计算机组成原理课堂笔记

学习目标

掌握 计算机组成原理课程的相关知识。
根据该教学视频进行学习
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总共128节课

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学习内容

1、 2021-10-19 p1-p3 计算机系统简介
2、 2021-10-20 p4-p7 计算机的基本组成（一）
3、 2021-10-21 p8-p9 计算机的基本组成（二）
4、 2021-10-22 p10，p15-p17 总线的基本概念，分类，性能及性能指标
p11-p14主要内容为计算机发展史以及未来展望，自主阅读即可。
5、 2021-10-24 p18-p21 总线结构、总线控制
6、 2021-10-25 p22-p23 存储器概述

学习时间

1、 周一至周日每天学习定量学习

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学习产出

第一节：计算机系统

计算机系统的层次结构

第二节：计算机的基本组成

冯诺依曼计算机结构框图

冯诺依曼计算机是以运算器为中心的。

现代计算机结构特点

以存储器为中心

现代计算机硬件框图

计算 ax2 + bx + c

将例子改写为(ax+b)x+c
1.取x 至运算器中
2.乘以a 在运算器中
3.加b 在运算器中
4.乘以x 在运算器中
5.加c 在运算器中

将该例子的运算步骤翻译成机器指令。
指令格式举例
机器指令分为操作码和地址码，操作码表示机器所执行的各种操作，例如：取数，存数，加减乘数，停机，打印等。
地址码表示参加运算的数在存储器内的位置。
机器指令的操作码和地址码都采用0,1代码的组合来表示。
假设某机的指令字长为16位，其中操作码占6位，地址码占10位。

存储器

指令和数据都是保存在存储器中的

存储器的基本组成

存储体

存储体——存储单元——存储元件 （0/1）
大楼——房间——床位 （无人/ 有人）

存储单元： 存放一串二进制代码，每个存储单元赋予一个地址号，按地址寻访
存储字： 存储单元中二进制代码的组合
存储字长： 存储单元中二进制代码的位数

MAR

存储器地址寄存器，反映存储单元的个数

MDR

存储器数据寄存器，反映存储字长

举例

假设 MAR=4位，MDR=8位
存储单元个数16，存储字长8

运算器

加法操作过程

减法操作过程

乘法操作过程

除法操作过程

控制器

控制器的功能

• 解释指令
• 保证指令的按序执行

控制器的基本组成

完成一条指令

• 取指令 PC
• 分析指令 IR
• 执行指令 CU

PC 存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+1——> PC
IR 存放当前欲执行的指令

运算器、控制器、存储器构成了什么

主机上完成一条指令的过程

以取数指令为例

以存数指令为例

ax2 + bx + c 程序的运行过程

第三节：计算机硬件的主要技术指标

机器字长

CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关

字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。

运算速度

• 主频

• 核数，每个核支持的线程数

• 吉普森法
  Tm为机器运行速度，fi为第i种指令占全部操作的百分比数，ti为第i种指令的执行时间。

• CPI 执行一条指令所需时钟周期数

• MIPS 每秒执行百万条指令

• FLOPS 每秒浮点运算次数

存储容量

存放二进制信息的总位数

第四节：系统总线

总线的基本概念

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质
总线上信息的传送分为串行和并行

总线结构的计算机举例

单总线结构框图

面向 CPU 的双总线结构框图

以存储器为中心的双总线结构框图

总线的分类

• 片内总线 芯片内部 的总线
• 系统总线 计算机各部件之间 的信息传输线
  • 数据总线 双向 与机器字长、存储字长有关
  • 地址总线 单向 与存储地址、 I/O地址有关
  • 控制总线 有出 （中断请求、总线请求 ） 有入（存储器读、存储器写、总线允许、中断确认）
• 通信总线 用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信，传输方式为串行通信总线或者并行通信总线。

总线特性及性能指标

总线物理实现

总线特性

• 机械特性： 尺寸、形状、管脚数 及排列顺序
• 电气特性： 传输方向和有效的电平范围
• 功能特性： 每根传输线的功能 地址、数据、控制
• 时间特性：信号的时序关系

总线的性能指标

1. 总线宽度：数据线的根数
2. 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
3. 时钟同步/异步：同步、不同步
4. 总线复用：地址线 与 数据线 复用
5. 信号线数：地址线、数据线和控制线的 总和
6. 总线控制方式：突发、自动、仲裁、逻辑、计数
7. 其他指标：负载能力

总线标准

总线结构

单总线结构

多总线结构

总线结构举例

1.传统微型机总线结构

2.VL-BUS局部总线结构

3.PCI 总线结构

4.多层 PCI 总线结构

总线控制

总线判优控制

• 主设备（模块）对总线有控制权
• 从设备（模块）响应从主设备发来的总线命令

总线判优控制分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处（如在CPU中），后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。常见的集中控制优先权仲裁方式有三种，分别是链式查询，计数器定时查询和独立请求方式。

链式查询方式

优点：只需要几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备。
缺点：对电路故障很敏感，且优先级低的设备可能很难获得请求。

计数器定时查询方式

优点：设备使用总线具有随机性，因此他们的优先级相同，计数器的初始值还可由程序设置。电路故障不如链式查询方式敏感
缺点：增加了控制线（设备地址）数，控制较为复杂。

独立请求方式

优点：响应速度快，优先次序控制灵活。
缺点：控制线数量多，总线控制更复杂。

总线通信控制

解决通信双方 协调配合 问题

总线传输周期分成4步

• 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
• 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
• 传数阶段：主模块和从模块交换数据
• 结束阶段：主模块撤消有关信息

总线通信的四种方式
1.同步通信： 由统一时标控制数据传送
2.异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准
3.半同步通信：同步、异步结合
4.分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

同步通信

1.同步式数据输入

2.同步式数据输出

异步通信

半同步通信（同步、异步 结合）

同步
发送方 用系统 时钟前沿 发信号
接收方 用系统 时钟后沿 判断、识别

异步
允许不同速度的模块和谐工作
增加一条 “等待”响应信号 WAIT

以输入数据为例的半同步通信时序

分离式通信

上述三种通信的共同点，一个总线传输周期（以输入数据为例）
1.主模块发地址、命令，占用总线
2.从模块准备数据，不占用总线总线空闲
3.从模块向主模块发数据 占用总线

分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力

分离式通信特点
1.各模块有权申请占用总线
2.采用同步方式通信，不等对方回答
3.各模块准备数据时，不占用总线
4.总线被占用时，无空闲
充分提高了总线的有效占用

第五节：存储器

存储器分类

按存储介质分类

（1）半导体存储器 TTL，MOS 易失
（2）磁表面存储器 磁头、载磁体 非易失
（3）磁芯存储器 硬磁材料、环状元件 非易失
（4）光盘存储器 激光、磁光材料 非易失

按存取方式分类

（1）存取时间与物理地址无关（随机访问）
随机存储器 在程序的执行过程中可读可写
只读存储器 在程序的执行过程中只读
（2）存取时间与物理地址有关（串行访问）
顺序存取存储器 磁带
直接存取存储器 磁盘

按在计算机中的作用分类

存储器的层次结构

存储器三个主要特性的关系

缓存 主存层次和主存 辅存层次