考研计算机冲刺班组成原理讲义-杨楠.docx

《计算机组成原理》部分【考查目标】1. 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念2. 理解解计算机机系统层层次化结结构概念念，熟悉悉硬件与与软件之之间的界界面，掌掌握指令令集体系系结构的的基本知知识和基基本实现现方法3. 能够够运用计计算机组组成的基基本原理理和基本本方法，对对有关计计算机硬硬件系统统中的理理论和实实际问题题进行计计算、分分析，并并能对一一些基本本部件进进行简单单设计一、 计算算机系统统概述 本本章属于于计算机机组成原原理概述述部分，内内容比较较简单，也也容易掌掌握，在在考研中中没有太太难的题题目下下面就本本章内容容，主要要部分作作以下归归纳：（一）计算算机的类类型 电电子计算算机分为为两大类类：电子子模拟计计算机和和电子数数字计算算机 电电子数字字计算机机的主要要特点是是：按位位运算 数数字计算算机又可可分为专专用计算算机和通通用计算算机 通通用计算算机又分分巨型机机、大型型机、中中型机、小小型机、微微型机和和单片机机 它它们的区区别在于于体积、简简易性、功功率损耗耗、性能能指标、数数据存储储容量、指指令系统统规模和和机器价价格等。

计算机的应应用范围围：社会会的各个个领域二）计算算机发展展历程 计计算机系系统的发发展历史史如下：： 第第1代计计算机（119466年—19557年）：：电子管管时代；； 第第2代计计算机（119588年—19664年）：：晶体管管时代；； 第第3代计计算机（119655年—19771年）：：中小规规模集成成电路时时代； 第第4代计计算机（119722年—19885年）：：超大规规模集成成电路时时代； 第第5代计计算机（119866年—至今）：：巨大规规模集成成电路时时代三）计算算机系统统层次结结构1. 计算算机硬件件的基本本组成硬件分为55大部分分：控制制器、运运算器、存存储器、输输入设备备和输出出设备早期运算器器和控制制器构成成计算机机的CPPU，现现在一般般还加上上CPUU内部的的Cacche共共同构 成CCPU，加入的是第一级Cache，也是存储器中速度最快，容量最小的存储器对冯·诺依依曼计算算机体系系结构的的特点要要有深刻刻的理解解：使用用二进制制（为何何用二进进制？）存储程序，并并且按照照地址顺顺序执行行存储储程序并并按照地地址顺序序执行是是冯•诺依曼曼计算机机设计的的关键思思想。

2. 计算算机软件件的分类类计算机软件件按照面面向对象象的不同同可分两两类：系系统软件件和应用用软件系统软件：：用于管管理整个个计算机机系统，合合理分配配系统资资源，确确保计算算机正常常高效地地运行，这这类软件件面向系系统应用软件：：是面向向用户根根据用户户的特殊殊要求编编制的应应用程序序，这类类软件通通常实现现用户的的某类要要求3. 计算算机的工工作过程程冯·诺依曼曼计算机机特点基基本上指指出了计计算机的的工作过过程冯冯·诺依曼曼体系结结构的基基本思想想是：存存储程址址顺序自自动执行行首先先将指令令和数据据存储到到计算机机中，计计算机启启动后，就就能够序序取出指指令并依依次执行行，直到到程序执执行完毕毕，得到到计算结结果为止止 冯冯·诺依曼曼体系结结构计算算机包含含5个基基本部件件：输入入设备、运运算器、控控制器和输出出设备运算器进行数据运算和数据变换；控制器为计算机的工作提供统一的时钟，对程序的各基本操作进行时序分相应的控制信号，驱动计算机的各部件有序地完成程序规定的操作内容；存储器用来存放程序、数据和运算结果；输入瑜出设备则完成相应的输入输出转换4．计算机机系统的的层次结结构（1）层次次结构。

计计算机系系统是一一个复杂杂的软、硬硬件结合合体，它它包含硬硬件系统统和软件件系统两两部分它它通常由由5个不不同的级级组成，在在每一级级都能够够进行程程序设计计由微微程序设设计级、一一般机器器级、操操作系统统级、汇汇编语言言级和高高级语言言级组成成，如图图所示：：（2）软件件和硬件件逻辑上上的等价价性，任任何操作作可以由由软件来来实现也也可以由由硬件来来实现早早期主要要由软件件来实现现较复杂杂的逻辑辑（硬件件软化），现现在存在在软件硬硬化的趋趋势 尤其注注意计算算机是一一个软件件和硬件件结合的的整体系系统固固件：把把软件刻刻入ROOM,使使软件固固化，这这样得到到的一个个实体就就是固件件3）兼容容性兼兼容性的的设计思思想实际际上就是是系列机机的概念念在系系列机中中，新机机型要求求支持老老机型上上开发的的软件；；而且还还有硬件件上的兼兼容要求求兼容容要求软软件和硬硬件设备备能够直直接在不不同的机机型上使使用计算机系统统的层次次结构（四）计算算机性能能指标（1）基本本字长基基本字长长是指参参与运算算的数的的基本长长度，它它由加法法器、寄寄存器和和数据总总线的位位数决定定字长长标志着着精度，字字长越长长，运算算精度越越高。

