?一、計算機的組成

運算器和控制器等組成CPU?，CUP是硬件的核心，用于數據的加工處理，能完成各種算數、邏輯運算及控制功能。存儲器分為內存和外存，輸入設備和輸出設備合稱外設。

CPU負責獲取程序指令，對指令進行譯碼并執行。功能包括：程序控制、操作控制、時間控制、數據處理以及對系統內部和外部的中斷做出 相應和相應的處理。

CPU主要由運算器、控制器、寄存器組和內部總線等部件組成。

運算器由算數邏輯單元（ALU）、累加寄存器（AC）、數據緩沖寄存器（DR）和狀態條件寄存器（PSW）等組成，它是數據加工處理部件，完成計算機的算數和邏輯計算。運算器是執行單元，接收控制器的命令進行動作。

控制器由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成，它控制整個CPU工作，保證程序正確執行且處理異常。控制器包括指令控制邏輯、 時序控制邏輯、總線控制邏輯和中斷控制邏輯等幾個部分。指令控制邏輯完成取指令、分析指令和執行指令的操作；時序控制邏輯為每條指令按時間 順序提供應有的 控制信號；總線邏輯是為多個功能部件服務的信息通路的控制電路；中斷控制邏輯用于控制各種中斷請求并根據優先級進行排隊，逐個交給CPU處理。

?寄存器可分為專用寄存器和通用寄存器。運算器和控制器間的是專用寄存器，作用是固定的。

多核CPU即在一個單芯片上繼承兩個甚至多個處理器內核，CPU所有計算，接收/存儲命令、處理數據都由內核完成。多核的主要優點是滿足用戶同時進行多任務處理的要求。

二、 進制轉換

R轉10進制 ：按權展開法? R的k次方求和 ?（k…… ?3 2 1 0 ?. ?-1 -2）

10轉R：短除法? 除以R 記住余數? 余數逆序排上去

10 進制小數轉: 主要是小數部分乘以2，取整數部分依次從左往右放在小數點后，直至小數點后為0。

Eg:0.125:? 0.125*2 = 0.25 整數部分0 再將小數部分0.25乘以2，得0.5，然后取整數部分0 再將小數部分0.5乘以2，得1，然后取整數部分1? 直到小數部分全為0 整數部分順序排列 得到結果? 0.001

?三、數據表示

?數值在計算機中的表示的形式稱為機器數，特點是二進制計數制，機器數對應的實際數稱為數的真值。機器數有無符號數和 帶符號數之分。帶符號的數可用原碼、反碼、補碼和移碼等編碼方式（碼制）表示。

（1）原碼、反碼、補碼和移碼

原碼符號位? +：0? -：1??? -127到+127

反碼? 正數：正數的反碼與原碼相同、負數：最高位不變，其他按位取反? -127到+127

補碼 正數：補碼與原碼相同 負數：補碼=反碼+1??? -128到127

移碼（用來做浮點運算中的階碼） 補碼的首位（最高位）取反

?

?

?

（2）定點數和浮點數

定點數是小數點固定的數，浮點數是小數點位置不固定的數，浮點數可以表示范圍更大的數。

?定點數包括定點整數和定點小數，范圍如下表：（原碼和反碼中0占用了兩個編碼）

?二進制數中，N可以表示為?其中E表示階碼，F表示尾數。用階碼和尾數表示的數稱為浮點數，這種表示方法稱為浮點表示法。 浮點數表示格式如下：，一個數的浮點表示不是唯一的。浮點數所能表示的數值范圍由階碼決定，數值精度由尾數決定。為利用尾數表示更多的有效數值，通常采用規格化浮點數。計算機中主要使用3種形式的IEEE754浮點數：單精度浮點數，雙精度浮點數和擴充精度浮點數。

IEEE754中規定：

1、單精度浮點數字長32位，尾數長度23，指數長度8,指數偏移量127；雙精度浮點數字長64位，尾數長度52，指數長度11，指數偏移量1023；

2、約定小數點左邊隱含有一位，通常這位數是1，所以上述單精度尾數長度實際為24(默認省略小數點左邊的1則為23)，雙精度尾數長度實際為53（默認省略小數點左邊的1則問53）；
?

