1、计算机组成原理：讲述计算机硬件系统和内部结构。 组成、应用计算机工作过程：取指令-分析指令-执行执行-再取下一条指令。直到程序执行结束的反复执行过程。通常把其中的一次循环称为计算机的一个指令周期。由于指令在存储器中一般是顺序存放的，所以只要设置一个指令指针（IP），每执行一条指令，IP自动加1，便自动指出下一条指令的地址，而不必在指令中专门指出下一条指令的地址 。只有在转移指令中才指出下一条指令的地址。此时，IP的内容将随转移指令所指示的内容改变。计算机执行一条指令的步骤如下： 把指令指针IP中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR； 地址计算部件，根据IR中的地址码形成操作数地
2、址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器（或寄存器组）； 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码； 在控制器发出的操作信号的控制下，计算机各有关部件执行操作码OP规定的操作； 指令指针IP加1，形成下一条指令地址。如遇到转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP。 编写一个可执行c语言程序的过程：编辑、预处理、编译、汇编、链接、执行。 预处理过程：进行宏替换和条件编译，如#ifdef将不必要的代码滤掉。将头文件加入到输出文件中。 预处理程序所完成的基本上是对源程序的“替代”工作。经过此种替代，生成一个没有宏定义、没有条件编译指
3、令、没有特殊符号的输出文件。这个文件的含义同没 有经过预处理的源文件是相同的，但内容有所不同。下一步，此输出文件将作为编译程序的输出而被翻译成为机器指令。编译主要进行的是检查语法错误，并将输出文件编译成中间代码或汇编代码。汇编过程实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。目标文件由段组成，通常一个目标文件至少由两个段组成，代码段和数据段。数据段主要存放全局变量或静态数据。链接程序：链接库和解决调用关系。冯诺依曼体系结构：运算器是计算机的中心。 数据和指令都要存放到存储器中。现代的计算机以存储器作为计算机的中心。运算器可以进行算术运算和逻辑云端，并将中间结果暂存在运算器中。存储器用来存放数
4、据和程序。控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行，相当于计算机的大脑。cpu包括运算器、控制器，还有寄存器。 和主存 称为主机。现在计算机的运行速度：用单位时间运行的机器指令来表示。单位为MIPS，（millon instruction per second）每秒运行百万条机器指令。计算机发展史：1946年，电子数字计算机ENIAC诞生。采用十进制计算。1947年，晶体管计算机在bell实验室诞生。第三代，中小集成电路计算机。第四代，大规模集成电路计算机。第五代：人工智能计算机。微型计算机，intel工程师霍夫在1971制造出四位的微型计算机4004.奔腾用于高端市场，赛扬用于低端市场。集
5、成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。冯诺依曼体系结果是程序按顺序执行。而计算机发展到第五代，程序可以并行进行。8086 16位微处理器的的数据总线的存储器都为16位，但是数据总线为20位，即1M的存储空间。为了能使微处理器能够寻址到1M的空间，引入分段的概念，将1M分为每段为64K的空间。 2的16次方为64K所谓原码就是二进制定点表示法，即最高位为符号位，“0”表示正，“1”表示负，其余位表示数值的大小。反码表示法规定：正数的反码与其原码相同；负数的反码是对其原码逐位取反，但符号位除外。原码10010= 反码11101 （
6、10010，1为符号码，故为负）(11101) 二进制= -13 十进制补码表示法规定：正数的补码与其原码相同；负数的补码是在其反码的末位加1。移码就是在原有的补码的基础上对于符号取反。对于8位存储数字，例如：1的补码是11111111，它的移码就是01111111；计算机中浮点数由三部分组成：符号位S，阶码e和尾数m。在计算机中，乘法就是加法+移位，除法就是减法+移位总线：是电脑中传输数据的公共通道。总线按照传送方式不同可分为并行总线和串行总线。总线按照传输信息的不同划分：分为地址总线和数据总线和控制总线。同一时刻，只允许同一个部件写，但是可以允许同时接受。 数据总线的宽度与微处理器的字长和
