合工大 計(jì)算機(jī)組成原理 計(jì)算機(jī)組成原理提綱

計(jì)算機(jī)組成原理

合肥工業(yè)大學(xué)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院

陳田

2013.12.12

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院2

大綱要求

＞計(jì)算機(jī)組成原理考查目標(biāo)

理解單處理器計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)

的整機(jī)概念。

理解計(jì)算機(jī)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(shí)和基本實(shí)

現(xiàn)方法。

能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問題進(jìn)行計(jì)算、分析,

并能對一些基本部件進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)，并能對高級(jí)程序

設(shè)計(jì)語言（如C語言）中的相關(guān)問題進(jìn)行解析。

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第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

大綱：

＞計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程

A計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

■1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

2.計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

■3.計(jì)算機(jī)軟件和硬件的關(guān)系

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作過程

＞計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)

吞吐量；響應(yīng)時(shí)間；CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)

行時(shí)間；MIPS、MFLOPS、GFLOPS.TFLOPS.PFLOPS。

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重點(diǎn)和難點(diǎn)

＞重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)組成的概貌和框圖；衡量計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)；主機(jī)

完成一條指令的信息流程

＞難點(diǎn)思考：如何區(qū)分存放在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)

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知識(shí)點(diǎn)回顧

1.怎樣衡量CPU性能？

一般把程序的響應(yīng)時(shí)間劃分為CPU時(shí)間和等待時(shí)間，CPU

時(shí)間又分為用戶CPU時(shí)間和系統(tǒng)CPU時(shí)間

因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)對自己所花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行測量時(shí)，不十分準(zhǔn)

確，所以對CPU性能的測量一般通過程序運(yùn)行的用戶CPU

時(shí)間進(jìn)行

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知識(shí)點(diǎn)回顧

2.什么是CPI?響應(yīng)時(shí)間（執(zhí)行時(shí)間）與CPI的關(guān)系是什么？

CPI是每條指令執(zhí)行所用的時(shí)鐘周期數(shù)。

通常，一條特定指令的CPI是一個(gè)確定的值，而某個(gè)程

序的CPI則是一個(gè)平均值。

一個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間取決于該程序所包含的指令數(shù)、

CPI和時(shí)鐘周期。

當(dāng)指令條數(shù)和時(shí)鐘周期一定時(shí)，CPI越大，執(zhí)行時(shí)間越

長。

CPU執(zhí)行時(shí)間二CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序X時(shí)鐘周期

二CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序:時(shí)鐘頻率

二指令條數(shù)/程序XCPIX時(shí)鐘周期

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知識(shí)點(diǎn)回顧!

3.計(jì)算機(jī)的MIPS數(shù)越大，說明性能越好，對嗎？

答：不對。MIPS數(shù)反映的是機(jī)器執(zhí)行定點(diǎn)指令的速度。但

是，不同機(jī)器的指令集不同，指令的功能也不同，也許一個(gè)

機(jī)器上一條指令的功能，在另外一個(gè)機(jī)器上要用多條指令完

成，這樣，同樣的指令條數(shù)所完成的功能可能完全不同。因

此用MIPS書對不同機(jī)器進(jìn)行性能比較是不太客觀的。

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4.將一個(gè)程序在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上編譯，如果生成的指令條數(shù)少，代

碼執(zhí)行時(shí)間是否就短？

例：假設(shè)計(jì)算機(jī)M的指令集中包含A、B、C三類指令，其中CPI分別為1、2、4O

某個(gè)程序P在M上被編譯成兩個(gè)不同的目標(biāo)代碼序列Pl和P2,P1所含A、B、

C三類指令的條數(shù)分別為8、2、2,P2所含A、B、C三類指令的條數(shù)分別為2、

5、3。請問哪個(gè)代碼序列指令條數(shù)少？哪個(gè)執(zhí)行速度快？它們的CPI分別是多

少？

解：P1和P2指令執(zhí)行條數(shù)分別為12和10,所以P2指令條數(shù)少。

P1時(shí)鐘周期數(shù)為8x1+2x2+2X4=20

P2時(shí)鐘周期數(shù)為2x1+5x2+3x4=24

兩個(gè)程序在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，所以時(shí)鐘周期一樣，故時(shí)鐘數(shù)少的代碼序列

所用的時(shí)間短、執(zhí)行速度快。P1比P2快。由上可知，指令條數(shù)少的代碼序列

執(zhí)行時(shí)間并不一定短。

CPI=程序總時(shí)鐘周期數(shù)?程序所含指令條數(shù)

P1的CPI=20/12=l.67

P2的CPI為24/10=2.4

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第二章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算

（一）數(shù)制與編碼

定點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算；

1.進(jìn)位計(jì)算制及其相互轉(zhuǎn)換

2.真值和機(jī)器數(shù)溢出概念和判別方法

3.BCD碼（三）浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算

字符與字符串

4.1.浮點(diǎn)數(shù)的表示

5.校驗(yàn)碼

■IEEE754標(biāo)準(zhǔn)

（二）定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算

浮點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算

1.定點(diǎn)數(shù)的表示2.

