组成原理复习笔记 2解析.doc

第一章 计算机系统概论1.1计算机的分类电子计算机从总体上分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机数字计算机分类: 专用计算机和通用计算机1.2计算机发展简史摩尔定律：芯片上的晶体管数量每十八个月翻一番半导体存储器的发展：铁磁体环 半导体存储器计算机的性能指标吞吐量 响应时间 利用率 处理机字长 总线宽度 存储器容量 存储器带宽 主频 时钟周期(主频的倒数)1.3计算机的硬件数字计算机基本组成l 控制器：操作控制功能，人的大脑l 运算器：计算功能，算盘l 存储器：保存或记忆功能，纸l 输入设备：交互接口，笔l 输出设备：交互接口，纸冯·诺依曼型计算机 l 存储程序l 按地址自动执行 l 五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备l 以运算器为中心运算器控制器如何区分指令字和数据字时间上和空间上： 取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构多级计算机系统软件与硬件逻辑等价性l 任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现l 任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。

l 设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期l 固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）第二章 运算方法和运算器2.1数据与文字的表示数据分类l 符号数据:非数字符号的表示（ASCII、汉字、图形等）l 数值数据:数字数据的表示方式（定点、浮点）定点表示法浮点表示IEEE754标准l 基数R=2，基数固定，采用隐含方式来表示它l 32位的浮点数：l S是数的符号位，1位，在最高位，“0”表示正数，“1”表示负数l M是尾数， 23位，在低位部分，采用纯小数表示l E是阶码，8位，采用移码表示移码比较大小方便l 规格化： 若不对浮点数的表示作出明确规定，同一个浮点数的表示就不是惟一的l 尾数域最左位(最高有效位)总是1， 故这一位经常不予存储，而认为隐藏在小数点的左边l 采用移码表示阶码E ，将浮点数的指数真值e变成阶码E时，应将指数e加上一个固定的偏移值127(01111111)，即E=e+127l 64位的浮点数中符号位1位，阶码域11位，尾数域52位，指数偏移值是1023因此规格化的64位浮点数x的真值为： x=(-1)S×(1.M)×2E-1023 e=E-1023l 一个规格化的32位浮点数x的真值表示为 x=(-1)S×(1.M)×2E-127e=E-127l 真值x为零表示：当阶码E为全0且尾数M也为全0时的值，结合符号位S为0或1，有正零和负零之分。

l 真值x为无穷大表示：当阶码E为全1且尾数M为全0时，结合符号位S为0或1，也有+∞和-∞之分例1若浮点数x的754标准存储格式为(41360000)16，求其浮点数的十进制数值解：将16进制数展开后，可得二制数格式为 0 100 00010011 0110 0000 0000 0000 0000 S 阶码(8位) 尾数(23位)指数e=阶码-127=10000010-01111111=00000011=(3)10包括隐藏位1的尾数1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1.011011于是有x=(-1)S×1.M×2e=+(1.011011)×23=+1011.011=(11.375)10例2将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式解:首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.59375=10100.10011 然后移动小数点，使其在第1，2位之间 10100.10011=1.010010011×24 e=4于是得到： S=0, E=4+127=131=10000011B, M=010010011 最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：01000001101001001100000000000000=(41A4C000)16十进制数串的表示方法正0和负0的补码相同反码表示有正0和负0之分移码和补码尾数相同，符号位相反字符表示方法ASCII用一个字节来表示,低7位用来编码(128),最高位为校验位(为0时表示字母，为1时表示汉字)汉字内码：汉字信息的存储，交换和检索的机内代码，两个字节组成，每个字节高位都为1（区别于英文字符）汉字的输编码、汉字内码、字模码是计算机中用于输入内部处理输出三种不同用途的编码2.2定点加法、减法运算溢出的检测双符号位法（参与加减运算的数采用变形补码表示）Sf1 SF20 0 正确（正数）0 1 上溢 1 0 下溢1 1 正确（负数）Sf1 表示正确的符号，逻辑表达式为V=Sf1 ⊕ Sf2,可以用异或门来实现例3：ｘ＝＋0.1100, ｙ＝＋0.1000,求ｘ＋ｙ ｘ＝－0.1100, ｙ＝-0.1000,求ｘ＋ｙ 结果出现了01或10的情况就为溢出单符号位法V=Cf ⊕ C0 其中Cf为符号位产生的进位,C0为最高有效位产生的进位。

