计算机组成原理考研讲义
海文计算机组成原理讲义
第一章计算机系统概述复习要点：了解计算机发展历程；了解计算机系统层次结构及其相关的硬件基本组成、软件分类和工作过程；了解计算机性能指标及有关的计算与术语解释简单说明在教材内容选择和教学过程中，计算机系统概述是作为课程绪论性质的内容来对待的，重点不是要求学生掌握更深入的具体知识，而强调尽早地从层次的观点了解计算机系统硬件、软件的完整组成，认识硬软件之间的相互依存和同一功能既能用硬件也可用软件来实现的等效关系；了解组成计算机硬件系统的5个功能部件及其通过3种类型的总线实现相互之间的连接关系，了解计算机系统主要的技术指标，了解组成软件系统的操作系统、3个级别语言的特点及其运行过程，了解计算机的发展历程和多种分类情况等。
在准备考试的过程中，应该把教材各章中的内容融会贯通，理解为好，不宜死记硬背，例如本章中的技术与性能指标就应与后续各部分的更具体指标建立联系，理解准确。
这一部分内容的试题将以选择、判断和填空为主，不存在答题技巧等方面的问题。
第二章数据的表示和运算复习要点：了解进位数制及相互转换、字符（包括汉字）、字符串和BCD数在计算机中的表示；了解校验码引入的目的、原理及其应用；理解本章的基本概念，如真值、机器数、最小码距、并行进位等；理解定点数的表示原理，掌握定点数的运算、溢出的概念与判断方法，了解阵列乘法器；理解浮点数的表示，掌握浮点数的加/减运算方法；理解算术逻辑单元相关术语的定义、ALU的基本功能、组成和结构第三章存储器系统的层次结构本章是研究生招生考试的考点重点章节，通常都有与本章相关的大题和若干个小题。
复习重点：1、在了解主存储器处于全机中心地位的基础上，理解存储器芯片的外特性、工作原理和主要技术指标，及其与CPU的连接，掌握存储器容量扩展技术，并能够对给定存储器芯片进行主存设计。
2、掌握存储系统的层次结构，理解设置高速缓冲存储器和虚拟存储器的目的、理论依据，以及理解Cache和虚拟存储器的构成与运行原理，并能熟练地对它们的命中等情况进行分析和相关的计算。
计算机组成原理(本全)课件
目录
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出(I/O)系统 • 计算机的体系结构 • 计算机的软件系统
01 计算机系统概述
计算机的发展历程
第一代计算机
电子管计算机，20世纪40年代 中期至50年代末期，主要用于
军事和科学研究领域。
CPU每个时钟周期执行的指令数，是 衡量CPU性能的重要指标。
03 存储器系统
存储器的分类和作用
分类
根据存储器的功能和位置，可以分为内存和外存两大类。内存是计算机内部存储器，用 于存放运算数据和程序代码；外存则是计算机外部存储器，用于长期保存大量数据和程
序。
作用
存储器是计算机的重要组成部分，它负责存储程序运行过程中所需的数据、指令等信息 ，使得CPU能够快速、准确地读取和写入数据，从而完成程序的执行。
软件系统
包括系统软件和应用软件两大类。
操作系统
是计算机的软件系统中最基本、最重要的部分，负责 管理和调度计算机的软硬件资源。
计算机的工作原理
二进制数制
计算机内部采用二进制数制进行运算和存储。
指令和程序
计算机按照程序中预定的指令序列进行自动执 行。
存储程序原理
将程序和数据存储在计算机内部，根据指令从存储器中取出数据和指令进行运 算和传输。
内存的工作原理和组织结构
工作原理
内存由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个二进制数 。当CPU需要读取或写入数据时，会通过地址总线发送地址 信号，内存控制器根据地址信号找到对应的存储单元，完成 数据的读取或写入操作。
组织结构
内存的组织结构通常采用线性编址方式，即将内存单元按照 一定顺序排列，每个单元都有一个唯一的地址。内存的容量 大小由地址总线的位数决定，地址总线位数越多，可访问的 内存单元数量就越多。
计算机考研408之计算机组成原理
计算机考研408之计算机组成原理计算机组成原理是计算机考研408中的重要考点，对于考研的同学来说，掌握好这门课程是非常重要的。
在这篇文章中，我们将以生动、全面、有指导意义的方式介绍计算机组成原理，帮助大家更好地学习和应对考试。
计算机组成原理是计算机科学的重要基础课程，它主要涉及计算机硬件系统的各个组成部分以及它们之间的工作原理和相互关系。
学习计算机组成原理，不仅可以帮助我们深入了解计算机的原理和运行机制，还能提高我们的问题分析和解决能力。
在计算机组成原理课程中，我们将从硬件的角度，逐步深入地了解计算机系统的各个方面。
首先，我们将学习计算机的基本原理和数据表示方法。
计算机是由各种逻辑门构成的，并且使用二进制编码方式来表示数据。
这是因为计算机只能识别和处理0和1两种状态，所以需要利用逻辑门将数据转换成二进制形式。
这一部分的学习重点是理解逻辑门的基本原理和其在计算机系统中的应用。
接下来，我们将学习计算机的组织和结构。
计算机由输入输出设备、存储器、控制器和运算器等多个部件组成。
每个部件都有其特定的功能和作用，它们通过总线进行数据传输和控制信号的交互。
了解各个部件的结构和工作原理，可以帮助我们更好地理解计算机系统是如何工作的。
在了解了计算机系统的基本组成部分后，我们将学习计算机的指令系统和指令执行过程。
计算机执行程序的过程主要分为取指、解指、执行和访存四个阶段。
此外，我们还将学习指令的寻址方式、流水线技术和流控制技术等相关知识点。
这些内容将帮助我们了解程序是如何在计算机上运行的，以及如何进行优化和提高运行效率。
最后，我们还将学习计算机系统的性能评价和并行计算等内容。
计算机的性能评价主要包括吞吐量、响应时间和可扩展性等指标。
并行计算是一种提高计算机性能的重要方式，它可以通过同时利用多个处理器来完成任务，从而提高计算速度和处理能力。
总的来说，计算机组成原理是一门重要而复杂的课程，我们需要在学习过程中保持充分的实践和动手能力。
考研计算机组成原理
考研计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术领域的基础课程之一。
它涵盖了计算机硬件的各个方面，包括计算机的基本组成部分、数据的表示、存储器和存储体系的设计、指令系统和指令执行、中央处理器（CPU）的设计与控制、输入输出（IO）系统以及计算机总线等。
本文将重点介绍一些计算机组成原理的基本概念和知识点。
首先，计算机的基本组成部分包括中央处理器（CPU）、存储器和输入输出设备。
中央处理器是计算机的核心部件，负责执行各种指令并进行数据处理。
存储器用于存储指令和数据，分为主存储器（RAM）和辅助存储器。
输入输出设备用于与外部环境交互，例如键盘、鼠标、显示器和打印机等。
数据的表示是计算机组成原理中的重要概念。
计算机中的数据以二进制形式表示，其中最基本的单位是位（bit），用0和1表示。
多个位可以组成更高级别的数据单位，如字节（byte）、字（word）和双字（doubleword）等。
不同类型的数据可以使用不同的数据表示方法，如整数、浮点数和字符等。
