计算机组成原理考研知识点非常全

计算机构成原理1 .计算机系统概述(一)计算机发展的历史；第一台电子计算机ENIAC于1946年出生于美国宾夕法尼亚大学。 ENIAC使用18000电子管、1500继电器、重量30吨、占地面积170m2、耗电量140kw，计算出每秒5000次的加法运算。 冯诺依曼(VanNeumann )首次记忆了程序的概念，将数据和程序一起放入存储器，使编程变得方便了。 50年来，冯诺依曼机进行了很多改革，但结构变化很少，被称为冯诺依曼机。计算机的发展一般分为五个阶段：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年至1971年中小型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-目前超大规模集成电路计算机时代100 000 000电子数字积分器(eniac )电子积分器和计算机ed vac (electronectricaldisivevariableautomaticcomputer )电子离散变量计算机构成原理是硬件结构的系统结构是结构设计摩尔定律微芯片上的集成管数量每三年翻一番。 处理器的处理速度每18个月翻一番每一代芯片成本约是上一代芯片成本的两倍新摩尔定律是世界加入量每六个月翻一番数学家冯诺伊曼(von Neumann )在研究EDVAC机时提出了“保存程序”的概念。 基于此的各种计算机通称为冯诺依曼机。 那个有以下特征：计算机由运算器、控制器、存储器、输入输出5部分构成指令和数据以相同的地位存储在存储器中，按地址查找指令和数据全部用二进制数表示指令由操作码和地址代码构成，操作码表示操作的性质，地址代码表示操作数在存储器上的位置指令依次保存在存储器内设备以运算器为中心，输入输出设备和存储器之间的数据传输通过运算器进行图中各部件的功能运算器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器中内存用于存储数据和程序控制器用于控制、指令程序和数据的输入、执行以及执行结果的处理输入设备用于将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息输出设备把机器的运算结果转换成熟悉的信息形式运算器至少由3个寄存器(现代计算机内部大多有通用寄存器)和1个算术逻辑单元(accummaticunit )构成。 其中，ACC(Accumulator )是累加器，MQ(Multiplier-Quotient Register )是乘法器寄存器，x是操作数寄存器，这3个寄存器在运算结束时，存储操作数种类也不同.计算机的主要硬件指标(4.a )主机完成指令过程以取回指令为例(4.b )举例说明主机完成一条指令的过程多条指令(2)计算机系统的层次结构1 .计算机硬件的基本结构计算机硬件主要是指计算机的实体部分，通常有运算器、控制器、存储器、输入输出5个部分CPU是指将运算器和控制器集成在一个电路芯片中.2 .计算机软件的分类根据面向对象的不同，计算机软件分为两类：系统软件：可以用来管理整个计算机系统，合理地分配系统资源，并确保计算机可以正常高效地运行。 这样的软件以系统为对象(包括：标准库、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：是根据用户的特殊请求而生成的面向用户的应用程序，这样的软件通常实现用户的某种请求。3 .计算机工作过程(1)计算机的动作过程是执行命令的过程。指令由操作码和操作数组成：操作码地址代码操作码表示此命令完成的操作地址代码表示本命令的操作对象(2)命令的存储命令按照存储器的地址顺序连续存储在存储器中。(3)指令读出为了记录程序的执行过程，需要记录读取指令的地址的寄存器，被称为指令地址寄存器、或者程序计数器由于按照地址增加顺序进行存储，所以每次读出一个指令时，程序计数器增加，准备读出下一个指令.(4)在执行指令的过程控制器的控制下，完成以下三个阶段的任务：1 )在取得指令的阶段，程序计数器取出指令，程序计数器递增2 )在指令译码阶段分析操作码，决定操作内容，准备操作数3 )指令执行阶段执行操作码中指定的内容(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(2)响应时间：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、时钟速度、CPI、CPU执行时间(1) CPU时钟周期：设备的操作频率的倒数，TC(2)时钟速度：CPU运行的主时钟的频率，机器时钟速度Rc(3)CPI:执行指令所需的平均时钟周期(4)CPU执行时间：TCPU=InCPITCIn执行程序中的命令总数CPI执行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 : (millioninstructionspersecond )Te:运行该程序的总时间=命令数/(MIPS )In:执行该程序的总指令数Rc:时钟周期Tc到达数MIPS只是评价标量机，不适合评价向量机。 标量机执行一个命令，得到一个执行结果。 向量机执行一个指令，可获得多个运算结果。(2) m flops : (millionfloatingpointoperationspersecond )MFLOPS=Ifn/(Te )Ifn:程序中浮点数的运算次数MFLOPS测量单元适合于测量向量机的性能，但一般而言，当在不同的计算机上执行相同的程序时，大多执行不同数量的指令，但执行的浮点数大多相同.特点：1. MFLOPS既依赖于机器又依赖于程序，不能反映整体情况，只能反映浮点运算的情况2 .