【正文】 存器A用于存放部分積，他在運算之初為0，在運算過程中，每次累加的結(jié)果放入A，最終A保存的是積的高位部分，寄存器B用于存放被乘數(shù)補碼數(shù)值部分，寄存器C用于存放乘數(shù)補碼數(shù)值部分，由于每次移位都是A、C同時移動，所以當運算結(jié)束的時候C保存的是積的低位部分。注：原碼移位的時候采用的是邏輯移位。實現(xiàn)原碼一位乘，電路中應該設(shè)有寄存器A、B、C；計數(shù)器Count，其中寄存器A用于存放部分積，他在運算之初為0，在運算過程中，每次累加的結(jié)果放入A，最終A保存的是積的高位部分，寄存器B用于存放被乘數(shù)，寄存器C用于存放乘數(shù)，由于每次移位都是A、C同時移動，所以當運算結(jié)束的時候C保存的是積的低位部分。1) 定點原碼一位乘法。軟件硬件等效。3) 溢出處理計算機在運算過程中，一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)果有溢出現(xiàn)象，必然會進行處理。(3) 采用雙符號位。(2) 當兩個數(shù)相加，如果 C CF ，則為溢出。同號相加的時會產(chǎn)生結(jié)果不正確的現(xiàn)象，其原因是由于正確的結(jié)果超過了數(shù)據(jù)所能夠表示的范圍，故爾稱之為溢出現(xiàn)象，異號相加是不會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象的。2. 定點數(shù)運算的溢出處理1) 溢出現(xiàn)象。減法：異符號相加或是同符號相減，符號與絕對值大的數(shù)保持一致，真值相減。而在計算機中使用最多的是IEEE754標準。數(shù)據(jù)精度：指一個數(shù)的有效位數(shù)。對于一個數(shù)V，如果出現(xiàn)VX，我們稱之為(正)上溢；如果出現(xiàn)VZ，我們稱之為(負)上溢；如果出現(xiàn)WVY，我們稱之為下溢；出現(xiàn)上溢現(xiàn)象要進行相應的溢出處理，出現(xiàn)下溢現(xiàn)象則把結(jié)果直接看做是0 (階、尾數(shù)全0)。通常，描述一個浮點數(shù)需要考慮以下六個參數(shù)(1) 尾數(shù)值：包括采用什么碼制(原碼、反碼、補碼，常采用原碼或補碼)，采用什么數(shù)制(小數(shù)、整數(shù)，常采用小數(shù))(2) 階值：包括采用什么碼制(補碼、移碼，常采用移碼)，采用什么數(shù)制(一般采用整數(shù))(3) 尾數(shù)的基：尾數(shù)采用二進制、四進制、8進制、16進制、10進制(4) 階的基：目前采用的只有二進制(5) 尾數(shù)的長度(6) 階的長度浮點數(shù)的表示形式為：數(shù)符階符階碼數(shù)值(尾數(shù))浮點數(shù)的表示法有很多，我們以以下四種加以說明：原碼表示法：階和尾全是原碼；反碼表示法：階和尾全是反碼；補碼表示法：階和尾全是補碼；階移尾補表示法：階為移碼，尾為補碼；在表示浮點數(shù)的時候，為了充分利用尾數(shù)的有效位數(shù)，提高數(shù)據(jù)精度需要采用規(guī)格化表示，所以約定浮點數(shù)的尾數(shù)的數(shù)值最高位一定是有效的數(shù)據(jù)。R177。浮點數(shù)由階數(shù)和尾數(shù)兩部分構(gòu)成。用定點數(shù)進行運算處理的機器稱定點機。第二節(jié) 數(shù)的定點表示及浮點表示1. 定點數(shù)定點數(shù)表示法約定：機器在運算過程中，所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置固定不變，小數(shù)點的位置由系統(tǒng)設(shè)計者指定一個不變的位置，它不占二進制的一位，而是隱含在機器數(shù)中的某個位置上。注意：對于原碼00000和10000都表示十進制的“0”，對于反碼00000和11111都表示十進制的“0”，而對于補碼00000 表示“0” ，而10000表示絕對值最大的負數(shù)(16)，同理對于移碼10000 表示“0” ，而00000表示絕對值最大的負數(shù)(16)。它約定：對于一個正數(shù)，用“1”表示它的符號，后面的數(shù)值部分就是它的二進制數(shù)；對于一個負數(shù)，用“0”表示它的符號，后面的數(shù)值部分就是它的二進制數(shù)(即原碼)逐位變反，然后加1 (移碼和補碼在符號上是相反的)。