計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)題資料(課件整理版可自學(xué)使用)

...wd......wd......wd...一、本課程在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置一、課程目標(biāo)1、構(gòu)造與原理掌握建設(shè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念；掌握計(jì)算機(jī)各部件的組成原理與技術(shù)；了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成與構(gòu)造的新技術(shù)2、分析與計(jì)算能力掌握對(duì)組成與構(gòu)造進(jìn)展性能分析的方法；通過(guò)量化計(jì)算，加深對(duì)組成原理的理解與掌握3、應(yīng)用與設(shè)計(jì)能力通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力二、課程內(nèi)容組織第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)的模型、硬件組成，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程、性能指標(biāo)第2章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算方法，ALU構(gòu)造與組成第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)層次構(gòu)造，RAM組成，主存、Cache、虛存的組成原理第4章指令系統(tǒng)指令功能與指令格式，操作數(shù)存放及尋址方式，CISC/RISC第5章中央處理器CPU的功能與構(gòu)造、工作流程，指令執(zhí)行過(guò)程，數(shù)據(jù)通路組織，CU的構(gòu)造及組成，微程序控制器技術(shù)，指令流水技術(shù)計(jì)算機(jī)軟件(指令串及數(shù)據(jù))計(jì)算機(jī)軟件(指令串及數(shù)據(jù))CUALU存儲(chǔ)器…系統(tǒng)總線I/O設(shè)備1I/O接口1I/O設(shè)備2I/O接口2I/O設(shè)備nI/O接口n第6章總線概述，操作步驟，仲裁/定時(shí)方式，互連構(gòu)造第7章I/O系統(tǒng)組成，I/O設(shè)備，I/O接口，I/O方式(4種)1、學(xué)習(xí)方法建設(shè)整機(jī)概念，將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)融合在一起；從邏輯設(shè)計(jì)出發(fā)，分析多種方案的利與弊；通過(guò)量化分析，加深對(duì)原理的掌握與理解。2、學(xué)習(xí)效率第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論◆計(jì)算機(jī)：按照內(nèi)部存儲(chǔ)的指令序列，對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)展自動(dòng)高速處理、存儲(chǔ)、傳送、控制的裝置。指令：指示計(jì)算機(jī)硬件完成某種功能的明確的命信息：有用的數(shù)據(jù)，有多種不同類型，其表現(xiàn)手段可以采用數(shù)字化形式或模擬量形式；運(yùn)算：包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，要求自動(dòng)與高速；處理：對(duì)信息進(jìn)展搜索、識(shí)別、變換，甚至聯(lián)想、思考和推理等等?！粲?jì)算機(jī)的基本功能主要包括數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送控制◆數(shù)據(jù)處理功能運(yùn)算功能：算術(shù)運(yùn)算功能和邏輯運(yùn)算，應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算和非數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面；處理對(duì)象：數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等?！魯?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能主存儲(chǔ)器：保存指令和數(shù)據(jù)；輔助存儲(chǔ)器：以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息?！魯?shù)據(jù)傳送功能內(nèi)部數(shù)據(jù)流動(dòng)：CPU和主存以及CPU內(nèi)部存放器與運(yùn)算器之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)；外部數(shù)據(jù)傳送：輸入/輸出〔I/O〕和計(jì)算機(jī)通信。◆控制功能控制器：產(chǎn)生各種基本操作信號(hào)并按某種時(shí)序發(fā)出以完成相應(yīng)功能；指令編碼、指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有指令集合。1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：功能的實(shí)現(xiàn)方式—①硬件具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及處理和過(guò)程控制功能②軟件表示應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制需求└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③執(zhí)行軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制功能*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造：機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性概念性構(gòu)造和功能特性←┘ *計(jì)算機(jī)組成：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造時(shí)所表達(dá)的計(jì)算機(jī)屬性*計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成時(shí)所表達(dá)的計(jì)算機(jī)屬性*相互關(guān)系：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造—確定軟硬件功能分配及其界面特性；計(jì)算機(jī)組成—邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)造的內(nèi)容；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)—物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容舉例 系統(tǒng)構(gòu)造 計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)乘法功能 是否有乘法指令 乘法器還是加法+移位 器件、電路主存系統(tǒng) 最大容量、編址方式 速度保證、單體/多體MEM總線 帶寬 信號(hào)線數(shù)、時(shí)鐘、傳輸方式§1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)*構(gòu)造與組成：由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成，以運(yùn)算器為中心；輸入設(shè)備輸入設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備注：數(shù)據(jù)信息

