《組成原理》1-3章

1、教師：崔偉峰電話Q: 57591030E-mail：課程地位 計算機(jī)組成原理是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門核心的專業(yè)基礎(chǔ)課，在先導(dǎo)課和后續(xù)課之間起著承上啟下的作用。課程內(nèi)容 單處理機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理最經(jīng)濟(jì)、最有效、最快速但適應(yīng)性差適應(yīng)性最好犧牲了經(jīng)濟(jì)性、效率、速度數(shù)值由連續(xù)的量來表示運(yùn)算過程也是連續(xù)的按位運(yùn)算不連續(xù)地跳動計算1.2.1 計算機(jī)的五代變化時間時間主要器件主要器件第一代19461957電子管第二代19581964晶體管第三代19651971中小集成電路第四代19721990大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路第五代1991至今巨大規(guī)模集成電路1.2.1 計算機(jī)的五代

2、變化摩爾定律 由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍1.2.1 計算機(jī)的五代變化1.2.2 半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展1.2.3 微處理器的發(fā)展行數(shù)行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)解題步驟和數(shù)據(jù)123456789a10b11c12x13y1.3.1 硬件組成要素紙：算盤：筆：人：存儲器運(yùn)算器輸入輸出設(shè)備控制器例：計算y=ax+b-c取數(shù) （9 ） 算盤乘法 （12） 算盤加法 （10） 算盤減法 （11） 算盤存數(shù) y 13 輸出停止主機(jī)外圍設(shè)備CPU1.3.1 硬件組成要素存儲器運(yùn)算器控制器

3、系統(tǒng)總線適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備1.3.2 運(yùn)算器 主要功能：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 主要器件：ALU、寄存器ALU電路寄存器B累加器A計算機(jī)采用二進(jìn)制的原因 物理器件易實現(xiàn) 運(yùn)算規(guī)則簡單1. 易于進(jìn)行邏輯運(yùn)算1.3.3 存儲器 主要功能：存儲計算機(jī)運(yùn)行所需的程序與數(shù)據(jù) 主要器件：半導(dǎo)體存儲器存儲單元：保存一個機(jī)器字所用 半導(dǎo)體觸發(fā)器的集合地址：存儲單元的唯一編號存儲容量：所有存儲單元的總數(shù)存儲單元0123456m1.3.4 控制器 主要功能：協(xié)調(diào)和指揮整個計算機(jī)系統(tǒng)的操作 主要器件：程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器等 相關(guān)概念： 1. 指令：解題時的基本操作 2. 程

4、序：解題時的指令序列指令的格式操作碼操作碼地址碼地址碼指令指令操作碼操作碼加法001減法010乘法011除法100取數(shù)101存數(shù)110打印111停機(jī)00012345678910111312abxyc000 xxxx111 xxxx110 1101010 1011001 1010011 1100101 1001馮諾依曼型計算機(jī)的設(shè)計思想 存儲程序并按地址順序執(zhí)行控制器功能示意 取指周期 執(zhí)行周期機(jī)器字長計算機(jī)一次運(yùn)算所能處理的最大二進(jìn)制位數(shù) 指令流取指周期 內(nèi)存 控制器數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期 內(nèi)存 運(yùn)算器1.3.5 適配器與輸入輸出設(shè)備1. 輸入輸出設(shè)備人類熟悉的信息形式計算機(jī)內(nèi)部的二進(jìn)制信息形式2.

5、適配器將各種類型不同速度的輸入輸出設(shè)備與主機(jī)連接主機(jī)外圍設(shè)備CPU1.3.1 硬件組成要素存儲器運(yùn)算器控制器系統(tǒng)總線適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備用戶利用計算機(jī)來解決某些問題而專門編制的程序簡化程序設(shè)計和使用方法提高計算機(jī)的使用效率發(fā)揮和擴(kuò)大計算機(jī)的功能和用途1.4.1 軟件的組成與分類1.4.2 軟件的發(fā)展演變1.5.1 多級組成的計算機(jī)系統(tǒng) 采用多級組成計算機(jī)的技術(shù)，對了解計算機(jī)如何組成提供了一種好的結(jié)構(gòu)和體制，而且用分級的觀點來設(shè)計計算機(jī)，對保證產(chǎn)生一個良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是有幫助的。154321.5.2 軟件與硬件的邏輯等價性 1. 任何操作可由軟件實現(xiàn)，也可由硬件實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可由硬件完成

6、，也可由軟件完成。 2. 軟硬件轉(zhuǎn)化的媒介是：固件處理機(jī)字長 運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算的最大位數(shù)總線帶寬 運(yùn)算器與存儲器之間互連的總線二進(jìn)制位數(shù)存儲器帶寬 單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量主頻 CPU內(nèi)核工作的時鐘頻率，即CPU內(nèi)部每秒鐘發(fā)出的脈沖信號的次數(shù)時鐘周期：主頻的倒數(shù)CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時間CPI（Clock Per Instruction）MIPS ( Million Instructions Per Second)MFLOPS ( Million Floating-point Operations Per Second) 計算機(jī)的分類計算

