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计算机组成原理期末（初稿）

发布时间 2024-01-12 15:47:13作者: The_A_W

计算机组成原理期末（初稿）

说明：标题带 ' * ' 为待补充或有争议

1. 三个周期：时钟，机器，指令。

指令周期是指完成一条指令所用的时间（由若干个机器周期来表示）

机器周期是指完成一个规定操作所用的时间（比如读写一次存储器等操作所需要的时间）机器周期由若干个时钟周期组成

时钟周期T又称为振荡周期，由单片机片内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中 最小的时间单位。

最小的时间单位（哪个在上哪个在下）：时钟周期，指令周期 →（n）机器周期 →（n）时钟周期

当CPU的主频越高，性能越高吗？
答：主频越高，只能代表时钟周期越小，除此之外，内部结构的映射关系也很重要，两者是共同决定CPU的性能的。评判CPU的具体性能，是看指令周期的大小

2. 补码的表示：-128~127

[-128]补 =1000 0000

[-1]补 = 1111 1111

[-127]补 = 1000 0001

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3. DRAM和SRAM的特点和原理：

SRAM：静态随机存储器，依靠​双稳态触发器​的两个稳定状态保存信息

依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。

缺点：功耗较大，容量小

优点：速度快，作Cache

SRAM相关芯片：2114 （1K * 4位）

静态存储器的主力是MOS存储器

DRAM：动态随机存储器，是依靠电路的​电容​上存储的电荷来暂存西南西的（主存）

优点：功耗小，容量大，速度较快，作主存

DRAM的刷新

含义：定期向电容补充电荷->刷新

原因：动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源供电，时间一长电容电荷会泄漏，需定期向电容补充电荷，以保持信息不变。

DRAM相关芯片：2164（64K * 1位）

刷新和重写的区别

重写：破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。

刷新：非破坏性读出的动态M，需补充电荷以保持原来的信息。

4. 虚拟存储器

虚拟存储器是一种将辅助存储器（如硬盘）扩展到主存的技术。其基本原理是将主存分割成固定大小的块（页面），并将页面与辅助存储器上的块（页框）进行映射。当程序需要访问某个页面时，虚拟存储器会将该页面从辅助存储器加载到主存中，当页面不再使用时，可以将其换出到辅助存储器中。虚拟存储器的主要目的是增加可用的地址空间，并提供更大的程序和数据存储空间。

