计算机组成原理知识点汇总

计算机组成原理知识点汇总

本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。如果您正在学习计算机体系结构，可以按照本文的知识点进行扩展学习。

计算机体系结构

一、 发展历史

1. 1946 ENIAC

2. 冯诺依曼 EDVAC

1) 计算机思想：

二进制

存储控制

2) 计算机组成

控制器

运算器

存储器

输入

输出

3) 时间轴

a) 代际划分

第一代计算机 1946-1957 电子管

1

第二代计算机 1958-1964 晶体管

第三代计算机 1965-1972 中、小规模集成电路

第四代计算机 1972~至今 超大规模集成电路

b) 我国计算机发展

2009 研发出天河一号

2010 天河一号 A 成为最快计算机

2017 神威 太湖一号 位于榜首

4) 辅助技术：

CAD

CAM

CAE

CAI

CIMS

二、 相关计算

1. 容量单位

1B=8 bit

1KB = 2^10 B= 1024 B

TB PB EB ZB YB BB NB DB

2. 进制转换

2

1) 二进制、八进制、十进制、十六进制

2) 换算方法：

统一换算成十进制，在转换为其他进制

十进制转换为二进制 十进制除以2 保留余数倒数

3) 各个进制的小数点转换：

当前位数的值 *（1/(进制^位数)）

3. 二进制码表示

1) 原码：

表示范围 -2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1

如8位的 就是-127~127

2) 反码：

正数的反码等于补码

负数的反码等于除符号位以外取反

3) 补码：

正数的补码=反码

负数的补码=反码+1

表示范围 -2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1

如8位的就是 -128~127 -128的补码是1000000 人为规定

4) 移码

3

补码的符号位取反

5) 特性

0 0的补码、移码 相同

6) 运算

原码运算

反码运算

补码运算

4. 校验码

1) 奇偶校验码：

根据1的位数 1位数为奇数则是奇数校验码

2) 循环冗余 CRC：

多项式 模2除法 只能检错 不能纠错

3) 海明校验码：

有纠错功能

5. ASCII编码

1) 汉字编码

6. 浮点数表示

三、 中央处理器 CPU

1. 组成结构

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1) 运算器

a) 作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理

b) 组成：

i.

ii.

iii.

算术与逻辑计算单元 ALU

累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）

状态字寄存器 PSW：

表征当前运算的状态及程序的工作方式

一个保存各种状态条件标志的寄存器

保存中断和系统工作状态等信息

iv.

v.

2) 控制器

a) 作用：

取指令

分析指令

执行指令

b) 指令的组成

指令码

操作码

c) 内部寄存器

i. 程序计数器 PC

保存下一条指令的地址

寄存器组

多路转换器

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ii. 指令寄存器 IR

保存当前执行的指令地址

iii. 指令译码器

对IR中的指令的操作码进行译码

iv. 关系

从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行

3) 寄存器组

a) 数据寄存器 DR

i.

ii.

暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字

作用

作为CPU与外部存储设备的中转站

弥补CPU与外部存储设备的速度差异

b) 地址寄存器 AR

用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕

4) 内部总线

2. 指令系统

1) 周期

a) 时钟周期：

振荡周期 计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作

b) 机器周期：完成一项基本操作的时间

c) 指令周期：完成一条指令需要的时间

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2) 周期关系

一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期

指令周期>机器周期>时钟周期

3) 流水线技术 Pipeline

程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术

4) 指令集

a) 复杂指令集 CISC

i.

ii.

iii.

iv.

v.

vi.

vii.

指令系统复杂，指令数目多

设有专用寄存器

指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多

可访存指令不受限制

各种指令的执行时间差大

采用微程序控制器

难以用优化编译生成高效的目标代码

b) 精简指令集 RISC

i.

ii.

iii.

iv.

v.

vi.

vii.

