计算机组成原理复习题资料(课件整理版可自学使用)

...wd......wd......wd...一、本课程在计算机系统中的位置一、课程目标1、构造与原理掌握建设计算机系统的整机概念；掌握计算机各部件的组成原理与技术；了解计算机系统组成与构造的新技术2、分析与计算能力掌握对组成与构造进展性能分析的方法；通过量化计算，加深对组成原理的理解与掌握3、应用与设计能力通过实验，培养逻辑设计及理论指导实践的能力二、课程内容组织第1章计算机系统概论计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标第2章数据的表示和运算数据的编码及表示，定点及浮点运算方法，ALU构造与组成第3章存储系统层次构造，RAM组成，主存、Cache、虚存的组成原理第4章指令系统指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，CISC/RISC第5章中央处理器CPU的功能与构造、工作流程，指令执行过程，数据通路组织，CU的构造及组成，微程序控制器技术，指令流水技术计算机软件(指令串及数据)计算机软件(指令串及数据)CUALU存储器…系统总线I/O设备1I/O接口1I/O设备2I/O接口2I/O设备nI/O接口n第6章总线概述，操作步骤，仲裁/定时方式，互连构造第7章I/O系统组成，I/O设备，I/O接口，I/O方式(4种)1、学习方法建设整机概念，将所学知识点融合在一起；从逻辑设计出发，分析多种方案的利与弊；通过量化分析，加深对原理的掌握与理解。2、学习效率第1章计算机系统概论◆计算机：按照内部存储的指令序列，对数字化信息进展自动高速处理、存储、传送、控制的装置。指令：指示计算机硬件完成某种功能的明确的命信息：有用的数据，有多种不同类型，其表现手段可以采用数字化形式或模拟量形式；运算：包括算术运算和逻辑运算，要求自动与高速；处理：对信息进展搜索、识别、变换，甚至联想、思考和推理等等。◆计算机的基本功能主要包括数据处理数据存储数据传送控制◆数据处理功能运算功能：算术运算功能和逻辑运算，应用于数值计算和非数值计算两个方面；处理对象：数值、字符、图形、图像、声音和视频等。◆数据存储功能主存储器：保存指令和数据；辅助存储器：以文件的形式保存大量数据信息。◆数据传送功能内部数据流动：CPU和主存以及CPU内部存放器与运算器之间的数据流动；外部数据传送：输入/输出〔I/O〕和计算机通信。◆控制功能控制器：产生各种基本操作信号并按某种时序发出以完成相应功能；指令编码、指令系统：一台计算机的所有指令集合。1.1.1计算机系统的软硬件*计算机系统的组成：功能的实现方式—①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能②软件表示应用的数据处理及过程控制需求└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能*计算机系统组成的特性：软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映*计算机系统构造：机器语言程序员所看到的计算机属性概念性构造和功能特性←┘ *计算机组成：实现计算机系统构造时所表达的计算机属性*计算机实现：实现计算机组成时所表达的计算机属性*相互关系：计算机系统构造—确定软硬件功能分配及其界面特性；计算机组成—逻辑实现系统构造的内容；计算机实现—物理实现计算机组成的内容举例 系统构造 计算机组成 计算机实现乘法功能 是否有乘法指令 乘法器还是加法+移位 器件、电路主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体/多体MEM总线 带宽 信号线数、时钟、传输方式§1.2计算机系统基本组成一、冯·诺依曼模型计算机*构造与组成：由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成，以运算器为中心；输入设备输入设备存储器运算器控制器输出设备注：数据信息

