考研计算机组成原理.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：3.66M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机考研计算机考点精讲课程讲义组成原理欢迎使用新东方在线电子教材 1 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机目录第一章计算机系统概述 ....................................................................................................................5 考纲要求 ......................................................................................................................................5 复习要点 ......................................................................................................................................5 1.1 计算机发展历程 ...................................................................................................................5 1.2 计算机系统层次结构 ...........................................................................................................6 1.2.1 计算机硬件的基本组成 ............................................................................................7 1.2.2 计算机软件的分类 ....................................................................................................9 1.2.3 计算机的工作过程 ..................................................................................................10 1.3 计算机性能指标 ................................................................................................................. 11 第二章数据的表示和运算 ..............................................................................................................13 考纲要求 ....................................................................................................................................13 复习要点 ....................................................................................................................................14 2.1 数制与编码 .........................................................................................................................14 2.1.1 进位计数制及其相互转换 ......................................................................................14 2.1.2 真值和机器数 ..........................................................................................................18 2.1.3 BCD 码 ......................................................................................................................21 2.1.4 字符与字符串 ..........................................................................................................22 2.1.5 校验码 ......................................................................................................................24 2.2 定点数的表示和运算 .........................................................................................................30 2.2.1 定点数的表示 ..........................................................................................................30 2.2.2 定点数的运算 ..........................................................................................................32 2.3 浮点数的表示和运算 .........................................................................................................38 2.3.1 浮点数的表示 ..........................................................................................................38 2.3.2 浮点数的加/减运算 .................................................................................................43 2.4 算术逻辑单元 ALU ............................................................................................................46 2.4.1 串行加法器和并行加法器 ......................................................................................46 2.4.2 算术逻辑单元 ALU 的功能和结构 ........................................................................48 第三章存储器层次结构 ..................................................................................................................49 考纲要求 ....................................................................................................................................49 复习要点 ....................................................................................................................................50 3.1 存储器的分类 ......................................................................................................................50 3.2 存储器的层次化结构 ..........................................................................................................52 3.3 半导体随机存取存储器 ......................................................................................................54 2 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机 3.3.1 SRAM 存储器的工作原理 .......................................................................................54 3.3.2 DRAM 存储器的工作原理 ......................................................................................54 3.4 只读存储器 .........................................................................................................................56 3.5 主存储器与 CPU 的连接 ...................................................................................................57 3.6 双口 RAM 和多模块存储器 ..............................................................................................64 3.7 高速缓冲存储器 .................................................................................................................65 3.7.1 程序访问的局部性原理 ..........................................................................................66 3.7.2 Cache 的基本工作原理 ............................................................................................66 3.7.3 Cache 和主存之间的映射方式 ................................................................................67 3.7.4 Cache 中主存块的替换算法 ....................................................................................69 3.7.5 Cache 写策略 ............................................................................................................69 3.8 虚拟存储器 .........................................................................................................................71 3.8.1 虚拟存储器的基本概念 ..........................................................................................71 3.8.2 页式虚拟存储器 ......................................................................................................71 3.8.3 段式虚拟存储器 ......................................................................................................72 3.8.4 段页式虚拟存储器 ..................................................................................................73 3.8.5 TLB（快表）............................................................................................................73 第四章指令系统 ..............................................................................................................................74 考纲要求 ....................................................................................................................................74 复习要点 ....................................................................................................................................74 4.1 指令格式 .............................................................................................................................74 4.1.1 指令的基本格式 ......................................................................................................74 4.1.2 定长操作码指令格式 ..............................................................................................76 4.1.3 扩展操作码指令格式 ..............................................................................................76 4.2 指令的寻址方式 .................................................................................................................77 4.2.1 有效地址的概念 ......................................................................................................77 4.2.2 数据寻址和指令寻址 ..............................................................................................78 4.2.3 常见寻址方式 ..........................................................................................................78 4.3 CISC 和 RISC 的基本概念 .................................................................................................85 第五章中央处理器 ..........................................................................................................................88 考纲要求 ....................................................................................................................................88 复习要点 ....................................................................................................................................89 5.1 CPU 的功能和基本结构 .....................................................................................................89 5.2 指令执行过程 .....................................................................................................................91 5.3 数据通路的功能和基本结构 .............................................................................................93 5.4 控制器的功能和工作原理 .................................................................................................97 5.4.1 硬布线控制器 ..........................................................................................................97 5.4.2 微程序控制器 ........................................................................................................ 