408计算机学科专业基础综合—

本文主要是介绍408计算机学科专业基础综合——计算机组成原理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

第1章计算机系统概述

1.1 计算机发展历程

1）第一代计算机（1946-1957年）——电子管时代：逻辑元件采用电子管，使用机器语言进行编程
2）第二代计算机（1958-1964年）——晶体管时代：逻辑元件采用晶体管，软件开始使用高级语言，如Fortran
3）第三代计算机（1965-1971年）——中小规模集成电路时代：逻辑元件采用中小规模集成电路，开始有了分时操作系统
4）第四代计算机（1972-现在）——超大规模集成电路时代：逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路，并产生了微处理器

摩尔定律
32位、64位指的是机器字长，是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。

电子计算机可分为电子模拟计算机和电子数字计算机。数字计算机又可按用途分为专用计算机和通用计算机。通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机6类。

计算机按指令和数据流还可分为：
1）单指令流和单数据流系统（SISD），也即冯诺依曼体系结构
2）单指令流和多数据流系统（SIMD），包括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），这种计算机实际上不存在
4）多指令流和多数据流系统（MIMD），包括多处理器和多计算机系统

选择题

2.微型计算机的发展以（微处理器）技术为标志

4.只有当程序执行时才能将源程序翻译成机器语言，并且一次只能解释一行语句，边翻译边执行的是（解释）程序，把汇编语言源程序转变为机器语言程序的过程是（汇编）

5.到目前为止，计算机中所有的信息仍以二进制方式表示的理由是（由物理器件的性能决定）

1.2 计算机系统层次结构

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。对于某一个功能来说，其既可以用软件实现，也可以用硬件实现，则称为软硬件在逻辑上是等效的。

早期的冯诺依曼机的特点：
1）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成
2）指令和数据以同等地位存于存储器内，并可按地址寻访
3）指令和数据均用二进制代码表示
4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
5）指令在存储器内按顺序存放
6）早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据

现代计算机已经发展为以存储器为中心，使I/O操作尽可能地绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，以提高系统的整体运行效率。

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、摄像机等等
输出设备：显示器、打印机
存储器：主存储器和辅助存储器
主存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取的，称为按地址存取方式。（相联存储器是按内容访问的）
地址寄存器MAR用于寻址，其位数对应着存储单元的个数，MAR的长度与PC的长度相等。
数据寄存器MDR和存储字长相等。
MAR和MDR的位数分别为（地址码长度、存储字长）
注意：MAR和MDR虽然是存储器的一部分，但在现代CPU中却是存在于CPU中的，另外后文提到的高速缓存Cache也是存在于CPU中。
运算器：算术逻辑单元ALU、通用寄存器（累加器ACC、乘商寄存器MQ、操作数寄存器X、变址寄存器IX、基址寄存器BR）、程序状态寄存器PSW
控制器：程序计数器PC、指令寄存器IR、控制单元CU

系统软件、应用软件
注意：数据库管理系统DBMS和数据库系统DBS是有区别的，DBMS是系统软件，而DBS一般由数据库、数据库管理系统、数据库管理员DBA和应用系统构成

机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言；
汇编语言的程序必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行；
高级语言需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或者直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

注意：(PC)指程序计数器PC中存放的内容，括号不能省略，即(PC)+1->PC不能写成PC+1->PC

选择题

1.完整的计算机系统应包括（配套的硬件系统和软件系统）

2.冯诺依曼机的基本工作方式是（控制流驱动方式）

4.冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是（指令周期的不同阶段）

9.MAR和MDR的位数分别为（地址码长度、存储字长）

12.一个8位的计算机系统以16位来表示地址，则该计算机系统有（2^16=65536）个地址空间

16.将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是（编译程序）

20.相联存储器（既可以按地址寻址又可以按内容寻址）

1.3 计算机的性能指标

机器字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度就越高。

数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。

吞吐量：系统吞吐量主要取决于主存的存取周期
响应时间：通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间
CPU时钟周期：即主频的倒数，它是CPU中最小的时间单位
主频（CPU时钟频率）：主频的倒数是CPU时钟周期，对于同一个型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。
CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间，指运行一个程序所花费的时间

CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数*CPI）/主频
CPU的性能（CPU执行时间）取决于三个要素：主频，每条指令执行所用的时钟周期数（CPI）、指令条数

MIPS：每秒执行多少百万条指令。MIPS=指令条数/（执行时间*10^6）=主频/CPI
MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点计算
GFLOPS：每秒执行多少十亿次浮点计算
TFLOPS：每秒执行多少万亿次浮点计算

选择题

4.存储字长是指（存放在一个存储单元中的二进制代码位数）

6.下列关于机器字长、指令字长和存储字长的说法中，正确的是（三者在数值上可能不等、存储字长是存放在一二存储单元中的二进制代码位数，存储字长是MDR的位数）

7.32位微机是指该计算机所用CPU（B能同时处理32位的二进制数）
A 具有32位寄存器 B 能同时处理32位的二进制数 C 具有32个寄存器 D 能处理32个字符

8.用于科学计算的计算机中，标志系统性能的最有用的参数是（C MFLOPS）（科学计算：评估浮点运算的性能）
A 主时钟频率 B 主存容量 C MFLOPS D MIPS

9.若一台计算机的机器字长为4字节，则表明该机器（在CPU中能够作为一个整体处理32位的二进制代码）

10.在CPU的寄存器中，（B指令寄存器）对用户是完全透明的
A 程序计数器 B 指令寄存器 C 状态寄存器 D 通用寄存器

11.计算机操作的最小单位时间是（A 时钟周期）
A 时钟周期 B 指令周期 C CPU周期（又称机器周期，由多个时钟周期组成） D 中断周期

12.CPU的CPI与下列哪个因素无关（A 时钟频率）
A 时钟频率 B 系统结构 C 指令集 D 计算机组织

15.下列关于“兼容”的叙述，正确的是（指计算机软件或硬件的通用性，通常在同一系列不同型号的计算机间通用）

1.5 常见问题和易混淆知识点

在逻辑功能上，软件和硬件是等效的。在计算机系统中，许多功能既可以由硬件直接实现，也可以在硬件的配合下由软件实现。

翻译程序是指把高级语言源程序翻译成机器语言程序（目标代码）的软件，可以分为两种：一种是编译程序，将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，只要源程序不变，就无须重新编译，目标程序与体系结构相关，但仍不是计算机硬件能够直接执行的程序；另一种是解释程序，翻译一句执行一句，并且不会生成目标程序。
汇编程序把汇编语言源程序翻译成机器语言程序。

在计算机领域中，站在某一类用户的角度，如果感觉不到某个事物或属性的存在，即“看”不到某个事物或属性，则称为“对该用户而言，某个事物或属性是透明的”。在CPU中，IR、MAR和MDR对各类程序员都是透明的。

机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。
指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数。
存储字长：一个存储单元存储二进制代码的长度。

第2章数据的表示和运算

2.1 数制与编码

二进制转换为八进制和十六进制：以小数点为界，其整数部分，从小数点开始往左数，将一串二进制数分为3位（八进制）一组或4位（十六进制）一组，在数的最左边根据需要加“0”补齐；对于小数部分，从小数点开始往右数，将一串二进制数分为3位（八进制）一组或4位（十六进制）一组，在数的最右边根据需要加“0”补齐。
八进制或十六进制转换为二进制：略。
任意进制转换为十进制：略
十进制转换为任意进制：基数乘除法。对于整数部分用除基取余法；对于小数部分用乘基取整法。

注意：并不是每一个十进制小数都可以准确地用二进制表示，但任意一个二进制小数都可以用十进制小数表示。

二进制编码的十进制数（BCD码）：
8421码：设其各位的数值为b3、b2、b1、b0，则权值从高到低依次为8/4/2/1，则它表示的十进制数为D=8b3+4b2+2b1+1b0。如果两个8421码相加之和小于等于(1001)，即(9)，则不需要修正；如果相加之和大于等于(1010)，即(10)，则要加6修正。
余3码：在8421码的基础上加上(0011)形成的，即每个数都多余“3”
2421码：权值由高到低分别为2/4/2/1，特点是大于等于5的4位二进制数中最高位为1，小于5的最高位为0。如5为1011而不是0101。

