第一章：冯~诺依曼思想(重要)

1 工作原理：

• 存储程序：将程序存放在计算机的存储器中。储存系统构建与快速访问。

• 程序控制：按指令地址访问储存器并取出指令，经译码器依次产生指令执行所需的控制信号，实现对计算机的控制，完成指令功能。

2 冯·诺依曼计算机的组成

1 硬件

• 输入输出设备
• 运算器
  • 算术运算、逻辑运算
• 控制器
• 存储器

2 软件

软件系统：

• 系统软件：如操作系统、网络系统、编译系统

• 支持软件：界面工具、开发工具等

• 应用软件：字处理软件、游戏软件等

第二章：数据表示

1.数据的表示

• 真值（书写用）

  • +1011，-1011

• 机器码（机器内部使用）

  • 正数原码、反码、补码不变
  • 原码: 0正1负
    • 表示简单：[X]_原=2ⁿ-X
    • 运算复杂：符号位不参与运算，要设置加减法器
    • 0的表示不唯一
    • 如+1011——>01011
  • 反码：原码符号位不变，数值位取反
    • 相对原码复杂：[X]_反=2ⁿ⁺¹+X-1
    • 运算相对简单：符号位参加运算，只需加法器，但符号位的进位要加到最低位
    • 0的表示不唯一
    • 如10100——>10100
  • 补码：反码+1或者扫描法
    • 扫描法：数值位右往左第一个1不变，其余逐位取反
    • 相对原码复杂：[X]_补=2ⁿ⁺¹+X
    • 运算简单：只需加法器
    • 0的表示唯一
    • 补码中膜的概念：符号位进位后所在位的权值，相当于有几位就是2的几次方
    • 10000表示最小负数-16的补码，无原码反码，比较特殊。
  • 移码：补码符号位取反
    • [X]_移=2ⁿ+X

2.同余

a≡b（mod m）：a与b同时mod m的值相同（mod是取余）

3.定点与浮点数据表示

浮点数：让数据表示唯一，规格化。

科学计数法：

• 十进制：N=10^ExM，1≤|M|<10
• 二进制：N=2^ExM，1≤|M|<2

浮点数表示：

• 适用于当数的范围超出了定点数能表示的范围时
• 一般格式：不同系统提取的阶码位数不同，会出错。
  • 
• IEEE 754格式：
  • 
  • IEEE 754 32位浮点数与真值的转换流程
    • 
    • 符号意义：
      • S=符号位
      • e=阶数
      • E=阶码=阶数+127=阶数+01111111
      • M=尾数=1.M的M
      • 0舍1入
    • 

4 数据校验的基本原理

数据校验：

• 解决编码在时间、空间上传输的可靠性
• 编码引入一定冗余，增加最小码距，使编码符合某种规则，以便错误时的判断
• 码距：两个合法编码间不同二进制位数
• 码距越大，抗干扰、纠错越强，冗余也越大，效率也越低
• 码距为1时无法检错

码距与检错或纠错能力的关系：

5 奇偶校验

基本原理：

• 添加校验位使得数据加校验码中1的个数满足奇或偶的要求
• 

检错方法：

• G=1必出错，否则大概率正常
• 奇校验检错码
  • 
• 偶校验检错码
  • 

特点：

• 最小码距为2
• 检测奇数位错，不能检测偶数位错，不能纠错，不保证正确，实现简单，编码效率高

6 海明编码

基本原理：

• 增加冗余码（检验位）
  • 
• 校验位P的值
  • 
• 指错字G：可定位错
  • 
• 分组方法：
  • 

特点：

• 最小码距为3,编码效率高，可纠正一位错

• 

• 

第三章：运算方法与运算器

1 定点数运算及溢出检测

加法运算：

• [X]_补+[Y]_补=[X+Y]_补 mod 2ⁿ⁺¹
  • 
• [X-Y]_补=[X]_补 +[-Y]_补
  • 
  • [-Y]_补=[Y]_补带上符号位逐位取反+1

溢出及判断：

• 正正得负——>正溢
• 负负得正——>负溢
• 判断
  • 对操作数和运算结果的符号进行检测：此方法不准确
  • 
  • 
  • 
  • 方法4：用软件的方法
    • 

2 加法器的逻辑实现

串行加法器：基于一位全加器FA

行加/减法器：sub输入0控制加法，1控制减法

并行加法器进位链设计：

• 
• 
• 
• 成组进位：
  • 
• 延迟：
  • 
  • 
• 四位快速加法器：
  • 
  • 
• 两级先行进位电路：
  • 
• 先行进位电路CLA74182
  • 
  • 芯片：
    • 
  • 电路逻辑：
    • 

