1/2 考前復(fù)習(xí)

考試說明

• 1、單選題焚鹊，10分
• 2凉敲、填空題，30分
• 3、簡(jiǎn)答題爷抓，24分
• 4势决、綜合題，36分

復(fù)習(xí)PPT答案

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作業(yè)答案

https://wws.lanzoui.com/iLOtLqwfrmh

知識(shí)點(diǎn)臨時(shí)整理

https://wws.lanzoui.com/iA8bRqx6x4h

2/2 學(xué)習(xí)筆記

一蓝撇、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

• 導(dǎo)論

1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由不同的抽象層構(gòu)成果复，計(jì)算的過程就是不同抽象層轉(zhuǎn)換的過程。上層是下層的抽象渤昌，下層則是上層的具體實(shí)現(xiàn)虽抄。本課程涉及的內(nèi)容主要位于圖中 RTL 以上的微結(jié)構(gòu)和 ISA 層次，介于軟件和底層硬件電路之間独柑。

2）大部分的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都使用 ASCII 標(biāo)準(zhǔn)來表示文本字符迈窟，這種由 ASCII 字符構(gòu)成的文件稱為文本文件。

hello.c 程序由文本文件高級(jí)語言程序到可執(zhí)行文件的過程忌栅。

3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)
總線：貫穿整個(gè)系統(tǒng)的一組電子管道车酣。它攜帶信息字節(jié)井負(fù)責(zé)在各個(gè)部件間傳遞。
I/O設(shè)備：系統(tǒng)與外界的聯(lián)系通道（如磁盤索绪、鼠標(biāo)湖员、鍵盤），每個(gè)I/O設(shè)備都通過一個(gè)控制器與總線相聯(lián)瑞驱。
主存：臨時(shí)存儲(chǔ)設(shè)備娘摔，在處理器執(zhí)行程序時(shí)，用來存放程序和處理的數(shù)據(jù)唤反。

4）硬件結(jié)構(gòu)

• 計(jì)算機(jī)的硬件組成

1）硬件：是指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分凳寺，它由看得見摸得著的各種電子元器件、各類光彤侍、電读第、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成。
軟件：它是看不見摸不著的拥刻，由人們事先編制的具有各類特殊功能的程序組成。
2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：指那些能夠被程序員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性父泳，即概念性的結(jié)構(gòu)和功能特性般哼。
計(jì)算機(jī)組成：指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對(duì)程序員來說是透明的硬件細(xì)節(jié)惠窄。
3）計(jì)算機(jī)功能
數(shù)據(jù)處理蒸眠、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸杆融、控制機(jī)構(gòu)楞卡。
前三種功能都必須要進(jìn)行控制，控制是由計(jì)算機(jī)提供指令來施加的。
圖1：數(shù)據(jù)傳輸蒋腮，圖2：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)淘捡，圖3：數(shù)據(jù)處理+數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，圖4：數(shù)據(jù)處理

4）美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在1945年提出了存儲(chǔ)程序控制的概念
存儲(chǔ)程序控制：
① 計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器池摧、存儲(chǔ)器焦除、控制器、輸入設(shè)備作彤、輸出設(shè)備5個(gè)基本部件組成膘魄。
② 計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)。
③ 將編好的程序和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存入計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中竭讳，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠連續(xù)创葡、自動(dòng)、高速地取出一條條指令并加以執(zhí)行绢慢，從而自動(dòng)完成預(yù)定的任務(wù)灿渴。

輸入設(shè)備：用于向計(jì)算機(jī)中送入程序和數(shù)據(jù)的有一定獨(dú)立功能的設(shè)備，通過接口和總線與計(jì)算機(jī)主機(jī)連通呐芥，用于人機(jī)交互聯(lián)系逻杖。如鍵盤、鼠標(biāo)等
輸出設(shè)備：用于送出計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息的設(shè)備思瘟。如打印機(jī)荸百、顯示器等。

• 計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

第零層是硬聯(lián)邏輯級(jí)滨攻，是計(jì)算機(jī)的內(nèi)核够话，由門、觸發(fā)器等邏輯電路組成光绕。
第一層是微程序級(jí)女嘲。這級(jí)的機(jī)器語言是微指令集，用微指令編寫的微程序一般是直接有硬件執(zhí)行的诞帐。
第二層是傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)欣尼。這級(jí)的機(jī)器語言是指機(jī)器的指令集，用機(jī)器指令編寫的程序由微程序進(jìn)行解釋停蕉。
第三層是操作系統(tǒng)級(jí)愕鼓。從操作系統(tǒng)的基本功能來看，直接管理傳統(tǒng)機(jī)器的軟硬件資源慧起。
第四層是匯編語言級(jí)菇晃。語言是匯編語言，完成匯編語言翻譯的程序叫匯編程序蚓挤。
第五層是高級(jí)語言級(jí)磺送。這級(jí)是面向用戶的驻子，由各種高級(jí)語言程序支持和執(zhí)行。通常用編譯程序來完成各種高級(jí)語言的翻譯估灿。
第六層是應(yīng)用語言級(jí)崇呵。這級(jí)是為了使計(jì)算機(jī)滿足某種用途而專門設(shè)計(jì)的，因此這一級(jí)語言就是各種面向問題的應(yīng)用語言甲捏。

二進(jìn)制位：也稱為位演熟，基數(shù)為2的數(shù)字中的0或1，是信息的基本組成元素
指令：計(jì)算機(jī)硬件所能理解并服從的命令
機(jī)器語言：以二進(jìn)制形式表示的機(jī)器指令
匯編語言：以助記符形式表示的機(jī)器指令
匯編程序：將指令由助記符形式翻譯成二進(jìn)制形式的程序
編譯程序：將高級(jí)語言翻譯為計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的機(jī)器語言的程序
操作系統(tǒng)：為了使程序更好地在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而管理計(jì)算機(jī)資源的監(jiān)控程序

• 計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

1）機(jī)器字長(zhǎng)
指參與運(yùn)算的基本位數(shù)司顿，它是由加法器芒粹、寄存器的位數(shù)決定的。字長(zhǎng)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)的精度大溜，字長(zhǎng)越長(zhǎng)化漆，計(jì)算機(jī)的精度就越高。
機(jī)器字長(zhǎng)以字節(jié) Byte 為基本單位钦奋，用大寫字母B表示座云。一個(gè)字節(jié)為8位二進(jìn)制數(shù)（比特 bit）位，用小寫字母b表示付材。我們通常提到的字（word）是指數(shù)據(jù)字朦拖，一般是16位，雙字是32位厌衔。數(shù)據(jù)字和字長(zhǎng)是有區(qū)別的璧帝，數(shù)據(jù)字是度量單位，用來度量各種數(shù)據(jù)類型的寬度富寿，而字長(zhǎng)表示數(shù)據(jù)運(yùn)算的寬度睬隶，反映計(jì)算機(jī)處理信息的能力。
2）數(shù)據(jù)通路寬度
數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送信息的位數(shù)页徐，是指外部數(shù)據(jù)總線的寬度苏潜，與 CPU 內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線寬度可以不相同。它影響到信息的傳輸能力变勇，從而影響計(jì)算機(jī)的有效處理速度恤左。
3）主存容量
主存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的全部信息量成為主存容量。一般以字節(jié)數(shù)來表示存儲(chǔ)容量搀绣。1024 個(gè)字節(jié)稱為 1KB 等
4）運(yùn)算速度
影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度有很多技術(shù)指標(biāo)怕品，主要包括：吞吐量岭参、響應(yīng)時(shí)間航厚、CPU主頻憨琳、CPU時(shí)鐘周期物咳、CPI锣险、CPU執(zhí)行時(shí)間蹄皱、MIPS、MFLOPS 等
① 吞吐量：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)處理請(qǐng)求的數(shù)量芯肤。
② 響應(yīng)時(shí)間：指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求作出響應(yīng)的時(shí)間巷折，包括CPU時(shí)間與I/O時(shí)間的總和。
③ 時(shí)鐘頻率：又稱主頻崖咨，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)振蕩的速度锻拘。
單位：次/秒（Hz），1k = 103, 1M = 10?, 1G = 10?
④ 時(shí)鐘周期：主頻的倒數(shù)击蹲，是CPU中最小的時(shí)間元素署拟。單位：s。
⑤ CPI = 平均指令周期數(shù)/時(shí)鐘周期 = 平均指令執(zhí)行速度×?xí)r鐘周期
CPI：指每條指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)歌豺，單位：時(shí)鐘周期/次推穷。
IPC：指每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行的指令數(shù)，單位：次/時(shí)鐘周期类咧。
⑥ 執(zhí)行時(shí)間 = 時(shí)鐘周期數(shù)/時(shí)鐘頻率 = 指令數(shù)×CPI/時(shí)鐘頻率
⑦ MIPS：表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令馒铃。
MIPS = 指令條數(shù)/執(zhí)行時(shí)間×10? = 時(shí)鐘頻率/CPI×10? = 時(shí)鐘頻率×IPC×10?
⑧ MFLOPS： 表示每秒執(zhí)行多少百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。
MFLOPS = 浮點(diǎn)操作數(shù)/執(zhí)行時(shí)間×10?

