计算机组成原理笔记

第一章计算机系统概论1.1计算机的发展与应用1.国内外计算机发展概况（1）电子管计算机（2）晶体管计算机（3）集成电路计算机（4）超大规模集成电路计算机2.摩尔定律（1）单个芯片集成度提高后，其成本变化不大，因此总体成本明显下降（2）高集成度的芯片中，电路间的距离更近，其连线更短，工作速度可以更高（3）增加了芯片内部的连线，从而减少了外部连线，可靠性得以提高（4）计算机变得更小，减少了电能的消耗，适应性更好3.计算机的发展趋势4.多核处理器多核处理器：在芯片上集成多个简单的处理器以充分利用这些晶体管资源5.嵌入式计算机：以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪（1）适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统（非PV系统）用于对其他设备的控制、监视、管理（2）组成：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序（3）基本特征：专用性、用户定制（4）嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用，并与具体应用有机结合6.计算机的应用（1）科学技术计算（2）数据处理（3）过程控制（4）计算机辅助技术（6）计算机通信（5）人工智能1.2计算机系统的组成1.计算机硬件系统①硬件是构成计算机的物质基础，是计算机系统的核心②冯诺伊曼型计算机的主要设计思想（体系结构）：存储程序、程序控制③硬件组成：运算器、控制器、存储器（主存储器）、输入设备、输出设备中央处理器（CPU）：运算器、控制器主机：CPU、存储器外部设备（输入输出设备）：输入设备、输出设备（1）存储器：存放信息（程序和数据），按地址访问信息必须预先存放在主存储器中才能被CPU读取①地址总线：访问存储器传递地址信息——地址总线（单向）②数据总线：访问存储器传递数据信息——数据总线（双向）（2）运算器①基本结构：ALU、寄存器、连接通路②算术运算：加、减、乘、除等③逻辑运算：与、或、非、移位等（3）控制器（4）输入设备（5）输出设备（6）系统互连2.计算机软件系统①程序是软件的核心组成部分②按功能软件分为：应用软件、系统软件（1）系统软件分为六类（未完）①操作系统②语言处理系统③标准程序库④服务性程序⑤数据库管理系统⑥计算机网络软件1.3计算机的性能指标和性能评价1.基本性能指标（1）字长：机器一次能处理的二进制位数（现代机器一般为32或64））字长单位：字节（Byte=B）一个存储单元1B=8个字节字长对计算机性能的影响：①影响运算精度：字长越长，精度越高②影响数据范围：字长越大，范围越大③影响运算速度：若数据位多，字长短需多次运算才完成计算时，降低速度（2）主存容量：主存能存储的最大信息量（MN）M：存储单元数（字容量）N：每个存储单元存储的二进制位数（位容量）①按字节编址：M为存储容量②按字编址：M的值随一个字包含的字节数的不同而变化单位：1KB=1024个存储单元1024=210故1KB需要10根地址线1PB=210TB=220GB=230MB=240KB增加主存容量减少程序运行期间访问辅助存储的次数，从而提高程序的执行速度2.与执行时间有关的性能指标（1）时钟周期（T）：是处理操作最基本的时间单位T=1/ff是主频（时钟频率）例：主频为100MHzCPU的T=10ns主频为1GHzCPU的T=1ns（2）CPI：是执行每条指令所需要的平均时钟周期CPI=程序执行所需的CPU时钟周期总数/程序所包含的指令条数=程序中各类指令的CPI程序中该类指令的比例（3）CPU时间：计算某个任务时CPU实际消耗时间(不包括等待输入输出操作的时间）CPU时间=程序中所有指令的CPU时钟周期数之和CPU的时钟周期=T指令条数CPI=指令条数MIPS106=fCPI106=CPIfCPU时间与这三个紧密相关：时钟周期、CPI、指令条数（4）MIPS：每秒执行完成的指令条数（一百万为单位，也就是要10-6）MIPS=程序中指令条数/（程序CPU时间106）=fCPI106=指令条数所有指令CPU时钟周期数之和∕f106=CPIf注：此处f的单位取Hz（5）MFLOPS：计算机每秒执行浮点操作次数MFLOPS=程序中浮点运算次数/（执行时间106）1.4计算机系统的层次结构微程序设计——机器语言级——操作系统级——汇编语言级——高级语言级第二章数据信息的表示信息分为两大类：数据信息、控制信息数据信息：是计算机加工处理的对象控制信息：控制数据信息的加工处理数据信息的表示直接影响到运算器的设计，计算机的结构和性能2.1数据表示的目的及设计数据格式应考虑的因素（1）数据类型（2）数据表示范围和精度（3）存储和处理的代价（4）软件的可移植性2.2数值数据的表示（1）原码反码补码：数据位最高位为0时，为正数；最高位为1时，为负数移码：数据位最高位为1时，为正数；最高位为0时，为负数（2）真值：书写时表示的数机器数：机器码中编码表示的数（3）进制转换：0+0=0,0+1=1+0=1,1+1=0①二进制转八进制（化为三位）：10011100.012=234.28②十进制小数转化为二进制：小数乘以2，大于等于一则为1，否则为0例：0.5t350.100110.5t352=1.18510.1852=0.3500.352=0.500.52=1.510.52=11③运算例子1.