7、機(jī)的組成馮諾依曼型計算機(jī)的設(shè)計思想計算機(jī)系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)4. 馮諾依曼型計算機(jī)的主要設(shè)計思想是什么？它包括哪些主要組成部分？答：主要設(shè)計思想是：存儲程序并按地址順序執(zhí)行； 主要組成部分有：運(yùn)算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備數(shù)制轉(zhuǎn)換2.1.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的格式 1. 定點表示法 定點：數(shù)據(jù)中小數(shù)點的位置固定符號位數(shù)值位純小數(shù)：小數(shù)點固定在符號位和數(shù)值位之間純整數(shù)：小數(shù)點固定在數(shù)值位最右邊數(shù)值數(shù)值nx0121xxxxnn000000000101000010011111011111純整數(shù)的表示范圍120nx純小數(shù)的表示范圍nx210) 12(n) 12(n1100)21 (n)21 (nn2n

8、2002. 浮點表示方法 1) 浮點：小數(shù)點位置隨比例因子的不同可以自由浮動MRNe指數(shù)基數(shù)尾數(shù)2) 浮點數(shù)的三要素3) 早期機(jī)器浮點數(shù)的格式4) IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的浮點數(shù)格式 階符階碼數(shù)符尾數(shù)SEM11823115232位浮點數(shù)64位浮點數(shù)32位浮點數(shù) E=e+127 (01111111)64位浮點數(shù) E=e+1023 (0111111111)sE011EEEnsM011MMMn5) 浮點數(shù)的規(guī)格化表示 當(dāng)尾數(shù)的值不為0時，尾數(shù)域的最高有效位為1 32位浮點數(shù)x對應(yīng)的數(shù)值為 64位浮點數(shù)x對應(yīng)的數(shù)值為1272). 1 () 1(EsMx10232). 1 () 1(EsMx3. 十進(jìn)制數(shù)的

9、表示方法 1) BCD編碼（Binary Coded Decimal） 2) 十進(jìn)制數(shù)串的表示與存儲字符串形式壓縮的十進(jìn)制數(shù)串機(jī)器碼數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)內(nèi)編碼真值機(jī)器碼所代表的實際數(shù)值原碼表示法1) 定義 符號位：正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1 數(shù)值位：該數(shù)的絕對值真值真值二進(jìn)制真值二進(jìn)制真值8 8位原碼位原碼0127111270111111100000001000000001000000010000001111111110111111100000010000000000000000000011111111原碼表示法1) 定義 符號位：正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1 數(shù)值位：該數(shù)的絕對值 2) 特點 零的表示不唯一； 真值與

10、機(jī)器碼易轉(zhuǎn)換； 加減法運(yùn)算復(fù)雜。2. 反碼表示法1) 定義 正數(shù)時與原碼相同； 負(fù)數(shù)時僅將原碼的數(shù)值位按位取反真值真值8 8位原碼位原碼8 8位反碼位反碼01271112701111111000000010000000010000000100000011111111100111111100000001000000001111111111111110100000002. 反碼表示法1) 定義 正數(shù)時與原碼相同； 負(fù)數(shù)時僅將原碼的數(shù)值位按位取反 2) 特點 零的表示不唯一； 加減法運(yùn)算稍復(fù)雜。3. 補(bǔ)碼表示法1) 定義 正數(shù)時與原碼相同； 負(fù)數(shù)時將反碼末位加1真值真值8 8位原碼位原碼8 8位反碼

11、位反碼8 8位補(bǔ)碼位補(bǔ)碼01271112701111111000000010000000010000000100000011111111100111111100000001000000001111111111111110100000000111111100000001000000000000000011111111100000013. 補(bǔ)碼表示法1) 定義 正數(shù)時與原碼相同； 負(fù)數(shù)時將反碼末位加1 2) 特點 零的表示唯一； 加減法運(yùn)算簡單。 3) 補(bǔ)碼與真值的轉(zhuǎn)換公式1022niiinnxxx4. 移碼表示法1) 定義 對于n+1位機(jī)器碼，移碼為 真值真值 二進(jìn)制真值二進(jìn)制真值偏移量偏移量8

12、 8位補(bǔ)碼位補(bǔ)碼8 8位移碼位移碼0127111270011111110000000100000000000000001111111110000001111111111000000110000000100000000111111100000001111111100000010000000000000000000011111111100000004. 移碼表示法1) 定義 對于n+1位機(jī)器碼，移碼為 2) 特點 符號位0為負(fù)，1為正； 相同真值的移碼和補(bǔ)碼數(shù)值位相同，符號位相反； 移碼進(jìn)行加減法運(yùn)算時得到的結(jié)果是真值的補(bǔ)碼形式。xxn 2移)22(nnx 1. 西文字符 1) ASCII碼（Am

13、erican Standard Code for Information Interchange ） 2) 字符串2. 中文字符 1) 輸入編碼 2) 機(jī)內(nèi)碼 3) 字模碼定義 帶有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改錯能力的編碼方式奇偶校驗碼 1) 實現(xiàn)方法 2) 校驗位的取值將使整個校驗碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)， 稱作奇校驗和偶校驗校驗位nx有效信息位0121xxxxnn校驗碼數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)偶校驗編碼偶校驗編碼奇校驗編碼奇校驗編碼101010100101010000000000011111111111111110101010010101000000000001111111111111111010101001