二痕惋、信息在計(jì)算機(jī)中的表示

• 信息表示的概述

1）信息與數(shù)據(jù)
百度百科：信息指音訊区宇、消息、通訊系統(tǒng)傳輸和處理的對(duì)象值戳，泛指人類社會(huì)傳播的一切內(nèi)容议谷。
維基百科：信息指為某種問題提供答案或解決不確定性的任何實(shí)體或形式。
控制論創(chuàng)始人：信息指人們?cè)谶m應(yīng)外部世界述寡，并反作用于外部世界的過程中柿隙，同外部世界進(jìn)行互相交換的內(nèi)容和名稱。
數(shù)據(jù)就是數(shù)值鲫凶，是通過觀察禀崖、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算得出的結(jié)果螟炫。
數(shù)據(jù)可以是數(shù)字波附、文字、圖像和聲音等昼钻。
數(shù)據(jù)可以用于科學(xué)研究掸屡、設(shè)計(jì)、查證等然评。
2）兩者關(guān)系
數(shù)據(jù)是反映客觀事物屬性的記錄仅财，是信息的具體表現(xiàn)形式，是信息的載體碗淌。
信息是有一定含義的數(shù)據(jù)盏求，信息需要經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)才能存儲(chǔ)和傳輸抖锥。
3）編碼
指用少量簡(jiǎn)單基本符號(hào)，選用一定的組合規(guī)則碎罚，表示出大量復(fù)雜多樣的信息磅废。
在計(jì)算機(jī)中，所有的數(shù)據(jù)都需要用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼荆烈。
在計(jì)算機(jī)中”信息“分為兩大類：
① 非數(shù)值數(shù)據(jù)：指字符拯勉、字符串、圖形符號(hào)憔购、漢字等數(shù)據(jù)宫峦，又稱字符數(shù)據(jù)。

② 數(shù)值數(shù)據(jù)：指可以測(cè)量的倦始，可以計(jì)數(shù)出來的數(shù)據(jù)斗遏，是有“量值”概念的數(shù)據(jù)。

• 非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

1）ASCII 碼的編碼特點(diǎn)
① 用7位二進(jìn)制表示1個(gè)字符
② 可表示128個(gè)字符（數(shù)字字符鞋邑、大小寫字母诵次、專用字符、控制字符）
③ 數(shù)字0-9的ASCII碼對(duì)應(yīng)30H-39H枚碗，同一英文字母的大小寫相差20H
④ 內(nèi)存中用一個(gè)字節(jié)來存放一個(gè)字符逾一。其中低7位存放 ASCII 代碼，最高位作為奇偶校驗(yàn)位肮雨。
2）漢字
漢字涉及4種編碼：交換碼遵堵、輸入碼、機(jī)內(nèi)碼怨规、字形碼陌宿。

① 交換碼
主要用于漢字信息處理系統(tǒng)之間，或通信系統(tǒng)之間交換信息使用波丰。
中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局1980年頒布的《信息交換用漢字編碼字符集基本集》（代號(hào)GB2312-80）規(guī)定漢字交換碼作為國(guó)標(biāo)碼壳坪。
② 輸入碼
主要用于從鍵盤輸入漢字。常見的輸入碼有區(qū)位碼掰烟、拼音碼等爽蝴。
區(qū)位碼定長(zhǎng)4位，前2位表示區(qū)號(hào)纫骑，后2位表示位號(hào)蝎亚。
漢字的區(qū)號(hào)和位號(hào)均用十進(jìn)制數(shù)表示。國(guó)標(biāo)碼=區(qū)位碼（十六進(jìn)制）+2020H
例如：“學(xué)”的區(qū)位碼是4907D先馆，國(guó)標(biāo)碼是3107H+2020H=5127H
③ 機(jī)內(nèi)碼
計(jì)算機(jī)內(nèi)部用來標(biāo)識(shí)漢字的編碼发框。一個(gè)漢字由兩個(gè)字節(jié)組成，為了與ASCII碼區(qū)別煤墙，最高位均為1
機(jī)內(nèi)碼 = 國(guó)標(biāo)碼+8080H梅惯；機(jī)內(nèi)碼 = 區(qū)位碼+A0AH顾患。
例如：“學(xué)”的機(jī)內(nèi)碼是5127H+8080H=D1A7H
④ 字形碼
確定一個(gè)漢字字形點(diǎn)陣的代碼。根據(jù)對(duì)漢字質(zhì)量的不同要求个唧，可有16 * 16、24 * 24设预、32 * 32徙歼、48 * 48的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
3）Unicode
國(guó)際組織制定的可以容納世界上所有文字和符號(hào)的字符編碼方案鳖枕。
① 編碼方式
用一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)（兩個(gè)字節(jié)）來表示Unicode 的每一個(gè)符號(hào)魄梯。
② 實(shí)現(xiàn)方式
Unicode 的編碼是確定的，但由于不同系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)不一致宾符，實(shí)現(xiàn)方式稱為 Unicode 的轉(zhuǎn)換格式（UTF）

• 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的表示方法

1）定點(diǎn)數(shù)
定點(diǎn)數(shù)就是小數(shù)點(diǎn)位置固定的數(shù)酿秸。分為兩種：定點(diǎn)小數(shù)、定點(diǎn)整數(shù)魏烫。
定點(diǎn)小數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置固定在最高數(shù)值位之前符號(hào)位之后的數(shù)辣苏。
定點(diǎn)整數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置固定在最低數(shù)值位之后的數(shù)。

例：機(jī)器字長(zhǎng)為8位
① 原碼機(jī)器表示范圍：-0.1111111~0.1111111
最大正數(shù)：1-2^-7
最小正數(shù)：2^-7
絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)：-(1-2^-7)
② 補(bǔ)碼機(jī)器表示范圍：-00000001~0.1111111
最大正數(shù)：1-2^-7
最小正數(shù)：2^-7
絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)：-1
③ 原碼機(jī)器表示范圍：-01111111~01111111
最大正數(shù)：2^7-1
最小正數(shù)：1
絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)：-(2^7-1)
② 補(bǔ)碼機(jī)器表示范圍：-10000000~01111111
最大正數(shù)：2^-7-1
最小正數(shù)：1
絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)：-2^7
2）浮點(diǎn)數(shù)
① 浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化：規(guī)格化數(shù)的非0尾數(shù)應(yīng)滿足 1/2≤|S|
② 規(guī)格化數(shù)的判別
原碼表示：規(guī)格化數(shù)的尾數(shù)應(yīng)滿足 1/2≤|S|<1
補(bǔ)碼表示：對(duì)于正數(shù)哄褒，規(guī)格化數(shù)的尾數(shù)應(yīng)滿足 1/2≤|S|<1
對(duì)于負(fù)數(shù)稀蟋，規(guī)格化的尾數(shù)應(yīng)滿足 -1/2>S≥-1
③ IEEE754 標(biāo)準(zhǔn)定義的浮點(diǎn)數(shù)格式：?jiǎn)尉雀袷健㈦p精度格式呐赡、擴(kuò)展精度格式退客。

• 校驗(yàn)碼

1）數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼：具有檢測(cè)錯(cuò)誤或自動(dòng)糾錯(cuò)能力的數(shù)據(jù)編碼。
合法編碼：正確的數(shù)據(jù)編碼链嘀。非法編碼：錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)編碼萌狂。
校驗(yàn)碼原理：在原有碼的基礎(chǔ)上增加一些冗余碼，當(dāng)合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯(cuò)誤時(shí)怀泊，就稱為非法編碼茫藏。
碼距：編碼由碼字構(gòu)成，任意兩個(gè)碼字之間最少變化的二進(jìn)制位位數(shù)包个，被稱為“數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼的碼距”刷允。
碼距≥2的校驗(yàn)碼才有檢錯(cuò)能力。碼距越大檢糾錯(cuò)能力就越強(qiáng)碧囊，且檢錯(cuò)能力 ≥ 糾錯(cuò)能力树灶。
校驗(yàn)位：編碼系統(tǒng)中包含的非法編碼稱為冗余碼。為了形成冗余碼糯而，在編碼中增加的冗余位稱為校驗(yàn)位天通。
2）奇偶校驗(yàn)碼
一種開銷小，能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)代碼中1位或奇數(shù)個(gè)位出錯(cuò)情況的編碼熄驼。
編碼規(guī)則：在k位數(shù)據(jù)碼外增加1位校驗(yàn)位像寒，使k+1位中為1的位數(shù)總為偶數(shù)或奇數(shù)烘豹。
奇校驗(yàn)：整個(gè)編碼中包含的1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)
偶校驗(yàn)：整個(gè)編碼中包含的1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)。
例：原始數(shù)據(jù)為1011诺祸，奇校驗(yàn)碼為01011携悯，偶校驗(yàn)碼為11011。
方法：根據(jù)校驗(yàn)方程筷笨，當(dāng)偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)出錯(cuò)=0時(shí)認(rèn)為沒有出錯(cuò)憔鬼，否則出錯(cuò)。
用途：存儲(chǔ)器讀寫檢查胃夏，或數(shù)據(jù)傳送過程中的檢查轴或。
3）海明校驗(yàn)碼
一種能夠糾正 1 位出錯(cuò)，檢測(cè) 2 位錯(cuò)仰禀，且自動(dòng)恢復(fù)出錯(cuò)位的校驗(yàn)碼照雁。

4）循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）
用于多位串行數(shù)據(jù)傳送中的檢糾錯(cuò)處理，在 k 位數(shù)據(jù)位串行移位輸出的過程中答恶，用帶有異或門控制的移位寄存器形成 r 個(gè)校驗(yàn)位的值饺蚊，跟隨數(shù)據(jù)位之后傳送走。在接收端再對(duì) k+r 位的碼字進(jìn)行合法與出錯(cuò)檢查悬嗓，若可能則自動(dòng)糾錯(cuò)卸勺。

• 定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算

1、補(bǔ)碼
正數(shù)的補(bǔ)碼等于它本身烫扼。
負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于"0"曙求、"1"、符號(hào)取反映企，再加一悟狱。
2、補(bǔ)碼加法的運(yùn)算公式
[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=[X +Y]補(bǔ)
例：X=0.1011堰氓，Y=-0.0101挤渐，求X+Y=？
[X]補(bǔ)=0.1011双絮，[Y]補(bǔ)=1.1011
[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)=0.0110（最高位丟掉）
所以 X+Y=0.0110
3浴麻、補(bǔ)碼減法的運(yùn)算公式
[X]補(bǔ)-[Y]補(bǔ)=[X+(-Y)]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)
例：X=-0.1011，Y=-0.0110囤攀，求X-Y=软免？
[X]補(bǔ)=1.0101，-Y=0.0110焚挠，[-Y]補(bǔ)=0.0110
[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)=1.1011
所以 X-Y=-0.0101
4膏萧、溢出
1）運(yùn)算結(jié)果超出機(jī)器所能表示的數(shù)值范圍的現(xiàn)象。
兩異號(hào)數(shù)相加或兩同號(hào)數(shù)相減一定不會(huì)產(chǎn)生溢出；
兩同號(hào)數(shù)相加或兩異號(hào)數(shù)相減才有可能產(chǎn)生溢出榛泛。
2）溢出的判別方法
① 當(dāng)兩個(gè)正數(shù)相加結(jié)果為負(fù)蝌蹂，或兩個(gè)負(fù)數(shù)相加結(jié)果為正時(shí)一定發(fā)生了溢出。
② 采用 "變形補(bǔ)碼" 進(jìn)行判斷
符號(hào)"00"表示正數(shù)曹锨，"11"表示負(fù)數(shù)孤个，數(shù)值與普通補(bǔ)碼一致。
例：X=+1001沛简，[X]變補(bǔ)=00 1001
Y=-1001硼身，[Y]變補(bǔ)=11 0111
當(dāng)兩個(gè)符號(hào)位不相同時(shí)發(fā)生溢出。