同一机器的浮点运算具有一定的相似性，但不相似的浮点运算还没有比较性当前微处理器发展的重点进一步提高复杂性，提高处理器的性能以线程进程水平的同时性提高处理器性能将存储器集成到处理器芯片中，提高处理器性能嵌入式处理器的研制软件开发具有以下特点1 )开发周期长2 )制作成本高3 )检查软件产品质量的特殊性计算机展望另一方面，电脑具有像大脑一样的超智能功能计算机的速度要求达到1015/秒二、提高芯片集成度受到以下三方面的限制芯片的集成度受到物理上的限制几何级数增加的制作成本芯片功耗、散热和线路延迟计算机辅助设计CAD计算机辅助制造CAM计算机辅助流程计划computeraidedprocessplanningcapp计算机辅助工程computeraidedengineercae计算机辅助教学Computer Assisted Instruction CAI科学计算和数据处理工业控制与实时控制网络技术的应用虚拟现实办公自动化与管理信息系统Computer Aided DesignCAD、CAM、CIMS计算机辅助制造多媒体技术computerintegrationmanufacturingsystem人工智能、模式识别、文字/语音识别、语言翻译、专家系统、机器人第二，数据的显示和运算(1)数和编码1 .进位计数制及其相互转换1 )进位计数制进位计数控制是以进位控制的方式代表数字，而不同的数字与两个基本概念：的基数和权有关基数为：的进位计数制中的数字个数权利要求：中的每个数字值等于数字乘以位数的相关常数，该常数是权利要求任何r进制数x可以被表示为x或：其中n个比特是整数部分，m个比特是小数部分x=an-1 an-1 an-2 rn-2a0r0a-1 r-1 a-2 r-2a-Mr-m(X)r=2 )不同数量之间的数据转换(一)将二、八、十六进制转换为十进制；使用上述式： (N)2=Di2i、(N)8=Di8i、(N)16=Di16i进行计算(2)将十进制数转换为二进制数通常分别处理一个数的整数部分和小数部分，分别得到结果后进行合并。u对整数部分通常采用2除以馀数的方法，其中规则为：将十进制除以2，得到馀数(0或1 )是对应的二进制的最低位的值，然后将上次得到的商除以2，得到的馀数是二进制的最低位的值，直到商成为0为止，最后得到的馀数是求出的二进制的最高位的值.u对于小数部分，通常用乘法2取整数法，其规则为：十进制乘以2，得到积的整数部分是与二进制的小数的最高位对应的值，然后，剩馀的小数部分乘以2，得到的积的整数部分是下一个高位的值，积的小数部分成为0，或者持续到结果满足必要的精度为止.(3)二进制、八进制和十六进制之间的转换八进制和十六进制是由二进制演化而来的：由三位二进制数组成的一位八进制数由四位二进制数构成一位十六进制数以小数点为界，将兼具整数和小数的部分的数量分别分组处理小数点前后的数量，用0来补充不足的位数。对于整数部分，通过将0加到数量左侧，对于小数部分，通过将0加到数量的右侧，数值不会发生错误.2 .真值和机械数真值：数据的数值通常在正()负()之后用绝对值表示，称为“真值”。设备数：在计算机中也需要对符号进行数字化，一般将正符号设为0，将负符号设为1，将对符号进行数字化的数量设为设备数.3. BCD代码(Binary Coded Decimal以二进制编码的十进制代码)在计算机中，使用4比特的二进制代码按十进制数位进行编码。 4比特的二进制代码有16种不同的组合，从中选择10种表示十进制位的09，在1001、1001、1001分别表示0、1、9，由于各位的内部满足二进制规则，位之间满足十进制规则，因此将该编码表示为“二进制”要在计算机内部实现BCD代码运算并修正运算结果，加法的修正规则为：在两个的1位BCD码的和为(1001)2以下，即(9)10以下的情况下，不需要修正在相加和为(1010)2以上情况下，或者发生了进位的情况下，进行正6的修正，在有进位的情况下，进行向上位进位.4 .字符和字符串计算机识别和处理字符时，根据编码方法，字符必须按一定规则用一组二进制编码显示。 文字的编码方式有很多种，常见的编码有ASCII码、EBCDIC码等1)ASCII码(americanstandardcodeforinformationinterchange美国信息交换标准码)ASCII码用7位二进制表示1个字符，是共计128个字符的要素，包括10位的十进制(0-9)、52个字符的英文字符(A-Z和A-Z )、34专用符号和32控制符号.2)EBCDIC代码是extendedbinarycodeddecimalinterchangecode的简称，8位表示1个字符3 )字符串的存储在存储矢量存储法：字符串的情况下，字符串中的所有要素物理上相邻.在字符串表存储法：字符串的各字符代码的后面，配置有表示下一个字符的存储部的地址的链接词.5 .检查代码Check Digit数据检验码是有发现特定错误，自动纠正错误能力的数据编码方法。 其实现原理是加上若干冗馀编码，在合法数据的编码中发生某些错误时，可能成为不正当的编码通过合理地配置错误码数量和码规则，能够提高发现错误的能力，或者实现自动地修正错误的目的.代码距离：的代码距离是通过任何两个合法代码之间至少一些二进制比特的不同来确定的，其中有唯一比特不同的代码距离称为1。1 )奇偶校验代码(Parity Bit)WIKI(开销最小，是能够发现数据代码中的1位错误的代码，经常用于存储器读写检查或ASCII文字或其他种类的信息传输的检查) P216其实现原理是将码距离从1增加到2。 在编码中1比特的二进制数错误，即从1变成0或者从0变成1。 当这样错误的编码成为不正当编码时，可知发生了错误。 在原始编码表的基础上还追加奇偶校验位，原始编码为n比特，新的编码为n 1比特。 追加的方法有2种：奇偶校验：的经增加位的0或1必须确保整个符号中的第一数目为奇数奇偶校验位：的已增加比特的数目0或1必须确保整个符号的数目为偶数。2 )海明码p100实现原理，在数据中添加若干奇偶校验比特，并将数据的每个二进制比特分配给若干奇偶校验组。