计算机硬件基础

提示:上午考试占六分左右
流水线计算是个重点
校验码比较难,但考的可能性不是很大

1. 数据的表示

1.1 进制的转换

  • R进制转十进制使用按权展开法,具体操作方式为:将R进制数的每一位数值用R的k次方形式表示,即幂的底数是R,指数是K,K与该位和小数点之间的距离有关。当该位位小于数点左边,K指是该位和小数点之间的数码的个数,当位于小数点右边时,K值是负值,其绝对值是该位和小数点之间的数码+1。

  • 二进制转成十进制
    eg: 二进制10100.01 = 12的4次方+12²+1*2的负二次方
    同理:八进制也是如此

  • 十进制转二进制
    十进制转二进制使用短除法
    eg:

    短除法.png

  • 二进制转八进制和十六进制
    傻瓜式做法:先将二进制转化成十进制,再将十进制转化成八进制
    另外一种方法


    image.png

二进制转八进制
每三位二进制数转成以为八进制


image.png

反之,八进制转二进制,每一位八进制对应三位二进制

二进制转十六进制
每四位二进制数转成以为十六进制
流水线计算是个重点

1.2 数据的表示方式

原码,反码,补码,移码(在补码的基础上将符号位取反)

二进制最高位表示符号位


原码.png
  • 数值的表示范围


    表示范围.png
  • 浮点数的表示


    浮点数.png

计算方法


image.png

eg:
image.png

2. 计算机系统的组成与体系结构

2.1 计算机的结构

计算机的结构.png

cpu: 中央处理器 先后经过2,4,8,16,32,64位,指长
运算器包括:
1.算术逻辑单元ALuU
2.累加寄存器
3.数据缓存寄存器
4.状态条件寄存器
控制器包括:
1.程序计数器PC
2.指令寄存器IR(当前正在执行的指令)
3.指令译码器(作用是译码)
4.时序部件

2.2 计算机体系结构分类-Flynn

image.png

2.2 指令的基本概念

一条指令就是机器语言的一个语句,它是一-组有意义的二进制代码,指令的基本格式如下:


image.png

操作码部分指出了计算机要执行什么性质的操作,如加法、减法、取数、存数等。地址码字段需要包含各操作数的地址及操作结果的存放地址等,从其地址结构的角度可以分为三地址指令、二 地址指令、--地址指令和零地址指令。


image.png

其中op是操作码,A是地址码

2.3 指令的编码-定长编码和变长编码

2.4 指令系统基础-指令的分类

  • 数据传输类指令 :数据在寄存器中的传递
  • 运算类指令 : 数据 逻辑 位与运算
  • 程序控制类指令 :控制程序流程改变 循环控制,中断指令
  • 输入/输出指令 : 有独立编码需要,统一编码不需要
  • 数据处理类指令 :压缩扩展指令,字符串转换指令

2.5 寻址方式

寻址:根据地址码寻找操作数的内容


寻址方式.png

有效地址:指向内存的地址
形式地址:地址码给出的地址

立即寻址:是一种特殊的寻址方式,指令中在操作码字段后面的部分不是通常意义上的操作数地址,而是操作数本身,也就是说数据就包含在指令中,只要取出指令,也就取出了可以立即使用的操作数。

立即寻址的特点:在取指令时,操作码和操作数被同时取出,不必再次访问主存,从而提高了指令的执行速度。但是,因为操作数是指令的一部分,不能被修改,而且立即数的大小受到指令长度的限制,所以这种寻址方式灵活性最差

