計算機(jī)組成原理(第二版)唐朔飛----各章節(jié)知識點

1、第一章知識總結(jié)（一）2017-04-19馬輝安陽師院mh一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)包括了硬件和軟件兩個子系統(tǒng)。硬件部分按馮諾依曼觀點分為運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大功能部件。它們之間用系統(tǒng)總線進(jìn)行連接。系統(tǒng)總線按傳輸內(nèi)容分地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類，它們通常使用機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三種計算機(jī)語言進(jìn)行編寫。由于機(jī)器硬件電路只能識別用0、1編寫成的機(jī)器語言程序，所以用匯編或高級語言編寫的源程序在運行前需使用匯編程序、編譯程序或解釋程序進(jìn)行翻譯。軟件的狹義觀點是：軟件是人們編制的具有各類特殊功能的程序，廣義觀點是：軟件是程序以及開發(fā)、使用

2、和維護(hù)程序需要的所有文檔。為了簡化對復(fù)雜的計算機(jī)系統(tǒng)的理解，對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了層次結(jié)構(gòu)劃分，通常分為微程序機(jī)器、傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器、操作系統(tǒng)虛擬機(jī)、匯報語言虛擬機(jī)、高級語言虛擬機(jī)等。從不同角度、層次理解機(jī)器的功能與使用方法，簡化了需要掌握的知識內(nèi)容。虛擬機(jī)：依賴于一定的系統(tǒng)軟件，所體現(xiàn)出的具有某種結(jié)構(gòu)、功能和使用方法的計算機(jī)。計算機(jī)組成原理關(guān)注傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器M1和微程序機(jī)器M0，它們是實際機(jī)器，所看到的機(jī)器功能與結(jié)構(gòu)由硬件電路直接實現(xiàn)。馮諾依曼關(guān)于計算機(jī)結(jié)構(gòu)的觀點：1、計算機(jī)由五大功能部件組成。2、指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制數(shù)表示，以同等地位存放于存儲器中。3、存儲器按地址進(jìn)行訪問。4、指令由操作碼

3、和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置。5、指令在存儲器內(nèi)按順序存放，通常被順序執(zhí)行，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。6、機(jī)器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。現(xiàn)代大部分機(jī)器仍采用“存儲程序”思想構(gòu)建，仍屬于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計算機(jī)。典型的馮諾依曼計算機(jī)以運算器為中心，現(xiàn)代計算機(jī)轉(zhuǎn)化為以存儲器為中心?，F(xiàn)代計算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成：CPU（包含了運算器和控制器、及高速緩存）、I/O設(shè)備及主存儲器。CPU和主存合起來稱主機(jī)（及電源、總線與I/O接口），I/O設(shè)備也稱外設(shè)。運算器的核心是算術(shù)邏輯單元ALU，控制器

4、的核心是控制單元CU。外存（輔存）屬于I/O設(shè)備。第一章知識總結(jié)（二）2017-04-20馬輝安陽師院mh存儲元件（或稱存儲基元、存儲元）：能存放一位二進(jìn)制代碼“0”或“1”的電路。存儲單元：包含若干存儲元，可存放一串二進(jìn)制代碼，通常對每一個存儲單元分配一個唯一的單元地址。存儲字：一個存儲單元中所存放的二進(jìn)制代碼內(nèi)容。存儲字長：一個存儲字二進(jìn)制代碼的位數(shù)。主存的工作方式就是按存儲單元的地址號來實現(xiàn)對存儲字各位的存（寫入）、取（讀出）。這種存取方式稱為按地址存取，即按地址訪問存儲器（訪存）。MAR：存儲器地址寄存器，用來存放欲訪問的存儲單元的地址。MDR：存儲器數(shù)據(jù)寄存器，用來存放從存儲單元讀出