存储器和存储体系是计算机组成原理中的关键内容。
存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM是一种易失性存储器，以二进制形式存储数据，可读写。
ROM是一种非易失性存储器，它存储了计算机的启动程序和固件等数据。
指令系统和指令执行是计算机组成原理中的核心内容。
指令系统定义了计算机的各种指令集，包括指令的格式和功能等。
指令执行是指计算机按照指令执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算和数据传输等。
中央处理器（CPU）是执行指令的关键部件，它由运算器、控制器和寄存器等组成。
计算机的输入输出（IO）系统是计算机组成原理中的重要部分。
它负责将计算机与外部设备连接起来，实现数据的输入和输出。
输入输出设备通过接口与计算机系统相连接，并通过IO控制器进行数据传输和控制。
最后，计算机的总线是计算机组成原理中的重要概念。
总线是计算机内部各个部件之间进行通信和数据传输的路径。
计算机组成原理总复习串讲
另外，还需要了解相联存储器组成和相联存 器一般应用在什么场合。
第五小节：讲授的是cache存储器
Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和 主存之间的速度不匹配采用的一种重要的硬件技 术。了解主存与cache的地址映射方式。有三种 映射方式全相联映射方式直接映射方式组 相联映射方式，其中组相联方式是前二者的折中 方案。
微命令： 对应某个微操作的命令称为微命令，它 是执行单元可以接受的控制信号序列的最小单位。
微指令： 是对指令的分解，是一组微命令的组合。
主要包含两个字段：操作控制字段、顺序控制字段。
微程序： 微指令的有序集合称为微程序。一条机器指令的功能通
过许多条微指令来实现，即一条机器指令对应一段微程 序。 控制存储器：
储器、光存储器等
按存取方式分：随机存储器，顺序存储器
按在计算机中的作用分：主存储器，辅助存储器， 高速缓冲存储器，控制存储器
还有按读写功能分，按信息的可保存性分等分类 方法。
2，要掌握存储器的分级结构 分级结构主要是高速缓冲存储器—主存储器—— 外存储器三层结构
3，了解主存储器的性能指标
主要包括存储容量、存取时间、存储周期、存储器 带宽几个方面。
ROM它只能读出，不能写入，故称只读存储器。 最大的优点是具有不易失性，即使电源切断， ROM的信息也不会丢失。根据编程方法不同，我 们通常分成三类：掩模式只读存储器、一次编程 只读存储器、多次编程只读存储器。
2、闪速存储器的优点，工作原理、和CPU连接等
第四节讲述的高速存储器
高速存储器包括双端口存储器、多模块交叉 存储器、相联存储器、
计算机组成原理 讲课文档
• 程序计数器（PC）：为了保证程序能够连续地执行下 去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。 而程序计数器（PC）正是起到这种作用
• 地址寄存器（AR）：用来保证当前CPU所访问的内存 单元的地址。
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3、CPU 的寄存器
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一、功能：
（3）时间控制：计算机有很多操作，对某条指令来说， 某个操作信号在T1时刻可能是需要的，但在T2时刻可 能又不需要了。因此CPU 需根据指令要求，在T1时刻， 只对某些操作信号适时地发出规定的操作。在计算机 系统中，不仅要提供各种基本操作（微操作），更重 要的是控制计算机何时发出所需要的操作，才能使计 算机有条不紊地工作，这是CPU具有的最重要功能。
的多路选择器、通用寄存器、移位器、总线等功能部 件等构成。
• 运算器的功能（1）执行所有的算术运算
测试。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑
通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操 作产生一个判决。
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3、CPU 的寄存器
• 数据缓冲寄存器（DR）：用来暂时存放由内存储器读 出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存中存入 一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据 缓冲寄存器中。
• 根据设计方法的不同，操作控制器可分为时序逻辑型、 存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种，第一 种称为硬布线控制器，它采用时序逻辑技术实现；第 二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的。 第三种是前两种的组合。
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4、操作控制器
• 操作控制器产生的控制信号必须定时，还必须有时序 产生器。因为计算机高速地进行工作，每一个动作的 时间是非常有限的，不能有任何差错。时序产生器的 作用，就是对各种操作实施时间上的控制。
408计算机组成原理考研大纲
408计算机组成原理考研大纲计算机组成原理是计算机科学与技术、软件工程、计算机应用技术等专业研究生的一门重要课程。
以下是408计算机组成原理考研大纲的详细介绍。
一、课程背景与目的计算机组成原理的主要内容是计算机硬件系统的结构、功能和工作原理以及与软件系统的接口。
它是计算机科学与技术专业研究生培养的基础课程，旨在培养研究生对计算机硬件系统的整体结构和运行机理有系统的认识和深刻的理解，为进一步研究和应用计算机系统提供知识基础。
二、课程内容1.计算机系统概述课程介绍、计算机的基本组成和功能、计算机的操作过程、计算机体系结构及发展趋势等。
2.数据表示与运算数制与编码、定点数和浮点数表示、数据的压缩与解压、逻辑运算与算术运算等。
3.存储器层次结构存储器分类与特点、存储器层次结构、高速缓存存储器、主存储器、虚拟存储器等。
4.中央处理器指令系统与执行、数据路径和控制器、指令流水线、中断和异常处理、并行处理等。
5.输入输出系统输入输出系统概述、输入输出接口、设备控制器、磁盘存储器、光盘存储器、视频显示器、打印机等。
6.性能评价与优化性能指标、CPU性能改进、存储器和I/O性能改进、系统性能评价等。
三、教学方法1.理论课讲授：通过教师上课讲授，介绍计算机组成原理的基本概念、原理和方法。
2.课程设计：组织学生进行一定规模的实践操作，加深对计算机组成原理的理论知识的理解和掌握。
3.论文阅读与讨论：组织研讨会，学生撰写并进行课程相关论文的阅读和讨论，培养学生的科研能力和学术素养。
