【正文】 為校驗位，其余高 8位為數(shù)據(jù)位，列表如下。 數(shù) 據(jù) 偶校驗編碼Ｃ 奇校驗編碼Ｃ 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 第二章 運算方法和運算器 定點加法、減法運算 補碼加法 負數(shù)用補碼表示后，可以和正數(shù)一樣來處理。 補碼加法的公式是 [ｘ ]補 ＋ [ｙ ]補 ＝ [ｘ ＋ ｙ ]補 (mod 2) () [例 8] ｘ ＝ ， ｙ ＝ ，求 ｘ ＋ ｙ 。 [解： ] [ｘ ]補＝ ， [ｙ ]補＝ 所以 ｘ ＋ ｙ ＝ 由以上兩例看到，補碼加法的特點，一是符號位要作為數(shù)的一部分一起參加運算，二是要在模 2的意義下相加，即超過 2 的進位要丟掉。 數(shù)用補碼表示時，減法運算的公式為 [ｘ － ｙ ]補 ＝ [ｘ ]補 － [ｙ ]補 ＝ [ｘ ]補 ＋ [－ ｙ ]補 () 其中： [－ ｙ ]補 ＝－ [ｙ ]補 從 [ｙ ]補 求 [－ ｙ ]補 的法則是：對 [ｙ ]補 包括符號位 ”求反且最末位加 1”，即可得到 [－ ｙ ]補 。 [解： ] [ｘ 1]補 ＝ [－ ｘ 1]補 ＝﹁ [ｘ 1]補 ＋ 24＝ ＋ ＝ 計算機組成原理 9 [ｘ 2]補 ＝ [－ ｘ 2]補 ＝﹁ [ｘ 2]補 ＋ 24＝ ＋ ＝ [例 11] ｘ ＝＋ ， ｙ ＝＋ ，求 ｘ － ｙ。 邏輯非也稱 求反 。 設(shè)一個數(shù) ｘ 表示成： ｘ＝ｘ 0ｘ 1ｘ 2? ｘ n 對 ｘ 求邏輯非，則有 ： x ＝ｚ＝ｚ 0ｚ 1ｚ 2? ｚ n ｚ i＝ x i， (i＝ 0， 1， 2， ?n) [例 21] ｘ 1＝ 01001011， ｘ 2＝ 11110000，求 x 1 ， x 2 [解： ] x 1=10110100 x 2=00001111 對兩個數(shù)進行邏輯加 ，就是按位求它們的 “ 或 ” ，所以邏輯加又稱 邏輯或 ，常用記號 “V” 或 “＋”來表示。 [解： ] 對兩數(shù)進行邏輯乘，就是按位求它們的 “ 與 ” ，所以邏輯乘又稱 “ 邏輯與 ” ，常用記號 “ ∧ ” 或 “ 第二章 運算方法和運算器 設(shè)有兩數(shù) ｘ 和 ｙ ，它們表示為 ｘ ＝ ｘ 0ｘ 1? ｘ n ｙ ＝ ｙ 0ｙ 1? ｙ n 若 ｘ ∧ ｙ ＝ ｚ ＝ ｚ 0ｚ 1ｚ 2? ｚ n 則 ｚ i＝ ｘ i∧ ｙ i， (i＝ 0， 1， 2， ? ， n) [例 23] ｘ ＝ 10111001， ｙ ＝ 11110011， 求 ｘ ∧ ｙ 。 設(shè)有兩數(shù) ｘ 和 ｙ ： ｘ ＝ ｘ 0ｘ 1? ｘ n ｙ ＝ ｙ 0ｙ 1? ｙ n 若 ｘ 和 ｙ 的 邏輯異為 ｚ ： ｘ ⊕ ｙ ＝ ｚ ＝ ｚ 0ｚ 1ｚ 2? ｚ n 則 ｚ i＝ ｘ i⊕ ｙ i， (i＝ 0， 1， 2， ? ， n) [例 24] ｘ ＝ 10101011， ｙ ＝ 11001100， 求 ｘ ⊕ ｙ 。例如執(zhí)行一個加法操作，第一個操作數(shù)先放入 A緩沖寄存器，然后把第二個操作數(shù)放入 B緩沖寄存器。當結(jié)果出現(xiàn)在單總線上時，由第三個傳送動作把加法的結(jié)果選通到目的寄存器。 雙總線結(jié)構(gòu)中，兩個操作數(shù)同時加到 ALU 進行運算，只需一次操作控制，而且馬上就可以得到結(jié)果，兩條總線各自把操作數(shù)送至 ALU 的輸入端。 在三總線結(jié)構(gòu)中， ALU 的兩個輸入端分別由兩條總線供給，而 ALU 的輸出則和第三條總線相連。 計算機組成原理 13 第三章 存儲系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)中的 存儲器 系統(tǒng)是指：主存儲器和外存儲器 。 存儲器中最小的存儲單位就是一個雙穩(wěn)態(tài)半導(dǎo)體電路或一個 CMOS 晶體管或磁性材料的存儲元，它可存儲一個二進制代碼 。 ★ 按存儲器的讀寫功能分 只讀存儲器 (ROM)：存儲的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲器。 ★ 按信息的可保存性分 非永久記憶的存儲器：斷電后信息即消失的存儲器。 存儲器的分級結(jié)構(gòu) 為了解決對存儲器要求容量大，速度快，成本低三者之間的矛盾，目 前通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器。主存儲器，貌似半導(dǎo)體性質(zhì)， 存放運行 時的程序和數(shù)據(jù) 。 存儲器的技術(shù)指標 主存儲器的性能指標主要是存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬。一個機器字可以包含數(shù)個字節(jié)，所以一個存儲單元也可包含數(shù)個能夠單獨編址的字節(jié)地址。 六管 SRAM存儲元的電路圖 。 DRAM存儲器 動態(tài) MOS存儲器采用 “ 讀出 ” 方式進行刷新。 常用的刷新方式有三種，一種是集中式，另一種是分散式，第三種是異步式。 