计算机组成原理(第2版) - 复习

1、唐朔飞唐朔飞第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社3.1 总线的基本概念总线的基本概念3.2 总线的分类总线的分类3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标3.4 总线结构总线结构3.5 总线控制总线控制一、总线上信息的传送一、总线上信息的传送串行串行并行并行二、总线的性能指标二、总线的性能指标三、总线判优控制三、总线判优控制四、总线通信控制四、总线通信控制本章主要知识点：本章主要知识点：二、总线的性能指标二、总线的性能指标1. 总线宽度总线宽度2. 总线带宽总线带宽3. 时钟同步时钟同步/异步异步4. 总线复用总线复用5.

2、信号线数信号线数6. 总线控制方式总线控制方式7. 其他指标其他指标数据线数据线 的根数的根数每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps）同步同步、不同步不同步地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和负载能力负载能力并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数三、总线判优控制三、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式2. 链式查询方式链式查询方式总总线线控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口

3、nBG数据线数据线地址线地址线BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求BG总线同意总线同意I/O接口接口1 对电路故障最敏感对电路故障最敏感 0BS 总线忙总线忙BR总线请求总线请求总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n设备地址设备地址3. 计数器定时查询方式计数器定时查询方式I/O接口接口1 计数器计数器设备地址设备地址 1排队器排队器排队器排队器4. 独立请求方式独立请求方式总总线线控控制制部部件件数据线数据线地址线地址线I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意总线同意

4、BR总线请求总线请求 响应时间最快响应时间最快四、总线通信控制四、总线通信控制1. 目的目的2. 总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每个瞬间总线每个瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同

5、步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3. 总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式 ，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合4.1 概述概述4.2 主存储器主存储器4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器4.4 辅助存储器辅助存储器一、一、存储器存储器分类分类本章主要知识点：本章主要知识点： 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构三、主存的概述三、主存的概述 四、存储器与四、存储器与 CPU 的连接的连接 五、提高访存速度的措施五、提高访存速度的措施磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）Flash Memor

6、y存存储储器器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量 价格价格 位位1. 存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构CPUCPU主机主机缓存缓存CPU主存主存辅存辅存2. 缓存缓存 主存层次和主存主存层次和主存 辅存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存10 ns20 ns200 nsms（速度）（速度）（容量）（容量） 高位字节高位字节 地址为字

7、地址地址为字地址 低位字节低位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 为为24 根根按按 字节字节 寻址寻址字地址字地址字节地址字节地址11109876543210840字节地址字节地址字地址字地址452301420224 = 16 M按按 字字 寻址寻址224 /4= 4 M224 = 16 M按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址224 /2= 8 M1. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配三、主存的概述三、主存的概述(2) 存储速度存储速度(1) 存储容量存储容量(3) 存储器的带宽存储器的带宽主存主存 存放二进制代码的总位数存放二进制代码的总位数 读出时间读

8、出时间 写入时间写入时间 存储器的存储器的 访问时间访问时间 存取时间存取时间 存取周期存取周期 读周期读周期 写周期写周期 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作（读或写）所需的（读或写）所需的 最小间隔时间最小间隔时间 位位/秒秒2. 主存的技术指标主存的技术指标 3. 动态动态 RAM 和静态和静态 RAM 的比较的比较DRAMSRAM存储原理存储原理集成度集成度芯片引脚芯片引脚功耗功耗价格价格速度速度刷新刷新电容电容触发器触发器高高低低少少多多小小大大低低高高慢慢快快有有无无主存主存缓存缓存 4.只读存储器（只读存储器（ROM） 1. 掩模掩模 ROM ( MROM ) 2.

9、 PROM (一次性编程一次性编程) 3. EPROM (可擦除可编程可擦除可编程 ) 4. EEPROM (电可擦除可编程电可擦除可编程 ) 5. Flash Memory (闪速型存储器闪速型存储器) 四、存储器与四、存储器与 CPU 的连接的连接 1. 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 (1) 位扩展位扩展增加存储字长增加存储字长 (2) 字扩展字扩展增加存储字的数量，需要片选增加存储字的数量，需要片选 2. 存储器与存储器与 CPU 的连接的连接 (1) 地址线的连接地址线的连接(2) 数据线的连接数据线的连接(3) 读读/写命令线的连接写命令线的连接(4) 片选线的连接片选线的连接(

10、5) 合理选择存储芯片合理选择存储芯片(6) 其他其他 时序、负载时序、负载五、提高访存速度的措施五、提高访存速度的措施 采用高速芯片采用高速芯片 多体并行多体并行 Cache 5.6 DMA方式方式5.5 程序中断方式程序中断方式5.4 程序查询方式程序查询方式5.3 I/O接口接口5.2 外部设备外部设备5.1 概述概述本章知识要点：本章知识要点：一、输入输出系统的组成一、输入输出系统的组成二、二、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式三、三、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式四、接口的概述、组成和分类四、接口的概述、组成和分类五、程序查询方式的流程、

