组成原理复习及习题.ppt

计算机组成原理 课程学习 四川大学计算机学院何贤江2009 6 欢迎光临 LectureReviewforCSStudents 欢迎光临计算机组成原理学习由于时间仓促错误难免 欢迎提出宝贵意见四川大学计算机学院何贤江2010年12月EMAIL hexianjiang 计算机组成原理复习提要 四川大学计算机学院何贤江2010年12月请提宝贵意见hexianjiang 第一章复习 1 计算机由 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备组成运算器功能 进行数据加工的部件 执行数值数据的算术运算 逻辑运算 暂时存放中间结果 通常也是计算机CPU内部数据传输的通路控制器功能 控制器要向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号存储器功能 存放程序和数据输入设备功能 是向计算机送入程序和数据的设备输出设备功能 计算机用于送出计算机内部信息的设备 2 信息的表示与处理 信息表示 硬件 采用什么形式的信号表示信息软件 采用什么格式的信号表示信息信息的存储 特定的电路磁化状态文件格式信息的变换 数制转换码制转换语言编译信息的传送 宏观数据输入 结果输出 计算机内部通信微观控制流 数据流 指令 数据 地址信息 信息的加工处理 算术运算 逻辑运算对上述过程的控制 3 存储程序与冯 诺依曼体制 存储程序方式 计算机采用事先编制程序 然后连续自动运行程序的方式冯 诺依曼体制的特点 1 采用二进制形式表示数据和指令 2 采用存储程序方式 3 计算机硬件由运算器 存储器 控制器 输入部件和输出部件组成 各个不同部件完成不同的功能 即五大基本功能 4 信息的数字化表示 计算机中的信息 用数字代码表示信息信息种类 数值 字符 声音 图形 图像 逻辑形式数据和命令 状态等数字代码的每一位用脉冲或者电平信号表示 用一组代码表示字符 ASCII码 中文字符 图形 图像用数字化方法表示信息有如下优点 1 抗干扰能力强 可靠性高 2 物理上容易实现 并可以存储 3 能够用逻辑方法进行处理 4 位数增加 则表示信息的范围增加 5 表示信息的类型与范围及其广泛 5 数字计算机的特点 快速性通用性准确性逻辑性 6 计算机系统的层次性 CPU 主机内总线 寄存器组硬件内存外存 软盘 硬盘 光盘 磁带外围设备输入设备 计算机系统输出设备 系统软件 软件应用软件 操作系统软件 语言处理软件 数据库管理软件 各种服务性支撑软件等等各领域的专用软件 7 计算机硬件系统组织 1 总线 总线 CPU内部总线 芯片内总线 部件内总线 系统 总线 外总线 总线传送 分时控制 申请 批准 总线信息传送 串行传送 1bit 次并行传送 多位 次总线信息传送方向总线数据宽度 并行传送数据位数 次数据传输率 传送数据量 单位时间总线结构 单总线方式多总线方式通道或者IOP方字长 参与运算的数据的基本位数 Word 运算速度 CPU时钟频率 ips 用某种特定指令计算 第二章复习 1 数据信息表示法数值 文字 符号 语音 图形 图像等统称数据 在计算机内部 都必须用数字化编码的形式被存储 加工和传送 数字化编码二要素 用少量 简单的基本符号 用一定的组合规则用以表示大量复杂多样的信息基二码 二进制码 只使用两个基本点符号 符号个数最少 物理上容易实现与二值逻辑的真假两个值对应简单用二进制码表示数值数据运算规则简单 2 二 十进制编码 BCD编码 用四位二进制表示一位十进制 16个编码状态选用其中的10个编码有多种方案 例如 8421码 余3码 循环码又可区分为 有权码 每位上的1代表确定的值无权码 无法确定每位上的1代表的值 3 二到八或十六进制转换 二到八从小数点向左右三位一分组二到十六从小数点向左右四位一分组说明 整数部分不足位数对转换无影响 小数部分不足位数要补零凑足 否则出错 4 二 十进制相互转换 二十进制1 逐次乘位权相加法 整数 小数乘以位权 2 逐次乘以二相加法 整数 最后一位不乘以二 逐次除以二相加法 小数 最后一位要除以二 十二进制1 整数转换 a 减权定位法b 除基取余法2 小数转换 a 减权定位法b 乘基取整法 5 数据的机器码表示 1 原码表示法符号位 正数 0 负数 1 其余为绝对值2 补码表示法符号位 正数 0 负数 1 其余位 正数 绝对值 负数 各位变反末位加1 3 反码表示法符号位 正数 0 负数 1 其余位 正数 绝对值 负数 各位变反 注意 正数机器码表示时原码 补码 反码相同零的原码和反码均有2个编码 补码只一个码负数的原码 反码 补码表示均不同 6 数据原码表示法 定点小数 定点小数表示的范围 对于n位数据 1 2 n X 1 2 n 或者 1 X 1定点整数 定点整数表示的范围 2n 1 X 2n 1 或者 2n X 2n 7 数据的补码表示法 补码定义 X 补 M XmodM由真值 原码转换为补码 由补码表示求其真值与原码 补码的性质 1 在补码表示中 