计算机组成原理部分知识点

文章发布时间:

2024-01-09

最后更新时间:

2024-01-09

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概念

1. 语言

机器语言（机器码）
汇编语言
高级语言

语言处理程序：

由编译程序和解释程序等组成，它们能把高级语言翻译成机器语言

2. 计算机的组成、CPU

计算机组成：

存储器
运算器
控制器
输入设备
输出设备

计算机结构类型：

冯诺依曼架构（以运算器为中心）
现代计算机（以存储器为中心）
哈佛架构

CPU结构：

运算器（ALU）
控制器（CU）

3. 总线

系统总线

按传输信息分类：

数据总线
地址总线
控制总线
没有扩展总线
总线服用目的：减少总线条数

时钟周期
1个时钟周期=1/总线的时钟频率
总线的传输周期=1个时钟周期×总线的传输周期
总线的传输频率=总线宽度/总线传输周期

集中控制的三种优先仲裁方式

链式查询方式
计数器定时查询方式
独立请求方式

4. 存储器

随机存储器（RAM）
- 静态RAM(SRAM)：触发器原理——快
- 动态PAM(DRAM)：电容充放电原理
只读存储器（ROM）

存储容量=存储单元个数×存储字长
=2^MAR×MDR位（位/bit：b）
=2^MAR×MDR/8（字节：B）

存储器有3个主要性能指标：

速度、容量、每位价格（简称位价）

存储器速度、容量和位价的关系：

寄存器>缓存>主存>磁盘>磁带（前三者在主机内）

缓存-主存层次和主存-辅存层次

  |---------------
  ↓              |
|---|-→|----|-→|----|-→|---|
|CPU|  |缓存|  |主存|  |辅存|
|---|←-|----|←-|----|←-|---|
  | 缓存-主存层次 ↑   主存-辅存层次
  ---------------|

主存类型：
磁带、光盘、硬盘（HDD和SSD）

5. DMA、周期挪用

I/O设备与主机信息传送的控制方式

程序查询方式
程序中断方式
DMA方式

窃取周期

DMA的占有称为窃取或挪用，窃取的时间一般为一个存取周期

独立请求方式：
一个请求信号，一个响应信号
输入输出操作，中断处理，总线操作

6. 指令（RISC\CISC）

指令的一般格式：操作码和地址码

格式：
操作码	地址码

寻址方式：

立即寻址
直接寻址
隐含寻址
间接寻址

指令系统类型

RISC：精简指令系统
CISC：复杂指令系统

7. CPU

CPU结构：

运算器（ALU）
控制器（CU）

CPU功能：

指令控制
操作控制
时间控制
数据加工
处理中断

控制和状态寄存器：

MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元地址
MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或从最近从存储器中读出的数据
PC：程序技术器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能。当遇到转移类指令时，PC值可被修改
IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令

CPU工作的三种方式

程序查询方式
程序中断方式
DMA方式

DMA方式的特点：

停止CPU访问主存
周期挪用：[[#窃取周期]]
DMA与CPU交替访问

后处理：

当DMA的中断请求得到响应后，CPU停止源程序的执行，转去执行终端服务程序，做一些DMA的结束工作

计算例题

1. 每秒12字节，求比特率bps(bit)

解：
2B/s×8=96bit/s
1比特(bit)=8字节(B)
bps=bit/s

比特率：bit/s(进制位每秒)
8bit=1B

2. 16k×32位

解：
地址线：14

16k=2^4+2^10=2^14(这个14就是地址线)

数据线：32

3. 字是32位，16MB的存储器，双字寻址，地址有多少个，寻址范围有多少？

解：
寻址范围：(0~2^21)-1
16MB÷(32b×2(双字寻址))=2^4(=16)×2^20(=MB)×2^3(=8字节转比特)/2^6（=32位×双字）=2^21

补码反码源码移码换算（16进制(H)转2进制(B)）

补码求原码：按位取反+1
补码=反码+1
反码=原码取反
移码=补码的符号位取反
符号位：二进制数首位，0为正，1为负

负数补码：原码取反+1，符号位不变

正数原码，反码，补码都一样
负数的反码为对该数的原码出除符号位外按各位取反

一个存储器有16根地业线，8根数据线,求存储容量

按位取值：2^16×8b=2^19=512(2^9)k(2^10)b
按字节取值：2^16×(8b/8)=64kB

主观题

1. 机器速度和什么因素有关？

CPU、缓存、主存、CPU核心数、频率、GPU、辅存

2. 计算机系统有哪些，有什么作用？

有哪些：
操作系统、编译器、数据库管理、存储器格式化、文件系统管理
有什么作用:

