浮点运算指令对用于科学计算机是很必要的（为什么计算机中会有浮点运算）

本文目录

• 为什么计算机中会有浮点运算
• 历年计算机软件水平考试程序员部分真题
• 计算机中运算器的主要功能是
• 指令类型
• 计算机组成原理是什么

为什么计算机中会有浮点运算

计算机是很笨的，只能做整数加法，所有的其他运算都要转换成加法运算，小数在计算机里是把整数部分和小数部分分开存储的，现在大多数机器都是32位的，也就是说32为都用来表示整数的话，那么对于无符号整数就是0 到 2^32-1，对于有符号的话就是-2^31 到 2^31-1。如果是实数的话，就不是这样了，机器有两种办法表示实数，一种是定点，就是小数点位置是固定的，一种是浮点，就是小数点位置不固定，计算方法也比较麻烦，通常会比整数运算代价大很多。 计算机性能的一个重要指标的就是浮点运算的速度，浮点运算的确会消耗更多的计算机资源，但换回来的计算的速度，以资源换取速度，这正是计算机发展的趋势。 我是学计算机的有问题还可以找我。

历年计算机软件水平考试程序员部分真题

试题1 A.为了提高计算机的处理机和外部投备的利用率, 把多个程序同时放入主存储崐器,在宏观上并行运行。 B.把一个程序划分成若干个可同时执行的程序模块的设计方法。 C.多个用户在中端设备上以交互方式输入、排错和控制其程序的运行。 D.由多台计算机组成的一个系统。这些计算机之间可以通过通信来交换信息;互崐 相之间无主次之分; 它们共享系统资源; 程序由系统中的全部或部分计算机协同 执行。管理上述计算机系统的操作系统。 E.有一类操作系统的系统响应时间的重要性超过系统资源的利用率, 它被广泛崐地应用于卫星控制、导弹发设、飞机飞行控制、飞机订票业务等领域。 供选择的答案 A～E: (1)分时操作系统 (2)实时操作系统 (3)批处理操作系统 (4)网络操作系统 (5)分不式操作系统 (6)单用户操作系统 (7)多重程序设计 (8)多道程设计 (9)并发程序设计 试题2 (1)顺序存储方式只能用于存储线性结构。 (2)顺序存储方式的优点是存储密度大, 且插入、删除运用算效率高。 (3)链表的每个结点中都恰好包含一个指针。 (4)散列法存储的基本思想是由关键码的值诀定数据的存储地址。 (5)散列表的结点中只包含数据元素自身的信息, 不包含任何指针。 (6)负载因子 (装填因子) 是散列法的一个重要参数, 它反映散列表的装满程度。 (7)栈和队列的存储方式既可是顺序方式, 也可是链接方式。 (8)用二叉链表法 (llink -- rlink法) 存储包含n 个结点的二叉树, 结点的2n个 指针区域中有n+1 个为空指针。 (9)用相邻矩阵法存储一个图时, 在不考虑压缩存储的情况下, 所占用的存储空间崐 大小只与图中结点个数有关, 而与图的边数无关。 (10) 邻接表法只能用于有向图的存储, 而相邻矩阵法对于有向图和无向图的存储 都适用。 试题3 使用_ A_ 能阅读和修改文本文件; __B__能帮助别人们找到程序中的出错位置。 检查计算机各部件,报告故障信息的是__C__。在支持开放策略的操作系统中, 提供崐了各种可选的配置相应的目标程序模块, 用户可按需要选择必要选择必要的程序和 设置参数, 也可以加入自行开发的新添设备的驱动程序的目标模块, 通过系统__D_崐形成所需要的操作系统。计算机接通电源后,往往先执行一段通常存ROM中的__E__, 接着才将基本操作系统读入内存,并执行。 供选择的答案 A: (1)源程序 (2)我程序 (3)显示程序幕 (4)打印程序 B: (1)可执行程序 (2)连接我程序 (3)编译程序 (4)排错程序 C: (1)排错程序 (2)文件系统检查程序 (3)诊断程序 (4)格式化程序 D: (1)引导程序 (2)生成程序 (3)装入程序 (4)加载程序 E: (1)设备程序 (2)进程管理程序 (3)调度程序 (4)引导程序 试题4 某顺序存储的表格,其中有90, 000个元素,已按关键项的植的上升顺序排列。 现假定对各个元素进行查的概率是相同的, 并且各个元素的关键项的值皆不相同。 用顺序查找法查找是，平均比较次数约为＿a＿，比较次数为＿b＿。 　　现把90，000个元素按排列顺序划分成若干组，使每组有g个元素（最后崐一组可能不足g个）。查找时，先从头一组开始，通过比例各组的最后一个元素的崐关键项的值，找到欲查找的元素所在的组，然后再用顺序查找找到欲找的元素。在崐这种查找法中，使总的平均比较次数最小的＿c＿，此时的平均比较次数是＿d＿。 当g的值大于等于90，000时，此方法的查找速度接近于＿e＿。　 供选择的答案 　　A、B：　　①　25．000　　　　　　　②　30，000 　　　　　　　　③　45，000　　　　　　　④　90，000 　　C、D：　　①　100　　　　　　　　　　②　200 　　　　　　　　③　300　　　　　　　　　　④　400 　　　　E：　　①　快速分类法　　　　　　　　②　斐波那契查找法 　　　　　　　　③　二分法　　　　　　　　　　④　顺序查找法 试题5 　　为了提高数据的可靠性，决定在7位数据的前面（左面）加一个偶校验位，使崐8位中的1的个数为偶。十六进制的4F和3C加偶校验位后分别是＿a＿和＿b＿。 现假定每个数据最多只有一位出错，则D5，F4，3A中出错的数据是＿c＿。 　　现假定以3个8位数据为单位加垂直偶校验位，即增加一个8位数据，使4个崐8位数据的对应位的1的个数为偶数。对于十六进制的CF，D5和78，，所增 加的一个8位数据是＿d＿。对于十六进制的25，4F和＿e＿，所增加的一个8 位数据是3C。 供选择的答案 A、B、D、E：①F2 　②56 　③3C 　④75 　⑤CF　 ⑥62 　⑦3A　　⑧BF 　⑨4F 　⑩DC 　　　　　　C：①D5　 ②F4　 ③3A　 ④D5和F4　⑤D5和3A 　　　　　　　　⑥F4和3A　 试题6 　　考虑具有如下性质的二叉树：除叶子结点外， ○n1 崐每个结点的值都大于其左子树上的一切结点的值， ／ ＼ 崐并小于等于其右子树上的一切结点的值。 ○n2 ○n3 　　现把9个数1，2，3，4…8，9填入右图 ／ ＼ ＼ 所示的二叉树的9个结点中，并使之具有上述性质 ○n4 ○n5 ○n6崐此时，n1的值是＿a＿，n2的值是＿b＿，n9的 ／ ＼ ＼ 崐值是＿c＿。现欲把√￣10放入此树并使该树保持 ○n7 ○n8 ○n9 崐前述性质，增加的一个结点可以放在＿g＿或＿e＿。 供选择的答案 A～C：①1　 ②2　 ③3　 ④4　 ⑤5　 ⑥6　 ⑦7　 ⑧8　　⑨9　 D、E：①N1下面 ②N8下面 ③N9下面 　　 ④N6下面 ⑤N1与N2之间 ⑥N2与N4之间 ⑦N5与N9之间 ⑧N3与N6之间 试题7 　　假设一个十六位机的某存贮单元存放着数1101101101001000，崐求该数在下列表示法下所代表的含义（若为小数时，4舍五入后保留小数点后六位）： 　　①作为原码表示十进制有符号整数（其中位为符号位）时，其值为__a__。 　　