最高位X0 符合位 与原码表示相同 2 在补码表示中 数据0的表示只有一种 000 03 负数补码的表示比原码宽 补码在数轴上的映射p31 8 数据的定点表示与浮点表示 数据的定点表示法 小数点位置固定 定点小数 符号部分小数部分默认小数点位置定点整数 整数部分在硬件上用定点数运算的机器叫定点机数据的浮点表示法 小数点位置不固定 格式 阶符阶码尾符尾数尾符阶符阶码尾数浮点数表示的范围 规格化数 非规格化数 9 几种常用的检错纠错码 奇偶检错码 用于并行数据传送中海明检错与纠错码 用于并行数据传送中循环冗余码 用于串行数据传送中 编码过程 译码过程 传送 原始数据 码字 结果数据 形成校验位的值 加进特征 检查接送的码字 发现 改正错误 10 奇偶校验码 用于并行码检错原理 在k位数据码之外增加1位校验位 使K 1位码字中取值为1的位数总保持为偶数 偶校验 或奇数 奇校验 例如 0001100010000101010010110101原有数据位两个新的码字 偶校验 奇校验 校验位 12 海明校验码 1 能发现并改正k r位中任何一位出错 2 能发现k r位中任何二位同时出错 但已无法改正 海明效验仍然以奇偶效验为依据 效验位的位置 P1P2 P3 P4 P5 海明效验码的分组 将编好的效验码分成若干组 每一组由一个效验位和若干有校信息位组成 如 有校信息k 4 则需要r 3 组成效验码 编组如下 海明效验位Pi的值 效验码分组后 源部件由每一分组确定Pi的值 目的部件由每一分组效验情况产生一个指误字的值 根据每一组效验情况确定指误字的值 如果该组符合奇效验 或者偶效验 则该组的指误字Gi 0 否则Gi 1 如有效信息k 4 值为1101 则组成效验码P1P21P3101其中 P1 1 1 1 1 设采用偶效验法 P2 1 0 1 0P3 1 0 1 0 13 循环冗余码 用于多位串行数据传送中的检错纠错处理 在k位数据位串行移位输出的过程中 用带有异或门控制的移位寄存器形成r个校验位的值 跟随在数据位之后传送走 在接收端再对k r位的码字进行合法与出错检查 若可能则自动改错 14 原码 补码加减法 原码相加同号 绝对值相加 取相同符号异号 取绝对值大的符号 绝对值相减原码相减将减数变为相反数 然后相加补码操作运算 1 参加运算的操作数用补码表示 符号位作为数据的一部分参加运算 结果为补码表示 2 相加时 两操作数直接相加 3 相减时 将减数变补后 再与被减数一起相加 变补 指将操作数连同符号位一起变反加1 15 溢出判别 定义 运算结果如超出机器数表示的范围 称为溢出 溢出类型 两正数相加 超出表示范围 称为正溢 两负数相加 超出表示范围 称为负溢 两异号数相加 不会超出数据表示范围 溢出判别逻辑表达示一 溢出 SASBSFSASBSF溢出判别逻辑表达示二 溢出 CfC溢出判别逻辑表达示三 采用变形补码表示 双符号位 溢出 Sf1 Sf200 01 10 11 定义 将数据左移或者右移的运算 移位类型 逻辑移位和算术移位 逻辑移位 循环左移 循环右移 非循环左移 非循环右移算术移位 算术左移 算术右移 算术左移 符号 算术右移 符号补位 原码 添 补码 添符号位 16 移位 0 舍入 原码和补码 0舍1入 或者末位恒置1反码 1舍0借 或者末位恒置0逻辑运算 基本逻辑运算有 逻辑乘 AND 逻辑加 OR 求反 NOT 异或 NOR 复杂的运算可以用基本逻辑运算表示如 1 用异或判断两操作数是否相等 如AB 0 则A B2 用0A A及1A A的特性可以修改一组代码中的某些位3 用AND运算实现按位清零运算 4 用OR运算实现按位置 1 运算 17 舍入 逻辑运算 全加器 如果只考虑两个输入量相加的加法器 叫做半加器 如果考虑三个输入量相加的加法器 叫做全加器 并行加法器串行加法器 用一个全加器分n步实现n位数相加的方法 并行加法器 用n个全加器一步实现n位数相加的方法 串行进位逻辑表达式并行进位逻辑表达式 18 全加器 19 原码一位乘运算步骤 X Y 原 X Y X Y 即 1 乘积符号 Sp SxSy2 乘积尾数 P X Y运算步骤 1 寄存器分配与初始化 A B C2 符号位 A B用双符号位3 操作 Cn 1 A B后累加积右移一位 Cn 0 直接执行右移一位 4 操作部数同尾数 加符号位 5 添加符号位 20 补码乘法 比较法 运算的步骤 1 将操作数用补码表示 乘数末位添加一位Yn 1 02 寄存器分配 A 00 0000 以后存放部分积 B X补 求出 B C Y补 末位添加03 比较操作 YnYn 14 操作步数 尾数的位数加1 最后一步不移位 如 X 0 1101Y 0 1010 求 X Y 补 00 原部分积右移一位 直接右移一位 01 原部分积加X补后右移一位10 原部分积加 X补 后右移一位11 原部分积右移一位 直接右移一位 21 加减交替除法步骤 1 取绝对值相除 符号位单独处理 2 原码除法运算的商符先直接为0 最后效正 3 每步操作如下 0 商0 下一步作 