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文檔簡介

計算機組成原理考研重點知識總結計算機組成原理是計算機科學與技術領域的核心基礎課程,也是考研專業(yè)課中的重點和難點。它主要研究計算機硬件系統(tǒng)的基本組成、各部件的工作原理、相互聯(lián)系以及協(xié)調工作的方式。掌握這門課不僅對于考研至關重要,更是深入理解計算機系統(tǒng)運作機制的基石。本文將梳理該課程的核心知識點,旨在為考研復習提供一份清晰、系統(tǒng)的參考。一、計算機系統(tǒng)概述這部分內容是整個課程的引入,旨在建立對計算機系統(tǒng)的整體認知。核心要點:*計算機系統(tǒng)的層次結構:從底層的硬件邏輯層,到微程序層、機器語言層,再到操作系統(tǒng)層、匯編語言層、高級語言層乃至應用層,理解各層次的功能及層次間的接口關系,特別是“透明性”的概念。*計算機硬件的基本組成:馮·諾依曼體系結構的核心思想(存儲程序、五大組成部分),即運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。理解各部件的主要功能及其相互連接。*計算機性能指標:主頻、時鐘周期、CPI、MIPS、FLOPS等,理解這些指標的含義以及它們之間的關系,能夠進行簡單的計算和性能比較。*指令集體系結構的分類:CISC與RISC的主要特點與區(qū)別,了解其發(fā)展趨勢。理解關鍵:此部分雖多為概念性內容,但卻是后續(xù)深入學習的基礎。重點在于建立“整機”概念,理解軟硬件的界面。二、數(shù)據(jù)的表示與運算數(shù)據(jù)是計算機處理的對象,如何表示數(shù)據(jù)以及如何對數(shù)據(jù)進行運算,是計算機組成原理的基本問題。核心要點:*數(shù)制與編碼:*進位計數(shù)制及其轉換(二進制、八進制、十進制、十六進制)。*真值與機器數(shù)的概念。*定點數(shù)的表示:原碼、反碼、補碼、移碼,深刻理解補碼的意義、運算規(guī)則及其在計算機中的廣泛應用。*浮點數(shù)的表示:IEEE754標準(單精度、雙精度),包括符號位、階碼、尾數(shù)的構成及意義。*非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示:ASCII碼、漢字編碼、BCD碼等。*運算方法和運算器:*定點數(shù)的加減乘除運算:補碼加減法的規(guī)則與溢出判斷,原碼/補碼乘法(Booth算法),原碼/補碼除法(恢復余數(shù)法、加減交替法)。*浮點數(shù)的加減運算:對階、尾數(shù)運算、規(guī)格化、舍入、溢出判斷。*運算器的組成與結構:ALU的功能與實現(xiàn),通用寄存器組,數(shù)據(jù)通路。理解關鍵:補碼是核心,務必掌握其意義和運算。浮點數(shù)運算步驟多,細節(jié)需注意。運算器的結構要結合具體的運算過程來理解數(shù)據(jù)流向。三、中央處理器(CPU)CPU是計算機的核心部件,其功能和性能直接決定了計算機的整體性能。核心要點:*指令系統(tǒng):*指令的基本格式:操作碼、地址碼(不同尋址方式)。*尋址方式:立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、基址尋址、相對尋址等,理解各種尋址方式的特點和有效地址計算。*指令類型:數(shù)據(jù)傳送類、算術邏輯運算類、程序控制類(轉移、調用、返回)、I/O指令、特權指令等。*指令系統(tǒng)的性能要求:完備性、有效性、規(guī)整性、兼容性。*指令流水線:*流水線的基本概念:吞吐率、加速比、效率。*流水線的分類:按功能部件、按處理級別等。*流水線中的相關與沖突:結構相關、數(shù)據(jù)相關(RAW,WAR,WAW)、控制相關。*流水線沖突的處理方法:暫停(氣泡)、轉發(fā)(旁路)、編譯器調度、分支預測等。*控制器的功能和工作原理:*控制器的基本功能:取指令、分析指令、執(zhí)行指令、控制程序和數(shù)據(jù)的輸入輸出、異常處理等。*微程序控制器:微指令、微操作、微程序、控制存儲器、微地址形成、微指令格式(水平型、垂直型)。*硬布線控制器:組合邏輯電路、時序信號、指令周期、機器周期、節(jié)拍。*兩種控制器的比較。*CPU的時序系統(tǒng):時鐘周期、機器周期、指令周期的概念及其關系。理解關鍵:指令系統(tǒng)是軟硬件的接口,尋址方式是重點。