计算机组成原理

计算机组成原理第一章计算机归纳1.1计算机的基本结构冯诺依曼计算机基本结构提出储藏程序的思想基本内容：1、计算机应由运算器控制器储藏器输入设备输出设备组成2、数据和程序均以二进制代码形式不加区其他存放在储藏器中，

储藏地址由储藏器的地址指定。3、计算机在工作时可以自动地从储藏器中取出指令加以执行。计算机的基本组成及功能运算器和控制器合称为中央办理器centralprocessingunit（CPU）。CPU和储藏器组成主机，输入输出设备称为外面设备。集成CPU称为微办理器microprocessor。储藏器储藏器是用来存放程序和数据信息的记忆装置。发展：电子管或继电器→水银延缓线→磁芯→半导体储藏器分类：主储藏器也叫主存或内存外储藏器（外存）：硬盘磁盘磁带等主储藏器平时由储藏体和相关的逻辑控制电路组成。储藏体是由储藏元件（磁芯半导体电路等）组成的一个储藏信息的阵列。储藏体被分为若干储藏单元，每个单元都有自己的地址。CPU接见某个储藏单元时，先给出地址送入储藏器的地址存放器（MAR），尔后经过译码电路采用相应的储藏单元。读出的信息先送入数据存放器（MDR），在送入目标部件，写入信息先进入MDR，再依照地址送入相应地址。运算器执行加减乘除和逻辑运算。包括：加法器和能在运算开始是供应一个操作数，并在运算结束时存放运算结果的累加存放器、通用存放器以及相关的输入输出控制逻辑电路。控制器控制器指挥和控制计算机各部件协调工作。从储藏器中逐条取出指令，并翻译成代码，产生各种控制信号。计算机的各个功能部件依照一致的时钟或节拍信号工作，平时将一条指令的整个执行时间定义为一个指令周期（instructioncycle），每个指令周期划分为几个机器周期，每个机器周期分为几个时钟周期。时钟周期由主频决定。控制器的基本任务就是依照各种指令的要求，综合相关的逻辑条件和时间条件产生相应的微命令。分类：组合逻辑控制器：早期，直接由组合逻辑电路产生微操作控制信号微程序控制器：微程序设计技术，将指令执行所需的微命令变成微程序，起初存放在控制储藏器中。输入设备输出设备1.2计算机系统的组成硬件与软件硬件：计算机的设备实体软件：各种程序和文档。实际上是由特定算法及其在计算机中的表示所组成。程序应用程序各种文档。固件：介于软件和硬件之间的实体。