ri 1 2ri y 0 商1 下一步作 ri 1 2ri y4 最后余数注意位权 左移n次 余数为 rn 2 n 最后一步 如果余数为负 要恢复余数 5 操作的步数根据情况确定 6 校正符号 ri 2ri 1 y 22 补码除法运算步骤 1 操作数用补码表示 寄存器A存放被除数 以后存放余数 寄存器B存放除数 并且求出 B 寄存器存放假商 2 假商符号 由r0及Y的符号的确定 上商下同 3 上商 如果余数ri与除数Y同号 商 左移减除数求出新余数 如果余数与除数异号 商 左移加除数求新余数 4 操作步数由需要确定 5 商的修正 多求一位后舍入 或对最低位恒置 符号位加1 6 最后余数注意位权 由左移的次数确定 23 浮点数运算 浮点运算器通常由处理阶码的和处理尾数的两个定点运算器组成 在早期的小或微型机中 浮点运算器通常以任选件方式提供给用户 主要用于计算浮点数浮点数加减运算对阶执行加减规格化舍入 右归 判溢出浮点数乘除运算阶码加减尾数乘除舍入与规格化处理判溢出 1 对阶操作 求阶差 E EX EY 使阶码小的数的尾数右移 E 位 其阶码取大的阶码值 2 尾数加减 3 规格化处理 4 舍入操作 可能带来又一次规格化 5 判结果的正确性 即检查阶码上下溢出 24 浮点数加减运算 25 浮点数乘法运算 1 阶码相加 积的阶码 EX EY注意 计算结果的阶码符号位 2 尾数相乘 MX MY 3 规格化处理 4 舍入操作 5 判结果的正确性 即检查阶码是否溢出 26 浮点数除运算 1 阶码相减 积的阶码 EX EY EX EY 2 尾数相除 MX MY 3 规格化处理 4 舍入操作 5 判结果的正确性 即检查阶码是否溢出 练习题 一 简答题1 冯 诺依曼体制的要点是什么 2 什么是数据通路宽度 3 何谓总线 4 采用二进制代码形式表示信息有何优点 5 什么是并行进位链 请举一例 进位产生函数 进位传递函数 6 说明并行加法器的进位链及其如何实现快速进位的 7 试简述运算器的基本组成包含哪些部件 8 溢出和进位有何不同 9 浮点数的精度主要取决于什么 为什么 10 浮点数采用规格化表示 是何意义 在浮点数中 为了在尾数中表示最多的有效数据位 同时使浮点数具有唯一的表示方式 浮点数的编码应当采用一定的规范 规定尾数部分用纯小数给出 而且尾数的绝对值应大于或等于1 R 并小于或等于1 即小数点后的第一位不为零 这种表示的规范称为浮点数的规格化的表示方法 不符合这种规定的数据可通过修改阶码并同时移动尾数的方法使其满足这种规范 10 什么是串行进位 请举一例 11 在补码不恢复余数除法中 什么情况下商1 下一步做何操作 什么情况下商0 下一步做何操作 12 分别按串行进位方式与并行进位方式 写出进位信号C3的逻辑表达式 C0为初始进位 13 试写出一种判断溢出的逻辑表达式 14 若X补 0 1011 Y补 0 0111 试用变形补码 双符号位 判断X补 Y补是否溢出 15 某16位并行加法器 序号 16 高 1 低 采用组内并行 组间并行结构 4位一小组 请写出进位信号C6的逻辑表达式 16 在补码一位乘中 判断条件YnYn 1 试写出相应的操作规则 在原码不恢复余数除法中 如何决定商值 相应下一步操作为什么 二 填空题1 按舍入恒置法 若X补 1 1011 则舍去末位后为X补 2 设某机字长16位 其定点小数能表示的最大正小数为 3 某浮点数字长16位 其中阶码含阶符共4位 以2为底 移码表示 尾数含1位数符 共12位 补码表示 现有一浮点数代码为1010011010000000 其真值为 4 某机字长32位 其定点小数能表示的最小正数为 5 若真值X 1 16 则 X 原 6 点数字长16位 其中阶码含阶符共4位 以2为底移码表示 尾数含一位数符共12位 补码表示 规格化 则真值 25x0 375 10的浮点数代码应为 7 15 5 8 10 111 01 2 108 27 625 10 2 21 56 10 BCD9 若x 0 1010 则X原 X补 若x 0 1010 则X原 X补 11 若某机字长8位 含一位数符 采用原码表示 则定点小数所能表示的非零最小正数为 最大正数为 绝对值最小负数为 绝对值最大负数为 12 若某机字长8位 含一位数符 采用补码表示 则定点小数所能表示的非零最小正数为 最大正数为 绝对值最小负数为 绝对值最大负数为 13 设某浮点数共12位 其中阶码含1位阶符共4位 以2为底补码表示 尾数含1位数符共8位 补码表示 规格化 则该浮点数所能表示的非零最小正数为 最大正数为 绝对值最小负数为 绝对值最大负数为 14 运算器的核心部件是 15 运算器一般应具有 与 两大类运算能力 16 在补码一位乘中 被乘数一般取 位符号位 乘数一般取 位符号位 17 在补码不恢复余数除法中 被除数取 位符号位 除数取 位符号位 18 在除法运算中 累加器A的初始值为 以后A中存放 19 在补码一位乘中 乘数Y的末位应增加一位 其初值为 五 计算题1 已知x 0 0101 Y 0 