5. 中断

中断芯片：8259

6. DMA

名字：直接存储器访问

作用（中断响应过程）：当设备提出了随机的I/O请求后，控制系统依靠控制硬件（主要是DMA）直接控制主机和外围设备之间的数据I/O操作

CPU不参与具体的I/O操作控制，只负责启动该DMA，和执行I/O的后善后处理工作，具体操作完，DMA控制器就通过中断的方式告诉CPU

相关的芯片：8237 8257

7. 双端口的型号

双端口的型号：LDT7132

具有连个彼此独立的读写口，两个端口分别具有各自的地址线，数据线和控制线，可进行独立的存取操作

访问冲突：

  1. 当两个端口访问不同的地址时，可以同时进行读写

  2. 当两个端口同时访问同一个地址，会发生访问冲突

    设置BUSY标志，采用仲裁逻辑，由芯片上的判断逻辑决定由哪个端口优先进行读写操作，而暂时关闭另一个被延迟的端口

8. 存储程序的三个要点

三个要点：事先编写程序，存储程序，自动、连续地执行程序

9. 汉字和ASCII

ASCII的中文名：美国信息交换标准代码

ASCII能表示的字符：共有128常用的字符，每个ASCLL字符自身用7位编码，
存储器用1字节信息可以存放ASCll码。空出来的一位存放奇偶校验位

汉字内码：是计算机内部存储，处理，传输用的代码，用双字节表示一个汉字

汉字编码分为输入码，内部码，交换码，输入码需要借助区位码对照表，才能转化成内部码

10. 组合逻辑，微程序控制的优缺点；微程序 ->指出序列是什么？

组合逻辑控制器和微程序控制器的各自优缺点

组合逻辑控制器：指产生控制信号即微命令的部件是用组合逻辑线路来实现的控制器。

优点：速度快

缺点：

（1）设计较凌乱，效率较低，检查调试较困难。

（2）不易修改与扩展。

微程序控制器：指将程序技术引入到CPU的构级，即采用微程序控制方式来产生微命令的控制器。

优点：设计比较规整，易于修改补充。

缺点：速度较组合逻辑控制器稍慢。

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序列​ ： 微程序-微命令-微操作。

11. 寻址的方式*

定义： 按某种规则形成操作数的有效地址，把产生操作数的有效地址叫做寻址方式

  1. 立即寻址： 操作数存放于指令中，在读取指令就从指令之中获得了操作数，速度最快

  2. 直接寻址（一层糖衣）： 直接给出主存地址或者寄存器号，以读取操作数。

    主存直接寻址：在指令中直接给出操作数的有效主存地址，在根据该地址从主存中读出操数

    寄存器直接寻址：在指令中直接给出寄存器号，操作数实际存储在指定的寄存器中

  3. 间接寻址（两层糖衣）：

    主存间接寻址

    在指令中直接给出主存单元中操作数地址的地址，根据这个地址去访问主存单元中操作数的地址，再根据该地址去访问相应的主存单元中的操作数。

    寄存器间接寻址

    在指令中给出寄存器号，指定的寄存器号中存放的是操作数的有效地址，按照这个有效地址去访问主存单元中的操作数

  4. 变址寻址： 指令给出的是形式地址（不是最好的地址），经过某种计算（相加，相减，高低位地址拼接等）才能获得有效地址，据此访问主存储器，以读取操作数

12. 一维数组和二维数组的寻址方式*

一维数组寻址方式：

寄存器寻址，基址寻址

二维数组寻址方式：

基址变址寻址，间接寻址

13. 南桥北桥的作用

北桥揽括CPU，主存，显卡，主要承担内存控制，视频控制与CPU交互

南桥负责控制外部设备的输出/输出，承担BIOS的管理任务

两者之间通过DMI，即直接媒体接口标准的总线连接

14. 宝图（位置，含义）

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CPU的主要组成

  1. ALU（算法逻辑单元）

  2. 控制逻辑

  3. 工作寄存器

    8086/8088寄存器组

说明：

1. ALU

2. 控制逻辑

3. 寄存器

  1. 通用寄存器R0，R1，R2，R3

    可由CPU通过程序访问，在指令中可为这组寄存器分配各自的编号，可编程访问指定编号的寄存器。

    作用：提供操作数、存放运算结果，提供地址指针、基址、变址、计数器等。

    有的CPU为各通用寄存器分别规定了特定的任务，并按任务进行命名，如：

    AX(Accunulator) — 累加器，使用频度最高，用于算术、逻辑运算以及外设传送信息等。
    BX(Base Register) — 基址寄存器，常用于存放存储器地址。
    CX(Count Register) — 计数器，一般作为循环或串操作等指令中的隐含计数器。
    DX(Data Register) — 数据寄存器，常用于存放双字数据的高16位，在进行乘除运算时，它可作为默认的操作数参与运算，亦可存放外设端口地址

  2. 暂存器C、D

    暂存器C：存取源操作数或源操作数地址

    暂存器D：存取目的地址或运算结果

  3. 与主存的接口寄存器MAR，MDR

    MAR - 地址寄存器：CPU访问主存时，先要找到存储单元，因此设置地址寄存器来存放被访问单元的地址。从内存中读时，先将有效地址送入MAR。（CPU访问主存时的地址由MAR提供）

    MDR- 数据缓冲寄存器：存放CPU与主存之间交换的数据。无论是从主存读出的数据，还是写入主存的数据，都要经过MBR。

  4. 指令寄存器 IR

    作用：用来存放正在执行的指令，它的输出包括操作码信息、地址信息等，是产生微命令的主要逻辑依据。通常在主存的数据寄存器和指令寄存器之间建立直传通路，以提高速度。

  5. 程序计数器 PC

    作用：指示指令在存储器中的存放位置。

    注意：取指结束后，PC内容增加以指示下一条指令地址，增加量取决于现行指令所占存储单元数。

  6. 程序状态字寄存器 PSW

    作用：记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式。

    特征位（标志位）：转31.