14、01010000000000011111111111111101000111102.2.1 補(bǔ)碼加法 1. 方法：任意兩數(shù)的補(bǔ)碼之和等于該兩數(shù)之和的補(bǔ)碼 2. 例11、例12 3. 特點： 1) 符號位作為數(shù)的一部分一起參與運(yùn)算 2) 超過機(jī)器碼最高位的進(jìn)位要丟掉2.2.2 補(bǔ)碼減法 1. 方法：將減法轉(zhuǎn)換為加法進(jìn)行運(yùn)算 2. 由 求出 的方法： 包括符號位“求反且最末位加1” 3. 例13、例14補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)yxyxyx12modn補(bǔ)y補(bǔ) y2.2.3 溢出及其檢測方法 1. 概念：運(yùn)算結(jié)果超出了機(jī)器碼的表示范圍2. 檢測方法： 1) 雙符號位（變形補(bǔ)碼） 正數(shù)：00 負(fù)數(shù)：11 當(dāng)符號位為

15、01 時，結(jié)果上溢 當(dāng)符號位為 10 時，結(jié)果下溢 2) 單符號位3. 例17、例182.2.4 基本的二進(jìn)制加法/減法器 1. 基本的邏輯操作與邏輯門電路 與門 非門或門異或門 輸輸 入入輸輸 出出iAiBiCiS1iC0000000110010100110110010101011100111111iiiiiiiiiiiiCBACBACBACBASiiiiiiiiiiiiiCBACBACBACBAC1iiiCBAiiiiiCBABA2. 全加器： 2.3.1 原碼并行乘法 1.方法：乘積的符號位由兩數(shù)的符號位異或得到，數(shù)值位由兩數(shù)的絕對值相乘得到 0121012101210121yyyyxx

16、xxyxxyyyyyyyxxxxxxnnnnffnnfnnf原原原則 例1101,1011，求z=xy 1 1 0 1 () 1 0 1 1() 1101 1101 0000 1101 10001111() 部分積 乘數(shù)y 說明0 0 0 0 00 1 0 1 1 部分積初始化為0 +X0 1 1 0 1 乘數(shù)最低位為，加上被乘數(shù)0 1 1 0 10 1 0 1 1 部分積右移，前面補(bǔ)00 0 1 1 01 0 1 0 1 乘數(shù)最低位為，加上被乘數(shù)+X0 1 1 0 11 0 0 1 11 0 1 0 1 部分積右移，前面補(bǔ)00 1 0 0 11 1 0 1 0 乘數(shù)最低位為0，加上0+00

17、0 0 0 00 1 0 0 11 1 0 1 0部分積右移，前面補(bǔ)00 0 1 0 01 1 1 0 1乘數(shù)最低位為，加上被乘數(shù)+X0 1 1 0 11 0 0 0 11 1 1 0 1部分積右移，前面補(bǔ)00 1 0 0 01 1 1 1 0運(yùn)算四次，結(jié)束數(shù)值部分運(yùn)算不帶符號的陣列乘法器不帶符號的陣列乘法器帶有符號的陣列乘法器原理：當(dāng)使用補(bǔ)碼進(jìn)行乘法運(yùn)算時轉(zhuǎn)換方法：求補(bǔ)電路補(bǔ)碼的數(shù)值位絕對值補(bǔ)碼的數(shù)值位 從數(shù)的最右端開始，由右向左找到第一個“1”，右側(cè)的數(shù)值（包括這個1）不變，左側(cè)的數(shù)值取反。帶有符號的陣列乘法器2.4.1 原碼除法 1. 方法：商的符號位由兩數(shù)的符號位異或得到，數(shù)值位由兩數(shù)

18、的絕對值相除得到 0121012101210121/yyyyxxxxyxyxyyyyyyxxxxxxnnnnffnnfnnf原原原則 商q 0.1 0 1 1 0.1 0 0 1 0(r0) 被除數(shù) 0.0 1 0 1 12-1除數(shù)右移1位，減除數(shù) 0.0 0 1 1 1 0 r1 得余數(shù)r1 0.0 0 1 0 1 12-2除數(shù)右移1位，減除數(shù) 0.0 0 0 0 1 1 0 r2得余數(shù)r2 0.0 0 0 0 0 0 0 0 除數(shù)右移1位，不減除數(shù) 0.0 0 0 0 1 1 0 0 r3得余數(shù)r3 0.0 0 0 0 1 0 1 1 2-4除數(shù)右移1位，減除數(shù) 0.0 0 0 0 0 0

19、 0 1 r4得余數(shù)r4例：x=0.1001 y=0.1011 求q=x/y. 01101恢復(fù)余數(shù)法 在運(yùn)算過程中出現(xiàn)余數(shù)小于零的情況時，需要恢復(fù)原來的余數(shù)后在繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算加減交替法 在運(yùn)算過程中，根據(jù)余數(shù)的符號運(yùn)算：為正下一步做減法；為負(fù)下一步加法 001011 00000 開始 110011 - y 111110 00000 余數(shù)為負(fù)，商0 111100 00000 左移一位 001101 + y 001001 00001 余數(shù)為正，商1 010010 00010 左移一位 110011 - y 000101 00011 余數(shù)為正，商1 001010 00110 左移一位 110011 -