四、考核方式1.平时成绩：包括作业、实验、课堂测验等。
2.期中考试：对课程中的重要知识点进行考察。
3.期末考试：对整个课程的内容进行考核。
五、教材推荐。
上海交通大学计算机组成原理考研辅导讲稿(1)
其中 MTTR 为平均修复时间 1/ 称为修复率 可用性
Ass
覆盖率
MTTF 1/ MTTF MTTR 1 / 1 /
三、容错系统的类型
永久性故障（物理失效） 中期故障（偶然性故障） 暂态故障（环境干扰）
四、基本容错技术
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分析、模拟和测试
二、指标
响应时间、吞吐率、可扩展性、可编程性、可靠性、性价比
三、简单的分析方法
CPU 时间的计算
Tcpu In CPI Tc
CPI
CPI I
i i 1
n
i
I
i 1
n
i
其中：Ii 是第 i 种指令的数量 CPIi 是第 i 种指令的执行周期数 MIPS 指标
操作： push: SP=SP+1; R[SP]=Data; if(SP==0) Full=1; Pop: Data=R[SP]; SP=SP-1; if(SP==0) Empty=1; 标志 FULL EMPTY 寄存器号
SP
C B A
3 2 1 0
地址 1000
例： fa(int a,b,c) { int i,j,k; … fb(i-j, k-i) … } k-i i-j c b a
(c) MISD 结构
图 1-3
Flynn 分类法中四种系统的基本结构
二、语言与系统结构的设计
语言的分类：过程式、函数式、逻辑推理式 语言的影响：计算模型、软硬件界面(如 picoJAVA)
三、软件与系统结构的设计
两个方面：编译与操作系统 编译的影响：数据的存储结构、指令集的特征、控制结构（指令调度） 堆栈及其实现
四、测试方法
计算机考研408专业课复习 计算机组成原理(第4版)课件白中英完整版
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1.3计算机的硬件
六、控制器
指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的 概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）
指令和数据存储
演示计算机执行模拟过程
2020/10/14
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1.3计算机的硬件
七、控制器的基本任务
控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取 指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的 计算机，但是它的适应性很差。
通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了 效率、速度和经济性。
2020/10/14
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1.1计算机的分类
三、通用计算机分类 通用计算机根据体积、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 价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机
②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等
③操作系统
④数据库管理系统
应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制
的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控
制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算
程序等 2020/10/14
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1.4计算机的软件
二、软件的发展演变 编程语言的发展
➢ 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 ➢ 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 ➢ 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解
二、五级计算机层次系统
第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由 机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用 微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。
第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序 解释机器指令系统。这一级也是硬件级。
408计算机组成原理考研大纲
408计算机组成原理考研大纲计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，也是考研的重点科目之一、下面是408计算机组成原理考研大纲的详细内容：一、计算机系统基本知识1.计算机的发展历程与分类2.计算机的基本组成与工作原理3.计算机的层次结构与性能评价二、数字系统基础知识1.数制与编码2.布尔代数与逻辑门电路3.组合逻辑电路与时序逻辑电路4.存储器的基本概念与分类三、数字系统设计1.组合逻辑电路的设计方法2.时序逻辑电路的设计方法3.存储器的设计与控制4.中央处理器的设计与控制5.总线与I/O设备的接口四、计算机体系结构1.冯·诺依曼计算机体系结构2.CISC与RISC体系结构的比较3.增强型系统的体系结构4.并行计算机体系结构五、指令系统与汇编语言1.指令系统的功能与分类2.指令系统的设计与特点3.汇编语言的基础知识与设计方法4.汇编语言程序的转换与优化六、存储系统1.存储系统的层次结构与特点2.主存储器的组成与控制3.辅助存储器的组成与特点4.存储器的管理与优化七、输入输出系统1.输入输出设备的分类与特点2.输入输出接口的原理与设计3.中断处理与设备控制4.输入输出方式的选择与优化八、总线与并行IO1.总线的基本概念与特点2.总线的组成与控制3.总线的冲突与优化4.并行IO接口与控制以上是408计算机组成原理考研大纲的详细内容。
在考前的复习中，可以按照大纲逐个知识点进行学习和掌握。
此外，还可以通过参考图书、刷题等方式进行强化训练，提高解决问题的能力和应试能力。
希望对考研学习有所帮助！。
