計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)

2020/5/18,上海交通大學(xué),1,計(jì)算機(jī)組成基礎(chǔ)復(fù)習(xí)提要孫德文上海交通大學(xué)2010.6,2020/5/18,上海交通大學(xué),2,第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,1、掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的幾個基本知識和基本概念計(jì)算機(jī)的五大部件（1）運(yùn)算器是直接完成各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算的部件，主要部件是ALU（算術(shù)邏輯部件）。（2）運(yùn)算器和控制器合稱中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）（3）CPU與存儲器(內(nèi)存儲器)合稱為主機(jī)，（4）輸入設(shè)備和輸出設(shè)備合稱為外部設(shè)備,2020/5/18,上海交通大學(xué),3,2、計(jì)算機(jī)語言機(jī)器語言，匯編語言和高級語言,（1）機(jī)器語言是一種完全面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，由二進(jìn)制代碼組成。（2）匯編語言是一種符號語言，其特點(diǎn)是用符號形式表示機(jī)器指令，用指令助記符代替機(jī)器的操作碼、用標(biāo)識符代替地址碼。一種面向具體計(jì)算機(jī)的語言?；局噶钫Z句和機(jī)器指令有著一一對應(yīng)的關(guān)系。用匯編語言編制的程序稱為匯編語言源程序。（3）高級語言獨(dú)立于計(jì)算機(jī)之外的、接近于人們的使用習(xí)慣的、易為人們理解的面向問題計(jì)算過程的通用程序設(shè)計(jì)語言，稱為“高級語言（HighLevelLanguage）”。,2020/5/18,上海交通大學(xué),4,第2章運(yùn)算基礎(chǔ)數(shù)值的機(jī)器級表示,1、數(shù)制轉(zhuǎn)換2、機(jī)器數(shù)與真值帶符號數(shù)與不帶符號數(shù)的表示3、字符與字符串的表示4、校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼,1、數(shù)制轉(zhuǎn)換,二進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換注意整數(shù)和小數(shù),2、機(jī)器數(shù)與真值帶符號數(shù)與不帶符號數(shù)的表示,真值機(jī)器數(shù)給出真值求機(jī)器數(shù)原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼，注意正數(shù)和負(fù)數(shù)、注意補(bǔ)碼表示給出機(jī)器數(shù)求真值,3、字符與字符串的表示,BCD碼和ASC碼BCD碼BinaryCodedDecimal，二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。ASCII碼AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼4、校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼,第3章數(shù)值的機(jī)器運(yùn)算,1、定點(diǎn)數(shù)加、減法運(yùn)算2、定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算和乘法電路的實(shí)現(xiàn)3、定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理4、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算器的實(shí)現(xiàn),1)補(bǔ)碼數(shù)的加減運(yùn)算規(guī)則,X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)X-Y補(bǔ)=X補(bǔ)+-Y補(bǔ)加減運(yùn)算中溢出的判別判別溢出的常用方法有三種符號比較法雙進(jìn)位法溢出標(biāo)志V=CinCout,加減運(yùn)算中溢出的判別,雙符號位法結(jié)果的雙符號位為00或11表示結(jié)果無溢出結(jié)果的雙符號位為10，表示兩個負(fù)數(shù)之和小于計(jì)算機(jī)所能表示的最小負(fù)數(shù)，稱為“下溢”結(jié)果的雙符號位為01，表示正數(shù)被負(fù)數(shù)相減后所得結(jié)果大于計(jì)算機(jī)所能表示的最大正數(shù)，稱為“上溢”,2)加、減法電路的實(shí)現(xiàn),從半加器到算術(shù)邏輯部件ALU,1位HA,1位FA,N位FA,ASU,1位BCD加法器,1位ALU,N位ALU,2020/5/18,上海交通大學(xué),19,3）邏輯運(yùn)算,熟練掌握邏輯運(yùn)算規(guī)則、熟練運(yùn)用邏輯門電路的2種符號表示-國標(biāo)符號及常用符號（見p.29圖1.8）,2、定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算乘法電路的實(shí)現(xiàn),原碼乘法原碼表示對乘法運(yùn)算比較方便，原碼表示的兩數(shù)相乘，乘積的符號位為相乘兩數(shù)符號位的按位加之和，數(shù)值部分為兩數(shù)絕對值之積。