计算机组成原理是广播电视大学计算机专业本科生核概要.ppt

计算机组成原理计算机组成原理是是广播电视大学计算机专业广播电视大学计算机专业本科生核心硬件课程，必本科生核心硬件课程，必修。修。本课程重点是讲授简本课程重点是讲授简单、单台计算机的基本组单、单台计算机的基本组成原理与内部运行机制。成原理与内部运行机制。课程内容的工程性、课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，技术性、实用性都比较强，因此，在传授计算机组成的因此，在传授计算机组成的原理性知识之外，还应有较原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。多的设计与实验技能训练。完成教学实验和完成教学实验和平时的课外作业是可以进平时的课外作业是可以进入考试的入考试的先决条件先决条件之一，之一，这两项成绩占课程总成绩这两项成绩占课程总成绩的的20%20%的比例，很重要。的比例，很重要。主教材是本课程最主要主教材是本课程最主要的教学媒体，是教学及考试的教学媒体，是教学及考试的基本依据。本课程教学大的基本依据。本课程教学大纲规定的具体内容，主要将纲规定的具体内容，主要将通过本教材体现出来。通过本教材体现出来。期末考试主要考核同学对该期末考试主要考核同学对该课程中原理性和技术方面的课程中原理性和技术方面的知识的掌握程度。考试只限知识的掌握程度。考试只限于第于第2 2到第到第5 5章内容。具体以章内容。具体以每章的每章的“本章主要教学内容本章主要教学内容”中叙述为依据。中叙述为依据。参照平时所留作业题目参照平时所留作业题目和和“计算机组成原理计算机组成原理”试题试题类型及解答。要强调，注意类型及解答。要强调，注意力不应放在实例、线路的具力不应放在实例、线路的具体内容。要掌握组成的原理体内容。要掌握组成的原理知识，技术思路内容。知识，技术思路内容。附附 录录 计算机组成原理计算机组成原理 试题类型及解试题类型及解答答 数制转换，定点小数和数制转换，定点小数和整数的原、反、补码表示；整数的原、反、补码表示；补码加减运算，原码一补码加减运算，原码一位乘除运算，浮点数表示和位乘除运算，浮点数表示和运算等是重点内容。运算等是重点内容。一一（1010分）分）1 1 将将十十进进制制数数 +107/128+107/128 和和 5252化化成成二二进进制制数数，再再写写出出各各自自的的原原码码、反反码码、补补码码表表示示（符符号号位位和和数数值值位位共共8 8位位）。答案：答案：+107/128=0.1101011+107/128=0.1101011 52=52=110100110100 原码原码 01101011 01101011 1011010010110100 反码反码 01101011 01101011 1100101111001011 补码补码 01101011 01101011 1100110011001100考核的知识点：考核的知识点：（1 1）十进制的小数、整数）十进制的小数、整数转换为二进制数转换为二进制数 （2 2）二进制的小数、整数）二进制的小数、整数的原码、反码、补码表示的原码、反码、补码表示 转换转换 +107/128+107/128 的巧性。的巧性。（1010分）分）3.3.设设 A=A=0.101101 0.101101 2 2-3-3,B=0.101001 B=0.101001 2 2-2-2,首先将首先将A A、B B表示为规格化表示为规格化的浮点数；的浮点数；要求阶码用要求阶码用4 4位位（含阶符号）移码表示，尾（含阶符号）移码表示，尾数用数用8 8位（含浮点数的符号）位（含浮点数的符号）原码表示；再写出原码表示；再写出A+BA+B的计的计算步骤和每一步的运算结果。算步骤和每一步的运算结果。