11、接口电路五、程序查询方式的流程、接口电路六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理 七、七、DMA方式的概述、接口电路方式的概述、接口电路 一、输入输出系统的组成一、输入输出系统的组成1. I/O 软件软件(1) I/O 指令指令(2) 通道指令通道指令CPU 指令的一部分指令的一部分通道自身的指令通道自身的指令指出数组的首地址、传送字数、操作命令指出数组的首地址、传送字数、操作命令2. I/O 硬件硬件设备设备I/O 接口接口操作码操作码命令码命令码设备码设备码二、二、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式1. I/O 设备编址方式设备编址

12、方式(1) 统一编址统一编址(2) 不统一编址不统一编址用取数、存数指令用取数、存数指令有专门的有专门的 I/O 指令指令2. 设备选址设备选址用设备选择电路识别是否被选中用设备选择电路识别是否被选中3. 传送方式传送方式(1) 串行串行(2) 并行并行数据字数据字命令字命令字命令字命令字0 1 1 0 1 0 0 0起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms4. 联络方式联络方式(1) 立即响应立即响应(2) 异步工作采用应答信号异步工作采用应答信号 “Ready”“Strobe”I/O 接接 口口I/O 设设 备备CPU(3) 同步工作采用同步时标同步工作采用同步时标并行并行

13、串行串行起始位起始位终止位终止位9.09 ms2 9.09 ms三、三、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式1. 程序查询方式程序查询方式CPU 和和 I/O 串行工作串行工作踏步等待踏步等待CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态未准备就绪未准备就绪出错出错从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字CPU向向I/O发发 读指令读指令CPU读读I/O状态状态检查状态检查状态 完成否完成否未准备就绪未准备就绪现行程序现行程序是是出错出错已准备就绪已准备就绪否否2. 程序中断方式程序中断方式I/O 工作工作CPU 不查询

14、不查询CPU 暂停现行程序暂停现行程序自身准备自身准备与主机交换信息与主机交换信息CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 启动启动 I/O设备设备现行程序现行程序 中断服务程序中断服务程序KK+1没有踏步等待现象没有踏步等待现象中断现行程序中断现行程序3. DMA 方式方式主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道不中断现行程序不中断现行程序周期挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取）CPU 和和 I/O 并行工作并行工作存取周期结束存取周期结束CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序DMA请求请求启动启动I/OI/O准备准备I/O准备准备一个存取周

15、期一个存取周期实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送四、接口的概述、组成和分类四、接口的概述、组成和分类什么是接口，与端口的区别什么是接口，与端口的区别2. 接口的功能和组成接口的功能和组成功功能能组组成成选址功能选址功能传送命令的功能传送命令的功能传送数据的功能传送数据的功能反映设备状态的功能反映设备状态的功能设备选择电路设备选择电路数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器设备状态标记设备状态标记完成触发器完成触发器 D工作触发器工作触发器 B中断请求触发器中断请求触发器 INTR屏蔽触发器屏蔽触发器 MASK命令寄存器、命令译码器命令寄存器、命令译码器检查状态标记检查状态标记1 设备设备1 准

16、备就绪？准备就绪？检查状态标记检查状态标记N 设备设备N准备就绪？准备就绪？处理设备处理设备1是是否否否否处理设备处理设备N是是1. 查询流程查询流程检查状态标记检查状态标记交换数据交换数据准备就绪准备就绪?是是否否单个设备单个设备多个设备多个设备测测试试指指令令转转移移指指令令传传送送指指令令五、程序查询方式的流程、接口电路五、程序查询方式的流程、接口电路设备选择电路设备选择电路DBRQQ&数据线数据线准备就绪准备就绪启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束DB10 10以输入为例以输入为例2. 程序查询方式的接口电路程序查询方式的

17、接口电路1. 中断的概念中断的概念KK+1QQ+1中断服务程序中断服务程序1中断服务程序中断服务程序2入口入口1入口入口2六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理 2. 程序中断方式的接口电路程序中断方式的接口电路（1） 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器DQ&1INTR 中断请求触发器中断请求触发器INTR = 1 有请求有请求MASK 中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器MASK = 1 被屏蔽被屏蔽来自来自 CPU 的的中断查询信号中断查询信号受设备本身控制受设备本身控制INTR D MASKQD 完成触发器完

18、成触发器中断请求中断请求（2）中断向量地址形成部件）中断向量地址形成部件入口地址入口地址向量地址向量地址排队器输出排队器输出由软件产生由软件产生硬件向量法硬件向量法 显示器服务程序显示器服务程序 打印机服务程序打印机服务程序JMP 400JMP 300JMP 200主存主存12H13H14H200300向量地址向量地址入口地址入口地址入口地址入口地址中断向量地址中断向量地址 形成部件形成部件 设备设备编码器编码器1 0 0 0000100100 1 0 000010011详见第八章详见第八章由由 硬件硬件 产生产生 向量地址向量地址再由再由 向量地址向量地址 找到找到 入口地址入口地址设备选择

