计算机组成与结构概念整理

第一章

A计算机的结构和功能

a.冯·诺依曼机器结构:

1.计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。 2.各基本部件的功能是：

存储器--不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令；在执行程序时，在取指令阶段，从存储器取出的是指令存放在CPU的指令寄存器IR中，在执行指令阶段，从存储器取出的是数据。 控制器--能自动执行指令；

运算器--能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也能进行一些逻辑运算和附加运算；

操作人员--可以通过输入设备、输出设备和主机进行通信。

3.内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数的地址。由一串指令组成程序。 4.采用“存储程序”工作方式。 b.“存储程序”概念:

存储程序是指在用计算机解题之前事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。在解题（运行程序）过程中，有控制器按照事先编好并存入主存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令执行，直到获得所要求的结果为止。 B计算机系统层次结构的概念

a.硬件：cpu、主机、外设

硬件：就是组成计算机的元器件、各类部件、设备以及设计与实现技术。也即计算机

的组成结构，五大组成部件的设计与实现。

cpu：计算机中，运算器、控制器和高速缓冲存储器合称为中央处理器（CPU）。 主机：CPU、存储器、输入输出接口和系统总线组装在一起称为主机。

外设：输入设备和输出设备统称为输入输出设备，也称为外部设备，及外设。 b.软件：系统软件、应用软件

软件：是计算机系统中各种程序及其文档的总称。

应用软件：为各类用户使用计算机而开发的各种应用程序。如：办公自动化软件，计算

机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM），各种计算机图形、图像应用软件，计算机实时控制软件，事务处理、信息处理软件，科学计算程序，多媒体软件等

系统软件（含各种支撑软件）：操作系统、高级语言的编译解释程序、各种实用程序等

第二章

A数值数据的表示：进位制→定浮点→编码表示(原、反、补、移码) 已知一数的真值，求该数的原、反、补码表示 1．原码表示法

规则：符号位后跟真值的绝对值。故也称“符号-绝对值”表示法 。

① 定点负整数：[X T]原= 1x2 n + |XT| （-2 n < XT≤0，n为原码数值部分的位数） ② 定点负小数：[XT]原=1+|XT| （-1

规则：符号位后跟真值的模2补码。故也称符号-2补码表示法。

（1）模运算的概念

机器数的位数有限，n位二进制数只能表示2n个不同的数。 计算机一般保留低n位，舍弃高位。这样，会产生两种结果：

① 剩下的低n位数不能正确表示运算结果。这种情况下，意味着运算的结果已

超出了计算机能表达的范围，我们称此时发生了“溢出” 现象。

② 剩下的低n位数能正确表达计算结果，也即高位的舍去并不影响其运算结果。 （2）补码的定义

根据同余概念和数的互补关系，可引出补码的表示法：

一个负数的补码应等于模与该数绝对值之差，或模加上该数。即: 某负数XT的补码为：[XT]补= M - |XT| (mod M) = M+ XT (mod M) 对于任意一数XT （正或负数），补码的一般定义为： [XT]补= M+ XT (mod M)

假定补码的位数为n（其中符号占1位，数值部分占n-1位） 则补码表示的定义如下：

① 定点负整数：[XT]补=2n-|XT| （-2n-1 ≤XT≤0，mod 2n） ② 定点负小数：[XT]补=2- |XT| （-1≤XT≤0，mod 2） ③ 补码0的表示是唯一的：[+0]补=0 0...0

[-0]补= 2n -0=1 00...0=0 0...0 (mod 2n) 3．反码表示法

负数的反码表示：符号为1，数值部分各位求反。 也即：在相应的补码表示基础上末尾减1。 ? 定义：

假定反码的位数为n（其中符号占1位，数值部分占n-1位）， 则反码表示的定义如下：

① 定点负整数：[XT]反=(2n –1)-|XT|

=(2n –1)+ XT (-2n-1

=(2-2 – (n-1))+ XT (-1

已知某种进位制的一数，将该数转换成另一种进位制的表示 二进制 R=2, 基本符号为0和1

八进制 R=8, 基本符号为0,1,2,3,4,5,6,7

十六进制 R=16, 基本符号为 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 十进制 R=10, 基本符号为0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 (1) R进制数=>十进制数 按权展开

例1: (10101.01)2=1x24+1x 22+1x20+1x2-2=(21.25)10 例2: (307.6)8=3x82+7x80+6x8-1=(199.75)10

例1: (3A. 1)16=3x161+10x160+1x16-1=(58.0625)10

(2)十进制数=>R进制数 整数部分和小数部分分别转换 ① 整数----“除R取余” ② 小数----“乘R取整”

