计算机组成与体系结构.doc

计算机组成与体系结构复习提纲（大都是理论性的知识点，相关练习请参照课件和各章习题）一 计算机的五大组成部件及其基本功能。（1）输入设备 Input devices：从计算机外部输入信息（2）存储器 Memory Unit：存放数据、指令等（3）运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU)：执行算术、逻辑运算（4）控制器 Control Unit (CU)：分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作（5）输出设备 Output devices ：将加工后的信息输出运算器和控制器是信息处理的中心部件，合称为“中央处理单元”（CPU）；存储器、运算器和控制器在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机”。 输入（Input）设备和输出（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。 二 sign magnitude （原码）ones complement （反码）twos complement （补码）biased （移码）的表示与相关计算1 sign magnitude （原码）（1）定点小数：其中是机器数，是真值（2）定点整数： （3）原码小数的表示范围： 最大值 1- 2 最小值 -( 1- 2)；若原码小数的位数是8位（n=7）时,其该数表示的最大值、最小值：127/128，-127/128。（4）原码整数的表示范围： 最大值 2 -1最小值 -(2 -1)；若原码整数的位数是8位,其表示的最大值、最小值127，-127。（5）总结：原码为符号位加上数的绝对值，0正1负;原码零有两个编码，+0和 -0编码不同;原码加减运算复杂，乘除运算规则简单；原码表示简单，易于同真值之间进行转换。 最大缺点:加减法运算复杂。因为：当两数相加时，如果同号则数值相加，如果异号，则要进行减法，而在进行减法时，还要比较绝对值的大小，然后大数减去小数，最后还要给结果选择恰当的符号。 2 ones complement （反码）（1）定点小数：由反码求补码的公式：=+ 2即：若要一个负数变补码，其方法是符号位置1，其余各位0变1，1变0，然后在最末位(2-n)上加1。（2）定点整数：（3）总结：负数反码为符号位跟每位数的反，0正1负；反码零有两个编码，+0 和 -0 的编码不同；反码难以用于加减运算；反码的表数范围与原码相同。3 twos complement （补码）（1）定点小数：（2）定点整数：（3）补码的表示范围n+1位补码整数: -2 2 -1 n+1 位补码小数: -1 1- 2若补码整数的位数是8位,其表示的最小值、最大值: -128 - 127若补码小数的位数是8位时,其该数表示的最小值、最大值为- 1 - 1- 2 即 -1 - 127/128 （4）特点：补码最高一位为符号位，0正1负；补码零有唯一编码；补码能很好用于加减运算。补码满足+ =0 最高位参与演算，与其它位一样对待。扩展方便：5位的补码扩展为8位 0011100000111 1100111111001算术移位：假设 = x0. x1 x2 xn, = x0. x0 x1 x2 xn-1（5）补码编码的简便方法：正数的补码在其二进制代码前加上符号位0；负数的补码是将二进制代码前加0后,再全部按位取反，然后在最低位上加1。(6)补码的运算：由求将连同符号一起将各位取反，末位再加1。4 biased （移码）（1）定点整数：注意: 移码中符号位 x0表示的规律与原码、 补码、反码相反“1”正，“0”负。（2）特点：a 在移码中，最高位为0表示负数，最高位为1表示正数，这与原码、补码、反码的符号位取值正好相反。b移码为全0时所对应的真值最小，为全1时所对应的真值最大!移码的大小直观地反映了真值的大小。c 真值0在移码中的表示形式是唯一的，即：+0 = +0= 10000移码把真值映射到一个正数域，所以可将移码视为无符号数，直接按无符号数规则比较大小。d 同一数值的移码和补码除最高位相反外，其他各位相同。5 各种码之间的转换（1）已知原码求补码：正数=;负数 符号除外,各位取反，末位加1(2)补码与真值之间的转换：方法一 方法二 符号位为“1”-负，余下求补为数值部分；符号位为“0”-正，余下为数值部分（3）移码和补码的关系：（4）移码、补码和真值之间的关系真值（十进制）真值（二进制）x补（补码）x移（移码）-128-1000,00001000,00000000,0000-127-0111,11111000,00010000,0001-1-0000,00011111,11110111,111100000,00000000,00001000,000010000,00010000,00011000,00011270111,11110111,11111111,1111(5)码制表示法小结：a 、用“0”表示正号，用“1”表示负号；b X移用“1”表示正号，用“0”表示负号。c 如果X为正数，则=。d 如果X为0，则 、有唯一 编码，X原、X反 有两种编码。e 移码与补码的形式相同，只是符号位相反。三 溢出（overflow）及检测方法1 溢出两个正数相加: 结果大于机器所能表示的最大正数，称为上溢；两个负数相加：结果小于机器所能表示的最小负数，称为下溢。2 检测方法（1）单符号位法当最高有效位有进位而符号位无进位时,产生上溢； 当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生下溢。