19、电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束&1QQDINTR BQQMASK 设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队器的排队器至低一级至低一级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码（3）程序中断方式接口电路的基本组成）程序中断方式接口电路的基本组成3. I/O 中断处理过程中断处理过程（1） CPU 响应中断的条件和时间响应中断的条件和时间 条件条件 时间时间允许中断触发器允许中断触发器 EINT

20、= 1用用 开中断开中断 指令将指令将 EINT 置置 “1”用用 关中断关中断 指令将指令将 EINT 置置“ 0” 或硬件或硬件 自动复自动复位位当当 D = 1（随机）且随机）且 MASK = 0 时时在每条指令执行阶段的结束前在每条指令执行阶段的结束前CPU 发发 中断查询信号中断查询信号（将（将 INTR 置置“1”）设备选择电路设备选择电路DBR DQ&数据线数据线启动命令启动命令地址线地址线SEL输入数据输入数据启动设备启动设备设备工作设备工作 结束结束&1QQDINTR BQQ MASK设备编码器设备编码器排队器排队器中断查询中断查询来自高一级来自高一级 的排队

21、器的排队器至低一级至低一级的排队器的排队器向量地址向量地址中断响应中断响应 INTA中断请求中断请求命令译码命令译码（2） I/O 中断处理过程中断处理过程10&DBR设备选择电路设备选择电路01以输入为例以输入为例七、七、DMA方式的概述、接口电路方式的概述、接口电路 1. DMA 与主存交换数据的三种方式与主存交换数据的三种方式(1) 停止停止 CPU 访问主存访问主存控制简单控制简单CPU 处于不工作状态或保持状态处于不工作状态或保持状态未充分发挥未充分发挥 CPU 对主存的利用率对主存的利用率主存工作时间主存工作时间CPU不执行程序不执行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作

22、DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2) 周期挪用（或周期窃取）周期挪用（或周期窃取）DMA 访问主存有三种可能访问主存有三种可能 CPU 此时不访存此时不访存 CPU 正在访存正在访存 CPU 与与 DMA 同时请求访存同时请求访存此时此时 CPU 将总线控制权让给将总线控制权让给 DMA主存工作时间主存工作时间 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3) DMA 与与 CPU 交替访问交替访问主存工作时间主存工作时间DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期

23、工作周期C1 专供专供 DMA 访存访存C2 专供专供 CPU 访存访存所有指令执行过程中的一个基准时间所有指令执行过程中的一个基准时间不需要不需要 申请建立和归还申请建立和归还 总线的使用权总线的使用权2. DMA 接口的功能和组成接口的功能和组成（1）DMA 接口功能接口功能(1) 向向 CPU 申请申请 DMA 传送传送(2) 处理总线处理总线 控制权的转交控制权的转交(3) 管理管理 系统总线、系统总线、控制控制 数据传送数据传送(4) 确定确定 数据传送的数据传送的 首地址和长度首地址和长度(5) DMA 传送结束时，传送结束时，给出操作完成信号给出操作完成信号修正修正 传送过程中的

24、数据传送过程中的数据 地址地址 和和 长度长度DMA接口接口主主存存CPU（2）DMA 接口组成接口组成DMA 控控 制制 逻逻 辑辑 中中 断断 机机 构构设备设备HLDAARWCDARHRQ中断请求中断请求数据线数据线地址线地址线+1+1溢出信号溢出信号DREQDACKBR6.1 无符号数和有符号数无符号数和有符号数6.3 定点运算定点运算6.2 数的定点表示和浮点表示数的定点表示和浮点表示6.4 浮点四则运算浮点四则运算6.5 算术逻辑单元算术逻辑单元本章知识要点：本章知识要点：一、四种机器数的表示方法一、四种机器数的表示方法二、数的定点表示和浮点表示二、数的定点表示和浮点表示三、定点运

25、算三、定点运算四、浮点四则运算四、浮点四则运算1. 原码表示法原码表示法带符号的绝对值表示带符号的绝对值表示(1) 定义定义整数整数x 为真值为真值n 为整数的位数为整数的位数如如x = +1110 x原原 = 0 , 1110 x原原 = 24 + 1110 = 1 , 1110 x = 1110 x原原 = 0，x 2n x 02n x 0 x 2n用用 逗号逗号 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开一、四种机器数的表示方法一、四种机器数的表示方法小数小数x 为真值为真值如如x = + 0.1101x原原 = 0 . 1101 x = 0.1101x原原 = 1 ( 0.1101)

