計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)專題1第一頁，共三十七頁。專題內(nèi)容細(xì)分2第二頁，共三十七頁。數(shù)據(jù)及其轉(zhuǎn)換十進(jìn)制基數(shù)為０——９位權(quán)為１０Eg:51D=

5x101+1x100二進(jìn)制基數(shù)為０——１位權(quán)為２Eg:101B= (1x22+0x21+1x20)D十六進(jìn)制基數(shù)為０——９Ａ——Ｆ位權(quán)為16Eg:1fH= (1x161+fx160=31)D8421碼用四位二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)制數(shù)Eg:23Ｄ= 001000113第三頁，共三十七頁。數(shù)制間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019101010Ａ111011Ｂ121100Ｃ131101Ｄ141110Ｅ151111Ｆ4第四頁，共三十七頁。數(shù)據(jù)編碼方式機(jī)器數(shù)：一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)內(nèi)表示形式。真值：一個(gè)機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)值。 0代表正數(shù) 1代表負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的編碼方法：原碼反碼補(bǔ)碼移碼正數(shù)的原碼與反碼、補(bǔ)碼相同。5第五頁，共三十七頁。數(shù)據(jù)編碼Eg:-56D上面的規(guī)則適用于負(fù)數(shù)正數(shù)的原碼與反碼、補(bǔ)碼相同。[+0]補(bǔ)＝[-0]補(bǔ)＝00000000 唯一的6原碼[-56Ｄ]原＝10111000反碼[-56Ｄ]反＝11000111將原碼符號(hào)位不變，其它位取反補(bǔ)碼[-56Ｄ]補(bǔ)＝11001000將反碼的低位+1移碼[-56Ｄ]移＝01001000將補(bǔ)碼的高位取反第六頁，共三十七頁。數(shù)據(jù)編碼原碼一般用來實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算補(bǔ)碼一般用來實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算移碼一般用來表示階碼7第七頁，共三十七頁。數(shù)據(jù)的表示定點(diǎn)小數(shù) 0.2356定點(diǎn)整數(shù) 52084浮點(diǎn)數(shù)符號(hào)位為0或1N+1位階碼中，1位是階碼的符號(hào)，n位是階碼的倍數(shù)階碼一般用移碼編碼方式尾數(shù)采用原碼或補(bǔ)碼編碼方式-0.2x109

8MsEM1位符號(hào)位N+1位階碼M位定點(diǎn)小數(shù)形式的尾數(shù)MsEM111111011100000010第八頁，共三十七頁。補(bǔ)碼的加減法則補(bǔ)碼加法[Ｘ+Ｙ]補(bǔ)＝[Ｘ]補(bǔ)+[Ｙ]補(bǔ)Eg: X=0.001B Y=0.101B 求Ｘ+Ｙ解：[Ｘ]補(bǔ)=0001

[Ｙ]補(bǔ)=0101 [Ｘ+Ｙ]補(bǔ)=[Ｘ]補(bǔ)+[Ｙ]補(bǔ)=0001+0101=0110 X+Y=0.110補(bǔ)碼減法[Ｘ－Ｙ]補(bǔ)＝[Ｘ]補(bǔ)+[－Ｙ]補(bǔ)從[Ｙ]補(bǔ)求[－Ｙ]補(bǔ)的法則是：所有位取反，末位+1Eg: X=3D Y=5D 求Ｘ-Ｙ解：[Ｘ]補(bǔ)=0011 [Ｙ]補(bǔ)=0101 [-Ｙ]補(bǔ)=1010+1=1011 [Ｘ-Ｙ]補(bǔ)=[Ｘ]補(bǔ)+[-Ｙ]補(bǔ)=0011+1011=1110

則Ｘ-Ｙ=1110

驗(yàn)證：[[Ｍ]補(bǔ)]補(bǔ)=[M]原

[[Ｘ-Ｙ]補(bǔ)]補(bǔ)=[Ｘ-Ｙ]原=[1110]補(bǔ)=1001+1=1010=-2D9第九頁，共三十七頁。溢出在定點(diǎn)機(jī)器中，數(shù)的表示范圍為｜Ｘ｜<1，在運(yùn)算中如果出現(xiàn)｜Ｘ｜>1的現(xiàn)象，稱為溢出。10第十頁，共三十七頁。如何判斷溢出雙符號(hào)法

采用兩個(gè)符號(hào)位，如果符號(hào)位相同，則無溢出。Eg:X=0.001B Y=0.101B 求[Ｘ+Ｙ]補(bǔ)[Ｘ+Ｙ]補(bǔ)=[Ｘ]補(bǔ)+[Ｙ]補(bǔ)=00001+00101=00110進(jìn)位信號(hào)法

