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计算机组成原理-完整版前言计算机组成原理是计算机科学中最基础的课程之一，它主要研究计算机系统的各个组成部分的原理和关系。
它是计算机科学中最基础的课程之一，也是理解其他计算机科学领域的必备基础。
本文将介绍计算机组成原理中涉及的各个方面，从处理器到内存，再到输入输出系统，以及操作系统和应用层，详细解释它们的工作原理和相互关系。
此外，我们还将介绍一些实际的例子，以帮助读者更好地理解这些概念。
计算机硬件组成处理器处理器是计算机的大脑，它是计算机中最为关键的部分之一。
处理器的任务是执行指令，它通过解码指令，再根据指令来执行相应的操作。
处理器包括控制单元和算术逻辑单元两部分。
控制单元是处理器的主控制中心，它决定了处理器要执行的操作，以及操作的顺序。
由于处理器的速度非常快，因此它能够在一个时钟周期内执行多个操作。
算术逻辑单元（ALU）则用于执行运算操作，例如加减乘除、位移等。
ALU从寄存器中读取数据，并根据指令进行相应的计算和操作。
存储器存储器用于存储计算机中的数据和指令。
存储器被分为两种类型：内存和外存。
内存是指计算机中直接可访问的存储，例如DRAM。
它是用于临时存储程序和数据的地方。
内存的访问速度非常快，但只能存储有限的数据量。
外存则是指计算机中不直接可访问的存储，例如硬盘。
它用于长期存储数据和程序。
虽然外存的访问速度相对较慢，但它能够存储大量的数据和程序。
输入输出设备输入输出设备是与计算机交互的途径，例如键盘、鼠标和显示器等。
输入设备用于将数据输入到计算机中，输出设备则用于从计算机中输出数据。
计算机系统架构冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机系统的经典架构，它由储存器、算术逻辑单元、控制单元和输入输出设备组成。
程序存储在内存中，并通过控制单元来控制执行。
该体系结构具有良好的扩展性和通用性，适用于大多数计算机系统。
哈佛体系结构哈佛体系结构是一种采用不同存储器分别用于程序和数据存储的计算机系统。
计算机组成原理目录
一、基本概念和术语
1.计算机组成原理概述
2.计算机硬件和软件的关系
3.信息的表示和处理
4.计算机的运行原理
二、数字逻辑电路基础
1.布尔代数和逻辑门
2.组合逻辑电路
3.时序逻辑电路
4.存储器和寄存器
三、计算机的指令系统和运算
1.指令的表示和执行
2.数据的表示和运算
3.控制逻辑和控制单元
四、存储器和存储器层次结构
1.存储器的分类和特性
2.主存储器和辅助存储器
3.存储器的层次结构和存取方法
4.存储器的高速缓存和虚拟存储器
五、输入和输出设备
1.输入和输出设备的分类和特性
2.输入设备的接口和数据采集
3.输出设备的接口和数据显示
4.输入输出设备的控制和通信
六、总线和通信
1.计算机系统中的总线
2.总线的分类和特性
3.总线的传输方式和速度
4.总线的控制和仲裁
七、处理器的结构和设计原理
1.处理器的功能和组成
2.数据通路和控制单元的设计
3.内部寄存器和处理器的运行状态
4.处理器的性能评价和优化技术
八、计算机体系结构和指令集
1.计算机的级别和体系结构
2.CISC和RISC的比较
3.指令集的设计和实现
4.多核处理器和并行计算
九、系统总线和I/O设备接口
1.系统总线的结构和功能
2.总线的控制和仲裁机制
3.I/O设备的接口和通信
4.DMA和中断处理机制
十、计算机性能评价和提高技术
1.计算机性能的度量和评价
2.程序的优化和并行化技术
3.存储器层次结构的优化
4.编译器的优化技术。
计算机组成原理和微机原理计算机组成原理和微机原理是计算机科学与技术领域中非常重要的两门课程，它们涉及到计算机的硬件和软件方面的知识。
本文将详细介绍计算机组成原理和微机原理的概念、内容和重要性。
一、计算机组成原理的概念和内容计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的基础课程之一，它主要研究计算机的硬件结构和工作原理。
计算机组成原理涉及到的内容很广泛，主要包括计算机的基本组成、计算机的运行过程、计算机的存储结构、计算机的输入输出系统等方面。
1.计算机的基本组成计算机的基本组成包括中央处理器（CPU）、存储器（memory）和输入输出设备（I/O devices）。
中央处理器是计算机的核心部件，负责执行计算机的指令和处理数据。
存储器用于存放程序和数据，可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、光盘等）。
输入输出设备用于与计算机进行交互，如键盘、鼠标、显示器等。
2.计算机的运行过程计算机的运行过程包括指令的周期性执行和数据的处理。
在计算机中，每个指令都是由一系列的操作码（Opcode）和操作数（Operand）组成，其中操作码表示操作的类型，操作数表示操作的具体内容。
指令的周期性执行是通过时钟信号来实现的，时钟信号可以控制计算机的时序和同步。
3.计算机的存储结构计算机的存储结构主要包括主存储器和辅助存储器。
主存储器用于存放正在执行的程序和数据，是计算机运行的关键部件。
主存储器可以按照访问方式分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。
辅助存储器用于存放大量的程序和数据，可以分为硬盘、光盘、磁带等。
4.计算机的输入输出系统计算机的输入输出系统是计算机与外部世界进行交互的重要组成部分。
输入设备用于将外部的信息传递给计算机，如键盘、鼠标等；输出设备用于将计算机的结果显示给用户，如显示器、打印机等。
输入输出设备和计算机之间有一个接口（interface），可以通过接口进行数据的传输和控制。
二、微机原理的概念和内容微机原理是计算机科学与技术领域中的重要课程，它主要研究微型计算机的组成和工作原理。