指令信息

控制信息

狀態(tài)信息*數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：指令及數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制方式表示，運(yùn)算亦采用二進(jìn)制方式*存儲(chǔ)程序原理—程序存儲(chǔ)方式：指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放(以等同地位)在存儲(chǔ)器中；*存儲(chǔ)器構(gòu)造：由定長(zhǎng)單元構(gòu)成的一維空間，存儲(chǔ)器按地址訪問(wèn)；*指令組成：由操作碼及地址碼組成；例：假設(shè)加法運(yùn)算的操作碼用010表示，第01000號(hào)與第10000號(hào)兩個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加的操作可表示為：0100100010000*存儲(chǔ)程序原理—程序控制機(jī)制：按程序邏輯順序、自動(dòng)地、逐條地取出指令并執(zhí)行。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型。1〕計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入/輸出五個(gè)部件組成；2〕存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；3〕存儲(chǔ)程序工作方式；4〕五部件以運(yùn)算器為中心進(jìn)展組織。二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成1、計(jì)算機(jī)硬件的構(gòu)造現(xiàn)代計(jì)算機(jī)均在馮·諾依曼模型根基上進(jìn)展改進(jìn)*采用以存儲(chǔ)器為中心的構(gòu)造：使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能*由多種存儲(chǔ)器構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)：解決速度-容量-價(jià)格間的矛盾，有利于提高性能/價(jià)格 *采用總線互連形式：實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 2、計(jì)算機(jī)部件的基本組成(1)存儲(chǔ)器*功能：存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)、通過(guò)讀/寫(xiě)操作接收/提供信息*組成：*完成操作的過(guò)程：讀操作—①接收地址及命令，內(nèi)部操作；②輸出數(shù)據(jù)寫(xiě)操作—①接收地址及命令；②接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作(2)運(yùn)算器*功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算，并暫存運(yùn)算結(jié)果*組成：*(AC)+[Y]→AC的運(yùn)算過(guò)程：(0)(AC)為被加數(shù)(1)加數(shù)[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU結(jié)果→AC△約定：(X)表示存放器X中內(nèi)容，[Y]表示存儲(chǔ)單元Y中內(nèi)容(3)控制器*功能：指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程*程序執(zhí)行過(guò)程：①循環(huán)的指令執(zhí)行過(guò)程(取指令及執(zhí)行指令)；②下條指令地址由當(dāng)前指令產(chǎn)生(按程序邏輯順序)取指令取指令取指階段分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段(4)輸入/輸出設(shè)備*功能：實(shí)現(xiàn)外部-內(nèi)部信息的輸入/輸出及格式轉(zhuǎn)換；*種類：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤(pán)等；*連接：通過(guò)I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，I/O接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時(shí)的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成四、計(jì)算機(jī)工作過(guò)程計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。考察指令A(yù)DDNUM，R0的執(zhí)行過(guò)程。圖1.4CPU組成以及和存儲(chǔ)器的連接圖1.4CPU組成以及和存儲(chǔ)器的連接考察指令A(yù)DDNUM，R0的執(zhí)行過(guò)程。程序執(zhí)行過(guò)程*程序執(zhí)行的初始條件：(a)程序及數(shù)據(jù)已存放在主存儲(chǔ)器MM中；(b)PC內(nèi)容已經(jīng)為即將執(zhí)行的程序首條指令地址*程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法：--控制器指揮與控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1〞→PC；②分析—(IR)→ID→CU；③執(zhí)行—實(shí)現(xiàn)指令約定操作(指令轉(zhuǎn)移時(shí)重寫(xiě)PC)；④循環(huán)—假設(shè)無(wú)中斷執(zhí)行的要求，轉(zhuǎn)①§1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)*系統(tǒng)性能：指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機(jī)器字長(zhǎng)：指CPU一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)。└→指ALU一次能處理的n位CPU—指機(jī)器字長(zhǎng)為n個(gè)二進(jìn)制位的CPU；例如，Core2CPU為64位CPU對(duì)系統(tǒng)性能的影響—機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理性能越好；(∵應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＞機(jī)器字長(zhǎng)時(shí)，需分次運(yùn)算)對(duì)其它硬件的影響—直接影響ALU、REG長(zhǎng)度，間接影響存儲(chǔ)字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)總線位數(shù)*機(jī)器主頻：指CPU內(nèi)部主時(shí)鐘脈沖的頻率，常用f表示。主頻單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；時(shí)鐘周期—CPU內(nèi)部基本操作的時(shí)長(zhǎng)，常用TC表示；f與TC關(guān)系—倒數(shù)關(guān)系，即f=1/TC*存儲(chǔ)容量：指存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總位數(shù)。主存容量—容量S=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)；輔存容量—容量S=存儲(chǔ)塊個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)塊長(zhǎng)度；容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；最大主存容量—CPU能夠訪問(wèn)的主存最大容量，它決定了CPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量2、系統(tǒng)性能指標(biāo)時(shí)間是唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有響應(yīng)時(shí)間和吞吐量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)。*響應(yīng)時(shí)間：指一個(gè)任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時(shí)間，*吞吐量：又稱吞吐率，指單位時(shí)間內(nèi)能處理的工作量，即吞吐量=n個(gè)任務(wù)的總工作量÷n個(gè)任務(wù)的總時(shí)間特點(diǎn)—反映了多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件總體性能表示—因工作量無(wú)統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替△MIPS(每秒百萬(wàn)次指令)△MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算)*其他：RAS(可靠性/可用性/可維護(hù))，兼容性等二、計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)展歷史1、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的開(kāi)展機(jī)器語(yǔ)言→匯編語(yǔ)言→高級(jí)語(yǔ)言→應(yīng)用語(yǔ)言*高級(jí)語(yǔ)言例：FORTRAN、PASCAL、C/C++、Java2、系統(tǒng)軟件的開(kāi)展*語(yǔ)言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序；*操作系統(tǒng)：DOS、UNIX、Windows；(多道程序、分時(shí)/實(shí)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)、分布式、面向?qū)ο?*服務(wù)性程序：裝配、調(diào)試、診斷、排錯(cuò)；*數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)狀、層次、關(guān)系型)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件；*網(wǎng)絡(luò)：協(xié)議(NetNIOS、TCP/IP等)及實(shí)現(xiàn)庫(kù)三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類按規(guī)模及功能分類超級(jí)計(jì)算機(jī)—科學(xué)計(jì)算等；大型計(jì)算機(jī)—多用戶使用等；小型計(jì)算機(jī)—辦公應(yīng)用等；工作站—圖形處理及分布式計(jì)算等；微型計(jì)算機(jī)—應(yīng)用廣泛；單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)—工業(yè)控制等第二章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算§2.1數(shù)據(jù)的編碼一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進(jìn)位計(jì)數(shù)制*進(jìn)位計(jì)數(shù)制：又稱進(jìn)制或數(shù)制，是用一組固定的符號(hào)和統(tǒng)一的規(guī)那么來(lái)表示數(shù)值的方法。有數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)3個(gè)基本參數(shù)*常用的4種進(jìn)制：*R進(jìn)制數(shù)表示：(N)R=(kn-1…k1k0.k-1k-2…k-m)R=其中，ki∈{0,1,…(R-1)}(2)十進(jìn)制數(shù)小數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)小數(shù)*小數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)那么：乘基取整、上左下右例3—將(0.6875)10分別轉(zhuǎn)換成二、八進(jìn)制數(shù)(3)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：整數(shù)局部、小數(shù)局局部別轉(zhuǎn)換后再合并練習(xí)1—(19.6875)10=(X)2=(Y)8，X=Y=4、二、八、十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*隱含規(guī)律：2=21，8=23，16=24(1)二進(jìn)制、八進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：①?gòu)男?shù)點(diǎn)向兩邊分別轉(zhuǎn)換；②3個(gè)二進(jìn)制數(shù)位(不夠時(shí)補(bǔ)零)等價(jià)于1個(gè)八進(jìn)制數(shù)位例4—(13.724)8=(001011.111010100)2=(1011.1110101)2(10011.01)2=(010011.010)2=(23.2)8(2)二進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：①?gòu)男?shù)點(diǎn)向兩邊分別轉(zhuǎn)換；②4個(gè)二進(jìn)制數(shù)位(不夠時(shí)補(bǔ)零)等價(jià)于1個(gè)十六進(jìn)制數(shù)位例5—(2B.E)16=(00101011.1110)2=(101011.111)2(11001.11)2=(00011001.1100)2=(19.C)16二、機(jī)器數(shù)及其編碼*數(shù)值數(shù)據(jù)：組成—由符號(hào)、小數(shù)點(diǎn)及數(shù)值構(gòu)成，可缺省符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)運(yùn)算—①符號(hào)與數(shù)值分開(kāi)運(yùn)算；②加減法需先比較大小*機(jī)器數(shù)：符號(hào)數(shù)字化的數(shù)，通常0/1表示+/-；如(+101)2→(0101)2、(-0.101)2→(-.101)2→(1.101)2真值—帶“+〞或“-〞符號(hào)的數(shù)*機(jī)器數(shù)的運(yùn)算方法：①采用手工運(yùn)算方法，硬件實(shí)現(xiàn)很不方便；如—(+x)+(-y)時(shí)，先求x-y、再求結(jié)果符號(hào)、最后求x-y或y-x☆②采用新運(yùn)算方法，便于硬件實(shí)現(xiàn)(如符號(hào)與數(shù)值一起運(yùn)算)└→必須使用新的編碼方法！*機(jī)器數(shù)的編碼方法：原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼等1、原碼表示法(原碼編碼方法)*基本思想：用0/1表示符號(hào)+/-，數(shù)值位為真值的絕對(duì)值*純整數(shù)原碼定義：設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]原=xn-1xn-2…x0，*純小數(shù)原碼定義：設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]原=x0.x-1…x-(n-1)*原碼的特性：①X與[X]原關(guān)系—·[X]原與X表示值的范圍一樣，·[+0]原≠[-0]原；②運(yùn)算方法—符號(hào)與數(shù)值分開(kāi)運(yùn)算(與手工運(yùn)算一致)└→適合于乘除法，加減法較復(fù)雜2、補(bǔ)碼表示法*目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)符號(hào)與數(shù)值一起運(yùn)算(1)有模運(yùn)算與補(bǔ)數(shù)例如—將時(shí)針從10點(diǎn)撥向7點(diǎn)，有兩種撥法：①倒撥10-3=7；②順撥10+9=7+12=7*有模運(yùn)算：運(yùn)算時(shí)只計(jì)量小于“模〞的局部，多余局部被丟棄?！?jì)量系統(tǒng)的計(jì)數(shù)范圍；同余—假設(shè)A、B、M滿足A=B+kM(k為有符號(hào)整數(shù))，那么記A≡B(modM)，稱B和A為模M的同余*補(bǔ)數(shù)：假設(shè)a、b、M滿足a+b=M，稱a、b互為模M的補(bǔ)數(shù)運(yùn)算特征—c-a=c-(M-b)=c+b(modM)，即減去一個(gè)數(shù)等價(jià)于加上這個(gè)數(shù)的補(bǔ)數(shù)└→可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算(2)補(bǔ)碼定義一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼應(yīng)等于模與該數(shù)絕對(duì)值之差。即某負(fù)數(shù)X的補(bǔ)碼為：[X]補(bǔ)=M+X(modM)*純整數(shù)補(bǔ)碼定義：設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]補(bǔ)=x’n-1x’n-2…x’0，即說(shuō)明—因X連同符號(hào)位共n位，故模為2n例6—[+0001]補(bǔ)=00001，[-0001]補(bǔ)=100000-0001=11111[+1111]補(bǔ)=01111，[-1111]補(bǔ)=100000-1111=10001※正數(shù)補(bǔ)碼最高位(符號(hào)位)為0，負(fù)數(shù)最高位為1[+0000]補(bǔ)=[-0000]補(bǔ)=00000※數(shù)0的補(bǔ)碼惟一練習(xí)2—假設(shè)X=-01000、Y=+01000，[X]補(bǔ)=[Y]補(bǔ)=例7—n=5、X≥0時(shí)，最大[X]補(bǔ)=01111，Xmax=24-1=+15X＜0時(shí)，最小[X]補(bǔ)=10000，Xmin=-24=-16※補(bǔ)碼表示數(shù)的個(gè)數(shù)比原碼多1個(gè)原碼無(wú)11…1110…0110…0000…0000…0101…11補(bǔ)碼10…0010…0111…1100…0000…0101…11真值-2n-1-(2n-1-1)-10+1+(2n-1-1)*定點(diǎn)純小數(shù)補(bǔ)碼定義：設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]補(bǔ)=x’0.x’-1…x’-(n-1)例8—[+0.1011]補(bǔ)=0.1011[-0.1011]補(bǔ)=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.0101(3)補(bǔ)碼的特性△X→[X]補(bǔ)—假設(shè)X為正數(shù)，改符號(hào)位為0，其余各位不變；假設(shè)X為負(fù)數(shù)，改符號(hào)位為1，其余各位取反、末位加1△[X]補(bǔ)→X—假設(shè)[X]補(bǔ)最高位為0，改其為正號(hào)，其余各位不變；假設(shè)[X]補(bǔ)最高位為1，改其為負(fù)號(hào)，其余各位取反、末位加1△[X]原→[X]補(bǔ)—假設(shè)[X]原最高位為0，[X]補(bǔ)=[X]原；假設(shè)[X]原最高位為1，[X]補(bǔ)=[X]原各數(shù)值位取反、末位加1△[X]補(bǔ)→[X]原—假設(shè)[X]補(bǔ)最高位為0，[X]原=[X]補(bǔ)；假設(shè)[X]補(bǔ)最高位為1，[X]原=[X]補(bǔ)各數(shù)值位取反、末位加1*[X]補(bǔ)與[-X]補(bǔ)的關(guān)系：△[X]補(bǔ)→[-X]補(bǔ)—[X]補(bǔ)的各位取反(含符號(hào)位)、末位加1[-X]補(bǔ)→[X]補(bǔ)—[-X]補(bǔ)的各位取反(含符號(hào)位)、末位加1練習(xí)4—①假設(shè)X=+01001，[X]原=001001，[X]補(bǔ)=001001；②假設(shè)X=-01010，[X]原=101010，[X]補(bǔ)=110110；③假設(shè)[X]原=001010，X=+01010，[X]補(bǔ)=001010；④假設(shè)[X]原=101110，X=-01110，[X]補(bǔ)=110010；⑤假設(shè)[X]補(bǔ)=001110，X=+01110，[-X]補(bǔ)=110010；⑥假設(shè)[X]補(bǔ)=101110，X=-10010，[-X]補(bǔ)=010010；⑦假設(shè)[-X]補(bǔ)=101011，[X]補(bǔ)=010101，[X]原=010101；⑧假設(shè)[-X]補(bǔ)=001001，[X]補(bǔ)=110111，[X]原=1010013、反碼表示法*目標(biāo)：作為原碼與補(bǔ)碼相互轉(zhuǎn)換時(shí)的一種過(guò)渡編碼*純整數(shù)反碼定義：設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，取模=2n-1，那么例14—[+1101]反=01101，[-1101]反=10010*純小數(shù)反碼定義：設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，xi=0或1，模=2-2-(n-1)，那么例15—[+0.1101]反=0.1101，[-0.1101]反=1.0010*反碼與補(bǔ)碼關(guān)系：假設(shè)X為正數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反；假設(shè)X為負(fù)數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反+1

