计算机组成与系统结构期末复习

计算机组成与系统结构期末复习

题型： • 单项选择题：30分 • 基本概念和重要概念 • 容易混淆的概念 • 简单计算 • 分布于各章 • 计算题：20分 • 看清题意（何种计算，何种算法） • 计算准确 • 写出计算步骤 • 第二章 • 分析设计题：50分 • 仔细分析题意及已知条件 • 作图规范 • 综合运用知识 • 第二、三、五、六、七章

第一章知识要点： １，了解计算机的发展历史及应用；２，掌握计算机的基本组成及特点；３，掌握计算机系统的层次结构。

CPU

第二章知识要点： １，掌握数据信息的表示方法，包括原码、补码、反码、移码及定、浮点数的表示方法；２，了解非数值数据（字符和汉字）的表示方法；３，掌握定点数的加、减、乘、除算法；４，掌握定点运算器的组成与结构；５，掌握浮点运算方法，了解浮点运算器的基本结构。

用集成电路构成ALU的原理 • SN74181是一种具有并行进位的多功能ALU芯片，每片4位，构成一组，组内是并行进位。 • SN74182芯片：是一个产生并行进位信号的部件． • 利用SN74181提供的小组进位传递函数和进位生成函数为输入参数，以并行的方式给出每个小组（芯片）的最高位进位信号。 • SN74182是作为第二级并行进位系统．

例：用SN74181和SN74182设计如下的32位ALU． • 两重进位方式 • 三重进位方式 • 行波进位方式

32位两重并行进位ALU框图： 第二大组（16位）第一大组（16位）

32位三重并行进位ALU框图： 第二大组（16位）第一大组（16位）

32位行波进位方式ALU框图：

2．5．2 定点运算器 运算器的结构包含： • 加法器 • 通用寄存器 • 输入数据选择电路 • 输出数据控制电路 • 内部总线

1．定点运算器的基本结构及工作过程：

实现“循环左移”,“循环右移”,“字节交换”,“直接传送”实现“循环左移”,“循环右移”,“字节交换”,“直接传送” 判别16位运算结果是否为全0 寄存最终进位值三选一多路选择器 16位字长两级先行进位的ALU 存放原操作数、目的操作数，可作累加器四选一多路选择器双向移位寄存器，做乘法时存放乘数，做除法时存放商。

例2．21： • 设浮点数的阶码为4位（含阶符），尾数为6位（含尾符），x、y中的指数项，小数项均为二进制真值．

2．6．2浮点运算器 1．浮点运算器的一般结构

第三章知识要点： 1，理解存储器的分类和分级结构； 2，掌握主存储器的技术指标、基本结构和基本操作； 3，理解半导体存储器的基本组成和工作原理； 4，掌握主存储器组织；

5，掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替换策略；5，掌握CACHE的功能、基本原理、地址映像（直接映像方式）和替换策略； 6，掌握多体交叉存储器的基本原理及地址交叉方法； 7，掌握虚拟存储器的基本概念及页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器的工作原理和替换算法；

8，掌握存储保护的两种方法：存储区域保护和访问方式保护；8，掌握存储保护的两种方法：存储区域保护和访问方式保护； 9，掌握存储校验技术及几种常见校验码：奇偶校验码、海明校验码、CRC码。

基本概念 • 存储器：存放程序和数据的器件； • 存储位：存放一个二进制数位的存储单元，是存储器最小的存储单位，或称记忆单元； • 存储字：一个数（n位二进制位）作为一个整体存入或取出时，称存储字； • 存储单元：存放一个存储字的若干个记忆单元组成一个存储单元；存储体：大量存储单元的集合组成存储体； • 存储单元地址：存储单元的编号； • 字编址：对存储单元按字编址； • 字节编址：对存储单元按字节编址； • 寻址：由地址寻找数据，从对应地址的存储单元中访存数据；

第四章知识要点： • 了解指令系统的发展； • 掌握指令系统的性能指标； • 理解计算机语言与硬件结构的关系； • 掌握指令的格式和指令字长度及其扩展方法； • 掌握各种寻址方式的特点； • 掌握指令系统的要求和指令分类。