10011 用原码一位乘求XY 请分步列出运算过程 并给出完整的乘积 2 用补码一位乘 比较法 求 0 1101 0 11011 并列出分步运算情况及乘积 3 用补码不恢复余数除法求X Y 0 1001 0 1101 列出分步运算情况 并给出商及余数等答案 4 用原码不恢复余数除法求X Y 0 1001 0 1101 列出分步运算情况 并给出商及余数 第三章复习 1 程序运行时的局部性原理表现在 最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问 这些被访问的程序和数据集中在一小片存储区 指令顺序执行比转移执行的可能性大 大约5 1 2 存储器的分类 1 按功能及速度分 CACHE 是CPU可以直接访问的一种存储器 它由高速半导体元件组成 如双极型ECL TTL CACHE直接与CPU相连或者集成在CPU中 高速缓存存放主存储器指令或者数据的副本 主存储器 CPU可以直接访问的存储器 存放CPU需要执行的程序和数据 CPU访问CACHE失效后即访问主存储器 主存储器由半导体元件构成 其存储容量比CACHE大 速度比CACHE慢 存放数据的位成本比CACHE低 外存储器 作为主存储器的后援 用于存放丰富的信息资源 外存的容量大 相对于主存储器的速度慢 但存放数据的位成本低 信息保存时间较久 2 按存取方式分随机存储器 RAM 可以随机任意访问某一存储单元 其访存时间基本一致 分为SRAM和DRAM顺序存储器 SAM 访存内容的时间与其内容所在的位置有关 如磁带存储器 只读存储器 只能读出数据不能写入数据的一种存储器 3 按存储介质分半导体存储器 由半导体材料构成的存储器 分为双极型存储器 TTL 半导体 半导体逻辑电路 ECL 射电藕合逻辑电路 MOS型 金属氧化物半导体 存储器 静态DOS和动态DOS 磁性材料存储器 磁芯 磁盘 磁带激光存储器 光盘 存储器的分类 3 半导体存储器 静态存储器SRAM 双极型 静态MOS型 依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息 功耗较大 速度快 作Cache 动态存储器DRAM 动态MOS型 依靠电容存储电荷的原理存储信息 功耗较小 容量大 速度较快 作主存 动态存储器DRAM破坏性读出 4 半导体存储器特性 半导体存储器的特点 存取速度快 体积小 可靠 但是断电后不能保存原有信息 存储元 能够保存一位二进制信息的物件 存储单元 由一个或者多个存储元组成 作为存储元应该具备如下特性 1 具有两种稳定状态 0 1 2 两种稳定状态经外部控制可以相互转换3 经过控制能够读出其中的信息4 无外部原因 其中的信息能够长期保存 5 DRAM刷新 要定期刷新 在不进行读写操作时 DRAM存储器的各单元处于断路状态 由于漏电的存在 保存在电容CS上的电荷会慢慢地漏掉 为此必须定时予以补充 通常称其为刷新操作 刷新不是按字处理 而是每次刷新一行 即为连接在同一行上所有存储单元的电容补充一次能量 刷新有三种常用方式 最大刷新间隔 2ms在此期间 必须对所有动态单元刷新一遍 集中刷新分散刷新异步刷新 6 半导体只读存储器 掩膜型只读存储器 PROM 一次可编程型 EPROM EEPROM E2PROM FlashEEPROM 7 主存储器组织 存储器设计需要解决的问题 a 存储器基本逻辑设计 如何由某种芯片组成需要容量的存储模块 以及如何由不同种类芯片构成需要功能及容量的存储器 b DRAM的刷新c 主存储器如何与CPU相连接d 主存储器的效验 READY WRITE READ 8 主存储器与CPU相连 计算机中存储当前运行的程序和数据的部件 通过地址 数据 控制三类总线与CPU 等其他部件连通 CPU MainMemory ABk位 给出地址 DBn位 传送数据 地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间 数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据出入量 控制总线CB指出总线周期的类型和本次操作完成的时刻 例如 k 20位n 32位 9 存储器基本逻辑设计 1 确定存储器的容量 根据功能需要选择芯片类型 确定每种芯片的芯片数量 并且给出每种芯片的内存空间映像图 2 确定需要地址线的条数 数据线的条数 控制线的条数 3 将芯片拼接成规定的字的位数 位扩展 4 将位扩展后的模块组用译码器联结起来 字扩展 10 磁表面存储器 磁盘是一种用得最多的外存设备 属于磁表面存储器其主要特点是容量大 速度尚可 且能以比较低成本长时间地记忆信息 磁盘驱动器属于直接存取 寻道 串行读写设备 种类 磁芯 磁盘 磁带 11 磁记录编码方式 磁记录方式是指一种编码方法 即如何将一串二进制信息 通过读写电路变换成磁层介质中的磁化翻转序列 好的编码方法应该有 更高的编码效率 更高的自同步能力 更高的读写可靠性等 常用的编码方式有 不归零制 