计算机组成原理考研知识点非常全
计算机组成原理一, 计算机系统概述(一) 计算机发展历程第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法尼亚大学.ENIAC用了18000电子管,1500继电器,重30吨,占地170m2,耗电140kw,每秒计算5000次加法.冯•诺依曼(VanNeumann)首次提出存储程序概念,将数据和程序一起放在存储器,使编程更加方便.50年来,虽然对冯•诺依曼机进行很多改革,但结构变化不大,仍称冯•诺依曼机.一般把计算机的发展分为五个阶段:发展阶段时间硬件技术速度/(次/秒)第一代1946-1957 电子管计算机时代40 000第二代1958-1964 晶体管计算机时代200 000第三代1965-1971 中小规模集成电路计算机时代 1 000 000第四代1972-1977 大规模集成电路计算机时代10 000 000第五代1978-现在超大规模集成电路计算机时代100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)电子数字积分机和计算机EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)电子离散变量计算机组成原理是讲硬件结构的系统结构是讲结构设计的摩尔定律微芯片上的集成管数目每3年翻两番.处理器的处理速度每18个月增长一倍.每代芯片的成本大约为前一代芯片成本的两倍新摩尔定律全球入网量每6个月翻一番.数学家冯·诺依曼(von Neumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念.以此为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机.它有如下特点:①计算机由运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分组成②指令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可按地址寻访③指令和数据均用二进制数表示④指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置⑤指令在存储器内按顺序存放⑥机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成图中各部件的功能·运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内·存储器用来存放数据和程序·控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果·输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息·输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式运算器最少包括3个寄存器(现代计算机内部往往设有通用寄存器)和一个算术逻辑单元(ALU Arithmetic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)为累加器,MQ(Multiplier-Quotient Register)为乘商寄存器,X为操作数寄存器,这3个寄存器在完成不同运算时,说存放的操作数类别也各不相同.计算机的主要硬件指标(4.a) 主机完成一条指令的过程——以取数指令为例(4.b) 主机完成一条指令的过程——以存数指令为例(二) 计算机系统层次结构1. 计算机硬件的基本组成计算机硬件主要指计算机的实体部分,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分.CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中.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: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行,这类软件面向系统.(包括:标准程序库,语言处理程序,OS,服务程序,数据库管理系统,网络软件)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(1)计算机的工作过程就是执行指令的过程指令由操作码和操作数组成:操作码指明本指令完成的操作操作码地址码地址码指明本指令的操作对象(2)指令的存储指令按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中.(3)指令的读取为了纪录程序的执行过程,需要一个记录读取指令地址的寄存器,称为指令地址寄存器,或者程序计数器.指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令,由于指令通常按照地址增加的顺序存放,故此,每次读取一条指令之后,程序计数器加一就为读取下一条指令做好准备.(4)执行指令的过程在控制器的控制下,完成以下三个阶段任务:1)取指令阶段按照程序计数器取出指令,程序计数器加一2)指令译码阶段分析操作码,决定操作内容,并准备操作数3)指令执行阶段执行操作码所指定内容(三) 计算机性能指标1. 吞吐量,响应时间(1) 吞吐量:单位时间内的数据输出数量.(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执行时间(1) CPU时钟周期:机器主频的倒数,T C(2)主频:CPU工作主时钟的频率,机器主频Rc(3)CPI:执行一条指令所需要的平均时钟周期(4)CPU执行时间:T CPU=In×CPI×T CIn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T C时钟周期时间的长度3. MIPS,MFLOPS(1)MIPS:(Million Instructions Per Second)Te:执行该程序的总时间=指令条数/(MIPS×)In:执行该程序的总指令数Rc:时钟周期Tc的到数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×)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.特点：1.MFLOPS取决于机器和程序两方面,不能反映整体情况,只能反映浮点运算情况2.