组成原理整体框架：https://blog.csdn.net/qq_39328436/article/details/114680942
说明：本篇文章是笔者为准备研究生复试和校招而写，因此主要针对问答，注重理解，而不在于细节计算。读者可以先查看上面的链接走一遍组成原理的整体框架结构。其中，重点难点以及易混淆的知识点，笔者会用其他文章进行了详述，在知识点处贴好了链接，有需要的可以查阅。组成原理是校招中不太会问到的一门课，但却是考研复试中非常重要的一门课
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目录
系统概述
四门计算机专业课之间的关系
- 数据结构研究的是数据和操作这些数据的算法，属于软件层面。
- 组成原理研究的是如何实现计算机体系结构中的属性，属于硬件层面。
- 操作系统是软件和硬件的交界面，是计算机最底层的软件。
- 计算机网络研究的是计算机与计算机之间是怎么进行互联的。
组成原理和体系结构的区别
- 计算机体系结构：指那些能够被程序员看到的计算机的属性。
- 计算机组成原理：指如何实现计算机体系结构所体现出来的属性。
- 以乘法指令为例，计算机是否有乘法指令，属于体系结构的问题。乘法指令是采用专用的乘法器，还是使用加法器和移位器构成，属于计算机组成的问题。
冯诺依曼机的特点
- 指令和数据以同等的地位存储，可按照地址访问
- 指令和数据都以二进制表示
- 存储程序思想：将指令以二进制代码的形式事先存入存储器中
- 以运算器为核心（现代计算机中以存储器为中心）
计算机的层次结构【高汇操传微】
- 高级语言机器：执行高级语言
- 汇编语言机器：执行汇编语言
- 操作系统机器：向上提供广义指令
- 传统机器：执行机器语言指令
- 微程序机器：执行微指令
翻译程序
- 汇编程序：汇编程序翻译成机器语言
- 编译程序：高级语言翻译成机器语言（一次性翻译，生成可执行代码）
- 解释程序：高级语言翻译成机器语言（一句一句翻译）
计算机性能指标
- 主频：1s内有多少个时钟周期
- IPS：1s内执行多少条指令
- CPI：1条指令消耗多少之中周期
- FLOPS：1s内执行多少次浮点运算（最能反映计算机的计算速度）
数据表示与运算
纠错与检错编码
- 1.奇偶校验码
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奇校验：整个校验码的1的个数为奇数
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偶校验：整个校验码的1的个数为偶数
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检测出奇数位错误，没有纠错能力
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2.循环冗余校验码CRC
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利用多项式生成校验码
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检测出奇数位错误和双比特错误，选择合适的生成多项式才有纠错能力
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3.海明校验码
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本质是分组偶校验，多个校验位可以反应出错位置
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海明码有1位纠错能力，2位检错能力
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原码反码补码移码
- 补码：可以将减法操作变成等价的加法操作
- 反码：只是原码转换为补码的一个中间过程
- 移码：移码=真值+偏置值，可以直观地比较出数据之间的大小
- 范围：
- 原码和反码的真值0有两种形式
- 补码和移码的真值0只要一种形式
- 补码和移码相差一个符号位
- 转换
- 正数的原反补码相同
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[x]补-->全部取反+1-->[-x]补
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定点数的运算
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移位运算
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算数移位：不带符号位的移位，相当于乘2或者除2
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逻辑移位：全部移动
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循环移位：移出的位不丢弃
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加减运算
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原码加减：符号单独判断
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补码加减：符号带着算[A-B]补=[A]补+[-B]补
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乘法运算
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原码一位乘法
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补码一位乘法：booth算法
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除法运算
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原码除法：恢复余数法
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补码除法：加减交替法
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溢出判断
- 一位符号位：正+正=负；负+负=正时溢出
- 双符号位：01上溢；10：下溢
- 符号位进位+最好数值位进位：01上溢；10：下溢
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边界对齐
- 以空间换时间的思路，起始地址要能够被自身长度整除
- 采用边界对齐后，访问一个字只需要一次访存
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存储方式
- 大端方式：高字节存储在低地址（顺着存）
