重点和难点计算机组成原理

　 第一章 计算机系统概论

　*重 点?

　本章重点突出计算机组成的概貌和框架，由此简洁明了地了解计算机内部的工作过程实际上是指令流和数据流在此框架内由I/O→存储器→CPU→存储器→I/O 的过程，是通过逐条取指令、分析指令和执行指令来运行程序的。同时要了解到当今计算机尽管发展到千变万化的程度，但其最根本的组成原理还是基于冯诺依曼的结构。

　1.冯·诺依曼体系结构

　存储程序和程序控制是冯·诺依曼型计算机的设计思想。存储程序的概念是将解题程序（连同必须的原始数据）预先存入存储器；程序控制是指控制器依据存储的程序控制全机自动、协调地完成解题任务。冯·诺依曼体系结构开创了程序设计的时代，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体制。

　2.计算机的结构和功能 　

　(1)功能从本质上来说，计算机的结构和功能运作都很简单。基本功能：数据处理、数据存储、数据传送、控制。

　(2) 结构计算机是以某种方式与其外部环境交互的实体。概括地说，与外部环境的所有连接可以划分为外围设备和通信线路。主要有4种结构组件：

　·中央处理单元（CPU）：控制计算机的操作并完成数据处理

　·主存储器：存储数据

　·I/O：在计算机及其外部环境之间传输数据

　·系统互连：为CPU、主存和I/O之间提供某些通信机制

　*难 点

　本章概念、名词较多，这些只是为进一步深化学习打下基础，因此严格讲本章没什么难点，只要建立计算机组成的框架即可。对指令和数据都以0 或1 代码存于存储器中，计算机如何区分它们这一问题，应特别注意重点理解。

　第二章计算机的发展和应用

　*重 点

　了解从1946 年ENIAC 诞生到二十世纪五、六十年代，由于构成计算机的元器件发展变化（由电子管→晶体管→集成电路），使计算机的性能有了很大提高，每隔6 至7 年，计算机便更新换代一次，运算速度约提高一个数量级。而到了二十世纪七十年代，自从Intel 公司生产了第一个微处理器芯片后，随着集成度成倍的提高，以每隔18 个月芯片上的晶体管数就翻一番的速度使计算机得到极为广泛的应用，以至整个社会从制造时代进入到信息时代，出现了知识大爆炸，从而要激发学习本课程的积极性和主动性。

　第三章系统总线

　*重 点

　要求了解随着计算机的发展，应用领域的不断扩大，I/O 设备的种类和数量也越来越多。为了更好地解决I/O 设备与主机之间连接的灵活性，计算机的结构从分散连接发展成总线连接。由于各个子系统都通过总线交换信息，这就产生了总线的瓶颈问题，影响了计算机的速度。为了克服总线瓶颈又产生了多总线结构，进一步为了设计简化，便于维护，有利于批量生产，又提出了各种总线标准。特别是为了解决众多部件争用总线，必须对总线进行判优控制和通信控制。

　1.总线仲裁。

　 当多个主设备同时争用总线控制权时，由总线仲裁 部件以优先权或公平策略进行仲裁，授权于其中的一个主设备总线的控制权。

　仲裁方式:

　(1)集中式仲裁方式：

　① 链式查询方式；

　 ② 计数器定时查询方式；

　 ③ 独立请求方式；

　(2)分布式仲裁方式。

　2.总线的一次信息传送过程分为五个阶段:请求总线、总线仲裁、寻址目的地址、信息传送、状态返回。为同步主方、从方的操作,必须制定定时协议。

　定时方式：

　(1)同步定时：事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定；

　(2)异步定时：采用应答方式进行总线传输控制。

　*难 点

　为了解决总线上各模块争夺总线的使用权，解决通信双方如何获知传输开始和结束，以及通信双方如何协调配合，总线的通信控制是至关重要的。

　第四章存储器

　*重 点

　存储器如同人的大脑具有记忆功能一样，是计算机组成的一个重要部件，它直接影响到计算机存储信息的容量和计算机的运行速度。?围绕着计算机速度的提高，容量的扩大，促使存储器从基本组成元件到整体结构都在不断的发展和完善。当今计算机大多以半导体存储器作为主存储器，以硬盘或光盘作为辅助存储器。为了更好解决存储器的速度、容量和价格/位之间的矛盾，采用Cache-主存和主存-辅存的存储器结构，使存储器的总体性能得到很大的提高。必须掌握各类存储器的工作原理，以及各类存储器在存储器的存储层次结构中各自起的作用。