20、 y 111101 00110 余數(shù)為負(fù)，商0 111010 01100 左移一位 001101 + y 000111 01101 余數(shù)為正，商1被除數(shù)商說明例：x=0.1011 y=0.1101 求q=x/y可控加法/減法(CAS)單元的邏輯圖由多個CAS單元組成的陣列除法器2.5 2.5 定點運(yùn)算器的組成定點運(yùn)算器的組成多功能算術(shù)/邏輯運(yùn)算單元（ALU）1內(nèi)部總線2定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)31 基本思想基本思想iiiiCBASiiiiiiiCBCABAC1iininiiiininiiiXCCYYXCCYXF12.5.2 ALU2.5.2 ALU2 邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式S0 S1 Yi S2 S

21、3 Xi 000 11 0 1 1000110 111iAiiBAiiBA0iiBA iiBA iAiiiiiiiiiiiiASSBASSBASSSSXBASSBASSASSY32323232101010)()(表2.4 Xi、Yi與控制參數(shù)和輸入量的關(guān)系 將Xi和Yi的邏輯表達(dá)式進(jìn)一步化簡為 ALU的某一位邏輯表達(dá)式為iiiiiiiiiBSBSAYBASBASX1023Xi+Yi=Xi XiYi=YiiininiiiininiiiXCCYYXCCYXF12 邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式iiniXCY4位位ALU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Cn1Y0X0CnCn2Y1X1Cn1 Cn3Y2X2Cn2Cn4Y3X3Cn3Y

22、1Y0X1X0X1CnY2Y1X1Y0X1X2X0X1X2CnY3Y2X3Y1X2X3Y0X1X2X3X0X1X2X3Cn4位位ALU結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 令GY3Y2X3Y1X2X3Y0X1X2X3 PX0X1X2X3 G為進(jìn)位發(fā)生輸出 P為進(jìn)位傳送輸出 增加P和G的目的在于實現(xiàn)多片（組）ALU之間的先行進(jìn)位 器件： 74181ALU3 算術(shù)邏輯運(yùn)算的實現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算的實現(xiàn)3 算術(shù)邏輯運(yùn)算的實現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算的實現(xiàn) 算術(shù)邏輯運(yùn)算的控制 M=0時，對進(jìn)位信號沒有影響，做算術(shù)運(yùn)算 M=1時，進(jìn)位門被封鎖，做邏輯運(yùn)算4 兩級先行進(jìn)位的兩級先行進(jìn)位的ALU 4片（組）ALU串聯(lián)進(jìn)行16位的運(yùn)算 特點 Cn+x=G

23、0+P0Cn Cn+y=G1+P1Cn+x Cn+x=G2+P2Cn+y Cn+4=G3+P3Cn+z 片內(nèi)先行進(jìn)位，片間串行進(jìn)位4 兩級先行進(jìn)位的兩級先行進(jìn)位的ALU 各片間的進(jìn)位邏輯關(guān)系如下C Cn+xn+x=G=G0 0+P+P0 0C Cn n C Cn+yn+y=G=G1 1+P+P1 1C Cn+xn+x=G=G1 1+G+G0 0P P1 1+P+P0 0P P1 1C Cn n C Cn+xn+x=G=G2 2+P+P2 2C Cn+yn+y=G=G2 2+G+G1 1P P2 2+G+G0 0P P1 1P P2 2+P+P0 0P P1 1P P2 2C Cn n C Cn

24、+4n+4=G=G3 3+P+P3 3C Cn+zn+z =G =G3 3+G+G2 2P P3 3+G+G1 1P P2 2P P3 3+G+G0 0P P1 1P P2 2P P3 3+P+P0 0P P1 1P P2 2P P3 3C Cn n令令 P P* *=P=P0 0P P1 1P P2 2P P3 3 G G* *=G=G3 3+G+G2 2P P3 3+G+G1 1P P2 2P P3 3+G+G0 0P P1 1P P2 2P P3 3則則C Cn+4n+4=G=G* *+P+P* *C Cn n(成組進(jìn)位傳送輸出)(成組進(jìn)位發(fā)生輸出)4 兩級先行進(jìn)位的兩級先行進(jìn)位的ALU

25、 成組先行進(jìn)位部件CLA(74182)的邏輯圖16位先行進(jìn)位位先行進(jìn)位ALU2.5.3 2.5.3 內(nèi)部總線內(nèi)部總線 概念 計算機(jī)中各部件之間進(jìn)行信息傳送的公共通路 分類 所處位置 內(nèi)部總線(CPU內(nèi)部) 外部總線(系統(tǒng)總線) 邏輯結(jié)構(gòu) 單向傳送總線 雙向傳送總線單向數(shù)據(jù)總線單向數(shù)據(jù)總線 三態(tài)門雙向數(shù)據(jù)總線雙向數(shù)據(jù)總線2.5.4 2.5.4 定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu) 單總線結(jié)構(gòu) 特點 控制電路簡單 操作速度慢2.5.4 2.5.4 定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu) 雙總線結(jié)構(gòu) 特點 數(shù)據(jù)傳送靈活 成本較高2.5.4 2.5.4 定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)定點運(yùn)算器的基本結(jié)構(gòu)