• 定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算

一覆享、邏輯移位
針對(duì)無符號(hào)數(shù)的移位運(yùn)算。
1营袜、邏輯左移1位
將原有數(shù)中的每一位都向左移動(dòng)1位撒顿，左面高位丟棄，右面低位補(bǔ)"0"荚板。
2凤壁、邏輯右移1位
將原有數(shù)中的每一位都向右移動(dòng)1位，右面低位丟棄跪另，左面高位補(bǔ)"0"拧抖。
二、算術(shù)移位
1免绿、原碼移位操作
符號(hào)位不變唧席。數(shù)值單獨(dú)移位，移走位丟棄嘲驾，空出數(shù)位補(bǔ)"0"淌哟。
2、補(bǔ)碼移位操作
正數(shù)：符號(hào)位不變辽故。數(shù)值單獨(dú)移位徒仓，移走位丟棄，空出數(shù)位補(bǔ)"0"誊垢。
負(fù)數(shù)：符號(hào)位不變掉弛。數(shù)值單獨(dú)移位，移走位丟棄喂走，高位補(bǔ)"1"殃饿、低位補(bǔ)"0"。
三芋肠、原碼一位乘法
符號(hào)位異或壁晒，兩數(shù)絕對(duì)值相乘。被乘數(shù)取雙符號(hào)位，部分積的長(zhǎng)度同被乘數(shù)秒咐，初值為0谬晕。
若Y=1，則部分積加上被乘數(shù)X携取，然后右移一位攒钳；若Y=0，則部分積加上0雷滋，然后右移一位不撑。

四、補(bǔ)碼一位乘法
符號(hào)位參加運(yùn)算晤斩，運(yùn)算數(shù)均以補(bǔ)碼表示焕檬。被乘數(shù)取雙符號(hào)位，乘數(shù)取單符號(hào)位澳泵。最后一步不移位实愚。

三、多層次的存儲(chǔ)器

• 3.1 存儲(chǔ)器概述

中央處理器由高速器件組成兔辅，不少指令的執(zhí)行速度基本上取決于主存儲(chǔ)器的速度腊敲。計(jì)算機(jī)解題能力的提高、應(yīng)用范圍的日益廣泛维苔、系統(tǒng)軟件的日益豐富碰辅，無一不與主存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。

一介时、基本概念
1没宾、存儲(chǔ)器：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序沸柔、數(shù)據(jù)榕吼。
2、存儲(chǔ)元：存儲(chǔ)器的最小組成單位勉失，用以存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼羹蚣。
3、存儲(chǔ)單元：CPU訪問存儲(chǔ)器的基本單位乱凿，由多個(gè)具有相同操作屬性的存儲(chǔ)元組成顽素。
4、單元地址：存儲(chǔ)器中用以表識(shí)存儲(chǔ)單元的唯一編號(hào)徒蟆，CPU通過該編號(hào)訪問相應(yīng)的存儲(chǔ)單元胁出。
5、字存儲(chǔ)單元：存放一個(gè)字的存儲(chǔ)單元段审，相應(yīng)的單元地址叫字地址扣猫。
6踢俄、字節(jié)存儲(chǔ)單元：存放一個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元规丽，相應(yīng)的單元地址叫字節(jié)地址
7馒索、按字尋址計(jì)算機(jī)：可編址的最小單位是字的計(jì)算機(jī)胶逢。
8、按字節(jié)尋址計(jì)算機(jī)：可編址的最小單位是字節(jié)的計(jì)算機(jī)。
9、存儲(chǔ)體：存儲(chǔ)單元的集合砌烁，是存放二進(jìn)制信息的地方。
二催式、存儲(chǔ)器分類
1函喉，按存儲(chǔ)介質(zhì)分類
半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（易失），磁表面存儲(chǔ)器荣月、光盤存儲(chǔ)器（非易失）管呵。
2，按存取方式分類
順序存儲(chǔ)器：按順序來存取哺窄，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)捐下。例：磁帶存儲(chǔ)器。
隨機(jī)存儲(chǔ)器：可以隨機(jī)存取堂氯，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)。例：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器牌废。
3咽白，按存儲(chǔ)器的讀寫功能分
只讀存儲(chǔ)器（ROM）：只能讀出不能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的鸟缕。
隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器晶框，分為靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM懂从。
4授段，按信息的可保存性分
非永久記憶的存儲(chǔ)器：斷電后信息便消失的存儲(chǔ)器。
永久記憶性存儲(chǔ)器：斷電后信息仍能保存的存儲(chǔ)器番甩。
5侵贵，按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分
主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器缘薛、高速緩沖存儲(chǔ)器漱抓、控制存儲(chǔ)器等恕齐。
三、存儲(chǔ)器的分級(jí)
對(duì)存儲(chǔ)器的要求是：容量大，速度快，成木低。
為解決三者之間的矛盾束铭，目前通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)昔汉，即高速緩沖存儲(chǔ)器（寄存器会通、Cache）、主存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器。
四郊闯、主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)

• 3.2 SRAM 存儲(chǔ)器

一泳挥、基本存儲(chǔ)元：組成存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)和核心剧浸，存儲(chǔ)一位"0"或“1"嫌变。

靜態(tài)存儲(chǔ)元陳列：任何一個(gè)SRAM冯吓，都有三組信號(hào)線。
① 地址線：A?~A?啊奄，決定了存儲(chǔ)器的容量是 2^6=64 個(gè)存儲(chǔ)單元仪吧。
② 數(shù)據(jù)線：I/O?~I/O?凡蚜，決定了存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)是4位恶迈。
③ 控制線：R/W副渴，決定了存儲(chǔ)器進(jìn)行讀（高電平）還是寫（低電平）将鸵。

二、SRAM 芯片的邏輯結(jié)構(gòu)
一個(gè)SRAM存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體、讀寫電路、地址譯碼、控制電路等組成。
① 存儲(chǔ)體：將基本的存儲(chǔ)電路有規(guī)則地組織起來，就是存儲(chǔ)體。
② 雙譯碼：圖中，A0~A7 經(jīng)行譯碼輸出256行，A8~A14 經(jīng)列譯碼輸出128列。
③ 控制電路：CS 是片選信號(hào)，有效時(shí)（低電平）打開門 G1、G2故响。
④ 讀寫電路：OE 是讀出信號(hào)，WE 是寫信號(hào)。門G1、G2是互鎖的，一個(gè)開啟時(shí)另一個(gè)關(guān)閉。

三秸滴、存儲(chǔ)器的讀咒唆、寫周期
1均澳、讀出時(shí)間（tAQ）：從給出有效地址到外部數(shù)據(jù)總線上穩(wěn)定地出現(xiàn)讀出數(shù)據(jù)信息所經(jīng)歷的時(shí)間判族。
2周叮、讀周期時(shí)間（tRC）：存儲(chǔ)器進(jìn)行兩次連續(xù)讀操作時(shí)所間隔的時(shí)間各薇，它總是大于等于讀出時(shí)間。
3、寫周期時(shí)間（tWC）：通常稱為存儲(chǔ)周期。為了控制方便，一般取 tRC = tWC。

• 3.3 DRAM 存儲(chǔ)器

一亡笑、單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元：與SRAM相比集成度更高，功耗更低，應(yīng)用廣泛。

二、DRAM 芯片的邏輯結(jié)構(gòu)
兩個(gè)電源腳、兩個(gè)地線腳、一個(gè)空腳（NC）
A0～A10：地址輸入線。D1～D4：數(shù)據(jù)輸入/輸出線
CAS：列地址選通信號(hào)線。WE：寫控制信號(hào) 。OE：讀控制信號(hào)
RAS：行地址選通信號(hào)線神凑。（兼片選信號(hào)作用，整個(gè)讀寫周期處于有效狀態(tài)）

DRAM時(shí)序

三藻三、DRAM的刷新
1、集中式刷新
集中式刷新適用于高速存儲(chǔ)器柜蜈，存在不能進(jìn)行讀寫操作的死區(qū)時(shí)間。
例如：對(duì)于 128×128 矩陣存儲(chǔ)器。設(shè)刷新周期為2ms，存取周期為0.5us，則刷新周期共有4000個(gè)存取周期。其中3872個(gè)周期（1936us）用來讀寫或維持信息随静，128個(gè)周期（64us）用來刷新。這64us內(nèi)不能進(jìn)行讀寫操作，稱為“死區(qū)時(shí)間”，所占比例為128/4000×100%=3.2%，稱為“死時(shí)間率”。

2、分散式刷新
分散式刷新既可以縮短“死區(qū)時(shí)間”念恍，又充分利用最大刷新間隔為2ms的特點(diǎn)。
例如：對(duì)于 128×128 矩陣存儲(chǔ)器。設(shè)存取周期為0.5us恋沃，則在2ms內(nèi)把128行刷新一遍：2000us/128≈15.5us。即每15.5us刷新一行，而每行刷新時(shí)間仍為0.5us底燎，這樣刷新一行只停止一個(gè)存取周期。對(duì)于每行來說，刷新間隔時(shí)間仍為2ms，而“死區(qū)時(shí)間”縮短為0.5us莲祸。

四允瞧、DRAM和SRAM的比較
通常建炫，容量不大的高速緩沖存儲(chǔ)器大多用SRAM實(shí)現(xiàn)。
1稳捆、DRAM的優(yōu)點(diǎn)：
① 在同樣大小的芯片中，DRAM的集成度遠(yuǎn)高于SRAM驯嘱。
② DRAM 行镶苞、列地址按先后順序輸送，減少了芯片引腳茂蚓，封裝尺寸也減少。
③ DRAM 的價(jià)格比SRAM便宜。
2聋涨、DRAM的缺點(diǎn)：
① 由于使用動(dòng)態(tài)元件（電容）晾浴，速度比SRAM慢。
② DRAM需要再生牍白，故需配置再生電路脊凰，也需要消耗一部分的功率。
五茂腥、存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充
1狸涌、位擴(kuò)展法。2最岗、字?jǐn)U展法帕胆。3、字位擴(kuò)展法般渡。