第四章：储存系统

1 储存器概述

分类：

• 按储存介质分

  • 半导体MOS 储存器：SRAM和DRAM
  • 磁储存器
  • 光盘储存器

• 按存取方式分

  • 随机存储器：存取时间与物理位置无关
  • 顺序存储器：存取时间与物理位置有关
  • 直接存储器：访问时读写部件先直接指向一个小区域，再在该区域内顺序查找

• 按读写功能分

  • 只读存储器：ROM
    • 掩模式只读存储器MROM，
    • 一次编程只读存储器PROM（可编程只读存储器），
    • 多次编程只读存储器EPROM（可擦除可编程只读存储器），
    • EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）
    • 闪存Flash Memory：本质属于EEPROM
  • 读/写存储器：RAM

• 按信息的可保存性分

  • 易失性储存器：断电后信息消失
    • 易失性半导体储存器：FPM-DRAM，EDO-DRAM，同步DRAM（SDRAM），BEDO-DRAM，DDR SDRAM，SRAM
  • 非易失性储存器：断电后仍能保存信息
    • 非易失性半导体储存器：ROM，PROM，EPROM，EEPROM，FERAM，MRAM，PCRAM

• 按功能和存取速度分

  • 寄存器型储存器
  • 高速缓冲器Cache
  • 主储存器
  • 辅助储存器（外储存器）

储存器技术指标

• 储存容量
  • 位表示法
    • 如1kX4位：表示1k个单元，每单元4位
  • 字节表示法
    • 如128B：表示128个单元，每个单元一个B，就是8位
• 储存速度
  • 储存时间
    • 一次操作到结束的时间
  • 储存周期
    • 两次操作的间隔，比储存时间略长
  • 储存器带宽
    • 单位时间传输的信息量
    • bit/s, B/s

2 储存系统的层次结构

• 基本储存体系：

  • 

• 主存速度慢的原因

  • 主存增速与CPU增速不同步
  • 执行指令期间多次访问主存

• 主存容量不足的原因

  • 存在制约主存容量的技术因素，由CPU、主板等相关技术指标确定
  • 应用对主存的需求不断增大

• 存储体系的层次化结构

  • 

• 存储体系层次化结构的理论基础

  • 

3 主存中的数据存放

• 储存字长

  • 主存的一个储存单元所包含的二进制位数

• 数据储存与边界的关系

  • 按边界对齐的数据储存
    • 
    • 与储存地址的关系（以32位为例）
      • 
  • 未按边界对齐的数据储存
    • 

• 大端与小端储存方式

  • 

4 储存器工作原理

半导体存储器：

• RAM：随机访问存储器
  • SRAM：静态MOS存储器（随机访问）
  • DRAM：动态MOS存储器（随机访问）
• ROM：只读存储器

静态存储器SRAM：

• 存储单元结构

  • 

• 工作原理

  • 
  • 读/写过程
    • 
    • 
    • 

• 静态储存器的结构

  • 
  • 
  • 

动态存储器DRAM

• SRAM的不足

  • 晶体管过多
  • 存储密度大
  • 功耗大

• 存储单元的基本结构

  • 

• 工作原理

  • 
  • 
  • 
  • 

• 存储单元的刷新

  • 
  • 
  • 
  • 

• 与SRAM对比

  • 

5 储存扩展

• 存储扩展的基本概念及类型：

  • 

• 位扩展举例

  • 

• 字扩展举例

  • 
  • 
  • 
  • 
  • 

• 字位同时扩展举例

  • 

6 多体交叉储存器

通过芯片交叉组织，提高cpu单位时间访问的数据量，缓解快速cpu与慢速主存的差异。

• 高位多体交叉存储器的组织方式
  • 
• 低位多体交叉存储器的组织方式
  • 
  • 性能分析
    • 

7 高速缓冲存储器Cache

基本原理

• Cache的关键技术

  • 数据查找：如何判断数据在Cache中
  • 地址映射：主存数据如何放置到Cache行/槽中
  • 替换策略：Cache满后如何处理
  • 写入策略：如何保证Cache与memory的一致性

• 读操作

  • 命中：在cache中
  • 缺失：不在cache中，先去主存去到cache再取
  • 

• 写操作

  • 写穿策略：把数据写到cache和主存中，不能高速
  • 写回策略：把数据写到cache，但主存数据没更新
  • 

• Cache地址的映射机制

  • 

• Cache的结构

  • 
  • 

相联储存器

作用：判断CPU要访问的内容是否在Cache中

基本思路：根据不同规则抽取主存地址的部分内容作为查找的依据

如何实现快速查找：

• 顺序查找、二分查找等
• 使用相联存储器，通过硬件并发查找

基本结构及工作原理：

相联存储器的一种技术实现：

cache地址映射与变换方法

全相连映射

• 工作原理：

  • 

  • 

  • 

直接相联映射

• 工作原理
  • 
  • 
  • 

组相联映射

• 工作原理
  • 
  • 
  • 

三种映射的对比

8 替换算法

Cache存储空间被占满，当新数据要调入时，就需要通过某种机制决定替换的对象

• 先进先出法——FIFO

  • 

• 最不经常使用法——LFU

  • 

• 近期最少使用法——LRU

  • 

• 随机替换法

  • 随机替换一个

第五章：指令系统

1 指令系统概述及指令格式

基本概念

• 指令：计算机能直接识别、执行的操作命令

• 指令系统（指令集）：

  • 一台计算机中所有机器指令的集合
  • 系列机：同一公司不同时期生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机
    • 如IBM，PDP11，VAX-11，Intel-x86
  • 兼容机：不同公司生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机
    • 如IBM兼容机

