《计算机组成原理》唐朔飞第二版_笔记

第1章 概论

 

1，计算机系统的软硬件概念

1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。

 

2）软件：由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应用软件。

①系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，高效运行。它包括：标准程序库、语言处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、网络

软件等。

②应用软件又称应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。

 

2、计算机系统的层次结构：

1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

2）微程序级：第一级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件执行的。

3）传统机器级：第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

操作

4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。

5）汇编语言级：第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。 

6）高级语言级：第五级是高级语言级，这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。

7）应用语言级：第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

 

3、计算机组成和计算机体系结构

1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。

2）计算机系统的属性：是指站在不同计算机层级下看到的指令集、数据类型、寻址技术等。

3）计算机组成：是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。eg.是否有乘法指令是结构问题，乘法指令的具体实现是组成问题。

 

4、计算机的基本组成

冯诺依曼结构特点：

1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成

2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访

3）指令和数据均用二进制数表示

4）指令有操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置

5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结构或根据设定的条件改变执行顺序

6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

现代计算机：由CPU（集成了运算器和控制器）、I/O设备、主存储器

 

5、计算机硬件的主要技术指标

1）机器字长：CPU一次能处理数据的位数

2）存储容量：包括主存和辅存，等于存储单元个数 * 存储字长

3）运算速度：单位时间执行指令的平均条数，MIPS（Million Instruction Per Second，百万条指令每秒）

 

第2章 计算机的发展史

计算机的发展：第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机

前三代的跟新换代主要体现在组成计算机基本电路的元器件（电子管、晶体管、集成电路）

第四代大规模集成电路计算机、第五代超大规模集成电路计算机

 

第3章 系统总线

1，分散连接：各部件之间使用单独的连线

2，总线连接：将各部件连到一组公共信息传输线上

3，三种总线结构：1)以CPU为中心的双总线结构；2）单总线结构；3）以存储器为中心的双总线结构

4，总线分类

1）按数据传送方式：串/并行传输总线，并行中按传输宽度分8、16、32、64为传输总线

2）按连接部件：片内总线、系统总线（CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线）、通信总线（串行和并行通信的数据传送速率都与距离成反比）

3）系统总线：数据总线、地址总线、控制总线

5、总线性能指标

1）总线宽度：通常指数据总线的根数

2）总线带宽：总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，单位MBps(兆字节每秒)

3）时钟同步/异步：数据与时钟同步工作的总线称为同步总线

4）总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。例如地址信号和数据信号用一组物理线路传输。

5）信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。

6）总线的控制方式：突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等

7）其它指标：如负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等

 

6、总线标准

1）ISA总线

2）EISA总线

3）VESA(VL-BUS)总线

4）PCI总线

5）AGP总线

6）RS-232总线

7）USB总线

 

7、总线结构

1）单总线结构

2）多总线结构

 

第4章 存储器

1、存储器分类

1）按存储介质：半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器

2）按存取方式：

2.1）随机存储器（Read Access Memory，RAM）：静态RAM、动态RAM

2.2）只读存储器（Read Only Memory，ROM）：掩模型只读存储器（Masked ROM，MROM）、 可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable ROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）、闪速存储器Flash Memory

2.3）串行访问存储器（顺序存取存储器）：对存储单元读写是，需按其物理位置的先后顺序寻址地址，例如磁带存储器。磁盘是部分串行访问的存储器，先直接访问磁道，然后在磁道上串行访问，称为直接存取存储器。

3）按在计算机中的作用分类

3.1）主存（主存储器）：可以和CPU直接交换信息。

3.2）辅存（辅助存储器）：用来存放当前暂时不用的程序和数据，不能与CPU直接交换信息。

3.3）缓存（Cache）：用于CPU和和主存之间，起到缓冲作用。

2、存储器的性能指标：速度、容量、位价（每位价格）

 

3、存储器的层次结构

存储系统层次结构主要体现在缓存 - 主存和主存 - 辅存这两个存储层次上

缓存 - 主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题

主存 - 辅存层次主要解决存储系统的容量问题

现代计算机系统几乎都具有这两个存储层次，构成缓存、主存、辅存三级存储系统。

虚拟存储系统：地址空间与编址范围相对应，指令地址码称为逻辑地址。主存的实际地址称为物理地址。

 

4、主存储器

1）存储单元地址的分配：存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的，而地址总线是用来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出或写入一个存储字。不同机器存储字长不同，为8的整数倍。

 

2）主存的技术指标

①存储容量：存储单元个数*存储字长/8

②存储速度

③存储器带宽

 

