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计组
计算机系统概述
计算机硬件的发展
- 计算机的四代变化
- 计算机元件的更新换代
计算机软件的发展
计算机系统层次结构
- 计算机硬件
- 冯洛伊曼机
- 计算机的功能部件
- 输入设备
- 输出设备
- 存储器
- 运算器
- 控制器
- 计算机软件
- 三个级别的语言
- 机器语言
- 汇编语言
- 高级语言
- 软件和硬件的逻辑功能等价性
- 三个级别的语言
- 计算机系统的层次结构
- 计算机系统的工作原理
- 存储程序工作方式
- 从源程序到可执行程序
- 程序执行过程的描述
- 指令执行过程的描述
- 取指令：PC->MAR->M->MDR->IR
- 分析指令：OP(IR)->CU
- 执行指令：Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC
- 计算机硬件
计算机的主要性能指标
- 字长
- 数据通路带宽
- 主存容量
- 运算速度
- MIPS(每秒执行多少百万条指令)
- MFLOPS、CFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS和ZFLOPS
- MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算（执行时间*10^6）；
- CFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点运算（执行时间*10^9）；
- TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点运算（执行时间*10^12）；
- PFLOPS：浮点操作次数（执行时间*10^15）；
- EFLOPS：浮点操作次数（执行时间*10^18）；
- ZFLOPS：浮点操作次数（执行时间*10^21）;
几个专业术语
- 固件：将程序固化在ROM中组成的部件称为固件，执行速度快于软件，灵活性优于硬件；
数据的表示和运算
- 数值与编码
- 进位制数及其相互转换
- 进位计数法
- 不同进制数之间的相互转换
- 真值和机器数
- BCD码(Binary-Coded Decimal)
- 8421码
- 余三码
- 2421码
- 定点数的编码表示
- 机器数的定点表示
- 定点小数
- 定点整数
- 原码、反码、补码、移码
- 机器数的定点表示
- 整数的表示
- 无符号整数的表示
- 带符号整数的表示
- 进位制数及其相互转换
- 运算方法和运算电路
- 基本运算部件
- 一位全加器
- 串行进位加法器
- 并行进位加法器
- 带标志加法器
- 算术逻辑单元(ALU)
- 定点数的移位运算
- 算术移位
- 逻辑移位
- 循环移位
- 定点数的加减运算
- 补码的加减法运算
- 补码的加减运算电路
- 溢出判断方法
- 原码的加减法运算
- 定点数的乘除运算
- 定点数的乘法运算
- 无符号数乘法运算电路
- 定点数的出发运算
- 符号扩展
- 原码除法运算(不恢复余数法)
- 补码减法运算(加减法交替)
- 除法运算电路
- 基本运算部件
- C语言中的整数类型及类型转换
- 有符号数和无符号数的转换
- 不同字长整数之间的转换
- 整数的存储和排列
- 数据的“大端方式”和“小端方式”存储
- 数据按“边界对齐”方式存储
存储系统
存储器概述
- 存储器的分类
- 按在计算机中的作用(层次)分类
- 主存储器(内存)
- 辅助存储器(辅存)
- 高速缓冲存储器(Cache)
- 按存储介质分类
- 磁表面存储器(磁盘、磁带)、磁芯存储器
- 半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）
- 光存储器（光盘）
- 按信息的可保存性分类
- RAM：断电后存储信息消失，称为易失性存储器；
- ROM：断电后存储仍然保存信息；
- 存储器的性能指标
- 存储容量
- 单位成本
- 存储速度
- 按在计算机中的作用(层次)分类
