計算機組成原理(哈工大)學習筆記

文章目錄

• 計算機組成原理
• • 一、計算機系統概論
  • • 1.1計算機系統簡介
    • • 一、計算機的軟硬體概念
      • 二、計算機系統的層次結構
      • 三、計算機體系結構和計算機組成
    • 1.2計算機的基本組成
    • 1.3計算機硬體的主要技術名額
    • • 一、機器字長
      • 二、運算速度
      • 三、存儲容量
  • 三、系統總線
  • • 總線的基本概念
    • 總線的分類
    • 總線的特性和性能名額
    • 總線控制（重點！！！）
  • 四、存儲器
  • • 1、概述
    • • 一、存儲器分類
      • 二、存儲器的層次結構
    • 2、主存儲器
    • • 1、概述
      • 2、半導體存儲晶片簡介
      • 3、随機存取存儲器（RAM）
      • 4、隻讀存儲器（ROM）
      • 5、存儲器與CPU的連接配接
      • 6、存儲器的校驗
      • 7、提高訪存速度的措施
    • 3、高速緩沖存儲器
    • • 一、概述
      • • 二、Cache的工作原理
        • 三、Cache的基本結構
        • 四、Cache的讀寫操作
        • 5、Cache的改進
      • Cache-主存的位址映射
    • 4、輔助存儲器
    • • 一、概述
      • 二、磁記錄原理和記錄方式
      • 三、硬磁盤存儲器
  • 五、輸入輸出系統
  • • 一、概述
    • • 1、輸入輸出系統的發展概況
      • 2、輸入輸出系統的組成
      • 3、I/O裝置與主機的聯系方式
      • 4、I/O裝置與主機資訊傳送的控制方式
    • 二、外部裝置
    • • 一、概述
      • 二、輸入裝置
      • 三、輸出裝置
      • 四、其他
      • 五、多媒體裝置
    • 三、I/O接口
    • • 一、概述
      • 二、接口的功能群組成
      • 三、接口類型
      • 四、程式查詢方式
      • 五、程式中斷方式
      • • 1、中斷的概念
        • 2、I/O中斷的産生
        • 3、程式中斷方式的接口電路
        • 4、I/O中斷處理過程
        • 5、中斷服務程式流程
      • 六、DMA方式
      • • 1、DMA方式的特點
        • 2、DMA接口的功能群組成
        • 3、DMA的工作過程
  • 六、計算機的運算方法
  • • 1、無符号數和有符号數
    • • 一、無符号數
      • 二、有符号數
    • 2、數的定點表示和浮點表示
    • 3、定點運算
    • 4、浮點四則運算
    • 5、算數邏輯單元
  • 7、指令系統
  • • 一、機器指令
    • 二、操作數類型和操作種類
    • • 1、操作數類型
      • 2、資料在存儲器中的存放方式
      • 資料在存儲器中的存放方式
      • 3、操作類型
    • 三、尋址方式
    • • 1、指令尋址
      • 2、資料尋址
    • 四、指令格式舉例
    • • 1、設計指令格式時應考慮的各種因素
    • 五、RISC技術
  • 八、CPU的結構和功能
  • • 1、CPU的結構
    • • 一、CPU的功能
      • 二、CPU結構框圖
      • 三、CPU的寄存器
    • 2、指令周期
    • • 一、指令周期的基本概念
      • 二、指令周期的資料流
    • 3、指令流水
    • • 一、如何提高機器速度
    • 4、中斷系統

ps:部分沒筆記的等再學習學習了解知識以後再補充

2020/7/12更新挂掉的圖檔

計算機組成原理

一、計算機系統概論

1.1計算機系統簡介

• 現代計算機的多态性

  把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建築、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體重，并且被普遍連接配接，形成“物聯網”，然後将“物聯網”與現有的網際網路整合起來，實作人類社會與實體系統的整合，形成智慧地球

一、計算機的軟硬體概念

1. 計算機系統
   • 硬體：計算機的實體，如主機、外設等。
   • 軟體：由具有各類特殊功能的資訊（程式組成），可分為兩類：系統軟體、應用軟體。系統軟體用來管理整個計算機系統（語言處理程式、作業系統、服務型程式、資料庫管理系統、網絡軟體）；應用軟體是按任務需要編制成的各種程式如QQ、刀塔。

二、計算機系統的層次結構

• 系統複雜性管理的方法-1

  √ 抽象

從程式員角度看層次結構：

三、計算機體系結構和計算機組成

• 計算機體系結構：程式員所見到的計算機系統的屬性概念性的結構與功能特性（指令系統、資料類型、尋址技術、I/O機理）
• 計算機組成：實作計算機體系結構所展現的屬性（具體指令的實作）