圖 (a) 集中刷新方式 分散式刷新： 把一個存儲系統(tǒng)周期 tc分為兩半，周期前半段時間 tm用來讀 /寫操作或維持信息，周期后半段時間 tr作為刷新操作時間。 圖 (b) 分散刷新方式 異步式刷新 方式是前兩種方式的結(jié)合。 計算機組成原理 15 只讀存儲器和閃速存儲器 只讀存儲器 只讀存儲器簡稱 ROM，它只能讀出，不能寫入。 表 ROM的分類 只讀存儲器 定 義 優(yōu) 點 缺 點 掩模式 數(shù)據(jù)在芯片制造過程中就確定 可靠性和集成度高，價格便宜 不能重寫 一次編程 用戶可自行改變產(chǎn)品中某些存儲元 可以根據(jù)用戶需要編程 只能一次性改寫 多次編程 可以用紫外光照射或電擦除原來的數(shù)據(jù)，然后再重新寫入新的數(shù)據(jù) 可以多次改寫 ROM中的內(nèi)容 cache存儲器 cache基本原理 1． cache的功能 cache是介于 CPU 和主存之間的小容量存儲器，存取速度比主存快。它是 為了解決 CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要技術(shù) ： CPU 與 cache 之間的數(shù)據(jù)交換是以字為單位，而 cache與主存之間的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位。當 CPU讀取主存中一個字時，便發(fā)出此字的內(nèi)存地址到 cache和主存。由始終管理 cache使用情況的硬件邏輯電路來實現(xiàn) LRU替換算法 ： 增加 cache的目的，就是在性能上使主存的平均讀出時間盡可能接近 cache的讀出時間。由于程序訪問的局部性 ，這 是可能的。命中率 h與程序的行為、 cache的容量、組織方式、塊的大小有關(guān)。 【解】 h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)= r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1r)h)=1/(5+(15))=% ta=tc/e=50ns/=60ns 主存與 cache的地址映射 cache的容量很小，它保存的內(nèi)容只是主存內(nèi)容的一個子集，且 cache與主存的數(shù)據(jù)交換是以塊為單位。 地 址映射方式有全相聯(lián)方式、直接方式和組相聯(lián)方式三種 主存中一個塊的 地址與塊的內(nèi)容一起存于 cache的行中，其中塊地址存于 cache行的標記部分中。 它的主要缺點是比較器電路難于設(shè)計和實現(xiàn)，因此只適合于小容量 cache采用。 cache的行號 i和主存的塊號 j有如下函數(shù)關(guān)系： i=j mod m （ m為 cache中的總行數(shù)） 直接映射方式的示意圖演示 ： 計算機組成原理 17 本屏演示的是直 接相聯(lián)映射的 Cache組織，示意圖中 Cache為 8行，主存為 256塊，主存的每一塊只可映射到 Cache特定一行中。至于為何 B0、B8? B255映射到 L0，而不是 B0、 B1? B31映射到 L0是因為基于程序局部性原理 直接映射方式的優(yōu)點是硬件簡單，成本低。因此適合大容量 cache采用。它將 Cache分成 u組，每組 v行，主存塊存放到哪個組是固定的，至于存到該組哪 一行是靈活的，即有如下函數(shù)關(guān)系： m＝ uv 組號 q＝ j mod u 組相聯(lián)映射的示意圖演示 ： 本屏演示的是組相聯(lián) Cache的檢索過程，示意圖中 Cache為 8行，主存為 256塊。如圖， B0、 B4到 B252可以存入 Cache的 S0 組的任意一行中。同理對 B B6到 B254及其它。而塊在組中的排放又有一定的靈活性，沖突減少。對直接映射的 cache 來說，只要把此特定位置上的原主存塊換出 cache即可。 第六章 總線系統(tǒng) 18 ★ 最不經(jīng)常使用 (LFU)算法 LFU 算法將一段時間內(nèi)被訪問次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。從 0 開始計數(shù)，每訪問一次，被訪行的計數(shù)器增 1。這種算法將計數(shù)周期限定在對這些特定行兩次替換之間的間隔時間內(nèi)，不能嚴格反映近期訪問情況。每行也設(shè)置一個計數(shù)器， cache 每命中一次，命中行計數(shù)器清零，其它各行計數(shù)器增 1。這種算法保護了剛拷貝到 cache中的新數(shù)據(jù)行，有較高的命中率。在硬件上容易實現(xiàn)，且速度也比前兩種策略快。 計算機組成原理 19 第四章 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 指令系統(tǒng)的發(fā)展 計算機的程序是由一系列的指令組成的，指令就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。 