原碼、補(bǔ)碼、反碼比較：①機(jī)器數(shù)的最高位均為符號(hào)位(0/1表示正/負(fù))；②假設(shè)真值X為正數(shù)，[X]原=[X]補(bǔ)=[X]反；③假設(shè)真值X為負(fù)數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反+1，[X]反=[X]原各位求反(符號(hào)位除外)；④[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)，補(bǔ)碼比原碼、反碼多表示一個(gè)負(fù)數(shù)4、移碼表示法*目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)符號(hào)與數(shù)值一起編碼←數(shù)連續(xù)時(shí)編碼連續(xù)*純整數(shù)移碼定義：設(shè)X=±xn-2…x0，其中xi=0或1，取模=2n，那么[X]移=2n-1+X(mod2n)=2n-1+X-2n-1≤X＜2n-1例16—[-111]移=0001，[-001]移=0111，[±000]移=1000，[+001]移=1001，[+111]移=1111，[-1000]移=0000*移碼的特性：①數(shù)在數(shù)軸上為連續(xù)編碼(無(wú)符號(hào)數(shù))，便于比較大??；②[X]移=[X]補(bǔ)符號(hào)位取反、其余各位不變?nèi)?、十進(jìn)制數(shù)編碼*BCD碼(BinaryCodedDicimal)：又稱二-十進(jìn)制編碼，是指用4位二進(jìn)制編碼表示1位十進(jìn)制數(shù)位的編碼方式。*BCD碼種類：分有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼兩種，最常用的是8421碼。

BCD碼缺省指8421碼(特殊聲明除外)！四、字符及字符串編碼1、字符編碼*字符編碼：字符在字符集中惟一的數(shù)字化代碼，表示字符在字符集中的序號(hào)或特征號(hào)*字符編碼的類型：有輸入碼、內(nèi)碼、交換碼、字模碼4種*有關(guān)字符編碼的約定：字符編碼—均指交換碼的編碼！字符數(shù)據(jù)—均指內(nèi)碼的編碼！*常見(jiàn)字符編碼(交換碼)種類：2、字符串編碼*字符串特性：①由多個(gè)字符構(gòu)成；②所含字符數(shù)不固定。*字符串編碼方法：①由各個(gè)字符編碼組成；②通過(guò)特定編碼標(biāo)志字符串的完畢，完畢編碼放在最后└→字符集必須包含該字符(如ASCII碼中編碼為0的字符)例—C語(yǔ)言中字符串“am〞可編碼為11000011101101000000五、校驗(yàn)碼*冗余校驗(yàn)思想：①用待發(fā)數(shù)據(jù)(M)形成校驗(yàn)信息(P)，M與P一起傳送；②用接收數(shù)據(jù)(M’)形成新校驗(yàn)信息(P〞)，檢錯(cuò)并糾錯(cuò)*術(shù)語(yǔ)：校驗(yàn)碼—由數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位組成的信息編碼；檢錯(cuò)(檢驗(yàn))—檢查數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中有/無(wú)錯(cuò)誤；糾錯(cuò)(校正)—根據(jù)錯(cuò)誤位置糾正數(shù)據(jù)(取反)*常見(jiàn)校驗(yàn)碼：奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼*編碼原理：采用1位校驗(yàn)位，使數(shù)據(jù)位及校驗(yàn)位中“1〞的位數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)數(shù)*校驗(yàn)方法：故障字S—S=P’P〞，其中P’是接收的、P〞是形成的；檢錯(cuò)—假設(shè)S=0無(wú)錯(cuò)誤，假設(shè)S=1有錯(cuò)誤；糾錯(cuò)—無(wú)此能力(∵無(wú)法獲得錯(cuò)誤位置)*校驗(yàn)?zāi)芰Γ褐荒軝z測(cè)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，無(wú)糾錯(cuò)能力例3—以下接收的校驗(yàn)碼①01001、②10100、③10011中，只有一個(gè)有奇數(shù)位錯(cuò)，請(qǐng)問(wèn)發(fā)送時(shí)采用的是奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)碼*應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)校驗(yàn)§2.2數(shù)據(jù)的表示

計(jì)算機(jī)用編碼表示數(shù)據(jù)：

計(jì)算機(jī)只支持最常用(最基本)的數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)表示—計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和引用的數(shù)據(jù)類型應(yīng)用數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)表示的轉(zhuǎn)換：程序員或編譯程序完成一、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示方法1、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)特征①進(jìn)制可有多種；②符號(hào)為“+〞或“-〞，可以沒(méi)有符號(hào)；③小數(shù)點(diǎn)為“．〞，可隱含表示，小數(shù)點(diǎn)位置可任意變化；④數(shù)碼長(zhǎng)度可任意變化；⑤不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算溢出2、馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)的硬件特征①指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算；②二進(jìn)制中只有0和1，無(wú)法表示符號(hào)和小數(shù)點(diǎn)；③機(jī)器字長(zhǎng)固定，CPU內(nèi)部全部采用定長(zhǎng)方式處理。3、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法*進(jìn)制問(wèn)題處理：只支持二進(jìn)制方式；*符號(hào)問(wèn)題處理：有符號(hào)數(shù)—用數(shù)字表示符號(hào)，數(shù)據(jù)本身無(wú)法區(qū)分無(wú)符號(hào)數(shù)—符號(hào)位置為數(shù)值；在指令級(jí)進(jìn)展區(qū)分 *小數(shù)點(diǎn)問(wèn)題處理：①點(diǎn)的表示—用隱含方式表示；②位置表示—約定不同數(shù)據(jù)類型的位置不同*數(shù)碼長(zhǎng)度問(wèn)題處理：①不同數(shù)據(jù)類型—數(shù)碼長(zhǎng)度固定；←便于定長(zhǎng)方式處理②同一數(shù)據(jù)類型—可有幾種長(zhǎng)度；←可提高處理及存儲(chǔ)效率*運(yùn)算問(wèn)題處理：①運(yùn)算方法—按數(shù)據(jù)表示的格式及編碼進(jìn)展相應(yīng)運(yùn)算；②數(shù)據(jù)類型區(qū)分—由指令操作碼區(qū)分；③溢出處理—硬件檢測(cè)并發(fā)出通知，由軟件處理

