计算机组成与原理

完整的计算机系统由硬件（hardware）和软件（software）两大部分（两类资源）组成。

第0层：数字逻辑层

第1层：微体系结构（micro architecture）层

第2层：指令系统（instruction set）层

第3层：操作系统（operating system）层。

第4层：汇编语言（assembly language）层

第5层：高级语言层

运算器是对数字信息进行加工处理的部件，它用来对二进制的数据进行算术运算与逻辑运算，故称“算术逻辑运算部件（ALU）”。运算器主要由寄存器和算术逻辑线路构成。寄存器用来存放数据，算术逻辑线路主要是完成各种运算功能。算术运算是指加、减、乘、除四则运算，而各种运算都可以归结为加法与移位两个基本操作，所以算术逻辑线路核心部分是加法器。

存储器是用来存放程序和数据的部件。

指示指令执行顺序的程序计数器（PC

寄存现行指令的指令寄存器（IR）

分析指令的指令译码器（ID）

产生控制命令序列的控制信号形成部件

输出设备

输入设备

数据总线

地址总线

控制总线

普遍的体系结构是由冯.诺依曼提出来的被称之为存储程序的计算机体系结构，早期计算机的几个部件是围绕着运算器部件来组织的

当前流行的计算机中，更常用的方案则是围绕着存储器部件来组织

字长是指参与运算的数的基本位数。它决定着寄存器、加法器、数据总线等部件的位数。因为指令和数据都存放在存储器中，字长与指令有着密切的对应关系。例如在32位字长的计算机系统中，一个整数、一条指令通常都用32位二进制数表示，叫做一个字，运算器、存储器、数据和地址总线等通常都被设计成32位。字长对计算机的处理能力和运行性能有明显影响，字长长一点有利于提高计算机的性能，但需要使用更多的硬件，计算机系统的价格也会高一些。

CPU主频

使用CPU每一秒钟能执行的指令条数

存储器的容量，通常情况下用字节（Byte，8个二进制位构成一个字节）表示，32位的字由4个字节组成

内存储器的读写周期是指启动连续的两次读写操作所必需的时间间隔，当前的内存储器存取周期为几十个纳秒到一、二百个纳秒（ns），读写速度快的存储器价格要贵一些，要合理选用。

通常把单位时间内可以对磁盘设备读写的数据数量称为设备的传输速率（MB/S，兆字节/秒

输入输出设备是计算机系统中比较复杂的部分，其组成和运行原理各不相同，与计算机主机的连接与控制方式也多有差异，在电子线路之外还涉及到精密机械、光学、激光、电磁转换等许多技术。不同的输入输出设备的运行速度各不相同，例如针式打印机每秒只能打印几个字符，而激光打印机则可以打印多行甚至几页打印纸的信息。

数据表示（计算机硬件能够直接识别和处理的数据类型及其表示、存储、读写方式）

寻址方式（最小寻址单位、支持的寻址方式、表示和地址计算等）

寄存器组织（指令中使用的寄存器数量和表示方法）

指令系统（计算机的字长，，指令系统的组成，指令类别、格式和功能）

存储系统（存储器寻址方式、主存容量、最大寻址空间等）

中断机构（中断的类型和处理流程）

机器工作状态（计算机的运行状态的定义和切换）

机器级的输入输出结构（输入输出设备和CPU之间数据传送的方式和控制）

信息保护（系统中对各类信息的保护，对各种运行异常或者出错的检测和处理方案等）

是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。

是计算机组成的物理实现。包括中央处理机、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题，一句话，就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机，也就是把满足设计和运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。

