考研计算机冲刺班组成原理讲义-杨楠

1、计算机组成原理部分【考查目标】1. 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。2. 理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。3. 能能够运用用计算机机组成的的基本原原理和基基本方法法，对有有关计算算机硬件件系统中中的理论论和实际际问题进进行计算算、分析析，并能能对一些些基本部部件进行行简单设设计。一、 计计算机系系统概述述 本章属属于计算算机组成成原理概概述部分分，内容容比较简简单，也也容易掌掌握，在在考研中中没有太太难的题题目。下下面就本本章内容容，主要要部分作作以下归归

2、纳：（一）计计算机的的类型 电子计计算机分分为两大大类：电电子模拟拟计算机机和电子子数字计计算机。 电子数数字计算算机的主主要特点点是：按按位运算算。 数字计计算机又又可分为为专用计计算机和和通用计计算机。 通用计计算机又又分巨型型机、大大型机、中型机机、小型型机、微微型机和和单片机机。 它们的的区别在在于体积积、简易易性、功功率损耗耗、性能能指标、数据存存储容量量、指令令系统规规模和机机器价格格等。计算机的的应用范范围：社社会的各各个领域域。（二）计计算机发发展历程程 计算机机系统的的发展历历史如下下： 第1代代计算机机（19946年年19557年）：电子子管时代代； 第2代代计算机机（19

3、958年年19664年）：晶体体管时代代； 第3代代计算机机（19965年年19771年）：中小小规模集集成电路路时代； 第4代代计算机机（19972年年19885年）：超大大规模集集成电路路时代； 第5代代计算机机（19986年年至今）：巨大大规模集集成电路路时代。（三）计计算机系系统层次次结构1. 计计算机硬硬件的基基本组成成硬件分为为5大部部分：控控制器、运算器器、存储储器、输输入设备备和输出出设备。早期运算算器和控控制器构构成计算算机的CCPU，现在一一般还加加上CPPU内部部的Caachee共同构构 成成CPUU，加入入的是第第一级CCachhe，也也是存储储器中速速度最快快，容量量

4、最小的的存储器器。对冯诺诺依曼计计算机体体系结构构的特点点要有深深刻的理理解：使使用二进进制（为为何用二二进制？）存储程序序，并且且按照地地址顺序序执行。存储程程序并按按照地址址顺序执执行是冯冯诺依曼曼计算机机设计的的关键思思想。2. 计计算机软软件的分分类计算机软软件按照照面向对对象的不不同可分分两类：系统软软件和应应用软件件。系统软件件：用于于管理整整个计算算机系统统，合理理分配系系统资源源，确保保计算机机正常高高效地运运行，这这类软件件面向系系统。应用软件件：是面面向用户户根据用用户的特特殊要求求编制的的应用程程序，这这类软件件通常实实现用户户的某类类要求。3. 计计算机的的工作过过程冯

5、诺依依曼计算算机特点点基本上上指出了了计算机机的工作作过程。冯诺依曼曼体系结结构的基基本思想想是：存存储程址址顺序自自动执行行。首先先将指令令和数据据存储到到计算机机中，计计算机启启动后，就能够够序取出出指令并并依次执执行，直直到程序序执行完完毕，得得到计算算结果为为止。 冯诺依曼曼体系结结构计算算机包含含5个基基本部件件：输入入设备、运算器器、控制制器和输出出设备。运算器器进行数数据运算算和数据据变换；控制器器为计算算机的工工作提供供统一的的时钟，对程序序的各基基本操作作进行时时序分相相应的控控制信号号，驱动动计算机机的各部部件有序序地完成成程序规规定的操操作内容容；存储储器用来来存放程程序

6、、数数据和运运算结果果；输入入瑜出设设备则完完成相应应的输入入输出转转换。4计算算机系统统的层次次结构（1）层层次结构构。计算算机系统统是一个个复杂的的软、硬硬件结合合体，它它包含硬硬件系统统和软件件系统两两部分。它通常常由5个个不同的的级组成成，在每每一级都都能够进进行程序序设计。由微程程序设计计级、一一般机器器级、操操作系统统级、汇汇编语言言级和高高级语言言级组成成，如图图所示：（2）软软件和硬硬件逻辑辑上的等等价性，任何操操作可以以由软件件来实现现也可以以由硬件件来实现现。早期期主要由由软件来来实现较较复杂的的逻辑（硬件软软化），现在存存在软件件硬化的的趋势。 尤其其注意计计算机是是一个

7、软软件和硬硬件结合合的整体体系统。固件：把软件件刻入RROM,使软件件固化，这样得得到的一一个实体体就是固固件。（3）兼兼容性。兼容性性的设计计思想实实际上就就是系列列机的概概念。在在系列机机中，新新机型要要求支持持老机型型上开发发的软件件；而且且还有硬硬件上的的兼容要要求。兼兼容要求求软件和和硬件设设备能够够直接在在不同的的机型上上使用。计算机系系统的层层次结构构（四）计计算机性性能指标标（1）基基本字长长。基本本字长是是指参与与运算的的数的基基本长度度，它由由加法器器、寄存存器和数数据总线线的位数数决定。字长标标志着精精度，字字长越长长，运算算精度越越高。（2）主主存容量量。计算算机主存存

