计算机组成原理复习.pdf-资料库

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一、计算机系统概论一、计算机的分类二、计算机发展简史计算机性能指标：吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量响应时间：表征从输入有效到系统被实际使用的时间度量，用时间单位来度量利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数总线宽度：一般指 CPU 中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用 KB,MB,GB,TB 来表示存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示主频/时钟周期：CPU 的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率叫 CPU 的主频，度量单位是 MHz、GHz 主频的倒数称为 CPU 时钟周期（T），度量单位是：μs、ηs CPU 执行时间：表示 CPU 执行一般程序所占用的 CPU 时间 CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数 CPI=执行某段程序所需的 CPU 时间周期数/程序所包含的指令条数 MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数 MIPS=指令数/（程序执行时间*10^6） FLOPS：表示平均每秒执行浮点操作的次数 FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间（s） CPU 执行时间=CPU 时钟周期数*CPU 时钟周期三、计算机的硬件（1）运算器：进行加、减、乘、除等算术运算，还可以进行逻辑运算。考虑到电子设备特性，计算机通常采用二进制，有时也采用十六进制运算器由算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、数据缓冲寄存器 DR 和状态条件寄存器 PSW 组成。运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件

（2）存储器：保存或“记忆”计算机的有关信息存储元：一个双稳态半导体电路或一个 CMOS 晶体管或磁性材料的存储元，均可存储一位二进制代码存储位元：存储在存储元中的一位二进制代码是存储器中的最小存储单位，称之为存储位元存储单元：在存储器中保存一个数的 16 个触发器称为一个存储单元，若干个存储位元构成一个存储单元存储位：存储的是 0 或 1 表示的二进制代码存储器地址：存储器是由许多存储单元组成的，每个存储单元的编号称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数内存储器：半导体存储器，简称为内存、主存外存储器：计算机中配备的存储容量更大的磁盘存储器、光盘存储器等，简称为外存、辅存存储器的分级：高速缓冲寄存器（cache）：高速、小容量半导体存储器。用 cache 高速存取指令和数据提升计算机的处理速度主存储器：主要存储器，用于存放计算机运行期间的大量程序和数据，由 COMS 半导体存储器组成，它可以和 cache 交换数据和指令外存储器：大容量，主要有磁带、硬盘、光盘存储器等存储器的三级结构：高速缓冲寄存器微处理器 CPU 主存储器外存储器

（3）控制器：计算机内发号施令的部件。根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种控制信号（微指令），以控制各种功能部件协同工作，完成指令的功能。因运算器只能完成基本算术运算和一些辅助操作，对于比较复杂的程序，计算机在运算前必须将其简化为一步步基本操作，每一个基本操作就被叫做一条指令，解决某一问题的一串指令序列称之为程序指令的形式：操作码地址码操作码和地址码均由二进制代码表示地址码为二进制代码的数码，操作码为二进制代码的编码地址码指出数据从哪个单元取来或运算结果存放入哪个单元操作码指出指令所进行的操作根据产生微指令的方式，有两类控制单元： 1. 组合逻辑控制器：组合逻辑电路 -> 控制信号 2. 微程序控制器：微程序译码 -> 控制信号控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器组成。它是发布命令的决策机构，即协调完成和指挥整个计算机系统的工作，主要功能为： 1. 从指令 cache 中取出一条指令，并指出下一条指令在 cache 中的位置 2. 对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信息，以便启动规定的动作 3. 指挥并控制 CPU、数据 cache 和输入输出设备之间的数据流动方向冯诺依曼结构：指令和数据放在同一个存储器 1. 二进制形式表示数据和指令 2. 存储程序和程序控制（核心思想） 3. 运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备哈佛结构：指令和数据放在两个存储器四、计算机的软件五、计算机系统的层次结构五级，级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方便；

二、运算方法和运算器一、数据与文字的表示方法定点格式：约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。因小数点已经固定，故不需要用“.”来表示。小数点可以固定在任意位置，但通常将数据表示成纯小数或纯整数。定点数表示法：定点数由符号位和数值位构成。符号位在最左侧，占一位，0 表示正号，1 表示负号如果数为纯小数，小数点位于符号位和数值位之间如果数为纯整数，小数点位于最低为的右侧定点数运算被称为整数运算浮点格式：将一个数的有效数字和数的范围在一个存储单元中分别予以表示，数的范围和精度被分别表示，此时数的小数点位置将随着比例因子的不同在一定范围内自由浮动任意一个十进制数 N:N=10^E.M 任意一个二进制数 N:N=2^e.M M 为浮点数的尾数，是一个纯小数。e 是比例因子的指数，称为浮点数的指数，是一个整数。比例因子的基数 2 对二进制计数制的机器是一个常数表示一个浮点数时必须给出尾数和指数：尾数部分给出有效数字的位数，决定了浮点数的表示精度，用定点小数形式表示指数部分常称为阶码，用于指明小数点在数据中的位置浮点数也含有符号位（S），S=0 时候表正数，S=1 的时候代表负数浮点数标准格式： 31 30 23 22 0 S E M 32 位浮点数 63 62 52 51 0 S E M 64 位浮点数规格化的 32 位浮点数 X 的真值表示为： X=(-1)^S*(1.M)*2^(E-127) e=E-127 因规格化浮点数的尾数域最左位（最高有效位）总是 1，故这一位经常不予储存，而认为隐藏在小数点的左边，于是用 23 位字段可以存储 24 位有效数规格化的 64 位浮点数 X 的真值表示为：原码：符号位加二进制数绝对值正整数的原码、补码、反码相同 X=（-1）^S*(1.M)*2^(E-1023) e=E-1023