• 3.4 只讀存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器

1懒豹、什么是閃速存儲(chǔ)器
在 EPROM 和 E2PROM 基礎(chǔ)上的一種新型的、性價(jià)比更好驯用、可靠性更高的可擦除非易失性存儲(chǔ)器脸秽。既有EPROM價(jià)格便宜、集成度高的優(yōu)點(diǎn)蝴乔，又有EEPROM電可擦除重寫的特性记餐。
2、閃速存儲(chǔ)器的工作原理
在EPROM基礎(chǔ)上增加了電路的電擦除和重新編程能力淘这。
① 保證TTL電平的控制信號(hào)輸入剥扣；
② 在擦除和編程過程中穩(wěn)定供電；
③ 最大限度的與EPROM兼容铝穷。

• 3.5 并行存儲(chǔ)器

由于CPU和主存儲(chǔ)器在速度上不匹配钠怯，限制了高速計(jì)算。
為使CPU不至因?yàn)榈却鎯?chǔ)器讀寫而無事可做曙聂，可以采取以下一些措施：
1晦炊、采用空間并行操作方式（雙端口存儲(chǔ)器）　
2、提高時(shí)間讀出并行性（多模塊交叉存儲(chǔ)器）
3宁脊、采用更高速的技術(shù)來縮短存儲(chǔ)器的讀出時(shí)間（相聯(lián)存儲(chǔ)器）
一断国、雙端口存儲(chǔ)器
同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫控制線路，是一種高速工作的存儲(chǔ)器榆苞。

二稳衬、多模塊交叉存儲(chǔ)器
1、 并行主存系統(tǒng)

2坐漏、多模塊交叉存儲(chǔ)器
1）存儲(chǔ)器的模塊化組織
由若干個(gè)模塊組成的主存儲(chǔ)器是線性編址的薄疚。這些地址有兩種安排方式：順序方式碧信、交叉方式。

2）存儲(chǔ)器的編址方式街夭、存取方式

三砰碴、相聯(lián)存儲(chǔ)器
1、基本原理
相聯(lián)存儲(chǔ)器不是按地址訪問的存儲(chǔ)器板丽，而是按內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器呈枉。
2、相聯(lián)存儲(chǔ)器的組成

• 3.6 Cache存儲(chǔ)器

一埃碱、存儲(chǔ)體系
1猖辫、存儲(chǔ)體系
把各種不同存儲(chǔ)容量、不同存取速度乃正、不同價(jià)格的存儲(chǔ)器組成層次結(jié)構(gòu)住册，并通過管理軟件婶博、輔助硬件將不同性能的存儲(chǔ)器組合成有機(jī)的整體瓮具，稱為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系。

2凡人、實(shí)現(xiàn)原理：程序訪問的局部性原理
程序訪問的局部性原理：對(duì)局部范圍的地址頻繁訪問名党，而范圍以外的地址則訪問甚少的現(xiàn)象。
① 時(shí)間局部性：如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問挠轴，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問传睹。（程序循環(huán)、堆棧）
② 空間局部性：在最近的將來要用到的信息很可能與現(xiàn)在使用的信息在空間地址上是臨近的岸晦。（指令順序執(zhí)行欧啤、數(shù)組存放）
3、存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
① 包含性
② 相鄰層之間的數(shù)據(jù)傳送單位
CPU ? 高速緩存：字 （假設(shè)1個(gè)字包含4個(gè)字節(jié)）
高速緩存 ? 主存儲(chǔ)器：塊 （每塊32/64個(gè)字節(jié)）
主存 ? 磁盤：頁面 （每頁4K字節(jié)启上，包含128塊）
4邢隧、存儲(chǔ)體系的性能
命中：在Mi中找到一個(gè)信息項(xiàng)時(shí)稱為命中，反之稱為失效冈在。
命中率：在 Mi 層的命中率 hi 是信息項(xiàng)可在 Mi 中找到的概率倒慧。
失效率：在 Mi 中的失效率定義為 1-hi。
二包券、cache基本原理
cache由高速的SRAM組成纫谅，工作速度數(shù)倍于主存，全部功能由硬件實(shí)現(xiàn)溅固，并且對(duì)程序員是透明的付秕。

1、cache概念
1）CPU與主存儲(chǔ)器之間的一種高速緩沖裝置侍郭。
2）cache-主存層次結(jié)構(gòu)：由硬件變換地址和控制調(diào)度構(gòu)成询吴。
2俩垃、cache的設(shè)計(jì)依據(jù)
CPU這次訪問過的數(shù)據(jù)，下次有很大可能也是訪問附近的數(shù)據(jù)汰寓。
3口柳、cache控制邏輯
依據(jù)地址判斷此字是否在cache中，若在則立即傳送給CPU 有滑。
三跃闹、cache的基本結(jié)構(gòu)
由cache存儲(chǔ)體、地址映射變換機(jī)構(gòu)毛好、cache替換機(jī)構(gòu)幾大模塊組成望艺。

命中率：指CPU所要訪問的信息在cache中的比率。
失效率：指CPU所要訪問的信息不在cache中的比率肌访。

• 3.7 虛擬存儲(chǔ)器

一個(gè)用戶的程序不再分配連續(xù)的內(nèi)存空間找默，而是把物理存儲(chǔ)器分成多個(gè)較小等長(zhǎng)的存儲(chǔ)塊，稱為頁面吼驶。
每個(gè)進(jìn)程所需的存儲(chǔ)空間被劃分成小的固定長(zhǎng)度的程序塊惩激，稱為頁。頁的長(zhǎng)度和頁面相等蟹演。
分頁技術(shù)引申出一種非常重要的存儲(chǔ)管理策略——虛擬存儲(chǔ)器（虛存）风钻。
在存儲(chǔ)管理部件（MMU）的支持下，虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)可以徹底解決存儲(chǔ)器的調(diào)度與管理問題酒请。
一. 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念
虛擬存儲(chǔ)器骡技，是建立在主存-輔存基礎(chǔ)上的，由負(fù)責(zé)信息劃分及信息調(diào)度的輔助硬件及操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件所組成的一種存儲(chǔ)體系羞反。
虛擬存儲(chǔ)器布朦，是一個(gè)容量非常大的存儲(chǔ)器的邏輯模型，不是任何實(shí)際的物理存儲(chǔ)器昼窗。
虛擬存儲(chǔ)器是趴，指的是主存-輔存層次。以透明的方式給用戶提供了比實(shí)際主存空間大得多的程序地址空間膏秫。
二. 虛地址和實(shí)地址
1右遭、虛擬存儲(chǔ)器的輔存部分也能被用戶像內(nèi)存一樣使用，用戶編程時(shí)的指令地址允許涉及輔存大小的空間范圍缤削，這種指令地址稱為“虛地址”窘哈。對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱為“虛存空間”。
2亭敢、實(shí)際的主存儲(chǔ)器地址則稱為 “實(shí)地址”滚婉。它由CPU引腳送出，是用于訪問主存的地址帅刀。對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間稱為“主存空間”让腹。
三. cache與虛存的異同
1远剩、cache-主存和主存-輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次的相同點(diǎn)：
1）出發(fā)點(diǎn)相同。2）原理相同骇窍。
2瓜晤、cache-主存和主存-輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次的不同點(diǎn)：
1）側(cè)重點(diǎn)不同。2）數(shù)據(jù)通路不同腹纳。3）透明性不同痢掠。4）未命中時(shí)的損失不同。
四. 虛存機(jī)制面臨的問題
1）調(diào)度問題嘲恍。2）地址映射問題足画。3）替換問題。4）更新問題佃牛。
五. 幾種虛擬存儲(chǔ)器
由于存儲(chǔ)映射算法不同淹辞，形成了多種存儲(chǔ)器管理方式的虛擬存儲(chǔ)器，其中主要有頁式俘侠、段式象缀、段頁式三種。
1兼贡、頁式虛擬存儲(chǔ)器
虛地址空間被分成等長(zhǎng)大小的頁攻冷，稱為邏輯頁娃胆。
主存空間也被分成同樣大小的頁遍希，稱為物理頁。
虛地址分為兩個(gè)字段：高字段為邏輯頁號(hào)里烦，低字段為頁內(nèi)地址（偏移量）凿蒜。
存地址分為兩個(gè)字段：高字段為物理頁號(hào)斟或，低字段為頁內(nèi)地址听怕。
為了避免對(duì)主存訪問次數(shù)的增多，把頁表中最活躍的部分存放在高速存儲(chǔ)器中組成快表十饥。保存在主存中的完整頁表則稱為慢表丧蘸。

2漂洋、段式虛擬存儲(chǔ)器
段式虛擬存儲(chǔ)器，是以程序的邏輯結(jié)構(gòu)所形成的段（如主程序力喷、子程序刽漂、過程、表格等）作為主存分配單位的虛擬存儲(chǔ)器弟孟。
段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中贝咙，虛地址由段號(hào)、段內(nèi)地址（偏移量）組成拂募。虛地址到主存地址的變換通過段表實(shí)現(xiàn)庭猩。
段表的每一個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)段窟她。每個(gè)表項(xiàng)至少包含三個(gè)字段：有效位、段起址蔼水、段長(zhǎng)震糖。

3、段頁式虛擬存儲(chǔ)器
將段式管理和頁式管理相結(jié)合趴腋，就構(gòu)成了虛存的段頁式管理试伙。
程序按頁進(jìn)行調(diào)入和調(diào)出操作，但可按段進(jìn)行編程于样、保護(hù)和共享疏叨，兼?zhèn)漤撌胶投问降膬?yōu)點(diǎn)。目前大中型機(jī)都采用這種虛擬存儲(chǔ)器穿剖。
每道程序均通過一個(gè)段表和多個(gè)頁表進(jìn)行兩級(jí)再定位蚤蔓。

六、虛擬存儲(chǔ)器的替換算法
1糊余、替換算法：一般采用LRU算法秀又、LFU算法、FIFO算法贬芥，或?qū)煞N算法結(jié)合起來使用吐辙。
FIFO+LRU算法比FIFO算法的命中率高。
2蘸劈、寫操作：在頁表的每一行應(yīng)設(shè)置一個(gè)修改位昏苏。
3、存儲(chǔ)管理部件MMU：實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換威沫，并在頁面失效時(shí)進(jìn)行調(diào)頁贤惯。