數(shù)值數(shù)據(jù)的處理方法：包括數(shù)據(jù)的表示和數(shù)據(jù)的操作方法二、數(shù)的定點(diǎn)表示1、定點(diǎn)表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點(diǎn)位置固定不變。*定點(diǎn)表示形式：有約定在數(shù)值最低位之后和最高位之前兩種2、定點(diǎn)數(shù)的表示采用定點(diǎn)表示格式的數(shù)稱為定點(diǎn)數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長(zhǎng)度。*定點(diǎn)數(shù)的表示范圍：(設(shè)數(shù)碼長(zhǎng)度為n位)三、數(shù)的浮點(diǎn)表示1、浮點(diǎn)表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點(diǎn)位置是可變的。*浮點(diǎn)表示形式：由尾數(shù)和階組成格式—表示—尾數(shù)用定點(diǎn)純小數(shù)表示，階用定點(diǎn)整數(shù)表示2、浮點(diǎn)數(shù)的表示采用浮點(diǎn)表示格式的數(shù)稱為浮點(diǎn)數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長(zhǎng)度。*浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍與精度：假設(shè)尾數(shù)及階的基均為2，數(shù)值長(zhǎng)度分別為m位及e位例1—假設(shè)浮點(diǎn)表示格式中m＝10、e＝4，尾數(shù)及階均為補(bǔ)碼編碼方式，寫(xiě)出(-54)10的機(jī)器碼。解：(-54)10=(-110110)2=-0.11011×2+110，浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器碼為0011010010100000例2—假設(shè)浮點(diǎn)表示格式中尾數(shù)為8位(含1位符號(hào)位)、階為5位(含1位符號(hào)位)，寫(xiě)出以下實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)及機(jī)器碼。例3—浮點(diǎn)表示格式同例2，寫(xiě)出以下機(jī)器碼的浮點(diǎn)數(shù)。3、浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化*目的：在現(xiàn)有的浮點(diǎn)數(shù)表示格式中，使表示精度最大化。例4—假設(shè)浮點(diǎn)表示格式中m＝3、e＝3、尾數(shù)和階均為原碼編碼方式，不同表示方法的浮點(diǎn)數(shù)精度不同：+101.1=0.1011×23=0.01011×24=0.001011×25*規(guī)格化數(shù)的要求：尾數(shù)真值的最高位為1，即1/2≤|M|＜1*規(guī)格化的操作：左規(guī)—尾數(shù)左移一位，階碼減一；右規(guī)—尾數(shù)右移一位，階碼加一。應(yīng)用—非規(guī)格化數(shù)→規(guī)格化數(shù)，可能需屢次規(guī)格化操作例5—假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)及階的基均為2，答復(fù)以下問(wèn)題：原碼尾數(shù)—最高數(shù)值位為1；補(bǔ)碼尾數(shù)—最高數(shù)值位與符號(hào)相反←便于硬件實(shí)現(xiàn)4、IEEE754標(biāo)準(zhǔn)*表示格式及數(shù)碼長(zhǎng)度：有單精度、雙精度兩種格式及長(zhǎng)度*編碼方式：①數(shù)制—M和E均采用二進(jìn)制方式(即RM=RE=2)；②碼制—M為原碼編碼的定點(diǎn)純小數(shù)(改進(jìn)了定點(diǎn)位置)，E為移碼編碼的定點(diǎn)整數(shù)(改進(jìn)了移碼值)*階的碼制：采用的是余127碼和余1023碼余X碼—偏移值為X的移碼稱為余X碼，標(biāo)準(zhǔn)移碼：真值=E-28-1=E-128，余127碼：真值=E-(28-1-1)=E-127；階的范圍—1≤E≤254，而0和255另作他用，即-126≤階的真值≤127*尾數(shù)的碼制：(以單精度格式為例)支持非規(guī)格化尾數(shù)和規(guī)格化尾數(shù)兩種方式；非規(guī)格化尾數(shù)—尾數(shù)真值=±0.m-1…m-23，機(jī)器碼M=m-1…m-23，尾數(shù)精度=23位；規(guī)格化尾數(shù)—規(guī)格化的尾數(shù)真值=±1.m-2…m-24，機(jī)器碼M=m-2…m-24，尾數(shù)精度=24位*IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)表示的特征：(以單精度格式為例)例5—求(-11/128)10的IEEE754單精度規(guī)格化數(shù)的機(jī)器碼解—(-11/128)10=(-1011)2×2-7=(-0.1011)2×2-3=(-1.011)2×2-4=(-1.011)2×2123-127例6—求IEEE754單精度碼為(CC968000)16的浮點(diǎn)數(shù)的真值N解—(CC968000)16=11001100100101101000000000000000N為負(fù)數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)為規(guī)格化數(shù)(∵1＜10011001＜254)；階=(10011001)2－(01111111)2=(00011010)2=(26)10尾數(shù)=(1.00101101)2=(1.17578125)10∴N=(―1)1×1.17578125×226=-1.17578125×226

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示小結(jié)：表示格式有定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩種，編碼方式?jīng)Q定運(yùn)算器的運(yùn)算方法，數(shù)碼長(zhǎng)度總是固定的四、非數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示

MEM字長(zhǎng)的特征：MEM字長(zhǎng)—均為2n位(n為常數(shù))；←便于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的二進(jìn)制運(yùn)算MEM字長(zhǎng)種類—有二進(jìn)制位、機(jī)器字長(zhǎng)、折中長(zhǎng)度3類

提高M(jìn)EM的存儲(chǔ)效率：1、字符數(shù)據(jù)的表示指字符的交換碼在存儲(chǔ)/處理時(shí)的表示方式，即字符的內(nèi)碼。2、邏輯數(shù)據(jù)的表示*數(shù)學(xué)特征：值域—真、假；運(yùn)算—與(AND)、或(OR)、非(NOT)等*數(shù)據(jù)的表示方法：數(shù)碼長(zhǎng)度—1位→n位(n為MEM字長(zhǎng)倍數(shù))；←以提高存儲(chǔ)效率編碼方式—各位獨(dú)立編碼，1/0可表示真/假*運(yùn)算處理方法：可采用所有位同時(shí)按位進(jìn)展與/或/非運(yùn)算可獲得最大性能←┘└→一位操作時(shí)，軟件負(fù)責(zé)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)例2—8位邏輯數(shù)A和B如何實(shí)現(xiàn)第0位的OR操作(結(jié)果在A中)解：步驟為①C=BAND01H；②A=AORC§2.3定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算方法一、移位運(yùn)算1、移位及移位運(yùn)算*移位：數(shù)值相對(duì)于某個(gè)位置的移動(dòng)例—20.0m=2000.0cm，稱20相對(duì)于小數(shù)點(diǎn)左移了2位*移位操作：有左移、右移2種類型；二進(jìn)制數(shù)左移或右移n位相當(dāng)于乘以或除以2n*移位運(yùn)算：對(duì)計(jì)算機(jī)中機(jī)器數(shù)的移位操作運(yùn)算種類—對(duì)有符號(hào)數(shù)，有算術(shù)左移、算術(shù)右移；對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)，有邏輯左移、邏輯右移運(yùn)算參數(shù)—操作數(shù)、移動(dòng)位數(shù)2、邏輯移位運(yùn)算*操作數(shù)類型：無(wú)符號(hào)機(jī)器數(shù)*運(yùn)算規(guī)那么：機(jī)器數(shù)整體移位，移出的數(shù)丟棄，出現(xiàn)的空位補(bǔ)0例1—某REG內(nèi)容為00111001，邏輯移位運(yùn)算結(jié)果如下：練習(xí)—假設(shè)(REG)=11001001，邏輯左移1位再右移1位的結(jié)果?*溢出判斷方法：左移、移丟數(shù)碼為1時(shí)運(yùn)算溢出3、算術(shù)移位運(yùn)算*操作數(shù)類型：有符號(hào)機(jī)器數(shù)(原碼、補(bǔ)碼等)*運(yùn)算規(guī)那么：符號(hào)位不變，數(shù)值局部整體移位，空位添補(bǔ)規(guī)那么如下表(根據(jù)編碼方式的數(shù)學(xué)特征添補(bǔ))*運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方法：通常用移位存放器實(shí)現(xiàn)右移移丟數(shù)值1僅影響精度右移移丟數(shù)值1僅影響精度*溢出判斷方法：左移移丟數(shù)值1時(shí)溢出原碼左移、移丟數(shù)碼為1時(shí)溢出；補(bǔ)碼/反碼左移、移丟與符號(hào)相反的數(shù)碼時(shí)溢出二、定點(diǎn)加減運(yùn)算1、補(bǔ)碼加減運(yùn)算(1)補(bǔ)碼加減運(yùn)算規(guī)那么*加法：[A+B]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[B]補(bǔ)*減法：[A-B]補(bǔ)=[A+(-B)]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[-B]補(bǔ)(2)補(bǔ)碼運(yùn)算溢出判斷方法*溢出判斷①：用1位符號(hào)位判斷例4—假設(shè)n=4，補(bǔ)碼表示范圍-8≤X≤+70110(+6)1111(-1)0101(+5)1011(-5)+1011(-5)+1100(-4)+0100(+4)+1100(-4)10001(+1)11011(-5)01001(+9)10111(-9)即：一樣符號(hào)數(shù)相加、且結(jié)果與操作數(shù)符號(hào)不同時(shí)溢出!設(shè)[A]補(bǔ)=An-1An-2…A0，[B]補(bǔ)=Bn-1Bn-2…B0，[Z]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[±B]補(bǔ)=Zn-1Zn-2…Z0例5—設(shè)A=-11/16，B=+7/16，[A+B]補(bǔ)、[A-B]補(bǔ)是否溢出?解：[A+B]補(bǔ)=1.0101[A-B]補(bǔ)=1.0101+0.0111+1.1001=1.1100=10.1110對(duì)[A+B]補(bǔ)，OVR=(10)(00)=0不溢出對(duì)[A-B]補(bǔ)，OVR=(10)(10)=1溢出*溢出判斷①優(yōu)化：用結(jié)果的符號(hào)位及最高數(shù)值位進(jìn)位判斷An-1An-2…A0+Bn-1Bn-2…B0Zn-1Zn-2…Z0Cn-1Cn-2*溢出判斷②：用2位符號(hào)位判斷變形補(bǔ)碼—采用2個(gè)符號(hào)位的補(bǔ)碼[A]變補(bǔ)=AnAn-1An-2…A0，AnAn-1表示符號(hào)(00為正數(shù)、11為負(fù)數(shù))例6—假設(shè)X=-010，Y=-110，[X+Y]變補(bǔ)溢出否?解：[X]變補(bǔ)=11110，[Y]變補(bǔ)=11010[X+Y]變補(bǔ)=11110+11010=1100011=0不溢出(3)補(bǔ)碼加減運(yùn)算所需的硬件配置*加減法實(shí)現(xiàn)思路：加減法統(tǒng)一處理C-1=1，

