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计算机组成原理第1章计算机系统概述1.1计算机发展历程自从1946年诞生人类第一台电子计算机(ENIAC)以来，计算机的发展经历了4代：第1代（1946~1957）——电子管时代第2代（1957~1964）——晶体管时代第3代（1965~1971）——中小规模集成电路时代第4代（1972至今）——大规模集成电路、超大规模集成电路时代1.2计算机系统层次结构1.2.1计算机系统层次结构图1.3 多级层次结构的计算机系统1.2.2计算机硬件的基本组成1. 冯●诺依曼体系结构它是存储程序的计算机，其特点是：（1）计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。（2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。（3）指令和数据均用二进制表示。（4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。（5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。2. 计算机硬件框图典型的冯●诺依曼计算机是以运算器为中心的，如图1.1所示。图1-1典型的冯●诺依曼计算机结构框图现代的计算机已转化为一存储器为中心，如图1.2所示。图1-2以存储器为中心的计算机结构框图通常把运算器和控制器集成在一个芯片上，称为中央处理器，简称CPU。CPU和主存储器在一起组成主机。除去主机以外的硬件（如输入输出设备、硬盘等）统称为外部设备。1.2.3计算机软件的分类分为系统软件和应用软件1.2.4计算机的工作过程上机前准备：1.建立数学模型；2.确定计算方法；3.编制解题程序；上机运行：4.调试运行程序；5.输出运算结果。1.3计算机硬件性能指标1.机器字长机器字长是指CPU一次能处理的数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。2.运算速度有两种衡量指标，一种是CPU主频，可以用CPI（Cycle Per Instruction）即执行一条指令所需的时钟周期（CPU主频的倒数）数作计量单位。另一种是单位时间内执行指令的条数，用MIPS（Million Instructions Per Second）或MFLOPS（Million Floating Point Operations Per Second）作为计量单位。3.存储容量包括主存容量和辅存容量。第2章数据的表示和运算2.1数制及其转换2.1.1进位计数制2.1.2数制转换1.r进制转换成十进制按权展开2.十进制转换成r进制整数部分：除r取余，余数倒排法小数部分：乘r取整，整数顺排法3.二进制转换成8、16进制将二进制数自小数点开始左右两边分为3位或4位一段，每段转换成相应的一位8进制或16进制数即可。4. 8、16进制转换成二进制将8进制或16进制数自小数点开始左右两边每位转换成3位或4位二进制数即可。2.2非数值数据的表示2.2.1字符的表示ASCII码2.2.2汉字的表示输入码，如拼音输入法；机内码，如GB18030标准，一个汉字用1B、2B或4B表示；字模码，即汉字点阵。2.2.3 BCD码用4位二进制数表示一个十进制数数位，每个数位内部满足二进制，二数位之间满足十进制，故称这种编码为“以二进制编码的十进制(Binary Coded Demical, BCD)”码。常用的BCD码分为有权码和无权码。常用的有权码有8421码、2421码、5211码、4311码，常用的无权码有余3码、格雷码。8421码4个二进制码的权从高到低为8、4、2、1。如果两个一位8421码相加之和小于或等于(1001)2，即9，不需要修正；如果相加之和大于或等于(10)10，要进行加6修正，并向高位进位。余3码余3码是在8421码的基础上，把每个编码都加上0011而形成的，其运算规律是：当两个余3码相加不产生进位时，应从结果中减去0011；产生进位时，应向高位进位，本位加0011。2.3数值数据的表示2.3.1真值与机器数在计算机中参与运算的数有两大类：无符号数和有符号数。对有符号数而言，符号的“正”、“负”机器是无法识别的，但由于“正”、“负”恰好是两种状态，如果用0表示正，1表示负，这样符号也被数字化了，并且规定将它放在有效数字的前面，即组成了有符号数。把符号数字化的数称为机器数，把带“+”、“-”号的数称为真值，即机器数的实际值。2.3.2机器数的表示为了书写方便以及区别整数和小数，约定整数的符号位和数值位之间用逗号隔开，小数的符号位和数值位之间用小数点隔开。1.原码机器数最高位为符号位，0表示正数，1表示负数，绝对值跟随其后。整数原码的定义为式中，x为真值，n为整数的位数，此时原码的表示范围是[-(2n-1), 2n-1]。小数原