考研計算機(jī)沖刺班組成原理講義-楊楠

1、計算機(jī)組成原理部分【考查目標(biāo)】1. 理解單處理器計算機(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，具有完整的計算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念。2. 理解計算機(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)的基本知識和基本實現(xiàn)方法。3. 能能夠運用用計算機(jī)機(jī)組成的的基本原原理和基基本方法法，對有有關(guān)計算算機(jī)硬件件系統(tǒng)中中的理論論和實際際問題進(jìn)進(jìn)行計算算、分析析，并能能對一些些基本部部件進(jìn)行行簡單設(shè)設(shè)計。一、 計計算機(jī)系系統(tǒng)概述述 本章屬屬于計算算機(jī)組成成原理概概述部分分，內(nèi)容容比較簡簡單，也也容易掌掌握，在在考研中中沒有太太難的題題目。下下面就本本章內(nèi)容容，主要要部分作作以下歸歸

2、納：（一）計計算機(jī)的的類型 電子計計算機(jī)分分為兩大大類：電電子模擬擬計算機(jī)機(jī)和電子子數(shù)字計計算機(jī)。 電子數(shù)數(shù)字計算算機(jī)的主主要特點點是：按按位運算算。 數(shù)字計計算機(jī)又又可分為為專用計計算機(jī)和和通用計計算機(jī)。 通用計計算機(jī)又又分巨型型機(jī)、大大型機(jī)、中型機(jī)機(jī)、小型型機(jī)、微微型機(jī)和和單片機(jī)機(jī)。 它們的的區(qū)別在在于體積積、簡易易性、功功率損耗耗、性能能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存存儲容量量、指令令系統(tǒng)規(guī)規(guī)模和機(jī)機(jī)器價格格等。計算機(jī)的的應(yīng)用范范圍：社社會的各各個領(lǐng)域域。（二）計計算機(jī)發(fā)發(fā)展歷程程 計算機(jī)機(jī)系統(tǒng)的的發(fā)展歷歷史如下下： 第1代代計算機(jī)機(jī)（19946年年19557年）：電子子管時代代； 第2代代計算機(jī)機(jī)（19

3、958年年19664年）：晶體體管時代代； 第3代代計算機(jī)機(jī)（19965年年19771年）：中小小規(guī)模集集成電路路時代； 第4代代計算機(jī)機(jī)（19972年年19885年）：超大大規(guī)模集集成電路路時代； 第5代代計算機(jī)機(jī)（19986年年至今）：巨大大規(guī)模集集成電路路時代。（三）計計算機(jī)系系統(tǒng)層次次結(jié)構(gòu)1. 計計算機(jī)硬硬件的基基本組成成硬件分為為5大部部分：控控制器、運算器器、存儲儲器、輸輸入設(shè)備備和輸出出設(shè)備。早期運算算器和控控制器構(gòu)構(gòu)成計算算機(jī)的CCPU，現(xiàn)在一一般還加加上CPPU內(nèi)部部的Caachee共同構(gòu)構(gòu) 成成CPUU，加入入的是第第一級CCachhe，也也是存儲儲器中速速度最快快，容量量

4、最小的的存儲器器。對馮諾諾依曼計計算機(jī)體體系結(jié)構(gòu)構(gòu)的特點點要有深深刻的理理解：使使用二進(jìn)進(jìn)制（為為何用二二進(jìn)制？）存儲程序序，并且且按照地地址順序序執(zhí)行。存儲程程序并按按照地址址順序執(zhí)執(zhí)行是馮馮諾依曼曼計算機(jī)機(jī)設(shè)計的的關(guān)鍵思思想。2. 計計算機(jī)軟軟件的分分類計算機(jī)軟軟件按照照面向?qū)ο蟮牟徊煌煞址謨深悾合到y(tǒng)軟軟件和應(yīng)應(yīng)用軟件件。系統(tǒng)軟件件：用于于管理整整個計算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)，合理理分配系系統(tǒng)資源源，確保保計算機(jī)機(jī)正常高高效地運運行，這這類軟件件面向系系統(tǒng)。應(yīng)用軟件件：是面面向用戶戶根據(jù)用用戶的特特殊要求求編制的的應(yīng)用程程序，這這類軟件件通常實實現(xiàn)用戶戶的某類類要求。3. 計計算機(jī)的的工作過過程馮

5、諾依依曼計算算機(jī)特點點基本上上指出了了計算機(jī)機(jī)的工作作過程。馮諾依曼曼體系結(jié)結(jié)構(gòu)的基基本思想想是：存存儲程址址順序自自動執(zhí)行行。首先先將指令令和數(shù)據(jù)據(jù)存儲到到計算機(jī)機(jī)中，計計算機(jī)啟啟動后，就能夠夠序取出出指令并并依次執(zhí)執(zhí)行，直直到程序序執(zhí)行完完畢，得得到計算算結(jié)果為為止。 馮諾依曼曼體系結(jié)結(jié)構(gòu)計算算機(jī)包含含5個基基本部件件：輸入入設(shè)備、運算器器、控制制器和輸出出設(shè)備。運算器器進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)運算算和數(shù)據(jù)據(jù)變換；控制器器為計算算機(jī)的工工作提供供統(tǒng)一的的時鐘，對程序序的各基基本操作作進(jìn)行時時序分相相應(yīng)的控控制信號號，驅(qū)動動計算機(jī)機(jī)的各部部件有序序地完成成程序規(guī)規(guī)定的操操作內(nèi)容容；存儲儲器用來來存放程程序

6、、數(shù)數(shù)據(jù)和運運算結(jié)果果；輸入入瑜出設(shè)設(shè)備則完完成相應(yīng)應(yīng)的輸入入輸出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。4計算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的層次次結(jié)構(gòu)（1）層層次結(jié)構(gòu)構(gòu)。計算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)是一個個復(fù)雜的的軟、硬硬件結(jié)合合體，它它包含硬硬件系統(tǒng)統(tǒng)和軟件件系統(tǒng)兩兩部分。它通常常由5個個不同的的級組成成，在每每一級都都能夠進(jìn)進(jìn)行程序序設(shè)計。由微程程序設(shè)計計級、一一般機(jī)器器級、操操作系統(tǒng)統(tǒng)級、匯匯編語言言級和高高級語言言級組成成，如圖圖所示：（2）軟軟件和硬硬件邏輯輯上的等等價性，任何操操作可以以由軟件件來實現(xiàn)現(xiàn)也可以以由硬件件來實現(xiàn)現(xiàn)。早期期主要由由軟件來來實現(xiàn)較較復(fù)雜的的邏輯（硬件軟軟化），現(xiàn)在存存在軟件件硬化的的趨勢。 尤其其注意計計算機(jī)是是一個

7、軟軟件和硬硬件結(jié)合合的整體體系統(tǒng)。固件：把軟件件刻入RROM,使軟件件固化，這樣得得到的一一個實體體就是固固件。（3）兼兼容性。兼容性性的設(shè)計計思想實實際上就就是系列列機(jī)的概概念。在在系列機(jī)機(jī)中，新新機(jī)型要要求支持持老機(jī)型型上開發(fā)發(fā)的軟件件；而且且還有硬硬件上的的兼容要要求。兼兼容要求求軟件和和硬件設(shè)設(shè)備能夠夠直接在在不同的的機(jī)型上上使用。計算機(jī)系系統(tǒng)的層層次結(jié)構(gòu)構(gòu)（四）計計算機(jī)性性能指標(biāo)標(biāo)（1）基基本字長長?；颈咀珠L是是指參與與運算的的數(shù)的基基本長度度，它由由加法器器、寄存存器和數(shù)數(shù)據(jù)總線線的位數(shù)數(shù)決定。字長標(biāo)標(biāo)志著精精度，字字長越長長，運算算精度越越高。（2）主主存容量量。計算算機(jī)主存存

