華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理

華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)組成原理contents目錄計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述數(shù)字邏輯基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示運(yùn)算方法與運(yùn)算器指令系統(tǒng)與尋址方式中央處理器（CPU）存儲(chǔ)系統(tǒng)輸入輸出（I/O）系統(tǒng)01計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)的定義計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和信息處理的電子設(shè)備。計(jì)算機(jī)的發(fā)展從機(jī)械式計(jì)算機(jī)到電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。計(jì)算機(jī)的定義與發(fā)展包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、編譯器等，應(yīng)用軟件如辦公軟件、圖像處理軟件等。軟件系統(tǒng)指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行操作的基本單位，指令系統(tǒng)規(guī)定了計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的指令集合以及每條指令的功能和操作方式。指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成01計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成，其中運(yùn)算器和控制器合稱中央處理器（CPU）。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)02計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間的連接方式和組織方式，包括指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)等。指令流水線03指令流水線是一種提高CPU運(yùn)算速度的技術(shù)，通過將指令處理過程分解為多個(gè)步驟，并讓這些步驟在時(shí)間上重疊進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)指令的并行處理。計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)02數(shù)字邏輯基礎(chǔ)123二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)的表示與轉(zhuǎn)換方法原碼、反碼、補(bǔ)碼等編碼方式及其運(yùn)算規(guī)則ASCII碼、BCD碼等常用編碼方式及應(yīng)用場景數(shù)制與編碼邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算與、或、非等邏輯函數(shù)的表示與化簡最小項(xiàng)表達(dá)式、乘積項(xiàng)表達(dá)式、卡諾圖化簡等邏輯代數(shù)的基本公式和定理如德摩根定律、吸收律等邏輯代數(shù)基礎(chǔ)03組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)方法如加法器、比較器、編碼器等電路的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法01基本門電路與門、或門、非門等02復(fù)合門電路與非門、或非門、異或門等門電路及組合邏輯電路03計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示

數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示定點(diǎn)數(shù)表示法約定小數(shù)點(diǎn)的位置，從而確定數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分。浮點(diǎn)數(shù)表示法采用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示數(shù)據(jù)，由尾數(shù)、基數(shù)和指數(shù)三部分組成。十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼包括原碼、反碼、補(bǔ)碼等編碼方式，用于在計(jì)算機(jī)中表示帶符號(hào)的整數(shù)。字符編碼采用ASCII碼、Unicode等編碼方式，將字符集中的字符映射為二進(jìn)制代碼。漢字編碼包括輸入碼、內(nèi)碼、交換碼等，用于在計(jì)算機(jī)中處理漢字。圖像和聲音的數(shù)字化通過采樣、量化和編碼等步驟，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示海明碼通過在數(shù)據(jù)中增加多位校驗(yàn)位，利用異或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測和糾正。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）采用模2除法生成多項(xiàng)式編碼，用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。奇偶校驗(yàn)碼通過在數(shù)據(jù)中增加一位校驗(yàn)位，使得數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼04運(yùn)算方法與運(yùn)算器定點(diǎn)數(shù)是小數(shù)點(diǎn)位置固定不變的數(shù)，可用整數(shù)或純小數(shù)表示。在計(jì)算機(jī)中，定點(diǎn)數(shù)一般采用補(bǔ)碼形式表示，正數(shù)的補(bǔ)碼與其原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼則是將其原碼按位取反后加1。定點(diǎn)數(shù)的表示定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算包括加減乘除四種基本運(yùn)算。其中加減法運(yùn)算較為簡單，通過補(bǔ)碼的加法運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)。乘除法運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，需要采用特定的算法實(shí)現(xiàn)，如原碼一位乘法、補(bǔ)碼一位乘法、原碼加減交替除法和補(bǔ)碼加減交替除法等。定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)的表示浮點(diǎn)數(shù)是小數(shù)點(diǎn)位置可以浮動(dòng)的數(shù)，由尾數(shù)和階碼兩部分組成。尾數(shù)表示數(shù)的有效數(shù)字部分，階碼表示數(shù)的大小范圍。在計(jì)算機(jī)中，浮點(diǎn)數(shù)一般采用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)表示，包括單精度浮點(diǎn)數(shù)和雙精度浮點(diǎn)數(shù)兩種格式。浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算包括加減乘除四種基本運(yùn)算。由于浮點(diǎn)數(shù)的表示方式較為復(fù)雜，因此其運(yùn)算也相對(duì)復(fù)雜。在加減運(yùn)算中，需要對(duì)階碼和尾數(shù)分別進(jìn)行運(yùn)算，并處理可能出現(xiàn)的溢出和下溢問題。在乘除運(yùn)算中，需要采用特定的算法實(shí)現(xiàn)，如原碼一位乘法、補(bǔ)碼一位乘法、原碼加減交替除法和補(bǔ)碼加減交替除法等。浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算運(yùn)算器的組成運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件，由算術(shù)邏輯單元（ALU）、寄存器組、多路選擇器、數(shù)據(jù)總線等部件組成。其中ALU是運(yùn)算器的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作。運(yùn)算器的設(shè)計(jì)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如運(yùn)算速度、精度、功耗等。為了提高運(yùn)算速度，可以采用并行處理技術(shù)，如流水線技術(shù)、超標(biāo)量技術(shù)等。為了提高精度，可以采用高精度算法和誤差校正技術(shù)。為了降低功耗，可以采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)等。