计算机系统基础知识-中央处理单元及数据表示

概述

  计算机基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。计算器、控制器等部件被集成在一起称之为中央处理单元（即CPU）。
  CPU是硬件系统的核心，用于数据加工处理。能完成各种算术、逻辑运算及控制功能。
  存储器是计算器系统中的记忆设备，分为内部存储器和外部存储器。前者速度高、容量小，一般用于临时存储程序、数据及中间结果。而后者容量大、速度慢，可以长期保存程序和数据。
  输入设备和输出设备统称为外部设备（简称外设），输入设备用于输入原始数据及各种命令，而输出设备则用于输出计算器运行的结果。

中央处理单元

CPU的功能

  (1)程序控制
  (2)操作控制
  (3)时间控制
  (4)数据处理。数据加工处理是CPU最根本的任务
  此外，CPU还需要对系统内部和外部的中断(异常)做出响应，进行相应的处理。

CPU的组成

  CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等组成。

1.运算器

  运算器由算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成。它是数据加工处理部件，用于完成计算机的各种算术和逻辑运算。计算器进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。
  运算器的功能主要有：
  (1)执行所有的算术运算，例如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。
  (2)执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，例如与、或、非、零值测试或两个值的比较等
  运算器各部件的主要功能：
  (1)算术逻辑单元（ALU）。负责处理数据，实现对数据的逻辑运算和算术运算。
  (2)累加寄存器（AC）。AC通常简称为累加器。其功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。运算的结果是存放在累加器中的，运算器中至少要有一个累加寄存器。
  (3)数据缓冲寄存器（DR）。DR的主要作用有：
    作用一：作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站。
    作用二：作为CPU和内存、外围设备在操作速度上的缓冲。
    作用三：在单累加器结果的运算器中，还可以作为操作数寄存器。
  (4)状态条件寄存器(PSW)：
  PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条码内容，主要分为状态标志和控制标志。例如运算结果进位标志©、运算结果溢出标志(V)、运算结果为0标志(Z)、运算结果为负标志(N)、中断标志(I)、方向标志(D)和单步标志等.这些标志分别由一位触发器保存，保存了当前指令执行完成之后的状态。通常，一个算术产生一个运算结果，而一个逻辑操作产生一个判决。

2.控制器

  控制器用于控制整个CPU的工作，它决定了计算器运行过程中的自动化。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分。
  指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作，其过程分为取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等步骤。
（1）指令寄存器(IR)。暂存CPU执行的指令。指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。
（2）程序计数器(PC)。PC具有寄存信息和计数两种功能，又称为指令计数器。程序的执行分两种情况，一是顺序执行，二是转移执行。
（3）地址寄存器(AR)。AR保存当前CPU 所访问的内存单元的地址。
（4）指令译码器(ID)。指令包含操作码和地址码两部分。指令译码器是对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。
  时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
  总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。
  中断逻辑用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理。

3.寄存器组

  寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器，其作用的是固定的。通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，其数目因处理器不同而有所差异。

多核CPU

CPU的主要厂商有AMD和Intel。AMD是将两个内核做在一个Die(晶元)上，通过直连架构连接起来，集成度更高。Intel则是将不同核心上的两个内核封装在一起，因此将Intel的方案称为“双芯”，将AMD的方案称为“双核”。
多核CPU系统的最大优点（也是开发的主要目的）是可满足用户同时进行多任务处理的要求。
单核CPU多线程CPU是交替地转换执行多个任务，只不过交替转换的时间很短，用户一般感觉不出来。如果同时执行的任务太多，就会感觉到“慢”或者“卡”。
虽然采用了Intel超线程技术的单核可以视为是双核，4核可以视为是8核。然而视为是8和一般比不上实际是8核的CPU性能。

数据表示

  各种数值在计算机中的表示形式称为机器数。其特点是采用二进制计数制，数的符号用0和1表示，小数点则隐含，表示不占位置。机器数对应的实际数值称为数的真值。
  机器数有无符号数和带符号数之分。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位，对于无符号数，如果约定的小数点位置在机器数的最低位之后，则是纯整数。如果约定的小数点位置在最高位之前，则是纯小数。对于带符号数，机器数的最高位表示是正、负的符号位，其余位则表示数值。

1.原码、反码、补码和移码

（1）原码表示法。最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，其余的n-1位表示数值的绝对值。
（2）反码表示法。最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反。
（3）补码表示法。最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末位加1。
（4）移码表示法。移码表示法是在数X上增加一个偏移量来定义的，常用于表示浮点数中的阶码。

2.定点数和浮点数

（1）定点数
所谓定点数，就是小数点位置固定不变的数。小数点的位置通常是有两种约定方式：定点整数（纯整数，小数点在最低有效数值位之后）和定点小数（纯小数，小数位在最高有效数值为之前）
（2）浮点数
浮点数是小数点位置不固定的数，它能表示更大范围的数。
浮点数所能表示的数值范围主要由阶码决定，所表示数值的精度则由尾数决定