21計算機組成與體系結(jié)構(gòu)講義和試題部分

1、資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)計算機組成原理【考查目標(biāo)】1. 理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。2. 理解計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實現(xiàn)方法。3. 能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設(shè)計。一、 計算機系統(tǒng)概述（一） 計算機發(fā)展歷程第一臺電子計算機ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）誕生

2、于1946年的美國賓夕法尼亞大學(xué)。ENIAC用了18000電子管、1500繼電器、重30噸、占地170m3、耗電140kw、每秒計算5000次加法。馮諾依曼（VanNeumann）首次提出程序的概念，將數(shù)據(jù)和程序一起放在器中，使得編程更加方便。50多年來，雖然對馮諾依曼機進行了很多，但結(jié)構(gòu)變化不大，仍然稱為馮諾依曼機。一般把計算機的發(fā)展分為四個階段：第一代（1946-50s后期）：電子管計算機；第二代（50s中期-60s后期）：晶體管計算機；第三代（60s中期-70s前期）：集成電路計算機；第四代（70s初-）：大規(guī)模集成電路計算機。（二） 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1. 計算機硬件的基本組成計算機硬

3、件主要指計算機的實體部分，通常有運算器、器、器、輸入和輸出五部分。CPU是指將運算器和器集成到一個電路- 1 -中。資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)2. 計算機軟件的分類計算機軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深悾合到y(tǒng)軟件：用于管理整個計算機系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)，確保計算機正常高效地運行，這類軟件面向系統(tǒng)。應(yīng)用軟件：是面向用戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應(yīng)用程序，這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要求。3. 計算機的工作過程（1）計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程指令由操作碼和操作數(shù)組成：操作碼指明本指令完成的操作地址碼指明本指令的操作對象（2）指令的指令按照器的地址順序連續(xù)的存放在

4、器中。（3）指令的為了程序的執(zhí)行過程，需要一個指令地址的寄存器，稱為指令地址寄存器，或者程序計數(shù)器。指令的就可以根據(jù)程序計數(shù)器所指出的指令地址來決定的指令，由于指令通常按照地址增加的順序存放，故此，每次一條指令之后，程序計數(shù)器加一就為下一條指令做好準(zhǔn)備。（4）執(zhí)行指令的過程在器的下，完成以下三個階段任務(wù):1）取指令階段- 2 -操作碼地址碼資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188校園宣講網(wǎng)按照程序計數(shù)器取出指令，程序計數(shù)器加一2）指令譯碼階段分析操作碼，決定操作內(nèi)容，并準(zhǔn)備操作數(shù)3）指令執(zhí)行階段執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)容（三） 計算機性能指標(biāo)1. 吞吐量、響應(yīng)時間（1) 吞吐量：時間內(nèi)的數(shù)

5、據(jù)輸出數(shù)量。（2) 響應(yīng)時間：從開始到結(jié)束的時間，也稱執(zhí)行時間。2. CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間（1） CPU時鐘周期：主頻的倒數(shù)，Tc（2）主頻：CPU工作主時鐘的頻率，主頻Rc（3）CPI：執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期（4）CPU執(zhí)行時間：TCPU=In×CPI×TCIn執(zhí)行程序中指令的總數(shù)CPI執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)TC時鐘周期時間的長度3. MIPS、MFLOPS（1）MIPS：MIPS(Million Instructions Per Second)- 3 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)MIPS =

6、 In/(Te×106)= In/(In×CPI×Tc×106)= Rc/(CPI×106)Te：執(zhí)行該程序的總時間In：執(zhí)行該程序的總指令數(shù)Rc：時鐘周期Tc的到數(shù)MIPS只適合評價標(biāo)量機，不適合評價向量機。標(biāo)量機執(zhí)行一條指令，得到一個運行結(jié)果。而向量機執(zhí)行一條指令，可以得到多個運算結(jié)果。（2） MFLOPS：MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)MFLOPS=Ifn/(Te×106)Ifn：程序中浮點數(shù)的運算次數(shù)MFLOPS測量比較適合于衡量向量機的性能。一般而言，

7、同一程序運行在不同的計算機上時往往會執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù)，但所執(zhí)行的浮點數(shù)個數(shù)常常是相同的。- 4 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)二、 數(shù)據(jù)的表示和運算（一） 數(shù)制與編碼1. 進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1）進位計數(shù)制進位計數(shù)制是指按照進位制的方法表示數(shù)，不同的數(shù)制均涉及兩個基本概念：基數(shù)和權(quán)?；鶖?shù)：進位計數(shù)制中所擁有數(shù)字的個數(shù)。權(quán)：每位數(shù)字的值等于數(shù)字乘以所在位數(shù)的相關(guān)常數(shù)，這個常數(shù)就是權(quán)。任意一個R進制數(shù)X，設(shè)整數(shù)部分為n位，小數(shù)部分為m位，則X可表示為：Xan-1rn-1 +an-2rn-2+ + a0r0 +a-1r-1a-2r-2a-mr-m+ +(X)r