②若沿用大写英文字母A到V来记录32进制数，其表示的相应32进制正整崐数为＿b＿。 　 ③若采用定点数记数法（原码，其位为符号位，小数点在最左面），其崐对应的十进制小数为＿c＿。 ④若采用以下浮点数记数法 　　　　　15 　14　　　12　11　10　 　　　　　　　　　　　0 　　　　┏━━━┳━━━━━━┳━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━┓ ┃阶符 ┃ 阶 码 ┃ 尾符 ┃ 尾 数 ┃ 　 ┗━━━┻━━━━━━┻━━━┻━━━━━━━━━━━━━━━┛ 阶码用移码表示, 底数为2;尾数用码表示时, 该数对应的十进制数为__D__。 ⑤该数的低字节若视为ASCII 码, 所代表的字符为__E__。 供选择的答案 A: (1)--55510 (2)--23368 (3)--18762 (4)56136 B: (1)1KP8 (2)1MQ8 (3)DB48 (4)1IAA C: (1)--0.286865 (2)--0.713135 (3)--0.572571 (4)0.233685 D: (1)--13.125 (2)--0.073735 (3)--13.421875 (4)--18.875 E: (1)J (2)A (3)H (4)h 试题8 从供选择的答案中选出应填入下述关于计数器的叙述中─────内的正确答崐案,把编号写在答卷的对应栏内。 下图是一个由三个D型触发器构成的非标准计数器。（D型触发器有如下性质:每崐来一个时钟脉冲CK,就将触发器D输入端的状态送入该触发器。Q端反映的就是触发崐器的状态,而Q端则是其反映状态。） S3 S2 S1 │ ┌──┐┌──┤ ┌──┐ ┌──┤ ┏┷━━━━━┷┓ ││ ┏┷━━━━┷━┓│ │ ┏┷━━━━━━┓ ┃Q Q’┃ ││ ┃Q Q’ ┃│ │ ┃Q Q’ ┃ ┃D ┃ ││ ┃D ┃│ │ ┃D ┃ ┗┯━━━━━┯┛ ││ ┗┯━━━━┯━┛│ │ ┗┯━━━━━┯┛ CK──┼─────┴──┼┼──┼────┴──┼──┼──┼─────┘ ┏━┷━┓ ││┏━┷━┓ │ │┏━敁┿敋━┓ ┗┯━┯┛ 与 门 ││┗┯━┯┛ 与 门 │ │┗┯┷┯┛ 或 门 │ └───────┼┘ │ │ └──┼─┘ │ └─────────┼──┼─┴─────────┘ │ └──┴───────────────┘ 若初始状态为S3S2S1,则时钟脉冲CK到来后依次得到的下五个状态为: __a__ __b__ __c__ __d__ __e__ 　　供选择的答案 A─E：①000　　　　②001　　　　③010　　　④011 　　　　⑤100　　　　⑥101　　　　⑦110　　　⑧111 试题9 　　一般情况下，指令由__a__和操作数地址码两部分组成。利用堆栈进行运算的崐指令可以不设置__b__。 　　浮点运算指令对用于__c__的计算机是十分必要的，而十进制运算指令对有大崐量I/O数据的用于__d__的计算机更为合适。 　　移位指令属于__e__类指令。 供选择的答案 A、B：①　指令码　　　②　地址码　　　③操作码　　　　④校验码　 C、D：①　事务处理　　②　科学计算　　③工业控制　　　④辅助教学 　　E：①　输入/输出　　②　传送　　　　③运算　　　　　④控制 试题10 　　从供选择的答案中选出应填入下述关于磁盘的叙述中＿＿内的正确答案，把编崐号写在答卷的对应栏内。 　　某磁盘格式化为24扇区和20磁道。该盘能按需要选择顺时针旋转。各种操崐作执行时间如下： 　　盘旋转一圈时间＝360ms 　　读一块数据时间＝1ms 　　该盘上存有三个文件： 　　文件A－－在磁道6、扇区1占有2块 　　文件B－－在磁道2、扇区5占有5块 　　文件C－－在磁道5、扇区3占有3块 那么，该盘的平均等待时间最接近于＿A＿ms，平均搜索时间最接近于＿B＿m崐s。若磁头移动和盘转动不同时进行，并且磁头初始位置在磁道0，扇区0，以顺崐序CBA读出上述三个文件，总的时间接近于＿C＿ms。同样初始位置情况下，崐读出上述三文件的最短时间接近于＿D＿ms。此时文件读出顺序为＿E＿。 A－D：①　2.3 ② 5 ③ 7.5 ④ 15 ⑤ 50 ⑥ 75 ⑦ 90 ⑧ 105 ⑨ 119 ⑩ 169 E：①　ABC ②　ACB ③　BAC ④　BCA　⑤CAB 试题11 　　从供选择的答案中选出应填入下列英语文句中＿＿内的正确答案，把编号写在崐答卷的对应栏内。 Software products may be _A_ into four basic types: application progr崐ams, programming language processors, operating systems, and system util崐ities. Application programs atr prograns that _B_ useful tasks such as solvi崐ng statistical problems, or keeping your company’s books. Programming language processors are programs that _C_ the use if a co崐mputer language in a computer system. They are tools for the developmen崐t of application programs. Operation systems are programs that _D_ the system resources and enab崐le you to run application programs. System utilities are special programs that _E_ the usefulness of or 崐add capabilities to a computer. 供选择的答案 A－E：①manage ②perform ③ support ④ reduce 　　⑤ divided ⑥ enhance ⑦ implemented ⑧ introduce 　 　　⑨ ranked ⑩ run 试题12 　　从供选择的答案中选出应填入下列英语文句中＿＿内的正确答案，把编号写在崐答卷的对应栏内。 Here is a useful procedure for choosing a program: 1. Study the features of all the programs you might choose _A_. Deci崐de which features you need, which you would _B_, and which you can do yo崐ur jobs wichout. 