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(a)计算机开发过程第一台电子计算机ENIAC于1946年在宾夕法尼亚大学诞生。ENIAC使用了18，000个电子管，1，500个继电器，重达30吨，占据了170平方米，消耗了140千瓦的电力，并计算出每秒钟增加5000次。VanNeumann首先提出了存储程序的概念，将数据和程序放在内存中，使编程更加方便。在过去的50年里，尽管对冯诺依曼机器进行了许多改革，但它的结构并没有多大变化，它仍然被称为冯诺依曼机器。一般来说，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年电子管计算机时代40 000第二代1958-1964年晶体管计算机时代200 000第三代1965-1971年中小型集成电路计算机时代1 000 000第四代1972-1977年大规模集成电路计算机时代10 000 000第五代1978年至今超大规模集成电路的计算机时代100 000 000电子数字积分器和计算机电子离散变量自动计算机组成原理是硬件结构的系统结构是关于结构设计的。摩尔定律微芯片上集成试管的数量每3年翻两番。处理器的处理速度每18个月翻一番。每一代芯片的成本大约是上一代芯片的两倍。新摩尔定律双胞胎全球网络接入每6个月。数学家冯诺伊曼在研究电子数据交换机时提出了“存储程序”的概念。基于这一概念的各种计算机通常被称为冯诺依曼机器。它有以下特点：(1)计算机由运算单元、控制器、存储器、输入和输出组成(2)指令和数据以相同的状态存储在存储器中，并且可以通过地址进行搜索。(3)指令和数据用二进制数表示(4)指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示运算的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置(5)指令按顺序存储在存储器中机器以运算单元为中心，通过运算单元完成输入输出设备与存储器之间的数据传输图中每个组件的功能运算单元用于完成算术运算和逻辑运算，并将中间结果临时存储在运算单元中内存用于存储数据和程序。控制器用于控制和指导程序和数据的输入、操作和处理。输入设备用于将熟悉的信息转换成机器可识别的信息。输出设备将机器的计算结果转换成熟悉的信息形式算术单元包括至少三个寄存器(现代计算机中通常提供通用寄存器)和一个算术逻辑单元(算术逻辑单元)。累加器是一个累加器，MQ是一个乘数寄存器，x是一个操作数寄存器。当这三个寄存器完成不同的操作时，存储的操作数类型也不同。计算机主要硬件指标(4.a)主机以提取指令为例，完成指令的处理(4.b)主机以内存指令为例，完成指令的处理(2)计算机系统层次1.计算机硬件的基本组成计算机硬件主要指计算机的物理部分，通常包括运算单元、控制器、存储器、输入和输出。中央处理器是指将运算单元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根据面向对象的不同可以分为两种类型：系统软件：用于管理整个计算机系统，合理分配系统资源，保证计算机的正常高效运行。这种软件是面向系统的(包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务程序、数据库管理系统和网络软件)应用软件：是根据用户的特殊要求编写的应用程序。这种软件通常满足用户的某些要求。3.计算机的工作过程(1)计算机的工作过程是执行指令的过程该指令由操作码和操作数：组成操作代码地址代码操作代码指示(3)为了记录程序的执行过程，需要一个称为指令地址寄存器或程序计数器的指令地址寄存器来记录读取的指令地址。指令读取可以根据程序计数器指示的指令地址来确定读取指令。因为指令通常以地址递增的顺序存储，所以在一次读取一条指令之后，程序计数器递增以准备读取下一条指令。(4)在控制器的控制下，执行指令的过程完成以下三个阶段的任务：1)在指令获取阶段，根据程序计数器获取指令，并且程序计数器递增12)指令解码阶段分析操作码，确定操作内容并准备操作数3)指令执行阶段执行由操作码指定内容(3)计算机性能指标1.吞吐量和响应时间(1)每次数据输出吞吐量为33，360个单位。(2)响应时间：是从事件开始到事件结束的时间，也称为执行时间。2.CPU时钟周期、主频率、CPI、CPU执行时间(1)中央处理器时钟周期：机器主频率的倒数(2)主频率：CPU工作主时钟频率，机器频率Rc(3)3)CPI :执行指令所需的平均时钟周期(4)中央处理器执行时间：TCPU=InCPITC在执行程序中的指令总数中CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数TC时钟周期时间的长度3.MIPS，MFLOPS(1)MIPS 3360(每秒百万条指令)Te:执行程序的总时间=指令数/(MIPS)In:执行程序的指令总数Rc:时钟周期Tc至MIPS仅适用于评估标量机，不适用于向量机。标量机执行一条指令以获得运算结果，而向量机执行一条指令以获得多个运算结果。(2)微处理器3360(每秒百万浮点运算)MFLOPS=Ifn/(Te)Ifn:程序中的浮点数运算次数MFLOPS测量单位更适合于测量向量机的性能。一般来说，当在不同的计算机上运行时，相同的程序将执行不同数量的指令，但是执行的浮点数的数量通常是相同的。