計算機組成原理復習題資料(課件整理版可自學使用)

...wd......wd......wd...一、本課程在計算機系統(tǒng)中的位置一、課程目標1、構(gòu)造與原理掌握建設計算機系統(tǒng)的整機概念；掌握計算機各部件的組成原理與技術；了解計算機系統(tǒng)組成與構(gòu)造的新技術2、分析與計算能力掌握對組成與構(gòu)造進展性能分析的方法；通過量化計算，加深對組成原理的理解與掌握3、應用與設計能力通過實驗，培養(yǎng)邏輯設計及理論指導實踐的能力二、課程內(nèi)容組織第1章計算機系統(tǒng)概論計算機的模型、硬件組成，計算機的工作過程、性能指標第2章數(shù)據(jù)的表示和運算數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點及浮點運算方法，ALU構(gòu)造與組成第3章存儲系統(tǒng)層次構(gòu)造，RAM組成，主存、Cache、虛存的組成原理第4章指令系統(tǒng)指令功能與指令格式，操作數(shù)存放及尋址方式，CISC/RISC第5章中央處理器CPU的功能與構(gòu)造、工作流程，指令執(zhí)行過程，數(shù)據(jù)通路組織，CU的構(gòu)造及組成，微程序控制器技術，指令流水技術計算機軟件(指令串及數(shù)據(jù))計算機軟件(指令串及數(shù)據(jù))CUALU存儲器…系統(tǒng)總線I/O設備1I/O接口1I/O設備2I/O接口2I/O設備nI/O接口n第6章總線概述，操作步驟，仲裁/定時方式，互連構(gòu)造第7章I/O系統(tǒng)組成，I/O設備，I/O接口，I/O方式(4種)1、學習方法建設整機概念，將所學知識點融合在一起；從邏輯設計出發(fā)，分析多種方案的利與弊；通過量化分析，加深對原理的掌握與理解。2、學習效率第1章計算機系統(tǒng)概論◆計算機：按照內(nèi)部存儲的指令序列，對數(shù)字化信息進展自動高速處理、存儲、傳送、控制的裝置。指令：指示計算機硬件完成某種功能的明確的命信息：有用的數(shù)據(jù)，有多種不同類型，其表現(xiàn)手段可以采用數(shù)字化形式或模擬量形式；運算：包括算術運算和邏輯運算，要求自動與高速；處理：對信息進展搜索、識別、變換，甚至聯(lián)想、思考和推理等等?！粲嬎銠C的基本功能主要包括數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳送控制◆數(shù)據(jù)處理功能運算功能：算術運算功能和邏輯運算，應用于數(shù)值計算和非數(shù)值計算兩個方面；處理對象：數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等?！魯?shù)據(jù)存儲功能主存儲器：保存指令和數(shù)據(jù)；輔助存儲器：以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息?！魯?shù)據(jù)傳送功能內(nèi)部數(shù)據(jù)流動：CPU和主存以及CPU內(nèi)部存放器與運算器之間的數(shù)據(jù)流動；外部數(shù)據(jù)傳送：輸入/輸出〔I/O〕和計算機通信。◆控制功能控制器：產(chǎn)生各種基本操作信號并按某種時序發(fā)出以完成相應功能；指令編碼、指令系統(tǒng)：一臺計算機的所有指令集合。1.1.1計算機系統(tǒng)的軟硬件*計算機系統(tǒng)的組成：功能的實現(xiàn)方式—①硬件具備數(shù)據(jù)的存儲、傳送及處理和過程控制功能②軟件表示應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制需求└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③執(zhí)行軟件實現(xiàn)應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制功能*計算機系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映*計算機系統(tǒng)構(gòu)造：機器語言程序員所看到的計算機屬性概念性構(gòu)造和功能特性←┘ *計算機組成：實現(xiàn)計算機系統(tǒng)構(gòu)造時所表達的計算機屬性*計算機實現(xiàn)：實現(xiàn)計算機組成時所表達的計算機屬性*相互關系：計算機系統(tǒng)構(gòu)造—確定軟硬件功能分配及其界面特性；計算機組成—邏輯實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)造的內(nèi)容；計算機實現(xiàn)—物理實現(xiàn)計算機組成的內(nèi)容舉例 系統(tǒng)構(gòu)造 計算機組成 計算機實現(xiàn)乘法功能 是否有乘法指令 乘法器還是加法+移位 器件、電路主存系統(tǒng) 最大容量、編址方式 速度保證、單體/多體MEM總線 帶寬 信號線數(shù)、時鐘、傳輸方式§1.2計算機系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計算機*構(gòu)造與組成：由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成，以運算器為中心；輸入設備輸入設備存儲器運算器控制器輸出設備注：數(shù)據(jù)信息

