计算机硬件基础知识专题

计算机硬件基础知识专题专题内容细分2数据及其转换十进制基数为０——９位权为１０Eg:51D=5x101+1x100二进制基数为０——１位权为２Eg:101B=(1x22+0x21+1x20)D十六进制基数为０——９Ａ——Ｆ位权为16Eg:1fH=(1x161+fx160=31)D8421码用四位二进制数表示十进制数Eg:23Ｄ=001000113数制间的转换十进制二进制十六进制000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019101010Ａ111011Ｂ121100Ｃ131101Ｄ141110Ｅ151111Ｆ4数据编码方式机器数：一个数值数据的机内表示形式。真值：一个机器数所代表的数值。0代表正数1代表负数数据的编码方法：1.原码2.反码3.补码4.移码正数的原码与反码、补码相同。5数据编码Eg:-56D上面的规则适用于负数正数的原码与反码、补码相同。[+0]补＝[-0]补＝00000000唯一的6原码[-56Ｄ]原＝10111000反码[-56Ｄ]反＝11000111将原码符号位不变，其它位取反补码[-56Ｄ]补＝11001000将反码的低位+1移码[-56Ｄ]移＝01001000将补码的高位取反数据编码原码一般用来实现乘除运算补码一般用来实现加减运算移码一般用来表示阶码7数据的表示定点小数0.2356定点整数52084浮点数1.符号位为0或12.N+1位阶码中，1位是阶码的符号，n位是阶码的倍数3.阶码一般用移码编码方式4.尾数采用原码或补码编码方式-0.2x1098MsEM1位符号位N+1位阶码M位定点小数形式的尾数MsEM111111011100000010补码的加减法则1.补码加法[Ｘ+Ｙ]补＝[Ｘ]补+[Ｙ]补Eg:X=0.001BY=0.101B求Ｘ+Ｙ解：[Ｘ]补=0001[Ｙ]补=0101[Ｘ+Ｙ]补=[Ｘ]补+[Ｙ]补=0001+0101=0110X+Y=0.1102.补码减法[Ｘ－Ｙ]补＝[Ｘ]补+[－Ｙ]补从[Ｙ]补求[－Ｙ]补的法则是：所有位取反，末位+1Eg:X=3DY=5D求Ｘ-Ｙ解：[Ｘ]补=0011[Ｙ]补=0101[-Ｙ]补=1010+1=1011[Ｘ-Ｙ]补=[Ｘ]补+[-Ｙ]补=0011+1011=1110则Ｘ-Ｙ=1110验证：[[Ｍ]补]补=[M]原[[Ｘ-Ｙ]补]补=[Ｘ-Ｙ]原=[1110]补=1001+1=1010=-2D9溢出在定点机器中，数的表示范围为｜Ｘ｜1，在运算中如果出现｜Ｘ｜1的现象，称为溢出。10如何判断溢出1.双符号法采用两个符号位，如果符号位相同，则无溢出。Eg:X=0.001BY=0.101B求[Ｘ+Ｙ]补[Ｘ+Ｙ]补=[Ｘ]补+[Ｙ]补=00001+00101=001101.进位信号法当结果的最高位和符号位的进位信号一致时，则没有溢出。Eg:X=0.110BY=0.101B求[Ｘ+Ｙ]补[Ｘ+Ｙ]补=[Ｘ]补+[Ｙ]补=0110+0101=0101111文字符号的类型ASII码计算机中普度采用的是ASII码。用７位代表一个字符，包括字母大小写、数字、标点和控制符等。BG2312-80定义了682个符号，6763个汉字。BIG5是普遍使用的繁体汉字的编码标准，包括440个符号，13030个汉字。GBK是中国大陆制订的中文编码扩展国家标准，它兼容GB2312，共收录汉字21003个，符号8835个，并提供1894个造字码位，简繁字融于一库。GB18030-2000在GB2312-1980和GBK的基础上进行扩充，汉字达到27000多个，解决了一些生、偏、难字的问题，支持全部中日韩统一汉字和汉字字符。Unicode是国际标准组织对各国文字、符号进行的统一性编码。ISO10646/Unicode字符集全球可共享的编码字符集。用四个字节表示世界各国语言文字的代码，其中汉字字符集可以扩大到６万字。12校验方法1.奇偶校验在串口通信中基本都使用它作为数据检验的方法。规则：奇校验时，信息数据中各位中1的个数为奇数，校验码为0，否则校验码为1，偶校验则相反。使用一位奇偶校验的方法可检测了一位错误，但无法判断是哪一位出错，当两位同时出错时，它也无法检测出来，所以奇偶校验通常用于对少量数据的校验，如一个字节。2.海明码采用多位校验码的方式，在这些校验位中的每一位都对不同的信息数据位进行奇偶校验，通过合理的安排每个校验位对原始数据进行校验位组合，可以达到发现错误、收下错误的目的。假设数据位有m位，那么校验位的长度只要满足2k-1m+k，就能纠正判断是哪一位出错。3.恒比码所有有效的编码中为１的位都相同。这种编码生成时是查表，接收检验时检查每个编码中出现的次数是否正确。在邮电部门的电报及条形码中广泛使用。4.循环冗余校验码能用很少的校验码检测出大多数的错误，检错能力是非常强的。校验是从数据本身进行检查，它依靠数学上约定的形式进行检查，检验的结果是可靠或不ＣＲＣ码=信息码+校验码13冯.诺依曼结构现在的计算机大多数基于冯.诺依曼结构，它的特点是：1.计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。2.采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据都可以送进运算器运算。3.数据以二进制数表示。4.指令由操作码和地址码组成。5.指令按照顺序存储，由指令计算器指明当前需要执行指令的地址，通过改变指令计数器来改变程序的流程。6.计算机以运算器为中心，输入输出设备和存储器之间的数据传送需要通过运算器。14中央处理器ＣＰＵＣＰＵ是计算机的控制、运算中心，它主要通过总结和其他设备进行联系，另外，在嵌入系统设计中，外部设备也常常直接接到ＣＰＵ的外部Ｉ/Ｏ脚的中断脚上。虽然ＣＰＵ的类型和品种异常丰富，各种ＣＰＵ的性能也差别很大，有不同的内部结构、不同的指令系统，但由于都是基于冯.诺依曼结构，所以基本部分组成相似。15中央处理器ＣＰＵ运算器ALU主要功能是在控制器的控制下完成各种自述运算。控制器CU是CPU的核心，它控制和协调整个计算机的动作，控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路、脉冲源及中断等共同完成。