100 5.5 指令流水线 ....................................................................................................................... 106 5.5.1 指令流水线的基本概念 ........................................................................................ 107 3 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机 5.5.2 超标量和动态流水线的基本概念 ........................................................................ 109 第六章总线 .................................................................................................................................... 110 考纲要求 .................................................................................................................................. 110 复习要点 .................................................................................................................................. 111 6.1 总线概述 ........................................................................................................................... 111 6.1.1 总线的基本概念 .................................................................................................... 111 图 2-6-1 4 种类型的三态门 ......................................................................................................... 111 6.1.2 总线的分类 ............................................................................................................ 112 6.1.3 总线的组成及性能指标 ........................................................................................ 112 6.2 总线仲裁 ........................................................................................................................... 116 6.2.1 集中仲裁方式 ........................................................................................................ 116 6.2.2 分布仲裁方式 ........................................................................................................ 118 6.3 总线操作和定时 ............................................................................................................... 118 6.3.1 同步定时方式 ........................................................................................................ 118 6.3.2 异步定时方式 ........................................................................................................ 118 6.4 总线标准 ........................................................................................................................... 119 第七章输入输出系统 .................................................................................................................... 121 考纲要求 .................................................................................................................................. 121 复习要点 .................................................................................................................................. 121 7.1 I/O 系统基本概念 .............................................................................................................. 121 7.2 外部设备 ........................................................................................................................... 122 7.2.1 输入设备 ................................................................................................................ 122 7.2.2 输出设备 ................................................................................................................ 122 7.2.3 外存储器 ................................................................................................................ 125 7.3 I/O 接口（I/O 控制器） ................................................................................................... 127 7.3.1 I/O 接口的功能和基本结构 ................................................................................... 127 7.3.2 I/O 端口及其编址 ................................................................................................... 129 7.4 I/O 方式 .............................................................................................................................. 130 7.4.1 程序查询方式 ........................................................................................................ 130 7.4.2 程序中断方式 ........................................................................................................ 131 7.4.3 DMA 方式 ............................................................................................................... 142 7.4.4 通道方式 ................................................................................................................. 148 参考文献 .......................................................................................................................................... 152 4 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机第一章计算机系统概述本章将从存储程序的概念入手，讨论计算机的基本组成与工作原理，使读者对于计算机系统先有一个简单的整体概念，为今后深入讨论各个部件打下基础。考纲要求（一）计算机发展历程计算机发展史，存储程序的概念（二）计算机系统层次结构 1．计算机硬件的基本组成由 5 大基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 2．计算机软件的分类系统软件与应用软件。 3．计算机的工作过程（三）计算机性能指标吞吐量、响应时间；CPU 时钟周期、主频、CPI、CPU 执行时间；MIPS、MFLOPS。复习要点 1.1 计算机发展历程世界上第一台电子数字计算机是1946年2月问世的ENIAC，如果从今天的视角去观察 ENIAC，它的性能并不好，但是在科学发展史上它却是一个重要的里程碑。从第一台电子计算机诞生至今的六十余年时间里，计算机科学和技术一直在飞速地发展着，其发展速度是世界上任何其他学科所无法比拟的。 1．计算机的发展通常人们习惯把电子计算机的发展历史分“代”，其实分代并没有统一的标准，最常见的分代法是根据计算机所采用的电子器件来区分的：第一代，电子管计算机第二代，晶体管计算机第三代，小、中规模集成电路（SSI，MSI）计算机第四代，大、超大规模集成电路（LSI，VLSI）计算机 2．存储程序概念世界上第一台计算机ENIAC有一个很大的缺点，即它的存储容量极小，只能用线路连接 5 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机的方法来编排程序，每次解题都要依靠人工来改变接线，准备时间将大大超过实际计算时间。在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组提出了“存储程序控制”的计算机结构，存储程序概念可以简要地概括为以下几点： ① 计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大基本部件组成。 ② 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。 ③ 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。冯·诺依曼对计算机界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现。60多年来，虽然计算机的发展速度是惊人的，但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上，通常把符合“存储程序概念”的计算机统称为冯·诺依曼型计算机。 3．计算机的发展趋势计算机的发展趋势正向着“两极”分化。一极是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展，另一极则是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。随着新的元器件及其技术的发展，新型的超导计算机、量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进人们的生活，遍布各个领域。 1.2 计算机系统层次结构现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，可以把它看成是按功能划分的多级层次结构，如图2-1-1所示。 6 高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机图2-1-1 计算机系统的多层次结构第0级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。第1级是微程序级。这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件执行的。第2级是传统机器级。这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。第3级是操作系统级。从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。第4级是汇编语言级。这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。第5级是高级语言级。这级的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。第6级是应用语言级。这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。把计算机系统按功能划分成多级层次结构，有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件、硬件在计算机系统中的地位和作用。 1.2.1 计算机硬件的基本组成一个完整的计算机系统包含软件系统和软件系统两大部分。硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体。图2-1-2为计算机硬件系统的组成框图。 7 应用语言机器M6具有L6机器语言（应用语言）高级语言机器M5具有L5机器语言（高级语言）汇编语言机器M4具有L4机器语言（汇编语言）操作系统机器M3具有L3机器语言（作业控制语言等）传统机器M2具有L2机器语言（机器指令语言）微程序机器M1具有L1机器语言（微指令系统）第6级（虚拟机器）第5级（虚拟机器）第4级（虚拟机器）第3级（虚拟机器）第2级（实际机器）第1级（实际机器）翻译（应用软件包）翻译（编译程序）翻译（汇编程序）部分解释（操作系统）解释硬件直接执行第0级（实际机器）硬联逻辑高端密训课程必加QQ2080288025

新东方在线 [www.koolearn.com ]网络课堂电子教材系列考研计算机图2-1-2 计算机硬件系统的组成框图通常将运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）。在由超大规模集成电路构成的微型计算机中，往往将CPU制成一块芯片，称为微处理器。中央处理器和主存储器（内存储器）一起组成主机部分。除去主机以外的硬件装置（如输入设备、输出设备、辅助存储器等）称为外围设备或外部设备。计算机硬件硬件系统由5大基本部件组成。 1．输入设备输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常见的输入设备有：键盘、鼠标、扫描仪等，辅助存储器（磁盘、磁带）也可以看作输入设备。 2．输出设备输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。最常用的输出设备是打印机和显示器，辅助存储器也可以看作输出设备。 3．存储器存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储系统。如图2-1-3所示的是常见的三级存储系统。主存储器可由CPU直接访问，存取速度快，但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器的存储容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，CPU不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援。当CPU速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度相匹配，又在主存和CPU间增设了一级Cache（高速缓冲存储器）。 Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向CPU提供指令和数据。 8 运算器控制器主存储器输入设备输出设备控制数据地址或指令CPU主机外设存储器运算器控制器输入设备输出设备辅助存储器控制数据地址或指令CPU主机外设存储器高端密训课程必加QQ2080288025

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