3）随机存取存储器

动态RAM的应用要比静态RAM广泛得多。

①动态RAM集成度高，如动态RAM基本单元电路为一个MOS管，静态RAM的基本单元电路可为4~6个MOS管。

②动态RAM行、列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸较小。

③动态RAM功耗低。

④动态RAM价格更便宜。

⑤静态RAM速度快，存取周期快8~16倍。容量不大的高速缓冲存储器多用静态RAM实现。

 

5、辅助存储器

1）磁盘

硬磁盘和软磁盘存储器的存储原理和记录方式是相同的，但结构差异较大：硬盘转速高、存取速度快，硬盘有固定磁头、固定盘、盘组等结构，软盘都是活动头、可换盘片结构。

2）光盘

利用光学方式进行读/写信息的圆盘，使用寿命长，存储容量大。

3）辅助存储器对比

①光盘的介质互换性好，存储容量大，可用于文献档案、图书管理、多媒体等方面的应用。但由于目前价格较贵，故尚不能代替磁带机。

②硬磁盘存储容量大，数据传输率比光盘高（采用磁盘阵列，数据传输率可达100Mbps），等待时间短。它作为主存的后备存储器，用以存放程序的中间和最后结果。

③软磁盘存储容量小，数据传输率低，平均寻道时间长，而且是接触式存取，盘片不固定在驱动器中，要求超净运行环境否则容易造成盘面磨损存心误码，不易提高精度，已逐渐淘汰。

④磁带存储器历史比磁盘更久，1960年后期逐渐被磁盘取代。它的数据传输率更低，采用接触式记录，容量也很大，每兆字节价格较低，记录介质也容易装卸、互换和携带，可用做磁盘的后备存储器。

 

第5章 输入输出系统

1、输入输出系统的4个发展阶段

1）早期阶段：I/O设备通过CPU与主存交换信息

2）接口模块和DMA阶段：总线结构

3）具有通道结构的阶段

4）具有I/O处理机的阶段

 

2、输入输出系统的组成

1）I/O软件

①将用户编制的程序或数据输入主机内

②将运算结果输送给用户

③实现输入输出系统与主机工作的协调等

2）I/O硬件

 

3、I/O设备与主机的联系方式

1）I/O设备编址方式：统一编址、不统一编址。统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分。

2）设备寻址：选中设备

3）传送方式：串行、并行传送

4）联络方式：立即响应方式、异步工作采用应答信号联络、同步工作采用同步时标联络

 

4、I/O设备与主机的连接方式：辐射式、总线式

 

5、I/O设备与主机信息传送的控制方式

1）程序查询方式

2）程序中断方式

3）DMA方式

 

6、I/O设备，即外设

1）人机交互设备：键盘、显示器

2）计算机信息的存储设备：磁盘

3）机-机通信设备：Modem

 

7、输入设备

1）键盘：硬件实现（编码键盘法）、软件实现（非编码键盘法）

2）鼠标：机械式、光电式

3）触摸屏：电阻式、电容式、表面超声波式、扫描红外线式和压感式

 

8、输出设备

1）显示设备：CRT显示器、液晶显示器

2）打印设备

 

9、多媒体技术

1）多媒体的定义（Multimedia）所谓媒体，是指信息传递和存储的最基本的技术和手段。常见媒体包括音乐、语言、图片、文件、书籍、电视、广播、电话等。

2）多媒体计算机的关键技术

①音视频数据的压缩和解压缩技术

②多媒体专用芯片

③大容量存储器

④适用于多媒体技术的软件

 

10、I/O接口

1）接口：两个系统或两个部件之间的交接部分，既可以是两种硬设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

2）I/O接口：通常指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制

3）端口：接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的端口分别称为数据端口、控制端口和状态端口。若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。

 

11、接口功能

1）选址功能

2）传送命令的功能

3）传送数据的功能

4）反应I/O设备工作状态的功能

 

12、接口类型

1）传送方式：并行接口、串行接口

2）功能选址的灵活性：可编程接口、不可变成接口

3）通用性：通用接口、专用接口

4）数据传送的控制方式：程序型接口、DMA型接口

 

第6章 计算机的运算方法

1、无符号数：没有符号的数，在寄存器中的每一位均可用来存放数值。

 

2、有符号数

1）真值：带“+”或“-”符号的数

2）机器数：把符号“数字化”的数

①原码：符号位为0表示正数，符号位为1表示负数，数值位即真值的绝对值

②补码

③反码

3）三种机器数特点：

①三种机器数的最高位均为符号位

②真值为正时，原码、反码和补码的表示形式均相同，符号位是“0”