26、三總線結(jié)構(gòu) 特點 操作速度快 成本高2.6 2.6 浮點運(yùn)算方法及運(yùn)算器浮點運(yùn)算方法及運(yùn)算器浮點加減法1浮點乘除法2浮點運(yùn)算流水線3 1. 運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算規(guī)則 設(shè)有兩個浮點數(shù) x 和 y ，它們分別為x = Mx 2Exy = My 2Ey 兩浮點數(shù)進(jìn)行加減運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)則是z = xy = (Mx 2ExEy My) 2Ey Ex Ey2.6.1 2.6.1 浮點加法、減法運(yùn)算浮點加法、減法運(yùn)算 當(dāng)判知兩個浮點數(shù)中有一個值為0時，即可得知運(yùn)算結(jié)果，從而節(jié)省運(yùn)算時間（1）要將兩數(shù)的小數(shù)點位置對齊，必須使兩數(shù)的階碼相同（2）對階時，必須是小階向大階看齊（1）當(dāng)尾數(shù)運(yùn)算結(jié)果為 01.xxx 或 10.

27、xxx 時，須將其右移以實現(xiàn)規(guī)格化表示，簡稱右規(guī)（2）當(dāng)尾數(shù)運(yùn)算結(jié)果為00.0 xxx時，須將其左移以實現(xiàn)規(guī)格化表示，簡稱左規(guī)當(dāng)尾數(shù)的低位部分要被丟棄時，要進(jìn)行舍入處理 就近舍入、朝0舍入、朝+舍入、朝舍入（1）階碼溢出（2）尾數(shù)溢出 2. 具體步驟具體步驟1234563. 例題例題 設(shè)有兩浮點數(shù) x = 20100.11011011， y = 2100 (0.10101100)，求 x + y 。 解：兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號位， 尾數(shù)采用單符號位。 x浮 = 00 010，0.11011011 y浮 = 00 100，1.01010100(1) 求階差并對階 E = Ex Ey =

28、 Ex 補(bǔ)+ Ey 補(bǔ) = 00 010 +11 100 = 11 110 = (2)10 即 x 的階碼小，應(yīng)使 Mx 右移 2 位，Ex 加 2。 x浮 = 00 100，0.00110110(11) 其中(11)表示 Mx 右移時從尾數(shù)域右端流出的最低兩位數(shù)。(2) 尾數(shù)求和 0.00110110(11) 1.01010100 1.10001010(11)(3) 規(guī)格化處理 尾數(shù)運(yùn)算結(jié)果的符號位與最高數(shù)值位同值，應(yīng)執(zhí)行左規(guī)處理，結(jié)果為 1.00010101(10) 階碼為00 011(4) 舍入處理 采用 0 舍 1 入法處理，則有 1.00010101+ 1 1.00010110(5)

29、 溢出判斷 階碼符號位為 00 不溢出，故得最終結(jié)果為x+y = 2011 (0.11101010) 1. 運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算規(guī)則 設(shè)有兩個浮點數(shù) x 和 y ，它們分別為x = Mx 2Exy = My 2Ey 兩浮點數(shù)進(jìn)行乘除運(yùn)算的運(yùn)算規(guī)則是x y = (Mx My) 2ExEy x y = (Mx My) 2ExEy 2.6.1 2.6.1 浮點乘法、除法運(yùn)算浮點乘法、除法運(yùn)算 2. 具體步驟具體步驟1234563. 例題例題 設(shè)有兩浮點數(shù) x = 250.0110011， y = 23 (0.1110010)，求 x y 。 解：兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號位， 尾數(shù)采用單符號位。 x浮

30、 = 11 011，0. 0110011 y浮 = 00 011，1. 1110010(1) 求階碼和Ex 補(bǔ)+ Ey 補(bǔ) = 11 011 + 00 011 = 11 110 = (2)10(2) 求尾數(shù)積 Mx 原My 原 = 1.0101101 0110110(3) 規(guī)格化處理 尾數(shù)運(yùn)算結(jié)果的不符合規(guī)格化，應(yīng)執(zhí)行左規(guī)處理，結(jié)果為 1. 1011010 1101100 階碼為11 101 (4) 舍入處理 采用 0 舍 1 入法處理，則有(5) 溢出判斷 階碼符號位為 11 不溢出，故得最終結(jié)果為xy = 2011 (0.1011011)1011011 1. 1 (1101100) 101