26、 = 1 . 1101 x 1 x 0 x原原 = 1 x 0 x 1x = 0.1000000 x原原 = 1 ( 0.1000000) = 1 . 1000000 x = + 0.1000000 x原原 = 0 . 1000000用用 小数点小数点 将符号将符号位和数值部分隔开位和数值部分隔开用用 小数点小数点 将符号将符号位和数值部分隔开位和数值部分隔开(1) 补码定义补码定义整数整数x 为真值为真值n 为整数的位数为整数的位数x补补 = 0，x 2n x 02n+1 + x 0 x 2n（mod 2n+1）如如x = +1010 x补补 = 27+1 +( 1011000 )=x补补

27、= 0,1010 x = 10110001,0101000用用 逗号逗号 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开10110001000000002. 补码表示法补码表示法小数小数x 为真值为真值x = + 0.1110 x补补 = x 1 x 02 + x 0 x 1（mod 2）如如x补补 = 0.1110 x = 0.11000001.0100000 x补补 = 2 + ( 0.1100000 )=用用 小数点小数点 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开0.110000010.0000000(2) 求补码的快捷方式求补码的快捷方式= 100000= 1,011010101 +

28、 1= 1,0110 又又x原原 = 1,1010则则x补补 = 24+1 1010= 11111 + 1 1010= 1111110101010当真值为当真值为 负负 时，时，补码补码 可用可用 原码除符号位外原码除符号位外每位取反，末位加每位取反，末位加 1 求得求得+ 1设设 x = 1010 时时3. 反码表示法反码表示法(1) 定义定义整数整数x反反 = 0，x 2n x 0( 2n+1 1) + x 0 x 2n（mod 2n+1 1）如如x = +1101x反反 = 0,1101 = 1,0010 x = 1101x反反 = (24+1 1) 1101 = 11111 1101用

29、用 逗号逗号 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开x 为真值为真值n 为整数的位数为整数的位数小数小数x = + 0.1101x反反 = 0.1101x = 0.1010 x反反 = (2 2-4) 0.1010= 1.1111 0.1010= 1.0101如如x反反 = x 1 x 0( 2 2-n) + x 0 x 1（mod 2 2-n）用用 小数点小数点 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开x 为真值为真值n 为小数的位数为小数的位数例例6.12 解：解：已知已知 y补补 求求 y补补 y补补 = 0. y1 y2 yny = 0. y1 y2 yny = 0. y1

30、y2 yn y补补 = 1.y1 y2 yn + 2-n y补补 = 1. y1 y2 yn y原原 = 1. y1 y2 yn + 2-n y = （0. y1 y2 yn + 2-n） y = 0. y1 y2 yn + 2-n y补补 = 0. y1 y2 yn + 2-n设设 y补补 = y0. y1 y2 yn每位取反，每位取反，即得即得 y补补y补补连同符号位在内，连同符号位在内，末位加末位加 1每位取反，每位取反，即得即得 y补补y补补连同符号位在内，连同符号位在内，末位加末位加 1三种机器数的小结三种机器数的小结 对于对于正数正数，原码原码 = 补码补码 = 反码反码 对于对于

31、负数负数 ，符号位为符号位为 1，其其 数值部分数值部分原码除符号位外每位取反末位加原码除符号位外每位取反末位加 1 补码补码原码除符号位外每位取反原码除符号位外每位取反 反码反码 最高位最高位为为符号位符号位，书写上用，书写上用“,”（整数）（整数）或或“.”（小数）将数值部分和符号位隔开（小数）将数值部分和符号位隔开4. 移码表示法移码表示法补码表示很难直接判断其真值大小补码表示很难直接判断其真值大小(1) 移码移码定义定义x 为真值，为真值，n 为为 整数的位数整数的位数移码在数轴上的表示移码在数轴上的表示x移码移码2n+112n2n 12n00真值真值如如x = 10100 x移移 =

32、 25 + 10100用用 逗号逗号 将符号位将符号位和数值部分隔开和数值部分隔开x = 10100 x移移 = 25 10100 x移移 = 2n + x（2nx 2n）= 1,10100= 0,01100(2) 移码和补码的比较移码和补码的比较补码与移码只差一个符号位补码与移码只差一个符号位(3) 移码的特点移码的特点 +0移移 = 0移移最小真值的移码为全最小真值的移码为全 0用移码表示浮点数的阶码用移码表示浮点数的阶码能方便地判断浮点数的阶码大小能方便地判断浮点数的阶码大小小数点按约定方式标出小数点按约定方式标出1. 定点表示定点表示Sf S1S2 Sn数符数符数值部分数值部分小数点位

33、置小数点位置Sf S1S2 Sn数符数符数值部分数值部分小数点位置小数点位置或或定点机定点机小数定点机小数定点机整数定点机整数定点机原码原码补码补码反码反码(1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1 +(1 2-n) 2n +( 2n 1)(1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1)二、数的定点表示和浮点表示二、数的定点表示和浮点表示2. 浮点表示浮点表示N = Srj浮点数的一般形式浮点数的一般形式S 尾数尾数j 阶码阶码r 基数（基值）基数（基值）计算机中计算机中 r 取取 2、4、8、16 等等计算机中计算机中 S 小数、可正可负小数、可正可负j