答案：答案：0.101101 0.101101 2 2-3-3的浮点数的浮点数的格式：的格式：1 0101 1011010 1 0101 1011010 101001 101001 2 2-2-2 的浮点数的的浮点数的格式：格式：0 0110 10100100 0110 1010010 计算计算A+BA+B：(1)(1)求阶差：求阶差：E E =0101 01010110 0110 =0001=0001(2)(2)对阶：对阶：A A变变 为为 1 1 0110 0110 0101101001011010(3)(3)尾数相加，用双符号位尾数相加，用双符号位 11 10100110 11 10100110 +00 1010010 +00 1010010 00 0100101 00 0100101(4)(4)规格化：左规，尾数规格化：左规，尾数为为 0 1001010 0 1001010，阶码为，阶码为01010101(5)(5)无舍入操作，亦不溢出，无舍入操作，亦不溢出，故最的终浮点数格式故最的终浮点数格式的的 结果：结果：0 0101 10010100 0101 1001010，即即 +0.1001010+0.1001010 2 2-3 3。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）补码加减法运算补码加减法运算（2 2）浮点数格式与表示；浮点数格式与表示；（3 3）浮点数的加、减运算。浮点数的加、减运算。（4 4）规格化，隐藏位）规格化，隐藏位 数据编码的某些概念也数据编码的某些概念也该掌握，例如二该掌握，例如二-十进制编十进制编码（码（BCDBCD码），位权、有权码），位权、有权码与无权码，检错纠错码的码与无权码，检错纠错码的实现思路等。实现思路等。定点运算器的功能、组定点运算器的功能、组成、控制与使用办法应原理成、控制与使用办法应原理性的掌握，但并不要求记住性的掌握，但并不要求记住Am2901Am2901芯片这个具体运算器芯片这个具体运算器实例的有关内容；实例的有关内容；（1010分）分）2.2.按你的理解，按你的理解，画出一个相对完整的定点运画出一个相对完整的定点运算器的示意组成框图，包括算器的示意组成框图，包括入出数据和基本的控制信号。入出数据和基本的控制信号。答案：（略）答案：（略）考核的知识点：考核的知识点：(1)(1)定点运算器功能与组成：定点运算器功能与组成：算逻运算部件算逻运算部件ALUALU，多累计器多累计器GRGR，乘商寄存器乘商寄存器(2)(2)运算器的控制与使用。运算器的控制与使用。对指令系统的要求，指对指令系统的要求，指令的功能安排，指令格式和令的功能安排，指令格式和寻址方式内容是重点。寻址方式内容是重点。控制器的功能与组成控制器的功能与组成（包括微程序的和组合逻辑（包括微程序的和组合逻辑的控制器）的控制器）二二 （8 8分）分）1.1.举例说明举例说明计算机中常用的四种寻址方计算机中常用的四种寻址方式（寄存器寻址，寄存器间式（寄存器寻址，寄存器间接寻址，变址寻址，堆栈寻接寻址，变址寻址，堆栈寻址），从形式地址到得到操址），从形式地址到得到操作数的寻址处理过程。作数的寻址处理过程。答案：答案：（1 1）寄存器寻址，形式地）寄存器寻址，形式地址为寄存器名（或编号），址为寄存器名（或编号），寄存器中的内容为操作数；寄存器中的内容为操作数；（2 2）寄存器间接寻址，）寄存器间接寻址，形式地址为寄存器形式地址为寄存器名（或编号），寄存器中的名（或编号），寄存器中的内容为操作数的地址，再读内容为操作数的地址，再读一次内存得到操作数；一次内存得到操作数；（3 3）变址寻址，形式地址）变址寻址，形式地址为变址寄存器名（或编号）为变址寄存器名（或编号）和变址偏移值，把变址寄存和变址偏移值，把变址寄存器中内容与变址偏移值相加器中内容与变址偏移值相加得到操作数的地址，再读一得到操作数的地址，再读一次内存得到操作数；次内存得到操作数；（4 4）堆栈寻址，通常形式）堆栈寻址，通常形式地址为将写入堆栈的、或接地址为将写入堆栈的、或接收堆栈读出内容的寄存器名收堆栈读出内容的寄存器名（或编号），指令中不直接（或编号），指令中不直接给出内存地址，用默认堆栈给出内存地址，用默认堆栈指针指针SPSP，修改，修改SPSP操作。