计算机组成原理笔记

一.基本知识


1.1 计算机信息

  • 指令流:从存储器流入控制器,控制计算机
  • 数据流:从输入流入存储器,再流入执行器,运算结果流入存储器或输出设备。
  • CU:控制部件 PU:执行部件 MM:存储器
计算机组成原理笔记_第1张图片单指令单数据
计算机组成原理笔记_第2张图片单指令多数据
计算机组成原理笔记_第3张图片多指令单数据
计算机组成原理笔记_第4张图片多指令多数据

1.2 计算机硬件的主要技术指标

  • 机器字长:CPU一次处理数据位数
  • 存储容量:存储单元个数*存储字长
  • 运算速度:不同的指令运行的时间以及该指令占全部操作的百分比

1.3 计算机硬件

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以运算器为中心
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以总线为中心
  • 中央处理器(CPU):计算机中的核心部件,它执行程序中的指令。它具有加法、测试和控制其他部件的功能。
  • 主存储器:计算机的一个组成部分,运行态的程序和相关数据置于其中。
  • 控制器:处理器中根据程序的指令指示运算器、存储器和I/O设备做什么的部件。
  • 嵌入式系统:嵌入在其他设备中的计算机,运行设计好的应用程序实现相应功能。
  • 集成电路:在一个芯片中集成几十万到上百万个晶体管的工艺。
  • 操作系统:管理计算机中的资源以便程序在其中运行的程序。
  • 编译器:将高级语言翻译成机器语言的程序。
  • 汇编器:将指令从助记符号的形式翻译成二进制码的程序。
  • 控制器:计算机硬件与其底层软件的特定连接纽带。

1.4 三极管:

  • P极中存在空穴,N极中的电子有靠近P极空穴的趋势,PN结的连通是由N极的电子迁往P极空穴而实现的。下图显示了反向截止的情况。
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PN结反向连通示意图
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三极管原理图
  • C极始终有着较大的电压,但是只有B极电压达到一定的值,令BE电势差达到截止电压,才能让导通(部分导通),导通前称为截止状态;但是B极连接在P极上,比较小,大部分电流都经过C,称为放大状态;随着B的电压增大,越来越多的电子被激活,则电流不断扩大,当所有电子都被带动,则B改变也无效,称为饱和状态(完全导通)。
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1.5 卡诺图

  • 行列都只能相差一个变量
  • 画最大的圈,可以透过边界,可以重复,但是必须是2的次方
  • 无关项d,可用可不用(取决于画图)
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四变量卡诺图
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五变量卡诺图
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五变量卡诺图举例
PS. 真值表中X表示可为0,也可为1,无关项

1.6 逻辑表达式化简

  • 分配率:A+BC=(A+B)(A+C)

  • 吸收率:A+AB=A

  • 第二吸收率:A+(|A)B=A+B [|A是非A]

  • 包含率(2-13中的1化开的思想):

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1.7 输入输出连接:

  • 允许输入相连,但不许输出相连(OC门,三态门除外)

1.8 基本电路部件

  • 加法器
    (1)一位全加器:存在两个输入以及进位
    (2)四位二进制加法器:通过四个一位加法器组合,但是需要等待前一个阶段的进位
    (3)四位超前进位加法器:不使用进位,直接代入,则只需要第一个进位,速度更快
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    (4)四位并行进位加法器:通过更加复杂的结构,多输入实现并行
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  • 译码器
    (1)把n位输入编码翻译成2的n次方个输出控制,一个编码对应一个输出,输出是设定好的
    (2)存在控制端,使能情况下才能有输出
    (3)低电平有效,输出为Y的反(为0)
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3-8译码器真值表(存在译码条件)
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应用
  • 多路选择器:
    (1)只有一个输出,由s0,s1决定输出A,B,C,D的哪个,输出是输入决定的
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四选一电路
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真值表
译码器和多路选择器的区别:译码器是翻译后输出自己的结果,而多路选择器是选择输入后输出。
  • R-S触发器(Reset,Set):利用电平进行触发(只有当电平改变时数据才会改变)
计算机组成原理笔记_第20张图片触发器示意图
  • D触发器:主要针对模型的上升下降沿触发,当RS都不起作用才有效

