计算机组成原理第二章

计算机组成原理第二章目录计算机系统概述数字逻辑基础计算机中的数据表示运算方法与运算器指令系统与寻址方式中央处理器（CPU）01计算机系统概述包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理实体。硬件软件数据包括操作系统、应用程序等，是计算机的程序和数据。表示计算机处理的信息，可以是数字、文字、图像、声音等形式。030201计算机系统的基本组成包括各种物理设备和组件，如中央处理器、存储器、输入输出设备等。硬件层包括操作系统、设备驱动程序等，用于管理和控制硬件资源。系统软件层包括各种应用程序，如办公软件、游戏等，用于实现特定的功能和任务。应用软件层计算机系统的层次结构计算机系统的发展历程电子管计算机，出现于20世纪40年代，主要用于军事和科学研究领域。晶体管计算机，出现于20世纪50年代，开始应用于商业领域。集成电路计算机，出现于20世纪60年代，开始应用于个人和家庭领域。大规模集成电路计算机，出现于20世纪70年代，成为现代计算机的主流形式。第一代计算机第二代计算机第三代计算机第四代计算机02数字逻辑基础数字电路用于处理数字信号的电路，由逻辑门电路组成，具有高可靠性和高稳定性。数字信号由离散的二进制数表示的信息信号，具有离散性和不连续性。数字电路分类组合逻辑电路和时序逻辑电路。数字信号与数字电路二进制十进制十六进制数制转换数制与数制转换01020304基数为2，仅包含0和1两种数码。人们日常使用的数制，基数为10，包含0-9共10种数码。基数为16，包含0-9和A-F共16种数码。不同数制之间的数值转换，如二进制转十进制、十进制转二进制等。用于描述逻辑关系的数学分支，主要研究逻辑函数及其运算。逻辑代数与运算、或运算、非运算等。基本逻辑运算实现基本逻辑运算的电路，如与门、或门、非门等。逻辑门电路逻辑代数与逻辑门电路

组合逻辑电路的分析与设计组合逻辑电路由逻辑门电路组成的电路，输入和输出之间没有反馈。组合逻辑电路分析根据给定的逻辑电路图，分析其逻辑功能的过程。组合逻辑电路设计根据给定的逻辑功能，设计出相应的组合逻辑电路的过程。03计算机中的数据表示将数用二进制形式表示，包括整数、实数等。数的二进制表示将字符集中的每个字符与一个二进制代码相对应，如ASCII码。字符编码将汉字与一个二进制代码相对应，如GB2312、GBK和UTF-8等。汉字编码将图像数据转换为二进制形式，如JPEG、PNG等。图像编码数据的表示方法与编码浮点数表示法将小数点用指数表示，分为阶码和尾数两部分。定点数与浮点数的优缺点定点数运算简单但精度有限，浮点数精度高但运算复杂。定点数表示法将小数点固定在数的某一位之后，用整数表示小数。定点数与浮点数的表示用二进制0和1表示逻辑值，如AND、OR、NOT等。布尔逻辑用字符编码表示文本数据。字符串用二进制代码表示存储单元或外设的地址。地址码用二进制代码表示操作码或指令码。符号码非数值数据的表示03循环冗余校验（CRC）利用模2除法进行校验，可以检测出所有一位错和大部分多位错。01奇偶校验通过增加一位校验位使得整个数据中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。02海明码校验通过增加多个校验位，使得各个数据位的校验结果相互独立。数据的校验方法04运算方法与运算器二进制加法运算的基本规则是“逢二进一”，即当两个二进制位相加的和大于等于2时，要向高位进位。加法运算二进制减法运算的基本规则是“借一当二”，即当两个二进制位相减的差小于0时，要向高位借位。减法运算二进制乘法运算的基本规则是“左移相加”，即将被乘数左移若干位，再与乘数相加。乘法运算二进制除法运算的基本规则是“左移相减”，即将被除数左移若干位，再与除数相减。除法运算基本运算方法与运算器设计定点数的表示定点数采用固定小数点位置的方式表示，通常采用补码表示法。定点运算器的执行方式定点运算器按照先乘除后加减的顺序执行运算，同时需要考虑溢出和舍入处理。定点运算器的基本组成定点运算器主要由加法器、减法器、乘法器和除法器等基本运算单元组成。定点运算器的组成与工作原理浮点数采用指数和尾数的方式表示，通常采用IEEE754标准。浮点数的表示浮点运算包括加法、减法、乘法和除法等基本运算，需要考虑精度和溢出等问题。浮点运算方法浮点运算器主要由指数计算单元、尾数计算单元和控制单元等组成。浮点运算器的组成浮点运算方法与浮点运算器吞吐能力是指运算器在单位时间内能够完成的最大运算次数，是衡量运算器性能的重要指标之一。吞吐能力精度速度功耗精度是指运算器在进行数值计算时的误差范围，高精度的运算器能够提供更准确的计算结果。速度是指运算器在进行数值计算时的快慢程度，高速的运算器能够提高程序的执行效率。功耗是指运算器在进行数值计算时的能耗大小，低功耗的运算器能够降低设备的能耗和散热成本。运算器的性能指标与优化设计05指令系统与寻址方式指令由操作码和地址码组成，操作码指定操作类型，地址码指定操作数地址。指令格式根据指令的操作数个数，可以分为单操作数指令和双操作数指令；根据指令的执行周期，可以分为单周期指令和多周期指令。指令类型指令格式与指令类型根据指令中地址码的个数和形式，可以分为直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、基址寻址和变址寻址等。根据寻址方式和数据类型，可以计算出操作数的有效地址，从而确定操作数的值。寻址方式与有效地址计算有效地址计算寻址方式指令的执行过程包括取指、分析和执行三个阶段，其中分析阶段包括取操作码和取操作数地址，执行阶段包括形成有效地址和执行指令。指令的执行过程一条指令的执行需要一个或多个机器周期来完成，每个机器周期由若干个时钟周期组成。根据指令类型的不同，指令周期的长度也不同。指令周期指令的执行过程与周期RISC精简指令集计算机采用简单指令集，强调优化指令系统，提高指令执行速度。其优点是结构简单、易于设计、功耗低、性能高。CISC复杂指令集计算机采用复杂指令集，强调提供丰富的指令集，满足各种复杂的应用需求。其优点是功能强大、适用性强、易于编程。精简指令集计算机（RISC）与复杂指令集计算机（CISC）06中央处理器（CPU）CPU的功能与组成组成控制器运算器、控制器、寄存器。产生控制信号，协调各部件工作。功能运算器寄存器指令控制、操作控制、数据运算和传输。执行算术运算和逻辑运算。存储操作数和中间结果，以及指令。指令流水线将指令执行过程划分为多个阶段，每个阶段执行一个功能，实现并行处理。超标量技术在一条指令执行过程中，使用多个操作数和多个执行单元，提高指令执行速度。指令流水线与超标量技术主频、字长、指令集、缓存容量等。CPU的性能指标与评价方法性能指标CPU每秒钟执行的时钟周期数。主频CPU一次能处理的二进制位数。字长CPU所能执行的