计算机组成原理
第一章 计算机系统概论
计算机系统的层次结构
冯·诺依曼计算机的特点
- 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成
- 指令(程序)和数据以二进制同等地位地存储在存储器中，可按址寻访
- 指令由操作码和地址码组成
- 机器以运算器为中心
- 存储程序
结构框图
现代计算机由三大部分组成（机器以存储器为中心）
- CPU(Central Processing Unit) 中央处理器，核心部件为ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)和CU(Control Unit,控制单元)
- I/O设备(受CU控制)
- 主存储器(Main Memory,MM)，分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)
结构框图
现代计算机硬件框图
解决复杂性管理的方法
- 层次化：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
- 模块化： 有明确定义的功能和接口
- 规则性: 模块更容易被重用
存储器的基本组成
存储体
存储器的核心是存储体。存储体由存储单元组成，存储单元由存储元件组成。存储元件有两种状态即（0/1）.
存储单元存储一串二进制代码。
存储字：存储单元中存储的二进制代码的组合
存储字长： 存储单元中二进制代码的位数
每个存储单元都有对应的地址.
MAR(Memory Address Register，存储地址寄存器)
反映了存储单元的个数
MDR（Memory Data Register，存储器数据寄存器）
反映了存储字长
运算器的结构
累加型计算机的运算器的结构
运算过程数据存储位置
控制器的基本结构
完成一条指令的步骤
取指令 -> PC
分析指令 ->IR
执行指令 ->CU
PC存放当前要执行的指令地址，自带加一功能。
即PC+1->PC
IR存放当前要执行的命令
主机完成一条指令的过程
硬件结构
取数指令执行过程
存数指令执行过程
执行程序的过程
OP指操作码
Ad指地址码
计算机硬件的技术指标
机器字长
机器字长：CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
一般越大，越好。
计算机的运算速度
主频 一般越大越好。
核数，每个核所支持的线程数 一般越大越好
Tm越大越好
CPI 计算机执行一条指令所需的时钟周期数 一般越小越好
MIPS 每秒处理的百万级的指令数 一般越大越好
FLOPS 每秒所执行的浮点运算次数 一般越大越好
存储容量
存储容量分主存容量和辅存容量。
主存容量指主存中存放的二进制代码的个数。
存储容量=存储单元个数x存储字长
第二章 计算机的发展史
略
第三章 系统总线
总线特性及性能指标
- 机械特性： 尺寸、形状、排列顺序
- 电气特性： 传输方向和有效电平范围
- 功能特性： 每根传输线的功能
- 时间特性： 信号的时序关系
总线的宽度
标准传输率
时钟同步/异步
总线复用
信号线数
总线控制方式
其他： 负载能力
第四章 存储器
概述
存储器的类型
现代存储器的层次结构
存储器三个主要特性的关系
缓存-主存层次和主存-辅助层次
主存储器
主存储器-概述
主存的基本组成
主存与cpu之间的联系
主存中存储单元地址的分配
十六进制数12345678H 如何在主存储器中存储的？
两种方式： 大端方式和小端方式（x86）
位：我们常说的bit，位就是传说中提到的计算机中的最小数据单位：说白了就是0或者1；计算机内存中的存储都是01这两个东西。
字节：英文单词：（byte），byte是存储空间的基本计量单位。1byte 存1个英文字母，2个byte存一个汉字。规定上是1个字节等于8个比特（1Byte = 8bit）。
字：字就是由一些字符组成的，是据算计处理数据时一次存取，加工和传送的数据长度。
字由若干字节构成，字的位数叫字长，一台8位机子：一个字等于1个字节，字长为8位，如果是16位的机子，一个字等于2个字节，字长为16，字是计算机处理数据和运算的单位。
由此可见，计算机的字长决定了其CPU一次操作处理实际位数的多少，即：计算机的字长越大，其性能越好。
位、字，字节与KB的关系：
KB 1KB=1024B
MB 1MB=1024KB
GB 1GB=1024MB
TB 1TB=1024GB
设地址线是24根， 按 字节 寻址 2的24次方B=16MB 个
若字长（存储字长，机器字长）为16位， 按字寻址 16MB/2 =8MW(一个字等于两个字节)