指令信息

控制信息

状态信息*数据表示与运算：指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式*存储程序原理—程序存储方式：指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中；*存储器构造：由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问；*指令组成：由操作码及地址码组成；例：假设加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000号两个存储单元内容相加的操作可表示为：0100100010000*存储程序原理—程序控制机制：按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。冯·诺依曼计算机模型。1〕计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成；2〕存储器以二进制形式存储指令和数据；3〕存储程序工作方式；4〕五部件以运算器为中心进展组织。二、计算机硬件的基本组成1、计算机硬件的构造现代计算机均在冯·诺依曼模型根基上进展改进*采用以存储器为中心的构造：使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能*由多种存储器构成存储系统：解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格 *采用总线互连形式：实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性 2、计算机部件的基本组成(1)存储器*功能：存储程序和数据、通过读/写操作接收/提供信息*组成：*完成操作的过程：读操作—①接收地址及命令，内部操作；②输出数据写操作—①接收地址及命令；②接收数据，内部操作(2)运算器*功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果*组成：*(AC)+[Y]→AC的运算过程：(0)(AC)为被加数(1)加数[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU结果→AC△约定：(X)表示存放器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容(3)控制器*功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程*程序执行过程：①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)；②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)取指令取指令取指阶段分析指令执行指令执行阶段(4)输入/输出设备*功能：实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换；*种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；*连接：通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接，I/O接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能三、计算机软件的基本组成三、计算机软件的基本组成四、计算机工作过程计算机的工作过程就是执行程序的过程。考察指令ADDNUM，R0的执行过程。图1.4CPU组成以及和存储器的连接图1.4CPU组成以及和存储器的连接考察指令ADDNUM，R0的执行过程。程序执行过程*程序执行的初始条件：(a)程序及数据已存放在主存储器MM中；(b)PC内容已经为即将执行的程序首条指令地址*程序执行的实现方法：--控制器指挥与控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1〞→PC；②分析—(IR)→ID→CU；③执行—实现指令约定操作(指令转移时重写PC)；④循环—假设无中断执行的要求，转①§1.3计算机系统的性能指标一、计算机系统的性能指标*系统性能：指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能1、硬件性能参数*机器字长：指CPU一次能处理的二进制位数。└→指ALU一次能处理的n位CPU—指机器字长为n个二进制位的CPU；例如，Core2CPU为64位CPU对系统性能的影响—机器字长越长，数据处理性能越好；(∵应用数据长度＞机器字长时，需分次运算)对其它硬件的影响—直接影响ALU、REG长度，间接影响存储字长、数据总线位数*机器主频：指CPU内部主时钟脉冲的频率，常用f表示。主频单位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；时钟周期—CPU内部基本操作的时长，常用TC表示；f与TC关系—倒数关系，即f=1/TC*存储容量：指存储器可存储二进制信息的总位数。主存容量—容量S=存储单元个数×存储字长；辅存容量—容量S=存储块个数×存储块长度；容量单位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；最大主存容量—CPU能够访问的主存最大容量，它决定了CPU的地址和数据引脚数量2、系统性能指标时间是唯一标准，主要有响应时间和吞吐量两个指标。*响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间，*吞吐量：又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量，即吞吐量=n个任务的总工作量÷n个任务的总时间特点—反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能表示—因工作量无统一定义，通常用MIPS及MFLOPS代替△MIPS(每秒百万次指令)△MFLOPS(每秒百万次浮点运算)*其他：RAS(可靠性/可用性/可维护)，兼容性等二、计算机软件的开展历史1、计算机语言的开展机器语言→汇编语言→高级语言→应用语言*高级语言例：FORTRAN、PASCAL、C/C++、Java2、系统软件的开展*语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序；*操作系统：DOS、UNIX、Windows；(多道程序、分时/实时、网络、分布式、面向对象)*服务性程序：装配、调试、诊断、排错；*数据库：数据库(网状、层次、关系型)、数据库管理软件；*网络：协议(NetNIOS、TCP/IP等)及实现库三、计算机系统分类按规模及功能分类超级计算机—科学计算等；大型计算机—多用户使用等；小型计算机—办公应用等；工作站—图形处理及分布式计算等；微型计算机—应用广泛；单片机/嵌入式系统—工业控制等第二章数据的表示和运算§2.1数据的编码一、数制及其转换1、进位计数制*进位计数制：又称进制或数制，是用一组固定的符号和统一的规那么来表示数值的方法。