5、的代碼或準(zhǔn)備寫入某存儲單元的代碼，其位數(shù)與存儲字長相等。如若MAR為16位，MDR為32位，則配套存儲容量為2的16次方 乘于32位，即2Mb或256KB。ALU：算術(shù)邏輯單元ACC（或A、或AC）：累加器MQ：乘商寄存器X：操作數(shù)寄存器PC：程序計數(shù)器，存放欲執(zhí)行指令的地址。IR：指令寄存器，存放當(dāng)前正執(zhí)行的指令代碼。CU：控制單元，分析當(dāng)前指令所需完成的操作，并發(fā)出各種微操作命令序列，用以控制所有被控對象。機(jī)器字長：CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與CPU中的通用寄存器位數(shù)一致。存儲容量：包括主存容量和輔存容量，存儲器能存放二進(jìn)制代碼量的表示。可以用總位數(shù)表示，或用字節(jié)數(shù)表示，主存更通常用

6、單元數(shù)乘于存儲字長表示。主頻：CPU工作所使用的時鐘信號的頻率。主頻取導(dǎo)為時鐘周期，表示一個時鐘信號持續(xù)的時間長度。MIPS：每秒鐘執(zhí)行多少百萬條指令。（GIPS）CPI：執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期個數(shù)。FLOPS：每秒浮點運算次數(shù)。（MFLOPS或GFLOPS或TFLOPS）第二章知識總結(jié)2017-04-21馬輝安陽師院mh1946年，第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC誕生于美國賓夕法尼亞大學(xué)，它采用電子管構(gòu)造，使用十進(jìn)制運算。早期計算機(jī)的更新?lián)Q代集中體現(xiàn)在組成計算機(jī)基本電路的元器件上，按此可以把計算機(jī)發(fā)展分為：第一代，電子管計算機(jī)；第二代，晶體管計算機(jī)；第三代，中小規(guī)模集成電路計算機(jī)；第四代，

7、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機(jī)。現(xiàn)代計算機(jī)作為一門獨立學(xué)科迅猛發(fā)展，是由于微處理器的出現(xiàn)、軟件技術(shù)的完善及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)寬所帶來的必然結(jié)果。1971年，美國Intel公司研制成世界上第一個4位的微處理器芯片4004。摩爾定律：微芯片上集成的晶體管數(shù)目每3年翻兩番。微型計算機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于微處理器的發(fā)展，而微處理器的發(fā)展又依賴于芯片集成度和處理器主頻的提高。計算機(jī)的應(yīng)用：科學(xué)計算數(shù)據(jù)處理計算機(jī)控制（工業(yè)控制、實時控制等）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教育、電子政務(wù)等）多媒體應(yīng)用（電子動畫、虛擬現(xiàn)實等）辦公自動化管理信息系統(tǒng)CAD / CAM / CIMS / CAI人工智能（模式識別、語音

8、識別、專家系統(tǒng)、機(jī)器人、自然語言理解等）第三章知識總結(jié)（一）2017-05-02馬輝安陽師院mh總線：是連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質(zhì)。在某一時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，理論上，允許多個部件同時從總線上接收相同的信息。從不同角度可以有不同的總線分類方法：按數(shù)據(jù)傳送方式：并行傳輸總線和串行傳輸總線按總線使用范圍：計算機(jī)總線、測控總線、網(wǎng)絡(luò)通信總線按傳輸方向：單向總線和雙向總線按連接部件的不同：片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線、通信總線片內(nèi)總線：為并行總線，該組線路可傳各種類型信息系統(tǒng)總線：為并行總線，按傳輸信息的不同，再分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三個組成部分。通信總線越來越多

9、用串行總線總線的使用要考慮如下總線特性：機(jī)械特性、電氣特性、功能特性、時間特性總線的性能指標(biāo)最重要的是總線帶寬（或叫總線數(shù)據(jù)傳輸率），單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，以每秒傳輸多少位或多少字節(jié)表示。注意區(qū)分MBps和Mbps關(guān)鍵因素：一秒能傳多少次，每次能傳多少位?？偩€標(biāo)準(zhǔn)：ISA：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線EISA：擴(kuò)充的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線VESA：視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會總線PCI：外圍部件互連總線AGP：加速圖形端口總線USB：通用串行總線PCI-Express總線RS-232C總線第三章知識總結(jié)（二）2017-05-03馬輝安陽師院mh總線主設(shè)備：對總線有控制權(quán)的設(shè)備或模塊總線從設(shè)備：沒有總線控制權(quán)，只能