當(dāng)結(jié)果的最高位和符號(hào)位的進(jìn)位信號(hào)一致時(shí)，則沒有溢出。Eg:X=0.110B Y=0.101B 求[Ｘ+Ｙ]補(bǔ)[Ｘ+Ｙ]補(bǔ)=[Ｘ]補(bǔ)+[Ｙ]補(bǔ)=0110+0101=0101111第十一頁，共三十七頁。文字符號(hào)的類型ASII碼計(jì)算機(jī)中普度采用的是ASII碼。用７位代表一個(gè)字符，包括字母大小寫、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)和控制符等。BG2312-80定義了682個(gè)符號(hào)，6763個(gè)漢字。BIG5是普遍使用的繁體漢字的編碼標(biāo)準(zhǔn)，包括440個(gè)符號(hào)，13030個(gè)漢字。GBK是中國(guó)大陸制訂的中文編碼擴(kuò)展國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，它兼容GB2312，共收錄漢字21003個(gè)，符號(hào)8835個(gè)，并提供1894個(gè)造字碼位，簡(jiǎn)繁字融于一庫(kù)。GB18030-2000在GB2312-1980和GBK的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，漢字達(dá)到27000多個(gè)，解決了一些生、偏、難字的問題，支持全部中日韓統(tǒng)一漢字和漢字字符。Unicode是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)各國(guó)文字、符號(hào)進(jìn)行的統(tǒng)一性編碼。ISO10646/Unicode字符集全球可共享的編碼字符集。用四個(gè)字節(jié)表示世界各國(guó)語言文字的代碼，其中漢字字符集可以擴(kuò)大到６萬字。12第十二頁，共三十七頁。校驗(yàn)方法奇偶校驗(yàn)在串口通信中基本都使用它作為數(shù)據(jù)檢驗(yàn)的方法。規(guī)則：奇校驗(yàn)時(shí)，信息數(shù)據(jù)中各位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，校驗(yàn)碼為0，否則校驗(yàn)碼為1，偶校驗(yàn)則相反。使用一位奇偶校驗(yàn)的方法可檢測(cè)了一位錯(cuò)誤，但無法判斷是哪一位出錯(cuò)，當(dāng)兩位同時(shí)出錯(cuò)時(shí)，它也無法檢測(cè)出來，所以奇偶校驗(yàn)通常用于對(duì)少量數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，如一個(gè)字節(jié)。海明碼采用多位校驗(yàn)碼的方式，在這些校驗(yàn)位中的每一位都對(duì)不同的信息數(shù)據(jù)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，通過合理的安排每個(gè)校驗(yàn)位對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)位組合，可以達(dá)到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、收下錯(cuò)誤的目的。假設(shè)數(shù)據(jù)位有m位，那么校驗(yàn)位的長(zhǎng)度只要滿足2k-1>m+k，就能糾正判斷是哪一位出錯(cuò)。恒比碼所有有效的編碼中為１的位都相同。這種編碼生成時(shí)是查表，接收檢驗(yàn)時(shí)檢查每個(gè)編碼中出現(xiàn)的次數(shù)是否正確。在郵電部門的電報(bào)及條形碼中廣泛使用。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼能用很少的校驗(yàn)碼檢測(cè)出大多數(shù)的錯(cuò)誤，檢錯(cuò)能力是非常強(qiáng)的。校驗(yàn)是從數(shù)據(jù)本身進(jìn)行檢查，它依靠數(shù)學(xué)上約定的形式進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)的結(jié)果是可靠或不ＣＲＣ碼=信息碼+校驗(yàn)碼13第十三頁，共三十七頁。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)大多數(shù)基于馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。采用存儲(chǔ)程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)都可以送進(jìn)運(yùn)算器運(yùn)算。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)表示。指令由操作碼和地址碼組成。指令按照順序存儲(chǔ)，由指令計(jì)算器指明當(dāng)前需要執(zhí)行指令的地址，通過改變指令計(jì)數(shù)器來改變程序的流程。計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送需要通過運(yùn)算器。14第十四頁，共三十七頁。中央處理器ＣＰＵＣＰＵ是計(jì)算機(jī)的控制、運(yùn)算中心，它主要通過總結(jié)和其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)系，另外，在嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，外部設(shè)備也常常直接接到ＣＰＵ的外部Ｉ/Ｏ腳的中斷腳上。雖然ＣＰＵ的類型和品種異常豐富，各種ＣＰＵ的性能也差別很大，有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、不同的指令系統(tǒng)，但由于都是基于馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，所以基本部分組成相似。15第十五頁，共三十七頁。中央處理器ＣＰＵ運(yùn)算器ALU主要功能是在控制器的控制下完成各種自述運(yùn)算。控制器CU是CPU的核心，它控制和協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)的動(dòng)作，控制通常需要程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)與控制電路、脈沖源及中斷等共同完成。控制器的基本功能：時(shí)序控制和執(zhí)行控。控制器的實(shí)現(xiàn)方法主要：硬布線邏輯和微程序控制。寄存器組用以在指令掛靠過程中存放操作數(shù)和中間數(shù)據(jù)，由CPU完成指令所規(guī)定的運(yùn)算的操作，CU控制ALU和寄存器組正確地完成某一操作。16第十六頁，共三十七頁。中央處理器ＣＰＵ17第十七頁，共三十七頁。時(shí)序產(chǎn)生器我們學(xué)習(xí)、工作和休息都有一個(gè)嚴(yán)格的作息時(shí)間。每個(gè)教師和學(xué)生都必須嚴(yán)格遵守這一規(guī)定，否則就難以保證正常的教學(xué)秩序。18第十八頁，共三十七頁。時(shí)序產(chǎn)生器CPU中也有一個(gè)類似“作息時(shí)間”的東西，它稱為時(shí)序信號(hào)。計(jì)算機(jī)所以能夠準(zhǔn)確、迅速、有條不紊地工作，正是因?yàn)樵贑PU中有一個(gè)時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器。組成：時(shí)鐘源環(huán)形脈沖發(fā)生器時(shí)間脈沖和讀寫時(shí)序譯碼邏輯啟停控制邏輯時(shí)鐘周期：cpu執(zhí)行一條加法指令所需的時(shí)間機(jī)器周期：計(jì)算機(jī)完成一次數(shù)據(jù)傳遞所需的時(shí)間平均指令執(zhí)行時(shí)間MIPS：cpu每秒執(zhí)行多少百萬條指令19第十九頁，共三十七頁。控制方式控制不同操作序列時(shí)序信號(hào)的方法，稱為控制器的控制方式。常用的三種方式，其實(shí)質(zhì)反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式：1.同步控制方式2.異步控制方式3.聯(lián)合控制方式20第二十頁，共三十七頁。指令系統(tǒng)指令就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。微指令是微程序級(jí)的命令，它屬于硬件；宏指令是由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；而機(jī)器指令則介于微指令與宏指令之間，通常簡(jiǎn)稱為指令，每一條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。21第二十一頁，共三十七頁。尋址方式22第二十二頁，共三十七頁。處理器性能及評(píng)價(jià)影響處理器性能的因素如下：基本字長(zhǎng)數(shù)據(jù)通路寬度指令系統(tǒng)時(shí)鐘頻率流水線技術(shù)內(nèi)部數(shù)據(jù)/指令緩存評(píng)價(jià)處理器性能可以是直接給出處理器每條指令的執(zhí)行時(shí)間，或者是指令系統(tǒng)中指令執(zhí)行時(shí)間的某種加權(quán)評(píng)價(jià)，還有就是計(jì)算機(jī)處理每秒能執(zhí)行多少個(gè)加法指令。1個(gè)MIPS指的是處理器每秒能完成1x106條指令。三種評(píng)價(jià)處理器的方法：等效指令速度法數(shù)據(jù)處理速度法核心程序法23第二十三頁，共三十七頁。存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)包括寄存器、cache、主存儲(chǔ)器、磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器等，這些存儲(chǔ)器從前到后，價(jià)格逐漸降低，容量和訪問時(shí)間則逐漸增加。存儲(chǔ)容量：指存儲(chǔ)器所具有的存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)，或所具有的地址個(gè)數(shù)。表示存儲(chǔ)器容量的單位主要有字節(jié)Ｂ；位b；字Ｗ。１Ｂ＝８b對(duì)于32位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一個(gè)字有32位，即1W=32b=4B存儲(chǔ)器的容量一般都很大，要用千k、兆m、先兆km和兆兆tt24單位名稱常規(guī)十進(jìn)制表示存儲(chǔ)器容量表示K1K=103=10001K=210=1024M1M=106=103K1M=220=210K=1048576G1G=109=106M1G=230=210M=1073741824T1T=1012=109G1T=240=210G=1099511627776第二十四頁，共三十七頁。存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)內(nèi)容可變性：ROM，RAM內(nèi)容是固定不變的，即只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為只讀存儲(chǔ)器(ROM)。既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器稱為隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器(RAM)系統(tǒng)中的作用：可分為內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器；又可分為主存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器25第二十五頁，共三十七頁。存儲(chǔ)器系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是容量大、速度快、成本低，為了解決這方面的矛盾，目前在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲(chǔ)器(cache)、主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器:

高速緩沖存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱cache，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)高速小容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱主存，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)器，用來存放計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間的大量程序和數(shù)據(jù)。外存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱外存，它是大容量輔助存儲(chǔ)器。26第二十六頁，共三十七頁。主存儲(chǔ)器類型RAM:寫入寫讀，斷電后信息無法保存DRAM:信息會(huì)時(shí)間逐漸消失，要定時(shí)對(duì)其進(jìn)行刷新來維持信息不丟失SRAM:在不斷電情況下，信息能一直保持不丟失ROM:只讀存儲(chǔ)器，信息已固化在存儲(chǔ)器中，一般用于存放系統(tǒng)程序BIOS和用于微程序控制。PROM:只可進(jìn)行一次寫入操作EPROM:可讀可寫，寫前要先擦除后寫入EEPROM:可讀可寫，不用先擦除就直接寫入FlashMemoryCAM相聯(lián)存儲(chǔ)器:是一種不根據(jù)地址而是根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容來進(jìn)行存取的存儲(chǔ)器。27第二十七頁，共三十七頁。主存儲(chǔ)器容量擴(kuò)充橫向拼接芯片擴(kuò)充容量縱向拼接芯片擴(kuò)充容量288x4bit芯片有８?jìng)€(gè)地址，每個(gè)地址占４bit每個(gè)地址傳輸內(nèi)容用４位8x８bit芯片有８?jìng)€(gè)地址，每個(gè)地址占８bit每個(gè)地址傳輸內(nèi)容用８位16x4bit芯片有16個(gè)地址，每個(gè)地址占4bit每個(gè)地址傳輸內(nèi)容用4位第二十八頁，共三十七頁。主存儲(chǔ)器編址若某計(jì)算機(jī)內(nèi)在按字節(jié)編址，內(nèi)存地址從44000Ｈ到6BFFFH，共有160K；若采用16Kx4bit的芯片，構(gòu)成該內(nèi)存共需20片。因?yàn)閮?nèi)存從44000Ｈ到6BFFFH，則其擁有的字節(jié)數(shù)為：6BFFFH–44000H+1=6C000H–44000H=40X163=40X(24)3=40X(2)12

