计算机组成原理
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计算机概述
组成
计算机系统=硬件+软件
软件：系统软件（操作系统），应用软件
硬件
主机（CPU（运算器和控制器），内存（cache，主存））
外设（或称I/O设备）
五个层级三种语言两种程序
冯.若依曼计算机
现代计算机的核心是存储器（最大区别）
里面存的是二进制数据，是以同等地位存储并且顺序执行的
技术指标
机器字长：CPU一次能处理数据的二进制位数（运算速度和报价）
存储容量：存放二进制信息的总位数
主存容量=MAR（存储单元数）*MDR（存储字长）
辅存容量
运算速度（普森）
吞吐量和响应时间
主频和CPU时钟周期
CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间
MIPS：每秒执行多少百万条指令
MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算
GFLOPS ：每秒执行多少十亿次浮点运算
TFLOPS ：每秒执行多少万亿次浮点运算
我们是第四代计算机，基于器件划分
第一台计算机的出现在1946年。
计算机的运算
存放位置：寄存器 寄存器的位数代表数的表示范围
有符号数vs无符号数：是否存在正负号
真值：带有正负号的数
机器数：符号数字号的数，通常表示为补码
原码反码补码移码
原码表示法（符号（0：正，1：负）+分隔符（整数：逗号，小数：小数点）+数字部分发绝对值）
反码表示法
正数：原码一致
负数：原码表示结果除符号位外，按位取反
补码表示法
正数：原码一致
负数：反码+1
x=0时，原码和反码都有两种，补码只有一种
[x]补vs[-x]补：连同符号位在内，每位取反，末尾+1.
移码表示法：补码更改符号位
机器字长为8位时：
原码[-127,+127]:0有正负两个状态
反码[-127,+127]:0有两个状态
补码[-128,+127]:没有-0
IEEE 754 单精度（32位）浮点数格式：
1 位符号位
8 位指数位（偏置 127）
23 位尾数位（隐含前导 1，即实际尾数 24 位，精度有限）
运算方法与运算器
定点表示和浮点表示
N=S*r（j）[阶符+阶码+数符+尾数]
逻辑移位：
逻辑左移，低位补0
逻辑右移，高位补0
算数移位
定点运算-加减运算（补码）
符号位和数值位等同处理
符号位产生的进位丢弃
溢出判断
一位符号位：
符号不同的加法不会溢出；符号相同的减法不会溢出
实际操作的两个数符号相同，但是结果位与之不同，则溢出
两位 符号位范围
结果的两位符号位不同的话则溢出
高位符号位永远代表正确的符号位
补码乘法溢出判断方法：用真值乘积是否超出 8 位补码范围 [−128,127][−128,127]。
定点运算-乘法运算（移位+加法）
原码一位乘：
符号位由原始符号异或得到
数值部分两数绝对值相乘、
补码一位乘（Booth算法）
移码填补规则看高位：1为高位补1
两位相同右移一位，两位不同加了再移
0在前加[x]补，1在前加[-x]补
补码两位乘：
三位相同右移，三位不同加后右移
首位是0，一个1加[x]补，两个1加2[x]补
首位是1，一个0加[-x]补，两个0加2[-x]补
定点运算-除法运算
原码除法：
符号位单独异或运算
第一步恒为加上[-y*]补
恢复余数法
余数为负，商0，加上[y*]补
余数为正，商1，左移一位，加上[-y*]补
加减交替法
余数为负，商0，左移一位，加上[y*]补
余数为正，商1，左移一位，加上[-y*]补
补码除法：
第一步根据x,y是同号，判断加（同号加[-y]补，异号加[y]补）
加法结果与[y]补同号，商1，左移加[-y]补
加法结果与[y]补异号，商0，左移加[y]补
末位商恒置1
浮点运算-加减运算（补码）
浮点运算-乘除运算
乘积的阶码是两数的阶码之和
乘积的尾数是两数的尾数之后，补码乘法
浮点运算-除法运算
存储系统
存储器的层次结构
主存储器一般采用DRAM存储器，CHCHE采用SRAM存储器
RAM是易失型存储器，断电不保存
三级存储：Cache（缓存）->主存->缓存
速度越快，容量越小，价格越高
主存储器
存储容量：MDR*MAR
存储速度
存取时间/访问时间，（读出加写入时间）
存取周期：存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小时间间隔
存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息量
缓存
辅存
指令系统
指令格式
寻址方式
CISC和RISC
中央处理器
CPU的基本功能和组成
指令周期
指令流水