指令信息

控制信息

狀態(tài)信息*數(shù)據(jù)表示與運算：指令及數(shù)據(jù)均用二進制方式表示，運算亦采用二進制方式*存儲程序原理—程序存儲方式：指令及數(shù)據(jù)預先存放(以等同地位)在存儲器中；*存儲器構(gòu)造：由定長單元構(gòu)成的一維空間，存儲器按地址訪問；*指令組成：由操作碼及地址碼組成；例：假設加法運算的操作碼用010表示，第01000號與第10000號兩個存儲單元內(nèi)容相加的操作可表示為：0100100010000*存儲程序原理—程序控制機制：按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。馮·諾依曼計算機模型。1〕計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成；2〕存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；3〕存儲程序工作方式；4〕五部件以運算器為中心進展組織。二、計算機硬件的基本組成1、計算機硬件的構(gòu)造現(xiàn)代計算機均在馮·諾依曼模型根基上進展改進*采用以存儲器為中心的構(gòu)造：使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能*由多種存儲器構(gòu)成存儲系統(tǒng)：解決速度-容量-價格間的矛盾，有利于提高性能/價格 *采用總線互連形式：實現(xiàn)部件操作標準化，有利于提高系統(tǒng)的可擴展性 2、計算機部件的基本組成(1)存儲器*功能：存儲程序和數(shù)據(jù)、通過讀/寫操作接收/提供信息*組成：*完成操作的過程：讀操作—①接收地址及命令，內(nèi)部操作；②輸出數(shù)據(jù)寫操作—①接收地址及命令；②接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作(2)運算器*功能：實現(xiàn)算術運算及邏輯運算，并暫存運算結(jié)果*組成：*(AC)+[Y]→AC的運算過程：(0)(AC)為被加數(shù)(1)加數(shù)[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU結(jié)果→AC△約定：(X)表示存放器X中內(nèi)容，[Y]表示存儲單元Y中內(nèi)容(3)控制器*功能：指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實現(xiàn)程序執(zhí)行過程*程序執(zhí)行過程：①循環(huán)的指令執(zhí)行過程(取指令及執(zhí)行指令)；②下條指令地址由當前指令產(chǎn)生(按程序邏輯順序)取指令取指令取指階段分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段(4)輸入/輸出設備*功能：實現(xiàn)外部-內(nèi)部信息的輸入/輸出及格式轉(zhuǎn)換；*種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等；*連接：通過I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，I/O接口實現(xiàn)信息傳送時的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能三、計算機軟件的基本組成三、計算機軟件的基本組成四、計算機工作過程計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程?？疾熘噶預DDNUM，R0的執(zhí)行過程。圖1.4CPU組成以及和存儲器的連接圖1.4CPU組成以及和存儲器的連接考察指令ADDNUM，R0的執(zhí)行過程。程序執(zhí)行過程*程序執(zhí)行的初始條件：(a)程序及數(shù)據(jù)已存放在主存儲器MM中；(b)PC內(nèi)容已經(jīng)為即將執(zhí)行的程序首條指令地址*程序執(zhí)行的實現(xiàn)方法：--控制器指揮與控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1〞→PC；②分析—(IR)→ID→CU；③執(zhí)行—實現(xiàn)指令約定操作(指令轉(zhuǎn)移時重寫PC)；④循環(huán)—假設無中斷執(zhí)行的要求，轉(zhuǎn)①§1.3計算機系統(tǒng)的性能指標一、計算機系統(tǒng)的性能指標*系統(tǒng)性能：指在計算機硬件上運行的計算機軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機器字長：指CPU一次能處理的二進制位數(shù)。└→指ALU一次能處理的n位CPU—指機器字長為n個二進制位的CPU；例如，Core2CPU為64位CPU對系統(tǒng)性能的影響—機器字長越長，數(shù)據(jù)處理性能越好；(∵應用數(shù)據(jù)長度＞機器字長時，需分次運算)對其它硬件的影響—直接影響ALU、REG長度，間接影響存儲字長、數(shù)據(jù)總線位數(shù)*機器主頻：指CPU內(nèi)部主時鐘脈沖的頻率，常用f表示。主頻單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；時鐘周期—CPU內(nèi)部基本操作的時長，常用TC表示；f與TC關系—倒數(shù)關系，即f=1/TC*存儲容量：指存儲器可存儲二進制信息的總位數(shù)。主存容量—容量S=存儲單元個數(shù)×存儲字長；輔存容量—容量S=存儲塊個數(shù)×存儲塊長度；容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；最大主存容量—CPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量2、系統(tǒng)性能指標時間是唯一標準，主要有響應時間和吞吐量兩個指標。*響應時間：指一個任務從任務輸入到結(jié)果輸出的總時間，*吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內(nèi)能處理的工作量，即吞吐量=n個任務的總工作量÷n個任務的總時間特點—反映了多任務計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能表示—因工作量無統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替△MIPS(每秒百萬次指令)△MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)*其他：RAS(可靠性/可用性/可維護)，兼容性等二、計算機軟件的開展歷史1、計算機語言的開展機器語言→匯編語言→高級語言→應用語言*高級語言例：FORTRAN、PASCAL、C/C++、Java2、系統(tǒng)軟件的開展*語言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序；*操作系統(tǒng)：DOS、UNIX、Windows；(多道程序、分時/實時、網(wǎng)絡、分布式、面向?qū)ο?*服務性程序：裝配、調(diào)試、診斷、排錯；*數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫(網(wǎng)狀、層次、關系型)、數(shù)據(jù)庫管理軟件；*網(wǎng)絡：協(xié)議(NetNIOS、TCP/IP等)及實現(xiàn)庫三、計算機系統(tǒng)分類按規(guī)模及功能分類超級計算機—科學計算等；大型計算機—多用戶使用等；小型計算機—辦公應用等；工作站—圖形處理及分布式計算等；微型計算機—應用廣泛；單片機/嵌入式系統(tǒng)—工業(yè)控制等第二章數(shù)據(jù)的表示和運算§2.1數(shù)據(jù)的編碼一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進位計數(shù)制*進位計數(shù)制：又稱進制或數(shù)制，是用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)那么來表示數(shù)值的方法。有數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)3個基本參數(shù)*常用的4種進制：*R進制數(shù)表示：(N)R=(kn-1…k1k0.k-1k-2…k-m)R=其中，ki∈{0,1,…(R-1)}(2)十進制數(shù)小數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)小數(shù)*小數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)那么：乘基取整、上左下右例3—將(0.6875)10分別轉(zhuǎn)換成二、八進制數(shù)(3)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：整數(shù)局部、小數(shù)局局部別轉(zhuǎn)換后再合并練習1—(19.6875)10=(X)2=(Y)8，X=Y=4、二、八、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*隱含規(guī)律：2=21，8=23，16=24(1)二進制、八進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：①從小數(shù)點向兩邊分別轉(zhuǎn)換；②3個二進制數(shù)位(不夠時補零)等價于1個八進制數(shù)位例4—(13.724)8=(001011.111010100)2=(1011.1110101)2(10011.01)2=(010011.010)2=(23.2)8(2)二進制、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換*轉(zhuǎn)換規(guī)那么：①從小數(shù)點向兩邊分別轉(zhuǎn)換；②4個二進制數(shù)位(不夠時補零)等價于1個十六進制數(shù)位例5—(2B.E)16=(00101011.1110)2=(101011.111)2(11001.11)2=(00011001.1100)2=(19.C)16二、機器數(shù)及其編碼*數(shù)值數(shù)據(jù)：組成—由符號、小數(shù)點及數(shù)值構(gòu)成，可缺省符號及小數(shù)點運算—①符號與數(shù)值分開運算；②加減法需先比較大小*機器數(shù)：符號數(shù)字化的數(shù)，通常0/1表示+/-；如(+101)2→(0101)2、(-0.101)2→(-.101)2→(1.101)2真值—帶“+〞或“-〞符號的數(shù)*機器數(shù)的運算方法：①采用手工運算方法，硬件實現(xiàn)很不方便；如—(+x)+(-y)時，先求x-y、再求結(jié)果符號、最后求x-y或y-x☆②采用新運算方法，便于硬件實現(xiàn)(如符號與數(shù)值一起運算)└→必須使用新的編碼方法！*機器數(shù)的編碼方法：原碼、補碼、反碼、移碼等1、原碼表示法(原碼編碼方法)*基本思想：用0/1表示符號+/-，數(shù)值位為真值的絕對值*純整數(shù)原碼定義：設X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]原=xn-1xn-2…x0，*純小數(shù)原碼定義：設X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]原=x0.x-1…x-(n-1)*原碼的特性：①X與[X]原關系—·[X]原與X表示值的范圍一樣，·[+0]原≠[-0]原；②運算方法—符號與數(shù)值分開運算(與手工運算一致)└→適合于乘除法，加減法較復雜2、補碼表示法*目標：實現(xiàn)符號與數(shù)值一起運算(1)有模運算與補數(shù)例如—將時針從10點撥向7點，有兩種撥法：①倒撥10-3=7；②順撥10+9=7+12=7*有模運算：運算時只計量小于“模〞的局部，多余局部被丟棄模—計量系統(tǒng)的計數(shù)范圍；同余—假設A、B、M滿足A=B+kM(k為有符號整數(shù))，那么記A≡B(modM)，稱B和A為模M的同余*補數(shù)：假設a、b、M滿足a+b=M，稱a、b互為模M的補數(shù)運算特征—c-a=c-(M-b)=c+b(modM)，即減去一個數(shù)等價于加上這個數(shù)的補數(shù)└→可將減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算(2)補碼定義一個負數(shù)的補碼應等于模與該數(shù)絕對值之差。即某負數(shù)X的補碼為：[X]補=M+X(modM)*純整數(shù)補碼定義：設X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]補=x’n-1x’n-2…x’0，即說明—因X連同符號位共n位，故模為2n例6—[+0001]補=00001，[-0001]補=100000-0001=11111[+1111]補=01111，[-1111]補=100000-1111=10001※正數(shù)補碼最高位(符號位)為0，負數(shù)最高位為1[+0000]補=[-0000]補=00000※數(shù)0的補碼惟一練習2—假設X=-01000、Y=+01000，[X]補=[Y]補=例7—n=5、X≥0時，最大[X]補=01111，Xmax=24-1=+15X＜0時，最小[X]補=10000，Xmin=-24=-16※補碼表示數(shù)的個數(shù)比原碼多1個原碼無11…1110…0110…0000…0000…0101…11補碼10…0010…0111…1100…0000…0101…11真值-2n-1-(2n-1-1)-10+1+(2n-1-1)*定點純小數(shù)補碼定義：設X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]補=x’0.x’-1…x’-(n-1)例8—[+0.1011]補=0.1011[-0.1011]補=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.0101(3)補碼的特性△X→[X]補—假設X為正數(shù)，改符號位為0，其余各位不變；假設X為負數(shù)，改符號位為1，其余各位取反、末位加1△[X]補→X—假設[X]補最高位為0，改其為正號，其余各位不變；假設[X]補最高位為1，改其為負號，其余各位取反、末位加1△[X]原→[X]補—假設[X]原最高位為0，[X]補=[X]原；假設[X]原最高位為1，[X]補=[X]原各數(shù)值位取反、末位加1△[X]補→[X]原—假設[X]補最高位為0，[X]原=[X]補；假設[X]補最高位為1，[X]原=[X]補各數(shù)值位取反、末位加1*[X]補與[-X]補的關系：△[X]補→[-X]補—[X]補的各位取反(含符號位)、末位加1[-X]補→[X]補—[-X]補的各位取反(含符號位)、末位加1練習4—①假設X=+01001，[X]原=001001，[X]補=001001；②假設X=-01010，[X]原=101010，[X]補=110110；③假設[X]原=001010，X=+01010，[X]補=001010；④假設[X]原=101110，X=-01110，[X]補=110010；⑤假設[X]補=001110，X=+01110，[-X]補=110010；⑥假設[X]補=101110，X=-10010，[-X]補=010010；⑦假設[-X]補=101011，[X]補=010101，[X]原=010101；⑧假設[-X]補=001001，[X]補=110111，[X]原=1010013、反碼表示法*目標：作為原碼與補碼相互轉(zhuǎn)換時的一種過渡編碼*純整數(shù)反碼定義：設X=±xn-2…x0，xi=0或1，取模=2n-1，那么例14—[+1101]反=01101，[-1101]反=10010*純小數(shù)反碼定義：設X=±0.x-1…x-(n-1)，xi=0或1，模=2-2-(n-1)，那么例15—[+0.1101]反=0.1101，[-0.1101]反=1.0010*反碼與補碼關系：假設X為正數(shù)，[X]補=[X]反；假設X為負數(shù)，[X]補=[X]反+1