34、 整数、可正可负整数、可正可负浮点数的表示形式浮点数的表示形式Sf 代表浮点数的符号代表浮点数的符号n 其位数反映浮点数的精度其位数反映浮点数的精度m 其位数反映浮点数的表示范围其位数反映浮点数的表示范围jf 和和 m 共同表示小数点的实际位置共同表示小数点的实际位置jf j1 j2 jm Sf S1 S2 Sn j 阶码阶码S 尾数尾数阶符阶符数符数符阶码的阶码的数值部分数值部分尾数的数值部分尾数的数值部分小数点位置小数点位置练习练习 设机器数字长为设机器数字长为 24 位，欲表示位，欲表示3万的十进制数，万的十进制数，试问在保证数的最大精度的前提下，除阶符、数符各试问在保证数的最大精度的前

35、提下，除阶符、数符各 取取1 位外，阶码、尾数各取几位？位外，阶码、尾数各取几位？满足满足 最大精度最大精度 可取可取 m = 4，n = 18解：解：m = 4，5，6，15 位二进制数可反映位二进制数可反映 3 万之间的十进制数万之间的十进制数 215 = 32768214 = 16384215 0. 15位位 浮点数的规格化形式浮点数的规格化形式r = 2尾数最高位为尾数最高位为 1r = 4尾数最高尾数最高 2 位不全为位不全为 0r = 8尾数最高尾数最高 3 位不全为位不全为 0浮点数的规格化浮点数的规格化r = 2左规左规 尾数左移尾数左移 1 位，阶码减位，阶码减 1右规右规

36、尾数右移尾数右移 1 位，阶码加位，阶码加 1r = 4左规左规 尾数左移尾数左移 2 位，阶码减位，阶码减 1右规右规 尾数右移尾数右移 2 位，阶码加位，阶码加 1r = 8左规左规 尾数左移尾数左移 3 位，阶码减位，阶码减 1右规右规 尾数右移尾数右移 3 位，阶码加位，阶码加 1基数基数 r 越大，可表示的浮点数的范围越大越大，可表示的浮点数的范围越大基数不同，浮点数的基数不同，浮点数的规格化形式不同规格化形式不同基数基数 r 越大，浮点数的精度降低越大，浮点数的精度降低 三、定点运算三、定点运算1. 移位的意义移位的意义在计算机中，在计算机中，移位与加减配合，能够实现乘除运算移位与

37、加减配合，能够实现乘除运算2. 算术移位规则算术移位规则1右移右移 添添 1左移左移 添添 00反反 码码补补 码码原原 码码负数负数0原码、补码、反码原码、补码、反码正数正数符号位不变符号位不变添补代码添补代码码码 制制真值真值算术移位算术移位:有符号数的移位有符号数的移位逻辑移位逻辑移位:无符号数的移位无符号数的移位3. 加减法运算加减法运算补码加减运算公式补码加减运算公式(1) 加法加法 (2) 减法减法 整数整数 A补补 + B补补= A+B补补（mod 2n+1）小数小数 A补补 + B补补= A+B补补（mod 2）AB = A+(B )整数整数 A B补补= A+(B )补补=

38、A补补 + B补补(mod 2n+1)小数小数 A B补补= A+(B )补补(mod 2)连同符号位一起相加，符号位产生的进位自然丢掉连同符号位一起相加，符号位产生的进位自然丢掉= A补补 + B补补 举例举例解：解：A补补B补补A补补 + B补补+= 0 . 1 0 1 1= 1 . 1 0 1 1= 1 0 . 0 1 1 0 = A + B补补验证验证例例 6.18设设 A = 0.1011，B = 0.0101求求 A + B补补0.1011 0.01010.0110 A + B = 0 . 0 1 1 0A补补B补补A补补 + B补补+= 1 , 0 1 1 1= 1 , 1 0

39、1 1= 1 1 , 0 0 1 0= A + B补补验证验证 1001 1110 0101+例例 6.19设设 A = 9，B = 5 求求 A+B补补解：解： A + B = 11104. 乘法运算（竖式）乘法运算（竖式）0 . 0 0 0 00 . 1 1 0 10 . 1 1 0 10 . 1 1 0 10 . 0 0 0 00 . 1 1 0 1初态，部分积初态，部分积 = 0乘数为乘数为 1，加被乘数，加被乘数乘数为乘数为 1，加被乘数，加被乘数乘数为乘数为 0，加，加 01 . 0 0 1 110 . 1 0 0 11 11 . 0 0 0 11 1 1乘数为乘数为 1，加，加