無符號(hào)數(shù)的表示（四）算術(shù)邏輯單元ALU

有符號(hào)整數(shù)的表示1.串行加法器和并行加法器

2.算術(shù)邏輯單元ALU的功能和結(jié)構(gòu)

2.定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算

定點(diǎn)數(shù)的移位運(yùn)算；

原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；

補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；

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重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：有符號(hào)數(shù)、無符號(hào)數(shù)、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的表示；

移位運(yùn)算、定點(diǎn)補(bǔ)碼加、減、乘、除運(yùn)算；IEEE754浮

點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算；提高運(yùn)算速度的措施。

難點(diǎn)：機(jī)器字長相同的條件下，補(bǔ)碼比原碼和反碼能多

表示一個(gè)負(fù)數(shù)；區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化

數(shù)；在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出；

不同的機(jī)器數(shù)運(yùn)算規(guī)則不同，直接影響運(yùn)算器的硬件組

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＞數(shù)據(jù)的表示：數(shù)值數(shù)據(jù)、非數(shù)值數(shù)據(jù)

數(shù)值數(shù)據(jù)：在數(shù)軸上有對應(yīng)點(diǎn)，二進(jìn)制、十進(jìn)制

?二進(jìn)制表示的數(shù)：直接用二進(jìn)制

無符號(hào)數(shù)：正整數(shù)，表示地址等

有符號(hào)數(shù)：常用補(bǔ)碼

浮點(diǎn)數(shù)：表示實(shí)數(shù)，多用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)表示

?用十進(jìn)制表示的數(shù)：用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，稱BCD碼，常用

8421碼表示

■非數(shù)值數(shù)據(jù)：在數(shù)軸上無對應(yīng)點(diǎn)

?邏輯值：只有兩個(gè)狀態(tài)取值，按位運(yùn)算

?西文字符：7位ASCII碼表示

?漢字字符：輸入碼、內(nèi)碼、字模碼

＞數(shù)據(jù)的寬度：以字節(jié)為基本單位表示

＞數(shù)據(jù)的排列：大端方式（給定地址處存放最高有效字節(jié)）、小端

方式（給定地址處存放最低有效字節(jié)）

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知識(shí)點(diǎn)回顧

＞數(shù)值數(shù)據(jù)表示的三要素

■進(jìn)位計(jì)數(shù)制

■定、浮點(diǎn)表示

■如何用二進(jìn)制編碼

即：要確定一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)的值必須先確定這三個(gè)要素。

例如，機(jī)器數(shù)01011001的值是多少？

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＞數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼

-奇偶校驗(yàn)碼：能檢測奇數(shù)位錯(cuò)

海明校驗(yàn)碼：分組奇偶校驗(yàn),SEC只能糾正一位錯(cuò),SEC-DED可

以糾正一位錯(cuò)并檢測兩位錯(cuò)

循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）:用于大批量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)或傳輸校驗(yàn)

＞加法器：采用并行進(jìn)位能加快加法器速度

行波進(jìn)位加法器（串行）：通過將多個(gè)一位全加器串行連接，

各進(jìn)位串行傳遞，速度慢。

進(jìn)位選擇加法器*:選擇兩個(gè)分別帶進(jìn)位0和1的高位部分加法

器的輸出來實(shí)現(xiàn)高、低兩部分的并行執(zhí)行，使運(yùn)算時(shí)間減半。

先行（超前）進(jìn)位加法器：通過“進(jìn)位產(chǎn)生”和“進(jìn)位傳遞”

函數(shù)使各進(jìn)位獨(dú)立、并行產(chǎn)生，速度快?？捎脝渭?jí)、兩級(jí)或更

多級(jí)先行進(jìn)位方式連接。

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＞算術(shù)邏輯單元ALU:在超前進(jìn)位加法器的基礎(chǔ)上增加其它邏輯，

實(shí)現(xiàn)基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算部件。有兩個(gè)操作數(shù)輸入、低位進(jìn)位

皤入、一個(gè)藻作控制輸入、一個(gè)結(jié)臬輸出、一位高位進(jìn)位輸出和

相等標(biāo)志輸由等。

＞定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算：由專門的定點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)，核心部件是帶快速加法

器的ALU

＞移位運(yùn)算

■邏輯移位：對無符號(hào)數(shù)移位，補(bǔ)0,低（高）位移出

■算術(shù)移位：帶符號(hào)整數(shù)移位，符號(hào)位不變，否則溢出

循環(huán)移位：最左（右）邊位移到最低（高）位，其它位左

（右）移一位。

＞加減運(yùn)算：

補(bǔ)碼加減：用于整數(shù)加減運(yùn)算。符號(hào)位和數(shù)值位一起運(yùn)算，

減法用加法實(shí)現(xiàn)。同號(hào)相加時(shí)若結(jié)果的符號(hào)不同于加數(shù)符號(hào)，

則溢出。

原碼加成:

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＞加減運(yùn)算：

補(bǔ)碼加減

原碼加減：用于浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)加減運(yùn)算。符號(hào)位和數(shù)值位分開

運(yùn)算，同號(hào)相加，異號(hào)相減，大數(shù)減小數(shù)，結(jié)果取大數(shù)符號(hào)。

減法用加負(fù)數(shù)補(bǔ)碼實(shí)現(xiàn)。

?IEEE754采用定點(diǎn)原碼小數(shù)表示尾數(shù)，所以尾數(shù)加減實(shí)際是定點(diǎn)原碼小數(shù)加減。

另外，因?yàn)镮EEE754浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)中有一個(gè)隱藏位，所以在進(jìn)行尾數(shù)加減時(shí)需要