31、1010 1. 2.6.3 2.6.3 浮點運(yùn)算流水線浮點運(yùn)算流水線一、 流水線原理1. 基本原理 把一個復(fù)雜的過程分解成若干個子過程，前一個子過程為后一個子過程創(chuàng)造執(zhí)行條件，每個子過程間可以并行執(zhí)行。2. 流水線的硬件基本結(jié)構(gòu)一、一、 流水線原理流水線原理3. 流水線中參數(shù)時鐘周期：流水線各子過程間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的時間間隔加速比：采用流水線前后的速度之比 li max需時間采用流水線完成任務(wù)所所需時間未采用流水線完成任務(wù)kC) 1( nkkn二、流水線浮點加法器二、流水線浮點加法器本章小結(jié)本章小結(jié) 定點數(shù)、浮點數(shù)（熟練掌握） 機(jī)器碼（熟練掌握） 定點加減運(yùn)算（熟練掌握） 定點乘除運(yùn)算（理解）

32、定點運(yùn)算器（理解） 浮點運(yùn)算方法及運(yùn)算器（理解）第二章第二章 練習(xí)題練習(xí)題1設(shè)寄存器位數(shù)為8位，機(jī)器數(shù)采用補(bǔ)碼形式(含一位符號位)。(-27)10保存在寄存器內(nèi)應(yīng)為（ ）（A）27H（B）9BH（C）E5H（D）5AH2下列數(shù)中最小的數(shù)為（ ）（A）(101001)2（B）(52)8（C）(101001)BCD（D）(33)163. (2000)10化成十六進(jìn)制數(shù)是（ ）（A）(7CD)16（B）(7D0)16（C）(7E0)16（D）(7F0)16第二章第二章 練習(xí)題練習(xí)題4用32位字長(其中1位符號位)表示定點小數(shù)時，所能表示的數(shù)值范圍是 （）（A） （B） （C） （D） 5設(shè) X補(bǔ)=1

33、.x1x2x3x4，當(dāng)滿足_時， 成立。（A）x1必須為1，x2x3x4至少有一個為1（B）x1必須為1，x2x3x4任意（C）x1必須為0，x2x3x4至少有一個為1（D）x1必須為0，x2x3x4任意2/1X32210 N31210 N30210 N29210 N第三章第三章 內(nèi)部存儲器內(nèi)部存儲器存儲器概述1SRAM存儲器2DRAM存儲器3只讀存儲器和閃速存儲器4并行存儲器5Cache存儲器6虛擬存儲器73.1 3.1 存儲器概述存儲器概述一、存儲器的分類存儲介質(zhì)半導(dǎo)體存儲器磁表面存儲器存取方式隨機(jī)存儲器順序存儲器存儲內(nèi)容可變性只讀存儲器隨機(jī)讀寫存儲器信息易失性易失性存儲器非易失性存儲器系

34、統(tǒng)中的作用主存儲器輔助存儲器高速緩沖存儲器控制存儲器二、存儲器的分級二、存儲器的分級分級的目的：構(gòu)建容量大、速度快、成本低的存儲系統(tǒng)CPU直接訪問CPU間接訪問CPU內(nèi)部正在執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)主機(jī)內(nèi)將要或正在執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)主機(jī)外系統(tǒng)程序大型數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)庫三、主存儲器的技術(shù)指標(biāo)三、主存儲器的技術(shù)指標(biāo)1. 主存編址方式 1) 按字編址 2) 按字節(jié)編址 3) 按位編址三、主存儲器的技術(shù)指標(biāo)三、主存儲器的技術(shù)指標(biāo)2. 主存的技術(shù)指標(biāo) 1) 存儲容量 存儲器所能容納的信息量的多少 2) 存取時間（訪問時間） 一次讀或?qū)懙牟僮鲿r間 3) 存取周期 連續(xù)兩次讀或?qū)懖僮鞯臅r間間隔 4) 存儲器帶寬 單位時間

35、內(nèi)存儲器所存取的信息量3.2 SRAM3.2 SRAM存儲器存儲器一、基本的靜態(tài)存儲元陣列 1. 寫操作 寫“0” 寫“1” 2. 讀操作基本的靜態(tài)存儲元陣列基本的靜態(tài)存儲元陣列二、二、SRAM的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu) 地址譯碼方式 單譯碼 一個地址譯碼器，選擇線較多 雙譯碼 兩個地址譯碼器，選擇線較少二、二、SRAM的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)三、讀三、讀/寫周期波形圖寫周期波形圖 讀周期三、讀三、讀/寫周期波形圖寫周期波形圖 寫周期3.3 DRAM3.3 DRAM存儲器存儲器一、基本的動態(tài)存儲元 1. 寫操作 寫“1” 寫“0” 2. 讀操作 3. 刷新操作SRAMSRAM與與DRAMDRAM存儲器的

36、區(qū)別存儲器的區(qū)別不同點不同點SRAMDRAM存儲器件觸發(fā)器電容器操作讀/寫讀/寫/刷新存取速度快稍慢芯片集成度稍低高存儲容量小大成本稍高低二、二、DRAM的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)三、讀三、讀/寫周期、刷新周期寫周期、刷新周期 讀周期三、讀三、讀/寫周期、刷新周期寫周期、刷新周期 寫周期三、讀三、讀/寫周期、刷新周期寫周期、刷新周期 刷新周期 刷新的原因 電容器中用于表示信息的電荷量隨著時間和溫度會減少 刷新周期的設(shè)定 由選用的器件性質(zhì)決定 刷新方式 集中式刷新 分散式刷新四、存儲器容量的擴(kuò)充四、存儲器容量的擴(kuò)充1. 存儲芯片的參數(shù) 1M4位 （存儲單元的數(shù)量）（存儲單元的長度）2. 存儲器與CPU

