计算机组成原理

第1章

冯诺依曼计算机的特点有哪些（选择题）

1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成；
2. 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访；
3. 指令和数据均用二进制数表示；
4. 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；
5. 指令在存储器内按顺序存放；
6. 机器以运算器为中心，输入设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

CPU包括运算器和控制器，现代计算机三大部分，什么叫主机？-I/O设备？

1. CPU与主存存储器合起来称为主机；
2. I/O设备又可称为外部设备。

ALU、CU中文名称

1. ALU:算术逻辑单元
2. CU：控制单元

主存储器概念：存储单元、存储字、存储字长

1. 存储单元：存储体有许多存储单元组成
2. 存储字：一个存储单元可存储一串二进制代码，这串二进制代码为一个存储字
3. 存储字长:这串二进制代码的位数称为存储字长

MAR、MDR中文名称，现集成在CPU芯片中。 字节：Byte

1. MAR：储器地址寄存器
2. MDR：存储数据寄存器

运算器中：ALU 、ACC 、MQ、 X的中文名称

1. ALU ：算术逻辑单元
2. ACC ：累加器
3. MQ：乘商寄存器
4. X：操作数寄存器

PC、IR的中文名称，各用来存放什么

1. PC:程序计数器
2. IR：指令寄存器

概念：机器字长。计算：存储容量。MAR和MDR的位数各反映什么。

1.  MAR的位数反映类存储单元的个数；
2. MDR的位数反映了存储字长。

第3章

总线的定义

系统总线是指CPU、主存、I/O设备各大部件之间的信息传输线。

存储总线：CPU与主存之间的总线。 系统总线按传输信息的不同，分哪三类

1. 数据总线
2. 地址总线
3. 控制总线

 总线宽度、总线带宽（计算）、总线复用

总线宽度：数据总线的根数 总线带宽：总线的数据传输速率 总线复用：一条信号线上分时传送两种信号

 三总线结构中的主存总线、I/O总线、DMA总线各用于什么传输？

1. 主存总线：用户CPU与主存之间的传输；
2. I/O总线：供CPU与各类I/O设备之间传递信息；
3. DMA总线：用于高速I/O设备与主存之间直接交换信息。

重点内容：集中式总线判优控制的三种方式？各自特点，那种方式响应时间最快，哪种方式对电路故障最敏感，优先级判断

1. 链式查询：只需很少几根线就能按照一定优选次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感，且优先级别低的设备可能很难获得请求。
2. 计数器定时查询：不如链式查询敏感，但增加了控制线，控制也比较复杂。
3. 独立请求方式：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量多，总线控制更复杂。

例题3.1；异步通信的三种应答方式

1. 不互锁方式
2. 半互锁方式
3. 全互锁方式

波特率概念，例题3.2

异步串行通信的数据传送速率用波特率来衡量。

 比特率概念 例题3.4

第4章

4.1.1第一句话，存储器用来存放程序和数据。 存储器用来存放程序和数据

71页 Cache制作了cpu内。理解图4.2  图4.3

缓存-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…….的问题

辅存层次主要解决存储系统的容量的问题。

72页 理解图4.4

73页 图4.6，主存中存储单元地址的分配，按字寻址、按字节寻址区别

74页 主存主要指标：存储容量、存储速度（存取周期的概念，也可以理解为存储器做连续访问操作时操作过程中，一次完整的存取操作所需的总时间）

75页 地址线（单向）、数据线（双向）、控制线（双向）

1. 地址线是单向输入的
2. 数据线是双向的

根据地址线和数据线的位数，进行存储芯片容量的计算 静态RAM内部由触发器组成

80页 动态RAM的共同特点都是靠电容存储电荷的原理来寄存信息，必须进行再生或刷新。

86页  动态RAM的刷新，集中刷新、分散刷新、异步刷新三种方式

1. 集中刷新：在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此处必须停止读 /写操作。

2.分散刷新：指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。

3. 异步刷新：是前两种方式的结合，它既可缩短“死时间”，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。