• 3.8 奔騰系列機(jī)的虛存組織

一、存儲(chǔ)器模型
1）平坦存儲(chǔ)器模型：內(nèi)存被組織成單一的棒掠、連續(xù)的地址空間孵构，稱為“線性地址空間”。
2）分段存儲(chǔ)器模型：每個(gè)程序使用一組獨(dú)立的地址空間烟很，每個(gè)空間就是一個(gè)段（最大長(zhǎng)度為4GB）颈墅。
3）實(shí)地址模式存儲(chǔ)器模型：線性地址空間（最大長(zhǎng)度為2^20B）被分為段（最大長(zhǎng)度為64KB）。
二雾袱、 虛地址模式
1恤筛、IA-32 體系結(jié)構(gòu)微處理機(jī)的虛擬存儲(chǔ)器通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：分段、分頁谜酒。
2叹俏、存儲(chǔ)管理部件
① 分段部件SU：將邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址。
② 分頁部件PU：將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址僻族。
3粘驰、在分段部件SU屡谐、分頁部件PU中，每一部分都可以獨(dú)立打開或關(guān)閉蝌数。
1）不分段不分頁模式：程序中使用的邏輯地址與物理地址相同愕掏。
2）分段不分頁模式：無需訪問頁目錄表和頁表，地址轉(zhuǎn)換速度快顶伞。
3）分段分頁模式：在分段基礎(chǔ)上添加分頁存儲(chǔ)管理的模式饵撑。
4）不分段分頁模式：純分頁的虛擬地址模式，即平坦地址模式唆貌。
三滑潘、分頁模式下的地址轉(zhuǎn)換
1、4KB 分頁功能
① 分頁
將內(nèi)存劃分成大小相同的存儲(chǔ)塊锨咙，稱為物理頁面（4KB）语卤；
內(nèi)存最大4GB的空間可以分為 1M（1048576）個(gè)頁面。
② 線性地址格式

③ 地址轉(zhuǎn)換

2酪刀、4MB 分頁功能
頁面大小為4MB的分頁方式粹舵，使用單級(jí)頁表。減少了一次主存訪問骂倘，地址轉(zhuǎn)換加快了眼滤。
32位線性地址分為高10位的頁面和低22位的頁內(nèi)偏移兩個(gè)字段。且全系統(tǒng)只有一張頁表（1K個(gè)表項(xiàng)历涝，每項(xiàng)4字節(jié)）诅需，由控制寄存器CR3指向。

四睬关、指令系統(tǒng)

• 4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求

一诱担、基本概念
1、機(jī)器語言是由一系列的指令組成的电爹，指令的格式就是機(jī)器語言的語法。
2料睛、從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來說丐箩，分為微指令、機(jī)器指令（簡(jiǎn)稱指令）恤煞、宏指令屎勘。
3、一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合居扒，稱為指令系統(tǒng)或指令集概漱，是表征計(jì)算機(jī)性能的重要因素。
4喜喂、指令系統(tǒng)龐大的計(jì)算機(jī)稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)瓤摧，簡(jiǎn)稱CISC竿裂。
便于VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)稱為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱RISC照弥。
二腻异、對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求
1、完備性
用匯編語言編寫各種程序時(shí)这揣，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用悔常，而不必用軟件來實(shí)現(xiàn)。臺(tái)計(jì)算機(jī)中最基本给赞、必不可少的指令是不多的机打。
2、有效性
利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運(yùn)行片迅。程序占據(jù)存儲(chǔ)空間小姐帚、執(zhí)行速度快、功能更強(qiáng)障涯、更完善罐旗。
3、規(guī)整性
① 對(duì)稱性：所有的寄存器和存儲(chǔ)器單元都可同等對(duì)待唯蝶，所有的指令都可使用各種尋址方式九秀。
② 勻齊性：例如算術(shù)運(yùn)算指令可支持字節(jié)、字粘我、雙字整數(shù)的運(yùn)算鼓蜒，十進(jìn)制運(yùn)算，單征字、雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算都弹。
③ 指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性：例如指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常是字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍，以便處理和存取匙姜。
4畅厢、兼容性
由于不同機(jī)種推出的時(shí)間不同，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異氮昧，做到所有軟件都兼容是不可能的框杜，只能做到“向上兼容”。
三袖肥、低級(jí)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系
計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別和執(zhí)行的唯一語言是二進(jìn)制機(jī)器語言咪辱，必須借助編譯程序，把高級(jí)語言翻譯成二進(jìn)制碼組成的機(jī)器語言椎组。匯編依賴于計(jì)算機(jī)的硬件和指令系統(tǒng)油狂，不同機(jī)器有不同的指令，所以匯編編寫的程序不能在其他機(jī)器上運(yùn)行。

• 4.2 指令格式

影響指令格式的因素：機(jī)器的字長(zhǎng)专筷、存儲(chǔ)器的容量弱贼、指令的功能。
指令 = 操作碼字段OP + 地址碼字段A
一仁堪、操作碼
1哮洽、操作碼是說明指令操作性質(zhì)的二進(jìn)制代碼，如加減乘除法弦聂、存取數(shù)等鸟辅。
2、操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能允許的指令條數(shù)莺葫。
例：操作碼占用六位二進(jìn)制碼時(shí)匪凉，計(jì)算機(jī)最多有： 2^6＝64 條指令。
3捺檬、操作碼字段分兩種
① 固定長(zhǎng)度操作碼再层，操作碼的長(zhǎng)度是固定的，且集中地放在指令的同一字段中堡纬。這種格式有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)聂受，減少譯碼時(shí)間。
② 可變長(zhǎng)度操作碼烤镐，操作碼的長(zhǎng)度是可變的蛋济，且分散地放在指令的不同字段中。這種格式有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度炮叶。
4碗旅、使用頻度高的指令分配較短的操作碼，頻度低的分配較長(zhǎng)的操作碼镜悉。這樣既有效地縮短操作碼在程序中的平均長(zhǎng)度祟辟，節(jié)省存儲(chǔ)空間，又縮短常用指令的譯碼時(shí)間以提高程序的運(yùn)行速度侣肄。
缺點(diǎn)：譯碼系統(tǒng)比固定操作碼復(fù)雜旧困，增加了設(shè)計(jì)控制器的難度，需要更多的硬件支持茫孔。
二叮喳、地址碼
1、地址碼用來指出該指令的源操作數(shù)地址缰贝、結(jié)果地址及下一條指令的地址。
2畔濒、① 四地址指令
若指令字長(zhǎng)32位剩晴，操作碼占8位，4個(gè)地址段各占6位，則指令的直接尋址范圍為：2^6 = 64

② 三地址指令
各項(xiàng)含義與四地址指令相同赞弥，由于采用了指令計(jì)數(shù)器 （PC）毅整，省去了A4地址。
若指令字長(zhǎng)32位绽左，操作碼占8位悼嫉，3個(gè)地址段各占8位，則指令的直接尋址范圍為：2^8 = 256
③ 二地址指令
若指令字長(zhǎng)32位拼窥，操作碼占8位戏蔑，2個(gè)地址段各占12位，則指令的直接尋址范圍為：2^12 = 4K

④ 一地址指令
若指令字長(zhǎng)32位鲁纠，操作碼占8位总棵，1個(gè)地址段各占24位，則指令的直接尋址范圍為：2^24 = 16M
隱含了一個(gè)操作數(shù)地址和目的地址改含，這個(gè)隱含地址就是運(yùn)算器的累加寄存器AC情龄。

⑤ 零地址指令
沒有操作數(shù)地址的指令，如停機(jī)指令就是零地址指令捍壤。
完成一條四/三/二地址指令共需四次訪存（取指令一次骤视，取兩個(gè)操作數(shù)兩次，存結(jié)果一次）鹃觉；完成一條一地址指令只需兩次訪存专酗。
3、在二地址指令格式中帜慢，從操作數(shù)的物理位置來分笼裳，指令可以分為三種類型：存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器（SS）型指令、寄存器-寄存器（RR）型指令粱玲、寄存器-存儲(chǔ)器（RS）型指令躬柬。
三、指令字長(zhǎng)度
1抽减、機(jī)器字長(zhǎng)
簡(jiǎn)稱字長(zhǎng)允青，指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)卵沉，運(yùn)算精度越高颠锉。
字長(zhǎng)還能反映指令的尋址能力，若字長(zhǎng)n位全用來尋址史汗，可直接尋址2^n個(gè)字節(jié)琼掠。
一般把機(jī)器字長(zhǎng)定為字節(jié)長(zhǎng)度（8位）的整數(shù)倍，即8位停撞、16位瓷蛙、 32悼瓮、64位。
2艰猬、指令字長(zhǎng)
指一個(gè)指令字中包含的二進(jìn)制代碼的位數(shù)横堡。指令字的長(zhǎng)度也定為字節(jié)長(zhǎng)的整數(shù)倍。
指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)沒有固定的關(guān)系冠桃，它可以等于命贴、大于或小于機(jī)器字長(zhǎng)。

• 4.3 操作數(shù)類型

1食听、地址數(shù)據(jù)
多數(shù)情況下胸蛛，對(duì)指令中操作數(shù)的引用必須完成某種計(jì)算，才能確定它們?cè)谥鞔嬷械挠行У刂诽嫉埃藭r(shí)地址被看成無符號(hào)整數(shù)胚泌。
2、數(shù)值數(shù)據(jù)
① 定點(diǎn)整數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)肃弟。② 浮點(diǎn)數(shù)玷室。③ 壓縮BCD碼 。
3笤受、字符數(shù)據(jù)
也稱文本數(shù)據(jù)或字符串穷缤，目前廣泛使用ASCII碼。
4箩兽、邏輯數(shù)據(jù)
一個(gè)單元中有幾位二進(jìn)制位項(xiàng)組成津肛，每位的值可以是1或0。當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時(shí)汗贫，稱為邏輯數(shù)據(jù)身坐。

• 4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式

尋址方式：當(dāng)采用地址指定方式時(shí)，形成操作數(shù)或指令地址的方式落包。
尋址方式分為兩類：指令尋址方式部蛇、數(shù)據(jù)尋址方式。前者比較簡(jiǎn)單咐蝇，后者比較復(fù)雜涯鲁。
一、指令尋址方式
1有序、順序?qū)ぶ贩绞剑合聴l指令的地址碼由程序計(jì)數(shù)器PC給出抹腿。指令地址在內(nèi)存中按順序安排。
2旭寿、轉(zhuǎn)移尋址方式：下條指令的地址碼不由程序計(jì)數(shù)器PC給出警绩，而是由本條指令給出。

