计算机组成原理：绪论与数据表示

1、体系结构与组成

● 计算机体系结构是指对成员可见的系统属性，直接影响程序的逻辑执行。

体系结构的属性包括指令集、输入输出机制与内存寻址技术等。

● 计算机组成是指对体系结构所体现属性的实现方法，是实现结构规范的操作单元及其相互连接。

组成的属性包括对程序员可见的硬件细节，如控制信号、计算机和塞舌的接口以及存储器使用的技术。

2、结构与功能

计算机是一个复杂的系统，包含数百万个电子元件，复杂系统的关键是分层性质。层次系统是一系列相互关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成我们所能达到的一些基本子系统的最低级。

● 结构：部件相互关联的方法。

● 功能：作为结构组成部分的各个独立部件的操作。

● 基本功能：数据处理、数据存储、数据传输和控制。

数据的处理、存储和传输都必须经过控制。控制是由计算机提供指令施加的。

3、结构组件

计算机中有四种主要的结构组件：中央处理器(CPU)、主存储器(主存或内存)、输入/输出(I/O)和总线系统。

● 中央处理器：控制计算机的操作(控制器)并执行数据处理功能(算术逻辑单元ALU)。

● 主存储器：存储程序和数据。

● 输入/输出：在计算机与外部之间传输数据。

● 总线系统：为CPU、主存和I/O之间提供通信机制。

4、冯氏结构

美籍匈牙利数学家冯•诺依曼在1945年提出了存储程序控制的概念。概括内容如下：

● 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五个基本设备组成。

● 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。

● 把编好的程序和原始数据事先存入存储器中。

● 把编好的程序和原始数据预先存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并加以执行，从而自动完成预定的任务。

5、计算机层次结构

计算机的层次结构可分为0~6共七个层次。

● 第零级是硬联逻辑级，是计算机的内核，由门、触发器等逻辑电路组成。

● 第一层微程序级。这级的机器语言是微指令集，用微指令编写的微程序一般是直接由硬件执行的。

● 第二层是传统机器级。这级的机器语言是指机器的指令集，用机器指令编写的程序由微程序进行解释。

● 第三层是操作系统级。从操作系统的基本功能来看，直接管理传统机器的软硬件资源。

● 第四层是汇编语言层。语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫汇编程序。

● 第五层是高级语言层。这级的语言是各种高级语言，面向用户的，由各种高级语言程序支持和执行。通常用编译程序来完成各种高级语言的翻译工作。

● 第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

6、主要性能指标

计算机的性能可由如下技术指标表示：机器字长、数据通路宽度、主存容量和运算速度表示。运算速度又有如下指标：

● 吞吐量：计算机系统在单位时间内处理请求的数量。

● 响应时间：计算机系统对请求做出响应的时间，包括CPU时间和等待时间的总和。

● 主频(时钟频率)：CPU内数字脉冲信号振荡的速度。

● 时钟周期：主频的倒数，CPU中最小的时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。

● CPI：每条指令所用的时钟周期数。

● IPC：CPI的倒数；由于指令高度并行化，现代计算机一个时钟周期内可以处理多条指令。IPC表示一个时钟周期内处理的指令个数。

● CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 时钟频率 = 指令数 * CPI / 时钟频率

● MIPS：每秒执行多少百万条指令。MIPS = 指令条数 * 10^-6 / 执行时间 = 主频 / CPI = 主频 * IPC

● MFLOPS：每秒执行多少百万次浮点运算。MFLOPS = 浮点运算次数 * 10^-6 / 执行时间

7、非数值类数据

● ASCII码

在计算机中通常使用美国国家信息交换标准字符码即ASCII码表示字符。ASCII码的编码特点：
1、用7位二进制表示1个字符，最高位用作奇偶校验。
2、可表示128个字符（包括数字字符、英文大小写字母、专用字符和控制字符）
3、数字0-9的ASCII码对应30H-39H
4、同一英文字母的大写和小写的ASCII码相差20H
字符串：字符串可用两种不同的存放方法 向量法 和 串表法。

● 汉字编码

汉字的编码涉及4种编码:
1.、汉字交换码：国标码GB-2312。
2.、输入码：主要用于从键盘输入汉字。常见的有区位码、拼音码等。：国标码=区位码（十六进制）+2020H。
3.、机内码：计算机系统内部用来标识汉字的编码。机内码=国标码+8080H；机内码=区位码+A0A0H
4.、字形码：汉字字形码是指确定一个汉字字形点阵的代码，又叫汉字字模码或汉字输出码。

● Unicode编码

Unicode是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案。
1、编码方式
用一个16位的二进制数（两个字节）来表示Unicode的每一个符号。
2、实现方式
Unicode的实现方式称为Unicode的转换格式（unicodeTranslation Format, UTF）。

8、数值类数据

计算机中参与运算的数值有两大类：无符号数与有符号数。无符号数相当于数的绝对值；有符号数在最高位设置符号位。
常见的有符号机器数如下：

● 原码

原码的编码规则：在数值前加一位符号位。正号用0表示，符号用1表示，数值部分保持不变。
整数原码定义：正数不变，负数[x]原=2ⁿ - x = 2ⁿ + |x| 例如：[+1011]原 = 01011；[-1011]原 = 11011
小数原码定义：正数不变，负数[x]原=1 - x = 1 + |x| 例如：[+0.1011]原 = 1.1011；[-0.1011]原 = 1.1011
原码时，0有两种表示方式，两位二进制数为例，[+0]原 = 00 ；[-0]原 = 10 ；8位能表示 -(2⁷ -1) ~ 2⁷ -1 （去掉最高符号位）

● 反码

反码的编码规则：在数值前加一位符号位。正号用0表示，符号用1表示；正数的数值部分保持不变，负数的数值部分按位取反。
整数反码定义：正数不变，负数[x]反=2ⁿ⁺¹-1 + x 例如：[+1011]反 = 01011；[-1011]反 = 10100
小数反码定义：正数不变，负数[x]反=(2 - 2^-n) + x 例如：[+0.1011]反 = 1.1011；[-0.1011]反 = 1.0100
反码时，0有两种表示方式，两位二进制数为例，[+0]反 = 00 ；[-0]反 = 11 ；8位能表示 -(2⁷ -1) ~ 2⁷ -1 （去掉最高符号位）

● 补码

补码的编码规则：在数值前加一位符号位。正号用0表示，符号用1表示；对于正数，数值部分保持不变；对于负数，数值部分按位取反末尾加1。
整数补码定义：正数不变，负数[x]补=2ⁿ⁺¹ + x 例如：[+1011]补 = 01011；[-1011]补 = 10101
小数补码定义：正数不变，负数[x]补=2 + x 例如：[+0.1011]补 = 1.1011；[-0.1011]补 = 1.0101
补码时，0仅有一种表示形式。两位二进制为例，[+0]补=[-0]补=00；8位能表示 -2⁷ ~ 2⁷ -1 （去掉最高符号位）

● 常用求补码方法

1、由定义求补码
由真值求补码，直接利用补码的定义。反过来，由补码求真值，只需将公式左右进行交换就可以了
2、由原码求补码
正数的补码和原码相同；负数的补码，将原码除符号位以外的其余各位求反，末位加1。
3、求负数补码的简便原则
可以将原码除符号位以外,其余各位按位取反,从最低位开始遇到的第一个1以前的各位保持不变。