7、存储字长一致。双向。 地址总线是单向的，地址只能从cpu-存储器和IO。一般地址总线为n位，可寻址2的n次方个字节长度。代表寻址的能力，能够处理主存的范围 是1M. 控制总线用于发送各种控制信号，对于一根控制线的传输方式是单向的，总体上是单向的，的具体情况取决于cpu。 控制信号：时钟、复位、数据确认、中断请求、中断确认。常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。总线的性能指标：最大传输率（MB/s）。 总线工作频率（MHZ）*总线宽度（字节） 双总线是将速度较低的IO设备从单总线上分离出来。三总线结构：系统总线、局部总线（cache和cpu）、和扩展总线。cache也连接到系统总
8、线上，匹配cpu和主存之间速度。当有多个主设备同时申请总线时，可使用总线判优控制，总线判优控制又分为集中式和分布式控制。集中式主要在cpu中，分布式主要在总线连接的各个设备上。集中式：链式查询：BS（是否忙碌BUS BUSY）BR（总线请求BUS REQUEST）BG（总线授权BUS GUEST）链式查询当BR向总线申请时，查看BS是否忙碌，如果不忙，则查看BG，当BG线从第一个设备开始向后搜索，当知道是某一个申请时，则占用总线。计数器定时查询方式：BR与BS工作方式一样，但是多了一条设备地址，通过对外设计数实现判优控制。可以从0计数，也可以从中间计数。独立请求方式。总线在完成一次传输周期时，
9、分为四个阶段：1.申请分配阶段2.寻址阶段3.传数阶段4.结束阶段同步通信：通信双方由 统一时标 控制数据传输。取地址-读命令-读数据-撤销读命令（内存必须能跟上cpu的速度） 数据输入到cpu取地址-写数据-写命令-确认异步通信：方式有不互锁（请求回答撤销没关系），半互锁（请求信号的撤销必须有从设备应答，应答信号持续一段时间自己撤销）和全互锁（撤销时互相应答）。采用握手信号线。半同步通信：在同步通信的同时加入wait信号来匹配速度问题。分离式通信：将原先的周期划分为两个子周期。都是单向的，主从设备的概念消失。存储器： 主存储器采用半导体存储器，硬盘采用磁存储器。CIH病毒利用现在BIOS可搽
10、写的这种特性清空BIOS数据，要想恢复只能重新刷回来。高速缓存采用MOS半导体管。RAM（Random Access Memory）随机存储器，可读写。位价：速度、容量和价格的比。 容量越高，位价越低。 容量越大，速度就越低。缓存是主存中小部分内容的一份拷贝。MAR（主存储器address寄存器） MDR（主存储器data寄存器）字地址和字节地址：前两位代表字地址，后两位表示字节地址。字节寻址的主存地址分配：一个字是四个字节，32bit。区分寻址空间与寻址范围两个不同的概念，寻址范围仅仅是一个数字范围，不带有单位而寻址范围的大小很明显是一个数，指寻址区间的大小而寻址空间指能够寻址最大容量，单位
11、一般用MB、B来表示；本题中寻址范围为0220-1,寻址空间为1MB。动态存储器是采用电容充放电的方式读写，是破坏性的读写。静态存储器采用双向触发器。掉电会丢失数据。存储器位扩展：数据线的扩展。地址线和CS、WE是一样的接法。几个芯片同时工作。 字扩展：数据线不变，通过设置片选逻辑，几个芯片不能同时工作。1K*4位扩展成2K*4位。字位扩展：从1K*4位扩展成4K*8位。cpu的地址线低位与存储器相连，高位做片选。cpu的数据线与存储芯片的数据线数不等，此时进行位扩展，使数据位数与cpu的数据线数相等。WE低电平为写，高电平为读。片选信号必须接在存储芯片的高位地址，并且MREQ信号要为高。芯片
12、容量：地址线为10跟，有四根数据线，210 * 4 =64Kwe（write enable）写允许。时序图无效表示高阻状态。先给地址信号-片选信号-数据稳定。 t AW 写滞后，放置数据出错。CS和WE t WR写恢复。 在t DW之前数据出现，否则会出现错误。 动态RAM必须采用刷新的方式放置数据的丢失。必须在2ms的时间给电容充电保存数据。 行列地址译码是采用重合法。 动态RAM读数据，先送行地址，再送列地址，再送读信号。 刷新的过程实质是将原先的数据读出来，然后由刷新放大器将原信息重新写入的过程。2ms表示刷新周期。 集中刷新：对全部的存储单元集中一段时间进行刷新，此时必须停止读写操作。