二盅称、操作數(shù)基本尋址方式
尋址：就是把操作數(shù)的形式地址房蝉，變換為操作數(shù)的有效地址的過程僚匆。
指令中操作數(shù)字段的地址碼由：形式地址A（偏移量）微渠、尋址方式特征位（變址位搭幻、間址位）等組合形成。

1逞盆、隱含尋址：在指令中操作數(shù)或操作數(shù)的地址隱含在某個(gè)通用寄存器中或指定的存儲(chǔ)單元中檀蹋。
2、立即尋址：所需操作數(shù)由指令直接給出云芦。取指令時(shí)將操作碼和一個(gè)操作數(shù)同時(shí)取出俯逾，不必再次訪問存儲(chǔ)器，提高執(zhí)行速度舅逸。
3桌肴、直接尋址：指令地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址A。
4琉历、間接尋址：指令地址字段中的形式地址A不是操作數(shù)D的真正地址坠七，而是存放其主存單元的地址，簡(jiǎn)稱操作數(shù)地址的地址旗笔。
5彪置、寄存器尋址：指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號(hào)，而是通用寄存器的編號(hào)蝇恶。
6拳魁、寄存器間接尋址：將操作數(shù)放在主存儲(chǔ)器中，而其地址放在通用寄存器中撮弧，并在指令的地址碼部分給出該寄存器的編號(hào)潘懊。
7、偏移尋址：直接尋址與寄存器間接尋址的結(jié)合贿衍。
常用的三種偏移尋址：相對(duì)尋址授舟、基址尋址（面向系統(tǒng)）、變址尋址（面向用戶）舌厨。
8岂却、段尋址：這種尋址方式的實(shí)質(zhì)依然是基址尋址。
9裙椭、堆棧尋址：存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧躏哩，采用“先進(jìn)后出”的工作方式。

• 4.5 典型指令

一揉燃、指令的分類
1扫尺、數(shù)據(jù)傳送類指令
取數(shù)指令、存數(shù)指令炊汤、傳送指令评甜、成組傳送指令豫柬、字節(jié)交換指令握爷、清寄存器指令、堆棧操作指令襟交。
2、算術(shù)運(yùn)算指令
二進(jìn)制定點(diǎn)加伤靠、減捣域、乘、除指令宴合，浮點(diǎn)加焕梅、減、乘卦洽、除指令贞言，求反、求補(bǔ)指令阀蒂，算術(shù)移位指令该窗，算術(shù)比較指令，十進(jìn)制加脂新、減運(yùn)算指令挪捕。
3、邏輯運(yùn)算指令
邏輯加争便、邏輯乘级零、邏輯比較、測(cè)等指令滞乙、按位加奏纪、邏輯移位指令。
4斩启、程序控制指令
條件轉(zhuǎn)移指令序调、無條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令兔簇、返回主程序指令发绢、中斷返回指令。
5垄琐、輸入輸出指令
用來啟動(dòng)外圍設(shè)備边酒，檢查其工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和CPU之間的信息傳送狸窘。
6墩朦、字符串處理指令
一種非數(shù)值處理指令。字符串傳送翻擒、字符串轉(zhuǎn)換氓涣、字符串替換牛哺。
7、陷阱（TRAP）指令
實(shí)現(xiàn)把發(fā)生的故障通知CPU劳吠，并根據(jù)情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序引润。
8、特權(quán)指令
具有特殊權(quán)限的指令赴背。只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件椰拒，不直接提供給用戶使用。
9凰荚、其他指令
狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令褒脯、測(cè)試指令便瑟、暫停指令，空操作指令等番川。
二到涂、精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)
1、RISC和CISC
① RISC颁督，精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)践啄。提供數(shù)目較少、格式與功能簡(jiǎn)單沉御、運(yùn)行高效的指令屿讽。
特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高速吠裆，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路的芯片內(nèi)制做出來伐谈。
實(shí)質(zhì)：簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，盡量使用寄存器－寄存器操作指令试疙，指令操作在一個(gè)周期內(nèi)完成诵棵，指令格式力求一致，以利于提高編譯的效率祝旷。
② CISC履澳，復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。相對(duì)于 RISC 而提出來的一種說法怀跛。
特點(diǎn)：指令條數(shù)多距贷，格式多樣，尋址方式復(fù)雜敌完，每條指令的功能強(qiáng)储耐。匯編程序設(shè)計(jì)容易些，但計(jì)算機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)困難滨溉，很多指令被使用的機(jī)會(huì)不多什湘。
2长赞、性能指標(biāo)
機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器指令數(shù)為I;
? 每條機(jī)器指令執(zhí)行時(shí)所需要的平均機(jī)器周期數(shù)是C;
? 每個(gè)機(jī)器周期的執(zhí)行時(shí)間為T；
計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間P可用下式計(jì)算：
3闽撤、指令系統(tǒng)的兼容問題
① CISC的兼容性：當(dāng)前得哆，計(jì)算機(jī)公司生產(chǎn)的各種CISC都能夠?qū)崿F(xiàn)軟件兼容。
② RISC的兼容性：RISC機(jī)則將指令做了簡(jiǎn)化哟旗，數(shù)量減少贩据，格式也不同，與老機(jī)器不能兼容闸餐。

五饱亮、中央處理器

• 5.1 CPU的功能和組成

一、CPU的功能

指令控制：即程序的順序控制舍沙，程序中指令順序不能任意顛倒近上。
操作控制：一條指令由若干操作信號(hào)實(shí)現(xiàn)。
時(shí)間控制：對(duì)指令的各種操作實(shí)施時(shí)間的定時(shí)拂铡。
數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理壹无。
二、CPU的基本組成

1感帅、控制器
由程序計(jì)數(shù)器斗锭、指令寄存器、指令譯碼器失球、時(shí)序產(chǎn)生器岖是、操作控制器組成，協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作她倘。
主要功能：
1）從指令cache中取出一條指令璧微，并指出下一條指令在指令cache中的位置。
2）對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試硬梁，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作控制信號(hào)前硫，以便啟動(dòng)規(guī)定動(dòng)作。
3）指揮并控制CPU荧止、數(shù)據(jù)cache和輸入/輸出設(shè)備之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向屹电。
2、運(yùn)算器
由算術(shù)邏輯單元ALU跃巡、通用寄存器危号、數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR、狀態(tài)條件寄存器PSW組成素邪，是數(shù)據(jù)加工處理部件外莲。所有操作由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮。
三、CPU中的主要存儲(chǔ)器
1偷线、指令寄存器 IR
① 保存當(dāng)前執(zhí)行的指令磨确。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先將其從指令cache（指存）讀出声邦，傳送至IR乏奥。
② IR中指令操作碼字段經(jīng)過指令譯碼器譯碼，向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信號(hào)亥曹。
③ 在執(zhí)行該指令的時(shí)邓了，IR的內(nèi)容不發(fā)生變化，以保證實(shí)現(xiàn)指令的全部功能媳瞪。
2骗炉、程序計(jì)數(shù)器 PC
① 程序開始執(zhí)行前，將起始地址（程序的第一條指令所在的地址）送入PC材失。
② 執(zhí)行指令時(shí)痕鳍，CPU自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，使PC中總是存放將要執(zhí)行的下一條指令的地址（指令順序執(zhí)行龙巨，PC+1）
③ 執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，后繼指令地址由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定熊响，因此PC具有寄存器旨别、計(jì)數(shù)兩種功能。
3汗茄、數(shù)據(jù)地址寄存器 AR（也稱MAR）
保存當(dāng)前CPU所訪問的數(shù)據(jù)cache（數(shù)存）單元的地址秸弛。
4、數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR（也稱MDR）
① 暫存ALU的運(yùn)算結(jié)果洪碳，作為ALU運(yùn)算結(jié)果和通用寄存器之間信息傳送中時(shí)間上的緩沖递览。
② 暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀出的一個(gè)數(shù)據(jù)字或來自外部接口的一個(gè)數(shù)據(jù)字，補(bǔ)償CPU和外存瞳腌、外圍設(shè)備操作速度上的差別绞铃。
5、通用寄存器組
① ALU執(zhí)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算時(shí)嫂侍，為ALU提供一個(gè)工作區(qū)儿捧。
② 寄存器既可以存放源操作數(shù)，又可以存放結(jié)果操作數(shù)挑宠，因此在指令格式中要對(duì)寄存器號(hào)加以編址菲盾。
③ 通用寄存器還可以用作地址指示器、變址寄存器各淀、堆棧指示器等懒鉴。
6、狀態(tài)字寄存器 PSW
一個(gè)由各種狀態(tài)條件標(biāo)志拼湊而成的寄存器碎浇。
① 保存由算術(shù)和邏輯指令運(yùn)算結(jié)果建立的各種條件信息临谱，如運(yùn)算結(jié)果進(jìn)位標(biāo)志璃俗、運(yùn)算結(jié)果溢出標(biāo)志。
② 保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)吴裤，以便CPU和系統(tǒng)及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)旧找。
四、操作控制器與時(shí)序產(chǎn)生器
數(shù)據(jù)通路：寄存器之間傳送信息的通路麦牺。
操作控制器：完成在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路的任務(wù)钮蛛。
操作控制器可以分成兩種：
① 硬布線控制器——采用時(shí)序邏輯實(shí)現(xiàn)
② 微程序控制器——采用存儲(chǔ)邏輯實(shí)現(xiàn)
操作控制器產(chǎn)生的控制信號(hào)必須實(shí)施時(shí)間上的控制，因此必須有時(shí)序產(chǎn)生器剖膳。
CPU中其他功能部件：中斷系統(tǒng)魏颓、總線接口等。

• 5.2 指令周期

一吱晒、基本概念
1甸饱、指令周期
指令周期：取指令、分析指令到執(zhí)行完該指令所需的全部時(shí)間仑濒。
各種指令的操作功能不同叹话，因此各種指令的指令周期不盡相同。
用主存中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期墩瞳。
2驼壶、節(jié)拍脈沖
一個(gè)CPU周期中，含若干相等的時(shí)間段喉酌，即T周期（節(jié)拍脈沖热凹，處理操作的最基本時(shí)間單位）
節(jié)拍常用具有一定寬度的電位信號(hào)表示，信號(hào)寬度取決于CPU完成一次基本微操作的時(shí)間泪电。
二般妙、MOV 指令的指令周期
MOV指令是RR型指令，需要兩個(gè)CPU周期——取指相速、執(zhí)行碟渺。