　1.随机读写存储器的工作原理。

　(1) SRAM存储器

　(2) DRAM存储器

　2.只读存储器的工作原理，

　(1) ROM存储器

　(2) EPROM存储器

　(3) 芯片内部结构

　3.存储器的组织(位扩展、字扩展、字位同时扩展）

　4.Cache引入的理论依据。

　程序访问的局部性。

　 地址映射

　(1)全相联映射方式：　灵活但映射函数复杂，不易实现

　(2)直接映射方式：

　映照简单，不需计算，快速但效率不高，易“颠簸”

　(3)组相联映射方式:组内全相联映射、组间直接映射

　*难 点

　要求运用以前学过的电路知识和本章所学的半导体存储芯片，设计存储器和CPU 的连接电路。注意要合理选用芯片，以及CPU 和存储器芯片之间的地址线、数据线和控制线的连接，特别是存储芯片片选逻辑的确定。

　本章另一个难点是掌握不同的Cache-主存地址映象直接影响主存地址字段的分配及替换策略和命中率。

　第五章输入输出系统

　*重 点

　输入输出系统是人机对话和人机交互的纽带和桥梁。由于输入输出设备工作速度与计算机主机的工作速度极不匹配.为此，既要考虑到输入输出设备工作的准确可靠，又要充分挖掘主机的工作效率，因此要求掌握主机与I/O 交换的三种控制方式，即程序查询、程序中断和DMA，以及它们各自所需的硬件及软件支持。

　1.程序中断方式。

　·中断：计算机在执行正常程序的过程中，出现某些异常事件或某种请求时，处理机暂停执行当前程序，转而执行更紧急的程序，并在执行结束后,自动恢复执行原先程序的过程。

　特点:

　· 硬件结构较查询方式复杂些,服务开销时间较大；

　· 主程序与设备并行运行,CPU效率较高；

　· 具有实时响应的能力。

　2.中断处理过程。

　中断处理过程为：中断请求→中断源识别判优→中断响应→中断处理→中断返回

　· 中断源： 引起中断事件的来源。

　· 判优： 找出优先级最高的中断源给予响应。

　· 中断源识别：采用的方法有：① 软件查询法；② 硬件排队法；③ 矢量中断。

　· CPU响应中断的条件： ① 至少有一个中断源请求中断；② CPU允许中断；③ 当前指令执行完。

　· 中断响应的工作--由硬件自动完成：① 关中断；② 保留断点信息；③ 转到中断处理程序入口。

　· 中断处理--由软件（中断处理程序）完成。

　3. DMA传送方式。

　解决与CPU共享主存的矛盾。

　(1)停止CPU访问内存。

　CPU效率低；

　(2)周期挪用。

　适用于外设读取周期大于内存存取周期；

　(3)DMA与CPU交替访问。

　适用于CPU工作周期比内存存取周期长得多的情况。

　*难 点

　要对处理中断的各类软、硬件技术运用自如；要认清周期窃取的含义；要分清CPU 响应中断和允许周期挪用的时间。

　第六章计算机的运算方法

　*重 点

　要认识到计算机内部的各种运算与人们习惯的运算是不同的，不仅运算方法有差异，就是数的表示也不同。要求掌握计算机中有符号数、无符号数、定点数和浮点数的各种表示，以及移位、定点补码加减运算、定点原码一位乘和两位乘及补码Booth 算法、定点原码和补码加减交替除法，以及浮点补码加减运算。了解不同的运算方法对运算器结构的影响，以及提高运算速度采取的各种措施，包括快速进位链的设计方法。

　1．定点加法、减法运算。

　采用二进制补码加法

　·加法： [X+Y]补=[X]补+[Y]补 （mod 2）

　·减法： [X-Y]补=[X]补+[-Y]补 （mod 2）

　2．定点乘法。

　·同原码乘法一样:

　符号位: 单独处理(异或产生)

　 数值位：求两数绝对值之商

　3.定点二进制除法公式：

　·两种运算方法：

　① 恢复余数法：运算步骤不确定，控制复杂，不适合计算机运算。

　 ② 加减交替法:不恢复余数,运算步骤确定,适合计算机操作。

　法则：余数为正：商1，下一步作减法；

　余数为负：商0，下一步作加法。

　4.多功能算术/逻辑运算单元(ALU)。

　ALU是运算器的核心部件。

　举例:74181ALU,可进行四位并行算术/逻辑运算。

　特点:

　·多功能：

　① 控制端M用来控制作算术运算还是逻辑运算

　M＝0时，为算术运算；

　M＝1时，为逻辑运算。

　② 正逻辑工作或负逻辑工作

　正逻辑："逻辑1"用高电平表示；

　5.定点运算器基本结构

　运算器包括ALU、阵列乘除器件、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。运算器的设计，主要是围绕着ALU和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算结果而进行的。

　运算器的三种结构形式：

　· 单总线结构的运算器：这种结构的主要缺点是操作速度较慢，但控制电路比较简单。

　· 双总线结构的运算器：两操作数可分别通过两条总线送入ALU，操作时间较单总线结构的运算器快。

　· 三总线结构的运算器：三总线结构的运算器的特点是操作时间快。

　*难 点

　溢出判断是各种运算方法的一个难点，而定点运算和浮点运算判断溢出的方法是不同的。对于浮点运算，应特别注意区分浮点数和用补码表示的浮点规格化形式这两个概念，前者指的是真值，后者指的是机器数，由于补码规格化数的特殊约定，两者表示的数的范围是不同的。

　本章的另一个难点是掌握原码和补码运算的最根本的区别在于对符号位的处理。原码乘除法结果的符号均和数值部分的运算分开进行，而补码乘除法结果的符号是在数值部分的运算过程中自动形成的。值得注意的是机器内只设加法器，故全部减法运算实质是通过加法操作实现的，这就有一个对减数求“补”的问题。原码除法中减去除数的绝对值，一律用加上除数绝对值的补码实现。应特别注意[-x]补和[-x*]补的区别，其中x*是真值x的绝对值。

　本章的第三个难点是，若浮点数的阶码采用移码运算时，其运算规则和溢出判断规则与补码运算是不同的。

　第七章指令系统

　*重 点

　要求了解机器的指令系统决定了一台计算机的功能，而一旦计算机的指令系统确定以后，计算机的硬件必须给予支持。指令系统主要体现在它的操作类型、数据类型、地址格式和寻址方法等方面。要求:

　掌握不同的寻址方式对操作数寻址范围以及对编程的影响

　掌握不同的寻址方式所要求的硬件和信息的加工过程。

　了解RISC 的主要特点及其与CISC 的区别。

　1．指令系统。

　指一台计算机中所有机器指令的集合，是表征计算机性能的重要因素。

　2．指令系统的性能要求：完备性、有效性、规整形、兼容性

　3．指令寻址方式：

　顺序寻址方式:指令逐条顺序执行,PC+1->PC

　跳跃寻址方式:程序转移

　4．引入操作数寻址方式目的：

　(1)缩短指令长度；

　(2)扩大寻址范围；

　(3)提高编程灵活性。

　5.操作数的寻址

　(1) 立即寻址

　(2) 直接寻址

　(3) 间接寻址

　(4) 寄存器寻址

　(5) 寄存的间接寻址

　(6) 偏移寻址：1）相对寻址；2)基址寻址；3)变址寻址

　(7) 堆栈寻址

　*难 点

　要求掌握设计指令格式的方法,学会根据指令系统的要求，确定指令字中各字段的位数及其含义。特别是在实际机器中，指令字长不一定等于存储字长，因此应格外注意各种寻址方法和地址格式的运用。