同一机器的浮点运算具有一定的同类可比性,而非同类浮点操作仍无可比性当前微处理器的发展重点①进一步提高复杂度来提高处理器性能②通过线程进程级的并发性提高处理器性能③将存储器集成到处理器芯片来提高处理器性能④发展嵌入式处理器软件开发有以下几个特点1)开发周期长2)制作成本昂贵3)检测软件产品质量的特殊性计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能要求计算机的速度达1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制•芯片集成度受物理极限的制约• 按几何级数递增的制作成本 •芯片的功耗、散热、线延迟计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM计算机辅助工艺规划 Computer Aided Process Planning CAPP 计算机辅助工程 Computer Aided Engineering CAE 计算机辅助教学 Computer Assisted Instruction CAI 科学计算和数据处理 工业控制和实时控制网络技术应用 虚拟现实办公自动化和管理信息系统 Computer Aided DesignCAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing多媒体技术 Computer Integrated Manufacturing System 人工智能,模式识别,文字/语音识别,语言翻译,专家系统,机器人…二, 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,不同的数制均涉及两个基本概念:基数和权. 基数:进位计数制中所拥有数字的个数.权:每位数字的值等于数字乘以所在位数的相关常数,这个常数就是权. 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+ an-2rn-2+ ┅ + a 0r 0 + a -1r -1 + a -2r -2 + ┅ + a -mr -m(X)r =∑--=mn i iirK 12)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=∑Di•2i ,(N)8=∑Di•8i, (N)16=∑Di•16i,进行计算.(2)十进制数转换成二进制数通常要对一个数的整数部分和小数部分分别进行处理,各自得出结果后再合并.◆对整数部分,一般采用除2取余数法,其规则如下:将十进制数除以2,所得余数(0或1)即为对应二进制数最低位的值.然后对上次所得商除以2,所得余数即为二进制数次低位的值,如此进行下去,直到商等于0为止,最后得的余数是所求二进制数最高位的值.◆对小数部分,一般用乘2取整数法,其规则如下:将十进制数乘以2,所得乘积的整数部分即为对应二进制小数最高位的值,然后对所余数的小数部分部分乘以2,所得乘积的整数部分为次高位的值,如此进行下去,直到乘积的小数部分为0,或结果已满足所需精度要求为止.(3)二进制数,八进制数和十六进制数之间的转换八进制数和十六进制数是从二进制数演变而来的:由3位二进制数组成1位八进制数;由4位二进制数组成1位十六进制数.对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(Binary Coded Decimal以二进制编码的十进制码)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种来表示十进制数位的0～9,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”.在计算机内部实现BCD码算术运算,要对运算结果进行修正,对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,EBCDIC码等.1)ASCII码(American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准码)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Check Digit数据校验码是一种常用的带有发现某些错误或自动改错能力的数据编码方法.其实现原理,是加进一些冗余码,使合法数据编码出现某些错误时,就成为非法编码.这样,可以通过检测编码的合法性来达到发现错误的目的.合理地安排非法编码数量和编码规则,可以提高发现错误的能力,或达到自动改正错误的目的.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相同而确定的,仅有一位不同,称其码距为1.1)奇偶校验码(Parity Bit)WIKI(开销最小,能发现数据代码中一位出错情况的编码,常用于存储器读写检查或ASCII字符或其它类型的信息传输的检查)P216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(Hamming Code)P100实现原理,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=2r-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+13)CRC校验码(Cyclic Redundancy Check 循环冗余校验)P144CRC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: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CRC码,这个码的可用多项式表达为:M(x)·xr+R(x)=[Q(x)·G(x)+R(x)]+R(x)=[Q(x)·G(x)]+[R(x)+R(x)]=Q(x)·G(x)因此,所得CRC码可被G(x)表示的数码除尽.将收到的CRC码用约定的生成多项式G(x)去除,如果无错,余数应为0,有某一位出错,余数不为0.(二) 定点数的表示和运算1. 定点数的表示1)无符号数的表示无符号数就是指正整数,机器字长的全部位数均用来表示数值的大小,相当于数的绝对值.对于字长为n+1位的无符号数的表示范围为: 0-12)带符号数的表示(真值范围-n-1n)带符号数是指在计算机中将数的符号数码化.在计算机中,一般规定二进制的最高位为符号位,最高位为“0”表示该数为正,为“1”表示该数为负.这种在机器中使用符号位也被数码化的数称为机器数.根据符号位和数值位的编码方法不同,机器数分为原码,补码和反码.(1)原码表示法机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示负数,数值跟随其后,并以绝对值形式给出.这是与真值最接近的一种表示形式.原码的定义:(2)补码表示法机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示负数,其定义如下:(3)反码表示法机器数的最高位为符号,0表示正数,1表示负数.