计算机组成与结构
2021-09-26 20:11:09 34 举报AI智能生成
计算机组成与结构是计算机科学的一个分支，主要研究计算机硬件系统的设计、实现和优化。它涉及到数字逻辑、微处理器设计、存储器体系结构、输入输出设备等多个方面。计算机组成与结构旨在理解计算机的基本工作原理，以便更好地设计和改进计算机硬件系统。通过学习计算机组成与结构，可以掌握计算机硬件系统的组成元素及其相互关系，了解各种指令集架构(ISA)、微处理器架构和存储器层次结构等基本概念。此外，还可以学习如何评估和比较不同计算机系统的性能，以及如何针对特定应用需求进行优化设计。总之，计算机组成与结构是一门重要的基础课程，对于从事计算机硬件设计和研发工作的人员具有很高的实用价值。
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大纲/内容
运算器
控制器
内存
内初存储器
硬盘
光盘
外部存储器
存储器
输入设备
输出设备
基本组成
计算机硬件组成
数据的算术和逻辑运算
算术逻辑单元ALU
运算结果和源操作数的存放区
累加寄存器AC
暂时存放内存的指令或数据
数据缓冲寄存器DR
保存指令运行结构的条件码内容
状态条件寄存器PSW
存放指令执行地址
程序计数器PC
存储即将执行CPU执行指令
指令寄存器IR
保存当前CPU所访问的内存地址
地址寄存器AR
分析指令操作码
指令编译码ID
寄存器
内部总线
单元组成
控制整个cpu的工作，包括程序控制、时序控制
算术运算逻辑运算
程序控制
操作控制
时间控制
数据处理
单元功能
CPU（central processing unit）
0b(二进制)
0x或H(十六进制)
表示方式
R进制整数转十进制
十进制转R进制
数据的进制转化
各种数值在计算机中表示的形式，其特点是使用二进制计数制，数的符号用0和1表示，小数点则隐含，不占位置
机器数
纯小数
纯整数
定点表示法
机器数对应的实际数值
真值
数的表示
一个数的正常二进制表示，最高位表示符号
原码
正数的反码即原码
负数的反码是在原码的基础上，除符号外，其他各位取反
反码
正数的补码即原码
负数的补码在原码的基础上，除符号位外，其他取反
补码
用作浮点运算的阶码，无论正数负数，都是将该原码的补码的收尾取反得到移码
移码
数的编码方式
十进制：85.123 = 0.85123*10^2
二进制：101.011=0.101011*2^3
N=F*2^E
对阶
尾数计算
结果规格化
浮点运算
浮点数表示
&
|
^
<<
>>
逻辑运算
算数运算
运算
数据表示
从A码到B码转换所需要改变的位数
码距
只能验错，无法纠错
奇偶检验码
循环冗余校验码CRC
海明校验码
校验码
计算机系统知识
平均无故障时间
平均故障修复时间
平均故障间隔时间
系统可用性
可靠性
Flynn分类法
决定完成的操作
操作码
参加运算的数据以其所在的单元地址
操作数
组成
取指令
分析指令
执行指令
过程
顺序寻址方式
跳跃寻址方式
指令寻址方式
立即寻址方式
直接寻址方式
间接寻址方式
寄存器寻址方式
其他寻址方式
指令操作数的寻址方式
复制指令系统
兼容性强
指令繁多
长度可变
由微程序实现
CISC
精简指令系统
指令少
通用寄存器
硬布线逻辑控制
依靠硬件实现
RISC
指令系统
将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段
流水线周期
流水线吞吐率
流水线加速比
超标量流水线技术
指令流水线
计算机指令
CPU内部
主存储器
联机磁盘存储器
脱机光盘，磁盘存储器
层次
Cache-主存
主存-辅存
两级存储
相邻的时间里会访问同一个数据项
时间局部性
相邻的空间地址会被连续访问
空间局部性
局部性原理
存储系统
在CPU运行时，所访问的数据会趋向一个较小的局部空间地址内
为了解决存储容量，成本和速度之间的矛盾问题
流水线执行时间
CPU和主存之间
容量小
速度为内存的5-10倍
半导体
拷贝副本
定义
直接映像
全相联映像
组组相连映像
地址映射
随机算法
先进先出
近期最少使用
最不经常使用页置换
Cache置换算法
Cache命中率
高速缓存Cache
主内存地址转为Cache存储器地址的方式（硬件自动完成）
主存编址
正反两面
每面同心圆
每个同心圆是一磁道
数据存放在扇区
每个同心圆划分多个扇区
结构
寻道时间+等待时间
存取时间
磁盘结构
芯片与处理器之间通信的总线
数据总线
平均定位时间+转动延迟
地址总线
控制总线
系统总线
USB
外部总线
总线结构
计算机体系结构
任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线
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