软件包括系统计算机系统的基本组成1.3微型计算机的发展第一台微型计算机微型计算机的发展阶段微型计算机以微办理器为中心，再配上大规模集成电路制作的储藏器、输入输出接口电路以及系统总线，组成微型机。1、第一代微型计算机inter80082、第二代微型计算机inter8080inter80853、第三代微型计算机inter8086/80884、第四代微型计算机inter803865、第三代微型计算机Pentium1.4微型计算机的特点与分类微型计算机的特点体积小重量轻功耗低，可靠性高环境要求低，软件丰富，结构设计灵便便于组装，价格低价分类按微办理器位数（字长）48163264位按组装形式：单片单板（可以输入输出）多板（一般电脑）微型计算机的主要技术指标1.字长：参加运算的数的基本位数。决定了存放器加法器数据总线的位数。也反响计算精度。2.主存容量：主储藏器所能储藏的信息总量。（内存）3.运算速度：综合折算（加减乘除按比率折算）。目前宽泛采用每秒钟执行的机器指令条数作为指标。MIPS（millioninstructionpersecond）作为计量单位。4.主频率：在计算机内部有一个按某一频率产生的时钟脉冲信号，称为主时钟信号。主时钟信号的频率称为主频，表征运算速度。5.平均无故障运行时间6.赞同配置的外设7.能价格比1.5微型计算机的基本结构主要由微办理器储藏器I/O接口电路等部件组成。各部件之间经过地址总线（addressbus）,数据总线（databus）控制总线（controlbus）相互连接通信。1、微办理器（微办理机）执行程序命令，完成各种运算和控制功能。均为单片型。结构：算数逻辑部件（ALU）、累加存放器及通用存放器组、程序计时器、指令存放器、指令译码器、时序和控制部件。2、主储藏器（大规模集成电路组成）Readonlymemory(ROM)只读储藏器Randomaccessmemory(RAM)随机储藏器ROM只读不写，断电后不扔掉数据，一旦储蓄资料就无法再将之改变或删除。用来储藏固定不变的程序和数据，比方开机程序。RAM可读可写，断电后扔掉用来储藏运行中的数据。3、总线总线是计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一组公共信号线以及想换的控制逻辑。它是一组能为计算机的多个部件服务的公共信息传输通路，能分时发送与接收各部件的信息。分类：地址总线（addressbus）,数据总线（databus）控制总线（controlbus）统称为系统总线。地址总线：传达地址信息。单向，由微办理器输出，位数决定微办理器可以直接接见的主存范围（直接寻址范围），位数为N，可直接寻址范围为2N。数据总线：用来传达数据信息。双向传输。位数与微办理器位数一致，表征总线宽度（数据总线宽度是指在芯片内部数据传达的宽度，而数据总线宽度则决定了CPU与二级缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量）控制总线：传达控制信息。4、I/O接口电路用以控制主机与外面设备之间的信息交换与传输。接口适配器：连接不相同信号形式和数据格式设备的接口电路。分类：串行接口并行接口串行通信：使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据据有一个固定的时间长度。并行通信：一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式.第二章数制与编码2.1进位计数制十进制数的表示二进制数的表示其他进制数的表示2.2数制变换二进制数与十进制数的变换整数变换小数变换八进制、十六进制与二进制变换2.3带符号数的代码表示真值与机器数直接用正负号表示带符号额二进制数叫做符号数的真值。真值经过数值化后可以在计算机中使用，叫做机器数。原码原码又称为“符号-数值表示”。第一位表示符号位，0表示正数，1表示负数。反码反码：对1的补数。用反码表示时，左边第

1位也为符号位，

0表示正数，

1表示负数。对于负数，反码数值就是将原码数值按位求反。对于正数，反码与原码相同。补码补码：对2的补数。在补码表示法中，正数的表示同原码和反码一致。对于负数，其符号位为1，数值位是将原码取反后最右边一位数加1。机器数的加减运算原码运算正负号不参加运算补码运算两数和的补码等于两数的补码的和，差用加法实现。反码运算与补码相同。运算时，符号位和数值位相同参加运算，若是产生进位则加到和数的最低位，称之为“循环进位”。反码和补码计算可以简化减法运算2.4数的定点表示和浮点表示数的定点表示定点数表示法;小数点的地址固定不变。在机器中是一个约定地址。分类：小数点固定在最右边的称为整数，小数点固定在最左边的称为小数。数的浮点表示浮点表示法：数中小数点的地址不固定。浮点数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个基数（计算机中平时是2）的整数次幂获得，这种表示方法近似于基数为10的科学计数法。浮点数由两部分组成：指数部分，表示小数点浮动位地址。尾数部分,表示数的符号和有效数位。小数点的搬动是经过尾数的搬动和阶码（2的幂次）的相应变化来实现的。规格化：使尾数的最高位为1。当浮点数的尾数为0或阶码最小时称为机器0。若一个数的阶码高出上限，产生上溢，机器停止计算。若一个数的阶码低于下限，产生下溢，机器当作机器2.5数码和字符的代码表示十进制数的二进制编码

