公务员-计算机类《计算机组成原理》复习资料

1《计算机组成原理》复习资料黄钦胜编“计算机组成原理”是计算机科学与技术专业的一门主干课程，必修。从课程的地位来说，它在先导课程——“数字逻辑”、“数字电路”和后续课程——“操作系统”、“系统结构”等之间起着承上启下和继往开来的作用。一.本课程的学习目的：1.通过本课程的学习，掌握计算机硬件系统各部分的组成及工作原理。2.掌握由各部件组成整机的工作原理，从而较好地建立起计算机的整机概念。所谓整机概念，简单地说，就是在脑子里有一台运转起来的计算机。它包括运转起来的计算机各部分组成整机的方法及执行指令过程各部件的相互联系——空间概念和各部件在时间上的密切配合，协调工作——时间概念。3.掌握计算机系统硬件分析，设计和调试的技能。这主要是通过原理课的实验和课程设计达到这一学习目的，建议尽可能安排实验环节及课程设计。二.本课程的学习内容：1.中央处理器的组成原理。主要的内容是运算方法和运算器、控制器、指令系统和系统总线。2.存储器的组织及输入输出组织。主要的内容是高速缓冲存储器Cache、主存储器、外存储器和由它们组成的多级存储系统；常用的输入/输出设备和输入/输出系统。三.本课程的特点：1.具有要求的基础较高，知识面广和承上启下的特点。2.具有概念多、难度大的特点。根据以上的特点，要求在学习《计算机组成原理》课前必须要有较扎实的数字逻辑和数字电路的知识，学习本课程必须弄清原理，按质完成一定量的习题，要在理解的基础上记住有关的原理、概念和术语。通过不断的学习、复习，有意识有目的地围绕“整机概念”这一最大的难点主动地学习，有条件者可结合计算机系统的监控程序分析、学习，效果会更好，只要努力，我们学习《计算机组成原理》课程的目的就一定能达到。四.主要参考文献：1.黄钦胜朱娟，计算机组成原理，电子工业出版社，2003年。2.黄钦胜等编著，计算机组成原理习题与题解，电子工业出版社，2004年。第1章计算机系统概论本章的学习目的：初步了解计算机系统的组成和计算机的工作过程，掌握常用的概念、名词术语，为以后各章的学习打下基础。本章要掌握的主要内容：1.电子计算机的分类，电子数字计算机的特点。22.计算机与人们的生活息息相关，了解计算机有哪些主要的应用。3.计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，硬件是物资基础，软件是解题的灵魂。弄清硬件和软件的概念。4.计算机硬件系统所包含的主要部分，各部分的功能及其组成框图。5.计算机的工作过程，主要是执行指令的过程。而指令周期包括取出指令、解释指令和执行指令两个阶段。6.计算机发展所经历的五代，前四代分代的主要标志是以所使用的主要逻辑元件来划分的，第五代计算机以知识推理，人工智能为主要标志。7.当前计算机组织结构发展的趋势。8.冯·努依曼计算机的设计思想是采用二进制表示各种信息以及存储程序和程序控制。存储程序的概念是将解题程序（连同必须的原始数据）预先存入存储器；程序控制是指控制器依据所存储的程序控制全机自动、协调地完成解题任务。存储程序和程序控制统称为存储程序控制。9.控制器和运算器合称为中央处理器CPU，当前CPU芯片还集成有存储管理部件、Cache等；CPU和内存储器合称为计算机主机。10.指令字和数据均以二进制代码的形式存入存储器，计算机是如何区分出指令和数据的。11.计算机系统的主要性能指标包括哪些？12.计算机的运算速度是指它每秒钟执行指令的条数。单位是MIPS（百万条指令每秒）niiimtfV11式中，n—指令的种类fi—第i种指令在程序中出现的频度（%）ti—第i种指令的指令周期13.计算机系统按功能划分，通常为五级的层次结构，每一级都可进行程序设计。14.机器功能的软硬件划分取决于价格、速度、可靠性、存储容量和变更周期等。15.软件和硬件在逻辑功能上是等效的。合理分配软硬件的功能是计算机总体结构的重要内容。16.