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生活的理想就是为了理想的生活计算机组成原理复习资料第2章 数据的机器层次表示数据的及其层次表示无符号数：没有符号位 n位的无符号数表示范围0（2n-1）。有符号数：最高位表示符号位，1表示负号，0表示正号.一、原码表示法：最高位为符号位。数值部分与真值相同。纯小数表示范围：-1X1，纯整数表示范围-2nX2n.对于数字0有两种表示方法。优点：直观易懂，转换容易，实现乘除法则简单。缺点：实现加减预算复杂。二、补码表示法：1. 模和同余模：产生进位的数值。如钟表的模为12.同余：两个数对同一个模求余相等。2. 补码表示符号位与原码规则相同，数值位为正不变，为负时各位取反，末位加1.纯小数表示范围：-1X1（mod 2）.纯整数表示范围-2nX2n（mod 2n+1），对于数字0有唯一的表示方法三、反码表示法： 与补码类似，只是转换时末位不加1.对于0有两种表示方式四、三种机器数的比较与转换1.比较：最高位都表示符号位，补码和反码符号位参与运算，原码符号位不参与运算。对于0，补码有唯一的表示方式，而原码和反码有两种。原码、反码表示范围对于0对称，而补码可以多表示一个最负的数。详见书P19对照表。2.转换详见P20机器数的定点表示与浮点表示一、 定点表示法1. 定点小数：小数点位置固定在最高有效数位之前、符号位之后。小数点不占位数。对于n+1位原码定点表示范围：-（1-2-n）（1-2-n）补码定点小数表示范围：-1（1-2-n）2. 定点整数：小数点位隐含固定在最低有效位之后。对于n+1位原码表示范围：-（2n-1）（2n-1）补码表示范围：-2n（2n-1）3. 浮点表示法：尾数为纯小数，常用原码或补码表示；阶码为纯整数，常用移码或补码表示。 浮点数表示范围emsmes1位 k位 1位 n位阶码部分E 尾数部分M当阶码和尾数为正，数值位都为1时，浮点数表示最大正数：（1-2-n）22k-1当阶码为负，尾数为正,尾数最低位为1,其余各位为0,表示最小正数：2-n2-2k当阶码为正，阶码数值位全为1；尾数为负，数值位全为0表示绝对值最大的负数： -122k-1 规格化浮点数规格化浮点数的尾数M的绝对值范围：1r|M|1.尾数原码表示：位数的最高数位总等于1尾数补码表示：最高数位与符号位不同。详见书P23。溢出：负上溢和正上溢时，计算机终止运算。正下溢和负下溢时，按照机器零处理。 4. 浮点数阶码的移码表示法移码：偏置值+X特点：最高位0表负数，1表正数。 全为0时真值最小，全为1时真值最大，直接反映了真值大小。 0的表示唯一。 移码视为无符号数，按无符号数规则比较大小。 同一个数值的移码和补码除最高位相反外，其他各位相同。5. 浮点数位数的基数尾数基数大小的选择：阶码相同时，r选的越大，表示范围越大。一般r=2. 特性。详见书P256. IEEE754标准浮点数 ms E m数符 阶码部分，用移码表示 尾数数值位 尾数部分，用原码表示 类型数符阶码尾数数值总位数偏置值十六进制十进制短浮点数1823327FH127长浮点数11152643FFH1023临时符点数11564803FFFH16383 数据校验码一、 奇偶校验码1. 奇校验整个校验码中1的个数为奇数偶校验整个校验码中1的个数为偶数2. 简单奇偶校验只能检验一位出错。详见403. 交叉奇偶检验可以发现两位两位同时出错的情况，纠正一位出错。详见41二、汉明校验码1.编码（P42）2.校验（P43）三、循环冗余校验码详见P44第4章 数值的机器运算4.1 基本算术运算的实现4.1.1 加法器4.2 定点加减运算4.2.1 原码加减运算减法运算转换位加法运算来实现，原码运算时，用|X|+|Y|变补来代替|X|-|Y|。规则如下： 参加运算的操作数取其绝对值。 加法直接加，减法将减数变补，再进行加法运算。 运算之后有进位，结果为正，得到正确结果无进位，结果为负，变补一次得到正确结果 结果加上符号位4.2.2补码加减运算1. 补码加法 X+Y补=X补+Y补 详见P842. 补码减法X-Y补=X+(-Y)补=X补+-Y补3. 补码加减法运算规则 参加运算的两个操作数均用补码表示。 