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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。
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、计算机的性能指标。
1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。
如果您正在学习计算机体系结构，可以按照本文的知识点进行扩展学习。
计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想：二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术：CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法：统一换算成十进制，在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换：当前位数的值*（1/(进制^位数)）3.二进制码表示1)原码：表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码：正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码：正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码：根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC：多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码：有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理b)组成：i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）iii.状态字寄存器PSW：表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用：取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期：振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作b)机器周期：完成一项基本操作的时间c)指令周期：完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂，指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址：操作数包含在指令中b)直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址：指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加，形成操作数有效地址；基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址：程序计数器PC +1b)跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址方式，它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况5)CPI：每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF：Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR：多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。
计算机组成原理总结精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版第一章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，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；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：一条指令的二进制代码位数。
计算机组成原理(本全PPT)
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理知识点汇总x《计算机组成原理知识点汇总》一、算术逻辑单元1、算术逻辑单元（ALU）的功能算术逻辑单元（ALU）是一个对存储在寄存器中的数据进行算术和逻辑操作的硬件单元，它执行CPU中算术逻辑操作的所有活动。
主要有：加减乘除运算以及位操作（AND，OR，NOT）等。
2、算术逻辑单元的组成算术逻辑单元（ALU）由控制单元（CU）、累加器（Accumulator）、比较器（comparator）、移位器（Shift）、全加器（Full-Adder）、多位加法器（Multiple Adders）、多位乘法器（Multiple Multipliers）、掩码器（Mask）、屏蔽器（Shifter）等组成。
3、算术逻辑单元的运算过程（1）算术运算：它包括加减乘除运算，算术运算主要是把操作数从输入总线传到累加器中，进行算术运算以后，将结果存放在累加器中，然后传输到输出总线上。