1.2計算機的基本組成

• 馮·諾依曼計算機，以運算器為中心。
  1. 計算機由五大部件組成
  2. 指令和資料以同等地位存于存儲器，可按位址尋訪
  3. 指令和資料用二進制表示
  4. 指令由操作碼和位址碼組成
  5. 存儲程式
  6. 以運算器為中心
• 現代計算機，以存儲器為中心的計算機

• 存儲器的基本組成

  主存儲器、MAR、MDR、存儲體。

  MAR：存儲器位址寄存器反映存儲單元的個數

  MDR：存儲器資料寄存器反映存儲字長

• 運算器的基本組成和操作過程

  

運算器的操作過程

• 控制器的基本組成

  完成一條指令的步驟：取指令（PC）、分析指令(IR)、執行指令（CU）

  PC：存放目前欲執行指令的位址，具有計數功能（PC）+1→PC

  IR：儲存目前要執行的指令

  CU：控制單元

• 主機完成一條指令的過程

  

1.3計算機硬體的主要技術名額

一、機器字長

CPU一次能處理資料的位數與CPU中的寄存器位數有關。通常是八位

二、運算速度

影響運算速度的名額：主頻、核數，每個核支援的線程數、指令的執行速度（吉普森法）、CPI(執行一條指令所需時鐘周期數)、MIPS（每秒執行百萬條指令）、FLOPS（每秒浮點運算次數）

三、存儲容量

存放二進制資訊的總位數。

• 主存容量：存儲單元個數X存儲字長，如MAR、MDR容量；位元組數
• 輔存容量：位元組數

三、系統總線

總線的基本概念

• 總線是連接配接各個部件的資訊傳輸線，是各個部件共享的傳輸媒體。

• 總線上資訊的傳送的兩種方式

  串行

  并行

• 總線結構
  • 單總線結構

    

  • 雙總線結構以CPU為中心

    

  • 以存儲器為中心的雙總線結構

    

  • 三總線結構

    

  • 三總線結構的另一種形式

    

  • 四總線結構

    

總線的分類

• 片内總線：晶片内部的總線
• 系統總線：計算機各部件之間的資訊傳輸線
  • 資料總線：雙向 與機器字長、存儲字長有關
  • 位址總線：單向 與存儲位址、I/O位址有關，由CPU發出
  • 控制總線：有出 有入，存儲器讀、存儲器寫、總線允許、中斷确認
• 通信總線
  • 用于計算機系統之間或計算機系統與其他系統（如控制儀表、移動通信等）之間的通信
  • 傳輸方式：串行通信總線、并行通信總線。

總線的特性和性能名額

• 總線實體實作

  

• 總線的特性

  • 機械特性

    尺寸、形狀、管腳數、排列順序

  • 電氣特性

    傳輸方向和有效的電平範圍

  • 功能特性

    每根傳輸線的功能：位址、資料、控制

  • 時間特性
• 總線的性能名額

  • 總線寬度

    資料線的根數

  • 标準傳輸率

    每秒傳輸的最大位元組數（MBps）

  • 時鐘同步/異步

    同步、不同步（跟異步的概念不同，有好幾種方式不同步）

  • 總線複用

    位址線與資料線複用。“複用”減少晶片的管腳數

  • 信号線數

    位址線、資料線和控制線的總和

  • 總線控制方式

    突發、自動、仲裁、邏輯、計數

  • 其他名額

    負載能力（可以挂多少個I/O裝置）

• 總線标準

  

總線控制（重點！！！）

• 一、總線判優控制
  • 1、基本概念
    • 主裝置 （子產品）：對總線有控制權
    • 從裝置（子產品）：響應從主裝置發來的總線指令
  • 2、總線判優控制的兩種方式
    • 集中式
      • 鍊式查詢
      • 計數器定時查詢
      • 獨立請求方式
    • 分布式
• 二、總線通信控制

  • 1、目的

    解決通信雙方協調配合問題

  • 2、總線傳輸周期

    主裝置到從裝置一次完整的可靠的通信周期

    • 申請配置設定階段：主子產品申請，總線仲裁決定
    • 尋址階段：主子產品向從子產品給出位址和指令
    • 傳數階段：主子產品和從摸塊交換資料
    • 結束階段：主子產品撤銷有關資訊
  • 3、總線通信的四種方式

