計(jì)算機(jī)組成原理高分筆記

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上試卷內(nèi)容結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 45分 計(jì)算機(jī)組成原理 45分 操作系統(tǒng) 35分 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 25分試卷題型結(jié)構(gòu) 單項(xiàng)選擇題 80分(40小題,每小題2分) 綜合應(yīng)用題 70分計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(Computer Architecture)主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬件和軟件的界面，哪部分功能由硬件系統(tǒng)來(lái)完成，哪部分功能由軟件系統(tǒng)來(lái)完成。計(jì)算機(jī)組成原理(Computer Organization)是依據(jù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，在確定且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)各部件的具體組成，以及它們之間的連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性，這點(diǎn)上說(shuō)計(jì)算機(jī)組成

2、原理是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer Implementation)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括中央處理器、主存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，所選用的半導(dǎo)體器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分，電源、冷卻、裝配等技術(shù)，生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)調(diào)試等各種問(wèn)題?？傊?，就是將完成邏輯設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)組成方案轉(zhuǎn)換成真實(shí)的計(jì)算機(jī)，也就是將滿足設(shè)計(jì)、運(yùn)行、價(jià)格等各項(xiàng)要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真正地制作并調(diào)試出來(lái)。計(jì)算機(jī)組成原理【考查目標(biāo)】1. 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. 2. 理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念,熟悉

3、硬件與軟件間的界面,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3. 能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)組成的基本原理和基本方法,對(duì)有關(guān)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中的理論和實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算,分析,并能對(duì)一些基本部件進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì).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(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生于1946年美國(guó)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.馮諾依曼(VanNeumann)首次提出存儲(chǔ)程序概念,將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲(chǔ)器,使編程更加方便.50年來(lái),雖然對(duì)馮諾依曼機(jī)進(jìn)行很多改革,但結(jié)構(gòu)變化不大,仍稱馮諾依曼機(jī).一般把計(jì)算機(jī)的發(fā)展

4、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)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

5、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(zhǎng)一倍. 每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍 新摩爾定律 全球入網(wǎng)量每6個(gè)月翻一番. 數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(von Neumann)在研究EDVAC機(jī)時(shí)提出了“儲(chǔ)存程序”的概念.以此為基礎(chǔ)的各類計(jì)算機(jī)通稱為馮·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(chǔ)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(chǔ)器內(nèi),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(lái)表示操作的性質(zhì),地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)

6、器中的位置指令在存儲(chǔ)器內(nèi)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(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)運(yùn)算器完成圖中各部件的功能·運(yùn)算器用來(lái)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)算器內(nèi)·存儲(chǔ)器用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序·控制器用來(lái)控制,指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入,運(yùn)行以及處理運(yùn)行結(jié)果·輸入設(shè)備用來(lái)將人們熟悉的信息轉(zhuǎn)換為機(jī)器識(shí)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)內(nèi)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(Mul

7、tiplier-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(shuō)存放的操作數(shù)類別也各不相同.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(guò)程以取數(shù)指令為例(4.b) 主機(jī)完成一條指令的過(guò)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(chǔ)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).

8、(包括:標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù),語(yǔ)言處理程序,OS,服務(wù)程序,數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程(1)計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行指令的過(guò)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(duì)象(2)指令的存儲(chǔ) 指令按照存儲(chǔ)器的地址順序連續(xù)的存放在存儲(chǔ)器中.(3)指令的讀取 為了紀(jì)錄程序的執(zhí)行過(guò)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(lái)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,

9、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(guò)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 分析操作碼,決定操作內(nèi)容,并準(zhǔn)備操作數(shù)3)指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)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)間內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量.(2) 響應(yīng)時(shí)間:從事件開(kāi)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

10、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(zhǎng)度3. MIPS,MFLOPS(1)MIPS:(Million Instructions Per Second) MIPS=指令條數(shù)執(zhí)行時(shí)間×106=InTe×106=時(shí)鐘頻率CPI×106=InIn×CPI×Tc×106=RcCPI×106Te:執(zhí)行該程序的總時(shí)間=指令條數(shù)/(MIPS×106)In:執(zhí)行該程序的總指令數(shù)Rc:時(shí)鐘周期Tc的到數(shù) MI

11、PS只適合評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī),不適合評(píng)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×106)Ifn:程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù)MFLOPS測(cè)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(huì)執(zhí)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)常常是相同的.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,

