计算机组成原理思维导图

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2025-08-03

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指令系统

总线介绍

CPU介绍

计算机发展，进制介绍，存储系统相关内容讲解

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思维导图大纲

第一章计算机的发展

第一节计算机的发展

硬件的发展是计算机技术演进的核心部分。

第二节计算机硬件

第一小节计算机硬件的基本组成

包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。

第二小节各个硬件的工作原理

CPU负责执行指令，存储器存储数据，I/O设备进行外部通信。

第三小节计算机系统的层次结构

从硬件到软件，逐层抽象，形成完整的计算机系统。

第三节计算机性能指标

包括运算速度、主频、字长、内存容量等指标。

第二章进制

第一节计数制

第一小节进位计数制

十进制、二进制、八进制、十六进制及其相互转换。

第二小节BCD码

用四位二进制数表示一位十进制数的编码方式。

第三小节无符号整数的表示和运算

无符号整数只能表示非负数，运算时不考虑符号位。

第四小节带符号整数的表示和运算（原、反、补）

原码表示符号和数值，反码是原码取反，补码是反码加1。

第五小节原反补码的特性对比

原码直观但运算复杂，补码便于加减法运算。

第六小节移码

主要用于浮点数阶码的表示，便于比较大小。

第七小节定点小数

小数点位置固定在数的最前面或最后面。

第二节计算机运算

第一小节奇偶校验码

检测数据传输错误的简单方法，分为奇校验和偶校验。

第二小节电路的基本原理，加法器设计

第三小节并行进位加法器

多个全加器并行计算，提高加法速度。

第四小节补码加减运算器

第五小节加减运算和溢出判断

判断结果是否超出表示范围，通过标志位判断。

第七小节定点数的移位运算

左移相当于乘2，右移相当于除2，常用于快速运算。

第八小节乘法运算

原码乘法需处理符号位，补码乘法直接进行加减法运算。

第九小节除法运算

原码除法先处理符号，补码除法结合加减交替法。

第十小节C语言类型转换

包括隐式类型转换和显式类型转换，注意数据精度丢失。

第十一小节数据的存储和排列

涉及大小端存储方式，影响数据在内存中的排列顺序。

第三节浮点数

第一小节浮点数的表示

由符号位、阶码和尾数组成，可表示极大或极小数。

第二小节IEEE754

IEEE标准的浮点数表示格式，包括单精度和双精度。

第三小节浮点数的运算

涉及对阶、尾数运算、规格化、舍入等步骤。

第三章计算机存储系统

第一节存储系统基本概念

存储器按功能和速度分为多级结构，如寄存器、Cache、主存、辅存。

第二节存储器的组成

第一小节主存储器的基本组成

由地址译码器、存储体、读写电路等组成。

第二小节SRAM和DRAM

SRAM速度快、不需刷新；DRAM密度高、需周期刷新。

第三小节只读存储器ROM

非易失性存储器，用于固化程序或数据。

第四小节双端口RAM和多模块存储器

支持并发访问，提高存储带宽。

第三节主存储器与CPU的连接

地址线、数据线、控制线连接，实现数据交换。

第四节外存储器

第一小节磁盘存储器

用于大容量数据存储，具有机械结构，速度较慢。

第二小节固态硬盘SSD

基于闪存的存储设备，速度快、无机械磨损。

第五节Cache

第一小节Cache替换算法

FIFO、LRU、LFU等策略用于决定替换哪些数据。

第二小节Cache写策略

写直达和写回两种方式，影响数据一致性和性能。

第六节虚拟存储器

第一小节页面存储器

将内存划分为固定大小的页，便于管理。

第二小节虚拟存储器

段式、页式、段页式虚拟存储结构，实现内存扩展。

第四章指令系统

第一节指令格式

第一小节指令格式

包括操作码和地址码，决定指令功能和操作数来源。

第二小节指令的执行过程

取指、译码、执行、访存、写回五阶段流水线执行。

第三小节指令的分类

数据传送类、运算类、转移类、控制类等。

第四小节指令集架构（ISA）

包括CISC和RISC两种主要架构，影响处理器设计。

第二节寻址

第一小节指令寻址

顺序寻址和跳跃寻址，控制程序流程。

第二小节数据寻址

包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、变址寻址等。

第三小节偏移寻址

