计算机组成原理

1、知识点总结1. 计算机体系结构和计算机组成  两个概念的区别：计算机体系结构是哪些对成员可见的系统属性。换句话说， 这些属性直接影响到程序的逻辑执行。计算机组成是实现结构规范的操作单元及其相互连接。计算机体系结构的属性包括指令集、用来表示各种数据类型的比特数、输入输出机制以及内存寻址技术。计算机组成的属性包括哪些对程序员可见的硬件细节，如控制信号、计算机和塞舌的接口以及存储器使用的技术。2. 计算机是一个复杂的系统，包含数百万个电子元件，复杂系统的关键是分层性质。层次系统是一系列相互关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成我们所能达到的一些基本子系统的最低级。结构： 部件相互

2、关联的方法功能：作为结构组成部分的各个独立部件的操作。3.计算机的基本功能有：数据处理、数据存储、数据传输和控制。4.计算机中有四种主要的结构组件：1. 中央处理器（Center Processor Unit, CPU): 它控制计算机的操作并且执行数据处理功能，简称处理器。2. 主存储器 （Main Memory)：存储程序和数据3. 输入输出 （Input / Output, I/O)： 在计算机和外部设备之间传输数据4. 系统互连：为CPU、主存储器和I/O之间提供通信机制，也就是总线系统。存储程序控制概念：存储程序控制概念是冯·诺依曼于1945年6月首先提出来的。它可以概括为

3、以下几点：1. 计算机（硬件）是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5个基本部件组成。2. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。3. 将编号的程序和原始数据事先存入存储器中。4. 把编好的程序和原始数据预先存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并加以执行， 从而自动完成预定的任务。计算机的硬件组成原始的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心。通常将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit, CPU)。中央处理器和主存储器（内存储器）一起组成主机部分。

4、除去主机以外的硬件装置，如输入设备、输出设备和辅助存储器等，称为外围设备或外部设备。CPU 负责与存储器间交换数据，为了这个目的，CPU 一般使用两个内部寄存器，一个是存储器地址寄存器MAR，为下一次读写指定存储器的地址；另一个是存储器数据寄存器MDR, 存放刺耳到内存或从内存接收的数据。类似的， I/O地址寄存器I/O AR指定一个特定的I/O设备；I/O 数据寄存器 I/O DR用于I/O模块与CPU之间数据交换。运算器运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：1. 执行数值数据的算术加减乘除等运算，执行逻辑数据的与或非等逻辑运算，由一个被称为 ALU （Arithmetic

5、 and Logical  Unit, ALU)的部件完成。2. 暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器来承担3. 运算器通常也是数据传输的通路控制器控制器是计算机中控制执行指令的部件，主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。1.正确执行每条指令（1）首先是取来一条指令，（2）接着分析这条指令， （3）再按指令格式和功能执行这条指令2.保证指令按规定序列自动连续地执行。3.对各种异常情况和请求及时响应和处理。存储器存储器用来存放程序和数据，是计算机能够实现存储程序控制的基础。由高速缓冲存储器，主存储器，外存储器所组成的多级

6、（层）存储器系统，是计算机中用于存储程序和数据的子系统。这三级存储器所用的存储介质、工作原理和特性各不相同。输入设备 输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备，通过接口和总线与计算机主机连通，用于人机交互联系,如计算机键盘和鼠标等。输出设备：输出设备的任务是将计算机的处理结果以数字、字符（汉字）、图形、图像、声音等形式送出计算机。常用的输出设备有打印机、显示器、辅助存储器等。总线：总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，他能分时地发送与接收各部件的信息。 数据线数据线提供系统模块间传送数据的途径。这些线组合在一起成为数据总线。典型的数据总线包含32、6

7、4、128或更多的分离导线，这些线的数据称为数据总线的宽度。数据总线的宽度是决定系统总体性能的关键。地址线用于指定数据总线上数据的来源或去向。地址总线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量。地址线通常也用于I/O端口的寻址。地址线的高位用于选择总线上指定的模块，低位用于选择模块内具体的存储单元或I/O端口。控制线用来控制对数据线和地址线的存取和使用。控制信号在系统部件之间发送命令和时序信号。时序信号指定了数据和地址信号的有效性，命令信号指定了要执行的操作。 第零级是硬联逻辑级，是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。第一层微程序级。这级的机器语言是微指令集，用微指令编写的微程

8、序一般是直接有硬件执行的。第二层是传统机器级。这级的机器语言是指机器的指令集，用机器指令编写的程序由微程序进行解释。第三层是操作系统级。从操作系统的基本功能来看，直接管理传统机器的软硬件资源。第四层是汇编语言层。语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫汇编程序。第五层是高级语言层。这级的语言是各种高级语言，面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。通常用编译程序来完成各种高级语言的翻译工作。第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。为了更好地理解计算机的整体架构，用下面这个例子来了解计算机的主要组成和工作原理。假设给同学们一个算

