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Posted 2022-12-09 Scean周

第一章 概论

1.1 电子计算机与存储程序控制

电子计算机是一种不需要人工直接干预,能够自动、高速、准确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。电子计算机从总体上来说可以分为两大类:电子模拟计算机和电子数字计算机。电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量,运算的过程也是连续的;而电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量,运算的过程是不连续的。通常所说的计算机都是指电子数字计算机。

1.1.1 存储程序概念

存储程序概念是冯·诺依曼等人于1945年6月首先提出来的,它可以简要地概括为以下3点:
①计算机(指硬件)应由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成。
②计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
③将编好的程序和原始数据事先存入存储器中,然后再启动计算机工作,这就是存储程序的基本含义。

1.2 计算机的硬件组成

1.2.1 计算机的主要部件

1、输入设备
输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中,并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。

2、输出设备
输出设备的任务是将计算机的处理结果以数字、字符(汉字),图形、图像、声音等形式送出计算机。

3、存储器
存储器是用来存放程序和数据的部件,它是一个记忆装置,是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。
在计算机系统中,规模较大的存储器往往分成若干级,称为存储系统。
主存储器可由CPU直接访问,存取速度快,但容量较小,一般用来存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器设置在主机外部,它的存储容量大,价格较低,但存取速度较慢。一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据。Cache的存取速度比主存更快,但容量更小,用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向CPU提供指令和数据。

4、运算器
运算器是对信息进行处理和运算的部件。经常进行的运算是算术运算和逻辑运算,所以运算器又称为算术逻辑运算部件(ALU)。运算器的核心是加法器。运算器中还有若干个通用寄存器或累加寄存器,用来暂存操作数并存放运算结果。寄存器的存取速度比存储器的存取速度快得多。

5、控制器
控制器是整个计算机的指挥中心,它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤,控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。
控制器从主存中逐条地取出指令进行分析,根据指令的不同来安排操作顺序,向各部件发出相应的操作信号,控制它们执行指令所规定的任务。

1.2.2 计算机各大部件之间连接

1、总线结构(小、微型机的典型结构)
①、所谓总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息。
②、计算机中采用总线结构,可以大大减少信息传送线的数量,又可以提高计算机扩充主存及外部设备的灵活性。
③、最简单的总线结构是单总线结构。单总线结构提高了CPU的工作效率,而且外设连接灵活,易于扩充。
④、系统总线按传送信息的不同可以细分为地址总线、数据总线、控制总线。
⑤、地址总线由单方向的多根信号线组成,用于CPU向主存、外设传输地址信息；
数据总线由双方向的多根信号线组成,CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据,也可以沿这些线向主存或外设送出数据；
控制总线上传输的是控制信息,包括CPU送出的控制命令和主存(或外设)返回CPU的反馈信号。

2、大、中型计算机的典型结构
大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。在系统连接上分为四级:主机、通道、设备控制器和外部设备。

1.2.3 不同对象观察到计算机硬件系统

1.3 计算机系统

计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。

1.3.1 硬件与软件的关系

①、原来一些由硬件实现的功能可以改由软件模拟来实现,这种做法称为硬件软化,它可以增强系统的功能和适应性;
②、原来由软件实现的功能也可以改由硬件来实现,称为软件硬化,它可以显著降低软件在时间上的开销。

1.3.2 系列机和软件兼容

系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。

1.3.3 计算机系统的多层次结构

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标

1.4.1 计算机的主要性能指标

1、机器字长
机器字长是指参与运算的数的基本位数,它是由加法器、寄存器的位数决定的,所以机器字长一般等于内部寄存器的大小。字长标志着精度，字长越长,计算的精度就越高。在计算机中为了更灵活地表达和处理信息,以字节(Byte)为基本单位,字节用大写字母B表示。一个字节等于8位二进制位用小写字母b表示。