指令流水線是提高CPU性能的關鍵技術,相關與沖突的處理是難點??刂破鞯膬煞N實現(xiàn)方式各有特點,需理解其工作機制。四、存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)是計算機中存放程序和數(shù)據(jù)的部件,其層次結構和性能對整機性能影響巨大。核心要點:*存儲器的層次結構:Cache-主存-輔存三級結構的原理和意義,局部性原理。*半導體隨機存取存儲器:*SRAM和DRAM的工作原理、特點及區(qū)別。*只讀存儲器ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashMemory的特點和應用。*存儲器芯片的擴展:位擴展、字擴展、字位同時擴展。*主存儲器的組織:地址譯碼、存儲體、讀寫控制。*高速緩沖存儲器(Cache):*Cache的工作原理:命中率、Cache-主存地址映射(直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射)。*Cache的替換策略:隨機(RAND)、先進先出(FIFO)、最近最少使用(LRU)、最不經(jīng)常使用(LFU)。*Cache的寫策略:寫直達(Write-Through)、寫回(Write-Back)、寫分配(Write-Allocate)、非寫分配(No-Write-Allocate)。*主存儲器與CPU的連接:地址線、數(shù)據(jù)線、控制線的連接,存儲容量的確定。*虛擬存儲器:*虛擬存儲器的基本概念、功能和特點。*頁式虛擬存儲器:頁表、地址變換過程、快表(TLB)。*段式虛擬存儲器:段表、地址變換。*段頁式虛擬存儲器。*頁面置換算法:與Cache替換策略類似,但面向更大的存儲容量和更長的訪問周期。理解關鍵:存儲層次的思想是核心。Cache的工作原理,特別是地址映射、替換策略和寫策略,是重中之重。虛擬存儲器解決了主存容量不足的問題,其地址變換過程和頁面置換算法需要掌握。五、輸入輸出(I/O)系統(tǒng)I/O系統(tǒng)是計算機與外部世界進行信息交換的橋梁。核心要點:*I/O系統(tǒng)基本概念:I/O設備的分類、I/O接口的功能和基本結構(數(shù)據(jù)、狀態(tài)、控制寄存器)。*I/O控制方式:*程序查詢方式:特點、流程。*程序中斷方式:中斷的概念、中斷響應過程、中斷處理過程、中斷優(yōu)先級、中斷屏蔽、中斷向量。*DMA方式:DMA控制器的功能、DMA傳送過程(預處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理)、DMA與中斷的區(qū)別。*通道方式和I/O處理機。*中斷系統(tǒng):深入理解中斷的全過程,包括中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應、中斷服務、中斷返回,以及中斷嵌套和多重中斷的概念。*I/O接口:并行接口與串行接口的特點,典型I/O接口(如USB、SATA)的基本概念。理解關鍵:I/O控制方式的演變體現(xiàn)了計算機系統(tǒng)性能的提升,重點掌握中斷方式和DMA方式的工作原理及特點。中斷系統(tǒng)的響應和處理過程是核心考點。六、總線系統(tǒng)總線是計算機各部件之間傳輸信息的公共通路。核心要點:*總線的基本概念:總線的定義、分類(片內總線、系統(tǒng)總線、通信總線;數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線)。*總線的性能指標:總線寬度、總線頻率、總線帶寬、總線定時等。*總線仲裁:集中式仲裁(鏈式查詢、計數(shù)器定時查詢、獨立請求)和分布式仲裁的原理和特點。*總線操作和定時:同步定時和異步定時(不互鎖、半互鎖、全互鎖)的原理。*典型總線標準:了解PCI、PCI-E等常見總線的特點(此部分一般不作為重點,但基本概念需了解)。理解關鍵:總線的仲裁和定時方式是重點,理解不同方式的優(yōu)缺點??偩€帶寬的計算也是??純热?。復習建議1.構建知識體系:將各章節(jié)內容聯(lián)系起來,形成完整的計算機組成原理知識框架,理解部件間的內在聯(lián)系。2.注重理解原理:計算機組成原理不是死記硬背的學科,要深入理解各種機制的工作原理和為什么這樣設計。3.結合例題習題:通過做題檢驗理解程度,鞏固知

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