8、储器所所能够存存储的信信息的全全部总量量，称为为主存容容量。以以字节数数来表示示存储容容量的计计算机称称为字节节编码计计算机；而以字字为单位位编址的的计算机机，存储储容量等等于字数数乘以字字长。（3）主主频。每每台计算算机的内内部，都都有一个个不断地地产生固固定频率率时钟脉脉冲的装装置，称称为主时时钟。主主时钟的的频率通通常是机机器的主主频率，主频率率是衡量量一台,-c,蹲机速速度的重重要参数数。（4）运运算速度度。运算算速度通通常反映映计算机机运算的的快慢。对运算算速度的的衡量有有以下几几种方法法：根据不同同类型指指令在计计算过程程中出现现的频率率乘上不不同的系系数，求求得统计计平均值值，这

9、时时所指的的运算速速度是平平均运算算速度。直接给出出每条指指令的实实际执行行时间。以MIPPS和MMFLOOPS作作为计量量单位来来衡量运运算速度度。MIIPS表表示每秒秒百万条条指令，MFLLOPSS表示每每秒百万万次浮点点运算。1. 吞吞吐量、响应时时间（1) 吞吐量量：单位位时间内内可执行行程序的的个数。（2) 响应时时间：从从事件开开始到事事件结束束的时间间，也称称执行时时间。2. CCPU时时钟周期期、主频频、CPPI、CCPU执执行时间间（1） CPUU时钟周周期：机机器主频频的倒数数，Tcc（2）主主频：CCPU工工作主时时钟的频频率，机机器主频频Rc（3）CCPI：执行一一条指

10、令令所需要要的平均均时钟周周期（4）CCPU执执行时间间：TCCPU=InCPIITCIn执行行程序中中指令的的总数，CPII执行每每条指令令所需的的平均时时钟周期期数，TC时时钟周期期时间的的长度。3. MMIPSS、MFFLOPPS（1）MMIPSS(Miilliion Insstruuctiionss Peer SSecoond) MIPSS = In/(Tee106)= Inn/(IInCPIITc106)= Rcc/(CCPI106)Te：执执行该程程序的总总时间，In：执行该该程序的的总指令令数，Rc：时钟周周期Tcc的到数数 MIPPS只适适合评价价标量机机，不适适合评价价向量机

11、机。标量量机执行行一条指指令，得得到一个个运行结结果。而而向量机机执行一一条指令令，可以以得到多多个运算算结果。（2） MFLLOPSS(Miilliion Flooatiing Poiint Opeerattionns PPer Seccondd) MFLLOPSS=Iffn/(Te106)Ifn：程序中中浮点数数的运算算次数 MMFLOOPS测测量单位位比较适适合于衡衡量向量量机的性性能。一一般而言言，同一一程序运运行在不不同的计计算机上上时往往往会执行行不同数数量的指指令数，但所执执行的浮浮点数个个数常常常是相同同的。二、 数数据的表表示和运运算（一）数数制与编编码1. 进进位计数数制及

12、其其相互转转换（1）进进位计数数制进位计数数制是指指按照进进位制的的方法表表示数，不同的的数制均均涉及两两个基本本概念：基数和和权。任意一个个R进制制数X，设整数数部分为为n位，小数部部分为mm位，则则X可表表示为：Xann-1rrn-11 + an-2rn-2 + +a0r0 +a-1r-1 +a-2r-2 + +a-mr-m(X)rr = （2）不不同数制制间的数数据转换换1）二、八、十十六进制制数转换换成十进进制数利用上面面讲到的的公式： (NN)2=Di2i 、(N)88=Di8i、 (N)116=Di16i、进行行计算。2）十进进制数转转换成二二进制数数对整数部部分，一一般采用用除2

13、取取余数法法，对小小数部分分，一般般用乘22取整数数法。3）二进进制数、八进制制数和十十六进制制数之间间的转换换3位二进进制数组组成1位位八进制制数，44位二进进制数组组成1位位十六进进制数。对于一个个兼有整整数和小小数部分分的数以以小数点点为界，小数点点前后的的数分别别分组进进行处理理，不足足的位数数用0补补足。对对整数部部分将00补在数数的左侧侧，对小小数部分分将0补补在数的的右侧。这样数数值不会会发生差差错。2. 真真值和机机器数真值：数数据的数数值通常常以正(+)负负(-)号后跟跟绝对值值来表示示，称之之为“真值”。机器数：在计算算机中正正负号也也需要数数字化，一般用用0表示示正号，1

14、表示示负号。把符号号数字化化的数成成为机器器数。3. BBCD码码在计算机机中采用用4位二二进制码码对每个个十进制制数位进进行编码码。4位位二进制制码有116种不不同的组组合，从从中选出出10种种来表示示十进制制数位的的099，用000000，00001，10001分别别表示00，1，9，每个个数位内内部满足足二进制制规则，而数位位之间满满足十进进制规则则，故称称这种编编码为“以二进进制编码码的十进进制（bbinaary coodedd ddeciima11，简称称BCDD）码”。加法运算算的修正正规则是是： 如果果两个一一位BCCD码相相加之和和小于或或等于(10001)22，即(9)110

15、，不不需要修修正； 如相相加之和和大于或或等于(10110)22，或者者产生进进位，要要进行加加6修正正，如果果有进位位，要向向高位进进位。4. 字字符与字字符串在计算机机中要对对字符进进行识别别和处理理，必须须通过编编码的方方法，按按照一定定的规则则将字符符用一组组二进制制数编码码表示。字符的的编码方方式有多多种，常常见的编编码有AASCIII码、EBCCDICC码等。1）ASSCIII码ASCIII码用用7位二二进制表表示一个个字符，总共1128个个字符元元素，包包括100个十进进制数字字（0-9）、52个个英文字字母（AA-Z和和a-zz）、334专用用符号和和32控控制符号号。2）EB