8、儲器所所能夠存存儲的信信息的全全部總量量，稱為為主存容容量。以以字節(jié)數(shù)數(shù)來表示示存儲容容量的計計算機(jī)稱稱為字節(jié)節(jié)編碼計計算機(jī)；而以字字為單位位編址的的計算機(jī)機(jī)，存儲儲容量等等于字?jǐn)?shù)數(shù)乘以字字長。（3）主主頻。每每臺計算算機(jī)的內(nèi)內(nèi)部，都都有一個個不斷地地產(chǎn)生固固定頻率率時鐘脈脈沖的裝裝置，稱稱為主時時鐘。主主時鐘的的頻率通通常是機(jī)機(jī)器的主主頻率，主頻率率是衡量量一臺,-c,蹲機(jī)速速度的重重要參數(shù)數(shù)。（4）運運算速度度。運算算速度通通常反映映計算機(jī)機(jī)運算的的快慢。對運算算速度的的衡量有有以下幾幾種方法法：根據(jù)不同同類型指指令在計計算過程程中出現(xiàn)現(xiàn)的頻率率乘上不不同的系系數(shù)，求求得統(tǒng)計計平均值值，這

9、時時所指的的運算速速度是平平均運算算速度。直接給出出每條指指令的實實際執(zhí)行行時間。以MIPPS和MMFLOOPS作作為計量量單位來來衡量運運算速度度。MIIPS表表示每秒秒百萬條條指令，MFLLOPSS表示每每秒百萬萬次浮點點運算。1. 吞吞吐量、響應(yīng)時時間（1) 吞吐量量：單位位時間內(nèi)內(nèi)可執(zhí)行行程序的的個數(shù)。（2) 響應(yīng)時時間：從從事件開開始到事事件結(jié)束束的時間間，也稱稱執(zhí)行時時間。2. CCPU時時鐘周期期、主頻頻、CPPI、CCPU執(zhí)執(zhí)行時間間（1） CPUU時鐘周周期：機(jī)機(jī)器主頻頻的倒數(shù)數(shù)，Tcc（2）主主頻：CCPU工工作主時時鐘的頻頻率，機(jī)機(jī)器主頻頻Rc（3）CCPI：執(zhí)行一一條指

10、令令所需要要的平均均時鐘周周期（4）CCPU執(zhí)執(zhí)行時間間：TCCPU=InCPIITCIn執(zhí)行行程序中中指令的的總數(shù)，CPII執(zhí)行每每條指令令所需的的平均時時鐘周期期數(shù)，TC時時鐘周期期時間的的長度。3. MMIPSS、MFFLOPPS（1）MMIPSS(Miilliion Insstruuctiionss Peer SSecoond) MIPSS = In/(Tee106)= Inn/(IInCPIITc106)= Rcc/(CCPI106)Te：執(zhí)執(zhí)行該程程序的總總時間，In：執(zhí)行該該程序的的總指令令數(shù)，Rc：時鐘周周期Tcc的到數(shù)數(shù) MIPPS只適適合評價價標(biāo)量機(jī)機(jī)，不適適合評價價向量機(jī)

11、機(jī)。標(biāo)量量機(jī)執(zhí)行行一條指指令，得得到一個個運行結(jié)結(jié)果。而而向量機(jī)機(jī)執(zhí)行一一條指令令，可以以得到多多個運算算結(jié)果。（2） MFLLOPSS(Miilliion Flooatiing Poiint Opeerattionns PPer Seccondd) MFLLOPSS=Iffn/(Te106)Ifn：程序中中浮點數(shù)數(shù)的運算算次數(shù) MMFLOOPS測測量單位位比較適適合于衡衡量向量量機(jī)的性性能。一一般而言言，同一一程序運運行在不不同的計計算機(jī)上上時往往往會執(zhí)行行不同數(shù)數(shù)量的指指令數(shù)，但所執(zhí)執(zhí)行的浮浮點數(shù)個個數(shù)常常常是相同同的。二、 數(shù)數(shù)據(jù)的表表示和運運算（一）數(shù)數(shù)制與編編碼1. 進(jìn)進(jìn)位計數(shù)數(shù)制及

12、其其相互轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換（1）進(jìn)進(jìn)位計數(shù)數(shù)制進(jìn)位計數(shù)數(shù)制是指指按照進(jìn)進(jìn)位制的的方法表表示數(shù)，不同的的數(shù)制均均涉及兩兩個基本本概念：基數(shù)和和權(quán)。任意一個個R進(jìn)制制數(shù)X，設(shè)整數(shù)數(shù)部分為為n位，小數(shù)部部分為mm位，則則X可表表示為：Xann-1rrn-11 + an-2rn-2 + +a0r0 +a-1r-1 +a-2r-2 + +a-mr-m(X)rr = （2）不不同數(shù)制制間的數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換換1）二、八、十十六進(jìn)制制數(shù)轉(zhuǎn)換換成十進(jìn)進(jìn)制數(shù)利用上面面講到的的公式： (NN)2=Di2i 、(N)88=Di8i、 (N)116=Di16i、進(jìn)行行計算。2）十進(jìn)進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成二二進(jìn)制數(shù)數(shù)對整數(shù)部部分，一一般采用用除2

13、取取余數(shù)法法，對小小數(shù)部分分，一般般用乘22取整數(shù)數(shù)法。3）二進(jìn)進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制制數(shù)和十十六進(jìn)制制數(shù)之間間的轉(zhuǎn)換換3位二進(jìn)進(jìn)制數(shù)組組成1位位八進(jìn)制制數(shù)，44位二進(jìn)進(jìn)制數(shù)組組成1位位十六進(jìn)進(jìn)制數(shù)。對于一個個兼有整整數(shù)和小小數(shù)部分分的數(shù)以以小數(shù)點點為界，小數(shù)點點前后的的數(shù)分別別分組進(jìn)進(jìn)行處理理，不足足的位數(shù)數(shù)用0補(bǔ)補(bǔ)足。對對整數(shù)部部分將00補(bǔ)在數(shù)數(shù)的左側(cè)側(cè)，對小小數(shù)部分分將0補(bǔ)補(bǔ)在數(shù)的的右側(cè)。這樣數(shù)數(shù)值不會會發(fā)生差差錯。2. 真真值和機(jī)機(jī)器數(shù)真值：數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)數(shù)值通常常以正(+)負(fù)負(fù)(-)號后跟跟絕對值值來表示示，稱之之為“真值”。機(jī)器數(shù)：在計算算機(jī)中正正負(fù)號也也需要數(shù)數(shù)字化，一般用用0表示示正號，1

14、表示示負(fù)號。把符號號數(shù)字化化的數(shù)成成為機(jī)器器數(shù)。3. BBCD碼碼在計算機(jī)機(jī)中采用用4位二二進(jìn)制碼碼對每個個十進(jìn)制制數(shù)位進(jìn)進(jìn)行編碼碼。4位位二進(jìn)制制碼有116種不不同的組組合，從從中選出出10種種來表示示十進(jìn)制制數(shù)位的的099，用000000，00001，10001分別別表示00，1，9，每個個數(shù)位內(nèi)內(nèi)部滿足足二進(jìn)制制規(guī)則，而數(shù)位位之間滿滿足十進(jìn)進(jìn)制規(guī)則則，故稱稱這種編編碼為“以二進(jìn)進(jìn)制編碼碼的十進(jìn)進(jìn)制（bbinaary coodedd ddeciima11，簡稱稱BCDD）碼”。加法運算算的修正正規(guī)則是是： 如果果兩個一一位BCCD碼相相加之和和小于或或等于(10001)22，即(9)110