對于同一個數(shù)進行兩次變反加1，就可表示成：10000(100000010)= 1000010000+0010=0010 由此可知，對于同一個數(shù)進行兩次變反加1，就可還原原來的數(shù)，所以補碼還原仍是采用變反加1的方法。對負的補碼進行還原的時候，數(shù)值位仍然采用逐位變反，然后加1的方法。3) 補碼是一種機器數(shù)的表示法。2) 反碼是一種機器數(shù)的表示法。1) 原碼是一種機器數(shù)的表示法。教學難點：原碼一位串行乘法算法乘法器、浮點乘除運算算法。第六章 計算機的運算方法教學時數(shù)：8學時教學目的與要求：使學生掌握計算機系統(tǒng)信息的表示方法、基本邏輯運算和四則運算，理解運算的實現(xiàn)方法，信息的流動方式，運算器部件的組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。本章思考題1. I/O設(shè)備有哪些編址方式，各有何特點？2. I/O設(shè)備與主機交換信息時，共有哪幾種控制方式？簡述特點。當CPU進行輸入輸出時，將任務寫入存儲器的一個特殊區(qū)域中，然后通知IOP。高檔微型計算機系統(tǒng)也采用輸入輸出處理器，將IOP集成在一塊芯片中。IOP有自己的指令系統(tǒng)，可以編制自己的程序；通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)獨立于CPU的輸入輸出操作。它的功能可以只負責管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，也可以發(fā)展為實現(xiàn)較復雜的預處理，變成輸入輸出處理機。有的系統(tǒng)讓通道控制器位于CPU之中，稱為結(jié)合型通道；有的系統(tǒng)則讓它獨立于CPU之外，稱為獨立型通道。從連接角度看，主機一般通過單獨的數(shù)據(jù)通路分別連接數(shù)目有限的通道，各通道再用總線結(jié)構(gòu)通過接口連接外設(shè)，可稱為四級連接模式，即主機通道I/O接口或設(shè)備控制器外圍設(shè)備。CPU啟動通道后可以并行地執(zhí)行自身的程序，而通道則執(zhí)行通道程序，或以DMA方式實現(xiàn)主存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)直傳，或讓數(shù)據(jù)輸入CPU或從CPU輸出。優(yōu)點：各外設(shè)各自獨立，相互干擾?。蝗秉c：不能實現(xiàn)設(shè)備之間直接通信?，F(xiàn)在多采用CPU通過系統(tǒng)總線連接一個多口接口卡，由多口接口卡分別連接外設(shè)。此結(jié)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展，易于實現(xiàn)；缺點：信息吞吐量有限。CPU經(jīng)過地址鎖存器向系統(tǒng)總線發(fā)出地址代碼，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器向系統(tǒng)總線發(fā)出或接收數(shù)據(jù)代碼，經(jīng)過總線控制器發(fā)出或接收控制信號。當CPU執(zhí)行I/O指令時，CPU不執(zhí)行輸入輸出操作，只啟動通道執(zhí)行輸入輸出操作，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)給通道。DMA方式分為三種：CPU暫停、CPU周期竊取、CPU與IO交替訪問存儲器2. 通道控制方式DMA可以處理大批數(shù)據(jù)，但是對外設(shè)的管理仍由CPU承擔，為能更好的發(fā)揮CPU效率，設(shè)置新硬件通道。2) 中斷方式的應用(1) 以中斷方式管理中低速I/O操作，使CPU與外設(shè)并行工作(2) 軟中斷(3) 故障處理：掉電、校驗錯、軟件故障、溢出(4) 實時處理：通過定時器實時采集數(shù)據(jù)(5) 多機通信：依靠中斷通信(6) 人機對話：3) 程序中斷與簡單中斷程序中斷：中斷發(fā)生之后執(zhí)行一段程序簡單中斷：中斷發(fā)生之后不執(zhí)行程序，只是讓出幾個CPU周期，如DMA中斷第五節(jié) DMA方式1. 直接存儲器存取(DMA)傳送方式對于高速外設(shè)的成批信息交換通常采用DMA方式。中斷的實質(zhì)是一種程序切換過程。第四節(jié) 程序中斷方式程序中斷傳送方式1) 中斷：在計算機的運行過程中，如果發(fā)生某種隨機事態(tài)，CPU將暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，為該事態(tài)服務，并在服務完畢后自動恢復原程序的執(zhí)行。