將隱藏位還原到尾數(shù)部分。而且對階過程中在尾數(shù)右移時(shí)保留的附加位也要

參加運(yùn)算。

■加減法器：在基本加法器基礎(chǔ)上增加進(jìn)位/加減控制、求補(bǔ)電

路、溢出判斷電路等

＞乘法運(yùn)算（用加法和右移實(shí)現(xiàn)）

原碼乘法：符號(hào)位和數(shù)值位分開運(yùn)算，數(shù)值部分用無符號(hào)數(shù)乘

法實(shí)現(xiàn)

補(bǔ)碼乘法：用于整數(shù)乘法運(yùn)算，符號(hào)位和數(shù)值位一起運(yùn)算，采用

Booth算法

■快速乘法器

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知識(shí)點(diǎn)回顧

＞除法運(yùn)算（用加減法和左移實(shí)現(xiàn)）

補(bǔ)碼除法：符號(hào)位和數(shù)值位一起參加運(yùn)算，有恢復(fù)余數(shù)法和

木灰復(fù)余數(shù)法兩神

原碼除法：符號(hào)和數(shù)值分開運(yùn)算，用無符號(hào)數(shù)除法實(shí)現(xiàn)，有

板復(fù)余數(shù)法花木恢復(fù)余駁法兩種

＞浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算（由專門的浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)現(xiàn)）

■加減運(yùn)算：

?對階：小階向大階看齊，階小的尾數(shù)右移，右移時(shí)保留附

加位

?尾數(shù)相加減：定點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算，隱藏位和附加位一起參加

運(yùn)算。

?規(guī)格化處理：左規(guī)、右規(guī)

?舍入

?溢出判斷

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知識(shí)點(diǎn)回顧

求特殊數(shù)的補(bǔ)碼(假定機(jī)器數(shù)有n位)

①卜2%1］補(bǔ)=2n-2n-i=10???0個(gè)0)(mod2n)

②卜1］補(bǔ)=2n?0??.01=lL?.l(n個(gè)1)(mod2n)整數(shù)補(bǔ)碼

(3)［1.0］補(bǔ)=2-1.0=1.00...0(n?l個(gè)0)(mod2)小數(shù)補(bǔ)碼

④［+0］補(bǔ)=卜0］補(bǔ)=00…0(口個(gè)0)

設(shè)補(bǔ)碼的位數(shù)為n,求的補(bǔ)碼

解：對于小數(shù)補(bǔ)碼［1］補(bǔ)=2-1=1.0000

對于整數(shù)補(bǔ)碼［1］補(bǔ)=2n-1=11...1

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知識(shí)點(diǎn)回顧IEEE754浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

SinglePrecision：(DoublePrecisionissimilar)

lbitS8bitsExponent23bitsSignificand

Signbit:1表示negative;0表示positive

Exponent(階碼/指數(shù))：全。和全1用來表示特殊值!

?SP規(guī)格化數(shù)階碼范圍為00000001(-126)~11111110(127)

?bias為127(single),1023(double)

Significand(尾數(shù)):

?規(guī)格化尾數(shù)最高位總是1,所以隱含表示，省1位

?1+23bits(single)，1+52bits(double)

SP:(-1)sx(1+Significand)x2(ExP°nent-127)

DP:(-1)sx(1+Significand)x2(ExP°nent-1023)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院20

0的表示

Howtorepresent0?

exponent:allzeros

significand:allzeros

Whataboutsign?Bothcasesvalid.

+0:00000000000000000000000000000000

-0:10000000000000000000000000000000

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如何表示+oc/?oc

InFP,除數(shù)為0的結(jié)果是+/-叫不是溢出異常.8：無窮(infinity)

為什么要這樣處理？

?可以利用+oo/?8作比較。例如：X/O>Y可作為有效比較

Howtorepresent+0°/-00

?Exponent:allones(11111111B=255)

?Significand:allzeros

+8：o1111111100000000000000000000000

■00：11111111100000000000000000000000

Operations

5/0=+°°,-5/0=-°°

5+(+°°)=+°o,

5-(+°o)=etc

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院22

IEEE754標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的五種異常情況

①無效運(yùn)算（無意義）

?運(yùn)算時(shí)有一個(gè)數(shù)是非有限數(shù)，如：

力口/減00、Oxco、oo/co等

?結(jié)果無效，如：

源操作數(shù)是NaN、0/0、xREM0>ooREMy等

②除以0（即：無窮大）

③數(shù)太大（階碼上溢）：對于SP,指階碼E>11111110（指數(shù)大于127）

④數(shù)太小（階碼下溢）：對于SP,指階碼Ev00000001（指數(shù)小于-126）

⑤結(jié)果不精確（舍入時(shí)引起），例如1/3,1/10等不能精確表示成浮點(diǎn)數(shù)

上述情況硬件可以捕捉到，因此這些異?？稍O(shè)定讓硬件處理，也可設(shè)定讓軟件處理。

讓硬件處理時(shí)，稱為硬件陷阱。

注：硬件陷阱：事先設(shè)定好是否要進(jìn)行硬件處理（即挖一個(gè)陷阱），當(dāng)出

現(xiàn)相應(yīng)異常時(shí)，就由硬件自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的異常處理（掉入陷阱）。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院23

知識(shí)點(diǎn)回顧IEEE754浮點(diǎn)數(shù)加法運(yùn)算

在計(jì)算機(jī)內(nèi)部執(zhí)行上述運(yùn)算時(shí)，必須解決哪些問題?

