計(jì)算機(jī)組成原理考研知識點(diǎn)非常全

1、計(jì)算機(jī)組成原理一, 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述(一) 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程第一臺電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于1946年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170m2,耗電140kw,每秒計(jì)算5000次加法.諾依曼(VanNeumann)首次提出存儲程序概念,將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲器,使編程更加方便.50年來,雖然對諾依曼機(jī)進(jìn)行很多改革,但結(jié)構(gòu)變化不大,仍稱諾依曼機(jī).一般把計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為五個(gè)階段:發(fā)展階段時(shí)間硬件技術(shù)速度/(次/秒)第一代1946-1957電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代40 000第二代1958-1964晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代200 000第三代1965-1971中小規(guī)

2、模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代1 000 000第四代1972-1977大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代10 000 000第五代1978-現(xiàn)在超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)電子數(shù)字積分機(jī)和計(jì)算機(jī) EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)電子離散變量計(jì)算機(jī) 組成原理是講硬件結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是講結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 摩爾定律 微芯片上的集成管數(shù)目每3年翻兩番.處理器的處理速度每18個(gè)月增長一倍. 每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍

3、 新摩爾定律 全球入網(wǎng)量每6個(gè)月翻一番. 數(shù)學(xué)家·諾依曼(von Neumann)在研究EDVAC機(jī)時(shí)提出了“儲存程序”的概念.以此為基礎(chǔ)的各類計(jì)算機(jī)通稱為·諾依曼機(jī).它有如下特點(diǎn):計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器,控制器,存儲器,輸入和輸出五部分組成指令和數(shù)據(jù)以同等的地位存放于存儲器,并可按地址尋訪指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制數(shù)表示指令由操作碼和地址碼組成,操作碼用來表示操作的性質(zhì),地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置指令在存儲器按順序存放機(jī)器以運(yùn)算器為中心,輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送通過運(yùn)算器完成圖中各部件的功能·運(yùn)算器用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算并將的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器

4、3;存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序·控制器用來控制,指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入,運(yùn)行以與處理運(yùn)行結(jié)果·輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器識別的信息·輸出設(shè)備將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)為人熟悉的信息形式運(yùn)算器最少包括3個(gè)寄存器(現(xiàn)代計(jì)算機(jī)部往往設(shè)有通用寄存器)和一個(gè)算術(shù)邏輯單元(ALU Arithmetic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)為累加器,MQ(Multiplier-Quotient Register)為乘商寄存器,X為操作數(shù)寄存器,這3個(gè)寄存器在完成不同運(yùn)算時(shí),說存放的操作數(shù)類別也各不一樣.計(jì)算機(jī)的主要硬件指標(biāo) (4.a) 主機(jī)完成一條指令的過

5、程以取數(shù)指令為例(4.b) 主機(jī)完成一條指令的過程以存數(shù)指令為例(二) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1. 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成計(jì)算機(jī)硬件主要指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分,通常有運(yùn)算器,控制器,存儲器,輸入和輸出五部分.CPU是指將運(yùn)算器和控制器集成到一個(gè)電路芯片中.2. 計(jì)算機(jī)軟件的分類計(jì)算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深?系統(tǒng)軟件:用于管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng),合理分配系統(tǒng)資源,確保計(jì)算機(jī)正常高效地運(yùn)行,這類軟件面向系統(tǒng).(包括:標(biāo)準(zhǔn)程序庫,語言處理程序,OS,服務(wù)程序,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)軟件)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(shí)現(xiàn)用戶的某類要求.3. 計(jì)算機(jī)的工作過程(1)計(jì)算機(jī)的

6、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:操作碼地址碼 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)指令的存儲 指令按照存儲器的地址順序連續(xù)的存放在存儲器中.(3)指令的讀取 為了紀(jì)錄程序的執(zhí)行過程,需要一個(gè)記錄讀取指令地址的寄存器,稱為指令地址寄存器,或者程序計(jì)數(shù)器.指令的讀取就可以根據(jù)程序計(jì)數(shù)器所指出的指令地址來決定讀取的指令,由于指令通常按照地址增加的順序存放,故此,每次讀取一條指令之后,程序計(jì)數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準(zhǔn)備.(4)執(zhí)行指令的過程 在控制器的控制下,完成以下三個(gè)階段任務(wù):1)取指令階段 按照程序計(jì)數(shù)器取出指令,程序計(jì)數(shù)器加一2)指令譯碼階段

7、分析操作碼,決定操作容,并準(zhǔn)備操作數(shù)3)指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定容(三) 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)1. 吞吐量,響應(yīng)時(shí)間(1) 吞吐量:單位時(shí)間的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量.(2) 響應(yīng)時(shí)間:從事件開始到事件結(jié)束的時(shí)間,也稱執(zhí)行時(shí)間.2. CPU時(shí)鐘周期,主頻,CPI,CPU執(zhí)行時(shí)間(1) CPU時(shí)鐘周期:機(jī)器主頻的倒數(shù),TC(2)主頻:CPU工作主時(shí)鐘的頻率,機(jī)器主頻Rc(3)CPI:執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期(4)CPU執(zhí)行時(shí)間:TCPU=In×CPI×TC In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(shí)鐘周期數(shù) TC時(shí)鐘周期時(shí)間的長度3. MIPS,MFLOPS(1)M