控制器的基本功能：时序控制和执行控。控制器的实现方法主要：硬布线逻辑和微程序控制。寄存器组用以在指令挂靠过程中存放操作数和中间数据，由CPU完成指令所规定的运算的操作，CU控制ALU和寄存器组正确地完成某一操作。16中央处理器ＣＰＵ17时序产生器我们学习、工作和休息都有一个严格的作息时间。每个教师和学生都必须严格遵守这一规定，否则就难以保证正常的教学秩序。18时序产生器CPU中也有一个类似“作息时间”的东西，它称为时序信号。计算机所以能够准确、迅速、有条不紊地工作，正是因为在CPU中有一个时序信号产生器。组成：1.时钟源2.环形脉冲发生器3.时间脉冲和读写时序译码逻辑4.启停控制逻辑时钟周期：cpu执行一条加法指令所需的时间机器周期：计算机完成一次数据传递所需的时间平均指令执行时间MIPS：cpu每秒执行多少百万条指令19控制方式控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器的控制方式。常用的三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式：1.同步控制方式2.异步控制方式3.联合控制方式20指令系统指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。一台计算机中所有机器指令的集合，称为计算机的指令系统。21寻址方式22处理器性能及评价影响处理器性能的因素如下：1.基本字长2.数据通路宽度3.指令系统4.时钟频率5.流水线技术6.内部数据/指令缓存评价处理器性能可以是直接给出处理器每条指令的执行时间，或者是指令系统中指令执行时间的某种加权评价，还有就是计算机处理每秒能执行多少个加法指令。1个MIPS指的是处理器每秒能完成1x106条指令。三种评价处理器的方法：1.等效指令速度法2.数据处理速度法3.核心程序法23存储器系统存储系统包括寄存器、cache、主存储器、磁盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等，这些存储器从前到后，价格逐渐降低，容量和访问时间则逐渐增加。存储容量：指存储器所具有的存储单元的个数，或所具有的地址个数。表示存储器容量的单位主要有字节Ｂ；位b；字Ｗ。１Ｂ＝８b对于32位计算机系统，一个字有32位，即1W=32b=4B存储器的容量一般都很大，要用千k、兆m、先兆km和兆兆tt24单位名称常规十进制表示存储器容量表示K1K=103=10001K=210=1024M1M=106=103K1M=220=210K=1048576G1G=109=106M1G=230=210M=1073741824T1T=1012=109G1T=240=210G=1099511627776存储器系统存储内容可变性：ROM，RAM1.内容是固定不变的，即只能读出而不能写入的半导体存储器称为只读存储器(ROM)。2.既能读出又能写入的半导体存储器称为随机读写存储器(RAM)系统中的作用：可分为内部存储器、外部存储器；又可分为主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器、控制存储器25存储器系统对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，为了解决这方面的矛盾，目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器(cache)、主存储器和外存储器:1.高速缓冲存储器简称cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。2.主存储器简称主存，是计算机系统的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。3.外存储器简称外存，它是大容量辅助存储器。26主存储器类型1.RAM:写入写读，断电后信息无法保存①DRAM:信息会时间逐渐消失，要定时对其进行刷新来维持信息不丢失②SRAM:在不断电情况下，信息能一直保持不丢失2.ROM:只读存储器，信息已固化在存储器中，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。3.PROM:只可进行一次写入操作4.EPROM:可读可写，写前要先擦除后写入5.EEPROM:可读可写，不用先擦除就直接写入6.FlashMemory7.CAM相联存储器:是一种不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器。27主存储器容量扩充横向拼接芯片扩充容量纵向拼接芯片扩充容量288x4bit芯片有８个地址，每个地址占４bit每个地址传输内容用４位8x８bit芯片有８个地址，每个地址占８bit每个地址传输内容用８位16x4bit芯片有16个地址，每个地址占4bit每个地址传输内容用4位主存储器编址若某计算机内在按字节编址，内存地址从44000Ｈ到6BFFFH，共有160K；若采用16Kx4bit的芯片，构成该内存共需20片。因为内存从44000Ｈ到6BFFFH，则其拥有的字节数为：6BFFFH–44000H+1=6C000H–44000H=40X163=40X(24)3=40X(2)12=40X(2)10x(2)2=160K(160K/16K)X(8/4bit)=2029存储器容量的扩充1、字长位数扩展给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位数。d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量【例】利用1M×4b的SRAM芯片，设计一个存储容量为1M×8b的SRAM存储器。解：所需芯片数：d=（1M×8）/（1M×4）=2(片)设计的存储器字长为8位，存储器容量不变。30存储器容量的扩充2、字存储容量扩展给定的芯片存储容量较小（字数少），不满足设计要求的总存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字数。所需芯片数d=设计要求的存储器容量/选择