16、BCDIIC码为为Exttendded Binnaryy Coodedd Deecimmal Inttercchannge Codde的简简称，它它采用88位来表表示一个个字符。3）字符符串的存存放向量存储储法：字字符串存存储时，字符串串中的所所有元素素在物理理上是邻邻接的。串表存储储法：字字符串的的每个字字符代码码后面设设置一个个链接字字，用于于指出下下一个字字符的存存储单元元的地址址。5. 校校验码码距： 码距根据据任意两两个合法法码之间间至少有有几个二二进制位位不相同同而确定定的，仅仅有一位位不同，称其码码距为1。（1）奇奇偶校验验码它的实现现原理，是使码码距由11增加到到2。若编编码中

17、有有1位二进进制数出出错了，即由11变成0，或者者由0变成1。这样样出错的的编码就就成为非非法编码码，就可可以知道道出现了了错误。在原有有的编码码之上再再增加一一位校验验位，原原编码nn位，形形成新的的编码为为n+11 位。增加的的方法有有2种：奇校验：增加位位的0或1要保证证整个编编码中11的个数数为奇数数个。偶校验：增加位位的0或1要保证证整个编编码中11的个数数为偶数数个。（2）海海明校验验码它的实现现原理，是在数数据中加加入几个个校验位位，并把把数据的的每一个个二进制制位分配配在几个个奇偶校校验组中中。当某某一位出出错就会会引起有有关的几几个校验验组的值值发生变变化，这这不但可可以发现

18、现出错，还能指指出是哪哪一位出出错，为为自动纠纠错提供供了依据据。假设校验验位的个个数为rr，则它它能表示示2r个信息息，用其其中的一一个信息息指出“没有错错误”，其余余2r-1个信信息指出出错误发发生在哪哪一位。然而错错误也可可能发生生在校验验位，因因此只有有k=22r-1-r个信信息能用用于纠正正被传送送数据的的位数，也就是是说要满满足关系系：2r=k+rr+1 （3）CCRC校校验码CRC校校验码一一般是指指k位信信息之后后拼接rr位校验验码。关关键问题题是如何何从k位位信息方方便地得得到r位位校验码码，以如如何从位位k+rr信息码码判断是是否出错错。 将带带编码的的k位有有效信息息位组

19、表表达为多多项式： MM(x)=Ckk-1xxk-11+ CCk-22xk-22 + + Cixi + C1xx + C0式Ci中中为0或或1. 若将将信息位位左移rr位，则则可表示示为多项项式M(x).xr。这样就就可以空空出r位位，以便便拼接rr位校验验位。 CRRC码是是用多项项式M(x).xr除除以生成成多项式式G(xx)所得得的余数数作为校校验码的的。为了了得到rr位余数数，G(x)必必须是rr+1位位。设所得的的余数表表达式为为R(xx)，商商为Q(x)。将余数数拼接在在信息位位组左移移r位空空出的rr位上，就构成成了CRRC码，这个码码的可用用多项式式表达为为：M(x)xr+R(

20、xx)=Q(xx)G(xx)+RR(x)+RR(x) =Q(xx)G(xx)+R(x)+R(xx) =Q(x)G(xx)因此，所所得CRRC码可可被G(x)表表示的数数码除尽尽。将收到的的CRCC码用约约定的生生成多项项式G(x)去去除，如如果无错错，余数数应为00，有某某一位出出错，余余数不为为0。（二）定定点数的的表示和和运算1. 定定点数的的表示（1）无无符号数数的表示示无符号数数就是指指正整数数，机器器字长的的全部位位数均用用来表示示数值的的大小，相当于于数的绝绝对值。对于字字长为nn+1位位的无符符号数的的表示范范围为：02n+11-1。（2）带带符号数数的表示示带符号数数是指在在计

21、算机机中将数数的符号号数码化化。在计计算机中中，一般般规定二二进制的的最高位位为符号号位，最最高位为为“0”表示该该数为正正，为“1”表示该该数为负负。这种种在机器器中使用用符号位位也被数数码化的的数称为为机器数数。根据据符号位位和数值值位的编编码方法法不同，机器数数分为原原码、补补码和反反码。1）原码码表示法法机器数的的最高位位为符号号位，00表示正正数，11表示负负数，数数值跟随随其后，并以绝绝对值形形式给出出。这是是与真值值最接近近的一种种表示形形式。2）补码码表示法法机器数的的最高位位为符号号位，00表示正正数，11表示负负数，其其定义如如下：3）反码码表示法法 机器器数的最最高位为为

22、符号，0表示正正数，11表示负负数。反反码的定定义：4）原码码、补码码和反码码的说明明数表示的的范围，原码为：-1x-0，+0 x11；0有有-0（1.000）和+0（00.000）两种种表示形形式补码为：-1x-0，+0 x11；0只只有一种种表示方方式，xx最小可可以等于于-1反码为：-1x-0，+0 x11；0有有-0（1.111）和+0（00.000）两种种表示形形式2. 定定点数的的运算（1）定定点数的的位移运运算左移，绝绝对值扩扩大；右右移，绝绝对值缩缩小。算算术移位位规则：符号位位不变算术移位位和逻辑辑移位的的区别：算术移移位：带带符号数数移位；逻辑移移位：无无符号数数移位；（2

23、）原原码定点点数的加加/减运运算对原码表表示的两两个操作作数进行行加减运运算时，计算机机的实际际操作是是加还是是减，不不仅取决决指令中中的操作作码，还还取决于于两个操操作数的的符号。而且运运算结果果的符号号判断也也较复杂杂。例如，加加法指令令指示做做（AA）（B）由于一一操作数数为负，实际操操作是做做减法（A）-（+B），结果符符号与绝绝对值大大的符号号相同。同理，在减法法指令中中指示做做（AA）（B）实际操操作做加加法（A）（BB），结结果与被被减数符符号相同同。由于于原码加加减法比比较繁琐琐，相应应地需要要由复杂杂的硬件件逻辑才才能实现现，因此此在计算算机中很很少被采采用。（3）补补码定点