有数码、基数和位权3个基本参数*常用的4种进制：*R进制数表示：(N)R=(kn-1…k1k0.k-1k-2…k-m)R=其中，ki∈{0,1,…(R-1)}(2)十进制数小数转换成R进制数小数*小数转换规那么：乘基取整、上左下右例3—将(0.6875)10分别转换成二、八进制数(3)十进制数转换成R进制数*转换规那么：整数局部、小数局局部别转换后再合并练习1—(19.6875)10=(X)2=(Y)8，X=Y=4、二、八、十六进制数相互转换*隐含规律：2=21，8=23，16=24(1)二进制、八进制数相互转换*转换规那么：①从小数点向两边分别转换；②3个二进制数位(不够时补零)等价于1个八进制数位例4—(13.724)8=(001011.111010100)2=(1011.1110101)2(10011.01)2=(010011.010)2=(23.2)8(2)二进制、十六进制数相互转换*转换规那么：①从小数点向两边分别转换；②4个二进制数位(不够时补零)等价于1个十六进制数位例5—(2B.E)16=(00101011.1110)2=(101011.111)2(11001.11)2=(00011001.1100)2=(19.C)16二、机器数及其编码*数值数据：组成—由符号、小数点及数值构成，可缺省符号及小数点运算—①符号与数值分开运算；②加减法需先比较大小*机器数：符号数字化的数，通常0/1表示+/-；如(+101)2→(0101)2、(-0.101)2→(-.101)2→(1.101)2真值—带“+〞或“-〞符号的数*机器数的运算方法：①采用手工运算方法，硬件实现很不方便；如—(+x)+(-y)时，先求x-y、再求结果符号、最后求x-y或y-x☆②采用新运算方法，便于硬件实现(如符号与数值一起运算)└→必须使用新的编码方法！*机器数的编码方法：原码、补码、反码、移码等1、原码表示法(原码编码方法)*基本思想：用0/1表示符号+/-，数值位为真值的绝对值*纯整数原码定义：设X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]原=xn-1xn-2…x0，*纯小数原码定义：设X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]原=x0.x-1…x-(n-1)*原码的特性：①X与[X]原关系—·[X]原与X表示值的范围一样，·[+0]原≠[-0]原；②运算方法—符号与数值分开运算(与手工运算一致)└→适合于乘除法，加减法较复杂2、补码表示法*目标：实现符号与数值一起运算(1)有模运算与补数例如—将时针从10点拨向7点，有两种拨法：①倒拨10-3=7；②顺拨10+9=7+12=7*有模运算：运算时只计量小于“模〞的局部，多余局部被丢弃模—计量系统的计数范围；同余—假设A、B、M满足A=B+kM(k为有符号整数)，那么记A≡B(modM)，称B和A为模M的同余*补数：假设a、b、M满足a+b=M，称a、b互为模M的补数运算特征—c-a=c-(M-b)=c+b(modM)，即减去一个数等价于加上这个数的补数└→可将减法运算转化为加法运算(2)补码定义一个负数的补码应等于模与该数绝对值之差。即某负数X的补码为：[X]补=M+X(modM)*纯整数补码定义：设X=±xn-2…x0，xi=0或1，那么[X]补=x’n-1x’n-2…x’0，即说明—因X连同符号位共n位，故模为2n例6—[+0001]补=00001，[-0001]补=100000-0001=11111[+1111]补=01111，[-1111]补=100000-1111=10001※正数补码最高位(符号位)为0，负数最高位为1[+0000]补=[-0000]补=00000※数0的补码惟一练习2—假设X=-01000、Y=+01000，[X]补=[Y]补=例7—n=5、X≥0时，最大[X]补=01111，Xmax=24-1=+15X＜0时，最小[X]补=10000，Xmin=-24=-16※补码表示数的个数比原码多1个原码无11…1110…0110…0000…0000…0101…11补码10…0010…0111…1100…0000…0101…11真值-2n-1-(2n-1-1)-10+1+(2n-1-1)*定点纯小数补码定义：设X=±0.x-1…x-(n-1)，那么[X]补=x’0.x’-1…x’-(n-1)例8—[+0.1011]补=0.1011[-0.1011]补=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.0101(3)补码的特性△X→[X]补—假设X为正数，改符号位为0，其余各位不变；假设X为负数，改符号位为1，其余各位取反、末位加1△[X]补→X—假设[X]补最高位为0，改其为正号，其余各位不变；假设[X]补最高位为1，改其为负号，其余各位取反、末位加1△[X]原→[X]补—假设[X]原最高位为0，[X]补=[X]原；假设[X]原最高位为1，[X]补=[X]原各数值位取反、末位加1△[X]补→[X]原—假设[X]补最高位为0，[X]原=[X]补；假设[X]补最高位为1，[X]原=[X]补各数值位取反、末位加1*[X]补与[-X]补的关系：△[X]补→[-X]补—[X]补的各位取反(含符号位)、末位加1[-X]补→[X]补—[-X]补的各位取反(含符号位)、末位加1练习4—①假设X=+01001，[X]原=001001，[X]补=001001；②假设X=-01010，[X]原=101010，[X]补=110110；③假设[X]原=001010，X=+01010，[X]补=001010；④假设[X]原=101110，X=-01110，[X]补=110010；⑤假设[X]补=001110，X=+01110，[-X]补=110010；⑥假设[X]补=101110，X=-10010，[-X]补=010010；⑦假设[-X]补=101011，[X]补=010101，[X]原=010101；⑧假设[-X]补=001001，[X]补=110111，[X]原=1010013、反码表示法*目标：作为原码与补码相互转换时的一种过渡编码*纯整数反码定义：设X=±xn-2…x0，xi=0或1，取模=2n-1，那么例14—[+1101]反=01101，[-1101]反=10010*纯小数反码定义：设X=±0.x-1…x-(n-1)，xi=0或1，模=2-2-(n-1)，那么例15—[+0.1101]反=0.1101，[-0.1101]反=1.0010*反码与补码关系：假设X为正数，[X]补=[X]反；假设X为负数，[X]补=[X]反+1

