计算机组成原理笔记-持续更新

最新推荐文章于 2022-06-30 22:34:26 发布

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本文详细介绍了计算机系统的发展历程，包括硬件的四个时代和现代发展趋势。阐述了冯诺依曼结构的基本组成，如运算器、控制器、主存储器，并解释了它们的功能。此外，讨论了计算机性能指标，如存储器性能和CPU性能，并提及了数据表示与运算的相关概念，如进位制、BCD码和字符编码。最后，提到了错误检测和校验码的概念，如奇偶校验和海明码。

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计算机系统概述

计算机的发展

计算机系统=硬件（CPU、外设）+软件（系统软件、应用软件）
计算机硬件的发展：1、电子管时代。2、晶体管时代。3、中、小规模集成电路时代。4、大规模、超大规模集成电路。
计算机目前的发展趋势：更微型，多用途。更巨型，超高速。

计算机硬件的基本组成

计算机的五大部件，输入输出设备（数据的输入输出）、主存储器（存储数据和程序）、运算器（算术运算、逻辑运算）、控制器（指挥各个部件，使程序运行）
早期冯洛伊曼结构
冯洛伊曼计算机的特点：1、计算机由五大部件组成。2、指令和数据以同等地位存储在主存储器中可以通过地址寻访。3、指令和数据用二进制表示。4、指令由操作码和地址码组成。5、存储程序。6、以运算器为中心。
现代计算机结构
现代计算机以存储器为中心，CPU=运算器+控制器。

计算机各个硬件部件

主存储器

主存储器由存储体（存放数据，由很对个存储单元组成）、MDR（存储数据寄存器）、MAR（存储地址寄存器）
MAR的位数反映存储单元的个数，MDR的位数=存储字长。
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码。存储字：存储单元中二进制代码的组合。存储字长：存储单元中二进制代码的位数。存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit。

运算器

运算器用于实现算术运算和逻辑运算。
10.运算器由 ACC（累加器，存放操作数或运算结果）、MQ（乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数和结果）、X（通用操作数寄存器，用于存放操作数）、ALU（算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算）

控制器

控制器由CU（控制单元，分析指令，给出控制信号）、IR（指令寄存器，存放当前执行的指令）、PC（程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1的功能）组成
完成一条指令：取指令（PC）、分析指令（IR）、执行指令（CU）

例子

高级语言
Int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main(){
y=a*b+c
}

编译成为机器能懂的机器语言
在这里插入图片描述
机器执行程序过程

在这里插入图片描述

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构（从底到顶）：微程序机器（微指令系统，由硬件直接执行微指令）、传统机器（用机器语言的机器，执行二进制机器指令）、虚拟机器（操作系统机器，向上提供“广义指令”（系统调用））、虚拟机器（汇编语言机器，用汇编程序翻译成机器语言程序）、虚拟机器（高级语言机器，用编译程序翻译成汇编语言程序）。后三层属于软件，前两层属于硬件。在计算机系统的层次结构中，下层是上层的基础，上层是下层的扩散。
三个级别的语言：高级语言、汇编语言、机器语言。
编译程序：将高级语言一次性全部编译成机器语言，一次执行。
解释程序：将高级语言一句一句的翻译成机器语言，翻译一句执行一句。

计算机的性能指标

存储器性能指标

存储器的性能指标：MAR（MAR的位数反映存储单元的个数，最大为多少）、MDR（MDR的位数=存储字长=每个存储单元的大小）。
存储器的总容量=存储单元的个数*存储单元的字长（bit）=存储单元的个数 *存储单元字长/8(Byte)
计算需要的内容

CPU性能指标

CPU主频（时钟频率，1秒多少个时钟周期）=1/CPU时钟周期
CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令需要的时钟周期数。
执行一条指令的耗时=CPI*CPU时钟周期
CPU执行时间（整个程序耗时）=CPU时钟周期数/主频=（指令条数*CPI）/主频
（K\M）IPS（Instructions Per Second）：每秒执行多少指令，IPS=主频/平均CPI
（K\M\G\T）FLOPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算。
## 系统整体的性能指标
数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数，各个硬件部件通过数据中线传输数据。
吞吐量：指数据在单位时间能处理请求的数量
响应时间：用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出相应并获得它所需要的时间。

计算机整体性能指标（动态测试）

基准程序：是用来测量计算机处理速度的一种实用程序，以便于被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其他计算机性能进行比较。
与计算机性能有关的几个问题

数据的表示和运算

进位制、BCD码、字符与字符串

进位制

常用的几种进制：十进制（d）、二进制（b）、八进制（O）、十六进制（h）。
十进制转二进制：十进制数整数部分除二取余，直到被除数比二小。先获得的余数为低位。十进制小数部分乘二取整，直到小数部分为零。（可能会有取不尽的时候，小数转换成二进制可能会缺失精度）先产生的位为高位。
二进制转八进制：三位一读，不够的补零。
二进制转十六进制：四位一读，不够补零。
其他进制转十进制：系数*相应进制的权值求和
真值和机器数：真值，实际带正负号的数值。机器数，把正负号数值化的数。一般0表示正，1表示负。

BCD码

BCD码的种类：8421码、余三码、2421码
用8421码表示的十进制数做加法，结果不在8421码的映射范围则加上0110。
余三码的映射是在8421码的基础上每个加0011。
2421码表示的0-4，第一位都是0，表示的5-9，第一位都是1。

字符与字符串

英文字符-ASCII码（128）：0-31、127为控制、通信字符。32-126为可印刷字符，也就是日常使用的字符。
ASCII码常见分布：数字，48（0011 0000）-57（0011 1001），高四位为0011，低四位为0-9的8421码。大写字母：65（0100 0001）-90（0101 1010），前三位为010，后五位为1-26的8421码。小写字母：97（0110 0001）-122（0111 1010），前三位为011，后五位为1-26的8421码。
相关例题
汉字的表示和编码：GB2312-80（7445），区位码，有94个区，每个区有94个位置。区号和位号组成的有序数对存放一个汉字。国标码：为了防止与ASCII码的控制和通信字符产生冲突，将区位码的区、位上各加上20H。汉字机内码：为了不与ASCII码的其他字母、数字字符产生冲突，在国标码的基础上在区、位上各加80H。