操作。考核的知识点：考核的知识点：(1)(1)指令格式与指令中指令格式与指令中的操作数地址表示；的操作数地址表示；(2)(2)形式地址与实际地形式地址与实际地址的概念；址的概念；(3)(3)寻址的处理过程。寻址的处理过程。指令的执行步骤等要确指令的执行步骤等要确实掌握，这在作业、实验、实掌握，这在作业、实验、模拟试题中有明确体现。包模拟试题中有明确体现。包括微程序的和组合逻辑的控括微程序的和组合逻辑的控制器中用到的一些重要部件制器中用到的一些重要部件的有关内容。的有关内容。（1010分）分）2 2原理性地说明原理性地说明 ADD R0,R1ADD R0,R1指令指令、条件相对转移指令的指条件相对转移指令的指令令格式和执行步骤。格式和执行步骤。答案：答案：ADD R0ADD R0，R1R1，指令格式和内容：指令格式和内容：指令中给出操作码和指令中给出操作码和R0R0、R1R1的编号；的编号；指令执行步骤：指令执行步骤：（1 1）程序计数器（）程序计数器（PCPC）的）的内容送地址寄存器内容送地址寄存器（2 2）读内存，读出内容送）读内存，读出内容送指令寄存器（指令寄存器（IRIR）；）；PCPC内容内容+1+1（增量）；（增量）；（3 3）R0R0、R1R1送送ALUALU，ALUALU执执行加运算，运算结果存回行加运算，运算结果存回R0R0寄存器；寄存器；保存运算结果的保存运算结果的特征状态。特征状态。（4 4）检查有无中断请求，检查有无中断请求，有，则响应中断，无则转入有，则响应中断，无则转入下一条指令的执行过程。下一条指令的执行过程。条件相对转移指令，条件相对转移指令，指令中给出操作码和相对转指令中给出操作码和相对转移偏移值，条件转移要依据移偏移值，条件转移要依据的转移判断条件；指令的执的转移判断条件；指令的执行步骤：其中（行步骤：其中（1 1）、（）、（2 2）步的取指和最后一步的判中步的取指和最后一步的判中断同前一条指令的处理；断同前一条指令的处理；（3 3）执行条件转移指令时，）执行条件转移指令时，要判别指定的条件，要判别指定的条件，若为真，若为真，才执行：尚未修才执行：尚未修改的改的PCPC内容送内容送ALUALU，相对转，相对转移偏移值送移偏移值送ALUALU，ALUALU执行执行加操作，结果送入加操作，结果送入PCPC；否则顺序执行下条指令；否则顺序执行下条指令；考核的知识点：考核的知识点：（1 1）典型指令的指令格式典型指令的指令格式设计；设计；（2 2）典典型型指指令令的的执执行行步步骤骤设计；设计；（1212分）分）3 3说明计算机的组合逻说明计算机的组合逻辑控制器和微程序控制器在辑控制器和微程序控制器在组成和运行原理两个方面的组成和运行原理两个方面的同异之处，比较它们的优缺同异之处，比较它们的优缺点点答案：答案：组合逻辑的控制组合逻辑的控制器和微程序的控制器是计算器和微程序的控制器是计算机中两种不同类型的控制器，机中两种不同类型的控制器，其共同点是：基本功能都是其共同点是：基本功能都是提供计算机各个部件协同运提供计算机各个部件协同运行所需要的控制信号，行所需要的控制信号，组成部分都有程序组成部分都有程序计数器计数器PCPC，指令寄存器，指令寄存器IRIR，都分成几个执行步骤完成每都分成几个执行步骤完成每一条指令的具体功能；一条指令的具体功能；不同点主要表现在：不同点主要表现在：处理指令执行步骤的办法，处理指令执行步骤的办法，提供控制信号的方案不一样，提供控制信号的方案不一样，THANK