8、 =2）不同數(shù)制間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（1）二、八、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)利用上面講到的公式：(N)2=Di2i 、(N)8=Di8i、 (N)16=Di16i、進行計算。（2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)通常要對一個數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行處理，各自得出結(jié)果后再合并。u對整數(shù)部分，一般采用除2取余數(shù)法，其規(guī)則如下：將十進制數(shù)除以2，所得余數(shù)（0或1）即為對應(yīng)二進制數(shù)最低位的值。然后對上次所得商除以2，所得余數(shù)即為二進制數(shù)次低位的值，如此進行下去，直到商等于0為止，最后得的余數(shù)是所求二進制數(shù)最的值。- 5 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)u對小數(shù)部分，一般用乘2取整數(shù)法

9、，其規(guī)則如下：將十進制數(shù)乘以2，所得乘積的整數(shù)部分即為對應(yīng)二進制小數(shù)最的值，然后對所余數(shù)的小數(shù)部分部分乘以2，所得乘積的整數(shù)部分為次的值，如此進行下去，直到乘積的小數(shù)部分為0，或結(jié)果已滿足所需精度要求為止。（3）二進制數(shù)、八進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換八進制數(shù)和十六進制數(shù)是從二進制數(shù)演變而來的：由3位二進制數(shù)組成1位八進制數(shù)；由4位二進制數(shù)組成1位十六進制數(shù)。對于一個兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點為界，小數(shù)點前后的數(shù)分別分組進行處理，不足的位數(shù)用0補足。對整數(shù)部分將0補在數(shù)的左側(cè)，對小數(shù)部分將0補在數(shù)的右側(cè)。這樣數(shù)值發(fā)生差錯。2. 真值和數(shù)真值：數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負(-)號后跟絕對值來表

10、示，稱之為真值。數(shù)：在計算機中正負號也需要數(shù)字化，一般用0表示正號，1表示負號。把符號數(shù)字化的數(shù)成為機器數(shù)。3. BCD碼在計算機中采用4位二進制碼對每個十進制數(shù)位進行編碼。4位二進制碼有16種不同的組合，從中選出10種來表示十進制數(shù)位的09，用0000，0001，1001分別表示0，1，9，每個數(shù)位內(nèi)部滿足二進制規(guī)則，而數(shù)位之間滿足十進制規(guī)則，故稱這種編碼為以二進制編碼的十進制（binary coded decima1， 簡稱BCD）碼。在計算機內(nèi)部實現(xiàn)BCD碼算術(shù)運算，要對運算結(jié)果進行修正，對加法運算的修正規(guī)則是：如果兩個一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2，即(9)10，不需要修

11、正；如相加之和大于或等于(1010)2，或者產(chǎn)生進位，要進行加6修正，如果有進位，要向進位。4. 字符與字符串- 6 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)在計算機中要對字符進行識別和處理，必須通過編碼的方法，按照一定的規(guī)則將字符用一組二進制數(shù)編碼表示。字符的編碼方式有多種，常見的編碼有ASCII碼、EBCDIC碼等。1）ASCII碼ASCII碼用7位二進制表示一個字符，總共128個字符元素，包括10個十進制數(shù)字（0-9）、52個英文字母（A-Z和a-z）、34符號和32符號。2）EBCDIC碼為Extended Binary Coded Decimal Interc

12、hange Code的簡稱，它采用8位來表示一個字符。3）字符串的存放向量法：字符串時，字符串中的所有元素在物理上是鄰接的。串表法：字符串的每個字符代碼后面設(shè)置一個字，用于指出下一個字符的單元的地址。5.數(shù)據(jù)是一種常用的帶有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改錯能力的數(shù)據(jù)編碼方法。其實現(xiàn)原理，是加進一些冗余碼，使合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯誤時，就成為編碼。這樣，可以通過檢測編碼的來達到發(fā)現(xiàn)錯誤的目的。合理地安排編碼數(shù)量和編碼規(guī)則，可以提高發(fā)現(xiàn)錯誤的能力，或達到自動改正錯誤的目的。碼距： 碼距根據(jù)任意兩個合法碼之間至少有幾個二進制位不相同而確定的，僅有一位不同，稱其碼距為1。1）奇偶它的實現(xiàn)原理，是使碼距由1增加到

13、2。若編碼中有1位二進制數(shù)出錯了，即由1變成0，或者由0變成1。這樣出錯的編碼就成為編碼，就可以知道出現(xiàn)了錯誤。在原有的編碼之上再增加一位校驗位，原編碼n位，形成新的編碼為n+1 位。增加的方法有2種：奇校驗：增加位的0或1要保證整個編碼中1的個數(shù)為奇數(shù)個。偶校驗：增加位的0或1要保證整個編碼中1的個數(shù)為偶數(shù)個。2）海明- 7 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)它的實現(xiàn)原理，是在數(shù)據(jù)中加入幾個校驗位，并把數(shù)據(jù)的每一個二進制位分配在幾個奇偶校驗組中。當(dāng)某一位出錯就會引起有關(guān)的幾個校驗組的值發(fā)生變化，這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯，還能指出是哪一位出錯，為自動糾錯提供了依據(jù)。假設(shè)

14、校驗位的個數(shù)為r，則它能表示2r個信息，用其中的一個信息指出沒有錯誤，其余2r-1個信息指出錯誤發(fā)生在哪一位。然而錯誤也可能發(fā)生在校驗位，因此只有k=2r-1-r個信息能用于糾正被傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，也就是說要滿足關(guān)系：2r>=k+r+13）CRCCRC一般是指k位信息之后拼接r位。關(guān)鍵問題是如何從k位信息方便地得到r位，以如何從位k+r信息碼是否出錯。將帶編碼的k位有效信息位組表達為多項式：M(x)=Ck-1xk-1+Ck-2xk-2+ + Cixi + C1x + C0式Ci中為0或1.若將信息位左移r位，則可表示為多項式M(x).xr。這樣就可以空出r位，以便拼接r位校驗位。CRC碼是

