计算机组成原理复习资料

*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,计算机组成原理,复习资料,-1,Department of Computer Sciences,Sun Yat-sen University,第一章 计算机系统概论,本章要点,:,计算机的划代（器件）、分类（规模或功能）和应用 （桌面计算、服务器、嵌入式计算）的依据；,IC,电路集成技术的发展与计算机演变的关联（摩尔定律）,计算机系统的组成和实现（硬件、软件、固件的概念，硬件系统和软件系统及其关联）,计算机系统的层次结构和虚拟机的概念 （结构、组成、实现三者的关联；逻辑功能等效性、模拟与仿真等的概念）,本章要点,:,Von Neumann,型计算机的基本原理（存储程序控制）和特点（按地址访问并顺序执行,指令,、二进制运算,）和组成框图（以运算器为中心演变成以存储器为中心,）,图的变迁,个人电脑（,Personal Computer,）,普及运算（,Pervasive Computing,）,计算机性能指标：处理机字长、速度（吞吐量、响应时间、主频、时钟周期、存取周期、,CPU,执行时间、每条指令周期数,CPI,、单位时间内的执行指令（,MIPS,、,MFLOPS,）、存储器容量以及带宽（存储器带宽、总线带宽等）,3,计算机系统组成（硬件部分）,计算机系统由硬件部分和软件部分组成。,按照传统划分，硬件部分主要由运算器、控制器、存储器、输入部分和输出部分组成；软件部分则由系统软件和应用软件两部分组成。,现代计算机中将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理器（,CPU,），因此，通常认为现代计算机硬件部分由,CPU,、存储器和输入输出系统构成。,冯,诺依曼结构,存储程序计算机的结构,基本原理：存储程序控制,基本特点：按地址访问并顺序执行,计算机的层次结构,用 户 级,高 级 语 言 级,汇 编 语 言 级,系 统 软 件 级,机 器 级,控 制 级,数 字 逻 辑 级,应用软件,系统软件,软硬件界面,物理机,虚拟机,硬件,固件,硬件直接执行,Level 0,(,门电路、电子线路,),Level 1,(,微程序或硬布线,),Level 2,(,指令集结构,ISA),Level 3,(,操作系统、库代码,),Level 4,(,汇编语言代码,),Level 5,(C+,，,Java,，等,),Level 6,(,可执行程序,),软件与硬件的,逻辑功能,等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了,任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成,对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于,器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期,等,软件的特点,易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；,硬件的特点,可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。,系列机,:,由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。较好地解决软件开发要求系统结构相对稳定与器件、硬件技术迅速发展的矛盾。,软件的可移植性：,一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。我们称这两台计算机是,软件兼容,的。,向上（下）兼容：,按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。,向前（后）兼容：,按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。向后兼容是系列机的根本特征。,练习与思考题,1.,计算机中有两股信息在流动，它们分别是,和,。,2.,在计算机系统的层次结构中，位于硬件之外的所有层次统称为,。,3.,在多,级,层次结构中，实际机器的向上延伸构成了各级虚拟机器，,为什么？,4.,计算机硬件和软件在,是等效的，在,上是不同的。,5.,计算机系统是一个由,和,组成的多级层次结构。,6.,虚拟机的实现有模拟和仿真两种方法。实现,的方式有何不同 ？,7.,同一软件在不同的计算机上运行并得到相同的结果，这种特性称为（ ）,8.,高档机必须能兼容低档机的程序运行称为（,）。