(1)如何表示？用IEEE754標(biāo)準(zhǔn)!

(2)如何判斷階碼的大??？求［2^］補(bǔ)=?士初、

右移到數(shù)值部分，局校補(bǔ)

(3)對階后尾數(shù)的隱含位如何處理？0,保留移出低位部分

隱藏位還原后，按原碼進(jìn)行加

⑷如何進(jìn)行尾數(shù)加減?

減運(yùn)算，附加位一起運(yùn)算

(5)何時(shí)需要規(guī)格化，如何規(guī)格化?

(6)如何舍入？最終須把附加位去掉，此時(shí)需考慮舍入

(7)如何判斷溢出？

若最終階碼為全1,則上溢；若尾數(shù)為全0,則下溢

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院24

規(guī)格化數(shù)

規(guī)格化數(shù)的定義：r=2y.5vi

S=-}=-0.100-0

⑸原=L100--0

［S］補(bǔ)=叵300-0

???［-+］補(bǔ)不是規(guī)格化的數(shù)

S=-l

機(jī)器判別方便

心］補(bǔ)=五00-0

???［-1］補(bǔ)是規(guī)格化的數(shù)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院25

設(shè)機(jī)器數(shù)字長為8位（其中一位為符號(hào)位）對于整數(shù)，當(dāng)其分別代

表無符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和反碼時(shí)，對應(yīng)的真值范圍各為多少？

無符號(hào)數(shù)原碼對應(yīng)補(bǔ)碼對應(yīng)反碼對應(yīng)

二進(jìn)制代碼

對應(yīng)的真值的真值的真值的真值

000000000+0±0+0

000000011+1+1+1

000000102+2+2+2

■??■?

■????

?**??

01111111127+127+127+127

10000000128-0-128-127

10000001129-1427-126

??■??

?????

??*?■

11111101253-125-3-2

11111110254-126-2-1

11111111255-127-1-0

?與原碼和反碼相比，補(bǔ)碼多表示一個(gè)最小負(fù)數(shù)：?2向，即“10…0”

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院26

例：無符號(hào)數(shù)在C語言中對應(yīng)unsignedshort、unsigned

int(unsigned)、unsignedlong,帶符號(hào)整數(shù)表示為short、int、

long類型，求以下程序段在一個(gè)32位機(jī)器上運(yùn)行時(shí)輸出的結(jié)果,

并說明為什么。解：因?yàn)楝F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中帶符號(hào)整數(shù)都是

1intx=-1;用補(bǔ)碼表示的，的補(bǔ)碼整數(shù)表示為

2unsignedu=2147483648;“11…1”(共32位)，當(dāng)作32位無符號(hào)

,￡,,

3printf(x=%u=%d\nJx,x);數(shù)時(shí)，因此，十進(jìn)制表示為232?仁4294

U,,967296-1=4294967295

4printf(u=%u=%d\n)u,u);

說明：231的無符號(hào)整數(shù)在計(jì)算機(jī)中表示為

?其中printf為輸出函數(shù)，指示符“10…0”，當(dāng)作為有符號(hào)整數(shù)輸出時(shí)，

%u、％:1分別表示以無符號(hào)整數(shù)其值為最小負(fù)數(shù)?232-1=-2147483648

和有符號(hào)整數(shù)形式輸出十進(jìn)制輸出結(jié)果：

數(shù)的值，x=4294967295=-1

?2147483648=231u=2147483648=-2147483648

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院27

例：以下為C語言程序，用來計(jì)算一個(gè)數(shù)組a中每個(gè)元素的和，當(dāng)參

數(shù)len為0時(shí)，返回值應(yīng)該為0,卻發(fā)生了存儲(chǔ)器訪問異常。請問

這是什么原因造成的？說明如何修改。

1floatsum_elements(floata[],unsignedlen)解：存儲(chǔ)器訪問異常是由

2于對數(shù)組a訪問時(shí)產(chǎn)生了越

3inti;界錯(cuò)誤造成的。循環(huán)變量i

4floatresult=0;是int型，而leri是unsigned

型，當(dāng)len為。時(shí)，執(zhí)行l(wèi)en?

5for(i=0;i<=len-1;i++)

1的結(jié)果為32個(gè)1,是最大

6result+=a[i];

可表示的32位無符號(hào)數(shù)，

7returnresult;

任何無符號(hào)數(shù)都比它小，

8

)使循環(huán)體不斷被執(zhí)行，導(dǎo)

致數(shù)組訪問越界，因而發(fā)

生存儲(chǔ)器訪問異常，應(yīng)當(dāng)

將len聲明為int型。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院28

原碼兩位乘

原碼乘符號(hào)位和數(shù)值位部分分開運(yùn)算

兩位乘每次用乘數(shù)的2位判斷原部分積

是否加和如何加被乘數(shù)

乘數(shù)%-1%新的部分積

00~~加“0”一A5~~

01加1倍的被乘數(shù)—^2

10加2倍的被乘數(shù)一^2

11加3倍的被乘數(shù)—?2

324100

先減倍的被乘數(shù)

