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第一章计算机组成原理
本部分要求掌握计算机方面的基础知识,包括计算机的发展、计算的系统组成、基本组成和工作原理、计算机的数制数据表示以及运算校验、指令系统以及计算机系统的安全等基础性的知识。内容多而且复杂,尤其是有关计算机硬件方面的内容,很细而且灵活性不高,知识量相当大,掌握这部分一定要多下功夫,学会取舍、把握重点、抓住要害。
.考试大纲及历年考题知识点
..大纲要求
考试要求:
掌握数据表示、算术和逻辑运算;
掌握计算机体系结构以及各主要部件的性能和基本工作原理考试范围
计算机科学基础
.数制及其转换二进制、十进制和十六进制等常用制数制及其相互转换
.数据的表示
・数的表示(原码、反码、补码、移码表示,整数和实数的机内表示,精度和溢出)
・非数值表示(字符和汉字表示、声音表示、图像表示)
・校验方法和校验码(奇偶校验码、海明校验码、循环冗余校验码)
.算术运算和逻辑运算
・计算机中的二进制数运算方法
・逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简
计算机系统知识
.计算机系统的组成、体系结构分类及特性
・CPU和存储器的组成、性能和基本工作原理
・常用I/O设备、通信设备的性能,以及基本工作原理
・I/O接口的功能、类型和特性
・I/O控制方式(中断系统、DMA、I/O处理机方式)
・CISC/RISC,流水线操作,多处理机,并行处理
.存储系统
・主存-Cache存储系统的工作原理
・虚拟存储器基本工作原理,多级存储体系的性能价格
・RAID类型和特性
.安全性、可靠性与系统性能评测基础知识
・诊断与容错
・系统可靠性分析评价
・计算机系统性能评测方式
.计算机科学基础
..数制及其转换
、R进制转换成十进制的方法按权展开法:先写成多项式,:
口(.)=xa+xa+xa+xa+xa-+xa-=+++.=.
口()°=xA+xA+xA=++=
口(D)=叹人+乂人=+=
、十进制转换成二进制方法一般分为两个步骤:・整数部分的转换
口除取余法(基数除法)
• 小数部分的转换
口乘取整法(基数乘法)
例:求(.)转二进制(取位小数)解:整数部分: 儿

把余数写下来:由下至上写得
小数部分: .
X
.
X
.
X
.
X "
.
规则:进位留,乘积略。由上至下写得:(取位小数)
最后结果:. (进制转,进制类似)
、其它进制之间的直接转换法
例:二转&进制(.)c=(.)°=(.B)“
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..数据的表示
机器数:计算机中表示的带符号的二进制数。把符号位和数字位一起编码来表示相应的数的各种表示方法。
机器数有四种表示方法即原码、补码、反码和移码。
【概念:定点数】
.原码表示法原码表示法用“”表示正号,用“”表示负号,
有效值部分用二进制的绝对值表示。
()的表示:对于,原码机器中往往有“+”、“-”之分,故有两种形式:
[+]原=...
[-]原=OOO...O
()表示范围:
原码小数的表示范围:一lvXvl
原码整数的表示范围:
・最大值:M-【n指除符号位外的二进制位数】
• 最小值:-(M-)
补码表示法
的表示:对于,叶]补=[一]补= 注意,的补码表示只有一种形式。
表示范围:
定点小数:-v=Xv
定点整数:-An<=X<An
原码与补码之间的转换:知原码求补码
正数 [X]补=区]原
负数 符号除外,各位取反,末位加
例:X=-
[X]原= ,
[X] 补=+=
反码表示法
正数的表示与原码相同,负数是保持原码符号位不变,数值位是将原码的数值按位取反
的表示:
[+]反=;
[-]反=
表示范围同原码
移码表示法
补码的符号位取反就得到移码
的表示:„
例:X=
[XI] 补=
[X]移=
X=-
[X]补=
[X]移=
码制表示法小结
口[X]原、[X]反、[X]补用“”表示正号,用“”表示负号;[X]移用“”表示正号,用“”表示负号。
口如果X为正数,则[X]原=[X]反=[X]补。
口如果X为,则[X]补、[X]移有唯一编码,[X]原、[X]反有两种编码。
口 移码与补码的形式相同,只是符号位相反。
例:若码值FFH是一个整数的原码表示,则该整数的真值为__()__:若码值FFH是一个整数的补码表示,贝I」该整数的真值为_()__。
.-D.-
.-D.-
CD把FFH化为二进制:原码很简单,补码看符号位为,后为取反+可得真值为,再加上符号位得一
..汉字的表示方法
•汉字的输入编码数字编码:常用的是国标区位码,用数字串代表一个汉字输入。
拼音码:拼音码是以汉字拼音为基础的输入方法。字形编码:字形编码是用汉字的形状来进行的编码。
•汉字内码汉字内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码,一般采用两个字节表示。
英文字符的机内代码是七位的ASCII码,当用一个字节表示时,最高位为“”。为了与英文字符相互区别,汉字机内代码中两个字节的最高位均规定为“”。
•汉字字模码字模码是用点阵表示的汉字字形代码,它是汉字的输出形式。
根据汉字输出的要求不同,点阵的多少也不同。字模点阵的信息量很大,所占存储空间也很大。因此字模点阵只能用来构成汉字库,而不能用于机内存储。字库中存储了每个汉字的点阵代码。当显示输出或打印输出时才检索字库,输出字模点阵,得到字形。
注意:汉字的输入编码、汉字内码、字模码是计算机中用于输入、内部处理、输出三种不同用途的编码,不要混为一谈。
例:已知汉字“大”的国标码为H,其机内码为_()_。
()
解:H转二进制(占两个字节),把每字节的最高位置“”,再转回进制即得机内码。
..校验码
元件故障、噪声干扰等各种因素常常导致计算机在处理信息过程中会出现错误。为了防止错误,可将信号采用专门的逻辑线路进行编码以检测错误,甚至校正错误。通常的方法是,在每个字上添加一些校验位,用来确定字中出现错误的位置。
、奇偶校验
设x=(xx„xn-)是一个n位字,则奇校验位C定义为
C=x㊉x㊉…㊉xn- (.)
