计算机组成原理考点总结

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
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
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
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
➢ 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。
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 =
⑦ 符号位在内
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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。
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
–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
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）
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）
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
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
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
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
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
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
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。
+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
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
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。
= 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。
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)
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
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。
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 …