　第八章CPU 的结构和功能

　*重 点

　要认识到机器的核心是CPU，通过对CPU 的功能和内部结构的了解，掌握机器完成一条指令的全过程是在CPU 的统一指挥下进行的，而且CPU 在不同的工作周期内访存的性质是不同的。此外还应掌握中断技术在提高整机效能方面所起的作用，以及为了进一步提高数据的处理能力，开发系统的并行性，在现代计算机中大量采用流水技术。

　1.CPU功能和组成；

　2.CPU的组织(运算部件、寄存器设置、存储器接口、时序部件)；

　3.指令周期;指取出并执行一条指令的时间。由若干个CPU周期组成。

　CPU周期： 通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。

　时钟周期:是CPU处理操作的最基本单位。

　4.典型指令周期流程

　(1)非访内指令指令周期流程

　(2)直接访内指令指令周期流程

　(3)间接访内指令指令周期流程

　(4)程序控制指令周期

　5.时序系统：

　时序系统最基本体制：电位－脉冲制，即脉冲到达之前，电平信号必须要稳定。

　硬布线控制器时序系统一般由周期、节拍和工作脉冲三级时序所组成；

　微程序控制器时序系统一般由节拍、工作脉冲二级时序所组成。

　*难 点

　中断技术在现代计算机中起着重要作用。为了更好地吃透这一内容，建议结合第五章学习，便于建立整机概念。

　第九章控制单元的功能

　*重 点

　理解控制单元为完成不同指令所发出的各种操作命令，以及指令周期、机器周期、时钟周期与操作命令的关系。

　1．控制单元模型

　2．指令执行的过程：简单计算机总体结构、各类信息传送的路径,设置微操作控制信号

　3. 指令操作流程

　4．指令微操作序列

　*难 点

　CPU 的控制方式，微操作命令的分析及多级时序系统。

　第十章控制单元的设计

　*重 点

　要求初步掌握控制单元的两种设计方法，从而进一步理解组合逻辑控制器和微程序控制器在设计思想、硬件组成及其工作原理方面的不同。结合时序系统的概念，学会按不同指令要求，写出其相应的微操作命令及节拍安排。

　1.操作控制器设计方法

　(1)硬布线控制器:组合逻辑型，采用组合逻辑技术实现；

　(2)微程序控制器 存储逻辑型，以微程序解释执行机器指令，采用存储逻辑技术实现；

　(3)门阵列控制器 组合逻辑与存储逻辑结合型，采用可编程逻辑器件实现。

　2．微命令：指控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令，是构成控制信号序列的最小单位。

　微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作，是计算机硬件结构中最基本的操作。

　微周期：从控存中读取一条微指令并执行相应的一步操作所需的时间。

　微指令：由每个微周期的操作所需的控制命令构成一条微指令。微指令包含了若干微命令信息。

　微程序：即一系列微指令的有序集合，可以控制实现一条机器指令。

　3．CU的组合逻辑设计

　(1)组合逻辑设计方法

　①微操作控制信号的综合化简

　②逻辑实现

　(2)组合逻辑CU的框图

　4．微程序设计

　(1)微程序控制原理

　①基本概念

　②微程序计算机的结构和控制

　(2)微指令设计追求的目标

　(1)有利于缩短微指令字长度；

　(2)有利于减小控制存储器的容量；

　(3)有利于提高微程序的执行速度；

　(4)有利于对微指令的修改；

　(5)有利于微程序设计的灵活性

　5. 微程序设计技术

　(1) 微指令结构

　1)微命令编码

　 ①直接表示法：优点：简单、直观、可直接用语控制速度快。

　 缺点： 微指令字长，增加控存容量。

　②编码表示法：优点:微指令字短，减小了控存容量。

　缺点： 需增加译码电路，执行速度减慢。

　③混合表示法 　综合考虑。

　2)微地址形成的方法

　 ① 计数器方式

　 ② 多路转移方式（断定方式）

　 3)微指令的执行方式及时序控制

　6.微程序控制单元的设计举例

　(1)列出各条机器指令的微操作序列

　(2)进行微指令的编码设计

　(3)微程序的编制

　(4)微程序装入控制存储器

　*难 点

　微程序控制是一种更规范的控制方法，学会如何确定微指令格式，编出微指令的码点是本章的难点。