原碼、補碼、反碼比較：①機器數(shù)的最高位均為符號位(0/1表示正/負)；②假設真值X為正數(shù)，[X]原=[X]補=[X]反；③假設真值X為負數(shù)，[X]補=[X]反+1，[X]反=[X]原各位求反(符號位除外)；④[+0]補=[-0]補，補碼比原碼、反碼多表示一個負數(shù)4、移碼表示法*目標：實現(xiàn)符號與數(shù)值一起編碼←數(shù)連續(xù)時編碼連續(xù)*純整數(shù)移碼定義：設X=±xn-2…x0，其中xi=0或1，取模=2n，那么[X]移=2n-1+X(mod2n)=2n-1+X-2n-1≤X＜2n-1例16—[-111]移=0001，[-001]移=0111，[±000]移=1000，[+001]移=1001，[+111]移=1111，[-1000]移=0000*移碼的特性：①數(shù)在數(shù)軸上為連續(xù)編碼(無符號數(shù))，便于比較大小；②[X]移=[X]補符號位取反、其余各位不變?nèi)?、十進制數(shù)編碼*BCD碼(BinaryCodedDicimal)：又稱二-十進制編碼，是指用4位二進制編碼表示1位十進制數(shù)位的編碼方式。*BCD碼種類：分有權(quán)碼和無權(quán)碼兩種，最常用的是8421碼。

BCD碼缺省指8421碼(特殊聲明除外)！四、字符及字符串編碼1、字符編碼*字符編碼：字符在字符集中惟一的數(shù)字化代碼，表示字符在字符集中的序號或特征號*字符編碼的類型：有輸入碼、內(nèi)碼、交換碼、字模碼4種*有關字符編碼的約定：字符編碼—均指交換碼的編碼！字符數(shù)據(jù)—均指內(nèi)碼的編碼！*常見字符編碼(交換碼)種類：2、字符串編碼*字符串特性：①由多個字符構(gòu)成；②所含字符數(shù)不固定。*字符串編碼方法：①由各個字符編碼組成；②通過特定編碼標志字符串的完畢，完畢編碼放在最后└→字符集必須包含該字符(如ASCII碼中編碼為0的字符)例—C語言中字符串“am〞可編碼為11000011101101000000五、校驗碼*冗余校驗思想：①用待發(fā)數(shù)據(jù)(M)形成校驗信息(P)，M與P一起傳送；②用接收數(shù)據(jù)(M’)形成新校驗信息(P〞)，檢錯并糾錯*術語：校驗碼—由數(shù)據(jù)位和校驗位組成的信息編碼；檢錯(檢驗)—檢查數(shù)據(jù)在傳送過程中有/無錯誤；糾錯(校正)—根據(jù)錯誤位置糾正數(shù)據(jù)(取反)*常見校驗碼：奇偶校驗碼、海明校驗碼奇偶校驗碼*編碼原理：采用1位校驗位，使數(shù)據(jù)位及校驗位中“1〞的位數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)個數(shù)*校驗方法：故障字S—S=P’P〞，其中P’是接收的、P〞是形成的；檢錯—假設S=0無錯誤，假設S=1有錯誤；糾錯—無此能力(∵無法獲得錯誤位置)*校驗能力：只能檢測奇數(shù)個錯誤，無糾錯能力例3—以下接收的校驗碼①01001、②10100、③10011中，只有一個有奇數(shù)位錯，請問發(fā)送時采用的是奇校驗還是偶校驗碼*應用：廣泛應用于I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)校驗§2.2數(shù)據(jù)的表示

計算機用編碼表示數(shù)據(jù)：

計算機只支持最常用(最基本)的數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)表示—計算機硬件能夠直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型應用數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)表示的轉(zhuǎn)換：程序員或編譯程序完成一、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示方法1、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)學特征①進制可有多種；②符號為“+〞或“-〞，可以沒有符號；③小數(shù)點為“．〞，可隱含表示，小數(shù)點位置可任意變化；④數(shù)碼長度可任意變化；⑤不會產(chǎn)生運算溢出2、馮·諾依曼模型計算機的硬件特征①指令和數(shù)據(jù)用二進制表示，采用二進制運算；②二進制中只有0和1，無法表示符號和小數(shù)點；③機器字長固定，CPU內(nèi)部全部采用定長方式處理。3、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法*進制問題處理：只支持二進制方式；*符號問題處理：有符號數(shù)—用數(shù)字表示符號，數(shù)據(jù)本身無法區(qū)分無符號數(shù)—符號位置為數(shù)值；在指令級進展區(qū)分 *小數(shù)點問題處理：①點的表示—用隱含方式表示；②位置表示—約定不同數(shù)據(jù)類型的位置不同*數(shù)碼長度問題處理：①不同數(shù)據(jù)類型—數(shù)碼長度固定；←便于定長方式處理②同一數(shù)據(jù)類型—可有幾種長度；←可提高處理及存儲效率*運算問題處理：①運算方法—按數(shù)據(jù)表示的格式及編碼進展相應運算；②數(shù)據(jù)類型區(qū)分—由指令操作碼區(qū)分；③溢出處理—硬件檢測并發(fā)出通知，由軟件處理

