2013考研考研計(jì)算機(jī)組成原理

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述復(fù)習(xí)要點(diǎn):了解計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程:了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的硬件基本組成、軟件分類和工作過(guò)程;了解計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)及有關(guān)的計(jì)算與術(shù)語(yǔ)解釋簡(jiǎn)單說(shuō)明在教材內(nèi)容選擇和教學(xué)過(guò)程中,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述是作為課程緒論性質(zhì)的內(nèi)容來(lái)對(duì)待的,重點(diǎn)不是要求學(xué)生掌握更深入的具體知識(shí),而強(qiáng)調(diào)盡早地從層次的觀點(diǎn)了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件、軟件的完整組成，認(rèn)識(shí)硬軟件之間的相互依存和同一功能既能用硬件也可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的等效關(guān)系:了解組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的5個(gè)功能部件及其通過(guò)3種類型的總線實(shí)現(xiàn)相互之間的連接關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo)，了解組成軟件系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、3個(gè)級(jí)別語(yǔ)言的特點(diǎn)及其運(yùn)行過(guò)程，了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程和多種分類情況等。在準(zhǔn)備考試的過(guò)程中，應(yīng)該把教材各章中的內(nèi)容融會(huì)貫通，理解為好，不宜死記硬背，例如本章中的技術(shù)與性能指標(biāo)就應(yīng)與后續(xù)各部分的更具體指標(biāo)建立聯(lián)系,理解準(zhǔn)確。這一部分內(nèi)容的試題將以選擇、判斷和填空為主，不存在答題技巧等方面的問(wèn)題。第二章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算復(fù)習(xí)要點(diǎn)：了解進(jìn)位數(shù)制及相互轉(zhuǎn)換、字符（包括漢字）、字符串和BCD數(shù)在計(jì)算機(jī)中的表示;了解校驗(yàn)碼引入的目的、原理及其應(yīng)用;理解本章的基本概念,如真值、機(jī)器數(shù)、最小碼距、并行進(jìn)位等;理解定點(diǎn)數(shù)的表示原理,掌握定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算、溢出的概念與判斷方法，了解陣列乘法器;理解浮點(diǎn)數(shù)的表示,掌握浮點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算方法;理解算術(shù)邏輯單元相關(guān)術(shù)語(yǔ)的定義、ALU的基本功能、組成和結(jié)構(gòu)第三章存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)本章是研究生招生考試的考點(diǎn)重點(diǎn)章節(jié),通常都有與本章相關(guān)的大題和若干個(gè)小題。復(fù)習(xí)重點(diǎn):1、在了解主存儲(chǔ)器處于全機(jī)中心地位的基礎(chǔ)上,理解存儲(chǔ)器芯片的外特性、工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)，及其與CPU的連接,掌握存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展技術(shù),并能夠?qū)o定存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行主存設(shè)計(jì)。2、掌握存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，理解設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器的目的、理論依據(jù)，以及理解Cache和虛擬存儲(chǔ)器的構(gòu)成與運(yùn)行原理,并能熟練地對(duì)它們的命中等情況進(jìn)行分析和相關(guān)的計(jì)算。3、了解提高訪存速度的各種技術(shù)。本章難點(diǎn):1、SRAM、DRAM基本單元的讀/寫(xiě)原理，擴(kuò)展技術(shù)。2、Cache和虛擬存儲(chǔ)器各種組織中的地址映象、地址變換、多級(jí)頁(yè)表和TLB的理解,以及分析和相關(guān)的計(jì)算。第4章指令系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點(diǎn):.理解指令的基本、定長(zhǎng)與擴(kuò)展操作碼格式.掌握指令尋址方式的基本概念、常見(jiàn)尋址方式及其有效地址的計(jì)算.了解CISC和RISC的基本概念指令是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某項(xiàng)運(yùn)算或處理功能的命令,一臺(tái)計(jì)算機(jī)支持（或稱使用）的全部指令構(gòu)成這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。設(shè)計(jì)ー套好的指令系統(tǒng)無(wú)論對(duì)計(jì)算機(jī)的廠家和還是用戶都是十分重要的事情,它與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和制作成本、使用的方便性等密切相關(guān)，是設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的起始點(diǎn)和基本依據(jù)。指令是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某項(xiàng)運(yùn)算或處理功能的命令，是用戶使用計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行的最小功能單位。早期的計(jì)算機(jī),從簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、降低成本考慮，指令系統(tǒng)都比較簡(jiǎn)單,條數(shù)少、運(yùn)算功能弱，能處理的數(shù)據(jù)只是定點(diǎn)小數(shù)，使用相當(dāng)困難。到了20世紀(jì)六、七十年代，隨著集成電路和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)與發(fā)展,計(jì)算機(jī)硬件成本直線下降，相應(yīng)的軟件成本所占比例迅速增加,計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)日漸變得復(fù)雜和完備，指令條數(shù)多達(dá)三、五百條,尋址方式也多達(dá)十幾種，能直接處理的數(shù)據(jù)類型更多，構(gòu)成了復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（CISC）。在1975年前后,人們又發(fā)現(xiàn)，一味追求指令系統(tǒng)的復(fù)雜和完備程度，也不是提高計(jì)算機(jī)性能的唯一途徑,在CISC計(jì)算機(jī)中，有80%的功能更強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為復(fù)雜的指令卻較少被使用，在程序運(yùn)行的過(guò)程中只占到20%的時(shí)間，有80%的程序運(yùn)行時(shí)間使用的是另外20%的功能簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易的指令。據(jù)此提出了簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)（RISC）的概念并予以實(shí)現(xiàn),只選用幾種簡(jiǎn)單的尋址方式和最常用的幾十條指令，充分考慮了超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造中的有關(guān)問(wèn)題，吸收當(dāng)前軟件研究的各項(xiàng)成果，從硬、軟件結(jié)合的角度解決了許多矛盾,設(shè)計(jì)制造出運(yùn)行性能更高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。要確定一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)并評(píng)價(jià)其優(yōu)劣,通常應(yīng)從如下4個(gè)方面考慮:（I）指令系統(tǒng)的完備性,常用指令齊全，編程方便;（2）指令系統(tǒng)的高效性，程序占內(nèi)存空間少,運(yùn)行速度快;（3）指令系統(tǒng)的規(guī)整性,指令和數(shù)據(jù)使用規(guī)則統(tǒng)ー簡(jiǎn)單,易學(xué)易記;（4）指令系統(tǒng)的兼容性,同一系列的低檔計(jì)算機(jī)的程序能在新的高檔機(jī)上宜接運(yùn)行。