- 多级层次的存储系统
- 为了解决存储系统大容量、高速度和低成本3个相互制约的矛盾，通常采用多级存储结构。由上至下，价格越来越低，速度越来越慢。
- 存储器的分类
主存储器
- SRAM芯片和DRAM芯片
- SRAM的工作原理
- DRAM的工作原理
- 集中刷新
- 分散刷新
- 异步刷新
- DRAM芯片的读写周期
- SRAM芯片和DRAM的比较
- 存储芯片的内部结构
- 存储体（存储结构）
- 地址译码器
- I/O控制电路
- 片选控制信号
- 读/写控制信号
- 只读存储器
- 只读存储器(ROM)的特点
- ROM的类型
- 掩模式只读存储器
- 一次可编程只读存储器
- 可擦除可编程只读存储器
- Flash存储器
- 固态硬盘(Solid State Drives, SSD)
- 主存储器的基本组成
- 多模块存储器
- 单体多字存储器
- 多体并行存储器
- 高位交叉编址(顺序方式)
- 低位交叉编址(交叉方式)
- SRAM芯片和DRAM芯片
主存储器与CPU的连接
- 连接原理
- 主存储器通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU连接。
- 数据总线的位数与工作频率的乘积正比于数据传输率。
- 地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间。
- 控制总线（读/写）指出总线周期的类型和本次输入/输出操作完成的时刻；
- 主存容量的扩展
- 位扩展法
- 字扩展法
- 字位同时扩展法
- 存储芯片的地址分配和片选
- 线选法
- 译码片选法
- 存储器与CPU的连接
- 合理选择存储芯片
- 地址线的连接
- 数据线的连接
- 读/写命令线的连接
- 片选线的连接
- 连接原理
外部存储器
- 磁盘存储器
- 磁盘存储器
- 磁盘设备的组成
- 磁记录原理
- 磁盘的性能指标
- 磁盘地址
- 磁盘的工作原理
- 磁盘阵列
- RAID0：无冗余和无校验的磁盘阵列；
- RAID1：镜像磁盘阵列；
- RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列；
- RAID3：
- RAID4：
- RAID5：
- 磁盘存储器
- 固态硬盘
- 磁盘存储器
高速缓冲存储器
程序访问的局部性原理
Cache的基本工作原理
Cache和主存的映射方式
- 直接映射
- 全相联隐射
- 组相联隐射
Cache中主存块的替换算法
- 随机算法
- 先进先出算法
- 仅此最少使用算法(LRU)
Cache写策略
- 全写法(write-through)
- 回写法(write-back)
- 写分配法(write-allocate)
- 非写分配法(not-write-allocate)
虚拟存储器
- 虚拟存储器的基本概念
- 页式虚拟存储器
- 页表
- 快表(TLB)
- 具有(TLB)和Cache的多级存储系统
- 段式虚拟存储器
- 段页式虚拟存储器
- 虚拟存储器与Cache的比较
- 相同之处
- 不同之处
指令系统
指令系统
- 指令(机器指令)是指计算机执行某种操作的命令
- 指令的基本格式
- 零地址指令
- 一地址指令
- 二地址指令
- 三地址指令
- 四地址指令
- 定长操作码指令格式
- 扩展操作码指令格式
- 指令的操作类型
- 数据传送
- 算术和逻辑运算
- 移位操作
- 转移操作
- 输入和输出操作
指令的寻址方式
- 指令寻址和数据寻址
- 指令寻址
- 顺序寻址
- 跳跃寻址
- 数据寻址
- 指令寻址
- 常见的数据寻址方式
- 隐含寻址
- 立即寻址
- 直接寻址
- 间接寻址
- 寄存器寻址
- 寄存器间接寻址
- 相对寻址
- 基址寻址
- 变址寻址
- 堆栈寻址
- 指令寻址和数据寻址
程序的机器级代码表示
- 常用汇编指令介绍
- 相关寄存器
- 汇编指令格式
- AT&T格式的指令只能用小写字母，而Intel格式的指令对大小写不敏感；
- 在AT&T格式中，第一个为目的操作数，第二个为目的源操作数；
