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計算機組成原理概述(part1)計算機系統(tǒng)基本概念數(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)與尋址方式計算機系統(tǒng)基本概念01計算機是一種能自動、高速、精確地進行信息處理的電子設(shè)備。它采用存儲程序控制方式,由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。定義根據(jù)運算速度、輸入/輸出能力、數(shù)據(jù)存儲量、指令系統(tǒng)規(guī)模和機器價格等因素,可將計算機劃分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機等6類。分類計算機的定義與分類計算機系統(tǒng)的組成包括中央處理器(CPU)、內(nèi)存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和總線等部分。其中,CPU是計算機的核心部件,負(fù)責(zé)執(zhí)行程序中的指令;內(nèi)存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù);輸入設(shè)備用于將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機能識別的二進制代碼;輸出設(shè)備則將計算機處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們能接受的形式;總線用于連接各個部件,實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。硬件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件是計算機的基本軟件,負(fù)責(zé)管理計算機的硬件和軟件資源,為應(yīng)用軟件提供支持和服務(wù);應(yīng)用軟件是為解決各種實際問題而設(shè)計的程序,它利用系統(tǒng)軟件提供的資源和服務(wù),完成特定的任務(wù)。軟件系統(tǒng)存儲程序控制計算機采用存儲程序控制方式,即把程序和數(shù)據(jù)一起存放在內(nèi)存中,由CPU按照程序的要求逐條取出指令并執(zhí)行。這種方式實現(xiàn)了自動、連續(xù)地執(zhí)行程序,提高了計算機的運算速度和效率。二進制運算計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)制進行運算和存儲。二進制數(shù)只有兩個數(shù)碼0和1,簡化了計算機內(nèi)部電路的設(shè)計和實現(xiàn)。同時,二進制數(shù)易于進行邏輯運算和轉(zhuǎn)換,有利于提高計算機的運算速度和可靠性。指令系統(tǒng)計算機的指令系統(tǒng)是一組規(guī)定計算機執(zhí)行各種基本操作的命令集合。每條指令都包含操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼指出該指令要執(zhí)行的操作類型,操作數(shù)則指出參與操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的地址。通過執(zhí)行一系列的指令,計算機可以完成各種復(fù)雜的任務(wù)。計算機的工作原理數(shù)字邏輯基礎(chǔ)02十進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制與編碼日常生活中使用最廣泛的數(shù)制,基數(shù)為10,采用0-9共10個數(shù)字表示。一種簡化二進制表示的方法,基數(shù)為16,采用0-9和A-F共16個數(shù)字表示。計算機內(nèi)部采用的數(shù)制,基數(shù)為2,采用0和1兩個數(shù)字表示。不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換方法,如二進制與十進制、十六進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換。邏輯變量與邏輯函數(shù)邏輯代數(shù)中的基本元素,邏輯變量只有0和1兩種取值,邏輯函數(shù)描述輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系?;具壿嬤\算包括與(AND)、或(OR)、非(NOT)三種基本運算。復(fù)合邏輯運算由基本邏輯運算組合而成的復(fù)雜邏輯運算,如與非、或非、異或等。邏輯代數(shù)基礎(chǔ)030201實現(xiàn)邏輯與運算的電路,當(dāng)所有輸入都為1時輸出為1,否則輸出為0。與門(ANDgate)或門(ORgate)非門(NOTgate)復(fù)合門電路實現(xiàn)邏輯或運算的電路,當(dāng)至少一個輸入為1時輸出為1,否則輸出為0。實現(xiàn)邏輯非運算的電路,將輸入取反后輸出。由基本門電路組合而成的復(fù)雜門電路,如與非門、或非門等。邏輯門電路計算機中的數(shù)據(jù)表示03使用固定的小數(shù)點位置來表示數(shù)值,分為定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種。定點數(shù)表示法浮點數(shù)表示法十進制數(shù)表示法使用科學(xué)計數(shù)法表示數(shù)值,即尾數(shù)和指數(shù)的形式,可以表示更大范圍和更高精度的數(shù)值。