计算机组成原理学习笔记

第一章 计算机系统概论

1.1 计算机系统的基本组成

  • 硬件系统：由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。
    • 运算器：完成算术运算和逻辑运算，是计算机的核心计算部件。
    • 控制器：指挥计算机各部件协调工作，是计算机的控制中心。
    • 存储器：存储程序和数据，分为内存和外存。
    • 输入设备：将外部信息转换为计算机能处理的形式，如键盘、鼠标。
    • 输出设备：将计算机处理结果转换为人类可识别的形式，如显示器、打印机。
  • 软件系统：包括系统软件和应用软件。
    • 系统软件：如操作系统、编译程序等，管理和维护计算机资源。
    • 应用软件：为特定应用目的开发的软件，如Word、Photoshop。

1.2 计算机系统的层次结构

  1. 微程序级：硬件直接实现的最低层。
  2. 机器语言级：计算机能直接执行的二进制指令。
  3. 操作系统级：管理硬件和软件资源的层次。
  4. 汇编语言级：用助记符表示的指令系统。
  5. 高级语言级：如C、Java等面向用户的编程语言。

1.3 计算机的性能指标

  • 主频：CPU的时钟频率，单位为Hz，主频越高，运算速度越快。
  • 字长：CPU一次能处理的二进制位数，如32位、64位。
  • 运算速度：用MIPS（每秒百万条指令）或FLOPS（每秒浮点运算次数）衡量。
  • 存储容量：内存和外存的存储能力，单位有KB、MB、GB等。

第二章 计算机的发展与应用

2.1 计算机的发展历程

  1. 第一代（1946-1957）：电子管计算机，体积大、功耗高、速度慢。
  2. 第二代（1958-1964）：晶体管计算机，体积缩小、性能提高。
  3. 第三代（1965-1971）：集成电路计算机，可靠性增强、成本降低。
  4. 第四代（1972-至今）：大规模和超大规模集成电路计算机，性能大幅提升。
  5. 第五代（未来）：人工智能计算机，具有智能处理能力。

2.2 计算机的应用领域

  • 科学计算：如气象预报、核物理研究等。
  • 数据处理：如企业管理、金融交易等。
  • 过程控制：如工业自动化、机器人控制等。
  • 计算机辅助系统：如CAD、CAM、CAI等。
  • 人工智能：如机器学习、自然语言处理等。
  • 网络应用：如互联网、物联网等。

第三章 存储器

3.1 存储器的分类

  • 按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储器、光存储器。
  • 按存取方式分：随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、顺序存储器（SAM）。
  • 按在计算机中的作用分：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器（Cache）。

3.2 主存储器的组成与工作原理

  • 组成：存储体、地址寄存器、数据寄存器、译码驱动电路和读写电路。
  • 工作原理：CPU通过地址总线发送地址信号，译码电路选中对应存储单元，通过数据总线进行读写操作。

3.3 高速缓冲存储器（Cache）

  • 作用：解决CPU与主存速度不匹配的问题，提高访存效率。
  • 工作原理：将CPU近期可能用到的数据和指令复制到Cache中，CPU先访问Cache，命中则直接获取数据，未命中则从主存读取。
  • 映射方式：直接映射、全相联映射、组相联映射。

3.4 虚拟存储器

  • 概念：将主存和辅存统一管理，为用户提供一个比实际主存大得多的逻辑地址空间。
  • 实现方式：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器。

第四章 计算机的运算方法

4.1 数值数据的表示

  • 二进制：计算机中最基本的数值表示形式。
  • 原码：最高位为符号位，其余位表示数值的绝对值。
  • 补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是原码除符号位外取反加1。
  • 反码：正数的反码与原码相同，负数的反码是原码除符号位外取反。
  • 移码：在补码的基础上，将符号位取反。

4.2 定点数的运算

  • 加法：补码加法规则为[X+Y]补 = [X]补 + [Y]补。
  • 减法：转化为加法运算，[X-Y]补 = [X]补 + [-Y]补。
  • 乘法：原码乘法和补码乘法，采用移位和加法实现。
  • 除法：原码除法和补码除法，采用移位和减法实现。

4.3 浮点数的运算

  • 浮点数表示：由阶码和尾数两部分组成，如IEEE 754标准。
  • 运算步骤：对阶、尾数加减、规格化、舍入和溢出处理。

第五章 指令系统

5.1 指令格式

  • 组成：操作码和地址码。
    • 操作码：指明指令的操作类型，如加法、减法等。
    • 地址码：指明操作数的地址或来源。
  • 分类：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令。

5.2 寻址方式

  • 立即寻址：操作数直接在指令中给出。
  • 直接寻址：指令中的地址码直接指向主存中的存储单元。
  • 间接寻址：指令中的地址码指向主存中的一个地址，该地址再指向操作数。
  • 寄存器寻址：操作数在寄存器中。
  • 寄存器间接寻址：寄存器中的值为操作数的地址。
  • 变址寻址：有效地址等于变址寄存器的值加上形式地址。
  • 基址寻址：有效地址等于基址寄存器的值加上形式地址。

5.3 指令类型

  • 数据传送类：如MOV、LOAD、STORE等。
  • 算术运算类：如ADD、SUB、MUL、DIV等。
  • 逻辑运算类：如AND、OR、NOT、XOR等。
  • 程序控制类：如JMP、CALL、RET、BRANCH等。
  • 输入输出类：如IN、OUT等。

第六章 CPU的结构和功能

6.1 CPU的基本组成

  • 运算器：完成算术和逻辑运算。
  • 控制器：包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序产生器和操作控制器。
  • 寄存器组：包括通用寄存器、专用寄存器（如PC、IR）等。

6.2 指令执行过程

  1. 取指令：从内存中取出指令送到指令寄存器。
  2. 指令译码：分析指令的操作类型和操作数地址。
  3. 计算操作数地址：根据寻址方式计算操作数的有效地址。
  4. 取操作数：从内存或寄存器中取出操作数。
  5. 执行指令：完成指令规定的操作。
  6. 保存结果：将结果存入指定的寄存器或内存单元。
  7. 更新PC：指向下一条指令的地址。

6.3 时序控制

  • 同步控制：采用统一的时钟信号，所有操作在时钟周期的控制下完成。
  • 异步控制：没有统一的时钟信号，操作的完成时间由各部件自身的状态决定。
  • 联合控制：结合同步和异步控制的优点。

6.4 微程序控制

  • 微指令：控制计算机完成一步操作的命令。
  • 微程序：由微指令组成的序列，实现一条机器指令的功能。
  • 微程序控制器：包括控制存储器、微指令寄存器和微地址形成部件。