要完全同時(shí)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)是困難的,但它可以指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)出更加合理的指令系統(tǒng)。設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的核心問(wèn)題是選定指令的功能和格式。指令的格式與計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)、期望的存儲(chǔ)器容量和讀寫(xiě)方式、支持的數(shù)據(jù)類型、計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和追求的運(yùn)算性能等有關(guān)。本章內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單,也沒(méi)有太多答題技巧。第5章中央處理器計(jì)算機(jī)的CPU由運(yùn)算器和控制器兩部分組成，是計(jì)算機(jī)5個(gè)功能部件中的兩個(gè)核心部件。運(yùn)算器主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理功能,有處理整型數(shù)據(jù)的定點(diǎn)運(yùn)算器和處理浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的浮點(diǎn)運(yùn)算器兩種類型；控制器用于控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)同運(yùn)行，即控制計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)自動(dòng)、連續(xù)地執(zhí)行指令。控制器有硬連線（組合邏輯）控制器和微程序控制器兩種類型。計(jì)算機(jī)的功能是執(zhí)行程序,程序是用于完成某種運(yùn)算處理功能的一個(gè)指令代碼序列，指令是計(jì)算機(jī)能夠完成的、用戶可能使用的最小的功能單位。每一條指令的功能通常要經(jīng)過(guò)幾個(gè)步驟來(lái)才能完成,是在取指、譯碼、執(zhí)行這樣3個(gè)階段的循環(huán)中完成的。從如何安排每ー條指令的指行步驟來(lái)看,有對(duì)全部指令選用相同執(zhí)行步驟的單ー指令周期的方案,和對(duì)功能繁簡(jiǎn)程度不同的指令選用不同執(zhí)行步驟的多種指令周期的兩種方案。從如何對(duì)待程序中相鄰指令的執(zhí)行過(guò)程來(lái)看,有串行順序執(zhí)行每一條指令（即在前一條指令結(jié)束之后オ啟動(dòng)下一條指令）的方案，有每個(gè)執(zhí)行步驟啟動(dòng)一條指令的并行執(zhí)行幾條指令（即指令流水線技術(shù)）的方案,有每個(gè)執(zhí)行步驟都可以同時(shí)啟動(dòng)幾條指令的并行執(zhí)行（超標(biāo)量、超流水線技術(shù)）方案的三種情況。上述各種不同方案對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和CPU的組成都有直接影響。本章將主要針對(duì)這后一點(diǎn)進(jìn)行必要說(shuō)明。對(duì)計(jì)算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與理解深度往往比較多地體現(xiàn)在對(duì)CPU的組成與運(yùn)行原理的理解的全面和準(zhǔn)確程度,其難度既不同于數(shù)學(xué)中的公式推導(dǎo)或定理證明之類的解題思路那么難以想到,也不同于物理學(xué)中高深理論那么難以理解。對(duì)于初學(xué)者或涉足不深的人員，拆開(kāi)來(lái)看計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的許多問(wèn)題的某ー個(gè)側(cè)面、某ー個(gè)具體問(wèn)題的解決思路都不會(huì)感到太難,難就難在形不成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)ー個(gè)整體概貌，難以建立起信息在計(jì)算機(jī)各部件之間流動(dòng)的時(shí)間、空間關(guān)系，而CPU系統(tǒng)恰恰涉及到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體組成和各部件的連接關(guān)系,解決的就是如何控制各部件協(xié)同運(yùn)行,保證信息（指令、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)）在系統(tǒng)中的恰當(dāng)合理的流動(dòng)，即正確地實(shí)現(xiàn)每一條指令的功能。本章內(nèi)容屬于課程中比較難掌握的部分，需要講解得細(xì)致?些。請(qǐng)讀者注意，脫離具體實(shí)際例子來(lái)泛泛地講所謂原理是不易理解、難以記憶的，但任何實(shí)際例子都只是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中的ー個(gè)特例，只是作為理解原理的ー個(gè)認(rèn)知過(guò)程來(lái)給出的,掌握原理知識(shí)是根本任務(wù),切不要迷失方向,不要糾纏于特例中的一些具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案等細(xì)節(jié)問(wèn)題。CPU基本系統(tǒng)的特例選自MIPS計(jì)算機(jī),其規(guī)范程度高,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可以很好地體現(xiàn)相關(guān)的基本原理。在特例的基礎(chǔ)上,還會(huì)討論到與這個(gè)特例不同的其他ー些設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，把通用基本原理的知識(shí)面展現(xiàn)得更加完整一些。復(fù)習(xí)要點(diǎn):.基本知識(shí)與基本理論預(yù)備性知識(shí):數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算方法，指令的格式、功能，尋址方式。清楚算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU的具體功能和它的線路實(shí)現(xiàn)原理;理解計(jì)算機(jī)硬件的5個(gè)功能部件各自的功能及其相互連接關(guān)系，清楚信息在各部件之間傳送的時(shí)間和空間關(guān)系。理解運(yùn)算器部件的組成和運(yùn)行原理，運(yùn)算器部件在整機(jī)系統(tǒng)中的作用,與其他部件的物理連接關(guān)系和信息傳送通路。以理解定點(diǎn)運(yùn)算器部件的組成和運(yùn)行原理為基本要求。理解寄存器組的構(gòu)成和使用方法，了解通用寄存器的數(shù)量對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。掌握數(shù)據(jù)在運(yùn)算器中實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和處理的過(guò)程,了解標(biāo)志位（C、Z、V、S）的產(chǎn)生、保存和使用。掌握控制器部件的組成和運(yùn)行原理，控制器部件在整機(jī)系統(tǒng)中的作用,與其他部件的物理連接關(guān)系和信息傳送路徑。準(zhǔn)確理解程序計(jì)數(shù)器PC和指令寄存器IR的功能,它們與其他部件的信息傳送關(guān)系。理解硬連線控制器和微程序控制器在組成和運(yùn)行原理兩個(gè)方面的相同和差異之處，能通過(guò)對(duì)比的方式加深對(duì)控制器部件的理解深度。在硬連線控制器中，清楚節(jié)拍發(fā)生器的功能和運(yùn)行原理?？刂菩盘?hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方案。在微程序控制器中，了解下一條微指令地址的可能方式和實(shí)現(xiàn)思路。在微程序控制器中,淸楚微指令的格式和編碼方式。在微程序控制器中，控制存儲(chǔ)器和微指令寄存器的作用與實(shí)現(xiàn)方案。指令流水線的概念、表示、分類與性能指標(biāo)。指令流水線中的3種相關(guān)問(wèn)題及其解決思路。超標(biāo)量和超級(jí)流水線的概念。.基本技能與實(shí)踐會(huì)設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單的定點(diǎn)運(yùn)算器部件并原理性給出需要控制器提供給它的控制信號(hào)。對(duì)硬連線控制器的組成和設(shè)計(jì)過(guò)程有比較正確的認(rèn)識(shí),會(huì)用有限狀態(tài)機(jī)理論設(shè)計(jì)節(jié)拍發(fā)生器。正確理解指令的指行步驟,理解步驟之間的次序關(guān)系,會(huì)原理上劃分簡(jiǎn)單常用指令的指行步驟。了解從指令中的形式地址得到內(nèi)存儲(chǔ)器有效地址的實(shí)現(xiàn)方案及其在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)。?對(duì)微程序控制器的組成和設(shè)計(jì)過(guò)程有比較正確的認(rèn)識(shí),會(huì)對(duì)微指令下地址的方案進(jìn)行分析。?可以對(duì)指令不同的執(zhí)行方式進(jìn)行原理上的性能分析。第六章總線復(fù)習(xí)重點(diǎn):掌握總線仲裁、操作和定時(shí)方式,能對(duì)具體問(wèn)題作分析和帶寬等計(jì)算;了解總線的基本概念、分類、組成及性能指標(biāo);了解微機(jī)總線的常用標(biāo)準(zhǔn)和典型的性能參數(shù)。