原碼乘法實(shí)際上是兩個正數(shù)相乘的方法。這里“按位加”就是不考慮進(jìn)位的加法，即“異或”運(yùn)算，記作。,原碼乘法,所以原碼乘法的表達(dá)式為；設(shè)被乘數(shù)為X、乘數(shù)為Y。用原碼表示為：被乘數(shù)X原=Xs.X1X2Xn-1Xn乘數(shù)Y原=Ys.Y1Y2Yn-1Yn,3、定點(diǎn)運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理,4、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算器的實(shí)現(xiàn),1)浮點(diǎn)表示法表示一個浮點(diǎn)數(shù)，一是要給出尾數(shù)M、通常用定點(diǎn)小數(shù)形式表示，它決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示精度，即可以給出的有效數(shù)字的位數(shù)；二是要給出階碼，通常用整數(shù)形式表示，它指出的是小數(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中的位置，決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。尾數(shù)的正負(fù)表示整個數(shù)的正負(fù)，即尾符決定了整個數(shù)的正負(fù)，而階碼的正負(fù)表示小數(shù)點(diǎn)是左移（負(fù)）或右移（正）。,浮點(diǎn)數(shù)的“規(guī)格化”方式表示,所謂“規(guī)格化”是指尾數(shù)恢復(fù)真值后，在尾數(shù)中表示最多的有效數(shù)據(jù)位，即尾數(shù)的最高位是個有效數(shù)字（1），不是“0”，這樣可以保留最多的有效數(shù)字，提高運(yùn)算精度。浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化對尾數(shù)的要求是：補(bǔ)碼表示為0.1XXXX.1.0XXXX,2)浮點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算的步驟,（1）對階：對階是階碼小的向階碼大的對齊尾數(shù)右移1次，階碼加1，（2）尾數(shù)運(yùn)算（3）運(yùn)算結(jié)果規(guī)格化兩種規(guī)格化：(1)向左規(guī)格化（左規(guī)）運(yùn)算結(jié)果尾數(shù)如0.001，則將結(jié)果左移2次，階碼減2；(2)向右規(guī)格化（右規(guī)）若采用雙符號位補(bǔ)碼表示尾數(shù)，則當(dāng)運(yùn)算結(jié)果尾數(shù)為01.或10.，表示尾數(shù)絕對值大于1，必須將結(jié)果右移以實(shí)現(xiàn)規(guī)格化。尾數(shù)右移1次，階碼加1。,（4）舍入處理（5）溢出處理,（4）舍入處理(A)截去法（chopping）(B)0舍1入法(C)恒置1法三種舍入法中，一般采用“0舍1入”法，其正負(fù)誤差可抵消，誤差小。（5）溢出處理(A)尾數(shù)上溢兩個同符號數(shù)相加產(chǎn)生了最高位向符號位的進(jìn)位，可將尾數(shù)右移，階碼加1來調(diào)整；(B)尾數(shù)下溢尾數(shù)右移時，最低有效位從右端丟失，要進(jìn)行舍入處理；(C)階碼上溢運(yùn)算結(jié)果的階碼值超過了階碼可能表示的最大值的正指數(shù)值，一般認(rèn)為是+；(D)階碼下溢運(yùn)算結(jié)果的階碼值超過了階碼可能表示的最小值的負(fù)指數(shù)值，一般將其認(rèn)為“0”。,溢出處理,浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算結(jié)果的溢出判斷是檢查階碼是否溢出，規(guī)格化后階碼下溢則置運(yùn)算結(jié)果為浮點(diǎn)數(shù)形式的“機(jī)器零”；階碼上溢，置溢出標(biāo)志，由CPU的異常處理機(jī)制進(jìn)行處理。,第4章存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu),1、存儲系統(tǒng)的組成2、存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),1、存儲系統(tǒng)的組成,圖1層次化存儲系統(tǒng),（1）在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，采用層次化存儲系統(tǒng)。