计算机组成原理考点总结

–215 ×( 1 – 2-10)
最小正数
2–( 2m–1)×2–n 2-15 × 2-10
最大负数
–2–( 2m–1)×2–n
–2-15 × 2-10
最大正数
2( 2m–1)×( 1 – 2–n) 215 ×( 1 – 2-10)
设 m=4 n =10
浮点数的规格化形式
r = 2 尾数最高位为 1
主
辅助存储器
存
储
器
控制流：
数据流：
地址流：
计算机硬件系统的基本组成
计算机体系结构、组成与实现的一些概念
计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性， 即机器的概念性结构和功能表现。
同一厂家生产的具有相同体系结构的计算机称为 系列计算机（Family Computer），简称系列机。
软件兼容：同一个程序可以不加修改地在具有相 同体系结构的各档机器上正确运行，唯一区别仅仅在 于运行时间长短不同。
程序
“程序”是由一条一条的指令有序排列而 成，而指令由操作码和地址码两部分组 成。
冯·诺依曼计算机的基本特征：
二进制 相同
指令和数据均采用二进制数表示，并以 二进制数形式进行运算。
程序（指令）与数据是同等地不加区分 地存储在同一个存储器中 。
PC
设置“程序计数器PC”来指示下一条将 要执行的指令的地址。每执行完一条 指令，程序计数器就自动加1，指向下 一条指令的存储单元。
基数 r 越大，可表示的浮点数的范围越大 基数 r 越大，浮点数的精度降低
浮点数运算
x = Sx ·rjx
为 为 为 浮点数的尾数，通常为
浮点数的基数， 浮点数的阶码，通常
绝对值小于1的规格化数（补 常用2、4、8.16表示 为整数，计算机中常用补码
码表示时允许为-1；有的机器
或移码表示
也可以用原码）
➢ 第一代计算机：电子管计算机 ➢ 第二代计算机：晶体管计算机 ➢ 第三代计算机：集成电路计算机 ➢ 第四代计算机：大规模集成电路计算机
冯·诺依曼计算机的基本特征：
组成
计算机由运算器、存储器、输入/输出 单元和控制器组成，并以运算器为中心 连接在一起。
存储器
存储器由一组一维排列、线性编址的存 储单元组成，每个存储单元的位数是相 等且固定的，存储单元按地址访问。
1
补码加减运算公式 (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
A–B = A+(–B ) 整数 [A – B]补 = [A+(–B )]补= [A]补 + [– B]补 (mod 2n+1) 小数 [A – B]补 = [A+(–B )]补= [A]补 + [–B]补 (mod 2) 连同符号位一起相加，符号位产生的进位自然丢掉
➢ 补码与移码只差一个符号位
几种码制的表示范围及零的表示方法
二进制代码
00000000 00000001 00000010
无符号数 对应的真值
0 1 2
原码对应 的真值
+0 +1 +2
…
…
…
01111111
127
10000000
128
10000001
129
+127 -0 -1
补码对应 的真值
+0 +1 +2
对阶
尾数求和
规格化
舍入
判断结果
使 将 为 为 判 两数的
对阶后的
增加有效数字
提高精度，
断结果
阶码相同
两尾数按定点 的位数，提高精度，要考虑尾数右移 是否溢出 加减运算规则 必须将求和（差） 时丢失的数值位
求和（差） 后的尾数规格化。
1、对阶
目的是使两操作数的小数点位置对齐，即使两数的阶码相等。
对（1）求阶差 阶Δj = jx – jy =
= 0 jx= jy ＞ 0 jx＞ jy ＜ 0 jx＜ jy
已对齐
x 向 y 看齐 Sx 1, jx–1 y 向 x 看齐 ✓ Sy 1, jy+1 x 向 y 看齐 ✓ Sx 1, jx+1 y 向 x 看齐 Sy 1, jy–1
(2) 对阶原则
小 大 阶向
使阶码小的尾数向右移位，每右移动一位，阶码加1，直到 两数的阶码相等为止。
r = 4 尾数最高 2 位不全为 0 r = 8 尾数最高 3 位不全为 0
浮点数的规格化
基数不同，浮点数的 规格化形式不同
r = 2 左规 尾数左移 1 位，阶码减 1 右规 尾数右移 1 位，阶码加 1