2）主存存容量计计算机主主存储器器所能够够存储的的信息的的全部总总量，称称为主存存容量以以字节数数来表示示存储容容量的计计算机称称为字节节编码计计算机；；而以字字为单位位编址的的计算机机，存储储容量等等于字数数乘以字字长3）主频频每台台计算机机的内部部，都有有一个不不断地产产生固定定频率时时钟脉冲冲的装置置，称为为主时钟钟主时时钟的频频率通常常是机器器的主频频率，主主频率是是衡量一一台,--c,蹲蹲机速度度的重要要参数4）运算算速度运运算速度度通常反反映计算算机运算算的快慢慢对运运算速度度的衡量量有以下下几种方方法：根据不同类类型指令令在计算算过程中中出现的的频率乘乘上不同同的系数数，求得得统计平平均值，这这时所指指的运算算速度是是平均运运算速度度直接给出每每条指令令的实际际执行时时间以MIPSS和MFFLOPPS作为为计量单单位来衡衡量运算算速度MMIPSS表示每每秒百万万条指令令，MFFLOPPS表示示每秒百百万次浮浮点运算算1. 吞吐吐量、响响应时间间（1) 吞吞吐量：：单位时时间内可可执行程程序的个个数2) 响响应时间间：从事事件开始始到事件件结束的的时间，也也称执行行时间2. CPPU时钟钟周期、主主频、CCPI、CCPU执执行时间间（1） CCPU时时钟周期期：机器器主频的的倒数，TTc（2）主频频：CPPU工作作主时钟钟的频率率，机器器主频RRc（3）CPPI：执执行一条条指令所所需要的的平均时时钟周期期（4）CPPU执行行时间：：TCPPU=IIn×CPII×TCIn执行程程序中指指令的总总数，CPII执行每每条指令令所需的的平均时时钟周期期数，TC时时钟周期期时间的的长度。

3. MIIPS、MMFLOOPS（1）MIIPS((Milllioon IInsttrucctioons Perr Seeconnd) MIPS = IIn/((Te××106)= In//(Inn×CPII×Tc×106)= Rc//(CPPI×106)Te：执行行该程序序的总时时间，In：：执行该该程序的的总指令令数，Rc：：时钟周周期Tcc的到数数 MMIPSS只适合合评价标标量机，不不适合评评价向量量机标标量机执执行一条条指令，得得到一个个运行结结果而而向量机机执行一一条指令令，可以以得到多多个运算算结果2） MMFLOOPS((Milllioon FFloaatinng PPoinnt OOperratiionss Peer SSecoond)) MMFLOOPS==Ifnn/(TTe×106)Ifn：程程序中浮浮点数的的运算次次数 MFFLOPPS测量量单位比比较适合合于衡量量向量机机的性能能一般般而言，同同一程序序运行在在不同的的计算机机上时往往往会执执行不同同数量的的指令数数，但所所执行的的浮点数数个数常常常是相相同的二、 数据据的表示示和运算算（一）数制制与编码码1. 进位位计数制制及其相相互转换换（1）进位位计数制制进位计数制制是指按按照进位位制的方方法表示示数，不不同的数数制均涉涉及两个个基本概概念：基基数和权权。

任意一个RR进制数数X，设设整数部部分为nn位，小小数部分分为m位位，则XX可表示示为：X＝an--1rn-11 + an--2rn-2 + ┅ +a0r0 +a-1r-1 +a-2r-2 + ┅ +a-mr-m(X)r = （2）不同同数制间间的数据据转换1）二、八八、十六六进制数数转换成成十进制制数利用上面讲讲到的公公式： (N))2=∑Di•2i 、((N)88=∑Di•8i、 ((N)116=∑Di•16i、进行行计算2）十进制制数转换换成二进进制数对整数部分分，一般般采用除除2取余余数法，对对小数部部分，一一般用乘乘2取整数数法3）二进制制数、八八进制数数和十六六进制数数之间的的转换3位二进制制数组成成1位八八进制数数，4位位二进制制数组成成1位十十六进制制数对于一个兼兼有整数数和小数数部分的的数以小小数点为为界，小小数点前前后的数数分别分分组进行行处理，不不足的位位数用00补足对对整数部部分将00补在数数的左侧侧，对小小数部分分将0补补在数的的右侧这这样数值值不会发发生差错错2. 真值值和机器器数真值：数据据的数值值通常以以正(++)负((-)号号后跟绝绝对值来来表示，称称之为“真值”。

机器数：在在计算机机中正负负号也需需要数字字化，一一般用00表示正正号，11表示负负号把把符号数数字化的的数成为为机器数数3. BCCD码在计算机中中采用44位二进进制码对对每个十十进制数数位进行行编码44位二进进制码有有16种种不同的的组合，从从中选出出10种种来表示示十进制制数位的的0～99，用000000，00001，…，10001分别别表示00，1，…，9，每个个数位内内部满足足二进制制规则，而而数位之之间满足足十进制制规则，故故称这种种编码为为“以二进进制编码码的十进进制（bbinaary coodedd ddeciima11，简称称BCDD）码”加法运算的的修正规规则是：： 如果两两个一位位BCDD码相加加之和小小于或等等于(110011)2，即即(9))10，不不需要修修正； 如相加加之和大大于或等等于(110100)2，或或者产生生进位，要要进行加加6修正正，如果果有进位位，要向向高位进进位4. 字符符与字符符串在计算机中中要对字字符进行行识别和和处理，必必须通过过编码的的方法，按按照一定定的规则则将字符符用一组组二进制制数编码码表示字字符的编编码方式式有多种种，常见见的编码码有ASSCIII码、EEBCDDIC码码等。

1）ASCCII码码ASCIII码用77位二进进制表示示一个字字符，总总共1228个字字符元素素，包括括10个个十进制制数字（00-9）、552个英英文字母母（A--Z和aa-z）、334专用用符号和和32控控制符号号2）EBCCDICC码为EExteendeed BBinaary Codded Deccimaal IInteerchhangge CCodee的简称称，它采采用8位位来表示示一个字字符3）字符串串的存放放向量存储法法：字符符串存储储时，字字符串中中的所有有元素在在物理上上是邻接接的串表存储法法：字符符串的每每个字符符代码后后面设置置一个链链接字，用用于指出出下一个个字符。