（2）位操作：它包括AND，OR，NOT，异或等，位操作是把操作数从输入总线传到屏蔽器中，通过屏蔽器进行位操作，将结果存放在累加器中，同样传输到输出总线上。
（3）比较：算术逻辑单元还可以进行比较运算，以及移位，比较运算是把两个操作数从输入总线传到比较器中，比较两个操作数的大小，将结果存放在标志位中，寄存器中存放比较结果。
二、指令周期1、指令周期的概念指令周期是指中央处理器（CPU）执行指令所需要完成的时间，也就是说，指令从被CPU读取到完成执行的时间段称为指令周期。
它也可以简单的理解为一条指令完成执行的时间。
2、指令周期的分类指令周期可以分为主周期和子周期两种，主周期是指一条指令完成执行所需的最少时间，而子周期是指每一步执行完成的时间。
3、指令周期的作用指令周期是指系统的处理速度，它是用来评价计算机的运行速度的重要指标。
在进行计算机系统设计时，可以根据指令周期调整处理器的结构，以提高计算机的处理速度。
计算机组成原理-知识点汇总
《计算机组成原理》80个重要知识点汇总1、硬件包括中央处理器、存储器、外部设备和各类总线等。
1）中央处理器（处理器/CPU）：核心部件，用于执令的执行。
2）存储器:内存和外存3）外部设备（简称外设，也称I/O设备）：输入、输出设备。
4）总线：用于在部件之间传输信息。
2、软件1）系统软件: 操作系统（O/S）2）应用软件: 电子邮件、文字表格软件等。
3、计算机层次结构指令集体系结构ISA（简称体系结构或系统结构）：连接软件和硬件的一个“桥梁”，是一台计机可以执行的所有指令集合。
微体系结构（简称微架构）：具体实现的组织。
是由逻辑电路实现的，而逻辑电路又是按照特定的器件技术实现的。
编程语言低级语言：和运行计算机底层结构密切相关。
例：机器语言汇编语言：是一种机器语言的符号表示语言，通过用简短的英文符号和二进制代码建立对应关系。
高级语言：和底层计算机结构关联不大，大部分编程语言都是高级语言。
翻译程序：源程序→目标程序。
汇编程序：也称汇编器，将汇编语言源程序翻译成机器语言目标程序。
解释程序(解释器)：将源程序中的语句逐条解释，转换成机器指令执行。
编译程序(编译器)：将高级语言源程序翻译成汇编或机器语言目标程序。
4、冯诺依曼结构基本思想（1）采用“存储程序”工作方式。
存储程序: 指将编好的程序和原始数据送入主存并能自动执行的过程。
（2）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。
运算器：进行算术和逻辑运算。
控制器：自动执行指令。
存储器：存放数据和指令输入、输出设备：便于操作人员使用计算机。
（3）计算机内部以二进制形式表示指令和数据。
5、冯诺依曼结构模型机通用寄存器组：由若干个通用寄存器组成，用于存放操作数或操作数的地址。
标志寄存器：用来存放ALU运算得到的一些标志信息。
程序计数器（PC）：用来存放将要执行的下一条指令的地址。
指令寄存器（IR）：用于存放从主存储器读出的指令。
主存地址：每个存储单元的唯一编号。
计算机组成原理ppt文档
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
《计算机组成原理》总结完整版
《计算机组成原理》总结完整版《计算机组成原理》是计算机科学与技术领域的一门重要课程，它主要涉及计算机硬件的组成与工作原理。
通过学习这门课程，我们可以全面了解计算机的内部组成结构以及各个部件的工作原理，为我们深入理解计算机的工作原理和性能优化提供了基础。
下面是我对这门课程的总结：一、计算机的基本组成计算机是由五大基本部件组成的：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。
其中，输入设备负责将外部数据输入到计算机内部，输出设备负责将计算机处理后的数据输出给外部，存储器用于存储数据和指令，运算器执行各种算术和逻辑运算，而控制器则控制整个计算机的工作。
二、存储器存储器是计算机的重要组成部分，可以分为主存和辅助存储器。
主存用于存储当前正在执行的指令和数据，辅助存储器则用于长期保存数据。
在主存中，数据的存储方式可以通过地址访问，而每个地址对应一个存储单元，每个存储单元又由多个位构成。
三、指令的执行计算机执行指令的基本过程是将指令从存储器中取出，经过译码后，交给运算器执行。
在执行指令之前，需要将指令和数据从辅助存储器加载到主存中，这样才能被运算器处理。
指令的执行过程包括取指令、分析指令、获取操作数、执行指令和写回结果五个阶段。
四、运算器的工作原理运算器是计算机的核心部件，负责执行各种算术和逻辑运算。
它主要由算术逻辑单元（ALU）和寄存器组成。
ALU用于进行各种算术和逻辑运算，而寄存器用于存储运算所需的操作数和结果。
五、控制器的工作原理控制器是计算机的指挥部，用于控制计算机的工作。
它通过解析指令中的操作码和地址码，产生各种控制信号，将其送往各个部件，以实现指令的执行。
控制器的工作原理通常采用有限状态自动机（FSM）来描述，通过不同状态和状态转移来控制各个部件的工作。
六、总线的作用和类型总线是计算机各个部件之间传输数据和控制信号的通道。
它可以分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线被用于传输数据，地址总线用于传输存储单元的地址，而控制总线则用于传输控制信号。
计算机组成原理(本全)ppt课件(2024)
I/O设备的分类
按数据传输方式可分为字符设备和块设备；按设备 共享属性可分为独占设备和共享设备。
I/O接口与I/O设备的连 接方式
包括并行接口和串行接口，其中并行接口传 输速度快，但传输距离短，而串行接口传输 速度慢，但传输距离长。