2. Eliminate the prograns that clearly do not _C_ you needs. 3. Consider how the remaining programs perform the functions you will崐 use most often. This can affect a program’s usability more than all th崐e "nice" features that you will _D_ need. 4. Study the remaining programs carefully - with _E_ experince if you崐 can get it - and decide which one is best for you. 供选择的答案 A：① for ② on ③ in ④ from B、C：① meet ② require ③ help ④ give ⑤ choose ⑥ like D、E：① often ② seldom ③ always ④ rich ⑤ hands-on ⑥ little 试题15 从供选择的答案中选出应填入下列叙述中─────　内的正确答案,把编号写崐在答案的对应栏内。 编译系统一般可分成──A──,──B──，──C──，──D── 和"崐目标代码生成"等五大部分,其中──A──，──B──　和"目标代码生成"三部崐分是每个编译程序必不可少的,而──C──，──D──　则是可有可无的。许崐多编译程序将──A──　编制成一个子程序,在──B── 的分析过程中根据需崐要调用──A──,并且把──B── 和──C──　二部分结合起来,边分析边崐产生有关内容。此外,这五个部分在工作过程中都会涉及到表格处理和──E──。 供选择的答案 A─E：①　词法分析　　②　变量分析　　③　数据分析　　④　语法分析 　　　　⑤　过程分析　　⑥　出错处理　　⑦　优化处理　　⑧　表达式处理 　　　　⑨　中间代码生成 试题16 　　从供选择的答案中，选出应填入下列有关方程组的叙述中─────　内的正崐确答案，把编号写在答案的对应栏内。 　　1. 方程组 ax＋by＝1　有的充要条件是──A──。 　　　　　　　 bx＋ay＝2 　　2　如果直线　ax＋by＋c＝0（a，b，c都不为0）不通过第一象限，崐那么a，b，c应该满足条件──B──。下午试题 已知某数的前二项为2和3，其后继项根据当前最后二项的乘积按下列规则生成 　（1）若乘积为一位数，则该乘积即为数列的后继项； 　（2）若乘积为二位数，则该乘积的十位数和个位数依次作为数列的两个后继项。 　本程序输出该数列的前n项以及它们的和。其中，函数sum（n，pa）返回 数列的前n项之和，并将生成的前n项存放于首指针为pa的数组中。程序中规定 输入的n值必须大于2并且不超过给定的常数值MAXNUM。 　　列如：若输入n值为10，则程序输出如下内容： 　　sum(10)=44 2 3 6 1 8 8 6 4 2 4 #include #define MAXNUM 100 int sum(n,pa) int n,*pa; { int count,total,temp; *pa=2; ____________________ =3; total=5; count=2; while (count++《n) p=""》 《/n)》 { temp=*(pa-1)**pa; if (temp《10) { total+=temp; *(++pa)=temp; } else { _______________ =temp/10; total+=*pa; if (count《n) p=""》 《/n)》 { count++;pa++; _______________________=temp%10; total+=*pa; } } } ___________________________; } main () { int n,*p,*q,num; do {printf("Input N=? (2《n《%d):",maxnum+1); p=""》 《/n《%d):",maxnum+1);》 scanf("%d",&n); } while ( ___________________ ); printf("\nsum(%d)=%d\n",n,sum(n,num)); for (p=num,q= ________________ ;p《q;p++) p="" printf("%4d",*p); printf("\n"); } 　　 　　本程序对某电码文(原文)进行加密形成密码文.其加密算法如下: 假定原文为C1C2C3...Cn,加密后形成的密文为S1S2S3...Sn,首先读入 正整数Key(Key》1)作为加密钥匙,并将密文字符位置按顺时针方向连成一个环, 如下图所示: ┏━Sn━━S1━┓ Sn-1 S2 ┃ ┃ ┃ S3 ┃ ┃ ┗....━━S4━┛ 加密时从S1位置起顺时针计数,当数到第Key个字符位置时,将原文中的字符放入 该密文字符位置中,同时从环中除去该字符位置;接着从环中下一个字符位置起 继续计数,当再次数到第Key个字符位置时,将原文中字符C2放入其中,并从环中 除去该字符位置;依次类推,直至n个原文字符全部放入密文环中.由此产生的S1S2 ...Sn即为原文的密文. 例如,当Key=3时,原文: THIS IS AN DECODING SYSTEM 的密文为: AOTGNHEDI YS D IMIETSNC SS 当Key=4时,该原文的密文为: SSDTYD HTEGIASISCNM E ION 本程序将电码的原文存放在字符数组old中,加密钥匙存放在整数Key中.函数decode 用于将原文old加密并返回密文字符数组的首指针.其中函数采用一个双向循环链表 CODE来表示密文环.函数strlen用于计算一个字符串中的字符个数(不包括字符串结 尾符’\0’).为了简单起见,程序中假设内存容量足以满足动态存贮单元分配的要求. #include #include #define CR 13 typedef struct node { char ch; struct node *forward; /* Link to next node. */ struct node *backward;/* Link to previous node.*/ } CODE; main() { char _________ ,old; int strlen(),key,num=0; printf("\nPlease input the telegraph: \n")l while (num《255&&(old=getch())!