數(shù)值數(shù)據(jù)的處理方法：包括數(shù)據(jù)的表示和數(shù)據(jù)的操作方法二、數(shù)的定點表示1、定點表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點位置固定不變。*定點表示形式：有約定在數(shù)值最低位之后和最高位之前兩種2、定點數(shù)的表示采用定點表示格式的數(shù)稱為定點數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長度。*定點數(shù)的表示范圍：(設數(shù)碼長度為n位)三、數(shù)的浮點表示1、浮點表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點位置是可變的。*浮點表示形式：由尾數(shù)和階組成格式—表示—尾數(shù)用定點純小數(shù)表示，階用定點整數(shù)表示2、浮點數(shù)的表示采用浮點表示格式的數(shù)稱為浮點數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長度。*浮點數(shù)的表示范圍與精度：假設尾數(shù)及階的基均為2，數(shù)值長度分別為m位及e位例1—假設浮點表示格式中m＝10、e＝4，尾數(shù)及階均為補碼編碼方式，寫出(-54)10的機器碼。解：(-54)10=(-110110)2=-0.11011×2+110，浮點數(shù)機器碼為0011010010100000例2—假設浮點表示格式中尾數(shù)為8位(含1位符號位)、階為5位(含1位符號位)，寫出以下實數(shù)的浮點數(shù)及機器碼。例3—浮點表示格式同例2，寫出以下機器碼的浮點數(shù)。3、浮點數(shù)的規(guī)格化*目的：在現(xiàn)有的浮點數(shù)表示格式中，使表示精度最大化。例4—假設浮點表示格式中m＝3、e＝3、尾數(shù)和階均為原碼編碼方式，不同表示方法的浮點數(shù)精度不同：+101.1=0.1011×23=0.01011×24=0.001011×25*規(guī)格化數(shù)的要求：尾數(shù)真值的最高位為1，即1/2≤|M|＜1*規(guī)格化的操作：左規(guī)—尾數(shù)左移一位，階碼減一；右規(guī)—尾數(shù)右移一位，階碼加一。應用—非規(guī)格化數(shù)→規(guī)格化數(shù)，可能需屢次規(guī)格化操作例5—假設浮點數(shù)尾數(shù)及階的基均為2，答復以下問題：原碼尾數(shù)—最高數(shù)值位為1；補碼尾數(shù)—最高數(shù)值位與符號相反←便于硬件實現(xiàn)4、IEEE754標準*表示格式及數(shù)碼長度：有單精度、雙精度兩種格式及長度*編碼方式：①數(shù)制—M和E均采用二進制方式(即RM=RE=2)；②碼制—M為原碼編碼的定點純小數(shù)(改進了定點位置)，E為移碼編碼的定點整數(shù)(改進了移碼值)*階的碼制：采用的是余127碼和余1023碼余X碼—偏移值為X的移碼稱為余X碼，標準移碼：真值=E-28-1=E-128，余127碼：真值=E-(28-1-1)=E-127；階的范圍—1≤E≤254，而0和255另作他用，即-126≤階的真值≤127*尾數(shù)的碼制：(以單精度格式為例)支持非規(guī)格化尾數(shù)和規(guī)格化尾數(shù)兩種方式；非規(guī)格化尾數(shù)—尾數(shù)真值=±0.m-1…m-23，機器碼M=m-1…m-23，尾數(shù)精度=23位；規(guī)格化尾數(shù)—規(guī)格化的尾數(shù)真值=±1.m-2…m-24，機器碼M=m-2…m-24，尾數(shù)精度=24位*IEEE754標準浮點表示的特征：(以單精度格式為例)例5—求(-11/128)10的IEEE754單精度規(guī)格化數(shù)的機器碼解—(-11/128)10=(-1011)2×2-7=(-0.1011)2×2-3=(-1.011)2×2-4=(-1.011)2×2123-127例6—求IEEE754單精度碼為(CC968000)16的浮點數(shù)的真值N解—(CC968000)16=11001100100101101000000000000000N為負數(shù)，浮點數(shù)為規(guī)格化數(shù)(∵1＜10011001＜254)；階=(10011001)2－(01111111)2=(00011010)2=(26)10尾數(shù)=(1.00101101)2=(1.17578125)10∴N=(―1)1×1.17578125×226=-1.17578125×226

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示小結(jié)：表示格式有定點和浮點兩種，編碼方式?jīng)Q定運算器的運算方法，數(shù)碼長度總是固定的四、非數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示

MEM字長的特征：MEM字長—均為2n位(n為常數(shù))；←便于數(shù)據(jù)長度的二進制運算MEM字長種類—有二進制位、機器字長、折中長度3類

提高MEM的存儲效率：1、字符數(shù)據(jù)的表示指字符的交換碼在存儲/處理時的表示方式，即字符的內(nèi)碼。2、邏輯數(shù)據(jù)的表示*數(shù)學特征：值域—真、假；運算—與(AND)、或(OR)、非(NOT)等*數(shù)據(jù)的表示方法：數(shù)碼長度—1位→n位(n為MEM字長倍數(shù))；←以提高存儲效率編碼方式—各位獨立編碼，1/0可表示真/假*運算處理方法：可采用所有位同時按位進展與/或/非運算可獲得最大性能←┘└→一位操作時，軟件負責準備數(shù)據(jù)例2—8位邏輯數(shù)A和B如何實現(xiàn)第0位的OR操作(結(jié)果在A中)解：步驟為①C=BAND01H；②A=AORC§2.3定點數(shù)運算方法一、移位運算1、移位及移位運算*移位：數(shù)值相對于某個位置的移動例—20.0m=2000.0cm，稱20相對于小數(shù)點左移了2位*移位操作：有左移、右移2種類型；二進制數(shù)左移或右移n位相當于乘以或除以2n*移位運算：對計算機中機器數(shù)的移位操作運算種類—對有符號數(shù)，有算術左移、算術右移；對無符號數(shù)，有邏輯左移、邏輯右移運算參數(shù)—操作數(shù)、移動位數(shù)2、邏輯移位運算*操作數(shù)類型：無符號機器數(shù)*運算規(guī)那么：機器數(shù)整體移位，移出的數(shù)丟棄，出現(xiàn)的空位補0例1—某REG內(nèi)容為00111001，邏輯移位運算結(jié)果如下：練習—假設(REG)=11001001，邏輯左移1位再右移1位的結(jié)果?*溢出判斷方法：左移、移丟數(shù)碼為1時運算溢出3、算術移位運算*操作數(shù)類型：有符號機器數(shù)(原碼、補碼等)*運算規(guī)那么：符號位不變，數(shù)值局部整體移位，空位添補規(guī)那么如下表(根據(jù)編碼方式的數(shù)學特征添補)*運算實現(xiàn)方法：通常用移位存放器實現(xiàn)右移移丟數(shù)值1僅影響精度右移移丟數(shù)值1僅影響精度*溢出判斷方法：左移移丟數(shù)值1時溢出原碼左移、移丟數(shù)碼為1時溢出；補碼/反碼左移、移丟與符號相反的數(shù)碼時溢出二、定點加減運算1、補碼加減運算(1)補碼加減運算規(guī)那么*加法：[A+B]補=[A]補+[B]補*減法：[A-B]補=[A+(-B)]補=[A]補+[-B]補(2)補碼運算溢出判斷方法*溢出判斷①：用1位符號位判斷例4—假設n=4，補碼表示范圍-8≤X≤+70110(+6)1111(-1)0101(+5)1011(-5)+1011(-5)+1100(-4)+0100(+4)+1100(-4)10001(+1)11011(-5)01001(+9)10111(-9)即：一樣符號數(shù)相加、且結(jié)果與操作數(shù)符號不同時溢出!設[A]補=An-1An-2…A0，[B]補=Bn-1Bn-2…B0，[Z]補=[A]補+[±B]補=Zn-1Zn-2…Z0例5—設A=-11/16，B=+7/16，[A+B]補、[A-B]補是否溢出?解：[A+B]補=1.0101[A-B]補=1.0101+0.0111+1.1001=1.1100=10.1110對[A+B]補，OVR=(10)(00)=0不溢出對[A-B]補，OVR=(10)(10)=1溢出*溢出判斷①優(yōu)化：用結(jié)果的符號位及最高數(shù)值位進位判斷An-1An-2…A0+Bn-1Bn-2…B0Zn-1Zn-2…Z0Cn-1Cn-2*溢出判斷②：用2位符號位判斷變形補碼—采用2個符號位的補碼[A]變補=AnAn-1An-2…A0，AnAn-1表示符號(00為正數(shù)、11為負數(shù))例6—假設X=-010，Y=-110，[X+Y]變補溢出否?解：[X]變補=11110，[Y]變補=11010[X+Y]變補=11110+11010=1100011=0不溢出(3)補碼加減運算所需的硬件配置*加減法實現(xiàn)思路：加減法統(tǒng)一處理C-1=1，