式中㊉代表按位加,表明只有当x中包含有奇数个时,才使C=,即C=。
偶校验位C定义为C=x㊉x㊉…㊉xn- (.)即x中包含偶数个时,才使C=
。
假设一个字x从部件A传送到部件B。在源点A,校验位C可用上面公式算出来,并合在一起将(xx„xn-C)送到B。假设在B点真正接收到的是x=(x'x'„x'n-C'),然后计算
F=x'㊉x'㊉…㊉x'n-㊉C'
若F=,意味着收到的信息有错,若F=,表明x字传送正确。奇偶校验可提供单个错误检测,但无法检测多个错误,更无法识别错误信息的位置。
[例]已知下表中左面一栏有个字节的数据。请分别用奇校验和偶校验进行编码,填在中间一栏和右面一栏。
[解:]假定最低一位为校验位,其余高位为数据位,列表如下。从中看出,校验位的值
取还是取,
数据
是由数据位中的个数决定的。
偶校验编码C奇校验编码C


..数据格式
计算机中常用的数据表示格式有两种:一是定点格式,二是浮点格式定点格式容许的数值范围有限,但要求的处理硬件比较简单。浮点格式容许的数值范围很大,但要求的处理硬件比较复杂。
、 定点表示法定点格式:小数点位置固定的数。计算机中的定点数一般只采用纯整数或者纯小数形式,分别称为定点整数和定点小数。
、 浮点表示法浮点格式:小数点位置不固定的数。把一个数的有效数字和数的表示范围在计算机中分别表示。
()浮点数格式一个任意进制的数N可以写成:
N=RE*M
M:浮点数的尾数(mantissa),—般用定点小数表示
E:浮点数的阶码(exponent),—般用定点整数表示
R:基数(radix),—般为,或。
口 计算机中,常用补码进行加减运算
口 补码可将减法变加法进行运算
口 补码运算特点:符号位数值位一同运算
口 定点补码运算在加法运算时的基本规则:
口 [X]补+[Y]补=[X+Y]补(两个补码的和等于和的补码)
口 定点补码运算在减法运算时的基本规则:[X-Y]补=[幻补+[-Y]补
、 补码加法负数用补码表示后,可以和正数一样来处理。这样,运算器里只需要一个加法器就可以了,不必为了负数的加法运算,再配一个减法器。
补码加法的公式是
[x]补+[y]补二収+y]补(mod)
补码加法的特点:一是符号位要作为数的一部分一起参加运算,二是要在模的意义下相加,即超过的进位要丢掉。
[例]x=., y=.,求x+y。
[解:]
[x]补=., [y]补=.
[x]补 .
+[y]补.
[x+y]补.
所以x+y=+.
、 补码减法:数用补码表示时,减法运算的公式为
[x—y]补=[x]补一[y]补=[x]补+[—y]补
从[y]补求[—y]补的法则是:对[y]补包括符号位“求反且最末位加”即可得到[—y]补。
[例]已知x=—.,x=+.,求:[x]补,[—x]补,[x]补,[—x]补。[解:]
[x]补=.
[—x]补=.
[x]补=.
[—x]补=.
、 溢出概念与检测方法
在定点小数机器中,,称为“溢出”在定点机中,正常情况下溢出是不允许的。
[例]x=+., y=+.,求x+y。
[解:]
[x]补=.[y]补=.
[x]补.
+ [y]补.
[x+y]补.