③真值为负时，符号位都是“1”，数值位：补码是原码的“求反加一”，反码是原码的“每位求反”

 

3、定点数：小数点固定在某一位置的数

4、浮点数：小数点的位置可以浮动的数

 

第7章 指令系统

1、机器指令

1）概念：机器语言是有一条条语句构成，每一条语句能准确表达某种语义。每条机器语言的语句称为机器指令，全部机器指令的合集称为机器的指令系统。

2）指令组成：操作码+地址码

3）指令字长：取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数

 

2、操作数类型

1）地址

2）数字

3）字符

4）逻辑数据

 

3、数据在存储器中的存放方式

1）通常存放于存储器或寄存器中

2）边界对齐：为便于硬件实现，通常要求多字节的数据在存储器存放时满足“边界对准”

3）数据不对准边界的计算机中，数据（例如一个字）可能在两个存储单元中，此时需要访问两次存储器，并对高低字节位置进行调整后，才能得到一个字。

4）大小端：低字节为低地址（小端）

 

4、操作类型

1）数据传送：包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间传送

2）算术逻辑操作：算术运算（加、减、乘、除、增1、减1、取负数即求补）和逻辑运算（与、或、非、异或）

3）移位：算术移位、逻辑移位、循环移位

4）转移

①无条件转移

②条件转移

③调用与返回

④陷阱（Trap）与陷阱指令：陷阱其实是一种意外事故的中断。一旦出现意外故障，就是计算机就发出陷阱信号，暂停当前程序的执行，转入故障处理程序进行相应的故障处理。

5）输入输出：CPU与外设寄存器之间数据传送

6）其它：等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等。

①非数值处理指令：字符串传送、字符串比较、字符串查询及字符串转换等

②特权指令：用于操作系统或其他系统软件，用户不能使用

③向量指令：对整个向量或矩阵进行求和、求积运算

 

5、寻址方式

寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法。

1）指令寻址

①顺序寻址：程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址

②跳跃寻址：通过转移类指令实现

2）数据寻址

①立即寻址

②直接寻址

③隐含寻址

④间接寻址

⑤寄存器寻址

⑥寄存器间接寻址

⑦基址寻址

⑧变址寻址

⑨相对寻址

⑩堆栈寻址

 

6、RISC技术

1）概念：RISC即精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）；CISC即复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）

2）80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令，而且这些指令都是属于简单指令，如取数、加、转移等。

3）主要特点：

①选取使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用但又不复杂的指令，让复杂的指令的功能由频度高的简单指令组合来实现。

②指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

③只有取数/存数（LOAD/STORE）指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成。

④CPU中有多个通用寄存器。

⑤采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期。

⑥控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制。

⑦采用优化的编译程序。

4）RISC和CISC的比较，RISC的优点

①充分利用VLSI芯片的面积

②提高计算机运算速度

a、RISC机的指令数、寻址方式和指令格式种类较少，而且指令的编码很有规律，因此RISC的指令译码比CISC的指令译码快

b、RISC机内通用寄存器多，减少了访存次数，可加快运行速度。

c、RISC机采用寄存器窗口重叠技术，程序嵌套时不必将寄存器内容保存到存储器中，故提高了执行速度

d、RISC机采用组合逻辑控制，比采用微程序控制的CISC机的延迟小，缩短了CPU的周期。

e、RISC机选用精简指令系统，适合流水线工作，大多数指令在一个时钟周期内完成。

③便于设计，可降低成本，提高可靠性

④有效支持高级语言程序

 

第8章 CPU的结构和功能

1、CPU的功能

①取指令

②分析指令

③执行指令

 

2、CPU结构框图

3、CPU的寄存器

1）用户可见寄存器

①通用寄存器

②数据寄存器

③地址寄存器

④条件码寄存器

2）控制和状态寄存器

①MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址

②MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器的数据或最近从存储器中读出的数据

③PC：程序计数器，存放现行指令的地址

④IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令

 

4、控制单元和中断系统

1）控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件，现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种：

①组合逻辑设计方法，为硬连线逻辑

②微程序设计方法，为存储逻辑

2）中断系统主要用于处理计算机的各种中断

 

5、指令周期

1）概念：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。由于各种指令操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不相同的。