YOUSUCCESS2024/4/22 周一41可编辑 组合逻辑控制器是组合逻辑控制器是用节拍发生器指明指令执行用节拍发生器指明指令执行步骤，用组合逻辑电路直接步骤，用组合逻辑电路直接给出应提供的控制信号，给出应提供的控制信号，其优点是运行速度明显地快，其优点是运行速度明显地快，缺点是设计与实现复杂些，缺点是设计与实现复杂些，大规模现场可编程电路出现，大规模现场可编程电路出现，该缺点已得到很大缓解；该缺点已得到很大缓解；微程序的控制器是微程序的控制器是通过微指令地址的衔接区分通过微指令地址的衔接区分指令执行步骤，应提供的控指令执行步骤，应提供的控制信号是从控制存储器中读制信号是从控制存储器中读出来的，并经过一个微指令出来的，并经过一个微指令寄存器送到被控制部件的，寄存器送到被控制部件的，其缺点是运行速度要慢一些，其缺点是运行速度要慢一些，优点是设计与实现简单些，优点是设计与实现简单些，易于用于实现系列计算机产易于用于实现系列计算机产品的控制器，理论上可实现品的控制器，理论上可实现动态微程序设计。动态微程序设计。考核的知识点：考核的知识点：(1)(1)组合逻辑和微程序的两组合逻辑和微程序的两种控制器功能与组成；种控制器功能与组成；(2)(2)组合逻辑和微程序的控组合逻辑和微程序的控制器的运行原理；制器的运行原理；(3)(3)组组合合逻逻辑辑和和微微程程序序控控制制器的应用场合与优缺点。器的应用场合与优缺点。多级存储器系统的多级存储器系统的基本组成，各级存储器所用基本组成，各级存储器所用介质的特性，多级结构存储介质的特性，多级结构存储器结构应满足的原则，以及器结构应满足的原则，以及它得以高效运行的原理。它得以高效运行的原理。三三 （1010分）分）1 1说明多级结构说明多级结构的存储器系统是建立在什么的存储器系统是建立在什么原理之上的？解释什么是多原理之上的？解释什么是多级结构存储器系统中的一致级结构存储器系统中的一致性原则和包含性原则？性原则和包含性原则？答案：建立在程序运行的局答案：建立在程序运行的局部性原理之上的，可以按所部性原理之上的，可以按所使用的指令和数据的急迫和使用的指令和数据的急迫和频繁程度，将其存入容量、频繁程度，将其存入容量、速度、价格不同的存储器中，速度、价格不同的存储器中，取得更高性能价格比。取得更高性能价格比。一致性原则，指保一致性原则，指保存在不同级的存储器中同一存在不同级的存储器中同一个数据必须有相同的值；个数据必须有相同的值；包含性原则，保存包含性原则，保存在内层存储器（靠近在内层存储器（靠近CPUCPU）中的数据定也被保存在外层。中的数据定也被保存在外层。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）多级结构的存储多级结构的存储器系统的运行原理；器系统的运行原理；（2 2）多多级级结结构构存存储储器器系系统统运运行行的的必必备备条条件件（基基本本原原则）；则）；主存储器（动、静主存储器（动、静态芯片，多体结构）、高速态芯片，多体结构）、高速缓冲存储器（缓冲存储器（3 3种组成、映种组成、映射射 和命中率）、虚拟存储和命中率）、虚拟存储器（地址变换：段表、页表）器（地址变换：段表、页表）各自的组成与运行原理；各自的组成与运行原理；（1010分）分）2.2.用用16K 16K 8 bit 8 bit 的静态器件实现的静态器件实现64K 64K 16 16 bitbit的主存储器系统，按字的主存储器系统，按字寻址，设计并画出主存储器寻址，设计并画出主存储器的逻辑框图，地址和数据总的逻辑框图，地址和数据总线的位数，与线的位数，与CPUCPU连接关系。连接关系。答案：答案：所用器件容量为所用器件容量为16K 16K 8 bit 8 bit，实现，实现64K64K容量，要容量，要用用4 4片芯片实现容量扩展，片芯片实现容量扩展，实现实现1616位字长，每个字用位字长，每个字用2 2片芯片实现，故该主存总计片芯片实现，故该主存总计用用8 8片存储器芯片实现。