12、而非同類浮點(diǎn)操作仍無(wú)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(lái)提高處理器性能通過(guò)線程進(jìn)程級(jí)的并發(fā)性提高處理器性能將存儲(chǔ)器集成到處理器芯片來(lái)提高處理器性能發(fā)展嵌入式處理器軟件開(kāi)發(fā)有以下幾個(gè)特點(diǎn)1) 開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)2) 制作成本昂貴3) 檢測(cè)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(jí)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 按幾何級(jí)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

13、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(dòng)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 Manufacturing System人工智能,模式識(shí)別,文字/語(yǔ)音識(shí)別,語(yǔ)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)制及其相互轉(zhuǎn)換1)進(jìn)位計(jì)數(shù)制

14、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)制均涉及兩個(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(duì)一個(gè)數(shù)的整數(shù)部分和小

15、數(shù)部分分別進(jìn)行處理,各自得出結(jié)果后再合并.u 對(duì)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(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)最低位的值.然后對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)二進(jìn)制小數(shù)最高位的值,然后對(duì)所余數(shù)的小數(shù)部分部分乘以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

16、二進(jìn)制數(shù)演變而來(lái)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(duì)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(duì)整數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的左側(cè),對(duì)小數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的右側(cè).這樣數(shù)值不會(huì)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(hào)后跟絕對(duì)值來(lái)表示,稱之為“真值”. 機(jī)器數(shù):在計(jì)算機(jī)中正負(fù)號(hào)也需要數(shù)字化,一般用0表示正號(hào),1表示負(fù)號(hào).把符號(hào)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(duì)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

17、不同的組合,從中選出10種來(lái)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)位內(nèi)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(jiǎn)稱BCD)碼”.在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)BCD碼算術(shù)運(yùn)算,要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正,對(duì)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(duì)字符進(jìn)行識(shí)別和處理,必須通過(guò)編碼的方法,按照一定的規(guī)則將字符

18、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(jiàn)的編碼有ASCII碼,EBCDIC碼等.1)ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange 美國(guó)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(hào)和32控制符號(hào).2)EBCDIC碼為Extended Binary Coded Decimal Interchange Code的簡(jiǎn)稱,它采用8位來(lái)表示一個(gè)字符.3)字符串的存放向量存儲(chǔ)法:字符串存儲(chǔ)時(shí),字符串中的所有元素在物理上是

19、鄰接的.串表存儲(chǔ)法:字符串的每個(gè)字符代碼后面設(shè)置一個(gè)鏈接字,用于指出下一個(gè)字符的存儲(chǔ)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(dòng)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(guò)檢測(cè)編碼的合法性來(lái)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(dòng)改正錯(cuò)誤的目的. 碼距:碼距根據(jù)任意兩個(gè)合法碼之間至少有幾個(gè)二進(jìn)制位不相同而確定的,僅有一位不同,稱其碼距為1.1)奇偶校驗(yàn)碼(Parity Bit)WIKI (開(kāi)銷最小,能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)代碼中一位出錯(cuò)情況的編

20、碼,常用于存儲(chǔ)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(huì)引起有關(guān)的幾個(gè)校驗(yàn)組

21、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(dòng)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(méi)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(shuō)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位信息之后拼接r位校驗(yàn)碼.關(guān)鍵問(wèn)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: Mx=Ck-1xk

22、-1+Ck-2xk-2+Cixi+C1x+C0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)·G(x)+R(x)+R(x) =Q(x)·G(x)因此,所得CRC碼可被G

23、(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(wú)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(wú)符號(hào)數(shù)的表示 無(wú)符號(hào)數(shù)就是指正整數(shù),機(jī)器字長(zhǎng)的全部位數(shù)均用來(lái)表示數(shù)值的大小,相當(dāng)于數(shù)的絕對(duì)值. 對(duì)于字長(zhǎng)為n+1位的無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍為: 02n+1-12)帶符號(hào)數(shù)的表示 (真值范圍-n-1n) 帶符號(hào)數(shù)是指在計(jì)算機(jī)中將數(shù)的符號(hào)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(hào)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)器中使用符號(hào)位也被數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù). 根據(jù)符號(hào)位和數(shù)值位的編碼方法不同,機(jī)器數(shù)分為原碼