1．电子管时代（1946年——1958年）

2．晶体管时代（1958年——1964年）

3. 小规模集成电路时代（1964年——1975年）

4. 大规模、超大规模集成电路时代（1975年——）

指令流（instruction stream）——机器执行的指令序列。

数据流（data stream）——由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间色数据。

多倍性（multiplicity）——在系统中最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

1．科学计算

2．数据处理

3．自动控制

4．人工智能

5． 网络应用

 只使用“0”和“1”两个基本符号，在数值数据中选用“逢二进一”的进位规则

在采用进位计数的数字系统中，如果只用r个基本符号 (例如0,1,2,…r-1) 、通过排列起来的符号串表示数值，则称其为基r数制(Radix-r Number System)， r称为数制的基数(Radix)。假定用m+k个自左向右排列的符号Ｄi（i是位序号，－k≤i≤m-1；Di表示符号串中第i位上的记数符号，属于0到r-1中的一个）表示数值N，则有：

N = Dm-1 Dm-2 … D1 D0 D-1 D-2 …D-k （2.1）
式中的Ｄi（-k≤i≤m-1）为该数制采用的基本符号，可取值0、1、2、…、r-1，小数点位置隐含在 D0与D-1位之间，则Dm-1 … D0 为N的整数部分，D-1 … D-k 为N的小数部分。
如果为第i位上的符号1赋以某个固定的值Wi ，则称Wi 为第i位的权 (Weight) ，在选用“逢r进位”的规则时，位权Wi的值为ri（一个底为基数、幂是位序号的指数值），则称这种数制为r进位数制 (Positional Radix-r Number System)，简称r进制。第i位的实际值可写成Di×ri，N的实际值为各数据位实际值的累加和，可表示为：m-1

例如，表示十进制数要使用10个基本符号：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，采用逢10进1规则，例如103.4 = 1×102 + 0×101 + 3×100 + 4×10-1。

1．十→二进制数的转换

2. 二－十进制数的转换

3.八→二进制数的转换

4．二→八进制数的转换

5.十六→二进制数的转换

6．二→十六进制数的转换

(1) 原码表示法

(2) 反码表示法

(3) 补码表示法

带符号的整数也可以用原码、补码和反码三种不同的编码方法表示。

可以认为整数是小数点被设置在最低一位数值位的右边，机器数的最高位仍被用作数的符号位。数值的表示范围，以及整数编码的取模值，都与表示一个数所用的二进制位数有关。

例如，对于用n+1个二进制位表示的带符号的整数的补码，其数值范围是-2n≤X <2n，是用机器数的最高一位代表符号，以下各位给出数值按2n+1取模结果的表示方法,其定义为：

小数点的位置可以在数据位之间移动的数据称为浮点型数据，与数学中的实数相对应，与定点数相比，它的表示范围可以更大，还存在一个数据精度（有效数字位数）的问题。

N=(-1)S×M×RE

规格化是指非0值的浮点数的位数必须满足1/2≤|M|<1的要求，即小数点后的最高位数字必须为1

数据校验码就是一种常用的带有发现某些错误，甚至带有一定自动改错能力的数据编码方法。它的实现原理是在合法的数据编码之间，加进一些不允许出现的（非法的）编码，使合法数据编码出现某些错误时，就称为非法编码

码距是指任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同，仅有一位不同称其码距为1，例如1000与1001的码距为1，而1011与1000的码距则为2。

只有当合法码之间的码距d>＝2时，校验码才具有检错能力，当码距d>＝ 3时，校验码才具有纠错能力。

常见的校验码有奇偶校验码、海明校验码、循环校验码3种

奇偶校验码是一种最简单的数据校验码，可以检测出一位错误（或奇数个位错误），但不能确定出错的位置，也不能检测出偶数个位错误，其实现简单，应用成本低，是一种有效的检错方法。

它的具体实现方案，是在有效的数据位之外再增加一个校验位，通过异或
门线路判断数据位中取值为1的位数是奇数还是偶数，来决定校验位的值取1或0，使新得到的码字中取值为1的总的位数成为奇数或偶数，这项操作被称为编码过程，凑成奇数的方案称奇校验，凑成偶数时称偶校验。

下面是用8个数据位得到一个校验位P的值的偶校验编码方程。