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计算机硬件基础知识专题1专题内容细分数制及其转换进制的表示法进制的转换数据的表示原码、反码、补码、移码定点数和浮点数文字符号的编码校验码海明码和恒比码循环冗余校验码算术运算和逻辑运算计算机中的二进制数的运算方法逻辑代数的基本运算和逻辑表棕式的化简计算机系统的组成硬件和软件计算机语言冯诺依曼结构计算机类型的特点的组成时序产生器和控制方式计算机的分类指令系统处理器性能及评价输入/输出及通信设备输入/输出设备一览输入/输出控制器外设的识别外设的访问常见输入/输出接口总线存储器系统存储器基本概念主存储器辅助存储器Cache存储器2数据及其转换十进制基数为位权为Eg:51D=5x101+1x100二进制基数为位权为Eg:101B=(1x22+0 x21+1x20)D十六进制基数为位权为16Eg:1f H=(1x161+fx160=31)D8421码用四位二进制数表示十进制数Eg:23=001000113数制间的转换十进制十进制二进制二进制十六进制十六进制0000001000112001023001134010045010156011067011178100089100191010101110111211001311011411101511114数据编码方式机器数：一个数值数据的机内表示形式。真值：一个机器数所代表的数值。0代表正数1代表负数数据的编码方法：1.原码2.反码3.补码4.移码正数的原码与反码、补码相同。5数据编码Eg:-56D上面的规则适用于负数正数的原码与反码、补码相同。+0补-0补00000000唯一的6原码-56原10111000反码-56反11000111将原码符号位不变，其它位取反补码-56补11001000将反码的低位+1移码-56移01001000将补码的高位取反数据编码原码一般用来实现乘除运算补码一般用来实现加减运算移码一般用来表示阶码7数据的表示定点小数 0.2356定点整数 52084浮点数1.符号位为0或12.N+1位阶码中，1位是阶码的符号，n位是阶码的倍数3.阶码一般用移码编码方式4.尾数采用原码或补码编码方式-0.2x1098MsEM1位符号位N+1位阶码M位定点小数形式的尾数MsEM111111011100000010补码的加减法则1.补码加法+补补+补Eg:X=0.001BY=0.101B求+解：补=0001 补=0101+补=补+补=0001+0101=0110 X+Y=0.1102.补码减法补补+补从补求补的法则是：所有位取反，末位+1Eg:X=3DY=5D求-解：补=0011 补=0101-补=1010+1=1011-补=补+-补=0011+1011=1110 则-=1110 验证：补补=M原 -补补=-原=1110补=1001+1=1010=-2D9溢出在定点机器中，数的表示范围为1的现象，称为溢出。10溢出上溢机器所能表示的最大正数下溢m+k，就能纠正判断是哪一位出错。3.恒比码所有有效的编码中为的位都相同。这种编码生成时是查表，接收检验时检查每个编码中出现的次数是否正确。在邮电部门的电报及条形码中广泛使用。4.循环冗余校验码能用很少的校验码检测出大多数的错误，检错能力是非常强的。校验是从数据本身进行检查，它依靠数学上约定的形式进行检查，检验的结果是可靠或不码=信息码+校验码13冯.诺依曼结构现在的计算机大多数基于冯.诺依曼结构，它的特点是：1.计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。2.采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据都可以送进运算器运算。3.数据以二进制数表示。4.指令由操作码和地址码组成。5.指令按照顺序存储，由指令计算器指明当前需要执行指令的地址，通过改变指令计数器来改变程序的流程。6.计算机以运算器为中心，输入输出设备和存储器之间的数据传送需要通过运算器。14中央处理器是计算机的控制、运算中心，它主要通过总结和其他设备进行联系，另外，在嵌入系统设计中，外部设备也常常直接接到的外部/脚的中断脚上。虽然的类型和品种异常丰富，各种的性能也差别很大，有不同的内部结构、不同的指令系统，但由于都是基于冯.诺依曼结构，所以基本部分组成相似。15中央处理器运算器ALU主要功能是在控制器的控制下完成各种自述运算。控制器CU是CPU的核心，它控制和协调整个计算机的动作，控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路、脉冲源及中断等共同完成。控制器的基本功能：时序控制和执行控。控制器的实现方法主要：硬布线逻辑和微程序控制。寄存器组用以在指令挂靠过程中存放操作数和中间数据，由CPU完成指令所规定的运算的操作，CU控制ALU和寄存器组正确地完成某一操作。16运算器控制器寄存器组用户可见寄存器通用寄存器数据寄存器地址寄存器状态控制寄存器程序计数器指令寄存器地址寄存器缓冲寄存器程序状态字标志寄存器中央处理器17时序产生器我们学习、工作和休息都有一个严格的作息时间。每个教师和学生都必须严格遵守这一规定，否则就难以保证正常的教学秩序。18时序产生器CPU中也有一个类似“作息时间”的东西，它称为时序信号。计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，正是因为在CPU中有一个时序信号产生器。组成：1.时钟源2.环形脉冲发生器3.时间脉冲和读写时序译码逻辑4.启停控制逻辑时钟周期：cpu执行一条加法指令所需的时间机器周期：计算机完成一次数据传递所需的时间平均指令执行时间MIPS：cpu每秒执行多少百万条指令19控制方式控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器的控制方式。常用的三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式：1.同步控制方式2.异步控制方式3.联合控制方式20指令系统指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。一台计算机中所有机器指令的集合，称为计算机的指令系统。21寻址方式22处理器性能及评价影响处理器性能的因素如下：1.