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1、,计算机硬件基础知识专题,1,专题内容细分,2,数据及其转换,十进制 基数为 位权为 Eg: 51D= 5x101+1x100 二进制 基数为 位权为 Eg:101B= (1x22+0x21+1x20 ) D 十六进制 基数为 位权为16 Eg:1f H= (1x161+fx160=31)D 8421码 用四位二进制数表示十进制数 Eg:23= 00100011,3,数制间的转换,4,数据编码方式,机器数：一个数值数据的机内表示形式。 真值：一个机器数所代表的数值。 0代表正数 1代表负数 数据的编码方法： 原码 反码 补码 移码 正数的原码与反码、补码相同。,5,数据编码,Eg: -56D
2、上面的规则适用于负数 正数的原码与反码、补码相同。 +0补-0补00000000 唯一的,6,数据编码,原码一般用来实现乘除运算 补码一般用来实现加减运算 移码一般用来表示阶码,7,数据的表示,定点小数 0.2356 定点整数 52084 浮点数 符号位为0或1 N+1位阶码中，1位是阶码的符号，n位是阶码的倍数 阶码一般用移码编码方式 尾数采用原码或补码编码方式 -0.2x109,8,补码的加减法则,补码加法+补补+补 Eg: X=0. 001B Y=0.101B 求+ 解： 补=0001 补=0101 +补=补+补=0001+0101 = 0110 X+Y=0.110 补码减法补补+补 从
3、补求补的法则是：所有位取反，末位+1 Eg: X=3D Y=5D 求- 解： 补=0011 补=0101 -补=1010 +1= 1011 -补=补+-补=0011 +1011 =1110 则-=1110 验证：补补=M原 -补补=-原= 1110补=1001+1=1010=-2D,9,溢出,在定点机器中，数的表示范围为1的现象，称为溢出。,10,如何判断溢出,双符号法 采用两个符号位，如果符号位相同，则无溢出。 Eg: X=0.001B Y=0.101B 求+补 +补= 补+补=00001+00101=00110 进位信号法 当结果的最高位和符号位的进位信号一致时，则没有溢出。 Eg: X=
4、0. 110B Y=0.101B 求+补 +补= 补+补=0110+0101=0 1011,11,文字符号的类型,ASII码 计算机中普度采用的是ASII码。用位代表一个字符，包括字母大小写、数字、标点和控制符等。 BG 2312-80 定义了682个符号，6763个汉字。 BIG5 是普遍使用的繁体汉字的编码标准，包括440个符号，13030个汉字。 GBK 是中国大陆制订的中文编码扩展国家标准，它兼容GB2312，共收录汉字21003个，符号8835个，并提供1894个造字码位，简繁字融于一库。 GB 18030-2000 在GB 2312-1980和GBK的基础上进行扩充，汉字达到270
5、00多个，解决了一些生、偏、难字的问题，支持全部中日韩统一汉字和汉字字符。 Unicode 是国际标准组织对各国文字、符号进行的统一性编码。 ISO 10646 /Unicode字符集 全球可共享的编码字符集。用四个字节表示世界各国语言文字的代码，其中汉字字符集可以扩大到万字。,12,校验方法,奇偶校验 在串口通信中基本都使用它作为数据检验的方法。 规则：奇校验时，信息数据中各位中1的个数为奇数，校验码为0，否则校验码为1，偶校验则相反。 使用一位奇偶校验的方法可检测了一位错误，但无法判断是哪一位出错，当两位同时出错时，它也无法检测出来，所以奇偶校验通常用于对少量数据的校验，如一个字节。 海明
6、码 采用多位校验码的方式，在这些校验位中的每一位都对不同的信息数据位进行奇偶校验，通过合理的安排每个校验位对原始数据进行校验位组合，可以达到发现错误、收下错误的目的。 假设数据位有m位，那么校验位的长度只要满足2k-1m+k，就能纠正判断是哪一位出错。 恒比码 所有有效的编码中为的位都相同。这种编码生成时是查表，接收检验时检查每个编码中出现的次数是否正确。在邮电部门的电报及条形码中广泛使用。 循环冗余校验码 能用很少的校验码检测出大多数的错误，检错能力是非常强的。 校验是从数据本身进行检查，它依靠数学上约定的形式进行检查，检验的结果是可靠或不 码=信息码+校验码,13,冯.诺依曼结构,现在的计
7、算机大多数基于冯.诺依曼结构，它的特点是： 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据都可以送进运算器运算。 数据以二进制数表示。 指令由操作码和地址码组成。 指令按照顺序存储，由指令计算器指明当前需要执行指令的地址，通过改变指令计数器来改变程序的流程。 计算机以运算器为中心，输入输出设备和存储器之间的数据传送需要通过运算器。,14,中央处理器,是计算机的控制、运算中心，它主要通过总结和其他设备进行联系，另外，在嵌入系统设计中，外部设备也常常直接接到的外部/脚的中断脚上。 虽然的类型和品种异常丰富，各种的性能也差别很大
8、，有不同的内部结构、不同的指令系统，但由于都是基于冯.诺依曼结构，所以基本部分组成相似。,15,中央处理器,运算器ALU主要功能是在控制器的控制下完成各种自述运算。 控制器CU是CPU的核心，它控制和协调整个计算机的动作，控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路、脉冲源及中断等共同完成。 控制器的基本功能：时序控制和执行控。 控制器的实现方法主要：硬布线逻辑和微程序控制。 寄存器组用以在指令挂靠过程中存放操作数和中间数据，由CPU完成指令所规定的运算的操作，CU控制ALU和寄存器组正确地完成某一操作。,16,中央处理器,17,时序产生器,我们学习、工作和休息都有一个严格的