I/O控制方式与中断技术
I/O控制方式
包括程序查询方式、中断方式和DMA方式。程序查询方 式需要CPU不断查询I/O设备的状态，效率低下；中断方 式可以在I/O设备准备好数据后主动通知CPU，提高了 CPU的利用率；DMA方式则允许I/O设备与内存直接交 换数据，进一步提高了数据传输效率。
计算机的发展
计算机经历了从电子管、晶体管、集成电路到超大规模集成 电路等多个发展阶段，性能和体积不断得到优化和改进。目 前，计算机已广泛应用于各个领域，成为现代社会不可或缺 的工具。
计算机系统的组成
要点一
硬件系统
计算机硬件是计算机系统的物质基础，包括中央处理器、 内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等部分。其中 ，中央处理器是计算机的核心部件，负责解释和执行指令 ；内存储器用于暂时存储数据和程序；外存储器用于长期 保存数据和程序；输入设备用于将数据和信息输入到计算 机中；输出设备则将计算机处理结果以人们能够识别的形 式输出。
人们日常生活中最为熟悉的数制，每一位上的数码都是 0~9之间的数字。
十六进制表示法
在二进制基础上发展起来的一种数制，每一位上的数码由 0-9和A-F（对应十进制中的10-15）组成，常用于表示内 存地址和机器码等信息。
数的定点表示与浮点表示
定点表示法
小数点固定在某一位置的数制表示方 法，包括定点整数和定点小数，适用 于表示范围较小的数值。
总线技术
(完整版)计算机组成原理知识点总结
第2章数据的表示和运算主要内容：（一）数据信息的表示1.数据的表示2.真值和机器数（二）定点数的表示和运算1.定点数的表示：无符号数的表示；有符号数的表示。
2.定点数的运算：定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。
（三）浮点数的表示和运算1.浮点数的表示：浮点数的表示范围；IEEE754标准2.浮点数的加/减运算（四）算术逻辑单元ALU1.串行加法器和并行加法器2.算术逻辑单元ALU的功能和机构2.3 浮点数的表示和运算2.3.1 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·RE其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R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。
浮点数的机内表示浮点数真值：N=M ×2E浮点数的一般机器格式：数符阶符阶码值 . 尾数值1位1位n位m位•Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。
•E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位EJ，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。
•M为尾数，有m位，为一个定点小数。
Ms=0，表示正号，Ms=1，表示负。
•为了保证数据精度，尾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。
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。
浮点数的机内表示阶码通常为定点整数，补码或移码表示。
其位数决定数值范围。
阶符表示数的大小。
尾数通常为定点小数，原码或补码表示。
其位数决定数的精度。
数符表示数的正负。
浮点数的规格化字长固定的情况下提高表示精度的措施：•增加尾数位数（但数值范围减小）•采用浮点规格化形式尾数规格化：1/2≤M <1 最高有效位绝对值为1浮点数规格化方法：调整阶码使尾数满足下列关系：•尾数为原码表示时，无论正负应满足1/2 ≤M <1即：小数点后的第一位数一定要为1。
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结1. 引言计算机组成原理是计算机科学和工程领域的基础学科，它涉及计算机系统的设计和功能实现。
本文档旨在总结计算机组成原理的核心知识点，为读者提供一个清晰的学习框架。
2. 计算机系统概述2.1 计算机的定义与分类2.2 计算机的发展历程2.3 计算机系统的组成3. 数据的表示与处理3.1 数制与编码3.2 定点数与浮点数的表示3.3 数据的运算方法3.4 逻辑运算与逻辑电路4. 指令系统4.1 指令格式与指令类型4.2 指令的执行过程4.3 指令集体系结构4.4 程序的编写与执行5. 存储系统5.1 存储器的层次结构5.2 主存储器与辅助存储器5.3 缓存存储器5.4 虚拟存储器6. 中央处理器（CPU）6.1 CPU的功能与组成6.2 时钟与同步6.3 算术逻辑单元（ALU）6.4 控制单元（CU）6.5 寄存器与寄存器组7. 输入/输出系统7.1 I/O接口的作用与分类7.2 轮询与中断7.3 直接内存访问（DMA）7.4 人机交互设备8. 总线与互连网络8.1 总线的概念与分类8.2 总线协议与标准8.3 互连网络的设计9. 并行组织与流水线9.1 并行处理的概念9.2 流水线的基本原理9.3 超标量与超级流水线9.4 并行处理的挑战10. 性能评估10.1 性能指标10.2 阿姆达尔定律10.3 性能提升策略10.4 能效比的重要性11. 结论本文档总结了计算机组成原理的关键知识点，旨在为读者提供一个全面的理解框架。
通过掌握这些知识点，读者将能够更好地理解计算机系统的工作原理和设计原则。
