计算机组成原理笔记整理

计算机组成原理

第一章 计算机系统概述

1.1 计算机的基本概念

电子计算机是一种可以存储程序,并且通过执行程序指令,可以自动,高速,精确地对数字信息进行各种复杂处理,然后输出运算结果的高科技智能电子设备。

5个逻辑模块:
输入设备 存储器 输出设备 运算器 控制器
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(如今运算器和控制器已集成在CPU中)

1.1.1 信息的数字化表示

  1. 在计算机中用数字代码(二进制代码)表示各种信息
  2. 在物理机制上用数字信号(数字型电信号)表示数字代码
  3. 信息数字化表示的优点:(1)物理上易实现信息的表示与存储(2)抗干扰能力强,可靠性高(3)数值表示范围大,精度高(4)可表示的信息类型广泛(5)能用数字逻辑技术进行处理

1.1.2 存储程序工作方式

  1. 编制程序
  2. 存储程序
  3. 自动,连续执行程序
  4. 输出结果

计算机的工作流程:
编写程序→输入程序→存储程序→转换为指令序列→执行指令→输出结果

1.1.3 计算机的分类

计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机数字计算机

特点:
模拟计算机:由模拟运算器件构成,处理在实践和数值上连续的模拟量(如:电压,电流等)
数字计算机:由数字逻辑器件构成,处理离散的数字量

其中数字计算机又可分为专用计算机通用计算机

按照系统规模和计算能力,也可以分为:巨型机(超算),大型机,小型机,微型机等,随着超大规模集成电路技术的不断发展,类型的划分会动态变化。

1.2 计算机的诞生和发展

计算机之父—冯·诺依曼
EDVAC(冯·诺依曼思想)
第一台严格意义上的电子计算机(ENIAC,宾夕法尼亚大学,1946.2)

1.2.1 冯·诺依曼体系

(1)用二进制代码表示程序和数据;
任何复杂运算和操作都转换成二进制代码表示的指令,数据也用二进制代码来表示
(2)采用存储程序的工作方式;
将程序和数据存储起来(存储程序),让计算机自动地执行指令,完成各种复杂的运算操作(核心思想)。
(3)新型的现代计算机硬件组成;
存储器,运算器,控制器,输入设备和输出设备

奠定了现代电子计算机的理论基础

1.2.2 计算机的发展历程

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1.2.3 未来的发展趋势

  1. 向巨型化方向
  2. 向微型化方向
  3. 向多媒体化方向
  4. 向网络化方向
  5. 向智能化方向

1.3 计算机系统的层次结构

硬件:是指构成计算机系统的实体和装置之类的有形设备,是组成计算机系统的物质基础。

软件:是指硬件所表达的各种内在信息,包括数据与控制程序。因为它们是无形的东西,所以称为软件或软设备。

1.3.1 计算机的硬件系统组成

1.硬件系统的基本组成模型

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主要功能部件:
(1)CPU,主要由运算器,控制器等部件组成

  • 运算器
    • 功能:完成两类(算术和逻辑)运算
    • 组成特点:
      • 主要有ALU(算术逻辑单元)构成,执行算术,逻辑运算以及移位循环等操作,是CPU功能的主要执行部件
      • ALU以全加器为核心,具有多种运算功能
      • 运算的位数越多,计算精度就越高,但期间也更复杂
      • 运算器的数据宽度一般是:8/16/32/64位
  • 控制器
    • 功能:产生控制命令(微命令),控制全机操作
    • 基本组成:laEWrD.png
      (2)存储器,存储数据和数字化后的程序
  • 存储单元
  • 地址
  • 存储容量
  • 内存储器(主存)
  • 外存储器(辅存)
    (3)输入输出设备
    (4)总线:能为多个部件分时共享的一组信息传送通路
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 控制总线
    (5)接口,具有缓冲,转换,连接的功能的部件

2.计算机硬件的典型架构
(1)微型计算机:南-北桥架构
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(2)小型计算机:多处理器架构
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(3)超级计算机(超算):集群式架构
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(4)多处理机系统结构:用多处理器CPU构成
根据处理器之间连接的紧密程度,又分为:①紧密耦合型多机系统②松散耦合型多机系统

1.3.2 软件系统

  1. 软件类别:系统程序应用程序
    (1)系统程序:负责系统调度管理,提供运行和开发环境,各种服务,确保系统运行良好
    (2)应用程序:利用计算机来解决应用问题所编制的程序,如工程设计程序,数据处理程序,自动控制程序,企业管理程序,情报检索程序,科学计算程序等等

1.3.3 硬,软件系统层次结构

计算机系统是一个由多层次的软件和硬件组成的系统,基本结构如下图所示:
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1.3.4 软件和硬件的逻辑等价性

  1. 软件的特点:易于实现各种逻辑与运算功能,但是常受到速度指标和软件容量的制约

  2. 硬件的特点:可以高速实现逻辑和运算的功能,但是难以实现复杂功能或计算,受到控制复杂性指标的制约

计算机中的软件,理论上都可以“固化”或“硬化”成硬件,以提高执行速度

1.4 计算机系统的性能指标

1.基本字长
(1)指一次数据操作的基本位数
(2)会影响计算的精度,指令的功能
2.外频
外频:外部频率或基频,也叫系统时钟频率
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3.常用的CPU性能指标
(1)CPU的主频=外频✖倍频系数
(2)IPS,每秒执行指令数
(3)CPI,每一个指令执行过程中所需的时钟周期数量;
(4)FLOPS,每秒执行浮点运算的次数
(5)CPU的功耗
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静态功耗是由于半导体电路自身的损耗造成的功耗

4.数据传输率
带宽=(位宽✖工作频率)/8(B/S)
物理含义:单位时间内数据的传输量。
注意:计算PCI-E总线的带宽时,一般还要考虑编码方式,单双工模式和通道路数等。
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5.存储器的容量
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第二章 数据的表示,运算与校验

2.1 数值及其相互转换

2.1.1 进位计数制

1.数值的基与权
在任一数制中,每一数位上允许使用的计数符号的个数被称为该数制的基数
每1位都对应1个表示该位在数码中的位置的值,这个值就称为数位的权值w。
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2.常用进位制:2进制,8进制,16进制
3.进制之间的转换