NRZ NRZ1制调相制 PM 调频制 FM 改进调频制 MFM M2F 12 磁盘存储器 优点 容量大 位价格低 存取速度快 盘片可以重复使用 可靠性高 使用方便 广泛应用于调用数据频繁的场合 作为主存储器的后援 盘片 存储器磁盘驱动器 软驱硬驱 包括盘片一起密封 硬盘控制器和接口 磁盘驱动程序 操作系统中的设备管理软件磁盘控制程序 设备管理程序 操作系统中 硬件 软件 硬盘子系统 13 软盘存储器 1 分类 8吋 5吋 5 25 3吋 3 5 软盘为圆形盘片 基片为软质塑料簿片 基片上涂有磁性材料作为纪录介质 2 信息分布 a 磁道 信息在磁道内顺序地纪录 道密度 径向单位长度的磁道数 TPI位密度 磁道上单位长度纪录的二进制位数 Bpi道容量 磁道上纪录的二进制位总数b 扇区 14 有关磁盘的名词 磁盘格式化 写入格式信息 划分扇区等低级格式化 建立磁道格式划分扇区 写入磁道纪录标志等高级格式化 建立文件目录表 磁盘扇区分配表 磁盘参数磁盘容量 非格式化容量 用户数据 各种格式化信息格式化容量 用户数据磁盘工作速度 平均寻道 定位 时间 平均旋转延迟时间 数据传输率 b s B s 15 高速缓存CACHE 用途 设置在CPU和主存储器之间 完成高速与CPU交换信息 尽量避免CPU不必要地多次直接访问慢速的主存储器 从而提高计算机系统的运行效率 实现 这是一个存储容量很小 但读写速度更快的 以关联存储器方式运行 用静态存储器芯片实现的存储器系统 要求 有足够高的命中率 既当CPU需用主存中的数据时 多数情况可以直接从CACHE中得到 称二者之比为命中率 16 虚拟存储器 虚拟存储器是指用磁盘的存储空间来弥补主存空间的不足 使得程序人员能够使用比主存实际空间更大的存储空间来编写和运行程序 在操作系统的支持下 数据在磁盘和主存间 按程序运行的需要自动成批量地完成交换 虚拟存储器经常使用两种基本管理技术 段式存储管理页式存储管理核心问题都在于处理数据的存放与调度 练习题 填空题1 在存储系统的层次结构中 CPU可直接访问的存储器是 和 2 六管静态MOS存储单元是依靠 存储信息 3 静态RAM靠 存储信息 5 磁盘存储器的速度指标一般包括 等三项 6 按存取方式分类 磁带属于 存储器 7 动态MOS存储器的刷新周期安排方式有 和 三种 8 磁盘中常用的校验方法是 9 若地址码8位 按字节编址则访存空间可达 若地址码10位 则访存空间可达 若地址码16位 则访存空间可达 若地址码20位 则访存空间可达 练习题 简答题1 在存储器系统中为什么设置主存与辅存这样层次 2 某主存容量64KB 用4片RAM组成 16KB 片 地址线A15 高 A0 低 请列出各片选信号的逻辑式 3 试分别说明磁带与磁盘各采用哪几种磁记录方式 4 在磁盘存储器中 磁道的含义是什么 5 如何识别磁盘在寻址过程中的当前磁道号 何谓动态RAM的最大刷新周期 一般需多大 6 磁带采取何种存取方式 磁盘又采取何种存取方式 试比较它们的应用场合 8 虚拟存储技术的基本思想是什么 练习题 简答题9 何谓随机存取 何谓顺序存取 何谓直接存取 10 只读存储器可作何用途 11 静态半导体存储器靠什么存储信息 动态半导体存储器又靠什么存储信息 12 动态存储器的刷新周期安排方式有哪几种 13 在调用磁盘时 一般应绐出哪些地址信息 14 半导体存储器以什么指标描述其工作速度 磁盘存储器又以什么指标描述其工作速度 15 若待编信息为 10110100 分别求出其奇校验码和偶校验码 海明校验码以及CRC校验码 练习题 设计题1 用8Kx4ROM芯片构成16KB存储区 用4Kx4RAM芯片构成12KB工作区 地址线A15 高 A0 低 请分别列出各芯片的片选逻辑式 加到各存储器芯片的地址线是哪几位 并且画出粗框图 2 用2Kx4存储器芯片和4Kx4存储器芯片构成一个12KB存储器 请画出粗框图 注明各芯片的地址线 数据线 片选逻辑式 地址线A15 高 A0 低 数据线D7 D0 低 3 用1Kx4存储器构成8KB存储器 地址线A15 高 A0 低 请写出各片选信号的逻辑式 4 用1Kx4位 片的存储器芯片构成4KB存储器 地址线A15 高 A0 低 请回答 加至各芯片的地址线是哪几位 分别写出四个片选信号的逻辑式 如果有2KB的外设端口 并且外设编址采用统一编址方式 外设占用高端地址部分 试画出其逻辑电路粗框图 第4章指令系统1基本概念 指令 控制计算机执行操作的命令 一条指令能够完成某种基本操作 指令系统 一台计算机所有指令的结合CPU的任务 解释执行指令代码 指令决定计算机如何工作 指令系统是计算机性能的集中表现 是软件与硬件的界面 是逻辑设计的基础 指令字长 一条指令的位数 定长指令 变长指令 2指令格式 指令格式 操作码OP操作数地址AD 寻址方式 指令寻址和操作数寻址 外设寻址 端口寻址方式 端口与主存单独编址 统一映象方式 端口与主存统一编址 主存寻址 寄存器寻址 直接寻址 变址寻址 寄存器间址 间接寻址 相对寻址 基地址寻址 