保研复习

计算机组成原理

计算机组成原理复习

Posted by Junvate on April 26, 2025

参考 https://blog.csdn.net/weixin_45260385/article/details/106640747

第一章 计算机系统概论

计算机的组成；

  • 控制器
  • 运算器
  • 存储器
  • 输入输出设备

    冯诺依曼计算机

    最重要的特点就是”存储程序” 无论是数据还是指令都是存储在存储器之中

I/O设备能够直接连接CPU吗？
不能，因为两者速度不匹配，需要通过接口连接。

第二章 运算方法和运算器

原码 反码 补码 计算

原码表示

  • 符号位：最高位，0 表示正，1 表示负。
  • 数值位：剩余的 n-1 位表示数值的绝对值的二进制形式。
  • 例 (8位)：+5 -> 0000 0101 例 (8位)：-5 -> 1000 0101
  • +0: 0000 0000 -0: 1000 0000 存在两个零的编码（+0 和 -0），这在计算中会带来不便。
  • 表示范围：-(2^n-1 - 1)——(2^n-1 - 1)

    反码表示

  • 正数：反码与原码相同。
  • 负数的反码是对他的符号位之外按位取反（数值位按位取反）
  • 例 (8位)：+5 -> 0000 0101 -5 反码 = 1111 1010 (将 1000 0101 除了符号位之外取反)
  • +0: 0000 0000 (正数的反码是其本身) -0: 1111 1111 (将 +0 的各位取反得到) 仍然存在两个零的编码（+0 和 -0）。
  • 表示范围：-(2^n-1 - 1)——(2^n-1 - 1)

    补码表示

  • 正数：补码与原码、反码相同。
  • 负数的补码是反码+1
  • 例 (8位)：+5 -> 0000 0101
    例子：-5 原码：1000 0101 补码：1111 1010 反码：1111 1011
  • +0: 0000 0000 -0：1000 0000 1111 1111 00000000
  • 特点：只有一个零的编码 (0000 0000)，解决了原码和反码中 +/-0 不同的问题。
  • 表示范围：-(2^n-1)——(2^n-1 - 1) 补码的表示范围是不对称的，负数比正数多一个（因为 1000 0000 在补码中表示 -128，没有对应的正数 +128）。 为什么？？ alt text alt text

    总结与对比 (以 8 位为例)

| 特性 | 原码 (Sign-Magnitude) | 反码 (One’s Complement) | 补码 (Two’s Complement) | 移码 (Excess-128) | |——|———————-|————————|————————|——————-| | 符号位 | 0=+, 1=- | 0=+, 1=- | 0=+, 1=- | (无直接符号位) | | 正数表示 | 符号位0, 其余为绝对值 | 符号位0, 其余为绝对值 | 符号位0, 其余为绝对值 | 真值 + 128 | | 负数表示 | 符号位1, 其余为绝对值 | 对应正数各位取反 | 反码 + 1 | 真值 + 128 | | +0 表示 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 1000 0000 (表示0) | | -0 表示 | 1000 0000 | 1111 1111 | 0000 0000 | (无 -0) | | 零表示个数 | 2 | 2 | 1 | 1 | | 表示范围 | -127 ~ +127 | -127 ~ +127 | -128 ~ +127 | -128 ~ +127 | | 主要优点 | 直观 | 减法可变加法 | 算术运算统一简单 | 便于比较大小 | | 主要缺点 | 两个零，运算复杂 | 两个零，循环进位 | 不直观，范围不对称 | 算术运算复杂 | | 主要用途 | (早期或特定场景) | (早期或特定场景) | 通用整数表示 | 浮点数阶码 |

第三章 多层次的存储器

  • ROM:只读存储器（Read-Only Memory，ROM）所存数据通常是装入整机前写入的，数据是非易失性的（断电不丢失）
  • RAM: 随机存取存储器（Random Access Memory）与CPU直接交换数据的内部存储器。通常是易失性的（断电后数据丢失）。
    • DRAM: 动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory）,是一种半导体存储器，常用于计算机的主内存（内存条）
    • SRAM: 静态随机存取存储器，只要供电，数据就能保持，不需要刷新，速度比DRAM快，但成本更高、密度更低。
  • 闪存(Flash Memory):：是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种，闪存掉电后信息不丢失，是一种非易失性存储器，闪存是一种半导体存储器，不能实现信息可读可写
  • 高速缓冲存储器 (Cache):通常由速度很快的 SRAM 构成。容量较小，但速度接近CPU，用于存储CPU频繁访问的数据和指令，以弥补CPU与主存（DRAM）之间的速度差异
  • 虚拟存储系统: 组成: 通常由主存 (如DRAM) 和辅存 (如大容量磁盘) 两层构成。

第四章 指令系统

  • 寻址方式的核心作用：指令的寻址方式规定了如何找到该指令所要操作的数据（操作数）的位置。

  • 操作数位置：操作数可以存放在不同的地方，如：
    指令本身内部 (立即寻址)
    CPU内部的寄存器 (寄存器寻址)
    内存单元 (多种内存寻址方式)

    寻址方式

  • 隐含寻址：操作数的地址隐含在指令的操作码中，无需显式给出。
    CLC (Clear Carry Flag - 清除进位标志位)

  • 立即寻址：操作数的值直接包含在指令代码中。
    MOV AX, 1234H (Move Immediate - 传送立即数)

  • 直接寻址：指令中直接给出操作数在内存中的有效地址。
    MOV AX, [2000H] (Move from Memory - 从内存传送)

  • 间接寻址：指令中给出的是存储操作数地址的内存单元的地址（即地址的地址，指针）。 MOV AX, [[3000H]] (假设 [[…]] 代表内存间接寻址)

  • 寄存器寻址：指令中指定寄存器的编号，操作数就在该寄存器中。
    MOV AX, BX (Move Register - 寄存器传送)

  • 寄存器间接寻址：指令中指定寄存器的编号，该寄存器中存放的是操作数的有效地址。
    MOV AX, [BX] (Move from Memory add ressed by Register - 从寄存器间接寻址的内存传送)

  • 偏移寻址/位移寻址 (Displacement/Offset)：将指令中给出的位移量（偏移地址）与某个寄存器（如基址寄存器、变址寄存器或程序计数器PC）的内容相加，形成操作数的有效地址。
    MOV AX, [BX + 4] (Move with Base and Displacement - 基址加偏移量寻址)

  • 堆栈寻址：操作数的地址隐含在堆栈指针 (SP) 中，通常是指向栈顶。
    例子: PUSH AX (Push onto Stack - 入栈)

第五章 中央处理器

cpu主要功能

CPU 的主要功能:

  • 指令控制 (Instruction Control): 负责控制程序中指令的执行顺序，确保程序按预定逻辑运行。

  • 操作控制 (Operation Control): 对指令进行译码，产生执行该指令所需要的各种控制信号，指挥计算机各部件协调工作。

  • 时间控制 (Timing Control): 提供精确的时序信号，控制指令中各个操作在何时发生，保证操作按正确的时序进行。

  • 数据加工 (Data Processing): 执行算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如与、或、非、比较）。

指令执行的基本流程

指令执行的基本流程 (Instruction Execution Cycle):

  • 取指令（fetch instruction）：从内存中取出下一条要执行的指令
  • 分析译码（decode instruction）:对取出来的指令分析解码，确定操作和操作数——>产生对应的控制信号
  • 执行（excute）:根据译码结果和控制信号，执行指令所规定的操作
  • (准备)取下一条指令: 在执行当前指令的同时或之后，计算并准备获取下一条指令的地址，以便开始下一个指令周期。
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