江科大-计算机组成原理考研复习笔记

《江科大-计算机组成原理考研复习笔记》由会员分享，可在线阅读，更多相关《江科大-计算机组成原理考研复习笔记（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 考查目标 计算机学科专业基础综合考试涵盖数据机构、计算机组成原理、操作系统和计算机网 络等学科专业基础课程。要求考生比较系统地掌握上述专业基础课程的概念、基本原理和 方法，能够运用所学的基本原理和基本方法分析、判断和解决有关理论问题和实际问题。 考试形式和试卷结构 一、 试卷满分及考试时间 本试卷满分为 150 分，考试时间为 180 分钟 二、 答题方式 答题方式为闭卷、笔试 三、 试卷内容结构 数据结构 45 分 计算机组成原理 45 分 操作系统 35 分 计算机网络 25 分 四、 试卷题型结构 单项选择题 80 分（40 小题，每小题 2 分） 综合应用题 70 分 计算机组成原理

2、 【考查目标】 1. 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式， 具有完整的计算机系统的整机概念。 2. 理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结 构的基本知识和基本实现方法。 3. 能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实 际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。 一、 计算机系统概述 （一） 计算机发展历程 第一台电子计算机 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）诞生于 1946 年的美国宾夕法尼亚大学。ENIAC 用了

3、 18000 电子管、1500 继电器、重 30 吨、占地 170m3、耗电 140kw、每秒计算 5000 次加法。冯诺依曼（VanNeumann）首次提出存储程序 的概念，将数据和程序一起放在存储器中，使得编程更加方便。50 多年来，虽然对冯诺依 曼机进行了很多改革，但结构变化不大，仍然称为冯诺依曼机。 一般把计算机的发展分为四个阶段： 第一代（1946-50s 后期） ：电子管计算机时代； 第二代（50s 中期-60s 后期） ：晶体管计算机时代； 第三代（60s 中期-70s 前期） ：集成电路计算机时代； 第四代（70s 初-） ：大规模集成电路计算机时代。 （二） 计算机系统层次结

4、构 1. 计算机硬件的基本组成 计算机硬件主要指计算机的实体部分，通常有运算器、控制器、存储器、输入和输出 五部分。 CPU 是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中。 2. 计算机软件的分类 计算机软件按照面向对象的不同可分两类： 系统软件：用于管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正常高效地运 行，这类软件面向系统。 应用软件：是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序，这类软件通常实现用户 的某类要求。 3. 计算机的工作过程 （1）计算机的工作过程就是执行指令的过程 指令由操作码和操作数组成： 操 作 码指明本指令完成的操作 地址码指明本指令的操作对象 （2）指令的存储 指令

5、按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中。 （3）指令的读取 为了纪录程序的执行过程，需要一个记录读取指令地址的寄存器，称为指令地址寄存 器，或者程序计数器。指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的 指令，由于指令通常按照地址增加的顺序存放，故此，每次读取一条指令之后，程序计数 器加一就为读取下一条指令做好准备。 （4）执行指令的过程 在控制器的控制下，完成以下三个阶段任务: 1）取指令阶段 按照程序计数器取出指令，程序计数器加一 2）指令译码阶段 分析操作码，决定操作内容，并准备操作数 3）指令执行阶段 执行操作码所指定内容 （三） 计算机性能指标 1. 吞吐量、响应时间

6、（1) 吞吐量：单位时间内的数据输出数量。 （2) 响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行时间。 2. CPU 时钟周期、主频、CPI、CPU 执行时间 （1） CPU 时钟周期：机器主频的倒数，Tc （2）主频：CPU 工作主时钟的频率，机器主频 Rc （3）CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期 （4）CPU 执行时间： TCPU=InCPITC In 执行程序中指令的总数 CPI 执行每条指令所需的平均时钟周期数 TC 时钟周期时间的长度 3. MIPS、MFLOPS （1）MIPS： MIPS(Million Instructions Per Second) 操作 码 地址

7、码 MIPS = In/(Te106) = In/(InCPITc106) = Rc/(CPI106) Te：执行该程序的总时间 In：执行该程序的总指令数 Rc：时钟周期 Tc 的到数 MIPS 只适合评价标量机，不适合评价向量机。标量机执行一条指令，得到一个运行结 果。而向量机执行一条指令，可以得到多个运算结果。 （2） MFLOPS： MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te106) Ifn：程序中浮点数的运算次数 MFLOPS 测量单位比较适合于衡量向量机的性能。一般而言，同一程序运行在不同的

8、计 算机上时往往会执行不同数量的指令数，但所执行的浮点数个数常常是相同的。 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 1）进位计数制 进位计数制是指按照进位制的方法表示数，不同的数制均涉及两个基本概念：基数和 权。 基数：进位计数制中所拥有数字的个数。 权：每位数字的值等于数字乘以所在位数的相关常数，这个常数就是权。 任意一个 R 进制数 X，设整数部分为 n 位，小数部分为 m 位，则 X 可表示为： Xan-1rn-1 + an-2rn-2 + + a0r0 + a-1r-1 + a-2r-2 + + a-mr-m (X)r = =mnii irK12）不同

9、数制间的数据转换 （1）二、八、十六进制数转换成十进制数 利用上面讲到的公式： (N)2=Di2i 、(N)8=Di8i、 (N)16=Di16i、进行计算。 （2）十进制数转换成二进制数 通常要对一个数的整数部分和小数部分分别进行处理，各自得出结果后再合并。 对整数部分，一般采用除 2 取余数法，其规则如下： 将十进制数除以 2，所得余数（0 或 1）即为对应二进制数最低位的值。然后对上次所 得商除以 2，所得余数即为二进制数次低位的值，如此进行下去，直到商等于 0 为止，最后 得的余数是所求二进制数最高位的值。 对小数部分，一般用乘 2 取整数法，其规则如下： 将十进制数乘以 2，所得乘积