立即数寻址 堆栈寻址 3 OP操作码 指令操作码OP 为了区别计算机系统指令 将每条代码用一个唯一的二进制编码表示其操作性质 操作码格式 定长操作码 扩展操作码 方式码 复合码 定长操作码 操作码的长度与位置固定 扩展操作码 操作码的长度不固定 关键要给出扩展标志 方式码 复合码 操作码的每一部分分别给出某一类基本操作有关的几种操作 4 地址码AD AD 指令中要给出操作数的地址 显地址 指令中给出存储器单元号或者寄存器号 隐地址 指令中不给出操作数地址 由事先隐含约定在某个寄存器中或者在堆栈中 指令的地址结构 1 四地址指令 2 三地址指令 3 二地址指令 4 一地址指令 5 零地址指令 5 存储结构 计算机的信息 指令和数据 存放在存储器的相应单元中 运算时 如何寻找存放这些信息的有效地址即寻址 寻址分为指令寻址和操作数寻址 存储结构 操作数可能存放的位置 a CPU寄存器 b 主存储器 需要给出存储器单元号码 c 堆栈 由SP给出栈顶单元地址 所以指令中不给出地址 d 外存储器 以数据块为物理组织单位 软件角度给出文件名存取 硬件角度需要给出外存信息 如驱动器号 磁头号 圆柱面号 起始扇区号 传送量等 e I O设备 6 寻址方式 寻址方式 确定本条指令的数据地址及下一条要执行的指令地址的方法 指令寻址和操作数寻址 在指令中给出的操作数的地址被称为形式地址 使用形式地址信息按一定的规则计算出来的一个数值才是数据 或指令 的实际地址 在指令的操作数地址字段 可能要指出 运算器中的累加器的编号或专用寄存器名称 编号 输入 输出指令中用到的I O设备的端口地址 内存储器的一个存储单元 或一I O设备 的地址有多种基本寻址方式和某些复合寻址方式 简介如下 寄存器寻址 计算机CPU的通用寄存器 用于存放操作数 操作数地址或中间结果 指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号 且所需的操作数就在这一寄存器中 这就是寄存器寻址方式 寄存器间接寻址 若该寄存器中存放的是操作数在内存储器中所在单元的地址 这就是寄存器间接寻址方式 立即数寻址 所需的一个操作数在指令的地址码部分直接给出 适用于操作数固定 如常数 一次性使用的数据 直接寻址 指令的地址码字段直接给出所需的操作数 7 寻址方式 变址寻址 操作数的地址由指定的变址寄存器 由Reg指定 的内容和指令中的地址码 Disp 相加得到 相对寻址 用程序计数器PC作为变址寄存器 间接寻址 指令的地址码字段给出的内容既不是操作数 而是操作数 或指令 地址的地址 基址寻址 操作数的地址由基址寄存器的内容和指令中的地址码相加 堆栈寻址 SP给出堆栈的栈顶 或次栈顶 地址 7 寻址方式 8 指令功能和类型 一台计算机所设置的指令 反映该计算机的硬件所能实现的基本功能 希望计算机的基本功能愈多愈好 但是指令系统就愈复杂 即复杂指令系统 CISC 为提高计算机运行速度 希望指令能够在一个指令周期内执行完毕 即精简指令集 SISC 现在采用CISC 增强系统管理功能对硬件的支持 如中断系统 操作系统的进程管理等 分类 不同的机器对指令的分类不同 按指令格式分 双操作数指令 单操作数指令 转移类指令 按操作数寻址方式分 RR型 RX型 RS型 SI型 SS型 按指令功能分 传送类指令 访存类指令 算术运算 逻辑运算 I O指令 程序控制类 处理机控制类等 指令分类 9 RISC技术 指令是对计算机本身的功能体现 对用户完成程序设计的难易程度和工作效率 有非常重要的影响 对每一条指令 计算机必须有相应的硬件支持 以完成相应的功能 当前的计算机指令系统 从其构成的复杂和完备程度 可分为CISC和RISC两类 RISC ReducedInstructionSetComputer 只有数目较少 格式与功能简单 运行高效的指令 特点是控制器实现简单 运行高速 9 RISC技术 CISC ComplexInstructionSetComputer 特点是 指令条数多 格式多样 寻址方式复杂 每条指令的功能强 优点是汇编程序设计容易 但计算机控制器的实现困难 很多指令被使用的机会并不多 CPU运算速度 由程序中执行的指令条数I 每条指令执行需要的周期数CPI和每个周期的时间T确定 即 执行程序时间 I CPI T当T相同 减少CPI数可以提高执行程序执行时间 根据统计 一般程序中 80 以上为简单指令 因此RISC能够提高CPU速度 练习题 1 在计算机中设置堆栈的目的是什么 2 何谓堆栈 说明堆栈指针SP的作用 3 按指令地址结构 可将实用的指令格式分为哪几类 分别画出其格式 4 试举例说明二地址结构的双操作数指令格式 5 指令中如何提供立即操作数 6 在多重转子中 用什么方法存放返回地址比较方便 为什么 7 如何在指令中表明寻址方式的类型 8 某指令字长12位 每个地址字段4位 若要求有12条双操作数指令 问单操作数指令最多可有多少条 练习题 9 某机指令字长12位 每个地址字段三位 试提出一种地址字段分配方案 