8、IPS:(Million Instructions Per Second) Te:執(zhí)行該程序的總時(shí)間=指令條數(shù)/(MIPS×)In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù)Rc:時(shí)鐘周期Tc的到數(shù) MIPS只適合評價(jià)標(biāo)量機(jī),不適合評價(jià)向量機(jī).標(biāo)量機(jī)執(zhí)行一條指令,得到一個(gè)運(yùn)行結(jié)果.而向量機(jī)執(zhí)行一條指令,可以得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果.(2) MFLOPS: (Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te×)Ifn:程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù)MFLOPS測量單位比較適合于衡量向量機(jī)的性能.一般而言,同一程序運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)往往會執(zhí)

9、行不同數(shù)量的指令數(shù),但所執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)常常是一樣的.特點(diǎn)：1. MFLOPS取決于機(jī)器和程序兩方面,不能反映整體情況,只能反映浮點(diǎn)運(yùn)算情況2. 同一機(jī)器的浮點(diǎn)運(yùn)算具有一定的同類可比性,而非同類浮點(diǎn)操作仍無可比性當(dāng)前微處理器的發(fā)展重點(diǎn)進(jìn)一步提高復(fù)雜度來提高處理器性能通過線程進(jìn)程級的并發(fā)性提高處理器性能將存儲器集成到處理器芯片來提高處理器性能發(fā)展嵌入式處理器軟件開發(fā)有以下幾個(gè)特點(diǎn)1) 開發(fā)周期長2) 制作成本昂貴3) 檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性計(jì)算機(jī)的展望一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級智能功能要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)1015/秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理極限的制約 按幾何

10、級數(shù)遞增的制作成本 芯片的功耗、散熱、線延遲計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 計(jì)算機(jī)輔助制造CAM計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃 Computer Aided Process Planning CAPP計(jì)算機(jī)輔助工程 Computer Aided Engineering CAE計(jì)算機(jī)輔助教學(xué) Computer Assisted Instruction CAI 科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理 工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)辦公自動化和管理信息系統(tǒng) Computer Aided DesignCAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing多媒體技術(shù) Computer Integrated M

11、anufacturing System人工智能,模式識別,文字/語音識別,語言翻譯,專家系統(tǒng),機(jī)器人二, 數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算(一) 數(shù)制與編碼1. 進(jìn)位計(jì)數(shù)制與其相互轉(zhuǎn)換1)進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制是指按照進(jìn)位制的方法表示數(shù),不同的數(shù)制均涉與兩個(gè)基本概念:基數(shù)和權(quán). 基數(shù):進(jìn)位計(jì)數(shù)制中所擁有數(shù)字的個(gè)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(gè)常數(shù)就是權(quán).任意一個(gè)R進(jìn)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-1 + a-2r-2+ + a-mr-m(X)r = 2)不同數(shù)制間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(1)二,八,十六

12、進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù) 利用上面講到的公式: (N)2=Di2i ,(N)8=Di8i, (N)16=Di16i,進(jìn)行計(jì)算.(2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)通常要對一個(gè)數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)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(jìn)制數(shù)除以2,所得余數(shù)(0或1)即為對應(yīng)二進(jìn)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(jìn)制數(shù)次低位的值,如此進(jìn)行下去,直到商等于0為止,最后得的余數(shù)是所求二進(jìn)制數(shù)最高位的值.u 對小數(shù)部分,一般用乘2取整數(shù)法,其規(guī)則如下:將十進(jìn)制數(shù)乘以2,所得乘積的整數(shù)部分即為對應(yīng)二進(jìn)制小數(shù)最高位的值,然后對所余數(shù)的小數(shù)部分部分

13、乘以2,所得乘積的整數(shù)部分為次高位的值,如此進(jìn)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(jìn)制數(shù),八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)是從二進(jìn)制數(shù)演變而來的:由3位二進(jìn)制數(shù)組成1位八進(jìn)制數(shù);由4位二進(jìn)制數(shù)組成1位十六進(jìn)制數(shù).對一個(gè)兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為界,小數(shù)點(diǎn)前后的數(shù)分別分組進(jìn)行處理,不足的位數(shù)用0補(bǔ)足.對整數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的左側(cè),對小數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的右側(cè).這樣數(shù)值不會發(fā)生差錯(cuò).2. 真值和機(jī)器數(shù)真值:數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負(fù)(-)號后跟絕對值來表示,稱之為“真值”. 機(jī)器數(shù):在計(jì)算機(jī)中正負(fù)號也需要數(shù)字化,一般用0表示正號,1表示負(fù)號.把

14、符號數(shù)字化的數(shù)成為機(jī)器數(shù).3. BCD碼(Binary Coded Decimal以二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制碼)在計(jì)算機(jī)中采用4位二進(jìn)制碼對每個(gè)十進(jìn)制數(shù)位進(jìn)行編碼.4位二進(jìn)制碼有16種不同的組合,從中選出10種來表示十進(jìn)制數(shù)位的09,用0000,0001,1001分別表示0,1,9,每個(gè)數(shù)位部滿足二進(jìn)制規(guī)則,而數(shù)位之間滿足十進(jìn)制規(guī)則,故稱這種編碼為“以二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制(binary coded decima1,簡稱BCD)碼”.在計(jì)算機(jī)部實(shí)現(xiàn)BCD碼算術(shù)運(yùn)算,要對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正,對加法運(yùn)算的修正規(guī)則是: 如果兩個(gè)一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2,即(9)10,不需要修正; 如相加之和

