計算機組成原理第二章

計算機組成原理第二章目錄計算機系統(tǒng)概述數(shù)字邏輯基礎(chǔ)計算機中的數(shù)據(jù)表示運算方法與運算器指令系統(tǒng)與尋址方式中央處理器（CPU）01計算機系統(tǒng)概述包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等，是計算機的物理實體。硬件軟件數(shù)據(jù)包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等，是計算機的程序和數(shù)據(jù)。表示計算機處理的信息，可以是數(shù)字、文字、圖像、聲音等形式。030201計算機系統(tǒng)的基本組成包括各種物理設(shè)備和組件，如中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。硬件層包括操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序等，用于管理和控制硬件資源。系統(tǒng)軟件層包括各種應(yīng)用程序，如辦公軟件、游戲等，用于實現(xiàn)特定的功能和任務(wù)。應(yīng)用軟件層計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程電子管計算機，出現(xiàn)于20世紀40年代，主要用于軍事和科學研究領(lǐng)域。晶體管計算機，出現(xiàn)于20世紀50年代，開始應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。集成電路計算機，出現(xiàn)于20世紀60年代，開始應(yīng)用于個人和家庭領(lǐng)域。大規(guī)模集成電路計算機，出現(xiàn)于20世紀70年代，成為現(xiàn)代計算機的主流形式。第一代計算機第二代計算機第三代計算機第四代計算機02數(shù)字邏輯基礎(chǔ)數(shù)字電路用于處理數(shù)字信號的電路，由邏輯門電路組成，具有高可靠性和高穩(wěn)定性。數(shù)字信號由離散的二進制數(shù)表示的信息信號，具有離散性和不連續(xù)性。數(shù)字電路分類組合邏輯電路和時序邏輯電路。數(shù)字信號與數(shù)字電路二進制十進制十六進制數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制與數(shù)制轉(zhuǎn)換01020304基數(shù)為2，僅包含0和1兩種數(shù)碼。人們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)制，基數(shù)為10，包含0-9共10種數(shù)碼。基數(shù)為16，包含0-9和A-F共16種數(shù)碼。不同數(shù)制之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換，如二進制轉(zhuǎn)十進制、十進制轉(zhuǎn)二進制等。用于描述邏輯關(guān)系的數(shù)學分支，主要研究邏輯函數(shù)及其運算。邏輯代數(shù)與運算、或運算、非運算等?；具壿嬤\算實現(xiàn)基本邏輯運算的電路，如與門、或門、非門等。邏輯門電路邏輯代數(shù)與邏輯門電路

組合邏輯電路的分析與設(shè)計組合邏輯電路由邏輯門電路組成的電路，輸入和輸出之間沒有反饋。組合邏輯電路分析根據(jù)給定的邏輯電路圖，分析其邏輯功能的過程。組合邏輯電路設(shè)計根據(jù)給定的邏輯功能，設(shè)計出相應(yīng)的組合邏輯電路的過程。03計算機中的數(shù)據(jù)表示將數(shù)用二進制形式表示，包括整數(shù)、實數(shù)等。數(shù)的二進制表示將字符集中的每個字符與一個二進制代碼相對應(yīng)，如ASCII碼。字符編碼將漢字與一個二進制代碼相對應(yīng)，如GB2312、GBK和UTF-8等。漢字編碼將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制形式，如JPEG、PNG等。圖像編碼數(shù)據(jù)的表示方法與編碼浮點數(shù)表示法將小數(shù)點用指數(shù)表示，分為階碼和尾數(shù)兩部分。定點數(shù)與浮點數(shù)的優(yōu)缺點定點數(shù)運算簡單但精度有限，浮點數(shù)精度高但運算復(fù)雜。定點數(shù)表示法將小數(shù)點固定在數(shù)的某一位之后，用整數(shù)表示小數(shù)。定點數(shù)與浮點數(shù)的表示用二進制0和1表示邏輯值，如AND、OR、NOT等。布爾邏輯用字符編碼表示文本數(shù)據(jù)。字符串用二進制代碼表示存儲單元或外設(shè)的地址。地址碼用二進制代碼表示操作碼或指令碼。符號碼非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示03循環(huán)冗余校驗（CRC）利用模2除法進行校驗，可以檢測出所有一位錯和大部分多位錯。