计算机组成与体系结构

冯诺依曼和哈佛体系结构

冯诺依曼体系结构包括？*

运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

各自的特点？*

冯·诺伊曼体系结构的特点

​ A.使用二进制数和存储程序

​ B.存储程序并按地址顺序执行

​ C.把程序及其操作数据一同存储

哈佛体系结构的特点

​ 把程序与其操作数据分开存储

冯诺依曼体系结构和哈弗体系结构的不同点？前者继承了后者那些特点？*

1）数据和指令的存储方式：都将数据和指令存储在计算机的存储器中，但它们的存储方式略有不同。 2）运算方式：在进行运算时都采用类似的算法和操作。

继承：高速缓存Cache

冯诺依曼体系结构怎么区分指令和数据？*

时间上，取指周期取出的是指令，执行周期取出的是数据；

空间上，流向控制器的是指令，流向运算器的是数据。

机器码

反码

反码的唯一意义是作为计算补码的中间过程，本身不参与任何运算。

补码*

计算机采用补码表示进行存储和运算，因为补码符号位可以直接参与运算，无论数是正，还是负，计算机总是做加法运算。

补码可以确定\(2^n\)个二进制数，原码只能确定\(2^n - 1\)(-0和+0是同一个数) *。

为什么补码的符号位可以参与运算？*

补码 天然满足 加法循环群 的概念，包含三大性质 （单位元、结合律 和 逆元）

本质上，补码的第一位并不是符号位。

只是构造完成后，恰好能用01判断符号，和原码中符号位的定义一致。

正数原码的补码就是本身；负数原码的补码 是 原码的反码 + 1；

怎么理解 负数原码的补码 是 原码的反码 + 1？

我们以-7为例子，7的原码是0111，设 X 为 -7

X + 0111 = 0000，

-> X = 0000 - 0111

-> X = 1 + (1111 - 0111)

1111 + 0111 就是 0111取反 + 1

移码*

移码的定义：移码是一种用于表示有符号数的编码方式。

移码的存在目的是为了进行数的比较操作。*

移码的基本原理：将每个数值加上一个固定的偏移量，使其范围从负数变为非负数。

移码的计算：移码等于补码的符号（第一位数字）位取反。

浮点数*

计算机中常用的数据表示格式有两种，定点和浮点：

​ 定点数中，一个数中小数点的位置是固定的；定点格式可表示的数值的范围有限，但要求的处理硬件简单。

​ 浮点数中，一个数中小数点的位置是浮动的； 浮点格式可表示的数值的范围很大，但要求的处理硬件复杂。

浮点数的表示： \[ \{S(1):E(m):M(n)\} == \pm1.M*2^{E} \] ​ 浮点数采用二进制科学计数法表示。

​ S为尾数的符号位，用01表示正负，占1位；

​ E为阶码，用移码表示，紧跟在符号位之后，占m位；

​ M为尾数，用原码表示，放在低位部分，占n位；

为什么指数的偏移量不选128？*

当阶码E为全0且尾数M也为全0时，表示的真值X为零， 结合符号位S为0或1，有正零和负零之分

当阶码E为全1且尾数M也为全0时，表示的真值X为无穷大（∞），结合符号位S为0或1，有+∞和-∞之分

这样，在32位浮点数表示中，要除去E用全0和全1（ 255）表示零和无穷大的特殊情况，因此，阶码E的取 值范围变为1～254，指数的偏移量不选128（ 10000000B），而选127（01111111B）

对于32位规格化浮点数，真正的指数值e为-126～+127

浮点数的规格化：

​ 为了提高数据的表示精度，需要充分利用尾数的有效位数；当尾数的值不为0时，尾数域的最高有效位应为1， 否则就要用修改阶码同时左右移动小数点的办法，使其变成符合这一要求的表示形式。

定点加、减法运算

补码加/减

加法： \[ [x]补+[y]补=[x+y]补 （mod 2）\\ \] 当两数以补码形式相加时，运算的结果将直接得到两数之和的补码。

符号位可以作为数据的一部分参加运算而不用单独处理，有进位也只要丢弃即可。

减法： \[ [x-y]补=[x+(-y)]补=[x]补+[-y]补 （mod 2） \] 补码定点减法和补码定点加法在本质上是相同的，减法运算可以转换成加法运算。

只需要将[y]补连同符号位取反且最低位加1，即可得到[-y]补。

溢出判断

双符号位法：

​ 如果两个数相加后，其结果的两个符号位一致（00 或11），则没有发生溢出；

​ 如果两个符号位不一致（10或01），则发生溢出；

​ 两个正数的首位都为00，若不溢出，仍然为00，否则为01（正溢）；

​ 两个负数的首位都为11，若不溢出，仍然为11，否则为10（负溢）；

​ 但是不论溢出与否，运算结果的最高符号位始终指示正确的符号。

定点乘、除法

（期末考试不会考乘、除运算）

逻辑运算

（需要认识 与、或、非、异或等运算符号）

定点运算器

1）ALU

2）数据总线

3）运算器的结构形式

​ A.单总线结构

​ B.双总线结构

​ C.三总线结构

4）寄存器

浮点运算器

浮点运算规则：

1）加减法： \[ x\pm y=2^{E_x}\times M_x\pm2^{E_y}\times M_y=\begin{cases}(M_x\times2^{E_x-E_y}\pm M_y)\times2^{E_y}&\mathrm{(Ex<=Ey)}\\(M_x\pm M_y\times2^{E_y-E_x})\times2^{E_x}&\mathrm{(Ex>Ey)}&\end{cases} \]

对阶必须遵循“小阶向大阶靠拢”的原则：

尾数的左右移都会造成有效数据的移出与丢失，但是右移丢失的是最低有效位，而左移丢失的却是最高有效位。

显然，右移更能减小数据误差。

2）乘除法：

计算题不做要求，只考选择。

存储器

随机读写存储器

按保存数据的机理分为：

​ 1）静态存储器（SRAM）：集成度低，成本高，功耗较大；通常作为Cache的存储体。

​ 2）动态存储器（DRAM）：电路简单，集成度高，成本低，功耗小；要不间断地进行刷新；作为主存储器的主体部分

​ 3）增强型动态存储器（EDRAM）： 在DRAM芯片上集成一个高速小容量的SRAM芯片，起到高速缓存的作用， 性能得到显著改进

只读存储器

只读存储器ROM是一种存储固定信息的存储器。

其特点是在正常工作状态下只能读取数据，不能即时修改或重新写入数据。

ROM的最大优点是具有不易失性

只读存储器有两大类：

​ 1）不可重写只读存储器（MROM、PROM）；

​ 2）可重写只读存储器（EPROM、EEPROM、闪速 存储器flash ROM等）；

主存储器

存储容量：

大多数计算机采用字节为单位来表征存储容量。

在按字节寻址的计算机中，存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定。

例如，一台计算机的地址码为n位，则可产生个不同的地址码，如 果地址码被全部利用，则其最大容量为\(2^n\)个字节。

总线

1）数据总线

2）地址总线

3）控制总线

拓展

1）位拓展法*

模块化组织

1）顺序方式

2）交叉方式