2、数据通路宽度
数据总线一次所能并行传送信息的位数,称为数据通路宽度。

3、主存容量
一个主存储器所能存储的全部信息量称为主存容量。

4、运算速度

（1）吞吐量和响应时间
吞吐量是指系统在单位时间内处理请求的数量。响应时间是指系统对请求作出响应的时间,响应时间包括CPU时间与等待时间的总和。

（2）主频和CPU时钟周期
CPU的主频又称为时钟频率,表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。主频的倒数就是CPU时钟周期,这是CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。CPU主频 = 1 / CPU时钟周期

（3）CPI
CPl是指每条指令执行所用的时钟周期数。在现代高性能计算机中,由于采用各种并行技术,使指令执行高度并行化,常常是一个系统时钟周期内可以处理若干条指令,所以CPI参数经常用IPC表示,即每个时钟周期执行的指令数。

（4）CPU执行时间

（5）MIPS和 MFLOPS
MIPS表示每秒执行多少百万条指令。对于一个给定的程序,MIPS定义为:

MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算。对于一个给定的程序,MFLOPS定义为:

MFLOPS适用于衡量向量机的性能。

第二章 数据的机器层次表示

2.1 数值数据的表示

2.1.1 计算机中的数值数据

后缀B表示二进制数、后缀Q表示八进制、后缀D表示十进制、后缀H表示十六进制

2.1.2 无符号数和带符号数

机器字长为n+1位的无符号数的表示范围是0 ~(2⁽ⁿ⁺¹⁾ - 1),此时二进制的最高位也是数值位，其权值等于2ⁿ；
若字长为8位，则数的表示范围为0~255

2.1.3 原码表示法

2.1.4 反码表示法

2.1.5 补码表示法

模是指一个计量器的容量，可用M表示，一个字长为n+1位的纯整数的模为2⁽ⁿ⁺¹⁾;
例如：一个4位的二进制计数器，M=2⁴=16,即模为16

同余概念是指两个整数A和B除以同一个正整数M，所得余数相同，则称A和B对M同余。

2.2 机器数的定点表示与浮点表示

2.2.1 定点表示法

在定点表示法中约定：所有数据的小数点位置固定不变。通常，把小数点固定在有效数位的最前面或末尾，这就形成了两点定点数。

1、定点小数
定点小数即纯小数，小数点的位置固定在最高有效数位之前、符号位之后。

2、定点整数

2.2.2 浮点表示法

r是浮点数阶码的底，与尾数的基数相同，通常r=2。
E称为阶码，阶码为纯整数，常用移码或补码表示。
M称为尾数，尾数为纯小数，常用原码或补码表示。

2.2.3 浮点数阶码的移码表示法

2.2.4 IEEE 754 标准浮点数

2.3 非数值数据的表示

2.3.1 字符和字符串的表示

2.3.2 汉字的表示

1、汉字国标码

2、汉字区位码
汉字国标码=区位码（十六进制）+2020H

3、汉字机内码
汉字内机码=汉字国标码（十六进制）+8080H

2.4 十进制和数串的表示

2.4.1 十进制数的编码

2.4.2 十进制数串

1、非压缩的十进制数串
非压缩的十进制数串又根据符号所处的位置，分成前分隔式数字串和后嵌入式数字串两种格式。
在前分隔式数字串中，符号位占用单独一个字节，放在数值位之前，正号对应的ASCII码为2BH，负号对应的ASCII码为2DH。
例如：
+256，在主存中连续四个字节存放，对应的ASCII码为2BH，32H，35H，36H

-256，在主存中连续四个字节存放， 对应的ASCII码为2DH，32H，35H，36H。

2、压缩的十进制数串
在主存中，一个压缩的十进制数串占用连续的多个字节，每位数字仅占半个字节，其值常用8421码表示。
符号位也占用版个字节，并存放在最低数值为之后，通常用CH表示正号，DH表示负号。
在这种表示中，规定数字的个数加符号位之和必须为偶数；当和为奇数时，应在最高数值位之前补0H（即第一个的高半字节位0000）

2.6 数据校验码