=CR); old=’\0’; do { printf("\nPlease input Key=?(Key》1):"); scanf("%d",&key); } while (key《=1); printf("\nThe decode of telegraph:’%s’ is:\n’%s’\n", old,decode(old,key)); } char *decode(old,key) char *old; int key; { char *new; int length,count,i; CODE *loop,*p; length=strlen(old); loop=( _______ ) malloc(length*sizeof(CODE)); for (i=1;i《length-1;i++) p=""》 《/length-1;i++)》 { loop; loop; } loop; loop; loop.forward=loop; loop; for (p=loop,i=0;i《length;i++) p=""》 《/length;i++)》 { for (count=1;count《key;count++) p=""》 《/key;count++)》 p= _____ ; p-》ch=*old++; p-》backward-》forward= _________ ; p-》forward-》backward= _________ ; p=p-》forward; } new=(char *)malloc((length+1)*sizeof(char)); for (i=0;i《length;i++) new.ch; new=’\0’; return (new); } int strlen(s) char *s; { int len=0; while ( ________ !=’\0’) len++; return( len); } 本程序将一个给定汉字的点阵逆时针旋转90度,并输出旋转前后的点阵数据及字形. 附图是汉字"转"字的16*16点阵字形,用数字’0’表示空白位置,用数字’1’表示非空 白位置,"转"字的第一行机即可表示成如下的{0,1}序列: 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 如果把它看作一个字的16个BIT,"转"字的第一行可以用16进制数的1040来表示.同 理,"转"字的第二行可以表示为1040,第三行可以表示为1048,...等等.依次类推,用 16个双字节整型数即可存放一个汉字点阵字形."转"字的点阵数据及字形如附图的 左半部分所示.将一个汉字逆时针旋转90度,就是把该汉字点阵的最右列作为旋转后 点阵的第一行,次右列作为旋转后点阵的第二行,...,来形成一个旋转后的点阵字形. 附图的右半部分就是将"转"字旋转90度后的点阵数据和字形. 程序中,数组old中存放着"转"字的点阵数据.函数turnleft将该点阵数据逆时针旋 转90度,旋转后的点阵数据存放在数组new中.函数display将旋转前后的点阵数据加 以我,用字符’.’表示值为0的Bit,用字符’X’表示值为1的Bit,从而将旋转前后的点 阵按行输出其16进制数据及字形,如同附图所表示的那样. 1040 ...X.....X...... 0000 ................ 1040 ...X.....X...... 0200 ......X......... 1048 ...X.....X..X... 1640 ...X.XX..X...... FDFC XXXXXX.XXXXXXX.. 32E0 ..XX..X.XXX..... 2040 ..X......X...... 1259 ...X..X..X.XX..X 2844 ..X.X....X...X.. 1246 ...X..X..X...XX. 4BFE .X..X.XXXXXXXXX. FE44 XXXXXXX..X...X.. 7C80 .XXXXX..X....... 13C8 ...X..XXXX..X... 0888 ....X...X...X... 1240 ...X..X..X...... 09FC ....X..XXXXXXX.. 0200 ......X......... 1C08 ...XXX......X... 1120 ...X...X..X..... E810 XX.X.......X.... 17FF ...X.XXXXXXXXXXX 4890 .X..X...X..X.... F120 XXXX...X..X..... 0860 ....X....XX..... 1D10 ...XXX.X...X.... 0820 ....X.....X..... 1318 ...X..XX...XX... 0810 ....X......X.... 1010 ...X.......X.... #define #define EMPTY ’.’ #define NONEMPTY ’X’ #define LEFT 0 #define RIGHT 1 main () { static unsigned old= {0x1040,0x1040,0x1048,0xFDFC,0x2040,0x2844, 0x4BFE,0x7C80,0x0888,0x09FC,0x1C08,0xE810, 0x4890,0x0860,0x0820,0x0810 }; unsigned new; trunleft(old,new); display(old,new); } turnleft(old,new) unsigned old; { int row,k; for (row=0;row《16;row++) for (k=0,______ ;k《16;k++) new》》 _______ ) &1) 《《 _______ ; } display(old,new) unsigned *old,*new; { char out; int row,col; letter=EMPTY; letter=NONEMPTY; out=______; for (row=0;row《16;row++,old++,new++) { for (col=0;col《16;++col) { out; out; } printf("\n %4x %s ",*old,&out); printf(" %4x %s",*new,&out); } } new=______; for (row=0;row《16;row++,old++,new++) { for (col=0;col《16;++col) { out; out; } printf("\n %4x %s ",*old,&out); printf(" %4x %s",*new,&out); } }