24、,補(bǔ)碼和反碼.(1)原碼表示法機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào)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(duì)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:X原=X; 0X11-X=1+X；-1X0(2)補(bǔ)碼表示法機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào)位,0表示正數(shù),1表示負(fù)數(shù),其定義如下:X補(bǔ)=X; 0X12+X=2-X；-1X0(3)反碼表示法 機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào),0表示正數(shù),1表示負(fù)數(shù).反碼的定義:X反=X; 0X12-2-n+X=2-X；-1X0原碼補(bǔ)碼反碼整數(shù) x原=0,x 2n>x02n-x 0x>-2nx補(bǔ)=0,x 2n>x02n+1+x 0x>-2n (mod 2n+

25、1)x反0,x 2n>x0(2n+1-1)+x 0x>-2n (mod(2n+1-1)小數(shù)x原x 1>x01-x 0>x-1x補(bǔ)=x 1>x02+x 0>x-1 (mod 2)x反=x 1>x02-2-n+x 0>x-1 (mod(2-2-n)0+0原=0.0000-0原=1.0000+0補(bǔ)=-0補(bǔ)=0.0000+0反=0.0000-0反=1.1111負(fù)數(shù)原碼求反+1負(fù)數(shù)每位求反移碼 x移=2n+x 2n>x-2n 移碼表示中零也是唯一的真值的移碼和補(bǔ)碼僅差一個(gè)符號(hào)位.若將補(bǔ)碼的符號(hào)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

26、和加法來(lái)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(hào)位.符號(hào)位和數(shù)值位之間可用“.”(對(duì)于小數(shù))或“,”(對(duì)于整數(shù))隔開(kāi)·當(dāng)真值為正時(shí),原碼,補(bǔ)碼和反碼的表示形式均相同,即符號(hào)位用“0”表示,數(shù)值部分與真值部分相同·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(hào)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)的位移運(yùn)算左移,絕對(duì)值擴(kuò)大;右移,絕對(duì)值縮小.算術(shù)移位規(guī)則符號(hào)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

27、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(hào)數(shù)移位;邏輯移位:無(wú)符號(hào)數(shù)移位; 2)原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算;對(duì)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(hào).而且運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)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(hào)與絕對(duì)值大的符號(hào)相同.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(hào)相同.由于原碼加減法比較繁瑣,相應(yīng)地需要由復(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)

28、 + 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(wú)需符號(hào)判定,連同符號(hào)位一起相加,符號(hào)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(hào)為相乘兩數(shù)的異或值,數(shù)值兩數(shù)絕對(duì)值之積.設(shè) X原=X0 X1 X2 Xn Y原=Y0 Y1 Y2 Yn X·Y原=X原·Y原= (X0Y0)(X1 X2 Xn)·(

29、Y1 Y2 Yn)符號(hào)表示把符號(hào)位和數(shù)值鄰接起來(lái). 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(hào)位操作數(shù)絕對(duì)值絕對(duì)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 ,Yn =0( Yn+1 Yn =00或11),部分積加0,右移1位;(2) Yn+1 ,Y

30、n =1( Yn+1 Yn =10) ,部分積加X(jué)補(bǔ),右移1位;(3) Yn+1 ,Yn =-1( Yn+1 Yn =01) ,部分積加X(jué)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(lái)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, 右移2位 1C +0, 右移2位 1C <2>補(bǔ)碼兩位乘法

31、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(wèn)題. 當(dāng)乘數(shù)由1位符號(hào)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

32、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(hào)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(hào)位異或形成心算上商余數(shù) 不動(dòng) 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(zhǎng)加法器1 倍字長(zhǎng)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),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

33、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(hào),用被除數(shù)減去除數(shù);若兩數(shù)異號(hào),被除數(shù)加上除數(shù).如果所得余數(shù)與除數(shù)同號(hào)商上1,否則,商上0,該商為結(jié)果的符號(hào)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(hào)商上1,如果余數(shù)與除數(shù)異號(hào)商上0.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

34、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)所能表示的范圍時(shí),稱為溢出.顯然,兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加或兩個(gè)同號(hào)數(shù)相減,其結(jié)果是不會(huì)溢出的.僅當(dāng)兩個(gè)同號(hào)數(shù)相加或者兩個(gè)異號(hào)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(lái).判別方法有三種:1當(dāng)符號(hào)相同的兩數(shù)相加時(shí),如果結(jié)果的符號(hào)與加數(shù)(或被加數(shù))不相同,則為溢出.2當(dāng)任意符號(hào)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(hào)位的進(jìn)位.如果CCf ,則為溢出,所以溢出條件=CCf .3采用雙符號(hào)fs2fs1.正數(shù)的雙符號(hào)位為