原码、补码、反码比较：①机器数的最高位均为符号位(0/1表示正/负)；②假设真值X为正数，[X]原=[X]补=[X]反；③假设真值X为负数，[X]补=[X]反+1，[X]反=[X]原各位求反(符号位除外)；④[+0]补=[-0]补，补码比原码、反码多表示一个负数4、移码表示法*目标：实现符号与数值一起编码←数连续时编码连续*纯整数移码定义：设X=±xn-2…x0，其中xi=0或1，取模=2n，那么[X]移=2n-1+X(mod2n)=2n-1+X-2n-1≤X＜2n-1例16—[-111]移=0001，[-001]移=0111，[±000]移=1000，[+001]移=1001，[+111]移=1111，[-1000]移=0000*移码的特性：①数在数轴上为连续编码(无符号数)，便于比较大小；②[X]移=[X]补符号位取反、其余各位不变三、十进制数编码*BCD码(BinaryCodedDicimal)：又称二-十进制编码，是指用4位二进制编码表示1位十进制数位的编码方式。*BCD码种类：分有权码和无权码两种，最常用的是8421码。

BCD码缺省指8421码(特殊声明除外)！四、字符及字符串编码1、字符编码*字符编码：字符在字符集中惟一的数字化代码，表示字符在字符集中的序号或特征号*字符编码的类型：有输入码、内码、交换码、字模码4种*有关字符编码的约定：字符编码—均指交换码的编码！字符数据—均指内码的编码！*常见字符编码(交换码)种类：2、字符串编码*字符串特性：①由多个字符构成；②所含字符数不固定。*字符串编码方法：①由各个字符编码组成；②通过特定编码标志字符串的完毕，完毕编码放在最后└→字符集必须包含该字符(如ASCII码中编码为0的字符)例—C语言中字符串“am〞可编码为11000011101101000000五、校验码*冗余校验思想：①用待发数据(M)形成校验信息(P)，M与P一起传送；②用接收数据(M’)形成新校验信息(P〞)，检错并纠错*术语：校验码—由数据位和校验位组成的信息编码；检错(检验)—检查数据在传送过程中有/无错误；纠错(校正)—根据错误位置纠正数据(取反)*常见校验码：奇偶校验码、海明校验码奇偶校验码*编码原理：采用1位校验位，使数据位及校验位中“1〞的位数为奇数或偶数个数*校验方法：故障字S—S=P’P〞，其中P’是接收的、P〞是形成的；检错—假设S=0无错误，假设S=1有错误；纠错—无此能力(∵无法获得错误位置)*校验能力：只能检测奇数个错误，无纠错能力例3—以下接收的校验码①01001、②10100、③10011中，只有一个有奇数位错，请问发送时采用的是奇校验还是偶校验码*应用：广泛应用于I/O传输的数据校验§2.2数据的表示

计算机用编码表示数据：

计算机只支持最常用(最基本)的数据类型：数据表示—计算机硬件能够直接识别和引用的数据类型应用数据→数据表示的转换：程序员或编译程序完成一、数值数据的数据表示方法1、数值数据的数学特征①进制可有多种；②符号为“+〞或“-〞，可以没有符号；③小数点为“．〞，可隐含表示，小数点位置可任意变化；④数码长度可任意变化；⑤不会产生运算溢出2、冯·诺依曼模型计算机的硬件特征①指令和数据用二进制表示，采用二进制运算；②二进制中只有0和1，无法表示符号和小数点；③机器字长固定，CPU内部全部采用定长方式处理。3、数值数据的表示方法*进制问题处理：只支持二进制方式；*符号问题处理：有符号数—用数字表示符号，数据本身无法区分无符号数—符号位置为数值；在指令级进展区分 *小数点问题处理：①点的表示—用隐含方式表示；②位置表示—约定不同数据类型的位置不同*数码长度问题处理：①不同数据类型—数码长度固定；←便于定长方式处理②同一数据类型—可有几种长度；←可提高处理及存储效率*运算问题处理：①运算方法—按数据表示的格式及编码进展相应运算；②数据类型区分—由指令操作码区分；③溢出处理—硬件检测并发出通知，由软件处理

数值数据的处理方法：包括数据的表示和数据的操作方法二、数的定点表示1、定点表示方法指约定数据中隐含的小数点位置固定不变。*定点表示形式：有约定在数值最低位之后和最高位之前两种2、定点数的表示采用定点表示格式的数称为定点数，通常有几种数码长度。*定点数的表示范围：(设数码长度为n位)三、数的浮点表示1、浮点表示方法指约定数据中隐含的小数点位置是可变的。*浮点表示形式：由尾数和阶组成格式—表示—尾数用定点纯小数表示，阶用定点整数表示2、浮点数的表示采用浮点表示格式的数称为浮点数，通常有几种数码长度。*浮点数的表示范围与精度：假设尾数及阶的基均为2，数值长度分别为m位及e位例1—假设浮点表示格式中m＝10、e＝4，尾数及阶均为补码编码方式，写出(-54)10的机器码。解：(-54)10=(-110110)2=-0.11011×2+110，浮点数机器码为0011010010100000例2—假设浮点表示格式中尾数为8位(含1位符号位)、阶为5位(含1位符号位)，写出以下实数的浮点数及机器码。例3—浮点表示格式同例2，写出以下机器码的浮点数。3、浮点数的规格化*目的：在现有的浮点数表示格式中，使表示精度最大化。例4—假设浮点表示格式中m＝3、e＝3、尾数和阶均为原码编码方式，不同表示方法的浮点数精度不同：+101.1=0.1011×23=0.01011×24=0.001011×25*规格化数的要求：尾数真值的最高位为1，即1/2≤|M|＜1*规格化的操作：左规—尾数左移一位，阶码减一；右规—尾数右移一位，阶码加一。应用—非规格化数→规格化数，可能需屡次规格化操作例5—假设浮点数尾数及阶的基均为2，答复以下问题：原码尾数—最高数值位为1；补码尾数—最高数值位与符号相反←便于硬件实现4、IEEE754标准*表示格式及数码长度：有单精度、双精度两种格式及长度*编码方式：①数制—M和E均采用二进制方式(即RM=RE=2)；②码制—M为原码编码的定点纯小数(改进了定点位置)，E为移码编码的定点整数(改进了移码值)*阶的码制：采用的是余127码和余1023码余X码—偏移值为X的移码称为余X码，标准移码：真值=E-28-1=E-128，余127码：真值=E-(28-1-1)=E-127；阶的范围—1≤E≤254，而0和255另作他用，即-126≤阶的真值≤127*尾数的码制：(以单精度格式为例)支持非规格化尾数和规格化尾数两种方式；非规格化尾数—尾数真值=±0.m-1…m-23，机器码M=m-1…m-23，尾数精度=23位；规格化尾数—规格化的尾数真值=±1.m-2…m-24，机器码M=m-2…m-24，尾数精度=24位*IEEE754标准浮点表示的特征：(以单精度格式为例)例5—求(-11/128)10的IEEE754单精度规格化数的机器码解—(-11/128)10=(-1011)2×2-7=(-0.1011)2×2-3=(-1.011)2×2-4=(-1.011)2×2123-127例6—求IEEE754单精度码为(CC968000)16的浮点数的真值N解—(CC968000)16=11001100100101101000000000000000N为负数，浮点数为规格化数(∵1＜10011001＜254)；阶=(10011001)2－(01111111)2=(00011010)2=(26)10尾数=(1.00101101)2=(1.17578125)10∴N=(―1)1×1.17578125×226=-1.17578125×226

