04 计算机体系结构-打印版本2019年下

计算机架构知识适用课程：软件设计师和网络工程师演讲者：刘网站：QQ:957052659分数描述：软件设计师测试5-8(上午测试)网络工程师测试3-6(上午测试)比特培训中心贵州贵阳2018年9月目录第一章计算机科学基础1.1数字系统及其转换11.1.1计算机1中常用的数字系统1.1.2不同数字系统之间的转换11.2数据表示21.2.1数字的机器代码代表21.2.2定点和浮点数41.3逻辑和算术运算71.3.1逻辑运算71.3.2算术运算81.3.3溢出鉴别8第2章计算机体系结构92.1计算机系统结构概述92.2存储系统92.2.1主存储器)102.2.2缓存102.2.3主存储器和高速缓存11的地址映射2.2.4虚拟内存132.2.5硬盘存储设备142.2.6关联存储器162.3指挥系统162.3.1指令格式172.3.2操作码格式172.3.3地址代码格式172.3.4扩展操作码172.3.5指令长度182.3.6指令和数据的寻址182 . 3 . 7 CISC和RISC 19之间的差异2.3.8指令类型202.4中央处理器212.4.1指令执行程序212.4.2中央处理器指令执行流程图222.4.3中央处理器组成222.5中断系统242.6流水线252.6.1指令流水线2.6.2管道处理器的主要性能252.7总线结构272.7.1总线27的定义和分类2.7.2系统总线标准292.7.3外部总线标准292.8输入/输出系统302.9多处理器和并行处理32第3章计算机可靠性和系统性能的基本知识333.1计算机可靠性和系统性能33第四章差错控制技术344.1奇偶校验码344.2汉明码354.3循环冗余校验码3637计算机架构知识主讲人：刘版权所有：第一章计算机科学基础1.1数字系统及其转换1.1.1计算机中常用的数字系统在计算机中，通常涉及的数字系统是二进制(以2为基数)、八进制(以8为基数)、十进制(以10为基数)和十六进制(以16为基数)。1.小数基数是10，每十进制一个，数字的表示是从0到9，十进制表示的符号是d，例如，“12.3”根据位的权重进行扩展：(12.3) 10=1101 2100 310-1=12.3 d使用位置计数法，十进制系统根据位置权重扩展如下：整数部分对应于一个数字的比特权重是当前比特值乘以基于基数的幂。幂指数是从当前数字到小数点的位数(正数，不包括当前数字)。位权重=从位值的基数到小数点的位数。例如(634.57)10，整数部分的比特权重依次为6102、3101和4100。小数部分对应于一个数字的比特权重是当前比特值乘以基于基数的幂。幂指数是当前数字和小数点之间的位数(负数，包括当前数字)。位权重=位值的基数-小数点后的位数。例如(634.57)10，小数部分的权重依次为510-1和710-2。合并整数部分和小数部分的比特权重相加就是原始数的比特权重扩展公式。例如，(634.57)10的比特权重扩展公式是6102 3101 4100 510-1 710-2，即，(634.57)10=6102 3101 4100 510-1710-2=634.57d位置计数法不仅适用于十进制数，也适用于二进制、八进制和十六进制数。只需将基数的幂改为相应的基数。2.二进制数基数是2，数字符号只有0和1，每一个二进制1，二进制符号是b，例如，“11.1”根据比特权重进行扩展：(11.1) 2=121 120 12-1=11.1b。3.八进制数基数是8，每个八进制是1，数字的表示是从0到7，十进制表示的符号是o，例如，“11.1”根据位的权重进行扩展：(11.1) 8=181 180 18-1=11.1 o4.十六进制数基数是16，每十六进制1，数字位的表示是从0到9，10由a表示，依此类推，11是b，12是c，13是d，14是e，15是f，十进制表示的符号是h，例如，“4FD”根据位的权重进行扩展：(4FD)16=4162 15161 13160=4FD1.1.2不同数字系统之间的转换各种数值之间相互转换的知识(11.1)2=11.1 b=121 120 12-1=21 0.5=(3.5)10(11.1)8=11.1 o=181 180 18-1=81 0.125=(9.125)10n十六进制到十进制：(4fd)16=4fd h=4162 15161 13160=1024 240 13=(1277)102.十进制到其他十进制十进制被转换成其他十进制，十进制数及其商被连续地分成目标系统的基数(当除数为0时停止)，余数被从下到上连续地写入，以形成与十进制数相对应的其他十进制数，如图1.1所示。在图中，127D=1111111B，127D=177O，127D=7FH。图1.1十进制到二进制、八进制和十六进制3.八进制到二进制n采用“1位分成3位”的方法，如(7.2) 8=111.010b=(111.010) 24.十六进制到二进制n使用“1位分成4位”的方法，a2b。ch=1010 0010 1011.1100 b=(1010 0010 1011.1100)25.二进制到八进制和十六进制二进制到八进制的转换是八进制到二进制的逆过程。二进制中的小数点分别用作向左和向右分组的分界点。每组由三位组成。整数部分位数不够时，分组前加0，小数部分位数不够时，分组后加0。如果10111.01B转换为八进制，则通过分组并填充零(零填充带下划线)获得：010111.010B，然后转换为八进制：27.20二进制到十六进制的过程与二进制到八进制的过程相同，除了4位被组合在一起。