查詢：傳送數(shù)據(jù)之前先由程序?qū)ν庠O(shè)狀態(tài)進行測試，測試結(jié)果滿足時，傳送數(shù)據(jù)。程序直接控制方式分為無條件傳送方式和有條件(查詢)傳送方式。第二節(jié) I/O接口1. 輸入輸出設(shè)備編址方式：輸入輸出設(shè)備的編址方式分為兩種：獨立I/O編址、(與內(nèi)存)統(tǒng)一編址。第一節(jié) I/O設(shè)備輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器以及同輸入輸出操作有關(guān)的硬件與軟件。教學重點：程序查詢方式和中斷方式的工作原理、基本接口。3. 存儲器層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方，為什么要分這些層次？4. 什么叫刷新，為什么進行刷新？5. 什么是存儲器的帶寬。這種方式保持了Cache與主存的一致性。寫直達法。在數(shù)據(jù)回寫的時候，只寫入Cache，同時在Cache塊中設(shè)置一個標志位，標志位為1表示有數(shù)據(jù)寫回此Cache塊，當此Cache塊被替換的時候?qū)懭胫鞔?，但是如果在替換時，恰好主存沒有此Cache塊(先被虛擬存儲器替換)，則出錯。如果標記不符合，或是按映像方式搜索完畢仍未找到相符的Cache標志，表明本次訪問Cache失敗，則從主存讀出數(shù)據(jù)送CPU，偶爾一次不命中，不一定立即替換，一般是在命中率變低時才考慮替換，如果替換，則以頁為單位整頁替換，并相應修改Cache標記。2) Cache的讀寫：讀操作：訪存時，一方面主存地址送主存，啟動讀主存，另一方面地址送Cache映象成Cache地址。組相聯(lián)映射將Cache各塊分組，主存以Cache大小分區(qū)，區(qū)下分組，組下分塊。此時主存地址分為區(qū)號，主存塊號，塊內(nèi)地址三部分，目錄表只記錄各塊的區(qū)號，變換時，以主存塊號為地址到目錄表中的對應部分取區(qū)號與主存地址區(qū)號比較相同，則主存塊號與塊內(nèi)地址成Cache地址，不相同，則換頁。直接映射讓主存中每一個塊只能映像到Cache中唯一的一個位置上，例如設(shè)Cache中可以放X塊，主存中的第i塊映像到 Cache中的第(i MOD X)塊中。此時要求有一個專門硬件設(shè)置的目錄表，目錄表中記錄著主存塊號與Cache塊號之間的變換關(guān)系，主存地址通過目錄表可以轉(zhuǎn)換成Cache中的地址。通常把Cache和主存等分成塊，每當給出一個主存字地址進行訪存時，都必須通過主存Cache地址映像變換機構(gòu)判定該訪問字所在的塊是否已經(jīng)在Cache中，如果在，則經(jīng)地址映像變換機構(gòu)將主存地址變換成Cache的地址去訪問Cache，此時Cache與處理機之間進行單子寬信息的交往；如果不在Cache中，則產(chǎn)生Cache失效，這時要從訪主存的通路中把包含該字的一塊信息通過多字寬通路調(diào)入Cache，同時將被訪問字由主存送入CPU，如果Cache中已裝不進了，即發(fā)生塊沖突，此時需要按所選擇的替換算法將該塊替換進Cache，并修改地址映像表中有關(guān)的地址映像關(guān)系和修改好Cache各塊使用狀態(tài)標志等信息。有人把Cache劃入CPU中。虛擬存儲器靠OS軟管理，而Cache靠硬件管理。采用了三級結(jié)構(gòu)，理想情況是高速緩存的速度，輔存的容量、價格。這一過程現(xiàn)在由操作系統(tǒng)中的虛擬存儲器技術(shù)實現(xiàn)。通常把CPU當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)放在主存中，而暫時不執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)放在輔存中。1) 主存、輔存結(jié)構(gòu)：以速度快、價格高的半導體存儲器作主存，以磁存儲器做輔存。例如有以下一組數(shù)據(jù)：00110000 00110001 00110010 00110011 00110100(數(shù)字：01234)采用橫向奇校驗時編碼為：00110000 100110001 000110010 000110011 100110100 0即：001100001 001100010 001100100 001100111 001101000第三節(jié) 高速緩沖存儲器1. 