计算机组成原理期末复习资料要点文档格式.docx

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诺依曼计算机系统结构由运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备5大部件组成，相互间以总线连接。

9.运算器的作用：

计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。

运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。

（算数逻辑部件（ALU）：

用于完成各种算术运算和逻辑运算（主要用于条件判断、设备控制等）。

）

10.控制器的作用：

是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的"

决策机构"

，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

11储存器的作用：

是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

（可分为主（内部）存储器和辅助（外部）存储器；

存储器以存储单元进行划分，一个存储单元可以容纳一个长度为8位的二进制数据，称为一个字节。

12.输入设备的作用：

向计算机输入数据和信息的设备。

是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。

输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一.键盘,鼠标,摄像头,扫描仪,光笔,手写输入板,游戏杆,语音输入装置等都属于输入设备输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。

13.输出设备的作用：

是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。

它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。

常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。

1.4计算机系统的层次结构特征（P5-6）

14.第0层硬联逻辑层：

是硬件设计与维护人员眼中的计算机，也是计算机的硬件系统，是计算机的硬件内核；

15.第1层微程序控制层：

是通过微程序控制信息在各部件之间才传送，以提供各个计算机指令所需要的操作控制；

16.第2层机器语言层：

是实现机器指令系统功能的机器，这一层的机器语言程序员无需了解硬联逻辑和控制的细节，只需掌握机器语言的各种组成成分及使用方法即可；

17.第3层操作系统层：

是各种操作系统命令的解释器；

18.第4层汇编语言层：

是汇编语言的解释器，需要掌握寄存器、地址、寻址方式、I/O端口等一些硬件系统概念；

19.第5层高级语言层：

是高级语言的解释器。

用高级语言编写的程序需要转换成机器语言程序才能执行，这种转换工作是由高级语言的编译程序来完成的，这一层的高级程序员不需掌握硬件知识。

第二章计算机的数据表示（P9-27）

2.1字符数据表示（P9）

20.普遍使用的字符代码是长度为7位ASCII码（美国信息交换标准代码）；

21.计算机中只需用一位二进制数字0和1两种状态，就能满足逻辑数据表示的需要，真用1表示，假用0表示；

（P10）

2.4数值数据的表示（P19）

22.数值数据的计算机中用于各种计算运算的数据；

23.计算机中表示数值数据要解决的有效数字、小数点、符号的表示，还要便于数据的运算；

24.真值表示：

是相对于数在计算机中的编码表示而言的，也是人们平时所习惯的数的书面表示形式。

25.定点数表示：

是指小数点被固定在数据的某个特定位置上的数据表示方法。

26.原码表示法：

以0表示正号，1表示负号，直接置于数的最左端（即最高位置），而数的数字部分与绝对值一致。

如：

x=+0.1011,则[x]原=0.1011

27.反码表示法：

正数的反码与原码相同；

负数的反码，符号位用1表示，后面跟着的数值位逐位取反，即1变为0，0变为1。

[＋15]反＝[＋15]原＝00001111

28.补码表示法：

正数的反补码与原码相同；

负数的补码，符号位用1表示，后面跟着的数值位逐位取反后，末位加1。

　[＋15]补＝[＋15]原＝00001111。

29.移码表示法：

只要将补码的符号位取反便可获得相应的移码表示。

30.浮点数的表示：

浮点数：

指小数点位置未经人为约定的一般的数，其小数点可以出现在任意位置；

一个浮点数N可以表示为：

N=Re*m（其中指数是e，基数是R，有效数字是m），浮点数的表示范围取决于阶码的位数，而浮点数的精度表示取决于尾数的位数。

注：

在浮点数表示中，除了要求尾数为纯小数外，还进一步规定：

当尾数的绝对值不为0时，尾数绝对值（或真值）的最高有效数字位必须为1，这是浮点数的规格化表示；

+111.0101的规格化表示形式为2^3*0.1100101，而不是2^4*0.01100101。

（P24）

第三章运算方法和运算部件（P28-59）

31.计算机中均采用补码进行加减运算（0表示正数，1表示负数，而移码相反）。

32.正数的原码、反码、补码都是本身，移码为补码的符号位取反；

负数的反码是原码的反，即：