=40X(2)10x(2)2=160K(160K/16K)X(8/4bit)=2029第二十九頁，共三十七頁。存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充1、字長(zhǎng)位數(shù)擴(kuò)展給定的芯片字長(zhǎng)位數(shù)較短，不滿足設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器字長(zhǎng)，此時(shí)需要用多片給定芯片擴(kuò)展字長(zhǎng)位數(shù)。d=

設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器容量

/

選擇芯片存儲(chǔ)器容量【例】利用1M×4b的SRAM芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)容量為1M×8b的SRAM存儲(chǔ)器。

解：

所需芯片數(shù)：d=（1M×8）/（1M×4）=2(片)

設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器字長(zhǎng)為8位，存儲(chǔ)器容量不變。30第三十頁，共三十七頁。存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充2、字存儲(chǔ)容量擴(kuò)展給定的芯片存儲(chǔ)容量較小（字?jǐn)?shù)少），不滿足設(shè)計(jì)要求的總存儲(chǔ)容量，此時(shí)需要用多片給定芯片來擴(kuò)展字?jǐn)?shù)。所需芯片數(shù)d=設(shè)計(jì)要求的存儲(chǔ)器容量/選擇芯片存儲(chǔ)器容量【例】利用1M×8位的DRAM芯片設(shè)計(jì)2M×8位的DRAM存儲(chǔ)器。

解：

所需芯片數(shù)：d=（2M×8）/（1M×8）=2(片)

31第三十一頁，共三十七頁。Cache存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器Cache，能以極高的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問，但價(jià)格高。在cpu和主存間設(shè)置小容量的Cache，解決cpu與主存間速度極不匹配的問題。采用優(yōu)化調(diào)度算法，把主存中訪問概率高的內(nèi)容復(fù)制到Cache中。為了把信息放到Cache中，必須應(yīng)用某種函數(shù)把地址映像到Cache中定位，稱為地址映像。而將主存地址換成Cache地址，稱作地址變換。地址映像方法：直接映像全相聯(lián)映像級(jí)相聯(lián)映像32第三十二頁，共三十七頁。Cache內(nèi)容替換算法先進(jìn)先出算法ＦＩＦＯ按調(diào)入cache的先后決定淘汰的順序，在需要更新時(shí)，將最先進(jìn)入cache的塊作為被替換的塊。近期最少使用算法ＬＲＵ把CPU近期最少使用的塊作為被替換的塊33第三十三頁，共三十七頁。歷年試題2005P1 7、8、9P32 2、3、8、9、10、112006P72 19、20、21P109 19、21、222007P146 19、20、21、22P184 7、9、19、202008P219 6、9、19、20P255 19、21、222009P288 6、9、19、20P322 7、8、9、2234第三十四頁，共三十七頁。歷年試題2005P2 11、12、13、14、1