固件是具有软件功能的硬件，它是介于传统软硬件之间的实体。从功能上说类似于软件，就其形态说类似硬件。17.本章主要的术语及概念：运算器、控制器、中央处理器CPU、主机、存储器、I/O接口（适配器）、I/O设备、总线、存储程序、程序控制、硬件、软件、固件、运算速度、存储容量、单元地址、存储单元、程序、指令。第2章运算方法和运算器本章的学习目的：弄清数据与文字在计算机中的表示法，定点加、减、乘、除运算的算法，浮点数的表示法及运算方法，逻辑运算的实现，定点、浮点运算器的组成及工作原理。本章要掌握的主要内容：1.进位计数制及不同计数制（十、二、八、十六）之间数的转换方法。3进位计数制有两个要素，一是基数R，二是位权Ri。R是指计数制中所用到的数码个数，如十进制为0~9共十个数字符号；Ri是指R进制数中数位的固定倍数。不同数制之间数的转换依据：若两个有理数相等，则这两个数的整数部分与小数部分一定分别相等。2.计算机广泛使用二进制的原因是由于其只有二个数字符号，便于物理的实现，运算规则最简单，节省元件，可作为逻辑设计的便利工具，可靠性高。3.计算机中表示的二进制位数B和人们习惯的十进制数D之间的位数关系：B=3.32D可见，一位十进制数要用3.32位二进制数表示，这应与二进制编码的十进制数（BCD码）区分开来。4.数值数据在计算机中有定点表示和浮点表示两种数据格式。5.定点表示法的表数范围、精度及其特点。6.浮点表示这一部分的内容是一个难点，应真正弄懂。(1).浮点数的构成：N=RE×M上式R是基数，通常R=2（也有R=8或R=16），对于同一台计算机，R是固定不变的，因此，计算机表示浮点数时只需表示指数（称为阶）E和尾数M。E包括阶符（指明指数的正负）和阶码（整数），用于指明小数点的实际位置。M为尾数，包括数符和尾数，M表示了数的精度和正负。它在机器中的表示如下：ESE1E2…EmMSM1M2…Mn˙|←阶符→|阶码|←数符→|尾数|形式小数点所表示的浮点数，其形式小数点的位置在Ms之后。由于整个数的小数点位置还应由阶来决定，即当E为正阶时，表明实际小数点的实际位置应右移；当E为负阶时，表明实际小数点的位置应左移。由于所表示的尾数部分，其最大的绝对值约等于1，因此，所能表示的最大数是由阶码的位数来确定，而表示数的精度应由尾数的位数n决定。(2).规格化浮点数是尾数的最高位为非零数值的浮点数。表示为0.5≤|M|1（R=2）规格化数可使一个浮点数的表示是惟一的，而且能保留最多的有效数字，避免丢失运算精度。例：某运算结果：N=20001×0.0000000110001110，限定的尾数为8位，可得N1=20001×0.00000001或N2=2-0111×0.11000111，这二个数的精度不同，N2有8位数的精度，而N1只有1位数的精度。N1是由N舍去尾数的低8位得到的，N2则是由N规格化后得到的。(3).如何实现规格化？当|M|≥1时，将尾数右移，每右移一位，阶码加1，称为向右规格化，简称右规；当|M|0.5时，将尾数左移，每左移一位，阶码减1，称为向左规格化，简称左规。可见，规格化过程，就是自动调节比例因子的过程。应注意的是，尾数为零的浮点数不能规格化。(4).规格化浮点数的表数范围：设阶码为m位，尾数为n位（不包括阶符和尾符），则规格化浮点数的表数范围为：4)12(2m×21≤N≤nm21212上式中(2m-1)和-(2m-1)是m位阶码能表示的最大和最小的阶码，而21和n21则是规格化尾数绝对值最小和最大的值。在阶和尾数均用补码表示的机器中，由于补码可多表示一个最小的负数和为便于判别规格化，则其表数范围为：正数：m22×21≤N≤nm21212负数：m22×n221≥N≥1212m上式中，-2m为m位补码表示的阶码所能表示的最小负数，-1为补码表示的最小的尾数值。当M=-2-1时，[M]补=1.100…0，而当M=（-2-1-2-n）时，[M]补=1.011…1，M=-1时，[M]补=1.000…0，除去M=-2-1这一数值后，要判别是否为规格化尾数，只需判Ms和M1这两位的状态不相同时，则为规格化尾数。