40、被乘数被乘数0 . 1 0 0 01 1 1 11，得结果，得结果1 0 1 1=0 . 0 1 1 01，形成新的部分积，形成新的部分积1 1 0 1=0 . 1 0 0 11，形成新的部分积，形成新的部分积1 1 1 0=0 . 0 1 0 01，形成新的部分积，形成新的部分积1 1 1 1= 部部 分分 积积 乘乘 数数 说说 明明小结小结 被乘数只与部分积的高位相加被乘数只与部分积的高位相加 由乘数的末位决定被乘数是否与原部分积相加，由乘数的末位决定被乘数是否与原部分积相加， 然后然后 1 位形成新的部分积位形成新的部分积，同时，同时 乘数乘数 1位位（末位移丢），空出高位存放部分积的

41、低位。（末位移丢），空出高位存放部分积的低位。硬件硬件3个寄存器，具有移位功能个寄存器，具有移位功能1个全加器个全加器 乘法乘法 运算可用运算可用 加和移位实现加和移位实现n = 4，加加 4 次次，移移 4 次次5. 原码乘法原码乘法(1) 原码一位乘运算规则原码一位乘运算规则以小数为例以小数为例设设x原原 = x0. x1x2 xn y原原 = y0. y1y2 yn= (x0 y0). x*y*x y原原 = (x0 y0).(0. x1x2 xn)(0.y1y2 yn)式中式中 x*= 0. x1x2 xn 为为 x 的绝对值的绝对值 y*= 0. y1y2 yn 为为 y 的绝对值的

42、绝对值 乘积的符号位单独处理乘积的符号位单独处理 x0 y0数值部分为绝对值相乘数值部分为绝对值相乘 x* y*(2) 原码一位乘递推公式原码一位乘递推公式x* y* = x*(0.y1y2 yn)= x*(y12-1+y22-2+ + yn2-n)= 2-1(y1x*+2-1(y2x*+ 2-1(ynx* + 0) ) z1znz0 = 0z1 = 2-1(ynx*+z0)z2 = 2-1(yn-1x*+z1)zn = 2-1(y1x*+zn-1)z0例例6.21已知已知 x = 0.1110 y = 0.1101 求求x y原原解：解：数值部分的运算数值部分的运算0 . 0 0 0 00

43、. 1 1 1 00 . 1 1 1 00 . 0 0 0 00 . 1 1 1 00 . 1 1 1 0部分积部分积 初态初态 z0 = 0 部部 分分 积积 乘乘 数数 说说 明明0 . 0 1 1 101 . 0 0 0 11 01 . 0 1 1 01 1 00 . 1 0 1 10 1 1 01，得得 z4逻辑右移逻辑右移1 1 0 1=0 . 0 1 1 11，得得 z10 1 1 0=0 . 0 0 1 11，得得 z21 0 1 1=0 . 1 0 0 01，得得 z31 1 0 1=逻辑右移逻辑右移逻辑右移逻辑右移逻辑右移逻辑右移+ + + + + x*+ 0+ x*+ x*

44、 数值部分按绝对值相乘数值部分按绝对值相乘 乘积的符号位乘积的符号位 x0 y0 = 1 0 = 1x* y* = 0. 1 0 1 1 0 1 1 0则则 x y原原 = 1. 1 0 1 1 0 1 1 0特点特点绝对值运算绝对值运算逻辑移位逻辑移位例例6.21 结果结果用移位的次数判断乘法是否结束用移位的次数判断乘法是否结束6. 补码乘法补码乘法设设 被乘数被乘数乘数乘数x补补 = x0. x1x2 xny补补 = y0. y1y2 yn 被乘数任意，乘数为正被乘数任意，乘数为正同原码乘同原码乘但但 加加 和和 移位移位 按按 补码规则补码规则 运算运算乘积的符号自然形成乘积的符号自然形

45、成 被乘数任意，乘数为负被乘数任意，乘数为负乘数乘数y补补，去掉符号位去掉符号位，操作同，操作同 最后最后 加加x补补，校正项校正项(1) 补码一位乘运算规则补码一位乘运算规则以小数为例以小数为例乘法小结乘法小结 原码乘原码乘 符号位符号位 单独处理单独处理 补码乘补码乘 符号位符号位 自然形成自然形成 原码乘去掉符号位运算原码乘去掉符号位运算 即为无符号数乘法即为无符号数乘法 不同的乘法运算需有不同的硬件支持不同的乘法运算需有不同的硬件支持 整数乘法与小数乘法完全相同整数乘法与小数乘法完全相同 可用可用 逗号逗号 代替小数点代替小数点四、浮点四则运算四、浮点四则运算x = Sx 2jxy =

46、 Sy 2jy1. 对阶对阶(1) 求阶差求阶差(2) 对阶原则对阶原则j = jx jy = jx= jy 已对齐已对齐jx jy jx jy x 向向 y 看齐看齐y 向向 x 看齐看齐x 向向 y 看齐看齐y 向向 x 看齐看齐小阶向大阶看齐小阶向大阶看齐Sx 1, Sy 1, Sx 1, Sy 1, = 0 0 0 jx1jy+1 jx+1jy11. 浮点加减运算浮点加减运算例如例如 x = 0.1101 201 y = (0.1010) 211求求 x + y解：解：x补补 = 00, 01; 00.1101 y补补 = 00, 11; 11.0110 1. 对阶对阶j补补 = jx