  7. 指针及变址寄存器

    四个16位寄存器SP、BP、SI、DI

    SP(Stack Pointer)​ ： 堆栈指针寄存器，用于存放当前堆栈段中栈顶的偏移地址；
    BP(Base Pointer)： 基址指针寄存器，用于存放堆栈段中某一存储单元的偏移地址；
    SI(Source Index): 源变址寄存器
    DI(Destination Index): 目的变址寄存器
    SI，DI一般与DS联用，用来确定数据段中某一存储单元的地址。它们主要用于存放存储单元
    段内的偏移量，用他们可实现多种存储器操作数的寻址方式，为不同的地址形式访问存储单元
    提供方便。另外，在字符串操作中，SI和DI都具有自动增量和减量的功能。

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*CPU基本组成：

  1. 运算部件
  2. 寄存器组
  3. 微命令产生部件
  4. 时序系统
  5. CPU内部数据通路结构

15. 微程序 -> ... ->微操作

微操作（微命令）->微指令 ->微程序 ->控制存储器

微程序(一对一)机器指令。

微命令(一对一)微操作。 微命令：构成控制信号序列的最小单位。

微指令(有序集合）→ 微程序(一对一) → 机器指令

微操作：由微命令控制是实现的最基本的操作。

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扩展

指令: 执行某种基本操作的命令(如加，减)。指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，指示是计算机硬件完成指定的基本操作

程序: 由一系列有序指令构成

指令系统:一台计算机能执行的全部的指令的集合。指令系统是软件和硬件的主要界面。是设计计算机硬件的一个基本依据。是软件设计者编制程序的基础。

几个重要的概念：

  1. 机器指令：提供给使用者编制程序的基本单位，它表明CPU所能完成的基本功能。（程序员）。
  2. 微指令：为实现机器指令中一部操作的微命令组合，它作为CPU内部的控制信息，通常不提供给使用者，对程序员可以是透明的。
  3. 微命令：构成控制信号序列的最小单位称为微命令，又称为微信号。通常是指那些直接作用于部件或控制门电路的命令。如复位控制脉冲等。（门电路是起开关作用的集成电路，它规定了各个输入信号之间满足某种逻辑关系时，才有信号输出，即一个开关作用，由于开放的条件不同，而分为与或非等）。
  4. 微操作：由微命令控制实现的最基本的操作称为微操作，如开门，关门等。
  5. 微周期：从控制存储器中读取一条微指令并执行相应操作说需要的时间。
  6. 微程序：一系列微指令的有序集合称为微程序，用来解释执行机器指令。

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程序，指令，微程序，微指令（微命令组合），微操作

16. 双端口实验（书上三段话）| 冲突怎么产生？*

17. 机器（数）码与真值的区别：

真值：用正、负符号加绝对值表示数值

机器数：连同数符一起数字化的数称为机器数

18. 原反补移

补码、原码哪个擅长+-，哪个擅长* /：

原码擅长乘除，补码擅长加减

  1. 原码是用绝对值表示的，所以原码表示很直观，用原码实现乘除运算比较方便，但是加减比较复杂，因为它的实际操作要由操作性质（加还是减）和两个数的数符综合决定
  2. 负数补码表示的实质是将负数映射到正数域，因而实现化减为加，达到简化运算的目的

为什么用补码：

计算机是以加法为基础，使用的是补码表示，乘除法在计算机中是变为用加法来表示，如果乘法运算和除法运算用原码来表示，则需要在每次运算的时候将原码变为补码，会降低运算效率，所以直接都采用补码来进行运算。