24、点数的加加/减运运算1) 加加法整数 A补 + B补= A+B补（mood 22n+1）小数 A补 + B补= A+B补（mood 22）2) 减减法整数 A补- B补= A+(-B)补=A补+ -B补（mood 22n+1）小数 A补- B补= A+(-B)补=A补+ -B补（mood 22）无需符号号判定，连同符符号位一一起相加加，符号号位产生生的进位位自然丢丢掉（4）定定点数的的乘/除除运算1）乘法法原原码一位位乘法 两个原码码数相乘乘，其乘乘积的符符号为相相乘两数数的异或或值，数数值两数数绝对值值之积。定定点补码码一位乘乘法有的机器器为方便便加减法法运算，数据以以补码形形式存放放。乘法

25、法直接用用补码进进行，以以减少转转换次数数。具体体规则如如下： xxy补=XX补（-y0 + 00. yy1 y2 yn ）布布斯法布斯公式式：在乘数数Yn后添添加Ynn+1=0。按按照Ynn+1 ，Yn相邻邻两位的的三种情情况，其运算算规则如如下：（1） Yn+1 ，Yn =0（ Ynn+1 Yn =000或111），部部分积加加0，右右移1位;（2） Yn+1 ，Yn=11（ YYn+11 Ynn =110），部分积积加XX补，右移11位；（3） Yn+1 ，Yn =-11（ YYn+11 Ynn =001），部分积积加X补，右移11位最后一步步不移位位。原原码两位位乘法，因此实实际操作作

26、用Yii-1、Yi、C三位位来控制制。Yi-11 YYi CC操作 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +00，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +22X，右右移2位 00C +22X，右右移2位 00C -X，右移2位 1C -X，右移2位 1C +0，右移2位 11C 补补码两位位乘法，根据前前述的布布斯算法法，将两两步合并并成一步步，即可可推导出出补码两两位乘的的公式。Yi-11 YYi CC操作 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +00

27、，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +22X，右右移2位 00C +22X，右右移2位 00C -X，右移2位 1C -X，右移2位 1C +0，右移2位 11C 2）除法法定定点原码码一位除除法1恢复复余数法法被除数（余数）减去除除数，如如果为00或者为为正值时时，上商商为1，不恢复复余数；如果结结果为负负，上商商为0，再将除除数加到到余数中中，恢复复余数。余数左左移1位位。2加减减交替法法当余数为为正时，商上11，求下下一位商商的办法法，余数数左移一一位，再再减去除除数；当当余数为为负时，商上00，求下下一位商商的办法法，余数数左移一一位，再再加上除除数。定定

28、点补码码一位除除法（加加减交替替法）1如果果被除数数与除数数同号，用被除除数减去去除数；若两数数异号，被除数数加上除除数。如如果所得得余数与与除数同同号商上上1，否否则，商商上0，该商为为结果的的符号位位。2求商商的数值值部分。如果上上次商上上1，将将除数左左移一位位后减去去除数；如果上上次商上上0，将将余数左左移一位位后加除除数。然然后判断断本次操操作后的的余数，如果余余数与除除数同号号商上11，如果果余数与与除数异异号商上上0。如如此重复复执行nn-1次次（设数数值部分分n位）。3商的的最后一一位一般般采用恒恒置1的的办法，并省略略了最低低+1的的操作。此时最最大的误误差为22-n。（5）

29、溢溢出概念念和判别别方法当运算结结果超出出机器数数所能表表示的范范围时，称为溢溢出。显显然，两两个异号号数相加加或两个个同号数数相减，其结果果是不会会溢出的的。仅当当两个同同号数相相加或者者两个异异号数相相减时，才有可可能发溢溢出的情情况，一一旦溢出出，运算算结果就就不正确确了，因因此必须须将溢出出的情况况检查出出来。判判别方法法有三种种：1）当符符号相同同的两数数相加时时，如果果结果的的符号与与加数（或被加加数）不不相同，则为溢溢出。2）当任任意符号号两数相相加时，如果CC=Cff，运算算结果正正确，其其中C为为数值最最高位的的进位，Cf为为符号位位的进位位。如果果CCf ，则为为溢出，所以

30、溢溢出条件件=CCf 。3）采用用双符号号fs22fs1，正数的的双符号号位为000，负负数的双双符号位位为111。符号号位参与与运算，当结果果的两个个符号位位甲和乙乙不相同同时为溢溢出。所所以溢出出条件= fss2fs1。（三）浮浮点数的的表示和和运算1. 浮浮点数的的表示（1）浮浮点数的的表示范范围浮点数是是指小数数点位置置可浮动动的数据据，通常常以下式式表示： N=MMRE其中，NN为浮点点数，MM为尾数数，E为为阶码，R称为为“阶的基基数（底底）”，而且且R为一一常数，一般为为2、88或166。在一一台计算算机中，所有数数据的RR都是相相同的，于是不不需要在在每个数数据中表表示出来来。

