计算机组成原理知识点总结材料——详细版.doc

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计算机组成原理2009年12月期末考试复习大纲

第一章
1.计算机软件的分类。
P11 计算机软件一般分为两大类：一类叫系统程序，一类叫应用程序。
2.源程序转换到目标程序的方法。
P12 源程序是用算法语言编写的程序。
目标程序（目的程序）是用机器语言书写的程序。
源程序转换到目标程序的方法一种是通过编译程序把源程序翻译成目的程序，另一种是通过解释程序解释执行。
3.怎样理解软件和硬件的逻辑等价性。
P14 因为任何操作可以有软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格，速度，可靠性，存储容量等因素。因此，软件和硬件之间具有逻辑等价性。
第二章
1.定点数和浮点数的表示方法。
P16 定点数通常为纯小数或纯整数。
X=XnXn-1…..X1X0
Xn为符号位，0表示正数，1表示负数。其余位数代表它的量值。
纯小数表示范围0≤|X|≤1-2-n
纯整数表示范围0≤|X|≤2n -1
浮点数：一个十进制浮点数N=10E.M。一个任意进制浮点数N=RE.M
其中M称为浮点数的尾数，是一个纯小数。E称为浮点数的指数，是一个整数。
比例因子的基数R=2对二进制计数的机器是一个常数。
做题时请注意题目的要求是否是采用IEEE754标准来表示的浮点数。

32位浮点数S（31）E（30-23）M（22-0）
64位浮点数S（63）E（62-52）M（51-0）
S是浮点数的符号位0正1负。E是阶码，采用移码方法来表示正负指数。
M为尾数。P18

P18

2.数据的原码、反码和补码之间的转换。数据零的三种机器码的表示方法。
P21 一个正整数，当用原码、反码、补码表示时，符号位都固定为0，用二进制表示的数位值都相同，既三种表示方法完全一样。
一个负整数，当用原码、反码、补码表示时，符号位都固定为1，用二进制表示的数位值都不相同，表示方法。
1.原码符号位为1不变，整数的每一位二进制数位求反得到反码；
2.反码符号位为1不变，反码数值位最低位加1，得到补码。
例：x= (+122)10=([phone]原码、反码、补码均为01111010
Y=(-122)10=(-1111010)2原码11111010、反码10000101、补码10000110
+0 原码00000000、反码00000000、补码00000000
-0 原码10000000、反码11111111、补码10000000
3.定点数和浮点数的加、减法运算：公式的运用、溢出的判断。
P63 已知x和y，用变形补码计算x+y，同时指出结果是否溢出。
（1） x=11011 y=00011 （2）x=11011 y=-10101 （3）x=-10110 y=-00001

已知x和y，用变形补码计算x-y，同时指出结果是否溢出。
（1） x=11011 y=-11111 （2）x=10111 y=11011 （3）x=11011 y=-10011

P63 设阶码3位，尾数6位，按浮点运算方法，完成下列取值的[x+y],[ x-y]运算.
（2）x= 2-101*（-0.010110）y=2-100*（0.010110）

P29 溢出的判断：第一种方法是采用双符号位法（变形补码）。
任何正数，两个符号位都是“0”， 任何负数，两个符号位都是“1”，如果两个数相加后，其结果的符号位出现“01”或“10”两种组合时，表示发生溢出。最高符号位永远表示结果的正确符号。第二种方法是采用单符号位法。 P30
4.运算器可以执行哪些运算？
算术运算：加法，减法运算，乘法，除法运算。
逻辑运算：逻辑与，或，非运算等。
5.数据的不同进制表示。 P18
一、二进制数转换成十进制数
由二进制数转换成十进制数的基本做法是，把二进制数首先写成加权系数展开式，然后按十进制加法规则求和。这种做法称为"按权相加"法。
二、十进制数转换为二进制数
十进制数转换为二进制数时，由于整数和小数的转换方法不同，所以先将十进制数的整数部分和小数部分分别转换后，再加以合并。
1. 十进制整数转换为二进制整数
十进制整数转换为二进制整数采用"除2取余，逆序排列"法。具体做法是：用2去除十进制整数，可以得到一个商和余数；再用2去除商，又会得到一个商和余数，如此进行，直到商为零时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低位有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，依次排列起来。
2．十进制小数转换为二进制小数
十进制小数转换成二进制小数采用"乘2取整，顺序排列"法。具体做法是：用2乘十进制小数，可以得到积，将积的整数部分取出，再用2乘余下的小数部分，又得到一个积，再将积的整数部分取出，如此进行，直到积中的小数部分为零，或者达到所要求的精度为止。
然后把取出的整数部分按顺序排列起来，先取的整数作为二进制小数的高位有效位，后取的整数作为低位有效位。
三、二进制数转换成八进制数
三位二进制数，得一位八进制数。101010011=（101）5（010）2（011）3=523
四、八进制数转换成二进制数
一位八进制数，得三位二进制数。523=（101）5（010）2（011）3=101010011
五、二进制数转换成十六进制数
四位二进制数，得一位十六进制数。1101000101100=（1010）A（0010）2（1100）C =A2C
六、十六进制数转换成二进制数
一位十六进制数，得四位二进制数。A2C =（1010）A（0010）2（1100）C =1101000101100