0办理。十进制的二进制编码又称为二-十进制码BCD码。有多种编码方案。8421BCD码将每个十进制数码用4位二进制数表示，按自然二进制数的规律排列，并且指定前面10个代码依次表示数码0~9。8421BCD码是一种有权码，每一位都有固定的权。2421码也是一种有权码，权分别为2421。是一种对9的自补码，即81、72、63、45互为反码。余3码余3码是一种特其他8421码，是由8421BCD码后边加3（二进制11）后形成.也是对9自补。两个余3码相加后要修正保持余3。可靠性编码1格雷码（gray）又叫循环码，任意两个相邻代码之间只有一位不相同。减少代码改变，从而降低误码率。奇偶校验码分为两部分：一部分为信息位，即要传达的信息自己；一部分是奇偶校验位，是整个代码中的个数按起初的规定成为奇数或偶数。个数为奇时称为奇校验，个数为偶时称为偶校验。海明校验码目前宽泛采用，如EEC（errorcorrectingcode）。实质上是多重奇偶校验码。原理：在有效信息位中加入几个校验位形成海明码，使码距拉大，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中。4循环冗余校验码（cycleredundancycheck，CRC）经过除法运算来建立有效信息和校验位之间的约定关系。字符代码ASCII码用7位二进制数表示128个不相同字符。2.6数值的机器运算定点加减运算原码加减运算原码运算时，用变补来（求负数）进行减法运算。包括计算前变补，后变补。补码运算补码运算符号位参加运算。补码求补：连同符号位一起求反，尾端加1。补码的溢出判断与检测溢出的产生：两数相加的数值高出机器赞同范围时，会产生溢出，影响符号位。检测：采用1个符号位判断，进位位判断，变形补码（双符号位补码）带符号数的移位和舍入操作乘除法的实现：软件，变换为加减，特地设置乘除法器。1带符号数的移位操作原码的移位规则：不论正数还是负数，在左移和右移时，符号位均不变，空出位一律由0补入。补码的移位规则：正数：符号位不变，不论左移还是右移，空出位一律由0补入。负数：符号位不变，左移后的空出位补0，右移后的空出位补1.带符号位的舍入操作恒舍，冯诺依曼舍入法，下舍上入（0舍1入），查表舍入定点乘法运算原码一位乘法用两个操作数的绝对值相乘，乘积的符号为两操作数的异或值（需要三个存放器，采用累加每一位乘数的方法）。补码一位乘法校正法：先换成原码在计算比较法（Booth法）补码二位乘法每次办理乘数中的两位，提高速度。定点除法运算原码除法运算原码比较法：与手算基真相同。恢复余数法：直接做减法进行试试。补码除法运算规格化浮点运算浮点加减运算对阶→尾数加减→尾数结果规格化→舍入→溢出判断浮点乘除运算相乘：阶码相加→尾数相乘→结果规格化相除：尾数调整→阶码相减→尾数相除第三章逻辑代数基础3.1逻辑代数的基本源理逻辑代数的基本运算与或非基本公式和准则反演规则：把函数中的与换成或，或换成与，全部原变量换为反变量，反变量换为原变量，0换成1,1换成0。获得反函数。对偶规则：把函数中的与换成或，或换成与，0换成1,1换成0，变量不进行反变换。基本逻辑电路与门，或门，非门，与非门，或非门，与或非门，异或门，同或门。3.2逻辑函数表达式的形式基本形式“积之和”和“和之积”积之和：一个函数表达式由若干个积的和组成和之积：一个函数表达式由若干个和的积组成标准形式最小项及标准积之和表达式若是一个拥有n各变量的函数的“积”项包括全部n个变量，每个变量都以原变量或反变量的形式出现，且只出现一次，则这个项称为最小项。若是一个函数完好由最小项组成，则这种函数称为标准积之和表达式。2最大项及标准和之积表达式若是一个拥有n各变量的函数的和项包括全部n个变量，每个变量都以原变量或反变量的形式出现，且只出现一次。则这个和项为最大项。若是一个函数完好由最大项组成，则成为标准积之和表达式。3.3逻辑函数的化简公式化简法卡诺图化简法第四章储藏系统4.1储藏器归纳储藏器分类1按存取方式分随机储藏器、序次储藏器（磁带）、半序次储藏器（磁盘）按储藏介质分半导体器件和磁性资料按信息的可保留性分（断电后可否保留）非永久记忆的储藏器（半导体）永久记忆的储藏器（磁性）4按储藏器的读写功能分有些半导体储藏器的储藏内容固定不变，只读不写，称为只读储藏器既读又写的半导体储藏器称为随机储藏器RAM。

ROM5按作用分主储藏器、辅助储藏器、高速缓冲储藏器、控制储藏器储藏器的分级结构高速缓冲储藏器cache主储藏器外储藏器主储藏器的技术指标储藏容量、存取时间、储藏周期和储藏器带宽字储藏单元：存放一个机器字的储藏单元，相应的单元地址叫做字地址。字节储藏单元：存放一个字节的单元，相应的单元地址叫做字节地址。一个字节代表八个二进制单位带宽：单位时间内储藏器所存取的信息量储藏周期：连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。存取时间：启动一次储蓄器到完成该操作所经历的时间4.2随机读写储藏器静态MOS储藏器和动向