15、大于或等于(1010)2,或者產(chǎn)生進(jìn)位,要進(jìn)行加6修正,如果有進(jìn)位,要向高位進(jìn)位.4. 字符與字符串在計(jì)算機(jī)中要對字符進(jìn)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(jìn)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(American Standard Code for Information Interchange 美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼)ASCII碼用7位二進(jìn)制表示一個(gè)字符,總共128個(gè)字符元素,包括10個(gè)十進(jìn)制數(shù)字(0-9),52個(gè)英文字母(A-Z和a-z),34專用符號和32控制符號.2)EBCDIC碼為Extended Bi

16、nary Coded Decimal Interchange Code的簡稱,它采用8位來表示一個(gè)字符.3)字符串的存放向量存儲法:字符串存儲時(shí),字符串中的所有元素在物理上是鄰接的.串表存儲法:字符串的每個(gè)字符代碼后面設(shè)置一個(gè)字,用于指出下一個(gè)字符的存儲單元的地址.5. 校驗(yàn)碼Check Digit數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼是一種常用的帶有發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤或自動改錯(cuò)能力的數(shù)據(jù)編碼方法.其實(shí)現(xiàn)原理,是加進(jìn)一些冗余碼,使合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯(cuò)誤時(shí),就成為非法編碼. 這樣,可以通過檢測編碼的合法性來達(dá)到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的目的.合理地安排非法編碼數(shù)量和編碼規(guī)則,可以提高發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力,或達(dá)到自動改正錯(cuò)誤的目的.碼距:碼距根據(jù)任意

17、兩個(gè)合法碼之間至少有幾個(gè)二進(jìn)制位不一樣而確定的,僅有一位不同,稱其碼距為1.1)奇偶校驗(yàn)碼(Parity Bit)WIKI (開銷最小,能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)代碼中一位出錯(cuò)情況的編碼,常用于存儲器讀寫檢查或ASCII字符或其它類型的信息傳輸?shù)臋z查)P216它的實(shí)現(xiàn)原理,是使碼距由1增加到2.若編碼中有1位二進(jìn)制數(shù)出錯(cuò)了,即由1變成0,或者由0變成1.這樣出錯(cuò)的編碼就成為非法編碼,就可以知道出現(xiàn)了錯(cuò)誤.在原有的編碼之上再增加一位校驗(yàn)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(yàn):增加位的0或1要保證整個(gè)編碼中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè).偶校驗(yàn):增加位的0或1要保證整個(gè)編碼中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè).2)海

18、明校驗(yàn)碼(Hamming Code)P100實(shí)現(xiàn)原理,在數(shù)據(jù)中加入幾個(gè)校驗(yàn)位,并把數(shù)據(jù)的每一個(gè)二進(jìn)制位分配在幾個(gè)奇偶校驗(yàn)組中.當(dāng)某一位出錯(cuò)就會引起有關(guān)的幾個(gè)校驗(yàn)組的值發(fā)生變化,這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯(cuò),還能指出是哪一位出錯(cuò),為自動糾錯(cuò)提供了依據(jù).假設(shè)校驗(yàn)位的個(gè)數(shù)為r,則它能表示2r個(gè)信息,用其中的一個(gè)信息指出“沒有錯(cuò)誤”,其余2r-1個(gè)信息指出錯(cuò)誤發(fā)生在哪一位.然而錯(cuò)誤也可能發(fā)生在校驗(yàn)位,因此只有k=2r-1-r個(gè)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:2rk+r+1 3)CRC校驗(yàn)碼(Cyclic Redundancy Check 循環(huán)冗余校驗(yàn))P144CRC校驗(yàn)碼一般是指k位信息之后

19、拼接r位校驗(yàn)碼.關(guān)鍵問題是如何從k位信息方便地得到r位校驗(yàn)碼,以如何從位k+r信息碼判斷是否出錯(cuò). 將帶編碼的k位有效信息位組表達(dá)為多項(xiàng)式:式Ci中為0或1.若將信息位左移r位,則可表示為多項(xiàng)式M(x).xr.這樣就可以空出r位,以便拼接r位校驗(yàn)位. CRC碼是用多項(xiàng)式M(x).xr除以生成多項(xiàng)式G(x)所得的余數(shù)作為校驗(yàn)碼的.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(dá)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,就構(gòu)成了CRC碼,這個(gè)碼的可用多項(xiàng)式表達(dá)為:M(x)·xr+R(x)=Q(x)·G(x)+R(x)+R(x) =Q(x)&