15、，不不需要修修正； 如相相加之和和大于或或等于(10110)22，或者者產(chǎn)生進(jìn)進(jìn)位，要要進(jìn)行加加6修正正，如果果有進(jìn)位位，要向向高位進(jìn)進(jìn)位。4. 字字符與字字符串在計算機(jī)機(jī)中要對對字符進(jìn)進(jìn)行識別別和處理理，必須須通過編編碼的方方法，按按照一定定的規(guī)則則將字符符用一組組二進(jìn)制制數(shù)編碼碼表示。字符的的編碼方方式有多多種，常常見的編編碼有AASCIII碼、EBCCDICC碼等。1）ASSCIII碼ASCIII碼用用7位二二進(jìn)制表表示一個個字符，總共1128個個字符元元素，包包括100個十進(jìn)進(jìn)制數(shù)字字（0-9）、52個個英文字字母（AA-Z和和a-zz）、334專用用符號和和32控控制符號號。2）EB

16、BCDIIC碼為為Exttendded Binnaryy Coodedd Deecimmal Inttercchannge Codde的簡簡稱，它它采用88位來表表示一個個字符。3）字符符串的存存放向量存儲儲法：字字符串存存儲時，字符串串中的所所有元素素在物理理上是鄰鄰接的。串表存儲儲法：字字符串的的每個字字符代碼碼后面設(shè)設(shè)置一個個鏈接字字，用于于指出下下一個字字符的存存儲單元元的地址址。5. 校校驗碼碼距： 碼距根據(jù)據(jù)任意兩兩個合法法碼之間間至少有有幾個二二進(jìn)制位位不相同同而確定定的，僅僅有一位位不同，稱其碼碼距為1。（1）奇奇偶校驗驗碼它的實現(xiàn)現(xiàn)原理，是使碼碼距由11增加到到2。若編編碼中

17、有有1位二進(jìn)進(jìn)制數(shù)出出錯了，即由11變成0，或者者由0變成1。這樣樣出錯的的編碼就就成為非非法編碼碼，就可可以知道道出現(xiàn)了了錯誤。在原有有的編碼碼之上再再增加一一位校驗驗位，原原編碼nn位，形形成新的的編碼為為n+11 位。增加的的方法有有2種：奇校驗：增加位位的0或1要保證證整個編編碼中11的個數(shù)數(shù)為奇數(shù)數(shù)個。偶校驗：增加位位的0或1要保證證整個編編碼中11的個數(shù)數(shù)為偶數(shù)數(shù)個。（2）海海明校驗驗碼它的實現(xiàn)現(xiàn)原理，是在數(shù)數(shù)據(jù)中加加入幾個個校驗位位，并把把數(shù)據(jù)的的每一個個二進(jìn)制制位分配配在幾個個奇偶校校驗組中中。當(dāng)某某一位出出錯就會會引起有有關(guān)的幾幾個校驗驗組的值值發(fā)生變變化，這這不但可可以發(fā)現(xiàn)

18、現(xiàn)出錯，還能指指出是哪哪一位出出錯，為為自動糾糾錯提供供了依據(jù)據(jù)。假設(shè)校驗驗位的個個數(shù)為rr，則它它能表示示2r個信息息，用其其中的一一個信息息指出“沒有錯錯誤”，其余余2r-1個信信息指出出錯誤發(fā)發(fā)生在哪哪一位。然而錯錯誤也可可能發(fā)生生在校驗驗位，因因此只有有k=22r-1-r個信信息能用用于糾正正被傳送送數(shù)據(jù)的的位數(shù)，也就是是說要滿滿足關(guān)系系：2r=k+rr+1 （3）CCRC校校驗碼CRC校校驗碼一一般是指指k位信信息之后后拼接rr位校驗驗碼。關(guān)關(guān)鍵問題題是如何何從k位位信息方方便地得得到r位位校驗碼碼，以如如何從位位k+rr信息碼碼判斷是是否出錯錯。 將帶帶編碼的的k位有有效信息息位組

19、表表達(dá)為多多項式： MM(x)=Ckk-1xxk-11+ CCk-22xk-22 + + Cixi + C1xx + C0式Ci中中為0或或1. 若將將信息位位左移rr位，則則可表示示為多項項式M(x).xr。這樣就就可以空空出r位位，以便便拼接rr位校驗驗位。 CRRC碼是是用多項項式M(x).xr除除以生成成多項式式G(xx)所得得的余數(shù)數(shù)作為校校驗碼的的。為了了得到rr位余數(shù)數(shù)，G(x)必必須是rr+1位位。設(shè)所得的的余數(shù)表表達(dá)式為為R(xx)，商商為Q(x)。將余數(shù)數(shù)拼接在在信息位位組左移移r位空空出的rr位上，就構(gòu)成成了CRRC碼，這個碼碼的可用用多項式式表達(dá)為為：M(x)xr+R(

20、xx)=Q(xx)G(xx)+RR(x)+RR(x) =Q(xx)G(xx)+R(x)+R(xx) =Q(x)G(xx)因此，所所得CRRC碼可可被G(x)表表示的數(shù)數(shù)碼除盡盡。將收到的的CRCC碼用約約定的生生成多項項式G(x)去去除，如如果無錯錯，余數(shù)數(shù)應(yīng)為00，有某某一位出出錯，余余數(shù)不為為0。（二）定定點數(shù)的的表示和和運算1. 定定點數(shù)的的表示（1）無無符號數(shù)數(shù)的表示示無符號數(shù)數(shù)就是指指正整數(shù)數(shù)，機(jī)器器字長的的全部位位數(shù)均用用來表示示數(shù)值的的大小，相當(dāng)于于數(shù)的絕絕對值。對于字字長為nn+1位位的無符符號數(shù)的的表示范范圍為：02n+11-1。（2）帶帶符號數(shù)數(shù)的表示示帶符號數(shù)數(shù)是指在在計

21、算機(jī)機(jī)中將數(shù)數(shù)的符號號數(shù)碼化化。在計計算機(jī)中中，一般般規(guī)定二二進(jìn)制的的最高位位為符號號位，最最高位為為“0”表示該該數(shù)為正正，為“1”表示該該數(shù)為負(fù)負(fù)。這種種在機(jī)器器中使用用符號位位也被數(shù)數(shù)碼化的的數(shù)稱為為機(jī)器數(shù)數(shù)。根據(jù)據(jù)符號位位和數(shù)值值位的編編碼方法法不同，機(jī)器數(shù)數(shù)分為原原碼、補(bǔ)補(bǔ)碼和反反碼。1）原碼碼表示法法機(jī)器數(shù)的的最高位位為符號號位，00表示正正數(shù)，11表示負(fù)負(fù)數(shù)，數(shù)數(shù)值跟隨隨其后，并以絕絕對值形形式給出出。這是是與真值值最接近近的一種種表示形形式。2）補(bǔ)碼碼表示法法機(jī)器數(shù)的的最高位位為符號號位，00表示正正數(shù)，11表示負(fù)負(fù)數(shù)，其其定義如如下：3）反碼碼表示法法 機(jī)器器數(shù)的最最高位為為

