组成原理概念总复习

计算机系统概论

• 程序在执行前放在主存中，在执行时放在CPU中。
• 存储器用来存放程序和数据。

主存储器是计算机各种信息的存储和交流中心，可与CPU、I/O交换信息。当前正在运行的程序和数据都是放在主存储器中的。

• 控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化。
• 计算机中各部件来往信号：地址、数据、控制信号。

主存储器

中心地位。

分类

易失性存储器。

RAM，可通过指令随机的、个别的对各个存储器读写，停电信息丢失。讨论主存一般都指RAM。

• SRAM

静态，用触发器保存信息。集成度低，功耗大。

• DRAM

动态，用MOS电容存储电荷保存信息，需不断充电。集成度高，功耗小。

非易失性存储器。

• ROM

制造时写入内容，以后只能读不能再写入。可用熔丝，二极管，晶体管，内容不会变。

• PROM

用熔丝，初始熔丝全部接通，写入时断开，一次性。

• EPROM

单管，编程次数不受限制，可紫外线擦除。

• E²PROM

可电擦除，次数受限制。读写可按位或字节进行。可用两个晶体管。

• Flash Memory

单管，电擦除，整体擦除。

存储容量扩展

位扩展

• 扩充字长。
• 将地址、片选信号、读写控制端并联，数据端分别引出。
• 横向扩展。

字扩展

• 增加字的数量。
• 串联，纵向扩展，地址高位做片选。

字位扩展
在字扩展的基础上扩充数据线。
存储控制
设附加电路。
DRAM采用“读出”的方式刷新。
再生周期（刷新周期）：2ms。
再生过程：只改变行选择线地址，每次再生一行，依次对存储器的每一行读出，完成刷新。
8203通常处于闲置状态，此时有访存请求和刷新请求，首先保证访存。
8203不是闲置状态时，刷新请求优先。
增加校验位来设置校验线路。
多体交叉存储器
地址码的低位经过译码选择不同的存储模块，高位指向模块内部的存储字。

指令系统

指令组成

1. 操作码（说明操作的性质和功能）
2. 操作数的地址（CPU取操作数）
3. 操作结果的存储地址（存运算结果）
4. 下一条指令的地址（顺序时，PC 给出，转移等时，指令给。）

指令操作码的扩展
操作码的长度为K，该机器最多指令数目为2^K。

通常在指令中用一个固定长度的字段表示基本操作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该地址字段，能充分利用指令字的各个字段，能在不增加指令长度的情况下扩充操作码的长度，表示更多指令。
书上例题0000~1110供三地址指令，1111加上其后的四位供二地址指令，以此类推。

字长越长，计算机的运算精度越高。地址码长度若为n，可寻址2ⁿ个字或字节。
转移指令
C+Z：无符号数<=
N异或V+Z：有符号数<=
N异或V：有符号数<
特权指令
为了安全，只能用于操作系统或其他系统软件。
RISC
执行时间=指令数 * 每条指令所需的平均周期数 *每个机器周期的时间。

特点：避免复杂指令；访问寄存器多，访问存储器少；大部分指令在一个或少于一个周期内完成......

中央处理器

控制器+运算器。

控制器

组成：

• 程序计数器PC

存放正在执行指令的地址或下一指令地址。

• 指令寄存器IR

存放正在执行的指令。

• 指令译码器或操作码译码器

对IR的操作码分析解释，产生控制信号。

• 脉冲源及启停线路

产生时钟脉冲，控制时序信号的发生或停止。

• 时序控制信号形成部件

形成每个操作对应的时间标志。

功能
取指令；分析指令；
执行指令；控制程序和数据的输入和结果输出；
对异常情况和某些请求的处理。

中断请求和DMA请求，前者执行完当前指令，后者执行完当前机器周期再让出总线给I/O设备。

微程序控制计算机的基本工作原理

微指令
同时发出的控制信号所执行的一组微操作。
微程序
微指令序列的集合。
控制存储器
存储控制命令（信号）与下一条执行的微指令地址（下指）。ROM可实现。

执行一条指令实际上就是执行一段存放在控制存储器中的微程序。
微指令油控制字段和下址字段组成。
23个控制信号，对应控制字段有23个控制位。
当前正在执行的微指令从控制存储器取出后放在微指令寄存器中，该寄存器的各个控制位的输出直接连到各个控制门上。
微程序控制字段的编译法

1. 直接控制法
2. 字段直接编译法

其微命令是互斥的。

3. 字段间接编译法
4. 常数源字段E

微指令格式
水平型微指令

在一条微指令中定义并执行多个并行操作微命令。

垂直型微指令

由操作码规定微指令的功能。

存储系统

CPU和主存中间设置了cache，一般由SRAM组成。
cache组织：

1. 地址映像

• 直接映像
• 全相联映像
• 组相联映像
  r=0时，组变直；c=0时，组变全。

替换算法
FIFO、LRU。
cache地址的监听
为使cache中数据和主存相应单元内容保持一致。
虚拟存储器
主存－辅存层次的信息传送单位分为：段、页、段页。
程序按模块分段，再分页。
把页表最活动部分存放在快速存储器中组成快表，为减小时间开支。
段页程序对主存的调入调出按页面进行，又可以按段实现共享和保护。
TLB：转换旁路缓冲器。

辅助存储器

技术指标：
存储密度：单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量。
存储容量：磁表面存储器所能存储的二进制信息总量。
寻址时间：平均T_a=(t_smax+t_smin)/2+(t_wmax+t_wmin)/2
数据传输率：单位时间内与主机之间传送数据的位数或字数。
磁记录方式
RZ
NRZ
NRZ1
PM
FM
MFM
后三者有自同步能力。

显示器

分辨率
像素个数。
灰度级
像素点亮暗差别。
VRAM容量=分辨率* 灰度级。
刷新带宽=刷新存储器容量* 帧频