负整数反码：除符号位外（保持为 1），原码按位依次求反使用补码表示法表示负数时： 1. 原码符号位为 1 不变，整数的每一位二进制数求反得到反码 2. 反码符号位为 1 不变，反码数值位最低位加一二、定点加法、减法运算补码加法公式:[x]补+[y]补=[x+y]补（mod 2^(n+1)）补码加法特点：1.符号位作为数的一部分一起参加运算 2.在 mod 2^(n+1)的意义下相加，超过的进位要丢掉补码减法公式:[x-y]补=[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补 [y]补包括符号位求反且最末位加 1 得到[-y]补运算结果的溢出：两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数，称为正溢。两个负数相加，结果小于机器字长所能表示的最小负数，称为负溢判断溢出的双符号位法：（变形补码）变形补码：1.两个符号位都看作数码一样参加运算 2.两数进行以 2^(n+2)为模的加法，不论是否溢出，最高符号位始终显示正确的符号变形补码的任意正数两个符号位都是 0，任意负数的两个符号位都是 1 当两个数相加后，符号位出现 01 代表正溢出，10 表示负溢出判断溢出的单符号位法：当最高有效位产生进位而符号位无进位时，产生正溢出；当最高有效位无进位而符号位有进位时，产生负溢出。三、定点乘法运算不带符号的阵列乘法器： 1. 设有两个不带符号的二进制整数：A＝am－1…a1a0， B＝bn－1…b1b0 2. 它们的数值分别为 a 和 b，即： m－1 n－1 a ＝∑ai 2i b ＝∑bj 2j i＝0 j ＝0 3. 在二进制乘法中，被乘数 A 与乘数 B 相乘，产生 m+n 位乘积 p 4. 乘积 p 的数值为：补码与真值的转换

补码数真值表达式：三、多层次的存储器一、存储器概述 1. 存储器的分类存储器：计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据存储元：一个双稳态半导体电路或一个 CMOS 晶体管或磁性材料的存储元，均可存储一位二进制代码存储位元：存储在存储元中的一位二进制代码是存储器中的最小存储单位，称之为存储位元存储单元：在存储器中保存一个数的 16 个触发器称为一个存储单元，若干个存储位元构成一个存储单元存储位：存储的是 0 或 1 表示的二进制代码存储器地址：存储器是由许多存储单元组成的，每个存储单元的编号称为地址存储容量：存储器所有存储单元的总数内存储器：半导体存储器，简称为内存、主存外存储器：计算机中配备的存储容量更大的磁盘存储器、光盘存储器等，简称为外存、辅存 2. 存储器的分级 3. 主存储器的性能指标主存储器的性能指标主要是：存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽存取时间/存储器访问时间：一次读操作命令发出到完成，将数据读到数据总线上所用的时间。通常写操作时间等于读操作时间存储周期：连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通常存储周期大于存取时间，时间单位：ns 存取器带宽：单位时间力存储器所存取的信息量，单位：位/秒或字节/秒。它是衡量数据传输速率的重要技术指标二、 SRAM 存储器：存取速度快，容量小于 DRAM 1. 基本的静态存储元阵列所有 SRAM 用锁存器作为存储单元，通电保持，断电丢失 SRAM 有三组信号线进行通信： ·地址线：指定存储器容量为 2n 个存储单元 ·数据线：指定了存储器字长为 m，存储位元总数为=m*2n ·控制线：指定存储器操作，如 R/w̅ 线控制线，低电平进行写，高电平进行读。注意，读写操作不能同时发生。行线：地址译码器输出的选择线，用于打开每个存储位元的输入与

非门，它有 2n 条（与存储单元对应） 2. 基本的 SRAM 逻辑结构 SRAM 采用双译码方式，将地址分为 X,Y 两方向实现二级译码，第一级进行 X 向（行译码），Y 向（列译码）的独立译码；第二级在存储阵列中完成交叉译码存储阵列为三维结构：X2*Y2*Z 数据宽度（位），双向数据线有 Z 条 3. 读/写周期波形图三、 DRAM 存储器 1. DRAM 存储元的记忆原理 2. DRAM 芯片的逻辑结构 3. 读/写周期，刷新周期 4. 存储器容量的扩充

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