• 指令字长：

  • 指令中包含的二进制数
  • 单字长、双字长、半字长等长度指令
  • 多字长：多次访问内存，影响速度，占用空间大
  • 等长指令：字长固定
  • 变长指令：字长可根据需要改变

指令的分类：

• 根据计算机层次结构分：
  • 
  • 根据指令中地址的字段个数分：
    • 
  • 根据指令中操作数的物理位置分：
    • 
  • 根据指令的功能分：
    • 

指令格式：

• 
• 举例：
  • 

拓展指令举例：

指令格式设计举例：

2 寻址方式及指令寻址

指令寻址：

• 顺序寻址
  • 
  • 
• 跳跃寻址
  • 

操作数寻址：

• 实际操作数S，实际有效地址E
• 立即数寻址
  • 
• 寄存器寻址
  • 
• 直接寻址
  • 
• 间接寻址
  • 
• 寄存器间接寻址
  • 
• 相对寻址
  • 
  • 
• 基址寻址
  • 
• 变址寻址
  • 
• 总结
  • 

3 指令格式设计

• 主要内容：
  • 
• 设计举例
  • 
  • 
  • 

4 MIPS指令概述

只有三种指令格式：

• R型指令

  • 由op和funct字段共同说明当前寻址方式
  • 
  • 

• I型指令

  • 由op字段说明当前寻址方式
  • 
  • 

• J型指令

  • 由op字段说明当前寻址方式
  • 

第六章：*处理器

CPU： Central Processing Unit

1 CPU的组成与功能

1 组成

2 主要功能

3 主要寄存器

4 操作控制器

2 数据通路

• 执行部件间传送信息的路径

• 通路的建立是由控制信号控制，受时钟驱动

• 不通指令、统一指令在执行的不同阶段的数据通路不通

1 定时模型

2 数据通路与时钟周期

3 保持时间伪例

保证下一个数据来的时候，当前数据已经储存。

3 数据通路与总线结构

1 分类

2 单总线结构中的数据通路

3 双总线结构中的数据通路

3.三总线结构中的数据通路

4 小结

总线越多，性能越好

4 数据通路实例

1 单总线（非常重要）

2 多总线

3 专用通路

4 小结

5 指令周期

1 一般流程

黄色为必要，白色非必要

2 基本概念

3 指令控制同步

4 三级时序系统（同步时序）（重要）

5 现代时序系统（异步时序）（重要）

6 总线结构CPU指令周期

1 单总线CPU（重要）

1）、取指令数据通路

2）、lw

3）、sw

4）、beq

5）、addi

6）、add

7）、指令周期方框图（重要）

2 小结

7 硬布线控制器设计

1 基本原理

2.单总线

3 三级时序

4 现代时序

6.8 微程序控制器

1.基本思想

2.工作原理

3.单总线CPU微指令构造

4.程序、微程序、指令、微指令对应关系

5.微程序组成原理

6.9 微程序设计

1.取指令

2.lw

3.sw

4.beq

5.add

6.addi

7.总

10 微指令格式

1 设计原则

• 有利于缩短微指令长度
• 有利于减少控制存储器容量
• 有利于提高微程序执行速度
• 有利于对微指令进行修改
• 有利于提高微程序设计的灵活性

2 直接表示法

3.编码表示法

4.微指令地址形成方法

5.水平型微指令编码效率

6.垂直型微指令

7.比较

• 水平型微指令
  • 并行能力强，效率高，灵活性强
  • 指令字段较长，微程序短，控存容量大，性能佳
• 垂直型微指令
  • 字段短，微程序长，控存容量小，性能差
  • 垂直型与指令相似，易于掌握
  • 基本被淘汰

七：输入输出系统

1 概述

输入输出系统的组成与功能：

I/O特点：

输入输出过程：

2 输入输出方式

• 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
  • 
• 外围处理机方式

3 程序中断方式

1 基本概念

• CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行为某个随机事件服务的中断处理子程序，处理完后自动恢复原程序的执行
• 实现主机和外设准备阶段的并行工作
  • 避免重复查询外设状态、提升工作效率
  • 

2 实质域特点

3 分类与作用

4 响应流程

5 中断优先级

划分优先级的一般规律：

6 中断屏蔽

7 中断识别

4 DMA方式

1 基本概念

2 特点与应用

3 工作状态

4 内存争用

停止CPU使用内存：

DMA与CPU交替使用主存:

周期挪用法：

5 主要操作过程

准备阶段：

传送阶段：

结束阶段：

6 与中断的区别

计算机组成原理