C-1=0，=1…=1C-1=1，

C-1=0，=1…=1減法—[A]補+[-B]補=[A]補+[B]補+1*加減法實現(xiàn)思路：加減法統(tǒng)一處理加法—[A]補+[B]補+0；減法—[A]補+[-B]補=[A]補+[B]補+1◆筆---紙乘法方法▲例1.X=1011,Y=1101，X×Y的筆---紙乘法過程：1.原碼一位乘◆用原碼實現(xiàn)乘法運算時，符號位與數(shù)值位是分開計算的；設：[X]原=xnxn-1x1x0，[Y]原=ynyn-1y1y0(其中xn、yn分別為它們的符號位)假設[X×Y]原=z2nz2n-1z1z0(z2n為結(jié)果之符號位)那么z2n=xnynz2n-1z1z0=(xn-1x1x0)×(yn-1y1y0)類似兩個無符號數(shù)相乘。◆就筆---紙乘法方法，為提高效率而采取的改進措施①每將乘數(shù)Y的一位乘以被乘數(shù)得X×yi后，就將該結(jié)果與前面所得的結(jié)果累加，得到局部積Pi；②將局部積Pi右移一位與X×yi相加；加法運算始終對局部積中的高n位進展；③對乘數(shù)中“1〞的位執(zhí)行加法和右移運算，對“0〞的位只執(zhí)行右移運算，而不執(zhí)行加法運算；▲上述乘法運算可以歸結(jié)為循環(huán)地計算以下算式：設P0=0P1=2-1(P0+X×y0)P2=2-1(P1+X×y1)Pi+1=2-1(Pi+X×yi)(i=0,1,2,3,n-1)……Pn=2-1(Pn-1+X×yn-1)顯然，X×Y=Pn▲對于兩個n位無符號數(shù)乘法的一種可行的算法：1〕置計數(shù)器為n；2〕去除2n位局部積存放器；3〕檢查乘數(shù)最右位〔初始時為最低位〕，假設為“1〞，加被乘數(shù)到局部積高n位中；4〕將局部積右移一位；5〕將乘數(shù)右移一位；6〕計數(shù)器減1，結(jié)果不為0，那么從3〕開場重新執(zhí)行；假設結(jié)果為0，那么從局部積存放器讀出乘積?！鴮崿F(xiàn)這種方法的二個定點數(shù)乘法的邏輯電路框圖nnn▲例1．[X]原=01101,[Y]原=01011,假設[X×Y]原=z8z7z0那么z8=00=0z7…z0=1101×1011的計算采用上述乘法流程，實現(xiàn)的具體過程如下：補碼乘法例：X=0.1011，Y=-0.0001[X]補=01011,[Y]補=11111[X×Y]補=111110101[X]補×[Y]補=101010101顯然，[X×Y]補[X]補×[Y]補▲對兩個正數(shù)來說，它們補碼的乘積等于它們乘積的補碼。假設乘數(shù)是負數(shù)時，這種情況就不成立了?！鬊ooth〔布斯〕乘法▲A.D.Booth算法思想：相乘二數(shù)用補碼表示，它們的符號位與數(shù)值位一起參與乘法運算過程，得出用補碼表示的乘法結(jié)果?！鳥ooth算法推導：[X]補=xnxn-1……x0,[Y]補=ynyn-1……y0；根據(jù)補碼定義:可得出其真值:Y=[Y]補-2n+1ynX×Y=X×{[Y]補-2n+1yn}=X{yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020-2n+1yn}=X{-yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020}=2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(0–y0)Xy-1為增設的一個附加位，初值為0；[X×Y]補=[2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(y-1–y0)X]補令[X×Y]補=[X×Y]’補×2n[X×Y]’補=[(yn-1-yn)X+2-1(yn-2–yn-1)X+……得到如下遞推公式令[P0]補＝0，有：[P1]補=[2-1(P0+(y-1-y0)×X]補[P2]補=[2-1(P1+(y0-y1)×X]補[Pi]補=[2-1(Pi-1+(yi-2-yi-1)×X)]補(i=1~n)[Pn]補=[2-1(Pn-1+(yn-2-yn-1)×X)]補[X*Y]’補=[Pn+1]補=[Pn+(yn-1-yn)×X]補(yi-1–yi)X實際上并不做乘法，只要比較相鄰兩位乘數(shù)以決定+X、–X或+0。在計算機中，對于定點整數(shù)，只要認定小數(shù)點在乘積之末，相當于將小數(shù)點右移n位。對乘數(shù)的連續(xù)兩位yi和yi-1進展判斷假設yiyi-1=01，那么[Pi+1]補=[2-1(Pi+X)]補假設yiyi-1=10，那么[Pi+1]補=[2-1(Pi-X)]補假設yiyi-1=00或11，那么[Pi+1]補=[2-1Pi]補一個補碼數(shù)據(jù)的右移是連同符號位右移，且最高位補充符號位的值?！?：[X]補=01101,[Y]補=10110，[-X]補=10011。用布斯乘法計算[X×Y]補的過程如下因此，[X×Y]補=101111110▲布斯乘法的算法過程為n+1次的“判斷—加減—右移〞的循環(huán)，判斷的次數(shù)為n+1次，右移的次數(shù)為n次?！诓妓钩朔ㄖ校龅竭B續(xù)的“1〞或連續(xù)的“0〞時，是跳過加法運算，直接實現(xiàn)右移操作的，運算效率高。3.5.1浮點數(shù)的加、減運算◆計算機中實現(xiàn)X和Y加、減法運算的步驟為：第1步：對階▲對階使得原數(shù)中較大的階碼成為兩數(shù)的公共階碼；小階碼的尾數(shù)按兩階碼的差值決定右移的數(shù)量。第2步：尾數(shù)加減 ▲對尾數(shù)進展加、減運算第3步：規(guī)格化▲設浮點數(shù)的尾數(shù)用補碼表示，且加、減運算時采用雙符號位，那么規(guī)格化形式的尾數(shù)應是如下形式：尾數(shù)為正數(shù)時：001xxx尾數(shù)為負數(shù)時：110xxx▲尾數(shù)違反規(guī)格化的情況有以下兩種可能：①尾數(shù)加、減法運算中產(chǎn)生溢出正溢出時，符號位為01；負溢出時，符號位為10；規(guī)格化采取的方法是：尾數(shù)右移一位，階碼加1；這種規(guī)格化稱為右規(guī)。②尾數(shù)的絕對值小于二進制的0.1。補碼形式的尾數(shù)表現(xiàn)為最高數(shù)值位與符號位同值。采取規(guī)格化的方法：符號位不動，數(shù)值位逐次左移，階碼逐次減1，直到滿足規(guī)格化形式的尾數(shù)。這種規(guī)格化稱為左規(guī)。第4步：舍入▲對結(jié)果尾數(shù)進展舍入處理方法①恒舍法無論戒備位的值是多少，都舍去。②恒置1法不管戒備位為何值，尾數(shù)的有效最低位恒置1。③0舍1入法戒備位〔q位〕中的最高位為1時，就在尾數(shù)末尾加1；戒備位〔q位〕中的最高位為0時，舍去所有的戒備位；第5步：階碼溢出判斷浮點數(shù)運算結(jié)果是否溢出，應由階碼來判斷。例2：X=0.11011011×2010，Y=-0.10101100×2100；用補碼來表示浮點數(shù)的尾數(shù)和階碼①對階②尾數(shù)加法③尾數(shù)規(guī)格化尾數(shù)沒有溢出，但符號位與最高數(shù)值位有K=1位一樣，需左規(guī)：Mb左移K=1位：Mb=11000101011Eb減1：Eb=00011④舍入處理采用恒舍法，執(zhí)行舍操作。得：Mb=1100010101⑤階碼溢出判斷階碼無溢出，X+Y正常完畢，得：[X+Y]浮=1001100010101，即X+Y=-0.11101011×2011§2.5算術邏輯單元ALU一、加法器組成*全加器輸出的邏輯表達式：2、串行加法器加法器由1個全加器組成；n位加法分成n步完成。3、并行加法器*組成：n個全加器、進位鏈；(1)串行進位加法器*組成：*加法器特點：進位電路簡單，運算速度慢(T加法=nΔt)(2)先行進位加法器*先行進位邏輯形成：其中Gi=AiBi，Pi=AiBiC0=G0+P0C-1C1=G1+P1C0=G1+P1G0+P1P0C-1C2=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C-1C3=G3+P3C2=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C-1*先行進位產(chǎn)生電路：*4位先行進位加法器組成：*n位先行進位加法器組成：組內(nèi)并行、組間串行進位加法器—組內(nèi)并行、組間并行進位加法器—二、算術邏輯部件ALU1、ALU的功能*計算機中數(shù)據(jù)的運算方法及實現(xiàn)部件：*ALU的功能：邏輯運算及算術運算功能；提供算術運算結(jié)果狀態(tài)等ALU的基本構(gòu)造*功能選擇方法：設置相關引腳，以選擇當前欲實現(xiàn)的功能*構(gòu)造與組成：構(gòu)造—以加法器為根基擴大功能；組成—全部由組合邏輯電路構(gòu)成運算器的組織*CPU中運算器的功能：早期—只包含邏輯運算和定點算術運算功能；└→乘除法功能用加法器+移位實現(xiàn)后期—包含邏輯運算、定點算術運算及浮點運算功能└→乘除法功能用陣列乘除法器實現(xiàn)*運算器基本構(gòu)造：由ALU、鎖存器、狀態(tài)存放器、MUX多路開關等組成第三章存儲系統(tǒng)存儲器的基本概念存儲介質(zhì)：能表示二進制1和0的物理部件；存儲元：存儲1位二進制代碼信息的器件；存儲單元：假設干個存儲元的集合，它可以存放一個字或一個字節(jié)；存儲體：假設干個存儲單元的集合；地址：存儲單元的編號；§3.1存儲系統(tǒng)概述一、存儲器分類1、按存儲介質(zhì)分類存儲介質(zhì)必須有區(qū)別明顯的兩個物理狀態(tài)(表示0/1)2、按存取方式及功能分類*順序存取存儲器(SAM)：按記錄塊為單位進展編址，存取時間與讀/寫頭到訪問地址的相對位置有關；*隨機存取存儲器(RAM)：按存儲字為單位進展編址，存取時間與訪問的地址無關(時間固定)；*直接存取存儲器(DAM)：信息存取區(qū)域定位與RAM類似，區(qū)域內(nèi)操作與SAM類似；*只讀存儲器(ROM)：操作方式為只能取、不能存可由RAM或DAM構(gòu)成，信息讀取的定位由存儲器構(gòu)造決定3、按在計算機中的作用分類*主存儲器(MM)：可直接與CPU交換信息的MEM構(gòu)成—MOS型半導體、動態(tài)RAM和ROM*輔助存儲器(AM)：主存的后援MEM構(gòu)成—磁性/光介質(zhì)材料、SAM/DAM*高速緩沖存儲器(Cache)：CPU與主存間的緩沖MEM構(gòu)成—MOS型半導體、靜態(tài)RAM*控制存儲器(CM)：CPU內(nèi)部存放微程序的MEM構(gòu)成—MOS型半導體、ROM二、存儲器的主要性能指標*容量(S)：能存儲的二進制信息總量，常以字節(jié)(B)為單位*速度(B)：常用帶寬、存取時間或存取周期表示存取時間(TA)—指MEM從收到命令到結(jié)果輸出所需時間；存取周期(TM)—指連續(xù)訪存的最小間隔時間，TM=TA+T恢復帶寬(BM)—指單位時間內(nèi)MEM最多可讀寫的二進制位數(shù)；BM=W/TM，其中W為一次讀寫的數(shù)據(jù)寬度，常以bps為單位*價格：常用總價格C或每位價格c表示，c=C/S。三、層次構(gòu)造存儲系統(tǒng)1、層次構(gòu)造的引入*程序訪問局部性規(guī)律：程序執(zhí)行時，指令和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的相對簇聚特性。時間局部性—被訪問過的信息，可能很快被再次訪問；空間局部性—被訪問信息的相鄰信息，可能很快被訪問*用戶需求矛盾的解決方案：近期常用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低價格高速度、大容量、低價格2、層次構(gòu)造的存儲系統(tǒng)(1)層次存儲系統(tǒng)組成*思想：①用多種類型MEM構(gòu)成前方-前方的層次構(gòu)造；②前方MEM中信息為前方MEM中信息的副本；③各層MEM之間信息傳遞是“透明〞的(2)常見的存儲系統(tǒng)層次構(gòu)造圍繞主存的層次構(gòu)造一般為“Cache-主存-輔存〞三種MEM構(gòu)成的兩個存儲層次*“Cache-主存〞存儲層次：--設置高速緩沖存儲器目標—解決主存速度問題(Cache的速度，主存的容量)*“主存-輔存〞存儲層次：目標—解決主存容量問題(主存的速度，輔存的容量)└→可能存在：(執(zhí)行的)程序空間≥主存空間(3)層次存儲系統(tǒng)的工作方式*程序執(zhí)行需求：即將執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)存放在主存中*層次存儲系統(tǒng)的工作方式：§3.2半導體存儲器根基*靜態(tài)RAM—用觸發(fā)器存儲信息，長時間不訪問及信息讀出后信息值(狀態(tài))保持不變；*動態(tài)RAM—用電容存儲信息，長時間不訪問及信息讀出后信息值(狀態(tài))被破壞，需及時恢復信息值(稱為刷新及再生)。一、靜態(tài)RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存儲元的組成原理存儲元—RAM中存儲1位二進制信息的電路；*6管MOS靜態(tài)存儲元工作原理：讀出—①在W線上加正脈沖；②D=D=V中→D或D產(chǎn)生壓降(假設信息為“0〞那么D電壓下降)→用差動放大器可檢測出所讀信息，T1、T2狀態(tài)保持不變(非破壞性讀)。2、SRAM芯片的組成原理(1)存儲芯片基本組成主要由存儲陣列、地址譯碼器、I/O電路、控制電路等組成*地址譯碼器：有一維、二維兩種譯碼方式↓↓譯碼器輸出線數(shù)—2M根2×2M/2根常見譯碼方式—二維譯碼方式→同一列存儲元共用位選擇線*驅(qū)動器：X譯碼器每個輸出需控制同一行各存儲元的字選線├→設置驅(qū)動器增加驅(qū)動能力I/O電路輸出時需驅(qū)動總線信號(負載大)*I/O電路：根據(jù)內(nèi)部讀/寫信號，檢測/控制D及D線└→被選存儲元*片選與控制電路：片選—MEM常由多個芯片組成，讀/寫操作常針對某個芯片(2)SAM芯片參數(shù)與構(gòu)造*芯片相關參數(shù)：存儲陣列容量—數(shù)據(jù)引腳數(shù)量—地址引腳數(shù)量—3、SRAM芯片的讀寫時序*讀周期時序：(存儲器對外部信號的時序要求)*寫周期時序：、動態(tài)存儲器(DynamicRAM，DRAM)

