软件设计师—计算机组成与结构笔记（历年考试重点）

布满荆棘的人生 2023-10-13 05:43 4阅读 0赞

**目录**

运算器

控制器

计算机单位转换

原码、反码、补码、移码

浮点数

寻址方式

RISC与CISC

流水线公式

存储器的分类

加密技术

认证技术

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计算机的基本硬件系统：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备。其中运算器和控制器等部件被集成为中央处理器（CPU）。

## 运算器 ##

主要功能：

1）执行所有算术运算，如加、减、乘、除等基本运算及附加运算

2）执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、零值测试、两个值的比较等。

主要组成部件：

1）算数逻辑单元（ALU）：ALU是运算器的重要组成部件，负责**处理数据**，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

2）累加寄存器（AC）：简称累加器，它是一个通用寄存器，功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，**为ALU提供一个工作区**。例如：在执行一个减法运算前，先将被减数取出暂存在AC中，再从内存储器中取出减数，然后同AC中的内容相减，**运算结果放回AC中，运算器中至少要有一个累加寄存器**。

３）数据缓冲寄存器（DR）：作为CPU和内存、外部设备之间**数据传送的中转站**。

４）状态条件寄存器（PSW）：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试**结果建立的各种条件码内容**。

## 控制器 ##

运算器只能完成运算，而控制器用于控制整个CPU的工作，决定了计算机过程的自动化，它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。

主要组成部件：

１）指令寄存器（IR）：当CPU执行一套指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器（DR）中，再送入**IR暂存**。

２）**程序计数器（PC）**：PC的内容是将要执行下一条**指令的地址**，执行指令时，CPU自动修改PC内容，**顺序执行时，PC自动+1**，转移执行，PC保存下一步要执行指令的地址。

３）地址寄存器（AR）：AR**保存当前CPU所访问的内存单元的地址**，由于内存于CPU存在操作速度上的差异，所以需要保存信息地址。

４）指令译码器（ID）：对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，发出控制信号，控制各部件完成相应功能。

注意：用户可见：通用寄存器、程序状态字寄存器、程序计数器、累加寄存器。

用户不可见（透明）：指令寄存器、数据缓冲寄存器、存储器地址寄存器、存储器数据寄存器。

## 计算机单位转换 ##

计算机中最小的数据单位：bit（位）；

计算机中最小的存储单位：byte（字节）；

1字节(Byte) = 8位(bit) 　2^3方

1KB( K，千字节) = 1024B 　 2^10方

1MB( M，兆字节) = 1024KB

1GB( G，吉字节，千兆) = 1024MB

1TB( T，万亿字节，太字节) = 1024GB

1PB( P，千万亿字节，拍字节) = 1024TB

1EB( E，百亿亿字节，艾字节) = 1024PB

## 原码、反码、补码、移码 ##

原码：符号位0正1负，其余n－１位表示数值的绝对值。０的原码有两种形式（按８位举例）：【+0】＝0 0000000，【-0】＝１0000000。

反码：符号位0正1负，正数的反码=原码，负数的反码是其绝对值位按位取反，0的反码有两种形式：【+0】= 0 0000000，【-0】= 1 1111111。

补码：符号位0正1负，正数的补码、原码、反码相同，负数的补码等于其反码的末位加1，0有唯一的补码：【0】= 0 0000000。

移码：符号位**1正0负**，后面n-1位与其补码相同，0有唯一的移码：【0】= 1 0000000。

计算机采用补码表示法可以简化计算机运算部件的设计。

## 浮点数 ##

当机器字长为n时，定点数的补码和移码可表示2^n个数，而其原码和反码只能表示2^(n-1)个数（0的表示占用了两个编码）。

浮点数表示格式如下：

浮点数所能表示的**数值范围主要由阶符决定**，所表示的**数值精度由尾数决定**。

浮点数规格化：将浮点数尾数部分的绝对值限定在区间【0.5，1】。

工业IEEE754浮点数格式中，阶码采用移码表示，尾数采用原码表示。

## 寻址方式 ##

寻址速度按从高到低排列。

**立即寻址：**操作数包含在指令中。

**寄存器寻址：**操作数存放在某一寄存器中，指令中给出放操作数的寄存器名。

**直接寻址：**操作数存放在内存单元中，指令中直接给出操作数所在单元的地址。

**寄存器间接寻址：**操作数存放在内存单元中，操作数所在存储单元的地址放在某个寄存器中。

**间接寻址：**指令中给出操作数地址的地址。

相对寻址：指令地址码给出的是一个偏移量（可正可负），操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量。

变址寻址：操作数的地址等于变址寄存器的内容加偏移量。

## RISC与CISC ##

<table style="width:690px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td> <p>指令种类</p> </td> 
   <td>指令复杂度</td> 
   <td>指令长度</td> 
   <td>寻址方式</td> 
   <td>实现（译码）方式</td> 
   <td>通用寄存器数量</td> 
   <td>流水线技术</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> <p>RISC</p> <p>(精简指令集计算机)</p> </td> 
   <td>少、精简</td> 
   <td>低（简单）</td> 
   <td>固定</td> 
   <td>少</td> 
   <td>硬布线控制逻辑（组合逻辑控制器）</td> 
   <td>多、大量</td> 
   <td>支持</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> <p>CISC</p> <p>(复杂指令集计算机)</p> </td> 
   <td>多、丰富</td> 
   <td>高（复杂）</td> 
   <td>变化</td> 
   <td>复杂多样</td> 
   <td>微程序控制技术</td> 
   <td>一般</td> 
   <td>支持但不合适</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 流水线公式 ##

流水线作用：提高设备的利用率。

1）流水线控制时间：**第一条指令的执行时间 + (n - 1)\*执行步骤中最长时间**

2）加速比：不采用流水线所用时间 / 采用流水线所用时间

3）操作周期：执行步骤中最长时间段

4）吞吐率：最长时间段的倒数

5）执行n条指令的吞吐率：n / 采用流水线所用总时间

## 存储器的分类 ##

（1）按照存储器所处位置分为内存（主存）和外存（辅存）。

（2）按构成存储器的材料可分为：磁存储器、半导体存储器和光存储器。

（3）按照存储器的工作方式可分为：

1）读写存储器：RAM（既能读取数据也能写入数据）。