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西安电子科技大学-计算机组成与体系结构-期末总结.pdf
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西安电子科技大学-计算机组成与体系结构-期末总结
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计算机组成与体系结构第一章总结
1、 电子计算机的分类:电子模拟计算机和电子数字计算机
特点:模拟计算机是数值由连续量来表示,运算过程连续;
数字计算机是按位运算,并且不连续地跳动计算;
2、 电子(数字)计算机分类
专用计算机和通用计算机(依据效率,速度,价格,运行的经济性和适应性划分)
3、 计算机系统由硬件和软件两大部分组成
4、 硬件
(1)一般的计算机结构框图(运算器为中心) 一般的计算机结构框图(存储器为中心)
(2)冯.诺依曼计算机的特点
采用二进制表示机器指令和数据
硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成
程序和数据预先存放在存储器中,存储器按地址编址
操作时根据程序中指令的执行顺序,从存储器中取出指令或数据,由控制器解释,运
算器完成运算
设计思想: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。存储程序并按地址顺序执行。存储程序
和程序控制统称为存储程序控制。
(3)硬件各个主要部分
①运算器:(如右图)
算术运算和逻辑运算
在计算机中参与运算的数是二进制的
运算器的长度一般是 8、16、32 或 64 位
②存储器:
存储数据和程序
容量 ——存储器所有存储单元的总数
(存储单元(保存一个数 16 个触发器)、存储单元地址(每个存储单元的编号)、容量单位)
内存储器(ROM、RAM):半导体存储器
外存储器:计算机中配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器
存储器单位:2
10
byte=1K 2
10
K=1M 2
10
M=1G 2
10
G=1T
③控制器:
指令和程序(每一个基本操作叫做一条指令;解决某一问题的一串指令序列叫做程序)
指令的形式——操作码和地址码:指令的内容由两部分组成,操作的性质和操作数的
存储器输入设备 输出设备
控
制
器
运
算
器
地址线
控制线
数据线
运算电路单元
寄存器B 累加器A
创创大帝
地址;前者称为操作码,后者称为地址码。
控制器的基本任务:按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。
取指周期和执行周期:控制器按照时序工作,通常将分为两个过程:
取指周期:从内存读出的信息流是指令流,它流向控制器;
执行器周期:从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器。
PS:(出题)——CPU 如何识别从主存取出来的二进制代码是指令还是数据?
从时间来说:取指令事件发生在“取指周期”
取数据事件发生在“执行周期”
从空间来说:取出的代码是指令,一定送往指令寄存器(控制器)
取出的代码是数据,一定送往数据寄存器(运算器)
④适配器与输入输出设备:适配器是接口
PS:控制器和运算器合称为中央处理器 CPU ,CPU 和内存储器合称为计算机主机。
5、 软件
分为系统软件和应用软件
系统软件分类:
①各种服务性程序②语言程序③操作系统④数据库管理系统
系统软件发展历史:
手编程序——汇编程序——算法语言——操作系统——数据库
6、 计算机系统组成框图汇总:
7、 计算机系统的层次结构:(层次图如右)
第 0 级由硬件实现
第 1 级由微程序实现
第 2 级至第 6 级由软件实现
由软件实现的机器称为:虚拟机
第 2 级是传统指令系统(机器语言)机器
第 3 级是操作系统机器
操作系统是运行在第2级上的解释程序
第 4 级是汇编语言机器
高级语言机器
虚拟机M4
汇编语言机器
虚拟机M3
操作系统级
虚拟机M2
一般机器级
虚拟机M1
微程序设计级
虚拟机M0
编译程序
汇编程序
操作系统
微程序
由硬件直接执行
软件
硬件
创创大帝
第 5 级是高级语言机器
第 6 级是应用语言机器(图中未显示)
每一级都能进行程序设计
8、 软件和硬件的逻辑等价性:
任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现(设计计算机系统时,应考虑各个方面
的因素:价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期)