13、缺点：存在死区。 分散刷新：将刷新放在读写周期内，前段时间读写，后段时间刷新。这样会使整机的效率降低。 集中和分散式读写结合方式：如果动态随机存储器128*128，刷新周期2ms，则每隔15.6us刷新一行。每行的刷新时间不变，还是0.5us，“死区”缩短为0.5us， 我们可以在这段时间进行cpu对指令译码操作，这段时间就不会读写RAM，此时刷新RAM。 分散体每隔15.6us刷新一行。集中体现在0.5us刷新一行。 ROM（Read Only Memory） PROM只允许写一次，如磁盘。 EPROM可擦写的只读存储器。用紫外线 EEPROM利用电信号可擦写的只读存储器。 FLASH ME
14、MORY可搽写100000次，数据可保存十年。 存储器与cpu的连接：1.将地址换成二进制 ， 计算容量 （高 - 低 + 1 ）2.根据地址范围的容量选择存储芯片。3.分配cpu的地址线。4.片选信号的行成。（结合MREQ，低电平有效，表示访存）提高访存速度的措施：（从结构上）1.单体多字。（一次从存储器取多条指令，然后一条条的让cpu执行），因为指令和数据在内存中是连续存放的。这样做可以提高带宽。 有转移指令会降低运行速度。2.多提并行系统cache1.cpu和RAM之间速度差异大2.程序访问的局部性原理，减少cpu对主存的访问。cache一般采用SRAM。将主存的地址分为两段：高m位表示
15、块地址，低b位表示块内地址。2m表示主存的块数。缓存的地址也分为两段：高c位表示缓存的块号，低b位表示块内地址。2c表示缓存块数。远小于主存的块数。2b反映了块的大小，也称为块长。通常用命中率来衡量cache的效率，cache的容量和块长是影响cache效率的重要因素。cache是以块为单位与主存交换信息。地址映像：是主存块号向cache块号的转化。单一缓存：（片内缓存），cpu与主存之间只有一个缓存。传输速度高两级缓存：主存和片内缓存之间，再加一级缓存，又叫片外缓存。指令cache和数据cache是否分开取决于实际情况。磁盘存储器，由磁盘和磁盘驱动器组成。信息的位置定位：磁道的第几扇区。磁盘
16、存储的最小单位为字节，一个磁盘有两个盘面。磁道编号从外向内0。每个扇区有512字节。一个磁盘有多少条磁道就有多少个柱面。每个盘面上都有一个磁头，磁头编号从上到下编号0对磁盘进行内外存交换时，扇区是最小的单位。标识一个扇区的方法是一个三元组：（柱面号，磁头号，扇区号），标识磁盘的地址。DMA是IO和主存之间有一条直接数据通路。外围设备与cpu交换数据的方式：1.程序查询方式（只有单片机和DSP使用这种方式，因为这种方式会浪费cpu资源）串行的工作方式2.程序中断方式（外围设备主动通知cpu，当一个中断发生时，cpu暂停它的现行程序，转向中断处理程序）3.直接内存访问方式（DMA）（cpu完全接管
17、对总线的控制，数据交换不经过cpu，而是直接在内存和外设之间进行）4.通道方式（通道是一个具有特殊功能的处理器，它可以实现对外围设备的统一管理）外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时传输方式。外围设备的寻址方式：1.统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器像内存一样看待，将它们和内存单元联合在一起编址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器。2.单独编制：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编址，用专门的控制信号进行输入输出操作。对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同于内存单元，给他们至少一个地址吗。（因为接口上不只一个寄存器）中断向量：
18、指当外设在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，此地址称为中断向量。中断向量号检索表在实模式下为中断向量表（IVT interrupt vector table），在保护模式下为中断描述符表（IDT interrupt describe table）。实模式下中断向量表位于内存地址0开始的1KB的空间。 中断向量号*4是偏移地址。DMA传输的过程：1.DMA初始化（传输前预置阶段）2.DMA传送（数据传送阶段）3.传输后的结束处理DMA与CPU分时使用内存的三种方法：1.停止CPU访问（DMA发送停止信号给CPU，要求CPU放弃对地址总线、数据总线和控制总线的访问）2.