C-1=0，=1…=1C-1=1，

C-1=0，=1…=1減法—[A]補(bǔ)+[-B]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[B]補(bǔ)+1*加減法實(shí)現(xiàn)思路：加減法統(tǒng)一處理加法—[A]補(bǔ)+[B]補(bǔ)+0；減法—[A]補(bǔ)+[-B]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[B]補(bǔ)+1◆筆---紙乘法方法▲例1.X=1011,Y=1101，X×Y的筆---紙乘法過(guò)程：1.原碼一位乘◆用原碼實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算時(shí)，符號(hào)位與數(shù)值位是分開(kāi)計(jì)算的；設(shè)：[X]原=xnxn-1x1x0，[Y]原=ynyn-1y1y0(其中xn、yn分別為它們的符號(hào)位)假設(shè)[X×Y]原=z2nz2n-1z1z0(z2n為結(jié)果之符號(hào)位)那么z2n=xnynz2n-1z1z0=(xn-1x1x0)×(yn-1y1y0)類似兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)相乘?！艟凸P---紙乘法方法，為提高效率而采取的改進(jìn)措施①每將乘數(shù)Y的一位乘以被乘數(shù)得X×yi后，就將該結(jié)果與前面所得的結(jié)果累加，得到局部積Pi；②將局部積Pi右移一位與X×yi相加；加法運(yùn)算始終對(duì)局部積中的高n位進(jìn)展；③對(duì)乘數(shù)中“1〞的位執(zhí)行加法和右移運(yùn)算，對(duì)“0〞的位只執(zhí)行右移運(yùn)算，而不執(zhí)行加法運(yùn)算；▲上述乘法運(yùn)算可以歸結(jié)為循環(huán)地計(jì)算以下算式：設(shè)P0=0P1=2-1(P0+X×y0)P2=2-1(P1+X×y1)Pi+1=2-1(Pi+X×yi)(i=0,1,2,3,n-1)……Pn=2-1(Pn-1+X×yn-1)顯然，X×Y=Pn▲對(duì)于兩個(gè)n位無(wú)符號(hào)數(shù)乘法的一種可行的算法：1〕置計(jì)數(shù)器為n；2〕去除2n位局部積存放器；3〕檢查乘數(shù)最右位〔初始時(shí)為最低位〕，假設(shè)為“1〞，加被乘數(shù)到局部積高n位中；4〕將局部積右移一位；5〕將乘數(shù)右移一位；6〕計(jì)數(shù)器減1，結(jié)果不為0，那么從3〕開(kāi)場(chǎng)重新執(zhí)行；假設(shè)結(jié)果為0，那么從局部積存放器讀出乘積?！鴮?shí)現(xiàn)這種方法的二個(gè)定點(diǎn)數(shù)乘法的邏輯電路框圖nnn▲例1．[X]原=01101,[Y]原=01011,假設(shè)[X×Y]原=z8z7z0那么z8=00=0z7…z0=1101×1011的計(jì)算采用上述乘法流程，實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下：補(bǔ)碼乘法例：X=0.1011，Y=-0.0001[X]補(bǔ)=01011,[Y]補(bǔ)=11111[X×Y]補(bǔ)=111110101[X]補(bǔ)×[Y]補(bǔ)=101010101顯然，[X×Y]補(bǔ)[X]補(bǔ)×[Y]補(bǔ)▲對(duì)兩個(gè)正數(shù)來(lái)說(shuō)，它們補(bǔ)碼的乘積等于它們乘積的補(bǔ)碼。假設(shè)乘數(shù)是負(fù)數(shù)時(shí)，這種情況就不成立了。◆Booth〔布斯〕乘法▲A.D.Booth算法思想：相乘二數(shù)用補(bǔ)碼表示，它們的符號(hào)位與數(shù)值位一起參與乘法運(yùn)算過(guò)程，得出用補(bǔ)碼表示的乘法結(jié)果?！鳥(niǎo)ooth算法推導(dǎo)：[X]補(bǔ)=xnxn-1……x0,[Y]補(bǔ)=ynyn-1……y0；根據(jù)補(bǔ)碼定義:可得出其真值:Y=[Y]補(bǔ)-2n+1ynX×Y=X×{[Y]補(bǔ)-2n+1yn}=X{yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020-2n+1yn}=X{-yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020}=2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(0–y0)Xy-1為增設(shè)的一個(gè)附加位，初值為0；[X×Y]補(bǔ)=[2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(y-1–y0)X]補(bǔ)令[X×Y]補(bǔ)=[X×Y]’補(bǔ)×2n[X×Y]’補(bǔ)=[(yn-1-yn)X+2-1(yn-2–yn-1)X+……得到如下遞推公式令[P0]補(bǔ)＝0，有：[P1]補(bǔ)=[2-1(P0+(y-1-y0)×X]補(bǔ)[P2]補(bǔ)=[2-1(P1+(y0-y1)×X]補(bǔ)[Pi]補(bǔ)=[2-1(Pi-1+(yi-2-yi-1)×X)]補(bǔ)(i=1~n)[Pn]補(bǔ)=[2-1(Pn-1+(yn-2-yn-1)×X)]補(bǔ)[X*Y]’補(bǔ)=[Pn+1]補(bǔ)=[Pn+(yn-1-yn)×X]補(bǔ)(yi-1–yi)X實(shí)際上并不做乘法，只要比較相鄰兩位乘數(shù)以決定+X、–X或+0。在計(jì)算機(jī)中，對(duì)于定點(diǎn)整數(shù)，只要認(rèn)定小數(shù)點(diǎn)在乘積之末，相當(dāng)于將小數(shù)點(diǎn)右移n位。對(duì)乘數(shù)的連續(xù)兩位yi和yi-1進(jìn)展判斷假設(shè)yiyi-1=01，那么[Pi+1]補(bǔ)=[2-1(Pi+X)]補(bǔ)假設(shè)yiyi-1=10，那么[Pi+1]補(bǔ)=[2-1(Pi-X)]補(bǔ)假設(shè)yiyi-1=00或11，那么[Pi+1]補(bǔ)=[2-1Pi]補(bǔ)一個(gè)補(bǔ)碼數(shù)據(jù)的右移是連同符號(hào)位右移，且最高位補(bǔ)充符號(hào)位的值?！?：[X]補(bǔ)=01101,[Y]補(bǔ)=10110，[-X]補(bǔ)=10011。用布斯乘法計(jì)算[X×Y]補(bǔ)的過(guò)程如下因此，[X×Y]補(bǔ)=101111110▲布斯乘法的算法過(guò)程為n+1次的“判斷—加減—右移〞的循環(huán)，判斷的次數(shù)為n+1次，右移的次數(shù)為n次?！诓妓钩朔ㄖ校龅竭B續(xù)的“1〞或連續(xù)的“0〞時(shí)，是跳過(guò)加法運(yùn)算，直接實(shí)現(xiàn)右移操作的，運(yùn)算效率高。3.5.1浮點(diǎn)數(shù)的加、減運(yùn)算◆計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)X和Y加、減法運(yùn)算的步驟為：第1步：對(duì)階▲對(duì)階使得原數(shù)中較大的階碼成為兩數(shù)的公共階碼；小階碼的尾數(shù)按兩階碼的差值決定右移的數(shù)量。第2步：尾數(shù)加減 ▲對(duì)尾數(shù)進(jìn)展加、減運(yùn)算第3步：規(guī)格化▲設(shè)浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)用補(bǔ)碼表示，且加、減運(yùn)算時(shí)采用雙符號(hào)位，那么規(guī)格化形式的尾數(shù)應(yīng)是如下形式：尾數(shù)為正數(shù)時(shí)：001xxx尾數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)：110xxx▲尾數(shù)違反規(guī)格化的情況有以下兩種可能：①尾數(shù)加、減法運(yùn)算中產(chǎn)生溢出正溢出時(shí)，符號(hào)位為01；負(fù)溢出時(shí)，符號(hào)位為10；規(guī)格化采取的方法是：尾數(shù)右移一位，階碼加1；這種規(guī)格化稱為右規(guī)。②尾數(shù)的絕對(duì)值小于二進(jìn)制的0.1。補(bǔ)碼形式的尾數(shù)表現(xiàn)為最高數(shù)值位與符號(hào)位同值。采取規(guī)格化的方法：符號(hào)位不動(dòng)，數(shù)值位逐次左移，階碼逐次減1，直到滿足規(guī)格化形式的尾數(shù)。這種規(guī)格化稱為左規(guī)。第4步：舍入▲對(duì)結(jié)果尾數(shù)進(jìn)展舍入處理方法①恒舍法無(wú)論戒備位的值是多少，都舍去。②恒置1法不管戒備位為何值，尾數(shù)的有效最低位恒置1。③0舍1入法戒備位〔q位〕中的最高位為1時(shí)，就在尾數(shù)末尾加1；戒備位〔q位〕中的最高位為0時(shí)，舍去所有的戒備位；第5步：階碼溢出判斷浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算結(jié)果是否溢出，應(yīng)由階碼來(lái)判斷。例2：X=0.11011011×2010，Y=-0.10101100×2100；用補(bǔ)碼來(lái)表示浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)和階碼①對(duì)階②尾數(shù)加法③尾數(shù)規(guī)格化尾數(shù)沒(méi)有溢出，但符號(hào)位與最高數(shù)值位有K=1位一樣，需左規(guī)：Mb左移K=1位：Mb=11000101011Eb減1：Eb=00011④舍入處理采用恒舍法，執(zhí)行舍操作。得：Mb=1100010101⑤階碼溢出判斷階碼無(wú)溢出，X+Y正常完畢，得：[X+Y]浮=1001100010101，即X+Y=-0.11101011×2011§2.5算術(shù)邏輯單元ALU一、加法器組成*全加器輸出的邏輯表達(dá)式：2、串行加法器加法器由1個(gè)全加器組成；n位加法分成n步完成。3、并行加法器*組成：n個(gè)全加器、進(jìn)位鏈；(1)串行進(jìn)位加法器*組成：*加法器特點(diǎn)：進(jìn)位電路簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度慢(T加法=nΔt)(2)先行進(jìn)位加法器*先行進(jìn)位邏輯形成：其中Gi=AiBi，Pi=AiBiC0=G0+P0C-1C1=G1+P1C0=G1+P1G0+P1P0C-1C2=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C-1C3=G3+P3C2=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C-1*先行進(jìn)位產(chǎn)生電路：*4位先行進(jìn)位加法器組成：*n位先行進(jìn)位加法器組成：組內(nèi)并行、組間串行進(jìn)位加法器—組內(nèi)并行、組間并行進(jìn)位加法器—二、算術(shù)邏輯部件ALU1、ALU的功能*計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的運(yùn)算方法及實(shí)現(xiàn)部件：*ALU的功能：邏輯運(yùn)算及算術(shù)運(yùn)算功能；提供算術(shù)運(yùn)算結(jié)果狀態(tài)等ALU的基本構(gòu)造*功能選擇方法：設(shè)置相關(guān)引腳，以選擇當(dāng)前欲實(shí)現(xiàn)的功能*構(gòu)造與組成：構(gòu)造—以加法器為根基擴(kuò)大功能；組成—全部由組合邏輯電路構(gòu)成運(yùn)算器的組織*CPU中運(yùn)算器的功能：早期—只包含邏輯運(yùn)算和定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算功能；└→乘除法功能用加法器+移位實(shí)現(xiàn)后期—包含邏輯運(yùn)算、定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算及浮點(diǎn)運(yùn)算功能└→乘除法功能用陣列乘除法器實(shí)現(xiàn)*運(yùn)算器基本構(gòu)造：由ALU、鎖存器、狀態(tài)存放器、MUX多路開(kāi)關(guān)等組成第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的基本概念存儲(chǔ)介質(zhì)：能表示二進(jìn)制1和0的物理部件；存儲(chǔ)元：存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼信息的器件；存儲(chǔ)單元：假設(shè)干個(gè)存儲(chǔ)元的集合，它可以存放一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)；存儲(chǔ)體：假設(shè)干個(gè)存儲(chǔ)單元的集合；地址：存儲(chǔ)單元的編號(hào)；§3.1存儲(chǔ)系統(tǒng)概述一、存儲(chǔ)器分類1、按存儲(chǔ)介質(zhì)分類存儲(chǔ)介質(zhì)必須有區(qū)別明顯的兩個(gè)物理狀態(tài)(表示0/1)2、按存取方式及功能分類*順序存取存儲(chǔ)器(SAM)：按記錄塊為單位進(jìn)展編址，存取時(shí)間與讀/寫(xiě)頭到訪問(wèn)地址的相對(duì)位置有關(guān)；*隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)：按存儲(chǔ)字為單位進(jìn)展編址，存取時(shí)間與訪問(wèn)的地址無(wú)關(guān)(時(shí)間固定)；*直接存取存儲(chǔ)器(DAM)：信息存取區(qū)域定位與RAM類似，區(qū)域內(nèi)操作與SAM類似；*只讀存儲(chǔ)器(ROM)：操作方式為只能取、不能存可由RAM或DAM構(gòu)成，信息讀取的定位由存儲(chǔ)器構(gòu)造決定3、按在計(jì)算機(jī)中的作用分類*主存儲(chǔ)器(MM)：可直接與CPU交換信息的MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、動(dòng)態(tài)RAM和ROM*輔助存儲(chǔ)器(AM)：主存的后援MEM構(gòu)成—磁性/光介質(zhì)材料、SAM/DAM*高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)：CPU與主存間的緩沖MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、靜態(tài)RAM*控制存儲(chǔ)器(CM)：CPU內(nèi)部存放微程序的MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、ROM二、存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)*容量(S)：能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量，常以字節(jié)(B)為單位*速度(B)：常用帶寬、存取時(shí)間或存取周期表示存取時(shí)間(TA)—指MEM從收到命令到結(jié)果輸出所需時(shí)間；存取周期(TM)—指連續(xù)訪存的最小間隔時(shí)間，TM=TA+T恢復(fù)帶寬(BM)—指單位時(shí)間內(nèi)MEM最多可讀寫(xiě)的二進(jìn)制位數(shù)；BM=W/TM，其中W為一次讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)寬度，常以bps為單位*價(jià)格：常用總價(jià)格C或每位價(jià)格c表示，c=C/S。三、層次構(gòu)造存儲(chǔ)系統(tǒng)1、層次構(gòu)造的引入*程序訪問(wèn)局部性規(guī)律：程序執(zhí)行時(shí)，指令和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的相對(duì)簇聚特性。時(shí)間局部性—被訪問(wèn)過(guò)的信息，可能很快被再次訪問(wèn)；空間局部性—被訪問(wèn)信息的相鄰信息，可能很快被訪問(wèn)*用戶需求矛盾的解決方案：近期常用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低價(jià)格高速度、大容量、低價(jià)格2、層次構(gòu)造的存儲(chǔ)系統(tǒng)(1)層次存儲(chǔ)系統(tǒng)組成*思想：①用多種類型MEM構(gòu)成前方-前方的層次構(gòu)造；②前方MEM中信息為前方MEM中信息的副本；③各層MEM之間信息傳遞是“透明〞的(2)常見(jiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次構(gòu)造圍繞主存的層次構(gòu)造一般為“Cache-主存-輔存〞三種MEM構(gòu)成的兩個(gè)存儲(chǔ)層次*“Cache-主存〞存儲(chǔ)層次：--設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器目標(biāo)—解決主存速度問(wèn)題(Cache的速度，主存的容量)*“主存-輔存〞存儲(chǔ)層次：目標(biāo)—解決主存容量問(wèn)題(主存的速度，輔存的容量)└→可能存在：(執(zhí)行的)程序空間≥主存空間(3)層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作方式*程序執(zhí)行需求：即將執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)存放在主存中*層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作方式：§3.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器根基*靜態(tài)RAM—用觸發(fā)器存儲(chǔ)信息，長(zhǎng)時(shí)間不訪問(wèn)及信息讀出后信息值(狀態(tài))保持不變；*動(dòng)態(tài)RAM—用電容存儲(chǔ)信息，長(zhǎng)時(shí)間不訪問(wèn)及信息讀出后信息值(狀態(tài))被破壞，需及時(shí)恢復(fù)信息值(稱為刷新及再生)。一、靜態(tài)RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存儲(chǔ)元的組成原理存儲(chǔ)元—RAM中存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息的電路；*6管MOS靜態(tài)存儲(chǔ)元工作原理：讀出—①在W線上加正脈沖；②D=D=V中→D或D產(chǎn)生壓降(假設(shè)信息為“0〞那么D電壓下降)→用差動(dòng)放大器可檢測(cè)出所讀信息，T1、T2狀態(tài)保持不變(非破壞性讀)。2、SRAM芯片的組成原理(1)存儲(chǔ)芯片基本組成主要由存儲(chǔ)陣列、地址譯碼器、I/O電路、控制電路等組成*地址譯碼器：有一維、二維兩種譯碼方式↓↓譯碼器輸出線數(shù)—2M根2×2M/2根常見(jiàn)譯碼方式—二維譯碼方式→同一列存儲(chǔ)元共用位選擇線*驅(qū)動(dòng)器：X譯碼器每個(gè)輸出需控制同一行各存儲(chǔ)元的字選線├→設(shè)置驅(qū)動(dòng)器增加驅(qū)動(dòng)能力I/O電路輸出時(shí)需驅(qū)動(dòng)總線信號(hào)(負(fù)載大)*I/O電路：根據(jù)內(nèi)部讀/寫(xiě)信號(hào)，檢測(cè)/控制D及D線└→被選存儲(chǔ)元*片選與控制電路：片選—MEM常由多個(gè)芯片組成，讀/寫(xiě)操作常針對(duì)某個(gè)芯片(2)SAM芯片參數(shù)與構(gòu)造*芯片相關(guān)參數(shù)：存儲(chǔ)陣列容量—數(shù)據(jù)引腳數(shù)量—地址引腳數(shù)量—3、SRAM芯片的讀寫(xiě)時(shí)序*讀周期時(shí)序：(存儲(chǔ)器對(duì)外部信號(hào)的時(shí)序要求)*寫(xiě)周期時(shí)序：、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DynamicRAM，DRAM)