符号位作为数的一部分参加运算 做加法直接加，做减法，将被减数与减数的机器负数相加。 运算结果仍用补码表示。4. 符号扩展正数：附加位用0填补。负数：原码：负数与正数规则相同，符号位为1 补码：附加位用1填补。综上，所有附加为均用符号位填充，正数用0，负用1。4.2.3 补码的溢出判断与检测方法 1.溢出的产生 设参加运算的两数为X和Y，做加法运算。若X和Y异号，不会溢 出。若X和Y同号，可能产生正溢或负溢。 2.溢出检测方法（详见P87） (1)采用一个符号位 (2)采用进位位 (3)采用变形补码（双符号位补码） 双符号位=00 正数，无溢出01 正溢02 负溢11 负数，无溢出4.2.4 补码定点加减运算的实现（P88）4.3带符号数的移位和舍入操作1.原码的移位规则。空出位一律以“0”补入。2.补码的移位规则 (1)正数。一律用0补 (2)负数。左移空出补0，右移空出位补1.3.移位功能的实现（P90）4.3.2 带符号数的舍入操作 恒舍。 冯诺依曼舍入法。又叫恒置1法。 舍上入法。0舍1入。4.4 定点乘法运算4.4.1 原码一位乘法1.原码一位乘法算法。 参加运算的操作数取其绝对值 令乘数的最低位为判断位，若为1，加被乘数，若为0，不加被乘数（加0）。 累加后的部分积以及乘数右移一位。 重复n次和。 符号位单独处理，同号为证，异号为负。2.原码一位乘法运算的实现（92）4.4.2 补码一位乘法1.校正法 XY补=X补(0.Y1Y2Yn)+-X补Ys2.比较法Booth乘法（P94）在末尾增加一位附加位。参加运算的数用补码表示符号位参加运算乘数最低位后面增加一位附加位Yn+1，其初值为0.由于每求一次部分积要右移一位，所以乘数的最低两位的值决定了每次应执行的操作，如表所示判断位 Yn Yn+1 操 作判断位 Yn Yn+1 操 作 0 0 原部分积+0，右移一位 0 1 原部分积+X补，右移一位 1 0 原部分积+-X补，右移一位 1 1 原部分积+0，右移一位移位按补码右移规则进行。共需做n+1次累加，n次一位，第n+1次不移位3.Booth乘法运算的实现（P95）4.4.3 补码两位乘法（详见P96）4.5.1 原码除法运算1.原码比较法和恢复余数法（1）比较法 类似于手工运算，只是为了便于机器操作，将除数右移改为部分余数左移，每一位的上商直接写到寄存器的最低位。（2）恢复余数法够减商1，不够减商0。一般不采用。2.原码不恢复余数法（原码加减交替法）ri+1=2ri+（1-2Qi）Y。需要三个寄存器。A,B分别用来存放被除数和除数，C寄存器存放商，初值为0.4.5.2 补码除法运算P1024.6 规格化浮点运算4.6.1 浮点加减运算1.浮点数加减运算步骤（1）对阶。先求E=EA-EB。对阶规则：小阶向大阶看齐。阶码的尾数每右移1位，阶码加1.（2）尾数加/减（3）尾数结果规格化12|M|1.通过尾数左移实现规格化。尾数每左移一位，阶码减1.（4）舍入（5）溢出判断4.6.2 浮点乘除运算1.乘法步骤（1）阶码相加如果用补码表示阶码，结果无需校正。如果用移码表示，结果应减去偏置值。（2）尾数相乘（3）尾数结果规格化2.除法步骤（1）尾数调整（2）阶码相减（3）尾数相除第五章 存储系统和结构5.1 存储系统的组成5.1.1 存储器分类1.按存储器在计算机系统中的作用分类（1）高速缓存存储器（2）主存储器（3）辅助存储器2.按存取方式分类（1）随机存取存储器RAM（2）只读存储器ROM（3）顺序存取存储器（4）直接存取存储器3.按存储介质分类（1）磁芯存储器（2）半导体存储器（3）磁表面存储器（4）光存储器5.1.2 存储系统层次结构由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，高速缓存和主存间Cache-主存存储层次；主存和辅存间称为主存-辅存存储层次5.2 主存储器的组织5.2.1主存储器的基本结构由存储体、地址译码驱动电路、I/O和读写电路组成。5.2.2 主存储器的存储单元 P1265.2.3 主存储器的主要技术指标1.存储容量2.存取速度（1）存取时间又称访问时间，它是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。（2）存取周期完成一次读写操作所需的全部时间。