在直接寻址中,指令中地址码字段给出的地址A就是操作数的有效地址,形式地址等于有效地址。


image.png

直接寻址的特点:不需作任何寻址运算,简单直观,也便于硬件实现,但地址空间受到指令中地址码字段位数的限制。

间接寻址
间接寻址意味着指令中给出的地址A不是操作数的地址,而是存放操作数地址的主存单元的地址,简称操作数地址的地址。


image.png

间接寻址的特点:非常灵活,能扩大了寻址范围,可用指令中的短地址访问大的主存空间:另外可将主存单元作为程序的地址指针,用以指示操作数在主存中的位置。当操作数的地址需要改变时,不必修改指令,只需修改存放有效地址的那个主存单元的内容即可。但是,间接寻址在取指之后至少需要两次访问主存才能取出操作数,降低了取操作数的速度。

** 有效地址 能直接从主存找到操作数**

寄存器寻址
寄存器寻址指令的地址码部分给出了某一个 通用寄存器的编号R;,这个指定的寄存器中存放着操作数。


image.png

寄存器寻址的特点:一 是从寄存器中存取数据比从主存中存取数据要快得多:二是由于寄存器的数量较少,其地址码字段比主存单元地址字段短得多。因此这种方式可以缩短指令长度,提高指令的执行速度,几乎所有的计算机都使用了寄存器寻址方式。

寄存器间接寻址:
在寄存器间接寻址方式中,寄存器内存放的是操作数的地址,而不是操作数本身,即操作数是通过寄存器间接得到的。

寄存器间接寻址的特点:兼备了间接寻址和寄存器寻址的优点,因此该寻址方式具有即快又灵活的特征,是一种被广泛使用的寻址方式。

  • 变址寻址


    image.png
  • 基址寻址


    image.png
  • 相对寻址


    image.png

2.4 指令系统 复杂指令系统(CISC) 精简(RISC)指令系统

image.png

2.6 流水线概念

流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的-种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的,它们可同时为多条指令的不同部分进行工作,以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。


image.png
  • 流水线阻塞


    image.png
  • 流水线的计算


    image.png

    2+2+1+(100-1)*2

3. 存储系统

  • 多级存储器机构


    image.png

    从上往下 容量增加 速度降低

  • 多级存储器结构


    image.png
  • Cache


    image.png
  • 主存-编址与计算


    image.png

    问题答案:
    43FFH-4000H+1H = 3FFH + H = 400H (十六进制数) = 10 0000 0000 = 2的10次方(存储单元)

2的10次方 * 16/4 = 256 * 16 位

4. 总线系统

  • 总线
    根据总线所处的位置不同,总线通常被分成三种类型,分别是:
    内部总线(cpu内部)
    系统总线
    从功能上说 分为数据总线 地址总线 控制总线(传递控制信号)
    外部总线

5. 可靠性计算

  • 串联系统和并联系统


    image.png

    时效率:


    image.png

    可靠度:
    image.png
  • N模混合系统


    image.png

可靠度:


image.png

6. 效验码

  • 目的:为了防止发送信息错误

  • 码距:任何-种编码都由许多码字构成,任意两个码字之间最少变化的二二进制位数就称为数据校验码的码距。

例如,用4位二进制表示16种状态,则有16个不同的码字,此时码距为1。如0000与0001.

  • 校验码-奇偶校验
    奇偶校验码的编码方法是:由若干位有效信息(如一个字节),再加上一个二进制位(校验位)组成校验码。

奇校验:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为奇数。偶校验:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1"的个数为偶数。

校验码-循环校验码CRC
CRC的编码方法是:在k位信息码之后拼接r位校验码。应用CRC码的关键是如何从k位信息位简便地得到r位校验位(编码),以及如何从k+ r位信息码判断是否出错。


image.png

image.png

什么是模2除法,它和普通的除法有何区别?
模2除法是指在做除法运算的过程中不计其进位的除法。
例如,10111对1 10进行模2除法为:


image.png
image.png

校验位是四位


image.png
  • 校验码-海明校验码
    r代表校验码 m代表信息吗


    image.png

** 校验位一般为1,2,4,8,16,32,64,……看是看r,如果r是3 那校验位就是1,2,4


image.png

思维图总结

总结.png