计算机组成原理

软考复习中计算机组成原理部分的总结，希望能够帮到有需要的你。计算机组成原理思维导图笔记，分支内容包括：计算机硬件系统、计算机体系结构、计算机安全等。

计算机组成原理

• 运算方法和运算部件
  • 1、数据的表示方法和转换
    • 机器数正0负1真值:符号位加绝对值
      • 符号数值化的带符号二进制数，称为机器数。
    • 余三码:在8421码的基础上，把每个编码都加上0011格雷码:任何两个相邻编码只有1个二进制位不同，而其余3个二进制位相同
      • 当两个余三码想加不产生进位时，应从结果中减去0011;产生进位时，应将进位信号送入高位，本位加0011
    • 8421码
      • 权值从高到低为8、4、2、1
        • 算术运算时，需对运算结果进行修正。 方法：如果小于、等于(1001)2，不需要修正；否则加6修正
  • 2、带符号的二进制数据在计算机中的表示方法及运算
    • （1）原码表示：
      • X为正数时，符号位为0；X为负数时，符号位为1。
      • 其他位置上与真值一样
      • 0存在两种表示形式
      • 　　特点：
        • 值+0，-0的原码分别为00000、10000，形式不唯一；
        • 正数的原码码值随着真值增长而增长，负数的原码码值随着真值增长而减少
        • n+1位原码表示定点整数范围－(2n－1)-----(2n－1)
        • n+1位原码表示定点小数范围 －(1－2－n)------(1－2－n)
      • 　　运算：绝对值相加减，由数值大小决定运算结果符号
    • （2）反码表示：
      • 正数的反码、补码与原码相同
      • 负数的反码，按位取反，符号位取反
      • 　　特点：
        • 数值零的反码表示不唯一
        • 正数反码码值随着真值增大而增大，负数反码码值随着真值增大而增大
        • n+1位反码所表示定点整数范围－ (2n－1)-----2n－1，n+1位反码所表示定点小数范围－(1－2－n)-----1－2－n
      • 　　运算：满足[X+Y]反=[X]反+[Y]反，[X－Y]反=[X]反+[－Y]反
    • （3）补码表示：
      • 从X求[X]补：
        • X为正数时，[X]补=X
        • X为负数时，①按位求反（符号位不变），②末尾加1
      • 从[X]补求X：
        • [X]补的符号位为0（正数），[X]补=X
        • [X]补的符号位为1（负数），①按位求反（包括符号位），②末尾加1，再在数值前面加上负号-
      • 从[X]补求补：
        • 按位求反（包括符号位）
        • 末尾加1
      • 　　特点：
        • 数值零的补码表示唯一
        • 正数补码码值随着真值增大而增大，负数补码码值随着真值增大而增大
        • n+1位补码所表示定点整数范围－ 2n----2n－1，n+1位补码所表示定点小数范围－1---1－2－n
      • 结论：
        • 负数的补数＝模＋负数
        • 互为补数的绝对值相加＝模
        • 在补数中，减法运算即加法运算
      • 　　运算：[X+Y]补=[X]补+[Y]补，[X–Y]补=[X+(–Y)]补=[X]补+[–Y]补
    • （4）移码表示：
      • [X]补的符号位取反，即得[X]移
      • 为了从码值直接判断对应真值的大小，所以引进移码
      • 特点：
        • 最高位是符号位，1表示正，0表示负
        • 数据0有唯一的编码
        • 移码码值随着真值增大而增大
        • n+1位移码所表示定点整数范围－ 2n——2n－1， n+1位移码所表示定点小数范围－1——1－2－n
        • 计算机中，移码常用于表示阶码，故只执行加、减运算
        • 计算机中，移码运算公式需要对结果进行修正
      • 运算：
        • 移码定义:[X]移=2的n次方+X
        • 补码定义:[X]补=2的n+1次方+Y
        • 阶码求和公式
          • [X]移+[Y]补=[X+Y]移 mod2的n+1次方
          • [X]移+[-Y]补=[X-Y]移
    • （5）补、反、原、移码的相互转换
      • 反码----->原码
        • 方法：符号位不变，正数不变，负数数值部分取反。
      • 补码----->原码
        • 方法1：正数不变，负数数值部分求反加1。
        • 方法2：串行转换
          • 从最后开始数，遇到第一个“1”，除第一个“1”不变，前面数字分别取反
      • 移码----->原码
        • 方法：移码转换为补码，再转换为原码
    • （6）定点数和浮点数
      • 定点数：
        • 小数点固定在某个位置上的数据