91页 存储容量的扩展：位扩展？字扩展？

1. 位扩展：增加存储字长
2. 字扩展：增加存储器字的数量

94页 例4.1 主存地址空间的分配，合理选择芯片。不必画图。例题4.2

101页 配偶原则汉明码的写法

111页  例题4.7

117页 三种映射方式：直接映射、全相联映射、组相联映射

1. 直接映射
2. 全相联映射
3. 组相联映射

120页 例4.8  例4.9  （看题）

第5章

158页  I/ O指令

I/O（输入/输出）指令是计算机指令集中用于控制数据在处理器和外部设备之间传输的指令。以下是一些常见的I/O指令考点，它们是计算机组成原理和计算机体系结构课程中的重要内容：

1. I/O指令的分类：

   • 根据传输数据的方式，I/O指令可以分为程序控制I/O和直接存储器访问（DMA）。

2. 程序控制I/O：

   • 通过CPU的指令直接控制I/O操作。
   • 包括读（IN）和写（OUT）指令。

3. DMA：

   • 允许外围设备直接与内存交换数据，无需CPU的介入。
   • 提高数据传输效率。

4. I/O端口：

   • 用于CPU和外围设备通信的特定内存地址。
   • 包括控制端口和数据端口。

5. I/O指令的执行过程：

   • 包括指令的取值、地址的确定、数据的传输和状态的检查。

6. 中断驱动I/O：

   • 外围设备准备好数据后，通过中断请求CPU进行数据传输。
   • 减少CPU的等待时间，提高系统效率。

7. I/O指令的格式：

   • 通常包括操作码、操作数和端口地址。

8. I/O指令的同步与异步：

   • 同步I/O需要CPU等待I/O操作完成。
   • 异步I/O允许CPU在I/O操作进行时继续执行其他任务。

9. I/O指令的错误处理：

   • 如何处理I/O操作中的错误，例如超时、数据错误等。

10. I/O指令的性能影响：

    • I/O操作对系统性能的影响，包括延迟和吞吐量。

11. I/O指令的安全性：

    • 如何保护I/O操作免受恶意软件和硬件故障的影响。

12. I/O指令的高级特性：

    • 包括管道、消息队列等高级I/O机制。

13. I/O指令与操作系统的交互：

    • 操作系统如何管理I/O设备和I/O指令。

14. I/O指令的硬件实现：

    • I/O指令在硬件层面的实现，包括I/O控制器和接口。

15. I/O指令的软件抽象：

    • 如何通过软件层抽象I/O操作，简化程序设计。

掌握这些考点有助于深入理解计算机系统中I/O操作的工作原理和实现方式。

160页 I/O设备编码方式两种

1. 统一编址：I/O地址看作是存储器地址的一部分；
2. 不统一编址:I/O地址和存储器地址是分开的。

162页 5.1.4  I/O设备与主机交换信息共有哪5种控制方式？

1. 程序查询方式：CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。这种方式控制简单，硬件开销小，但CPU与外设是串行工作的，系统效率低，适用于CPU不太忙且传送速度要求不太高的场合。
2. 程序中断方式：当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才予以响应。这种方式允许CPU和外设可并行工作，提高了CPU的效率，不仅适于主机和外设之间的数据交换，还特别适于对外界随机事件的处理，适用于CPU较忙、传送速度不太高的系统中，尤其适合实时控制及紧急事件的处理。
3. DMA方式（直接存储器存取方式）：主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。这种方式完全由硬件（DMA控制器）负责完成信息交换，信息传递从以CPU为中心转为以内存为中心，CPU和外设可并行工作，对高速大批量数据传送特别有用，但缺点是只能进行简单数据交换，电路结构复杂，硬件开销大。
4. I/O通道方式：通过专门的通道控制处理器来管理I/O设备与主机之间的数据传输，进一步提高了系统效率和并行处理能力。
5. I/O处理机方式：这是一种更高级的控制方式，其中I/O处理机类似于一个小型处理器，能够独立地执行I/O操作的相关指令，从而显著减轻主机负担，提高系统整体性能