- 在AT&T格式中，寄存器需要加前缀“%”，立即数需要加前缀“$”；
- 在内存寻址方面，AT&T格式使用“(”和“)”，而Intel格式使用“[” 和 “]”;
- 在处理复杂寻址方是时，例如AT&T格式的内存操作数？分别表示偏移量；
- 在指定数据长度方面，AT&T格式指令操作码的后面紧跟一个字符，表示操作数大小；
- 常用指令
- 数据传送指令
- mov指令
- push指令
- pop指令
- 算术和逻辑运算指令
- add/sub指令
- inc/dec指令
- imul指令
- idiv指令
- and/or/xor指令，and、or、xor指令分别是逻辑与、逻辑或、逻辑异或操作指令；
- not指令
- neg指令
- sh/shr指令
- 控制流指令
- jmp指令
- jcondition指令：条件转移指令，依据CPU状态字中的一系列条件状态转移；
- cmp/test指令：比较两个操作数的值，test指令对两个操作数进行逐位与运算；
- call/ret指令
- 数据传送指令
- 过程调用的机器级表示
- 过程调用的执行步骤如下：P（调用者），Q（被调用者）
- P将入口参数放在Q能访问到的地方；
- P将返回地址存在特定的地方，然后将控制转移到Q；
- Q保存P的现场(通用寄存器的内容)，并未自己的非静态局部变量分配空间；
- 执行过程Q；
- Q恢复P的现场，将返回结果放到P能访问到的地方，并释放局部变量所占空间；
- Q取出返回地址，将控制转移到P；
- 步骤2是call指令实现的，步骤6是通过ret指令返回到过程P；
- 过程调用的执行步骤如下：P（调用者），Q（被调用者）
- 选择语句的机器级表示
- 条件码(标志位)
- if语句
- 循环语句的机器级表示
- do-while循环
- while循环
- for循环
- 常用汇编指令介绍
CISC和RISC的基本概念
- 复杂指令系统计算机(CISC)，主要特点如下：
- 指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上；
- 指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多；
- 可以访存的指令不受限制；
- 各种指令使用频度相差很大；
- 各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成；
- 控制器大多数采用微程序控制；
- 难以用优化编译生成高效的目标代码程序；
- 精简指令系统计算机(RISC)，主要特点如下：
- 选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现；
- 指令长度固定；
- 只有Load/Store指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行；
- CPU中通用寄存器的数量相当多。
- RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个始终周期内完成；
- 以硬布线控制为主，不用或少用程序执行时间；
- 从指令系统兼容性看，RISC大多能实现软件兼容，既高档机包含了低档机的全部指令；
- CISC和RISC的比较
- RISC能充分利用VLSI芯片的面积。RISC的控制器大多采用微程序控制；
- RISC更能提高运算速度。RISC的指令数、寻址方式和指令格式种类少，设有多个通用寄存器，采用流水线技术，所以运算速度快，大多数指令在一个时钟周期内完成；
- RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性；
- RISC有利于编译程序代码优化。可以使得代码执行更高效化；
- 复杂指令系统计算机(CISC)，主要特点如下：
中央处理器
CPU的功能和基本结构
- CPU的功能
- 指令控制
- 操作控制
- 时间控制
- 数据加工
- 中断处理
- CPU的基本结构
- 运算器
- 控制器，由以下组成
- 程序计数器(PC)
- 指令寄存器(IR)