47、补补 jy补补= 00, 0111, 0111, 10阶差为负（阶差为负（ 2）Sx补补 = 00.0011 Sy补补= 11.011011.1001 Sx 2 jx+ 2 x+y补补 = 00, 11; 11. 1001 对阶对阶x补补 = 00, 11; 00.0011+对阶后的对阶后的Sx补补 求阶差求阶差2. 尾数求和尾数求和3. 规格化规格化(1) 规格化数的定义规格化数的定义(2) 规格化数的判断规格化数的判断r = 2 |S| 1 12S0真值真值原码原码补码补码反码反码规格化形式规格化形式S 0规格化形式规格化形式真值真值原码原码补码补码反码反码0.1 0.1 0.1 0.1

48、原码原码 不论正数不论正数、负数负数，第一数位为第一数位为1补码补码 符号位和第符号位和第 一数位不同一数位不同 0.1 1.1 1.0 1.0 右规右规x +y补补 = 00, 010; 01. 001010 x +y补补 = 00, 011; 00. 100101右规后右规后 x +y = 0. 100101 2114. 舍入舍入在在 对阶对阶 和和 右规右规 过程中，可能出现过程中，可能出现 尾数末位丢失尾数末位丢失引起误差，需考虑舍入引起误差，需考虑舍入(1) 0 舍舍 1 入法入法 (2) 恒置恒置 “1” 法法7.1 机器指令机器指令 7.2 操作数类型和操作类型操作数类型和操作类

49、型 7.3 寻址方式寻址方式 7.4 指令格式举例指令格式举例 7.5 RISC 技术技术 一、机器指令一、机器指令本章知识要点：本章知识要点：二、寻址方式二、寻址方式 三、三、RISC 1. 指令的一般格式指令的一般格式 操作码字段操作码字段 地址码字段地址码字段一、机器指令一、机器指令2. 指令字长指令字长指令字长决定于指令字长决定于操作码的长度操作码的长度指令字长指令字长 = 存储字长存储字长2. 指令字长指令字长 可变可变操作数地址的长度操作数地址的长度操作数地址的个数操作数地址的个数1. 指令字长指令字长 固定固定按字节的倍数变化按字节的倍数变化3.小结小结 当用一些硬件资源代替指令

50、字中的地址码字段后当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后 当指令的地址字段为寄存器时当指令的地址字段为寄存器时 可扩大指令操作数的寻址范围可扩大指令操作数的寻址范围 可缩短指令字长可缩短指令字长 可减少访存次数可减少访存次数 三地址三地址 OP R1, R2, R3 二地址二地址 OP R1, R2 一地址一地址 OP R1 指令执行阶段不访存指令执行阶段不访存 可缩短指令字长可缩短指令字长二、寻址方式二、寻址方式 确定确定 本条指令本条指令 的的 操作数地址操作数地址下一条下一条 欲执行欲执行 指令指令 的的 指令地址指令地址指令寻址指令寻址数据寻址数据寻址寻址方式寻址方式指令寻址指令寻

51、址顺序顺序( PC ) + 1 PC跳跃跳跃由转移指令指出由转移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100.0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址寻址方式指令地址指令地址指令指令顺序寻址顺序寻址1顺序寻址顺序寻址2顺序寻址顺序寻址3跳跃寻址跳跃寻址7顺序寻址顺序寻址8数据寻址数据寻址 形式地址形式地址 指令字中的地址指令字中的地址 有效地址有效地址 操作数的真实地址操作数的真实地址 约定约定 指令字长指令字长 = 存储字长存储字长 = 机器字长机器字长1. 立即寻址立即寻址 指令执行阶段

52、不访存指令执行阶段不访存 A 的位数限制了立即数的范围的位数限制了立即数的范围形式地址形式地址 A操作码操作码寻址特征寻址特征OP # A立即寻址特征立即寻址特征立即数立即数 可正可负可正可负 补码补码形式地址形式地址 A 就是操作数就是操作数2. 直接寻址直接寻址EA = A操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征LDAAAACC 执行阶段访问一次存储器执行阶段访问一次存储器 A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围的位数决定了该指令操作数的寻址范围 操作数的地址不易修改（必须修改操作数的地址不易修改（必须修改A）有效地址由形式地址直接给出有效地址由形式地址直接给出3. 隐含寻址隐含寻址操作数地址

