输出系统计算机的输入输出系统简称I/O系统，包括I/O接口、I/O管理部件以及有关软件，一个计算机系统的综合处理能力，系统的可扩展性、兼容性和性价比都和I/O系统密切
22、相关。第一节 主要讲述信息的交换方式在计算机系统中，CPU对外围设备的管理有以下5种方式：（1）程序查询方式（2）程序中断方式（3）DMA方式（4）通道方式（5）外围处理机方式，其中，程序查询方式对CPU的资源浪费最大，外围处理机使CPU的效率得到最大的发挥，但是需要更多的硬件支持。第二节主要讲述程序中断方式程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数据交换方式。当一个外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求信号，当CPU响应中断请求后，暂停运行主程序，自动转移到该设备的中断服务子程序，为该设备进行服务，结束时返回主程序。n中断处理过程可以嵌套，优先级高的设备可以中断优先级低的中断服务程
23、序。n这一节还需要了解中断控制器8259的逻辑结构。第三节 DMA方式 DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续程序。DMA方式主要是速度比较快，由于没有CPU的参与，也就省去了CPU的取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中，没有保存现场、恢复现场之类的工作。所以DMA方式能够满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥。n需要了解DMA怎样和CPU分时使用内存采用了三种方法（1）停止CPU访问内存（2)周期挪用（3）DMA和CPU交替访问内存然后，需要了解的是DMA控制器的基本组成以及数据传送过程第四节讲述的是通道方式通道是一个特殊功能的处理器。它有自己的指令和程序专门负责数据输入和输出的传输控制，从而使CPU将传输控制的功能下放给通道，CPU只负责数据处理的功能。这样CPU和通道就可以分时使用内存。n通道的类型按通道的工作方式，通道分为选择通道、数组多路通道、字节多路通道三种类型。我们只对它们做一下了解即可。最后呢，通道结构的进一步发展，就出现了两种I/O系统结构的计算机。一个为输入输出处理器(IOP)，一个为外围处理机(PPU)。这里我们了解一下。n今天，我们的串讲到此为止，谢谢大家！