    • 同步通信

      由統一時标控制資料傳送

    • 異步通信

      采用應答方式，沒有公共時鐘标準

    • 半同步通信

      同步、異步結合

    • 以上這三種通信的共同點
      • 主子產品發位址、指令 占用總線
      • 從子產品準備資料 不占用總線 總線空閑
      • 從子產品向主子產品發資料 占用總線

    • 分離式通信

      充分挖掘系統總線的每個瞬間的潛力，讓系統總線發揮最大效率

      一個總線傳輸周期

      • 子周期1 主子產品申請占用總線，使用完後既放棄總線的使用權
      • 子周期2 從子產品申請占用總線，将各種資訊送至總線上

四、存儲器

1、概述

一、存儲器分類

• 按存儲器媒體份分類
  • 半導體存儲器（TTL（內建度低、功耗高、速度快）、MOS（功耗低，內建度高））。U盤等；易失
  • 磁表面存儲器（磁頭、載磁體）。如磁盤、錄音帶等；非易失
  • 磁芯存儲器（硬磁材料、環狀元件）；非易失
  • CD光牒存儲器（雷射、磁光材料）；非易失
• 按存取方式分類
  • 存取時間與實體位址無關（随機通路）
    • 随機存儲器 在程式的執行過程中可讀可寫
    • 隻讀存儲器 在程式的執行過程中隻讀
  • 存取時間與實體位址有關（串行通路）
    • 順序存取存儲器 錄音帶
    • 直接存取存儲器 磁盤
• 在計算機中的作用分類
  • 主存儲器
    • RAM（可讀可寫）；靜态RAM、動态RAM
    • ROM（隻讀）；MROM、PROM、EPROM、EEPROM
  • 輔助存儲器 磁盤、錄音帶、CD光牒
  • Flash Memory
  • 高速緩沖存儲器（Cache）

二、存儲器的層次結構

• 存儲器三個主要特性的關系

  速度 容量 價格/位

  

• 緩存-主存層次和主存-輔存層次

  緩存用來解決主存與CPU速度差距太大的問題

  

2、主存儲器

1、概述

• 主存的基本組成

  

• 主存與CPU之間的聯系

  

• 主存中存儲單元位址的配置設定

  

• 主存的技術名額
  • 存儲容量 主存存放二進制代碼的總位數

  • 存儲速度

    1、存取時間：存儲器的通路時間、讀出時間、寫入時間

    2、存取周期：連續兩次獨立的存儲器操作，（讀與寫）所需的最小間隔時間 ；讀周期 寫周期

  • 存儲器的帶寬 位/秒

2、半導體存儲晶片簡介

• 基本結構

  

3、随機存取存儲器（RAM）

• 靜态RAM（SRAM）

  1、靜态RAM基本電路

  

• 動态RAM（DRAM）

  1、動态RAM基本單元電路

  

• 動态RAM和靜态RAM的比較

  

4、隻讀存儲器（ROM）

• 掩模ROM（MROM）

  行列選擇性交叉處有MOS管為“1”

  行列選擇線交叉處無MOS管為“0”

• PROM（一次性程式設計）

  

• EPROM（多次性程式設計）

  

• EEPROM

  電可擦寫

  局部擦寫

  全部擦寫

• Flash Memory(閃速型存儲器)

  EPROM 價格便宜 內建度高

  EEPROM 電可擦洗重寫

  比EEPROM快 具備RAM功能

5、存儲器與CPU的連接配接

• 存儲容量的擴充

  用2片1K X 4位的存儲晶片組成1K X 8位的存儲器

• 子擴充（增加存儲子的數量）

  用2片1K X 8位的存儲晶片組成 2K X 8位的存儲器；兩個晶片不能同時操作

• 字、位擴充

  用8片 1K X 4位存儲晶片組成4K X 8位的存儲器

6、存儲器的校驗

• 編碼的最小距離

  任意兩組合法代碼之間二進制位數的最少差異

  編碼的糾錯、檢錯能力與編碼的最小距離有關

7、提高訪存速度的措施

• 采用高速器件
• 采用層次結構 Cache-主存
• 調整主存結構

3、高速緩沖存儲器

一、概述

避免CPU“空等”現象

二、Cache的工作原理

三、Cache的基本結構

四、Cache的讀寫操作

• 讀操作

  

