第一章——计算机组成原理与体系结构基础知识（6）

第一章 计算机组成原理与体系结构基础知识（6）

信息化世界是由计算机/手机通过计算机网络与其他的计算机/手机连接的，其中，计算机/手机由三部分组成，从底层到上层分别为机组(硬件)，操作系统，数据结构(软件)

硬件由cpu，内存，硬盘，主板等组成；计算机硬件唯一能识别的数据是二进制0/1，低电平表示0，高电平表示1

1.1 数据的标识

1.1.1 进制的转化

基于乘法思想的计数方法：975.36=9×10²+7×10¹+5×10⁰+3×10^-1+6×10^-2

(十六进制)5.8-->5×16⁰+8×16^-1 = (十进制)5.5

进位计数制：有0~9共10种符号，逢10进1

212	211	210	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	2-1	2-2	2-3
4096	2048	1024	512	256	128	64	32	16	8	4	2	1	0.5	0.25	0.125

• 二进制转为八进制：1111000010.01101 = 1702.32

从小数点开始3位一组：如果是二进制转为十六进制则4位一组

001	111	000	010	011	010
1	7	0	2.	3	2

• 八进制转为二进制：(251.5)₈ = (010101001.101)₂

2	5	1	5
010	101	001	101

• 十进制转为任意进制

短除法，一直除以2然后将余数倒着相加：94->1011110

1.1.2 原码反码补码移码

真值：符合人类习惯的数字
机器数：数字实际存到机器里的形式，正负号需要被数字化

为了方便机器数的运算，设计出原码、反码、补码、移码

15	1111	+15	0 1111
8	1000	-8	1 1000

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• 定点数
  • 无符号数
  • 有符号数
    • 原码
    • 反码
    • 补码
    • 移码

无符号数：整个机器字长的全部二进制位均为数值位，没有符号位，相当于数的绝对值。通常只有无符号整数，没有无符号小数

原码：用数值部分表示真值的绝对值，符号位0正1负
反码：若符号位为0，则反码与原码相同。若符号位为1，则数值位全部取反。
补码：正数的补码=原码。负数的补码=反码末位+1（需要考虑进位）
移码：补码的基础上将符号位取反。移码只能用于表示整数

若机器字长为n+1位，则数值部分(尾数)占n位；真值0有+0和-0两种形式

D十进制，H16进制，B二进制

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定点数：小数点的位置固定
浮点数：小数点的位置不固定

浮点数是小数点位置不固定的数，他能表示更大范围的数，浮点数的表示格式：|阶符|码阶|数符|尾数|；通常表示成N=M·R^E（M为尾数，R为基数，E为阶码）。阶码决定浮点数的数值范围、尾数决定浮点数的数值精度

常规计数：996.007

科学技术法：9.96007*10*10

小数点往前移1位就是×10¹，移动2位就是×10²

二进制的定点数、浮点数也类似：小数点往前移1位就是×2的1次方，移动2位就是×2的2次方

1.1.3 校验码—奇偶校验和循环冗余校验码（非重点）

奇偶校验是一种简单有效的校验方法，其基本思想是通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或者为偶数（偶校验），从而使码距变为2。对于奇校验，他可以检测代码中奇数位出错的编码，但不能发现偶数位出错的情况，即当合法编码中奇数位发生了错误，也就是编码中的1变成0或0变成1，则该编码中1的个数的奇偶性就发生了变化，从而可以发现错误

常用的奇偶校验码有三种：水平奇偶校验码，垂直奇偶校验码和水平垂直奇偶校验码。

海明码的构成方法是在数据位之间插入k个校验码，通过扩大码距来实现检错和纠错

设数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足以下关系：2^k-1 ≥ n+k

2017上边年上午试题5
已知数据信息为16位，最少应附加_位校验位，才能实现海明码纠错(5)

1.2 计算机体系结构

这里说的不明确，一个存储单元代表一个字节，字长代表字节长度，字节被组合成更大的存储单位，称为 字（word），主存储器就是内存，硬件指内存条

主存储器

运算器

控制器

Flynn分类法

1.3 指令系统

指令又称机器指令，是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位

一台计算机的所有指令的集合构成改机的指令系统，也称为指令集

指令格式：一条指令就是机器语言的一个语句，是一组有意义的二进制代码，一条指令通常包括操作码字段(OP)和地址码字段(A)两部分。分别对应操作和对谁的操作

停机中断	不需要操作对象
求反求补	需要一个操作对象
加减乘除	需要两个操作对象

寻址方式：

指令寻址：下一条欲执行指令的指令地址（始终由程序计数器PC给出）
数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址

• 立即寻址：操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这种操作数称为立即数。
• 寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。
• 直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址。
• 寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用S1、DI、BX和BP四个寄存器之一来指定。
• 寄存器相对寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)或变址寄存器(S1、DI)的内容和指令中的8位/16位偏移量之和。
• 基址加变址寻址方式：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器(BX.BP)和一个变址寄存器(S1、DI)的内容之和。
• 相对基址加变址寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器(BX.BP)的值、一个变址寄存器(S1、DI)的值和指令中的8位/16位偏移量之和。

两种指令系统：CISC(Complex)和RISC(Reduced)

	CISC	RISC
指令系统	复杂庞大	简单精简
指令数目	一般大于200条	一般小于100条

指令控制方式有顺序方式、重叠方式和流水方式三种。

流水方式是指并行性或并发性嵌入计算机系统里的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作。

在概念上，“流水”可以看成是“重叠”的延伸。差别仅在于“一次重叠”只是把一条指令解释分解为两个子过程，而“流水”则是分解为更多的子过程。

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流水线的吞吐率(Though Put rate，TP)是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。

计算流水线吞吐率的最基本的公式：

\[TP={指令条数\over 流水线执行时间} \]

流水线开始工作后须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。

若m个子过程所用时间一样，均为Δt₀，则建立时间

\[T~0~=m×Δt~0~ \]

完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比。

计算流水线加速比的基本公式：

\[S={不使用流水线执行时间\over 使用流水线执行时间} \]

1.4 存储系统

1.5 总线系统

1.6 输入输出技术

1.7 可靠性