35、00,負(fù)數(shù)的雙符號(hào)位為11.符號(hào)位參與運(yùn)算,當(dāng)結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位甲和乙不相同時(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)的表示范圍;浮點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置可浮動(dòng)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(tái)計(jì)算機(jī)中,所有數(shù)據(jù)的R都是相同的,于是不需要在每個(gè)數(shù)據(jù)中表示出來(lái).因此,浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)內(nèi)表示一般采用以下形式:浮點(diǎn)數(shù)

36、的機(jī)內(nèi)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(hào)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(hào)位,設(shè)置在E的最高位上,用來(lái)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(hào),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(duì)值大于或等于(0.5)10.對(duì)非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù),通過(guò)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)的表示范圍以通式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)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)(Institute of E

37、lectrical and Electronics Engineers美國(guó)電氣和電子工程協(xié)會(huì))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(guó)際標(biāo)準(zhǔn),常用的浮點(diǎn)數(shù)有三種格式:符號(hào)位S階碼尾數(shù)總位數(shù)短實(shí)數(shù)182332長(zhǎng)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(hào)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. 階碼部分采用移碼表示,移碼值127,1到254經(jīng)移碼為-1

38、26到+127.S(1位)E(8位)M(23位)N(共32位)符號(hào)位000符號(hào)位0不等于0(-1)S·2-126·(0.M) 為非規(guī)格化數(shù)符號(hào)位1到254之間-(-1)S·2E-127·(1.M) 為規(guī)格化數(shù)符號(hào)位255不等于0NaN(非數(shù)值)符號(hào)位2550無(wú)窮大0 有了精確的表示,無(wú)窮大也明確表示.對(duì)于絕對(duì)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(duì)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,E=max(Ex, Ey).當(dāng)E0時(shí),將階碼

39、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(duì)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(duì)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(duì)階時(shí),尾數(shù)的低位會(huì)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)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)

40、機(jī)中的位數(shù)相同時(shí),浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍比定點(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(duì)絕對(duì)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(duì)規(guī)格化的階碼進(jìn)行判斷,而定點(diǎn)數(shù)是對(duì)數(shù)值本身進(jìn)行判斷總之,浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)的表示范圍,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(duì)數(shù)據(jù)的各位進(jìn)行相加,一般用n個(gè)全加器來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)操作數(shù)的各位同時(shí)向加

41、.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(huì)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(jiǎn)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(jí)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 = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1Ci = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1

42、 = 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(duì)于長(zhǎng)字長(zhǎng)的加法器,往往將加法器分成若干組,在組內(nèi)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(jí)先行進(jìn)位單級(jí)先行進(jìn)位方式將n位字長(zhǎng)分為若干組,每組內(nèi)采用并行進(jìn)位方式,組與組之間冊(cè)采用串行進(jìn)位方式.(2)多級(jí)先行進(jìn)位多級(jí)先行進(jìn)位在組內(nèi)和組間

43、都采用先行進(jìn)位方式.16位單級(jí)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(chǔ)器,用于保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和中間結(jié)果.訪問(wèn)寄存器無(wú)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),有些指令還要求將操作數(shù)存

44、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(chǔ)器層次機(jī)構(gòu)(一) 存儲(chǔ)器的分類專心-專注-專業(yè)提高存儲(chǔ)器帶寬縮短儲(chǔ)存周期增加存儲(chǔ)字長(zhǎng),使每個(gè)周期可讀/寫更多的二進(jìn)制數(shù)增加存儲(chǔ)體內(nèi)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(wèn)1MB的存儲(chǔ)空間,32位的地址可以訪問(wèn)4GB的內(nèi)存空間,64位可以訪問(wèn)1800萬(wàn)TB靜態(tài)RAM和動(dòng)態(tài)RAM之間的比較。目前,動(dòng)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(dòng)態(tài)的RAM的集成度遠(yuǎn)高于靜態(tài)RAM,D

45、RAM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(dòng)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(chǔ)器與CPU連接對(duì)比項(xiàng)目SRAMDRAM儲(chǔ)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(chǔ)成本高低 (二) 存儲(chǔ)器的層次化結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器有3個(gè)重要的指標(biāo):速度,容量和每位價(jià)格,一般來(lái)說(shuō),速

46、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(chǔ)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(chǔ)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(wèn)題 主存-輔存層次主要解決存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量問(wèn)題從CPU角度來(lái)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(chǔ)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(chǔ)層次,構(gòu)成了緩存、主存、輔存三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng).