小端模式：先存储低位字节、后存储高位字节的顺序（即从低位字节向高位字节顺序）存放字符串的内容
大端模式：先存储高位字节、后存储低位字节的顺序（即从高位字节向低位字节顺序）存放字符串的内容

奇偶校验码：在原编码上加一个校验位，它的码距等于2，可以检测出一位错误（或奇数位错误），但不能确定出错的位置，也不能够检测出偶数位错误，增加的冗余位称为奇偶校验位。
奇校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为奇数
偶校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为偶数

海明（汉明）校验码：不但可以发现错位，还能指出错位的位置，为自动纠错提供了依据。
L-1=D+C且D≥C，即编码最小码距L越大，则其检测错误的位数D越大，纠正错误的位数C也越大，且纠错能力恒小于或等于检错能力。
信息位n和校验位k应满足n+k≤2^k-1
求海明码的步骤（略）

循环冗余校验码（CRC）：在K为信息码后再拼接R位的校验码，整个编码的长度为N位

选择题

16.能发现两位错误并能纠正1位错的编码是（海明码）

17.在CRC中，接收端检测出某一位数据错误后，纠正的方法是（D）
A 请求重发 B 删除数据 C 通过余数值自行纠正 D 以上均可

18.在大量数据传送过程中，常用且有效的检测法是（CRC）

2.2 定点数的表示与运算

原码表示法：用机器数的最高位表示该数的符号，其余的各位表示数的绝对值
纯小数的原码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-(1-2^-n)≤x≤1-2 ^-n
[x] = x，1>x≥0
[x] = 1-x = 1+|x|，0≥x>-1
纯整数的原码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-(2^n-1)≤x≤2 ^n-1
[x] = 0,x，2^n>x≥0
[x] = 2^n-x = 2 ^n+|x|，0≥x>-2 ^n
注意：真值零的原码表示有正零和负零两种形式：[+0]=00000, [-0]=10000

补码表示法：
纯小数的补码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-1≤x≤1-2 ^-n
[x] = x，1>x≥0
[x] = 2+x = 2-|x|，0≥x>-1
纯整数的补码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-2^n≤x≤2 ^n-1
[x] = 0,x，2^n>x≥0
[x] = 2^(n+1)+x = 2 ^(n+1)-|x|，0≥x≥-2 ^n
注意：真值零的补码表示是唯一的：[+0]=[-0]=0.0000

由原码求补码、由补码求原码：
对于正数，补码与原码的表示相同。
对于负数，原码符号位不变，数值部分按位取反，末位加1.

反码表示法：
纯小数的原码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-(1-2^-n)≤x≤1-2 ^-n
[x] = x，1>x≥0
[x] = 2-2^-n +x，0≥x>-1
纯整数的原码定义：若字长为n+1，则原码小数的表示范围为-(2^n-1)≤x≤2 ^n-1
[x] = 0,x，2^n>x≥0
[x] = 2^(n+1)-1+x，0≥x>-2 ^n
注意：真值零的原码表示有正零和负零两种形式：[+0]=0.0000, [-0]=1.1111

移码表示法：移码常用来表示浮点数的阶码，它只能表示整数。
[x] = 2^n+x（其中2 ^n>x≥-2 ^n，机器字长为n+1）
注意：
1）移码中零的表示唯一，[+0]=2^n+0=[-0]=2 ^n-0=100…0（n个0）
2）一个真值的移码和补码仅差一个符号位，补码的符号位取反即得移码（1表示正，0表示负，这与其他机器数的符号位取值正好相反）
3）移码全0时，对应真值的最小值-2^n；移码全1时，对应真值的最大值2 ^n -1
4）移码大真值就大，移码小真值就小

不同机器数算术移位后的空位填补规则