22、符號，0表示正正數(shù)，11表示負(fù)負(fù)數(shù)。反反碼的定定義：4）原碼碼、補(bǔ)碼碼和反碼碼的說明明數(shù)表示的的范圍，原碼為：-1x-0，+0 x11；0有有-0（1.000）和+0（00.000）兩種種表示形形式補(bǔ)碼為：-1x-0，+0 x11；0只只有一種種表示方方式，xx最小可可以等于于-1反碼為：-1x-0，+0 x11；0有有-0（1.111）和+0（00.000）兩種種表示形形式2. 定定點數(shù)的的運算（1）定定點數(shù)的的位移運運算左移，絕絕對值擴(kuò)擴(kuò)大；右右移，絕絕對值縮縮小。算算術(shù)移位位規(guī)則：符號位位不變算術(shù)移位位和邏輯輯移位的的區(qū)別：算術(shù)移移位：帶帶符號數(shù)數(shù)移位；邏輯移移位：無無符號數(shù)數(shù)移位；（2

23、）原原碼定點點數(shù)的加加/減運運算對原碼表表示的兩兩個操作作數(shù)進(jìn)行行加減運運算時，計算機(jī)機(jī)的實際際操作是是加還是是減，不不僅取決決指令中中的操作作碼，還還取決于于兩個操操作數(shù)的的符號。而且運運算結(jié)果果的符號號判斷也也較復(fù)雜雜。例如，加加法指令令指示做做（AA）（B）由于一一操作數(shù)數(shù)為負(fù)，實際操操作是做做減法（A）-（+B），結(jié)果符符號與絕絕對值大大的符號號相同。同理，在減法法指令中中指示做做（AA）（B）實際操操作做加加法（A）（BB），結(jié)結(jié)果與被被減數(shù)符符號相同同。由于于原碼加加減法比比較繁瑣瑣，相應(yīng)應(yīng)地需要要由復(fù)雜雜的硬件件邏輯才才能實現(xiàn)現(xiàn)，因此此在計算算機(jī)中很很少被采采用。（3）補(bǔ)補(bǔ)碼定點

24、點數(shù)的加加/減運運算1) 加加法整數(shù) A補(bǔ) + B補(bǔ)= A+B補(bǔ)（mood 22n+1）小數(shù) A補(bǔ) + B補(bǔ)= A+B補(bǔ)（mood 22）2) 減減法整數(shù) A補(bǔ)- B補(bǔ)= A+(-B)補(bǔ)=A補(bǔ)+ -B補(bǔ)（mood 22n+1）小數(shù) A補(bǔ)- B補(bǔ)= A+(-B)補(bǔ)=A補(bǔ)+ -B補(bǔ)（mood 22）無需符號號判定，連同符符號位一一起相加加，符號號位產(chǎn)生生的進(jìn)位位自然丟丟掉（4）定定點數(shù)的的乘/除除運算1）乘法法原原碼一位位乘法 兩個原碼碼數(shù)相乘乘，其乘乘積的符符號為相相乘兩數(shù)數(shù)的異或或值，數(shù)數(shù)值兩數(shù)數(shù)絕對值值之積。定定點補(bǔ)碼碼一位乘乘法有的機(jī)器器為方便便加減法法運算，數(shù)據(jù)以以補(bǔ)碼形形式存放放。乘法

25、法直接用用補(bǔ)碼進(jìn)進(jìn)行，以以減少轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換次數(shù)數(shù)。具體體規(guī)則如如下： xxy補(bǔ)=XX補(bǔ)（-y0 + 00. yy1 y2 yn ）布布斯法布斯公式式：在乘數(shù)數(shù)Yn后添添加Ynn+1=0。按按照Ynn+1 ，Yn相鄰鄰兩位的的三種情情況，其運算算規(guī)則如如下：（1） Yn+1 ，Yn =0（ Ynn+1 Yn =000或111），部部分積加加0，右右移1位;（2） Yn+1 ，Yn=11（ YYn+11 Ynn =110），部分積積加XX補(bǔ)，右移11位；（3） Yn+1 ，Yn =-11（ YYn+11 Ynn =001），部分積積加X補(bǔ)，右移11位最后一步步不移位位。原原碼兩位位乘法，因此實實際操作作

26、用Yii-1、Yi、C三位位來控制制。Yi-11 YYi CC操作 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +00，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +22X，右右移2位 00C +22X，右右移2位 00C -X，右移2位 1C -X，右移2位 1C +0，右移2位 11C 補(bǔ)補(bǔ)碼兩位位乘法，根據(jù)前前述的布布斯算法法，將兩兩步合并并成一步步，即可可推導(dǎo)出出補(bǔ)碼兩兩位乘的的公式。Yi-11 YYi CC操作 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +00

27、，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +XX，右移2位 0C +22X，右右移2位 00C +22X，右右移2位 00C -X，右移2位 1C -X，右移2位 1C +0，右移2位 11C 2）除法法定定點原碼碼一位除除法1恢復(fù)復(fù)余數(shù)法法被除數(shù)（余數(shù)）減去除除數(shù)，如如果為00或者為為正值時時，上商商為1，不恢復(fù)復(fù)余數(shù)；如果結(jié)結(jié)果為負(fù)負(fù)，上商商為0，再將除除數(shù)加到到余數(shù)中中，恢復(fù)復(fù)余數(shù)。余數(shù)左左移1位位。2加減減交替法法當(dāng)余數(shù)為為正時，商上11，求下下一位商商的辦法法，余數(shù)數(shù)左移一一位，再再減去除除數(shù)；當(dāng)當(dāng)余數(shù)為為負(fù)時，商上00，求下下一位商商的辦法法，余數(shù)數(shù)左移一一位，再再加上除除數(shù)。定定

28、點補(bǔ)碼碼一位除除法（加加減交替替法）1如果果被除數(shù)數(shù)與除數(shù)數(shù)同號，用被除除數(shù)減去去除數(shù)；若兩數(shù)數(shù)異號，被除數(shù)數(shù)加上除除數(shù)。如如果所得得余數(shù)與與除數(shù)同同號商上上1，否否則，商商上0，該商為為結(jié)果的的符號位位。2求商商的數(shù)值值部分。如果上上次商上上1，將將除數(shù)左左移一位位后減去去除數(shù)；如果上上次商上上0，將將余數(shù)左左移一位位后加除除數(shù)。然然后判斷斷本次操操作后的的余數(shù)，如果余余數(shù)與除除數(shù)同號號商上11，如果果余數(shù)與與除數(shù)異異號商上上0。如如此重復(fù)復(fù)執(zhí)行nn-1次次（設(shè)數(shù)數(shù)值部分分n位）。3商的的最后一一位一般般采用恒恒置1的的辦法，并省略略了最低低+1的的操作。此時最最大的誤誤差為22-n。（5）

29、溢溢出概念念和判別別方法當(dāng)運算結(jié)結(jié)果超出出機(jī)器數(shù)數(shù)所能表表示的范范圍時，稱為溢溢出。顯顯然，兩兩個異號號數(shù)相加加或兩個個同號數(shù)數(shù)相減，其結(jié)果果是不會會溢出的的。僅當(dāng)當(dāng)兩個同同號數(shù)相相加或者者兩個異異號數(shù)相相減時，才有可可能發(fā)溢溢出的情情況，一一旦溢出出，運算算結(jié)果就就不正確確了，因因此必須須將溢出出的情況況檢查出出來。判判別方法法有三種種：1）當(dāng)符符號相同同的兩數(shù)數(shù)相加時時，如果果結(jié)果的的符號與與加數(shù)（或被加加數(shù)）不不相同，則為溢溢出。2）當(dāng)任任意符號號兩數(shù)相相加時，如果CC=Cff，運算算結(jié)果正正確，其其中C為為數(shù)值最最高位的的進(jìn)位，Cf為為符號位位的進(jìn)位位。如果果CCf ，則為為溢出，所以

