计算机组成原理复习

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第一章

1.计算机之间的区别

多核机，单片机，PC机，服务器，大型机，超级计算器 的区别

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2.性能指标

  • 吞吐量：一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。
  • 响应时间：从输入指令到系统响应所用的时间。
  • 利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率。
  • 处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，如32位、64位。
  • 总线宽度 ：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。
  • 存储器容量 ：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
  • 存储器带宽 ：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。
  • 主频/时钟周期： CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率(f)叫CPU的主频。度量单位是MHz(兆赫兹)、GHz(吉赫兹)。
    主频的倒数称为CPU时钟周期(T)，T=1/f，度量单位是μs、ns。
  • CPU执行时间 ：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期
  • CPI： 表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：
    CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数÷程序包含的指令条数
  • MIPS (Million Instructions Per Second)的缩写，表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算：
    MIPS=指令数÷(程序执行时间×10*6)
  • FLOPS (Floating-point Operations Per Second)的缩写，表示甜当ō浮，点操伤数，用来衡量机器浮点操作的性能。用下式计算：

3.硬件组成

计算机主要由存储器，运算器，控制器，输入输出设备组成。

1.存储器

  • 存储单元：假设一个数用16位二进制代码表示，就需要16个半导体触发器来保存。我们把这16个触发器称作一个存储单元。
  • 每个存储单元都有编号，称为地址。
  • 存数或者取数，都要按照给定的地址从存储器中取数。
  • 存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
  • 磁盘存储或者光盘存储器称为外存储器，半导体存储器称为内存储器。

2.控制器

  • 每一个基本操作（例如加减乘除）就叫做一条指令。
  • 解决某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序。简称程序。
  • 指令由两部分组成，操作码（操作的性质），地址码（操作数的地址）。
  • 指令和数据放在同一个存储器，称为冯诺依曼结构；分开存储称为哈佛结构。后者的计算机结构更快。
  • 一台计算机的所有基本指令称为指令系统。指令系统是衡量计算机性能的一个重要标志。
  • 在计算机系统中，运算器和控制器通常被组合在一个集成电路芯片中，称为中央处理器（CPU）。

3.系统总线

  • 系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路。

第三章

1.存储系统概述

1.简介

  • 内存储器速度高，容量小，价格高，由半导体器件构成。外存储器速度低，容量大，价格低，由磁盘存储器，光盘存储器等非半导体器件或固态半导体存储器构成。

  • CPU不能直接访问外存储器，必须先调进内存储器。

  • 三级存储器系统组成

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  • 内存储器的性能指标主要是存储容量和存取速度。后者可以用存取时间，存储周期，存储器带宽描述。

    • 存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量。

2.存储器容量的扩充

  1. 位扩展
  2. 字扩展
  3. 字位扩展

先进行位扩展，再进行字扩展。

3.双端口存储器

  • 现在的计算机系统以内存为中心。
  • 同一个存储器有两组相互独立的读写控制电路而得名。

无冲突读写控制

  • 两个端口地址不相同

有冲突读写控制

  • 两个端口同时存取存储器同一存储单元，而且至少有一个端口为写操作时。

2.cache存储器

  • CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干个字组成。

三条总线

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主存中RAM和ROM的区别

ROM (Read Only Memory)程序存储器

ROM全称Read Only Memory，顾名思义，它是一种只能读出事先所存的数据的固态半导体存储器。ROM中所存数据稳定，一旦存储数据就再也无法将之改变或者删除，断电后所存数据也不会消失。其结构简单，因而常用于存储各种固化程序和数据。

RAM (Random Access Memory)随机访问存储器

RAM又称随机存取存储器，存储单元的内容可按照需要随机取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关。这种存储器在断电时，将丢失其存储内容，所以主要用于存储短时间使用的程序。

程序查询方式

程序查询方式要求CPU时刻查询I/O设备，直到I/O设备准备好为止，这种方式CPU工作效率很低。

程序中断方式

程序中断方式比程序查询方式提高了CPU的工作效率，消除了“踏步”现象。

DMA方式

DMA方式中CPU的工作效率是这三种之中最高的一个。CPU启动I/O后，不必查询I/O是否准备好，当I/O准备就绪后，发出DMA请求，此时CPU不直接参与I/O和主存间的信息交换，只是把外部总线的使用权暂时交付DMA,仍然可以完成自身内部的操作，所以不必中断现行程序，只需暂停一个存取周期访存，CPU效率更高。

指令和数据的寻址方式

指令： 顺序寻址，跳跃寻址

在指令执行时，将形式地址（偏移量）依据某种方式变换为有效地址再取操作数。

形成操作数有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。有以下几种：

  1. 隐含寻址
  2. 立即寻址
  3. 直接寻址
  4. 间接寻址
  5. 寄存器寻址
  6. 寄存器间接寻址
  7. 偏移寻址
    • 相对寻址
    • 基址寻址
    • 变址寻址

例题

  1. 一个8K×16位的存储器，其地址线和数据线的总和是___29___。

8k=2^13 13 为地址线的个数， 16 是数据线的个数。

  1. 某计算机字长是32位，它的存储容量是64KB．按字编址，它的寻址范围是 16K__。

64 * 1024 * 8 / 32 =16K

  1. 需要定期刷新的存储芯片是 DRAM。 SRAM 存储芯片是易失性的。
  2. Cache不与主存统一编址，Cache的地址空间不是主存地址空间的一部分. T
  3. I/O采用统一编址时，进行输入输出操作的指令是______访存指令。I/O不采用统一编址时，进行输入输出操作的指令是__输入输出指令____。
  4. 一个更高优先级的中断请求可以中断另一个中断处理程序的执行。 T
  5. 采用变址寻址可扩大寻址范围，且 变址寄存器内容由用户确定，在程序执行过程中可变；
  6. RISC机器 一定采用流水技术；
  7. 指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是 缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性；
  8. 指令包括 操作码 和地址码；
  9. 存储单元是指一个机器字的所有存储元的集合。
  10. 在单机系统中，总线系统一般由 系统总线，I/O总线，主存总线组成。