计算机组成原理(万字爆肝整理)

Question

如题所述

Answer 1

计算机组成原理的核心概览

计算机系统由硬件和软件两大部分组成，它们分别是：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备，共同构建了计算机的基本架构。系统软件如操作系统和数据库管理系统，与应用软件如科学计算和工程设计，共同支撑起多样的功能需求。

衡量计算机性能的关键指标包括：吞吐量、响应时间、利用率、字长、总线宽度、容量、带宽、主频、CPU执行时间、CPI、MIPS、FLOPS，这些指标反映了硬件性能和软件效率的综合表现。

理解CPU的工作方式是理解计算机性能的关键，高级语言与汇编语言的区别在于提供了一层抽象，隐藏了底层的硬件细节。机器字长、指令字长和存储字长的定义，决定了编程的精度和效率。数据表示采用无符号和带符号整数，补码运算则因其灵活性和成本效益而被广泛应用。

深入解析：补码运算与数据表示

补码运算的经济性: 通过转化为加法操作，简化电路设计。
补码的负数表示: 取反所有位并加1，补码能够扩展负数的表示范围。
原码、反码和补码的对比: 补码在表示负数时有额外的优势。
移码与定点小数: 移码是对补码符号位的处理，便于数值比较。
补码运算器设计: 包括标志位CF、ZF、SF和OF，用于处理进位和溢出。

在数据运算中，移位操作通过左移和右移实现，遵循补码规则，且符号位不参与计算。原码和补码乘除法采用了不同的算法，一位乘法结合异或和加法，乘数决定了加法内容的决定性。

数据类型转换如C语言中的点定整数，涉及补码规则和不同存储格式之间的转换。浮点数表示采用阶码和尾数，遵循IEEE 754标准，解决了早期兼容问题。运算过程包括对阶、尾数操作、规格化和舍入判断。

存储系统：层次结构与性能

从高速的寄存器到低速的外存，存储系统层次分明：SRAM/DRAM（动态，主存）、Cache、主存、辅存、外存。
Cache解决了速度与容量的平衡问题，主存-辅存虚拟存储解决了容量限制，辅存数据需调入主存。
不同类型的存储器如RAM、磁带、磁盘、快表，各有其特点和应用场景。
性能指标如容量、单位成本和速度（带宽/周期）是评估存储器性能的关键。

存储器与CPU的连接方式涉及总线技术，如单块、多块连接和不同扩展方式。理解2018年统考真题的最小地址引脚配置，如32行64列的DRAM设计，能深入理解存储器架构。

计算机系统还涉及到指令系统、寻址方式、流水线技术、中断机制、多处理器架构以及总线和I/O接口的复杂性。这些元素共同构建了现代计算机的高效运行机制。