（简单地说是正数相加为负数或负数相加为正数则产生溢出）故溢出逻辑表达式为： VCfCo 其中Cf为符号位产生的进位,Co为最高有效位产生的进位。此逻辑表达式也可用异或门实现。（2）双符号位法将符号位扩充为两位(Sf1、Sf2)，其所能表示的信息量将随之扩大，既能判别是否溢出，又能指出结果的符号。双符号位法也称为“变形补码”或“模4补码” 。变形补码定义：双符号位的含义如下：Sf1Sf2 00 结果为正数，无溢出 01 结果正溢 10 结果负溢 11 结果为负数，无溢出不管溢出与否，最高符号位永远表示结果的正确符号。溢出逻辑表达式为： VSf1Sf2 中Sf1和Sf2分别为最高符号位和第二符号位，此逻辑表达式可用异或门实现。四 Floating Point Representation(浮点表示)，尾数指数的含义（Mantissa and Exponent），及浮点数加减运算1 浮点表示：（1）计算机中一个任意进制数 可以写成 e mm ：尾数(Mantissa 或有效数：significand)，是一个纯小数。e ：浮点的指数（Exponent）, 是一个整数。 R ：基数(Base)，对于二进制数值的机器是一个常数，一般规定 为2，8或16。 （2）一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成：尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数，决定了浮点数的表示精度；阶码：用定点整数形式表示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示范围。（3）浮点数的标准格式 （e.m）IEEE754 标准：尾数用原码；阶码用移码；基为2按照 IEEE754 的标准，32位浮点数和64位浮点数的标准格式为 ：S（Sign）尾数符号，0正1负；M（Mantissa）尾数, 纯小数表示, 小数点放在尾数域的最 前面。采用原码表示。 E（Exponent）阶码，采用“移码”表示; 阶符采用隐含方式，即采用“移码”方法来表示正负指数。（4）规格化表示二进制原码的规格化数的表现形式：正数 0.1xxxxxx 负数 1.1xxxxxx补码尾数的规格化的表现形式：尾数的最高位与符号位相反 正数 0.1xxxxxx负数 1.0xxxxxx规格化处理和隐藏位技术见课件Ch_09 Computer Arithmetic(3)幻灯片9152 浮点数加减运算浮点加减运算的操作过程 ：（1）0 操作数检查 两个操作数或中有一个数为0,即可得知运算结果而没有必要再进行后续的一系列操作以节省运算时间。0操作数检查步骤则用来完成这一功能。（2）比较阶码大小并完成对阶 若二数阶码相同,表示小数点是对齐的,就可以进行尾数的加减运算；若二数阶码不同,表示小数点位置没有对齐,此时必须使二数阶码相同,这个过程叫作对阶。（3）尾数求和运算 对阶结束后,即可进行尾数的求和运算。不论加法运算还是减法运算,都按加法进行操作,其方法与定点加减法运算完全一样。（4）结果规格化 在浮点加减运算时,尾数求和的结果也可以得到01.或10.,即两符号位不等,这在定点加减法运算中称为溢出,是不允许的。但在浮点运算中,它表明尾数求和结果的绝对值大于1,向左破坏了规格化。此时将运算结果右移以实现规格化表示,称为向右规格化。规则是：尾数右移1位,阶码加1。当尾数不是1.M时需向左规格化。（5）舍入处理 “0舍1入”法,即如果右移时被丢掉数位的最高位为0则舍去,为1则将尾数的末位加“1”。恒置一法,即只要数位被移掉,就在尾数的末尾恒置1。（6）溢出处理阶码上溢 超过了阶码可能表示的最大值的正指数值,一般将其认为是和。阶码下溢 超过了阶码可能表示的最小值的负指数值,一般将其认为是0。尾数上溢 两个同符号尾数相加产生了最高位向上的进位,将尾数右移,阶码增1来重新对齐。尾数下溢 在将尾数右移时,尾数的最低有效位从尾数域右端流出,要进行舍入处理。（具体实例见课件Ch_09 Computer Arithmetic(3)幻灯片2631 & 第二章习题11）五 存储系统的特性及其分类1 Location存储位置 （1） CPU 寄存器、控存、高速缓存（2） Internal（main） 内存通常等同于主存（3） External（secondary） 外存 如：磁盘、磁带，通过I/O控制器与处理器连接2 Capacity 容量3 存取方法 顺序存取、直接存取（半顺序存储）、随机存取、关联存取4 物理类型（1）用于大规模或超大规模集成电路的半导体存储器（2）用于磁盘和磁带的磁记录存储器RAM（3）光学存储器（4）其它：磁泡存储器、全息存储器5物理特性 易失性的、非易失性的不可擦除的六 存储器的字位扩展（Expansion of Memory）1 Bit Expansion (位扩展) 例如1k*4bit RAM-1k*8bit RAM2 Word Expansion (字扩展) 例如1k*4bit RAM-2k*4bit RAM3 Bit-Word Expansion(字位同时扩展) 例如1k*4bit RAM-2k*8bit RAM相关例题见课件Ch_0405 Memory幻灯片3444，相关练习见第三章习题1、3七 DRAM的刷新（Refreshing）（1）DRAM的刷新： 不管是哪一种动态RAM，都是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，由于电容会逐渐放电，所以，对动态RAM必须不断进行读出和再写入，以使泄放的电荷受到补充，也就是进行刷新。