十进制整数转二进制整数：除2取余
用2辗转相除至结果为1
将余数和最后的1从下向上倒序写就是结果
例如302
302/2 = 151 余0
151/2 = 75 余1
75/2 = 37 余1
37/2 = 18 余1
18/2 = 9 余0
9/2 = 4 余1
4/2 = 2 余0
2/2 = 1 余0
故二进制为100101110
二进制转十进制
从最后一位开始算，依次列为第0、1、2...位
第n位的数（0或1）乘以2的n次方
得到的结果相加就是答案
例如:01101011.转十进制:
第0位:1乘2的0次方=1
1乘2的1次方=2
0乘2的2次方＝0
1乘2的3次方＝8
0乘2的4次方＝0
1乘2的5次方＝32
1乘2的6次方＝64
0乘2的7次方＝0
然后：1＋2＋0＋8＋0＋32＋64＋0＝107.
二进制01101011＝十进制107．
第三章
1.主存的性能指标有哪些？
存储容量，存取时间，存储周期，存储器带宽。
存取时间，存储周期，存储器带宽反映了主存的速度指标。
2.存储器容量的扩充方法及应用。 P73
1.字长位数扩展
2.字存储容量扩展
P101 1.设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：
（1）该存储器能存储多少个字节的信息？
（2）如果存储器由512K*8位SRAM芯片组成，需要多少片？
（3）需要多少位地址做芯片选择？
解：（1）220*32/8=222=4M字节
（2）（1024K*32）/（512K*8）=2*4=8片
（3）1位
5.要求用256K*16位SRAM芯片设计1024K*32位的存储器。SRAM芯片有两个控制端：当CS有效时，该片选中。当W/R=1时执行读操作，当W/R=0时执行读操作。
解：需要（1024K*32）/（256K*16）=4*2=8片SRAM芯片，需要log2 (1024K /256K)=2位地址做芯片选择

7.某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM芯片（8K*8）形成40K*16位的RAM区域，起始地址为6000H。假设RAM芯片有CS和WE信号控制端。CPU的地址总线为A15 -A0，数据总线为D15 -D0，控制信号为R/W（读/写），MREQ（访存），要求：
（1）画出主存地址框图。
（2）画出组成连接框图。
解：（1）需要（40K*16）/（8K*8）=5*2=10片SRAM芯片， log2 (40K /8K)≈2.2取3位地址做芯片选择

（2）

3.双端口存储器和多体交叉存储器的工作原理。P 86
双端口存储器采用空间并行技术，具有两组相互独立的控制电路，进行并行的独立操作。
多体交叉存储器采用时间并行技术，具有多个相互独立，容量相同的模块，各模块的读写过程采用流水线方式重叠进行。
4.cache存储器的原理、映射方式、写回方式及相关的计算。
P93 CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，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。当CPU读取主存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在cache中：若是，此字立即传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。
P94 映射方式 1.全相联映射方式 2.直接映射方式 3.组相联映射方式

cache的数据块大小称为行，主存的数据块大小称为块。行与块是等长的。在全相联映射方式中，将主存中一个块的地址（块号）与块的内容（字）一起存于cache的行中，其中块地址存于cache行的标记部分中。这种带全部块地址一起保存的方法，可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一行上。

直接映射方式：一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去。cache的行号i和主存的块号j有如下函数关系：i=j mod m式中m为cache中的总行数。在直接映射方式中，cache将s位的块地址分成两部分：r位作为cache的行地址，s-r位作为标记（tag）与块数据一起保存在该行。