“-1-011

再加4倍的被乘數(shù)

311

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院29

原碼兩位乘運(yùn)算規(guī)則

乘數(shù)判斷位標(biāo)志位操作內(nèi)容

000z-2,y*-2，G.保持“0”

010z+x*-2,y*-2，G保持“0”

100z+2x*-2,y*T，G.保持“0”

110ZT*f2,y*-2,置TCj

001z+x*-2,y*-2,置“0"Cj

011z+2x*f2,yJ2,置“0”Cj

101z—x*-2,y*-2，G.保持"1”

111zf2,y*-2,q保持“1”

共有操作+x*+2x*-%*—>2

實(shí)際操作+比*L+【2]*L+[T*L-2補(bǔ)碼移

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院30

第3章存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)向覆

（一）存儲(chǔ)器的分類

2.Cache和主存之間的映射方式

（二）存儲(chǔ)器的層次化結(jié)構(gòu)3.Cache中主存塊的替換算法

（三）半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器4.Cache寫策略

1.SRAM存儲(chǔ)器的工作原理（七）虛擬存儲(chǔ)器

2.DRAM存儲(chǔ)器的工作原理1.虛擬存儲(chǔ)器的基本概念

2.頁式虛擬存儲(chǔ)器

3.只讀存儲(chǔ)器

3.段式虛擬存儲(chǔ)器

4.Flash存儲(chǔ)器

4.段頁式虛擬存儲(chǔ)器

（四）主存儲(chǔ)器與CPU的連接5.TLB（快表）

（五）雙口RAM和多模塊存儲(chǔ)器

（六）高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）

1.Cache的基本工作原理

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院31

知識(shí)點(diǎn)回顧

＞存儲(chǔ)器分類

按存取方式：隨機(jī)、順序、直接、相聯(lián)

按存儲(chǔ)介質(zhì)：半導(dǎo)體、磁表面、激光盤

按信息是否可更改：可讀可寫、只讀

■按斷電后可否保存：易失、非易失

按功能/容量/速度分：寄存器、cache,主存、輔存

＞存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

＞半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的組織

存儲(chǔ)元一存儲(chǔ)芯片一存儲(chǔ)模塊（內(nèi)存條）一存儲(chǔ)器

＞只讀存儲(chǔ)器

＞存儲(chǔ)器芯片與CPU連接：地址線、數(shù)據(jù)線、控制線連接

＞主存的主要技術(shù)指標(biāo)：存取時(shí)間、存儲(chǔ)周期、存儲(chǔ)器帶寬

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院32

知識(shí)點(diǎn)回顧

＞主存的校驗(yàn)：海明校驗(yàn)

＞多模塊存儲(chǔ)器：連續(xù)編址、交叉編址

＞Cache:

■使用cache的基本原理：程序訪問的局部性

?時(shí)間局部性

?空間局部性

■Cache基本工作原理

?Cache和主存空間被劃分為相等的區(qū)域。主存中的區(qū)域稱

為塊(block),是cache與主存間信息交換的單位；cache中

存放一個(gè)主存塊的反域稱為行(line)或槽(slot)

?Cache的有效位：系統(tǒng)啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)，每個(gè)cache行都是空

的，其中的信息無效，只有裝入主存塊后信息才有效，因

此每個(gè)cache行需要一個(gè)有效位(validbit)

?Cache的容量

?Cache命中率、cache-主存層次平均訪問時(shí)間

Cache與主存間的映射：直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院33

知識(shí)點(diǎn)回顧

>Cache:

■替換算法：FIFO.LRU、LFU（最不經(jīng)常使用）、隨機(jī)法

■寫策略：

?寫回法：暫時(shí)只寫cache,替換時(shí)一次性寫回主存

?全寫法：每次寫cache時(shí)也寫主存，可在cache和主存間加

寫緩存

>虛擬存儲(chǔ)器

■基本原理：

虛擬存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)方案：分頁式、分段式、段頁式

■地址轉(zhuǎn)換

■頁表和頁表項(xiàng)

■缺頁

TLB（快表）：用來存放常用頁表項(xiàng)，減少主存訪問頁表次數(shù)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院34

重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)；主存、Cache的工作原理及技術(shù)指

標(biāo)；半導(dǎo)體體存儲(chǔ)芯片的外特性及與CPU的連接；提高訪存速

度的措施。

難點(diǎn)：對于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問的尋址范圍；多

體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址對訪存速度的影響；

Cache一主存地址映射。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院35

Cache中的位數(shù)(容量)

＞由于每個(gè)Cache的地址可能對應(yīng)于存儲(chǔ)器中不同的地址，因

此需要在Cache中加標(biāo)記(tag),標(biāo)記必須能判斷Cache中的

字是否為所請求的地址信息。

＞標(biāo)記只包含存儲(chǔ)器地址的高位部分(存儲(chǔ)器地址的高位部分

用作選定Cache地址)

＞Cache中包含"一位有效位(validbit)用于說明Cache塊是否含

有有效地址

■有效位用于判斷Cache塊中是否有有效信息。例如當(dāng)處理

器啟動(dòng)時(shí)Cache是空的，此時(shí)標(biāo)記字段中的值是沒有意義

的。即使執(zhí)行了數(shù)條指令，Cache中的一些塊仍為空，此

時(shí)也需要用有效位說明這些單元的標(biāo)記應(yīng)被忽略。

Cache地址有效位標(biāo)記數(shù)據(jù)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院36