12. 参考文献[1] Patterson, D. A., & Hennessy, J. L. (2017). Computer Organization and Design MIPS Edition: The Hardware/Software Interface. Morgan Kaufmann.[2] Stallings, W. (2015). Computer Organization and Architecture. Pearson Education.[3] Tanenbaum, A. S., & Austin, T. (2012). Structured Computer Organization. Pearson.请注意，本文档是一个简化的总结，实际的计算机组成原理课程可能会包含更多的细节和深入的讨论。
计算机组成原理总结
计算机体系结构(Computer Architecture)主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面，哪部分功能由硬件系统来完成，哪部分功能由软件系统来完成。
计算机组成原理(Computer Organization)是依据计算机体系结构，在确定且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性，这点上说计算机组成原理是计算机体系结构的逻辑实现。
计算机实现(Computer Implementation)是计算机组成的物理实现，包括中央处理器、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题。
总之，就是将完成逻辑设计的计算机组成方案转换成真实的计算机，也就是将满足设计、运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。
计算机组成原理【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.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 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,程序操作码 地址码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 ComputerAided Manufacturing多媒体技术 ComputerIntegrated 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 ＝a n-1r n-1 + a n-2r n-2 + ┅ + a 0r 0 + a -1r -1 + a -2r -2 + ┅ + a -m r -m(X)r = ∑--=mn i i i r K 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=1.0000=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”.2. 定点数的运算1)定点数的位移运算左移,绝对值扩大;右移,绝对值缩小.算术移位规则码制添补代码正0: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Yi-1 Yi C 操作0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 0 1 0 1 1 1 0 +0, 右移2位0→C+X, 右移2位0→C+X, 右移2位0→C+2X, 右移2位<2>补码两位乘法根据前述的布斯算法,将两步合并成一步,即可推导出补码两位乘的公式.1 11求部分积的次数和右移操作的控制问题.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.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 M位Ms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(含尾数阶符)数符小数点位置: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 80另有一位符号位S,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.阶码部分采用移码表示,移码值127,1到254经移码为-126到以采用非规格化数表示,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。
《计算机组成原理》总结完整版
《计算机组成原理》学科复习总结★第一章计算机系统概论本章内容：本章主要讲述计算机系统的组成、计算机系统的分层结构、以及计算机的一些主要指标等需要掌握的内容：计算机软硬件的概念，计算机系统的层次结构、体系结构和计算机组成的概念、冯.诺依曼的主要思想及其特点、计算机的主要指标本章主要考点：概念1、当前的CPU由哪几部分组成？控制器、运算器、寄存器、cache (高速缓冲存储器)2、一个完整的计算机系统应包括哪些部分？配套的硬件设备和软件系统3、什么是计算机硬件、计算机软件？各由哪几部分组成？它们之间有何联系？计算机硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成。
主要包括运算器(ALU)、控制器(CU)、存储器、输入设备和输出设备五大组成部分。