MOS储藏器（

DRAM）、SRAM储藏器由储藏体、读写电路、地址译码电路和控制电路等组成。大容量储藏器中，把各个字的同一位组织在一个集成片中。读写操作：第一由地址总线给出地址信号，发出控制信号，最后在数据总线进步行数据交流。储藏器扩展方法：字扩展，位扩展，字位同时扩展、DRAM储藏器比SRAM集成更高。刷新方式：集中式、分别式、异步式高性能主储藏器EDRAM芯片EDRAM内存条4.3只读储藏器和闪储存藏器只读储藏器分类：掩模式只读储藏器、一次编程只读储藏器、多次编程只读储藏器闪储存藏器特点：固有的非易失性、低价的高密度、可直接执行、固态性能4.4Cache储藏器基本源理功能：是主存的缓冲储藏器，由高速的SRAM组成代替算法最不经常使用算法、近期最少使用算法、随机代替写操作策略写回法、全写法、写一次法4.5虚假储藏器指的是主存-外存层次。页式虚假储藏器、段式虚假储藏器、段页式虚假储藏器4.6内存的分类和使用按外观分DRAM分类：内存条、双列直插内存芯片按运行特点分FPM快速页面模式随机存取储藏器、EDO扩展数据输出随机储存藏器、SDRAM同步动向随机存取储藏器、DDR双倍率RAM（主流）、RDRAM储藏器总线是动向随机存取储藏器（外加散热片）内存条的结构内存芯片（电容和晶体管）、SPD（serialpresencedetect）内存条信息、排阻（姆）、电容、电路板（PCB）封装技术TSOP2封装、BGA封装、BLP封装

10欧姆

22欧4.7磁带储藏器储藏原理：将粒子磁化，依照磁化方向表示0和

1

。磁记录方式：归零制、归饱和制、不归零制、不归零

1制、调相制、调频制、改进调频制4.8磁盘储藏器分类：软盘、硬盘技术指标：记录密度、储藏容量、寻道时间、寻区时间、寻址时间（寻道时间与寻区时间之和）4.9光盘储藏器使用光学方式进行信息读写，一次写入多次读出光盘原理：写“1时”，发出激光束，在写1处打洞。只读光盘：激光打洞制作母版，复制批量生产。可擦光盘：原理分为热致效应、光子以致效应、光子激活效应第五章指令系统5.1指令格式与寻址方式格式：操作码与地址码操作码：指定相应的硬件要完成的工作地址码：搜寻运算所需的数据，确定操作数（源操作数和目标操作数）。源操作数存放运算数据，目标操作数还要存放运算结果。依照地址码的个数分为零地址指令、单地址指令、双地址指令、三地址指令、多地址指令。简单寻址方式寻址方式：多字长指令、不增加指令长度（改变指令结构）一般寻址方式隐含寻址、马上寻址、直接寻址、间接寻址、存放器直接寻址、存放器间接寻址、变址寻址、自动变址寻址、基址寻址、基址加变址寻址5.2指令种类1.数据传达类数据传达指令、数据交换指令、压栈与退栈指令栈：主存中特地用来存放数据的一个特定地域。2.算术逻辑类算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令3.字符串办理指令4.输入输出指令5.中止指令、特权指令、骗局指令6.转移指令7.转子指令与反主指令5.3指令执行方式序次执行、重叠执行流水线5.4精简指令系统计算机（RISC）技术5.58086/8088指令系统数据传达指令通用数据传达指令、累加器专用传达指令、地址传达指令、标志传达指令算术运算指令逻辑运算和移位指令串操作指令转移指令控制器控制指令第六章中央办理器6.1中央办理器的功能和组成结构：控制单元、算术逻辑单元、储藏单元功能结构运算器、控制器、存放器组6.2控制器的功能与结构控制器的功能向计算机各功能部件发出协调运行每一步所需的控制信号。指令流出控制、指令解析与执行控制、指令流向控制、程序运行环境的建立与保护、对总线的