10、響應(yīng)主設(shè)備發(fā)來的總線命令的設(shè)備或模塊理解：1、在有些系統(tǒng)中主設(shè)備、從設(shè)備不是固定的2、主設(shè)備不一定就是向總線發(fā)送數(shù)據(jù)信息的設(shè)備總線判優(yōu)控制（總線仲裁）：分配總線控制權(quán)，決定誰是主設(shè)備判優(yōu)控制分為集中式和分布式兩大類集中式細(xì)分為：1、鏈?zhǔn)讲樵儯盒枞€完成控制，但優(yōu)先級固定，對故障敏感2、計數(shù)器定時查詢：優(yōu)先級靈活3、獨立請求：需2n根線完成控制，速度最快通常將完成一次總線操作的時間稱為總線周期，可分為4個階段申請分配階段；尋址階段；傳數(shù)階段；結(jié)束階段但對只有一個主設(shè)備的簡單系統(tǒng)，可只需尋址和傳數(shù)兩個階段。總線通信控制主要解決通信雙方如何獲知傳輸開始和傳輸結(jié)束，以及通信雙方如何協(xié)調(diào)如何配合。通常

11、用四種方式：同步通信、異步通信、半同步通信、分離式通信。同步通信：通信雙方由統(tǒng)一時標(biāo)信號控制數(shù)據(jù)傳送。（按雙方工作速度，確定一個時間標(biāo)準(zhǔn)，對雙方動作的時間配合固定下來，什么時間就該干什么，完成通信過程，理論上任何設(shè)備間都可采用，通常用在速度較一致的設(shè)備間。）異步通信：沒有公共的時鐘標(biāo)準(zhǔn)，允許雙方速度不一致，采用應(yīng)答信號（握手信號）聯(lián)絡(luò)，決定雙方的操作。異步通信的應(yīng)答方式按聯(lián)系緊密程度分不互鎖、半互鎖和全互鎖三種。異步并行通信中有專門線路傳輸應(yīng)答信號，但異步串行通信中為傳輸應(yīng)答信號和信息，通常要約定傳輸字符格式，如：1個起始位（低電平），58個數(shù)據(jù)位，1個奇偶校驗位，1或1.5或2個終止位（高電

12、平）。傳送時起始位后面緊跟的是傳送字符的最低位。起始位至終止位構(gòu)成一幀。（如何知道一個位傳輸時間？異步串行通信中也有時鐘信號，通常用記夠若干時鐘代表傳一位的時間，但該時鐘信號不用于決定傳輸?shù)拈_始和結(jié)束。）異步串行通信的數(shù)據(jù)傳送速率用波特率來衡量波特率：單位時間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位為bps。比特率：單位時間內(nèi)傳送的二進(jìn)制有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位為bps。第五章知識總結(jié)（一）原創(chuàng)2017-06-12馬輝安陽師院mh現(xiàn)代計算機(jī)可認(rèn)為由三大部分組成：除CPU和主存儲器外，還有輸入輸出模塊，又稱I/O系統(tǒng)。I/O系統(tǒng)由I/O軟件和I/O硬件兩部分組成，其中I/O軟件由I/O指令或通道指令編寫，具有

13、：將用戶編制的程序（或數(shù)據(jù)）輸入主機(jī)內(nèi)。將運算結(jié)果輸送給用戶。實現(xiàn)輸入輸出系統(tǒng)與主機(jī)工作的協(xié)調(diào)等作用；而I/O硬件在帶有接口的I/O系統(tǒng)中包含接口模塊及I/O設(shè)備兩大部分。I/O設(shè)備與主機(jī)的聯(lián)系方式包括：1、I/O設(shè)備編址方式。2、設(shè)備尋址。3、傳送方式（并行傳送、串行傳送）。4、聯(lián)絡(luò)方式（立即響應(yīng)、異步應(yīng)答、同步聯(lián)絡(luò)）。5、連接方式（輻射式、總線式）等問題。其中編址方式分統(tǒng)一編址（不需設(shè)置專門的I/O指令）和不統(tǒng)一編址（需設(shè)置專用的I/O指令）兩種。CPU和主存構(gòu)成了主機(jī)，主機(jī)外的大部分硬件設(shè)備都可稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。I/O設(shè)備大致可分為三類：人機(jī)交互設(shè)備、計算機(jī)信息的存儲設(shè)備、機(jī)-機(jī)通