固件——功能上是软件,形态上是硬件
9、 计算机体系结构的定义:
定义一:
Amdahl 于 1964 年在推出 IBM360 系列计算机时提出:程序员所看到的计算机系统的属
性,即概念性结构和功能特性
定义二:
计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定
10、改进计算机性能
基本方法:加快经常性事件的执行速度
Amdahl 定律:系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与
这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
在 Amdahl 定律中,加速比与两个因素有关:
改进后整个系统的加速比为:
eg. 某一部件的处理速度加快到 10 倍,该部件的原处理时间仅为整个运行时间的 40%,
所以,其中—— Fe=0.4, Se=10 ,代入公式即可
11、计算机系统的主要技术指标:
(1) 机器字长:运算器一次运行二进制位数
(2) 运算速度:描述一台计算机的运算速度的单位应该是每秒执行多少条指令
单位是 MIPS(百万条指令每秒)
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
对于带有浮点运算的计算机系统,常用每秒百万个浮点操作——
(3) 机器容量:计算机的容量实际上是指机器内部主存储器的容量。
(4) 吞吐量:计算机系统的吞吐量是指计算机在单位时间内能处理的信息量。
(5) 响应时间:响应时间指从给定计算机输入到出现对应的输出之间的时间间隔。响
应时间取决于用户输入的信息、系统特性以及在用户输入信息时系统正在处理
的其他负载。
时间改进后改进部分的执行
时间改进前改进部分的执行
,
时间改进前整个任务的执行
可改进部分占用的时间
Se
Fe
e
e
e
n
n
S
F
F
T
T
S
)1(
10
6
MFLOPS=
10
浮点数操作次数
执行时间
创创大帝
计算机组成与体系结构第二章总结
1、 定点表示法概念
(1) 纯小数
①x
0 .
x
1
x
2
x
3
… x
n-1
x
n
(x0 表示符号位,x1—xn 为尾数)
②
表示范围:(表示数的范围是
0≤|X|≤1
-
2
-n
)
x=0.00...0
x=1.00...0
x=0
正
0
和负
0
都是
0
x=0.11...1
x=1
-
2
-n
最大
x=0.00...01
x=2
-n
最接近
0
的正数
x=1.00...01
x=-2
-n
最接近
0
的负数
x=1.11...1
x=
-(
1
-
2
-n
)
最小
(2) 纯整数
①x
0
x
1
x
2
x
3
… x
n-1
x
n
(X0 为符号位,后面为尾数,小数点在最后)
②表示数的范围是 0≤|
x
|≤2
n
-1
2、 浮点表示法概念
(1)格式:N=R
E
.M (基数 R 为固定值;E 为指数;M 为尾数)
(2)机器中表示
3、 数的机器码表示
(1) 原码:
注意符号位——0 正 1 负;
有+0 和-0 之分,字长 8 为的范围是-127 到+127;
(2) 补码:
正数补码与原码相同;负数补码为其原码右数第一个 1 开始,左边的都取反,
右边的都不变(包括这个 1);
无正负 0 之分;
取值范围:
-2
n
~2
n
-1(
定点整数) 定点小数:
1
~
1-2
-n
字长 8 位的范围是-128 到+127;
(3) 反码:
正数反码与原码,补码相同;负数补码符号位为 1,其余与原码各位相反;
有正负 0 之分;
字长 8 位,取值范围-127 到+127;
创创大帝
(4) 移码:
移码与补码符号位互为相反数,其余各位相同;
无正负 0 之分;
字长 8 位,取值范围与补码相同;
4、 数据格式
(1) 单精度(32)和双精度(64);
(2) 尾数用原码,指数用移码;
(3) 一个规格化的 32 位浮点数 x 的真值表示为 x=(-1)
S
×(1.M)×2
E-127
(4) 规格化的 64 位浮点数 x 的真值为: x=(-1)
S
×(1.M)×2
E-1023
(5) 规格化表示:
尾数的最高位为非零数值的浮点数
(6) 浮点数的范围:
5、 补码加减法
(1) 补码加法
公式:
[x+y]
补
=[x]
补
+[y]
补
(mod 2)
(2) 补码减法
公式:
[x-y]
补
=[x]
补
-[y]
补
=[x]
补
+[-y]
补
(mod 2)
(3) 溢出问题
①溢出检测方法一:双符号位(变形补码)
Sf1 、Sf2 表示两位符号位
创创大帝
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