,存儲系統(tǒng)的組成,（2）在多級存儲體系中，1）“Cache主存”結(jié)構(gòu)要解決的問題是主存與CPU速度不匹配2）“輔存主存”結(jié)構(gòu)要解決的問題是：擴(kuò)大主存的存儲空間，并能進(jìn)行自動管理的調(diào)度在層次化存儲體系中，主存、輔存、Cache和CPU的寄存器按存取速度從快到慢的順序?yàn)椋?寄存器、Cache、主存、輔存,3、高速緩沖存儲器,(1)地址映像是將主存地址映像成Cache中的地址，Cache的地址位數(shù)少，地址空間較??；主存的地址位數(shù)多，地址空間較大，因此Cache中的一個存儲塊可與主存中的若干個存儲塊相對應(yīng)，即若干個主存地址將可映射到同一Cache地址。,三種地址映像方法,有三種地址映像方法直接映像、全相聯(lián)映像和組相聯(lián)映像。1)一個主存塊只能映像到Cache中某一個特定塊地址的映像方式，稱為直接映像。2)主存中每一個塊都可映像到Cache中的任何塊中的地址映像方式稱為“全相聯(lián)映像”。,三種地址映像方法,直接映像方式的Cache硬件簡單，成本低，但主存調(diào)入Cache的存放位置固定，容易發(fā)生塊沖突，命中率低，而全相聯(lián)映像方式主存調(diào)入Cache的存放位置靈活，命中率高，但比較器電路復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。,(2)替換策略,CPU訪問帶有Cache的存儲器時，如果Cache未命中，則CPU訪問主存，并將該數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache，這時對應(yīng)于不同的地址映像方式有不同的處理。若為直接映像的Cache，不需要考慮替換策略。若為全相聯(lián)映像或組相聯(lián)映像的Cache，則調(diào)入的數(shù)據(jù)塊可存入Cache中任意位置或組內(nèi)任意位置，如果Cache或組內(nèi)已被占滿則就有一個新數(shù)據(jù)塊寫入哪一個位置（替換掉原有的哪一個塊）的問題。這就是替換策略替換算法的問題。常用的替換算法有三種隨機(jī)法、先進(jìn)先出法和近期最少使用法。選擇的依據(jù)是考慮存儲器總體的性能，主要是提高Cache的命中率。,第5章指令系統(tǒng),1、指令2、單總線結(jié)構(gòu)的CPU3、正確分析基本指令的指令流程,1、指令,指令是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種基本操作的命令，CPU能執(zhí)行的指令是用二進(jìn)制代碼表示的機(jī)器指令機(jī)器指令由操作碼（opcode）和操作數(shù)（operand）兩部分稱為“字段”組成。,指令,操作碼字段指出該指令的功能執(zhí)行何種操作。若操作碼字段有n位，則可表示2n條指令有2n種不同的基本操作。操作數(shù)字段指出該指令的操作對象，通常為一個立即數(shù)（在指令代碼中直接給出）、寄存器中內(nèi)容、存儲單元的內(nèi)容或I/O端口的內(nèi)容：指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)全部指令的集合，是CPU的一個重要特性。指令系統(tǒng)同硬件電路的工作密切相關(guān)。,2、單總線結(jié)構(gòu)的CPU,單總線結(jié)構(gòu)的CPU,CPU中各部件信息的輸入和輸出都需要有相應(yīng)的控制信號，因此圖5-13中連接到總線上的各部件除輸入輸出的數(shù)據(jù)信號外，還有輸入控制信號和輸出控制信號，產(chǎn)生操作控制信號的過程是：取指階段從主存儲器中取出的指令，經(jīng)數(shù)據(jù)寄存儲器DR，存入指令寄存器IR，再送指令譯碼器ID譯碼、分析、識別，產(chǎn)生同該指令相對應(yīng)的指令信號，經(jīng)操作控制器（協(xié)同時序產(chǎn)生器），產(chǎn)生執(zhí)行該指令所需要的滿足一定時序關(guān)系的一組操作控制信號。,三種周期,在指令執(zhí)行過程中，涉及到三種周期時間概念。指令周期、機(jī)器周期和時鐘周期單總線結(jié)構(gòu)CPU的指令流程指令執(zhí)行過程,2、正確分析基本指令的指令流程,ADDR3，R1，R2；R1+R2R3LOADR1，mem;（mem）R1，STORER1，mem;R1(mem)，BRoffs;offs為相對轉(zhuǎn)移地址。PC+offsPC,第6章中央處理器,1、中央處理器的功能與組成2、硬連線控制器,1、中央處理器的功能與組成,中央處理器的功能與組成,掌握各部件的名稱及功能ALU、AC、PC、AR、DR、ID、IR、FR、M和I/O哪些屬于運(yùn)算器、哪些屬于控制器中央處理器的功能1）指令控制控制程序的運(yùn)行。2）操作控制控制指令的操作步驟。