《计算机组成原理》简洁笔记（备考用，更新中……）

第一章、概述

教学目标及基本要求：

简单了解计算机的发展历程，掌握冯·诺依曼计算机结构的特点，计算机硬件的基本组成与功能；
计算机系统的组成（硬件+软件）及其层次结构和相互关系，计算机的基本工作原理，程序执行原理；
掌握计算机的性能评价，具体指标包括CPU执行时间、指令的CPI及计算机系统中平均CPI、时钟周期、指令执行性能的MIPS指标、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS等。

重点：计算机的硬件组成，冯•诺依曼型计算机的工作原理，计算机系统的多级层次结构。CPI、MIPS指标

1.1 计算机的硬件组成及功能

计算机系统→硬件系统→输入什么→输入设备的功能→存放在哪（内容要深化）→怎么存→数据去哪里→运算器的功能→程序去哪里→控制器的功能→结果去哪里→输出设备的功能→两种信息流

1.2 计算机的基本工作原理，程序执行原理

计算机为什么能自动执行→pc（程序计数器）→pc里装什么→PC功能(pc+1→pc) →顺序执行→跳跃如何实现→计算机的基本工作原理，程序执行原理→取指→执行

第一条指令的取指：

（1）PC的内容10000H送地址缓冲器

（2）PC自动加1，变为10001H

（3）把地址缓冲器中的10000H送到外部地址总线上至存储器，经地址译码后，选中10000H单元

（4）CPU发读控制命令

（5）存储器把10000H单元中的内容送到数据总线上

（6）CPU从数据总线上取数据送到数据缓冲器

（7）因为取出的是操作码，所以数据缓冲器的内容被送到IR中，经ID译码后发出相应命令

第一条指令的执行：

（1）把PC的内容10001H送入到地址缓冲器

（2）PC的内容自动加1

（3）把地址缓冲器的内容送外部地址总线，经地址译码后选中10001H单元

（4）CPU发读控制命令

（5）在读控制命令下，存储器把10001H单元中的内容12H送到数据缓冲器

（6）取出的是操作数，按指令将其送到累加器……

1.3 冯·诺依曼计算机结构的特点

（1）存储程序，程序控制原理

程序设计者事先按一定要求编好程序，把它和数据一起存入存储器内，而机器能自动地按照程序执行一条条指令，这样就可以使全部运算成为真正的自动过程。

（2）使用二进制数（3）程序自动执行（4）跳跃执行（5）硬件五部分及功能

1.4 计算机系统的多级层次结构

软硬件的接口即分界线在2级，即在一般机器级。

1.5、计算机的性能评价指标

1、非时间指标

1)机器字长: 指机器一次能处理的二进制位数

2)总线宽度：数据总线一次能并行传送的最大信息的位数

3)主存容量与存储带宽

2、时间指标

1) 主频f/时钟周期T , 外频、倍频

2) CPI (Clock cycles Per Instruction)

实际上频率和IPC 在真正影响 CPU 性能

3) MIPS (Million Instructions Per Second)\每秒钟CPU能执行的指令总条数 (单位：百万条/秒)

4) CPU时间:执行一段程序所需的时间( CPU时间+ I/O时间 + 存储访问时间+ 各类排队时延等)。
CPU时间 = 程序中所有指令的时钟周期数之和 x T=程序中所有指令的时钟周期数之和 / f