若字长（存储字长，机器字长）为32位， 按字寻址 16MB/4 =4MW(一个字等于四个字节)
主存的技术指标
半导体存储芯片
基本结构
地址线（单向） 数据线（双向） 容量
10 4 1kx4位
14 1 16kx1位
13 8 8kx8位
用16kx1位的芯片组成64kx8位的存储器
8个芯片组组成一个16kx8位的芯片组
四个16kx8位的芯片组构成一个64kx8位的存储器
共32片
译码驱动方式
线选法
10根地址线译码后的线数为2的10次方
重合法
10根行地址线和10根列地址线译码后的线数为2的10次方乘2
随机存取存储器（RAM）
静态RAM(SRAM)
动态RAM(DRAM)
只读存储器（ROM）
主存储器-存储器与CPU的连接（重点）
存储器容量的扩展
- 位扩展
- 字扩展
- 字和位同时扩展
位扩展（增加存储字长）
用1Kx4位存储芯片组成1Kx8位的存储器
首先，要确定片数，很简单：两片，(81)/(41)=2片
扩展位，需要用两个芯片同时工作，所以要连接到同一条片选线。
然后是确定1Kx8位的存储器需要的地址线和数据线的数目：
1K=2的10次方 所以需要10根地址线
8位，所以需要8根数据线
所以连接方式如图：
字扩展（增加存储字的数量）
用1Kx8位存储芯片组成2Kx8位的存储器
首先，确定片数，很简单：两片，(82)/(81)=2片
确定2Kx8位的存储器需要的地址线和数据线的数目：
2K=2的11次方 所以需要11根地址线
8位，所以需要8根数据线
两个存储芯片不能同时工作，（同时工作会导致数据线信号混乱）
1Kx8位存储芯片需要的地址线是十根。还剩一根地址线。我们可以通过这条剩下的地址线来确定我们取数据的芯片。
所以连接方式如图：
字、位同时扩展
用1Kx4位存储芯片组成4Kx8位的存储器。
首先，确定片数，很简单：八片，(84)/(41)=8片
确定4Kx8位的存储器需要的地址线和数据线的数目：
4K=2的12次方 所以需要12根地址线
8位，所以需要8根数据线
1Kx4位需要的地址线是10根
两个1Kx4位的芯片构成一组是1Kx8位的芯片，同组芯片的片选信号一致。（扩展位）
剩余两根地址线，可以组成（00，01，10，11）四组。
所以连接方式如图：
存储器与CPU连接
1、 地址线的连接（低位作为地址信号，高位作为芯片选择信号）
2、 数据线的连接（CPU的数据线数是多少条，就需要存储片扩展多少位）
3、 读/写命令线的连接 (ROM只能读，不能写，一般就是把读写信号连接到每一个芯片）
4、 片选线的连接（片选线决定了芯片的选择，首先要确定CPU访问的是存储器，MREQ为低电平时访问的是存储器，高电平访问I/O设备）
5、 合理的选择存储芯片（片选逻辑尽可能简单）
- ROM(系统程序，配置信息的用ROM因为不需要改动)
- RAM （用户程序、系统程序运行的区域，可读可写，用RAM）
6、 其他（时序、负载）
例题：
解：
十六进制转位二进制：
八位由CPU的数据线的条数决定。
芯片的选择：
故它需要2Kx8位的ROM型存储器,1Kx8位的RAM型存储器。因为没有1Kx8位的RAM型芯片，故用两片1Kx4位的RAM型芯片来替代扩展位，需要两个芯片片选信号连接在一起。
地址线的分配：
2Kx8位的ROM型芯片需要11根地址线（2的11次方=2K）
1Kx8位的RAM型存储器需要10根地址线（2的10次方=1K）
即：
补充知识：
74138译码器通过C、B、A端的输入不同有八个输出端即（000-111 共八个）G1高电平有效，G2A,G2B低电平有效。
故需要A13连C端，A12连B端，A11连A端。（解释：138译码器是将二进制转为十进制，比如CBA=111，则输出端为Y7。此处为101和100即输出端为Y4和Y5）如果Y4有效，则选择的是ROM芯片，如果Y5有效则选择RAM芯片。
片选线选择：
G1高电平有效，故连接A14。（都为1）
G2A低电平有效,故连接A15。（都为0）
G2B低电平有效,故连接MREQ。（都为低电平有效）
要想访问RAM芯片，需要Y5有效且A10为0故需要与门共同构成片选线。
故如图：
例题二：
描述同上，要求最小的4K为系统程序区，相邻的8K为用户程序区。
步骤同上：
1.写出对应的二进制地址码
2.确定芯片的数量及类型
3.分配地址线
4.确定片选信号
5.确立片选逻辑
第一步和第二步：
第三步：
分配地址线：都是4K的芯片所以都是12根地址线（A0-A11)。
第四步：
138译码器输入端C，B，A对应A14，A13，A12。
控制端G1，G2A，G2B对应直接接在电源上（或者A15取反接入），A15，MREQ。
故如图：
