计算机组成原理难点梳理
计算机组成原理难点梳理

  1．计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统组成。
  计算机软件系统：系统软件（标准程序库＋语言处理程序＋操作系统＋数据库管理系统＋系统服务程序等）＋应用软件
  计算机硬件系统＝主机（CPU＋主存）＋外设（I/O设备）
  CPU由运算器和控制器组成，其核心部件是算术逻辑运算单元ALU和控制单元CU。
  当前微机CPU的制造工艺有180nm－－＞130nm－－＞90nm－－＞65nm－－＞45nm－－＞32nm．
  计算机芯片行业的摩尔定律：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番；（引申：微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。）
  2．用户用高级语言编写的源程序需要经过翻译程序将其翻译为机器语言程序。
  翻译程序有两种：编译程序＋解释程序。
  机器语言程序由该机器的指令系统中的指令序列组成。可以直接被机器硬件所识别和执行。
  3．现在的计算机主要是以运算器为中心的诺依曼机，其原理为冯．诺依曼原理．
  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；
  指令和数据以同等地位存放在存储器中，可按地址访问；
  指令和数据均采用二进制；
  指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；
  指令在存储器按顺序存放。
  机器以运算器为中心，输入设备输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
  4．计算机系统的五大部件之间的互联方式有两种，一种是各部件之间使用单独连线的分散连接方式；一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，即总线连接．
  总线：一组能为多个部件共享的公共信息传送线路，可以分时地接收与发送各部件的信息．
  总线分类
  按照数据传送方式：并行传输总线＋串行传输总线
  按照连接部件不同：片内总线＋系统总线＋通信总线
  系统总线：CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。
  根据传输信息的不同，系统总线可分为：数据总线＋地址总线＋控制总线。
  总线性能指标：
  总线宽度（数据总线的根数，如8根、16根、32根、64根，或用位表示，如8位、16位、32位、64位）
  总线带宽（总线数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数B/s来衡量，或者更大的单位MB/s，GB/s）
  总线带宽计算公式：总线宽度×一个时钟周期内交换的数据位数×总线频率
  这里的总线频率以等效频率来计算。
  总线结构通常可分为单总线结构和多总线结构，多总线结构的划分主要是以I/O设备的速度来多次划分，将低速的I/O设备分割隔离。
  总线周期：完成一次总线操作的时间。通常可以分为以下4个阶段：申请分配阶段，寻址阶段，传数阶段，结束阶段。
  总线传输周期：连接在总线上的两个部件完成一次完整且可靠的信息传输时间，包含4个时钟周期T1、T2、T3、T4。
  同步通信由统一时钟标准控制数据传送。优点是规定明确、统一，模块间的配合简单一致。
  异步通信允许各模块速度不一致，没有公共的时钟标准，采用应答方式来完成数据传送双方的通信。
  5．存储器的三个基本要求：容量，速度，成本（每位价格）
  存储器按照存取方式可以分为：随机（访问）存储器，只读存储器，顺序存取存储器，直接存取存储器。
  随机访问：可按地址随机地访问任一存储单元；CPU可按字节或字存取数据，进行处理；访问各个存储单元所需的时间相同，与地址无关。
  计算机系统中的主存（内存）主要采用随机存储器（RAM，Random Access Memory），RAM存储器断电后其中存储的信息会丢失。根据存储原理不同，可分为静态RAM和动态RAM。
  计算机系统中的固定不变的程序，如汉字字库等，通常用只读存储器（ROM，Read Only Memory）来存放。断电后其中的信息不丢失。ROM也可随机访问。
  计算机系统中兼顾容量、速度和成本，通常采用三级存储系统。即高速缓存（Cache）－－主存（主要存储器，内存）－－－辅存（辅助存储器）。
  高速缓存（Cache）－－主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。主存－－辅存层次主要解决存储系统的容量问题。
  高速缓存的引入主要是基于局部性原理。
  局部性原理： CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。包括两种不同类型的局部性。
  时间局部性（Temporal Locality）：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。程序循环、堆栈等是产生时间局部性的原因。
  空间局部性（Spatial Locality）：在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信
息在空间地址上是临近的。指令的顺序执行、数组的连续存放等是产生空间局部性的原因。