運(yùn)算器的組成與設(shè)計(jì)05指令系統(tǒng)與尋址方式指令格式與尋址方式概述指令格式指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指明操作的性質(zhì)，如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼則指明操作數(shù)的地址或操作數(shù)本身。尋址方式尋址方式是指確定本條指令的操作數(shù)地址或下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法。常見的尋址方式有直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址等。VS當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令時(shí)，首先根據(jù)指令中的地址碼信息計(jì)算出操作數(shù)的有效地址，然后從存儲(chǔ)器中取出操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果再存回存儲(chǔ)器或?qū)懭爰拇嫫?。?shù)據(jù)傳送類指令這類指令用于在存儲(chǔ)器和寄存器之間或在寄存器之間傳送數(shù)據(jù)。例如，MOV指令可以將一個(gè)數(shù)據(jù)從源地址傳送到目標(biāo)地址。指令的尋址過程指令的尋址過程與數(shù)據(jù)傳送類指令這類指令用于執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，如加、減、乘、除、與、或、非等。它們通常對(duì)兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)在指定的寄存器或存儲(chǔ)器中。這類指令用于改變程序的執(zhí)行流程，如條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用和返回等。它們使得程序能夠根據(jù)條件或需要跳轉(zhuǎn)到指定的位置繼續(xù)執(zhí)行。算術(shù)邏輯類指令程序控制類指令算術(shù)邏輯類指令與程序控制類指令06中央處理器（CPU）運(yùn)算器控制器寄存器組內(nèi)部總線CPU的功能與組成執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，包括加法、減法、乘法、除法等基本操作。包括通用寄存器、程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）等，用于暫存操作數(shù)和中間結(jié)果。負(fù)責(zé)指令的取指、譯碼、執(zhí)行等操作，控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)同工作。連接CPU內(nèi)部各部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫回。指令執(zhí)行過程以微程序?yàn)榛締挝?，?shí)現(xiàn)對(duì)指令執(zhí)行過程的精細(xì)控制。微程序由一系列微指令組成，每個(gè)微指令對(duì)應(yīng)一個(gè)基本操作。微程序控制器包括操作碼、微操作碼、下址字段等，用于描述微操作的性質(zhì)和順序。微指令格式指令的執(zhí)行過程與微程序控制器采用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)控制功能，具有速度快、設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。但修改和擴(kuò)展困難，不利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。硬布線控制器將一條指令的執(zhí)行過程分解為多個(gè)階段，每個(gè)階段由不同的硬件部件同時(shí)處理，從而提高CPU的吞吐量和效率。流水線技術(shù)包括結(jié)構(gòu)沖突、數(shù)據(jù)沖突和控制沖突。解決方法包括插入氣泡、轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)、分支預(yù)測等。流水線沖突與解決方法硬布線控制器與流水線技術(shù)07存儲(chǔ)系統(tǒng)高速緩存（Cache）位于CPU與主存之間，用于緩解CPU與主存之間速度不匹配的矛盾。主存儲(chǔ)器（MainMemory）計(jì)算機(jī)的主要存儲(chǔ)部件，用于存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲(chǔ)器（AuxiliaryMemory）如硬盤、光盤等，用于長期保存信息，不直接與CPU交換信息。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器的組成與設(shè)計(jì)存儲(chǔ)體由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元包含若干個(gè)存儲(chǔ)元件，每個(gè)存儲(chǔ)元件可存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制代碼。地址寄存器（MAR）和數(shù)據(jù)寄存器（MDR）用于暫存CPU送來的地址碼和數(shù)據(jù)信息。地址譯碼器將地址寄存器中的地址碼翻譯成對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的選擇信號(hào)。讀寫控制電路根據(jù)CPU的命令控制存儲(chǔ)器的讀寫操作。高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）位于CPU與主存之間，采用高速的SRAM芯片實(shí)現(xiàn)，用于存放CPU最近要用的信息。CPU在Cache中存取信息的成功率，命中率越高，Cache的作用越大。將輔存作為主存的擴(kuò)充部分，由硬件和軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)，使得用戶可以使用一個(gè)比實(shí)際主存空間更大的地址空間。當(dāng)需要的信息不在內(nèi)存時(shí)，由操作系統(tǒng)將其調(diào)入內(nèi)存，并選擇合適的頁面進(jìn)行置換，常見的算法有最近最少使用（LRU）算法、先進(jìn)先出（FIFO）算法等。Cache的命中率虛擬存儲(chǔ)器頁面置換算法高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）與虛擬存儲(chǔ)器08輸入輸出（I/O）系統(tǒng)I/O系統(tǒng)的基本概念輸入/輸出系統(tǒng)（I/O系統(tǒng)）是計(jì)算機(jī)中用于與外部設(shè)備通信的部分，它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從外部設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，或者將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。要點(diǎn)一要點(diǎn)二I/O接口I/O接口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的連接部分，它負(fù)責(zé)將外部設(shè)備的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，同時(shí)也將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備能夠識(shí)別的信號(hào)。I/O系統(tǒng)的基本概念與I/O接口程序查詢方式程序查詢方式是最簡單的I/O控制方式，它通過CPU執(zhí)行程序來查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，如果設(shè)備準(zhǔn)備好則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式簡單但效率低下，因?yàn)镃PU需要不斷輪詢I/O設(shè)備。中斷控制方式中斷控制方式是當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求來通知CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這種方式提高了CPU的利用率，但中斷處理需要一定的時(shí)間和資源。DMA控制方式DMA（直接內(nèi)存訪問）控制方式是讓I/O設(shè)備直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要CPU的干預(yù)。這種方式大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，但需要專門的DMA控制器來管理數(shù)據(jù)傳輸。I/O控制方式及其特點(diǎn)比較中斷技術(shù)與DMA技術(shù)中斷技術(shù)是一種允許其他模塊（通常是I/O設(shè)備）打斷CPU正常執(zhí)行流程的技術(shù)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU會(huì)保存當(dāng)前執(zhí)行上下文并跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序執(zhí)行。中斷處理程序完