3.可靠性4.功耗5.2.4 数据在主存中的存放三种存放方法（P129）5.3.2 动态RAM的刷新1.刷新间隔主要根据栅极电容上的电荷释放速度来决定。2.刷新方式（1）集中式刷新刷新时间=存储矩阵行数刷新周期刷新周期等于存取周期优点：读写操作不受刷新工作的影响，存取速度比较高。缺点：在集中刷新期间必须停止读写，这一段时间成为“死区”。（2）分散式刷新把刷新操作分散到每个存取周期内进行。优点：没有死区。缺点：加长了系统的存取周期，刷新过于频繁。（3）异步刷新方式相邻两行的刷新间隔=最大刷新间隔时间行数，刷新时封锁读写是前两种的折中。5.3.3 RAM芯片分析1.RAM芯片2.地址译码方式（1）单译码方式（字选法）优点：结构简单缺点：使用外围电路多，成本昂贵。因此适用于容量不大的存储器。（2）双译码方式（重合法）5.4 主存储器的连接与控制5.4.1 主存容量扩展总片数=总容量容量/片1.位扩展如8片4K1的SRAM扩展成64K8的存储器。2，字扩展16K8的SRAM组成64K8的存储器。3.字和位同时扩展16K4的SRAM组成64K8的存储器。5.4.2 存其芯片的地址分配和片选1.线选法用除片内寻址外的高位地址线直接接到片选端。优点：不需要地址译码器，线路简单。缺点：适用芯片较少的场合，不能充分利用系统的存储器空间。2.全译码法除片内寻址外的全部高位地址线都作为地址译码器的输入。优点：每片芯片的地址范围是唯一确定的，而且是连续的，便于扩展，不会产生地址重叠的存储区。3.部分译码用片内寻址外的高位地址的一部分来译码产生片选信号。部分译码较全译码法简单，但存在地址重叠区。5.4.3 主存储器和CPU的连接1.主存和CPU之间的硬连接2.CPU对主存的基本操作（1）读（2）写 5.5 提高主存读写速度的技术5.6 多体交叉存储技术5.6.1 并行访问存储器共有一套地址寄存器和译码电路，按同一地址并行的访问各自对应的单元。又称单体多字系统。优点：使主存带宽提高n倍。前提：指令和数据在主存中必须是连续存放的。缺点：访问主存的冲突大。5.6.2 交叉访问存储器有多个容量相同的模块，而且各存储模块具有各自独立的地址寄存器、读写电路和数据寄存器。又称多体系统。在这种交叉存储器中，连续的地址分布在相邻的存储体中，而同一存储体内的地址都是不连续的。5.7 高速缓冲存储器1.程序的局部性原理2.Cache的基本结构（P157）Cache和主存都被分成若干个大小相等的块，每块由若干字节组成。5.7.3 地址映像1.全相联映像主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中任何一个块的位置上。比较灵活，Cache的块冲突概率最低、空间利用率最高，但是地址变换速度慢，成本高。2.直接映像主存中的每一个块只能被放置到Cache中唯一的一个指定位置，若这个位置已有内容，则产生块冲突，无条件的替换原来的块。优点：最简单、成本低、易实现、地址变换速度快。缺点：不灵活，块冲突率最高，空间利用率最低。3.组相联映象将Cache空间分成大小相同的组，让主存中的一块直接映像装入Cache中对应组的任何一块位置上，即组间采取直接映像，而组内采取全相联映像。是前两种的折中。5.7.4 替换算法1.随机算法。2.先进先出算法。（FIFO）3.近期最少使用算法。（LRU）第三章 指令系统3.1 指令格式3.1.1 机器指令的基本格式操作码字段 地址码字段3.1.2 地址码结构1.四地址2.三地址3.二地址4.一地址5.零地址3.1.3 指令的操作码1.规整型（定长编码）2.非规整型（变长编码）3.2 寻址技术 1.编址2.编制单位（1）字编址优点：最方便，最简单，地址信息没有任何浪费。缺点：不支持非数值应用。（2）字节编制优点：适应非数值应用的需要。缺点：存在着地址信息浪费。（3）位编址3.指令中地址码的位数3.2.2 指令寻址和数据寻址3.2.3 基本的数据寻址方式1.立即寻址操作码字段后面部分是操作数优点：快，不用访存。缺点：灵活性最差。2.寄存器寻址操作码字段后面部分是通用寄存器的编号。优点：寄存器中存取数据比主存中存取的快得多。由于寄存器的数量较少，其地址码字段比主存单元地址字段短得多。3.直接寻址地址码字段给