使用0~9十個數(shù)字來表示數(shù)值,計算機內(nèi)部通常使用二進制編碼十進制(BCD)碼來表示。030201數(shù)值數(shù)據(jù)的表示使用ASCII碼或Unicode等字符編碼標(biāo)準(zhǔn)來表示字符數(shù)據(jù)。字符數(shù)據(jù)表示法使用0和1兩個數(shù)字來表示邏輯值“真”和“假”或“是”和“否”。邏輯數(shù)據(jù)表示法使用像素陣列或波形采樣等方式來表示圖像和音頻數(shù)據(jù)。圖像和音頻數(shù)據(jù)表示法非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)校驗方法通過在數(shù)據(jù)位后面添加一位校驗位,使得整個數(shù)據(jù)(包括校驗位)中1的個數(shù)為偶數(shù)(偶校驗)或奇數(shù)(奇校驗)。海明校驗法通過在數(shù)據(jù)位中插入多個校驗位,并設(shè)置它們的值以使得整個數(shù)據(jù)位和校驗位的特定組合滿足某種關(guān)系,從而檢測出多位錯誤。循環(huán)冗余校驗法(CRC)通過在數(shù)據(jù)后面添加一段校驗碼,使得整個數(shù)據(jù)(包括校驗碼)可以被某個預(yù)定義的生成多項式整除,從而檢測出數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。奇偶校驗法運算方法與運算器04定點數(shù)是指小數(shù)點位置固定不變的數(shù),通常分為定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種表示方法。在計算機中,定點數(shù)一般采用補碼形式表示。定點數(shù)的表示方法定點數(shù)的加減運算與普通算術(shù)運算類似,需要注意的是溢出和符號位的處理。定點數(shù)的加減運算定點數(shù)的乘除運算相對復(fù)雜,需要采用特定的算法來實現(xiàn),如原碼一位乘法、補碼一位乘法、原碼加減交替除法和補碼加減交替除法等。定點數(shù)的乘除運算定點數(shù)的表示與運算浮點數(shù)的表示方法浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可以變動的數(shù),通常由尾數(shù)和階碼兩部分組成。在計算機中,浮點數(shù)一般采用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)表示。浮點數(shù)的加減運算浮點數(shù)的加減運算需要對階、尾數(shù)相加減、規(guī)格化和舍入等步驟。浮點數(shù)的乘除運算浮點數(shù)的乘除運算相對簡單,只需要對階碼和尾數(shù)分別進行乘除運算即可。010203浮點數(shù)的表示與運算運算器的組成運算器是計算機中執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算的部件,主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)、寄存器組和控制邏輯等部分組成。要點一要點二運算器的工作原理運算器的工作原理可以概括為取指、分析和執(zhí)行三個階段。在取指階段,控制器從存儲器中取出指令并放入指令寄存器;在分析階段,控制器對指令進行譯碼,確定操作數(shù)的地址和操作性質(zhì);在執(zhí)行階段,控制器根據(jù)分析結(jié)果向ALU發(fā)出相應(yīng)的控制信號,ALU則根據(jù)控制信號執(zhí)行相應(yīng)的算術(shù)或邏輯操作,并將結(jié)果存入寄存器或送回存儲器。運算器的組成與工作原理指令系統(tǒng)與尋址方式05指令格式計算機指令由操作碼和操作數(shù)組成,操作碼指明操作的性質(zhì),如加、減、乘、除等,操作數(shù)則是操作的對象,可以是寄存器、內(nèi)存單元或立即數(shù)等。尋址方式尋址方式是指確定操作數(shù)有效地址的方式,它與指令系統(tǒng)中的地址碼字段密切相關(guān)。不同的尋址方式對應(yīng)著不同的地址碼字段格式以及不同的尋址空間大小。指令格式與尋址方式概述當(dāng)CPU執(zhí)行一條指令時,首先需要根據(jù)指令中的地址碼字段找到操作數(shù)的有效地址,然后根據(jù)該地址從內(nèi)存或寄存器中取出操作數(shù)進行運算。指令的尋址過程在指令執(zhí)行過程中,數(shù)據(jù)可以在CPU內(nèi)部寄存器之間、CPU與內(nèi)存之間以及CPU與I/O設(shè)備之間進行傳送。常見的數(shù)據(jù)傳送方式包括寄存器間傳送、寄存器與內(nèi)存間傳送以及內(nèi)存與I/O設(shè)備間傳送等。數(shù)據(jù)傳送方式指令的尋址過程與數(shù)據(jù)傳送方式0102立即尋址操作數(shù)就在指令中,緊跟在操作碼后面,作為指令一部分存放在內(nèi)存的代碼段中,該操作數(shù)為立即數(shù),這種尋址方式稱為立即尋址方式。其特點是存取速度快,但使用范圍受到限制。直接尋址存儲單元的有效地址EA(即操作數(shù)的有效地址)直接由指令給出。其特點是簡單直觀,但操作數(shù)的地址不易修改。間接尋址操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址通過存儲器間接給出。其特點是便于編制程序時修改地址,適用于數(shù)組元素和循環(huán)程序的操

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