19、周期挪用3.DMA和CPU交替访问IO接口：指主机与外设之间的硬件电路与相应的软件控制。DBR（数据缓冲寄存器）：用来暂时存放外设与主机准备交换的信息。data buffer register端口是指接口电路中的一些寄存器，这些寄存器分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息。若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。与IO总线相连的有 数据线（双向） 设备选择线（用来传送地址号）、命令线（CPU向设备发送的各种命令） 状态线（IO设备将自己的状态反应给cpu）IO接口中有数据缓冲寄存器、设备选择部件、命令寄存器和命令译码器、设备状态标记。键盘接口8位，ascii码7位，第八位是奇偶校验码。描述
20、工作状态的两种触发器：完成触发器D 工作触发器B DMA使用于高速的IO设备或辅存与主存交换信息。定点运算和浮点运算：无符号数在寄存器中没有符号位，只有整数。 16为机器字长无符号数范围0-65535有符号数在寄存器中有符号位，机器字长为 -32767-+32727 ，在无符号表示时有65536个数，但是在有符号表示时只有65535个数，这是因为在原码表示时有+0 和 -0。将符号数字化的数叫做机器数。把带有“+”或“-”符号的数叫做真值。原码比较适合做乘除运算。补码比较适合做加减运算。反码是原码到补码的一个过渡。移码比较适合做浮点运算。原码：计算机中没有小数点，约定整数与小数之间用”.“表示
21、，整数的符号位与数值之间用”，“表示。原码中的”0“有两种表示方式：【+0.0000】=0.0000【-0.0000】=1.0000为了将负数变成整数，就可以将减法变成加法，这就引入了补码。 数学中补码是通过”模“求解的。两个互为补数的数，他们的绝对值之和为模数。【+0.0000】和【-0.0000】的补码都是0.0000补码的表示范围-128 - +127变形补码： 当mo为4时，有两个符号位表示补码。负小数反码形式：符号位不变，各个位求反。反码的“0”的两种形式也不相同。规则：已知y补 求 -y补 的规律，无论y是正值还是负值，由【y】补 连同符号位在内每位取反，末尾加1.移码是表示浮点数
22、中阶码的部分。移码很容易判断数的大小。移码表示法： 对每个真值加上2n。 只针对整数部分。0的移码的两种表示形式相同。/*/移码和补码的表示形式只差一个符号位。相应的变化只要符号位取反即可。定点表示：小数点固定在某一位置的数称为定点数。定点机中数值部分为n决定了定点机中数的范围，小数定点数的表示范围是-（1-2-n） 到 1- 2-n整数定点机中数的表示范围是 -(2n -1 ) 到 2n -1浮点数：小数点的位置可以浮动。浮点数被表示为 N = S * rj;j为阶码，可正可负r表示基数。S表示尾数，在计算机中规定浮点数的尾数用纯小数表示。浮点数 规格化形式：尾数表示成小数的最高位为1。浮点
23、数在机器中的形式：由阶码j和尾数S两部分组成。阶码是整数，阶符和阶码的位数合起来反映浮点数的表示范围及小数点的实际位置。尾数是小数，位数表示浮点数的精度，尾数的符号表示浮点数的正负。在机器中负数用补码表示。浮点数在机器中的表示：【阶码 尾数符号位 尾数】当一个浮点数尾数为0时，不论阶码为何值；或阶码等于或小于它所能代表的最小值时，不管尾数为何值，机器都会把该值清0，并称为“机器0”。对有符号数的移位称为算术移位，对无符号数的移位称为逻辑移位。算术移位空位添补规则：正数添 0负数 原码 0 反码 1 补码 左移添 0 右移添 1 反码添 符补码 左移添 0 右移添符原码添0逻辑移位规则：逻辑左移