9、盘、一张带有横格的纸和一支笔，计算y=ax+b-c。为了便于对比，我们不妨按以下方法把使用算法进行解体的过程步骤实现用笔详细地记录在带横格的纸上。“纸”存储了算题的原始信息。 行数  解体步骤和数据  说明  1  取数  （9）算盘  （9）表示第9行的数a，下同  2  乘法  （12）算盘  完成a×x，结果在算盘上  3  加法&

10、#160; （10）算盘  完成ax+b，结果在算盘上  4  减法  （11）算盘  完成ax+b-c, 结果在算盘上  5  存数    y13  将算盘上的y值记录到第13行  6  输出  把算盘上的y值写出来给人看  7  停止  运算完毕，暂停 &

11、#160;8  9  a  数据  10  b  数据  11  c  数据  12  x  数据  13  y  数据 算盘，对数据进行了加、减、乘、除等算术运算。笔，把原始的数据和解题步骤记录到纸上，还可以把计算的结果写出来告诉大家。当然，这里更不能缺少了“人”这个最重要的元素。在人的

12、控制下，按照解题步骤一步一步地进行操作，直到完成全部运算。计算机的解题过程和人的计算是非常相似的。这里，算盘相当于计算机中的“运算器”。“纸张”相当于具有“记忆”功能的“存储器”。“笔”相当于“输入设备或者输出设备”。而“人”控制着整个计算过程，相当于“控制器”。解题步骤相当于事先编写好的程序，将事先编写好的解题步骤和参加运算的数据记录在纸上，就相当于将事先编写好的程序和数据存储在存储器中，这就是存储程序的概念。如果采用累加器结构的运算器，完成y=ax+b-c的运算至少需要7条指令，这7条指令依次存放在主存0000100111号单元中，参加运算的数据也事先存放在主存单元中，0100001011

13、中。                                                        单元地址  单元内容  00000  取数（01000）  00001  取数（01011）&

14、#160; 00010  乘法ax  00011  取数（01001）  00100  加法  00101  取数（01010）  00110  减法  00111  存数至11000  01000  a  01001  b  01010  c

15、60; 01011  x  01100  y 计算机的控制器将控制指令逐条从内存中取出并执行，执行过程如下：（1）执行取数指令，从主存01000单元取出数a，送入累加寄存器中。（2）执行乘法，将累加寄存器中的内容a和主存01011单元取出的数x一起送到ALU中相乘，并将结果保存到累加寄存器中。（3）执行加法，将累加寄存器中的内容ax和主存01001单元取出的数b一起送到ALU中相加，并将结果保存到累加寄存器中。（4）执行减法，将累加寄存器中内容ax+b和主存01010单元取出的数c一起送到ALU中相减，并将结果保存

16、到累加寄存器中。（5）存数，将累加寄存器中的内容经存储器数据寄存器存放到主存01100单元中。主要性能指标机器字长：指参与运算的基本位数，它是由加法器、寄存器的位数决定的。字长标志着计算机的精度，字长越长，计算机的精度就越高。机器字长以“字节Byte”为基本单位，字节用大写字母B表示，一个字节为8位二进制数（比特bit）,位用小写字母B表示。另外，我们通常提到的字（word），是指数据字，一般是16位，双字（Double Word）是32字。需要说明的是，数据字和字长是有区别的概念，数据字是一个度量单位，用来度量各种数据类型的宽度，而字长表示数据运算的宽度，反映计算机处理信息的能力。数据通路宽

17、度：数据总线一次所能并行传送信息的位数，是指外部数据总线的宽度，与CPU内部的数据总线宽度可以不相同。它影响到信息的传输能力，从而影响计算机的有效处理速度。主存容量：一个主存储器所能存储的全部信息量成为主存容量。一般以字节数来表示存储容量。1024个字节称为1KB。等等运算速度：影响计算机的运算速度有很多技术指标，主要包括：吞吐量、响应时间、主频、CPU时钟周期、CPI、CPU执行时间、MIPS、MFLOPS等，现分别介绍如下：吞吐量：指计算机系统在单位时间内处理请求的数量。响应时间：指计算机系统对请求作出响应的时间，响应时间包括CPU时间与等待时间的总和。主频：又称时钟频率，表示在CPU内数