30、溢溢出條件件=CCf 。3）采用用雙符號號fs22fs1，正數(shù)的的雙符號號位為000，負(fù)負(fù)數(shù)的雙雙符號位位為111。符號號位參與與運算，當(dāng)結(jié)果果的兩個個符號位位甲和乙乙不相同同時為溢溢出。所所以溢出出條件= fss2fs1。（三）浮浮點數(shù)的的表示和和運算1. 浮浮點數(shù)的的表示（1）浮浮點數(shù)的的表示范范圍浮點數(shù)是是指小數(shù)數(shù)點位置置可浮動動的數(shù)據(jù)據(jù)，通常常以下式式表示： N=MMRE其中，NN為浮點點數(shù)，MM為尾數(shù)數(shù)，E為為階碼，R稱為為“階的基基數(shù)（底底）”，而且且R為一一常數(shù)，一般為為2、88或166。在一一臺計算算機(jī)中，所有數(shù)數(shù)據(jù)的RR都是相相同的，于是不不需要在在每個數(shù)數(shù)據(jù)中表表示出來來。

31、因此此，浮點點數(shù)的機(jī)機(jī)內(nèi)表示示一般采采用以下下形式：浮點數(shù)的的機(jī)內(nèi)表表示一般般采用以以下形式式：MsEM 1位 n+11位 m位位Ms是尾尾數(shù)的符符號位，設(shè)置在在最高位位上。E為階碼碼，有nn+1位位，一般般為整數(shù)數(shù)，其中中有一位位符號位位，設(shè)置置在E的的最高位位上，用用來表正正階或負(fù)負(fù)階。M為尾數(shù)數(shù)，有mm位，由由Ms和和M組成成一個定定點小數(shù)數(shù)。Mss=0，表示正正號，MMs=11，表示示負(fù)。為為了保證證數(shù)據(jù)精精度屬數(shù)數(shù)通常用用規(guī)格化化形式表表示：當(dāng)當(dāng)R22，且尾尾數(shù)值不不為0時時，其絕絕對值大大于或等等于(00.5)10。對非規(guī)規(guī)格化浮浮點數(shù)，通過將將尾數(shù)左左移或右右移，并并修改階階碼值

32、使使之滿足足規(guī)格化化要求。（2）IIEEEE7544標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEEEE 7544國際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，常常用的浮浮點數(shù)有有兩種格格式：（1）單單精度浮浮點數(shù)（32位位），階階碼8位位，尾數(shù)數(shù)24位位（內(nèi)含含：位符符號位）。（2）雙雙精度浮浮點數(shù)（64位位），階階碼111位，尾尾數(shù)533位（內(nèi)內(nèi)含：位位符號位位）。單精度格格式322位，階階碼為88位，尾尾數(shù)為223位。另有一一位符號號位S，處在最最高位。由于IEEEE7754標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)約定定在小數(shù)數(shù)點左部部有一位位隱含位位，從而而實際有有效位數(shù)數(shù)為244位。這這樣使得得尾數(shù)的的有效值值變?yōu)?1.M 。例如，最最小為xx1.000,，最大為為x1.11。規(guī)規(guī)格

33、化表表示。故故小數(shù)點點左邊的的位橫為為1，可可省去。 階碼部分分采用移移碼表示示，移碼碼值1227，11到2554經(jīng)移移碼為-1266到+1127。S(1位位) E(8位位) M(233位) N(共332位) 符號位0 0 0 符號位0 不等于00 (-1)S22-1226(0.MM) 為為非規(guī)格格化數(shù)符號位1到2554之間間- (-1)S22E-1127(1.M) 為規(guī)格格化數(shù)符號位255不等于00 NaN(非數(shù)值值) 符號位2550 無窮大0 有了了精確的的表示，無窮大大也明確確表示。對于絕絕對值較較小的數(shù)數(shù)，可以以采用非非規(guī)格化化數(shù)表示示，減少少下溢精精度損失失。非規(guī)規(guī)格化數(shù)數(shù)的隱含含位

34、是00，不是是1。2. 浮浮點數(shù)的的加/減減運算加減法執(zhí)執(zhí)行下述述五步完完成運算算：（1）“對階”操作 比較較兩浮點點數(shù)階碼碼的大小小，求出出其差E，保保留其大大值E，E=mmax(Ex, Eyy)。當(dāng)當(dāng)E0時，將階碼碼小的尾尾數(shù)右移移E位，并將其其階碼加加上E，使使兩數(shù)的的階碼值值相等。（2）尾尾數(shù)加減減運算執(zhí)行對階階之后，兩尾數(shù)數(shù)進(jìn)行加加減操作作。（3）規(guī)規(guī)格化操操作 規(guī)格格化的目目的是使使得尾數(shù)數(shù)部分的的絕對值值盡可能能以最大大值的形形式出現(xiàn)現(xiàn)。（4）舍舍入 在執(zhí)執(zhí)行右規(guī)規(guī)或者對對階時，尾數(shù)的的低位會會被移掉掉，使數(shù)數(shù)值的精精度受到到影響，常用“0”舍“1”入法。當(dāng)移掉掉的部分分最高位位

35、為1時時，在尾尾數(shù)的末末尾加11，如果果加1后后又使得得尾數(shù)溢溢出，則則要再進(jìn)進(jìn)行一次次右規(guī)。（5）檢檢查階碼碼是否溢溢出 階碼碼溢出表表示浮點點數(shù)溢出出。在規(guī)規(guī)格化和和舍入時時都可能能發(fā)生溢溢出，若若階碼正正常，加加/減運運算正常常結(jié)束。若階碼碼下溢，則設(shè)置置機(jī)器運運算結(jié)果果為機(jī)器器零，若若上溢，則設(shè)置置溢出標(biāo)標(biāo)志。（四） 算術(shù)邏邏輯單元元ALUU1. 串串行加法法器和并并行加法法器（1）串串行進(jìn)位位加法器器并行加法法器可以以同時對對數(shù)據(jù)的的各位進(jìn)進(jìn)行相加加，一般般用n個個全加器器來實現(xiàn)現(xiàn)2個操操作數(shù)的的各位同同時向加加。其操操作數(shù)的的各位是是同時提提供的，由于進(jìn)進(jìn)位是逐逐位形成成，低位位運

36、算所所產(chǎn)生的的進(jìn)位會會影響高高位的運運算結(jié)果果。串行進(jìn)位位（也稱稱波形進(jìn)進(jìn)位）加加法器，邏輯電電路比較較簡單，但是最最高位的的加法運運算，一一定要等等到所有有低位的的加法完完成之后后才能進(jìn)進(jìn)行，低低位的進(jìn)進(jìn)位要逐逐步的傳傳遞到高高位，逐逐級產(chǎn)生生進(jìn)位，因此運運算速度度比較慢慢。串行進(jìn)位位加法器器（2）并并行進(jìn)位位加法器器為了提高高運算速速度，減減少延遲遲時間，可以采采用并行行進(jìn)位法法，也叫叫提前進(jìn)進(jìn)位或先先行進(jìn)位位。全加加器中，輸入AAi、Bi、Ci-11，輸出出：Si = AiiBiCii-1+AiBiiCi-11+AiiBiCii-1+AiBiiCi-11Ci = Aii Bii Cii-

37、1+Ai Bi Ci-1+Aii Bii Cii-1+Aii Bii Cii-1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci-1進(jìn)位產(chǎn)生生函數(shù)：Gi = AAi BBi進(jìn)位傳遞遞函數(shù)：Pi = AAi+BBiCi = Gii + Pi Ci-1C4 = G44 + P4GG3 + P44P3GG2 + P44P3PP2G11 + P4PP3P22P1CC0并行進(jìn)位位加法器器的運算算速度很很快，形形成最高高進(jìn)位輸輸出的延延遲時間間很短，但是以以增加硬硬件邏輯輯線路為為代價。對于長長字長的的加法器器，往往往將加法法器分成成若干組組，在組組內(nèi)采用用并行進(jìn)進(jìn)位，組組間則采采用串行行進(jìn)位或或并行進(jìn)進(jìn)位，由由