15、用多項式M(x).xr除以生成多項式G(x)所得的余數(shù)作為的。為了得到r位余數(shù)，G(x)必須是r+1位。設(shè)所得的余數(shù)表達式為R(x)，商為Q(x)。將余數(shù)拼接在信息位組左移r位空出的r位上，就了CRC碼，這個碼的可用多項式表達為：M(x)·xr+R(x)=Q(x)·G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)·G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)·G(x)因此，所得CRC碼可被G(x)表示的數(shù)碼除盡。將收到的CRC碼用約定的生成多項式G(x)去除，如果無錯，余數(shù)應(yīng)為0，有某一位出錯，余數(shù)不為0.- 8 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校

16、園宣講網(wǎng)（二） 定點數(shù)的表示和運算1. 定點數(shù)的表示1）無符號數(shù)的表示無符號數(shù)就是指正整數(shù)，字長的全部位數(shù)均用來表示數(shù)值的大小，相當(dāng)于數(shù)的絕對值。對于字長為n+1位的無符號數(shù)的表示范圍為：0-2n+1-12）帶符號數(shù)的表示帶符號數(shù)是指在計算機中將數(shù)的符號數(shù)碼化。在計算機中，一般規(guī)定二進制的最為符號位，最高位為表示該數(shù)為正，為表示該數(shù)為負。這種在中使用符號位也被數(shù)碼化的數(shù)稱為數(shù)。根據(jù)符號位和數(shù)值位的編碼方法不同，數(shù)分為原碼、補碼和反碼。（1）原碼表示法數(shù)的最為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，數(shù)值跟隨其后，并以絕對值形式給出。這是與真值最接近的一種表示形式。原碼的定義：（2）補碼表示法數(shù)的最為符號

17、位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，其定義如下：（3）反碼表示法數(shù)的最為符號，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)。反碼的定義：2. 定點數(shù)的運算- 9 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188校園宣講網(wǎng)1）定點數(shù)的位移運算左移，絕對值擴大；右移，絕對值縮小。算術(shù)移位規(guī)則符號位不變算術(shù)移位和邏輯移位的區(qū)別：算術(shù)移位：帶符號數(shù)移位；邏輯移位：無符號數(shù)移位；2）原碼定點數(shù)的加/減運算；對原碼表示的兩個操作數(shù)進行加減運算時，計算機的實際操作是加還是減，不僅取決指令中的操作碼，還取決于兩個操作數(shù)的符號。而且運算結(jié)果的符號也較復(fù)雜。例如，加法指令指示做（A）（B）由于一操作數(shù)為負，實際操作是做減法（A）-（+B）

18、，結(jié)果符號與絕對值大的符號相同。同理，在減法指令中指示做（A）（B）實際操作做加法（A）（B），結(jié)果與被減數(shù)符號相同。由于原碼加減法比較繁瑣，相應(yīng)地需要由復(fù)雜的硬件邏輯才能實現(xiàn)，因此在計算機中很少被采用。- 10 -碼制添補代碼正數(shù)0負數(shù)原0補右移添0左移添1反1資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188校園宣講網(wǎng)3）補碼定點數(shù)的加/減運算；(1) 加法2n+1）整數(shù) A補 + B補= A+B補（mod小數(shù) A補 + B補= A+B補（mod 2）(2) 減法2n+1）整數(shù) A補 - B補= A+(-B)補=A補 + -B補（mod小數(shù) A補 - B補= A+(-B)補=A補 + -B

19、補（mod 2）無需符號判定，連同符號位一起相加，符號位產(chǎn)生的進位自然丟掉4）定點數(shù)的乘/除運算（1）一位乘法<1>原碼定點一位乘法兩個原碼數(shù)相乘，其乘積的符號為相乘兩數(shù)的異或值，數(shù)值兩數(shù)絕對值之積。設(shè)X原=X0 X1 X2 XnY原=Y0 Y1 Y2 YnX·Y原=X原·Y原= (X0Y0)(X1 X2 Xn)·(Y1 Y2 Yn)符號表示把符號位和數(shù)值鄰接起來。<2>定點補碼一位乘法有的為方便加減法運算，數(shù)據(jù)以補碼形式存放。乘法直接用補碼進行，以減少轉(zhuǎn)換次數(shù)。具體規(guī)則如下：X·Y補=X補（Y0 + 0. Y1 Y2 Yn ）-

20、 11 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)<3>布斯法“布斯公式”：在乘數(shù)Yn后添加Yn+1=0。按照Yn+1 ，Yn相鄰兩位的三種情況，其運算規(guī)則如下：（1） Yn+1 ，Yn =0（ Yn+1 Yn =00或11），部分積加0，右移1位;（2） Yn+1 ，Yn =1（ Yn+1 Yn =10） ，部分積加X補，右移1位；（3） Yn+1 ，Yn =-1（ Yn+1 Yn =01） ，部分積加X補，右移1位最后一步不移位。（2）兩位乘法<1>原碼兩位乘法，因此實際操作用Yi-1、Yi、C三位來，運算規(guī)則如下<2>補碼兩位乘法