31、因此此，浮点点数的机机内表示示一般采采用以下下形式：浮点数的的机内表表示一般般采用以以下形式式：MsEM 1位 n+11位 m位位Ms是尾尾数的符符号位，设置在在最高位位上。E为阶码码，有nn+1位位，一般般为整数数，其中中有一位位符号位位，设置置在E的的最高位位上，用用来表正正阶或负负阶。M为尾数数，有mm位，由由Ms和和M组成成一个定定点小数数。Mss=0，表示正正号，MMs=11，表示示负。为为了保证证数据精精度属数数通常用用规格化化形式表表示：当当R22，且尾尾数值不不为0时时，其绝绝对值大大于或等等于(00.5)10。对非规规格化浮浮点数，通过将将尾数左左移或右右移，并并修改阶阶码值

32、使使之满足足规格化化要求。（2）IIEEEE7544标准根据IEEEE 7544国际标标准，常常用的浮浮点数有有两种格格式：（1）单单精度浮浮点数（32位位），阶阶码8位位，尾数数24位位（内含含：位符符号位）。（2）双双精度浮浮点数（64位位），阶阶码111位，尾尾数533位（内内含：位位符号位位）。单精度格格式322位，阶阶码为88位，尾尾数为223位。另有一一位符号号位S，处在最最高位。由于IEEEE7754标标准约定定在小数数点左部部有一位位隐含位位，从而而实际有有效位数数为244位。这这样使得得尾数的的有效值值变为11.M 。例如，最最小为xx1.000,，最大为为x1.11。规规格

33、化表表示。故故小数点点左边的的位横为为1，可可省去。 阶码部分分采用移移码表示示，移码码值1227，11到2554经移移码为-1266到+1127。S(1位位) E(8位位) M(233位) N(共332位) 符号位0 0 0 符号位0 不等于00 (-1)S22-1226(0.MM) 为为非规格格化数符号位1到2554之间间- (-1)S22E-1127(1.M) 为规格格化数符号位255不等于00 NaN(非数值值) 符号位2550 无穷大0 有了了精确的的表示，无穷大大也明确确表示。对于绝绝对值较较小的数数，可以以采用非非规格化化数表示示，减少少下溢精精度损失失。非规规格化数数的隐含含位

34、是00，不是是1。2. 浮浮点数的的加/减减运算加减法执执行下述述五步完完成运算算：（1）“对阶”操作 比较较两浮点点数阶码码的大小小，求出出其差E，保保留其大大值E，E=mmax(Ex, Eyy)。当当E0时，将阶码码小的尾尾数右移移E位，并将其其阶码加加上E，使使两数的的阶码值值相等。（2）尾尾数加减减运算执行对阶阶之后，两尾数数进行加加减操作作。（3）规规格化操操作 规格格化的目目的是使使得尾数数部分的的绝对值值尽可能能以最大大值的形形式出现现。（4）舍舍入 在执执行右规规或者对对阶时，尾数的的低位会会被移掉掉，使数数值的精精度受到到影响，常用“0”舍“1”入法。当移掉掉的部分分最高位位

35、为1时时，在尾尾数的末末尾加11，如果果加1后后又使得得尾数溢溢出，则则要再进进行一次次右规。（5）检检查阶码码是否溢溢出 阶码码溢出表表示浮点点数溢出出。在规规格化和和舍入时时都可能能发生溢溢出，若若阶码正正常，加加/减运运算正常常结束。若阶码码下溢，则设置置机器运运算结果果为机器器零，若若上溢，则设置置溢出标标志。（四） 算术逻逻辑单元元ALUU1. 串串行加法法器和并并行加法法器（1）串串行进位位加法器器并行加法法器可以以同时对对数据的的各位进进行相加加，一般般用n个个全加器器来实现现2个操操作数的的各位同同时向加加。其操操作数的的各位是是同时提提供的，由于进进位是逐逐位形成成，低位位运

36、算所所产生的的进位会会影响高高位的运运算结果果。串行进位位（也称称波形进进位）加加法器，逻辑电电路比较较简单，但是最最高位的的加法运运算，一一定要等等到所有有低位的的加法完完成之后后才能进进行，低低位的进进位要逐逐步的传传递到高高位，逐逐级产生生进位，因此运运算速度度比较慢慢。串行进位位加法器器（2）并并行进位位加法器器为了提高高运算速速度，减减少延迟迟时间，可以采采用并行行进位法法，也叫叫提前进进位或先先行进位位。全加加器中，输入AAi、Bi、Ci-11，输出出：Si = AiiBiCii-1+AiBiiCi-11+AiiBiCii-1+AiBiiCi-11Ci = Aii Bii Cii-

37、1+Ai Bi Ci-1+Aii Bii Cii-1+Aii Bii Cii-1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci-1进位产生生函数：Gi = AAi BBi进位传递递函数：Pi = AAi+BBiCi = Gii + Pi Ci-1C4 = G44 + P4GG3 + P44P3GG2 + P44P3PP2G11 + P4PP3P22P1CC0并行进位位加法器器的运算算速度很很快，形形成最高高进位输输出的延延迟时间间很短，但是以以增加硬硬件逻辑辑线路为为代价。对于长长字长的的加法器器，往往往将加法法器分成成若干组组，在组组内采用用并行进进位，组组间则采采用串行行进位或或并行进进位，由由

38、此形成成多种进进位结构构。（1）单单级先行行进位单级先行行进位方方式将nn位字长长分为若若干组，每组内内采用并并行进位位方式，组与组组之间册册采用串串行进位位方式。（2）多多级先行行进位多级先行行进位在在组内和和组间都都采用先先行进位位方式。16位单单级先行行进位加加法器2. 算算术逻辑辑单元AALU的的功能和和机构ALU部部件是运运算器中中的主要要组成部部分，又又称为多多功能函函数发生生器，主主要用于于完成各各种算术术运算和和逻辑运运算。AALU的的算术运运算部件件包含加加法器、减法器器、乘法法器、除除法器、增量器器（+11）、减减量器（-1）、BCCD码运运算器等等组件。ALUU的主要要工