数值数据的表示小结：表示格式有定点和浮点两种，编码方式决定运算器的运算方法，数码长度总是固定的四、非数值数据的数据表示

MEM字长的特征：MEM字长—均为2n位(n为常数)；←便于数据长度的二进制运算MEM字长种类—有二进制位、机器字长、折中长度3类

提高MEM的存储效率：1、字符数据的表示指字符的交换码在存储/处理时的表示方式，即字符的内码。2、逻辑数据的表示*数学特征：值域—真、假；运算—与(AND)、或(OR)、非(NOT)等*数据的表示方法：数码长度—1位→n位(n为MEM字长倍数)；←以提高存储效率编码方式—各位独立编码，1/0可表示真/假*运算处理方法：可采用所有位同时按位进展与/或/非运算可获得最大性能←┘└→一位操作时，软件负责准备数据例2—8位逻辑数A和B如何实现第0位的OR操作(结果在A中)解：步骤为①C=BAND01H；②A=AORC§2.3定点数运算方法一、移位运算1、移位及移位运算*移位：数值相对于某个位置的移动例—20.0m=2000.0cm，称20相对于小数点左移了2位*移位操作：有左移、右移2种类型；二进制数左移或右移n位相当于乘以或除以2n*移位运算：对计算机中机器数的移位操作运算种类—对有符号数，有算术左移、算术右移；对无符号数，有逻辑左移、逻辑右移运算参数—操作数、移动位数2、逻辑移位运算*操作数类型：无符号机器数*运算规那么：机器数整体移位，移出的数丢弃，出现的空位补0例1—某REG内容为00111001，逻辑移位运算结果如下：练习—假设(REG)=11001001，逻辑左移1位再右移1位的结果?*溢出判断方法：左移、移丢数码为1时运算溢出3、算术移位运算*操作数类型：有符号机器数(原码、补码等)*运算规那么：符号位不变，数值局部整体移位，空位添补规那么如下表(根据编码方式的数学特征添补)*运算实现方法：通常用移位存放器实现右移移丢数值1仅影响精度右移移丢数值1仅影响精度*溢出判断方法：左移移丢数值1时溢出原码左移、移丢数码为1时溢出；补码/反码左移、移丢与符号相反的数码时溢出二、定点加减运算1、补码加减运算(1)补码加减运算规那么*加法：[A+B]补=[A]补+[B]补*减法：[A-B]补=[A+(-B)]补=[A]补+[-B]补(2)补码运算溢出判断方法*溢出判断①：用1位符号位判断例4—假设n=4，补码表示范围-8≤X≤+70110(+6)1111(-1)0101(+5)1011(-5)+1011(-5)+1100(-4)+0100(+4)+1100(-4)10001(+1)11011(-5)01001(+9)10111(-9)即：一样符号数相加、且结果与操作数符号不同时溢出!设[A]补=An-1An-2…A0，[B]补=Bn-1Bn-2…B0，[Z]补=[A]补+[±B]补=Zn-1Zn-2…Z0例5—设A=-11/16，B=+7/16，[A+B]补、[A-B]补是否溢出?解：[A+B]补=1.0101[A-B]补=1.0101+0.0111+1.1001=1.1100=10.1110对[A+B]补，OVR=(10)(00)=0不溢出对[A-B]补，OVR=(10)(10)=1溢出*溢出判断①优化：用结果的符号位及最高数值位进位判断An-1An-2…A0+Bn-1Bn-2…B0Zn-1Zn-2…Z0Cn-1Cn-2*溢出判断②：用2位符号位判断变形补码—采用2个符号位的补码[A]变补=AnAn-1An-2…A0，AnAn-1表示符号(00为正数、11为负数)例6—假设X=-010，Y=-110，[X+Y]变补溢出否?解：[X]变补=11110，[Y]变补=11010[X+Y]变补=11110+11010=1100011=0不溢出(3)补码加减运算所需的硬件配置*加减法实现思路：加减法统一处理C-1=1，