21、根據(jù)前述的布斯算法，將兩步合并成一步，即可推導(dǎo)出補碼兩位乘的公式。- 12 -Yn-i-1 Yn-iYn-i+1Pi+2補0000010100111001+0， 右移2位+X補， 右移2位+X補， 右移2位+2X補，右移2位-2X補，右移2位-X補， 右Yi-1 YiC操作000001010011100101110111+0， 右移2位0C+X， 右移2位0C+X， 右移2位0C+2X，右移2位0C+2X，右移2位0C-X， 右移2位1C-X， 右移2位1C+0， 右移2位1C資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)求部分積的次數(shù)和右移操作的問題。當(dāng)乘數(shù)由1位符號位和以n

22、（奇數(shù)）位數(shù)據(jù)位組成時，求部分積的次數(shù)為（1n）2，而且最后一次的右移操作只右移一位。若數(shù)值位本身為偶數(shù)n，可采用下述兩種方法之一：可在乘數(shù)的最后一位補一個0，乘數(shù)的數(shù)據(jù)位就成為奇數(shù)，而且其值不變，求部分積的次數(shù)為1+(n+l)/2，即n/21，最后一次右移操作也只右移一位。乘數(shù)增加一位符號位，使總位數(shù)仍為偶數(shù)，此時求部分積的次數(shù)為n/2+1，而且最后一次不再執(zhí)行右移操作。（3）補碼除法<1>定點原碼一位除法1>恢復(fù)余數(shù)法被除數(shù)（余數(shù)）減去除數(shù)，如果為0或者為正值時，上商為1，不恢復(fù)余數(shù)；如果結(jié)果為負，上商為0，再將除數(shù)加到余數(shù)中，恢復(fù)余數(shù)。余數(shù)左移1位。2>加減交替法

23、當(dāng)余數(shù)為正時，商上1，求下一位商的辦法，余數(shù)左移一位，再減去除數(shù)；當(dāng)余數(shù)為負時，商上0，求下一位商的辦法，余數(shù)左移一位，再加上除數(shù)。<2>定點補碼一位除法（加減交替法）1如果被除數(shù)與除數(shù)同號，用被除數(shù)減去除數(shù)；若兩數(shù)異號，被除數(shù)加上除數(shù)。如果所得余數(shù)與除數(shù)同號商上1，否則，商上0，該商為結(jié)果的符號位。2求商的數(shù)值部分。如果上次商上1，將除數(shù)左移一位后減去除數(shù)；如果上次商上0，將余數(shù)左移一位后加除數(shù)。然后本次操作后的余數(shù)，如果余數(shù)與除數(shù)同號商上1，如果余數(shù)與除數(shù)異號商上0。如此重復(fù)執(zhí)行n-1次（設(shè)數(shù)值部分n位）。- 13 -01110111移2位-X補， 右移2位+0， 右移2位資料

24、/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)3商的最后一位一般采用恒置1的辦法，并省略了最低+1的操作。此時最大的誤差為2-n。5）溢出概念和判別方法當(dāng)運算結(jié)果超出數(shù)所能表示的范圍時，稱為溢出。顯然，兩個異號數(shù)相加或兩個同號數(shù)相減，其結(jié)果是溢出的。僅當(dāng)兩個同號數(shù)相加或者兩個異號數(shù)相減時，才有可能發(fā)溢出的情況，一旦溢出，運算結(jié)果就不正確了，因此必須將溢出的情況檢查出來。判別方法有三種：1當(dāng)符號相同的兩數(shù)相加時，如果結(jié)果的符號與加數(shù)（或被加數(shù)）不相同，則為溢出。2當(dāng)任意符號兩數(shù)相加時，如果C=Cf，運算結(jié)果正確，其中C為數(shù)值最的進位，Cf為符號位的進位。如果CCf ，則為溢出，所以溢

25、出條件=CCf 。3采符號fs2fs1。正數(shù)的雙符號位為00，負數(shù)的雙符號位為11。符號位參與運算，當(dāng)結(jié)果的兩個符號位甲和乙不相同時，為溢出。所以溢出條件= fs2fs1 ，或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1（三） 浮點數(shù)的表示和運算1. 浮點數(shù)的表示1）浮點數(shù)的表示范圍；浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù)，通常以下式表示：N=M·RE其中，N為浮點數(shù)，M為尾數(shù)，E為階碼，R稱為“階的基數(shù)（底）”，而且R為一常數(shù)，一般為2、8或16。在一臺計算機中，所有數(shù)據(jù)的R都是相同的，于是不需要在每個數(shù)據(jù)中表示出來。因此，浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式：浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形

26、式：1位n+1位m位Ms是尾數(shù)的符號位，設(shè)置在最上。E為階碼，有n+1位，一般為整數(shù)，其中有一位符號位，設(shè)置在E的最上，用來表正階或負階。- 14 -MsEM資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)M為尾數(shù)，有m位，由Ms和M組成一個定點小數(shù)。Ms=0，表示正號，Ms=1，表示負。為了保證數(shù)據(jù)精度屬數(shù)通常用規(guī)格化形式表示：當(dāng)R2，且尾數(shù)值不為0時，其絕對值大于或等于(0.5)10。對非規(guī)格化浮點數(shù)，通過將尾數(shù)左移或右移，并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求。2）IEEE754標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEEE 754國際標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點數(shù)有兩種格式：（1）單精度浮點數(shù)（32位），階碼8位，尾數(shù)2