本章難點(diǎn):在于總線的仲裁方式和定時(shí)方式第七章輸入輸出（I/O）系統(tǒng)復(fù)習(xí)重點(diǎn):理解I/O系統(tǒng)的3部分內(nèi)容及其內(nèi)存聯(lián)系;掌握CPU與外設(shè)的信息交換及其控制方式:理解常用外設(shè)的基本工作原理;理解中斷、DMA的基本概念及其工作原理：了解I/O接口的功能及編址方法；本章難點(diǎn);中斷、DMA的工作原理，I/O系統(tǒng)中有關(guān)邏輯電路的分析?！镏攸c(diǎn)知識(shí)和概念精講計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用.硬件的發(fā)展自從1946年誕生人類第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ENIAC以來(lái)，即從!946年直至現(xiàn)在，構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的主要器件從電子管發(fā)展成晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路は至超大規(guī)模集成電路,使計(jì)算機(jī)從第一代發(fā)展到四代,直至現(xiàn)在正研制的新一代計(jì)算機(jī)，它的速度從40000次/秒發(fā)展到100000000次/秒。微處理機(jī)的字長(zhǎng)從4位的4004發(fā)展到8位的8080直至目前64位的PentiumIV。根據(jù)摩爾定律集成電路容量大體上每18個(gè)月翻?番，可能今后的10年仍然會(huì)如此。.軟件的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與軟件技術(shù)的興起和發(fā)展也是密切相關(guān)的。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展歷經(jīng)了面向機(jī)器的機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言、面向問(wèn)題的高級(jí)語(yǔ)言;高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展也從科學(xué)計(jì)算和エ程計(jì)算的FORTRAN、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)PASCAL到面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的Java語(yǔ)言；與此同時(shí),直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提升的各種系統(tǒng)軟件，也有了長(zhǎng)足的發(fā)展,特別是微機(jī)的操作系統(tǒng),從DOS發(fā)展到H前的窗口與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)際上與計(jì)算機(jī)的應(yīng)用是互相促進(jìn)的，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用從早期的科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理到工業(yè)控制、實(shí)時(shí)控制，直至目前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教育）、和多媒體技術(shù)與人工智能方面等等諸多的應(yīng)用。隨著社會(huì)需求和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍在繼續(xù)發(fā)展,其發(fā)展趨勢(shì)是:從體積上向巨型化和微小型化發(fā)展;從處理與應(yīng)用上向并行處理、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體、智能化等方向發(fā)展:計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)等方面可能有發(fā)展或重大突破。計(jì)算機(jī)的分類按信號(hào)類型分為模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī);按規(guī)模分為:嵌入式,單片機(jī)，微型機(jī)，小型機(jī)，中型機(jī)，大型機(jī)和巨型機(jī):按發(fā)展歷程分為(世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生的時(shí)間1946年和名稱ENIAC)：電子管，晶體管,集成電路，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路4代計(jì)算機(jī);按指令和數(shù)據(jù)流分為：(1)單指令流、單數(shù)據(jù)流系統(tǒng)SISD(傳統(tǒng)馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu))，(2)單指令流、多數(shù)據(jù)流系統(tǒng)SIMD(陣列處理機(jī)和向量處理機(jī)系統(tǒng))，(3)多指令流、單數(shù)據(jù)流系統(tǒng)MISI(?),(4)多指令流、多數(shù)據(jù)流系統(tǒng)MIMD(多處理機(jī)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng))。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件的基本組成.馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是：使用電子電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的主要功能，完成高速、自動(dòng)的運(yùn)行過(guò)程，使用二進(jìn)制代碼，既表示數(shù)據(jù)又表示指令，運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中,按地址順序存放,通過(guò)地址完成讀寫(xiě)在早期是以運(yùn)算器為中心來(lái)組織的，指令串行執(zhí)行，是典型的單指令流單數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)。.硬件組成的5個(gè)功能部件:計(jì)算機(jī)硬件的5個(gè)功能部件奠定了至今仍在沿用的計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),但有了許多改進(jìn)和完善。(1)運(yùn)算器：完成數(shù)據(jù)的暫存、變換、算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能,(2)控制器:完成對(duì)計(jì)算機(jī)各部件協(xié)同運(yùn)行的指揮控制，即保證指令按預(yù)定的次序執(zhí)行,保障每一條指令按規(guī)定的執(zhí)行步驟正確執(zhí)行，還要處理各項(xiàng)緊急事件。(3)存儲(chǔ)器：主存和輔存，主存存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和相關(guān)數(shù)據(jù),輔存保存程序和數(shù)據(jù)文檔;(4)輸入設(shè)備:用于向計(jì)算機(jī)送入用戶操作命令、程序和數(shù)據(jù);(5)輸出設(shè)備:用于送出計(jì)算機(jī)的運(yùn)行結(jié)果等內(nèi)容,計(jì)算機(jī)的5個(gè)功能部件通過(guò)數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線彼此連接在ー起，實(shí)現(xiàn)信息通訊，3種總線分別用于傳送數(shù)據(jù)(指令)信息，主存和入出設(shè)備接口的地址信息，主存和入出設(shè)備等的操作與控制信息。計(jì)算機(jī)軟件的分類.分類(1)系統(tǒng)軟件用于管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序:有操作系統(tǒng)；服務(wù)性程序;數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)軟件。

（2）應(yīng)用軟件:指按任務(wù)需要編制成的各種程序。.三個(gè)級(jí)別的語(yǔ)言（1）機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言指的是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng),它可以被用來(lái)編寫(xiě)程序,構(gòu)成編寫(xiě)程序的一種語(yǔ)言,乂被稱為二進(jìn)制代碼語(yǔ)言。（2）匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言大體上是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)化處理的結(jié)果,再增加一些為方便程序設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能。（3）高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言又稱算法語(yǔ)言（algorithmlanguage）,它的實(shí)現(xiàn)思路,不再是過(guò)分地“靠攏”計(jì)算機(jī)硬件的指令系統(tǒng)，而是著重面向解決實(shí)際問(wèn)題所用的算法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件（hardware）和軟件（software）兩類資源組成。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的物理設(shè)備，是ー種高度復(fù)雜的、由多種電子線路、精密機(jī)械裝置等構(gòu)成的、能自動(dòng)并且髙速地完成數(shù)據(jù)計(jì)算的裝置或者工具。