特点：1.多功能LOPS取决于机器和程序。它不能反映整体情况，只能反映浮点运算。2.同一机器的浮点运算在同类运算中具有一定的可比性，而不相似的浮点运算仍然不具有可比性。当前微处理器的发展重点(1)进一步提高复杂性以提高处理器性能(2)通过线程进程级并发提高处理器性能(3)将存储器集成到处理器芯片中以提高处理器性能开发嵌入式处理器软件开发有以下特点1)开发周期长2)生产成本高3)测试软件产品质量的特殊性计算机的前景首先，计算机有一些类似人脑的超智能功能。要求计算机的速度达到1015/秒。其次，芯片集成度的提高受到以下三个方面的限制芯片集成受到物理限制。制造成本按几何级数递增芯片功耗、散热、线路延迟计算机辅助设计计算机辅助制造计算机辅助工艺规划计算机辅助工程CAE计算机辅助教学科学计算和数据处理工业控制和实时控制网络技术的应用虚拟现实办公自动化和管理信息系统的计算机辅助设计计算机辅助设计、计算机辅助制造、CIMS计算机辅助制造多媒体技术计算机集成制造系统人工智能，模式识别，文本/语音识别，语言翻译，专家系统，机器人二、数据表示和操作(一)号码系统和编码1.进位计数系统及其相互转换1)进位计数系统进位计数系统是指根据进位系统来表示数字。不同的数字系统包含两个基本概念：基数：和重量。基数：进位计数系统中的位数。权重：每个数字的值等于该数字乘以该数字的相关常数，即权重。任意一个十进制数x，如果整数部分是nx=an-1rn-1 an-2rn-2a0r 0 a-1r-1 a-2r-2a-Mr-m(十)r=2)不同数字系统之间的数据转换(1)将二进制、八进制和十六进制数转换成十进制数使用上述公式： (n) 2= di2i，(n) 8= di8i，(n) 16= di16i，进行计算。(2)十进制数被转换成二进制数通常，数字的整数部分和小数部分应该分开处理，结果应该合并。对于整数部分，一般采用2除的余数法，其规则如下：十进制数除以2，余数(0或1)是对应于二进制数最低位的值。然后将最后一个商除以2，余数就是二进制数低位的值。继续，直到商等于0，最后的余数是二进制数的最高位的值。对于小数部分，一般用2乘的方法取整数，其规则如下：将十进制数乘以2，乘积的整数部分是对应于二进制十进制数的最高有效数字的值。然后将余数的小数部分乘以2，乘积的整数部分就是下一个最高数字的值。如此进行，直到产品的小数部分为0，或者结果满足所需的精度要求。(3)二进制数、八进制数和十六进制数之间的转换八进制和十六进制数字从二进制发展到：由3位二进制数组成的1位八进制数；它由4位二进制数和1位十六进制数组成。对于既有整数部分又有小数部分的数字，以小数点为界，小数点前后的数字分别分组处理，不足的数字补0。对于整数部分，0加到数字的左边，对于小数部分，0加到数字的右边。这样，数字就不会出错。2.机器的真实价值和数量真值：数据的值通常由一个正()负(-)后跟一个绝对值表示，该值称为“真值”机器编号：的符号也需要在计算机中数字化。通常，0表示正号，1表示负号。由符号数字化的数字成为机器编号。3.BCD码(二进制编码十进制码)在计算机中，4位二进制代码被用来编码每个十进制数字。有16种不同的4位二进制代码组合，其中10种被选择来表示十进制数字的0 9，以及0000，0001，1001用于表示0，1，分别为9。每个数字在内部满足二进制规则，而数字满足十进制规则。因此，该代码称为“二进制编码十进制1 1 (BCD)代码”。为了在计算机中实现BCD算术运算，加法运算的校正规则是：以校正运算结果。如果两个一位BCD码之和小于或等于(1001)2，即(9)10，则不需要校正；如果总和大于或等于(1010)2，或者产生进位，则需要加6来进行校正，如果有进位，则需要更高阶的进位。4.字符和字符串为了在计算机中识别和处理字符，字符必须按照一定的规则由一组二进制数编码。字符有许多编码方法。常用的编码方法有ASCII码、EBCDIC码等。1)美国信息交换标准代码ASCII码使用7位二进制表示一个字符，共有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个特殊符号和32个控制符号。2)EBCDIC码是扩展二进制编码十进制交换码的缩写，它使用8位来表示一个字符。3)字符串的存储当向量存储方法：存储字符串时，字符串中的所有元素在物理上是连续的。字符串表存储方法：在字符串的每个字符代码之后设置链接字，以指示下一个字符的存储位置的地址。5.校验数位数据校验码是一种常用的数据编码方法，能够自动发现一些错误或纠正错误。其实现原理是在出现错误时，增加一些冗余码，使合法的数据编码非法。这样，通过检测代码的合法性可以达到查找错误的目的。合理安排非法代码的数量和编码规则可以提高发现错误的能力或达到自动机的目的(开销最小且能够在一位数据代码中发现错误的代码通常用于存储器读写检查或ASCII字符或其他类型的信息传输检查)P216其实现原理是将代码距离从1增加到2。如果代码中的1位二进制数有错误，即从1到0或从0到1。这样，错误的代码就变成了非法代码，错误就可以被发现。原始代码增加了一个额外的校验位，原始代码是n位，新代码是n 1位。有两种方法可以添加：奇数校验：将0或1相加，以确保整个代码中的奇数为1。偶数校验：加0或1，以确保整个代码中的数字1是偶数。2)汉明码)P100实现原理是向数据添加几个奇偶校验位，并将数据的每个二进制位分配到几个奇偶校验