三、LAD 指令的指令周期
LAD指令是RS型指令和蚪，需要兩個(gè)CPU周期——取指止状、訪問指存、訪問數(shù)存攒霹。

四怯疤、ADD 指令的指令周期
MOV指令是RR型指令，需要兩個(gè)CPU周期——取指催束、執(zhí)行集峦。
五、STO 指令的指令周期
STO指令是RS型指令，需要兩個(gè)CPU周期——取指塔淤、訪問指存摘昌、訪問數(shù)存。

六高蜂、JMP 指令的指令周期
MOV指令是RR型指令聪黎，需要兩個(gè)CPU周期——取指、執(zhí)行备恤。
七稿饰、用方框圖語言表示指令周期

• 5.3 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

從時(shí)間上來說，“取指令”發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期露泊，而取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在“執(zhí)行指令”階段喉镰。
硬布線控制器：主狀態(tài)周期 — 節(jié)拍電位 — 節(jié)拍脈沖三級(jí)體制
微程序控制器：節(jié)拍電位 — 節(jié)拍脈沖二級(jí)體制
一、時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器
1惭笑、時(shí)鐘源
為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)侣姆。
2、環(huán)形脈沖發(fā)生器
產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列沉噩。
3捺宗、啟停控制邏輯
當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)川蒙，一定要從第1個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開始工作偿凭。
當(dāng)計(jì)算機(jī)停機(jī)時(shí)，一定要在第4個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器派歌。

二、控制器的控制方式
1痰哨、同步控制方式：對(duì)機(jī)器的所有指令采用統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)胶果。
2、異步控制方式：采用“結(jié)束——起始”的工作方式斤斧，無統(tǒng)一的時(shí)序信號(hào)早抠。
3、聯(lián)合控制方式：將同步控制方式撬讽、異步控制方式結(jié)合使用蕊连。
1）硬布線控制器的特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：速度快。缺點(diǎn)：缺乏規(guī)整性游昼、缺乏靈活性甘苍。
2）微程序控制器的特點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：規(guī)整性、靈活性烘豌、可維護(hù)性好载庭。缺點(diǎn)：速度慢。

• 5.4 微程序控制器

目前，大型機(jī)囚聚、小型機(jī)靖榕、微型機(jī)都普遍采用了微程序設(shè)計(jì)技術(shù)（一種用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)）。
基本思想：把操作控制信號(hào)編制成微指令顽铸，存放到控制存儲(chǔ)器中茁计。運(yùn)行時(shí)再?gòu)目卮嬷腥〕鑫⒅噶睿a(chǎn)生指令運(yùn)行所需的操作控制信號(hào)谓松。
一星压、微程序控制原理
1、微命令和微操作
微命令：構(gòu)成控制序列的最小單位毒返。
微操作：執(zhí)行部件中最基本的操作租幕。
① 能同時(shí)或在同一個(gè)CPU周期內(nèi)可以并行執(zhí)行的微操作。
② 不能同時(shí)或不能在同一個(gè)CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作拧簸。
2劲绪、微指令和微程序
微指令：一個(gè)CPU周期中，實(shí)現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合盆赤。
一條微指令至少包含兩部分信息：
① 操作控制字段（又稱微操作碼字段）贾富，用以產(chǎn)生某一操作所需的微操作控制信號(hào)。
② 順序控制字段（又稱微地址碼字段）牺六，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址颤枪。
微地址 ：存放微指令的控制存儲(chǔ)器的單元地址。
微程序：一系列微指令的有序集合淑际，一段微程序?qū)?yīng)一條機(jī)器指令畏纲。
3、微程序控制器原理框圖

① 控制存儲(chǔ)器（μCM）
微程序控制器的核心部件春缕，存放實(shí)現(xiàn)全部指令系統(tǒng)的微程序盗胀，是一種只讀型存儲(chǔ)器。
控制存儲(chǔ)器的要求：速度快锄贼，讀出周期短票灰。
② 微指令寄存器（μIR）
微地址寄存器：決定將要訪問的下一條微指令的地址。
微命令寄存器：保存微指令的操作控制字段宅荤、判別測(cè)試字段的信息屑迂。
③ 地址轉(zhuǎn)移邏輯
微程序順序執(zhí)行時(shí)，下一條微指令的地址由微地址寄存器給出冯键。
微程序出現(xiàn)分支時(shí)惹盼，通過判別測(cè)試字段和執(zhí)行部件的“狀態(tài)條件”反饋信息，修改微地址寄存器的內(nèi)容琼了，然后去讀下一條微指令逻锐。
4夫晌、CPU周期與微指令周期的關(guān)系
串行方式的微程序控制器中，微指令周期 = 讀出微指令的時(shí)間 + 執(zhí)行微指令的時(shí)間昧诱。

二晓淀、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)
1、微命令的編碼
① 直接表示法

② 編碼表示法

③ 混合表示法
2盏档、微地址的形成
初始微地址的形成 ? 后繼微地址的形成
3凶掰、微指令的格式
① 水平型微指令：一次能定義并能并行執(zhí)行多個(gè)微命令。
② 垂直型微指令：一次只能執(zhí)行1或2個(gè)微命令蜈亩，有操作碼懦窘。

• 5.5 硬連線控制器

組合邏輯控制器：通過邏輯電路直接連線而生成的控制器。
設(shè)計(jì)目標(biāo)：使用最少元件（復(fù)雜的樹形網(wǎng)絡(luò)）稚配，速度最快畅涂。
設(shè)計(jì)步驟：1、畫出指令流程圖道川。
2午衰、列出微操作時(shí)間表。
3冒萄、進(jìn)行微操作信號(hào)的綜合臊岸。
4、實(shí)現(xiàn)電路尊流。

• 5.6 流水CPU

一帅戒、并行處理技術(shù)
1、時(shí)間并行：讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開崖技，輪流使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分逻住，以加快硬件周轉(zhuǎn)。
2迎献、空間并行：以“數(shù)量取勝”為原則來大幅度提高計(jì)算機(jī)的處理速度鄙信。
3、時(shí)間并行+空間并行：時(shí)間重疊與資源重復(fù)的綜合應(yīng)用忿晕。
二、流水線原理
把任務(wù)分割成一系列子任務(wù)银受，使其能在流水線的各個(gè)階段并發(fā)執(zhí)行践盼。將任務(wù)連續(xù)不斷地輸入流水線，從而實(shí)現(xiàn)子任務(wù)級(jí)的并行宾巍，大幅度改善計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)性能咕幻。

① 從本質(zhì)上講，流水線技術(shù)是一種時(shí)間并行技術(shù)顶霞。且需要有裝入時(shí)間和排空時(shí)間肄程。
② 在流水線中锣吼，要求各個(gè)階段的處理時(shí)間都相同饱岸，否則會(huì)引起堵塞殴蓬、斷流的現(xiàn)象久窟。
③ 在流水線中堕阔，必須是連續(xù)的任務(wù)柬泽，只有不斷的提供任務(wù)才能充分發(fā)揮它的效率等限。
④ 在流水線中的每個(gè)功能部件之后都要有一個(gè)緩沖寄存器（又稱鎖存器）愕鼓。
三囤采、流水CPU結(jié)構(gòu)
1代态、流水計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)組成
圖中CPU按流水線方式組織寺惫，通常由三大部分組成：指令部件、指令隊(duì)列蹦疑、執(zhí)行部件西雀。這三個(gè)功能部件組成一個(gè)3級(jí)流水線。

2歉摧、流水線分類
① 指令流水線：指令步驟的并行艇肴。
② 算術(shù)流水線：運(yùn)算步驟的并行。如流水加法器判莉、流水乘法器等豆挽。
③ 處理機(jī)流水線（宏流水線）：程序步驟的并行。
四券盅、流水線中的主要問題
流水過程中會(huì)出現(xiàn)以下三種相關(guān)沖突帮哈，使其更難實(shí)現(xiàn)不斷流。
1锰镀、資源相關(guān)：多條指令進(jìn)入流水線后在同一機(jī)器時(shí)鐘周期內(nèi)爭(zhēng)用同一個(gè)功能部件所發(fā)生的沖突娘侍。
2、數(shù)據(jù)相關(guān)：在流水計(jì)算機(jī)中泳炉，由于多條指令的重疊處理憾筏，當(dāng)后繼指令所需操作數(shù)剛好是前一指令的運(yùn)算結(jié)果時(shí)，便發(fā)生“先讀后寫”的數(shù)據(jù)相關(guān)沖突花鹅。
3氧腰、控制相關(guān)：執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，依據(jù)轉(zhuǎn)移條件的產(chǎn)生結(jié)果刨肃，可能為順序取下條指令古拴；也可能轉(zhuǎn)移到新的目標(biāo)地址取指令，從而使流水線發(fā)生斷流真友。

六黄痪、總線系統(tǒng)

• 6.1 總線

一、總線的基本概念
1盔然、什么是總線
總線：各模塊之間進(jìn)行信息傳送的公共通路桅打。
借助于總線連接是嗜，計(jì)算機(jī)在各功能部件間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)挺尾、控制信息的交換鹅搪。
2、總線的分類
① 內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件的總線潦嘶。
② 系統(tǒng)總線：CPU同其他高速功能部件（如存儲(chǔ)器涩嚣、通道）互相連接的總線。
③ I/O總線： 中掂僵、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線航厚。
3、總線的性能指標(biāo)
① 總線寬度
數(shù)據(jù)總線的根數(shù)锰蓬。例：16位總線幔睬，指數(shù)據(jù)總線為16根。
② 尋址能力
取決于地址總線的根數(shù)芹扭。例：地址總線為32位麻顶，尋址能力達(dá)4GB。
③ 傳輸率（總線帶寬）
指總線的最高數(shù)據(jù)傳輸率舱卡。計(jì)算公式：Dr = D×f/N
D：數(shù)據(jù)寬度辅肾，f：總線時(shí)鐘頻率，N：一次數(shù)據(jù)傳送的時(shí)鐘周期數(shù)轮锥。
④ 是否支持突發(fā)傳送
正常傳送：每個(gè)傳送周期先傳送數(shù)據(jù)的地址矫钓，再傳送數(shù)據(jù)。
突發(fā)傳送：支持成塊連續(xù)數(shù)據(jù)的傳送舍杜，只需給出數(shù)據(jù)塊的首地址新娜。
⑤ 負(fù)載能力
總線上能夠連接的設(shè)備數(shù)。
二既绩、總線的連接方式
1概龄、單總線結(jié)構(gòu)
優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單、易擴(kuò)充饲握、使用率高私杜。
缺點(diǎn)：分時(shí)工作，導(dǎo)致很大的時(shí)間延遲救欧，總效率低歪今。