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和相關(guān)數(shù)據(jù)，包括完成計(jì)算機(jī)資源管理、方便用戶使用的系統(tǒng)軟件（廠家提供），和完成用戶對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)期處理功能的應(yīng)用軟件（廠家提供）與用戶軟件（用戶設(shè)計(jì)并自己使用）兩大部分。計(jì)算機(jī)的硬、軟件，二者相互依存，分工互動(dòng)，缺ー不可。硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中保存與運(yùn)行軟件程序的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是指揮硬件完成預(yù)期功能的智力部分,正如一個(gè)健全和健康的人ー樣,必須同時(shí)具備物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的組成關(guān)系可以從如圖1.1所示的六個(gè)層次來(lái)進(jìn)ー步深入認(rèn)識(shí)。圖中最下面的2層屬于硬件部分，最上面的3層屬于軟件部分，而中間的指令系統(tǒng)層連接了硬件和軟件兩部分，與兩部分都有密切關(guān)系。構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最底層即第。層,是數(shù)字邏輯層。這說(shuō)明實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的最重要的物質(zhì)材料是電子線路，是能夠直接處理離散的數(shù)字信號(hào)的數(shù)字邏輯電路。數(shù)字電路和邏輯設(shè)計(jì)是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理時(shí)要用到的預(yù)備性知識(shí)。第1層是微體系結(jié)構(gòu)（microarchitecture）層，也可以稱其為計(jì)算機(jī)裸機(jī)。計(jì)算機(jī)的核心功能是執(zhí)行程序,程序是按一定規(guī)則和順序組織起來(lái)的指令序列。這ー層體現(xiàn)的是，為了執(zhí)行指令,需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)置哪些功能部件（例如:存儲(chǔ)、運(yùn)算、輸入和輸出、接口和總線等部件，當(dāng)然還有 5:高級(jí)語(yǔ)言層更復(fù)雜一點(diǎn)的是控制器部件），每個(gè)部件又如何具體組成和怎樣運(yùn)行,這些部件如何實(shí)現(xiàn)相互連接并協(xié)同工作等方面的知識(shí)和技術(shù)。通常，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器部件（數(shù)據(jù)通路）、控制器部件、存儲(chǔ)器部件、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備這5部分組成。第2層是指令系統(tǒng)（instructionset）層，它介于硬件和軟件之間。這涉及到需要確定使用哪些指令，指令能夠處理的數(shù)據(jù)類型和對(duì)其運(yùn)算所用的算法，每?條指令的格式和完成的功能，如何指出想要對(duì)其執(zhí)行讀操作或者寫(xiě)操作的存儲(chǔ)器的ー個(gè)存儲(chǔ)單元，如何指出想要執(zhí)行輸入或者輸出操作的一個(gè)外圍設(shè)備,對(duì)哪ー個(gè)或二個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,執(zhí)行哪?種運(yùn)算、如何保存計(jì)算結(jié)果等。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的最基本和最重0：數(shù)字邏輯層圖1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)要的依據(jù),與計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)程序的難易程度、程序占用硬件資源的多少、程序運(yùn)行的效率等都直接相關(guān)。計(jì)算機(jī)是由人指揮控制的,供人來(lái)使用的。第3層是操作系統(tǒng)(operatingsystem)層。它主要分擔(dān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理與分配，也向使用者和程序設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)單、方便、高效的服務(wù)。ー套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包含了大量的、高價(jià)的、管理和使用相當(dāng)復(fù)雜的硬件資源和軟件資源,不僅一般水平的使用人員,就是水平很高的專業(yè)人員都難以直接控制和操作,還是把資源管理和調(diào)度功能留給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身來(lái)完成更可靠,這些功能是由操作系統(tǒng)承擔(dān)的。操作系統(tǒng)的存在,又為使用計(jì)算機(jī)的用戶提供了許多支持,與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相結(jié)合，使得程序設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計(jì)算機(jī)更方便。第4層是匯編語(yǔ)言(assemblylanguage)層。匯編語(yǔ)言大體上是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)化處理的結(jié)果,再增加?些為方便程序設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能。與機(jī)器語(yǔ)言相比,匯編語(yǔ)言至少有2大優(yōu)點(diǎn)。首先實(shí)現(xiàn)用英文單詞或其縮寫(xiě)形式替代二進(jìn)制的指令代碼，更容易為人們記憶和理解;其次是可以選用含義明確的英文單詞來(lái)表示程序中用到的數(shù)據(jù)(常量和變量)，并且避免程序設(shè)計(jì)人員親自花費(fèi)精力為這些數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)單元。如果在此基礎(chǔ)上，還可以在支持程序的不同結(jié)構(gòu)特性(如循環(huán)和市復(fù)執(zhí)行等結(jié)構(gòu))，子程序所用形式參數(shù)替換為真實(shí)參數(shù)等方面提供必要的支持。匯編語(yǔ)言的程序必須經(jīng)過(guò)ー個(gè)叫做匯編程序的系統(tǒng)軟件的翻譯，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言后,才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上予以執(zhí)行。第5層是高級(jí)語(yǔ)言層，高級(jí)語(yǔ)言又稱算法語(yǔ)言(algorithmlanguage),它的實(shí)現(xiàn)思路，不再是過(guò)分地“靠攏”計(jì)算機(jī)硬件的指令系統(tǒng)，而是著重面向解決實(shí)際問(wèn)題所用的算法，更多的是為方便程序設(shè)計(jì)人員寫(xiě)出自己解決問(wèn)題的處理方案和解題過(guò)程的程序。目前常用的高級(jí)語(yǔ)言有BASIC,C、C++、,PASCAL、JAVA、PROLOG等多種。用這些語(yǔ)言設(shè)計(jì)出來(lái)的程序，通常需要經(jīng)過(guò)ー個(gè)叫做編譯程序的軟件編譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，或者首先編譯成匯編程序后，再經(jīng)過(guò)匯編操作后得到機(jī)器語(yǔ)言程序,才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上予以執(zhí)行;也可以由一個(gè)叫做解釋執(zhí)行程序的軟件,逐條取來(lái)相應(yīng)高級(jí)語(yǔ)言程序的每個(gè)語(yǔ)句并直接控制其完成執(zhí)行過(guò)程,而不是把整個(gè)程序編譯為機(jī)器語(yǔ)言程序之后再交給硬件系統(tǒng)加以執(zhí)行，解釋執(zhí)行程序的最大缺點(diǎn)是運(yùn)行效率比很低。高級(jí)語(yǔ)言不屬于計(jì)算機(jī)組成課程的內(nèi)容。在高級(jí)語(yǔ)言層之上,還可以有應(yīng)用層，由解決實(shí)際問(wèn)題的處理程序組成,例如文字處理軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件,多媒體信息處理軟件，辦公自動(dòng)化軟件等。計(jì)算機(jī)是用于解決各種應(yīng)用問(wèn)題的系統(tǒng)，為有應(yīng)用而存在，為處理各種應(yīng)用問(wèn)題而體現(xiàn)出它的性能和價(jià)值。上述可知，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的6層結(jié)構(gòu)在不同層次之間的關(guān)系表現(xiàn)為;(1)上面的ー層是建立在下一層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)出來(lái)的,實(shí)現(xiàn)的功能更強(qiáng)大。