18、字脉冲信号振荡的速度，时钟周期：CPU主频的倒数，是CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。CPI（Cycles perInstruction）：是指每条指令执行所用的时钟周期数。在现代高性能计算机中，由于采用各种并行技术，使指令执行高度并行化，常常是一个系统时钟周期可以处理若干条指令。所以CPI参数经常用IPC（Instructions per Cycle）表示，即每个时钟周期执行的指令数。CPU执行时间：MIPS（MillionInstructions per Second）：表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的程序，MIPS定义为：MFLOPS（MillionFloa

19、ting-point Operations per Second）：表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序，MFLOPS定义为：例题一：某程序在一台时钟频率为2GHz的计算机A上运行需要10秒。现在将设计一台计算机B，希望将运行时间缩短为6秒。计算机的设计者采用的方法是提高时钟频率，但这会影响CPU其余部分的设计，使计算机B运行该程序时需要相当于计算机A的1.2倍的时钟周期数。那么计算机设计者应该将时钟频率提高到多少？解： A上运行该程序需要的时钟周期数：B的CPU时间公式为：因此，要在6秒内运行完该程序， B的时钟周期必须提高为A的2倍。例题二：假设计算机A的时钟周期为250ps

20、， 对某程序的CPI为2.0；计算机B的时钟周期为500ps，对同样程序的CPI为1.2。 对于该程序，请问哪台计算机执行的速度更快？快多少？解：对于固定的程序，每台计算机执行的总指令数是相同的， 用I表示。首先，每台计算机的CPU时钟周期数：每台计算机的CPU时间：同理：计算机A更快。 因此，对于该程序计算机A是计算机B的1.2倍快。计算机中最重要的功能是处理数据，如：数值、文字、符号、语言和图象等。计算机内部，各种信息都必须采用数字化编码的形式被传送、存储、加工。因此掌握信息编码的概念与处理技术是至关重要的所谓的数据在计算机中的表示，实际上介绍各类数据在计算机

21、中的编码方法。所谓编码，就是用少量简单的基本符号，选用一定的组合规则，以表示出大量复杂多样的信息。在计算机中，所有的数据都用二进制数来表示。任何数据都用二进制数进行编码。在计算机中所处理的数据主要包括以下几种类型：非数值数据、数值数据、十进制数据、数串和校验码。非数值数据，又称为字符数据，通常是指字符、字符串、图形符号和汉子等各种数据。数值数据：是可以测量的，可以计数出来的数据，是有“量值”概念的数据。十进制数：把十进制数的各位数字变成一组对应的二进制代码，用4为二进制数表示1位十进制数，称为二进制编码的十进制数（Binary Code Decimal），即BCD码。数据校验码：数据在存取和传

22、送的过程中可能会发生错误，为了减少和避免错误，除了需要提高硬件本身的可靠性外，就是利用校验码。数据校验码是指那些能够发现错误或能偶自动纠正错误的数据编码。编码         就是用少量简单的基本符号，选用一定的组合规则，以表示出大量复杂多样的信息。在计算机中，所有的数据都用二进制数来表示。任何数据都用二进制数进行编码。 数值数据是含有“量值”的数据，在计算机中分为无符号数和有符号数。按表示方法分为定点数据和浮点数据。无符号数：整个机器字长的全部二进制位均表示数值位（没有符号位），相当于数的绝对值。如果以

23、一个n位二进制数字序列表示一个无符号数A，那么A的值是：数据的数值通常以正（）负（）号后跟绝对值来表示，称之为“真值”。但是，对于数据的符号“”和“”，计算机是无法识别的，因此也要对“”和“”进行编码，通常，约定二进制数的最高位为符号位，0表示正号“”，1表示符号“”。这种在计算机中使用的表示数的形式称为“机器数”。常见的机器数有“原码”、“反码”、“补码”等不同的表示形式。带符号数的最高位被用来表示符号位，而不再表示数值位。原码表示法（true form）数值数据是含有“量值”的数据，在计算机中分为无符号数和有符号数。按表示方法分为定点数据和浮点数据。真值和机器数  &#

24、160;   计算机中把符号位和数值位一起编码来表示相应的数，分别有原码、补码、反码和移码。为了区别一般书写表示的数和机器中这些编码表示的数，通常将前者称为真值，后者成为机器数或者机器码。       数据的数值通常以正（）负（）号后跟绝对值来表示，称之为“真值”。       约定二进制数的最高位为符号位，0表示正号“”，1表示符号“”。这种在计算机中使用的表示数的形式称为机器数。这种在计算机中使用的表示数的形式称为“机器数”。常见的机器数有“原码”、“反码”、“补码”等不同的表示形式。带符号