基址寻址、变址寻址、相对寻址，用于灵活访问内存。

第四小节堆栈寻址

利用堆栈结构进行数据访问，常用于函数调用和中断处理。

第三节汇编语言和高级语言

第一小节高级语言和机器代码之间的对应

编译器将高级语言转换为汇编代码，再转为机器码。

第二小节常用的X86汇编指令

MOV、ADD、SUB、CMP、JMP等基本操作指令。

第三小节AT&T格式和Intel格式

两种不同的汇编语法格式，影响代码编写风格。

第四小节选择语句的机器级表示

通过条件跳转指令实现if-else结构。

第五小节循环语句的机器级表示

利用循环控制指令和条件跳转实现for、while等结构。

第六小节函数的机器级表示

使用call和ret指令进行函数调用与返回。

如何访问栈帧

通过栈指针和基址指针定位函数调用时的局部变量和参数。

如何切换栈帧

在函数调用过程中压栈保存上下文，调用结束后弹栈恢复。

如何传递参数和返回值

通过寄存器或栈传递参数，返回值通常存放在特定寄存器中。

第四节CISC和RISC

CISC强调复杂指令集，RISC强调精简指令集，各有优劣。

第五章CPU

第一节CPU的功能和基本结构

CPU负责执行指令、处理数据、控制外设，由控制器和运算器组成。

第一小节CPU的功能

包括指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理。

第二小节CPU的基本结构

包括ALU、寄存器组、控制器、程序计数器、指令寄存器等。

第二节指令周期的数据流

指令周期中数据在CPU内部的流动路径。

第三节数据通路

第一小节数据通路

单总线结构

通过一条总线连接各部件，结构简单但效率低。

第二小节数据通路

专用通路结构

各部件之间有独立通路，提高数据传输效率。

第四节微程序

第一小节硬布线控制器的设计

控制信号由逻辑电路直接生成，速度快但复杂。

第二小节微程序控制器的基本原理

用微指令序列控制指令执行，灵活性高。

第三小节微指令的设计

包括水平型、垂直型微指令，决定控制信号的表达方式。

第四小节微程序控制单元的设计

实现微指令的取指、译码和执行。

第五节指令流水线

第一小节指令流水线的基本概念

将指令执行过程划分为多个阶段，提高吞吐率。

吞吐率

单位时间内完成的指令数。

效率

流水线资源的利用程度。

加速比

流水线与非流水线方式执行效率的比值。

影响流水线性能的因素

包括资源冲突、数据相关、控制相关等。

第二小节指令流水线的影响因素和分类

按处理级别、功能、工作方式、结构、指令执行顺序分类。

第三小节五段式指令流水线

取指、译码、执行、访存、写回五个阶段组成。

第六节多处理器系统

第一小节多处理器系统的基本概念

多个CPU协同工作，提高系统性能。

第二小节硬件多线程的基本概念

同一CPU核心并发执行多个线程，提高资源利用率。

第六章总线

第一节总线概述

第一小节总线概述

总线是连接多个部件的信息传输通道。

按照数据传输格式分类

并行总线和串行总线。

系统总线的结构

单总线结构

所有部件共享一条总线，结构简单但冲突多。

系统总线的结构

双总线结构

主存和I/O分别使用不同总线，提高效率。

系统总线的结构

三总线结构

包括主存总线、系统总线、高速总线，结构更复杂。

第二小节总线的性能指标

包括总线宽度、总线频率、总线带宽等。

第二节总线仲裁

解决多个设备同时请求总线使用权的问题。

集中式仲裁

链式查询、计数器定时查询、独立请求。

分布式仲裁

每个设备有独立仲裁电路，通过编号比较决定使用权。

第三节总线操作和定时

控制总线访问的时间序列，确保数据正确传输。

第四节总线标准

包括ISA、PCI、U**、SATA等常见总线标准。

第七章输入输出设备

第一节外部设备

第一小节输入输出系统和IO控制方式

包括程序查询、中断、DMA等方式。

第二小节外部设备

键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等常见外设。

第二节IO接口

连接主机与外设，实现数据格式转换和信号控制。

第三节中断机制

第一小节程序查询方式

CPU主动轮询外设状态，效率低。

第二小节中断的作用和原理

外设主动通知CPU处理事件，提高响应速度。

第三小节多重中断

允许高优先级中断打断低优先级中断处理。

第四小节程序中断方式

中断发生后CPU保存现场，跳转执行中断服务程序。

第五小节DMA方式

直接内存访问，无需CPU干预完成数据传输。

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