2、多總線結(jié)構(gòu)

三颜矿、總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1、早期總線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
早期的總線是處理器芯片引腳的延伸嫉晶，是處理器與I/O設(shè)備適配器的通道骑疆。這些線按功能可分為：地址總線田篇、數(shù)據(jù)總線、控制總線箍铭。

2泊柬、總線結(jié)構(gòu)實(shí)例

3、南北橋芯片
CPU總線诈火、PCI總線兽赁、ISA總線通過兩個(gè)橋芯片連成整體。
橋芯片起到了信號(hào)速度緩沖冷守、電平轉(zhuǎn)換刀崖、控制協(xié)議的轉(zhuǎn)換作用。
通過 "橋" 將總線粘合在一起的技術(shù)特別適合于系統(tǒng)的升級(jí)換代拍摇。

• 6.2 總線的接口

一亮钦、信息傳送方式
出于速度和效率的考慮，系統(tǒng)總線上傳送的信息必須采用并行傳送方式充活。
1蜂莉、串行傳送
只有一條傳輸線且采用脈沖傳送。優(yōu)點(diǎn)：成本低廉混卵。
2映穗、并行傳送
每個(gè)數(shù)據(jù)位都需要單獨(dú)一條傳輸線。優(yōu)點(diǎn)：速度快幕随。
3蚁滋、分時(shí)傳送
傳輸線上既傳送地址信息，又傳送數(shù)據(jù)信息合陵。
二枢赔、總線接口的基本概念
1、總線接口（I/O設(shè)備適配器）
指CPU和主存拥知、外圍設(shè)備之間通過總線進(jìn)行連接的邏輯部件踏拜。
2、接口功能
① 控制：接口靠程序的指令信息來控制外圍設(shè)備低剔，如啟動(dòng)速梗、關(guān)閉設(shè)備。
② 緩沖：接口在外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)其他部件之間用作為緩沖器襟齿，以補(bǔ)償速度上的差異姻锁。
③ 狀態(tài)：接口監(jiān)視外圍設(shè)備的工作狀態(tài)并保存。如數(shù)據(jù) "準(zhǔn)備就緒"猜欺、"忙"位隶、"錯(cuò)誤" 等，供CPU詢問外圍設(shè)備時(shí)進(jìn)行分析开皿。
④ 轉(zhuǎn)換：接口可以完成任何要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換涧黄，如并-串轉(zhuǎn)換篮昧、串-并轉(zhuǎn)換，因此數(shù)據(jù)能在外圍設(shè)備和CPU之間正確地傳送笋妥。
⑤ 整理：接口可以完成一些特別的功能懊昨，如可以修改字計(jì)數(shù)器或當(dāng)前內(nèi)存地址寄存器。
⑥ 程序中斷：每當(dāng)外圍設(shè)備向CPU請(qǐng)求動(dòng)作時(shí)春宣，接口發(fā)送一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)到CPU酵颁。

• 6.3 總線的仲裁

一、為什么要總線仲裁
主方：可以啟動(dòng)一個(gè)總線周期月帝。從方：只能響應(yīng)主方的請(qǐng)求躏惋。
每次總線操作，只能有一個(gè)主方占用總線控制權(quán)嫁赏，但可以有多個(gè)從方其掂。
為了解決多個(gè)主設(shè)備同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線控制權(quán)，必須具有總線仲裁部件潦蝇，篩選其中一個(gè)主設(shè)備作為總線的下一次主方款熬。
二、總線仲裁方式
1攘乒、集中式仲裁：總線仲裁邏輯集中于一個(gè)單元贤牛。
① 鏈?zhǔn)讲樵兎绞?② 定時(shí)器查詢方式 ③ 獨(dú)立請(qǐng)求方式
當(dāng)代總線標(biāo)準(zhǔn)普遍采用獨(dú)立請(qǐng)求方式。
2则酝、分布式仲裁：以優(yōu)先級(jí)仲裁策略為基礎(chǔ)殉簸。

七、外圍設(shè)備

• 7.1 外圍設(shè)備概述

一沽讹、作用
在計(jì)算機(jī)和其他機(jī)器般卑，以及用戶之間提供聯(lián)系。
二爽雄、外設(shè)的組成
1蝠检、存儲(chǔ)介質(zhì)：具有保存信息的物理特征。例：磁盤挚瘟。
2叹谁、驅(qū)動(dòng)裝置：用于移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)。例：磁盤的驅(qū)動(dòng)裝置乘盖。
3焰檩、控制電路：向存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)或從存儲(chǔ)介質(zhì)接受數(shù)據(jù)。
三订框、外設(shè)的分類

• 7.2 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備

一析苫、磁記錄原理
磁表面存儲(chǔ)器：用某些磁性材料涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲(chǔ)信息。
讀寫原理：利用一種稱為磁頭的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。
二衩侥、磁盤的組成和分類
1浪腐、硬磁盤
記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓盤的磁表面存儲(chǔ)器。主要由磁記錄介質(zhì)顿乒、磁盤控制器、磁盤驅(qū)動(dòng)器組成泽谨。
① 磁盤控制器：包括控制邏輯與時(shí)序璧榄、數(shù)據(jù)并-串變換電路、串-并變換電路吧雹。
② 磁盤驅(qū)動(dòng)器：包括寫入與讀出電路骨杂、讀寫轉(zhuǎn)換開關(guān)、讀寫磁頭與磁頭定位伺服系統(tǒng)雄卷。
2搓蚪、硬磁盤分類
① 根據(jù)磁頭的工作方式分類
移動(dòng)頭硬盤存儲(chǔ)器、固定頭磁盤存儲(chǔ)器丁鹉。

② 根據(jù)磁盤的可換與否分類
可換盤存儲(chǔ)器妒潭、固定盤存儲(chǔ)器。
三揣钦、磁盤驅(qū)動(dòng)器和控制器
1雳灾、磁盤驅(qū)動(dòng)器
一種精密的電子和機(jī)械裝置，主要由定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冯凹、主軸系統(tǒng)谎亩、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。
① 磁頭定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤徑向運(yùn)動(dòng)以尋求目標(biāo)磁道位置的機(jī)構(gòu)宇姚。由驅(qū)動(dòng)部件匈庭、傳動(dòng)部件、運(yùn)載部件（磁頭小車）組成浑劳。
磁頭小車有兩種驅(qū)動(dòng)方式：步進(jìn)電機(jī)阱持、音圈電機(jī)。
② 主軸系統(tǒng)
安裝盤片呀洲，并驅(qū)動(dòng)它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)紊选。
③ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出。
2道逗、磁盤控制器
主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口兵罢。它有兩個(gè)方面的接口：
① 系統(tǒng)級(jí)接口：控制外存與主機(jī)總線之間交換數(shù)據(jù)。
② 設(shè)備級(jí)接口：根據(jù)主機(jī)命令控制設(shè)備的操作滓窍。
四卖词、磁盤的信息分布
1、磁盤片表面稱為記錄面，上面的同心圓稱為磁道此蜈，每個(gè)磁道又分為若干個(gè)扇區(qū)即横。
2、磁道的編址是從外向內(nèi)裆赵，最外的同心圓叫0磁道东囚，最里的同心圓叫n磁道，n磁道里的圓不記錄信息战授。
五页藻、磁盤的技術(shù)指標(biāo)
1、存儲(chǔ)密度
① 道密度：沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)植兰，單位為道/英寸份帐。
② 位密度：磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸楣导。
③ 面密度：道密度和位密度的乘積废境，單位為位/平方英寸。
2筒繁、存儲(chǔ)容量
一個(gè)磁盤所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)噩凹。
① 格式化容量：按照某種特定記錄格式的存儲(chǔ)容量，即用戶可以真正使用的容量膝晾。容量一般是非格式化的60%~70%栓始。
② 非格式化容量：磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。當(dāng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中血当，必須進(jìn)行格式化幻赚，才能供用戶記錄信息。
3臊旭、平均存取時(shí)間
① 找道時(shí)間：將磁頭定位至所要求的磁道上所需的時(shí)間落恼。
平均找道時(shí)間：最大找道時(shí)間與最小找道時(shí)間的平均值。約 10~20ms离熏。
② 等待時(shí)間：找道完成后磁道上信息到達(dá)磁頭下的時(shí)間佳谦。
平均等待時(shí)間：用磁盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間的一半來表示。約 3ms滋戳。
③ 數(shù)據(jù)傳送時(shí)間钻蔑。
4、數(shù)據(jù)傳輸率（字節(jié)/秒）
數(shù)據(jù)傳輸率 Dr=nN奸鸯，旋轉(zhuǎn)速度為每秒n轉(zhuǎn)咪笑，每條磁道容量為N個(gè)字節(jié)。
數(shù)據(jù)傳輸率 Dr=Dv娄涩，位密度為D窗怒，旋轉(zhuǎn)的線速度為v。

• 7.3 磁盤存儲(chǔ)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展

一、磁盤cache
采用磁盤cache可以減少存取時(shí)間扬虚，磁盤cache是為了彌補(bǔ)慢速磁盤和主存之間速度上的差異努隙。
二、磁盤陣列RAID
RAID稱為廉價(jià)冗余磁盤陣列辜昵，它是用多臺(tái)磁盤存儲(chǔ)器組成的大容量外存系統(tǒng)荸镊。
可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)、交叉存儲(chǔ)堪置、單獨(dú)存儲(chǔ)贷洲。
陣列的部分磁盤存有冗余信息，一旦某一磁盤失效晋柱，可以利用它重建用戶信息。

• 7.4 光盤和磁光盤存儲(chǔ)設(shè)備

1诵叁、CD-ROM 光盤
只讀型光盤雁竞，一張光盤容量為680MB。
2拧额、WORM碑诉、CD-R 光盤
一次寫多次讀，是一種只能寫一次的光盤侥锦。
3进栽、CD-RW 光盤
可重復(fù)寫光盤，用于反復(fù)讀寫數(shù)據(jù)恭垦。
4快毛、DVD-ROM 光盤
有兩面可寫/多層可寫的DVD光盤。原理類似于CD-ROM番挺，但容量可達(dá)10GB唠帝。