反码的定义:原码补码反码整数(mod ) (mod())小数(mod 2) (mod(2-))=0.0000=1.000=0.0000 =0.0000=1.1111负数原码求反+1 负数每位求反移码移码表示中零也是唯一的真值的移码和补码仅差一个符号位.若将补码的符号位由0改为1或从1改为0即可得到真值的移码乘法运算可用移码和加法来实现,两个n位数相乘,总共要进行n次加法运算和n次移位运算·三种机器数的最高位均为符号位.符号位和数值位之间可用“.”(对于小数)或“,”(对于整数)隔开·当真值为正时,原码,补码和反码的表示形式均相同,即符号位用“0”表示,数值部分与真值部分相同·当真值为负时,原码,补码和反码的表示形式不同,其它符号位都用“1”表示,而数值部分有这样的关系,即补码是原码的“求反加1”,反码是原码的“每位求反”.1)定点数的位移运算左移,绝对值扩大;右移,绝对值缩小.算术移位规则符号位不变码制添补代码正数0负数原0补右移添0左移添1 反 1算术移位和逻辑移位的区别:算术移位:带符号数移位;逻辑移位:无符号数移位;2)原码定点数的加/减运算;对原码表示的两个操作数进行加减运算时,计算机的实际操作是加还是减,不仅取决指令中的操作码,还取决于两个操作数的符号.而且运算结果的符号判断也较复杂.例如,加法指令指示做(＋A)＋(－B)由于一操作数为负,实际操作是做减法(＋A)-(+B),结果符号与绝对值大的符号相同.同理,在减法指令中指示做(＋A)－(－B)实际操作做加法(＋A)＋(＋B),结果与被减数符号相同.由于原码加减法比较繁琐,相应地需要由复杂的硬件逻辑才能实现,因此在计算机中很少被采用.3)补码定点数的加/减运算;(1) 加法整数[A]补+ [B]补= [A+B]补(mod 2n+1)小数[A]补+ [B]补= [A+B]补(mod 2)(2) 减法整数[A]补- [B]补= [A+(-B)]补=[A]补+ [-B]补(mod 2n+1)小数[A]补- [B]补= [A+(-B)]补=[A]补+ [-B]补(mod 2)无需符号判定,连同符号位一起相加,符号位产生的进位自然丢掉4)定点数的乘/除运算(1)一位乘法<1>原码定点一位乘法两个原码数相乘,其乘积的符号为相乘两数的异或值,数值两数绝对值之积.设[X]原=X0 X1 X2 …Xn[Y]原=Y0 Y1 Y2 …Yn[X·Y]原=[X]原·[Y]原= (X0⊕Y0)∣(X1 X2 …Xn)·(Y1 Y2 …Yn)符号∣表示把符号位和数值邻接起来.原码两位乘和原码一位乘比较原码一位乘原码两位乘符号位操作数绝对值绝对值的补码移位逻辑右移算术右移移位次数n最多加法次数n有的机器为方便加减法运算,数据以补码形式存放.乘法直接用补码进行,减少转换次数.具体规则如下: [X·Y]补=[X]补(－Y0 + 0. Y1 Y2… Yn )<3>布斯法“布斯公式”: 在乘数Yn后添加Yn+1=0.按照Yn+1 ,Yn相邻两位的三种情况,其运算规则如下:(1) Yn+1 ,Yn =0( Yn+1 Yn =00或11),部分积加0,右移1位;(2) Yn+1 ,Yn =1( Yn+1 Yn =10) ,部分积加[X]补,右移1位;(3) Yn+1 ,Yn =-1( Yn+1 Yn =01) ,部分积加[－X]补,右移1位最后一步不移位.(2)两位乘法<1>原码两位乘法,因此实际操作用Yi-1,Yi,C三位来控制,运算规则如下Yi-1 Yi C 操作<2>补码两位乘法当乘数由1位符号位和以n(奇数)位数据位组成时,求部分积的次数为(1＋n)／2,而且最后一次的右移操作只右移一位.若数值位本身为偶数n,可采用下述两种方法之一:①可在乘数的最后一位补一个0,乘数的数据位就成为奇数,而且其值不变,求部分积的次数为1+(n+l)/2,即n/2＋1,最后一次右移操作也只右移一位.②乘数增加一位符号位,使总位数仍为偶数,此时求部分积的次数为n/2+1,而且最后一次不再执行右移操作.(3)补码除法笔算除法和机器除法的比较笔算除法机器除法商符单独处理符号位异或形成心算上商余数不动低位补“0”减右移一位的除数余数左移一位低位补“0”减除数2 倍字长加法器 1 倍字长加法器上商位置不固定在寄存器最末位上商1>恢复余数法被除数(余数)减去除数,如果为0或者为正值时,上商为1,不恢复余数;如果结果为负,上商为0,再将除数加到余数中,恢复余数.余数左移1位.2>加减交替法当余数为正时,商上1,求下一位商的办法,余数左移一位,再减去除数;当余数为负时,商上0,求下一位商的办法,余数左移一位,再加上除数.<2>定点补码一位除法(加减交替法)1〉如果被除数与除数同号,用被除数减去除数;若两数异号,被除数加上除数.如果所得余数与除数同号商上1,否则,商上0,该商为结果的符号位.2〉求商的数值部分.如果上次商上1,将除数左移一位后减去除数;如果上次商上0,将余数左移一位后加除数.然后判断本次操作后的余数,如果余数与除数同号商上1,如果余数与除数异号商上0.如此重复执行n-1次(设数值部分n位).3〉商的最后一位一般采用恒置1的办法,并省略了最低+1的操作.此时最大的误差为2-n.5)溢出概念和判别方法当运算结果超出机器数所能表示的范围时,称为溢出.显然,两个异号数相加或两个同号数相减,其结果是不会溢出的.仅当两个同号数相加或者两个异号数相减时,才有可能发溢出的情况,一旦溢出,运算结果就不正确了,因此必须将溢出的情况检查出来.判别方法有三种:1〉当符号相同的两数相加时,如果结果的符号与加数(或被加数)不相同,则为溢出.2〉当任意符号两数相加时,如果C=Cf,运算结果正确,其中C为数值最高位的进位,Cf为符号位的进位.如果C≠Cf ,则为溢出,所以溢出条件=C⊕Cf .3〉采用双符号f s2f s1.正数的双符号位为00,负数的双符号位为11.符号位参与运算,当结果的两个符号位甲和乙不相同时,为溢出.所以溢出条件= fs2⊕fs1 ,或者溢出条件= fs2fs1 + fs2fs1(三) 浮点数的表示和运算1. 浮点数的表示1)浮点数的表示范围;浮点数是指小数点位置可浮动的数据,通常以下式表示:N=M×R E其中,N为浮点数,M(Mantissa)为尾数(可正可负),E(Exponent)为阶码(可正可负),R(Radix)称为“阶的基数(底)”,而且R为一常数,一般为2,8或16.在一台计算机中,所有数据的R都是相同的,于是不需要在每个数据中表示出来.因此,浮点数的机内表示一般采用以下形式:Ms E MMs是尾数的符号位,设置在最高位上.E为阶码(移码),有n+1位,一般为整数,其中有一位符号位,设置在E的最高位上,用来表正阶或负阶.M为尾数(原码),有m位,由Ms和M组成一个定点小数.Ms=0,表示正号,Ms=1,表示负.为了保证数据精度属数通常用规格化形式表示:当R＝2,且尾数值不为0时,其绝对值大于或等于(0.5)10.对非规格化浮点数,通过将尾数左移或右移,并修改阶码值使之满足规格化要求.浮点数的表示范围以通式N=M×R E设浮点数阶码的数值位取m位,尾数的数值位取n位2)IEEE754标准(Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程协会)S 阶码(含阶符) 尾数根据符号位S阶码尾数总位数短实数 1 8 23 32长实数 1 11 52 64临时实数 1 15 64 80S,处在最高位.