计算机原理-重点

1计算机原理第一章计算机系统概论计算机发展阶段：1.手工阶段2.机械计算阶段3.电子计算阶段计算机的发展简史：以器件作为划分标准:第一代：电子管，第一台：46年(ENIAC)；第二代：晶体管；第三代：集成电路；第四代：大规模集成电路；如微机冯·诺依曼机思想体制包括：1.采用二进制数字代码形式表示各种信息。2.采用存储程序控制工作方式3.计算机硬件由五大部件组成。计算机硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备输入设备：将外界数据、命令输入到计算机的内存，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。存储器：是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。运算器：是对信息进行运算和处理的部件。分两类：算术运算和逻辑运算。主要由算术逻辑运算部件(ALU)和用来暂存数据或存放运算结果的一系列寄存器组成。控制器：是整个计算机的控制、指挥部件，它控制计算机各部件自动、协调地工作。主要任务有两项：一是按照程序要求，控制程序中指令的执行顺序；二是根据指令寄存器中的指令码控制每一条指令的执行。输出设备：是将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形式的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。总线：计算机通过总线将五大类部件连接起来。主要任务是在各部件之间传送数据信息、地址信息和控制信息。总线通常包括数据总线(DataBus,DB)、地址总线(AddressBus,AB)和控制总线(ControlBus,CB)(1)数据总线DB用来传送数据信息，是双向总线，CPU既可通过其从存储器或输入设备读入数据，又可通过其将内部数据送至存储器或输出设备。(2)地址总线AB用于传送CPU发出的地址信息,是单向总线,目的是指明与CPU交换信息的存储单元或输入输出设备(3)控制总线CB用于传送控制信号、时序信号和状态信息等。有的是CPU向存储器或外设发出的信息，有的则是存储器或外设向CPU发出的信息。计算机系统的层次机构：(1)数据逻辑层：最底层是有逻辑门组成的逻辑电路，称为数字逻辑层,完成计算机最基本的运算操作和存储功能(2)微程序设计层：是一个实在的硬件层，它由机器硬件直接执行微指令。(3)机器语言层：又称为一般机器层，由微程序解释机器指令系统。(4)操作系统层：有操作系统程序实现，而操作系统是有机器指令和广义指令组成。(5)汇编语言层：它给程序员提供一种符号形式的语言，以减少程序员利用机器语言编写程序的复杂性。(6)高级语言层：由各种高级语言编译程序支持。比汇编语言更高级,更接近于人类自然语言的高级语言所编写的。不同层次之间的关系表现为：上一层是建立在下一层的基础上实现的。计算机的基本性能衡量：1.机器字长2.内存容量3.运算速度。第二章数字逻辑基础三种基本运算：1.逻辑“与”关系：只有当决定一件事的所有条件全部具备时才会发生，表示为：Y=A·B或Y=AB2.逻辑“或”关系：在决定一件事情的所有条件中，只要具备任何一个就会发生，表示为：Y=A+B3.逻辑“非”关系：当决定一件事情的条件不具备时才发生，表示为：Y=__𝐴常用复合逻辑运算：与非、或非、异或分别是：____A·B、____A+B、AB。数字系统的逻辑电路可分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路是指电路的输出状态只与当前输入状态有关，而与电路的以前状态无关，即输出与输入的关系具有即时性，不具备记忆功能。常用的组合逻辑电路：全加器、译码器和数据选择器。2全加器：是实现两个一位二进制数相加的一种组合逻辑电路。译码器：功能就是将指定的数码翻译为相应的状态输出，使其输出端中相应的一路有信号输出(电位或脉冲)数据选择器：又称多路开关(MUX)，它是以“与或门”或“与或非门”为主的逻辑电路，其作用是在选择信号的作用下，从多个输入通道中选择一个通道的数据作为输出。