r = 4 左规 尾数左移 2 位，阶码减 1 右规 尾数右移 2 位，阶码加 1
r = 8 左规 尾数左移 3 位，阶码减 1 右规 尾数右移 3 位，阶码加 1
按照结构集成方式 按照设计目的
单片机 单板机 通用机 专用机
按照用途分
个人计算机 工业控制计算机 军用计算机 嵌入式计算机
按照性能分
超级计算机 大型计算机
中型计算机 小型计算机 工作站 微型计算机
弗林分类法
按照指令流和数据流分别具有的多倍性，弗林将计算 机分为以下4类：
单指令流单数据流SISD 单指令流多数据流SIMD 多指令流单数据流MISD
+127 -128 -127
…
…
反码对应 的真值
+0 +1 +2
+127 -127 -126
…
…
…
…
…
11111101
253
-125
11111110
254
-126
11111111
255
-127
-3
-2
-2
-1
-1
-0
小结
X真值
11 12
【－x】补 码
【x】原码
⑦⑧
① ②
核 心 16
X真值
【x】补码
以上指标都是针对计算机的综合性能而制定的。 在用户决定购买或使用哪种机器最适合他们的应用需求 时，往往是运行一些具有代表性的典型应用程序来做出 判断，这样的典型应用程序被为“基准程序 (Benchmark)”。
4.主频
处理器的工作是在主时钟的控制下进行的，主时钟 的频率叫做处理器的主频。主频的倒数叫做时钟周期。
第一章 绪 论
1.现代计算机的发展历程 2.冯·诺依曼计算机的特点 3.计算机硬件的组成及作用 4.计算机体系结构、组成和实现的一些概念 5.计算机系统的分类 6.计算机硬件的主要性能指标 机器字长、存储容量、运算速度、主频等 7.微处理器的发展历程 8.计算机系统的层次结构
现代电子计算机的发展历程
多指令流多数据流MIMD
计算机系统的性能评价
1.基本字长
处理器中的算术逻辑单元所输入的操作数的二进制 位数，也是处理器内部数据寄存器所包含的二进制位 数。 对结构的影响：
机器字长 = 数据通路宽度 =寄存器位数（ALU 位数、存储单元长度）
对性能的影响： 字长越长，数据表示范围越大，精度越高，运 算速度越快。 对造价的影响： 字长越长，硬件需求量越多，造价越高
⑤
15
⑨⑥
③ ④
【x】反 码 13
14
⑩ 【x】移 码
X真 值
17 18
X真 值
使用范围：适用于当 x < 0时 即 X ＝ －0.x1x2……xn（定点小数）
X ＝ －x1x2……xn（定点整数）
① 符号位除外 ② 符号位除外
各位取反 各位取反
末位加1 ③ 符号位除外 末位加1 ④ 符号位除外
各位取反 各位取反
冯·诺依曼计算机硬件框图
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算术将运结算果转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
控制器
指挥程序 运行
处理器 ALU
MAR 逻辑运算器 加法器
移位器 求补器
数据寄存器组 FR MBR
PC IR CU
I D CSG
主机
外设
输出设备
输入设备
Sn
阶 符
阶码的 数值部分
数 符
尾数的数值部分
Sf
代表浮点数的符号
n
其位数反映浮点数的精度
m
其位数反映浮点数的表示范围
jf 和 m 共同表示小数点的实际位置
浮点数的表示范围（非规格化数）
上溢 阶码 > 最大阶玛
下溢 阶码 < 最小阶码 按 机器零 处理
上溢
上溢
负数区 下溢 正数区
0
最小负数
–2( 2m–1)×( 1 – 2–n)
5. 存储器的存取周期
对存储器进行一次完整的读/写操作所需的全部 时间，也是连续对存储器进行存/取的最小时间间隔 ，称为存储器的存取周期。半导体存储器的存取周 期通常在十几到上百纳秒(10-9秒，ns)之间，磁盘的 存取周期一般在10毫秒(10-3秒，ms)以上。
6. 功耗
随着主频和片内晶体管数量的不断提高，处理器 的功耗也不断升高，现代处理器功耗的峰值已经超过 100瓦。
2.主存储器容量