20、#183;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(xiàng)式G(x)去除,如果無錯(cuò),余數(shù)應(yīng)為0,有某一位出錯(cuò),余數(shù)不為0. (二) 定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算1. 定點(diǎn)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),機(jī)器字長的全部位數(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)的表示圍為: 0-12)帶符號數(shù)的表示 (真值圍-n-1n) 帶符號數(shù)是指在計(jì)算機(jī)中將數(shù)的符號數(shù)碼化.在計(jì)算機(jī)中,一般規(guī)定二進(jìn)制的最高位為符號位,最高位為“0”表示該數(shù)為正,為“1”表示該數(shù)為負(fù).這種在機(jī)器中使用符

21、號位也被數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù). 根據(jù)符號位和數(shù)值位的編碼方法不同,機(jī)器數(shù)分為原碼,補(bǔ)碼和反碼.(1)原碼表示法機(jī)器數(shù)的最高位為符號位,0表示正數(shù),1表示負(fù)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(bǔ)碼表示法機(jī)器數(shù)的最高位為符號位,0表示正數(shù),1表示負(fù)數(shù),其定義如下:(3)反碼表示法 機(jī)器數(shù)的最高位為符號,0表示正數(shù),1表示負(fù)數(shù).反碼的定義:原碼補(bǔ)碼反碼整數(shù) (mod) (mod()小數(shù) (mod 2) (mod(2-)0=0.0000=1.0000=0.0000=0.0000=1.1111負(fù)數(shù)原碼求反+1負(fù)數(shù)每位求反移碼 移碼表示中零也是唯一的真

22、值的移碼和補(bǔ)碼僅差一個(gè)符號位.若將補(bǔ)碼的符號位由0改為1或從1改為0即可得到真值的移碼乘法運(yùn)算可用移碼和加法來實(shí)現(xiàn),兩個(gè)n位數(shù)相乘,總共要進(jìn)行n次加法運(yùn)算和n次移位運(yùn)算三種機(jī)器數(shù)的特點(diǎn)可以歸納為：·三種機(jī)器數(shù)的最高位均為符號位.符號位和數(shù)值位之間可用“.”(對于小數(shù))或“,”(對于整數(shù))隔開·當(dāng)真值為正時(shí),原碼,補(bǔ)碼和反碼的表示形式均一樣,即符號位用“0”表示,數(shù)值部分與真值部分一樣·當(dāng)真值為負(fù)時(shí),原碼,補(bǔ)碼和反碼的表示形式不同,其它符號位都用“1”表示,而數(shù)值部分有這樣的關(guān)系,即補(bǔ)碼是原碼的“求反加1”,反碼是原碼的“每位求反”.2. 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算1)定點(diǎn)數(shù)的位

23、移運(yùn)算左移,絕對值擴(kuò)大;右移,絕對值縮小.算術(shù)移位規(guī)則符號位不變碼制添補(bǔ)代碼正數(shù)0負(fù)數(shù)原0補(bǔ)右移添0左移添1反1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(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算;對原碼表示的兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí),計(jì)算機(jī)的實(shí)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(gè)操作數(shù)的符號.而且運(yùn)算結(jié)果的符號判斷也較復(fù)雜.例如,加法指令指示做(A)(B)由于一操作數(shù)為負(fù),實(shí)際操作是做減法(A)-(+B),結(jié)果符號與絕對值大的符號一樣.同理,在減法指令中指示做(A)(B)實(shí)際操作做加法(A)(B),結(jié)果與被減數(shù)符號一樣.由于原碼加減法比較繁瑣,相應(yīng)地需要由

24、復(fù)雜的硬件邏輯才能實(shí)現(xiàn),因此在計(jì)算機(jī)中很少被采用.3)補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算;(1) 加法整數(shù) A補(bǔ) + B補(bǔ)= A+B補(bǔ)(mod 2n+1)小數(shù) A補(bǔ) + B補(bǔ)= A+B補(bǔ)(mod 2)(2) 減法整數(shù) A補(bǔ)- B補(bǔ)= A+(-B)補(bǔ)=A補(bǔ)+ -B補(bǔ)(mod 2n+1)小數(shù) A補(bǔ)- B補(bǔ)= A+(-B)補(bǔ)=A補(bǔ)+ -B補(bǔ)(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(jìn)位自然丟掉4)定點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算(1)一位乘法<1>原碼定點(diǎn)一位乘法 兩個(gè)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 Xn Y原=Y0 Y1 Y2 Yn

25、X·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. 原碼兩位乘和原碼一位乘比較原碼一位乘原碼兩位乘符號位操作數(shù)絕對值絕對值的補(bǔ)碼移位邏輯右移算術(shù)右移移位次數(shù)n最多加法次數(shù)n<2>定點(diǎn)補(bǔ)碼一位乘法有的機(jī)器為方便加減法運(yùn)算,數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼形式存放.乘法直接用補(bǔ)碼進(jìn)行,減少轉(zhuǎn)換次數(shù).具體規(guī)則如下: X·Y補(bǔ)=X補(bǔ)(Y0 + 0. Y1 Y2 Yn )<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(yùn)算規(guī)則如下:(1) Yn+1 ,

26、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(bǔ),右移1位;(3) Yn+1 ,Yn =-1( Yn+1 Yn =01),部分積加X補(bǔ),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(shí)際操作用Yi-1,Yi,C三位來控制,運(yùn)算規(guī)則如下Yi-1 Yi C操作0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 +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

