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計算機組成原理——基本組成 進制轉化 奇偶校驗 原碼 反碼 補碼 移碼 移位 原碼補碼乘法除法 IEEE754 加法器ALU第一章第二章

筆記來源于王道考研視訊

第一章

通過電信号傳遞資訊(低電平代表0,高電平代表1)

計算機系統

計算機系統=硬體+軟體

軟體

系統軟體 應用軟體
作業系統,資料庫管理系統(DBMS),标準程式庫(程式設計時使用的庫函數),網絡軟體(實作比如TCP/IP協定的),語言處理程式(将進階語言轉化成低級語言),服務程式(調試程式) 微信,QQ
用來管理整個計算機系統 按任務需要編制而成的各種程式

硬體的發展(邏輯元件)

  1. 第一台數字計算機:ENIAC(1946)–電子管
  2. 半導體(有作業系統的雛形)
  3. 中小規模內建電路
  4. 大規模,超大規模內建電路(有作業系統出現)
  • 1947年,貝爾實驗室,發明了“半導體”(肖克利)
  • 1959年,仙童半導體公司發明“內建電路”(八叛徒)
  • 摩爾,建立Intel(摩爾定律:內建電路上可容納的半導體數目,每隔18個月便會增加一倍,揭示了資訊技術進步的速度)

軟體的發展

機器語言–>彙編語言–>進階程式設計語言

目前的發展趨勢

  • 更微型,多用途
  • 更巨型,超高速

計算機硬體的基本組成

早期 馮·諾依曼機
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馮·諾依曼機的特點

  1. 計算機由五大部件組成
  2. 指令和資料以同等地位存于存儲器,可按位址尋訪
  3. 指令和資料用二進制表示
  4. 指令由操作碼和位址碼組成
  5. 存儲程式
  6. 以運算器為中心
現代計算機結構
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  • 因為運算器和控制器的關系比較密切,是以我們把它整合成為一個整體CPU
  • 輸入裝置和輸出裝置統一叫做I/O裝置
  • 是以現代計算機結構又可以劃分為:
    • CPU
    • 主存儲器(CPU和主存儲器又稱為主機)
    • I/O裝置
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主存:比如手機運作記憶體8GB

輔存:比如機身記憶體128GB

主存儲器

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存儲器 > 存儲單元 > 存儲元

運算器

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控制器

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計算機的工作過程(例)
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計算機系統的層次結構

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将進階語言翻譯成機器語言的程式叫做翻譯程式(包括兩種)
  • 編譯程式:是将使用者編寫的進階語言程式(源程式)的全部語句一次全部翻譯成機器語言程式,而後在執行機器語言程式。是以,隻要源程式不變,就無需再次進行翻譯
  • 解釋程式:将源程式的一條語句翻譯成對應機器語言的一條語句,并且立即執行這條語句,接着翻譯源程式的下一條語句,并執行這條語句,如此重複。是以,翻譯一次,執行一次,即使下一次重複執行該條語句,也必須重新翻譯。
計算機體系結構和計算機組成原理的差別
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計算機的性能名額

存儲器的性能名額

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CPU的性能名額

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系統整體的性能名額

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思考

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回顧

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第二章

進制轉化

其他進制轉化為十進制

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二進制 <–> 八進制,十六進制

  • 三個二進制位對應一個八進制位
  • 四個二進制位對應一個十六進制位
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十進制–>任意進制

  • 整數部分:除基取餘
  • 小數部分:乘基取餘
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真值和機器數

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BCD碼

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ASCII碼

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漢字表示

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字元串表示

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奇偶校驗碼

  • 隻能檢錯,不能糾錯
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海明校驗碼

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循環備援校驗碼(CRC)

  • 可以檢錯,不能糾錯(其實在資訊位少的時候,有時候是具有糾錯能力的)
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定點數的表示

無符号數

整個機器字長的全部二進制位均為數值位,沒有符号位,相當于數的絕對值(一般是整數)

有符号數

原碼

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反碼

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補碼

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移碼

  • 隻能表示整數
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總結

由[x]補求[-x]補的方法— 符号位,數值位全部取反,末位加1

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原碼,補碼,移碼的作用

補碼的作用:将減法操作轉變為等價的加法(也就是加一個負數的時候,就等價于加上這個負數的補碼)
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移碼的作用:友善對比大小
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定點數的運算

算術右移

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算數左移

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反碼的算術移位

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補碼的算術移位

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算術移位總結

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舉例

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邏輯移位

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循環移位

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加減運算和溢出判斷

加減運算

  • 補碼運算時,符号位也要參與運算
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溢出判斷

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  • 運算後,雙符号位01–表示上溢;10–表示下溢
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符号擴充

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原碼乘法

  • 原碼的乘法的移位是邏輯移位,符号位也要參與移位
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補碼乘法

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機器實作

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  • 最後一次加法,因為符号位也要參與運算
  • 補碼的乘法是算數移位,符号位固定不變
  • 正數算數右移,高位補0
  • 負數算數右移,高位補1
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原碼除法

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機器實作:恢複餘數法

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恢複餘數法

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不恢複餘數法(加減交替法)

  • 餘數為負,直接商0,并讓餘數左移一位(乘2),再加上|除數|,得到新餘數
  • 除數要小于被除數,因為小數二進制位無法表示大于1的數,也就是說在第一步的商就必須是0
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補碼的除法

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強制類型轉化

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資料存儲和排序

大小端存儲

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邊界對齊

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浮點數的表示

定點數表示的數字範圍有限

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上面的浮點數表示會損失精度,我們可以讓其的表示規格化,減少精度損失

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左規和右歸

  • 溢出時,雙符号位的最高位是正确的符号

浮點數規格化特點

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IEEE 754

triple

真值的-128,-127有其他的用途

是以真值的範圍就在 -126~127

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  • 隐藏的表示最高位1,為了符合浮點數規格化的特點
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( − 1 ) S ∗ 1. M ∗ 2 E − 127 (-1)^S*1.M*2^{E-127} (−1)S∗1.M∗2E−127

S:符号位

E:階碼

M:尾數

32=1+8-23

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IEEE單精度浮點數的最大最小絕對值

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浮點數的運算

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強制類型轉化

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邏輯運算

算術邏輯單元(ALU)

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門電路

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複合邏輯

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加法器

一位全加器

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串行加法器

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并行加法器

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加法器,ALU的改進

并行加法器的優化

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