39、作是是根据CCPU的的指令要要求执行行各种指指定的运运算，如如加法、减法、乘法、除法、比较、逻辑移移位等操操作。通用寄存存器组是是一组存存取速度度最快的的存储器器，用于于保存参参加运算算的操作作数和中中间结果果。访问问寄存器器无需高高速缓存存，也不不需要运运行总线线周期，因此指指令的执执行速度度很快。几乎所所有的指指令都要要将寄存存器指定定为一个个操作数数，有些些指令还还要求将将操作数数存放在在专用的的寄存器器中。专用寄存存器通常常用于表表示CPPU所处处于某种种系统状状态，AALU中中有两个个重要的的状态寄寄存器：指令指指针寄存存器IPP（即程程序计数数器PCC）和标标志寄存存器FLLAGS

40、S。三、 存存储器层层次机构构（一）存存储器的的分类1. 按按存储介介质分类类分为半导导体存储储器、磁表面面存储器器、磁芯存存储器和和光盘存存储器2. 按按存取方方式分类类分为随机机存储器器、只读存存储器和和串行访访问存储储器3. 按按在计算算机中的的作用分分类存储器主存闪速存储器(Flash Memory)辅存缓存（Cache）只读存储器（ROM）静态RAM动态RAM随机存储器（RAM）MROMPROMEPROMEEPROM磁盘磁带光盘（二）存存储器的的层次化化结构存储器有有3个重重要的指指标：速速度、容容量和每每位价格格，一般般来说，速度越越快，位位价越高高；容量量越大，位价越越低，容容量

41、大，速度就就越低。上述三三者的关关系用下下图表示示：存储系统统层次结结构（三） 半导体体随机存存取存储储器1. SSRAMM存储器器的工作作原理1）静态态存储单单元SRAMM静态存存储单元元的每个个存储位位需要四四到六个个晶体管管组成。比较典典型的是是六管存存储单元元，即一一个存储储单元存存储一位位信息“0”或“1”。静态态存储单单元保存存的信息息比较稳稳定，信信息为非非破坏性性读出，故不需需要重写写或者刷刷新操作作；另一一方面，其结构构简单、可靠性性高、速速度较快快，但其其占用元元件较多多，占硅硅片面积积大，且且功耗大大，所以以集成度度不高。静态随机机存储单单元一个典型型的SRRAM结结构图

42、静态存储储器的结结构。SSRAMM普遍采采用全地地址线方方式，即即芯片地地址管脚脚安排了了内部必必要的全全部行地地址和列列地址。芯片采采用片选选信号CCS。SSRAMM存储器器由存储储体、读读写电路路、地址址译码器器和控制制电路等等组成。一个典典型的SSRAMM结构如如图所示示。2. DDRAMM存储器器的工作作原理1）动态态存储单单元常见的动动态RAAM存储储单元有有三管式式和单管管式两种种，它们们的共特特点是靠靠电容存存储电荷荷的原理理来寄存存信息。若电容容上存有有足够的的电荷表表示“”，电容容上无电电荷表示示“0”。电容容上的电电荷一般般只能维维持1-2mss，因此此即使电电源不掉掉电，

43、电电容上的的电荷会会自动消消失。因因此，为为保证信信息的不不丢失，必须在在2mss之内就就要对存存储单元元进行一一次恢复复操作，这个过过程称为为再生或或者刷新新。与静静态RAAM相比比，动态态RAMM具有集集成度更更高、功功耗更低低等特点点，目前前被各类类计算机机广泛使使用。三管动态态RAMM基本单单元单管管动态RRAM基基本单元元2)DRRAM存存储单元元的刷新新刷新方式式刷新方法法特点集中式在整个刷刷新间隔隔内，前前一段时时间重复复进行读读写周周期或维维持周期期，等到到需要进进行刷新新操作时时，便暂暂停读写或维维持周期期，而逐逐行刷新新整个存存储器集中时间间刷新。有死时时间存在在逐行刷刷新

44、。适适合于高高速存储储器分散式把一个存存储系统统周期丸丸分为两两半，周周期前半半段时间间tm用用来读写操作作或维持持信息，周期后后半段时时间丸作作为刷新新操作时时间。这这样，每每经过nn个系统统周期时时间，整整个存储储器便全全部刷新新一遍逐行刷新新。没有有死时间间。浪费费比较大大，因为为刷新时时间比允允许的短短许多异步式保证在一一个刷新新周期内内将存储储芯片内内的所有有行刷新一遍遍，可能能等时间间一间距距，也可可能不等等结合了以以上两者者的优点点，实际际应用比比较有优优势3）DRRAM的的扩展特特殊性DRAMM地址的的特殊性性问题：行地址址和列地地址复用用，行地地址和列列地址的的定时和和选通之

45、之间的问问题。需需要将CCPU全全地址分分为行地地址和列列地址，以及产产生行选选通信号号RASS和列选选通信号号CASS。（四） 只读存存储器前面介绍绍的DRRAM和和SRAAM均为为可任意意读写写的随机机存储器器，当掉掉电时，所存储储的内容容消失，所以是是易失性性存储器器。只读读存储器器，即使使停电，所存储储的内容容也不丢丢失。根根据半导导体制造造工艺的的不同，可分为为ROMM，PROOM，EPRROM，E2RROM和和Flaash Memmoryy1. 只只读存储储器（RROM）掩模式RROM由由芯片制制造商在在制造时时写入内内容，以以后只能能读而不不能再写写入。其其基本存存储原理理是以元