19. 堆栈指针SP指向：栈顶

20. 校验方法

  1. 奇偶校验：只能发现一位错，但是不能判断是哪位出错，优点为占用的空间小
  2. 海明校验：可以发先出错的具体位置，是多重的奇偶校验，但是占用空间大，需要设置很多校验位
  3. 循环冗余校验：让校验码处有某个约定代码，如果余数为0表明代码正确，如果余数不为0则利用余数指明出错位，是目前应用最广的校验方法

哪个在内存中常见？奇偶校验

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21. 显示器的接口类型：

VGA, DVI, HDMI, DP

22. 总线的分类（PPT）

按功能分类

内总线 局部总线 系统总线 外总线

按数据传送格式分类

并行总线 串行总线

按时序控制方式分类

同步总线 异步总线

23. Cache的作用和位置：

中文名称：高速缓存存储器

位置： Cache位于CPU和主存之间的一种临时存储器，他的容量比内存小但是交换速度快。

作用： 存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数据，以缓解CPU和主存的速度差异。

24. 存储器的首要特性是什么？ 存储容量

25. 三总线分别跑什么数据，以及方向（单向/双向）

  1. 地址总线，单向传输，与CPU接口为MAR。

    传送控制信号和时序信号。

  2. 数据总线，传输数据和指令，混装，只有CPU才知道是数据还是指令，接口为MDR，IR，与MDR是双向传输，与IR单向传输

    传送数据和指令。

  3. 控制总线，总体双向，局部为单向。

    传送控制信号和时序信号。

26. 冯诺依曼体系的核心思想

  1. 计算机硬件系统由五大部件组成（存储器，运算器，控制器，输入设备和输出设备）
  2. 计算机采用二进制形式表示信息（数据、指令）
  3. 采用存储程序的工作方式

27. 统一编制，独立编制，X86体系用的哪个？​​

1.独立编址(专用的I/O端口编址)----存储器和I/O端口在两个独立的地址空间中

(1)优点：I/O端口的地址码较短，译码电路简单，存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；存 储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计

(2)缺点：需要有专用的I/O指令，程序设计的灵活性较差

2.统一编址(存储器映像编址)----存储器和I/O端口共用统一的地址空间，当一个地址空间分配给I/O端口以 后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间

(1)优点：不需要专用的I/O指令，任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，程序 设计比较灵活；由于I/O端口的地址空间是内存空间的一部分，这样，I/O端口的地址空间可大可小，从 而使外设的数量几乎不受限制

(2)缺点：I/O端口占用了内存空间的一部分，影响了系统的内存容量；访问I/O端口也要同访问内存一 样，由于内存地址较长，导致执行时间增加

X86系统是独立编址

28. CPU综合性能取决于哪五个因素？

  1. CPU的主频（单位为GHz）
  2. 平均每秒执行的指令数IPS
  3. 平均每条指令的时钟周期数CPI
  4. 每秒执行定点/浮点的运算次数
  5. CPU的功耗

29. 传输路径/R-R,M-M的路径

寄存器->寄存器 Ri->A/B->AlU->移位器->内总线->Rj
寄存器->主存 Ri->A/B->AlU->移位器->内总线->MDR->数据总线->M
主存->寄存器 M->数据总线->MDR->B->ALU->移位器->内总线->Rj
寄存器->外设 Ri->A/B->ALU->移位器->内总线->MDR->数据总线->I/O设备
外设->寄存器 I/O接口->数据总线->MDR->B->ALU->移位器->内总线->Rj
主存->主存 (老师说不考这么难） M->数据总线->MDR->B->ALU->移位器->内总线->C，C->A/B->ALU->移位器->内总线->MDR->数据总线->M

30. 书2.33, 2.34*

31. PSW，标志位（ZF，...）

标志位

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编程设定位

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32. 浮点数的定义：尾数哪个表示范围，哪个表示精度*

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阶码：阶码是整数，阶符和 m 位阶码的数值部分共同反映 浮点数的表示范围及小数点的实际位置 ，常用移码或补码表示。IEEE754标准中采用移码的表示形式。