C-1=0，=1…=1C-1=1，

C-1=0，=1…=1减法—[A]补+[-B]补=[A]补+[B]补+1*加减法实现思路：加减法统一处理加法—[A]补+[B]补+0；减法—[A]补+[-B]补=[A]补+[B]补+1◆笔---纸乘法方法▲例1.X=1011,Y=1101，X×Y的笔---纸乘法过程：1.原码一位乘◆用原码实现乘法运算时，符号位与数值位是分开计算的；设：[X]原=xnxn-1x1x0，[Y]原=ynyn-1y1y0(其中xn、yn分别为它们的符号位)假设[X×Y]原=z2nz2n-1z1z0(z2n为结果之符号位)那么z2n=xnynz2n-1z1z0=(xn-1x1x0)×(yn-1y1y0)类似两个无符号数相乘。◆就笔---纸乘法方法，为提高效率而采取的改进措施①每将乘数Y的一位乘以被乘数得X×yi后，就将该结果与前面所得的结果累加，得到局部积Pi；②将局部积Pi右移一位与X×yi相加；加法运算始终对局部积中的高n位进展；③对乘数中“1〞的位执行加法和右移运算，对“0〞的位只执行右移运算，而不执行加法运算；▲上述乘法运算可以归结为循环地计算以下算式：设P0=0P1=2-1(P0+X×y0)P2=2-1(P1+X×y1)Pi+1=2-1(Pi+X×yi)(i=0,1,2,3,n-1)……Pn=2-1(Pn-1+X×yn-1)显然，X×Y=Pn▲对于两个n位无符号数乘法的一种可行的算法：1〕置计数器为n；2〕去除2n位局部积存放器；3〕检查乘数最右位〔初始时为最低位〕，假设为“1〞，加被乘数到局部积高n位中；4〕将局部积右移一位；5〕将乘数右移一位；6〕计数器减1，结果不为0，那么从3〕开场重新执行；假设结果为0，那么从局部积存放器读出乘积。▲实现这种方法的二个定点数乘法的逻辑电路框图nnn▲例1．[X]原=01101,[Y]原=01011,假设[X×Y]原=z8z7z0那么z8=00=0z7…z0=1101×1011的计算采用上述乘法流程，实现的具体过程如下：补码乘法例：X=0.1011，Y=-0.0001[X]补=01011,[Y]补=11111[X×Y]补=111110101[X]补×[Y]补=101010101显然，[X×Y]补[X]补×[Y]补▲对两个正数来说，它们补码的乘积等于它们乘积的补码。假设乘数是负数时，这种情况就不成立了。◆Booth〔布斯〕乘法▲A.D.Booth算法思想：相乘二数用补码表示，它们的符号位与数值位一起参与乘法运算过程，得出用补码表示的乘法结果。▲Booth算法推导：[X]补=xnxn-1……x0,[Y]补=ynyn-1……y0；根据补码定义:可得出其真值:Y=[Y]补-2n+1ynX×Y=X×{[Y]补-2n+1yn}=X{yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020-2n+1yn}=X{-yn2n+yn-12n-1+……+y121+y020}=2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(0–y0)Xy-1为增设的一个附加位，初值为0；[X×Y]补=[2n(yn-1-yn)X+2n-1(yn-2–yn-1)X+……+21(y0–y1)X+20(y-1–y0)X]补令[X×Y]补=[X×Y]’补×2n[X×Y]’补=[(yn-1-yn)X+2-1(yn-2–yn-1)X+……得到如下递推公式令[P0]补＝0，有：[P1]补=[2-1(P0+(y-1-y0)×X]补[P2]补=[2-1(P1+(y0-y1)×X]补[Pi]补=[2-1(Pi-1+(yi-2-yi-1)×X)]补(i=1~n)[Pn]补=[2-1(Pn-1+(yn-2-yn-1)×X)]补[X*Y]’补=[Pn+1]补=[Pn+(yn-1-yn)×X]补(yi-1–yi)X实际上并不做乘法，只要比较相邻两位乘数以决定+X、–X或+0。在计算机中，对于定点整数，只要认定小数点在乘积之末，相当于将小数点右移n位。对乘数的连续两位yi和yi-1进展判断假设yiyi-1=01，那么[Pi+1]补=[2-1(Pi+X)]补假设yiyi-1=10，那么[Pi+1]补=[2-1(Pi-X)]补假设yiyi-1=00或11，那么[Pi+1]补=[2-1Pi]补一个补码数据的右移是连同符号位右移，且最高位补充符号位的值。▲例3：[X]补=01101,[Y]补=10110，[-X]补=10011。用布斯乘法计算[X×Y]补的过程如下因此，[X×Y]补=101111110▲布斯乘法的算法过程为n+1次的“判断—加减—右移〞的循环，判断的次数为n+1次，右移的次数为n次。▲在布斯乘法中，遇到连续的“1〞或连续的“0〞时，是跳过加法运算，直接实现右移操作的，运算效率高。3.5.1浮点数的加、减运算◆计算机中实现X和Y加、减法运算的步骤为：第1步：对阶▲对阶使得原数中较大的阶码成为两数的公共阶码；小阶码的尾数按两阶码的差值决定右移的数量。第2步：尾数加减 ▲对尾数进展加、减运算第3步：规格化▲设浮点数的尾数用补码表示，且加、减运算时采用双符号位，那么规格化形式的尾数应是如下形式：尾数为正数时：001xxx尾数为负数时：110xxx▲尾数违反规格化的情况有以下两种可能：①尾数加、减法运算中产生溢出正溢出时，符号位为01；负溢出时，符号位为10；规格化采取的方法是：尾数右移一位，阶码加1；这种规格化称为右规。②尾数的绝对值小于二进制的0.1。补码形式的尾数表现为最高数值位与符号位同值。采取规格化的方法：符号位不动，数值位逐次左移，阶码逐次减1，直到满足规格化形式的尾数。这种规格化称为左规。第4步：舍入▲对结果尾数进展舍入处理方法①恒舍法无论戒备位的值是多少，都舍去。②恒置1法不管戒备位为何值，尾数的有效最低位恒置1。③0舍1入法戒备位〔q位〕中的最高位为1时，就在尾数末尾加1；戒备位〔q位〕中的最高位为0时，舍去所有的戒备位；第5步：阶码溢出判断浮点数运算结果是否溢出，应由阶码来判断。例2：X=0.11011011×2010，Y=-0.10101100×2100；用补码来表示浮点数的尾数和阶码①对阶②尾数加法③尾数规格化尾数没有溢出，但符号位与最高数值位有K=1位一样，需左规：Mb左移K=1位：Mb=11000101011Eb减1：Eb=00011④舍入处理采用恒舍法，执行舍操作。