也就是說(shuō)，上ー層較下ー層更接近人們解決問(wèn)題的思維方式和處理問(wèn)題的具體過(guò)程，更便于使用，而且使用這ー層提供的功能時(shí),不必關(guān)心下ー層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。(2)下面一層是實(shí)現(xiàn)上ー層的基礎(chǔ)，更接近計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，人們使用這些功能更感到困難。在實(shí)現(xiàn)這層的功能時(shí),可能尚無(wú)法了解其hー層的最終目標(biāo)和將要解決的問(wèn)題，也不必理解其更下ー層實(shí)現(xiàn)中的有關(guān)細(xì)節(jié)問(wèn)題，只要使用下ー層所提供出來(lái)的功能來(lái)完成本層次的功能處理即可。(3)采用這種分層次的方法來(lái)分析和解決某些問(wèn)題，有利于簡(jiǎn)化處理問(wèn)題的難度，在某?段時(shí)間，在處理某ー層中的問(wèn)題時(shí)，只需集中精力解決當(dāng)前最需要關(guān)心的核心問(wèn)題即可，而不必牽扯各上下層中的其他問(wèn)題。例如,在用高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序時(shí)，無(wú)需深入了解匯編及其各低層內(nèi)容。在大部分的教材中，人們通常把沒(méi)有配備軟件的純硬件系統(tǒng)成為“裸機(jī)”，這是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的根基或稱“內(nèi)核”，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)更多地集中到有利于提供性能又方便硬件實(shí)現(xiàn)和降低成本,因此提供的功能相對(duì)較弱，只能執(zhí)行由機(jī)器語(yǔ)言構(gòu)成的程序，非常難以使用。為此，人們期望能開(kāi)發(fā)岀功能更強(qiáng)、更接近人的思維方式和使用習(xí)慣的語(yǔ)言,這是通過(guò)在裸機(jī)上配備適當(dāng)?shù)能浖?lái)完成的。每加一層軟件就構(gòu)成一個(gè)新的“虛擬計(jì)算機(jī)”,功能更強(qiáng)大,使用也更加方便。例如,可以把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一到五層分別稱為L(zhǎng)0裸機(jī)、L1虛擬機(jī)（支持機(jī)器語(yǔ)言）、L2虛擬機(jī)（增加了操作系統(tǒng)）、L3虛擬機(jī)（增加了匯編語(yǔ)言）、L4虛擬機(jī)（增加了高級(jí)語(yǔ)言）。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程使用計(jì)算機(jī)處理一個(gè)實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程（1）建立數(shù)學(xué)模型,找出反映待處理問(wèn)題規(guī)律的數(shù)學(xué)模型（2）找出計(jì)算方法，選擇實(shí)現(xiàn)模型計(jì)算的具體算法（3）編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序,選用合適的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)算法的程序（4）調(diào)試運(yùn)行程序，調(diào)試寫(xiě)好的程序，調(diào)試正確后則運(yùn)行這個(gè)程序（5）輸出運(yùn)算結(jié)果,把程序的運(yùn)行結(jié)果輸出出來(lái)計(jì)算機(jī)硬件的工作過(guò)程如果僅從得到計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言的程序之后看（1）把程序和數(shù)據(jù)裝入到主存儲(chǔ)器中（2）從程序的起始地址運(yùn)行程序;（3）用程序首地址從存儲(chǔ)器中取出第1條指令,經(jīng)過(guò)譯碼、執(zhí)行步驟等控制計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)行,完成這條指令功能,并計(jì)算出下一條指令的地址;（4）用新得到的指令地址繼續(xù)讀出第2條指令并執(zhí)行之，直到程序結(jié)束為止;每一條指令都是在取指、譯碼和執(zhí)行的循環(huán)過(guò)程中完成的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)這里只是從整機(jī)的角度,給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的某些技術(shù)與性能指標(biāo)，突出兒個(gè)重要概念和基本術(shù)語(yǔ)，各個(gè)部件的更具體的指標(biāo)安排到后續(xù)的章節(jié)去介紹。（1）計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)從物理上容易實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單考慮,現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)普遍使用二進(jìn)制,即每?位（ー個(gè)bit）上的數(shù)值只有。和1兩個(gè)值，相鄰數(shù)位之間采用“逢二進(jìn)ー”的規(guī)則處理，用從右到左依次排列起來(lái)的一串二進(jìn)制的數(shù)表示不同的數(shù)值和信息。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，通常選用多少個(gè)二進(jìn)制位來(lái)表示ー個(gè)數(shù)據(jù)或一條指令是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，例如16、32或者64位,這個(gè)位數(shù)被稱為計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)。通常是2、4、8個(gè)Byte（Byte,由8個(gè)二進(jìn)制位組成）。⑵CPU速度衡量CPU速度，通常有兩種方式。第一種方式使用CPU主頻，即CPU系統(tǒng)使用的時(shí)鐘脈沖的頻率（每一秒鐘提供的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)稱為赫茲Hz,106Hz：MHz,109Hz：GHz）來(lái)表示,例如500MHz。對(duì)同一個(gè)型號(hào)的計(jì)算機(jī)，其主頻越高，完成指令的ー個(gè)執(zhí)行步驟所用的時(shí)間越短，執(zhí)行指令的速度越快，但對(duì)不同丿一家、不同系列的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只用CPU主頻來(lái)說(shuō)明其運(yùn)行速度就未必準(zhǔn)確。第二種方式使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是MIPS（millioninstructionspersecond）,其計(jì)算公式可以通過(guò)如下方式推導(dǎo)出來(lái):T=CPIXT_ICXI這里的T是執(zhí)行??個(gè)程序占用的全部時(shí)間，CPI是執(zhí)行一條指令平均使用的CPU時(shí)鐘個(gè)數(shù),T」C是ー個(gè)CPU時(shí)鐘的時(shí)間長(zhǎng)度,是CPU主頻f的倒數(shù)1/f,I是這個(gè)程序的指令條數(shù),3個(gè)數(shù)值的乘積就等于這個(gè)程序總的運(yùn)行時(shí)間T。由此得到:I=T/(CPIXl/f)=(TXf)/CPI,這個(gè)公式表明，單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令條數(shù)正比于CPU的時(shí)鐘頻率f,這個(gè)頻率的高低取決于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)エ藝和計(jì)算機(jī)組成;反比于每條指令的執(zhí)行步驟數(shù)目,它反映計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成;一個(gè)程序的指令條數(shù)還與計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)有關(guān)系。當(dāng)取T=1秒，并假定f為300Mhz,CPI為4,則計(jì)算出該CPU系統(tǒng)的性能為300/4,等于75個(gè)MIPS,即每秒執(zhí)行75個(gè)百萬(wàn)條指令。若有辦法使這臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPI靠近1,則其運(yùn)行性能就可以提高近4倍,這正是精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)所追求的目標(biāo)。若進(jìn)一步細(xì)化,可以寫(xiě)出計(jì)算CPI的公式，CPI-LCPIjXIj/I(j的值由1到n),這里的I是程序的總指令條數(shù)，n是指令的種類，CPL是每類指令的執(zhí)行步驟數(shù)，L/I表示在程序中這類指令數(shù)目與總指令數(shù)目的比例。這種通過(guò)引入不同指令在程序中出現(xiàn)的頻率來(lái)計(jì)算加權(quán)CPI的方法，更能反應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的真實(shí)性能。