動(dòng)態(tài)RAM目標(biāo)：降低功耗、節(jié)約成本*單管MOS式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元工作原理：第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)器的基本概念存儲(chǔ)介質(zhì)：能表示二進(jìn)制1和0的物理部件；存儲(chǔ)元：存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼信息的器件；存儲(chǔ)單元：假設(shè)干個(gè)存儲(chǔ)元的集合，它可以存放一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)；存儲(chǔ)體：假設(shè)干個(gè)存儲(chǔ)單元的集合；地址：存儲(chǔ)單元的編號(hào)；§3.1存儲(chǔ)系統(tǒng)概述一、存儲(chǔ)器分類1、按存儲(chǔ)介質(zhì)分類存儲(chǔ)介質(zhì)必須有區(qū)別明顯的兩個(gè)物理狀態(tài)(表示0/1)2、按存取方式及功能分類*順序存取存儲(chǔ)器(SAM)：按記錄塊為單位進(jìn)展編址，存取時(shí)間與讀/寫(xiě)頭到訪問(wèn)地址的相對(duì)位置有關(guān)；*隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)：按存儲(chǔ)字為單位進(jìn)展編址，存取時(shí)間與訪問(wèn)的地址無(wú)關(guān)(時(shí)間固定)；*直接存取存儲(chǔ)器(DAM)：信息存取區(qū)域定位與RAM類似，區(qū)域內(nèi)操作與SAM類似；*只讀存儲(chǔ)器(ROM)：操作方式為只能取、不能存可由RAM或DAM構(gòu)成，信息讀取的定位由存儲(chǔ)器構(gòu)造決定3、按在計(jì)算機(jī)中的作用分類*主存儲(chǔ)器(MM)：可直接與CPU交換信息的MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、動(dòng)態(tài)RAM和ROM*輔助存儲(chǔ)器(AM)：主存的后援MEM構(gòu)成—磁性/光介質(zhì)材料、SAM/DAM*高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)：CPU與主存間的緩沖MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、靜態(tài)RAM*控制存儲(chǔ)器(CM)：CPU內(nèi)部存放微程序的MEM構(gòu)成—MOS型半導(dǎo)體、ROM二、存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)*容量(S)：能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量，常以字節(jié)(B)為單位*速度(B)：常用帶寬、存取時(shí)間或存取周期表示存取時(shí)間(TA)—指MEM從收到命令到結(jié)果輸出所需時(shí)間；存取周期(TM)—指連續(xù)訪存的最小間隔時(shí)間，TM=TA+T恢復(fù)帶寬(BM)—指單位時(shí)間內(nèi)MEM最多可讀寫(xiě)的二進(jìn)制位數(shù)；BM=W/TM，其中W為一次讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)寬度，常以bps為單位*價(jià)格：常用總價(jià)格C或每位價(jià)格c表示，c=C/S。三、層次構(gòu)造存儲(chǔ)系統(tǒng)1、層次構(gòu)造的引入*程序訪問(wèn)局部性規(guī)律：程序執(zhí)行時(shí)，指令和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的相對(duì)簇聚特性。時(shí)間局部性—被訪問(wèn)過(guò)的信息，可能很快被再次訪問(wèn)；空間局部性—被訪問(wèn)信息的相鄰信息，可能很快被訪問(wèn)*用戶需求矛盾的解決方案：近期常用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低價(jià)格高速度、大容量、低價(jià)格2、層次構(gòu)造的存儲(chǔ)系統(tǒng)(1)層次存儲(chǔ)系統(tǒng)組成*思想：①用多種類型MEM構(gòu)成前方-前方的層次構(gòu)造；②前方MEM中信息為前方MEM中信息的副本；③各層MEM之間信息傳遞是“透明〞的(2)常見(jiàn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次構(gòu)造圍繞主存的層次構(gòu)造一般為“Cache-主存-輔存〞三種MEM構(gòu)成的兩個(gè)存儲(chǔ)層次*“Cache-主存〞存儲(chǔ)層次：--設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器目標(biāo)—解決主存速度問(wèn)題(Cache的速度，主存的容量)*“主存-輔存〞存儲(chǔ)層次：目標(biāo)—解決主存容量問(wèn)題(主存的速度，輔存的容量)└→可能存在：(執(zhí)行的)程序空間≥主存空間(3)層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作方式*程序執(zhí)行需求：即將執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)存放在主存中*層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作方式：§3.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器根基*靜態(tài)RAM—用觸發(fā)器存儲(chǔ)信息，長(zhǎng)時(shí)間不訪問(wèn)及信息讀出后信息值(狀態(tài))保持不變；*動(dòng)態(tài)RAM—用電容存儲(chǔ)信息，長(zhǎng)時(shí)間不訪問(wèn)及信息讀出后信息值(狀態(tài))被破壞，需及時(shí)恢復(fù)信息值(稱為刷新及再生)。一、靜態(tài)RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存儲(chǔ)元的組成原理存儲(chǔ)元—RAM中存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息的電路；*6管MOS靜態(tài)存儲(chǔ)元工作原理：讀出—①在W線上加正脈沖；②D=D=V中→D或D產(chǎn)生壓降(假設(shè)信息為“0〞那么D電壓下降)→用差動(dòng)放大器可檢測(cè)出所讀信息，T1、T2狀態(tài)保持不變(非破壞性讀)。2、SRAM芯片的組成原理(1)存儲(chǔ)芯片基本組成主要由存儲(chǔ)陣列、地址譯碼器、I/O電路、控制電路等組成*地址譯碼器：有一維、二維兩種譯碼方式↓↓譯碼器輸出線數(shù)—2M根2×2M/2根常見(jiàn)譯碼方式—二維譯碼方式→同一列存儲(chǔ)元共用位選擇線*驅(qū)動(dòng)器：X譯碼器每個(gè)輸出需控制同一行各存儲(chǔ)元的字選線├→設(shè)置驅(qū)動(dòng)器增加驅(qū)動(dòng)能力I/O電路輸出時(shí)需驅(qū)動(dòng)總線信號(hào)(負(fù)載大)*I/O電路：根據(jù)內(nèi)部讀/寫(xiě)信號(hào)，檢測(cè)/控制D及D線└→被選存儲(chǔ)元*片選與控制電路：片選—MEM常由多個(gè)芯片組成，讀/寫(xiě)操作常針對(duì)某個(gè)芯片(2)SAM芯片參數(shù)與構(gòu)造*芯片相關(guān)參數(shù)：存儲(chǔ)陣列容量—數(shù)據(jù)引腳數(shù)量—地址引腳數(shù)量—3、SRAM芯片的讀寫(xiě)時(shí)序*讀周期時(shí)序：(存儲(chǔ)器對(duì)外部信號(hào)的時(shí)序要求)*寫(xiě)周期時(shí)序：數(shù)據(jù)線DCD字選擇線X數(shù)據(jù)線DCD字選擇線XT1CS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DynamicRAM，DRAM)