FA逻辑方程2.3定点乘法运算 带符号的阵列乘法器l 求补电路小结l E=0时，输入和输出相等l E=1时，则从数最右端往左边扫描，直到第一个1的时候，该位和右边各位保持不变0⊕A=A，左边各数值位按位取反1⊕A=乛Al 可以用符号作为E 的输入l 原：1.11110 补：1.00010例4 带求补器的补码阵列乘法器求出乘积设x=-15，y=-13，用带求补器的补码阵列乘法器求出乘积x·y=? 并用十进制数乘法进行验证解：[x]补=10001 , [y]补=10011 , 乘积符号位运算：1⊕1=0　尾数部分算前求补器输出 |x|=1111 , |y|=1101　　　　　　1 1 1 1×　　　　　1 1 0 1————————————　　　　　　1 1 1 1　　　　　0 0 0 0　　　　1 1 1 1＋　　1 1 1 1————————————　　1 1 0 0 0 0 1 1乘积符号为0，算后求补器输出11000011，[x×y]补=011000011补码二进制数真值 x·y=0×28＋1×27＋1×26＋1×21＋1×20 =(+195)10十进制数乘法验证 x·y = (-15)×(-13) = +195 2.5定点运算器的组成M=L时，对进位信号没有影响，做算术运算M=H时，进位门被封锁，做逻辑运算定点运算器的基本结构1、单总线结构的运算器2、双总线结构的运算器3、三总线结构的运算器2.6浮点运算与浮点运算器ｘ±ｙ＝(Mｘ2Eｘ－Eｙ±Mｙ)2Eｙ，　　 设Eｘ<＝E浮点运算步骤1. 0操作数的检查,看有无简化操作的可能；2. 比较阶码大小完成对阶（小阶向大阶对齐）(尾数左移会造成最高有效位丢失，造成误差)3. 尾数进行加或减运算；4. 结果规格化并进行舍入处理例5（P55 例28）[x]浮=0001，00.1101[y]浮=0011，11.0110阶差=1110 即为-2Mx应当右移2位，[x]浮=0011，00.0011（01）尾数和为11.1001（01）左规11.0010（10），阶码减1为0010舍入（就近舍入）11.0011 丢弃10x+y=-0.1101*210乘除运算分为四步l 0操作数检查l 阶码加减操作l 尾数乘除操作l 结果规格化和舍入处理移码采用双符号位，为了对溢出进行判断01 为正 00 为负10 上溢 11 下溢结果规格化l (1)在浮点加减运算时,尾数求和的结果也可以得到01.ф…ф或10.ф…ф,即两符号位不等,此时将运算结果右移以实现规格化表示,称为向右规格化。

l 规则：尾数右移1位，阶码加1l (2)结果是00.0..01.....或11.1...10...时，则向左规格化l 规则：尾数左移1位，阶码减1，直到规格化l 右规，阶码加1，左规，阶码减1例6ｘ＝2－5×0.0110011,ｙ＝23×(－0.1110010)[解:]移码采用双符号位,尾数补码采用单符号位,则有 [Mｘ]补＝0.0110011, [Mｙ]补＝1.0001110,　[Eｙ]移＝01 011, [Eｙ]补＝00 011, [Eｘ]移＝00 011,　[ｘ]浮＝00 011, 0.0110011, [ｙ]浮＝01 011, 1.0001110(1)判断操作是否为”0”,求阶码和[Eｘ＋Eｙ]移＝[Eｘ]移＋[Eｙ]补＝00 011＋00 011＝00 110, 值为移码形式－22) 尾数乘法运算可采用补码阵列乘法器实现,即有[Mｘ]补×[Mｙ]补＝[0.0110011]补×[1.0001110]补 　　　　　　　 ＝[1.1010010,1001010]补(3) 规格化处理 乘积的尾数符号位与最高数值位符号相同,不是规格化的数,需要左规,阶码变为00 101(-3),尾数变为 1.0100101,0010100。

4) 舍入处理　　尾数为负数,取尾数高位字长，按舍入规则,舍去低位字长，故尾数为1.0100101 　　最终相乘结果为 [ｘ×ｙ]浮＝00 101,1.0100101 其真值为　　ｘ×ｙ＝2－3×(－0.1011011)浮点运算流水线流水线原理一个具有k 级过程段的流水线处理 n 个任务需要的时钟周期数为Tk＝k＋(n－1)，所需要的时间为： T＝Tk × τ而同时，顺序完成的时间为：T＝n×k×τk级线性流水线的加速比：Ck ＝ TL ＝ 　n·k　 Tk k＋(n－1)例7(P58例31)例8(P63,4课后习题)第三章 内部存储器3.1存储器概述存储器分级结构高速缓冲存储器简称cache主存储器简称主存 外存储器简称外存 存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位3.2SRAM存储器3.3DRAM存储器SRAM存储器的存储位元是一个触发器，它具有两个稳定的状态而DRAM存储器的存储位元是由一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路行列地址公用，刷新是以行为单位的刷新周期 刷新周期：DR。