- 小端方式：高字节存储在高地址（逆着存）
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浮点数加减运算
- 对阶：小阶向大阶看齐
- 尾数加减
- 规格化
- 左规：尾数的最高位为非有效位时进行左规
- 右规：尾数溢出时右规
- 舍入：在右规和对阶的过程中都有可能存在舍入的问题
- 溢出判断：
- 阶码上溢：抛出异常
- 阶码下溢：按机器0处理
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IEEE 754 标准
- 阶码用移码表示，尾数用原码表示，隐藏最高位的1
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并行进位加法器
- 通过进位产生函数和进位传递函数，让加法器的多个进位同时产生
存储系统
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介绍一下计算机的多级存储系统
- 主存-缓存：用来缓解速度压力，完全由硬件实现，缓存是主存的副本
- 主存-辅存：用来缓解容量压力，有操作系统和硬件配合实现，主存是缓存的副本
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半导体存储器
- 半导体存储器包括RAM和ROM，其中RAM又分为SRAM和DRAM
- 是否易失：取决于断电之后还有存储的效果
- 是否破坏：取决于读出之后是否还能继续存储
- SRAM：存储原理是双稳态触发器，因此是易失性的，非破坏性性读出
- DRAM：存储原理是栅极电容，因此是易失性的，破坏性读出
- ROM：存储原理是熔丝，因此是非易失性的，破坏性读出
- 其中包括EPROM,PROM等
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SRAM VS DRAM
- DRAM只需要两个电容结构简单，集成度高，行列地址分两次传送，因此存储成本低，发热量低，但是运行速度比较慢，常用主存
- SRAM需要双稳态触发器结构复杂，集成度低，行列地址一次性传送，因此存储成本高，发热量高，但是运行速度比较快，常用cache
- 另外虽然两者都是易失性的，但是由于电容中存储的电量即使不断电也维持不了太久，因此对DRAM要刷新，刷新方式包括集中刷新，分散刷新，异步刷新。
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双端口RAM与多模块存储器
- 双端口与多模块存储器都是用来增加存储器读写带宽的
- 双端口RAM
- 就是通过一个busy信号对同一个RAM 进行读写控制
- 多模块存储器
- 分为单体多字存储器
- 在单体多字存储器中，一次性可以读出多个字，因此会要求指令和数据连续存放，并且当只需要对单个字进行读写操作时，会产生不必要的读写时间
- 多体并行存储器
- 多体并行存储器指的是多个存储器有自己的读写控制，可以并行运行，他包括高位交叉编址，和低位交叉编址
- 低位交叉编址是多个存储器轮流启动，采用流水线的方式进行读取，能有效提高存储器的带宽
- 高位交叉编址实际上相当于扩充了存储器的容量，各个存储器之间会有忙闲不均的情况，对增强存储器的带宽没有实际作用
- 分为单体多字存储器
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Cache与主存映射的原理
- 将主存和cache划分为等大的块，将主存中常用的数据存放在cache中，两者通过地址形成映射关系。映射方式包括全相联映射，直接相连映射，和组相联映射。
- 全相联映射：主存中的块可以存放在任意一个cache块中，地址划分为标记和块内地址
- 直接相联映射：主存中的块只能被映射到唯一一块cache中，地址划分为标记，行号，块内地址
- 组相联映射：主存张总的块只能被映射到某一组cache块中，但是在组内可以随意放置，地址划分为标记，组号，和块内地址
- 将主存和cache划分为等大的块，将主存中常用的数据存放在cache中，两者通过地址形成映射关系。映射方式包括全相联映射，直接相连映射，和组相联映射。
指令
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寻址方式
- 在计算机中的寻址包括数据寻址和指令寻址
- 指令寻址方式
- 顺序寻址：PC+1
- 跳跃寻址方式：修改当前PC值，目标地址=（pc）+指令字长+k*OFFSET
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数据寻址方式（10种）
- 隐含寻址：有一个操作数隐含在ACC中
- 立即寻址：地址字段为操作数的补码，执行阶段不访存
- 直接寻址：地址字段操作数的地址，执行阶段1次访问
- 间接寻址：地址字段为操作数的地址的地址，执行阶段多次访存（可能1次间址也可能多次间址）
- 寄存器寻址：地址字段为寄存器号，寄存器中是操作数，执行阶段不访存
- 寄存器间接寻址：地址字段为寄存器号，寄存器中是操作数地址，执行阶段不访存，可以扩大寻址范围
- 相对寻址：地址码字段为相对地址，有效地址=pc+（指令长度/1B）+A
- 基址寻址：有效地址=基址寻址器+地址码字段
- 变栈寻址：有效地址=变址寻址器+地址码字段
- 堆栈寻址：读写地址由堆栈寄存器给出
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变址寻址 VS 基址寻址
- 变址寻址：变址寄存器内容用户可以改变，面向程序员，适合处理数组，编制循环程序
- 基址寻址：基址寄存器内容用户不能改变，面向操作系统，适合处理程序浮动，利于多道程序设计
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CISC VS RISC
- RISC是精简指令集，CISC是复杂指令集
- 在CISC中，指令系统非常庞大，指令数目很多，指令字长不固定，访存指令不加限制，各个指令的执行时间也相差很大，使用频率也相差很大，有较少的寄存器，一般适用于微程序控制，可以通过一定的方式实现流水线
- 在RISC中，指令系统比较简单，指令数目比较少，指令字长固定，并规定只有LOAD和STORE指令可以访存，各个指令的执行时间相差不大，使用频率也相差不大，有很多的寄存器，一般适用于组合逻辑电路控制，必须实现流水线控制方式
CPU
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CPU的结构和功能
- 功能：【只做中间数】
- 指令控制
- 操作控制
- 中断处理
- 时间控制
- 数据加工
- 结构：
- cpu由运算器和控制器构成。运算器中有累加器ACC，乘商寄存器MQ，算数逻辑单元ALU，以及暂存寄存器X。控制器中有CU和指令寄存器IR以及PC。
- MAR，MDR在逻辑上属于主存，但实际上是放在CPU中的控制器中的
- 功能：【只做中间数】
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指令周期 VS 机器周期 VS 节拍
- 指令周期：从主存取出一条指令并执行的全部时间