使该机指令系统能有6条三地址指令 8条二地址指令 10 简化指令地址结构的基本途径是什么 11 直接寻址和寄存器直接寻址有何不同 12 主机调用外围设备 外设编址可采用哪几种方式 13 举例说明变址寻址方式的寻址过程 14 指令格式设计主要应考虑哪些问题 15 何为隐式I 0指令 其主要特点是什么 16 当指令字长一定时 如何减少地址段的位数 17 何谓扩展操作码 第五章复习题本章主要讨论 运算器CPU逻辑组成 控制器数据通路结构CPU工作原理 指令的执行过程与外部设备的连接 1CPU的组成 CPU 中央处理单元 包括 运算器和控制器 是计算机的核心 计算机信息分为 数据流 数据信息 控制流 指令信息 控制信息 控制器是全机的指挥系统 它根据指令序列 外部请求 控制台操作来协调全机工作 确定什么时间 什么条件发出哪些微命令 1 对指令执行顺序的控制 CPU的主要功能 2 对指令操作的控制 指令一组控制信号 3 操作时序的控制4 对数据加工处理1 CPU的组成 运算部件 寄存器 控制部件 内部总线 时序系统等组成 2寄存器设置 根据需要设置数量不等的寄存器 用于数据处理的寄存器通用寄存器组 一组可编程访问的 具有多种功能的寄存器 暂存器 用于临时存放数据 用户不能访问 用于控制的寄存器指令寄存器IR 用于存放现在正在运行的指令 输出产生操作控制命令系列 保存到指令执行完毕 一般为指令栈 程序计数器PC 用于保存下一条指令的地址 指令计数器 程序状态字寄存器PSW 用作与主存的接口 MAR MBR 用户不能访问 3 总线 一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路 4 微操作命令产生部件 产生微操作的基本依据 时间 周期 节拍 脉冲信号 指令代码 OP 寻址码 寄存器号 状态 外部请求产生微命令部件 组合逻辑控制器 微程序控制器 控制器的任务 决定在什么时间 根据什么条件发什么命令 脉冲 电平 组合逻辑控制器 将时间信号 指令代码 状态 外部请求等作为输入信号 通过逻辑电路进行译码或者信号扩展产生控制需要的微命令信号 微程序控制器 思路同工作程序 将各指令操作所需要的微命令事先写入一个存储器中 位于CPU内部 ROM 叫做CM 每步操作需要的微命令 从CM中取出后送往相应部件执行 5 信息传送控制方式 1 串行链接方式2 程序查询方式 CPU与外设交换信息 I O准备期间 CPU不作任何其他工作 等待查询外设状态 外设准备好后 执行指令传送数据 缺点 CPU效率低 3 程序中断方式 程序中断方式 中断方式 CPU暂停执行现在的程序 转去执行中断处理服务子程序 以处理某些随机事件 处理完毕后自动恢复原程序执行 特点 处理随机事件功能强 故障处理 硬件中断 时钟中断 某事件告一段落等 需要专门硬件管理 5 信息传送控制方式 4 DMA方式 DMA方式 直接存储器存取方式 直接依靠硬件在主存与I O设备之间进行高速数据传送 DMA方式特点 进行简单的高速数据传送 不能处理复杂事务 数据传送期间不需要CPU干预 CPU效率高 需要专门硬件管理DMA初始化 CPU向DMA控制器 1 送出控制字 2 送出主存缓冲区首地址 3 数据交换量 6 时序控制方式与时序系统 时序控制方式 指操作与时序信号之间的控制方式 根据处理方式分 a 同步控制方式 b 异步控制方式c 联合控制方式1 同步控制方式 各项操作受统一时序 由CPU或其他设备提供 控制特点 时钟周期时间固定 各步操作的衔接 各部件之间的数据传送受严格同步定时控制 6 时序控制方式与时序系统 2 异步控制方式 各项操作按不同需要安排时间 不受统一时序控制 特点 不设立统一的时间间隔 各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式 申请 响应 询问 应答 3 联合控制方式 联合控制方式是采用同步与异步相结合的控制方式 7 同步控制的时序系统 1 时序划分层次 在同步控制方式中 常将时序划分为几个层次 称为多级时序 一般有a 指令周期 读取并执行一条指令所需的时间 b 工作周期 机器周期 完成某段具体操作所需的时间 如取指 取操作数 执行 c 时钟周期 节拍 一个工作周期的操作可能由几步完成 用节拍为其定时 节拍为同步控制的基本时间单位 d 定时脉冲 时间周期确定了分配时间的阶段 但是有的操作需要严格定时 如打入数据到某寄存器 定时脉冲周期更换标志和打入数据操作 7 同步控制的时序系统 2 同步控制时序设计 一是以访内存为时间节拍 因为访问内存时间长 一是以访问CPU为时间节拍 则访问内存一个节拍内无法完成 3 多级时序划分举例 二级时序举例 3 多级时序划分举例 8 指令执行 CPU的控制流程从宏观上表示了指令的执行过程 从微观上分析 每一条指令的执行过程可分解为一组操作序列 操作 指功能部件的动作 微操作 是指令序列中最基本的 不可再分割的动作 指令的执行可以分为三个阶段 取指 取操作数和执行 而每个阶段又由若干微操作序列构成 