计算机组成原理

Chapter 1 绪论

一 计算机性能指标

1. 处理机字长,(也称机器字长)

2. 总线宽度: 运算器和存储器之间的数据总线宽度

3. 存储器容量: 存储单元的总数目 (其中主存储器指的是 CPU 可以直接访问的存储器, 反映了计算机的处理能力)

4. 存储器带宽: 一定时间从存储器独处的数据量 (Byte/s)

5. 运算速度: 可由 CPU 主时钟频率 f 或时钟周期 T 反应 ( CPU执行时间 = T X 周期数 )

   CPI (Cycle Per Instruction): 执行一条指令所需的周期数 (暂时可以将时钟周期理解为一种 “货币”
   MIPS: 每秒几(百万)条定点指令
   MFLOPS: 每秒几(百万)条浮点指令

   关系转换
   1) 求 CPI : 每条指令几个周期 -> 总周期 / 指令条数
   2) 求 MIPS: 每秒多少条指令 = 每条指令多少秒取倒数.

二 系统组成

1. 冯诺依曼体系的特点

1. 计算机由运算器, 控制器, 存储器, 输入设备, 输出设备五大部件组成,

2. 采用二进制体系表示数据和指令

a. 物理上容易实现
b. 编码, 计数简单
c. 数码 0,1 正好对应 false, true

3. 采用存储程序方式工作 (将事先写好的程序存储起来)

a. 将程序当做数据对待, 程序和该程序处理的数据一样进行对待.

三 软件系统

1. 系统软件

   服务性质程序, 数据库, 计算机网络软件,操作系统, 语言处理程序, 标准库程序等.

2. 应用软件

   桌面软件, 手机移动应用软件等

Chapter 2 运算方法与运算器

一 概述

计算机处理的数据信息有 “数值信息” 和 “非数值信息”.

二 整数的表示 和 运算

1. 整数的表示

• 1). 整数

• 2). 补码

-`

• a. 字长变换:

  • 有符号整数补码若不够 (正数前补 0, 负数前补 1, 原数保持不变)

• b. 字长变换:

  • 有符号整数补码若不够 (正数前补 0, 负数前补 1, 原数保持不变)

• c. 字长变换:

  • 有符号整数补码若不够 (正数前补 0, 负数前补 1, 原数保持不变)

• d. 补码转十进制 (和普通二进制转换区别不是很大, 最高位权值师傅的)

  • 有符号整数补码若不够 (正数前补 0, 负数前补 1, 原数保持不变)

2. 整数的计算

三 浮点数的表示 和 运算

1. 浮点数的表示

2. 浮点数的运算

四 十进制数串的表示法

五 非数值数据的表示法

Chapter 3 存储系统

Chapter 4 指令系统

Chapter 5 CPU

Chapter 6 总线系统

一 接口概述

总显示各部件间的连接通路, 各个部件通过对线路分时共享 (通过三态门来控制), 实现地址 数据和 控制信息的交换.
1. 各部件连接方式

• 1). 分散连接 --> 可扩展性差, 但是通信好
• 2). 总线连接 --> 可扩展性好, 但是通信有瓶颈

二 分类

1. 传送方式

• 1). 并行 --> 由多根线组成
• 2). 串行 --> 单根线 (由于时钟频率, 串行速度已经比并行更快)
  2. 信号线
• 1). 数据总线 --> 由总线宽度决定
• 2). 地址总线 --> 宽度影响内存
• 3). 控制总线 --> 时钟信号, 中断请求
  2. 总线功能
• 1). 内部总线 --> CPU内通路等芯片内信息传输
• 2). 系统总线 --> 系统各个模块之间 (CPU 与 内存)
• 3). 通信总线 --> (外部总线) 系统与外设之间, 例如 USB

Chapter 7 输入输出组织

一 接口概述

本章主要学习的是如何通过接口来控制信号

1. 接口: 两个相对独立的子系统之间的连接机构
2. I/O 接口: 主机和外设之间的硬件连接逻辑以及信号传递协议(如 显卡, 声卡, 网卡等)

做个比喻, 接口是个中介人, 两头拉拢, 中介人需要由什么构成呢?

I/O 接口组成:

a. 数据寄存器,

b. 控制寄存器,
c. 状态寄存器,
d. 地址寄存器,
e. 设备识别电路,
f. 控制电路等等;

通过接口, 主机可以和外存完成数据信息, 状态信息, 状态信息的交换等

3. 端口: 接口中的一个可以被CPU访问的寄存器,
注: 接口是端口 + 控制逻辑

二 接口功能

1. 控制
2. 数据缓冲
3. 数据格式变换(数/模转换)
4. 寻址功能

• 正确识别外设

5. 传递控制命令和状态信息功能

• 接口是主机命令下达和外设状态上传的必经之路.

三 端口编址

Def. 在前面, 咱们有提到, 端口实际上就是一个个特定的寄存器, I/O 端口地址是主机与外设直接通讯的地址, I/O 设备的编号方式就是端口的编址方式,
主要包括两种:
1. 第一种, 统一编址:

•   把 I/O 端口当做存储器的单元来分配地址 (访问存储器的同时, 既可访问 I/O 端口)
  

2. 第二种, 独立编址

•   不占空间, 但功能较弱, 仅限于传输
  

四 接口分类

1. 数据传输格式 (和外设传输数据方式)
   1). 串行接口 --> 串行传送
   2). 并行接口 --> 以字节或字并行传输
2. 按总线操作时序
   1). 同步接口–> 和同步总线相连, 其传送, 由统一的时序信号控制
   2). 异步接口–> 与异步总线相连, 采用应答方式传送
3. 按主机对外设的控制方式
   1). 软件

• 1. 程序查询方式

•   			CPU不断的询问程序执行完毕没, CPU执行效率低下
  

• 1. 程序中断 I/O 方式

•   			CPU 暂停现行程序, 转去执行某个中断处理程序, 处理完毕后自动恢复
  

  2). DMA (硬件)

五 程序中断方式

Def. 保存断点 --> 保护现场 --> 恢复现场 --> 恢复断点 ,
1). 保存断点: 断点地址存入堆栈
2). 保护现场: 地址虽有, 但寄存器有可能被修改, 所以寄存器中的内容应该入堆栈.
3). 恢复现场 和 恢复断点 是 1 和 2 的逆向过程.

响应过程详解 (需要画图理解)