動(dòng)態(tài)RAM目標(biāo)：降低功耗、節(jié)約成本*單管MOS式動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元工作原理：寫(xiě)入—①所寫(xiě)數(shù)據(jù)加到D上，②翻開(kāi)T1→對(duì)CS充電或放電；保持—斷開(kāi)T1→無(wú)放電回路→信息存儲(chǔ)在CS中(會(huì)緩慢泄漏)；讀出—①在D上加正脈沖→對(duì)CD預(yù)充電，②翻開(kāi)T1→讀D上電壓變化(破壞性讀)└→CS得到充電2、DRAM芯片的基本組成(2)單管MOS式DRAM芯片的組成*基本構(gòu)造：通常采用地址分兩次傳送方式組織增設(shè)①地址鎖存器、時(shí)序控制電路，②再生電路*芯片操作：讀、寫(xiě)、刷新(行刷新方式[無(wú)列地址])(3)DRAM芯片組成例如*Intel4116芯片：?jiǎn)喂躆OS存儲(chǔ)元、地址分兩次傳送參數(shù)—容量=16K×1位；地址引腳=14/2=7根；數(shù)據(jù)引腳=2根(單向DIN/DOUT、共1位寬度)構(gòu)造—2個(gè)64×128存儲(chǔ)陣列，時(shí)鐘發(fā)生器串聯(lián)3、DRAM芯片的操作時(shí)序*讀周期時(shí)序：*刷新周期時(shí)序：與讀周期類似，區(qū)別在于CAS在整個(gè)操作過(guò)程中無(wú)效└→行刷新時(shí)不需要列地址4、DRAM芯片的刷新*刷新周期：同一存儲(chǔ)元連續(xù)兩次刷新的最大間隔；與DRAM存儲(chǔ)元材料及芯片組成有關(guān)*刷新方法：每個(gè)刷新周期內(nèi)，循環(huán)進(jìn)展所有行的行刷新(1)DRAM芯片刷新方式通常有集中式、分散式、異步式三種方式*集中式刷新：將所有行刷新集中在刷新周期的后部特點(diǎn)—存在“死區(qū)〞(不能進(jìn)展讀/寫(xiě)操作的時(shí)間段)*分散式刷新：將行刷新分散在每個(gè)存取周期中特點(diǎn)—防止了“死區(qū)〞，增加了存取時(shí)間(1倍)*異步式刷新：將行刷新均勻分布在刷新周期中設(shè)芯片需刷新128次，那么每次刷新間隔2000/128=15.5μs特點(diǎn)—“死區(qū)〞可忽略，支持固有的存取周期→最常用(2)DRAM芯片刷新實(shí)現(xiàn)按約定的刷新方式，由專用電路定時(shí)產(chǎn)生行刷新命令*DRAM芯片的刷新電路：*刷新電路在計(jì)算機(jī)的位置：通常獨(dú)立存在于DRAM芯片/模塊之外→DRAM控制器5、MOS型SRAM與DRAM芯片比較*DRAM芯片的優(yōu)點(diǎn)：①DRAM集成度遠(yuǎn)高于SRAM；←常采用單管MOS存儲(chǔ)元②DRAM地址引腳是SRAM的一半；←常采用地址分兩次傳送方式③DRAM功耗約為SRAM的1/4；←采用單管MOS存儲(chǔ)元所致④DRAM成本遠(yuǎn)低于SRAM*DRAM芯片的缺點(diǎn)：DRAM速度遠(yuǎn)低于SRAM←使用動(dòng)態(tài)元件(電容)所致*RAM芯片應(yīng)用：SRAM芯片—常用來(lái)構(gòu)成高速度、小容量MEM，如CacheDRAM芯片—常用來(lái)構(gòu)成大容量MEM，如主存三、只讀存儲(chǔ)器(ReadonlyMemory，R0M)*ROM：信息注入MEM后不能再改變，它具有非易失性*半導(dǎo)體ROM：具有非易失性的半導(dǎo)體MEM，如EPROM、FLASH等*ROM芯片組成：與SRAM類似，區(qū)別在于存儲(chǔ)元的實(shí)現(xiàn)及操作1、掩模ROM(MROM)*特征：用戶不可修改信息；*存儲(chǔ)元狀態(tài)：用MOS管的有/無(wú)表示“1〞/“0〞；*數(shù)據(jù)讀出：字選線加電壓時(shí)，位線電壓為所選存儲(chǔ)元的數(shù)據(jù)VCC字選擇線XVCC字選擇線X數(shù)據(jù)線DVCC熔絲未斷(“1〞)字選擇線X數(shù)據(jù)線D熔絲已斷(“0〞)VDVD2、可編程ROM(PROM)*特征：用戶可一次性修改信息(電寫(xiě)入)；*存儲(chǔ)元狀態(tài)：用二極管/熔絲的通/斷表示“1〞/“0〞；*數(shù)據(jù)寫(xiě)入：字線X加電壓，假設(shè)寫(xiě)0—VD=V地→熔絲熔斷，假設(shè)寫(xiě)1—VD=V中→熔絲不斷；*數(shù)據(jù)讀出：字線X加電壓、VD=V中，檢測(cè)VD變化可讀出數(shù)據(jù)3、可擦除可編程ROM(EPROM)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫(xiě)入、光擦除)；*存儲(chǔ)元狀態(tài)：常用浮柵雪崩注入MOS管(即FAMOS管)的浮柵Gf是/否帶電荷表示“1〞/“0〞；N基體N基體PSDGCSiO2PDSGC4、電可擦除可編程ROM(E2PROM)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫(xiě)入、電擦除)；*存儲(chǔ)元狀態(tài)：用浮柵隧道氧化層MOS管(即Flotox管)的浮柵是/否帶電荷表示“1〞/“0〞；5、閃速存儲(chǔ)器(FLASH)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫(xiě)入、電擦除)；*存儲(chǔ)元狀態(tài)：與疊柵EPROM類似，但氧化層更薄§3.3主存儲(chǔ)器一、主存儲(chǔ)器的組成*主存儲(chǔ)器相關(guān)概念：主存容量=主存單元長(zhǎng)度×主存單元個(gè)數(shù)*應(yīng)用對(duì)主存空間的需求：二、主存儲(chǔ)器的邏輯設(shè)計(jì)*存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展方法：位擴(kuò)展法、字?jǐn)U展法、字位擴(kuò)展法*主存邏輯設(shè)計(jì)：使用ROM、SRAM或DRAM芯片進(jìn)展容量擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)主存單元長(zhǎng)度和主存單元個(gè)數(shù)。1、位擴(kuò)展法(又稱并聯(lián)擴(kuò)展)*目的：擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)字長(zhǎng)*芯片連接特征：各芯片數(shù)據(jù)引腳連接不同，其余引腳連接一樣例1—用1K×1位SRAM芯片構(gòu)成1K×4位存儲(chǔ)模塊2、字?jǐn)U展法(又稱串聯(lián)擴(kuò)展)*目的：擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)例2—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成2K×4位存儲(chǔ)模塊解：①芯片數(shù)量—共需(2K×4b)÷(1K×4b)=2片；②各芯片地址范圍—存儲(chǔ)模塊有l(wèi)og2(2K)=11位地址，各芯片片選有效邏輯—0#、1#芯片分別為A10=0、A10=1練習(xí)1—用1M×4位SRAM芯片構(gòu)成4M×4位存儲(chǔ)模塊3、字位擴(kuò)展法*目的：同時(shí)擴(kuò)展存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)例3—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成2K×8位存儲(chǔ)模塊解：①芯片數(shù)量—共需(2K×8b)÷(1K×4b)=4片；②各芯片地址范圍—存儲(chǔ)模塊有l(wèi)og2(2K)=11位地址，練習(xí)2—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成4K×8位存儲(chǔ)模塊例4—用1K×4位ROM、1K×8位SRAM芯片構(gòu)成4K×8位存儲(chǔ)模塊，其中前1KB空間為只讀空間解：①芯片數(shù)量—共需ROM2片、SRAM3片；ROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