9、作息时间。 每个教师和学生都必须严格遵守这一规定，否则就难以保证正常的教学秩序。,18,时序产生器,CPU中也有一个类似“作息时间”的东西，它称为时序信号。 计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，正是因为在CPU中有一个时序信号产生器。 组成： 时钟源 环形脉冲发生器 时间脉冲和读写时序译码逻辑 启停控制逻辑 时钟周期：cpu执行一条加法指令所需的时间 机器周期：计算机完成一次数据传递所需的时间 平均指令执行时间MIPS：cpu每秒执行多少百万条指令,19,控制方式,控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器的控制方式。 常用的三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式： 1.同步控制方式
10、2.异步控制方式 3.联合控制方式,20,指令系统,指令就是要计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。 微指令是微程序级的命令，它属于硬件； 宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件； 而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 一台计算机中所有机器指令的集合，称为计算机的指令系统。,21,寻址方式,22,处理器性能及评价,影响处理器性能的因素如下： 基本字长 数据通路宽度 指令系统 时钟频率 流水线技术 内部数据/指令缓存 评价处理器性能可以是直接给出处理器每条指
11、令的执行时间，或者是指令系统中指令执行时间的某种加权评价，还有就是计算机处理每秒能执行多少个加法指令。1个MIPS指的是处理器每秒能完成1x106条指令。 三种评价处理器的方法： 等效指令速度法 数据处理速度法 核心程序法,23,存储器系统,存储系统包括寄存器、cache、主存储器、磁盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等，这些存储器从前到后，价格逐渐降低，容量和访问时间则逐渐增加。 存储容量：指存储器所具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数。 表示存储器容量的单位主要有字节；位b；字。b 对于32位计算机系统，一个字有32位，即1W=32b=4B 存储器的容量一般都很大，要用千k、兆m、先兆k
12、m和兆兆tt,24,存储器系统,存储内容可变性：ROM，RAM 内容是固定不变的，即只能读出而不能写入的半导体存储器称为只读存储器(ROM)。 既能读出又能写入的半导体存储器称为随机读写存储器(RAM) 系统中的作用：可分为内部存储器、外部存储器；又可分为主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器、控制存储器,25,存储器系统,对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器(cache)、主存储器和外存储器: 高速缓冲存储器简称cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。 主存储器简称主存，是计算机系统
13、的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。 外存储器简称外存，它是大容量辅助存储器。,26,主存储器类型,RAM:写入写读，断电后信息无法保存 DRAM:信息会时间逐渐消失，要定时对其进行刷新来维持信息不丢失 SRAM:在不断电情况下，信息能一直保持不丢失 ROM:只读存储器，信息已固化在存储器中，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。 PROM:只可进行一次写入操作 EPROM:可读可写，写前要先擦除后写入 EEPROM:可读可写，不用先擦除就直接写入 Flash Memory CAM相联存储器:是一种不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器。,27,主存储器容量扩充
14、,横向拼接芯片扩充容量,纵向拼接芯片扩充容量,28,8 x 4bit芯片有个地址，每个地址占bit 每个地址传输内容用位,8 x bit芯片有个地址，每个地址占bit 每个地址传输内容用位,16 x 4bit芯片有16个地址，每个地址占4bit 每个地址传输内容用4位,主存储器编址,若某计算机内在按字节编址，内存地址从44000到6BFFFH，共有160K；若采用16K x 4bit的芯片，构成该内存共需20片。 因为内存从44000到6BFFFH，则其拥有的字节数为： 6BFFFH 44000H+1 =6C000H 44000H =40X163=40X(24)3=40X(2) 12 =40X
15、(2) 10x(2)2=160K (160K/16K) X (8/4bit)=20,29,存储器容量的扩充,1、字长位数扩展 给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位数。 d = 设计要求的存储器容量 / 选择芯片存储器容量 【例】利用1M4b的SRAM芯片，设计一个存储容量为1M8b的SRAM存储器。 解： 所需芯片数：d=（1M8） / （1M4）=2(片) 设计的存储器字长为8位，存储器容量不变。,30,存储器容量的扩充,2、字存储容量扩展 给定的芯片存储容量较小（字数少），不满足设计要求的总存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字数。 所需芯片数 d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量 【例】利用1M8位的DRAM芯片设计2M8位的DRAM存储器。 解： 所需芯片数：d=（2M8） / （1M8）=2(片),31,Cache存储器,高速缓冲存储器Cache，能以极高的速度进行数据的访问，但价格高。 在cpu和主存间设置小容量的Cache，解决cpu与主存间速度极不匹配的问题。 采用优化调度算法，把主存中访问概率高的内容复制到Cache中。 为了把信息放到Cache中，必须应用某种函数把地址映像到Cache中定位，称为地址映像。而将主存地址换成Cache地址，称作地址变换。 地址映像方法： 直接映像 全相联映像