27、4位（內(nèi)含：位符號位）。（2）雙精度浮點數(shù)（64位），階碼11位，尾數(shù)53位（內(nèi)含：位符號位）。單精度格式32位，階碼為8位，尾數(shù)為23位。另有一位符號位S，處在最。由于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)約定在小數(shù)點左部有一位隱含位，從而實際有效位數(shù)為24位。這樣使得尾數(shù)的有效值變?yōu)?.M 。例如，最小為x1.00,，最大為x1.11。規(guī)格化表示。故小數(shù)點左邊的位橫為1，可省去。階碼部分采用移碼表示，移碼值127，1到254經(jīng)移碼為-126到+127。- 15 -S(1位)E(8位)M(23位)N(共32位)符號位000符號位0不等于0(-1)S·2-126·(0.M) 為非規(guī)格化數(shù)符號位

28、1到254之間-(-1)S·2E-127·(1.M) 為規(guī)格化數(shù)符號位255不等于0NaN(非數(shù)值)資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)0 有了精確的表示，無窮大也明確表示。對于絕對值較小的數(shù)，可以采用非規(guī)格化數(shù)表示，減少下溢精度損失。非規(guī)格化數(shù)的隱含位是0，不是1。2. 浮點數(shù)的加/減運算加減法執(zhí)行下述五步完成運算：1）“對階”操作比較兩浮點數(shù)階碼的大小，求出其差E，保留其大值E，E=max(Ex, Ey)。當(dāng)E0時，將階碼小的尾數(shù)右移E位，并將其階碼加上E，使兩數(shù)的階碼值相等。2）尾數(shù)加減運算執(zhí)行對階之后，兩尾數(shù)進行加減操作。3）規(guī)格化操作規(guī)格

29、化的目的是使得尾數(shù)部分的絕對值盡可能以最大值的形式出現(xiàn)。4）舍入在執(zhí)行右規(guī)或者對階時，尾數(shù)的低位會被移掉，使數(shù)值的精度受到影響，常用“0”舍“1”入法。當(dāng)移掉的部分最為1時，在尾數(shù)的末尾加1，如果加1后又使得尾數(shù)溢出，則要再進行一次右規(guī)。5）檢查階碼是否溢出階碼溢出表示浮點數(shù)溢出。在規(guī)格化和舍入時都可能發(fā)生溢出，若階碼正常，加/減運算正常結(jié)束。若階碼下溢，則設(shè)置運算結(jié)果為零，若上溢，則設(shè)置溢出標(biāo)志。（四） 算術(shù)邏輯單元ALU1. 串行加法器和并行加法器1）串行進位加法器并行加法器可以同時對數(shù)據(jù)的各位進行相加，一般用n個全加器來實現(xiàn)2個操作數(shù)的各位同時向加。其操作數(shù)的各位是同時提供的，由于進位是

30、逐位形成，低位運算所產(chǎn)生的進位會影響的運算結(jié)果。- 16 -符號位2550無窮大資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)串行進位（也稱波形進位）加法器，邏輯電路比較簡單，但是最的加法運算，一定要等到所有低位的加法完成之后才能進行，低位的進位要逐步的傳遞到，逐級產(chǎn)生進位，因此運算速度比較慢。串行進位加法器2）并行進位加法器為了提高運算速度，減少延遲時間，可以采用并行進位法，也叫提前進位或先行進位。全加器中，輸入Ai 、Bi、Ci-1，輸出：Si = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1Ci = Ai Bi Ci-1+Ai B

31、i Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci-1進位產(chǎn)生函數(shù)：Gi = Ai Bi進位傳遞函數(shù)：Pi = Ai+BiCi = Gi + Pi Ci-1C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0并行進位加法器的運算速度很快，形成最高進位輸出的延遲時間很短，但是以增加硬件邏輯線路為代價。對于長字長的加法器，往往將加法器分成若干組，在組內(nèi)采用并行進位，組間則采用串行進位或并行進位，由此形成多種進位結(jié)構(gòu)。（1）單級先行進位單級先行進位方式將n位字長分為若干組，每組內(nèi)采用并行進位方式，組與組之間冊采用

32、串行進位方式。（2）多級先行進位多級先行進位在組內(nèi)和組間都采用先行進位方式。- 17 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)16位單級先行進位加法器2. 算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機構(gòu)ALU部件是運算器中的主要組成部分，又稱為多功能函數(shù)發(fā)生器，主要用于完成各種算術(shù)運算和邏輯運算。ALU的算術(shù)運算部件包含加法器、減法器、乘法器、除法器、增量器（+1）、減量器（-1）、BCD碼運算器等組件。ALU的主要工作是根據(jù)CPU的指令要求執(zhí)行各種指定的運算，如加法、減法、乘法、除法、比較、邏輯移位等操作。通用寄存器組是一組存取速度最快的器，用于保存參加運算的操作數(shù)和中間結(jié)果。寄存器