主存容量指主存中可存放的二进制代码的总数。 容量的具体表示与主存的编址方式有关。 主存编址方式： 按字编址： 存储容量 = 存储单元个数×存储字长 单位：位（b） 按字节编址： 存储容量 = 存储字节数 单位：字节（B） 1K = 210 = 1024 1M = 220 = 1024K = 1024 Χ1024 1G = 230 = 1024M = 1024 Χ1024K 1T = 240 = 1024G = 1024 Χ1024M
4、浮点数的加减运算 5、奇偶校验、CRC码 6、面向存储与传输的数据编码
有符号数的各种表示方法及其相互转换
➢ 最高位为符号位，书写上用“,”（整数） 或“.”（小数）将数值部分和符号位隔开
➢ 对于正数，原码 = 补码 = 反码 ➢ 对于负数 ，符号位为 1 ,其 数值部分
原码除符号位外每位取反末位加 1 补码 原码除符号位外每位取反 反码
18 x = 【x】移－2n
14
1.x1x2……xn 或者 1,x1x2……xn
( 2n > x ≥ －2n)
15 符号位除外
各位取反
末位加1
添加负号
16 符号位除外
各位取反
末位加1
添加负号
算术移位规则（有符号数移位）
符号位不变
码制
添补代码
正数 原码、补码、反码
0
负数
原码 补码 反码
0 左移 添 0 右移 添 1
在移动计算领域，功耗是压倒一切的性能指标。
“绿色计算”/“低功耗计算”成为研究与开发的热点 。
第2章 计算机中信息的表示与运算
1、定点数的表示：四种机器数的表示方法，表示 范围、相互之间的转换关系
2、定点数的运算：逻辑运算、移位运算、加减运 算、判断溢出
3、浮点数的表示：表示方式、范围、规格化的方 法
不同厂家生产的具有相同计算机体系结构的计算 机称为兼容计算机，简称兼容机。
计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一
种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计
算机组成也可以有多种不同的计算机实现。
计算机系统的层次结构
第5级：应用语言虚拟机 第4级：高级语言虚拟机 第3级：汇编语言虚拟机 第2级：操作系统虚拟机
执行一个程序所需的处理器时间可用“该程序的指 令条数CPI时钟周期”来估算。
提高主频有助于缩短程序的执行时间。早期处理器的 主频在几兆赫(MHz)到几百兆赫之间，随着器件技术的 迅速发展，目前主流处理器的主频已经达到上千兆赫兹 (GHz)。但处理器性能的提高并不能与主频的提高一起线 性增长。相反，主频的提高却带来了功耗增加、产生热 量高等一系列问题。
⑦ 符号位在内
ຫໍສະໝຸດ Baidu
各位取反
末位加1 ⑤ 末位减1 ⑥ 末位加1
⑧ 符号位在内
各位取反
末位加1 ⑨ 各位取反 ⑩ 各位取反
11
1.x1x2……xn 或者 1,x1x2……xn
17 【x】移 ＝ x ＋ 2n
12
－0.x1x2……xn 或者－x1x2……xn
( 2n > x ≥ －2n)
13
－0.x1x2……xn 或者 －x1x2……xn
第1级：机器语言机器 第0级：微程序机器 计算机系统的层次结构
计算机系统的分类
模拟式
根 据
模拟式电子计算机所处理的电信号在时间上是连续的，
数
称为模拟电信号。模拟计算机的处理过程均由模拟电路
据
来实现，处理速度快，但是电路复杂，处理精度低，抗
表 示
干扰能力差，目前已很少使用。
原
理
数字式
数字式电子计算机所处理的电信号在时间上是离散的， 称为数字量
3.处理速度 是用户最关心的性能指标。 目前常用的指标有： 百万条指令每秒MIPS（Million Instructions Per Second） 百万次浮点操作次数每秒MFLOPS（Million Floating Point operation per Second） 每条指令的平均时钟周期（Cycles Per Instruction，CPI）
溢出判断
一位符号位判溢出
参加操作的 两个数（减法时即为被减数和“求补” 以后的减数）符号相同，其结果的符号与原操作 数的符号不同，即为溢出
硬件实现
最高有效位的进位 符号位的进位 = 1
如
1 0 = 1 有 溢出
0 1=1
0 0 = 0 无 溢出 1 1=0
溢出
浮点数的表示形式
j 阶码
S 尾数
jf j1 j2 … jm Sf S1 S2 …