例如，10111.01被转换成十六进制，并且在分组和填充零之后，获得0001011.0100 b，然后被转换成十六进制，17.4H6.各种小数小范围数据对照表如表1.1所示，有十进制、二进制、八进制和十六进制基本对照表。这些数据只是小规模的数据，学生必须牢牢记住。表1.1十进制、二进制、八进制和十六进制基数对照表十进制二进制的八进制的十六进制的0D0000B0O0H1D0001B1O1H2D0010B2O2H3D0011B3O3H4D0100B4O4H5D0101B5O5H6D0110B6O6H7D0111B7O7H8D1000B10O8H9D1001B11O9H10D1010B12O啊11D1011B13OBH12D1100B14O荣誉勋爵13D1101B15O卫生署14D1110B16O啊15D1111B17OFH16D10000B20O10H1.2数据的表示各种数值在计算机中以机器数的形式表示，机器数的特征是二进制计数系统。数字符号用0，1表示，小数点用隐式表示，而不是占据位置。与机器数量相对应的实际值称为该数量的真实值。机器的数量分为有符号数和无符号数。无符号数字代表正数，机器数字中没有符号位。对于无符号数字，如果小数点位于机器编号的最低位之后，则它是一个纯整数。如果约定的小数点的位置在机器编号的最高数字之前，则它是纯小数。对于有符号的数字，机器号的最高有效位是代表正和负的符号位，而剩余的位代表数值。如果约定的小数点位于最低机器数量之后，则它是一个纯整数。如果约定小数点的位置在机器编号的最高数字之前(符号数字之后)，则它是纯小数点。为了便于计算，有符号机号可以采用不同的编码方法，如原码、反码和补码。这些机器编号的编码方法称为编码系统。1.2.1数字的机器代码表示这里假设机器字长是n位，即有符号数由n个二进制位表示，最高有效位是有符号位(0是正数，1是负数)，剩余的n-1位是这些值的绝对值。下面对编码系统的解释假设机器字长为8位，其中左1位是符号位。机器字长：机器字长也是定点算术运算单元的字长，通常是中央处理器内部数据路径的宽度。也就是说，字长越长，数字的表示范围越大，精度越高。机器的字长也会影响机器的运行速度。如果中央处理器的字长很短，需要计算大量的位数据，这将需要两个或两个以上的操作来完成，这肯定会影响到整个机器的运行速度。1.原始代码：符号位表示正数，0表示负数，1表示负数，其余位保持不变。1原始=0 00原件=0000000-0原件=10000000N X是一个纯整数：X原始=X真(0 x 2n-1)X原始=2n-1- X真=2n-1 | X真| (-2n-1 x 0)N X是纯十进制：X原始=X真(0 x 1)X原始=1-X真=1 | X真| (-1X 0 0)注：纯整数的小数点位置在机器编号的最低位之后，纯小数的小数点在机器编号的最高位之前(符号位之后)，小数点是隐含的，但不占据位置。然而，小数点的位置应该添加在理解中，例如，(127)原=0 1111111111被理解为“0 11111”，(0.5)原始=0 1000000被理解为“0.1000000”，然而，“0”中的“0”(表示正数)是一个符号位，而(-0.5)原始=1，000，000被理解为“1.1，000，000”，而“1”中的“1”(表示负数)是一个符号位。因此，当计算机实际存储它时，它将隐式地处理纯十进制数的数字意义上的“0”，而不存储它，但是我们应该注意自己理解它。2.反码：正数的反码与原始码相同，负数的反码是将原始码的每一位(除了符号位)反过来。1逆=0 0000001 -1逆=1 1111110 127逆=0 1111111111 -127逆=1 000000045逆=0 0101101 -45逆=1 1010010 0.5逆=0 1000000 -0.5逆=1 01111110逆=00000000 -0逆=11111111N X是一个纯整数：X逆=X真(0 x 2n-1)X逆=(2n-1) X真=(2n -1)-| X真| (-2n-1 x 0)n是纯十进制：逆=X真(0 x 1)X逆=(2-2n-1) X真=(2-2n-1)-| X真| (-1X 0 0)3.补码：正数的补码与原始码相同，负数的补码是在其反码的末尾加1。1补充=0 00000011补充=1 1111111 127补充=0 1111111111127补充=1 0000001128补充=1 000000045补充=0 0101101 -45补充=1 1010011 0.5补充=0 1000000 -0.5补充=1 10000000补充=00000000 -0补充=00000000N X是一个纯整数：X补码=X真(0 x 2n-1)X补码=2n X真=2n -| X真| (-2n-1X0)N X是纯十进制：X补码=X真(0 x 1)X补码=2 X真=2-| X真| (-1 X 0)注意：在(-0)逆=1111111上加1后，结果是10 0000000(9位)，这部分解释假设计算机的字长是8位，所以10 0000000(9位)中的1被丢弃，变成8位中的0 0000000，所以(-0)补码=0 0000000。记住：在补码表示中，0有一个唯一的代码：(0)补码和(-0)补码都是0 0000000。4.移位码：移位码表示是通过在数字x上加一个偏移量来定义的，它通常用来表示浮点数的顺序码。如果机器字长为n，其中1位为符号位，指定偏移量为2n-1，则移位码定义如下：n是一个纯整数：移位=2n-1x (-2n-1 x 2n-1)N X是纯十进制：X移位