  动态RAM的刷新：由于动态RAM主要是利用电容上面存储电荷来表示信息，但是电路的存在会导致电荷的泄露，对于存储器的访问通常是随机的，这就可能使得某些存储单元长时间不被访问，可能会存在信息的丢失。因此通常在规定时间内需要把所有存储单元中数据重新写一遍，使之保持原由数据不变。这个过程就是刷新。
  刷新方式有：集中刷新＋分散刷新＋异步刷新。
  存储器容量：能存放二进制位的总数，常用字节总数来表示。存储器芯片的容量可以由地址线和数据线的位数共同反映。若某存储芯片地址线为m根，数据线为n根，则其表示容量为：2的m次幂×n位．
  存储容量的扩展：位扩展（增加存储字长）、字扩展（增加存储器字的数量）、字位扩展（增加存储字的数量和字长）
  设用x×y的存储芯片扩展为m×n位的存储器，则需要的片数为：m/x×n/y片
  6．存储器的校验：奇偶校验＋海明/汉明校验＋循环冗余校验（CRC）
  奇校验：通常，校验位在最高位。校验位和数据位中1的个数为奇数个。
  偶校验：通常，校验位在最高位。校验位和数据位中1的个数为偶数个。
  CRC的实现：如（7，4）编码中，7指CRC编码总位数为7，4指数据位位数，还有3位校验位。则将4位数据左移3位，模2除以生成多项式，得到一个3位的余数。将该余数拼接到4位数据的末尾则构成7位CRC码。
  7．辅助存储器：容量大，速度慢，价格低，可脱机保存信息。目前广泛应用的有硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘等。
  磁盘各磁道上记录的信息容量相同，但密度不同。
  现代硬盘通常采用温彻斯特技术：①采用密封的防尘结构，减少浮动高度和有效记录磁盘宽度；②采用体积小、重量轻、负荷小的磁头和表面润滑磁盘；③采用薄的高性能磁盘媒体提高读写性能。
  磁盘常见参数：容量、接口、平均寻道时间、数据传输率、尺寸、盘片数量、磁头数、转速等。
  8．接口：由两侧特性所定义的共享边界。接口可以在物理级、在软件级或作为纯逻辑运算来描述。
  在计算机系统中，各种输入/输出设备通常不直接连接到CPU，而是通过专门的电路连接，即I/O接口。
  I/O接口是一个硬件电路（以IC芯片或接口板形式出现 ），其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成．它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁．
  I/O设备与CPU之间的信息交换的三种控制方式：程序查询、程序中断、DMA（直接存储器访问）
  I/O设备的地址有两种编址方式：统一编址和不统一编址。统一编址是将I/O设备的地址看做是存储器地址的一部分，和存储访问的指令相同。不统一编址是指I/O地址空间独立，需要专门的访问指令来实现访问。
  在中断方式中，优先级高的中断源发出的中断请求可以打断优先级低的中断源的中断服务程序，从而形成中断的嵌套。
  而在DMA方式中，不管优先级多高也不能打断优先级别低的DMA操作。
  常见的I/O设备有：键盘、鼠标、显示器、打印机、麦克风、音箱、辅助存储器等。
  9． 真值、机器数（原码、反码、补码）
  将真值绝对值用二进制数表示，符号位用0表示“＋”号，用1表示“－”号，即得原码。
  正数原码反码补码相同，负数的反码为在原码的基础上，保持符号位不变，对数值位依次取反（0取反得1，1取反得0）。
  负数的补码为在负数的反码末位＋1，即得其补码。
  从补码、反码求原码和真值的方法则与上述方法相同。
  [x计算机硬件组成＋y]补＝[x]补＋[y]补　 [x－y]补＝[x]补＋[－y]补  补码运算中，符号位要参与运算。
  从[y]补求[－y]补称为“变补”，方法为：在[y]补的基础上连同符号位变反，末位＋1。
  运算得到结果如果超出了补码的表示范围，则称为溢出。
  对溢出的判断可以有两种方法：两正数相加结果为负，两负数相加结果为正。即结果符号位与两同号数的符号位相反则溢出。判断逻辑为：溢出＝（fa．fb）．～（fs）＋～（fa）．～（fb）．fs
  或者用变形补码，双符号位参与运算。00表示“＋”号，用11表示“－”号，结果符号为01或10则溢出。
  常用的字符集为ASCII码，汉字则采用GB－2312。一个ASCII码字符占一个字节，一个汉字占两个字节。
  10．指令系统：该计算机系统中能执行的全部机器指令的集合。
  指令：CPU完成规定操作的命令，一条指令通常由操作码和地址码组成。
  指令流水线：指令流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实
现几条指令并行处理的技术。程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤。
  RISC：RISC是一种计算机体系结构的设计思想，减少指令平均执行周期数是RISC思想的精华 。RISC处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行，并使优化编译器能生成优化代码。
  1．RISC为使流水线高效率执行，应具有下述特征：（1）简单而统一格式的指令译码；（2）大部分指令可以单周期执行完成；（3）只有LOAD和STORE指令可以访问存储器；（4）简单的寻址方式；（5）采用延迟转移技术；（6）采用LOAD延迟技术。
  2．RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有下述特征：（1）三地址指令格式（2）较多的寄存器（3）对称的指令格式

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