由于IEEE754标准约定在小数点左部有一位隐含位,从而实际有效位数为24位.这样使得尾数的有效值变为1.M .例如,最小为x1.0…0,,最大为x1.1…1.规格化表示.故小数点左边的位横为1,可省去.N(共32位)S(1位) E(8位) M(23位)符号位0 0 0符号位0 不等于0 (-1)S·2-126·(0.M) 为非规格化数符号位1到254之间- (-1)S·2E-127·(1.M) 为规格化数符号位255 不等于0 NaN(非数值)符号位255 0 无穷大,减少下溢精度损失.非规格化数的隐含位是0,不是1.2. 浮点数的加/减运算加减法执行下述五步完成运算:1)“对阶”操作比较两浮点数阶码的大小,求出其差ΔE,保留其大值E,E=max(Ex, Ey).当ΔE≠0时,将阶码小的尾数右移ΔE位,并将其阶码加上ΔE,使两数的阶码值相等.2)尾数加减运算执行对阶之后,两尾数进行加减操作.3)规格化操作规格化的目的是使得尾数部分的绝对值尽可能以最大值的形式出现.4)舍入在执行右规或者对阶时,尾数的低位会被移掉,使数值的精度受到影响,常用“0”舍“1”入法.当移掉的部分最高位为1时,在尾数的末尾加1,如果加1后又使得尾数溢出,则要再进行一次右规.5)检查阶码是否溢出阶码溢出表示浮点数溢出.在规格化和舍入时都可能发生溢出,若阶码正常,加/减运算正常结束.若阶码下溢,则设置机器运算结果为机器零,若上溢,则设置溢出标志.定点数和浮点数可从如下几个方面进行比较①当浮点机和定点机中的位数相同时,浮点数的表示范围比定点数大得多②当浮点数位规格化数时,其相对绝对远比定点数高③浮点数运算要分阶码部分和尾数部分,而且运算结果都要求规格化,故浮点运算步骤比定点运算的步骤多,运算速度比定点运算的低,运算线路比定点运算的复杂④在溢出的判断方法上,浮点数是对规格化的阶码进行判断,而定点数是对数值本身进行判断总之,浮点数在数的表示范围,数的精度,溢出处理和程序编程方面(不取比例因子)均优于定点数.但在运算规则即硬件成本方面又不如定点数(四) 算术逻辑单元ALU1.串行加法器和并行加法器1)串行进位加法器并行加法器可以同时对数据的各位进行相加,一般用n个全加器来实现2个操作数的各位同时向加.其操作数。
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
计算机组成原理考研辅 导分解
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
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Hale Waihona Puke 1目录计算机组成原理............................................................................................................................... 4 一、计算机系统概述 ............................................................................................................... 4 1. 常考知识点 .................................................................................................................. 4 2. 计算机硬件的基本组成 .............................................................................................. 4 3. 冯·诺依曼计算机的特点 .......................................................................................... 5 4. 计算机的性能指标 ...................................................................................................... 5 5. Amdahl 定律 ................................................................................................................. 5 二、数据的表示和运算 ........................................................................................................... 6 1. 常考知识点 .................................................................................................................. 6 2. 进位计数制及其相互转换 .......................................................................................... 6 3. 机器数的表示方法 ...................................................................................................... 6 4. 不同机器数算术移位后的空位添补规则 .................................................................. 6 5. IEEE754 ........................................................................................................................ 7 6. 规格化浮点数加/减运算流程 ..................................................................................... 7 7. 知识点补充 .................................................................................................................. 