33、無需高速緩存，也不需要運行總線周期，因此指令的執(zhí)行速度很快。幾乎所有的指令都要將寄存器指定為一個操作數(shù)，有些指令還要求將操作數(shù)存放在的寄存器中。寄存器通常用于表示CPU所處于某種系統(tǒng)狀態(tài)，ALU中有兩個重要的狀態(tài)寄存器：指令指針寄存器IP（即程序計數(shù)器PC）和標(biāo)志寄存器FLAGS。三、器層次機構(gòu)（一）器的分類1. 按介質(zhì)分類1）半導(dǎo)體器2）磁表面器3）磁芯器4）光盤器2. 按存取方式分類1）隨機器- 18 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)2）只讀器3）串行器3. 按在計算機中的作用分類（二）器的層次化結(jié)構(gòu)器有3個重要的指標(biāo)：速度、容量和每位價格，一般來說，速度越

34、快，位價越高；容量越大，位價越低，容量大，速度就越低。上述三者的關(guān)系用下圖表示：系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存-主存-輔存這兩個層次上，如下圖所示：（三） 半導(dǎo)體隨機存取器1. SRAM器的工作原理1）靜態(tài)單元SRAM靜態(tài)單元的每個位需要四到六個晶體管組成。比較典型的是六管單元，即一個單元一位信息“0”或“1”。靜態(tài)單元保存的信息比較穩(wěn)定，信息為非破壞性讀出，故不需要重寫或者刷新操作；另一方面，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、速度較快，但其占用元件較多，占硅片面積大，且功耗大，所以集成度不高。靜態(tài)隨機單元- 19 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)2. DRAM器的工作原理1）

35、動態(tài)單元常見的動態(tài)RAM單元有三管式和單管式兩種，它們的共特點是靠電容電荷的原理來寄存信息。若電容上存有足夠的電荷表示“”，電容上無電荷表示“0”。電容上的電荷一般只能維持1-2ms，因此即使電源不掉電，電容上的電荷會自動消失。因此，為保證信息的不丟失，必須在2ms之內(nèi)就要對單元進行一次恢復(fù)操作，這個過程稱為再生或者刷新。與靜態(tài)RAM相比，動態(tài)RAM具有集成度更高、功耗更特點，目前被各類計算機廣泛使用。三管動態(tài)RAM基本單元單管動態(tài)RAM基本單元（四） 只讀器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀寫的隨機器，當(dāng)?shù)綦姇r，所的內(nèi)容消失，所以是易失性器。只讀器，即使停電，所的內(nèi)容也不丟失。根據(jù)半導(dǎo)

36、體制造工藝的不同，可分為ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory1. 只讀器（ROM）掩模式ROM由制造商在制造時寫入內(nèi)容，以后只能讀而不能再寫入。其基本原理是以元件的“有無”來表示該單元的信息（“1”或“0”），可以用二極管或晶體管作為元件，顯而易見，其- 20 -內(nèi)容是資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)改變的。2. 可編程序的只讀器（PROM）PROM可由用戶根據(jù)的需要來確定ROM中的內(nèi)容，常見的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”。剛出廠的，其熔絲是全部接通的。根據(jù)需要斷開某些單元的熔絲（寫入）。顯而易見，

37、斷開后的熔絲是不能再接通了，因而寫入的器。掉電后影響其所的內(nèi)容。3. 可擦可編程序的只讀器（EPROM）為了能修改ROM中的內(nèi)容，出現(xiàn)了EPROM。利用浮動?xùn)臡OS電路保存信息，信息的改寫用紫外線照射即可擦除。4. 可電擦可編程序只讀器（E2PROM）E2PROM的編程序原理與EPROM相同，但擦除原理完全不同，重復(fù)改寫的次數(shù)有限制（因氧化層被磨損），一般為10萬次。其讀寫操作可按每個位或每個字節(jié)進行，類似SRAM，但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒，比SRAM長得多。E2PROM每個單元采則2個晶體管。其柵極氧化層比EPROM薄，因此具有電擦除功能。5. 快除讀寫器（Flash Memory）F1a

38、sh Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其讀寫過程和E2PROM不同，F(xiàn)1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為。（五） 主器與CPU的連接1個器的的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長方面與實際器的要求都有很大差距，所以需要在字向和位向進行擴充才能滿足需要。根據(jù)器所需的容量和所提供的的實際容量，可以計算出總的數(shù)。一個器的容量為M×N位，若使用L×K位器，那么，這個器共需要M/L×N/K器。1位擴展位擴展指的是用多個器器件對字長進行擴充。位擴展的連接方式是將多片器的地址、片選己、讀寫端R/W可相應(yīng)并聯(lián)，數(shù)據(jù)端分別引出。2）字?jǐn)U展- 21 -資料

39、/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)字?jǐn)U展指的是增加器中字的數(shù)量。靜態(tài)器進行字?jǐn)U展時，將各的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫線相應(yīng)并聯(lián)，而由片選信號來區(qū)分各的地址范圍。3）字位擴展實際器往往需要字向和位向同時擴充。（六） 雙口RAM和多模塊器1.雙端口器雙端口器是一種具有兩個單獨的讀/寫端口及電路的器，通過增加一個讀/寫端口，雙端口器擴展了器的的信息交換能力。2.多模塊器為了解決CPU與主器之間的速度匹配問題，在高速器中，普遍采用并行主存系統(tǒng)。即利用類似器擴展（位擴展、字?jǐn)U展、字位擴展）的方法，將n個字長為W位的器并行連接，構(gòu)建一個更大的器。并行主存有單體多字方式、多體并行方式和多體