组相联映射方式：将cache分成u组，每组v行。主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一行是灵活的，即有如下函数关系：m=u*v
组号 q=j mod u
块内存地址中s位块号划分成两部分：低序的d位（2d=u）用于表示cache组号，高序的s-d位作为标记（tag）与块数据一起存于此组的某行中。

P99 写回方式 1.写回法 2.全写法 3.写一次法

写回法：当CPU写cache命中时，只修改cache的内容，而不立即写入主存；只有当此行被换出时才写回主存。
全写法：当CPU写cache命中时，cache与主存同时发生写修改，因而较好地维护了cache与主存的内容的一致性。
写一次法：写命中与写未命中的处理方法与写回法基本相同，只是第一次写命中时要同时写入主存。
P102 9.CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为2420次，主存完成存取的次数为80次，已知cache存储周期为40ns，主存存储周期为240ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。

第四章
1.指令的格式由哪两部分组成，各部分的作用。P105
由操作码字段和地址码字段组成。
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。
指令的地址码指明指令中所需操作数的地址。
2.根据操作码，进行有关指令条数的计算。
P125 4.指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。

指令格式及寻址方式特点：
（1）操作码字段6位，可指定64种操作。第10到第7位留空。指令长度为32位，双字长二地址指令，用于访问存储器。
（2）RS型指令，一个操作数在通用寄存器（共16个），另一个操作数在主存中。
（3）有效地址可通过变址寻址求得，即有效地址等于变址寄存器（共16个）内容加上位移量。
3.指令和数据的寻址方式。P112
指令的寻址方式： 1.顺序寻址方式 2.跳跃寻址方式
数据的寻址方式： 1.隐含寻址 2.立即寻址 3.直接寻址 4.间接寻址 5.寄存器寻址 6.寄存器间接寻址 7.偏移寻址 8.段寻址 9.堆栈寻址
7.偏移寻址：相对寻址，基址寻址，变址寻址。

P125 7.某计算机字长为32位，主存容量为64K字，采用单字长单地址指令，共有40条指令。试采用直接，立即，变址，相对四种寻址方式设计指令格式。

P126 12.根据操作数所在位置，指出其寻址方式（填空）：
（1）操作数在寄存器中，为（寄存器）寻址方式。
（2）操作数地址在寄存器中，为（寄存器间接）寻址方式。
（3）操作数在指令中，为（立即）寻址方式。
（4）操作数地址（主存）在指令中，为（直接）寻址方式。
（5）操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和，可以是（相对，基址，变址）寻址方式。
第五章
1.CPU的功能和组成部分。
P127 CPU的功能：指令控制，操作控制，时间控制，数据加工。
CPU的组成部分：运算器，cache，控制器。
2.CPU中主要寄存器的作用。 P129
①指令寄存器（IR）②程序计数器（PC）③数据地址寄存器（AR）④缓冲寄存器（DR）⑤通用寄存器（R0---R3）⑥状态字寄存器（PSW）
①指令寄存器（IR）
用来保存当前正在执行的一条指令。
②程序计数器（PC）
确定下一条指令的地址。
③地址寄存器（AR）
用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中单元的地址。
④数据缓冲寄存器（DR）
作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲；补偿CPU和内存，外围设备之间在操作速度上的差别。
⑤通用寄存器（R0---R3）
当算术逻辑单元（ALU）执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
⑥状态字寄存器（PSW）
保存由算术指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。
3.指令周期、机器周期、时钟周期的定义及三者之间的关系。P130
指令周期：CPU取出一条指令并执行这条指令所需的时间。
机器周期（CPU周期）：从内存中读取一个指令字的最短时间。
时钟周期（节拍脉冲或T周期）：把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个时钟周期。
P131 指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。一个CPU周期又包含若干个时钟周期（节拍脉冲或T周期）。
4.用方框图语言表示指令周期。

P139 图5.14 用方框图语言表示指令周期

P128 图5.1 CPU模型

P181 参见上图的数据通路，画出取数指令“LAD（R3）,R0”的指令周期流程图，其含义是将（R3）为地址数存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。