38、此形成成多種進(jìn)進(jìn)位結(jié)構(gòu)構(gòu)。（1）單單級先行行進(jìn)位單級先行行進(jìn)位方方式將nn位字長長分為若若干組，每組內(nèi)內(nèi)采用并并行進(jìn)位位方式，組與組組之間冊冊采用串串行進(jìn)位位方式。（2）多多級先行行進(jìn)位多級先行行進(jìn)位在在組內(nèi)和和組間都都采用先先行進(jìn)位位方式。16位單單級先行行進(jìn)位加加法器2. 算算術(shù)邏輯輯單元AALU的的功能和和機(jī)構(gòu)ALU部部件是運運算器中中的主要要組成部部分，又又稱為多多功能函函數(shù)發(fā)生生器，主主要用于于完成各各種算術(shù)術(shù)運算和和邏輯運運算。AALU的的算術(shù)運運算部件件包含加加法器、減法器器、乘法法器、除除法器、增量器器（+11）、減減量器（-1）、BCCD碼運運算器等等組件。ALUU的主要要工

39、作是是根據(jù)CCPU的的指令要要求執(zhí)行行各種指指定的運運算，如如加法、減法、乘法、除法、比較、邏輯移移位等操操作。通用寄存存器組是是一組存存取速度度最快的的存儲器器，用于于保存參參加運算算的操作作數(shù)和中中間結(jié)果果。訪問問寄存器器無需高高速緩存存，也不不需要運運行總線線周期，因此指指令的執(zhí)執(zhí)行速度度很快。幾乎所所有的指指令都要要將寄存存器指定定為一個個操作數(shù)數(shù)，有些些指令還還要求將將操作數(shù)數(shù)存放在在專用的的寄存器器中。專用寄存存器通常常用于表表示CPPU所處處于某種種系統(tǒng)狀狀態(tài)，AALU中中有兩個個重要的的狀態(tài)寄寄存器：指令指指針寄存存器IPP（即程程序計數(shù)數(shù)器PCC）和標(biāo)標(biāo)志寄存存器FLLAGS

40、S。三、 存存儲器層層次機(jī)構(gòu)構(gòu)（一）存存儲器的的分類1. 按按存儲介介質(zhì)分類類分為半導(dǎo)導(dǎo)體存儲儲器、磁表面面存儲器器、磁芯存存儲器和和光盤存存儲器2. 按按存取方方式分類類分為隨機(jī)機(jī)存儲器器、只讀存存儲器和和串行訪訪問存儲儲器3. 按按在計算算機(jī)中的的作用分分類存儲器主存閃速存儲器(Flash Memory)輔存緩存（Cache）只讀存儲器（ROM）靜態(tài)RAM動態(tài)RAM隨機(jī)存儲器（RAM）MROMPROMEPROMEEPROM磁盤磁帶光盤（二）存存儲器的的層次化化結(jié)構(gòu)存儲器有有3個重重要的指指標(biāo)：速速度、容容量和每每位價格格，一般般來說，速度越越快，位位價越高高；容量量越大，位價越越低，容容量

41、大，速度就就越低。上述三三者的關(guān)關(guān)系用下下圖表示示：存儲系統(tǒng)統(tǒng)層次結(jié)結(jié)構(gòu)（三） 半導(dǎo)體體隨機(jī)存存取存儲儲器1. SSRAMM存儲器器的工作作原理1）靜態(tài)態(tài)存儲單單元SRAMM靜態(tài)存存儲單元元的每個個存儲位位需要四四到六個個晶體管管組成。比較典典型的是是六管存存儲單元元，即一一個存儲儲單元存存儲一位位信息“0”或“1”。靜態(tài)態(tài)存儲單單元保存存的信息息比較穩(wěn)穩(wěn)定，信信息為非非破壞性性讀出，故不需需要重寫寫或者刷刷新操作作；另一一方面，其結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單、可靠性性高、速速度較快快，但其其占用元元件較多多，占硅硅片面積積大，且且功耗大大，所以以集成度度不高。靜態(tài)隨機(jī)機(jī)存儲單單元一個典型型的SRRAM結(jié)結(jié)構(gòu)圖

42、靜態(tài)存儲儲器的結(jié)結(jié)構(gòu)。SSRAMM普遍采采用全地地址線方方式，即即芯片地地址管腳腳安排了了內(nèi)部必必要的全全部行地地址和列列地址。芯片采采用片選選信號CCS。SSRAMM存儲器器由存儲儲體、讀讀寫電路路、地址址譯碼器器和控制制電路等等組成。一個典典型的SSRAMM結(jié)構(gòu)如如圖所示示。2. DDRAMM存儲器器的工作作原理1）動態(tài)態(tài)存儲單單元常見的動動態(tài)RAAM存儲儲單元有有三管式式和單管管式兩種種，它們們的共特特點是靠靠電容存存儲電荷荷的原理理來寄存存信息。若電容容上存有有足夠的的電荷表表示“”，電容容上無電電荷表示示“0”。電容容上的電電荷一般般只能維維持1-2mss，因此此即使電電源不掉掉電，

43、電電容上的的電荷會會自動消消失。因因此，為為保證信信息的不不丟失，必須在在2mss之內(nèi)就就要對存存儲單元元進(jìn)行一一次恢復(fù)復(fù)操作，這個過過程稱為為再生或或者刷新新。與靜靜態(tài)RAAM相比比，動態(tài)態(tài)RAMM具有集集成度更更高、功功耗更低低等特點點，目前前被各類類計算機(jī)機(jī)廣泛使使用。三管動態(tài)態(tài)RAMM基本單單元單管管動態(tài)RRAM基基本單元元2)DRRAM存存儲單元元的刷新新刷新方式式刷新方法法特點集中式在整個刷刷新間隔隔內(nèi)，前前一段時時間重復(fù)復(fù)進(jìn)行讀讀寫周周期或維維持周期期，等到到需要進(jìn)進(jìn)行刷新新操作時時，便暫暫停讀寫或維維持周期期，而逐逐行刷新新整個存存儲器集中時間間刷新。有死時時間存在在逐行刷刷新

44、。適適合于高高速存儲儲器分散式把一個存存儲系統(tǒng)統(tǒng)周期丸丸分為兩兩半，周周期前半半段時間間tm用用來讀寫操作作或維持持信息，周期后后半段時時間丸作作為刷新新操作時時間。這這樣，每每經(jīng)過nn個系統(tǒng)統(tǒng)周期時時間，整整個存儲儲器便全全部刷新新一遍逐行刷新新。沒有有死時間間。浪費費比較大大，因為為刷新時時間比允允許的短短許多異步式保證在一一個刷新新周期內(nèi)內(nèi)將存儲儲芯片內(nèi)內(nèi)的所有有行刷新一遍遍，可能能等時間間一間距距，也可可能不等等結(jié)合了以以上兩者者的優(yōu)點點，實際際應(yīng)用比比較有優(yōu)優(yōu)勢3）DRRAM的的擴(kuò)展特特殊性DRAMM地址的的特殊性性問題：行地址址和列地地址復(fù)用用，行地地址和列列地址的的定時和和選通之