8 三、存储器层次结构 ............................................................................................................... 8 1. 常考知识点 .................................................................................................................. 8 2. RAM 和 ROM 比较...................................................................................................... 9 3. SRAM 和 DRAM 比较 ................................................................................................ 9 4. DRAM 的刷新方式 ...................................................................................................... 9 5. Cache........................................................................................................................... 10 6. 虚拟存储器 ................................................................................................................ 12 四、指令系统......................................................................................................................... 12 1. 常考知识点 ................................................................................................................ 12 2. 寻址方式 .................................................................................................................... 13 3. CISC 和 RISC 的区别 ................................................................................................ 15 4. RISC 的主要特点总结： ........................................................................................... 16 五、中央处理器..................................................................................................................... 16 1. 常考知识点 ................................................................................................................ 16 2. CPU 对指令和数据的区分 ........................................................................................ 16 3. 硬布线控制器和微程序控制器的比较 .................................................................... 16 六、总线................................................................................................................................. 16 1. 常考知识点 ................................................................................................................ 16 七、输入/输出系统................................................................................................................ 16 1. 常考知识点 ................................................................................................................ 16 2. 中断............................................................................................................................ 17 2009 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 18 2010 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 21 2011 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 24 2012 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 27 2013 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 31 2014 年计算机组成原理 ........................................................................................................ 33