(3) 二/八/十六进制数的相互转换 ① 八进制数转换成二进制数

(13.724) 8=( 001 011 . 111 010 100 ) 2=(1011.1110101) 2 ② 十六进制数转换成二进制数

(2B.5E)16 = (00101011 . 01011110) 2 = (101011.0101111) 2 ③ 二进制数转换成八进制数

(0.10101) 2 = ( 000 . 101 010 ) 2 = ( 0.52) 8 ④ 二进制数转换成十六进制数

(11001.11) 2 = ( 0001 1001 . 1100 ) 2 = ( 19.C ) 16�� C定点表示的数据范围

已知定点数的表示格式：符号和数据的位数，阶码的位数；数据的编码表示形式（原、反、补、移码），给出数据表示范围 D数据校验码及其编码和校验方法

校验码的概念，重点掌握奇偶校验码的编码及校验

校验码：具有检测某些错误或带有自动纠正错误能力的数据编码。 ? 奇偶校验码（最简单）

实现原理：假设将数据B=bn-1bn-2...b1b0从源部件传送至终部件。在终部件接收到的

数据为B’=bn-1’bn-2’...b1’b0’。

第一步：在源部件求出奇（偶）校验位P。

若采用奇校验，则P=bn-1⊕bn-2 ⊕...⊕b1⊕b0⊕1。 若采用偶校验，则P=bn-1⊕bn-2 ⊕...⊕b1⊕b0。 第二步：在终部件求出奇（偶）校验位P’。

若采用奇校验，则P’= bn-1’⊕bn-2 ’⊕...⊕b1’⊕b0’⊕1。 若采用偶校验，则P’=bn-1’⊕bn-2 ’⊕...⊕b1’⊕b0’。

第三步：计算最终的校验位P*，并根据其值判断有无奇偶错。 假定P在终部件接受到的值为P’’，则P*= P’⊕P” ① 若P*=1，则表示终部件接受的数据有奇数位错。

② 若P*=0，则表示终部件接受的数据正确或有偶数个错。

第三章

运算器的概念：功能及组成(ALU、通用寄存器、专用寄存器的功能) ? 算术逻辑运算单元ALU

运算器中执行数据的算术和逻辑运算的部件，简称ALU，是运算器的核心部件。它

有二个数据输入端和一个运算结果的输出端 ? 通用寄存器组

一组用来暂存操作数和中间结果的寄存器，以避免频繁访问存储器或外设取得操作

数，利于提高运算和程序执行的速度。

早期的计算机运算器中只有一个寄存器称为累加器，它既是一个操作数又是运算结果

的存放寄存器，现代计算机寄存器组中任一寄存器都可用作累加器。 ? 专用寄存器

这是运算器中记录运行状态和运行时数据的缓冲寄存器，如；运行结果的状态标志寄

存器，ALU输入/输出端口的暂存器等，随硬件结构不同专用寄存器的设置也不同 补码定点数的加减法运算规则及其溢出判断 定点数的除法运算

原码恢复、不恢复余数除法 浮点表示及其运算步骤

阶码、尾数对浮点数值的影响 俘点数溢出判断

？第四章

层次化存储系统的结构，各层次存储器的作用、速度、容量的特性

内存的组成

组成结构：地址译码驱动，存储体，读/写电路，时序控制电路

内存芯片：DRAM,SRAM,ROM的工作特点、记录信息原理、使用场合

内存芯片的组织：位扩展、字扩展，地址、控制、数据线的连接，片选逻辑 SRAM存储单元的读/写过程 Cache和虚拟存储器的工作原理 地址映射、替换算法、更新策略 二者的异同

页式、段式和段页式虚存的组织

磁表面存储器的工作原理，数据记录方式

磁盘存储器的组成：磁记录介质，磁盘驱动器，磁盘控制器

归零制、不归零制、调相制、调频制和改进调频制记录方式的特征 磁盘上信息分存的特点，各磁道的位密度的关系

第五章

指令和指令系统的概念

指令：规定操作类型和操作数地址的一组代码

指令系统：一台计算机全部指令的集合称为这台计算机的指令系统或称指令集 指令格式

操作码格式：指定操作类型 指令寻址

顺序执行→pc

分支执行→操作数寻址 操作数寻址

立即数、隐含、直接、寄存器、存储器间接、寄存器间接、偏移寻址(相对、基址、变址) 堆栈和堆栈的结构

? 堆栈：是一种后进先出（LIFO）数据结构的存储区 ? 堆栈的结构

– 栈体：栈顶、栈底 – 栈指针（SP）：指示当前栈顶位置 – 栈状态(标志)：栈空（EMPTY）、栈满（FULL）

CISC和RISC的概念

CISC 复杂指令集计算机 RISC 精简指令集计算机

第六章