5.微命令、微操作、相容性微命令、相斥性微命令的概念。
P145 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。
相容性微命令：在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。
相斥性微命令：不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。
6.微指令与机器指令的关系。
P150 1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是有若干条微指令组成的。
2.指令与内存储器有关，微指令与控制存储器有关。
3.一条指令对应一个指令周期，一条微指令对应一个CPU周期。
7.流水线中的三种相关、三种数据相关的名称与判断。
P164 资源相关，数据相关，控制相关
三种数据相关的名称：写后读（RAW）读后写（WAR）写后写（WAW）
P165

8.流水时空图的画法、吞吐率和加速比的计算。
P182 13.指令流水线有取址（IF），译码（ID）,执行（EX），访存（MEM），写回寄存器堆（WB）五个过程段，共有20条指令连续输入此流水线。
（1）画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns。
（2）求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）。
（3）求流水线的加速比。

第六章
1.总线带宽的计算。P185

2.总线中信息的传送方式有哪几种，各有什么特点？
P190 串行传送，并行传送和分时传送。
串行传送：只需要一条传输线，且采用脉冲传送；需要指定位时间，传送时低位在前，高位在后。
并行传送：信息有多少二进制位组成，就需要多少条传输线，采用电位传送；并行数据传送比串行数据传送快得多。
分时传送：一是采用总线复用方式，某个传输线上既传送地址信息，又传送数据信息。为此必须划分时间片，以便在不同的时间间隔中完成传送地址和传送数据的任务。另一种概念是共享总线的部件分时使用总线。
3.串行方式下波特率的计算及波形图的画法。P193

4.总线的仲裁方式有哪些？集中式仲裁下几种方式各自的特点。
集中式仲裁和分布式仲裁。
集中式仲裁：P194
（1）链式查询方式：总线授权信号BG串行的从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，并且容易扩充。缺点：对询问链的电路故障很敏感，优先级固定，离总线仲裁器越近优先级越高。。
（2）计数器定时查询方式：如果计数从“0”开始，则与链式查询方式相同；如果计数从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。
（3）独立请求方式：每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BR和总线授权线BG。优点：响应时间快，对优先次序的确定相当灵活。
5.总线的定时有哪几种？各自的特点。P196
同步定时和异步定时。
同步定时：采用公共时钟，每个功能模块什么时候发送或接收信息都由统一时钟规定，同步定时具有较高的传输频率。
异步定时：不需要统一的公共时钟信号，总线周期的长度是可变的，不把响应时间强加到功能模块上。允许快速和慢速的功能模块都能连接到同一总线上。但增加了总线的复杂性和成本。
第七章
1.外围设备的作用和分类。P209
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设备来看待。
外围设备的作用是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。
分类：输入设备，输出设备，外存设备，数据通信设备，过程控制设备。
2.磁盘存储器的主要技术指标及相关计算。 P216
1英寸=25.4毫米
磁盘存储器的主要技术指标：存储密度，存储容量，平均存取时间，数据传输率。
存储密度分道密度，位密度和面密度。道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位道/英寸。位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘积，单位位/平方英寸。
存储容量是一个磁盘存储器所能存储的字节总数。
平均存取时间：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。包括：找道时间，等待时间和数据传送时间。
找道时间：将磁头定位至所要求的磁道上所需的时间。
等待时间：找道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间。
数据传送时间：磁头读取所访问的信息所用的时间。
数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数。
P217

P234 6.某双面磁盘，每面有220道，已知磁盘转速r=4000转/分，数据传输率为185000B/s，求磁盘总容量。
解：每道存储量=185000B/s*60s/4000转/分=2775B
磁盘总容量=2775B*220*2=1221000B=1.16MB
P234 10.一台活动头磁盘机的盘片组共有20个可用的盘面，每个盘面直径18英寸，可供记录部分宽5英寸，已知道密度为100道/英寸，位密度为1000位/英寸（最内道），并假定各磁道记录的信息位数相同。试问：
①盘片组总容量是多少兆位？
②若要求数据传输率为1MB/s，磁盘机转速每分钟应是多少转？
①盘面内径=18/2-5=4英寸 每盘面道数=5*100=500道
每道存储量=2*3.14*4*1000=25120b
盘片组总容量=25120b*500*20=251.2兆位
②转速r=（1MB/s*60s）/25120b≈19108.3=19109（转）
3.磁盘cache与主存cache的异同点。
P218 主存cache在CPU和主存之间，存取时间短，全用硬件来实现。磁盘cache在主存和磁盘之间，一次存取的数量大，数据集中，速度要求较主存的cache低，一般由硬件和软件共从完成。
4.分辨率、灰度级、刷存、刷存带宽的概念和有关计算。P224
分辨率是指显示器所能表示的像素个数。
灰度级是指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。
刷存（刷新存储器）是指存储一帧图像信息的存储器。存储量M=r*C。分辨率r越高，颜色深度C越多，刷新存储器容量越大。如分辨率为1024*1024，256级颜色深度的图像，存储容量M=1024*1024*8bit=1MB。