第五章 CPU的组成与功能 • （1）控制器组成 • 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成. • 主要负责协调和指挥整个计算机系统的操作，控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。 • 控制器内的主要寄存器有：程序计数器（PC）、缓冲寄存器(DR)、指令寄存器（IR)、指令译码器（ID)、地址寄存器（AR)。

控制器的主要作用是： • 取指令。 • 指令译码。 • 控制指令执行。此外，控制器还应该具有以下作用: • 控制程序和数据的输入与结果输出。 • 处理异常情况和请求。

（2）运算器组成 运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态标志寄存器组成，负责完成对操作数据的加工处理任务．相对控制器而言，运算器接受控制器的命令并且进行操作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

运算器的主要组成 运算器的主要组成有：算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓冲寄存器（DR）、状态标志寄存器等。

指令的执行与时序产生器 • 掌握指令的执行过程 • 掌握指令周期、机器周期、节拍、工作脉冲的概念 • 指令周期就是CPU从取出一条指令、分析指令并执行这条指令所花费的时间。指令周期常常用若干个CPU周期数来表示。 • CPU周期也称为机器周期。通常是用主存储器中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。基本的机器周期： • 取指周期 • 寻址运算和取操作数周期 • 执行周期

掌握各种指令的指令周期的构成 • CLA指令是非访问内存指令； • ADD指令是一条直接访问内存指令； • STA指令是一条间接访问内存指令； • JMP指令是转移控制指令。

掌握时序产生器的工作原理 • 时序信号产生器就是用逻辑电路实现上述控制时序，产生指令周期控制时序信号的部件。 • 时序信号产生器最基本的结构都是由时钟源、环形脉冲发生器、节拍脉冲和读／写时序译码逻辑、启停控制逻辑等部分构成的，

IORQ MERQ RD WE T1 T2 T3 T4 启动图5．16时序信号产生器结构图启停控制逻辑停机 IORQ0 RD0 WE0 T10 T2 0 T30 T40 RD’ MREQ’ 节拍脉冲和读/写时序译码逻辑 WE’ IORQ’ 环形脉冲发生器时钟脉冲源

CPU的控制方式 指令周期是指从取指到执行完一条指令所需要的时间，是由若干个CPU周期组成的。每条指令所需的时间各不相同，每个操作控制信号所需的时间及出现的次序也是各不相同的。形成控制不同操作序列的时序信号的方法，称作控制器的控制方式。控制方式反映了时序信号的定时方式。CPU常用的控制方式有三种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。

微程序设计技术和微程序控制器 在计算机系统设计中，微程序设计技术是利用软件方法进行硬件设计的一门技术。采用微程序设计思想的微程序控制器，同组合逻辑控制器相比较，具有规整、灵活、易维护等一系列优点，因而，在计算机设计中取代了早期采用的组合逻辑控制器，应用广泛。

微程序控制的基本思想就是按照设计解题程序的思路，把操作控制信号编成微指令，并将微指令代码存放到只读存储器里，当机器运行时，一条一条地读出这些微指令，产生计算机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。微程序控制的基本思想就是按照设计解题程序的思路，把操作控制信号编成微指令，并将微指令代码存放到只读存储器里，当机器运行时，一条一条地读出这些微指令，产生计算机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行规定的操作。

微程序设计技术 1．微程序设计技术的基本概念在计算机中，一条指令功能是，由控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，执行部件接受命令后，按一定次序执行一系列最基本操作完成的。这些控制命令通常称为微命令，而这些最基本的操作称为微操作。微命令就是用以控制各功能部件完成某个微操作的命令。

相容性和相斥性微操作 微操作在执行部件中是最基本的操作。由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两种。所谓相容性的微操作，是指在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。所谓相斥性的微操作，是指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。

例子： 下图示出了一个简单运算器模型，其中 ALU为算术逻辑单元， R1, R2,R3为三个寄存器。三个寄存器的内容都可以通过多路开关从 ALU的 X输入端或 Y输入端送至 ALU，而 ALU的输出可以送往任何一个寄存器或同时送往R1 ，R2 ，R3三个寄存器。