-101001的反码是-010110；

负数的补码：

符号位为1，数字部分取反加一，即：

-101001的补码是1010111；

负数的移码：

在补码的基础上加2的n次幂，即把补码的符号位取反即可；

33.定点整数补码加、减运算规则：

[x]补+[y]补=[x+y]补（mod2^n）

[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补=[x-y]补（mod2^n）

定点小数补码加、减运算规则：

[x]补+[y]补=[x+y]补（mod2^1）

[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补=[x-y]补（mod2^1）

34.变形补码是具有两个符号位的补码；

正数的变形补码，其两个符号位为00，负数的变形补码，其两个符号位为11。

x=+1010110的变形补码[x]补=001010110。

35.由于补码减法可以转换成补码加法进行，因此，补码加法/减法器的主体是加法器。

构成加法器的主要器件是全加器；

一个全加器是实现带进位的1位加法的器件。

根据二进制加法运算的特点，有将多个全加器按进位相联的方式级联起来，即可构造一个单纯的多位补码加法器。

对减法，由于[A]补-[B]补=[A]补+[-B]补，且

因此，可以在做减法时，先求得[-B]补，再送入加法器相加；

而在做加法时不做这种转换，直接使用[B]补相加。

这样，就得到了补码加法/减法器。

3.4定点运算器的组成与结构

3.4.1逻辑运算与移位操作

36.逻辑运算是计算机进行判断、实现控制等操作的重要手段。

37.逻辑非：

“逻辑非”运算也称“非”运算，其逻辑表达式为

小结：

F为A或者B的反

38.逻辑加：

“逻辑加”运算也称“或”运算，其逻辑表达式为

AB全为0时F为0，其余为1，即只要有一个1，则F为1；

39.逻辑乘：

“逻辑乘”运算也称“与”运算，其逻辑表达式为

当AB全为1时，F为1，其余全为0（A=B=1，=1）

40.逻辑异：

“逻辑异”运算也称“异或”运算，其逻辑表达式为

A=B=0or1，F=0；

否则为1；

41.算术逻辑单元（ALU）：

是组成运算器的核心器件，其主要功能是执行定点数算术加/减法运算及各种逻辑运算。

早期的乘法器和除法器也以ALU为主，配合移位寄存器等辅助电路构成。

3.4.3定点运算器的基本结构P51

42.定点运算器由ALU、阵列乘法器、阵列除法器、通用寄存器、专用寄存器、缓冲寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等组成。

43.根据不同的性能要求，运算器大体有单总线结构、双总线结构和三总线结构等三种结构形式。

44.单总线结构特点:

所有部件都接到同一总线上。

在同一时间内,只能有一个操作数放在单总线上。

把两个操作数输入到ALU,需要分两次来做,而且还需要两个缓冲寄存器。

缺点是数据传输速度慢

45.双总线结构特点:

两个操作数同时加到ALU进行运算,只需要一次操作控制就可以得到运算结果。

但是因为两条总线都被输入数占据，因而ALU的输出不能直接加到总线上去，而必须在ALU输出端设置缓冲寄存器。

显然，双总线结构比单总线结构具有更高的数据传输效率和灵活性，但是控制复杂。

46.三总线结构特点:

ALU的两个输入端分别由两条总线供给,而ALU的输出则与第三条总线相连。

这样,算术逻辑操作就可以在一步的控制之内完成。

总结：

以上三种结构的运算器在数据传输效率上的差异，主要表现在ALU与寄存器之间的数据传输上。

如果操作数取自主存，则三种结构的运算器在数据传输效率上没有多少差别；

因为，运算器与主存之间只有一套数据总线，一次只能传输一个数据。

需要特别指出的是：

⑴ALU无数据暂存能力；

⑵要避免总线上的数据冲突；

⑶一次运算过程是分成多个步骤来完成的，如传送操作数、计算、传送运算结果等。

每个步骤都是在控制器所发出的控制信号的控制下进行的。

（P53）

3.5浮点运算（P53-57）

3.5.1浮点加法、减法运算

47.设有两个规格化浮点数x和y，分别表示为显然，计算x±

y的基础是Ex=Ey。

如果Ex≠Ey，则需要先将它们调整为相等；

这个操作称为“对阶”。

48.计算机中，浮点加减运算的过程大体分为以下几步：

0操作数检查；

比较阶码大小并完成对阶；

尾数相加或相减；

对结果进行处理，包括规格化、舍入处理和溢出处理。

⑴0操作数检查。

即检查x或y是否为0。

⑵比较阶码大小并完成对阶。

要求“小阶向大阶看齐”。

⑶尾数相加或相减。

尾数运算即为一般的定点补码加减运算，通常采用双符号位的变形补码进行运算。

如设[Mx]补=11.0011010，[My]补=11.1010011则[Mx]补+[My]补为

11.0011010+11.1010011=10.1101101

⑷运算结果规格化。

尾数运算的结果可能出现非规格化状态，需要重新规格化。

规格化时，对尾数左移称为向左规格化（简称“左规”），反之，称为向右规格化（简称“右规”）。

尾数移位的同时，阶码也必须做相应的修改。

尾数用补码表示时，判断是否规格化的方法是：

当尾数未溢出时，若尾数的符号位与最高有效数字位不同，则已规格化，反之，则未规格化；

当尾数溢出时，则必为非规格化状态。

设尾数M1、M2和M3的变形补码表示分别为

[M1]补=11.0011010

[M2]补=11.1010011

[M3]补=10