• “寫操作” Cache和主存的一緻性

  • 寫直達法（Write-through）

    寫操作時資料既寫入cache又寫入主存

    寫操作時間就是通路主存的時間，Cache塊退出時，不需要對主存執行寫操作，更新政策比較容易實作

  • 寫回法（Write-back）

    寫操作時隻把資料寫入Cache而不寫入主存，當Cache資料被替換出去時才寫回主存

    寫操作時間就是通路Cache的時間，Cache塊退出時，被替換的塊需寫回主存增加了Cache的複雜性

5、Cache的改進

• 1、增加Cache的級數

  片載（片内）Cache

• 2、統一緩存和分立緩存

  指令Cache 資料Cache

  與指令執行的控制方式有關（是否是流水線）

Cache-主存的位址映射

• 直接映射（離CPU近就采用這種方式）

  某一主存塊隻能固定映射到某一緩存塊 不靈活、速度快

  

• 全相聯映射

  某一主存塊能映射到任一緩存塊 成本高、速度低

  

• 組相聯映射

  速度快、cache的命中率高

  

• 替換算法 （判斷哪一個Cache塊從Cache中退出）

  1、先進先出（FIFO）算法

  2、近期最少使用（LRU）算法

4、輔助存儲器

一、概述

• 不直接與CPU交換資訊
• 磁表面存儲技術名額
  • 記錄密度

  • 存儲容量

    C = n X k X s

  • 平均尋址時間

    尋道時間+等待時間

  • 數位傳輸率

  • 誤碼率

    出錯資訊位數與讀出資訊的總位數的比值

二、磁記錄原理和記錄方式

• 磁記錄原理

  

三、硬磁盤存儲器

• 硬磁盤存儲器的類型
  • 固定磁頭和移動磁頭
  • 可換盤和固定盤
• 硬磁盤存儲器的結構

  

五、輸入輸出系統

一、概述

1、輸入輸出系統的發展概況

• 早期

  分散連接配接

  CPU和I/O裝置串行工作

• 接口子產品和DMA階段

  總線連接配接

  CPU和I/O裝置并行工作，一個總線可以連接配接多個裝置

• 具有通道結構的階段
• 具有I/O處理機的階段

2、輸入輸出系統的組成

• 一、I/O軟體

  1、 I/O指令 CPU指令的一部分

  2、通道指令 通道自身的指令

  指出數組的首位址、傳送字數、操作指令

• 二、I/O硬體

  裝置 I/O接口

  裝置 裝置控制器 通道

3、I/O裝置與主機的聯系方式

• 一、I/O裝置編址方式

  1、統一編址 用取數、存數指令

  2、不統一編址 有專用的I/O指令

• 二、裝置選址

  用裝置選擇電路識别是否被選中

• 三、傳送方式

  1、串行

  2、并行

• 四、聯絡方式

  1、立即響應

  2、異步工作采用應答信号

  3、同步工作采用同步時标

• 五、I/O裝置與主機的連接配接方式

  1、輻射式連接配接（分散連接配接）

  

  2、總線連接配接

  便于增删裝置

4、I/O裝置與主機資訊傳送的控制方式

• 一、程式查詢方式

  

• 二、程式中斷方式

  

  程式中斷方式流程

  

• 三、DMA方式

  主存和I/O之間有一條直接資料通道

  不中斷執行

  周期挪用（周期竊取）

  

二、外部裝置

一、概述

外部裝置大緻分三類

1、人機互動裝置

2、計算機資訊儲存設備

3、機-機通信裝置 數據機等

二、輸入裝置

• 鍵盤
• 滑鼠
• 觸摸屏

三、輸出裝置

• 顯示器

  1、字元顯示

  2、圖形顯示

  3、圖像顯示

• 列印機

  1、擊打式

  2、非擊打式

四、其他

• A/D、D/A 模拟/數字（數字/模拟）轉換器
• 終端 由鍵盤和顯示器組成
• 漢字處理

五、多媒體裝置

三、I/O接口

一、概述

為什麼要設定接口？

1、實作裝置的選擇

2、實作資料緩沖達到速度比對

3、實作資料串——并格式轉換

4、實作電平轉換

5、傳送控制指令

6、反映裝置的狀态

二、接口的功能群組成

• 總線連接配接方式的I/O接口電路

  

• 功能

  1、選址功能

  2、傳送指令的功能

  3、傳送資料的功能

  4、反映裝置狀态的功能

• 組成

  1、裝置選擇電路

  2、指令寄存器、指令譯碼器

  3、資料緩沖寄存器

  4、裝置狀态标記

• I/O接口的基本組成

  

三、接口類型

• 1、按資料傳送方式分類

  并行接口

  串行接口

• 按功能選擇的靈活性分類

  可程式設計接口

  不可程式設計接口

• 按通用性分類

  通用接口

  專用接口

• 按資料傳送的控制方式分類

  中斷接口

  DMA接口

四、程式查詢方式

• 程式查詢流程

  