它的作用相当于一个具有多个输入端的单刀多掷开关。触发器：1.RS触发器：是最基本的触发器，S是置位(Set)的意思，R是复位(Reset)的意思，是一个具有位置和复位功能的2.D触发器：广泛应用于逻辑电路中，D触发器只有一共数据D(Data)输入端，因而不存在输出值不确定的问题，其功能很简单，那就是D端是什么值，输出端Q就是什么值,只有同步脉冲CLK到来之时，D触发器才能实现寄存器1.基本寄存器2.移位寄存器：不仅能存储数据，而且具有移位的功能，按照数据移动方向分为：单向移位和双向移位3.计数器：作用是记忆输入脉冲的个数。计数器是一种时序逻辑电路，其应用十分广泛，可用于定时、分频、进行数字运算等。计数器的分类：1.按构成计数器的触发器的翻转次序分类：异步计数器和同步计数器2.按计数过程中计数器中数字的增减分类：加法计数器、减法计数器和可逆计数器(加减计数器)3.按计数器中数字的编码方式分类：二进制计数器和十进制计数器第三章计算机中的信息表示信息可分为两大类：数据信息和控制(指令)信息。一个数无论采用何种进位制表示，都包含两个基本要素：基数与位权。基数：任何一种计数制允许选用的基本数字符号的个数。二进制数的特点：1.容易实现2.工作可靠3.运算简单4。便于逻辑运算与逻辑设计H表示十六进制数，B表示二进制数，加D(或不加标志)表示十进制数无符号和带符号数的表示：1)无符号数的表示：就是整个机器字长的全部二进制位均表示数值位(没有符号)，相当于数的绝对值。2)带符号数的表示：对于带符号的正号“+”或负号“-”，计算机是无法识别的，因此在计算机中需要把正、负符号数码化。一般用数的最高位表示数的正负，“0”表示正号，“1”表示负号。一个数在计算机内的表示形式称为机器数，机器数又有三种不同的编码：原码、反码和补码。(1)原码表示法：最高位为符号位，0表示正数，1表示为负数(2)反码表示法：正数的反码与原码相同，负数的反码符号位不变，其余各位取反。(3)补码表示法：正数的补码与原码相同，最高为符号为,用0表示,负数其补码位为1，其余各位“按位取反，末位加1”3)由真值、原码转换为补码：数值位自低向高位，尾数的第一个“1”及其右部的“0”保持不变，左部的各位取反，负号用“1”表示。注意，X必须是负数。4)小数点位置的确定：定点表示与浮点表示。定点表示约定：所有数的小数点固定在同一位置不变。浮点表示：小数点的位置可以任意浮动。十进制数的编码：在某些场合下，人民希望计算机能够直接对十进制数进行运算。这时就要用到二进制编码的十进制数，简称BCD码。BCD码只是用于二进制代码表示的十进制数，并不是等价的二进制数。十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码00000501011000160110200107011130011810004010091001汉字的编码有输入码、内码、字形码三种形式。3汉字输入码：用于键盘输入，拼音、五笔、自然码等。汉字内部码：机内码，供计算机内部存储、处理、传输用的代码。每个码用两个字节表示，每个字节的最高位为1，以区别于ASCII码。汉字交换码：用于不同计算机汉字系统之间或汉字系统与通信系统之间进行汉字交换。汉字字形码：也称字模。用于点阵形式输出时描述汉字字形的编码。点阵越大，描述的字形越细致美观，但其字形码所占字节数也越多。如16×16点阵，要用32个字节，而24×24点阵则要用72个字节。汉字的输入码分为三类：数字编码、拼音码和字形码。数据校验码即是一种常用的检错、纠错的数据编码。数据校验码：最简单且应用广泛的检错码是采用一位校验位的奇偶校验。指令是指示计算机硬件执行某种操作的命令。指令系统主要包括指令格式、寻址方式、指令类型与指令功能等内容一条机器指令的基本格式：1.操作码指明了计算机应进行什么性质的操作，如加、减、乘、除四则运算或数据传送、移位等操作。2.地址码指明了操作的数据或数据存放的地址。