14、信設(shè)備。其中人機(jī)交互設(shè)備可分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩種。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏等；常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)等。顯示器按顯示器件劃分，有陰極射線管CRT顯示器、液晶LCD顯示器、等離子PD顯示器及發(fā)光二極管LED顯示器等。分辨率和灰度等級（或顏色數(shù)）是顯示器的兩個重要技術(shù)指標(biāo)，分辨率是指顯示屏面能表示的像素點數(shù)，灰度等級是指顯示像素點相對亮暗的級差。為使人眼能看到穩(wěn)定的圖像，顯示屏需進(jìn)行刷新，一般刷新頻率要大于30次/秒。為進(jìn)行刷新操作，需由刷新存儲器（幀存儲器或視頻存儲器）保存當(dāng)前一屏信息內(nèi)容，其容量與分辨率和灰度等級（或顏色數(shù)）有關(guān)，其帶寬或存取周期要滿足刷新要求。計算機(jī)處理

15、漢字需考慮輸入碼、內(nèi)碼和字形碼三個問題。輸入碼常從音、形兩個角度考慮；內(nèi)碼用兩個字節(jié)表示一個漢字，其來源于漢字統(tǒng)計、排序的區(qū)位碼；字形碼（字模碼）用點陣或矢量曲線表示漢字字形，最小漢字點陣為1616，在單色顯示下該點陣一個漢字字形碼需32B。國標(biāo)碼=區(qū)位碼+2020H機(jī)內(nèi)碼=國標(biāo)碼+8080H（區(qū)位碼區(qū)號在前，位號在后，從16區(qū)即10H區(qū)開始表示漢字，共1-94區(qū)，1-94位）I/O接口是指主機(jī)與I/O設(shè)備間設(shè)置的一個硬件電路及其相應(yīng)的軟件控制，其作用有：設(shè)備選擇、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、接收控制命令、發(fā)送設(shè)備狀態(tài)等。端口是指接口電路中的一些寄存器，按存放信息可分為數(shù)據(jù)端口、控制端口

16、和狀態(tài)端口等。I/O接口的分類：并行和串行接口、可編程和不可編程接口、通用和專用接口等。第五章知識總結(jié)（二）原創(chuàng)2017-06-13馬輝安陽師院mh程序查詢方式是指由CPU通過執(zhí)行程序不斷查詢I/O設(shè)備是否已做好準(zhǔn)備，從而控制I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息。該方式中，只要一啟動I/O設(shè)備，CPU便不斷查詢I/O設(shè)備的準(zhǔn)備情況，從而終止了原程序的執(zhí)行。當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備就緒后，CPU要執(zhí)行I/O讀寫指令完成數(shù)據(jù)傳輸，也不能執(zhí)行原程序。使CPU和I/O設(shè)備處于串行工作狀態(tài)，CPU的效率不高。程序中斷方式指CPU啟動I/O設(shè)備后，不查詢設(shè)備是否已準(zhǔn)備就緒，繼續(xù)執(zhí)行自身程序，只是當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備就緒并向CPU

17、發(fā)送中斷請求后才予以響應(yīng)，提高了CPU的工作效率。計算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時，計算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行原程序，這就是“中斷”。中斷接口電路部分：中斷請求觸發(fā)器INTR：當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備就緒，準(zhǔn)備向CPU提出中斷請求時，對INTR置“1”，表示向CPU提請求。中斷源：能向CPU提出中斷請求的設(shè)備或事件統(tǒng)稱為中斷源（分內(nèi)中斷和外中斷兩類，外中斷多為硬件設(shè)備中斷）。中斷優(yōu)先級：當(dāng)多個中斷源同時向CPU提出請求時，CPU只能按其性質(zhì)進(jìn)行排隊處理，即不同中斷源間分配了不同的處理優(yōu)先次序。就I/O中斷而言