• 程式流程

  

• 程式查詢方式的接口電路

  

五、程式中斷方式

1、中斷的概念

代辦

2、I/O中斷的産生

代辦

3、程式中斷方式的接口電路

代辦

4、I/O中斷處理過程

代辦

5、中斷服務程式流程

代辦

六、DMA方式

1、DMA方式的特點

• 可直接從I/O裝置傳送到主存
• DMA與主存交換資料的三種方式

  • 停止CPU通路主存

    控制簡單

    CPU處于不工作狀态或保持狀态

    未充分發揮CPU對主存的使用率

  • 周期挪用（周期竊取）

    1、 訪存周期

    2、DMA通路主存有三種可能

    • CPU此時不訪存
    • CPU正在訪存
    • CPU與DMA同時請求訪存
  • DMA與CPU交替通路

2、DMA接口的功能群組成

• 1、DMA接口功能
  • 向CPU申請DMA傳送
  • 處理總線控制權的轉交
  • 管理系統總線、控制資料傳送

  • 确定資料傳送的首位址和長度

    修正傳送過程中的資料位址和長度

  • DMA傳送結束時，給出操作完成信号
• 2、DMA接口的組成

3、DMA的工作過程

• DMA傳送過程

  預處理、資料傳送、後處理

六、計算機的運算方法

1、無符号數和有符号數

一、無符号數

二、有符号數

• 機器數與真值

  

• 原碼表示法

  整數、小數、

• 補碼表示法
• 移碼表示法

2、數的定點表示和浮點表示

代辦

3、定點運算

代辦

4、浮點四則運算

代辦

5、算數邏輯單元

7、指令系統

一、機器指令

二、操作數類型和操作種類

1、操作數類型

• 位址 無符号整數
• 數字 定點數、浮點數、十進制數
• 字元 ASCII碼
• 邏輯數 邏輯運算

2、資料在存儲器中的存放方式

資料在存儲器中的存放方式

• 位元組編址，資料在存儲器彙總的存放方式（存儲字長64位，機器字長32位）

3、操作類型

• 1、資料傳送

  

• 2、算術邏輯操作

  加、減、乘、除、增1、減1、求補、浮點運算、十進制

  與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除

• 3、位移操作

  算術移位、邏輯移位

  循環移位

• 轉移

  無條件轉移 JMP

  條件轉移

  

三、尋址方式

1、指令尋址

代辦

2、資料尋址

• 立即尋址

  

• 直接尋址

  

• 隐含尋址

  

• 簡介尋址
• 基址尋址
• 堆棧尋址

四、指令格式舉例

1、設計指令格式時應考慮的各種因素

• 指令系統的相容性

• 其他因素

  操作類型 包括指令個數及操作的難易程度

  資料類型 确定哪些資料類型可參與操作

  指令格式 指令字長是否固定、操作碼位數、是否采用擴充操作碼技術；位址碼位數、位址個數、尋址方式類型

  尋址方式 指令尋址、操作數尋址

  寄存器個數 寄存器的多少直接影響指令的執行時間

五、RISC技術

代辦

八、CPU的結構和功能

1、CPU的結構

一、CPU的功能

• 控制器的功能

  取指令 指令控制

  分析指令

  執行指令，發出各種操作指令 操作控制

  控制程式輸入及結果的輸出 時間控制

  總線管理 進行中斷

  處理異常情況和特殊請求

• 運算器的功能

  實作算術運算和邏輯運算

二、CPU結構框圖

• CPU與系統總線

  

三、CPU的寄存器

• 使用者可見寄存器

  1、通用寄存器

  2、資料寄存器

  3、位址寄存器

  4、條件碼寄存器

• 控制和狀态寄存器

  1、控制寄存器

  PC->MAR->M->MDR->IR

  2、狀态寄存器

  狀态寄存器 存放條件碼

  PSW寄存器 存放程式狀态字

• 控制單元CU和中斷系統

  1、CU 産生全部指令的微操作指令序列

2、指令周期

一、指令周期的基本概念

• 去除并執行一條指令所需的全部時間
• 每條指令的指令周期不同

二、指令周期的資料流

3、指令流水

一、如何提高機器速度

• 提高訪存速度

  高速晶片 Cache 多體并行

• 提高I/O和主機之間的傳送速度

  中斷 DMA 通道 I/O處理機 多總線

• 提高運算器速度

  高速晶片 改進算法 快速進位鍊

• 提高整機處理能力

  高速器件 改進系統結構，開發系統的并行性

4、中斷系統