计算机中运算器的主要功能是

计算机中运算器的主要功能是完成算术和逻辑运算。

运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理，例如算术四则运算，与、或、求反等逻辑运算，算术和逻辑移位操作，比较数值，变更符号，计算主存地址等。运算器中的寄存器用于临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。

运算器中还要设置相应的部件，用来记录一次运算结果的特征情况，如是否溢出，结果的符号位，结果是否为零等。计算机所采用的运算器类型很多，从不同的角度分析，就有不同的分类方法。

从小数点的表示形式可分为定点运算器和浮点运算器。定点运算器只能做定点数运算，特点是机器数所表示的范围较小，但结构较简单。浮点运算器功能较强，既能对浮点数，又能对定点数进行运算，其数的表示范围很大，但结构相当复杂。

从进位制方面分为二进制运算器和十进制运算器。一般计算机都采用二进制运算器，随着计算机广泛应用于商业和数据处理，越来越多的机器都扩充十进制运算的功能，使运算器既能完成二进制的运算，也能完成十进制运算。

运算器的性能指标：

1、机器字长

机器字长是指参与运算的数据的基本位数。它决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，因而直接影响到硬件的价格。字长标志着计算精度。为协调精度与造价，并满足多方面的要求，许多计算机允许变字长计算，例如半字长、全字长和双倍字长等。

由于数和指令代码都放在主存中，因而字长与指令码长度往往有一个对应关系，字长也就影响到指令系统功能的强弱。计算机字长从4位、8位、16位、32位到64位不等。

机器字长可包含一个或多个字节。用于科学计算的机器，为了确保精度，需要较长的字长；用于数据处理、工业控制的机器，字长为16位或32位就能满足要求。

2、运算速度

它是计算机的主要指标之一。计算机执行不同的运算和操作所需的时间可能不同，因而对运算速度存在不同的计算方法。一般常用平均速度，即在单位时间内平均能执行的指令条数来表示，如某计算机运算速度为100万次/秒，就是指该机在一秒钟内能平均执行100万条指令（即1MIPS）。

以上内容参考：百度百科-运算器

指令类型

一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令，按其所完成的功能可分为： （1）算术逻辑运算指令 一般计算机都具有这类指令。 通常根据算数运算的结果置状态位，一般有Z（结果为0）、N（结果为负）、V（结果溢出）、C（产生进位或借位）4个状态位。当满足括号内所提出的条件时，相应位置成1，否则为0。例如，结果为0时，Z = 1，否则Z=0。 （2）移位操作指令 移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移位3种，可以将操作数左移或右移若干位。 算术移位与逻辑移位很类似，但由于操作对象不同（前者的操作数带符号，后者的操作数为无符号）而移位操作有所不同。它们的主要差别在于右移时填入最高位的数据不同。算术右移保持最高位（符号位）不变，而逻辑右移最高位补零。 （3）浮点运算指令 主要用于科学计算的计算机应该设置浮点运算指令，一般能对单精度（32位）和双精度（64位）数据进行处理。 （4）十进制运算指令 在人机交互作用时，输入输出的数据都是以十进制表示的。在不具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数据转换成二进制数，再在机器内运算；后又转换成十进制数据输出。因此，在输入输出数据频繁的计算机系统中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。 （5）字符串处理指令 是一种非数值处理指令，一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询和字符串转换等指令。 （6）数据传送指令 用以实现寄存器与寄存器、寄存器与存储器（主存）单元、存储器单元与存储器单元之间的数据传送。一次可以传送一个数据或一批数据。 数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源地址中的数据保持不变，因此实际上是数据复制。 有些机器设置了数据交换指令，完成源操作数与目的操作数交换，实现了双向数据传送。 （7）转移指令 用以控制程序流的转移。 a . 无条件转移指令（jump）与条件转移指令 无条件转移指令不受任何条件约束，直接把程序转移到指令所规定的目的地，在那里继续执行。 条件转移指令则根据计算机处理结果来决定程序如何执行。 标志： b. 调用指令（call）与返回(return)指令 c. 陷阱（trap）与陷阱指令 （8）堆栈(stack)及堆栈操作指令 压入指令（PUSH），弹出指令（POP） （9）输入输出（I/O）指令 （10）特权指令 （11）其他指令 向量指令（对向量或矩阵数据求和、求积的指令） 多处理机指令 控制指令（停机指令等）

计算机组成原理是什么

计算机组成原理是什么

　　计算机组成指的是系统结构的逻辑实现，包括机器机内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。计算机由什么组成的，有什么原理呢?下面我为大家分析一下!