45、之間的問問題。需需要將CCPU全全地址分分為行地地址和列列地址，以及產(chǎn)產(chǎn)生行選選通信號號RASS和列選選通信號號CASS。（四） 只讀存存儲器前面介紹紹的DRRAM和和SRAAM均為為可任意意讀寫寫的隨機(jī)機(jī)存儲器器，當(dāng)?shù)舻綦姇r，所存儲儲的內(nèi)容容消失，所以是是易失性性存儲器器。只讀讀存儲器器，即使使停電，所存儲儲的內(nèi)容容也不丟丟失。根根據(jù)半導(dǎo)導(dǎo)體制造造工藝的的不同，可分為為ROMM，PROOM，EPRROM，E2RROM和和Flaash Memmoryy1. 只只讀存儲儲器（RROM）掩模式RROM由由芯片制制造商在在制造時時寫入內(nèi)內(nèi)容，以以后只能能讀而不不能再寫寫入。其其基本存存儲原理理是以元

46、元件的“有無無”來表示示該存儲儲單元的的信息（“1”或“0”），可可以用二二極管或或晶體管管作為元元件，顯顯而易見見，其存存儲內(nèi)容容是不會會改變的的。2. 可可編程序序的只讀讀存儲器器（PRROM） PROOM可由由用戶根根據(jù)自己己的需要要來確定定ROMM中的內(nèi)內(nèi)容，常常見的熔熔絲式PPROMM是以熔熔絲的通通和斷開開來表示示所存的的信息為為“1”或“0”。剛出出廠的產(chǎn)產(chǎn)品，其其熔絲是是全部接接通的。根據(jù)需需要斷開開某些單單元的熔熔絲（寫寫入）。顯而易易見，斷斷開后的的熔絲是是不能再再接通了了，因而而一次性性寫入的的存儲器器。掉電電后不會會影響其其所存儲儲的內(nèi)容容。3. 可可擦可編編程序的的只

47、讀存存儲器（EPRROM）為了能修修改ROOM中的的內(nèi)容，出現(xiàn)了了EPRROM。利用浮浮動?xùn)臡MOS電電路保存存信息，信息的的改寫用用紫外線線照射即即可擦除除。4. 可可電擦可可編程序序只讀存存儲器（E2PPROMM）E2PRROM的的編程序序原理與與EPRROM相相同，但但擦除原原理完全全不同，重復(fù)改改寫的次次數(shù)有限限制（因因氧化層層被磨損損），一一般為110萬次次。其讀寫操操作可按按每個位位或每個個字節(jié)進(jìn)進(jìn)行，類類似SRRAM，但每字字節(jié)的寫寫入周期期要幾毫毫秒，比比SRAAM長得得多。EE2PRROM每每個存儲儲單元采采則2個晶體體管。其其柵極氧氧化層比比EPRROM薄薄，因此此具有電電

48、擦除功功能。5.快除除讀寫存存儲器（Flaash Meemorry）F1assh MMemoory是是在EPPROMM與E2PPROMM基礎(chǔ)上上發(fā)展起起來的，其讀寫寫過程和和E2PPROMM不同，F(xiàn)1aash Memmoryy的讀寫寫操作一一般是以以塊為單單位。（五） 主存儲儲器與CCPU的的連接1個存儲儲器的芯芯片的容容量是有有限的，它在字字?jǐn)?shù)或字字長方面面與實際際存儲器器的要求求都有很很大差距距，所以以需要在在字向和和位向進(jìn)進(jìn)行擴(kuò)充充才能滿滿足需要要。根據(jù)據(jù)存儲器器所需的的存儲容容量和所所提供的的芯片的的實際容容量，可可以計算算出總的的芯片數(shù)數(shù)。一個個存儲器器的容量量為MN位，若若使用LL

49、K位存儲儲器芯片片，那么么，這個個存儲器器共需要要M/LLN/KK存儲器器芯片。1位擴(kuò)擴(kuò)展位擴(kuò)展指指的是用用多個存存儲器器器件對字字長進(jìn)行行擴(kuò)充。位擴(kuò)展展的連接接方式是是將多片片存儲器器的地址址、片選選己、讀讀寫控制制端R/W可相應(yīng)應(yīng)并聯(lián)，數(shù)據(jù)端端分別引引出。1K44的SRRAM存存儲芯片片構(gòu)造11K8的存存儲器（位擴(kuò)擴(kuò)展）1K88 S RAMM存儲芯芯片構(gòu)成成4K8的存存儲器（字?jǐn)U展展）2字?jǐn)U擴(kuò)展字?jǐn)U展指指的是增增加存儲儲器中字字的數(shù)量量。靜態(tài)態(tài)存儲器器進(jìn)行字字?jǐn)U展時時，將各各芯片的的地址線線、數(shù)據(jù)據(jù)線、讀讀寫控制制線相應(yīng)應(yīng)并聯(lián)，而由片片選信號號來區(qū)分分各芯片片的地址址范圍。下圖是是1 KK

50、 8 SS RAAM存儲儲芯片構(gòu)構(gòu)成4KK 8的的存儲。3字位位擴(kuò)展實際存儲儲器往往往需要字字向和位位向同時時擴(kuò)充。基本思思路可參參照位擴(kuò)擴(kuò)展和字字?jǐn)U展。1K44SRAAM存儲儲芯片構(gòu)構(gòu)成166K8的存儲儲器（六） 雙口RRAM和和多模塊塊存儲器器1.雙端端口存儲儲器雙端口存存儲器是是一種具具有兩個個單獨的的讀/寫寫端口及及控制電電路的存存儲器，通過增增加一個個讀/寫寫端口，雙端口口存儲器器擴(kuò)展了了存儲器器的的信信息交換換能力。雙端口口存儲器器存在沖沖突的讀讀寫控制制問題，當(dāng)兩端端口同時時訪問存存儲器統(tǒng)統(tǒng)一單元元時，便便發(fā)生讀讀寫沖突突。為解解決此問問題，設(shè)設(shè)置標(biāo)志志。讀寫寫某個單單元之前前，

51、檢查查標(biāo)記，訪問單單元時，標(biāo)記置置低；讀讀寫完畢畢，恢復(fù)復(fù)標(biāo)記高高。2.多模模塊存儲儲器（1）存存儲器的的模塊化化組織一個由若若干個模模塊組成成的主存存儲器是是線性編編址的。這些地地址在各各模塊中中有兩種種安排方方式，分分別是：順序方方式和交交叉方式式，如表表所示。地址高位位地址低位位工作方式式優(yōu)點缺點順序方式式選擇模塊塊選擇字模塊單獨獨工作，串行存存儲器結(jié)結(jié)構(gòu)，連連續(xù)地址址位于同同一模塊塊中擴(kuò)容方便便，模塊塊間故障障隔離帶寬受限限交叉方式式選擇字選擇模塊塊模塊同時時并行工工作，并并行存儲儲器結(jié)構(gòu)構(gòu)；連續(xù)續(xù)地址分分配在不不同的模模塊中提高了帶帶寬，提提高了機(jī)機(jī)器運行行速度故障不能能隔離，一個模

52、模塊出錯錯，程序序就出錯錯（七） 高速緩緩沖存儲儲器（CCachhe）1. 程程序訪問問的局部部性從大量的的統(tǒng)計中中得到的的一個規(guī)規(guī)律是，程序中中對于存存儲空間間90%的訪問問局限于于存儲空空間的110%的的區(qū)域中中，而另另外100%的訪訪問則分分布在存存儲空間間的其余余90%的區(qū)域域中。這這就是通通常說的的局部性性原理。訪存的的局部性性規(guī)律包包括兩個個方面：時間局部部性：如如果一個個存儲項項被訪問問，則可可能該項項會很快快被再次次訪問。 空間局部部性：如如果一個個存儲項項被訪問問，則該該項及其其鄰近的的項也可可能很快快被訪問問。2. CCachhe的基基本工作作原理Cachhe通常常由兩部部