動態(tài)RAM目標：降低功耗、節(jié)約成本*單管MOS式動態(tài)存儲元工作原理：第三章存儲系統(tǒng)存儲器的基本概念存儲介質(zhì)：能表示二進制1和0的物理部件；存儲元：存儲1位二進制代碼信息的器件；存儲單元：假設干個存儲元的集合，它可以存放一個字或一個字節(jié)；存儲體：假設干個存儲單元的集合；地址：存儲單元的編號；§3.1存儲系統(tǒng)概述一、存儲器分類1、按存儲介質(zhì)分類存儲介質(zhì)必須有區(qū)別明顯的兩個物理狀態(tài)(表示0/1)2、按存取方式及功能分類*順序存取存儲器(SAM)：按記錄塊為單位進展編址，存取時間與讀/寫頭到訪問地址的相對位置有關；*隨機存取存儲器(RAM)：按存儲字為單位進展編址，存取時間與訪問的地址無關(時間固定)；*直接存取存儲器(DAM)：信息存取區(qū)域定位與RAM類似，區(qū)域內(nèi)操作與SAM類似；*只讀存儲器(ROM)：操作方式為只能取、不能存可由RAM或DAM構(gòu)成，信息讀取的定位由存儲器構(gòu)造決定3、按在計算機中的作用分類*主存儲器(MM)：可直接與CPU交換信息的MEM構(gòu)成—MOS型半導體、動態(tài)RAM和ROM*輔助存儲器(AM)：主存的后援MEM構(gòu)成—磁性/光介質(zhì)材料、SAM/DAM*高速緩沖存儲器(Cache)：CPU與主存間的緩沖MEM構(gòu)成—MOS型半導體、靜態(tài)RAM*控制存儲器(CM)：CPU內(nèi)部存放微程序的MEM構(gòu)成—MOS型半導體、ROM二、存儲器的主要性能指標*容量(S)：能存儲的二進制信息總量，常以字節(jié)(B)為單位*速度(B)：常用帶寬、存取時間或存取周期表示存取時間(TA)—指MEM從收到命令到結(jié)果輸出所需時間；存取周期(TM)—指連續(xù)訪存的最小間隔時間，TM=TA+T恢復帶寬(BM)—指單位時間內(nèi)MEM最多可讀寫的二進制位數(shù)；BM=W/TM，其中W為一次讀寫的數(shù)據(jù)寬度，常以bps為單位*價格：常用總價格C或每位價格c表示，c=C/S。三、層次構(gòu)造存儲系統(tǒng)1、層次構(gòu)造的引入*程序訪問局部性規(guī)律：程序執(zhí)行時，指令和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的相對簇聚特性。時間局部性—被訪問過的信息，可能很快被再次訪問；空間局部性—被訪問信息的相鄰信息，可能很快被訪問*用戶需求矛盾的解決方案：近期常用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用數(shù)據(jù)—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低價格高速度、大容量、低價格2、層次構(gòu)造的存儲系統(tǒng)(1)層次存儲系統(tǒng)組成*思想：①用多種類型MEM構(gòu)成前方-前方的層次構(gòu)造；②前方MEM中信息為前方MEM中信息的副本；③各層MEM之間信息傳遞是“透明〞的(2)常見的存儲系統(tǒng)層次構(gòu)造圍繞主存的層次構(gòu)造一般為“Cache-主存-輔存〞三種MEM構(gòu)成的兩個存儲層次*“Cache-主存〞存儲層次：--設置高速緩沖存儲器目標—解決主存速度問題(Cache的速度，主存的容量)*“主存-輔存〞存儲層次：目標—解決主存容量問題(主存的速度，輔存的容量)└→可能存在：(執(zhí)行的)程序空間≥主存空間(3)層次存儲系統(tǒng)的工作方式*程序執(zhí)行需求：即將執(zhí)行的指令和數(shù)據(jù)存放在主存中*層次存儲系統(tǒng)的工作方式：§3.2半導體存儲器根基*靜態(tài)RAM—用觸發(fā)器存儲信息，長時間不訪問及信息讀出后信息值(狀態(tài))保持不變；*動態(tài)RAM—用電容存儲信息，長時間不訪問及信息讀出后信息值(狀態(tài))被破壞，需及時恢復信息值(稱為刷新及再生)。一、靜態(tài)RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存儲元的組成原理存儲元—RAM中存儲1位二進制信息的電路；*6管MOS靜態(tài)存儲元工作原理：讀出—①在W線上加正脈沖；②D=D=V中→D或D產(chǎn)生壓降(假設信息為“0〞那么D電壓下降)→用差動放大器可檢測出所讀信息，T1、T2狀態(tài)保持不變(非破壞性讀)。2、SRAM芯片的組成原理(1)存儲芯片基本組成主要由存儲陣列、地址譯碼器、I/O電路、控制電路等組成*地址譯碼器：有一維、二維兩種譯碼方式↓↓譯碼器輸出線數(shù)—2M根2×2M/2根常見譯碼方式—二維譯碼方式→同一列存儲元共用位選擇線*驅(qū)動器：X譯碼器每個輸出需控制同一行各存儲元的字選線├→設置驅(qū)動器增加驅(qū)動能力I/O電路輸出時需驅(qū)動總線信號(負載大)*I/O電路：根據(jù)內(nèi)部讀/寫信號，檢測/控制D及D線└→被選存儲元*片選與控制電路：片選—MEM常由多個芯片組成，讀/寫操作常針對某個芯片(2)SAM芯片參數(shù)與構(gòu)造*芯片相關參數(shù)：存儲陣列容量—數(shù)據(jù)引腳數(shù)量—地址引腳數(shù)量—3、SRAM芯片的讀寫時序*讀周期時序：(存儲器對外部信號的時序要求)*寫周期時序：數(shù)據(jù)線DCD字選擇線X數(shù)據(jù)線DCD字選擇線XT1CS動態(tài)存儲器(DynamicRAM，DRAM)