软件是计算机程序及其相关文档的总称，主要包括系统软件、应用软件和一些工具软件。
软件是对硬件功能的完善与扩充，一部分软件又是以另一部分软件为基础的再扩充。
4、冯·诺依曼计算机的特点●计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成●指令和数据以同等地位存于存储器内，可按地址寻访●指令和数据用二进制表示●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●指令在存储器内按顺序存放●机器以运算器为中心，输入输出设备和存储器间的数据传送通过运算器完成5、计算机硬件的主要技术指标●机器字长：CPU 一次能处理数据的位数，通常与CPU 中的寄存器位数有关●存储容量：存储容量= 存储单元个数×存储字长；MAR（存储器地址寄存器）的位数反映存储单元的个数，MDR（存储器数据寄存器）反映存储字长主频吉普森法●运算速度MIPS 每秒执行百万条指令CPI 执行一条指令所需的时钟周期数FLOPS 每秒浮点运算次数◎第二章计算机的发展及应用本章内容：本章主要讲述计算机系统、微型计算机系统的发展过程以及应用。
(完整版)计算机组成原理知识点总结
《计算机组成原理》（白中英）复习第一章计算机系统概论电子数字计算机的分类（P1）通用计算机（超级计算机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机）和专用计算机。
计算机的性能指标（P5）数字计算机的五大部件及各自主要功能（P6）五大部件：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
存储器主要功能：保存原始数据和解题步骤。
运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
控制器主要功能：从内存中取出解题步骤(程序)分析，执行操作。
输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
计算机软件（P11）系统程序——用来管理整个计算机系统应用程序——按任务需要编制成的各种程序第二章运算方法和运算器课件+作业第三章内部存储器存储器的分类（P65）按存储介质分类：易失性：半导体存储器非易失性：磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器按存取方式分类：存取时间与物理地址无关（随机访问）：随机存储器RAM ——在程序的执行过程中可读可写只读存储器ROM ——在程序的执行过程中只读存取时间与物理地址有关（串行访问）：顺序存取存储器磁带直接存取存储器磁盘按在计算机中的作用分类：主存储器：随机存储器RAM ——静态RAM 、动态RAM只读存储器ROM ——MROM 、PROM 、EPROM 、EEPROM Flash Memory高速缓冲存储器（Cache）辅助存储器——磁盘、磁带、光盘存储器的分级（P66）存储器三个主要特性的关系：速度、容量、价格/位多级存储器体系结构：高速缓冲存储器（cache）、主存储器、外存储器。
主存储器的技术指标（P67）存储容量：存储单元个数M ×每单元位数N存取时间：从启动读(写)操作到操作完成的时间存取周期：两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，时间单位为ns。
存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，位/秒、字节/每秒，是衡量数据传输速率的重要技术指标。
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（全网做比较最全的）计算机组成原理总结及知识网图（点赞收藏第一章计算机系统概述知识网图冯诺依曼机的特点：1、计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成。
2、指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻址。
3、指令和数据均用二进制代码表示。
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。
通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6、早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器和存储器传送数据。
不同级别的语言：机器语言: (二进制语言）计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，易于人们记忆和理解。
高级语言：为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。
计算机的工作过程：1、把程序和数据装入主存储器。
2、将源程序转换成可执行文件。
3、从可执行文件的首地址开始逐条执行指令。
计算机的性能指标：机器字长：指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。
（通常与CPU的寄存器、加法器有关。
数据通路宽带：指数据总线一次所能并行传送信息的位数（指外部数据总线的宽度，与CPU内部的数据总线宽度有可能不同）主存容量：指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数字长来表述存储容量。