          • 32位定点小数、定点整数补码的范围
            • 32位定点小数-1～1-2-31
            • 32位定点整数-231～231-1
      • 　　浮点数：
        • 根据IEEE754国际标准，常用的浮点数有两种格式
          • • Nmax=Mmax2的Emax
            • Nmin=Mmin2的Emax
        • 单精度(32位)=8位阶码+24位尾数
          • 单精度浮点数(32位)，阶码8位(含一位符号位)，尾数24(含一位符号位)，取值范围:-2的127次方～(1-2的-23次方)*2的127次方
        • 双精度(64位)=11位阶码+53位尾数
          • 双精度浮点数(64位)，阶码11位(含一位符号位)，尾数53位(含一位符号位)，取值范围:-2的1023次方～(1-2的-52次方)*2的1023次方
        • 为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示:当R=2，且尾数值不为0时，其绝对值应大于或等于(0.5)10小数点位置可以浮动的数据。
          • 左规
          • 右规
        • 表示形式：N = M · RE
        • 计算机中存储形式
          • Ms+Es+E(n位)+M(m位)
            • 阶码E，一般为整数，用补码或者移码表示；
            • 尾数M，一般为规格化的定点小数，用补码表示；
  • 3、二进制乘法运算
    • 定点原码一位乘法
      • 两个原码数相乘，其乘积的符号为相乘两数符号的异或值，数值则为两数绝对值之积
        • [X·Y]原=[X]原·[Y]原=(X0⊕Y0)|(X1X2…Xn) · (Y1Y2…Yn)
    • 定点补码一位乘法
      • 表达式：[X·Y]补=[X]补·(－Y0+Y1·2-1+….Yn·2-n)
      • 注意：此处为双符号位，当最后乘积高位为负数时，需要补充加上[-|x|]补的操作
  • 4、二进制除法运算
    • 加减交替法：当余数为正时，商上1，求下一位商的办法是，余数左移一位，再减去除数;当余数为负时，商上0，求下一位商的办法是，余数左移一位，再加上除数。此方法不用恢复余数，所以又叫不恢复余数法。但若最后一次上商为0而又需得到正确余数，则在这最后扔需恢复余数
  • 5、浮点数运算
    • （1）浮点数的加减法运算
    • 1.对阶操作
      • 求出△E，再对小的进行移位
    • 2.尾数的加减运算
    • 3.规格化操作
      • 规则简化是符号位和数值最高位不同，即00.1xxxx或11.0xxxx
    • 4.舍入
      • 超出表示范围的高位为1舍入
    • 5.检查阶码是否溢出
    • （2）浮点数的乘除法运算
    • 1.浮点数阶码运算(移码)
      • [X+Y]移=[X]移+[Y]补
      • [X–Y]移=[X]移+[–Y]补
    • 2.按照一位乘或加减交替除运算
      • 先确定符号，在列式子计算
  • 6、运算部件
    • ABC寄存器作业
    • 定点运算部件
    • 浮点运算部件
      • 由阶码运算部件和尾数运算部件组成
  • 7、校验码
    • 码距：
    • 任意两个合法码之间不相同的二进制位数的最小值
      • 要具有差错能力，则码距>1
      • 合理增大码距，就能提高发现错误的能力
    • 鉴定方法：
      • 有无差错能力
      • 是否能合理增大码距
    • （1）奇偶校验码
      • 能发现数据代码中一位或奇数个位出错情况的编码
      • 实现原理是使码距由1增加到2
        • 步骤1：在字节高位补充一位，即校验位
        • 步骤2：依据图3.10电路形成原始数据D8…D1的校验位值
        • 步骤3：将9位数据写入主存
        • 步骤4：读出该数据时，读取数据D8…D1通过图3.10判定合法性
    • 结论：
      • （1）奇偶校验码只能发现一位或奇位错，且不能确定出错位置
      • （2）奇偶校验码的码距=2
    • （2）海明校验码
      • 海明码位号和校验位位号的关系
        • Pi的位置在2的i-1次方，但是除了最高位
        • 海明码码距为4
        • 纠一位错，查一位错
          • 2∧r≥k+r+1
        • 纠一位错，查两位错
          • 2∧(r–1)≥k+r
    • （3）循环冗余校验码(CRC)
      • CRC码可以发现并纠正信息存储或传送过程中连续出现的多位错误
      • CRC码一般是指k位信息码之后拼接r位校验码
      • 模2运算
        • 模2加减
        • 模2乘除
        • 异或逻辑