得：Mb=1100010101⑤阶码溢出判断阶码无溢出，X+Y正常完毕，得：[X+Y]浮=1001100010101，即X+Y=-0.11101011×2011§2.5算术逻辑单元ALU一、加法器组成*全加器输出的逻辑表达式：2、串行加法器加法器由1个全加器组成；n位加法分成n步完成。3、并行加法器*组成：n个全加器、进位链；(1)串行进位加法器*组成：*加法器特点：进位电路简单，运算速度慢(T加法=nΔt)(2)先行进位加法器*先行进位逻辑形成：其中Gi=AiBi，Pi=AiBiC0=G0+P0C-1C1=G1+P1C0=G1+P1G0+P1P0C-1C2=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1G0+P2P1P0C-1C3=G3+P3C2=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C-1*先行进位产生电路：*4位先行进位加法器组成：*n位先行进位加法器组成：组内并行、组间串行进位加法器—组内并行、组间并行进位加法器—二、算术逻辑部件ALU1、ALU的功能*计算机中数据的运算方法及实现部件：*ALU的功能：逻辑运算及算术运算功能；提供算术运算结果状态等ALU的基本构造*功能选择方法：设置相关引脚，以选择当前欲实现的功能*构造与组成：构造—以加法器为根基扩大功能；组成—全部由组合逻辑电路构成运算器的组织*CPU中运算器的功能：早期—只包含逻辑运算和定点算术运算功能；└→乘除法功能用加法器+移位实现后期—包含逻辑运算、定点算术运算及浮点运算功能└→乘除法功能用阵列乘除法器实现*运算器基本构造：由ALU、锁存器、状态存放器、MUX多路开关等组成第三章存储系统存储器的基本概念存储介质：能表示二进制1和0的物理部件；存储元：存储1位二进制代码信息的器件；存储单元：假设干个存储元的集合，它可以存放一个字或一个字节；存储体：假设干个存储单元的集合；地址：存储单元的编号；§3.1存储系统概述一、存储器分类1、按存储介质分类存储介质必须有区别明显的两个物理状态(表示0/1)2、按存取方式及功能分类*顺序存取存储器(SAM)：按记录块为单位进展编址，存取时间与读/写头到访问地址的相对位置有关；*随机存取存储器(RAM)：按存储字为单位进展编址，存取时间与访问的地址无关(时间固定)；*直接存取存储器(DAM)：信息存取区域定位与RAM类似，区域内操作与SAM类似；*只读存储器(ROM)：操作方式为只能取、不能存可由RAM或DAM构成，信息读取的定位由存储器构造决定3、按在计算机中的作用分类*主存储器(MM)：可直接与CPU交换信息的MEM构成—MOS型半导体、动态RAM和ROM*辅助存储器(AM)：主存的后援MEM构成—磁性/光介质材料、SAM/DAM*高速缓冲存储器(Cache)：CPU与主存间的缓冲MEM构成—MOS型半导体、静态RAM*控制存储器(CM)：CPU内部存放微程序的MEM构成—MOS型半导体、ROM二、存储器的主要性能指标*容量(S)：能存储的二进制信息总量，常以字节(B)为单位*速度(B)：常用带宽、存取时间或存取周期表示存取时间(TA)—指MEM从收到命令到结果输出所需时间；存取周期(TM)—指连续访存的最小间隔时间，TM=TA+T恢复带宽(BM)—指单位时间内MEM最多可读写的二进制位数；BM=W/TM，其中W为一次读写的数据宽度，常以bps为单位*价格：常用总价格C或每位价格c表示，c=C/S。三、层次构造存储系统1、层次构造的引入*程序访问局部性规律：程序执行时，指令和数据呈现的相对簇聚特性。时间局部性—被访问过的信息，可能很快被再次访问；空间局部性—被访问信息的相邻信息，可能很快被访问*用户需求矛盾的解决方案：近期常用数据—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用数据—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低价格高速度、大容量、低价格2、层次构造的存储系统(1)层次存储系统组成*思想：①用多种类型MEM构成前方-前方的层次构造；②前方MEM中信息为前方MEM中信息的副本；③各层MEM之间信息传递是“透明〞的(2)常见的存储系统层次构造围绕主存的层次构造一般为“Cache-主存-辅存〞三种MEM构成的两个存储层次*“Cache-主存〞存储层次：--设置高速缓冲存储器目标—解决主存速度问题(Cache的速度，主存的容量)*“主存-辅存〞存储层次：目标—解决主存容量问题(主存的速度，辅存的容量)└→可能存在：(执行的)程序空间≥主存空间(3)层次存储系统的工作方式*程序执行需求：即将执行的指令和数据存放在主存中*层次存储系统的工作方式：§3.2半导体存储器根基*静态RAM—用触发器存储信息，长时间不访问及信息读出后信息值(状态)保持不变；*动态RAM—用电容存储信息，长时间不访问及信息读出后信息值(状态)被破坏，需及时恢复信息值(称为刷新及再生)。一、静态RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存储元的组成原理存储元—RAM中存储1位二进制信息的电路；*6管MOS静态存储元工作原理：读出—①在W线上加正脉冲；②D=D=V中→D或D产生压降(假设信息为“0〞那么D电压下降)→用差动放大器可检测出所读信息，T1、T2状态保持不变(非破坏性读)。2、SRAM芯片的组成原理(1)存储芯片基本组成主要由存储阵列、地址译码器、I/O电路、控制电路等组成*地址译码器：有一维、二维两种译码方式↓↓译码器输出线数—2M根2×2M/2根常见译码方式—二维译码方式→同一列存储元共用位选择线*驱动器：X译码器每个输出需控制同一行各存储元的字选线├→设置驱动器增加驱动能力I/O电路输出时需驱动总线信号(负载大)*I/O电路：根据内部读/写信号，检测/控制D及D线└→被选存储元*片选与控制电路：片选—MEM常由多个芯片组成，读/写操作常针对某个芯片(2)SAM芯片参数与构造*芯片相关参数：存储阵列容量—数据引脚数量—地址引脚数量—3、SRAM芯片的读写时序*读周期时序：(存储器对外部信号的时序要求)*写周期时序：、动态存储器(DynamicRAM，DRAM)