10、的整数部分即为对应二进制小数最高位的值，然后对所余 数的小数部分部分乘以 2，所得乘积的整数部分为次高位的值，如此进行下去，直到乘积的 小数部分为 0，或结果已满足所需精度要求为止。 （3）二进制数、八进制数和十六进制数之间的转换 八进制数和十六进制数是从二进制数演变而来的： 由 3 位二进制数组成 1 位八进制数； 由 4 位二进制数组成 1 位十六进制数。 对于一个兼有整数和小数部分的数以小数点为界，小数点前后的数分别分组进行处理， 不足的位数用 0 补足。 对整数部分将 0 补在数的左侧，对小数部分将 0 补在数的右侧。这样数值不会发生差 错。 2. 真值和机器数 真值：数据的数值通常以

11、正(+)负(-)号后跟绝对值来表示，称之为“真值”。 机器数：在计算机中正负号也需要数字化，一般用 0 表示正号，1 表示负号。把符号数 字化的数成为机器数。 3. BCD 码 在计算机中采用 4 位二进制码对每个十进制数位进行编码。4 位二进制码有 16 种不同 的组合，从中选出 10 种来表示十进制数位的 09，用 0000，0001，1001 分别表示 0， 1，9，每个数位内部满足二进制规则，而数位之间满足十进制规则，故称这种编码为 “以二进制编码的十进制（binary coded decima1，简称 BCD）码”。 在计算机内部实现 BCD 码算术运算，要对运算结果进行修正，对加法

12、运算的修正规则 是： 如果两个一位 BCD 码相加之和小于或等于(1001)2，即(9)10，不需要修正； 如相加之和大于或等于(1010)2，或者产生进位，要进行加 6 修正，如果有进位，要向 高位进位。 4. 字符与字符串 在计算机中要对字符进行识别和处理，必须通过编码的方法，按照一定的规则将字符 用一组二进制数编码表示。字符的编码方式有多种，常见的编码有 ASCII 码、EBCDIC 码等。 1）ASCII 码 ASCII码用7位二进制表示一个字符， 总共128个字符元素， 包括10个十进制数字 （0-9） 、 52 个英文字母（A-Z 和 a-z） 、34 专用符号和 32 控制符号。

13、 2）EBCDIC 码为 Extended Binary Coded Decimal Interchange Code 的简称，它采用 8 位来表示一个字符。 3）字符串的存放 向量存储法：字符串存储时，字符串中的所有元素在物理上是邻接的。 串表存储法：字符串的每个字符代码后面设置一个链接字，用于指出下一个字符的存 储单元的地址。 5. 校验码 数据校验码是一种常用的带有发现某些错误或自动改错能力的数据编码方法。其实现 原理，是加进一些冗余码，使合法数据编码出现某些错误时，就成为非法编码。 这样，可以通过检测编码的合法性来达到发现错误的目的。合理地安排非法编码数量 和编码规则，可以提高发现错误

14、的能力，或达到自动改正错误的目的。 码距： 码距根据任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同而确定的，仅有一位 不同，称其码距为 1。 1）奇偶校验码 它的实现原理，是使码距由 1 增加到 2。若编码中有 1 位二进制数出错了，即由 1 变成 0，或者由 0 变成 1。这样出错的编码就成为非法编码，就可以知道出现了错误。在原有的 编码之上再增加一位校验位，原编码 n 位，形成新的编码为 n+1 位。增加的方法有 2 种： 奇校验：增加位的 0 或 1 要保证整个编码中 1 的个数为奇数个。 偶校验：增加位的 0 或 1 要保证整个编码中 1 的个数为偶数个。 2）海明校验码 它的实现原理，是

15、在数据中加入几个校验位，并把数据的每一个二进制位分配在几个 奇偶校验组中。当某一位出错就会引起有关的几个校验组的值发生变化，这不但可以发现 出错，还能指出是哪一位出错，为自动纠错提供了依据。 假设校验位的个数为 r，则它能表示 2r 个信息，用其中的一个信息指出“没有错误”， 其余 2r-1 个信息指出错误发生在哪一位。然而错误也可能发生在校验位，因此只有 k=2r-1-r 个信息能用于纠正被传送数据的位数，也就是说要满足关系： 2r=k+r+1 3）CRC 校验码 CRC 校验码一般是指 k 位信息之后拼接 r 位校验码。 关键问题是如何从 k 位信息方便地 得到 r 位校验码，以如何从位

16、k+r 信息码判断是否出错。 将带编码的 k 位有效信息位组表达为多项式： M(x)=Ck-1xk-1+ Ck-2xk-2 + + Cixi + C1x + C0 式 Ci 中为 0 或 1. 若将信息位左移 r 位，则可表示为多项式 M(x).xr。这样就可以空出 r 位，以便拼接 r 位校验位。 CRC 码是用多项式 M(x).xr 除以生成多项式 G(x)所得的余数作为校验码的。 为了得到 r 位余数，G(x)必须是 r+1 位。 设所得的余数表达式为 R(x)，商为 Q(x)。将余数拼接在信息位组左移 r 位空出的 r 位 上，就构成了 CRC 码，这个码的可用多项式表达为： M(x)xr+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R