计算机考研408(计算机组成原理(持续更新))
- 计算机组成原理
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- 一、计算机系统
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- (一)发展
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- 1、硬件发展
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- 2、软件发展
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- 1.计算机语言
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- 2.计算机系统
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- 1 Unix
- 2 Windows
- 3 Linux
- 4 macOS
- 3、计算机分类
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- 1.电子计算机:
- 2.数字计算机:用途
- 3.通用计算机:性能、指令系统、数据量、功耗、体积、价格
- 4.计算机:指令、数据流
- 4、计算机未来发展
- (二)系统层次结构
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- 1、计算机系统组成(整机)
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- 2、硬件基本组成
- 3、软件分类
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- 4、计算机工作过程
- 5、系统多层结构:层次结构
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- (三)性能指标
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- 二、数据表示和运算
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- (一)进制转换
- 1、进制
- 2、进制转换
- (二)数据类型
- 1、符号数
- 2、整数
- 3、小数
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- (三)数据表示
- 1、表示1
- 2、表示2
- (三)数据运算
- 1、原反补移
- 2、四则运算
- 三、存储系统
计算机组成原理
一、计算机系统
(一)发展
计算机之父
通用计算机之父:巴贝奇 CharlesBabbage
计算机科学之父:图灵 AlanTuring
电子计算机之父:约翰·阿坦那索夫 JohnVincentAtanasoff
现代计算机之父:冯·诺依曼 JohnvonNeumann
1、硬件发展
0.世界上第一台电子计算机:ABC机
优点:可储存
缺点:不可编程
1.世界上第一台(通用)数字电子计算机:ENIAC(无存储)
进制:十进制
缺点:不具备存储程序
2.世界上第一台按存储程序功能设计的计算机:EDVAC(首次提出存储程序)
特点:机器内部使用二进制表示数据;像存储数据一样存储程序;
计算机由运算器、控制器、存储器、输入模块和输出模块5部分组成。
事先将指令以二进制代码事先输入计算机的主存储器
3.世界上第一台商用的程序内藏式电子计算机(现代电脑鼻祖):EDSAC
优点:世界上首次实现存储程序计算机
缺点:
发展阶段 时间 逻辑元件 速度(次/秒) 内存 外存
第一代 1946-1957 电子管 几千—万 汞延迟线、磁鼓 穿孔卡片、纸袋
第二代 1958-1964 晶体管 几万-几十万 磁芯存储器 磁带
第三代 1965-1971 中小规模集成电路 几十万-几百万 半导体存储器 磁带、磁盘
第四代 1972-至今 大规模、超大规模集成电路 上千万-万亿 半导体存储器 磁盘、磁带、光盘、半导体存储器
1.摩尔定律
价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能将提升一倍。
2.半导体发展
仙童半导体(美国)
3.微处理器发展
因特尔Intel(美国)
2、软件发展
1.计算机语言
1 机器语言
2 汇编语言
3 高级语言:
面向过程设计——FORTRAN
面向过程(结构化)——PASCAL
面向过程——C
面向对象——C++
面向对象——Java
2.计算机系统
1 Unix
2 Windows
3 Linux
4 macOS
3、计算机分类
1.电子计算机:
电子模拟计算机
电子数字计算机
2.数字计算机:用途
专用计算机
通用计算机
3.通用计算机:性能、指令系统、数据量、功耗、体积、价格
巨型机
大型机
中型机
小型机
微型机
单片机