24、时，高位移出，低位添0；逻辑右移，低位移出，高位添0.计算机中加法和减法都是用加法计算，减法通过补码计算。补码加减运算的基本公式：加法A补 + B补 = A+B补减法A-B补=A补 + -B补已知A，求-A 的补码，将A连同符号位取反，然后末尾加1.溢出判断：对于加法：只有正数加正数 或 负数加负数 才有可能溢出。对于减法： 只有正数减负数 或 负数减正数 才有可能溢出。两个操作数符号位相同，加操作结果变号，则是溢出。补码的定点小数能表示-1.用两位符号位判断溢出:当两个符号位不相同时表示溢出。无论是否溢出，高位符号位永远表示真正的符号。当溢出发生时，最高位0表示正溢出。最高位1表示负溢出。乘
25、法运算： 符号位单独运算。 两个符号位做异或运算。 然后计算两个数的绝对值。1.初始条件，部分积为0，乘数为1 ，加被乘数2.右移一位，形成新的部分积；乘数同时右移1位， 乘数为1， 加被乘数 看末尾 相加 右移注意事项：1.部分积去的位数为n+1位 2.乘数是逻辑右移原码乘法详解：首先部分积为0，如果乘法的最低位是0，则部分积加0， 如果最低位是1，则部分积加被乘数。得到新的部分积， 然后将部分积右移一位，同时将乘数右移一位，- 原码两位乘：部分积： 00 ：新部分积等于原部分积右移两位 01 ：新部分积等于原部分积加被乘数后右移两位 10 ：新部分积加2倍被乘数后右移两位 （2倍，左移一位
26、） 11 : 新部分积等于原部分积加3倍被乘数后右移两位 （3被，先完成减1，减法通过【-x】的补完成，高两位乘数+1） 补码的乘法：运算规则：补码的一位乘：先算出x和y的补码1.当被乘数x符号任意，乘数y符号为正时 x补 * y补 =x * y补=x补 * y 按照原码的规则2.当被乘数x符号任意，乘数y符号为负时 x * y补=x补 * 正数y + -x补 乘法：原码一位乘，部分积一位符号位。 原码两位乘，部分积两位符号位。 补码一位乘，部分积两位符号位。 符号位同时参与运算，移位按照补码的规则进行。 乘数为负时，一定要在后面加上校正位。 除法运算:笔算除法时，商的符号心算得出。原码作除法
27、，符号位单独处理。小数定点除法云端的约束条件： 0|被除数|=|除数|。恢复余数法加减交替法 为+，上商1，左移一位，减除数 为-，上商0，左移一位，加除数 原码运算将符号位和数值位分开运算，而补码运算将数值位和符号位一起 参加运算。补码除法：被除数和除数同号时，做减法当被除数和除数异号时，做加法。如果余数和除数异号时，表示够减。补码除法的上也是用补码表示，如果被除数和除数的补码同号，商为+， 够减，商1，不够减，上0 如果被除数和除数的补码异号，商为负，够减，上商0，不够减， 上商1. 尾数的最高位和符号位不同时，即为规格化形式。尾数是（-1/2）的数不是规格化数。 除法运算中商的位数一般和操作数的位数相同。机器语言是计算机本身所存在的一种语言，属于低级语言的范畴。汇编语言是机器语言的符号化。一条机器化语言的语句叫做机器指令。全部机器指令的集合叫做指令系统。计算机使用者则是根据机器提供的指令系统，使用汇编语言编写各种程序。是面向机器的语言。指令格式：操作码字段 地址码字段