53、分組成成，塊表表和快速速存儲器器。其工工作原理理是：處處理機(jī)按按主存地地址訪問問存儲器器，存儲儲器地址址的高段段通過主主存-CCachhe地址址映象機(jī)機(jī)構(gòu)借助助查表判判定該地地址的存存儲單元元是否在在Cacche中中，如果果在，則則Cacche命命中，按按Cacche地地址訪問問Cacche。否則，Cacche不不命中，則需要要訪問主主存，并并從主存存中調(diào)入入相應(yīng)數(shù)數(shù)據(jù)塊到到Cacche中中，若CCachhe中已已寫滿，則要按按某種算算法將CCachhe中的的某一塊塊替換出出去，并并修改有有關(guān)的地地址映象象關(guān)系。從這個工工作原理理我們可可以看出出，它已已經(jīng)涉及及到了兩兩個問題題。首先先是定位位

54、、然后后是替換換的問題題。Cachhe的存存在對程程序員是是透明的的。其地地址變換換和數(shù)據(jù)據(jù)塊的替替換算法法均由硬硬件實現(xiàn)現(xiàn)。通常常Cacche被被集成到到CPUU內(nèi)以提提高訪問問速度。下圖是是Cacche的的基本結(jié)結(jié)構(gòu)。3. CCachhe和主主存之間間的映射射方式因為處理理機(jī)訪問問都是按按主存地地址訪問問的，而而Cacche的的空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主主存，如如何知道道這一次次的訪問問內(nèi)容是是不是在在Cacche中中，在CCachhe中的的哪一個個位置呢呢? 這這就需要要地址映映象，即即把主存存中的地地址映射射成Caachee中的地地址。讓讓Cacche中中一個存存儲塊(空間)與主存存中若干干塊相對

55、對應(yīng)，如如此，訪訪問一個個主存地地址時，就可以以對應(yīng)地地知道在在cacche中中哪一個個地址了了。地址址映象的的方法有有三種：直接映映象、全全相聯(lián)映映象和組組相聯(lián)映映象。（1）直直接映像像直接映象象就是將將主存地地址映象象到Caachee中的一一個指定定地址。任何時時候，主主存中存存儲單元元的數(shù)據(jù)據(jù)只能調(diào)調(diào)入到CCachhe中的的一個位位置，這這是固定定的，若若這個位位置已有有數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生生沖突，原來的的塊將無無條件地地被替換換出去。每個主存存塊只與與一個CCachhe塊對對應(yīng)，映映射關(guān)系系：i = j mmod C 或或者 ii = j mmod 2c其中，ii為caachee塊號，j為主主

56、存塊號號。主存存標(biāo)記字字段為tt=m-c直接映射射直接映像像的缺點點是不夠夠靈活，每個主主存塊只只能固定定映射到到Cacche的的某個塊塊上，即即使存在在空閑的的塊，也也不能使使用，CCachhe空間間得不到到充分利利用。（2）全全相聯(lián)映映象全相聯(lián)映映象就是是任何主主存塊可映象象到任何何Cacche塊塊的方式式。在這這種方式式下，主主存中存存儲單元元的數(shù)據(jù)據(jù)可調(diào)入入到Caachee中的任任意位置置。只有有在Caachee中的塊塊全部裝裝滿后才才會出現(xiàn)現(xiàn)塊沖突突。和直直接映像像方式相相比，主主存的塊塊標(biāo)記從從t增加加到t+c位，使得CCachhe標(biāo)記記的位數(shù)數(shù)增多，而且訪訪問Caachee時主存

57、存塊標(biāo)記記需要和和Cacche的的全部標(biāo)標(biāo)記位進(jìn)進(jìn)行比較較，才能能判斷出出所訪問問主存地地址的內(nèi)內(nèi)容是否否已在CCachhe內(nèi)。這種比比較通常常采用“按內(nèi)容容尋址”的相聯(lián)聯(lián)存儲器器來完成成。全相連映映射（3）組組相聯(lián)映映象組相聯(lián)映映象是直直接映射射和全相相連映射射的折中中。把CCachhe分為為Q組，每組RR塊，并并有以下下關(guān)系：i=jj mood QQ其中，ii為Caachee的組號號，j為為主存的的塊號。是將存存儲空間間的頁面面分成若若干組，各組之之間的直直接映象象，而組組內(nèi)各塊塊之間則則是全相相聯(lián)映象象。下圖圖中，CCachhe分成成2q個組，q=cc-r，每組包包含2cc個塊。主存標(biāo)標(biāo)

58、記字段段為s=t+rr位。組相聯(lián)映映射4. CCachhe中主主存塊的的替換算算法在直接映映象方式式下，不不存在塊塊替換的的算法，因為每每一塊的的位置映映象是固固定的，需要哪哪一塊數(shù)數(shù)據(jù)就可可直接確確定地將將該塊數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)入入上層確確定位置置。而其其他兩種種映象就就存在替替換策略略的問題題，就是是要選擇擇替換到到哪一個個Cacche塊塊。即替替換算法法。思想優(yōu)點缺點隨機(jī)算法法RANND 用軟的或或硬的隨隨機(jī)數(shù)產(chǎn)產(chǎn)生器產(chǎn)產(chǎn)生上層層中要被被替換的的頁號簡單、易易于實現(xiàn)現(xiàn)沒有利用用上層存存儲器使使用的歷史信信息，沒有有反映等等程序局局部性，命中率率低。先進(jìn)先出出FIFFO 選擇最早早裝入上上層的頁頁作

59、為被被替換的的頁實現(xiàn)方便便，利用用了主存存歷史的的信息不能正確確反映程程序局部部性原理理，命中中率不高高，可能能出現(xiàn)一一種異常?，F(xiàn)象。近期最少少使用法法LRUU 選擇近期期最少訪訪問的頁頁作為被被替換的的頁比較正確確反映程程序局部部性，利利用訪存存的歷史史信息，命中率率較高實現(xiàn)較復(fù)復(fù)雜優(yōu)化替換換算法OOPT 將未來近近期不用用的頁換換出去命中率最最高，可可作為衡衡量其他他替換算算法的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不現(xiàn)實，只是一一種理想想算法5. CCachhe寫策策略對Cacche的的寫操作作，情況況比讀操操作要復(fù)復(fù)雜一些些。由于于寫入CCachhe時，并沒有有寫入主主存，因因此就出出現(xiàn)Caachee和主存存數(shù)據(jù)不不

60、一致的的情況。 如何處理理Cacche和和主存不不一致的的方法就就稱為更更新策略略。更新策略略思想優(yōu)點缺點寫回法是指在CCPU執(zhí)行寫寫操作時時，信息息只寫入入Cacche中中，僅當(dāng)當(dāng)需要替替換時，才將改改寫過的的Cacche塊塊先送回回主存(寫回)，然后后再調(diào)塊塊（設(shè)置置dirrty位位）有利于省省去許多多將中間間結(jié)果寫寫入主存存的無謂謂開銷。需設(shè)修改改位增加加Cacche的的復(fù)雜性性全寫法(寫直達(dá)達(dá)法) 在寫操作作時，將將數(shù)據(jù)同同時寫入入Cacche和和主存實現(xiàn)開銷銷小、簡簡單為了寫中中間結(jié)果果浪費了了不少時時間另外，當(dāng)當(dāng)寫不命命中時(也就是是寫Caachee塊時，這塊早早被人替替換出去去而