计算机组成原理 第一章:计算机系统概论 1.1 计算机分类: 按信息的形式及处理方式分:模拟电子计算机和数字电子计算机 按用途分:通用计算机和专用计算机 按规模分:超级计算机、大型机、服务器、工作站 、微型机、单片机等 1.2计算机发展简史: 1.五代变化:电子管计算机、晶体管计算机、中小规模集成电路计算机(小型计算机)、大规模和超大规模集成计算机(微型计算机)、巨大规模集成电路计算机(单片机) 2.半导体存储器发展: 仙童半导体公司生产了第一个较大容量半导体存储器,后面每代的容量都增大四倍 3.微处理器的发展 4.计算机的性能指标: 总线宽度:一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 存储器带宽:存储器的速度指标,单位时间内从存储器读出的二进制数信息量,一般用字节数/秒表示。
1.3计算机的硬件 1.冯·诺依曼计算机—存储程序概念
2. 数字计算机的硬件组成: 中央处理器(CPU) 主存储器 总线 适配器 外围设备 指令:
总线的分类:根据总线上传送的信息可以分为数据总线、地址总线、控制总线 1.4计算机系统的层次结构 1.多级计算机系统
第二章:运算方法和运算器 2.1数据与文字的表示方法 一、数据格式 1.定点表示法 机器中所有数据的小数点位置固定,且位置是隐含的,不需要占一个位。 把小数点固定在有效数位的最前面或末尾,故,形成了两类定点数:定点小数(纯小数)、定点整数(纯整数)。
若x表示的是定点小数(纯小数),则小数点位于x0和x1之间; 若x表示的是定点整数(纯整数),则小数点位于xn之后。 2.浮点表示法
(1)浮点格式: 格式1: 由阶码(指数)、尾数及其符号位组成。
格式2: 按照 IEEE754 的标准,32位浮点数标准格式为 :
S:浮点数的符号位,占1 位,常用0表示正数,1表示负数。 M:尾数的数值部分,占23位,用小数表示,小数点放在尾数域的最前面。 E:阶码,8 位,阶符用该字段的最高位表示。 例子: 二进制数 x=1011.0110=0.×24 用格式1表示x: 设m=6,n=8,符号位“0”表示正,“1”表示负
用格式2表示:
(2)浮点数的规格化表示: 1.一般意义下的规格化:
2.IEEE754标准中的规格化浮点表示
例子:
二、机器码的表示 1.原码表示法: (1)定点整数: 例如,x=+1001,则[x]原=01001 ,x=-1001,则[x]原=11001
(2)定点小数 2.补码表示法 (1)定点小数的补码 例如,x=+0.1001,则[x]补=0.1001 x=-0.1001,则[x]补=1.0111 (2)定点整数的补码 若定点整数的补码形式为XnXn-1Xn-2…X0,则补码表示的范围是: 正数:
负数:
3.反码表示法 (1)定点小数的反码
(2)定点整数的反码 4.移码的表示法 移码通常用于表示浮点数的阶码,因此需掌握定点整数的移码表示方法 移码就是将补码的符号位取反就好:
重点:机器码的规格化形式的相关规定(熟记)
重点例题:1.求规格化范围
2.求754规格化范围
三、字符与字符串的表示方法 1.字符的表示方法:ASCII码,7位 2.字符串的存放:向量法(连续存放)、串表法(非连续存放) 四、汉字的表示方法 1.汉字的输入编码:数字编码(常用国标区位码)、拼音码、字形编码 2.汉字内码:占两个字节,最高位都为1 3.汉字字模码:只能用来构成汉字库,而不能用于机内存储,是汉字的输出形式。 2.2定点加法、减法运算 一、补码加法: ①符号位要作为数的一部分一起参加运算;②要在模2n+1 (或模2)的意义下相加,即符号位产生的进位要丢掉。 