40、交叉方式。（七） 高速緩沖器（Cache）1. 程序的局部性從大量的統(tǒng)計中得到的一個規(guī)律是，程序中對于空間90%的局限于空間的10%的區(qū)域中，而另外10%的則分布在空間的其余90%的區(qū)域中。這就是通常說的局部性原理。訪存的局部性規(guī)律包括兩個方面：時間局部性：如果一個項被，則可能該項會很快被再次?？臻g局部性：如果一個項被，則該項及其鄰近的項也可能很快被。2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成，塊表和快速器。其工作原理是：處理機按主存地址器，器地址的高段通過主存-Cache地址映象機構(gòu)借助查表判定該地址的單元是否在Cache中，如果在，則Cache命中，按Cache地址Cache

41、。否則，Cache不命中，則需要主存，并從主存中調(diào)入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊- 22 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)到Cache中，若Cache中已寫滿，則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去，并修改有關(guān)的地址映象關(guān)系。從這個工作原理我們可以看出，它已經(jīng)涉及到了兩個問題。首先是、然后是替換的問題。Cache的存在對程序員是透明的。其地址變換和數(shù)據(jù)塊的替換算法均由硬件實現(xiàn)。通常Cache被集成到CPU內(nèi)以提高速度。3. Cache和主存之間的方式因為處理機都是按主存地址的，而Cache的空間遠小于主存，如何知道這一次的內(nèi)容是不是在Cache中，在Cache中的哪一個位置

42、呢? 這就需要地址映象，即把主存中的地址成Cache中的地址。讓Cache中一個塊(空間)與主存中若干塊相對應(yīng)，如此，一個主存地址時，就可以對應(yīng)地知道在cache中哪一個地址了。地址映象的方法有三種：直接映象、全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象。直接映象就是將主存地址映象到Cache中的一個指定地址。任何時候，主存中單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個位置，這是固定的，若這個位置已有數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生，原來的塊將無條件地被替換出去。直接全相聯(lián)映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式。在這種方式下，主存中單元的數(shù)據(jù)可調(diào)入到Cache中的任意位置。只有在Cache中的塊全部裝滿后才會出現(xiàn)塊。全相連-

43、23 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)組相聯(lián)映象指的是將空間的頁面分成若干組，各組之間的直接映象，而組內(nèi)各塊之間則是全相聯(lián)映象。組相聯(lián)4. Cache中主存塊的替換算法在直接映象方式下，不存在塊替換的算法，因為每一塊的位置映象是固定的，需要哪一塊數(shù)據(jù)就可直接確定地將該塊數(shù)據(jù)調(diào)入上層確置。而其他兩種映象就存在替換策略的問題，就是要選擇替換到哪一個Cache塊。即替換算法。5. Cache寫策略對Cache的寫操作，情況比讀操作要復(fù)雜一些。由于寫入Cache時，并沒有寫入主存，因此就出現(xiàn)Cache和主存數(shù)據(jù)不一致的情況。- 24 -思想優(yōu)點缺點隨機算法RAND用軟的

44、或硬的隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生上層中要被替換的頁號簡單、易于實現(xiàn)沒有利用上層器使用的" 歷史信息"，沒有反映等程序局部性，低。先進先出FIFO選擇最早裝入上層的頁作為被替換的頁實現(xiàn)方便，利用了主存歷史的信息不能正確反映程序局部性原 理，不高，可能出現(xiàn)一種異?，F(xiàn)象。近期最少使用RU選擇近期最少的頁作為被替換的頁比較正確反映程序局部性， 利用訪存的歷史信息，命中率較高實現(xiàn)較復(fù)雜優(yōu)化替換算法OPT將未來近期不用的頁換出去最高，可作為衡量其他替換算法的標(biāo)準(zhǔn)不現(xiàn)實，只是一種理想算法資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)如何處理Cache和主存不一致的方法就稱為更新策略

45、。另外，當(dāng)寫不命中時(也就是寫Cache塊時，這塊早被人替換出去而在Cache中找不到時)是不是要把這塊再取回Cache中，有兩個解決方法：u 不按寫分配法，就是直接寫到主存里，不再把該地址對應(yīng)的塊調(diào)回Cache中。u 按寫分配法，就是寫到主存，而且把這一塊從主存中調(diào)入到Cache。一般寫回法用按寫分配法，全寫法則采用不按寫分配。（八） 虛擬器1. 虛擬器的基本概念虛擬器是主存的擴展，虛擬器的空間大小取決于計算機的訪存能力而不是實際外存的大小，實際空間可以小于虛擬地址空間。從程序員的角度看，外存被看作邏輯空間，的地址是一個邏輯地址(虛地址)，虛擬器使系統(tǒng)既具有相當(dāng)于外存的容量又有接近于主存的速

46、度。虛擬器的也涉及到虛地址與實地址的映象、替換算法等，這與Cache中的類似，前面我們講的地址映象以塊為，而在虛擬器中，地址映象以頁為。設(shè)計虛擬系統(tǒng)需考慮的指標(biāo)是主存空間利用率和主存中率。虛擬器與Cache器的管理方法有許多相同之處，它們都需要地址映象表和地址變換機構(gòu)。但是二者也是不同的。虛擬器的三種不同管理方式：按映象算法，分為段式、頁式和段頁式等，這些管理方式的基本原理是類似的。- 25 -更新策略思想優(yōu)點缺點寫回法是指在CPU執(zhí)行寫操作時，信息只寫入Cache中，僅當(dāng)需要替換時，才將改寫過的Cache 塊先送回主存(寫回)，然后再調(diào)塊（設(shè)置dirty位）有利于省去許多將中間結(jié)果寫入主存的