18、，速度越高的設(shè)備優(yōu)先級越高。中斷屏蔽觸發(fā)器MASK：可通過對其置“1”，表示屏蔽封鎖掉某中斷源的請求信號。CPU響應(yīng)中斷請求后，要暫?，F(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。每個服務(wù)程序都有一個入口地址，CPU必須找到該入口地址（查找方法有硬件法和軟件法）。硬件向量法：通過向量地址來尋址設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址，而向量地址由硬件電路產(chǎn)生。I/O中斷處理過程：CPU響應(yīng)中斷的條件：1、設(shè)備準(zhǔn)備就緒。2、設(shè)備未被屏蔽。3、設(shè)備的中斷請求信號進(jìn)入CPU，且CPU內(nèi)中斷允許觸發(fā)器EINT為“1”能響應(yīng)中斷。4、在一條指令執(zhí)行結(jié)束時刻響應(yīng)中斷。中斷處理過程：中斷請求、中斷判優(yōu)、中斷響應(yīng)、中斷服務(wù)、中斷

19、返回。中斷服務(wù)程序：四大步驟：保護(hù)現(xiàn)場、中斷服務(wù)、恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。CPU決定響應(yīng)中斷后，進(jìn)入中斷周期，該階段操作有保存斷點（PC值，原程序中該執(zhí)行的指令地址），關(guān)中斷（設(shè)中斷允許觸發(fā)器EINT=“0”），判別中斷源，確定中斷服務(wù)程序入口地址并送PC（系統(tǒng)電路自動完成該周期操作，又被稱為中斷隱指令）。保護(hù)現(xiàn)場指保存通用寄存器和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，常壓入堆棧保存?；謴?fù)現(xiàn)場是從堆棧彈出恢復(fù)這些寄存器內(nèi)容。中斷返回是取回原PC值，以便繼續(xù)執(zhí)行原程序。多重中斷（中斷嵌套）：在中斷事件處理中，有更高級別中斷請求出現(xiàn)，此時停止現(xiàn)行中斷服務(wù)程序執(zhí)行，優(yōu)先完成更高級別中斷事件處理。單重中斷系統(tǒng)中服務(wù)程序流程為

20、：保護(hù)現(xiàn)場（中斷周期內(nèi)已關(guān)中斷）、設(shè)備服務(wù)、恢復(fù)現(xiàn)場、開中斷、中斷返回。多重中斷服務(wù)程序流程為：保護(hù)現(xiàn)場、開中斷、設(shè)備服務(wù)、關(guān)中斷、恢復(fù)現(xiàn)場、開中斷、中斷返回。（原因是：現(xiàn)場的保存和恢復(fù)不允許被打斷）DMA（直接存儲器存?。┓绞剑涸O(shè)置一個硬件設(shè)備（叫DMA接口或DMA控制器）管理高速外設(shè)與主存之間的一批信息交換過程（程序中斷的每次中斷傳輸都有額外的保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場等操作，降低了CPU效率。DMA的每次傳輸不需CPU干預(yù)，只需DMA控制器占用總線一個存取周期，CPU執(zhí)行效率更高）。DMA接口與CPU共用主存，為有效分時使用，DMA可采用1、停止CPU訪問主存。2、周期挪用（竊?。?。3、DMA與

21、CPU交替訪問。其中周期竊取為典型的DMA方式，當(dāng)出現(xiàn)同時請求訪存沖突時，DMA操作優(yōu)先。DMA工作過程：1、預(yù)處理（通過中斷方式請求CPU對DMA接口進(jìn)行初始設(shè)置）。2、數(shù)據(jù)傳送（DMA接口控制完成每次準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)的交換）。3、后處理（通過中斷方式請求CPU做一些DMA的結(jié)束工作）。DMA方式與程序中斷比較：1、數(shù)據(jù)傳送：程序中斷靠程序，DMA靠硬件。2、響應(yīng)時間：程序中斷在一條指令執(zhí)行結(jié)束時，DMA在一個存取周期結(jié)束時。3、程序中斷有處理異常的能力，DMA無。4、程序中斷要保護(hù)現(xiàn)場，DMA不用。5、DMA的優(yōu)先級比程序中斷高。第七章知識總結(jié)（一）2017-05-05馬輝安陽師院mh指令：表示