根据指令码中提供操作数地址的个数，又可以把指令格式分为：零地址(又称为无操作指令)、一地址指令(又称为单操作数指令)、二地址指令(又称为双操作数指令)和三地址指令(又称为三操作数指令)等。(1)零地址指令格式：(2)一地址指令格式：(2)二地址指令格式：在双操作指令中，从操作数的物理位置来说，又可分为三种类型：1)寄存器—寄存器(RR)型指令2)存储器-寄存器(SS)型指令3)寄存器-存储器(RS)型指令(3)三地址指令格式:优点：操作结束后，D2、D3中的内容均未被破坏缺点：增加一个地址后使得指令码加长，增加了存放空间，加大了取指令时间。因此，这种指令格式只在字长较长的大、中型机上采用，小型、微型机上一般不使用。指令字长度：在指令系统设计上出现两种相反的趋势：一种是采用可变长指令字结构，让指令功能尽可能丰富，称为复杂指令系统计算机(CISC)；另一种是采用定长指令字结构，只选取简单、常用的指令，称为精简指令系统计算机(RISC)寻址方式：指令中以什么方式提供操作数或操作数地址。1．立即寻址：操作数跟着操作码后面，指令的地址字段直接给出了操作数。操作数S与地址码D的关系：S=D。特点：CPU将数据和指令一起从寄存器取出，不必再访问存储器，从而提高了指令的执行速度。缺点：因为操作数是指令的一部分，不能被修改，而且立即数的大小受到指令长度的限制，所以灵活性差，一般用于给某一寄存器或存储单元赋初值或提供一个常数。2．寄存器寻址：指令的地址码字段给出某一个通用寄存器的编号(地址)，改寄存器中存放着操作数。其中IR表示存放指令的寄存器，Ri为存放操作数的寄存器，操作数S与寄存器Ri的关系为：S=(Ri)优点：1.从寄存器中存取数据比从存储器单元中存取快得多。2.由于寄存器的数量较少，其地址码字段比存储单元地址字段要短得多。几乎所有的计算机都采用了。3．直接寻址：指令的地址码字段直接给出的操作数的有效地址EA。用这个有效地址访问一次存储器，便可从指定的存储单元中获的操作数。又叫绝对寻址方式。操作数S与地址码D的关系为：S=(D)4．寄存器间接寻址：指令中的地址码给出了某一通用寄存器的编号，以该寄存器中的内容为有效地址EA，用这个有效地址访问一次存储器，变可从指定的存储单元中获得操作数。操作数S与寄存器Ri的关系为：S=((Ri))特点：指令码较短，并且在取指后只需一次访存便可得到操作数，是一种使用广泛的寻址方式。5．存储器间接寻址：这是一种与寄存器间接寻址类似的间接寻址方式。间接寻址与直接寻址相比，更加灵活。优点：1.扩大了寻址范围，可用指令中的短地址访问大的存储空间。2.可将存储单元(或寄存器)作为程序的地址指针，用以指示操作数在存储器中的位置。当操作数的地址需要改变时，不必修改指令，只需修改存放有效地址的那个存储单元(或寄存器)的内容即可。操作码OP地址码D操作码OP操作码OP地址码D操作码OP地址码D1地址码D2操作码OP地址码D1地址码D2地址码D34缺点：间接寻址在取值之后至少需要两次访问存储器才能取出操作数，降低了取操作数的速度，尤其是在多重间接寻址时，寻找操作数要划分相当多的时间，甚至可能发生间址循环。6．变址寻址：就是把变址寄存器Rx的内容(变址值)与指令中给出的形式地址D相加，形成操作数的有效地址EA，即EA=(Rx)+D，操作数S与地址码和变址寄存器的关系为：S=((Rx)+D)。变址寻址速度比直接寻址慢，因为CPU必须执行一次加法操作才能获得有效地址。7．相对寻址：方式是变址寻址的特列。它以程序计数器PC为变址器，与指令提供的形式地址相加，从而得到有效地址EA。有效地址与形式地址D和程序计数器PC器的关系为：EA=(PC)+D。有2个特点：1.地址不固定，它随PC值的变化而变化，并且总是相差一个固定值。因此，无论程序装入存储器的任何地方，只要这个差值不变，均能正确运行。2.D可正可负，通常用补码表示，如果D为n位，则这种方式的寻址范围为(PC)1-2~2-1-n1n，即从当前指令之前的个字节到指令之后的-1个字节。8．基址寻址：与变址相似，应用场合不同，主要用于逻辑地址到物理地址的变换，用以解决程序在存储器中的定位和扩大寻址空间