2）提高处理机的速度

①提高器件的性能

②改进系统的结构，开发系统的并行性

a、所谓并行，包含同时性和并发性两个方面。前者是指两个或多个事件在同一时刻发生，后者是指两个或多个事件在同一时段发生。

b、并行性体现在不同等级上。通常分为4个级别：作业级或程序级、任务级或进程级、指令之间级和指令内部级。前两者为粗粒度，又称过程级，一般用软件算法实现；后两级为细粒度，又称指令级，一般用硬件实现。

③指令流水的原理

指令流水类似于工厂的装配线，装配线利用了产品在装配的不同阶段其装配过程不同这一特点，使不同产品处在不同的装配段上，即每个装配段同事对不同产品进行加工，这样可大大提高装配效率。将这种装配生产线的思想用到指令的执行上，就引出了指令流水的概念。

 

 

6、中断系统

1）中断概念产生的原因：为了提高计算机的效率，为了处理一些异常情况以及实时控制、多道程序和多处理机的需要

2）引起中断的各种因素

①人为设置的中断

②程序性事故：如定点溢出、浮点溢出、操作码不能被识别、除法中出现“非法”等

③硬件故障：插件接触不良、通风不良、磁表面损坏、电源掉电等

④I/O设备

⑤外部事件：比如用户通过键盘来中断现行程序

3）中断源：不可屏蔽中断（电源掉电）、可屏蔽中断

4）中断请求标记

5）中断判优逻辑

任何一个中断系统，在任一时刻，只能响应一个中断源的请求。

①硬件排队

②软件排队

6）中断服务程序入口地址的寻找

①硬件向量法：利用硬件产生向量地址，再由向量地址找到中断服务程序的入口地址。

②软件查询法

7）中断响应

①响应中断的条件：允许中断触发器EINT为1

②响应中断的时间：指令执行周期结束后

③中断隐指令：CPU响应中断后，即进入中断周期。在中断周期内，CPU要自动完成一系列操作

a、保护程序断点

b、寻找中断服务程序的入口地址

c、关中断

8）保护现场和恢复现场

①保护程序断点：由中断隐指令完成

②保护CPU内部各寄存器内容：可在中断服务程序中由用户用机器指令编程实现

9）中断屏蔽技术

①多重中断概念：即中断可嵌套

②多重中断的条件：1、提前设置“开中断”指令；2、优先级别搞的中断源有权中断优先级别低的中断源

 

第9章 控制单元的功能

略

 

第10章 控制单元的设计

略

 

附录 PC整机介绍

1，PC主机组成：主要由主板、处理器、主存、芯片组，以及通过各个端口和总线插槽接入的外部设备

 

2，主板组成

①CPU插座（Socket）或插槽（Slot）

②内存条插槽

③连接硬盘、软盘驱动器和光盘驱动器等外部设备接口的插座

④接插各种用途的接口卡所需的扩展插槽

⑤连接鼠标、键盘、打印机和调制解调器的串并端口

⑥CPU芯片、内存条、系统芯片组、BIOS芯片、CMOS芯片

⑦电源、电池、电阻和电容等

⑧跳线和开关

 

3、CPU芯片及插座

主板的性能主要取决于CPU，CPU芯片内部总线的宽度时钟频率（主频）是决定CPU性能的主要参数。内部总线越宽，在每个时钟节拍内可以传送的数据越多，有利于进行更大的数据量运算。主频越高，执行每条指令的时间越短，运算速度越快，整机性能也越好。

 

4、配套芯片和器件

1）BIOS芯片装有基本输入输出系统程序，完成冷启动、热启动、上电自检、基本输入/输出驱动程序、系统硬件配置分析、引导DOS启动或引导ROM BASIC解释程序以及BIOS中断管理。该程序固化在ROM芯片上，早期采用EPROM作为BIOS芯片，现在大多数PC采用Flash Memery作为BIOS芯片。

2）芯片组：主板上除了CPU、内存条、BIOS芯片外，还有众多支持芯片和接口芯片，这些芯片按其功能不同，采用VLSI技术将它们分别集成在几块芯片中，如总线的缓冲和控制芯片，CPU的复位、Cache控制、存储器控制、协处理器接口芯片，以及CMOS与8042振荡源芯片等

3）CMOS RAM芯片用于提供系统的日期、时间、保存系统的硬件配置参数和软硬盘规格、显示器接口的类型、键盘和其他硬件的设置。PC系统上电启动到引导完成，必须从CMOS RAM中读取若干参数数据，设定为开启开机的初始状态。如果CMOS RAM芯片损坏或内容丢失，会造成软、硬盘无法使用、鼠标工作失效等故障。