第一章1.说明计算机系统的层次结构。
第一级是微程序级，第二级是传统机器级，第三级是操作系统级，第四级是汇编语言级，第五级是高级语言级，第六级是应用语言级2.冯诺依曼计算机的特点计算机由运算器、存储器、控制器、输入输出设备五大部分组成指令和数据以同等地位存放在存储器，并可按地址寻访指令和数据均用二进制数表示指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置指令在存储器内按顺序存放，通常指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定条件改变执行顺序机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。
3.计算机的工作步骤（1）上机前的准备：建立数学模型、确定计算方法、编制解题程序（2）上机运行4.指令和数据都存储于存储器中，计算机如何区分他们？计算机区分指令和数据有以下2种方法：通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。
通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址取出的是操作数。
第三章1、什么是总线，特点，为了减轻总线的负载，总线上的部件都应具备什么特点总线是链接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质特点：某一时刻只能有一路信息在总线上传输总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通2、总线的分类：片内总线；系统总线（数据总线，地址总线）；控制总线；通信总线3、总线的特性：机械特性，电气特性，功能特性，时间特性4、总线的性能指标：总线宽度，总线带宽，时钟同步/异步，总线复用，信号线数，总线控制方式，其他指标5、为什么要设置总线判优控制；常见的集中式总线控制有几种，特点，哪种方式响应最快，哪种方式对电路故障最敏感总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题，集中式总线控制有三种：链式查询，计数器定时查询，独立请求方式特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。
独立请求方式响应最快链式查询最敏感6、总线周期：申请分配阶段，寻址阶段，传数阶段，结束阶段6、试比较同步通信和异步通信解：同步通信：指通信双方由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。
适合于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。
异步通信：指没有统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。
7、为什么半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。
8、什么是总线标准，为什么设置总线标准，目前流行的总线标准有哪些，什么是即插即用，哪些总线有这一特点：所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。
总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；ISA总线，EISA总线，VESI总线，PCI总线，AGP总线，RS-232c总线，USB总线即插即用：任何扩展卡只要插入系统便可工作USB总线9、什么是总线的数据传输速率，他与哪些因素有关第四章1、存储器的存储结构主要体现在什么地方，为什么要分这些层次，计算机如何管理这些层次主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个层次缓存-主存主要处理cpu和主存速度不匹配的问题主存-辅存解决存储系统的容量问题2、存取周期和存取时间的区别存取时间有称为存储器的访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所用的时间存取周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间，通常存取周期大于存取时间3、存储器的分类（1）按介质分类：半导体存储器，磁表面存储器，磁芯存储器，光盘存储器（2）按存储方式分类：随机存储器，只读存储器，串行访问存储器（3）按在计算机中的作用分类：主存。
，辅存。
，缓冲。
4、主存的技术指标：存储容量和存储速度（主要技术指标）存储器带宽5、提高存储器的带宽：缩短存取周期，增加存储字长，增加存储体6、什么叫刷新，为什么刷新，有几种方法对DRAM定期进行的全部重写过程由于存储单元被访问时随机的，有可能某些存储单元长期得不到访问，不进行存储器的读写操作，存储单元内的原信息会慢慢消失，所以必须采用刷新的方法。
三种方法：集中刷新，分散刷新，异步刷新7、什么是程序访问的局部性，存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理所谓程序访问的局部性即在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1 )。
存储系统的Cache—主存级和主存—辅存级都用到程序访问的局部性原理。
对Cache —主存级而言，把CPU最近期执行的程序放在容量较小速度较高的Cache中。
对主存—辅存级而言，把程序中访问频度高、比较活跃的部分放在主存中，这样既提高了访存速度又扩大了存储器容量。