二、补码减法: 公式:[x-y]补= [x]补+[-y]补 由[y]补 求[-y]补 的法则: 各位都取反(包括符号位),然后末位+1 三、溢出概念与检测方法: 溢出:在定点整数机器中,数的表示范围为|x|<(2n-1)在运算过程中若出现大于(2n-1)的现象,则称为“溢出”。在定点机中,正常情况下溢出是不允许的。 检测方法:1.双符号位法:“01”表示上溢, “10”表示下溢。最高符号位始终表示结果的正确符号。 2.单符号位法:溢出检测逻辑表达式为V=Cf⊕Co,其中Cf为符号位产生的进位,Co为最高有效位产生的进位, V=1表示发生溢出。 四、定点加减运算的逻辑实现: 1.一位全加器估算时间延迟: 考虑溢出检测,那么n位串行进位加/减法器的延迟时间ta为:ta=n·2T+9T=(2n+9)T 当不考虑溢出检测时,有:ta=(n-1)·2T+9T 2.3定点乘法运算 一、原码乘法 符号位单独计算。 (1)串行实现:原码一位乘法算法
(2)原码并行乘法:
二、补码乘法 (1)间接补码并行乘法 1.原理: 特别需注意:负数的“原码→补码”和“补码→原码”的过程相同:数值位按位取反末位加1。
2.逻辑框图:
3.算前(后)求补器的功能和实现电路:
间接补码并行乘法的例子:
(2)直接补码并行乘法 2.4定点除法运算
一、(串行)恢复余数法:
二、不恢复余数法(加减交替法)
三、(并行)不恢复余数的阵列除法器
2.5定点运算器的组成 一、逻辑运算 分:逻辑非、逻辑加(逻辑或)、逻辑乘(逻辑与)、逻辑异(异或)四种基本运算 二、多功能算术/逻辑运算单ALU 1.先行进位算法 (1)一位全加器: (2) 由一位全加器构成的串行进位的四位加法器
Cn+1~ Cn+4是同时算出的,故比串行进位的全加器速度要快。依此先行进位公式,可设计出四位并行加法器。对全加器电路再增加一函数发生器电路,即 可实现多种算术运算。 2.多种算术运算的实现: 可以证明:XiYi=Yi, Xi+Yi=Xi,则Cn+1=Y0+X0Cn,······Cn+4=Y3+ Y2X3 +Y1X2 X3 +Y0X1X2 X3 +X0X1X2X3Cn =G+PCn G= Y3+ Y2X3 +Y1X2 X3 +Y0X1X2 X3 , P=X0X1X2X3
3. 算术/逻辑运算单74181ALU
三、内部总线 内部总线:CPU内各部分的连线,分单向、双向总线 四、定点运算器的基本结构 运算器包括ALU、阵列乘除器、寄存器、多路开关、三态缓冲器、数据总线等逻辑部件。 1.单总线结构的运算器:双操作数分时经总线进入锁存器A和B,结果也通过单总线送回 2.双总线结构的运算器:两操作数通过各自的总线送加法器运算,结果通过 其中一总线送回 3.三总线结构的运算器:两操作数和操作结果通过各自的总线传送
2.6浮点运算方法和浮点运算器 一、浮点加减法运算 1.对(补码)非规格化数的规格化处理:
2.浮点加减法运算过程:
运算步骤:1对阶 2尾数求和 3规格化 小阶向大阶看齐:尾数右移,损失的是最小位 舍入处理:在对阶或者是右规的时候尾数要右移,舍弃低位,有两种舍入处理方法:“0舍1入法”,舍入的部分最高位为1的话就进一个1,最高位为0的话就直接舍去;“恒置1法”,只要位数被移掉,就在尾数末尾加“1”。 溢出处理:浮点数的溢出是按照阶码是否溢出来判断的!!! 数的表示:一般阶码E采用移码或补码表示,而尾数M采用补码表示。
二、浮点乘除法运算 1.浮点数的阶码运算:
2.对尾数运算结果(Mx× My)的处理:
运算步骤:1.0操作数检查 2.阶码加/减操作 3.尾数乘/除操作 4.结果规格化及舍入处理
三、浮点运算流水线: 各子过程段之间须设置高速缓冲存储器。
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