　　【计算机性能指标】

　　计算机的性能指标主要是CPU性能指标、存储器性能指标和I/O吞吐率。

　　处理机字长：是指处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数。

　　总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。

　　存储器带宽：单位时间内从存储器读出事物二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。

　　主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率(f)叫CPU的主频。主频的倒数称为CPU的周期(T)。

　　CPI：表示每条指令周期数，即执行一般程序所占用的CPU时间，

　　CPU执行时间=CPU时钟周期数*CPU时钟周期

　　MIPS：表示平均每秒执行多少百万条定点指令数，

　　FLOPS:表示每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能。

　　FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间(s)

　　【定点数的表示和运算】

　　一个定点数由符号位和数值域两部分组成。按小数点位置不同，定点数有纯小数和纯整数两种表示方法。在定点计算机中，两个原码表示的数相乘的运算规则是：乘积的符号位由两数的符号位按异或运算得到，而乘积的数值部分则是两个正数相乘之积。两个原码表示的数相除时，商的符号位由两数的符号按位相加求得，商的数值部分由两数的数值部分相除求得。

　　【算数逻辑单元ALU】

　　为运算器构造的简单性，运算方法中算数运算通常采用补码加、减法，原码乘除法或补码乘除法。为了运算器的高速性和控制的简单性，采用了先行进位、阵列乘除法、流水线等并行技术措施。ALU不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑，从而能实现高速运算。

　　【存储器的分类】

　　按存储介质，用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器，用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器;作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。

　　按存取方式，存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的位置无关的存储器称为随机存储器，存储器只能按某种顺序来存取，即存取时间和存储单元的物理位置有关的存储器称为顺序存储器;半导体存储器是随机存储器，RAM和ROM都是采用随机存取的方式进行信息访问，磁带存储器是顺序存储器。

　　按信息易失性，断电后信息消失的存储器称为易失性存储器，断电后仍能保存信息的存储器称为非易失性存储器;半导体读写存储器RAM是易失性存储器，ROM是非易失性存储器，磁性材料做成的存储器是非易失性存储器。

　　按存储内容可变性，有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)，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);

　　按系统中的作用，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;半导体存储器是内部存储器，磁盘是外部存储器，又是辅助存储器。

　　【存储器的层次化结构】

　　目前在计算机系统中，通常采用多级存储器体系结构，即使用高级缓冲存储器(cache)、主存储器和外存储器。CPU能直接访问的存储器称为内存储器，它包括cache和主存储器。CPU不能直接访问外存储器，外存储器的信息必须调入内存储器后才能为CPU进行处理。cache是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器，在计算机中利用cache来高速存取指令和数据。cache的工作原理基于程序运行中具有的空间局部性和时间局部性特征。cache能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快了程序的执行速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的SRAM组成。为追求高速，包括管理在内的全部功能由硬件实现，因而对程序员是透明的。与主存容量相比。cache的容量很小，它保存的内容只是主存内容的一个子集，且cache与主存的数据交换是以块为单位。主存储器是计算机系统的主要存储器，由MOS半导体存储器组成，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据，能和cache交换数据和指令。外存储器是大容量辅助存储器，通常用来存放系统程序和大型数据文件及数据库。

　　存储器的技术指标有存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。存取时间、存储周期、存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。

　　存取时间：指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线上所经历的时间。通常取写操作时间等于读操作时间，故称为存储器存取时间，存取时间又称存储器访问时间。

　　存储周期：指连续两次读操作所需间隔的最小时间。通常，存储周期略大于存取时间。

　　“位(bit)”是电子计算机中最小的数据单位，每一位的状态只能是0或1。8个二进制位构成一个“字节(Byte)”,字节是储存空间的基本计量单位，一个字节可以储存一个英文字母，2个字节可以储存一个汉子。“字”由若干字节构成，字的位数叫作字长，不同档次的机器有不同的字长。存储器的基本单位字节的长度是8 bit。表示主存容量的常用单位字节B，是基本单位。此外还有KB、MB、GB、TB。一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为存储位元。

　　所有的SRAM的特征是用一个锁存器(触发器)作为存储元，触发器具有两个稳定的状态，只要直流供电电源一直加在这个记忆电路上，它就无限期地保持记忆的1或0状态;如果电源断电，那么存储的数据(1或0)就会丢失。SRAM是易失性存储器。半导体静态存储器 SRAM 的存储原理是依靠双稳态电路。SRAM存储器的存储元是一个触发器，它具有两个稳定的状态。SRAM的优点是存取速度快，但存储容量不如DRAM大。动态MOS随机读写存储器DRAM的存储容量极大，通常用作计算机的主存储器。主存也可以用SRAM实现，只是成本高。与SRAM相比，DRAM成本低、功耗低，但需要刷新。动态RAM存储信息依靠的是电容。DRAM存储器的存储元是由一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路，其中MOS晶体管作为开关使用，而所存储的信息1或0则是由电容器上的电荷量来体现--当电容器充满电荷时，代表储存了1，当电容器放电没有电荷时，代表存储了0。读出过程也是刷新过程。输入缓冲期与输出缓冲器总是互锁的。这是因为读操作和写操作是互斥的，不会同时发生。与SRAM不同的是：DRAM增加了行地址锁存器和列地址锁存器，增加了刷新计数器和相应的控制电路。DRAM比SRAM集成度更高。DRAM读出后必须刷新，而未读写的存储元也要定期刷新，而且要按行刷新，所以刷新计数器的长度等于行地址锁存器。DRAM存储位元是基于电容器上的电荷量存储，这个电荷量随着时间和温度而减少，因此必须定期地刷新，以保持它们原来记忆的信息。DRAM是易失性存储器。一次读操作会自动地刷新选中行中的所有存储位元。然而通常情况下，人们不能准确地预知读操作出现的频率，因此无法阻止数据丢失。在这种情况下，必须对DRAM进行定期刷新。DRAM使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新(refresh)一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。DRAM存储器有读周期、写周期和刷新周期，刷新周期比读/写周期有更高的优先权。DRAM存储器需要逐行进行定时刷新，以使不因存储信息的电容漏电而造成信息丢失。另外，DRAM芯片的读出是一种破坏性读出，因此在读取之后要立即按读出信息予以充电再生。动态MOS随机读写存储器DRAM的存储容量极大，通常用作计算机的主存储器。SRAM和DRAM都是随机读写存储器，它们的特点是数据可读可写。ROM叫作只读存储器，在它工作时只能读出，不能写入，其中存储的原始数据必须在它工作以前写入。FLASH叫作闪存存储器，是高密度非易失性的读/写存储器，高密度意味着它具有巨大比特数目的存储容量，非易失性意味着存放的数据在没有电源的情况下可以长期保存。FLASH存储元是在EPROM存储元基础上发展起来的。闪存存储器有三个主要的基本操作，它们是编程操作、读取操作和擦除操作。可编程ROM有PROM、EPROM、EEPROM。其中，PROM是一次性编程。EPROM叫作光擦除可编程只读存储器，它的存储内容可以根据需要写入，当需要更新时将原存储内容抹去，再写入新的内容。EEPROM叫作电擦除可编程只读存储器，其储存元是一个具有两个栅极的NMOS管，这种存储器在出厂时，存储器内容为全“1”状态。使用时，可根据要求把某些存储元写“0”。EPROM是可改写的，但它不能用作为随机存储器用。