8、提高访存速度可采取的措施解：提高访存速度可采取的措施：(1)采用高速器件，选取存取周期短的芯片，可提高存储器的速度；(2)采用Cache，CPU将最近期要用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快得多，这样CPU每次只需从Cache中取出或存入信息，从而缩短了访存时间，提高了访存速度。
(3)调整主存结构，如采用单体多字结构（在一个存取周期内读出多个存储字，可增加存储器的带宽），或采用多体结构存储器。
9、主存地址映射方式：直接映射，全相连映射，组相连映射10、简要说明提高访存速度可采取的措施单体多字系统，多体并行系统，高性能存储芯片第五章1、IO设备有哪些编址方式，各有何特点统一编址或不统一编址统一编址就是将IO地址看做存储器地址的一部分。
不统一编址就是指IO地址和存储器地址是分开的，所以对IO设备的访问必须有专用的IO 指令2、什么是IO接口，它与端口有何区别，为什么设置IO接口，如何分类是指主机与IO设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制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，相应的端口分别称为数据端口、控制端口和状态端口。
若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。
CPU通过输入指令，从端口读入信息，通过输出指令，可将信息写入到端口中。
理由：通过接口可实现IO设备的选择；达到速度匹配；可实现数据串并转换；实现电平转换；通过接口可传送控制命令；IO设备需将其工作状态及时向CPU报告，通过接口可监视设备的工作状态，并可保存状态信息，供CPU查询。
分类：按数据的传送方式分类分为并行接口和串行接口按功能选择的灵活性分类分为可编程接口和不可编程接口按通用性分为通用接口和专用接口按数据传送的控制方式分类分为程序型接口和DMA型接口3、简述IO接口的功能和基本组成功能：选址功能，传送命令，传送数据，反应IO设备工作状态基本组成：数据缓冲寄存器DBR、设备状态标记、控制逻辑电路、设备选择电路、命令寄存器和命令译码器。
每台外设都必须配置一个中断请求触发器INTR，当其为1时……4、在什么条件和什么时间，CPU可响应IO的中断请求5、试从五个方面比较程序中断方式和DMA方式的区别从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送从cpu 响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应，而DMA在指令周期内的任一存取周期结束时响应程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA没有程序中断方式需要中断现行程序，需要保护现场；DMA不需要。
不需要。
DMA优先级比程序中断的高第六章1、什么是机器零，若要求全零表示机器零，浮点数的阶码和尾数应采用什么机器数形式第七章1、比较RISC和CISC答：RISC相对于CISC的优点：（1）充分利用VLSI芯片的面积；（2）提高计算机的速度；（3）便于设计，可降低成本，提高可靠性；（4）有效支持高级语言程序。
RISC缺点：CISC大多能实现软件兼容。
但RISC机简化了指令系统，指令数量少，格式也不同于老机器，因此大多数RISC机不能与老机器兼容。
第八章1、当遇到什么情况时流水线将受阻？举例说明P349解：流水线受阻一般有三种情况：（1）在指令重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行要求，发生资源冲突。
如在同一时间，几条重叠执行的指令分别要取指令、取操作和存结果，都需要访存，就会发生访存冲突。
（2）在程序的相邻指令之间出现了某种关联，如当一条指令需要用到当前指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行，就可能引起数据相关。
（3）当流水线遇到分支指令时，如一条指令要等前一条指令作出转移方向的决定后，才能进入流水线时，便发生控制相关。
第九章1、什么是指令周期，机器周期和时钟周期？三者有何关系解：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度=主存周期；时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期=计算机主频的倒数=节拍电平有效时间。
2、试比较同步控制、异步控制和联合控制的区别同步控制是指任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的，并且都受统一基准时标信号控制。
异步控制无基准时标信号，微操作的时序是由专门的应答线路控制，即控制单元发出执行某一微操作的控制信号后，等待执行部件完成了该操作后发回“回答”或“结束”信号，再开始新的微操作。
联合控制是同步控制和异步控制相结合的方式，即大多数操作（如CPU内部各操作）在同步时序信号的控制下进行，少数时间难以确定的微操作（如涉及I/O操作）采用异步控制。
第十章1、微指令的操作控制有几种编码方式，各有何特点，哪一种控制速度最快解：（1）直接编码方式：在微指令的操作控制字段中，每一位代表一个微操作命令。
这种方式含义清晰，而且只要微指令从控存读出，即刻可由控制字段发出命令，速度快。
但由于机器中微操作命令甚多，可能使微指令操作控制字段达几百位，造成控存容量极大。
（2）字段直接编码：这种方式就是将微指令的操作控制字段分成若干段，将一组互斥的微操作命令放在一个字段内，通过这个字段译码，便可对应每一个微命令。
采用字段直接编码方法可用较少的二进制信息表示较多的操作命令信号。
但由于增加了译码电路，使微程序的执行速度稍减慢。