尾数：数符表示浮点数的符号，尾数的数值部分的位数 n 反映浮点数的精度 ，常用原码或补码表示。

33. 中断向量的概念*

34. 查询和中断的区别*

中断方式，MCU可以执行别的任务，而查询方式只能进行接收查询，在此期间不能执行其他任务，在实现的区别当然是：是否把接收中断使能位置为有效。

35. 指令所需的操作数存放位置

  1. 内存
  2. 指令本身
  3. CPU内部寄存器
  4. 堆栈
  5. I/O接口的寄存器

36. CPU中断保护现场和恢复现场信息保存到哪里，又从哪里恢复？*

37. 时序信号，时序系统*

38. 总线的技术指标是什么？

总线宽度

总线的工作频率：总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽

39. 存储器的主要技术指标

主存储器的主要有以下技术指标：

1、存储容量：在一个存储器中可以容纳的存储单元总数、存储空间的大小、字数、字节数。

2、存取时间：启动到完成一次存储器操作所经历的时间、主存的速度。

3、存储周期：连续启动两次操作所需间隔的最小时间、主存的速度。

4、存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，数据传输速率技术指标。 主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。

40. CPU设计的五大步骤

  1. 拟定指令系统
  2. 确定数据通路的总体结构
  3. 拟定指令流程和微命令序列
  4. 安排时序
  5. 形成控制逻辑

41. 需要多少地址线

地址总线的宽度与可寻址的内存单元数量有关，通常用 2^n^ 来表示，其中 n 是地址线的位数。每增加一根地址线，可寻址的内存单元数量翻倍。下面是根据 2n 的规则计算得出的地址线数量： 的规则计算得出的地址线数量：

8k：13根 16k：14根 64k：16根 128k：17根

42. 主存储器的基本组成与逻辑设计

主存储器的基本组成包括存储单元和地址线、数据线、读写控制线等。存储单元是存储数据的基本单元，每个存储单元都有一个唯一的地址。地址线用于传输地址信息，数据线用于传输数据信息。读写控制线用于指示读取还是写入操作。主存储器的逻辑设计通常采用静态随机存取存储器（SRAM）或动态随机存取存储器（DRAM）等技术来实现。

43. 串并行*

串行传输速度慢,但费用低，适合远距离传输； 并行传输相对速度更快，但 成本高，适用短距离传输。

44. 同步异步*

同步和异步关注事件之间的时间关系，同步要求事件按照预定的时间进行，而异步则允许事件在没有严格时间关系的情况下发生。

45. 计算机工作流程

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46. 主存的设计原则

  1. 驱动能力
  2. 存储器芯片类型的选择
  3. 存储器芯片于CPU的时序配合
  4. 存储器的地址分配和片选译码
  5. 片选信号(RAS)'和列选信号(CAS)'的产生

计算题

补码一位乘法（保留一位符号位）

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指令流程（3-36，3-37,...‘六个’）

四大操作

  1. 取指操作FT：公共操作：M->IR，PC+1->PC （保底分数）

  2. 源操作ST：对源地址进行操作

  3. 目的操作DT：对目的地址进行操作

  4. 执行操作ET: PC->MAR

  5. MOV（R0) , (R1）的读取和执行流程

    1. FT0 M->IR，PC+1->PC
      ST0 R1->MAR
      ST1 M->MDR->C
      DT0 R0->MAR
      ET0 C->MDR
      ET1 MDR->M
      ET2 M->MAR

  6. ADD（R0），（R1）的读取和执行流程

    1. FT0 M->IR,PC+1->PC
      ST0 R1->MAR
      ST1 M->MDR->C
      DT0 R0->MAR
      DT1 M->MDR->D
      ET0 C ADD D->MDR
      ET1 MDR->M
      ET2 M->MAR

存储器搭建*

  1. 算片数
  2. 地址线、数据线、多少根（文字描述）
  3. 片选线

字位，分配，画图

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输入输出设备

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