【正文】 A1——第一個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址 A2——第二個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址 A3——操作結果的存儲器地址或寄存器地址其操作是對A1,A2指出的兩個源操作數(shù)進行操作碼(OP)所指定的操作,結果存入A3中.6)多地址指令在某些性能較好的大,中型機甚至高檔小型機中,往往設置一些功能很強的,用于處理成批數(shù)據(jù)的指令,如字符串處理指令,向量,矩陣運算指令等.為了描述一批數(shù)據(jù),指令中需要多個地址來指出數(shù)據(jù)存放的首地址,長度和下標等信息3. 擴展操作碼指令格式設某機器的指令長度為16位,包括4位基本操作碼字段和三個4位地址字段,其格式下: OP(4)A1(4)A2(4)A3(4)4位基本操作碼有16個碼點(即有16種組合),若全部用于表示三地址指令,若三地址指令僅需15條,兩地址指令需15條,一地址指令需15條,零地址指令需16條,共61條指令,應如何安排操作碼？顯然,只有4位基本操作碼是不夠的,必須將操作碼的長度向地址碼字段擴展才行.一種可供擴展的方法和步驟如下:(1)15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼從0000～1110給出,剩下一個碼點1111用于把操作碼擴展到A1,即4位擴展到8位。() 為規(guī)格化數(shù)符號位255不等于0NaN(非數(shù)值)符號位2550無窮大0 有了精確的表示,可以采用非規(guī)格化數(shù)表示,不是1.2. 浮點數(shù)的加/減運算加減法執(zhí)行下述五步完成運算:1)“對階”操作 比較兩浮點數(shù)階碼的大小,求出其差ΔE,保留其大值E,E=max(Ex, Ey).當ΔE≠0時,將階碼小的尾數(shù)右移ΔE位,并將其階碼加上ΔE,使兩數(shù)的階碼值相等.2)尾數(shù)加減運算 執(zhí)行對階之后,兩尾數(shù)進行加減操作.3)規(guī)格化操作 規(guī)格化的目的是使得尾數(shù)部分的絕對值盡可能以最大值的形式出現(xiàn).4)舍入 在執(zhí)行右規(guī)或者對階時,尾數(shù)的低位會被移掉,使數(shù)值的精度受到影響,常用“0”舍“1”,在尾數(shù)的末尾加1,如果加1后又使得尾數(shù)溢 出,則要再進行一次右規(guī).5)檢查階碼是否溢出 ,若階碼正常,加/,則設置機器運算結果為機器零,若上溢,則設置溢出標志.定點數(shù)和浮點數(shù)可從如下幾個方面進行比較①當浮點機和定點機中的位數(shù)相同時,浮點數(shù)的表示范圍比定點數(shù)大得多②當浮點數(shù)位規(guī)格化數(shù)時,其相對絕對遠比定點數(shù)高③浮點數(shù)運算要分階碼部分和尾數(shù)部分,而且運算結果都要求規(guī)格化,故浮點運算步驟比定點運算的步驟多,運算速度比定點運算的低,運算線路比定點運算的復雜④在溢出的判斷方法上,浮點數(shù)是對規(guī)格化的階碼進行判斷,而定點數(shù)是對數(shù)值本身進行判斷總之,浮點數(shù)在數(shù)的表示范圍,數(shù)的精度,溢出處理和程序編程方面(不取比例因子)(四) 算術邏輯單元ALU1. 串行加法器和并行加法器1)串行進位加法器并行加法器可以同時對數(shù)據(jù)的各位進行相加,由于進位是逐位形成,低位運算所產(chǎn)生的進位會影響高位的運算結果.串行進位(也稱波形進位)加法器,邏輯電路比較簡單,但是最高位的加法運算,一定要等到所有低位的加法完成之后才能進行,低位的進位要逐步的傳遞到高位,逐級產(chǎn)生進位,因此運算速度比較慢.2)并行進位加法器為了提高運算速度,減少延遲時間,可以采用并行進位法,也叫提前進位或先行進位.全加器中,輸入Ai ,Bi,Ci1,輸出:Si = Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1Ci = Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1+Ai Bi Ci1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci1進位產(chǎn)生函數(shù):Gi = Ai Bi進位傳遞函數(shù):Pi = Ai+BiCi = Gi + Pi Ci1C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0并行進位加法器的運算速度很快,形成最高進位輸出的延遲時間很短,往往將加法器分成若干組,在組內(nèi)采用并行進位,組間則采用串行進位或并行進位,由此形成多種進位結構.(1)單級先行進位單級先行進位方式將n位字長分為若干組,每組內(nèi)采用并行進位方式,組與組之間冊采用串行進位方式.(2)多級先行進位多級先行進位在組內(nèi)和組間都采用先行進位方式.16位單級先行進位加法器2. 算術邏輯單元ALU的功能和機構ALU部件是運算器中的主要組成部分,又稱多功能函數(shù)發(fā)生器,主要用于完成各種算術運算和邏輯運算.ALU的算術運算部件包含加法器,減法器,乘法器,除法器,增量器(+1),減量器(1),BCD碼運算器等組件.ALU的主要工作是根據(jù)CPU指令要求執(zhí)行各種指定運算,如加法,減法,乘法,除法,比較,邏輯移位等操作.