25、数的最高位被用来表示符号位，而不再表示数值位。为了讲解方便，我们假设机器数为小数，符号位放在最左边，小数点放在符号位和数值位之间，真值用X表示。在下一小节开始我们分别介绍机器数的三种表示方法，原码、反码和补码。无符号数无符号数：整个机器字长的全部二进制位均表示数值位（没有符号位），相当于数的绝对值。如果以一个n位二进制数字序列表示一个无符号数A，那么A的值是：有符号数:       最高位被用来表示符号位，不再表示数值位。常用的表示方法：原码表示法、补码表示法、反码表示法、移码表示法原码表示法   

26、60;  一个n位字，最左位为符号位，其余n-1位为数值位。符号位为0表示正数，为1 表示负数。数值部分与真值相同。      若真值为纯小数，它的原码形式为     其中Xs表示符号位。原码的定义为：                                           

27、              若真值为纯整数，它的原码形式为                    其中Xs表示符号位。原码的定义为:                                &#

28、160;                 举例如果一个8位计算机，n+1=8,n=7     若：X1 = 0.10110 ，X2 = -0.10110， X3 = 0.0000       则：X1 原= 00010110, X2 原=10010110 ，X3 原=00000000，10000000若： X1 = 10110，X2 = -10110 ，X3 = 0000       则：X1 原

29、= 00010110，X1 原= 10010110 ， X3 原= 00000000，10000000原码的性质1. 符号位加数的绝对值，0正1负2. 零有两个编码，+0和-0编码不同3. 难以用于加减运算，但乘除方便4. N+1位二进制原码所表示的范围：           小数：MAX=1-2-n   ，MIN=（1-2-n）           整数：MAX=2n-1，MIN=（2n-1） 优点：1.  与真值之间的关系

30、比较简单2. 算术运算与十进制运算规则类似3. 用原码实现乘、除运算的规则简单缺点：         在计算机中进行加减法运算时比较复杂。补码表示法模和同余        模（Module）是指一个计量器的容量。一般用M表示。是产生“溢出”的量值。        同余：是指两个整数A和B除以同一个正整数M，如果所得的余数相同，则称A和B对M同余，即A和B在以M为模时是相等的，记作：      &#

31、160;                                   为了更好地模和同余的概念，我们以钟表为例来说明。假设，时钟停在8点，而现在的正确的时间是6点，这时拨准时钟的方法有两种：第一种方法：将分针从8逆时针旋转到6，即8-2=6（做减法）第二种方法：将分针从8顺时针转到6，即8+10=6 （mod 12）（作加法）我们进一步推导：8-2=8+10 (mod 12)设：A=-2, B=10由此可以看

32、出，-2和10同余。同余的两个数，具有互补关系，-2与10对模12互补，也可以说成-2在模12下的补数是10。因此，只要确定了“模”， 就可以找到一个与负数等价的正数，这个正数就是这个负数的补数，可以用这个补数来代替此负数。这个正数可以用模加上负数本省求得，这样就可把减法运算用加法来实现。让我们回到计算机中，对于一个8位二进制的计算机来说，所能表达的最大的数据是255。当计算机从0计到255之后，再加1， 计数值就又变为0。因此，这个计算机的容量, 模就为256。反反码表示法定点小数表示:  定点整数表示：       &#

33、160;由原码求反码，如果X为正数，则X反=X原；如果X为负数，则将X原除符号位以外，每位都变反，可得到X反。      X1 = 0.10110 ,     X2 = -0.10110,      X3 = 0.0000 X1 反 = 010110, X1 反 = 101001,  X1 反 = 00000 11111    X1 = 10110,  &#

34、160;      X2 = -10110,         X3 = 0000 X1 反 = 010110, X2 反 = 101001, X3 反 = 00000 11111移码表示法       定义对于n+1位数              &

35、#160;       移码表示为：           由于移码是在原值X上加一个2n，所以也称为增码，因此，符号为1时，表示正数，符号为0时，表示负数。实例：         X=1101010，      X移=27+X =11101010求法：     由X补求X移：只要

36、将X补的符号位求反，就可X移。性质：     若X1移X2移，则有 X1X2原码、补码、反码三种码制的比较1. 对于正数，它们都等于真值本身，对于负数则各有各的不同。2. 最高位都表示符号位，补码和反码的符号位可作为数值位的一部分看待，和数值位一起参加运算；但原码的符号位不允许和数值位同等看待，不许分开进行处理。3. 对于真值0，原码和反码各有两种不同的表示形式，而补码只有唯一的一种表示形式。原码、反码表示正、负数范围相对零来说是对称的；单补码负数表示范围较正数表示范围宽，能多表示一个最负的数（绝对值最大的负数），其值等于 纯整数）或1（纯小数）。