Cache的容量

主存地址格式:

標(biāo)記Cache行號(hào)塊內(nèi)地址

Cache中的內(nèi)容:

Cache行號(hào)有效位標(biāo)記(Tag)數(shù)據(jù)

>Cache不僅存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)標(biāo)記，故Cache中所需總位

數(shù)是Cache的大小和地址位數(shù)的函數(shù)。

>例如：假設(shè)一個(gè)32位字節(jié)的地址以及一個(gè)大小為2n個(gè)字直接

映像的Cache,每塊有2m個(gè)字（2m+2個(gè)字節(jié)），則標(biāo)記字用

位藪為32-（n+m+2）,其中n%Cache行地it,m位為塊中的字,

2位作為字節(jié)偏移量。一個(gè)直接映像的高速緩存所需總位數(shù)

為2nx（塊大小+標(biāo)記位位數(shù)+有效位位數(shù)）

而塊大小為2m個(gè)字（2m+5位），地址大小為32位，而這樣一

個(gè)Cache的位數(shù)為

2nx[2mx32+(32-n-m-2)+l]=2nx(2mx32+31-n-m)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院37

直接映射方案validTagData全相聯(lián)方案

主存DataTagValid

個(gè)單元把與主存的

Cache2568位1位Cache

8個(gè)單元三種地址映像方式統(tǒng)一

畫在一張圖上，有利于

對比它們的相同與差異

低3位地址譯碼選擇主

Cache的1個(gè)單元存之處。

分

高5位地址與Cache被區(qū)為突出基本原理并

選中單元的Tag字段的容易理解，畫面清楚，

內(nèi)容進(jìn)行比較，只畫出主存分區(qū)的首個(gè)

并檢查有效位分區(qū)和尾個(gè)分區(qū)，中間

部分從略。并假定主存

分區(qū)和

MemoryCache8位地址譯碼選擇8位由256個(gè)字塊組成，因

的字塊一一硬性對應(yīng)

主存的1個(gè)單元此要用8位地址訪問主

存字塊，假定主存字長

位地址與

高6位地址與兩路Cache低2位地址譯碼選8Cache1附。

被選中單元的Tag字段的擇兩路Cache的每個(gè)單元中的Tag

內(nèi)容進(jìn)行比較，檢查有效位各1個(gè)單用/字段的內(nèi)容進(jìn)行比

較，并檢查有效位Cache容量為8個(gè)

Memory分區(qū)和每路Cache字塊，因此要使用3位

的字塊一一硬性對應(yīng)，Cache和Memory的（直接映射）或2位

字塊隨意對應(yīng)

和2路形成的組的2個(gè)單元ValidTag（兩路組相聯(lián)）地址訪

隨意對應(yīng)

1位6位問Cache字塊，這樣

主Cache的Tag字段的位

存數(shù)應(yīng)為5或6。使用一

分位有效位，數(shù)據(jù)段是

區(qū)16位。

6位，2位｛第0路

第1路

全相聯(lián)方案不必對Memory分區(qū)，或認(rèn)為每個(gè)字塊是一個(gè)區(qū);

直接映像需要按照Cache容量對Memory分區(qū)；

2路組相聯(lián)映像需要按照Cache容量的%對Memory分區(qū)。

兩路組相聯(lián)方案Cach啾劃分成2路，每路各4個(gè)單元多路組相聯(lián)的路數(shù)為1時(shí)（每組1個(gè)字塊）就是直接映像方案；

8位地址Cache的路數(shù)等于Cache的容量時(shí)（整個(gè)Cache僅有1組）就是全

Cache的3種映射方式相聯(lián)方案；二者都屬于多路組相聯(lián)的特例。否則是n路組相聯(lián)，

每組由n（路數(shù)）個(gè)字塊構(gòu)成，Cache的組數(shù)應(yīng)為Cache容量/n?

例題：有三個(gè)處理器，帶有以下不同cache:

cachel:采用直接映像方式，塊大小為1個(gè)字，指令和數(shù)據(jù)的

缺失率分別為4%和6%;

cache!:采用直接映像方式，塊大小為4個(gè)字，指令和數(shù)據(jù)

的缺失率分別為2%和4%;

cache3:采用2路組相聯(lián)映像方式，塊大小為4個(gè)字，指令和

數(shù)據(jù)的缺失率分別為2%和3%;

在些處理器上運(yùn)行相同的程序，該程序的CPI為2.0,其中有

一半是訪存指令，若缺失損失為“塊大小+6”個(gè)時(shí)鐘周期，處理

器1和處理器2的時(shí)鐘周期都為420ps,帶有cache3的處理器3的時(shí)

鐘周期為450ps。問：哪個(gè)處理器因cache缺失而引起的額外開銷

最大？哪個(gè)處理器執(zhí)行速度最快？

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院39

解：假設(shè)所運(yùn)行的程序共執(zhí)行N條指令，每條訪存指令僅讀

寫一次內(nèi)存數(shù)據(jù)，則在該程序執(zhí)行過程中各個(gè)處理器因cache缺

失而引起的額外開銷和執(zhí)行時(shí)間計(jì)算如下：

處理器1:額外開銷為Nx(4%+6%x50%)x(1+6)

=0.49N個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行程序所需時(shí)間為(Nx2.0+0.49N)

x420Ps=1045.8N(ps)；

處理器2:額外開銷為Nx(2%+4%x50%)x(4+6)

=0.40N個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行程序所需時(shí)間為(Nx2.0+0.40N)

x420ps=1008N(ps)；

處理器3:額外開銷為Nx(2%+3%x50%)x(4+6)

=0.35N個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行程序所需時(shí)間為(Nx2.0+0.35N)

x450ps=1057.5N(ps).