22、讓計算機(jī)實現(xiàn)某種操作的命令（機(jī)器硬件電路能直接理解的是二進(jìn)制表示的機(jī)器指令，有時人們書寫為助記符表示的匯編指令）指令系統(tǒng)：一臺計算機(jī)能理解的全部機(jī)器指令的集合（不同機(jī)器有不同的指令系統(tǒng)）指令基本格式：由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼：用來指明該指令所要完成的操作。地址碼：用來指出該指令的源操作數(shù)的地址、結(jié)果的地址及下一條指令的地址。操作碼分固定長度設(shè)計和可變長度設(shè)計，一般k位的操作碼有（2的k次方）個代碼，最多表示（2的k次方）條指令；在可變設(shè)計中可隨指令地址碼的減少擴(kuò)展操作碼，在擴(kuò)展中注意對較短操作碼要留下擴(kuò)展標(biāo)志代碼（不表示操作功能，只說明把操作碼向后擴(kuò)展）。擴(kuò)展設(shè)計的另一個原則是盡量安

23、排使用頻度高的指令占用短的操作碼，這樣可縮短指令譯碼時間。操作碼長度固定便于設(shè)計指令譯碼電路，長度可變便于安排指令包含的信息（指令長度不變多表示指令，或加快指令譯碼執(zhí)行，但譯碼電路會復(fù)雜化）指令按地址碼部分的地址個數(shù)可分為：四地址指令、三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令。（現(xiàn)在基本不使用四地址指令，而一地址指令也可表示對兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行運算）指令字長：一條機(jī)器指令具有的二進(jìn)制位數(shù)。其取決于操作碼的長度，操作數(shù)地址的長度和操作數(shù)地址的個數(shù)。（分指令字長固定的計算機(jī)和指令字長可變的計算機(jī)，可變時一般為字節(jié)倍數(shù)）機(jī)器中常見的操作數(shù)類型有地址、數(shù)字、字符、邏輯數(shù)據(jù)等，在使用中考慮它們在存儲器中

24、的存放方式，包括存放的次序問題和對準(zhǔn)邊界問題。存放次序分大端次序和小端次序（數(shù)據(jù)的高位部分在地址大的字節(jié)中存放，低位部分存放在地址小的字節(jié)中）。第七章知識總結(jié)（二）2017-05-16馬輝安陽師院mh操作數(shù)類型及其存儲：存儲器分按字尋址的和按字節(jié)尋址的兩種情況，按字尋址時一個字空間分配一個地址（字的位數(shù)可為16或32，這就是一個最小尋址單位）；按字節(jié)尋址時每個字節(jié)分配一個地址，但操作數(shù)可能要占幾個字節(jié)，所以里面也有字的概念，也能按字訪問幾個字節(jié)空間（2個或4個字節(jié)）。此時，一般用該字包含的幾個字節(jié)對應(yīng)地址中的最小字節(jié)地址值作為字地址。數(shù)據(jù)存儲的對準(zhǔn)和次序問題都是對字節(jié)尋址的系統(tǒng)存在，以4個字節(jié)

25、構(gòu)成一個字為例（字地址為4的倍數(shù)值）：對準(zhǔn)邊界存放時，單字節(jié)的信息可存放到任意地址的一個字節(jié)中；兩字節(jié)的一個信息必須從半字起點（偶地址）存放；4字節(jié)一個字長的信息從字起點（4的倍數(shù)地址）存放。操作類型：通常機(jī)器中必須要有數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運算類、邏輯運算類，移位類，轉(zhuǎn)移類、輸入輸出類等指令，其中數(shù)據(jù)傳送類指令對狀態(tài)位沒有影響，算術(shù)運算類指令對狀態(tài)位都有影響，邏輯運算類指令對結(jié)果為零狀態(tài)位有影響，移位類指令對進(jìn)位狀態(tài)位有影響。尋址方式：確定本條指令的數(shù)據(jù)地址及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法。它可分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址兩大類，并直接影響指令格式和指令功能。指令尋址比較簡單，分為順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種