设想把M=-2-1作为规格化尾数，其判断规格化的逻辑表达式在尾数的位数很多时的复杂程度。(5).浮点表示的优缺点。7.IEEE754标准中单精度和双精度两种浮点数的表示数的范围及其机器数的表示形式。8.十进制数串的表示方法：(1)字符串形式：每个十进制数位或符号位占用一个字节。字符串形式应用于非数值处理的领域。(2)压缩的十进制数串形式：一个字节存放两个十进制数位。9.计算机中表示数的大小和正负的方法称为码制。机器数的表示有原码、补码、反码和移码四种形式。10.原码、补码、反码和移码的性质归纳：(1)补码、反码和移码的符号位作为数值的一部分看待，参加运算，而原码则不能。(2)原码和反码的表数范围相对于0来说是对称的，整数：-（2n-1）～0～+（2n-1）小数：-（1-2-n）～0～+（1-2-n）而补码和移码则可多表示一个最小负数：整数：-2n、-（2n-1）～0～+（2n-1）小数：-1、-（1-2-n）～0～+（1-2-n）(3)零的原码和反码（定点小数）各有二种表示形式：[+0]原=0.00…0，[-0]原=1.00…0[+0]反=0.00…0，[-0]反=1.11…1而零的补码和移码（定点整数）各只有一种表示形式：[+0]补=[-0]补=000…0[+0]移=[-0]移=100…0（4）反码和补码右移时，移空位（数的最高位）补上和符号相同的代码，而原码左右移时，移空位均补上0；补码左移，移空位（数的最低位）补0；正数的反码左移时，移空位补0，负数的反码左移时，移空位补1。5（5）原码表示法便于输入输出，有利于实现乘除运算，不利于加减运算；补码表示法便于加减运算，乘除运算也有较好算法，故多被采用；反码表示法最易于形成代码，但运算复杂且速度慢，很少采用；移码主要用于表示浮点数的阶。11.字符的ASCII码与字符串的表示方法。12.汉字的表示方法包括汉字的输入编码，汉字内码和汉字字模码。13.由于噪音干扰而造成计算机的突发性错误可通过数据校验码加以发现或给出错误特征而对错误加以纠正。奇偶校验码校验位的生成，查错过程及查错的功能。14.若待编码信息为n位（二进制），则纠正一位错所需的校验位数r应满足：2r≥n+r+1模2四则运算，循环冗余码(CRC)的纠错原理。15.补码加法的规则是任意两个数的补码之和等于该两数和之补码，即[X]补+[Y]补=[X+Y]补(mod2)对于定点小数来说，上式的先决条件是：-1≤x1,-1≤y1,-1≤x+y1。16.补码减法的运算公式：[X-Y]补=[X]补+[-Y]补(mod2)在用补码表示的机器中，存储的是[x]补和[y]补的机器数，而减法运算则是指令的要求，上式表明要做减法，必须从[y]补求出[-y]补（称为对y求补），再把减法变为加法进行运算。[-Y]补=¬[Y]补+2-n（各位变反，末位加1）17.溢出的检测与处理。溢出是指当运算结果大于机器所能表示的最大正数（上溢）或小于机器所能表示的最小负数（下溢）。机器设有溢出标志位OF，溢出时将OF置成1，转溢出中断处理或停机。对溢出标志位OF产生影响的指令是算术运算类指令。溢出的检测有单符号位和双符号的判溢出。以补码加法为例，单符号位判溢出的基本逻辑表达式为：OF=nnnSBAnnnSBA第一乘积项表示两个操作数均为正数（An=Bn=0）和数的符号Sn=1（负数）的情况（属于上溢）；第二乘积项则表示两个操作数均为负数（An=Bn=1），和数的符号为Sn=0的情况（属于下溢）。双符号位的判溢出是用模4补码扩大表数范围，使运算结果-1≤A+B1时，小数点左边两位的状态总是相同的（这是变形补码、双符号位补码的含义）。当运算结果A+B-1或A+B≥1时，小数点左边两位的状态为S'nSn=10或01，此时为溢出的情况。故双符号位的判溢出表达式为：nnnnnnSSSSSSOF'''值得指出的是，机器存储的是正