- 机器周期：一般把总线事务访问一次主存的时间定为机器周期
- 指令周期中有若干机器周期，机器周期中有若干节拍
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机器字长 VS 存储字长 VS 指令字长
- 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据位数，为内部寄存器字长等长
- 指令字长：一条指令的二进制位数
- 存储字长：一个存储单元所能存储的二进制的位数
- 三者都必须是字节的整数倍，彼此之间没有直接的制约关系
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一条指令的执行过程
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取指周期--FE--fetch：访问主存取指令分析指令
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间址周期--IND--indirect：访问主存取操作数的有效地址
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执行周期--EX--execute：访问主存取操作数
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中断周期--INT-interrupt：访问主存保存程序断点
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主存储器 VS 控制存储器
- 主存储器在cpu内部，ram实现，存放数据和程序
- 控制存储器在cpu内部，rom实现，存放微程序
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微程序 VS 程序
- 程序是指令的集合，对程序员不透明
- 微程序是微指令的集合，对程序员透明
- 一条指令对应一个微程序，一个微程序由多个微指令构成，一条微指令对应多个微命令
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微程序控制器的基本结构
- 指令送到指令寄存器后，取出操作码op送入微地址形成部件，产生初始微地址和后继微地址.
- CMAR是微地址寄存器，接收微地址，为在CM中去读微指令做准备
- CM中存储了各个指令对应的微程序
- CMDR用于存储从CM中取出的微指令，操作码字段送到CPU内部，下地址字段送到顺序逻辑。
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硬布线控制器 VS 微程序控制器
- 1.硬布线控制器是用组合逻辑电路来实现控制器中的CU，微程序控制器是用存储程序的思想来实现CU
- 2.硬布线的执行速度块，微程序控制器执行速度慢
- 3.硬布线繁琐，不规整，微程序控制器较规整
- 4.硬布线应用于RISC，微程序控制器应用于CISC
- 5.硬布线不易扩充，微程序控制器易于扩充
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影响指令流水线的因素
- 结构冲突：多条指令在同一时刻争用统一资源（比如取址与取数据争用内存）
- 数据冲突：按序发射，按序输出的流水线中，只可能有RAW（写后读冲突）
- 控制冲突：遇到转移指令，或者其他改变PC的指令（指令流水线处理的必须是连续的任务）
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流水线改进
- 超标量流水线：每个时钟周期并发多条独立的指令，配置多个功能部件
- 超流水线：一个时钟周期内在分段，允许一个部件在一个时钟周期内多次使用
- 超长指令字：多个操作码字段，多个部件并行执行
总线
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增强总线效能的办法
- 猝发传输：读写一组连续的字时，只需要给出首地址即可
- 总线复用：信号线在不同的时间传输不同的信息
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系统总线结构
- 单总线：
- cpu和外设之间可以之间进行信息交换，无需中间设备干预；cpu与外设之间速度不匹配
- 三总线：
- 主存总线+io总线+DMA总线
- DMA总线在内存和高速外设之间传输数据，系统吞吐量提高，但是系统工作效率低
- 双总线：
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主存总线+io总线
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将低速设备从单总线上分离出来，但是增加通道等硬件设备
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- 单总线：
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总线仲裁
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解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题
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集中仲裁方式：将所有的总线请求集中起来，利用特定的算法进行总裁
- 分步仲裁方式：不需要总仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁号和仲裁器
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总线定时
- 总线双方在交换数据过程中需要时间上的配合，这一控制叫做总线定时
- 同步定时方式：使用同一的时钟
- 异步定时方式：双方通过握手信号来实现控制
输入输出设备
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磁盘冗余阵列RAID
- 将多个磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘分割交叉存储，并行访问。可以使得数据存储更加安全，更加可靠
- RAID0：类似低位交叉编址，没有容错能力
- RAID1：镜像存储，粗暴地存储两份数据
- RAID2：采用纠错的海明码磁盘阵列
- 等级越高，可靠度越高
- 将多个磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘分割交叉存储，并行访问。可以使得数据存储更加安全，更加可靠
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io控制方式
完结撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