計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)資料市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)

計(jì)算機(jī)組成原理

復(fù)習(xí)資料-1DepartmentofComputerSciencesSunYat-senUniversity第1頁第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論本章關(guān)鍵點(diǎn):計(jì)算機(jī)劃代（器件）、分類（規(guī)?；蚬πВ┖蛻?yīng)用（桌面計(jì)算、服務(wù)器、嵌入式計(jì)算）依據(jù)；IC電路集成技術(shù)發(fā)展與計(jì)算機(jī)演變關(guān)聯(lián)（摩爾定律）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和實(shí)現(xiàn)（硬件、軟件、固件概念，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和虛擬機(jī)概念（結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)三者關(guān)聯(lián)；邏輯功效等效性、模擬與仿真等概念）第2頁本章關(guān)鍵點(diǎn):VonNeumann型計(jì)算機(jī)基本原理（存放程序控制）和特點(diǎn)（按地址訪問并次序執(zhí)行指令、二進(jìn)制運(yùn)算……）和組成框圖（以運(yùn)算器為中心演變成以存放器為中心）圖變遷個(gè)人電腦（PersonalComputer）普及運(yùn)算（PervasiveComputing）計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)：處理機(jī)字長、速度（吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、主頻、時(shí)鐘周期、存取周期、CPU執(zhí)行時(shí)間、每條指令周期數(shù)CPI、單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指令（MIPS、MFLOPS））、存放器容量以及帶寬（存放器帶寬、總線帶寬等）3第3頁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成（硬件部分）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。按照傳統(tǒng)劃分，硬件部分主要由運(yùn)算器、控制器、存放器、輸入部分和輸出部分組成；軟件部分則由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分組成。當(dāng)代計(jì)算機(jī)中將運(yùn)算器和控制器集成在一塊芯片上，稱為中央處理器（CPU），所以，通常認(rèn)為當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬件部分由CPU、存放器和輸入輸出系統(tǒng)組成。第4頁馮·諾依曼結(jié)構(gòu)存放程序計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)基本原理：存放程序控制基本特點(diǎn)：按地址訪問并次序執(zhí)行第5頁計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)用戶級(jí)高級(jí)語言級(jí)匯編語言級(jí)系統(tǒng)軟件級(jí)

機(jī)器級(jí)控制級(jí)數(shù)字邏輯級(jí)

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機(jī)虛擬機(jī)硬件固件硬件直接執(zhí)行Level0(門電路、電子線路)Level1(微程序或硬布線)Level2(指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level3(操作系統(tǒng)、庫代碼)Level4(匯編語言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)第6頁軟件與硬件邏輯功效等價(jià)性伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展和軟件硬化趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得含糊了任何操作能夠由軟件來實(shí)現(xiàn)，也能夠由硬件來實(shí)現(xiàn)；任何指令執(zhí)行能夠由硬件完成，也能夠由軟件來完成對(duì)于某一功效采取硬件方案還是軟件方案，取決于器件價(jià)格、速度、可靠性、存放容量、變更周期等軟件特點(diǎn)

易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功效，不過常受到速度指標(biāo)和軟件容量制約；硬件特點(diǎn)

能夠高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功效，不過難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功效或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)制約。第7頁系列機(jī):由同一廠家生產(chǎn)含有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但含有不一樣組成和實(shí)現(xiàn)一系列不一樣型號(hào)機(jī)器。很好地處理軟件開發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)快速發(fā)展矛盾。軟件可移植性：一個(gè)軟件能夠不經(jīng)修改或者只需少許修改就能夠由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上正確地運(yùn)行。差異只是執(zhí)行時(shí)間不一樣。我們稱這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)是軟件兼容。向上（下）兼容：按某檔機(jī)器編制程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔機(jī)器。向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)某種型號(hào)機(jī)器編制程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場(chǎng)機(jī)器。向后兼容是系列機(jī)根本特征。第8頁練習(xí)與思索題1.計(jì)算機(jī)中有兩股信息在流動(dòng)，它們分別是

和

。2.在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中，位于硬件之外全部層次統(tǒng)稱為

。3.在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中，實(shí)際機(jī)器向上延伸組成了各級(jí)虛擬機(jī)器，為何？4.計(jì)算機(jī)硬件和軟件在

是等效，在

上是不一樣。

5.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由

和

組成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。6.虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)有模擬和仿真兩種方法。實(shí)現(xiàn)方式有何不一樣？7.

同一軟件在不一樣計(jì)算機(jī)上運(yùn)行并得到相同結(jié)果，這種特征稱為（）8.

高檔機(jī)必須能兼容低級(jí)機(jī)程序運(yùn)行稱為（

）。9.