第二章、数据表示

教学目标及基本要求：

掌握定点数、浮点数、字符、十进制数的表示方法及表示范围；
掌握原码、补码、反码、移码等码制之间的关系以及各码制之间真值数的转换
掌握纠错、检错码的构造

2.1机器数及特点

（1）为什么研究机器内的数据表示：组织数据 ,方便计算机硬件直接

（2）机器内的数据表示：

（3）常见机器的特点

原码：表示简单、运算复杂、0的表示不唯一

反码：表示相对原码复杂、运算相对原码简单、符号位参加运算, 只需要设置加法器，但符号位的进位位需要加到最低位、0的表示不唯一

补码：运算简单，只需设置加法器、相对原码复杂、0表示唯一

移码：

2.2 定点与浮点数据表示

（1）定点数据

（2）浮点数据表示：把数的范围和精度分别表示的一种数据表示方法。浮点数的使用场合
当数的表示范围超出了定点数能表示的范围时。

一般格式：

IEEE 754格式：

根据上图求解题目（也要会反过来推）：

2.3 数据校验的基本原理

（1）数据校验的必要性：

1 受元器件的质量、电路故障或噪音干扰等因素的影响，数据01 在被处理、传输、存储的过程中可能出现错误；
2 若能设计硬件层面的错误检测机制，可以减少基于软件检错02 的代价（系统观）。

（2）校验的基本原理：

（3）码距的概念：同一编码中，任意两个合法编码之间不同二进数位数的最小值；
例如：0011与0001 的码距为1，一位错误时无法识别；0000、0011、0101、0110、1001、1010、1100、1111等编码码距为2。任何一位发生改变，如0000变成1000就从有效编码变成了无效编码，容易检测到这种错误。
校验码中增加冗余项的目的就是为了增大码距。

（4）码距与检错或纠错能力的关系：（会给图的）

（5）选择码距要考虑的因素

码距越大，抗干扰能力越强，纠错能力越强，数据冗余越大，编码效率低，编码电路也相对复杂；选择码距必须考虑信息发生差错的概率和系统能容许的最小差错率。

2.4 奇偶校验

（1）奇偶校验的基本原理

3)检错方法与电路

（2）奇偶校验的特点

编码与检错简单、编码效率高、不能检测偶数位错误, 无错结论不可靠，是一种错误检测码、不能定位错误，因此不具备纠错能力

（3）奇偶校验的码距

2.5 CRC校验及其实现

（1）CRC校验的基本原理

（2）模2除运算

（3）CRC 编码方法

(1)   根据待校验信息的长度k，按照 k+r ≤ 2r－1 确定校验位r的位数
如对4位信息 1100 进行CRC编码，根据 4+r ≤ 2r－1得 rmin = 3
(2)   根据r 和生成多项式的选择原则，选择位数为 r +1 的生成多项式G(X)= 1011
(3)   进行下列变化

(4)对Q(X)’按模2运算法则除G(x)，求CRC编码中的r位校验信息

300

(5)用得到的余数替换Q(X)’的最后r位即可得到对应的CRC编码

（4）CRC的检错与纠错

2.6 海明校验及其实现

（1）海明校验的基本原理

（2）海明校验编码举例

（3）海明校验特点分析

1)指错字G4G3G2G1= 0000 不一定无错（利用偶校验的特点去判断）

如P1、b1、P2三位同时出错，则G2和G1依然为0。

2)指错字能区别一位错和两位错码
如b1、b2同时出错，与仅b3出错时的指错字均为G4G3G2G1=0110 。因此：不一定能区别一位错与两位错！

第三章、运算方法与运算器

3.1 定点补码加、减法运算

3.1.1 定点补码加、减法与溢出

• 在计算机中，常将数值转换成补码后再进行加减运算。

• 其优点是，可将减法运算转化为加法运算，这样可以简化机器内部硬件电路的结构。

• 补码运算的特点是，符号位和数值位一起参加运算。

（1）补码的加法运算: 其公式为： [x] 补＋[y] 补＝[x＋y]

（2）补码的减法运算:

其公式为：

[x] 补 - [y] 补 = [ x - y ] 补

= [ x +（- y）] 补

= [x] 补 + [-y] 补

[－y ]补的求法：是将[ y]补的各位（包括符号位）全部取反，末位加“1”。

[例1] 已知ｘ1＝－0.1110，ｘ2＝＋0.1101，

求：[ｘ1]补，[－ｘ1]补，[ｘ2]补，[－ｘ2]补。

[解: ] [ｘ1]补＝1.0010

　　[－ｘ1]补＝﹁[ｘ1]补＋2-4＝0.1101＋0.0001＝0.1110

　　　[ｘ2]补＝0.1101

　　[－ｘ2]补＝﹁[ｘ2]补＋2-4＝1.0010＋0.0001＝1.0011