27、,右移2位 1C +0, 右移2位 1C <2>補(bǔ)碼兩位乘法根據(jù)前述的布斯算法,將兩步合并成一步,即可推導(dǎo)出補(bǔ)碼兩位乘的公式.Yn-i-1 Yn-i Yn-i+1Pi+2補(bǔ) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1+0, 右移2位 +X補(bǔ),右移2位 +X補(bǔ),右移2位 +2X補(bǔ), 右移2位 -2X補(bǔ), 右移2位 -X補(bǔ),右移2位 -X補(bǔ),右移2位 +0, 右移2位求部分積的次數(shù)和右移操作的控制問題.當(dāng)乘數(shù)由1位符號位和以n(奇數(shù))位數(shù)據(jù)位組成時(shí),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

28、采用下述兩種方法之一:可在乘數(shù)的最后一位補(bǔ)一個(gè)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(shí)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(bǔ)碼除法筆算除法和機(jī)器除法的比較筆算除法機(jī)器除法商符單獨(dú)處理符號位異或形成心算上商余數(shù) 不動 低位補(bǔ)“0”減右移一位 的除數(shù)余數(shù) 左移一位 低位補(bǔ)“0”減 除數(shù)2 倍字長加法器1 倍字長加法器上商位置 不固定在寄存器 最末位上商<1>定點(diǎn)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(shí),

29、上商為1,不恢復(fù)余數(shù);如果結(jié)果為負(fù),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>加減交替法當(dāng)余數(shù)為正時(shí),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(fù)時(shí),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(diǎn)補(bǔ)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).然后判斷本次操作后的余數(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

30、.如此重復(fù)執(zhí)行n-1次(設(shè)數(shù)值部分n位).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(shí)最大的誤差為2-n.5)溢出概念和判別方法當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出機(jī)器數(shù)所能表示的圍時(shí),稱為溢出.顯然,兩個(gè)異號數(shù)相加或兩個(gè)同號數(shù)相減,其結(jié)果是不會溢出的.僅當(dāng)兩個(gè)同號數(shù)相加或者兩個(gè)異號數(shù)相減時(shí),才有可能發(fā)溢出的情況,一旦溢出,運(yùn)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)符號一樣的兩數(shù)相加時(shí),如果結(jié)果的符號與加數(shù)(或被加數(shù))不一樣,則為溢出.2當(dāng)任意符號兩數(shù)相加時(shí),如果C=Cf,運(yùn)算結(jié)果正確,其中C為數(shù)值最高位的進(jìn)位,Cf為符號位的進(jìn)位.如果CCf ,則為溢出,所以溢出條件

31、=CCf .3采用雙符號fs2fs1.正數(shù)的雙符號位為00,負(fù)數(shù)的雙符號位為11.符號位參與運(yùn)算,當(dāng)結(jié)果的兩個(gè)符號位甲和乙不一樣時(shí),為溢出.所以溢出條件= fs2fs1 ,或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1(三) 浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算1. 浮點(diǎn)數(shù)的表示1)浮點(diǎn)數(shù)的表示圍;浮點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)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(diǎn)數(shù),M(Mantissa)為尾數(shù)(可正可負(fù)),E(Exponent)為階碼(可正可負(fù)),R(Radix)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(jì)算機(jī)中,所有數(shù)據(jù)的R都是一樣的,于是不需要在每個(gè)數(shù)據(jù)中表示

32、出來.因此,浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)表示一般采用以下形式:浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)表示一般采用以下形式:MsEM 1位 n+1位 m位Ms是尾數(shù)的符號位,設(shè)置在最高位上.E為階碼(移碼),有n+1位,一般為整數(shù),其中有一位符號位,設(shè)置在E的最高位上,用來表正階或負(fù)階.M為尾數(shù)(原碼),有m位,由Ms和M組成一個(gè)定點(diǎn)小數(shù).Ms=0,表示正號,Ms=1,表示負(fù).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(shí),其絕對值大于或等于(0.5)10.對非規(guī)格化浮點(diǎn)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.浮點(diǎn)數(shù)的表示圍以通式N=M×RE設(shè)浮點(diǎn)數(shù)階碼的數(shù)值位取m位,尾數(shù)的數(shù)值位取n位2)I

33、EEE754標(biāo)準(zhǔn)(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程協(xié)會)S階碼(含階符)尾 數(shù)數(shù)符 小數(shù)點(diǎn)位置根據(jù)IEEE 754國際標(biāo)準(zhǔn),常用的浮點(diǎn)數(shù)有三種格式:符號位S階碼尾數(shù)總位數(shù)短實(shí)數(shù)182332長實(shí)數(shù)1115264臨時(shí)實(shí)數(shù)1156480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,處在最高位.由于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)約定在小數(shù)點(diǎn)左部有一位隱含位,從而實(shí)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(diǎn)左邊的位橫為1,可省去. 階碼部分采用

34、移碼表示,移碼值127,1到254經(jīng)移碼為-126到+127.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)符號位2550無窮大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(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算加減法執(zhí)行下述五步完成運(yùn)算:1)“對階”操作 比較兩浮點(diǎn)數(shù)階碼的大小,求出其差E,保留其大值E