数的机器码表示（1）原码表示①小数：+0.1101原码=0.11010.1101原码=1.1101②整数：+1101原码=011011101原码=11101（2）反码表示法①正数：和原码相同②负数：符号位为1，数值部分将原码按位取反（0.0101反码=1.1010）③反码运算：=1101,=1010,用反码算+ખ+1010101101100010+110001000011+ખ=0.0011（3）补码表示①正数：和原码相同②负数：在补码加末尾加1（4）0的表示：+0原码=00000,+0反码=00000,0补码=000000原码=10000,0反码=11111,0补码=00000（5）移码（增码）表示：移码表示浮点数的阶码①同一数值的移码和补码除了符号位相反以外，其他位相同②0的移码：10000....02.数的定点表示小数点位置固定，因而小数点不必再用记号表示（1）定点小数：0.123符号位0数值位1定点小数无移码（2）定点整数：0123.3.浮点数据表示（必考8分：浮点数规格化）浮点表示法是小数点在数中可以浮动的一种数据表示方法由阶码和尾数两部分组成阶码的位数决定数据的范围，尾数的位数决定数据的精确度（1）浮点数据表示的一般格式①对于任意二进制数N都可表示为（E为N的阶码，M为N的位数）为阶符，1为阶码，为数符，1为尾数=2浮点格式：（2）IEEE浮点数据表示（IEEE45）①32位单精度格式：S符号位1位、E是8位阶码、M是23位尾数=12121.偏移值：1201111111例如：20.5t35转换为32位IEEE54格式浮点数的二进制20.5t35=10100.10011210100.10011=1.010010011241.2S=0（符号位）M=010010011e=4=100E=100+01111111=10000011则二进制存储格式为01000001101001001100000000000000=41400016②64位双精度格式：S符号位1位、E是11位阶码、M是52位尾数偏移值：102301111111111（3）浮点数的规格化①正数：0.1②负数：1.0（4）浮点数的表示范围和精度①数据的精度：一个数的有效位，有效位越高，精度越高4.十进制数的二进制编码与运算（1）有权码：表示1位十进制数的二进制数码的每一位都有确定的权例：8421码，BCD码①8521码运算规则：若两个8421码相加之和t10不需要修正若两个8421码相加之和1010，则需要加610，并向高位进位（3）无权码：用二进制表示十进制时,各位都没有确定的权（例：余3码,格雷码）①余3码：在8421码的基础上，每一个代码加0011形成的运算规则：两个余3码相加不产生进位时，结果减去0011产生进位时，将进位送入高位，剩下的本位加00112.3非数值数据的表示非数值数据也称字符数据；字符表示法；汉字表示法1.字符的表示方法（1）ASCCII码：128个符号33个控制符、10个十进制数码、52个英文大小写、33个专用符号2.汉字编码（1）汉字输入码编码方式：①流水码：数字组成的等长编码；如国标码、区位码②音码：汉字读音组成的编码；如拼音码③形码：汉字形状、结构特征组成的编码；如五笔字型码④音形码：汉字读音与其结构特征综合考虑的编码；如自然码、钱码①区位码：将汉字字符编成行列结构二二维矩阵；行为区，列为位区和位均用两位十进制数表示②区位码、拼音码、字形码、音形码的优缺点（P44）（2）汉字机内码：汉字机内码=区位码+A0A0H（或者加0xA0A0）（3）汉字字形码（p45）2.4数据信息的校验1.码距与数据校验（1）码距（海明距离）：一组编码中任何两个编码之间代码不同的位数对于一个编码体制，其中所有合法码距的最小值为这个编码体制的码距码距d与校验码的检错和纠错能力的关系如下：+1：可以检测e个错误2+1：可以纠正t个错误++1：当e时，可检测e个错误并纠正t个错误2.奇偶校验（1）简单的奇偶校验①奇校验：整个校验码中1的个数为奇数偶校验：整个校验码中1的个数为偶数②被校验信息=121，校验位为C奇校验：=121偶校验：=121注：为异或，同为0，异为1偶校验时，若有效信息中有偶数个1，则C为0；有奇数个1时C为1奇校验时，若有效信息中有偶数个1，则C为1；有奇数个1时C为0③奇校验码：=121G=0数据正常，否则出错偶校验码：=121G=0数据正常，否则出错④增加冗余码（校验位）：有效信息K位，校验信息一位（C）例如：000100011（偶校验码）000100010（奇校验码）（2）交叉奇偶校验（也称水平/垂直校验码）原理：对多个数据块同时进行横向纵向的奇偶校验3.海明校验实质是多重奇偶校验（分组奇偶校验）：通过在数据位之间插入k个校验位来扩大码距，从而实现检错和纠错（1）校验位的位数：N是校验码，有效信息为k位，校验位为r位①若海明码能指正并纠正一位错误，则：=h+2−1②若海明码能纠正一位错误，并能发现两位错误，则：=h+21（2）分组原则1=12452=13453=2344=561=112452=213453=32344=456若4321=0000则无错例题：4.循环冗余校验（CRC）第三章运算方法与运算器3.1定点补码加减法运算（1）计算机主要功能是对数据进行加工处理算术运算：加、减、乘、除、数据的编码等逻辑运算(无进位的按位运算)：与、或、非等1.补码加减法运算方法（1）补码加法：补+补=+补t（2）补码减法：补−补=补+−补=补t2.溢出及检测（1）溢出的概念：正正得负，负负得正（2）溢出检测：①,ખ是参加运算数的符号位，为结果的符号位：=ખ+ખV=1时溢出正溢：ખ负溢：ખ②最高有效位产生的进位信号，符号位产生的进位信号