26、。現(xiàn)代機(jī)器中順序?qū)ぶ芬蕾囉赑C實現(xiàn)，每次使用PC的值取指后其值順序遞增，使得接下來能取下一條指令。跳躍尋址通過轉(zhuǎn)移類指令實現(xiàn)，其常用的具體尋址方法有直接尋址和相對尋址（對應(yīng)稱為絕對跳轉(zhuǎn)和相對跳轉(zhuǎn)），理論上也可用間接尋址或寄存器間接尋址實現(xiàn)。數(shù)據(jù)尋址方法較多，為區(qū)分指令中采用的尋址方式，一：指令字中設(shè)置一尋址特征字段。二：指令操作碼隱含說明該用何種尋址方式。指令代碼中地址字段表示的地址稱為形式地址，記作A；操作數(shù)的真實地址稱為有效地址，記作EA。不同的尋址方式，從A得到EA的方法不同。1、立即尋址：指令地址字段給出了操作數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)稱為立即數(shù)（Simm），常采用補(bǔ)碼表示有符號數(shù)據(jù)，其位數(shù)決定了表

27、示數(shù)據(jù)的范圍。2、直接尋址：指令地址字段給出的即是有效地址，EA=A。3、隱含尋址：指令代碼中不明確表示操作數(shù)地址，常隱含使用某個寄存器，該寄存器中為操作數(shù)據(jù)。4、間接尋址：指令代碼的地址字段表明了操作數(shù)有效地址所在的存儲單元，EA=（A）。一般系統(tǒng)只支持一次間接尋址。5、寄存器尋址：指令地址字段給出寄存器地址（編號），操作數(shù)據(jù)在該寄存器中，具有尋址快，縮短指令字長優(yōu)點，在現(xiàn)代機(jī)器中使用很普遍。6、寄存器間接尋址：指令地址字段給出寄存器地址（編號），但該寄存器內(nèi)為操作數(shù)有效地址。EA=（R）。第七章知識總結(jié)（三）2017-05-17馬輝安陽師院mh7、基址尋址：有效地址等于指令字中的形式地址與

28、基址寄存器中的內(nèi)容相加，即：EA=A+（BR）。有些系統(tǒng)中設(shè)有專門的基址寄存器，使用時反映出使用基址尋址即可；有些系統(tǒng)中沒有專門的基址寄存器，使用中需明確指出用哪個通用寄存器作為基址寄存器。特征：1、可擴(kuò)大操作數(shù)的尋址范圍（基址寄存器的位數(shù)大于形式地址A的位數(shù)）。2、支持多道程序。3、基址寄存器內(nèi)容由系統(tǒng)確定，不能由用戶修改。8、變址尋址：有效地址等于指令字中的形式地址與變址寄存器的內(nèi)容相加，即：EA=A+（IX）。特征：1、可擴(kuò)大操作數(shù)的尋址范圍（變址寄存器的位數(shù)大于形式地址A的位數(shù)）。2、變址寄存器內(nèi)容由用戶設(shè)定，在程序中可變。3、主要用于處理數(shù)組問題（通過循環(huán)，對一批數(shù)據(jù)一次一次作同樣的

29、處理）。9、相對尋址：有效地址是將程序計數(shù)器PC的內(nèi)容與指令字中的形式地址相加而成，即：EA=（PC）+A。常用于轉(zhuǎn)移類指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址的確定，此時，形式地址A部分又稱位移量disp，可正可負(fù)，實現(xiàn)在當(dāng)前指令周圍的跳轉(zhuǎn)。10、堆棧尋址：堆棧是先進(jìn)后出的存儲空間，只能從棧頂讀寫數(shù)據(jù)，而棧頂?shù)牡刂繁４嬖诙褩Ｖ羔楽P中，所以其即是一種隱含尋址，又本質(zhì)上可視為寄存器間接尋址（SP為一個寄存器）。堆棧尋址一要考慮按入出數(shù)據(jù)的大小對棧頂?shù)刂返男薷牧渴嵌嗌伲紤]入出操作中對地址修改和數(shù)據(jù)讀寫的具體順序。一些復(fù)合尋址方式：基址加變址尋址：EA=（BR）+（IX）+A先變址后間址： EA=（A+（IX

30、）先間址再變址： EA=（A）+（IX）相對間接尋址： EA=（PC）+（A）RISC：精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)CISC：復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)RISC機(jī)器的主要特點：1、選取使用頻度高的簡單指令及有用且不復(fù)雜的指令，對復(fù)雜操作功能不設(shè)置對應(yīng)的指令，通過簡單指令的組合實現(xiàn)。2、指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少，通常尋址簡單高效。3、CPU中設(shè)置較多通用寄存器。4、只有LOAD/STORE指令允許訪存，其余指令的操作都在寄存器內(nèi)完成。5、采用流水線技術(shù)，一個時鐘周期可完成一條指令。6、控制器采用組合邏輯控制。7、重視程序編譯中的優(yōu)化處理。計算機(jī)執(zhí)行程序所需的時間P=ICT；其中I是程序編譯后在