35、,E=max(Ex, Ey).當(dāng)E0時(shí),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(yùn)算 執(zhí)行對階之后,兩尾數(shù)進(jìn)行加減操作.3)規(guī)格化操作 規(guī)格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(shí),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)移掉的部分最高位為1時(shí),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(jìn)行一次右規(guī).5)檢查階碼是否溢出 階碼溢出表示浮點(diǎn)數(shù)溢出.在規(guī)格化和舍入時(shí)都可能發(fā)生溢出,若階碼正常,加/減運(yùn)算正常結(jié)束.若階碼下溢,則設(shè)置機(jī)器運(yùn)算結(jié)果為機(jī)器零,若上溢,則設(shè)置溢出標(biāo)志.定點(diǎn)數(shù)

36、和浮點(diǎn)數(shù)可從如下幾個(gè)方面進(jìn)行比較當(dāng)浮點(diǎn)機(jī)和定點(diǎn)機(jī)中的位數(shù)一樣時(shí),浮點(diǎn)數(shù)的表示圍比定點(diǎn)數(shù)大得多當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)位規(guī)格化數(shù)時(shí),其相對絕對遠(yuǎn)比定點(diǎn)數(shù)高浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算要分階碼部分和尾數(shù)部分,而且運(yùn)算結(jié)果都要求規(guī)格化,故浮點(diǎn)運(yùn)算步驟比定點(diǎn)運(yùn)算的步驟多,運(yùn)算速度比定點(diǎn)運(yùn)算的低,運(yùn)算線路比定點(diǎn)運(yùn)算的復(fù)雜在溢出的判斷方法上,浮點(diǎn)數(shù)是對規(guī)格化的階碼進(jìn)行判斷,而定點(diǎn)數(shù)是對數(shù)值本身進(jìn)行判斷總之,浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)的表示圍,數(shù)的精度,溢出處理和程序編程方面(不取比例因子)均優(yōu)于定點(diǎn)數(shù).但在運(yùn)算規(guī)則即硬件成本方面又不如定點(diǎn)數(shù)(四) 算術(shù)邏輯單元ALU1. 串行加法器和并行加法器1)串行進(jìn)位加法器并行加法器可以同時(shí)對數(shù)據(jù)的各位進(jìn)行相加,一般

37、用n個(gè)全加器來實(shí)現(xiàn)2個(gè)操作數(shù)的各位同時(shí)向加.其操作數(shù)的各位是同時(shí)提供的,由于進(jìn)位是逐位形成,低位運(yùn)算所產(chǎn)生的進(jìn)位會影響高位的運(yùn)算結(jié)果.串行進(jìn)位(也稱波形進(jìn)位)加法器,邏輯電路比較簡單,但是最高位的加法運(yùn)算,一定要等到所有低位的加法完成之后才能進(jìn)行,低位的進(jìn)位要逐步的傳遞到高位,逐級產(chǎn)生進(jìn)位,因此運(yùn)算速度比較慢.2)并行進(jìn)位加法器為了提高運(yùn)算速度,減少延遲時(shí)間,可以采用并行進(jìn)位法,也叫提前進(jìn)位或先行進(jìn)位.全加器中,輸入Ai,Bi,Ci-1,輸出:Si = AiBiCi-1+AiBiCi-1+AiBiCi-1+AiBiCi-1Ci = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-

38、1+Ai Bi Ci-1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci-1進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù):Gi = Ai Bi進(jìn)位傳遞函數(shù):Pi = Ai+BiCi = Gi + Pi Ci-1C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0并行進(jìn)位加法器的運(yùn)算速度很快,形成最高進(jìn)位輸出的延遲時(shí)間很短,但是以增加硬件邏輯線路為代價(jià).對于長字長的加法器,往往將加法器分成若干組,在組采用并行進(jìn)位,組間則采用串行進(jìn)位或并行進(jìn)位,由此形成多種進(jìn)位結(jié)構(gòu).(1)單級先行進(jìn)位單級先行進(jìn)位方式將n位字長分為若干組,每組采用并行進(jìn)位方式,組與組之間冊采用串行進(jìn)位方式.(2)多級先行進(jìn)位多級

39、先行進(jìn)位在組和組間都采用先行進(jìn)位方式.16位單級先行進(jìn)位加法器2. 算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機(jī)構(gòu)ALU部件是運(yùn)算器中的主要組成部分,又稱多功能函數(shù)發(fā)生器,主要用于完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算.ALU的算術(shù)運(yùn)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(yùn)算器等組件.ALU的主要工作是根據(jù)CPU指令要求執(zhí)行各種指定運(yùn)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存儲器,用于保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和中間結(jié)果.訪問寄存器無需高速緩存,也不需要運(yùn)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(gè)操作數(shù),有些指