37、的連接 地址線：根數(shù)由存儲單元的數(shù)量決定 數(shù)據(jù)線：根數(shù)由存儲單元的長度決定 控制線四、存儲器容量的擴(kuò)充四、存儲器容量的擴(kuò)充3. 擴(kuò)充所需芯片數(shù)量的計算公式4. 存儲容量的擴(kuò)充方法字長位數(shù)擴(kuò)展（位擴(kuò)充） 擴(kuò)充前后，數(shù)據(jù)線數(shù)量變化字存儲容量擴(kuò)展（字?jǐn)U充） 擴(kuò)充前后，地址線數(shù)量變化字位同時擴(kuò)充所用芯片的存儲容量設(shè)計要求的存儲器容量d字?jǐn)U充時存儲器與字?jǐn)U充時存儲器與CPUCPU的連接的連接 1K4位存儲芯片的地址編碼 擴(kuò)充至2K4位存儲器的地址編碼地址編碼地址編碼說明說明9A8A0A00011110A0011000111片外地址片內(nèi)地址最低地址最高地址最低地址最高地址例題例題-1-1 用16K8位的D

38、RAM芯片構(gòu)成64K32位的存儲器 共需要多少DRAM芯片？ 畫出該存儲器的組成邏輯圖例題例題-2-2 完成A組跨接端與B組跨接端內(nèi)部內(nèi)部的正確連接，以便使地址譯碼電路按圖的要求正確尋址。常見主存儲器常見主存儲器 SDRAM 同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (Synchronous Dynamic Random Access Memory) 在一個時鐘周期內(nèi)時鐘的上升期傳輸一次數(shù)據(jù) DDR SDRAM 雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)處理器 (Double Data Rate) 一個時鐘周期內(nèi)在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)3.4 3.4 只讀存儲器和閃速存儲器只讀存儲器和閃速存儲器 只讀存儲器的分類 掩模R

39、OM 可編程ROM一次性編程的PROM多次編程的EPROM和E2PROM1. 掩模掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元 1.掩模掩模ROM的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元的陣列結(jié)構(gòu)和存儲元 2. 掩模掩模ROM的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖的邏輯符號和內(nèi)部邏輯框圖 3. 可編程可編程ROM EPROM（光擦除可編程可讀存儲器）4. 閃速存儲器閃速存儲器 FLASH存儲器 高密度非易失性的讀/寫存儲器 存儲技術(shù)劃時代的進(jìn)展4. 閃速存儲器閃速存儲器 FLASH存儲元4. 閃速存儲器閃速存儲器 編程操作4. 閃速存儲器閃速存儲器 讀取操作4. 閃速存儲器閃速存儲器 擦除操作4. 閃速存儲器閃速存儲器 FLA

40、SH存儲器的陣列結(jié)構(gòu)3 3.5 .5 并行存儲器并行存儲器 提高CPU和主存間的數(shù)據(jù)傳輸率的方法 加大存儲器的字長 多個存儲器并行工作 并行訪問和交叉訪問 設(shè)置各種緩沖器 通用寄存器 采用分層的存儲系統(tǒng) Cache（第6節(jié)） 虛擬存儲系統(tǒng)（第9章）一一 雙端口存儲器雙端口存儲器 1. 邏輯結(jié)構(gòu) 一個存儲器中有兩組相互獨立的讀寫控制電路一一 雙端口存儲器雙端口存儲器 2. 無沖突的讀寫控制 當(dāng)兩個端口的地址不相同時，在兩個端口上進(jìn)行讀寫操作，一定不會發(fā)生沖突一一 雙端口存儲器雙端口存儲器 3. 有沖突的讀寫控制 當(dāng)兩個端口同時存取存儲器同一存儲單元時，便發(fā)生讀寫沖突二二 多模塊交叉存儲器多模塊交

41、叉存儲器1. 多模塊組成的主存儲器的編址方式 順序方式 特點：某個模塊進(jìn)行存取時，其他模塊不工作 優(yōu)點是某一模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊可以照常工作，通過增添模塊來擴(kuò)充存儲器容量比較方便。 缺點是各模塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。二二 多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器1. 多模塊組成的主存儲器的編址方式交叉方式特點：連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，同一個模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。 優(yōu)點是對連續(xù)字的成塊傳送可實現(xiàn)多模塊流水式并行存取，大大提高存儲器的帶寬。 使用場合為成批數(shù)據(jù)讀取。二二 多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器2. 多模塊交叉存儲器的基本結(jié)構(gòu)二二 多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器 通常