由此可見，處理器Icache缺失引起的額外開銷最大，處理器

2執(zhí)行速度最快。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院40

第4章指令系統(tǒng)

大綱：

（一）指令格式

1、指令的基本格式

2、定長操作碼指令格式

3、擴(kuò)展操作碼指令格式

（二）指令的尋址方式

1、有效地址的概念

2、數(shù)據(jù)尋址和指令尋址

3、常見尋址方式

（三）CISC和RISC的基本概念

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院

知識(shí)點(diǎn)回顧

＞指令格式

■定長指令字、定長操作碼

變長指令字、變長操作碼

＞操作類型：傳送、運(yùn)算、字符串處理……

＞操作數(shù)類型（Pentium）:

序數(shù)或指針：8、16、32位無符號(hào)整數(shù)表示

整數(shù)：16、32、64位補(bǔ)碼表示的整數(shù)

實(shí)數(shù)：IEEE754浮點(diǎn)數(shù)格式

■十進(jìn)制數(shù)

■字符串

＞操作數(shù)寬度

＞尋址方式

＞條件碼（狀態(tài)標(biāo)志）的生成

＞CISC和RISC的基本概念和特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院42

重點(diǎn)和難點(diǎn)

重點(diǎn)：指令格式、尋址方式

地址格式對訪存次數(shù)、尋址范圍的影響

尋址方式對操作數(shù)尋址范圍、信息加工流程、所

需硬件支持及編程的影響

RISC

難點(diǎn)：設(shè)計(jì)指令格式

擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用

在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中不同的機(jī)器其

數(shù)據(jù)的存放方式是不同的

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院43

例：設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)是操作碼，第

二字節(jié)是相對位移量，用補(bǔ)碼表示。每當(dāng)CPU從存儲(chǔ)器取出一個(gè)

字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)完成（PC）+1-PC。

（1）設(shè)當(dāng)前PC值為3000H,問轉(zhuǎn)移后的目標(biāo)地址范圍是多少？

解：（1）由于相對尋址的轉(zhuǎn)移指令為兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為

操作碼，第二個(gè)字節(jié)為相對位移量，且用補(bǔ)碼表示，故其范圍

為-128~+127,即80H~7FH。又因PC當(dāng)前值為3000H,且CPU

取出該指令后，PC已修改為3002H,因此最終的轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址

范圍為3081H~2F82H,即3002H+7FH=3081H至3002H-

80H=2F82H

思考：若PC為16位，位移量可正可負(fù)，PC相對尋址范圍為多大？

解：相對尋址中，PC提供基準(zhǔn)地址，位移量提供修改量，位移量為16位可正

可負(fù)，則相對尋址范圍為：（PC）-215?（PC）+215

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院44

例：設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)是操

作碼，第二字節(jié)是相對位移量，用補(bǔ)碼表示。每當(dāng)CPU

從存儲(chǔ)器取出一個(gè)字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)完成(PC)+1一PC。

(2)若當(dāng)前PC值為2000H,要求轉(zhuǎn)移到01BH,則轉(zhuǎn)移指

令第二字節(jié)的內(nèi)容是什么？

解：(2)若PC當(dāng)前值為2000H,取出該指令后PC值為2002H,故

轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)應(yīng)為

201BH-002H=19Ho

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院45

例：設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)是操

作碼，第二字節(jié)是相對位移量，用補(bǔ)碼表示。每當(dāng)CPU

從存儲(chǔ)器取出一個(gè)字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)完成(PC)+1-PC。

(3)若當(dāng)前PC值為2000H,指令JMP*-9(*為相對尋

址特征)的第二字節(jié)的內(nèi)容是什么？

解：根據(jù)匯編語言指令JMP*-9,即要求轉(zhuǎn)移后的目標(biāo)地址為

2000H-O9H=1FF7H,但因?yàn)镃PU取出該指令后PC值已修改為

2002H,故轉(zhuǎn)移指令的第二字節(jié)的內(nèi)容應(yīng)為-11(十進(jìn)制)，寫成

補(bǔ)碼為F5H。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院46

第5章中央處理器（CPU）而gf

大綱:

（一）CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)

（二）指令執(zhí)行過程

（三）數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)

（四）控制器的功能和工作原理

1.硬布線控制器

2.微程序控制器

微程序、微指令和微命令；微指令格式；微命令的編碼方式;

微地址的形成方式

（五）指令流水線

1.指令流水線的基本概念

2.指令流水線的基本實(shí)現(xiàn)