47、無謂開銷。需設(shè)修改位增加Cache 的復(fù)雜性全寫法(寫直達法)在寫操作時，將數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存實現(xiàn)開銷小、簡單為了寫中間結(jié)果浪費了不少時間資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)2. 頁式虛擬器頁式管理:是把虛擬空間和實際空間等分成固定大小的頁，各虛擬頁可裝入主存中的不同實際頁面位置。頁式中，處理機邏輯地址由虛頁號和頁內(nèi)地址兩部分組成，實際地址也分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分，由地址映象機構(gòu)將虛頁號轉(zhuǎn)換成主存的實際頁號。頁式管理用一個頁表，包括頁號、每頁在主存中起始位置、裝入位等。頁表是虛擬頁號與物理頁號的表。頁式管理由操作系統(tǒng)進行，對應(yīng)用程序員的透明的。3. 段式虛

48、擬器段式管理: 把主存按段分配的管理方式。它是一種模塊化的管理方式，每個用戶程序模塊可分到一個段，該程序模塊只能分配給該模塊的段所對應(yīng)的主存空間。段長可以任意設(shè)定，并可放大和縮小。系統(tǒng)中通過一個段表指明各段在主存中的位置。段表中包括段名(段號)、段起點、裝入位和段長等。段表本身也是一個段。段一般是按程序模塊分的。4. 段頁式虛擬器段頁式管理:是上述兩種方法的結(jié)合，它將空間按邏輯模塊分成段，每段又分成若干個頁，訪存通過一個段表和若干個頁表進行。段的長度必須是頁長的整數(shù)倍，段的起點必須是某一頁的起點。5. TLB（快表）在虛擬器中進行地址變換時，需要虛頁號變換成主存中實頁號的內(nèi)部地址變換，這一般通

49、過查內(nèi)頁表實現(xiàn)。當(dāng)表中該頁對應(yīng)的裝入位為真時，表示該頁在主存中，可按主存地址問主存；如果裝入位為假時，表示該頁不在器中，就產(chǎn)生頁失效中斷，需從外存調(diào)入頁。中斷處理時先通過外部地址變換，一般通過查外頁表，將虛地址變換為外存中的實際地址，到外存中去選頁，然后通過I/0通道調(diào)入內(nèi)存。當(dāng)外存頁面調(diào)入主存中時還存在一個頁面替換略的問題。提高頁表的速度是提高地址變換速度的關(guān)鍵。因為，每次訪存都要讀頁表，如果頁存放在主存中，就意味著訪存時間至少是兩次主存的時間，這樣查表的代價大大。只有內(nèi)部地址變換速度提高到使訪問主存的速度接近于不采用虛擬器時的訪主存速度時，虛擬器才能實用。根據(jù)訪存的局部性，表內(nèi)各項的使用的

50、概率不是均勻分布的。在一段時間內(nèi)，可能只用表中的很少幾項，因此應(yīng)重點提高使用概率高的這部分頁表的速度，可用快速硬件全表小得多的部分表格，而- 26 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)將整個表格放在主存中，這就引出了快表和慢表的概念和技術(shù)。這樣，虛地址到實地址的變換方法如后圖所示。查表時，根據(jù)虛頁表同時查找快表和慢表，當(dāng)在快表中查到該虛頁號時，就能很快找到對應(yīng)的實頁號，將其送入主存實地址寄存器，同時使慢表的查找作廢，這時主存的速度沒降低多少。如果在快表中查不到，則經(jīng)過一個訪主存的時間延遲后，將從慢表中查到的實頁送入實地址寄存器，同時將此虛頁號和對應(yīng)的實頁號送入快表，

51、這里也涉及到用一個替換算法從快表中替換出一行。快表的存在對所有的程序員都是透明的。- 27 -資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)四、 指令系統(tǒng)（一） 指令格式1. 指令的基本格式計算機是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：（1）操作碼，具體說明了操作的性質(zhì)及功能。（2）操作數(shù)的地址。（3）操作結(jié)果的地址。（4）下一條指令的地址。從上述分析可知，一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼（operation code）用來表示該指令所要完成的操作（如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等），其長度取決于

52、指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼該指令的操作對象，或者直接給出操作數(shù)或者指出操作數(shù)的器地址或寄存器地址（即寄存器名）。2. 定長操作碼指令格式1）零地址指令格式：OPCODE-操作碼- 28 -OPCODE資料/宣講會日程關(guān)注xuanjianghui188 校園宣講網(wǎng)指令中只有操作碼，而沒有操作數(shù)或沒有操作數(shù)地址。這種指令有兩種可能：（1）無需任何操作數(shù)，如空操作指令，停機指令等。（2）所需的操作數(shù)是默認的。如堆棧結(jié)構(gòu)計算機的運算指令，所需的操作數(shù)默認在堆棧中，由堆棧指針SP隱含指出，操作結(jié)果仍然放回堆棧中。又如Intel 8086的字符串處理指令，源、目的操作數(shù)分別默認在源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI所指定的器單元中。2）一地址指令格式：OPCO