42、在一個存儲器周期內(nèi)，m個存儲體必須分時啟動，則各個存儲體的啟動間隔為（m為交叉存取度） 整個存儲器的存取速度有望提高m倍mT /)1()1(mmxTxTtxTt交叉順序二二 多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器例5. 設(shè)存儲器容量為32字，字長64位，模塊數(shù)m=4，分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲周期T=200ns，數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期=50ns。若連續(xù)讀出4個字，問順序存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少?解： 順序存儲器的帶寬為 W1=數(shù)據(jù)總線寬度/存儲周期 =64b/200ns =320Mbps 交叉存儲器的帶寬為 W2=順序存儲器的帶寬交叉存取度 =320Mbps4 =12

43、80Mbps二模塊交叉存儲器舉例二模塊交叉存儲器舉例二模塊交叉存儲器舉例二模塊交叉存儲器舉例3 3.6 Cache.6 Cache存儲器存儲器一一 Cache 概述概述1 Cache的功能的功能 解決CPU和主存之間的速度不匹配問題2 Cache的理論依據(jù)的理論依據(jù) 程序的局部性原理程序的局部性原理 CPU對主存中的指令和數(shù)據(jù)的訪問，在一小段時間對主存中的指令和數(shù)據(jù)的訪問，在一小段時間內(nèi)，總是集中在一小塊存儲空間里內(nèi)，總是集中在一小塊存儲空間里 時間方面：最近被訪問過的指令和數(shù)據(jù)很可能被再次訪問時間方面：最近被訪問過的指令和數(shù)據(jù)很可能被再次訪問 空間方面：最近訪問過的指令和數(shù)據(jù)往往集中在一小片

44、存空間方面：最近訪問過的指令和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)域中。儲區(qū)域中。二二 Cache 的結(jié)構(gòu)及工作過程的結(jié)構(gòu)及工作過程CPUCache主存相聯(lián)存儲表LRU管理邏輯地址總線數(shù)據(jù)總線命中率命中率 Cache/Cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時間主存系統(tǒng)的平均訪問時間訪問效率訪問效率CacheCache與內(nèi)存的速度比與內(nèi)存的速度比Cache的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)mccNNNhhrrtteac)1 (1cmttr/mcathhtt)1 ( 三三 主存與主存與Cache的地址映射的地址映射 地址映射地址映射 將主存地址定位到將主存地址定位到Cache中中 衡量映射方式優(yōu)劣的幾個方面衡量映射方式優(yōu)劣的幾個

45、方面 硬件是否容易實現(xiàn)硬件是否容易實現(xiàn) 地址變換的速度是否快地址變換的速度是否快 CacheCache空間的利用率是否高空間的利用率是否高 主存裝入主存裝入CacheCache時，發(fā)生沖突的概率是否小時，發(fā)生沖突的概率是否小三三 主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射CacheTag(8位位)行號行號M0M1M2M3M4M5M6M7主存主存塊號塊號H0H1H2H3H4H5H6H255H254H7全相聯(lián)全相聯(lián)CacheCache的檢索過程的檢索過程三三 主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射映射方法：多對多映射方法：多對多優(yōu)

46、點：沖突概率小，優(yōu)點：沖突概率小，CacheCache的利用高的利用高缺點：硬件難實現(xiàn)，且需要一個訪問速度很快、成缺點：硬件難實現(xiàn)，且需要一個訪問速度很快、成本高的相聯(lián)存儲器本高的相聯(lián)存儲器適用場合：適用場合：小容量小容量CacheCache三三 主存與主存與CacheCache的地址映射的地址映射2 2 直接映射直接映射 映射方法：映射方法：一對多一對多( (式式3.1)3.1) 其中其中 i i 為為CacheCache中的行號中的行號 j j 為主存中的塊號為主存中的塊號 m m 為為CacheCache中的總行數(shù)中的總行數(shù)mjimodCacheTag(5位位)行號行號M0M1M2M3M

47、4M5M6M7主存主存塊號塊號H0H1H2H3H4H5H6H255H254H7H8H9H10圖圖3-2 3-2 直接映射方式示意圖直接映射方式示意圖直接映射直接映射CacheCache的檢索過程的檢索過程三三 主存與主存與Cache的地址映射的地址映射2 2 直接映射直接映射 映射方法：一對多映射方法：一對多 優(yōu)點：硬件實現(xiàn)簡單，優(yōu)點：硬件實現(xiàn)簡單，CacheCache地址為主存地址地址為主存地址的低幾位的低幾位 ，不需變換，不需變換 缺點：沖突概率高，且缺點：沖突概率高，且CacheCache空間利用率不空間利用率不高高 適用場合：適用場合：大容量大容量CacheCache三三 主存與主存與Cache的地址映射的地址映射3 3 組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射 映射方法：一組對多映射方法：一組對多 ( (式式3.2) 3.2) 其中其中 u u 為為CacheCache中的組數(shù)中的組數(shù) v v 為每組中的行數(shù)為每組中的行數(shù) ( (式式3.3)3.3) q q 為主存地址對應(yīng)的為主存地址對應(yīng)的CacheCache中的組號中的組號組間采用直接映射方式，組內(nèi)采用全相聯(lián)映射方式組間采用直接映射方式，組內(nèi)采