動態(tài)RAM目標：降低功耗、節(jié)約成本*單管MOS式動態(tài)存儲元工作原理：寫入—①所寫數(shù)據(jù)加到D上，②翻開T1→對CS充電或放電；保持—斷開T1→無放電回路→信息存儲在CS中(會緩慢泄漏)；讀出—①在D上加正脈沖→對CD預充電，②翻開T1→讀D上電壓變化(破壞性讀)└→CS得到充電2、DRAM芯片的基本組成(2)單管MOS式DRAM芯片的組成*基本構(gòu)造：通常采用地址分兩次傳送方式組織增設①地址鎖存器、時序控制電路，②再生電路*芯片操作：讀、寫、刷新(行刷新方式[無列地址])(3)DRAM芯片組成例如*Intel4116芯片：單管MOS存儲元、地址分兩次傳送參數(shù)—容量=16K×1位；地址引腳=14/2=7根；數(shù)據(jù)引腳=2根(單向DIN/DOUT、共1位寬度)構(gòu)造—2個64×128存儲陣列，時鐘發(fā)生器串聯(lián)3、DRAM芯片的操作時序*讀周期時序：*刷新周期時序：與讀周期類似，區(qū)別在于CAS在整個操作過程中無效└→行刷新時不需要列地址4、DRAM芯片的刷新*刷新周期：同一存儲元連續(xù)兩次刷新的最大間隔；與DRAM存儲元材料及芯片組成有關*刷新方法：每個刷新周期內(nèi)，循環(huán)進展所有行的行刷新(1)DRAM芯片刷新方式通常有集中式、分散式、異步式三種方式*集中式刷新：將所有行刷新集中在刷新周期的后部特點—存在“死區(qū)〞(不能進展讀/寫操作的時間段)*分散式刷新：將行刷新分散在每個存取周期中特點—防止了“死區(qū)〞，增加了存取時間(1倍)*異步式刷新：將行刷新均勻分布在刷新周期中設芯片需刷新128次，那么每次刷新間隔2000/128=15.5μs特點—“死區(qū)〞可忽略，支持固有的存取周期→最常用(2)DRAM芯片刷新實現(xiàn)按約定的刷新方式，由專用電路定時產(chǎn)生行刷新命令*DRAM芯片的刷新電路：*刷新電路在計算機的位置：通常獨立存在于DRAM芯片/模塊之外→DRAM控制器5、MOS型SRAM與DRAM芯片比較*DRAM芯片的優(yōu)點：①DRAM集成度遠高于SRAM；←常采用單管MOS存儲元②DRAM地址引腳是SRAM的一半；←常采用地址分兩次傳送方式③DRAM功耗約為SRAM的1/4；←采用單管MOS存儲元所致④DRAM成本遠低于SRAM*DRAM芯片的缺點：DRAM速度遠低于SRAM←使用動態(tài)元件(電容)所致*RAM芯片應用：SRAM芯片—常用來構(gòu)成高速度、小容量MEM，如CacheDRAM芯片—常用來構(gòu)成大容量MEM，如主存三、只讀存儲器(ReadonlyMemory，R0M)*ROM：信息注入MEM后不能再改變，它具有非易失性*半導體ROM：具有非易失性的半導體MEM，如EPROM、FLASH等*ROM芯片組成：與SRAM類似，區(qū)別在于存儲元的實現(xiàn)及操作1、掩模ROM(MROM)*特征：用戶不可修改信息；*存儲元狀態(tài)：用MOS管的有/無表示“1〞/“0〞；*數(shù)據(jù)讀出：字選線加電壓時，位線電壓為所選存儲元的數(shù)據(jù)VCC字選擇線XVCC字選擇線X數(shù)據(jù)線DVCC熔絲未斷(“1〞)字選擇線X數(shù)據(jù)線D熔絲已斷(“0〞)VDVD2、可編程ROM(PROM)*特征：用戶可一次性修改信息(電寫入)；*存儲元狀態(tài)：用二極管/熔絲的通/斷表示“1〞/“0〞；*數(shù)據(jù)寫入：字線X加電壓，假設寫0—VD=V地→熔絲熔斷，假設寫1—VD=V中→熔絲不斷；*數(shù)據(jù)讀出：字線X加電壓、VD=V中，檢測VD變化可讀出數(shù)據(jù)3、可擦除可編程ROM(EPROM)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫入、光擦除)；*存儲元狀態(tài)：常用浮柵雪崩注入MOS管(即FAMOS管)的浮柵Gf是/否帶電荷表示“1〞/“0〞；N基體N基體PSDGCSiO2PDSGC4、電可擦除可編程ROM(E2PROM)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫入、電擦除)；*存儲元狀態(tài)：用浮柵隧道氧化層MOS管(即Flotox管)的浮柵是/否帶電荷表示“1〞/“0〞；5、閃速存儲器(FLASH)*特征：用戶可屢次修改信息(電寫入、電擦除)；*存儲元狀態(tài)：與疊柵EPROM類似，但氧化層更薄§3.3主存儲器一、主存儲器的組成*主存儲器相關概念：主存容量=主存單元長度×主存單元個數(shù)*應用對主存空間的需求：二、主存儲器的邏輯設計*存儲器容量擴展方法：位擴展法、字擴展法、字位擴展法*主存邏輯設計：使用ROM、SRAM或DRAM芯片進展容量擴展，實現(xiàn)主存單元長度和主存單元個數(shù)。1、位擴展法(又稱并聯(lián)擴展)*目的：擴展存儲器的存儲字長*芯片連接特征：各芯片數(shù)據(jù)引腳連接不同，其余引腳連接一樣例1—用1K×1位SRAM芯片構(gòu)成1K×4位存儲模塊2、字擴展法(又稱串聯(lián)擴展)*目的：擴展存儲器的存儲字數(shù)例2—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成2K×4位存儲模塊解：①芯片數(shù)量—共需(2K×4b)÷(1K×4b)=2片；②各芯片地址范圍—存儲模塊有l(wèi)og2(2K)=11位地址，各芯片片選有效邏輯—0#、1#芯片分別為A10=0、A10=1練習1—用1M×4位SRAM芯片構(gòu)成4M×4位存儲模塊3、字位擴展法*目的：同時擴展存儲器的存儲字長和存儲字數(shù)例3—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成2K×8位存儲模塊解：①芯片數(shù)量—共需(2K×8b)÷(1K×4b)=4片；②各芯片地址范圍—存儲模塊有l(wèi)og2(2K)=11位地址，練習2—用1K×4位SRAM芯片構(gòu)成4K×8位存儲模塊例4—用1K×4位ROM、1K×8位SRAM芯片構(gòu)成4K×8位存儲模塊，其中前1KB空間為只讀空間解：①芯片數(shù)量—共需ROM2片、SRAM3片；ROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

