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计算机组成原理复习资料 1 DepartmentofComputerSciencesSunYat senUniversity 1 第一章计算机系统概论 本章要点 计算机的划代 器件 分类 规模或功能 和应用 桌面计算 服务器 嵌入式计算 的依据 IC电路集成技术的发展与计算机演变的关联 摩尔定律 计算机系统的组成和实现 硬件 软件 固件的概念 硬件系统和软件系统及其关联 计算机系统的层次结构和虚拟机的概念 结构 组成 实现三者的关联 逻辑功能等效性 模拟与仿真等的概念 2 本章要点 VonNeumann型计算机的基本原理 存储程序控制 和特点 按地址访问并顺序执行指令 二进制运算 和组成框图 以运算器为中心演变成以存储器为中心 图的变迁个人电脑 PersonalComputer 普及运算 PervasiveComputing 计算机性能指标 处理机字长 速度 吞吐量 响应时间 主频 时钟周期 存取周期 CPU执行时间 每条指令周期数CPI 单位时间内的执行指令 MIPS MFLOPS 存储器容量以及带宽 存储器带宽 总线带宽等 3 计算机系统组成 硬件部分 计算机系统由硬件部分和软件部分组成 按照传统划分 硬件部分主要由运算器 控制器 存储器 输入部分和输出部分组成 软件部分则由系统软件和应用软件两部分组成 现代计算机中将运算器和控制器集成在一块芯片上 称为中央处理器 CPU 因此 通常认为现代计算机硬件部分由CPU 存储器和输入输出系统构成 4 冯 诺依曼结构 存储程序计算机的结构 基本原理 存储程序控制基本特点 按地址访问并顺序执行 5 计算机的层次结构 6 软件与硬件的逻辑功能等价性 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势 计算机系统软 硬件界限已经变得模糊了任何操作可以由软件来实现 也可以由硬件来实现 任何指令的执行可以由硬件完成 也可以由软件来完成对于某一功能采用硬件方案还是软件方案 取决于器件价格 速度 可靠性 存储容量 变更周期等 软件的特点易于实现各种逻辑和运算功能 但是常受到速度指标和软件容量的制约 硬件的特点可以高速实现逻辑和运算功能 但是难以实现复杂功能或计算 受到控制复杂性指标的制约 7 系列机 由同一厂家生产的具有相同的系统结构 但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器 较好地解决软件开发要求系统结构相对稳定与器件 硬件技术迅速发展的矛盾 软件的可移植性 一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行 差别只是执行时间的不同 我们称这两台计算机是软件兼容的 向上 下 兼容 按某档机器编制的程序 不加修改就能运行于比它高 低 档的机器 向前 后 兼容 按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序 不加修改地就能运行于在它之前 后 投入市场的机器 向后兼容是系列机的根本特征 8 练习与思考题 1 计算机中有两股信息在流动 它们分别是和 2 在计算机系统的层次结构中 位于硬件之外的所有层次统称为 3 在多级层次结构中 实际机器的向上延伸构成了各级虚拟机器 为什么 4 计算机硬件和软件在是等效的 在上是不同的 5 计算机系统是一个由和组成的多级层次结构 6 虚拟机的实现有模拟和仿真两种方法 实现的方式有何不同 7 同一软件在不同的计算机上运行并得到相同的结果 这种特性称为 8 高档机必须能兼容低档机的程序运行称为 9 基于原理的VonNeumann型计算机工作方式的基本特点是 10 计算机存储器的读写时间的量级为 9 第二章运算方法和运算器 本章要点 数制 进位计数制 数的转换 机器数码制 机器数的编码方法 字符编码机器数的加法和减法运算溢出判断和先行进位定点加法器的设计和实现算逻运算单元 ALU 的设计和实现 10 本章要点 机器数的乘法和除法运算阵列运算和实现浮点运算方法和浮点运算器CRC编码和海明编码 可选 11 容易混淆的概念 机器数 原码 反码 补码 移码 机器零 真值传统浮点数的表示方法和规格化数向左规格化和向右规格化的作用 移位的概念和实现溢出及其判断方法 单符号位 变形补码 EEE754标准 区位码与汉字内码的转换传统的机器数的四则运算浮点数运算的方法步骤提高乘法和除法运算速度的方法 阵列运算ALU的设计与实现 加减控制 溢出判断 先行进位算术运算和逻辑运算 定点运算器和浮点运算器组成框图 12 32位单精度浮点数 含阶符的阶码 8位阶码采用移码方式来表示正负指数 1位符号位0表示正数1表示负数 尾数 23位小数表示 小数点放在尾数域最前面 IEEE754标准 13 64位双精度浮点数 含阶符的阶码 11位 1位符号位 尾数 52位小数 IEEE754标准 14 规格化表示原则 尾数最高有效位为1 隐藏 并且隐藏在小数点的左边 即 1 M 2 32位单精度浮点数规格化表示 1 s 1 2E 127e 127 e 127 64位双精度浮点数规格化表示 1 s 1 2E 1023e 1023 e 1023 指数真值e用偏移码形式表示为阶码 IEEE754标准 15 X 1 s 1 M 2e 1 011011 23 1011 011 11 375 10 指数e 阶码 127 10000010 01111111 00000011 3 10 包括隐藏位1的尾数1 M 1 011011 例1 浮点机器数 41360000 16 求真值 16 例2 真值20 59375 求32位单精度浮点数 分别将整数和分数部分转换成二进制数20 59375 10100 10011 移动小数点 使其在第1 2位之间 10100 10011 1 010010011 24 e 4 S 0 E 4 127 131 10000011 M 010010011 得到32位浮点数的二进制存储格式为 01000001101001001100000000000000 41A4C000 16 17 18 真值0的机器数 机器零 阶码E 0 尾数M 0正0 S 0 负0 S 1非规格化浮点数 阶码E 0 尾数M 0规格化浮点数 阶码E 1 254 11111110 无穷大的机器数阶码E 全1 11111111 尾数M 0 S 0 S 1NaN notanumber 不是一个数 阶码E 全1 11111111 尾数M 0用来通知异常情况 IEEE754标准 32位单精度浮点数 19 练习与思考 1 何谓机器数 机器零和真值0有何不同 2 写出真值 1的补码表示 3 机器数的编码表示中 原码 补码 反码的表示范围有何不同 4 浮点数的尾数为0 不管其阶码为何值 机器都把该浮点数当作处理 5 浮点补码二进制加减运算左规操作的步骤是 尾数移一位 阶码 直至尾数部分出现为止 6 在浮点补码二进制加减运算中 当尾数部分出现01 XX X或10 XX X时 须进行 当尾数部分出现00 0X X或11 1X X时 需进行 7 浮点数的尾数为0 不管其阶码为何值 机器都把该浮点数当作处理 8 字符 2 的ASCII码是 最高位引入偶校验 构成编码是