由于在計(jì)算機(jī)中用于計(jì)算整數(shù)的指令和計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))的指令執(zhí)行速度差異較大,不同程序中這兩類指令所占的比例也有很大不同，為此人們還分別用MIPS、MFLOPS描述整數(shù)指令和浮點(diǎn)數(shù)指令的執(zhí)行速度,以便對(duì)比不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的CPU性能水平。(3)存儲(chǔ)容量計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器通常包括內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩大類，內(nèi)存儲(chǔ)器又被稱為主存儲(chǔ)器,通常用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，讀寫(xiě)速度快,價(jià)格較高，通常容量要小一些，可供CPU通過(guò)指令直接訪問(wèn)。外存儲(chǔ)器又稱輔助存儲(chǔ)器、海量存儲(chǔ)器等，主要包括磁盤(pán)設(shè)備、光盤(pán)設(shè)備、磁帶設(shè)備等,通常是在機(jī)械旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)的盤(pán)片、磁帶上設(shè)置ー層記錄信息的物質(zhì),用磁化、改變反射光強(qiáng)度的方式寫(xiě)入或讀出二進(jìn)制的信息，讀寫(xiě)速度要慢得多,容量很大。存儲(chǔ)器的容量大，就可以保存更多的信息，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度就可以更快，相應(yīng)的硬件成本也就更高。(4)內(nèi)存的存取周期和外存的數(shù)據(jù)傳送速率內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)周期是指啟動(dòng)連續(xù)的兩次讀寫(xiě)操作所必需的時(shí)間間隔，通常都比較短，當(dāng)前的內(nèi)存儲(chǔ)器存取周期為幾個(gè)納秒到十幾個(gè)納秒(ns),讀寫(xiě)速度快的存儲(chǔ)器價(jià)格要貴ー些，要合理選用。外存儲(chǔ)器會(huì)涉及到機(jī)械運(yùn)動(dòng),找到要讀寫(xiě)數(shù)據(jù)在硬磁盤(pán)中的位置通常需要幾個(gè)到十幾個(gè)毫秒(ms),一次讀出幾百個(gè)字節(jié)的信息通常需要若干毫秒，而連續(xù)讀出一批數(shù)據(jù)平均到每個(gè)信息上的讀出時(shí)間可以更短。通常把單位時(shí)間內(nèi)可以對(duì)磁盤(pán)設(shè)備讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)數(shù)量稱為設(shè)備的傳輸速率。(5)輸入輸出設(shè)備的入出速度計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，其組成和運(yùn)行原理各不相同，與計(jì)算機(jī)主機(jī)的連接與控制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機(jī)械、光學(xué)、激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識(shí)。不同的輸入輸出設(shè)備的運(yùn)行速度各不相同，例如針式打印機(jī)每秒只能打印兒個(gè)字符,而激光打印機(jī)則可以打印多行甚至幾頁(yè)打印紙的信息，鍵盤(pán)輸入則主要取決于大員打字的速度。顯示器的屏幕大小、分辨率高低、顯示字符還是圖形不同內(nèi)容、屏幕刷新頻率等都對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。幾個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念系列機(jī);具有基本相同的體系結(jié)構(gòu),使用相同的基本指令系統(tǒng)的多個(gè)不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)組成?個(gè)產(chǎn)品系列，系列機(jī)的出現(xiàn)是計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的ー個(gè)重要事件,對(duì)計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用起到重要的作用。兼容:指計(jì)算機(jī)軟件或硬件的通用性,使用或運(yùn)行在這個(gè)型號(hào)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件、軟件也能應(yīng)用于另外一個(gè)型號(hào)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí),則稱這兩臺(tái)計(jì)算機(jī)在硬件或軟件上存在兼容性,通常在同一個(gè)系列的不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)之間是存在這種兼容性的,老的軟件和早期的硬件產(chǎn)品可以在新的機(jī)型中使用，這極大地保護(hù)了用戶的投資，也算是計(jì)算機(jī)可以更好地推廣應(yīng)用的必要條件。兼容計(jì)算機(jī)和兼容部件，某個(gè)廠家的成功計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或某些部件被其他廠家在保持相同的功能特性的前提下，通過(guò)合法渠道重新設(shè)計(jì)、組織生產(chǎn)并投入市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo),這些產(chǎn)品被稱為兼容計(jì)算機(jī)或部件產(chǎn)品。軟件可移植性:指把使用在某個(gè)系列計(jì)算機(jī)中的軟件直接或很少修改就能運(yùn)行在另外一個(gè)系列計(jì)算機(jī)的可能性，通常希望在同一個(gè)系列的計(jì)算機(jī)中要有這種兼容性，至少期望后來(lái)出現(xiàn)的性能更高的計(jì)算機(jī)要能運(yùn)行早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中已有的軟件。但這里更多指的是在不同系列的計(jì)算機(jī)中的程序是否可以直接移植或者實(shí)現(xiàn)移植的難易程度,通常只有高級(jí)語(yǔ)言的源程序オ有移植的可能性,匯編語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言基本上沒(méi)有移植的可能性。固件：同一項(xiàng)功能,既可以用硬件實(shí)現(xiàn)，處理速度和實(shí)現(xiàn)成本可能要高ー些,也可以用軟件實(shí)現(xiàn),會(huì)降低硬件成本，但運(yùn)行速度可能要慢ー些。例如，早期的計(jì)算機(jī)中有的沒(méi)有設(shè)置完成浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的硬件,就用軟件子程序來(lái)完成浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算功能。而現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常都配置了硬件的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算部件,有更高的處理能力。哪些功能選用硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能選用軟件實(shí)現(xiàn)是要權(quán)衡的一件事情。通常人們把原來(lái)用軟件實(shí)現(xiàn)的ー項(xiàng)功能改為用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn),則稱這ー硬件為固件?！铩锍Ｒ?jiàn)題型及其解法題型」選擇填空題［例2.1］諾依曼機(jī)工作方式的基本特點(diǎn)是(A)多指令流單數(shù)據(jù)流(B)按地址訪問(wèn)并順序執(zhí)行指令(〇堆棧操作(D)存儲(chǔ)器按內(nèi)部選擇地址解:(B)［例2.2］計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器系統(tǒng)是指,沒(méi)有外部存儲(chǔ)器的計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序可以存放在 中。(A)RAM,CPU(B)ROM,RAM(C)主存儲(chǔ)器,RAM和ROM(D)主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器，ROM解:(D)［例2,3］計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成,硬件系統(tǒng)由一ヽヽヽ輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五部分組成。軟件系統(tǒng)通常分為和兩大類。解：運(yùn)算器:控制器:存儲(chǔ)器:系統(tǒng)軟件;應(yīng)用軟件:［例2.4］對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展史的劃分，歷史上常以器件為標(biāo)準(zhǔn)劃分:第一代是計(jì)算機(jī),第二代是計(jì)算機(jī),第三代是計(jì)算機(jī)，第四代是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī):以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言可劃分為:第一級(jí)是」第二級(jí)是,第三級(jí)是,第四級(jí)是模塊化語(yǔ)言。解:電子管;晶體管;集成電路;機(jī)器語(yǔ)言;匯編語(yǔ)言;高級(jí)語(yǔ)言;［例2.5］主頻是計(jì)算機(jī)的?