3. Cache作用，CPU怎么访问Cache，主存，辅存？

作用：

加快CPU访问主存的速度。

提高命中率
减少CPU等待时间
提高数据访问速度
怎么访问：

CPU通过直接映射等方式访问Cache，通过内存管理系统将数据或指令从辅存中读取到主存中，然后再从主存中读取到Cache中。

当CPU需要访问数据时，首先会在高速缓存中查找
如果1. 命中，则CPU可以直接从高速缓存中获取数据
如果1. 未命中，则CPU需要从主存中获取数据，并复制到Cache中

补码反码源码移码换算示例(整数)：

9AH分别表示原码、反码、补码时对应的数是？
附：这转换成十进制是个负数

原码：1001 1010
最高位为1，表示为负数
001 1010=2^4(16)+2^3(8)+2^1(2)=26
十进制为：-26
反码：1110 0101
最高位为1，表示负数
110 0110=2^6(64)+2^5(32)+2^2(4)+2^0(1)=101
十进制为：-101

移码：0110 0110 （无论正负数，将补码的符号位取反）
最高位为0，表示正数
110 0110=2^6(64)+2^5(32)+2^2(4)+2^1(2)=102
十进制为：102

连续数据1 2 3 4 5 6 7 8 H,地址20 21 22 23 H

说明：

大端存放：
低位数据存在高位地址

大端存放：
地址类型	低位	-	-	高位
地址	20	21	22	23
数据	1 2	3 4	5 6	7 8
数据类型	高位	-	-	低位

小端存放：
低位数据存在低位地址

小端存放：
地址类型	低位	-	-	高位
地址	20	21	22	23
数据	7 8	5 6	3 4	1 2
数据类型	低位	-	-	高位

Other:

大端存放（Big-endian）

                    32-bit integer
    Menory          0A  0B  0C  0D
     |..|            |   |   |   |
a:   |0A| ←-----------   |   |   |
a+1: |0B| ←---------------   |   |
a+2: |0C| ←-------------------   |
a+3: |0D| ←-----------------------
#大端存放（Big-endian）

小端存放（Little-endian）

                    32-bit integer
    Menory          0A  0B  0C  0D
     |..|            |   |   |   |
a:   |0A| ←----------|---|---|---|
a+1: |0B| ←----------|---|---|
a+2: |0C| ←----------|---|
a+3: |0D| ←----------|
#小端存放（Little-endian）

32位计算机，总线16位，时钟频率为50MHz，总线最短周期是4个时钟周期，计算机的最大传输速率是多少？

解：
总线工作频率：50MHz/4=12.5Mhz
总线宽度：16bit=2B
2B×12.5MHz=25MBps

附：1Hz=1T/s
T：周期

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计算机组成原理部分知识点

概念

1. 语言

语言处理程序：

2. 计算机的组成、CPU

计算机组成：

计算机结构类型：

CPU结构：

3. 总线

系统总线

4. 存储器

存储器有3个主要性能指标：

存储器速度、容量和位价的关系：

5. DMA、周期挪用

窃取周期

6. 指令（RISC\CISC）

寻址方式：

指令系统类型

7. CPU

CPU结构：

CPU功能：

控制和状态寄存器：

CPU工作的三种方式

DMA方式的特点：

后处理：

计算例题

1. 每秒12字节，求比特率bps(bit)

2. 16k×32位

3. 字是32位，16MB的存储器，双字寻址，地址有多少个，寻址范围有多少？

补码反码源码移码换算（16进制(H)转2进制(B)）

一个存储器有16根地业线，8根数据线,求存储容量

主观题

1. 机器速度和什么因素有关？

2. 计算机系统有哪些，有什么作用？

3. Cache作用，CPU怎么访问Cache，主存，辅存？

补码反码源码移码换算示例(整数)：

连续数据1 2 3 4 5 6 7 8 H,地址20 21 22 23 H

说明：

Other:

32位计算机，总线16位，时钟频率为50MHz，总线最短周期是4个时钟周期，计算机的最大传输速率是多少？