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按照大纲的知识点整理----计算机组成原理
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2011-04-09
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一、计算机系统概述
(一)计算机发展历程
(二)计算机系统层次结构
1.计算机硬件的基本组成
2.计算机软件的分类
3.计算机的工作过程
(三)计算机性能指标
1. 吞吐量对网络、设备、端口、虚电路或其他设施,单位时间内成功地传
送数据的数量(以比特、字节、分组等测量)。
2. 响应时间
3. CPU 时钟周期(Clock Cycle):又称节拍没冲或 T 周期,是处理操作
的最基本单位,是计算机中最基本的、最小的时间单位。主频的倒数
4. 主频: 即 CPU 内核工作的时钟频率(CPU Clock Speed)。 CPU 的主频
表示在 CPU 内数字脉冲信号震荡的速度,与 CPU 实际的运算能力并没
有直接关系。
5. CPI (Clock cycle Per Instruction)表示每条计算机指令执行所需的时钟
周期。
6. CPU 执行时间
7. MIPS(Million Instruction per second)每秒执行百万条指令
某机器每秒执行 300 万条指令,则记作 3 MIPS
8. MFLOPS (Million Floationg-point Operations per Second,每秒百万个浮点
操 作 ) 衡 量 计 算 机 系 统 的 主 要 技 术 指 标 之 一 。 对 于 一 给 定 的 程 序 ,
MFLOPS 的定义为:MFLOPS=操作浮点数/(执行时间*10E6)( 10E6
位 10 的 6 次方)。
1. 指令周期:执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成,
是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。
2. 机器周期:(又称 cpu 周期)在计算机中,为了便于管理,常把一条指
令的执行过程划分为若干个阶段,每一阶段完成一项工作。例如,取指
令、存储器读、存储器写等,这每一项工作称为一个基本操作。完成一
个基本操作所需要的时间称为机器周期。通常用内存中读取一个指令字
的最短时间来规定因而又称总线周期
3. 在电子技术中,脉冲信号是一个按一定电压幅度,一定时间间隔连续发
出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期;而将在单位时间
(如 1 秒)内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号
(包括脉冲信号)在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称;频
率的标准计量单位是 Hz(赫)。
二、数据的表示和运算
(一)数制与编码
1.进位计数制及其相互转换
2.真值和机器数
真值: 带”+””-”符号的数
机器数: 符号数字化的数
编码方式 正数表示 负数表示
原码 同原 同
补码 同原 逐位求反加一
反码 同 逐位求反
移码 根补码差一个符号位
补码比原码反码多表示一个负数
3.BCD 码
4.字符与字符串
5.校验码
(二)定点数的表示和运算
1.表示
(1) 定点数的表示
1) 定点小数
表示范围:
定点小数运算的过程中存在着上溢和下溢.
2) 定点整数
表示范围
定点整数运算的过程中存在着上溢而不存在下溢.
(2) 无符号数的表示
(3) 有符号数的表示
2.运算
(1) 定点数的位移运算
1) 无符号数的移位—逻辑移位
左移:高位移出,低位填零
右移:低位移出高位填零
2) 有符号数的移位—算术移位
码制 填补代码
正数 原码、补码、反码
0
负数
原码
0
补码
左移添 0
右移填 1
反码 都填 1
(2) 加减乘除运算
1) 原码定点数的加/减运算
2) 补码定点数的加/减运算
3) 定点数的乘/除运算
a) 原码定点数的乘法运算
b) 补码定点数的乘法运算
每次根据乘数最后两位的差值来判断如何运算
c) 原码定点数的除法运算
商符另计算
1) 恢复余数法
第一次进行减除数操作
如果余数小于 0,则商上 0,加除数(恢复余数)进行左移一位.
如果余数大于 0,则商上 1,并尾数直接进行左移.下次减
除数.
最后根据计算中的左移位数,判断出余数的右移位数.
2) 不恢复余数法(加减交替法)
d) 补码定点数的除法运算
加减交替法(符号位和数值部分一起参加运算)
4) 溢出概念和判别方法
(三)浮点数的表示和运算
1.浮点数的表示;浮点数的表示范围;IEEE754 标准
float 大小为 4 字节,即 32 位,内存中的存储方式如下:
符号位(1 bit)
指数(8 bit)
尾数(23 bit)
float 有效数字是 6--7 位
取值范围 -3.4*10(-38)~3.4*10(38)
double 大小为 8 字节,即 64 位,内存布局如下:
符号位(1 bit)
指数(11 bit)
尾数(52 bit)
double 有效数字是 15--16 位
取值范围 -1.7*10(-308)~1.7*10(308)
2.浮点数的加/减运算
有关概念:
/*s>0 时补码规格化形式为[s]
补
=00.1ХХ…Х。*/
/*s<0 时补码规格化形式为[s]
补
=11.0ХХ…Х。*/
/*s>0 为补码且 s=-0.5 时规定-0.5 不是规格化数*/
补码的规格化数 是首位非符号位与符号位 相异 则为规格化数。
因为补码负数,0 为有效位,1 为无效位,而原码负数,1 为有效位,0 为无
效位,故补码负数跟原码负数规格化形式不同。
注:有效位即为代表数值的位。
左右规
/*左规:当尾数出现 00.0ХХ…Х 或 11.1ХХ…Х 时,需要左规,左规一位,
阶码减一*/
/*右规:当尾数出现 01.ХХ…Х 或 10.ХХ…Х 时,表示尾数溢出,可通过右规
处理,右移一位,阶码加一*/
定点运算中溢出不允许
但浮点运算中溢出允许。可通过右规处理,只是影响精度
左右规移位与算数移位不一样
浮点数阶码真值加 127 不加 128 的原因
因为当阶码 e 为全 0 且尾数 M 也为全 0 时,表示的真值 x 为零,结合符号位
S 为 0 或 1,有正零和负零之分。当阶码 e 为全 1 且尾数 M 为全 0 时,表示的真值
x 为无穷大,结合符号位 S 为 0 或 1,也有正无穷和负无穷之分。这样的 32 位浮
点数表示中,要除去 e 用全 0 和全 1(255)表示零和无穷大的特殊情况,指数的
偏移值不选 128(10000000),而选 127(01111111)。对于规格化浮点数, e
的范围变为 1 到 254,真正的指数值 E 则为-126 到+127。
(四)算术逻辑单元 ALU
硬件结构:
一位全加器:
x
i
y
i
为相加数第 i 位。C
i-1
表示低位进位信号
S
i
第 i 位的和。C
i
为 i 位产生的进位。
1.串行加法器和并行加法器
(1) 串行加法器
只用一位全加器来实现两个数的相加运算。从低位到高位逐位运算
优点:成本低
缺点:速度慢
(2) 并行加法器
1) 串行进位、并行加法
原理:
2) 并行进位、并行加法(组内并行、组间串行)
3) 双重分组快速进位链:(组内与组间并行,大组间串行)
2.算术逻辑单元 ALU 的功能和机构
三、存储器层次机构
(一)存储器的分类
(1) 按存储介质分
1) 半导体存储器 (双极型: 耗电量大,低集成
Mos…)
优点: 体积小、功能低、存取时间短
缺点: 电源消失时所存储信息也丢失
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