個(gè)重要指標(biāo),它的單位是；運(yùn)算速度的單位是MIPS,也就是〇解:MHz:每秒百萬(wàn)指令數(shù);題型二綜合應(yīng)用題［例2.1］簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),各層次之間的基本關(guān)系。答:粗略地可以劃分為應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和硬件3個(gè)層次,通常更習(xí)慣劃分為電路邏輯層、微體系結(jié)構(gòu)層、指令系統(tǒng)層、操作系統(tǒng)層、匯編語(yǔ)言層、高級(jí)語(yǔ)言層這6層結(jié)構(gòu)，最低ー層是數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)知識(shí),使計(jì)算機(jī)組成的預(yù)備性內(nèi)容,剩余的5層オ是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本省的內(nèi)容。微體系結(jié)構(gòu)層指的是計(jì)算機(jī)硬件本身,通稱“裸機(jī)”，操作系統(tǒng)和更高層的匯編語(yǔ)言、髙級(jí)語(yǔ)言屬于軟件系統(tǒng),而指令系統(tǒng)則介于硬件和軟件之間,硬件要忠實(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)每?條指令的功能,指令是用來(lái)設(shè)計(jì)程序（軟件）的,因此稱計(jì)算機(jī)的指令是機(jī)器語(yǔ)言,計(jì)算機(jī)硬件一般只能直接識(shí)別和運(yùn)行有計(jì)算機(jī)指令構(gòu)成的程序。層次之間是存在依存關(guān)系的,上ー層實(shí)現(xiàn)對(duì)下ー層的功能擴(kuò)展，下ー層是實(shí)現(xiàn)上ー層的基礎(chǔ)?！铩铩镏R(shí)點(diǎn)測(cè)試ー、選擇（單選）.計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從器件角度劃分的四代發(fā)展歷程,但從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看,至今為止絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍是式計(jì)算機(jī)。（A）實(shí)時(shí)處理；（B）智能化;（C）并行；（D）馮?諾依曼;.Von.Neumann型計(jì)算機(jī)的最根本特征是。（可多選）（A）以運(yùn)算器為中心;（B）指令并行執(zhí)行:（〇存儲(chǔ)器按地址訪問(wèn);（D）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼，并采用二進(jìn)制運(yùn)算;.計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備是指（A）輸入/輸出設(shè)備;（B）外存儲(chǔ)器;（〇遠(yuǎn)程通信設(shè)備；（D）除了CPU和內(nèi)存以外的其它設(shè)備；.完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括（A）運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器；（B）外部設(shè)備和主機(jī);（〇主機(jī)和實(shí)用程序；(D)配套的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng);.至今為止,計(jì)算機(jī)中的所有信息仍以二進(jìn)制方式表示的理由是(A)節(jié)約元件;(B)運(yùn)算速度快;(〇物理器件的性能決定;(D)信息處理方便；.對(duì)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生有重要影響的是(A)牛頓、維納、圖靈；(B)萊布尼茲、布爾、圖靈;(〇巴貝奇、維納、麥克斯韋;(D)萊布尼茲、布爾、克果；.運(yùn)算器的主要功能是進(jìn)行(A)邏輯運(yùn)算;(B)算術(shù)運(yùn)算;(C)邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算；(D)初等函數(shù)的運(yùn)算二、分析應(yīng)用和設(shè)計(jì)題.什么是兼容?其優(yōu)點(diǎn)是什么?.說(shuō)明以下幾個(gè)詞或縮寫(xiě)的含義:CPU主頻、CPkMIPS,MFLOPS.第二章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算★常考知識(shí)點(diǎn)精講2.1數(shù)制與編碼.進(jìn)位計(jì)數(shù)法用少量的數(shù)字符號(hào),按先后次序把它們排成數(shù)位,由低到高進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)滿進(jìn)位’這樣的方法稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制.N=Dm.|Dm-2...DiDoD.iD.2...DaDj(-k^i^m-1)為基本符號(hào)，小數(shù)點(diǎn)位置隱含在Do與D」位之間。m-1N=￡Di*?i=-k符號(hào):r基數(shù),進(jìn)位制基本特征數(shù),數(shù)字符號(hào)個(gè)數(shù)i取值-k到m-1?(位權(quán))此時(shí)該數(shù)制稱r進(jìn)制。常用進(jìn)位數(shù)制:有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制、十進(jìn)制。.進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換R進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制按權(quán)展開(kāi)法:先寫(xiě)成多項(xiàng)式,然后計(jì)算十進(jìn)制結(jié)果。r進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制方法①十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換:除2取余法(基數(shù)除法)除基取余法:把給定的數(shù)除以基數(shù),取余數(shù)作為最低位的系數(shù),然后繼續(xù)將商部分除以基數(shù),余數(shù)作為次低位系數(shù),重復(fù)操作直至商為〇〇小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換:乘2取整法(基數(shù)乘法)乘基取整法(小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換):把給定的r進(jìn)制小數(shù)乘以2,取其整數(shù)作為二進(jìn)制小數(shù)的第一位,然后取小數(shù)部分繼續(xù)乘以2,將所的整數(shù)部分作為第二位小數(shù),重復(fù)操作宜至得到所需要的二進(jìn)制小數(shù)。②二進(jìn)制(B)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制(Q)或十六進(jìn)制(H):將二進(jìn)制數(shù)自小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始左右兩邊分為3位或4位一段,再將每段轉(zhuǎn)成相應(yīng)的1位八或十六進(jìn)制數(shù)即可。③ハ進(jìn)制(Q)或十六進(jìn)制(H)轉(zhuǎn)換二進(jìn)制(B):將八或十六進(jìn)制數(shù)自小數(shù)點(diǎn)開(kāi)始左右兩邊每位轉(zhuǎn)成分為3位或4位二進(jìn)制數(shù),再將它們合起來(lái)即可。真值和機(jī)器數(shù)真值:正、負(fù)號(hào)加某進(jìn)制數(shù)絕對(duì)值的形式,也即機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際值。機(jī)器數(shù):表示一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)內(nèi)編碼,也即符號(hào)以及數(shù)值都數(shù)碼化的數(shù)。BCD碼所謂編碼，就是用少量簡(jiǎn)單的基本符號(hào)，對(duì)大量復(fù)雜多樣的信息進(jìn)行ー定規(guī)律的組合用于表示多種信息。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，凡是要進(jìn)行處理(包括計(jì)算、查找、排序、分類、統(tǒng)計(jì)、合并等)、存儲(chǔ)和傳輸?shù)男畔?，都是用二進(jìn)制進(jìn)行編碼的。用四位二進(jìn)制代碼的不同組合來(lái)表示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)碼的編碼方法,稱為ニー十進(jìn)制編碼，也稱BCD碼(BinaryCodedDecimal)。通常采用壓縮十進(jìn)制串。依據(jù)每個(gè)位有否確定的位權(quán)，可把BDC碼分為有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼。常用的BCD碼有8421碼、余3碼和格宙碼等。字符與字符串.字符編碼①ASCH碼："美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼”。用7位二進(jìn)制編碼，可表示27=128個(gè)字符。ASCII碼中，編碼值0?31為控制字符,用于通信控制或設(shè)備的功能控制。編碼值32是空格SP。