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)對存儲器的基本要求是：高速度、大容量、低價格。奇偶校驗所謂奇偶校驗就是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后面加一位奇偶校驗位，為奇校驗時就是加校驗位后，保證在全部數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)為奇數(shù)個，為偶校驗時就是加校驗位后，保證在全部數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)為偶數(shù)個。若實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗，必須在原有碼字(信息位)的基礎(chǔ)上增加額外碼元(校驗位)，從而增大碼組中的最小碼距。校驗的方法不同，信息位也不同。6. 存儲器校驗二進制信息在傳送時，可能發(fā)生錯誤，校驗碼是一種具有校驗差錯能力的代碼。產(chǎn)生訪問沖突的原因是：一、程序中有轉(zhuǎn)移指令，二、是數(shù)據(jù)的隨機性。注意：理論上講，n的值越大，存儲器的速度越高，但是實際中一般n≤8。用低位交叉技術(shù)的機器一個存儲周期得到4個字節(jié)，其存儲周期相當于原來的四分之一。2) 低位交叉編址：該方法的優(yōu)點是提高CPU工作效率。例如，某機器有一個容量為4K*8的存儲器，為了提高存儲速度將存儲器變成4個1K*8的存儲模塊。通常存儲器的容量與速度成反比，即1K的存儲器的速度比4K的存儲器的速度快，因此提出多體交叉存儲器技術(shù)。(3) 異步刷新方式：由于2ms/128=(微秒)，安排一個刷新周期，如果此時正在進行存取工作，則等到存取工作結(jié)束后進行刷新。(2) 分散刷新方式：存取操作和刷新同時進行，即在每個存儲周期中包括存取數(shù)據(jù)刷新數(shù)據(jù)兩部分。如何進行刷新呢？通常采用以下三種方式：(1) 集中刷新方式：在2ms之內(nèi)直接安排128個刷新周期，統(tǒng)一刷新。例如一個動態(tài)存儲芯片為128行，則在2ms內(nèi)應該至少安排128個刷新周期。對于整個存儲器來說，各個存儲芯片可以同時刷新?？蛇x講：動態(tài)存儲器的刷新由于動態(tài)存儲器依靠電容上存儲電荷來暫存信息，而電容上存儲的電荷會逐步衰減，所以動態(tài)存儲器一定要定期刷新。3) 字位擴展。4. 存儲器擴容1) 位擴展(字長擴展)位擴展連接方式：將多片存儲器的地址、片選、讀寫控制連在一起；數(shù)據(jù)線分別連接。經(jīng)過數(shù)據(jù)總線和地址總線把數(shù)據(jù)、地址送入存儲器，同時發(fā)出寫請求。(2) CPU向存儲器寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)把要寫入存儲器的字節(jié)送入MDR。把要讀取的字節(jié)的地址經(jīng)過地址總線送入存儲器的地址緩沖譯碼器，同時發(fā)出讀請求。而不是象書中所說是通過Ready做主存儲器應答。2) 異步方式：當存儲器接到CPU的讀寫命令時，完成一次讀寫操作后，向CPU發(fā)一個“存儲器功能完成”信號(WMFC)，CPU接到此信號后，才完成一次數(shù)據(jù)傳輸工作。3. 主存儲器的工作原理CPU對存儲器進行操作的時候，一定要用到兩個寄存器：地址寄存器(MAR)和數(shù)據(jù)寄存器(MDR)。例如：從CPU向存儲器發(fā)出讀命令，到CPU的MDR中有數(shù)據(jù)為止。例如對于2114來說，其存取時間為從WE = 1開始到讀寫數(shù)據(jù)緩沖器中有數(shù)據(jù)為止。通常說存儲器容量為M*N的，M表示的是存儲器有多少個字，N表示每個字有多少個存儲元件。因此，每個存儲單元可以存放若干位二進制數(shù)，稱為一個字。存儲器由存儲體、地址緩沖和譯碼器、讀寫數(shù)據(jù)緩沖器組成。5) 按讀寫功能：讀寫存儲器和只讀存儲器6) 主存儲器分為隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)，只讀存儲器又可以分為：可編程只讀存儲器(PROM)，可擦可編程只讀存儲器(EPROM)，電可擦可編程只讀存儲器(E2PROM)，以及快閃存儲器。半導體存儲器又可以細分為靜態(tài)存儲器(SRAM)和動態(tài)存儲器(DRAM)。直接存取存