9 微命令设置 1 ALU输入选择 R0A R0B CB 2 ALU功能选择 S3 S0 M C03 移位功能选择 DM 左移 右移 4 打入脉冲 CPR0 CPMAR 5 系统总线及主存有关微命令 EMAR SIR SMBR等等 R W 读写控制 10 具体指令执行流程 1 MOVE指令2 双操作数指令流程3 单操作数指令流程4 转移指令JMP 返回指令RST流程5 转子指令流程6 中断周期流程7 DMA周期流程 11 微程序控制原理 1 基本原理将控制器所需要的微命令 以代码 微码 的形式编成微指令 存入ROM控制存储器中 CPU执行指令时 从控制存储器中取出微指令 其中包含的微命令控制有关操作 将各种机器指令的操作分解为若干微操作系列 每条微指令包含的微命令控制实现一步操作 若干条微指令组成一段微程序 解释执行一条机器指令 1 控制器逻辑组成 2 有关术语 机器指令 微指令 微命令 微操作 微周期 微程序 11 微程序控制原理 2 微指令编码方式直接控制法 不译法 控制字段的每一位就是一个微命令 直接对应于一种微操作 分段直接编译法 将微指令分为若干小字段 各段独立地通过译码电路译码 译码后为一种微命令 分段原则 同类操作互斥微命令分为一组 分段间接编译法 字段的含义与本字段有关 其他字段参与解释 3 微程序的顺序控制方式 初始微地址的形成 1 取机器指令 公共操作 放在特定的单元 0 或者其他 2 功能转移 可以根据指令代码转换成微程序的入口地址 一级功能转移 OP作为转移地址低段 多级功能转移 一级功能转移后 再由寻址方式进行二次转移 由PLA电路译码实现功能转移 后继微地址的形成 找到微程序入口地址 取出微指令开始执行 后继微地址根据微程序顺序控制字段的规定形成后继微地址 1 增量方式 顺序执行 跳步执行 转移 转子 返回 2 断定方式 微指令格式的分类 1 垂直型微指令2 水平型微指令3 混合型微指令 作业题 一 简答题1 为什么有的计算机在指令衔接上采取串行处理方式 有的采取重叠处理方式 2 何谓同步控制 何谓异步控制 3 各举一例说明同步控制与异步控制的应用场合 5 在教材P233图5 4 2中 哪些寄存器主要用于运算处理 哪些寄存器用于控制 哪些寄存器是与主存之间的接口 6 何谓中断 请说明它的适用场合 7 何谓DMA方式 请说明它的适用场合 8 微程序控制思想的基本要点是什么 9 在采用DMA方式时 应进行哪些程序准备工作 初始化 设计题按模型机的数据通路 写出下列各指令流程 1 写出逻辑乘指ANDR2 R0 的指令执行流程 3 写出返回指令RST R1 的指令执行流程 并且列出取指令阶段的操作时间表 4 写出转移指令JMPx pc 的指令执行流程 6 写出转子指令JSR R0 的指令执行流程 7 写出传送指令MOVR0 R1 的指令执行流程 并且列出指令执行阶段的操作时间表 8 写出传送指令ADDx R0 R1 的指令执行流程 第六章输入 输出设备 字符显示器为了实现同步控制 一般应设置哪几级同步计数器 按计数顺序列出 各自的作用是什么 2 图形显示器一般应设哪几级同步计数器 3 24针打印机每次打印纵向一列 可打印多少点 9针打印机呢 4 在图形显示方式中 显示缓存器中存放的是ASCII码吗 5 在图形显示方式中 字符发生器的作用是什么 6 某宽行打印机行宽80列 可打印字符64种 则打印机一行最多需打印多少次 7 在字符显示器中 什么时候CPU需要访问一次显示存储器 8 编码键盘和非编码键盘的区别是什么 哪一种较好 9 打印机接口应选用什么接口 10 某字符显示器 每帧可显示26行 80列 显示缓存至少多大 第七章输入 输出系统 计算机系统 CPU子系统 存储器子系统 I O子系统组成 1 I O子系统组成 硬件方面 外围设备 接口 系统总线组成 公共接口 中断控制逻辑 DMA控制器等 软件方面 设备驱动程序 操作系统中 用户I O程序 设备控制程序 2 主机与外设间的连接方式3 总线类型 单总线 多总线并行总线 串行总线同步总线 异步总线数据通路宽度 总线可以同时传送的二进制数据位数 4 接口的功能与分类 功能 寻址功能 数据传送与缓冲功能 数据格式转换功能 控制逻辑 解释 执行CPU向接口发出的命令信息 分类 数据传输 串行接口 并行接口时序 同步接口 异步接口信息控制 中断接口 DMA接口5 直接程序传送方式直接程序传送方式 指CPU直接利用I O指令编程 实现数据的输入与输出 适用场合 操作相对固定 有意安排 接口设计 考虑如何查询外设状态 数据缓冲 命令寄存器等 执行 当CPU获得接口已经准备好信息 执行数据传送当接口尚未准备好 CPU等待 查询 接口提供查询信息 6 程序中断方式 中断方式 当发生随机的紧急事务时 CPU暂时停止执行当前程序 切换到相应的处理子程序处理紧急事务 处理完毕自动返回被中断了的程序继续执行 中断处理能力强 可以根据需要扩展 实现切换 CPU在中断周期IT执行 保存断点 转入中断服务子程序 返回时需要恢复现