计算机组成原理——基本组成 进制转化 奇偶校验 原码 反码 补码 移码 移位 原码补码乘法除法 IEEE754 加法器ALU
笔记来源于王道考研视频
第一章
通过电信号传递信息（低电平代表0，高电平代表1）
计算机系统
计算机系统=硬件+软件
软件
| 系统软件 | 应用软件 |
|---|---|
| 操作系统，数据库管理系统（DBMS），标准程序库（编程时使用的库函数），网络软件（实现比如TCP/IP协议的），语言处理程序（将高级语言转化成低级语言），服务程序（调试程序） | 微信，QQ |
| 用来管理整个计算机系统 | 按任务需要编制而成的各种程序 |
硬件的发展（逻辑元件）
- 第一台数字计算机：ENIAC（1946）–电子管
- 晶体管（有操作系统的雏形）
- 中小规模集成电路
- 大规模，超大规模集成电路（有操作系统出现）
- 1947年，贝尔实验室，发明了“晶体管”（肖克利）
- 1959年，仙童半导体公司发明“集成电路”（八叛徒）
- 摩尔，创建Intel（摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18个月便会增加一倍，揭示了信息技术进步的速度）
软件的发展
机器语言–>汇编语言–>高级编程语言
目前的发展趋势
- 更微型，多用途
- 更巨型，超高速
计算机硬件的基本组成
早期 冯·诺依曼机
冯·诺依曼机的特点
- 计算机由五大部件组成
- 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
- 指令和数据用二进制表示
- 指令由操作码和地址码组成
- 存储程序
- 以运算器为中心
现代计算机结构
- 因为运算器和控制器的关系比较密切，所以我们把它整合成为一个整体CPU
- 输入设备和输出设备统一叫做I/O设备
- 所以现代计算机结构又可以划分为：
- CPU
- 主存储器（CPU和主存储器又称为主机）
- I/O设备
主存：比如手机运行内存8GB
辅存：比如机身内存128GB
主存储器
存储器 > 存储单元 > 存储元
运算器
控制器
计算机的工作过程（例）
计算机系统的层次结构
将高级语言翻译成机器语言的程序叫做翻译程序（包括两种）
- 编译程序：是将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后在执行机器语言程序。因此，只要源程序不变，就无需再次进行翻译
- 解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应机器语言的一条语句，并且立即执行这条语句，接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语句，如此重复。因此，翻译一次，执行一次，即使下一次重复执行该条语句，也必须重新翻译。
计算机体系结构和计算机组成原理的区别
计算机的性能指标
存储器的性能指标
CPU的性能指标
系统整体的性能指标
思考
回顾
第二章
进制转化
其他进制转化为十进制
二进制 <–> 八进制，十六进制
三个二进制位对应一个八进制位
四个二进制位对应一个十六进制位
十进制–>任意进制
- 整数部分：除基取余
- 小数部分：乘基取余
真值和机器数
BCD码
ASCII码
汉字表示
字符串表示
奇偶校验码
- 只能检错，不能纠错
海明校验码
循环冗余校验码（CRC）
- 可以检错，不能纠错（其实在信息位少的时候，有时候是具有纠错能力的）
定点数的表示
无符号数
整个机器字长的全部二进制位均为数值位，没有符号位，相当于数的绝对值（一般是整数）
有符号数
原码
反码
补码
移码
- 只能表示整数
总结
由[x]补求[-x]补的方法— 符号位，数值位全部取反，末位加1
原码，补码，移码的作用
补码的作用：将减法操作转变为等价的加法（也就是加一个负数的时候，就等价于加上这个负数的补码）
移码的作用：方便对比大小
定点数的运算
算术右移
算数左移
反码的算术移位
补码的算术移位
算术移位总结
举例
逻辑移位
循环移位
加减运算和溢出判断
加减运算
- 补码运算时，符号位也要参与运算
溢出判断
- 运算后，双符号位01–表示上溢；10–表示下溢
符号扩展
原码乘法
- 原码的乘法的移位是逻辑移位，符号位也要参与移位
补码乘法
机器实现
- 最后一次加法，因为符号位也要参与运算
- 补码的乘法是算数移位，符号位固定不变
- 正数算数右移，高位补0
- 负数算数右移，高位补1
原码除法
机器实现：恢复余数法
恢复余数法
不恢复余数法（加减交替法）
- 余数为负，直接商0，并让余数左移一位(乘2)，再加上|除数|，得到新余数
- 除数要小于被除数，因为小数二进制位无法表示大于1的数，也就是说在第一步的商就必须是0
补码的除法
强制类型转化
数据存储和排序
大小端存储
边界对齐
浮点数的表示
定点数表示的数字范围有限
上面的浮点数表示会损失精度，我们可以让其的表示规格化，减少精度损失
左规和右归
- 溢出时，双符号位的最高位是正确的符号
浮点数规格化特点
IEEE 754
triple
真值的-128，-127有其他的用途
所以真值的范围就在 -126~127
- 隐藏的表示最高位1，为了符合浮点数规格化的特点
(−1)S∗1.M∗2E−127(-1)^S*1.M*2^{E-127} (−1)S∗1.M∗2E−127
S：符号位
E：阶码
M：尾数
32=1+8-23
例
IEEE单精度浮点数的最大最小绝对值
浮点数的运算
强制类型转化
逻辑运算
算术逻辑单元(ALU)
门电路
复合逻辑
加法器
一位全加器
串行加法器
并行加法器
加法器，ALU的改进
并行加法器的优化
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