两个正数相加的结果成为负数,这显然是错误的。
[例]x=—., y=—.,求x+y。
[解:]
[x]补=.[y]补=.
[x]补.
+ [y]补.
[x+y]补.
两个负数相加的结果成为正数,这同样是错误的。上溢:两个正数相加,结果大于机器所能表示的最大正数。
下溢:两个负数相加,结果小于机器所能表示的最小负数。
溢出检测方法:双符号位法和单符号位法。
双符号位法:运算结果的二符号位相异时,表示溢出;相同时,表示未溢出。故溢出逻辑表达式为V=Sf㊉Sf,其中Sf和Sf分别为最高符号位和第二符号位。此逻辑表达式可用异或门实现。
单符号位法:如上两例,当最高有效位产生进位而符号位无进位时,产生上溢;当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生下溢。故溢出逻辑表达式为V=Cf㊉Co,其中Cf为符号位产生的进位,Co为最高有效位产生的进位。此逻辑表达式也可用异或门实现。
、 逻辑运算计算机中除了进行加、减、乘、除等基本算术运算外,还可对两个或一个逻辑数进行逻辑运算。计算机中的逻辑运算,主要是指逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异四种基本运算。
) 逻辑非运算
逻辑非也称求反。对某数进行逻辑非运算,就是按位求它的反,常用变量上方加一横来表示。
) 逻辑加运算
对两个数进行逻辑加,就是按位求它们的“或”所以逻辑加又称逻辑或,常用记号“V”或“+”来表示。
[例]x=,y=, 求xVy
[解:]
x
Vy
即xVy=
) 逻辑乘运算
对两数进行逻辑乘,就是按位求它们的“与”所以逻辑乘又称“逻辑与”常用记号“人”或“X”来表示。
[例]x=,y=,求xAy
[解:]
x
A y
z
即xAy=
) 逻辑异运算
对两数进行异就是按位求它们的模和,所以逻辑异又称“按位加”,常用记号“㊉”表示。
[例]x=,y=,求x㊉y。
[解:]
x
㊉ y
z
即x©y=
、浮点加法、减法运算
设有两个浮点数x和y,它们分别为
x=
y=Ey・My
其中Ex和Ey分别为数x和y的阶码,Mx和My为数x和y的尾数
步骤:对阶-求和差-规格化-舍入
、 对阶:即对齐两数的小数点使两数的阶码相等
对阶原则:小阶向大阶看齐即小阶的尾数每右移一位,阶码+。
、 求和/差:对阶之后进行尾数运算。(尾数按补码加减运算规则运算)
、 规格化:
当浮点数大于时,其规格化尾数应为:M=.xxx„x -n-WEWn--
当浮点数为时,其规格化尾数应为: M=.„ E=
当浮点数小于时,其规格化尾数应为:M=.xxx„x -n-WEWn--
补码尾数求和的结果,可能出现下列种情况:[M]补=....... ①
[M]补=....... ②
[M]补=....... ③
[M]补=....... ④
[M]补= ⑤
[M]补= ⑥其中①②符合规格化数的定义,是规格化数③④需使尾数左移、阶码减,直至满足规格化要求称为左规⑤⑥在浮点运算中表明尾数之和绝对值大于,将尾数右移实现规格化称为右规
若两浮点数求和后运算结果为: [A+B]浮=.
非规格化浮点数,应左规,结果为: [A+B]浮=.
若两浮点数求和后运算结果为: [C+D]浮=.
非规格化浮点数,应右规,结果为: [C+D]浮= .
、 舍入操作
“舍入”法:即移掉的最高位为时则在尾数末位加;为时则舍去移掉的数值。
末位恒法:即右移时,丢掉移出的原低位上的值并将结果的最低位置。
、 阶码溢出判断
阶码无溢出加减运算正常结束
阶码下溢 运算结果置为机器
阶码上溢 置溢出标志
[例]设x=,y=ioox(—.),求x+y。
[解:]
假设两数均以补码表示,阶码采用双符号位,尾数采用单符号位,则它们的浮点表示分别为
[x] 浮=, .
[y] 浮=, .
<>求阶差并对阶
△E=Ex—Ey=[Ex]补+[—Ey]补=+=
(补码转原码若是负数,则数值位取反+得原码:故下一句说是一)
即AE为一,x的阶码小,应使Mx右移两位,Ex加,
[x]浮=,.()
其中()表示Mx右移位后移出的最低两位数。
<>尾数求和
.()
+.
.()
<>规格化处理
尾数运算结果的符号位与最高数值位同值,应执行左规处理,结果为.(),阶码为。
<>舍入处理
采用舍入法处理,则有
.
+
.
<>判溢出
阶码符号位为,不溢出,故得最终结果为
x+y=oiiX(—.)
.计算机硬件系统结构
..计算机的硬件组成
计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。