图中每个开关门由控制器中相应的微命令来控制，例如，开关门4由控制器中编号为4的微命令控制，开关门6由编号为6的微命令控制，如此等等。三个寄存器R1，R2，R3的时钟输入端1，2，3也需要加以控制，以便在ALU运算完毕而输出公共总线上电平稳定时，将结果打入到某一寄存器。另外，我们假定ALU只有十，一， M（传送）三种操作。Cy为最高进位触发器，有进位时该触发器状态为“ 1”。

ALU的操作（加、减、传送）在同一个CPU周期中只能选择一种，不能并行，所以十，一，M（传送）三个微操作是相斥性的微操作。类似地，4，6，8三个微操作是相斥性的，5，7，9三个微操作也是相斥性的。ALU的操作（加、减、传送）在同一个CPU周期中只能选择一种，不能并行，所以十，一，M（传送）三个微操作是相斥性的微操作。类似地，4，6，8三个微操作是相斥性的，5，7，9三个微操作也是相斥性的。 • 微操作1，2，3是可以同时进行的，所以是相容性的微操作。另外，ALU的X输入微操作4，6，8分别与Y输入的5，7，9任意两个微操作，也都是相容性的。

………. 微命令寄存器控制存储器器地址译码器微地址寄存器指令寄存器IR 缓冲寄存器DR 主存储器地址译码地址寄存器AR +1 程序计数器PC 图5.22 微指令与机器指令的关系(1)

2．微指令基本结构 （1）微指令的基本格式微指令的基本格式如图5.20所示。微指令是由操作控制（微命令字段）和顺序控制（微地址字段）两个基本部分构成的。

操作控制部分 顺序控制部分测试标志顺序地址控制信号 W/R Si- S0下一条指令地址图5.20 微指令基本格式

1）操作控制部分 用它来发出指挥计算机工作的控制信号。可以用操作字段的每一位表示一个微命令。微命令信号还要加入时间控制，即与时序信号组合。

2）顺序控制部分 用它来决定产生下一条微指令的地址。决定下一条微指令地址的方法有多种，但基本上还是由微指令顺序控制字段来决定。即用微指令顺序控制字段的若干位直接给出下一条微指令的地址，其余各位则作为判别测试状态的标志，如标志为“0”则表示不进行判别测试，直接按顺序控制字段给出的地址取下一条微指令；若标志为“1”则表示要进行判别测试，根据测试结果，按要求修改相应的地址位信息，并按修改后的地址取下一条微指令。

例：一个具体的微指令结构 • 微指令字长为23位，它由操作控制和顺序控制两大部分组成。 • 操作控制部分用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。为了形象直观，在我们的例子中，该字段为17位，每一位表示一个微命令。每个微命令的编号同前图所示的数据通路相对应，具体功能示于微指令格式的左上部。

具体微指令格式

例：一个具体的微指令结构 当操作控制字段某一位信息为“1”时，表示发出微命令；而某一位信息为“0”时，表示不发出微命令。例如，当微指令字第 1位信息为“ 1”时，表示发出 LDR’1；的微命令，那么运算器将执行 ALU→R1的微操作，把公共总线上的信息打入到寄存器R1。同样，当微指令第10位信息为“1”时，则表示向 ALU发出进行“＋”的微命令，因而 ALU就执行“＋”的微操作。

例：一个具体的微指令结构 微指令格式中的顺序控制部分用来决定产生下一条指令的地址。本例中顺序控制字段有6位，其中4位(20-23)用来直接给出下一条微指令的地址，第18，19两位作为判别测试标志。根据测试结果，需要对20－23位的某一位或某几位进行修改，然后按修改地址取下一条微指令。

3．微程序设计技术 微程序设计的关键是微指令结构的设计。设计微指令结构需要考虑以下问题（也是微程序设计技术所要讨论的问题）： • 如何缩短微指令字的长度。 • 如何减小控制存储器的容量。 • 如何减少微程序长度。 • 如何提高微程序的执行速度。 • 如何易于修改微指令。 • 如何增加微程序设计的灵活性。

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