舉例：利用IEEE754標準將數176.0625表示為單精度浮點數。

解：

第一步：將10進制轉換為2進制

? ? ? ? ? ? （176.0625）10 = （1011 0000.0001）2

第二步：對二進制數進行 規格化處理

? ? ? ? ? ? ??1011 0000.0001 = 1.011 0000 0001 * 2^7

第三步：去掉b0并擴展為單精度規定的23位尾數

? ? ? ? ? ? ? ?011 0000 0001 0000 0000 0000

第四步： 求階碼

? ? ? ? ? ? ? ? E = 7 + 127 = 134 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?? ? ? ? ? ? ? （134）10 = （1000 0110）2

所以，176.0625的單精度 浮點數表示形式：0 1000 0110 011 0000 0001 0000 0000 0000

浮點數運算：對階?--> 尾數計算 --> 結果格式化并判溢出 -->舍入處理 -->溢出判別

（四）校驗碼

使用校驗碼來檢測傳送的數據是否出錯。基本思想：數據可能的編碼有兩種：合法編碼和錯誤編碼。合理的設計錯誤編碼和編碼規則使得數據在傳送過程 中出現某種錯誤時會變成錯誤編碼，從而檢測接收到的數據是否錯誤。

碼距指編碼系統中任意兩個合法編碼之間 至少有多少個二進制位不同。

有三種校驗碼：奇偶校驗碼、海明碼、循環冗余校驗碼。

奇偶校驗碼通過在編碼中添加一個校驗位使編碼中1的個數為奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗），從而使碼距變為2。 后常見奇偶校驗碼有三種：水平奇偶 校驗碼、垂直奇偶校驗碼和水平垂直校驗碼。

海明碼是一種利用奇偶性來檢錯和糾錯的校驗方法。在數據位之間的特定位置上插入k個校驗碼，通過擴大碼距來實現檢錯和糾錯。

循環冗余校驗碼（CRC）利用生成多項式為k個數據位產生r個校驗位來進行編碼，其編碼長度為k+r。代碼格式為：其中n表示字長

（五）計算機體系結構?

1、分類

按處理機的數量分類： 單處理機系統、并行處理與多處理系統和分布式處理系統。

按并行程度分類：Flynn分類法、馮澤云分類法、Handler分類法和Kuck分類法。

Flynn分類法：按指令流（機器執行的指令序列）和 數據流（指令調用的數據序列）的多少進行分類。計算機系統分為單指令流單數據流（SISD）、單指令流多數據流（SIMD）、多指令流單數據流（MISD）和多指令流多數據流（MIMD）。

馮澤云分類法：按并行度對計算機系統分類。最大并行度PM 指計算機系統在單位時間內能處理的最大二進制位數。計算機系統分為字串行位串行（WSBS）計算機、字并行位串行（WPBS）計算機、字串行位并行（WSBP）計算機和字并行位并行（WPBP）計算機。

Handler分類法：基于硬件并行程度計算并行度的方法。計算機硬件結構 分為3個層次：處理機級、處理機中的算數邏輯單元級和算數邏輯單元中的邏輯門電路級。分別計算三級中可以并行或流水處理的程序，計算某系統的并行度。

Kuck分類法：用指令流和執行流及其多重性來描述計算機系統控制結構的特征。系統結構分為： 單指令流 單執行流（SISE）、單指令流 多執行流（SIME）、多指令流單執行流（MISE）和多指令流多 執行流（MIME）。

2、指令系統

一個處理機支持的指令和指令的字節級編碼稱為其指令集體系結構（ISA）。

ISA分類：從體系結構觀點分類：堆棧、累加器和寄存器組。

CISC（復雜指令集計算機）和RISC（精簡指令集計算機）是指令集發展的兩種途徑。

?指令的控制方式包括：順序方式、重疊方式和流水方式。

流水線的種類：

?流水時多條指令可能對同一主存單元或同一寄存器的“先寫后讀”的要求， 這就出現了相關。指令相關、訪存操作數相關以及通用寄存器組相關等，以上均為局部性相關，解決方法：推后法和通路法。執行轉移指令（尤其是條件指令）時可能會改動指令緩沖器中預取到的指令內容，從而造成流水線吞吐率和效率下降，稱為全局性相關，解決方法：猜測轉移分支、加快和提前形成條件碼、加快短循環程序的處理。

RISC中采用的 流水技術有3種：超流水線（時間換取空間）、 超標量（空間換取時間）以及超長指令字。

吞吐率指單位時間內流水線處理機流出的結果數。對指令而言就是單位時間內執行的指令數。if流水線的子過程所用的時間不一樣，吞吐率P是最長子過程的倒數：，流水線開始工作需要經過一定時間才能達到最大吞吐率，這就是建立時間。若m個子過程所用時間一樣，均為，則建立時間

3、陣列處理機、并行處理機和多處理機

?并行性包括同時性（同一時刻）和并發性（同一時間間隔內）。

1）陣列處理機

陣列處理機將重復設置的多個處理單元（PU）按一定的方式連成 陣列，在 單個控制部件（CU）控制下，對分配給自己的數據進行處理，并行地完成一條指令所規定的操作。這是一種單指令流多數據流計算機，通過資源重復實現并行性。

2）并行處理機

SIMD和MIMD是典型的并行計算機，SISD有共享存儲器和分布存儲器兩種形式。

3）多處理機

多處理機由多臺處理機組成的系統，每臺處理機有屬于自己的控制部件，可以執行獨立的程序，共享一個主存儲器和所有的外部設備。它是多指令流多數據流計算機。

4）其他計算機

集群計算機是一種 并行或分布式處理系統，由很多 連在一起的獨立的計算機組成，協同工作，主要解決大型計算問題。

4、存儲系統?