3）時間控制對操作控制信號的定時4）數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。5）中斷處理和異常處理,2、硬連線控制器,1)控制信號的作用2)控制器的主要功能,控制信號的作用,1)控制信號的作用在數(shù)據(jù)的傳送和運(yùn)算過程中，必須要有相應(yīng)的操作控制信號作用于相應(yīng)的部件，對數(shù)據(jù)傳送操作，輸出數(shù)據(jù)的部件必須有輸出控制信號的作用，輸入數(shù)據(jù)的部件有時也必須有輸入控制信號的作用，對數(shù)據(jù)運(yùn)算操作必須有決定相關(guān)運(yùn)算的操作控制信號。,控制信號的作用,一個操作過程中所需要的一組操作控制信號的作用必須嚴(yán)格按照一定的時序關(guān)系，即哪個控制信號先作用，哪個控制信號后作用有嚴(yán)格的要求。,控制信號的作用,2)控制器的主要功能是向計(jì)算機(jī)的各部件提供指令運(yùn)行時所需要的操作控制信號，以控制指令的執(zhí)行步驟和數(shù)據(jù)流動的方向，使指令按規(guī)定的執(zhí)行步驟運(yùn)行。3)硬連線邏輯方式用一個時序電路產(chǎn)生時間控制信號，采用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)各種控制功能，又稱為組合邏輯型控制器。,組合邏輯型控制器,邏輯表達(dá)式,操作控制信號的邏輯表達(dá)式C=T1(INS1+INS2+INSn）+T2（INS1+INS2+INSn）+Tm（INS1+INS2+INSn）操作控制信號的說明,IRout=LOADT3+STORET3+BRT4的邏輯電路圖,3、微程序控制器,1)微程序控制的基本思想把機(jī)器指令執(zhí)行時所需要的全部控制信號存放在一個專用的存儲器控制存儲器中，機(jī)器在執(zhí)行某一條機(jī)器指令時，就從控制存儲器中讀取該機(jī)器指令所對應(yīng)的控制信號。具體地說，將一條機(jī)器指令所需要的操作控制信號以一個個控制字的形式存放在控制存儲器中，,微程序控制的基本思想,每一個控制字稱為一條微指令（Microinstruction），以2進(jìn)制代碼形式表示，每一個2進(jìn)制位代表一個控制信號，若某位為1表示該控制信號有效，為0表示該控制信號無效。,微程序控制的基本思想,一條機(jī)器指令所需要的操作控制信號就由若干條微指令組成的序列來實(shí)現(xiàn)，對應(yīng)于一條機(jī)器指令的微指令序列稱為微程序（Microprogram）。設(shè)計(jì)者將一個機(jī)器的全部機(jī)器指令所對應(yīng)的微程序存儲在一個控制存儲器（控存）中，在機(jī)器運(yùn)行時，一條一條從控制存儲器讀取所要運(yùn)行指令的微程序中的微指令，從而產(chǎn)生各種操作控制信號以實(shí)現(xiàn)該機(jī)器指令的功能。,微指令包含兩個字段,2)一條微指令包含兩個字段，一是操作控制字段操作控制碼，為一次微操作所需要的全部控制信號的編碼，用以發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號；二是順序控制字段用以決定產(chǎn)生下一條微指令的地址。該字段可由2部分組成：,微指令包含兩個字段,BCF（BranchControlField）轉(zhuǎn)移控制字段BAF（BranchAddressField）轉(zhuǎn)移地址字段BAF發(fā)生轉(zhuǎn)移時用來發(fā)生轉(zhuǎn)移時指定下一條微指令的地址；BCF用于微程序中需要轉(zhuǎn)移時，表示條件轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移條件；BCF為微程序控制器中的轉(zhuǎn)移地址生成器提供一種微程序中的轉(zhuǎn)移機(jī)制,3)微程序控制器的組成與特點(diǎn),微程序控制器的基本組成,控制存儲器微指令寄存器IR微地址寄存器AR順序控制邏輯微地址形成部件掌握各部件的名稱及功能,應(yīng)用題1,1、已知二進(jìn)制數(shù)X=0.11010,Y=0.11001,應(yīng)用變形補(bǔ)碼(即具有兩位符號位的補(bǔ)碼)計(jì)算XY和XY，并判別有無溢出？若結(jié)果溢出,要注明溢出性質(zhì)，若結(jié)果無溢出，則寫出運(yùn)算結(jié)果的補(bǔ)碼表示和真值(二進(jìn)制值及十進(jìn)制值)要求寫出運(yùn)算過程。,應(yīng)用題1,解：X補(bǔ)=0.11010;Y補(bǔ)=1.00111;Y補(bǔ)=0.11001X+Y補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)=00.11010+11.00111=00.11010+11.00111_00.00001X+Y補(bǔ)=0.00001無溢出X+Y=0.00001B=1/32;(0.03125),應(yīng)用題1,XY補(bǔ)=X補(bǔ)+Y補(bǔ)=00.11010+00.11001=00.11010+00.11001_01.10011上溢修正