4.计算机:指令、数据流
1单指令流和单数据流系统(SISD)——传统冯·诺依曼体系结构
2单指令流和多数据流系统(SIMD)——阵列处理器和向量处理器系统
3多指令流和单数据流系统(MISD)——实际不存在
4多指令流和多数据流系统(MIMD)——多处理器和多计算机系统
4、计算机未来发展
发展两极分化:
微型机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展
巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展
(二)系统层次结构
1、计算机系统组成(整机)
1.完整的计算机=硬件+软件
硬件:基本物理硬件(电子元件、光电/电子/机械设备)
软件:程序、数据、文档
2、硬件基本组成
主机、I/O设备
主机:CPU+内存
I/O设备:各类输入输出设备
3、软件分类
程序:是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列
数据:是使程序能正常操纵信息的数据结构
文档:是与程序开发、维护和使用有关的图文材料
1.按层次分类
1系统软件:一类软件
管理整个计算机系统
①语言处理程序
②操作系统
③服务性程序
④数据库管理系统
⑤网络软件
2支持软件
3应用软件:特定软件
按任务需要编制成的各种程序
2.按结构划分
1单机软件
2分布式软件
3C/S B/S
4、计算机工作过程
输入——>处理——>输出
1 外存程序及数据(磁盘)——>主存储器(内存+寄存)
2 程序起始地址运行程序
3 使用程序首地址从存储器中取出第一条指令,经过译码、执行等步骤控制计算机各功能部件协同运行,完成这条指令功能,并计算下一条指令的地址。
4 用新得到的指令地址继续读出第二条指令并执行,直到程序结束为止;同时再次往复循环下一轮。
5、系统多层结构:层次结构
定义:指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成,而如果按功能再细分,可分为7层。
把计算机系统按功能分为多级层次结构,就是有利于正确理解计算机系统的工作过程,明确软件,硬件在计算机系统中的地位和作用。
1.层次(顺序)
1.微程序机器M0:微指令系统:硬件直接执行
2.传统机器M1:机器语言:执行二进制机器指令
3.虚拟机器M2:操作系统:广义指令(系统调用)
4.虚拟机器M3:汇编语言:汇编程序翻译成机器语言
5.虚拟机器M4:高级语言:编译程序翻译成汇编语言程序
2.层次(倒序)
(零)0.硬联逻辑级
第零级是硬联逻辑级,这是计算机的内核,由门,触发器等逻辑电路组成。
(一)1.微程序级|微指令系统(微指令M0)
第一级是微程序级。它是实现程序的一种手段,具体就是将一条机器指令编写成一段微程序。每一个微程序包含若干条微指令,每一条微指令对应一条或多条微操作,一般是直接由硬件执行的。
(二)2.传统机器级(机器语言M1)
第二级是传统机器级,这级的机器语言是该机的指令集,程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
(三)3.操作系统级()
第三级是操作系统级,从操作系统的基本功能来看,一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源,另一方面它又是传统机器的延伸。
(四)4.汇编语言级(汇编语言)
第四级是汇编语言级,这级的机器语言是汇编语言,完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。
(五)5.高级语言级
这级的机器语言就是各种高级语言,面向用户,为方便用户编写应用程序而设置,通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。
(六)6.应用语言级
这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的,因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。
(三)性能指标
1、主要性能指标
1.存储器容量:MAR、MDR
bit Byte KB MB GB TB PB EB
名字 比特位 字节 千字节 兆字节 吉字节 太字节 拍字节 艾字节
比例 - 8bits 1024B 1024KB 1024MB 1024GB 1024TB 1024PB
常见设备 门电路 - 寄存器 高速缓存 内存/硬盘 硬盘 云硬盘 数据仓库
MAR(地址):位数反映出存储体里面总共有多少个存储单元
MDR(数据):位数反映出每个存储单元可以存放多少个二进制bit位

2.CPI
执行一条指令所需时钟周期数(平均情况)

2、专业术语(名词)
透明:不可见,看不见,不知道内部、看不到,不知道它是什么。
公开透明:看得见。
二、数据表示和运算
(一)进制转换
1、进制
2、进制转换
(二)数据类型
1、符号数
2、整数
3、小数
1.定点数
2.浮点数
(三)数据表示
1、表示1
2、表示2
(三)数据运算
1、原反补移
2、四则运算
三、存储系统