计算机组成原理 | HoleLin's Blog

参考文献

王道计算机组成原理

冯诺依曼模型

输入设备；
输出设备；
内存；
中央处理器；
总线。

计算机的功能部件

输入设备
输出设备
存储器
- 主存储器: 内存储器，CPU能直接访问
- 辅助存储器: 外存储器，协助主存储器记忆更多的信息，辅助存储器的信息需要导入到主存储器中，才可以被CPU访问
运算器
- 是计算机的运算单元，用于算术运算和逻辑运算
- 运算器的核心单元是算术逻辑单元(ALU)
控制器
- 控制器是计算机的指挥中心，有其指挥各部件自动协调第进行工作，现代计算机将运算器和控制器集成到一个芯片上，合成为中央处理器，简称CPU。有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)和控制单元(CU)

主板

主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了CPU和内存之间如何通信的问题。芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。
总线则是实际数据传输的高速公路。因此，总线速度(Bus Speed）决定了数据能传输得多快。
作为外部I/O设备，它们是通过主板上的南桥（SouthBridge）芯片组，来控制和CPU之间的通信的。

主机

主机: 主存,运算器,控制器
工作流程:
- 指令,数据存入主存,PC指向第一条指令
- 从主存中读取指令放入IR中,PC自动加一,CU分析指令,CU指挥其他部件执行指令

主存

存储体: 存储元,存储单元,存储字,存储字长,地址
MAR(Memory Address Register): 地址寄存器,用于指明要读/写哪个存储单元.其位数反映存储单元数量
- 存放欲访问的存储单元地址
- MAR=4位: 总共有$2^{4} $个存储单元
MDR(Memory Data Register): 数据寄存器,用于存储要读/写的数据.其位数==存储字长.
- 存放从存储单元取来的数据
- MDR=16位: 每个存储单元可存放16bit,一个字(word)=16bit
- 一个字节(Byte)=8bit;
- 1B=一个字节(Byte);
- 1b=一个bit

运算器

ACC: 累加计数器,存放操作数,运算的结果
MQ: 乘商寄存器,进行乘,除法时用到
X: 通用寄存器,存储操作数
ALU: 算数逻辑单元,用电路实现各种算数运算,逻辑运算

控制器

PC(Program Counter): 程序计数器
- 存放下一条指令的地址
IR(Instruction Register): 指令寄存器
- 存放当下欲执行的指令
CU(Control Unit): 控制单元,分析指令,给出控制信号

计算机性能指标

存储器容量
- MAR的位数反映存储单元数量
- MDR反映每个存储单元大小
CPU
- 时钟周期: CPU中最小的时间单位,每个动作至少要一个时钟周期
- 主频(时钟频率): =1/时钟周期,单位: Hz
- CPI: 执行一条指令所需的时钟周期数
- CPU执行时间
  - 运行一个程序所花费的时间
  - =(指令条数*CPI)/主频
- IPS: 每秒执行多少条指令=主频/平均CPI
  - MIPS(Million Instructions Per Second)=即每秒执行多少百万条指令。
- FLOPS: 每秒执行多少次浮点运算
  - MFLOPS(Mega Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x $10^{6}$ ),即每秒执行多少百万次浮点运算。
  - GFLOPS(Giga Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x $10^{9}$ )，即每秒执行多少十亿次浮点运算。
  - TFLOPS(Tera Floating-point Operations Per Second)=浮点操作次数/(执行时间x $10^{12}$ )，即每秒执行多少万亿次浮点运算。
常用数量单位
- 描述存储容量,文件大小时:K= $2^{10}$ ,M= $2^{20}$ ,G= $2^{30}$ ,T= $2^{40}$
- 描述频率,速度时:K= $10^{3}$ ,M= $10^{6}$ ,G= $10^{9}$ ,T= $10^{12}$

数据的表示与运算

进位计数制及其相互转化

r进制数: 基数=r,每个数码位可能出现r种字符.逢r进1
r进制数–>十进制: r进制数的数值=各数码位与位权的乘积之和

二进制<–>八进制: 每3个二进制位对应一个八进制位

1 2	二进制: 001 111 000 010 . 011 010 八进制: 1 7 0 2 3 2

二进制<–>十六进制: 每4个二进制位对应一个十六进制位

1 2	二进制: 0011 1100 0010 . 0110 1000 十六进制: 3 C 2 . 6 8

十进制–>r进制
- 整数部分: 除基取余法,先取得的"余"是整数的低位.倒序取余
- 小数部分: 乘积取整法,先取得的"整"是小数的高位,正序取整

机器数和真值

机器数: 一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机用一个数的最高位存放符号, 正数为0, 负数为1.
真值: 因为第一位是符号位，所以机器数的形式值就不等于真正的数值.所以，为区别起见，将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。

原码,反码,补码基础概念和计算方法

原码: 原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值.

原码是人脑最容易理解和计算的表示方式.

比如如果是8位二进制:

[+1]原 = 0000 0001

[-1]原 = 1000 0001

第一位是符号位. 因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:

[1111 1111 , 0111 1111]

即[-127 , 127]

反码的表示方法是:
- 正数的反码是其本身
- 负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反.
1
2
3
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反
补码的表示方法是:
- 正数的补码就是其本身
- 负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)
1
2
3
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

在高级语言编程中所定义的`unsigned/short/int/long/float/double`型数据是怎么表示的？什么称为无符号整数的“溢出”？

unsigned型数据就是无符号整数，不考虑符号位。直接用全部二进制位对数值进行编码得到的就是无符号数，一般都用补码表示。
int型数据就是定点整数，一般用补码表示。int型数据的位数与运行平台和编译器有关，一般是32位或16位。例如，真值是-12的int型整数，在机器内存储的机器数（假定用32位寄存器寄存）是1111-1111-1111-1111-1111-1111-1111-0100.
long型数据和short型数据也都是定点整数，只是位数不同，分别是长整型和短整型数，通常用补码表示。
float型数据是用来表示实数的浮点数。现代计算机用IEEE754标准表示浮点数，其中32位单精度浮点数就是float型，64位双精度浮点数就是 double型。
需要注意的是，C语言中的int型和 unsigned型变量的存储方式没有区别，都按照补码的形式存储，在不溢出范围内的加减法运算也是相同的，只是int型变量的最高位代表符号位，而unsigned型中的最高位表示数值位，两者在C语言中的区别体现在输出时到底是采用%d还是采用%u。
对于无符号定点整数来说，若寄存器位数不够，则计算机运算过程中一般保留低n位，舍弃高位。这样，会产生以下两种结果。
- 保留的低n位数不能正确表示运算结果。在这种情况下，意味着运算的结果超出了计算机所能表达的范围，有效数值进到了第n+1位，称此时发生了“溢出”现象
- 保留的低n位数能正确表达计算结果，即高位的舍去并不影响其运算结果。

参考文献

冯诺依曼模型

计算机的功能部件

主板

主机

主存

运算器

控制器

计算机性能指标

数据的表示与运算

进位计数制及其相互转化

机器数和真值

原码,反码,补码基础概念和计算方法

在高级语言编程中所定义的unsigned/short/int/long/float/double型数据是怎么表示的？什么称为无符号整数的“溢出”？

在高级语言编程中所定义的`unsigned/short/int/long/float/double`型数据是怎么表示的？什么称为无符号整数的“溢出”？