微指令：微程序級的命令，它屬于硬件； 宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件； 機器指令（指令）：介于微指令與宏指令之間，每條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算。 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系 計算機語言具有高級語言和低級語言之分。 低級語言分 機器語言（二進制語言 ）和 匯編語言（符號語言 ）， 這兩種語言都是面向機器的語言，和具體機器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)。 計算機能夠直接識別和執(zhí)行的唯一語言是二進制語言，但人們采用符號語言或高級語言編寫程序。 匯編語言依賴于計算機的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 高級語言與計算機的硬件結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)無關(guān)，在編寫程序方面比匯編語言優(yōu)越。為此，一些高級語言提供了與匯編語言之間的調(diào)用接口。 指令格式 操作碼 指令字（簡稱指令）即表示一條指令的機器字。操作碼字段表征指令的操作特性與功能；地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址。 第六章 總線系統(tǒng) 20 不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。例如，一個指令系統(tǒng)只有 8條指令，則有 3位操作碼就 夠；如果有 32條指令，那么就需要 5位操作碼。 一般的操作數(shù)有被操作數(shù)、操作數(shù)及操作結(jié)果這三種數(shù)，因而就形成了三地址指令格式。 (2)一地址指令常稱為單操作數(shù)指令。 (AC) OP (A) AC OP表示操作性質(zhì)；（ AC）表示累加寄存器 AC中的數(shù)；（ A）表示內(nèi)存中地址為 A的存儲單元中的數(shù)或運算器中地址為 A的通用寄存器中的數(shù)； → 表示把操作（運算）結(jié)果傳送到指定的地方。 (A1) OP (A2) A1 (4)三地址指令字中有三個操作數(shù)地址。同樣，A1， A2， A3可以是內(nèi)存中的單元地址，也可以是運算器中通用寄存器的地址。 存儲器 存儲器（ SS）型指令 ：操作時都是涉及內(nèi)存單元，參與操作的數(shù)都放在內(nèi)存里，從內(nèi)存某單元中取操作數(shù)，操作結(jié)果存放至內(nèi)存另一單元中，因此機器執(zhí) 行這種指令需要多次訪問內(nèi)存。機器執(zhí)行寄存器 寄存器型指令的速度很快，因為執(zhí)行這類指令，不需要訪問內(nèi)存。 計算機組成原理 21 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令的尋址方式 尋址方式分為兩類，既指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式，前者比較簡單，后者比較復(fù)雜。 序?qū)ぶ贩绞? 指令地址在內(nèi)存中按順序安排，當執(zhí)行一段程序時，通常是一條指令接一條指令的順序執(zhí)行。 為此，必須使用程序計數(shù)器（又稱指令指針寄存器） PC來計數(shù)指令的順序號，該順序號就是指令在內(nèi)存中的地址。所謂跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計數(shù)器給出，而是由本條指令給出。指令計數(shù)器的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，以便及時跟蹤新的指令地址。指令系統(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移指令，就是為了實現(xiàn)指令的跳躍尋址而設(shè)置的。 例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下所示，其中用 X， I， D各字段組成該指令的操作數(shù)地址。 因此，尋址過程就是把操作數(shù)的形式地址，變換為操作數(shù)的有效地址的過程。例如，單地址的指令格式，沒有在地址字段中指明第二操作數(shù)地址，而是規(guī)定累加寄存器 AC作為第二操作數(shù)地址， AC 對單地址指令格式來說是隱含地址。這種方式的特點是指令執(zhí)行時間很短，不需要訪問內(nèi)存取數(shù)。 F為標志位，當 F＝ 1，操作數(shù)進行右移；當 F＝ 0時，操作數(shù)進行左移。 第六章 總線系統(tǒng) 22 采用直接尋址方式時，指令字中的形式地址 D就是操作數(shù)的有效地址 E，既 E＝ D。此時，由尋址模式給予指示。 間接尋址方式是早期計算機中經(jīng)常采用的方式，但由于兩