运算速度1、吞吐量:指系统在单位时间内处理请求的数量2、响应时间:指从用户向计算机发送一个请求到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。
通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）主频和CPU时钟周期：1、CPU时钟周期：2、主频：CPI：执行一条程序所用的时钟周期数CPU执行时间：指运行一个程序所花费的时间。
CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频=（指令条数CPI)/主频MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS 第二章数据的表示和运算知识网图在计算机系统内部，所有信息都用二进制进行编码的原因有以下几点：1.二进制只有0和1两种状态，使用有两个稳定状态的物理器件就可以表示二进制的每一位。
制造成本低。
2.二进制位1和0正好与逻辑值“真”和“假”对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利条件。
3.二进制的编码和运算规则简单，通过逻辑门电路便能方便实现算术运算。
有符号的机器表示第三章存储系统知识网图DRAM刷新方式1.集中刷新在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生，期间停止对存储器的读写操作，即死时间，访存“死区”。
优点：读写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度较高。
缺点：在集中刷新期间（死区）不能访问存储器。
2.分散刷新把对每行的刷新分散到各个工作周期中，一个存储器的系统工作周期分为两部分：前半部分用于正常读写或保持；后半部分用于刷新某一行。
优点：没有死区。
缺点：加长了系统的存取周期，降低了整机的速度。
3.异步刷新将刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的时间间隔t，每间隔时间t产生一次刷新请求。
前两种方法的结合，即可缩短”死时间“，又能充分利用最大刷新间隔2ms的特点。
程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理包括时间局部性和空间局部性。
时间局部性指在最近的未来要用的信息很可能是现在正在使用的信息，（因为程序中存在循环）空间局部性是指在最近的未来要用到的信息，很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的，因为指令通常是顺序存放，顺序执行的。
高速缓冲技术利用程序访问的局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一个高速的容量较小的Cache中，使CPU的访存操作大多数针对Cache进行，从而大大提高程序的执行速度。
虚拟存储器程序的执行过程CPU使用续存时，由辅存硬件找出虚地址与实地址之间的对应关系，并判断这个虚地址对应的存储单元是否已装入主存。
若已在主存中，则通过地址转换，CPU可直接访问主存指示的实际单元；若不在主存中，则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问。
若主存已满，则采用替换算法置换主存的一页或一段。
快表通常采用全相联或组相联方式，每个TLB 项由页表表项内容加上一个TLB标记字段组成，TLB标记用来表示该表项曲子页表中的哪个虚页号对应的页表项，所以TLB标记的内容在全相联方式下表示该页表项对应的虚页号；组相联方式下表示对应虚页号的高位部分，虚页号的低位部分用于选择TLB组的组索引。
虚拟存储器与Cache的比较共同点：1.均是为了提高系统性能，二者都有容量、速度、价格的梯度；2.均把数据划分为小信息块，并作为基本得传递单元，虚存系统的信息块更大；3.都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题；4.依据程序的局部性原理，将活跃的数据放在相对高速的部件中。
不同点：1.Cache主要解决系统速度，虚存为了解决主存容量；2.Cache由硬件实现，是硬件存储器，对所有程序员透明；而虚拟存储器由OS和硬件共同实现，是逻辑上的存储器，对系统程序员不透明，对应用程序员透明；3.虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大；4.CPU与Cache和主存都建立了直接访问的通路，辅存与CPU无直接通路。
第四章指令系统知识网图常见指令寻址方式的特点及适用情况：1.立即寻址：操作数获取便捷，通常用于给寄存器赋初值。
2.直接寻址：相对于立即寻址，缩短了指令长度。
3.间接寻址：扩大了寻址范围，便于编制程序，易于完成子程序返回。
4.寄存器寻址：指令字较短，指令执行速度较快。
5.寄存器间接寻址：扩大了寻址范围。
6.基址寻址：扩大了操作数寻址范围，适用于多道程序设计，常用于为程序或数据分配存储空间。
7.变址寻址：主要用于处理数组问题，适合编制循环程序。
8.相对寻址：用于控制程序的执行顺序、转移等。
CISC与RISC特点CISC的主要特点：1.指令系统复杂庞大，指令数量一般大于200+；2.指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多；3.可以放村的指令不受限制；4.各种指令的使用频度相差很大；5.各种指令执行时间相差很大，大多数指令需要多个时钟周期才能完成；6.控制器大多数采用微程序控制，有些指令非常复杂，难以采用硬连线控制；7.难以用优化编译生成高效的目标代码程序。