- 指令译码器
- 存储器地址寄存器(MAR)
- 存储器数据寄存器(MDR)
- 时序系统
- 微操作信号发生器
- CPU的功能
指令执行过程
- 指令周期
- 指令周期的数据流
- 取指周期
- 间址周期
- 执行周期
- 中断周期
- 指令执行方案
- 单指令周期
- 多指令周期
- 流水线方案
数据通路的功能和基本结构
- 数据通路的功能
- 数据通路的基本结构
- CPU内部单总线方式
- CPU内部多总线方式
- 专用数据通路方式
- 寄存器之间的数据传送
- 主存与CPU之间的数据传送
- 执行算术或逻辑运算
控制的功能和工作原理
- 控制器的结构和功能
- 硬布线控制器
- 硬布线控制单元图
- 硬布线控制器的时序系统及微操作
- CPU的控制方式
- 硬布线控制单元设计步骤
- 微程序控制器
- 微程序控制的基本概念
- 微命令与微操作
- 微指令与微周期
- 主存储器与控制存储器
- 程序与微程序
- 微程序控制器组成和工作过程
- 微程序控制器的基本组成
- 微程序控制器的工作过程
- 微指令与编码方式
- 直接编码方式
- 字段直接编码方式
- 字段间接编码方式
- 微指令的地址形成方式
- 直接由微指令的下地址字段指出
- 根据机器指令的操作码形成
- 微指令格式
- 水平型微指令
- 垂直型微指令
- 混合型微指令
- 微程序控制单元的设计步骤
- 写出对应机器指令的微操作命令及节拍安排
- 确定微指令格式
- 编写微指令码点
- 动态微程序设计和毫微程序设计
- 动态微程序设计
- 毫微程序设计
- 硬布线和微程序控制器的特点
- 硬布线控制器的特点
- 微程序控制器的特点
- 微程序控制的基本概念
异常与中断机制
- 异常和中断的基本概念
- 异常和中断的分类
- 异常的分类
- 故障(Fault)
- 自陷(Trap)
- 终止(Abort)
- 中断的分类
- 可屏蔽中断
- 不可屏蔽中断
- 异常的分类
- 异常和中断的响应过程
- 关中断
- 保存断点和程序状态
- 识别异常和关中断并转到相应的处理程序
指令流水线
- 流水线的基本概念
- 定义
- 五个阶段
- 取指(IF)
- 译码/读寄存器(ID)
- 执行/地址寄存器(EX)
- 访存(MEM)
- 写回(WB)
- 流水线的表示方法
- 流水线的基本实现
- 流水线的数据通路
- 流水线的控制信号
- 流水线的执行过程
- 取指(IF)
- 译码/读寄存器(ID)
- 执行/地址寄存器(EX)
- 访存(MEM)
- 写回(WB)
- 流水线的冒险与处理
- 结构冒险
- 数据冒险
- 控制冒险
- 流水线的性能指标
- 流水线的吞吐率
- 流水线的加速比
- 高级流水线技术
- 超标量流水线技术
- 超长指令字技术
- 超流水线技术
- 流水线的基本概念
多处理器的基本概念
- SISD、SIMD、MIMD的基本概念，单处理器属于SISD，多处理器属于MIMD
- 单指令流单数据流(SISD)结构
- 单指令流多数据流(SIMD)结构
- 多指令流单数据流(MISD)结构
- 多指令流多数据流(MIMD)结构
- 硬件多线程的基本概念
- 细颗粒多线程
- 粗颗粒多线程
- 同时多线程
- 多核处理器的基本概念
- 共享内存多处理器的基本概念
- SISD、SIMD、MIMD的基本概念，单处理器属于SISD，多处理器属于MIMD
总线
- 总线概述
- 总线基本概念
- 总线定义
- 总线设备
- 总线特性
- 总线的分类
- 片内总线
- 系统总线
- I/O总线
- 通信总线
- 系统总线的结构
- 单总线结构
- 双总线结构
- 三总线结构
- 常见的总线标准
- ISA
- EISA
- VESA
- PCI
- AGP
- PCI-E
- RS-232C
- USB
- PCMCLA
- IDE
- SCSI
- SATA
- 总线的性能指标
- 总线传输周期
- 总线时钟周期
- 总线工作频率
- 总线时钟频率
- 总线宽度
- 总线带宽
- 总线复用
- 信号线数
- 总线基本概念
- 总线事务和定时
- 总线事务
- 同步定时方式
- 异步定时方式