46、元件的“有无无”来表示示该存储储单元的的信息（“1”或“0”），可可以用二二极管或或晶体管管作为元元件，显显而易见见，其存存储内容容是不会会改变的的。2. 可可编程序序的只读读存储器器（PRROM） PROOM可由由用户根根据自己己的需要要来确定定ROMM中的内内容，常常见的熔熔丝式PPROMM是以熔熔丝的通通和断开开来表示示所存的的信息为为“1”或“0”。刚出出厂的产产品，其其熔丝是是全部接接通的。根据需需要断开开某些单单元的熔熔丝（写写入）。显而易易见，断断开后的的熔丝是是不能再再接通了了，因而而一次性性写入的的存储器器。掉电电后不会会影响其其所存储储的内容容。3. 可可擦可编编程序的的只

47、读存存储器（EPRROM）为了能修修改ROOM中的的内容，出现了了EPRROM。利用浮浮动栅MMOS电电路保存存信息，信息的的改写用用紫外线线照射即即可擦除除。4. 可可电擦可可编程序序只读存存储器（E2PPROMM）E2PRROM的的编程序序原理与与EPRROM相相同，但但擦除原原理完全全不同，重复改改写的次次数有限限制（因因氧化层层被磨损损），一一般为110万次次。其读写操操作可按按每个位位或每个个字节进进行，类类似SRRAM，但每字字节的写写入周期期要几毫毫秒，比比SRAAM长得得多。EE2PRROM每每个存储储单元采采则2个晶体体管。其其栅极氧氧化层比比EPRROM薄薄，因此此具有电电

48、擦除功功能。5.快除除读写存存储器（Flaash Meemorry）F1assh MMemoory是是在EPPROMM与E2PPROMM基础上上发展起起来的，其读写写过程和和E2PPROMM不同，F1aash Memmoryy的读写写操作一一般是以以块为单单位。（五） 主存储储器与CCPU的的连接1个存储储器的芯芯片的容容量是有有限的，它在字字数或字字长方面面与实际际存储器器的要求求都有很很大差距距，所以以需要在在字向和和位向进进行扩充充才能满满足需要要。根据据存储器器所需的的存储容容量和所所提供的的芯片的的实际容容量，可可以计算算出总的的芯片数数。一个个存储器器的容量量为MN位，若若使用LL

49、K位存储储器芯片片，那么么，这个个存储器器共需要要M/LLN/KK存储器器芯片。1位扩扩展位扩展指指的是用用多个存存储器器器件对字字长进行行扩充。位扩展展的连接接方式是是将多片片存储器器的地址址、片选选己、读读写控制制端R/W可相应应并联，数据端端分别引引出。1K44的SRRAM存存储芯片片构造11K8的存存储器（位扩扩展）1K88 S RAMM存储芯芯片构成成4K8的存存储器（字扩展展）2字扩扩展字扩展指指的是增增加存储储器中字字的数量量。静态态存储器器进行字字扩展时时，将各各芯片的的地址线线、数据据线、读读写控制制线相应应并联，而由片片选信号号来区分分各芯片片的地址址范围。下图是是1 KK

50、 8 SS RAAM存储储芯片构构成4KK 8的的存储。3字位位扩展实际存储储器往往往需要字字向和位位向同时时扩充。基本思思路可参参照位扩扩展和字字扩展。1K44SRAAM存储储芯片构构成166K8的存储储器（六） 双口RRAM和和多模块块存储器器1.双端端口存储储器双端口存存储器是是一种具具有两个个单独的的读/写写端口及及控制电电路的存存储器，通过增增加一个个读/写写端口，双端口口存储器器扩展了了存储器器的的信信息交换换能力。双端口口存储器器存在冲冲突的读读写控制制问题，当两端端口同时时访问存存储器统统一单元元时，便便发生读读写冲突突。为解解决此问问题，设设置标志志。读写写某个单单元之前前，

51、检查查标记，访问单单元时，标记置置低；读读写完毕毕，恢复复标记高高。2.多模模块存储储器（1）存存储器的的模块化化组织一个由若若干个模模块组成成的主存存储器是是线性编编址的。这些地地址在各各模块中中有两种种安排方方式，分分别是：顺序方方式和交交叉方式式，如表表所示。地址高位位地址低位位工作方式式优点缺点顺序方式式选择模块块选择字模块单独独工作，串行存存储器结结构，连连续地址址位于同同一模块块中扩容方便便，模块块间故障障隔离带宽受限限交叉方式式选择字选择模块块模块同时时并行工工作，并并行存储储器结构构；连续续地址分分配在不不同的模模块中提高了带带宽，提提高了机机器运行行速度故障不能能隔离，一个模

52、模块出错错，程序序就出错错（七） 高速缓缓冲存储储器（CCachhe）1. 程程序访问问的局部部性从大量的的统计中中得到的的一个规规律是，程序中中对于存存储空间间90%的访问问局限于于存储空空间的110%的的区域中中，而另另外100%的访访问则分分布在存存储空间间的其余余90%的区域域中。这这就是通通常说的的局部性性原理。访存的的局部性性规律包包括两个个方面：时间局部部性：如如果一个个存储项项被访问问，则可可能该项项会很快快被再次次访问。 空间局部部性：如如果一个个存储项项被访问问，则该该项及其其邻近的的项也可可能很快快被访问问。2. CCachhe的基基本工作作原理Cachhe通常常由两部部

