計算機組成原理復(fù)習(xí)資料市公開課一等獎省賽課微課金獎

計算機組成原理

復(fù)習(xí)資料-1DepartmentofComputerSciencesSunYat-senUniversity第1頁第一章計算機系統(tǒng)概論本章關(guān)鍵點:計算機劃代（器件）、分類（規(guī)?；蚬πВ┖蛻?yīng)用（桌面計算、服務(wù)器、嵌入式計算）依據(jù)；IC電路集成技術(shù)發(fā)展與計算機演變關(guān)聯(lián)（摩爾定律）計算機系統(tǒng)組成和實現(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)）

計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和虛擬機概念（結(jié)構(gòu)、組成、實現(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:VonNeumann型計算機基本原理（存放程序控制）和特點（按地址訪問并次序執(zhí)行指令、二進制運算……）和組成框圖（以運算器為中心演變成以存放器為中心）圖變遷個人電腦（PersonalComputer）普及運算（PervasiveComputing）計算機性能指標：處理機字長、速度（吞吐量、響應(yīng)時間、主頻、時鐘周期、存取周期、CPU執(zhí)行時間、每條指令周期數(shù)CPI、單位時間內(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頁計算機系統(tǒng)組成（硬件部分）計算機系統(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)代計算機中將運算器和控制器集成在一塊芯片上，稱為中央處理器（CPU），所以，通常認為當(dāng)代計算機硬件部分由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)存放程序計算機結(jié)構(gòu)基本原理：存放程序控制基本特點：按地址訪問并次序執(zhí)行第5頁計算機層次結(jié)構(gòu)用戶級高級語言級匯編語言級系統(tǒng)軟件級

機器級控制級數(shù)字邏輯級

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機虛擬機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性伴隨大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展和軟件硬化趨勢，計算機系統(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現(xiàn)，也能夠由硬件來實現(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于某一功效采取硬件方案還是軟件方案，取決于器件價格、速度、可靠性、存放容量、變更周期等軟件特點

易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功效，不過常受到速度指標和軟件容量制約；硬件特點

能夠高速實現(xiàn)邏輯和運算功效，不過難以實現(xiàn)復(fù)雜功效或計算，受到控制復(fù)雜性指標制約。第7頁系列機: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現(xiàn)一系列不一樣型號機器。很好地處理軟件開發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)快速發(fā)展矛盾。軟件可移植性：一個軟件能夠不經(jīng)修改或者只需少許修改就能夠由一臺計算機移植到另一臺計算機上正確地運行。差異只是執(zhí)行時間不一樣。我們稱這兩臺計算機是軟件兼容。向上（下）兼容：按某檔機器編制程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔機器。向前（后）兼容：按某個時期投入市場某種型號機器編制程序，不加修改地就能運行于在它之前（后）投入市場機器。向后兼容是系列機根本特征。第8頁練習(xí)與思索題1.計算機中有兩股信息在流動，它們分別是

和

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

。3.在多級層次結(jié)構(gòu)中，實際機器向上延伸組成了各級虛擬機器，為何？4.計算機硬件和軟件在

是等效，在

上是不一樣。

5.計算機系統(tǒng)是一個由

和

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

同一軟件在不一樣計算機上運行并得到相同結(jié)果，這種特征稱為（）8.

高檔機必須能兼容低級機程序運行稱為（

）。9.

基于

原理VonNeumann型計算機工作方式基本特點是

。10.計算機存放器讀寫時間量級為（）。第9頁第二章運算方法和運算器本章關(guān)鍵點:數(shù)制：進位計數(shù)制、數(shù)轉(zhuǎn)換、機器數(shù)碼制：機器數(shù)編碼方法、字符編碼機器數(shù)加法和減法運算溢出判斷和先行進位定點加法器設(shè)計和實現(xiàn)算邏運算單元（ALU）設(shè)計和實現(xiàn)第10頁本章關(guān)鍵點機器數(shù)乘法和除法運算陣列運算和實現(xiàn)浮點運算方法和浮點運算器CRC編碼和海明編碼（可選）11第11頁輕易混同概念機器數(shù)（原碼、反碼、補碼、移碼）、機器零、真值傳統(tǒng)浮點數(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；移位概念和實現(xiàn)溢出及其判斷方法（單符號位、變形補碼）EEE754標準；區(qū)位碼與漢字內(nèi)碼轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)機器數(shù)四則運算浮點數(shù)運算方法步驟提升乘法和除法運算速度方法--陣列運算ALU設(shè)計與實現(xiàn)（加減控制、溢出判斷、先行進位算術(shù)運算和邏輯運算）定點運算器和浮點運算器組成框圖12第12頁32位單精度浮點數(shù)Ｅ：含階符階碼，8位階碼采取移碼方式來表示正負指數(shù)Ｓ：1位符號位0表示正數(shù)1表示負數(shù)Ｍ：尾數(shù)，23位小數(shù)表示，小數(shù)點放在尾數(shù)域最前面IEEE754標準第13頁64位雙精度浮點數(shù)Ｅ：含階符階碼，11位Ｓ：1位符號位Ｍ：尾數(shù)，52位小數(shù)IEEE754標準第14頁規(guī)格化表示標準尾數(shù)最高有效位為1，隱藏，而且隱藏在小數(shù)點左邊（即：1≤M＜2）32位單精度浮點數(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標準第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：浮點機器數(shù)(41360000)16，求真值①十六進制數(shù)展開成二進制數(shù)01000001001101100000000000000000S階碼E(8位)尾數(shù)M(23位)第16頁例2：真值20.59375，求32位單精度浮點數(shù)①分別將整數(shù)和分數(shù)部分轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)

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

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

處理。5.浮點補碼二進制加減運算左規(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.在浮點補碼二進制加減運算中，當(dāng)尾數(shù)部分出現(xiàn)01.XX…X或10.XX…X時，須進行

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

。7.浮點數(shù)尾數(shù)為0，不論其階碼為何值，機器都把該浮點數(shù)看成

處理。8.字符“2”ASCII碼是

，最高位引入偶校驗，組成編碼是

。