片存储器芯片实现。要寻址要寻址64K64K字，内存地字，内存地址应为址应为1616位；位；CPUCPU与内存字长为与内存字长为1616位，故数据总线也应为位，故数据总线也应为1616位。位。读写控制信号送到每读写控制信号送到每个内存片，省略未画。个内存片，省略未画。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）动、静态芯片特性动、静态芯片特性 （2 2）内存与内存与CPUCPU连接；连接；（3 3）存储器字、位扩展；存储器字、位扩展；（4 4）高高速速缓缓冲冲存存储储器器系系统统的实现和读写原理。的实现和读写原理。外存储设备（磁盘、外存储设备（磁盘、磁带、光盘）的组成与使用，磁带、光盘）的组成与使用，有关磁盘阵列和容错方面的有关磁盘阵列和容错方面的知识要掌握，属于概念性知知识要掌握，属于概念性知识较多。以作业和模拟试题识较多。以作业和模拟试题的有关题目为参照。的有关题目为参照。计算机输入计算机输入/输出输出子系统的组成、功能、运行子系统的组成、功能、运行方式、具体使用方法等为主方式、具体使用方法等为主线索，包括计算机总线、输线索，包括计算机总线、输入入/输出接口和输入输出接口和输入/输出设输出设备备3 3个层次的逻辑部件和设个层次的逻辑部件和设备。备。包括必要的一些原包括必要的一些原理性知识，更多地从实用的理性知识，更多地从实用的角度，来掌握上述有关内容。角度，来掌握上述有关内容。各项实例是为深入理解原理，各项实例是为深入理解原理，不必记忆这些实例本身的具不必记忆这些实例本身的具体细节内容。体细节内容。通用可编程接口的通用可编程接口的一般组成，常用的输入一般组成，常用的输入/输输出方式，重点是程序中断和出方式，重点是程序中断和直接内存访问（直接内存访问（DMADMA）方式。）方式。以作业和模拟试题的有关题以作业和模拟试题的有关题目为参照。目为参照。四四 （1010分）分）1 1说明通用可编说明通用可编程输入程输入/输出接口中应包括输出接口中应包括哪些组成部件，各自的功能，哪些组成部件，各自的功能，通用可编程接口一词中的通通用可编程接口一词中的通用和可编程是何含义。用和可编程是何含义。答案：答案：设备识别电路，设备识别电路，用于用于CPUCPU找到要用的设备；找到要用的设备；数据缓冲（输入数据缓冲（输入/输出）输出）寄存器，用于解决寄存器，用于解决CPUCPU与设与设备间交换数据时的缓冲问题备间交换数据时的缓冲问题 控制寄存器，用于存控制寄存器，用于存放放CPUCPU送到接口的控制命令送到接口的控制命令等；等；状态寄存器，指出设状态寄存器，指出设备的运行状态，供备的运行状态，供CPUCPU查询；查询；中断逻辑电路，用中断逻辑电路，用于记忆中断请求，处理屏蔽于记忆中断请求，处理屏蔽中断，响应中断及处理等；中断，响应中断及处理等；其它可能有关的电路其它可能有关的电路（如电平转换、串并行转换（如电平转换、串并行转换等）等）通用可编程接口一通用可编程接口一词中的通用，是指该接口电词中的通用，是指该接口电路有多种功能和用法，可编路有多种功能和用法，可编程则指可以用计算机指令指程则指可以用计算机指令指定该接口的功能、运行方式、定该接口的功能、运行方式运行控制参数等。运行控制参数等。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）接口中的功能电路；接口中的功能电路；（2 2）通用、可编程接口电通用、可编程接口电路中的有关概念；路中的有关概念；（3 3）通通用用、可可编编程程接接口口电电路的初始化和使用问题；路的初始化和使用问题；输入输入/输出设备的输出设备的种类繁多，特别强调以点阵种类繁多，特别强调以点阵式方式运行的设备的组成及式方式运行的设备的组成及其工作原理。