安徽大学教材
计算机系统概论
计算机的硬件组成
现代计算机由三大部件组成：CPU、IO设备和主存储器。CPU与主存合起来称为主机，IO设备称为外部设备。
计算机系统的层次结构
0-6级层次
- 硬联逻辑机器，控制时序由硬联逻辑构成的逻辑线路实现
- 微程序控制机器
- 传统语言机器，该级的机器语言即是本机的指令系统
- 操作系统机器
- 汇编语言机器
- 高级语言机器
- 应用语言机器
第0级和第1级属于计算机组成原理。第2级属于计算机系统结构
运算方法与运算器
数据的表示方式
原码的特点
- 0有两种表示形式
- 原码表示简单，转换方便，适合乘除。但加减运算规则复杂，符号不参与运算
补码的特点（小数为例）
- 0有唯一表示形式
- 使用补码加减法时，符号位参与运算，只要结果未超出机器所能表示的数值范围，将其对2取模便是结果
反码的特点
- 与补码不同，相加时所得结果不一定是和的反码，因为可能会产生进位，需要将该进位加到结果的最低位。这种操作方式为“循环进位”
- 0有两种表示形式
- 运算需要考虑循环进位
移码的特点
- 0有唯一表示形式
- 只用于表示整数
- 只进行加减法运算，且需要对运算结果进行修正，修正办法为符号位取反
四种表示法
- 移码主要用于浮点数的阶码
- 补码对加减运算十分方便
- 有些机器，原码进行存储和传送，运算时改用补码
- 还有些机器加减法时用补码，乘除法时用原码
十进制数的二进制
BCD：用若干位二进制数码来对一位十进制数进行编码
数的定点表示和浮点表示
浮点数
浮点数表示范围
上溢：阶码大于机器所能表示的最大阶码
下溢：阶码小于机器所能表示的最小阶码。此时该数是一个绝对值很小的数，非常接近0，通常将尾数强行置零，称为“机器零”
浮点数的规格化
- 符号位和数值最高位相异
定点数的加减运算
补码的加减运算及溢出判断
加减运算
加法运算时，若结果不超过机器的表示范围，有重要结论：
- 补码加法运算后，结果仍是补码
- 符号位与数值位一样参与运算
溢出判断
- 符号比较法：两同号数相加，结果符号与加数不同，产生溢出
- 双进位法
- 双符号位法（变形补码法）：符号位参与运算，01表示正溢，10是负溢
移码的加减运算及溢出判断
加法器和算术逻辑单元
加法器
半加器
不考虑进位
一位全加器
考虑进位
串行多位加法器
超前进位加法器
算术逻辑单元（ALU）
是一种功能较强的组合电路，能够实现多种算术运算和逻辑运算，又称多功能函数发生器。
ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器
存储系统
存储系统概述
主存储器的主要性能指标
存储容量
存取时间
指启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
存储周期（读写周期/访问周期）
指CPU连续启动两次独立的存取操作所需间隔的最短时间。
主存储器
随机存取存储器RAM按照存储元件在运行中能否长时间保存信息来分，有静态存储器SRAM和动态存储器DRAM。
- SRAM利用双稳态触发器，不断电数据不会丢失，不需要刷新
- DRAM利用电容，需要定期刷新