      • CRC的译码与纠错
        • 更换不同的待测码字可以证明:余数与出错位的对应关系是不变，只与码制和生成多项式有关
        • 图
• 计算机系统
  • 硬件
    • 结构
      • 主机
        • CPU
          • ALU运算器
          • CU控制器
        • 存储器
          • 主存
          • 辅存
      • I/O
        • 输入设备
        • 输出设备
    • 主要技术指标
      • 机器字长
        • CPU一次能处理的数据位数
      • 存储容量
        • 存储容量＝存储单元个数×存储字长
      • 运算速度
        • 单位时间执行指令的平均条数，MIPS
  • 软件
    • 系统软件
      • 用来管理整个计算机系统
        • 语言处理程序
        • 操作系统
        • 服务性程序
        • 数据库管理系统
        • 网络软件
    • 应用软件
      • 自己下载的普通软件
• 数据的机器级表示
  • 数值数据的表示
    • 机器级数据分两大类
      • 数值数据：无符号整数、带符号整数、浮点数（实数）、十进制数
      • 非数值数据：逻辑数（包括位串）、西文字符和汉字
    • 计算机内部所有信息都用二进制（即：0和1）进行编码
    • 用二进制编码的原因：
      • 制造二个稳定态的物理器件容易
      • 二进制编码、计数、运算规则简单
      • 正好与逻辑命题对应，便于逻辑运算，并可方便地用逻辑电路实现算术运算
    • 真值和机器数
      • 机器数
        • 用0和1编码的计算机内部的0/1序列
      • 真值：
        • 机器数真正的值，即：现实中带正负号的数
    • 数值数据表示的三要素
      • 进位计数制
      • 定、浮点表示
      • 如何用二进制编码
        • 即：要确定一个数值数据的值必须先确定这三个要素。
      • 进位计数制
        • 十进制、二进制、十六进制、八进制数及其相互转换
      • 定/浮点表示（解决小数点问题）
        • 定点整数、定点小数
        • 浮点数（可用一个定点小数和一个定点整数来表示）
      • 定点数的编码（解决正负号问题）原码、补码、反码、移码 （反码很少用）
    • 计算机系统组成及性能：
      • 计算机系统是由“硬件”和“软件”组成。
      • 衡量一台计算机性能的优劣是根据多项技术指标综合确定的，既包括硬件的各种性能指标，又包括软件的各种功能。
      • 计算机系统由硬件和软件两部分组成。
      • 计算机系统性能由硬件和软件共同决定。
    • 计算机系统5层层次结构：
      • 微程序机器、传统机器、操作系统机器、汇编语言机器、高级语言机器
      • 微程序机器和传统机器是物理机，其他是虚拟机。
    • 冯诺依曼机器的主要特点：
      • 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成；
      • 指令和数据存储在存储器中，并可以按地址访问；
      • 指令和数据均以二进制表示；
      • 指令由操作码和地址码构成，操作码指明操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；
      • 指令在存储器内按顺序存放，通常按自动的顺序取出执行；
      • 机器以运算器为中心，I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器。（后来有以存储器为中心的计算机结构）
    • 计算机储存单元：
      • 存储单元：存储一个存储字并具有特定存储地址的存储单位；
      • 存储字：一个存储单元中存放的所有的二进制数据，按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据。
      • 存储字长：存储字中二进制数据的位数，即按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数；
      • 存储体：由多个存储单元构成的存储器件。
    • 主存储器中的MAR和MDR：
      • MAR：存储地址寄存器，保存需要访问的存储单元地址。反映存储单元的个数。
      • MDR：存储数据寄存器，缓存读出/写入存储单元的数据。反映存储字长。
      • 存储器的最大容量由MAR寄存器的位数和MDR寄存器的位数决定。
    • 机器字长和存储字长：
      • 机器字长：CPU一次能够处理的二进制数据的位数。
      • 存储字长：按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数