RISC的主要特点：1.选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现；2.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；3.只有Load/Store指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行；4.CPU中通用寄存器的数量相当多；5.RISC采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成；6.以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制；7.重视编译优化工作，减少程序执行时间。
与CISC相比，RISC的优点：1.更能充分利用VLSI芯片的面积；2.更能提高运算速度；3.便于设计，可降低成本，提高可靠性；4.有利于编译程序代码优化。
第五章中央处理器知识网图CPU的具体功能1.指令控制：完成取指令，分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序执行。
2.操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
3.时间控制：对各种操作加以时间上的控制。
4.数据加工：对数据进行算数和逻辑运算。
5.中断处理：对计算机运行过程中出现的异常情况及特殊请求进行处理。
控制器的工作原理根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。
计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的执行结果。
1.运算器部件通过数据总线与内存储器、输入输出设备传送数据。
2.输入输出设备通过接口电路与总线相连接。
3.内存储器、输入输出设备从地址总线接收地址信息，从控制总线得到控制信号，通过数据总线与其他部件传送数据。
4.控制器部件从数据总线接收指令信息，从运算器部件接收指令转移地址，送出指令地址到地址总线，还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号。
控制器的主要功能1.从主存中取出一条指令并指出下一条指令在主存的位置。
2.对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
3.指挥并控制CPU、主存、输入输出之间的数据流动方向。
CPU的控制方式1.同步控制方式系统有一个统一的时钟，所有的信号均来自这一统一的时钟信号。
控制电路简单，但运行速度慢。
2.异步控制方式不存在基准时标信号，各部件按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络。
运行速度快，但控制电路比较复杂。
3.联合控制方式介于同步、异步之间的一种折中。
对各种不同的指令的微操作实行大部分采用同步控制，小部分采用异步控制的办法。
硬布线控制单元设计步骤：1.列出微操作命令的操作时间表。
根据微操作节拍安排，列出微操作命令的操作时间表（包含各个机器周期，节拍下的每条指令完成的为操作控制信号）。
2.进行微操作信号综合。
对微操作信号进行综合分析、归类，根据微操作时间表可写出各微操作控制信号的逻辑表达式并进行适当的简化。
3.画出微操作命令的逻辑图。
根据逻辑表达式可画出对应每个微操作信号的逻辑电路图，并用逻辑门电路实现。
硬布线和微程序控制器的特点硬布线控制器的特点：速度快（控制器的速度取决于电路延迟），一旦设计完成后，就不能通过其他额外修改添加新功能（将控制部件视为专门产生固定时序控制信号的逻辑电路，用最少元件和取得最高速度作为设计目标）。
微程序控制器：具有规整性，灵活性，可维护性等优点，但由于微程序控制器采用了存储程序原理，所以每条指令都要从控制存储器中取一次，影响速度。
第六章总线知识网图总线传输的4个阶段1.申请分配阶段。
由需要使用总线的主模块提出申请，经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者（分为传输请求，总线仲裁两阶段）。
2.寻址阶段。
取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块（或从设备）的地址及相关命令，启动参与本次传输的从模块。
3.传输阶段。
主模块和从模块进行数据交换，可单向或双向进行数据传送。
4.结束阶段。
主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线的使用权。
第七章输入/输出系统知识网图程序查询方式的工作流程1.CPU执行初始化程序，并预置传送参数；2.向Iowa接口发送命令字，启动IO设备；3.从外设接口读取其状态信息；4.CPU不断查询IO设备状态，直到外设准备就绪；5.传送一次数据；6.修改地址和计数器参数；7.判断传送是否结束，若未结束转3），直到计数器为0程序中断的作用1.实现CPU与IO设备的并行工作；2.处理硬件故障和软件错误；3.实现人机交互，用户干预机器需要用到中断系统；4.实现多道程序，分是操作，多道程序的切换；5.实时处理需要借助中断系统来实现快速响应；6.实现应用程序和操作系统的切换；7.多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。