选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令

指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少

只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成

CPU 中有多个通用寄存器

采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成

控制器采用组合逻辑控制为主

采用优化编译技术

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3. 寻址方式

1) 数据寻址

a) 立即寻址：操作数包含在指令中

b) 直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址

c) 间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址

d) 寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名

e) 寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中

f) 变址寻址：

指令给出的形式地址 A 与编制寄存器 Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；

应用广泛 如一组连续存放在主存中的数据

g) 基址寻址

基址寄存器 Rb 的内容与形式地址 A 相加，形成操作数有效地址；

基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；

变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；

基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间

h) 相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器 PC 提供基准地址

i) 隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中

j) 堆栈寻址

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2) 指令寻址

a) 顺序寻址：程序计数器 PC +1

b) 跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址 方式，它通过转移类指令实现

4. 性能指标

1) 主频

a) 计算机的时钟频率

b) 时钟周期=1/主频

c) 单位是GHz

d) 时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns

2) 字长 8位 32位 64位

3) MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数

4) MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况

5) CPI：每条指令的时钟周期数

6) 平均无故障时间 MTBF：

Mean Time Between Failure

多次相继失效之间的平均时间 该指标和故障率衡量系统的可靠性

7) 平均修复时间 MTTR：

多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。该指标和修复率用来衡量系统的可维护性

四、 存储体系

1. 存储介质

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1) 半导体存储器

2) 磁介质存储器：硬盘、软盘、磁带

3) 激光光盘存储器

2. 组成

1) CACHE 高速缓冲存储器

a) 特点：

位于CPU与主存之间 弥补速度差异

保存部分内存内容的副本

b) 组成（静态 SRAM）：

使用晶体管存储数据 不需要刷新电路就能保存数据；

性能强 体积大 集成度低 功耗大

2) 主存

a) 存储器类型

i. 随机存储器 RAM Random Access Memory（动态 DRAM）：

使用电容存储 需要隔段时间刷新 行刷新

体积小 速度不及SRAM

ii. 只读存储器 ROM Read Only Memory

MROM

PROM：可编程只读存储器

EPROM：

可擦除的可编程只读存储器

紫外线照射15-20分钟擦除信息

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EEPROM：电可擦除的可编程只读存储器

闪存 Flash Memory

b) 构成

存储体

控制线路

地址寄存器

数据寄存器

地址译码器

3) 辅存

a) SSD 固态硬盘

b) 机械硬盘

c) 移动存储 U盘

d) 光盘：

DVD-RAM

DVD-RM

CD-R

CD-RW

e) 软盘

f) 磁带

4) 速度关系：

寄存器>CACHE>主存>辅存 寄存器属于CPU CACHE不属于CPU

3. CPU与I/O交换数据的控制方式

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1) 程序查询方式

CPU执行查询指令查询外设的状态，等外设准备好以后进行输入、输出

CPU主动轮询

2) 中断方式

外设准备好接收或发送数据时发出终端请求，CPU不需要主动查询外设状态；

外设通知CPU

3) 直接主存存取 DMA

数据传送过程直接在内存和外设间进行，不需要CPU参与

4) 通道方式

五、 总线

1. 字长：同一时间处理二进制的位数 8位CPU 32位CPU 64位CPU

2. 基本定义：

1) 位：计算机存储的最小单位

2) 字节：1个字节是8个相邻二进制位组成的，是计算机存储中的基本单位，也是数据处理的基本单位

3) 字：CPU通过数据总线一次存取、加工和传送时作为一个单位的一组二进制数

4) 字长：

字长是每个字包含的位数；

计算机的字长决定CPU一次处理实际位数的多少，字长越大，性能越优。

3. 数据总线

1) 特点

a) 是CPU与内存或其他器件之间的数据传送的通道

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b) 数据总线的宽度决定了CPU和外界的数据传送速度

c) 每条传输线一次只能传输1位二进制数据。eg: 8根数据线一次可传送一个8位二进制数据(即一个字节)

d) 数据总线是数据线数量之和

4. 地址总线

1) 特点

a) CPU是通过地址总线来指定存储单元的

b) 地址总线决定了cpu所能访问的最大内存空间的大小。eg: 10根地址线能访问的最大的内存为1024位二进制数据（1024个内存单元）(1B)

c) 一根线访问一个字节 1B

d) 地址总线是地址线数量之和。

2) 地址总线的宽度决定CPU的寻址能力；

5. 内存空间与地址、数据总线的关系

1) 存储器的存储总量 = 存储单元个数×存储单元大小 固定为8位byte

2) 存储单元个数=2^地址总线位数

3) 存储字长和数据总线位数有关，存储字长的意思是：一个存储单元存储一串二进制代码(存储字)，这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等