　　【主存储器与CPU的连接】

　　主储存器和CPU之间增加cache的目的是解决CPU和主存之间的`速度匹配问题。程序和数据存储在主存中，主存通常采用多体交叉存储器，以提高访问速度。cache是一个高速缓冲存储器，用以弥补主存和CPU速度上的差异。指令部件本身又构成一个流水线，它由取指令、指令译码、计算操作数地址、取操作数等几个过程段组成。指令队伍是一个先进先出(FIFO)的寄存器栈，用于存放经过译码的指令和取来的操作数。它也是由若干个过程段组成的流水线。执行部件可以具有多个算数逻辑运算部件，这些部件本身又用流水线方式构成。为了使存储器的存取时间能与流水线的其他各过程段的速度匹配，一般采用多体交叉存储器。执行段的速度匹配问题，通常采用并行的运算部件以及部件流水线的工作方式来解决。一般采用的方法包括：将执行部件分为定点执行部件和浮点执行部件两个可并行执行的部分，分别处理定点运算指令和浮点运算指令;在浮点执行部件中，又有浮点加法部件和浮点乘/除部件，它们也可以同时执行不同的指令;浮点运算部件都以流水线方式工作。所谓资源相关，是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。在一个程序中，如果必须等前一条指令 执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。为了解决数据相关冲突，流水CPU的运算器中特意设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为“向前”或定向传送技术。控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令;也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。为了减小转移指令对流水线性能的影响，常采用以下两种转移处理技术：由编译程序重排指令序列来实现的延迟转移法、硬件方法来实现的转移预测法。

　　【双口RAM和多模块存储器】

　　双端口存储器采用空间并行技术，能进行高速读/写操作。双端口存储器提供了两个相互独立的读写电路，可以对存储器中任意位置上的数据进行独立的存取操作。事实上双端口存储器也可以由DRAM构成。当两个端口的地址不相同时，在两个端口上进行读写操作，一定不会发生冲突。当两个端口同时存取存储器同一存储单元时，便发生冲突。总之，当两个端口均为开放状态且存取地址相同时，发生读写冲突。

　　一个由若干模块组成的主存储器是线性编址的，这些地址在各模块中的安排方式有两种：一种是顺序方式，一种是交叉方式。从定性分析，对连续字的成块传送，交叉方式的存储器可以实现多模块流水式并行存取，大大提高存储器的带宽，由于CPU的速度比主存快，假如能同时从主存取出n条指令，这必然会提高机器的运行速度。多模块交叉存储器是一种并行存储器结构。

　　【高速缓冲存储器(cache)】

　　cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。其原理基于程序运行中具有的空间局部性和时间局部性特征。cache能高速地向CPU提供指令和数据，从而加快了程序的执行速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的SRAM组成。为追求高速，包括管理在内的全部功能由硬件实现，因而对程序员是透明的。当前随着半导体器件集成度的进一步提高，cache已放入到CPU中，其工作速度接近于CPU的速度，从而能组成两级以上的cache系统。cache除包含SRAM外，还要有控制逻辑。若cache在CPU芯片外，它的控制逻辑一般与主存控制逻辑合成在一起，成为主存/cache控制器;若cache在CPU内，则由CPU提供它的控制逻辑。CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干字组成，是定长的。当CPU读取内存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字是否在cache中：若是，此字立即传送给CPU;若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。从CPU看，增加一个cache的目的，就是在性能上使主存的平均读出时间尽可能接近cache的读出时间。为了达到这个目的，在所有的存储器访问中由cache满足CPU需要的部分应占很高的比例，即cache的命中率应接近于1.由于程序访问的局部性，实现这个目标是可能的。运算器由算数逻辑单元(ALU)、通用寄存器、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW组成，它是数据加工处理部件。运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。运算器有两个主要功能：(1)执行所有的算数运算;(2)执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。通常，一个算数操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。