通用寄存器組是一組存取速度最快的存儲器,也不需要運行總線周期,有些指令還要求將操作數(shù)存放在專用的寄存器中.專用寄存器通常用于表示CPU所處于某種系統(tǒng)狀態(tài),ALU中有兩個重要的狀態(tài)寄存器:指令指針寄存器IP(即程序計數(shù)器PC)和標志寄存器FLAGS.三, 存儲器層次機構(一) 存儲器的分類 參考提高存儲器帶寬縮短儲存周期增加存儲字長,使每個周期可讀/寫更多的二進制數(shù)增加存儲體內(nèi)存地址線n,數(shù)據(jù)線數(shù)k芯片的容量為2kk位20位的地址可以訪問1MB的存儲空間,32位的地址可以訪問4GB的內(nèi)存空間,64位可以訪問1800萬TB靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM之間的比較。浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù),通常以下式表示: N=MRE其中,N為浮點數(shù),M(Mantissa)為尾數(shù)(可正可負),E(Exponent)為階碼(可正可負),R(Radix)稱為“階的基數(shù)(底)”,而且R為一常數(shù),一般為2,所有數(shù)據(jù)的R都是相同的,浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式:浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式:MsEM 1位 n+1位 m位Ms是尾數(shù)的符號位,設置在最高位上.E為階碼(移碼),有n+1位,一般為整數(shù),其中有一位符號位,設置在E的最高位上,用來表正階或負階.M為尾數(shù)(原碼),有m位,=0,表示正號,Ms=1,:當R＝2,且尾數(shù)值不為0時,其絕對值大于或等于(),通過將尾數(shù)左移或右移,并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求.浮點數(shù)的表示范圍以通式N=MRE設浮點數(shù)階碼的數(shù)值位取m位,尾數(shù)的數(shù)值位取n位2)IEEE754標準(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程協(xié)會)S階碼(含階符)尾 數(shù)數(shù)符 小數(shù)點位置根據(jù)IEEE 754國際標準,常用的浮點數(shù)有三種格式:符號位S階碼尾數(shù)總位數(shù)短實數(shù)182332長實數(shù)1115264臨時實數(shù)1156480單精度格式32位,階碼為8位,處在最高位.由于IEEE754標準約定在小數(shù)點左部有一位隱含位, .例如,…0,…,可省去. 階碼部分采用移碼表示,移碼值127,1到254經(jīng)移碼為126到+127.S(1位)E(8位)M(23位)N(共32位)符號位000符號位0不等于0(1)S如果結果為負,上商為0,再將除數(shù)加到余數(shù)中,.2加減交替法當余數(shù)為正時,商上1,求下一位商的辦法,余數(shù)左移一位,再減去除數(shù)。(Y1 Y2 …Yn)符號∣表示把符號位和數(shù)值鄰接起來. 原碼兩位乘和原碼一位乘比較原碼一位乘原碼兩位乘符號位操作數(shù)絕對值絕對值的補碼移位邏輯右移算術右移移位次數(shù)n最多加法次數(shù)n2定點補碼一位乘法有的機器為方便加減法運算,: [X對原碼表示的兩個操作數(shù)進行加減運算時,計算機的實際操作是加還是減,不僅取決指令中的操作碼,.例如,加法指令指示做(＋A)＋(－B)由于一操作數(shù)為負,實際操作是做減法(＋A)(+B),在減法指令中指示做(＋A)－(－B)實際操作做加法(＋A)＋(＋B),相應地需要由復雜的硬件邏輯才能實現(xiàn),因此在計算機中很少被采用.3)補碼定點數(shù)的加/減運算。當真值為負時,原碼,補碼和反碼的表示形式不同,其它符號位都用“1”表示,而數(shù)值部分有這樣的關系,即補碼是原碼的“求反加1”,反碼是原碼的“每位求反”.2. 定點數(shù)的運算1)定點數(shù)的位移運算左移,絕對值擴大。G(x)]+[R(x)+R(x)] =Q(x)由4位二進制數(shù)組成1位十六進制數(shù).對一個兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點為界,小數(shù)點前后的數(shù)分別分組進行處理,不足的位數(shù)用0補足.對整數(shù)部分將0補在數(shù)的左側,.2. 真值和機器數(shù)真值:數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負()號后跟絕對值來表示,稱之為“真值”. 