01奇偶校驗通過增加一位校驗位使得整個數(shù)據(jù)中1的個數(shù)為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗）。02海明碼校驗通過增加多個校驗位，使得各個數(shù)據(jù)位的校驗結(jié)果相互獨立。數(shù)據(jù)的校驗方法04運算方法與運算器二進制加法運算的基本規(guī)則是“逢二進一”，即當兩個二進制位相加的和大于等于2時，要向高位進位。加法運算二進制減法運算的基本規(guī)則是“借一當二”，即當兩個二進制位相減的差小于0時，要向高位借位。減法運算二進制乘法運算的基本規(guī)則是“左移相加”，即將被乘數(shù)左移若干位，再與乘數(shù)相加。乘法運算二進制除法運算的基本規(guī)則是“左移相減”，即將被除數(shù)左移若干位，再與除數(shù)相減。除法運算基本運算方法與運算器設(shè)計定點數(shù)的表示定點數(shù)采用固定小數(shù)點位置的方式表示，通常采用補碼表示法。定點運算器的執(zhí)行方式定點運算器按照先乘除后加減的順序執(zhí)行運算，同時需要考慮溢出和舍入處理。定點運算器的基本組成定點運算器主要由加法器、減法器、乘法器和除法器等基本運算單元組成。定點運算器的組成與工作原理浮點數(shù)采用指數(shù)和尾數(shù)的方式表示，通常采用IEEE754標準。浮點數(shù)的表示浮點運算包括加法、減法、乘法和除法等基本運算，需要考慮精度和溢出等問題。浮點運算方法浮點運算器主要由指數(shù)計算單元、尾數(shù)計算單元和控制單元等組成。浮點運算器的組成浮點運算方法與浮點運算器吞吐能力是指運算器在單位時間內(nèi)能夠完成的最大運算次數(shù)，是衡量運算器性能的重要指標之一。吞吐能力精度速度功耗精度是指運算器在進行數(shù)值計算時的誤差范圍，高精度的運算器能夠提供更準確的計算結(jié)果。速度是指運算器在進行數(shù)值計算時的快慢程度，高速的運算器能夠提高程序的執(zhí)行效率。功耗是指運算器在進行數(shù)值計算時的能耗大小，低功耗的運算器能夠降低設(shè)備的能耗和散熱成本。運算器的性能指標與優(yōu)化設(shè)計05指令系統(tǒng)與尋址方式指令由操作碼和地址碼組成，操作碼指定操作類型，地址碼指定操作數(shù)地址。指令格式根據(jù)指令的操作數(shù)個數(shù)，可以分為單操作數(shù)指令和雙操作數(shù)指令；根據(jù)指令的執(zhí)行周期，可以分為單周期指令和多周期指令。指令類型指令格式與指令類型根據(jù)指令中地址碼的個數(shù)和形式，可以分為直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、基址尋址和變址尋址等。根據(jù)尋址方式和數(shù)據(jù)類型，可以計算出操作數(shù)的有效地址，從而確定操作數(shù)的值。尋址方式與有效地址計算有效地址計算尋址方式指令的執(zhí)行過程包括取指、分析和執(zhí)行三個階段，其中分析階段包括取操作碼和取操作數(shù)地址，執(zhí)行階段包括形成有效地址和執(zhí)行指令。指令的執(zhí)行過程一條指令的執(zhí)行需要一個或多個機器周期來完成，每個機器周期由若干個時鐘周期組成。根據(jù)指令類型的不同，指令周期的長度也不同。指令周期指令的執(zhí)行過程與周期RISC精簡指令集計算機采用簡單指令集，強調(diào)優(yōu)化指令系統(tǒng)，提高指令執(zhí)行速度。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計、功耗低、性能高。CISC復(fù)雜指令集計算機采用復(fù)雜指令集，強調(diào)提供豐富的指令集，滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。其優(yōu)點是功能強大、適用性強、易于編程。精簡指令集計算機（RISC）與復(fù)雜指令集計算機（CISC）06中央處理器（CPU）CPU的功能與組成組成控制器運算器、控制器、寄存器。產(chǎn)生控制信號，協(xié)調(diào)各部件工作。功能運算器寄存器指令控制、操作控制、數(shù)據(jù)運算和傳輸。執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。存儲操作數(shù)和中間結(jié)果，以及指令。指令流水線將指令執(zhí)行過程劃分為多個階段，每個階段執(zhí)行一個功能，實現(xiàn)并行處理。超標量技術(shù)在一條指令執(zhí)行過程中，使用多個操作數(shù)和多個執(zhí)行單元，提高指令執(zhí)行速度。指令流水線與超標量技術(shù)主頻、字長、指令集、緩存容量等。CPU的性能指標與評價方法性能指標CPU每秒鐘執(zhí)行的時鐘周期數(shù)。主頻CPU一次能處理的二進制位數(shù)。字長CPU所能執(zhí)行的