6. 性能指标

1) 位宽：能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，32位、64位等。

2) 带宽：单位时间上传送的数据量，即每秒钟传送的最大稳态数据传输率

3) 工作频率：工作时钟频率以MHz为单位。

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7. 存储容量扩充

1) 图例

2) 位扩充：

增加存储字长

增加数据线

3) 字扩充

增加存储单元个数

增加地址线

4) 字位扩充

先进行位扩充再进行字扩充

地址线和数据线都增加

8. 控制总线

1) 特点

CPU通过控制总线对外部器件进行控制。

控制总线的宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。

控制总线是控制线数量之和。

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2) 参考

六、 磁盘

1. 磁盘组成

1) 盘片：用来存储信息

2) 控制器

3) 驱动器：用于驱动磁头沿盘面作径向运动以寻找目标磁道位置，驱动盘片以额定速率稳定旋转，并且控制数据的写入和读出

4) 接口

2. 盘片构成

1) 图例

2) 记录面：硬盘中可记录信息的磁介质表面

3) 磁道

a) 每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环

b) 磁道编号 按照半径递减的次序从外到里编号，最外一圈为0道，往内道号

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依次增加

4) 扇区：为了便于记录信息，磁盘上的每个磁道又分成若干段

5) 道密度：盘片同心圆半径区域，每英寸所含的磁道数

6) 位密度

a) 磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数

b) 每个磁道的周长不同，但是其存储容量却是相同的

c) 最内圈的位密度最大

3. 寻址信息

1) 硬盘驱动号

2) 圆柱面号

3) 磁头号（记录面号）

4) 数据块号（扇区号）

5) 交换量

4. 性能指标

1) 磁盘容量

a) 非格式化容量=位密度*磁道周长*面磁道数*记录面数

b) 格式化容量=每个扇区的字节数×每道的扇区数×每个记录面的磁道数×记录面数

c) 一般情况下 格式化容量<非格式化容量

2) 磁盘转速：转速越快，平均等到时间越短，扇区到达磁头下方越快

3) 寻道时间(平均寻道时间)：

a) 磁头移动到目标磁道（或柱面）所需要的时间，由驱动器的性能决定，是个

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常数，由厂家给出

b) 磁头移动到磁道的时间

4) 等待时间（平均等待时间）

a) 等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间，一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间

b) 扇区到达磁头下方所用时间

5) 平均访问时间：

平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间

6) 数据传输率

5. 调度算法

1) 先来先服务：

不考虑访问者要求访问的物理位置，而只是考虑访问者提出访问请求的先后次序。有可能随时改变移动臂的方向

2) 最短寻址优先调度算法：

从等待的访问者中挑选寻找时间最短的那个请求执行，而不管访问者的先后次序。这也有可能随时改变移动臂的方向。

3) 电梯调度算法：

从移动臂当前位置沿移动方向选择最近的那个柱面的访问者来执行，若该方向上无请求访问时，就改变臂的移动方向再选择。无请求时会改变臂的移动方向

4) 单向扫描算法：

a) 不考虑访问者等待的先后次序，总是从0号柱面开始向里道扫描，按照各自所要访问的柱面位置的次序去选择访问者。在移动臂到达最后一个柱面后，

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立即快速返回到0号柱面，返回时不为任何的访问者提供服务，在返回到0号柱面后，再次进行扫描。

b) 根据磁道顺序依次访问

6. 磁盘整理

1) 分析文件卷，合并卷上的可用空间使其成为连续的空闲区域

2) 提高文件、文件夹的访问效率

7. 磁盘策略

1) Raid 0

a) 图例

b) 定义：连续的数据分散到多个磁盘上存取

c) 优缺点：

磁盘使用率 100%

读写性能最高

读性能： N*单块磁盘的读性能

写性能：N*单块磁盘的写性能

冗余：无，任何一块磁盘损坏数据将不可用

2) Raid 1

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a) 图例

b) 定义：通过磁盘数据镜像实现数据冗余，在成对的独立磁盘上产生互为备份的数据

c) 优缺点：

磁盘使用率 50% 成本最高

读性能：只能在一个磁盘上读取，取决于磁盘中较快的那块盘

写性能：两块磁盘都要写入，虽然是并行写入，但因为要比对，故性能单块磁盘慢；

冗余：只要系统中任何一对镜像盘中有一块磁盘可以使用，就可以使用

3) Raid 5

a) 图例

b) 定义：

是RAID 0和RAID 1的折中方案。RAID 5具有和RAID0相近似的数据读

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取速度，只是多了一个奇偶校验信息，写入数据的速度比对单个磁盘进行写入操作稍慢。

c) 优缺点：

磁盘使用率：N-1/N，浪费一块磁盘

读性能：(n-1)*单块磁盘的读性能，接近RAID0的读性能；

写性能：比单块磁盘的写性能要差；

冗余：只允许一块磁盘损坏

4) Raid 10

a) 图例

b) 定义：集合Raid0 Raid1

c) 优缺点

磁盘空间利用率：50%；

读性能：N/2*单块硬盘的读性能；

写性能：N/2*单块硬盘的写性能；

冗余：只要一对镜像盘中有一块磁盘可以使用就没问题。

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