40、令還要求將操作數(shù)存放在專用的寄存器中.專用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(gè)重要的狀態(tài)寄存器:指令指針寄存器IP(即程序計(jì)數(shù)器PC)和標(biāo)志寄存器FLAGS.三, 存儲器層次機(jī)構(gòu)(一) 存儲器的分類72 / 72提高存儲器帶寬縮短儲存周期增加存儲字長,使每個(gè)周期可讀/寫更多的二進(jìn)制數(shù)增加存儲體存地址線n,數(shù)據(jù)線數(shù)k芯片的容量為2k×k位20位的地址可以訪問1MB的存儲空間,32位的地址可以訪問4GB的存空間,64位可以訪問1800萬TB靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM之間的比較。目前,動態(tài)RAM的應(yīng)用比靜態(tài)RAM要廣泛的多： 同樣大小的芯片中,動態(tài)的RAM的集成度遠(yuǎn)高于靜

41、態(tài)RAM,DRAM的基本單元電路為一個(gè)MOS管,SRAM的基本單元電路可為46個(gè)MOS管 DRAM行、列按先后順序輸送,減少了芯片引腳,封裝尺寸也減少 DRAM的功耗比SRAM小 DRAM的價(jià)格比SRAM的價(jià)格便宜DRAM也有缺點(diǎn) 由于使用動態(tài)元件(電容),因此它的速度比SRAM低 DRAM需再生,需配置再生電路,也消耗一部分功率.通常容量不大的Cache大多用SRAM實(shí)現(xiàn)存儲器與CPU連接對比項(xiàng)目SRAMDRAM儲存信息觸發(fā)器電容破壞性讀出非是需要刷新非是行列地址同時(shí)送分兩次運(yùn)行速度快慢集成度低高發(fā)熱量大小存儲成本高低 (二) 存儲器的層次化結(jié)構(gòu)存儲器有3個(gè)重要的指標(biāo):速度,容量和每位價(jià)格,

42、一般來說,速度越快,位價(jià)越高;容量越大,位價(jià)越低,容量大,速度就越低.上述三者的關(guān)系用下圖表示:存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存-主存-輔存這兩個(gè)存儲層次上,如下圖所示:緩存-主存層次主要解決CPU和主存速度不匹配的問題 主存-輔存層次主要解決存儲系統(tǒng)的容量問題從CPU角度來看緩存-主存層次的速度接近于緩存,高于主存；其容量和價(jià)位卻接近于主存,這就從速度和成本的矛盾中獲得了理想的解決辦法.主存-輔存層次從整體分析,其速度接近于主存,容量接近于輔存,平均價(jià)位也接近于低速的、廉價(jià)的存儲價(jià)位,這又解決了速度、容量、成本這三者之間的矛盾.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾乎都具有這兩個(gè)存儲層次,構(gòu)成了緩存、主存、輔存三級

43、存儲系統(tǒng). (三) 半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器1. SRAM存儲器的工作原理SRAM靜態(tài)存儲單元的每個(gè)存儲位需要四到六個(gè)晶體管組成.比較典型的是六管存儲單元,即一個(gè)存儲單元存儲一位信息"0"或"1".靜態(tài)存儲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(jī)存儲單元2. DRAM存儲器的工作原理常見的DRAM存儲單元有三管式和單管式兩種,它們的共特點(diǎn)是靠電容存儲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&q

44、uot;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之就要對存儲單元進(jìn)行一次恢復(fù)操作,這個(gè)過程稱為再生或者刷新.與SRAM相比,DRAM具有集成度更高,功耗低等特點(diǎn),目前被各類計(jì)算機(jī)廣泛使用.(四) 只讀存儲器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀寫的隨機(jī)存儲器,當(dāng)?shù)綦姇r(shí),所存儲的容消失,所以是易失性存儲器.只讀存儲器,即使停電,存儲容也不丟失.根據(jù)半導(dǎo)體制造工藝不同,分為ROM,PROM,EPROM,E2ROM和Flash Memory1. 只讀存儲器(ROM) 掩模式ROM由芯片制造商在制造時(shí)寫入容

45、,以后只能讀而不能再寫入.其基本存儲原理是以元件的“有無”來表示該存儲單元的信息(“1”或“0”),可以用二極管或晶體管作為元件,顯而易見,其存儲容是不會改變的.2. 可編程序的只讀存儲器(PROM)PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來確定ROM中的容,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”.剛出廠的產(chǎn)品,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,斷開后的熔絲是不能再接通了,因而一次性寫入的存儲器.掉電后不會影響其所存儲的容.3. 可擦可編程序的只讀存儲器(EPROM)為了能修改ROM中的容,出現(xiàn)了EPROM.利用浮動?xùn)臡OS電路保存信息,信

46、息改寫用紫外線照射即可擦除.4. 可電擦可編程序只讀存儲器(E2PROM)E2PROM的編程序原理與EPROM一樣,擦除原理完全不同,重復(fù)改寫次數(shù)有限制(因氧化層被磨損),一般10萬次. 其讀寫操作可按每個(gè)位或每個(gè)字節(jié)進(jìn)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(gè)存儲單元采則2個(gè)晶體管.其柵極氧化層比EPROM薄,因此具有電擦除功能.5. 快除讀寫存儲器(Flash Memory) F1ash 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,F1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位.(五) 主存儲器與CPU的