3.超標(biāo)量和動(dòng)態(tài)流水線的基本概念

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院47

知識(shí)點(diǎn)回顧

>CPU的基本功能

■控制程序的執(zhí)行順序

控制指令進(jìn)行什么操作

控制每個(gè)操作什么時(shí)候進(jìn)行

■對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算

■控制對存儲(chǔ)器或I/O的訪問

■判斷有無異?；蛑袛嗖⒄{(diào)出相應(yīng)處理程序

>CPU基本結(jié)構(gòu)：由數(shù)據(jù)通路和控制單元組成

數(shù)據(jù)通路指執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)所經(jīng)過的路徑，其中包含組合邏

輯部件和時(shí)序邏輯部件

控制單元對取出的指令進(jìn)行譯碼，與指令執(zhí)行得到的條件碼

或當(dāng)前機(jī)器狀態(tài)、時(shí)序信號(hào)等組合，生成對數(shù)據(jù)通路進(jìn)行控

制的控制信號(hào)

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院48

知識(shí)點(diǎn)回顧

＞CPU中的寄存器：用戶可見、用戶部分可見、用戶不可見寄存器

＞指令執(zhí)行過程：取指、譯碼、取數(shù)、運(yùn)算、存結(jié)果、查中斷

指令周期

?機(jī)器周期

■時(shí)鐘周期

＞數(shù)據(jù)通路中信息的流動(dòng)過程

＞控制單元的實(shí)現(xiàn)方式

硬連線控制器

■微程序控制器

基本概念：微程序、微指令和微命令；微指令格式；微命令

的編碼方式；微地址的形成方式

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院49

次口識(shí),/回顧

＞指令流水線的基本概念

將每條指令的執(zhí)行可分為若干個(gè)流水階段。

■每個(gè)流水階段的執(zhí)行時(shí)間以最慢的流水段所需時(shí)間為準(zhǔn)。

理想情況下，每個(gè)時(shí)鐘周期有一條指令進(jìn)入流水線，并有一

條指令執(zhí)行結(jié)束。

每個(gè)流水段中的部件都是組合邏輯部件，流水線段之間需要

加流水段寄存器，組合邏輯中產(chǎn)生的結(jié)果在時(shí)鐘到來時(shí)被存

儲(chǔ)到流水段寄存器中。流水段寄存器用以記錄所有流到后面

階段要用的各種信息，例如控制信號(hào)、指令、新的PC值、參

加運(yùn)算的操作數(shù)、指令運(yùn)算結(jié)果、指令異常信息、寄存器讀

口地址、寄存器寫口地址、存儲(chǔ)地址等。

指令譯碼得到的控制信號(hào)通過流水段寄存器與本指令的數(shù)據(jù)

信息一起，同步傳送到后面各個(gè)流水段。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院50

次口識(shí),/回顧

＞指令流水線的局限性

不同的指令功能不同，并不是每條指令都能劃分成相同多個(gè)

階段，按最復(fù)雜指令所需規(guī)劃流水段后，有些指令的某些流

水段執(zhí)行的可能是空操作。

不同流水階段的功能不同，并不是每個(gè)流水段所用的時(shí)間都

一樣長，按最長時(shí)間流水段設(shè)置時(shí)鐘周期后，某些流水段可

能會(huì)有時(shí)間浪費(fèi)。

隨著流水段深度的增加，流水段寄存器的額外開銷比例也增

大。

指令在資源沖突、數(shù)據(jù)相關(guān)或控制相關(guān)事發(fā)生流水線阻塞，

因而影響指令執(zhí)行效率。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院51

知識(shí)點(diǎn)回顧

＞指令流水線的執(zhí)行效率

吞吐率：比非流水線方式下提高若干倍，理想情況下，其倍

數(shù)為劃分的流水段個(gè)數(shù)。

指令執(zhí)行時(shí)間：由于流水段劃分要求的一致性，以及流水段

寄存器的額外開銷，使得流水段方式下一條指令的執(zhí)行時(shí)間

更長了。

計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院52

次口識(shí),/回顧

A流水線冒險(xiǎn)的種類及其處理基本思想

＞結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn)（資源沖突）：多條指令同時(shí)要求使用同一個(gè)功能部件。所

用解決策略如下：

規(guī)定每個(gè)功能部件在一條指令中只能被使用一次。

規(guī)定每個(gè)功能部件只能在某個(gè)特定的階段被使用。

指令存儲(chǔ)器（codecache）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（datacache）分開。

＞數(shù)據(jù)冒險(xiǎn)（數(shù)據(jù)相關(guān)）：前面指令的目的操作數(shù)是后面指令的源操作

數(shù)。解決策略如下：

用軟件（如編譯器）在數(shù)據(jù)相關(guān)指令前插入nop指令。

在硬件檢測到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，使后面的數(shù)據(jù)相關(guān)指令進(jìn)入停頓狀態(tài)，

業(yè)績在特定的流水端插入“氣泡”以“阻塞”指令繼續(xù)執(zhí)行，直到

取得所需數(shù)據(jù)為止。

■利用“轉(zhuǎn)發(fā)（旁路）”技術(shù)把前面指令執(zhí)行過程中得到的數(shù)據(jù)直接

傳送到后面指令需要使用數(shù)據(jù)的地方。

對于取數(shù)后直接使用的情況（如Load指令取出的數(shù)據(jù)是隨后下一條

運(yùn)算指令的操作數(shù)），則采“阻塞加轉(zhuǎn)發(fā)”