输入/输出系统
I/O系统基本概念
- I/O系统中的几个基本概念
- 外部设备
- 接口
- 输入设备
- 输出设备
- 外存设备
- I/O软件
- I/O硬件
- I/O控制方式
- 程序查询方式
- 程序中断方式
- DMA方式
- 通道方式
- 外部设备
- 输入设备：键盘、鼠标
- 输出设备
- 显示器
- 打印机
- 针式打印机
- 喷墨式打印机
- 激光打印机
- 外部存储器(辅存)
- 磁表面存储器
- 固态硬盘(SSD)
- 光盘存储器
- I/O系统中的几个基本概念
I/O接口
- 主要功能如下
- 进行地址译码和设备选择。
- 实现主机和外设的通信联络控制；
- 实现数据缓冲；
- 信号格式转换；
- 传送控制命令和状态信息；
- I/O接口的基本结构
- I/O接口的类型
- 按数据传送方式分为：串行和并行接口；
- 按主机访问I/O设备的控制方式可分为：
- 程序查询接口
- 中断接口
- DMA接口
- 按功能选择的灵活性可分为：可编程和不可编程接口；
- I/O端口及其编址
- 统一编址，又称存储器隐射方式
- 独立编址，又称I/O映射方式
- 主要功能如下
I/O方式
- 程序查询方式，工作流程如下：
- CPU执行初始化程序，并预置传送参数；
- 向I/O接口发出命令字，启动I/O设备；
- 向外设接口读取其状态信息；
- CPU不断查询I/O设备状态，知道外设准备就绪；
- 传送一次数据；
- 修改地址和计数器参数；
- 判断传送是否结束，若未结束转第3步，直到计数器为0；
- 程序中断方式，主要功能有：
- 实现CPU与I/O设备的并行工作；
- 处理硬件故障和软件错误；
- 实现人机交互；
- 实现多道程序；
- 实时处理需要借助中断程序来实现快速响应；
- 实现应用程序和操作系统的切换，软中断；
- 多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换；
- 程序中断的工作流程
- 中断请求
- 中断响应判优
- CPU响应中断的条件
- 中断源有中断请求
- CPU允许中断及开中断；
- 一条指令执行完毕；
- 中断响应过程
- 关中断
- 保存断点
- 引出中断服务程序
- 中断向量
- 中断处理过程
- 关中断
- 保存断点
- 中断服务程序寻址；
- 保存现场和屏蔽字
- 开中断
- 执行中断服务程序
- 关中断
- 修复现场和屏蔽字
- 开中断、中断返回；
- 多重中断和中断屏蔽技术
- CPU要具备多重中断的功能，必须满足以下条件
- 在中断服务程序中提前设置中断指令
- 优先级别高的中断源有权中断优先级别低的中断源；
- CPU要具备多重中断的功能，必须满足以下条件
- DMA方式
- DMA方式的特点
- DMA控制器的组成
- 接收外设发出的DMA请求，并向CPU发出总线请求；
- CPU响应并发出总线响应信号，DMA接管总线控制权，进入DMA操作周期；
- 确定传送数据的主存单元地址及长度，并自动修改主存地址计数和传送长度计数；
- 规定数据在主存和外设间的传送方向，发出读写等控制信号，执行数据传送操作；
- 向CPU报告DMA操作结束；
- DMA的传送方式
- 地址CPU访存
- 周期挪用
- DMA与CPU交替访存
- DMA的传送过程
- 预处理
- 数据传送
- 后处理
- DMA方式和中断方式的区别
- 中断方式是切换，需要保护和恢复现场。而DMA方式不中断现行程序，无需保护现场，除了预处理和后处理，其它时候不占用任何CPU资源；
- 对中断请求的响应只能发生在每条指令执行结束时(执行周期后)；而对DMA请求的响应可以发生在任意一个机器周期结束时(取指、间址、执行周期后均可)；
- 中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，因此数据传输率非常高，适合于高速外设的成组数据传送；
- DMA请求的优先级高于中断请求；
- 中断方式有处理异常事件的能力，而DMA方式仅局限于大批数据的传送；
- 从数据传送来看，中断方式考程序传送，DMA方式靠硬件传送；
- 程序查询方式，工作流程如下：