163-165页，比较程序查询方式、程序中断方式、DMA方式的特点

187页 I/O总线包括哪四种

1. 数据线
2. 设备选择线
3. 命令线
4. 状态线

188-189页 接口的四个功能？（背）

1. 选址功能
2. 传送命令的功能
3. 传送数据的功能
4. 反映I/O设备工作状态的功能

196页 排队器的输出，送入中断向量地址形成部件（也就是设备编码器）中，形成了中断向量地址，即为中断服务程序的入口地址。

199页 中断的流程分哪四大部分？

1. 保护现场
2. 中断服务
3. 恢复现场
4. 中断返回

200页 保护现场包括保护什么，采用进栈；恢复现场-出栈；

1. 保护程序的断点；
2. 保存通用寄存器和状态寄存器的内容。

概念：中断嵌套或多重中断（背）

计算机在处理中断的过程中，有可能出现新的中断请求，此时如果 CPU暂停现行的中断服务程序，转去处理新的中断请求，这种现象称为中断嵌套（多重中断）

202页 DMA与主存交换数据的三种方法？（背）

1. 停止CPU访问主存；
2. 周期挪用；
3. MNA与CPU交替访问；

205页 了解DMA接口的5个功能。

1. 向CPU申请DMA传送；
2. 在CPU允许DMA工作时，处理总线控制权的转变，避免因进入DMA工作而影响CPU正常活动或引起总线竞争；
3. 在DMA期间管理系统总线，控制数据传送；
4. 确定数据传送的起始地址和数据长度，修正数据传送过程中的数据地址和数据长度；
5. 在数据块传送结束时，给出DMA操作完成的信号。

第6章

#### #### 定点整数、定点小数、浮点数的补码表示；

溢出：

定点数、浮点数的加减运算。（考其中一个）

第7章

300页 指令的一般格式？

302页  例题7.1（1）

310页 指令寻址分两种？数据寻址不同寻址方式的特点。（每个都看，重点）

指令寻址：

1. 顺序寻址：通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；
2. 跳跃寻址：通过转移类指令实现。

数据寻址：

1. 立即寻址（Immediate Addressing） ：

   • 操作数直接包含在指令中。
   • 适用于常数操作。

2. 直接寻址（Direct Addressing） ：

   • 指令中直接给出操作数的内存地址。
   • 适用于访问已知地址的存储单元。

3. 隐含寻址（Implicit Addressing） ：

   • 指令中不显式给出地址，操作数地址由指令本身决定。
   • 常用于访问特定的寄存器或特定的内存位置。

4. 间接寻址（Indirect Addressing） ：

   • 指令中包含一个地址，该地址指向包含操作数地址的内存单元。
   • 适用于间接访问数据。

5. 寄存器寻址（Register Addressing） ：

   • 操作数存储在寄存器中。
   • 访问速度快，常用于寄存器之间的操作。

6. 寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing） ：

   • 指令中包含一个寄存器的地址，该寄存器中存储着操作数的地址。
   • 结合了寄存器寻址的速度和间接寻址的灵活性。

7. 基址寻址（Base Addressing） ：

   • 使用基址寄存器加上一个偏移量来确定操作数的地址。
   • 适用于数组和数据结构的访问。

8. 变址寻址（Indexed Addressing） ：

   • 使用基址加上一个可变的索引寄存器的值来确定地址。
   • 适用于处理数组和字符串。

9. 相对寻址（Relative Addressing） ：

   • 操作数地址相对于当前指令的地址或程序计数器的偏移量。
   • 常用于实现跳转和循环。

10. 堆栈寻址（Stack Addressing） ：

    • 操作数存储在堆栈中，通过堆栈指针访问。
    • 适用于函数调用、局部变量存储和数据传递。

318-319页 例7.2，例题7.3

第8章

#### 337页 控制器的基本功能是

1.取指令

2.分析指令

3. 执行指令

342页 指令周期的概念

CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。

343页 指令各个周期的顺序

348页 影响指令流水的因素有哪三种？

1. 结构相关
2. 数据相关
3. 控制相关

364页 保护现场、恢复现场包括什么

保护现场：包括保护程序断点和保护CPU内部各寄存器内容的现场两个方面。 恢复现场:指在中断返回前，必须将寄存器的内容恢复到中断处理前的状态。

365页 多重中断的概念，示意图理解。

当CPU执行某个中断服务程序时，另一个中断源又提出了新的中断请求，而CPU又响应了这个新的请求，暂时停止正在运行的服务程序，转去执行新的中断服务程序，这就称为多重中断。（中断嵌套）

366页 什么是屏蔽字

对应每个中断请求触发器就有一个屏蔽触发器，将所有屏蔽触发器组合在一起，便构成一个屏蔽寄存器，屏蔽寄存器的内容称为屏蔽字。