JZTXT

【计算机组成原理期末总预习-自顶向下方法】第1-3章 概述，数据表示与运算

发布时间 2023-06-13 01:05:46作者: _vv123

第1章 概述

一．计算机发展历史

  1. 从第一代到第四代计算机各自的主要特点

  • 第一代采用电子管元件。ENIAC:十进制。

  • 第二代采用晶体管元件，磁芯作内存，磁鼓、磁带作外存。使用高级语言，提供了系统软件。

  • 第三代采用中小规模集成电路，半导体存储器作内存，出现了微程序控制，Cache，虚拟存储器，流水线等技术。IBM公司360系列提出了“兼容机”的概念，DEC公司PDP-8提出了总线结构。

  • 第四代采用大规模/超大规模集成电路，出现了微处理器，出现了共享存储器，分布式存储器及大规模并行处理系统等技术。

  1. 冯诺依曼结构要点，“存储程序”思想。

    • image-20230613003919955

    • “存储程序”思想： 将事先编好的程序和原始数据送入主存中；启动执行后，在不需操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。

二．计算机系统的基本组成

  1. 现代计算机结构模型的基本构成及其执行程序（指令序列）的步骤

    image-20230613004349532

    image-20230613004618535

  2. 指令与数据

    image-20230613004643874

  3. 软件与硬件的接口界面---ISA指令集体系结构

  4. 系统软件与应用软件的概念

三．计算机系统的层次结构

  1. 现代计算机系统中从硬件、ISA，到操作系统、语言处理系统和应用程序的层次结构。

  2. 最终用户、应用程序员、系统管理员、系统程序员分别工作的层面。

    image-20230613004932112

  3. ISA涉及的主要内容

    image-20230613004957192

四． 计算机系统性能评价

  1. 响应时间，吞吐率，CPU时间，MIPS，MFLOPS，基准程序（Benchmarks）

    image-20230613005055825

    image-20230613005124029

    image-20230613005227282

    image-20230613005209551

    image-20230613005421877

    image-20230613005449751

  2. CPI的计算

    image-20230613005251067

  3. 阿姆达尔定律及简单应用

    image-20230613005524479

第2-3章 数据的表示与运算

一． 数值数据的表示

  1. 定点数的表示

    • 二进制原码、补码的表示必须搞清楚；移码表示：标准移码的偏置常数\(2^{n-1}\)，它与补码的关系：最高位相反，其余位相同。

    • 无符号数表示和带符号数表示进行数据长度扩展时的差异。

image-20230611220705102 image-20230611221126053 image-20230611221150740 image-20230611221233337

  1. 浮点数表示IEEE754标准

    • 单精度32位和双精度64位的格式；偏置常数的取值。
    image-20230611221353581 image-20230611221447564 image-20230611221518797 image-20230611221541996
    • 规格化数的阶码取值范围；规格化尾数的表示（隐含位1）；IEEE754浮点数几个特殊数据的表示形式：0、∞、NaN(非数)、非规格化数。
      image-20230611221945506
      image-20230611221913368
      image-20230611222006835

  2. 十进制数

    • 用ASCII码表示十进制数：前分隔数字串和后嵌入数字串两种格式表示正负号

      • (int)'0' = 48 = 30H
      • 前分隔：'+' = 2BH，'-'=2DH
      • 后嵌入：正数的最低一位数字编码不变，负数的最低一位数字编码的高4位由原来的0011变为0111。
      • 缺点：占空间大，且需转换成二进制数或BCD码才能计算。

    • 用BCD码表示十进制数：正负号1100/1101，位数不等于8Bit的整数倍时需补0。

二． 非数值数据的表示

汉字的编码：输入码、内码、字模点阵码，它们分别有哪些常用编码。

三． 数据的宽度，存储和排列顺序

  1. 概念：字、字长、最低有效字节LSB、最高有效字节MSB

    • “字长”指某特定机器定点运算时数据通路的宽度。
    • “字长” = CPU内部总线的宽度，或运算器的位数，或通用寄存器的宽度。
    • “字”表示被处理信息的单位，用来度量数据类型的宽度。一般用于处理语言中，如汇编语言。字和字长的宽度可以相等，也可不等。

  2. 数据按字节存储时，多字节数据的地址涉及到数据是大端方式还是小端方式。

  3. 指令存放时大端和小端只影响指令中的多字节常数，不影响其他字段的存放顺序。

  4. 数据存储时存在边界对齐和不对齐问题，它们在存储空间和访问速度上存在差异

四． 数据的检错与纠错

了解数据检错与纠错的基本原理，知道常用的几种数据校验编码：奇偶校验码、海明校验码和循环冗余校验码。

五．串行进位加法器与并行进位加法器

1.并行进位加法器比串行进位加法器速度快的原因。

2.全先行进位加法器、局部先行进位加法器和多级先行进位加法器的区别。

六．ALU的构成

  1. 整数加减运算器的基本构成（关键:如何实现减法运算）；

    image-20230612173114942

  2. ALU如何控制实现加、减、与、或等等各种功能：操作控制端（ALUop）

  3. ALU的OF、SF、CF和ZF标志信息如何产生。

    image-20230612173156375

    • 因为减法实际上计算\(a-b+2^n\),当\(c_n=1\)时，\(a-b>0\),无需借位

  4. 如何判断无符号数和带符号数加减运算时发生溢出。

    image-20230612180442876

七．定点数的加减乘法运算方法

  1. 补码、原码、移码的加减运算方法；

    • 补码：直接用整数加减部件实现

    • 原码：

      image-20230612181105483

      image-20230612181554273

    • 移码（看规则就行）

      image-20230612181659391

      image-20230612181719248

  2. 标准移码与IEEE754移码的加减运算方法的差别；

    • 见下一部分

  3. 原码一位乘法的基本步骤；

    image-20230612185046701

  4. 原码一位乘法的硬件逻辑结构；

    image-20230612185147819

八．浮点数运算

  1. 浮点数加减运算的对阶原则和方法；

    image-20230612185412261

  2. 如何计算移码表示的阶码的和与差（标准移码与IEEE754移码有什么差别）

    • 浮点加减法对阶时，求deltaE补，直接减即可

      image-20230612191238733

    • *浮点乘除法，最终结果为移码，加加129减加127

      image-20230612191724047 image-20230612191742679

  3. 尾数规格化中的右规和左规方法；尾数的舍入处理常用方法；如何判断结果溢出（上溢和下溢）。如何计算减1。

    image-20230612191839395

    image-20230612191930770

    IEEE754规定至少保留两位附加位。

  4. 全流程

    • 图

      image-20230612190443758

    • 例

      image-20230612190525456

      image-20230612190541986

      image-20230612190553274