（2）刷新周期：从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一遍为止，这一段时间间隔叫刷新周期。一般为2ms, 4ms, 8ms。（3）刷新方式常用的刷新方式有三种:集中式、分散式、异步式。集中式刷新在整个刷新间隔内，前一段时间重复进行读/写周期或维持周期，等到需要进行刷新操作时，便暂停读/写或维持周期，而逐行刷新整个存储器，它适用于高速存储器，存在不能进行读写操作的死区时间。分散式刷新把一个存储周期tc分为两半，周期前半段时间tm用来读/写操作或维持信息，周期后半段时间tr作为刷新操作时间。这样，每经过128个系统周期时间，整个存储器便全部刷新一遍。分散式刷新系统速度降低，但不存在停止读写操作的死时间。异步式刷新是前两种方式的结合。八 Cache的三种映射（Mapping）方式1直接映射方式The MSBs are split into a cache line field r and a tag of s-r (most significant)主存地址格式Cache格式 2 全相联映射方式主存地址格式Cache格式 3 组相联映射方式主存地址格式Cache格式（相关例题见课件Ch_0405 Memory幻灯片52、74、105，相关练习见第三章习题4、5、6）九 指令的寻址方式，操作数的寻址方式（Immediate，Direct，Indirect，Register，Register Indirect，Relative Addressing（相对寻址），Indexing Addressing（变址寻址），Base Addressing（基址寻址）,Stack, Implicit Address(隐含寻址）)1指令的寻址方式：顺序寻址方式使用程序计数器（又称指令指针寄存器）PC来计数指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地址。 转移寻址方式下条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出。2 操作数的寻址方式（1）Immediate Addressing立即寻址取指令时将操作码和一个操作数同时取出，操作数只是指令的一部分。（2）Direct Addressing直接寻址指令字中的形式地址D就是操作数的有效地址E，既ED。逻辑表达式为 :S（E）（D）（3）Indirect Addressing间接寻址指令中的地址码部分而是存放操作数地址的内存单元的地址，这个地址叫做间接地址。（4）Register Addressing寄存器（直接）寻址（5）Register Indirect寄存器间接寻址（6）Relative Addressing（相对寻址）相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。EA = A + (PC)（7）Base Addressing（基址寻址）存储器的实际地址就等于基址寄存器的内容加上段内位移量。每段的首地址存放在一个基址寄存器中，段内的位移量由指令直接给出。（8）Indexing Addressing（变址寻址）变址寻址是将指令中的基地址码和一个“变址值”相加后形成操作数的有效地址。“变址值”存放在一个专用的变址寄存器Ri中或专用的内存单元中。（9）Stack Addressing 堆栈寻址堆栈是一组能存储和取出数据的暂时存储单元，采用“后进先出”的工作方式。堆栈寻址方式的分类：串联堆栈（在一些计算机的CPU中，设置有8个或16个寄存器作为堆栈，也称硬堆栈）、存储器堆栈（常用的堆栈是利用一部分主存区域，也称软堆栈）。（10）Implicit Address(隐含寻址）指令字中不明显给出操作数的地址，其操作数地址隐含在操作码或某个寄存器中。十 指令格式的设计三地址指令：二地址指令：一地址指令：指令字的长度取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。指令字长度与机器字长度没有固定的关系，它可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。 指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；指令字长等于两个机器字长的指令，称为双字长指令； 指令字长度只有半个机器字长度的指令，称为半字长指令。（具体实例见课件Ch_1011 Instrucion Sets(2)幻灯片9299）十一 寄存器的分类及作用1 MBR(DR:数据缓冲寄存器) 作用：暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。2指令寄存器（IR） 作用：保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。3程序计数器（PC） 作用：保持的总是将要执行的下一条指令的地址，顺序执行时：PC1，遇转移指令时，PC的内容由IR中的地址字段取得具有寄存信息和计数两种功能4 MAR(AR:地址寄存器） 作用：地址寄存器用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止 。5累加寄存器（AC） 作用：累加寄存器AC通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。其功能是：当运算器的算术逻辑单