基本字长2.数据通路宽度3.指令系统4.时钟频率5.流水线技术6.内部数据/指令缓存评价处理器性能可以是直接给出处理器每条指令的执行时间，或者是指令系统中指令执行时间的某种加权评价，还有就是计算机处理每秒能执行多少个加法指令。1个MIPS指的是处理器每秒能完成1x106条指令。三种评价处理器的方法：1.等效指令速度法2.数据处理速度法3.核心程序法23存储器系统存储系统包括寄存器、cache、主存储器、磁盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等，这些存储器从前到后，价格逐渐降低，容量和访问时间则逐渐增加。存储容量：指存储器所具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数。表示存储器容量的单位主要有字节；位b；字。b对于32位计算机系统，一个字有32位，即1W=32b=4B存储器的容量一般都很大，要用千k、兆m、先兆km和兆兆tt24单位名称单位名称常规十进制表示常规十进制表示存储器容量表示存储器容量表示K1K=103=10001K=210=1024M1M=106=103K1M=220=210K=1048576G1G=109=106M1G=230=210M=1073741824T1T=1012=109G1T=240=210G=1099511627776存储器系统存储内容可变性：ROM，RAM1.内容是固定不变的，即只能读出而不能写入的半导体存储器称为只读存储器(ROM)。2.既能读出又能写入的半导体存储器称为随机读写存储器(RAM)系统中的作用：可分为内部存储器、外部存储器；又可分为主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器、控制存储器25存储器系统对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器(cache)、主存储器和外存储器:1.高速缓冲存储器简称cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。2.主存储器简称主存，是计算机系统的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。3.外存储器简称外存，它是大容量辅助存储器。26主存储器类型1.RAM:写入写读，断电后信息无法保存DRAM:信息会时间逐渐消失，要定时对其进行刷新来维持信息不丢失SRAM:在不断电情况下，信息能一直保持不丢失2.ROM:只读存储器，信息已固化在存储器中，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。3.PROM:只可进行一次写入操作4.EPROM:可读可写，写前要先擦除后写入5.EEPROM:可读可写，不用先擦除就直接写入6.Flash Memory7.CAM相联存储器:是一种不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器。27主存储器容量扩充横向拼接芯片扩充容量横向拼接芯片扩充容量纵向拼接芯片扩充容量纵向拼接芯片扩充容量288 x 4bit芯片有个地址，每个地址占bit每个地址传输内容用位8 x bit芯片有个地址，每个地址占bit每个地址传输内容用位16 x 4bit芯片有16个地址，每个地址占4bit每个地址传输内容用4位主存储器编址若某计算机内在按字节编址，内存地址从44000到6BFFFH，共有160K；若采用16K x 4bit的芯片，构成该内存共需20片。因为内存从44000到6BFFFH，则其拥有的字节数为：6BFFFH 44000H+1 =6C000H 44000H =40X163=40X(24)3=40X(2)12 =40X(2)10 x(2)2=160K(160K/16K)X (8/4bit)=2029存储器容量的扩充存储器容量的扩充1、字长位数扩展给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位数。d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量【例】利用1M4b的SRAM芯片，设计一个存储容量为1M8b的SRAM存储器。解：所需芯片数：d=（1M8）/（1M4）=2(片)设计的存储器字长为8位，存储器容量不变。30存储器容量的扩充存储器容量的扩充2、字存储容量扩展给定的芯片存储容量较小（字数少），不满足设计要求的总存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字数。所需芯片数d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量【例】利用1M8位的DRAM芯片设计2M8位的DRAM存储器。解：所需芯片数：d=（2M8）/（1M8）=2(片)31Cache存储器高速缓冲存储器Cache，能以极高的速度进行数据的访问，但价格高。在cpu和主存间设置小容量的Cache，解决cpu与主存间速度极不匹配的问题。采用优化调度算法，把主存中访问概率高的内容复制到Cache中。为了把信息放到Cache中，必须应用某种函数把地址映像到Cache中定位，称为地址映像。而将主存地址换成Cache地址，称作地址变换。地址映像方法：1.直接映像2.全相联映像3.级相联映像32Cache内容替换算法1.先进先出算法按调入cache的先后决定淘汰的顺序，在需要更新时，将最先进入cache的块作为被替换的块。2.近期最少使用算法把CPU近期最少使用的块作为被替换的块33历年试题2005P17、8、9P322、3、8、9、10、112006P7219、20、21P10919、21、222007P14619、20、21、22P1847、9、19、202008P2196、9、19、20P25519、21、222009P2886、9、19、20P3227、8、9、2234历年试题2005P211、12、13、14、16、17P3958、592006PP1078、202007P1447、8、9P2008P22119、20P2548、202009P2897、10、11P3228、10、113536