47、(三) 半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器1. SRAM存儲(chǔ)器的工作原理SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)單元的每個(gè)存儲(chǔ)位需要四到六個(gè)晶體管組成.比較典型的是六管存儲(chǔ)單元,即一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位信息"0"或"1".靜態(tài)存儲(chǔ)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(jiǎn)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(chǔ)單元2. DRAM存儲(chǔ)器的工作原理常見(jiàn)的DRAM存儲(chǔ)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(chǔ)電荷的原理來(lái)寄存信息.若電容上存有足夠的電荷表示“”,電容上無(wú)電荷表示"0&

48、quot;.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(huì)自動(dòng)消失.因此,為保證信息的不丟失,必須在2ms之內(nèi)就要對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次恢復(fù)操作,這個(gè)過(guò)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(chǔ)器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀寫的隨機(jī)存儲(chǔ)器,當(dāng)?shù)綦姇r(shí),所存儲(chǔ)的內(nèi)容消失,所以是易失性存儲(chǔ)器.只讀存儲(chǔ)器,即使停電,存儲(chǔ)內(nèi)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(chǔ)器(ROM) 掩模式ROM由芯片制造商在制造時(shí)寫入內(nèi)容,以

49、后只能讀而不能再寫入.其基本存儲(chǔ)原理是以元件的“有無(wú)”來(lái)表示該存儲(chǔ)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(jiàn),其存儲(chǔ)內(nèi)容是不會(huì)改變的.2. 可編程序的只讀存儲(chǔ)器(PROM) PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來(lái)確定ROM中的內(nèi)容,常見(jiàn)的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開(kāi)來(lái)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(kāi)某些單元的熔絲(寫入).顯而易見(jiàn),斷開(kāi)后的熔絲是不能再接通了,因而一次性寫入的存儲(chǔ)器.掉電后不會(huì)影響其所存儲(chǔ)的內(nèi)容.3. 可擦可編程序的只讀存儲(chǔ)器(EPROM)為了能修改ROM中的內(nèi)容,出現(xiàn)了EPROM.利用浮動(dòng)?xùn)臡OS電路保存信

50、息,信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(chǔ)器(E2PROM) E2PROM的編程序原理與EPROM相同,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(wàn)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(zhǎng)得多.E2PROM每個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)器(Flash Memory) F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其讀寫過(guò)程和E2PROM不同,F1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位.(五) 主存儲(chǔ)器

51、與CPU的連接1個(gè)存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的,它在字?jǐn)?shù)或字長(zhǎng)方面與實(shí)際存儲(chǔ)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(chǔ)器所需的存儲(chǔ)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(chǔ)器的容量為M×N位,若使用L×K位存儲(chǔ)器芯片,那么,這個(gè)存儲(chǔ)器共需要M/L×N/K存儲(chǔ)器芯片.1位擴(kuò)展 位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)充.位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲(chǔ)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(chǔ)器中字的數(shù)量. 靜態(tài)存儲(chǔ)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

52、聯(lián),而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各芯片的地址范圍. 3)字位擴(kuò)展 實(shí)際存儲(chǔ)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(chǔ)器1.雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器是一種具有兩個(gè)單獨(dú)的讀/寫端口及控制電路的存儲(chǔ)器,通過(guò)增加一個(gè)讀/寫端口,雙端口存儲(chǔ)器擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的的信息交換能力.2.多模塊存儲(chǔ)器為了解決CPU與主存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題,在高速存儲(chǔ)器中,普遍采用并行主存系統(tǒng).即利用類似存儲(chǔ)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(zhǎng)為W位的存儲(chǔ)器并行連接,構(gòu)建一個(gè)更大的存儲(chǔ)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(chǔ)器(Cache實(shí)際上,這是來(lái)自法文的一個(gè)單詞,意思是隱蔽之所或藏東西的地方)概述1. 問(wèn)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(wèn)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(duì)于存儲(chǔ)空間90%的訪問(wèn)局限于存儲(chǔ)空間的10%的區(qū)域中,而另外10%的訪問(wèn)則分布在存儲(chǔ)空間的其余90%的