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D触发器示意图
R-S触发器和D触发器的区别:R-S是电平触发,而D是是中上升沿触发
  • 锁存器:当输入一定的数据之后,将E调成0,就能锁住数据

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  • 寄存器:用来暂时存放数据
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    (1)右移寄存器:将高位的输出和低位的输入相连
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    (2)计数器:前一个的输出作为下一个的时钟
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  • 缓冲器:输入不直接传入,使用三态门,在需要的时候再传入
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二.信息编码与数据表示


2.1 进制

  • 十进制转换成别的进制,小数整数要分开处理,转换成二进制,乘2取高位
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3-8译码器真值表(存在译码条件)
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应用
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应用
  • 编码制度:可分为加权与非加权
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  • C(12) 表示正,D(13)表示负
  • 符号位占半个字节,一个字节两个十位数

2.2 机器数与真值

  • 机器数:n+1位(将符号代码化)
  • 真值:机器数的真实值
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定点数
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浮点数

-浮点数表示
(1)非规格化表示:以2为底的科学计数法*1.**
数符+尾数(作为系数的小数项),阶符+阶码(其中的127是最高位Es产生的)
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(2)规格化表达:原码的系数必须0.5≤|M|≤1;对于补码,必须Ms与M1不同
在这里插入图片描述

三.运算方法和运算器

3.1 补码

  • 两个补码相加,等于相加取补码(减法相同)
  • 正溢出:两个正数相加—负溢出
  • 溢出的表现
    1.数值的最高位和符号位只有一个进位;
    2.使用双符号位,11表示正,00表示负,变成异号则溢出(10负溢出,01正溢出)
  • 补码加减法计算器
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3.2 移码

  • 相加的移码=移码与补码的和
  • 溢出的判断:双符号的最高符号位为1则溢出,低符号位为0,上溢

3.3 移位

  • 逻辑移位:无符号数
  • 算术移位:符号位不变
    (1)右移都补零,可能会溢出
    (2)左移针对情况,原码补零,补码符号位 反码左移正数补零,负数补一;右移符号位来补

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3.4 总结(原码,反码,补码,移码)

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3.5 乘法

  • 原码乘法:
    (1)同10进制乘法:按位直接乘,结合右移
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    (2)原码一位乘法:符号位单独计算,取两者的绝对值,将Y的倒数几位依次乘上|x|,并右移(先得到的是后面的y与x相乘的结果)。
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  • 补码乘法
    (1)校正法:符号位单独处理,取小数部分,类似原码一位乘法,最后根据符号位是否为负数,决定要不要加上[-x]补
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(2) Booth算法 :类似补码移位乘法,但本次要带上符号位(几位加几次),最后一位先补零,然后逆序取两位判断应该加啥,11/00不加…

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3.6 除法

  • 原码除法
    (1)手工除法
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    (2)恢复余数算法:除法分成余数(R)和商(Q),余数的符号取决于被除数的符号,商的符号取决于两者。重复(1)-(3)
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(3)不恢复余数算法

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3.7 定点数运算器的组成与结构

  • 标志寄存器
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3.8 浮点数运算器的组成与结构

对阶(小阶靠向大阶),尾数计算(具体方法选择),规格化,舍入

  • 加减
    (1)0操作数检查
    (2)对阶:小阶向大阶(避免左移)
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(3)尾数加减
(4)规格化:
若尾数溢出,则右规一位(只能一次)
若尾数过小,则需要左规
(5)舍入:截断,0舍1入,末位恒置1

  • 乘除(尾数只能左规一位)
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