第八章
1.CPU与外围设备的信息交换方式有哪几种，各自特点是什么？
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。
程序查询方式：数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制。优点：CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单。缺点：外围设备动作很慢时将浪费CPU很多时间。
程序中断方式：当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序程序。当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的程序停止的地方继续执行。适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即执行。
直接内存访问（DMA）方式：一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制。数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据。优点：数据传输速率很高，传输速率仅受到内存访问时间的限制。适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合。
通道方式：通道是一个具有特殊功能的处理器，可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送。
2.中断处理过程中需注意的问题。
程序中断方式，外界中断请求是随机的，但CPU只有在当前一条指令执行完毕后，转入公操作时才受理设备的中断请求。
当CPU响应外设的中断请求时，CPU发出中断响应信号，同时关闭中断（“中断屏蔽”触发器置“1”），并且把程序计数器PC的内容，以及当前指令执行完毕后CPU的状态都保存到堆栈中去；中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
3.多级中断结构中是怎样实现中断嵌套的？ P247
1.在一个多级中断结构中，若有n级中断，在CPU中就有n个中断请求触发器和n个中断屏蔽触发器。
2.在某一级中断被响应后，要置“1”（关闭）本级和优先权低于本级的中断屏蔽触发器，置“0”（开放）更高级的中断屏蔽触发器。使用中断堆栈保存现场信息。保存和恢复现场的过程按先进后出的顺序进行。
3.当本级或低级中断源发出中断请求信号，则不响应；当更高级的中断源发出中断请求信号时，则重复上一步的操作。
4.DMA传送方式有哪些？各自特点。P254
停止CPU访问内存，周期挪用，DMA与CPU交替访问内存。
停止CPU访问内存：DMA完全占有总线。优点是控制简单，适用于数据传输率很高的设备进行成组传送。缺点是内存的效能没有充分发挥，相当一部分内存工作周期是空闲的。
周期挪用：当I/O设备没有DMA请求时CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。适用于I/O设备读写周期大于内存存储周期的情况。
DMA与CPU交替访问内存：如果CPU的工作周期比内存存取周期长得多，此时采用交替访内的方式可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。不需要总线使用权的申请，建立和归还过程。总线使用权分时控制，各自在自己的时间控制周期内访问内存。
5.DMA控制器有哪两种？二者有什么区别？P258
选择型DMA控制器，多路型DMA控制器。
选择型DMA控制器：在物理上可以连接多个设备，但是在某一段时间内只能为一个设备服务。数据传送是以数据块为单位进行的。适合数据传输率很高以致接近内存存取速度的设备。
多路型DMA控制器：适合于同时为多个慢速外围设备服务，不仅在物理上可以连接多个外围设备，而且在逻辑上也允许这些外围设备同时工作，各设备以字节交叉方式通过DMA控制器进行数据交换。外围设备以周期挪用方式对内存进行读取。
6.通道方式下，I/O系统的四级连接是什么？P261
CPU与存储器——通道——I/O模块——外围设备。
7.通道可分为哪几种类型，相互之间有什么异同？P263
选择通道，多路通道。
多路通道包括（数组多路通道，字节多路通道）。
选择通道：又称高速通道，在物理上可以连接多个设备，但在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作。只有当这个设备的通道程序全部执行完毕后，才能执行其他设备的通道程序。主要用于连接高速外围设备，如磁盘，磁带等。信息以数据块方式高速传输。
多路通道
数组多路通道：当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去执行其他设备的通道程序。不仅在物理上可以连接多个设备，而且在一段时间内能交替执行多个设备的通道程序。这些设备应是高速设备。常用于大型系统。
字节多路通道：主要用于连接大量的低速设备，一段时间内能交替执行多个设备的通道程序，使这些设备同时工作。以字节为基本单位与设备进行数据传送。

标准文案