,9.,基于,原理的,Von Neumann,型计算机工作方式的基本特点是,。,10.,计算机存储器的读写时间的量级为（ ）。,第二章 运算方法和运算器,本章要点,:,数制：进位计数制、数的转换、机器数,码制：机器数的编码方法、字符编码,机器数的加法和减法运算,溢出判断和先行进位,定点加法器的设计和实现,算逻运算单元（,ALU,）的设计 和实现,本章要点,机器数的乘法和除法运算,阵列运算和实现,浮点运算方法和浮点运算器,CRC,编码和海明编码 （可选）,11,容易混淆的概念,机器数（原码、反码、补码、移码）、机器零、真值,传统浮点数的表示方法和规格化数,向左规格化和向右规格化的作用；移位的概念和实现,溢出及其判断方法 （单符号位、变形补码）,EEE754,标准；区位码与汉字内码的转换,传统的机器数的四则运算,浮点数运算的方法步骤,提高乘法和除法运算速度的方法,-,阵列运算,ALU,的设计与实现（加减控制、溢出判断、先行进位算术运算和逻辑运算）,定点运算器和浮点运算器组成框图,12,32,位单精度浮点数,：含阶符的阶码，,8,位,阶码采用,移码方式,来表示正负指数,：,1,位符号位,0,表示正数,1,表示负数,：尾数，,23,位小数表示，小数点放在尾数域最前面,IEEE 754,标准,64,位双精度浮点数,：含阶符的阶码，,11,位,：,1,位符号位,：尾数，,52,位小数,IEEE 754,标准,规格化表示原则,尾数最高有效位为,1,，隐藏，并且隐藏在小数点的左边（即：,1M,2,）,32,位单精度浮点数规格化表示,(-1),s,(1.,) 2,E-127,e,127,（,e,127,）,64,位双精度浮点数规格化表示,(-1),s,(1.,) 2,E-1023,e,1023,（,e,1023,）,指数真值,e,用偏移码形式表示为阶码,IEEE 754,标准,X,(-1),s,1.,M,2,e,(1.011011)2,3,1011.011,(11.375),10,指数,e,阶码,127,1000 0010,01111111,00000011=(3),10,包括隐藏位,1,的尾数,1.,M,1.011011,例,1,：浮点机器数,(41360000),16,，求真值,十六进制数展开成二进制数,0 100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000,S,阶码,E(8,位,),尾数,M(23,位,),例,2,：真值,20.59375,，求,32,位单精度浮点数,分别将整数和分数部分转换成二进制数,20.59375,10100.10011,移动小数点，使其在第,1,、,2,位之间,10100.10011,1.010010011,2,4,e,4,S,0,E,4+127,131,10000011,M,010010011,得到,32,位浮点数的二进制存储格式为：,0,100 0001,1010 0100 1100 0000 0000 0000,(41A4C000),16,18,真值,0,的机器数（机器零）,阶码,E,0,，尾数,M,0,正,0,：,S,0,，负,0,：,S,1,非规格化浮点数：,阶码,E,0,，尾数,M0,规格化浮点数：,阶码,E,1,254,（,11111110,）,无穷大的机器数,阶码,E,全,1,（,11111111,） ，尾数,M,0,：,S,0,，：,S,1,NaN,（,not a number,，不是一个数）,阶码,E,全,1,（,11111111,） ，尾数,M0,用来通知异常情况,IEEE 754,标准,32,位单精度浮点数,练习与思考,1.,何谓机器数 ？机器零和真值,0,有何 不同 。,2.,写出真值,-1,的补码表示 。,3.,机器数的编码表示中，原码、补码、反码的表示范围,有何不同？,4.,浮点数的尾数为,0,，不管其阶码为何值，机器都把该浮点数当作,处理。,5.,浮点补码二进制加减运算左规操作的步骤是：尾数,移一位，阶码,，直至尾数部分出现,为止。,6.,在浮点补码二进制加减运算中，当尾数部分出现,01.XX,X,或,10. XX,X,时，须进行,；当尾数部分出现,00.0X,X,或,11.1X,X,时，需进行,。,7.,浮点数的尾数为,0,，不管其阶码为何值，机器都把该浮点数当作,处理。,8.,字符“,2,”的,ASCII,码是,，最高位引入偶校验，构成编码是,。,9.,汉字“啊”的区位码为,1601H,，对应的国标码是,，机内码是,。,10.,为什么说,已知,x,移,和,y,移,，,不能,直接导出,x,移,y,移,x,y,移,。,11.,移码的特点是编码保持了数据原有的大小顺序,?,12.,由于“零”在补码中只有一种表示形式，故补码比原码和反码可以多表示个负数,?,13,计算机如何实现溢出判断和处理 ？,