?存儲系統的層次結構如下圖：

?其中：Cache和主存的交互功能去由硬件實現，主存與輔存的交互可由硬件和軟件結合起來實現。

存儲器的分類：1）按存儲器位置：內存（容量小速度快）和外存；2）按存儲器材料：磁盤存儲器、半導體存儲器和光存儲器。3）按存儲器的工作方式：讀寫存儲器（RAM）和只讀存儲器（根據數據的寫入方式，可分為只讀存儲器（ROM）、可編程的只讀存儲器（PROM）、可擦除可編程的只讀存儲器（EPROM）、電擦除可編程的只讀存儲器（EEPROM）和閃速存儲器）。4）按訪問方式分類：按地址訪問的存儲器和按內容訪問的存儲器。5）按尋址方式：隨機存儲器（RAM）、順序存儲器（SAM）和直接存儲器（DAM）。

相連存儲器：它是按內容訪問的存儲器.適合于信息的檢索和更新。

CPU工作時，送出的是 主存單元的地址，而應從Cache存儲器中讀寫信息。這就需要將主存地址轉換成 Cache存儲器的地址，這種地址的轉換稱為地址映像。Cache地址映像有3種方法：直接映像（主存的塊與Cache塊的對應關系是固定的）、全相聯映像（主存的任一塊可以調入Cache存儲器的任何一個塊的空間中）、組相聯映像（將Cache中的塊再分組，組采用直接映像方式塊采用全相聯映像）

為使Cache獲得盡可能高 的命中率，應使用合適的替換算法。常用算法如下：隨機替換算法、先進先出算法、近期最少使用算法、優化替換算法。

現代系統提供一種對主存的抽象，稱為虛擬存儲，使用虛擬地址 來訪問主存， 使用專門的MMU將虛擬地址轉換為物理地址后訪問主存。虛擬存儲器實際上是一種邏輯存儲器，實質上是對物理存儲設備進行邏輯化的處理。

外存儲器用來存放暫時不用的程序和數據，并且以文件的形式存儲。主要由磁表面存儲器、 光盤存儲器及固態硬盤構成。

磁盤陣列是由多臺磁盤存儲器組成的一個快速、大容量、高可靠的外存子系統，現常見 磁盤陣列 稱為廉價冗余磁盤陣列（RAID）

5、輸入輸出技術（4種）

?微型計算機系統中常見內存與接口地址的編制方法有：內存與接口地址獨立編制（指令易使用和辨認但數量少功能弱）和內存與接口地址統一編制（增強對接口的操作功能且不再區分內存和接口指令但會導致內存地址不連續）。

直接程序控制（外設數據的輸入/輸出過程是在CPU執行程序的控制下完成的） 分為無條件傳送（外設無條件接受CPU發來的輸出數據/向CPU提供輸入數據）和程序查詢方式（通過CPＵ執行程序查詢外設的狀態，判斷外設是否準備好接收數據或向CPU輸入數據-----缺：降低CPU效率以及無法對外部的突發事件做出實時響應)。

鑒于程序控制I/O使 整個系統性能嚴重下降，引入中斷方式。

中斷方式： 系統與外設交換數據時，CPU去處理其他任務，當I/O系統準備好后，發出中斷請求信號通知CPU。CPU接到信號完成與I/O系統的數據交換，然后返回被打斷的程序繼續執行。中斷處理方法有多中斷信號線法、中斷軟件查詢法、菊花鏈法、總線仲裁法和中斷向量表法。

以上三種方式都需要CPU通過執行程序來實現， 限制了數據的傳送速度。

直接內存存取（DMA）：數據在內存與I/O設備間直接成塊傳送，即內存與I/O設備間傳送一個數據塊的過程中，不需要CPU的干涉，只需要CPU負責開始和 結束時的處理，實際操作由DMA硬件直接執行完成。（注：DMA傳送數據時，CPU不能使用總線）

通道（輸入輸出處理機IOP）進一步提高CPU效率，以增加更多的硬件為代價。實現對外圍設備統一管理，完成外圍設備與主存間的數據傳送。

6、總線結構

總線是計算機設備與設備之間傳輸信息的公共數據通道，由總線上所有設備共享。

微機中總線分為數據總線（DB：傳送數據信息，雙向）、地址總線（AB：傳送CPU的地址信息，單向）和控制總線（CB：傳送控制信號、時序信號和狀態信息等，每條線單向但整體雙向）。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机基础知识复习（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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