01XXXXXXXXXX

10XXXXXXXXXX

11XXXXXXXXXXROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

01XXXXXXXXXX

10XXXXXXXXXX

11XXXXXXXXXXSRAM2#SRAM3#模塊有l(wèi)og2(4K)=12位地址芯片有10位地址③連接圖—三、提高訪存速度的措施*CPU的訪存特征：一次訪存的信息常為多個(gè)存儲(chǔ)字，屢次訪存的地址常為連續(xù)的；1、多模塊存儲(chǔ)器--多體存儲(chǔ)器2、高性能存儲(chǔ)器(1)EDODRAM(ExtendedDataOutputDRAM，擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出DRAM)*提高性能思路：同時(shí)讀出并緩沖一行信息，減小平均TM*實(shí)現(xiàn)原理：用SRAM保存上次讀操作的一行信息，當(dāng)前讀操作的行地址假設(shè)與上次讀操作一樣，那么直接從SRAM中取出信息SDRAM(SynchronousDRAM,同步DRAM)MEM從所接收地址開(kāi)場(chǎng)，連續(xù)讀/寫(xiě)多個(gè)存儲(chǔ)字(內(nèi)部計(jì)數(shù)器產(chǎn)生各存儲(chǔ)字地址)，減少了多個(gè)地址連續(xù)數(shù)據(jù)傳送的平均TM(3)DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM，雙數(shù)據(jù)速率DRAM)3、雙端口存儲(chǔ)器--同時(shí)支持兩個(gè)操作*構(gòu)造：2套譯碼+I/O+讀寫(xiě)電路，1個(gè)存儲(chǔ)陣列+判斷邏輯電路§3.4高速緩沖存儲(chǔ)器一、Cache的基本原理*Cache的性能：命中率(H)—HC=NC/(NC+NM)其中,NC、NM—CPU訪存在Cache、主存中的命中次數(shù)√平均訪問(wèn)時(shí)間—TA=HCTCache+(1-HC)TMem1、Cache的存儲(chǔ)空間管理(1)Cache與主存的信息交換單位*目標(biāo)：盡量減小平均訪問(wèn)時(shí)間TA*Cache與主存的信息交換單位：字塊(又稱塊或行)(2)Cache的存儲(chǔ)空間管理2、Cache的基本工作原理3、Cache的構(gòu)造與組成*存儲(chǔ)體：由SRAM構(gòu)成*地址映像及變換機(jī)構(gòu)：由目錄表、比較器等組成；目錄表—行數(shù)=Cache塊數(shù)，表項(xiàng)=有效位+塊標(biāo)記+…地址映像機(jī)構(gòu)—決定查目錄表的哪些行及塊標(biāo)記組成└→影響變換的性能及成本地址變換機(jī)構(gòu)—查表并比較，命中時(shí)直接形成Cache地址不命中時(shí)調(diào)入塊或替換塊后再形成二、Cache的相關(guān)技術(shù)1、地址映像及變換*實(shí)現(xiàn)功能：某主存塊可存放到Cache中哪些塊位置*性能指標(biāo)：調(diào)入塊時(shí)的塊沖突概率、地址變換的速度與成本(1)全相聯(lián)地址映像及變換*映像規(guī)那么：主存塊i可映射到Cache的任意一個(gè)塊；*地址變換方法：比較目錄表所有行，命中時(shí)行號(hào)即為變換后的塊號(hào)；例1：CPU支持最大主存容量1MB、按字節(jié)編址，塊大小16B，Cache容量為8KB。全相聯(lián)映像方式時(shí)，⑴主存地址格式及參數(shù)⑵Cache地址格式及參數(shù)⑶目錄表行數(shù)塊標(biāo)記位數(shù)⑷假設(shè)目錄表項(xiàng)為<有效位,塊標(biāo)記>，CPU訪問(wèn)36454H主存單元時(shí)，那么Cache命中時(shí)的目錄表項(xiàng)(2)直接地址映像及變換*映像規(guī)那么：主存塊i可映射到Cache的塊j=(imodG)；*地址變換方法：比較目錄表相應(yīng)行，命中時(shí)主存地址的區(qū)內(nèi)塊號(hào)即為變換后的塊號(hào)；例2：CPU支持最大主存容量1MB、按字節(jié)編址，塊大小16B，Cache容量為8KB。直接映像方式時(shí)，⑴主存及Cache地址格式及參數(shù)⑵目錄表行數(shù)塊標(biāo)記位數(shù)⑶假設(shè)目錄表項(xiàng)為<有效位,塊標(biāo)記>，CPU訪存地址為36454H時(shí)，那么可能命中的Cache塊號(hào)命中時(shí)的目錄表項(xiàng)(3)組相聯(lián)地址映像及變換--直接映像與全相聯(lián)映像的折中*映像規(guī)那么：將Cache中塊分組，每組為n個(gè)塊(共G/n個(gè)組)，主存塊i可映像到Cache的第j組(j=imodG/n)中的任意塊。※n路組