其工作原理。（5 5分）分）2.2.说明激光打印说明激光打印机原理性组成和完成打印操机原理性组成和完成打印操作的运行过程；作的运行过程；答案：答案：激光打印机原理性激光打印机原理性组成，记录鼓，带电器，印组成，记录鼓，带电器，印字机控制器，碳粉盒，走纸字机控制器，碳粉盒，走纸机构，转印装置，加热部分机构，转印装置，加热部分等等 打印操作的运行过打印操作的运行过程：带电器在记录鼓表面充程：带电器在记录鼓表面充一层电荷，印字机控制器把一层电荷，印字机控制器把要打印的内容（如字符）的要打印的内容（如字符）的点阵信息以激光束的形式照点阵信息以激光束的形式照射到已带电的记录鼓表面，射到已带电的记录鼓表面，以放掉无打印点要求的全部以放掉无打印点要求的全部位置上的电荷，位置上的电荷，当记录鼓转动到碳当记录鼓转动到碳粉盒处，有打印点要求的位粉盒处，有打印点要求的位置上的电荷会将碳粉吸引上置上的电荷会将碳粉吸引上来，来，当记录鼓某区域转当记录鼓某区域转动到转印装置处时，打印纸动到转印装置处时，打印纸正处在记录鼓和转印装置之正处在记录鼓和转印装置之间，转印装置上所加的更强间，转印装置上所加的更强的反向电荷将把记录鼓上所的反向电荷将把记录鼓上所带有字形碳粉吸引到打印纸带有字形碳粉吸引到打印纸上，上，加热部分将把纸上加热部分将把纸上的碳粉熔化并烘干，使已在的碳粉熔化并烘干，使已在打印纸上的字形牢固地保存打印纸上的字形牢固地保存下来，完成了打印过程。下来，完成了打印过程。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）激光打印机组成；）激光打印机组成；（2 2）激光打印机完成打印）激光打印机完成打印操作的运行过程；操作的运行过程；（3 3）最常用的输入）最常用的输入/输出设输出设备的组成及其运行原理。备的组成及其运行原理。总线组成的一般浅总线组成的一般浅显知识，总线使用中通常会显知识，总线使用中通常会遇到的基本概念，如单总线遇到的基本概念，如单总线与多总线、总线周期与总线与多总线、总线周期与总线周期类型、总线的等待状态、周期类型、总线的等待状态、成组数据传送方式等内容。成组数据传送方式等内容。（5 5分）分）3.3.总线上的总线上的BURSTBURST传传送方式（成组数据传送）与送方式（成组数据传送）与正常传送方式的区别是什么正常传送方式的区别是什么?简要说明一次中断的响应简要说明一次中断的响应与处理过程。与处理过程。答案：答案：BURSTBURST传送方式是传送方式是一次地址时间跟多次数据时一次地址时间跟多次数据时间，高速完成一组（多个）间，高速完成一组（多个）数据传送；正常传送方式是数据传送；正常传送方式是通过一次地址时间跟一次数通过一次地址时间跟一次数据时间完成一个数据传送；据时间完成一个数据传送；中断的响应与处理：中断的响应与处理：有中断请求时，若有中断请求时，若系统允许中断，系统允许中断，CPUCPU处理的处理的程序优先级比请求的中断优程序优先级比请求的中断优先级低，又到指令执行结束先级低，又到指令执行结束时刻，则时刻，则CPUCPU将可响应中断。将可响应中断。处理中断过程：处理中断过程：关中断；保存断点和现场；关中断；保存断点和现场；判中断源并转服务程序；判中断源并转服务程序；开中断；执行中断服务程序；开中断；执行中断服务程序；关中断；恢复现场和断点；关中断；恢复现场和断点；开中断；返回断点。开中断；返回断点。考核的知识点：考核的知识点：（1 1）总线的工作方式；）总线的工作方式；（2 2）响应中断条件与时刻；）响应中断条件与时刻；（3 3）一次中断处理过程。）一次中断处理过程。（4 4）常用的输入）常用的输入/输出方式；输出方式；（5 5）DMADMA接口及工作过程接口及工作过程aTHANK YOUSUCCESS2024/4/22 周一81可编辑