考研计算机冲刺班组成原理讲义_杨楠

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1、计算机组成原理部分考查目标】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。计算机系统概述本章属于计算机组成原理概述部分，内容比较简单，也容易掌握，在考研中没有太难 的题目。下面就本章内容，主要部分作以下归纳：（一）计算机的类型电子计算机分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机。 电子数字计

2、算机的主要特点是：按位运算。 数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。 通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机。 它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等。计算机的应用范围：社会的各个领域。二）计算机发展历程电子管时代；晶体管时代； 中小规模集成电路时代； 超大规模集成电路时代；计算机系统的发展历史如下： 第1代计算机（ 1946年 1957年） 第2代计算机（ 1958年 1964年） 第3代计算机（ 1965年 1971年） 第4代计算机（ 1972年 1985年）第 5代计算机（ 1986年至今）：巨大规模集成电路时代

3、。三）计算机系统层次结构1. 计算机硬件的基本组成硬件分为 5大部分：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。早期运算器和控制器构成计算机的 CPU现在一般还加上CPI内部的Cache共同构成 CPU加入的是第一级 Cache，也是存储器中速度最快，容量最小的存储器。对冯诺依曼计算机体系结构的特点要有深刻的理解：使用二进制（为何用二进制？） 存储程序，并且按照地址顺序执行。存储程序并按照地址顺序执行是冯 ? 诺依曼计算 机设计的关键思想。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：系统软件和应用软件。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

4、 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. 计算机的工作过程冯诺依曼计算机特点基本上指出了计算机的工作过程。冯诺依曼体系结构的基本 思想是：存储程址顺序自动执行。首先将指令和数据存储到计算机中，计算机启动后，就 能够序取出指令并依次执行，直到程序执行完毕，得到计算结果为止。冯诺依曼体系结构计算机包含 5个基本部件：输入设备、运算器、控制器和输出设备。 运算器进行数据运算和数据变换；控制器为计算机的工作提供统一的时钟，对程序的各基 本操作进行时序分相应的控制信号，驱动计算机的各部件有序地完成程序规定的操作内容； 存储器用来

5、存放程序、数据和运算结果；输入瑜出设备则完成相应的输入输出转换。4 计算机系统的层次结构(1 )层次结构。计算机系统是一个复杂的软、硬件结合体，它包含硬件系统和软件系 统两部分。它通常由5个不同的级组成，在每一级都能够进行程序设计。由微程序设计级、 一般机器级、操作系统级、汇编语言级和高级语言级组成，如图所示：(2) 软件和硬件逻辑上的等价性，任何操作可以由软件来实现也可以由硬件来实现。早期主要由软件来实现较复杂的逻辑(硬件软化)，现在存在软件硬化的趋势。尤其注意计算机是一个软件和硬件结合的整体系统。固件：把软件刻入ROM使软件固化，这样得到的一个实体就是固件。(3) 兼容性。兼容性的设计思想

6、实际上就是系列机的概念。在系列机中，新机型要求 支持老机型上开发的软件；而且还有硬件上的兼容要求。兼容要求软件和硬件设备能够直 接在不同的机型上使用。4细计算机系统的层次结构汇编程序(四)计算机性能指标(1) 基本字长。基本字长是指参与运算的数的基本长度，它由加法器、寄存器和数据 总线的位数决定。字长标志着精度，字长越长，运算精度越高。(2) 主存容量。计算机主存储器所能够存储的信息的全部总量，称为主存容量。以字 节数来表示存储容量的计算机称为字节编码计算机；而以字为单位编址的计算机，存储容 量等于字数乘以字长。(3) 主频。每台计算机的内部，都有一个不断地产生固定频率时钟脉冲的装置，称为 主

7、时钟。主时钟的频率通常是机器的主频率，主频率是衡量一台 ,-c, 蹲机速度的重要参数。(4) 运算速度。运算速度通常反映计算机运算的快慢。对运算速度的衡量有以下几种方法： 根据不同类型指令在计算过程中出现的频率乘上不同的系数，求得统计平均值，这时 所指的运算速度是平均运算速度。直接给出每条指令的实际执行时间。以MIPS和MFLOP作为计量单位来衡量运算速度。MIPS表示每秒百万条指令，MFLOP表示每秒百万次浮点运算。1. 吞吐量、响应时间( 1) 吞吐量：单位时间内可执行程序的个数。( 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

8、间(1) CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc(2) 主频：CPIX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) CPI执行时间：TCPU=InX CPIX TCIn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(Million Instructions Per Second)MIPS = In/(Te X 106)= In/(InX CPIX TcX 106)= Rc/(CPIX 106)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

9、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(Million Floating Point Operations Per Second)MFLOPS=Ifn/(Te X 106)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 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。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

10、涉及两个基本概念：基数和权。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：X= an-1rn-1 + a n-2rn-2 + + a 0r0 + a -1r-1 + a -2r-2 + + a -mr-mm（X）r =K i r ii n 1（2）不同数制间的数据转换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=刀Di? 2i、（N） 8=E Di? 8i （N） 16=刀Di? 16i、进行计算。2）十进制数转换成二进制数对整数部分,一般采用除 2 取余数法,对小数部分,一般用乘 2 取整数法。3）二进制数、八进制数和十六进制数之间的转换3位二

11、进制数组成 1 位八进制数, 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

12、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”。加法运算的修正规则是：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、EBC

13、DIC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。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

14、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

15、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=2 r -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 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）=C k-1 xk-1 + Cq2 xk-2 + + C i xi + C1x + C 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 CR