53、隐含在操作码中操作数地址隐含在操作码中ADDA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征AACC暂存暂存ALU另一个操作数另一个操作数隐含在隐含在 ACC 中中如如 8086MUL 指令指令被乘数隐含在被乘数隐含在 AX（16位）或位）或 AL（8位）中位）中MOVS 指令指令源操作数的地址隐含在源操作数的地址隐含在 SI 中中目的操作数的地址隐含在目的操作数的地址隐含在 DI 中中 指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长4. 间接寻址间接寻址EA =（A） 有效地址由形式地址间接提供有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征寻址特征AEA主存主存EAA1EA

54、 A1主存主存 EA10 执行指令阶段执行指令阶段 2 次访存次访存 可扩大寻址范围可扩大寻址范围 便于编制程序便于编制程序OPA寻址特征寻址特征A一次间址一次间址多次间址多次间址操作数操作数操作数操作数多次访存多次访存5. 寄存器寻址寄存器寻址EA = Ri 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快OPRi寻址特征寻址特征 寄存器个数有限，可缩短指令字长寄存器个数有限，可缩短指令字长操作数操作数R0RiRn寄存器寄存器有效地址即为寄存器编号有效地址即为寄存器编号EA = ( Ri )6. 寄存器间接寻址寄存器间接寻址 有效地址在寄存器中，有效地址在寄存

55、器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存操作数在存储器中，执行阶段访存操作数操作数主存主存OPRi寻址特征寻址特征 便于编制循环程序便于编制循环程序地址地址R0RiRn寄存器寄存器有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中7. 基址寻址基址寻址(1) 采用专用寄存器作基址寄存器采用专用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + ABR 为基址寄存器为基址寄存器OPA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUBR 可扩大寻址范围可扩大寻址范围 有利于多道程序有利于多道程序 BR 内容由操作系统或管理程序确定内容由操作系统或管理程序确定 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 BR 内容不变，形式地址内容

56、不变，形式地址 A 可变可变(2) 采用通用寄存器作基址寄存器采用通用寄存器作基址寄存器操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUOPR0AR0 作基址寄存器作基址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器通用寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的内容由操作系统确定基址寄存器的内容由操作系统确定 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 R0 内容不变，形式地址内容不变，形式地址 A 可变可变8. 变址寻址变址寻址EA = ( IX ) +AOPA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUIX 可扩大寻址范围可扩大寻址范围 便于处理数组问题便于处理

57、数组问题 IX 的内容由用户给定的内容由用户给定 IX 为变址寄存器（专用）为变址寄存器（专用） 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址内容可变，形式地址 A 不变不变通用寄存器也可以作为变址寄存器通用寄存器也可以作为变址寄存器例例 设数据块首地址为设数据块首地址为 D，求求 N 个数的平均值个数的平均值直接寻址直接寻址变址寻址变址寻址LDA DADD D + 1ADD D + 2ADD D + ( N -1 )DIV # NSTA ANSLDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANS共共 N + 2 条指令条指令共共 8 条指令

58、条指令ADD X, DMX 为变址寄存器为变址寄存器D 为形式地址为形式地址(X) 和和 #N 比较比较(X) +1 X结果不为零则转结果不为零则转9. 相对寻址相对寻址 EA = ( PC ) + AA 是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码） A 的位数决定操作数的寻址范围的位数决定操作数的寻址范围 程序浮动程序浮动 广泛用于转移指令广泛用于转移指令操作数操作数寻址特征寻址特征ALUOPA相对距离相对距离 A1000PC 主存主存1000AOP (1) 相对寻址举例相对寻址举例M 随程序所在存储空间的位置不同而不同随程序所在存储空间的位置不同而不

59、同EA = ( M+3 ) 3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DINXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSMM+1M+2M+3而指令而指令 BNE 与与 指令指令 ADD X, D 相对位移量不变相对位移量不变 3* 指令指令 BNE操作数的有效地址为操作数的有效地址为 3* 相对寻址特征相对寻址特征*10. 堆栈寻址堆栈寻址(1) 堆栈的特点堆栈的特点堆栈堆栈硬堆栈硬堆栈软堆栈软堆栈多个寄存器多个寄存器指定的存储空间指定的存储空间先进后出先进后出（一个入出口）（一个入出口） 栈顶地址栈顶地址 由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H进栈进栈

60、 （SP） 1 SP出栈出栈 （SP）+ 1 SP栈顶栈顶栈底栈底2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH栈顶栈顶栈底栈底进栈进栈出栈出栈 1FFF H栈顶栈顶 2000 H栈顶栈顶(2) 堆栈寻址举例堆栈寻址举例15200HACCSPX栈顶栈顶200H栈底栈底主存主存151FFHACCSP15栈顶栈顶200H栈底栈底主存主存X1FFHPUSH A 前前PUSH A 后后POP A 前前POP A 后后Y1FFHACCSPX栈顶栈顶200H栈底栈底主存主存151FFH15200HACCSP栈顶栈顶200H栈底栈底主存主存X15(3) SP 的修改与主存编址方法有关的修改与主存编址方法有关 按按 字字 编址编址进栈进栈出栈出栈（SP