01XXXXXXXXXX

10XXXXXXXXXX

11XXXXXXXXXXROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

01XXXXXXXXXX

10XXXXXXXXXX

11XXXXXXXXXXSRAM2#SRAM3#模塊有l(wèi)og2(4K)=12位地址芯片有10位地址③連接圖—三、提高訪存速度的措施*CPU的訪存特征：一次訪存的信息常為多個存儲字，屢次訪存的地址常為連續(xù)的；1、多模塊存儲器--多體存儲器2、高性能存儲器(1)EDODRAM(ExtendedDataOutputDRAM，擴展數(shù)據(jù)輸出DRAM)*提高性能思路：同時讀出并緩沖一行信息，減小平均TM*實現(xiàn)原理：用SRAM保存上次讀操作的一行信息，當前讀操作的行地址假設與上次讀操作一樣，那么直接從SRAM中取出信息SDRAM(SynchronousDRAM,同步DRAM)MEM從所接收地址開場，連續(xù)讀/寫多個存儲字(內(nèi)部計數(shù)器產(chǎn)生各存儲字地址)，減少了多個地址連續(xù)數(shù)據(jù)傳送的平均TM(3)DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM，雙數(shù)據(jù)速率DRAM)3、雙端口存儲器--同時支持兩個操作*構(gòu)造：2套譯碼+I/O+讀寫電路，1個存儲陣列+判斷邏輯電路§3.4高速緩沖存儲器一、Cache的基本原理*Cache的性能：命中率(H)—HC=NC/(NC+NM)其中,NC、NM—CPU訪存在Cache、主存中的命中次數(shù)√平均訪問時間—TA=HCTCache+(1-HC)TMem1、Cache的存儲空間管理(1)Cache與主存的信息交換單位*目標：盡量減小平均訪問時間TA*Cache與主存的信息交換單位：字塊(又稱塊或行)(2)Cache的存儲空間管理2、Cache的基本工作原理3、Cache的構(gòu)造與組成*存儲體：由SRAM構(gòu)成*地址映像及變換機構(gòu)：由目錄表、比較器等組成；目錄表—行數(shù)=Cache塊數(shù)，表項=有效位+塊標記+…地址映像機構(gòu)—決定查目錄表的哪些行及塊標記組成└→影響變換的性能及成本地址變換機構(gòu)—查表并比較，命中時直接形成Cache地址不命中時調(diào)入塊或替換塊后再形成二、Cache的相關技術1、地址映像及變換*實現(xiàn)功能：某主存塊可存放到Cache中哪些塊位置*性能指標：調(diào)入塊時的塊沖突概率、地址變換的速度與成本(1)全相聯(lián)地址映像及變換*映像規(guī)那么：主存塊i可映射到Cache的任意一個塊；*地址變換方法：比較目錄表所有行，命中時行號即為變換后的塊號；例1：CPU支持最大主存容量1MB、按字節(jié)編址，塊大小16B，Cache容量為8KB。全相聯(lián)映像方式時，⑴主存地址格式及參數(shù)⑵Cache地址格式及參數(shù)⑶目錄表行數(shù)塊標記位數(shù)⑷假設目錄表項為<有效位,塊標記>，CPU訪問36454H主存單元時，那么Cache命中時的目錄表項(2)直接地址映像及變換*映像規(guī)那么：主存塊i可映射到Cache的塊j=(imodG)；*地址變換方法：比較目錄表相應行，命中時主存地址的區(qū)內(nèi)塊號即為變換后的塊號；例2：CPU支持最大主存容量1MB、按字節(jié)編址，塊大小16B，Cache容量為8KB。直接映像方式時，⑴主存及Cache地址格式及參數(shù)⑵目錄表行數(shù)塊標記位數(shù)⑶假設目錄表項為<有效位,塊標記>，CPU訪存地址為36454H時，那么可能命中的Cache塊號命中時的目錄表項(3)組相聯(lián)地址映像及變換--直接映像與全相聯(lián)映像的折中*映像規(guī)那么：將Cache中塊分組，每組為n個塊(共G/n個組)，主存塊i可映像到Cache的第j組(j=imodG/n)中的任意塊?！鵱路組