　　与主存容量相比，cache的容量很小，它保存的内容只是主存内容的一个子集，且cache与主存的数据交换是以块为单位。为了把主存块放到cache中，必须应用某种方法把主存地址定为到cache中，称做地址映射。“映射”的物理含义是确定位置的对应关系，并用硬件来实现。这样当CPU访问存储器时，它所给出的一个字的内存地址会自动变换成cache的地址。由于采用硬件，这个地址变换过程很快，软件人员丝毫感觉不到cache的存在，这种特性成为cache的透明性。地址映射方式有全相联方式、直接方式和组相联方式三种。在全相联映射中，将主存中一个块的地址(块号)与块的内容(字)一起存于cache的行中，其中块地址存于cache行的标记部分中。这种带全部块地址一起保存的方法，可使主存的一个块直接拷贝到cache中的任意一行上。全相联映射方式的检索过程：CPU访存指令指定了一个内存地址(包括主存和cache),为了快速检,指令中的块号与cache中所有行的标记同时在比较器中进行比较。如果块号命中，则按字地址从cache中读取一个字;如果块号未命中，则按内存地址从主存中读取这个字。在全相联cache中，全部标记用一个相联存储器来实现，全部数据用一个普通RAM来实现。全相联方式的主要缺点是比较器电路难于设计和实现，因此只适合于小容量cache采用。直接映射方式也是一种多对一的映射关系，但一个主存块只能拷贝到cache的一个特定行位置上去。直接映射方式的优点是硬件简单，成本低。缺点是每个主存块只有一个固定的行位置可存放，如果块号相距m整数倍的两个块存于同一cache行时，就要发生冲突。发生冲突时就要将原先存入的行换出去，但很可能过一段时间又要换入。频繁的置换会使cache的效率下降。因此直接映射方式适合于需要大容量cache的场合，更多的行数可以减小冲突的机会。采用直接映射时，cache无需考虑替换问题。从存放位置的灵活性和命中率来看，全相联映射方式为优;从比较器电路简单及硬件投资来说，直接映射方式为佳。组相联映射方式将cache分成u组，每组v行，主存块存放到哪个组是固定的，至于存到该组哪一行是灵活的。组相联映射方式的比较器电路容易设计和实现，而块在组中的排放又有一定的灵活性，使冲突减少。全相联映射方式和组相联映射方式速度较低，通常适合于小容量cache。

　　cache工作原理要求它尽量保存最新数据。当一个新的主存块需要拷贝到cache，而允许存放此块的行位置都被其他主存块占满时，就要产生替换。对直接映射方式来说，因一个主存块只有一个特定的行位置可存放，所以只要把此特定位置上的原主存块换出cache即可。对全相联和组相联cache来说，就要允许存放新主存块的若干特定行中选取一行换出。cache的替换全部靠硬件实现。

　　如何选取就涉及替换策略，又称替换算法，硬件实现的常用算法主要有以下三种：1)近期最少使用(LRU)算法：将近期内长久未被访问的行换出;2)最不经常使用(LFU)算法:将一段时间内被访问次数最少的那行数据换出;3)随机替换：实际上是不要什么算法，从特定的行位置中随机地选出一行换出即可。在Cache替换算法中，近期最少使用法比较正确地利用了程序访存局部性原理，替换出近期用得最少的存储块，命中率较高，是一种比较好的替换算法;随机法是随机地确定替换的存储单元，先进先出法是替换最早调入的存储单元，它们都没有根据程序访存局部性原理，命中率较低;而后进先出法不是cache所使用的替换算法，此法在堆栈存储结构中使用。

　　【虚拟存储器】

　　常用的虚拟存储系统由主存-辅存两级存储器组成，其中辅存是大容量的磁表面存储器。在虚拟存储器中，主存的内容只是辅存的一部分内容。虚拟存储系统是为了提高存储系统的性能价格比而构造的分层存储体系，力图使存储系统的性能接近高速存储器，而价格和容量接近低速存储器。虚拟存储利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息块从相对慢速而大容量的存储器调入相对高速而小容量的存储器。虚拟存储主要是解决存储容量问题，另外还包括存储管理、主存分配和存储保护等方面。虚存所依赖的辅存与CPU之间不存在直接的数据通路，当主存不命中时只能通过调页解决，CPU最终还是要访问主存。虚存管理由软件(操作系统)和硬件共同完成，由于软件的介入，虚存对实现存储管理的系统程序员不透明，而只对应用程序员透明(段式和段页式管理对应用程序员“半透明”)。主存未命中时系统的性能损失要远大于cache未命中时的损失。

　　【虚拟内存管理】

　　虚存机制也要解决一些关键问题：(1)调度问题：决定哪些程序和数据应被调入主存;(2)地址映射问题：在访问主存时把虚地址变为主存物理地址，在访问辅存时把虚地址变为辅存的物理地址，以便换页;(3)替换问题：解决哪些程序和数据应被调出主存;虚拟存储器的替换算法与cache的替换算法类似，有FIFO算法、LRU算法、LFU算法，虚拟存储器的替换有操作系统的支持(4)更新问题：确保主存和辅存的一致性。虚拟存储器分为页式、段式、段页式三种。

　　页式虚拟存储系统中，虚地址空间被分成等长大小的页，称为逻辑页;主存空间也被分成同样大小的页，称为物理页。相应地，虚地址分为两个字段：高字段为逻辑页号，低字段为页内地址(偏移量);实存地址也分为两个字段：高字段为物理页号，低字段为页内地址。通过页表可以把虚地址(逻辑地址)转换成物理地址。在大多数系统中，每个进程对应一个页表。现代的中央处理机通常有专门的硬件支持地址变换。每个进程所需的页数并不固定，所以页表的长度是可变的，因此通常的实现方法是把页表的基地址保存在寄存器中，而页表本身则放在主存中。由于虚地址空间可以很大，因而每个进程的页表有可能非常长。由于页表通常在主存中，因而即使逻辑页已经在主存中，也要至少访问两次物理存储器才能实现一次访存，这将使虚拟存储器的存取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增多，可以对页表本身实行二级缓存，把页表中的最活跃部分存放在高速存储器中。这个专用于页表缓存的高速存储部件通常称为转换后援缓冲器(TLB)，又称快表。而保存在主存中的完整页表则称为慢表。快表的作用是加快地址转换。TLB的作用和与主存与CPU之间的cache作用相似，通常由相联存储器实现，容量比慢表小得多，存储慢表中部分信息的副本，可以完成硬件高速检索操作。地址转换时，根据逻辑页号同时查快表和慢表，当在快表中有此逻辑号时，就能很快地找到对应的物理页号。根据程序的局部性原理，多数虚拟存储器访问都将通过TLB进行，从而有效降低访存的时间延迟。由于TLB的缓冲过程与cache的缓冲过程是独立的，所以在每次存储器访问过程中有可能要经历多次变换。