计算机组成原理

第一章 绪论

摩尔定律

• 集成电路芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月翻一番；
• 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半；
• 用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番。

存储程序原理的基本内容

存储程序原理是计算机工作的基本原理，是计算机区别于其他计算工具的唯一标志。

• 硬件构成：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成；
• 二进制原理：指令和数据都以二进制的形式顺序存放在存储器中；
• 程序控制原理：机器自动顺序取出每条指令进行分析，执行其规定的操作。

计算机硬件的基本组成及每个部分的功能

1. 计算机的基本组成

计算机硬件系统由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU，而运算器、控制器和存储器合称为主机。这种结构的计算机称为冯•诺依曼结构计算机。

2. 计算机的主要部件的功能

• 输入设备：把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的形式。
• 输出设备：将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。
• 存储器：存储器是用来存放程序和数据的部件，地址是识别存储器中不同存储单元的唯一标志，按地址访问存储器，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。
• 运算器：运算器是对信息进行处理和运算的部件，经常进行的运算是算数运算和逻辑运算，因此运算器也称为算数逻辑运算部件（ALU），运算器的核心是加法器。
• 控制器：控制器是整个计算机的指挥中心，主要功能是按照预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。

计算机的主要性能指标

• 机器字长：CPU一次最多能处理的二进制数据的位数，决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，常见的机器字长有：8位、16位、32位、64位。

• 数据通路宽度：数据总线一次所能并行传送的位数，即每个时钟周期内总线同时传输的数据位数。内部数据总线=字长，外部数据总线依赖于系统总线。

• 内存容量：存储器所能存储二进制信息的多少，常用两种参数：① 字节数，② 字数×字长（按字编址）。

• 运算速度：① CPU主频：CPU内核工作的主时钟频率$f$，是CPU内数字脉冲信号震荡的速度，主频的倒数称为CPU时钟周期$T$，$T=\frac{1}{f}$；② CPI（Cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的平均时钟周期数；③ 每秒执行指令的次数：指的是每秒执行加法指令的次数。

  MIPS：每秒执行的百万条指令数。MIPS=指令数/(执行时间×$10^6$)

  MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算。MFLOPS=浮点操作次数/(执行时间×$10^6$)

  GFLOPS($10^{9}$)、TFLOPS($10^{12}$)、PFLOPS($10^{15}$)、EFLOPS($10^{18}$)、ZFLOPS($10^{21}$)

• CPU时间：执行程序所花费的CPU的时间。

  

• 响应时间：系统响应时间是从发出请求到系统完成处理并给出响应所经历的时间。响应时间是衡量机器性能最可靠的标准，它反映出了整个系统的时间开销。性能与响应时间成反比。

• 吞吐量：计算机在指定的一段时间内完成的工作总量。

  

电子计算机的特点

• 运算速度快：高速的电子元器件（硬件）、先进的计算技巧（软件）；

• 计算精度高：字长加长、浮点运算；

• 存储能力和逻辑判断能力强：内外存、布尔代数；

• 通用性强：各类信息都可表示为数字化信息；

• 工作自动化：存储程序原理。

第二章 计算机中数据信息的表示

十进制与其他进制的转换

数值数据的编码表示

规格化浮点数的概念及计算

IEEE 754浮点数的表示

C语言中的变量转换

第三章 运算方法和运算器

补码加减法运算

• 任意两数之和的补码等于两数的补码之和。

  $[X+Y]_补=[X]_补+[Y]_补$

• 两个数的差的补码等于被减数的补码加上负的减数的补码之和。

  $[X-Y]_补=[X]_补+[-Y]_补$

溢出的产生及检测

何时会发生溢出？如何判断发生了溢出？根据符号位、进位位来判断！

单符号位检测方法

加法: 正溢出判断条件：$X_s=Y_s=0,S_S=1$; 负溢出判断条件：$X_s=Y_s=1,S_S=0$

进位检测方法

溢出判断条件：当最高有效数据位产生进位而符号位无进位时，发生正溢；当最高有效数据位无进位而符号位有进位时，发生负溢。只有最高有效位和符号位均有进位或均无进位时，才不会溢出。

设两数产生的进位为：$[C]=C_sC_1C_2...C_n$

溢出计算表达式为：$Y=\overline{C_S}C_1+C_S\overline{C_1}=C_S \oplus C_1$

变形补码检测方法

符号位扩充为两位，既能检测是否溢出，又能指出结果的符号，这就是变形补码。

正数的符号用“00”表示，负数的符号用“11”表示。两个符号位都参与运算，丢掉最高符号位进位。当两个符号位不同时，就产生了溢出。

结果符号位的含义为：

​ 00——结果为正，无溢出；

​ 11——结果为负，无溢出；

​ 01——结果为正，正溢；

​ 10——结果为负，负溢。

例题：

串行加法器与并行加法器

串行加法器

只含一个全加器，数据逐位串行送入加法器进行运算。

串行加法器具有器件少、成本低的优点，但运算速度太慢，所以除去某些低速的专用运算器外很少采用。

并行加法器

由多个全加器组成，其位数的多少取决于机器的字长，数据的各位同时运算。

• 并行加法器可同时对数据的各位相加，但存在着一个加法的最长运算时间问题；并行加法器的最长运算时间主要是由进位信号的传递时间决定的，而每个全加器本身的求和延迟只是次要因素。

• 提高并行加法器速度的关键是尽量加快进位产生和传递的速度。

进位的产生和传递

第四章 指令系统

指令系统定义，指令的格式

利用扩展操作码法进行变长操作码指令格式的设计

操作数的寻址方式，每种寻址方式的有效地址的计算

根据指令特点，进行指令格式的设计

精简指令集计算机和复杂指令集计算机的区别

第五章 存储器

存储系统的层次结构

SRAM和DRAM的区别

DRAM的刷新

SRAM存储器芯片与CPU的连接

Cache

原理

命中率

三种地址映射方式

虚拟存储器的概念

第六章 中央处理器

控制器的基本组成

时序系统中的概念

指令周期

机器周期

节拍

节拍脉冲

CPU中的专用寄存器

PC、IR、MDR、MAR、PSWR

根据CPU内部的数据通路写出指令的微操作流程

区分组合逻辑控制器和微程序控制器

区分概念

微命令和微操作

指令和微指令

程序和微程序

存储器和控制存储器

微程序的设计方式，操作控制字段的编码方式（直接控制、最短编码、字段编码），后续微地址的断定方式

第七章 总线系统

第八章 I/O系统

参考文献

• 郑秋梅编. 《计算机组成原理》. 青岛：石油大学出版社，2005.