基于

原理VonNeumann型計(jì)算機(jī)工作方式基本特點(diǎn)是

。10.計(jì)算機(jī)存放器讀寫時(shí)間量級(jí)為（）。第9頁第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器本章關(guān)鍵點(diǎn):數(shù)制：進(jìn)位計(jì)數(shù)制、數(shù)轉(zhuǎn)換、機(jī)器數(shù)碼制：機(jī)器數(shù)編碼方法、字符編碼機(jī)器數(shù)加法和減法運(yùn)算溢出判斷和先行進(jìn)位定點(diǎn)加法器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)算邏運(yùn)算單元（ALU）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)第10頁本章關(guān)鍵點(diǎn)機(jī)器數(shù)乘法和除法運(yùn)算陣列運(yùn)算和實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算方法和浮點(diǎn)運(yùn)算器CRC編碼和海明編碼（可選）11第11頁輕易混同概念機(jī)器數(shù)（原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼）、機(jī)器零、真值傳統(tǒng)浮點(diǎn)數(shù)表示方法和規(guī)格化數(shù)向左規(guī)格化和向右規(guī)格化作用；移位概念和實(shí)現(xiàn)溢出及其判斷方法（單符號(hào)位、變形補(bǔ)碼）EEE754標(biāo)準(zhǔn)；區(qū)位碼與漢字內(nèi)碼轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)機(jī)器數(shù)四則運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算方法步驟提升乘法和除法運(yùn)算速度方法--陣列運(yùn)算ALU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（加減控制、溢出判斷、先行進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算）定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器組成框圖12第12頁32位單精度浮點(diǎn)數(shù)Ｅ：含階符階碼，8位階碼采取移碼方式來表示正負(fù)指數(shù)Ｓ：1位符號(hào)位0表示正數(shù)1表示負(fù)數(shù)Ｍ：尾數(shù)，23位小數(shù)表示，小數(shù)點(diǎn)放在尾數(shù)域最前面IEEE754標(biāo)準(zhǔn)第13頁64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)Ｅ：含階符階碼，11位Ｓ：1位符號(hào)位Ｍ：尾數(shù)，52位小數(shù)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)第14頁規(guī)格化表示標(biāo)準(zhǔn)尾數(shù)最高有效位為1，隱藏，而且隱藏在小數(shù)點(diǎn)左邊（即：1≤M＜2）32位單精度浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化表示 ｘ＝(-1)s×(1.Ｍ)×2E-127 e＝Ｅ－127（Ｅ＝e＋127）64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化表示 ｘ＝(-1)s×(1.Ｍ)×2E-1023 e＝Ｅ－1023（Ｅ＝e＋1023）指數(shù)真值e用偏移碼形式表示為階碼ＥIEEE754標(biāo)準(zhǔn)第15頁④X＝(-1)s×1.M×2e

＝＋(1.011011)×23

＝＋1011.011＝(11.375)10②指數(shù)e＝階碼－127＝10000010－01111111

＝00000011=(3)10③包含隱藏位1尾數(shù)1.M＝1.011011例1：浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)(41360000)16，求真值①十六進(jìn)制數(shù)展開成二進(jìn)制數(shù)01000001001101100000000000000000S階碼E(8位)尾數(shù)M(23位)第16頁例2：真值20.59375，求32位單精度浮點(diǎn)數(shù)①分別將整數(shù)和分?jǐn)?shù)部分轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)

20.59375＝10100.10011②移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)，使其在第1、2位之間10100.10011＝1.010010011×24e＝4S＝0E＝4+127＝131＝10000011M＝010010011③得到32位浮點(diǎn)數(shù)二進(jìn)制存放格式為：0

1000001101001001100000000000000＝(41A4C000)16第17頁18第18頁真值0機(jī)器數(shù)（機(jī)器零）階碼E＝0，尾數(shù)M＝0正0：S＝0，負(fù)0：S＝1非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)：階碼E＝0，尾數(shù)M≠0規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)：階碼E＝1～254（11111110）無窮大機(jī)器數(shù)階碼E＝全1（11111111），尾數(shù)M＝0＋∞：S＝0，－∞：S＝1NaN（notanumber，不是一個(gè)數(shù)）階碼E＝全1（11111111），尾數(shù)M≠0用來通知異常情況IEEE754標(biāo)準(zhǔn)32位單精度浮點(diǎn)數(shù)第19頁練習(xí)與思索1.何謂機(jī)器數(shù)？機(jī)器零和真值0有何不一樣。2.寫出真值-1補(bǔ)碼表示。3.機(jī)器數(shù)編碼表示中，原碼、補(bǔ)碼、反碼表示范圍有何不一樣？4.浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)為0，不論其階碼為何值，機(jī)器都把該浮點(diǎn)數(shù)看成

處理。5.浮點(diǎn)補(bǔ)碼二進(jìn)制加減運(yùn)算左規(guī)操作步驟是：尾數(shù)

移一位，階碼

，直至尾數(shù)部分出現(xiàn)

為止。6.在浮點(diǎn)補(bǔ)碼二進(jìn)制加減運(yùn)算中，當(dāng)尾數(shù)部分出現(xiàn)01.XX…X或10.XX…X時(shí)，須進(jìn)行

；當(dāng)尾數(shù)部分出現(xiàn)00.0X…X或11.1X…X時(shí)，需進(jìn)行

。7.浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)為0，不論其階碼為何值，機(jī)器都把該浮點(diǎn)數(shù)看成

處理。8.字符“2”ASCII碼是

，最高位引入偶校驗(yàn)，組成編碼是

。