53、分组成成，块表表和快速速存储器器。其工工作原理理是：处处理机按按主存地地址访问问存储器器，存储储器地址址的高段段通过主主存-CCachhe地址址映象机机构借助助查表判判定该地地址的存存储单元元是否在在Cacche中中，如果果在，则则Cacche命命中，按按Cacche地地址访问问Cacche。否则，Cacche不不命中，则需要要访问主主存，并并从主存存中调入入相应数数据块到到Cacche中中，若CCachhe中已已写满，则要按按某种算算法将CCachhe中的的某一块块替换出出去，并并修改有有关的地地址映象象关系。从这个工工作原理理我们可可以看出出，它已已经涉及及到了两两个问题题。首先先是定位位

54、、然后后是替换换的问题题。Cachhe的存存在对程程序员是是透明的的。其地地址变换换和数据据块的替替换算法法均由硬硬件实现现。通常常Cacche被被集成到到CPUU内以提提高访问问速度。下图是是Cacche的的基本结结构。3. CCachhe和主主存之间间的映射射方式因为处理理机访问问都是按按主存地地址访问问的，而而Cacche的的空间远远小于主主存，如如何知道道这一次次的访问问内容是是不是在在Cacche中中，在CCachhe中的的哪一个个位置呢呢? 这这就需要要地址映映象，即即把主存存中的地地址映射射成Caachee中的地地址。让让Cacche中中一个存存储块(空间)与主存存中若干干块相对

55、对应，如如此，访访问一个个主存地地址时，就可以以对应地地知道在在cacche中中哪一个个地址了了。地址址映象的的方法有有三种：直接映映象、全全相联映映象和组组相联映映象。（1）直直接映像像直接映象象就是将将主存地地址映象象到Caachee中的一一个指定定地址。任何时时候，主主存中存存储单元元的数据据只能调调入到CCachhe中的的一个位位置，这这是固定定的，若若这个位位置已有有数据，则产生生冲突，原来的的块将无无条件地地被替换换出去。每个主存存块只与与一个CCachhe块对对应，映映射关系系：i = j mmod C 或或者 ii = j mmod 2c其中，ii为caachee块号，j为主主

56、存块号号。主存存标记字字段为tt=m-c直接映射射直接映像像的缺点点是不够够灵活，每个主主存块只只能固定定映射到到Cacche的的某个块块上，即即使存在在空闲的的块，也也不能使使用，CCachhe空间间得不到到充分利利用。（2）全全相联映映象全相联映映象就是是任何主主存块可映象象到任何何Cacche块块的方式式。在这这种方式式下，主主存中存存储单元元的数据据可调入入到Caachee中的任任意位置置。只有有在Caachee中的块块全部装装满后才才会出现现块冲突突。和直直接映像像方式相相比，主主存的块块标记从从t增加加到t+c位，使得CCachhe标记记的位数数增多，而且访访问Caachee时主存

57、存块标记记需要和和Cacche的的全部标标记位进进行比较较，才能能判断出出所访问问主存地地址的内内容是否否已在CCachhe内。这种比比较通常常采用“按内容容寻址”的相联联存储器器来完成成。全相连映映射（3）组组相联映映象组相联映映象是直直接映射射和全相相连映射射的折中中。把CCachhe分为为Q组，每组RR块，并并有以下下关系：i=jj mood QQ其中，ii为Caachee的组号号，j为为主存的的块号。是将存存储空间间的页面面分成若若干组，各组之之间的直直接映象象，而组组内各块块之间则则是全相相联映象象。下图图中，CCachhe分成成2q个组，q=cc-r，每组包包含2cc个块。主存标标

58、记字段段为s=t+rr位。组相联映映射4. CCachhe中主主存块的的替换算算法在直接映映象方式式下，不不存在块块替换的的算法，因为每每一块的的位置映映象是固固定的，需要哪哪一块数数据就可可直接确确定地将将该块数数据调入入上层确确定位置置。而其其他两种种映象就就存在替替换策略略的问题题，就是是要选择择替换到到哪一个个Cacche块块。即替替换算法法。思想优点缺点随机算法法RANND 用软的或或硬的随随机数产产生器产产生上层层中要被被替换的的页号简单、易易于实现现没有利用用上层存存储器使使用的历史信信息，没有有反映等等程序局局部性，命中率率低。先进先出出FIFFO 选择最早早装入上上层的页页作

59、为被被替换的的页实现方便便，利用用了主存存历史的的信息不能正确确反映程程序局部部性原理理，命中中率不高高，可能能出现一一种异常常现象。近期最少少使用法法LRUU 选择近期期最少访访问的页页作为被被替换的的页比较正确确反映程程序局部部性，利利用访存存的历史史信息，命中率率较高实现较复复杂优化替换换算法OOPT 将未来近近期不用用的页换换出去命中率最最高，可可作为衡衡量其他他替换算算法的标标准不现实，只是一一种理想想算法5. CCachhe写策策略对Cacche的的写操作作，情况况比读操操作要复复杂一些些。由于于写入CCachhe时，并没有有写入主主存，因因此就出出现Caachee和主存存数据不不

60、一致的的情况。 如何处理理Cacche和和主存不不一致的的方法就就称为更更新策略略。更新策略略思想优点缺点写回法是指在CCPU执行写写操作时时，信息息只写入入Cacche中中，仅当当需要替替换时，才将改改写过的的Cacche块块先送回回主存(写回)，然后后再调块块（设置置dirrty位位）有利于省省去许多多将中间间结果写写入主存存的无谓谓开销。需设修改改位增加加Cacche的的复杂性性全写法(写直达达法) 在写操作作时，将将数据同同时写入入Cacche和和主存实现开销销小、简简单为了写中中间结果果浪费了了不少时时间另外，当当写不命命中时(也就是是写Caachee块时，这块早早被人替替换出去去而