31、機(jī)器上要運行的機(jī)器指令數(shù)；C為執(zhí)行每條指令所需的平均機(jī)器周期；T是每個機(jī)器周期的執(zhí)行時間。第八章作業(yè)答案2017-05-26馬輝安陽師院mh8.11（1）安排時鐘周期時，應(yīng)考慮該時間段內(nèi)能完成各步驟操作，應(yīng)取90ns。（2）數(shù)據(jù)相關(guān)時，第2條指令的譯碼并取數(shù)（ID）操作應(yīng)推遲到前一條指令寫完結(jié)果（WR）再進(jìn)行，所以是推遲2個時鐘周期，即180ns才不發(fā)生錯誤。（3）數(shù)據(jù)相關(guān)不推遲時，可采用定向技術(shù)（或相關(guān)專用通路技術(shù)）實現(xiàn)。8.12流水操作下，時鐘周期應(yīng)取10ns；在5段流水中完成12條指令的執(zhí)行，需要的時間是（12+5-1）10ns=160ns。在非流水下，每條指令的執(zhí)行用時為（10+8+1

32、0+10+7）ns=45ns，完成12條指令的執(zhí)行需時為1245ns=540ns。所以該流水線的加速比為：540/160=3.375實際吞吐率為：12/160ns=75MIPS。第七章作業(yè)答案2017-05-25馬輝安陽師院mh7.16（1）由于指令系統(tǒng)完成108種操作，操作碼位數(shù)固定，所以需要7位操作碼表示（27=128108）。由于具有六種尋址方式，安排尋址特征字段的話，需要3位來區(qū)分。指令字長等于存儲字長，都為16位，所以單字長一地址指令格式為：OP：操作碼字段，區(qū)分108種操作，M：尋址特征字段，區(qū)分6種尋址方式，A：形式地址字段，給出尋址所需的形式地址信息。（2）該指令直接尋址下有效

33、地址為6位，所以尋址范圍為26，也即64字。（3）一次間址下，尋找到的有效地址等于存儲字長，為16位，尋址范圍為216=64K字。多次間址下，為區(qū)分找到的是不是有效地址，需要占去存儲字的高位，所以有效地址為15位，尋址范圍為215=32K字。（4）立即數(shù)為6位，通常為補(bǔ)碼表示的有符號數(shù)，其范圍為-32+31。但如果表示的為無符號立即數(shù)，其范圍為063。（5）相對尋址時，形式地址部分就是位移量，用補(bǔ)碼表示，其范圍為-32+31。（6）在上述六種尋址方式中，執(zhí)行時間最短的為立即尋址，其不需要訪存；最長的為間接尋址，執(zhí)行中需要兩次訪存；相對尋址便于程序浮動；變址尋址適合于處理數(shù)組問題。（7）尋址范圍

34、擴(kuò)大到4M，需要地址位數(shù)為22位，可采用雙字長指令格式：此時，地址位數(shù)為6+16=22位。（8）主存容量為4M16位，訪存地址需22位才能到主存任一位置。轉(zhuǎn)移指令常采用直接尋址或相對尋址跳轉(zhuǎn)，直接尋址下可采用上述雙字長指令格式；相對尋址下借助22位的PC，也能用單字長指令格式。第六章作業(yè)答案（一）2017-04-17馬輝安陽師院mh 第六章布置了兩次作業(yè)，第一次關(guān)于數(shù)據(jù)表示。第一次：P290 6.9、6.129題：9BH：轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制形式：1001 1011，最高1位為符號位。理解為原碼，其對應(yīng)真值為：-001 1011，即-27理解為補(bǔ)碼，其對應(yīng)真值為：-110 0101，即-101理解為反碼，其對應(yīng)真值為：-110 0100，即-100理解為移碼，其對應(yīng)真值為：+001 1011，即+27理解為無符號數(shù)，其對應(yīng)真值為：1001 1011，即155FFH：轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制形式：111