編碼值127是DEL碼。其余的94個(gè)字符稱為可印刷字符。②EBCDIC碼(擴(kuò)展的BCD碼)，8位二進(jìn)制編碼,可以表示256個(gè)編碼，但只選用其中一部分。主要用在IBM公司生產(chǎn)的各種機(jī)器中。.漢字的表示與編碼1981年《GB2312-80》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)編碼用兩個(gè)字節(jié)表示。共收錄ー級(jí)3755、二級(jí)3008個(gè)漢字,各種符號(hào)682個(gè)，共計(jì)7445個(gè)。目前最新的漢字編碼是2000年公布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18030,收錄了27484個(gè)漢字。編碼標(biāo)準(zhǔn)采用單字節(jié)、2B,4Bo漢字的編碼：漢字的輸入編碼、漢字內(nèi)碼、字模碼是計(jì)算機(jī)中用于輸入、內(nèi)部處理、輸出三種不同用途的編碼。①輸入編碼：數(shù)字編碼，如區(qū)位碼:字音編碼，如拼音碼;字形編碼，如五筆字型;漢字混合編碼等,用于漢字的輸入。②內(nèi)部處理:機(jī)內(nèi)碼ーー用于漢字的存儲(chǔ)、交換、査詢等,通常機(jī)內(nèi)碼:最高位為1。③輸出編碼:字型碼——用點(diǎn)陣組成的漢字的代碼——構(gòu)成字庫(kù),用于漢字的顯示或打印等輸出。還就注意區(qū)位碼、國(guó)標(biāo)碼與機(jī)內(nèi)碼的關(guān)系:（十六進(jìn)制）國(guó)標(biāo)碼=區(qū)位碼+2020H機(jī)內(nèi)碼=國(guó)標(biāo)碼+8080H.字符串的表示①字符串已成為最常用的數(shù)據(jù)類型之一,許多計(jì)算機(jī)中提供字符串操作功能。②字符串是指連續(xù)的ー串字符。③兩種存放方式：它們占主存連續(xù)多個(gè)字節(jié),當(dāng)主存字由2個(gè)或4個(gè)字節(jié)組成時(shí),在同一個(gè)主存字中，既有按從低位向高位字節(jié)順序存放字串內(nèi)容的，也有按從高位向低位字節(jié)順序存放字串內(nèi)容的。校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼是指能夠發(fā)現(xiàn)或又能夠自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)編碼,也稱“檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼”。通常某種編碼都由許多碼字構(gòu)成,兩個(gè)合法代碼對(duì)應(yīng)位上編碼不同的位數(shù)稱為碼距,任意兩個(gè)碼字之間最少變化的二進(jìn)制位數(shù)，稱為最小碼距。如果在編碼中引入一定的冗余,增加代碼的最小碼距，使得編碼中出現(xiàn)ー個(gè)錯(cuò)誤時(shí)就成為非法代碼。校驗(yàn)碼有如下類型：①校驗(yàn)位與信息位的形成關(guān)系：線性碼、非線性碼②信息位與校驗(yàn)位的約束條件：分組碼、卷積碼③碼字本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):循環(huán)碼、非循環(huán)碼④信息位與校驗(yàn)位排列位置關(guān)系：系統(tǒng)碼、IE系統(tǒng)碼.奇偶校驗(yàn)碼（1）原理：在原編碼加上一個(gè)校驗(yàn)位，它的碼距等于2,能檢測(cè)出一位錯(cuò)（或奇數(shù)位錯(cuò)），但不能確定出錯(cuò)位置，也不能測(cè)出偶數(shù)位錯(cuò)，有奇、偶兩種校驗(yàn)。由若干位有效信息（如一個(gè)字節(jié)），再加上一個(gè)二進(jìn)制位（校驗(yàn)位）組成校驗(yàn)碼字。（2）交叉奇偶校驗(yàn)：對(duì)ー個(gè)數(shù)據(jù)塊另可以采用的方法，即對(duì)每行的數(shù)據(jù)有一個(gè)校驗(yàn)位，同樣對(duì)每列的數(shù)據(jù)有一個(gè)校驗(yàn)位，這樣比較僅采用一位校驗(yàn)要保險(xiǎn)多了。.海明校驗(yàn)碼海明碼（”，k）,信息位數(shù)k="一r,校驗(yàn)位數(shù)r=”-&,其碼長(zhǎng)〃22-1,最小碼距イ=3。是ー種很有效的校驗(yàn)方法,只要增加少數(shù)幾個(gè)校驗(yàn)位，就能檢測(cè)出二位同時(shí)出錯(cuò)、亦能檢測(cè)出一位出錯(cuò)并能自動(dòng)恢復(fù)出錯(cuò)位的正確值，后者被稱為自動(dòng)糾錯(cuò)。（1）原理:在k位數(shù)據(jù)加上r個(gè)位校驗(yàn),形成k+r位新碼字,并使碼距比較均勻拉大。使每一數(shù)據(jù)位與不同校驗(yàn)位組合建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,則某一位出錯(cuò)后，就會(huì)引起相關(guān)的幾個(gè)校驗(yàn)位的值發(fā)生變化，這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，還能指出是哪一位出錯(cuò),為進(jìn)ー步自動(dòng)糾錯(cuò)提供了依據(jù)。設(shè)k個(gè)數(shù)據(jù)位、r個(gè)校驗(yàn)位，為檢出雙位出錯(cuò)與自動(dòng)校正一位錯(cuò)，因此位數(shù)r和位數(shù)k應(yīng)滿足如下關(guān)系:2E2k+r.循環(huán)碼（CRC）CRC碼的任合?個(gè)合法碼字循環(huán)移位得到的仍是?個(gè)合法碼字，用于發(fā)現(xiàn)并糾正信息串行讀寫(xiě)、存儲(chǔ)或傳送中出現(xiàn)的一位、多位錯(cuò)誤，因此串行通信的場(chǎng)合得到普遍應(yīng)用。定點(diǎn)數(shù)的表示.無(wú)符號(hào)數(shù)的表示指整個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的全部二進(jìn)制位均表示數(shù)值位,相當(dāng)于數(shù)的絕對(duì)值。若機(jī)器字長(zhǎng)為n+1位,則數(shù)值表示:X=X0XlX2-XnXj={O,l}, 0<i<nX02n+Xi2n',+...+X?.i2'+Xn數(shù)值范圍0^X^2n+1-l此時(shí)二進(jìn)制的最高位也是數(shù)值位，其權(quán)值等于2ゝ.帶符號(hào)數(shù)的表示最高位被用來(lái)表示符號(hào)位,而不再表示數(shù)值位。(1)定點(diǎn)整數(shù)數(shù)值表示:X=X0X1X2...XnXi={O,l},O〈i<nX02n+Xl2n'1+...+Xn.l2l+Xn數(shù)值范圍0^X^2n+1-l(2)定點(diǎn)小數(shù)數(shù)值表示X=X0.XlX2...XnXi={〇』},OWiWnXi2-|+...+X?.l2*n+1+Xn2'n數(shù)值范圍0^X^l-2n定點(diǎn)小數(shù)也被用在浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)部分。定點(diǎn)數(shù)可以是整數(shù),也可以是純小數(shù)，原理是相同的，只是數(shù)值表示范圍不同，故ド面用定點(diǎn)小數(shù)來(lái)討論數(shù)據(jù)的原碼、補(bǔ)碼表示。(3)原碼表示是用機(jī)器數(shù)的最高一位代表符號(hào),以下各位給出數(shù)值絕對(duì)值的表示方法。其定義為：這里的x為數(shù)的實(shí)際值(真值)，［Xル為原碼表示的機(jī)器數(shù)。原碼的性質(zhì):①符號(hào)位加數(shù)的絕對(duì)值，〇正1負(fù)：②零有兩個(gè)編碼;③加減運(yùn)算復(fù)雜，乘除運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單：④表示簡(jiǎn)單，易于同真值之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(4)補(bǔ)碼表示法最高位為符號(hào),其余各位的值按2取模。其定義為X0<X<12+X-1<X<OMOD2補(bǔ)碼的性質(zhì):①機(jī)器數(shù)和它的真值的關(guān)系［X］樸=2*符號(hào)位+X。②〇有唯一的編碼

③兩數(shù)補(bǔ)碼加法,把符號(hào)位與數(shù)值位同等處理,結(jié)果的符號(hào)位與數(shù)值位都正確。④[X],ト與其真值的關(guān)系:假定[X]?卜=X°X1X2…Xn,貝リ有兇"=2Xo+X。由此又可以得到從[X]"求X的關(guān)系:X=[X]樸ー2Xo=XoXiXi...Xn-2Xo=-Xo+O.XiX2...X?這個(gè)結(jié)論被用于補(bǔ)碼乘法的運(yùn)算中。(5)反碼表示用機(jī)器數(shù)的最高?位代表符號(hào),數(shù)值位是對(duì)負(fù)數(shù)值各位取反的表示方法,其定義為[x]s=rx gx<ij(2-2'n)+X-1<X<0 MOD(2-2'n)反碼的性質(zhì):零有兩個(gè)編碼。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,較少使用反碼。(6)三種編碼的比較①對(duì)于正數(shù)它們值都等于真值本身,而于負(fù)數(shù)各有不同的表示。②最高位都是符號(hào)位,補(bǔ)碼和反碼的符號(hào)位可作為數(shù)值位，與數(shù)值位ー起參加運(yùn)算:但原碼的符號(hào)位必須分開(kāi)進(jìn)行處理。③對(duì)于真值。，原碼和反碼各有兩種表示，補(bǔ)碼只有一種表示。2.7定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算第 小號(hào)I 1—2.7定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算第 小號(hào)/r