機器數(shù):在計算機中正負號也需要數(shù)字化,一般用0表示正號,.3. BCD碼(Binary Coded Decimal以二進制編碼的十進制碼),從中選出10種來表示十進制數(shù)位的0～9,用0000,0001,…,1001分別表示0,1,…,9,每個數(shù)位內(nèi)部滿足二進制規(guī)則,而數(shù)位之間滿足十進制規(guī)則,故稱這種編碼為“以二進制編碼的十進制(binary coded decima1,簡稱BCD)碼”.在計算機內(nèi)部實現(xiàn)BCD碼算術運算,要對運算結果進行修正,對加法運算的修正規(guī)則是: 如果兩個一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2,即(9)10,不需要修正。存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序. . . .計算機組成原理一, 計算機系統(tǒng)概述(一) 計算機發(fā)展歷程,1500繼電器,重30噸,占地170m2,耗電140kw,?諾依曼(VanNeumann)首次提出存儲程序概念,將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲器,雖然對馮?諾依曼機進行很多改革,但結構變化不大,仍稱馮?諾依曼機.一般把計算機的發(fā)展分為五個階段:發(fā)展階段時間硬件技術速度/(次/秒)第一代19461957電子管計算機時代40 000第二代19581964晶體管計算機時代200 000第三代19651971中小規(guī)模集成電路計算機時代1 000 000第四代19721977大規(guī)模集成電路計算機時代10 000 000第五代1978現(xiàn)在超大規(guī)模集成電路計算機時代100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)電子數(shù)字積分機和計算機 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)電子離散變量計算機 組成原理是講硬件結構的 系統(tǒng)結構是講結構設計的 摩爾定律 . 每代芯片的成本大約為前一代芯片成本的兩倍 新摩爾定律 全球入網(wǎng)量每6個月翻一番. 數(shù)學家馮運算器用來完成算術運算和邏輯運算并將的中間結果暫存在運算器內(nèi)輸出設備將機器運算結果轉為人熟悉的信息形式運算器最少包括3個寄存器(現(xiàn)代計算機內(nèi)部往往設有通用寄存器)和一個算術邏輯單元(ALU Arithmetic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)為累加器,MQ(MultiplierQuotient Register)為乘商寄存器,X為操作數(shù)寄存器,這3個寄存器在完成不同運算時,說存放的操作數(shù)類別也各不相同.計算機的主要硬件指標 () 主機完成一條指令的過程——以取數(shù)指令為例() 主機完成一條指令的過程——以存數(shù)指令為例(二) 計算機系統(tǒng)層次結構1. 計算機硬件的基本組成計算機硬件主要指計算機的實體部分,通常有運算器,控制器,存儲器,輸入和輸出五部分.CPU是指將運算器和控制器集成到一個電路芯片中.2. 計算機軟件的分類計算機軟件按照面向對象的不同可分兩類:系統(tǒng)軟件:用于管理整個計算機系統(tǒng),合理分配系統(tǒng)資源,確保計算機正常高效地運行,這類軟件面向系統(tǒng).(包括:標準程序庫,語言處理程序,OS,服務程序,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),網(wǎng)絡軟件)應用軟件:是面向用戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應用程序,這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要求.3. 計算機的工作過程(1)計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程 指令由操作碼和操作數(shù)組成:操作碼地址碼 操作碼指明本指令完成的操作地址碼指明本指令的操作對象(2)指令的存儲 指令按照存儲器的地址順序連續(xù)的存放在存儲器中.(3)指令的讀取 為了紀錄程序的執(zhí)行過程,需要一個記錄讀取指令地址的寄存器,稱為指令地址寄存器,由于指令通常按照地址增加的順序存放,故此,每次讀取一條指令之后,程序計數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準備.(4)執(zhí)行指令的過程 在控制器的控制下,完成以下三個階段任務:1)取指令階段 按照程序計數(shù)器取出指令,程序計數(shù)器加一2)指令譯碼階段 分析操作碼,決定操作內(nèi)容,并準備操作數(shù)3)指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)容(三) 計算機性能指標1. 吞吐量,響應時間(1) 吞吐量:單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量.(2) 響應時間:從事件開始到事件結束的時間,也稱執(zhí)行時間.2. CPU時鐘周期,主頻,CPI,CPU執(zhí)行時間