47、連接1個(gè)存儲器的芯片的容量是有限的,它在字?jǐn)?shù)或字長方面與實(shí)際存儲器的要求都有很大差距,所以需要在字向和位向進(jìn)行擴(kuò)充才能滿足需要.根據(jù)存儲器所需的存儲容量和所提供的芯片的實(shí)際容量,可以計(jì)算出總的芯片數(shù).一個(gè)存儲器的容量為M×N位,若使用L×K位存儲器芯片,那么,這個(gè)存儲器共需要M/L×N/K存儲器芯片.1位擴(kuò)展 位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲器器件對字長進(jìn)行擴(kuò)充.位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲器的地址,片選己,讀寫控制端R/W可相應(yīng)并聯(lián),數(shù)據(jù)端分別引出.2)字?jǐn)U展字?jǐn)U展指的是增加存儲器中字的數(shù)量.靜態(tài)存儲器進(jìn)行字?jǐn)U展時(shí),將各芯片的地址線,數(shù)據(jù)線,讀寫控制線相應(yīng)并聯(lián),而由片選信

48、號來區(qū)分各芯片的地址圍.3)字位擴(kuò)展實(shí)際存儲器往往需要字向和位向同時(shí)擴(kuò)充.(六) 雙口RAM和多模塊存儲器1.雙端口存儲器雙端口存儲器是一種具有兩個(gè)單獨(dú)的讀/寫端口與控制電路的存儲器,通過增加一個(gè)讀/寫端口,雙端口存儲器擴(kuò)展了存儲器的的信息交換能力.2.多模塊存儲器為了解決CPU與主存儲器之間的速度匹配問題,在高速存儲器中,普遍采用并行主存系統(tǒng).即利用類似存儲器擴(kuò)展(位擴(kuò)展,字?jǐn)U展,字位擴(kuò)展)的方法,將n個(gè)字長為W位的存儲器并行連接,構(gòu)建一個(gè)更大的存儲器.并行主存有單體多字方式,多體并行方式和多體交叉方式.(七) 高速緩沖存儲器(Cache實(shí)際上,這是來自法文的一個(gè)單詞,意思是隱蔽之所或藏東西

49、的地方)概述1. 問題的提出避免 CPU “空等” 現(xiàn)象CPU 和主存(DRAM)的速度差異1. 程序訪問的局部性從大量的統(tǒng)計(jì)中得到的一個(gè)規(guī)律是,程序中對于存儲空間90%的訪問局限于存儲空間的10%的區(qū)域中,而另外10%的訪問則分布在存儲空間的其余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(gè)方面:時(shí)間局部性:如果一個(gè)存儲項(xiàng)被訪問,則可能該項(xiàng)會很快被再次訪問. 空間局部性:如果一個(gè)存儲項(xiàng)被訪問,則該項(xiàng)與其鄰近的項(xiàng)也可能很快被訪問.2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成,塊表和快速存儲器.其工作原理是:處理機(jī)按主存地址訪問存儲器,存儲器地址的高段通過主存-C

50、ache地址映象機(jī)構(gòu)借助查表判定該地址的存儲單元是否在Cache中,如果在,則Cache命中,按Cache地址訪問Cache.否則,Cache不命中,則需要訪問主存,并從主存中調(diào)入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊到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(gè)工作原理我們可以看出,它已經(jīng)涉與到了兩個(gè)問題.首先是定位,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(shí)現(xiàn).通常Cache被集成到CPU以提高訪問速度.3. Cache和主存之間的映射方式因?yàn)樘幚頇C(jī)訪問都是按主存地址訪問的,而Cache的空間遠(yuǎn)小于主

51、存,如何知道這一次的訪問容是不是在Cache中,在Cache中的哪一個(gè)位置呢? 這就需要地址映象,即把主存中的地址映射成Cache中的地址.讓Cache中一個(gè)存儲塊(空間)與主存中若干塊相對應(yīng),如此,訪問一個(gè)主存地址時(shí),就可以對應(yīng)地知道在cache中哪一個(gè)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(gè)指定地址.任何時(shí)候,主存中存儲單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個(gè)位置,這是固定的,若這個(gè)位置已有數(shù)據(jù),則產(chǎn)生沖突,原來的塊將無條件地被替換出去.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,主存中存儲單

52、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)塊沖突.組相聯(lián)映象指的是將存儲空間的頁面分成若干組,各組之間的直接映象,而組各塊之間則是全相聯(lián)映象.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?yàn)槊恳粔K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)入上層確定位置.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(gè)Cache塊.即替換算法.思想優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)隨機(jī)算法RAND用軟的或硬的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生上層中要被替換的頁號簡單,易于實(shí)現(xiàn)沒有利用上層存儲器使用的"歷史信息",沒有反映等程序局部性,命中率低

53、.先進(jìn)先出FIFO選擇最早裝入上層的頁作為被替換的頁實(shí)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,命中率不高,可能出現(xiàn)一種異常現(xiàn)象.近期最少使用法LRU選擇近期最少訪問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(shí)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命中率最高,可作為衡量其他替換算法的標(biāo)準(zhǔn)不現(xiàn)實(shí),只是一種理想算法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(shí),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.如何處理Cache和主存不一致的方法就稱為更新策略.更新策略思想優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)寫回法是指在CPU執(zhí)行寫操作時(shí),信息只寫入Cache中,僅當(dāng)需要替換時(shí),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)果寫入主存的無謂開銷.需設(shè)修改位增加Cach