动态RAM目标：降低功耗、节约成本*单管MOS式动态存储元工作原理：第三章存储系统存储器的基本概念存储介质：能表示二进制1和0的物理部件；存储元：存储1位二进制代码信息的器件；存储单元：假设干个存储元的集合，它可以存放一个字或一个字节；存储体：假设干个存储单元的集合；地址：存储单元的编号；§3.1存储系统概述一、存储器分类1、按存储介质分类存储介质必须有区别明显的两个物理状态(表示0/1)2、按存取方式及功能分类*顺序存取存储器(SAM)：按记录块为单位进展编址，存取时间与读/写头到访问地址的相对位置有关；*随机存取存储器(RAM)：按存储字为单位进展编址，存取时间与访问的地址无关(时间固定)；*直接存取存储器(DAM)：信息存取区域定位与RAM类似，区域内操作与SAM类似；*只读存储器(ROM)：操作方式为只能取、不能存可由RAM或DAM构成，信息读取的定位由存储器构造决定3、按在计算机中的作用分类*主存储器(MM)：可直接与CPU交换信息的MEM构成—MOS型半导体、动态RAM和ROM*辅助存储器(AM)：主存的后援MEM构成—磁性/光介质材料、SAM/DAM*高速缓冲存储器(Cache)：CPU与主存间的缓冲MEM构成—MOS型半导体、静态RAM*控制存储器(CM)：CPU内部存放微程序的MEM构成—MOS型半导体、ROM二、存储器的主要性能指标*容量(S)：能存储的二进制信息总量，常以字节(B)为单位*速度(B)：常用带宽、存取时间或存取周期表示存取时间(TA)—指MEM从收到命令到结果输出所需时间；存取周期(TM)—指连续访存的最小间隔时间，TM=TA+T恢复带宽(BM)—指单位时间内MEM最多可读写的二进制位数；BM=W/TM，其中W为一次读写的数据宽度，常以bps为单位*价格：常用总价格C或每位价格c表示，c=C/S。三、层次构造存储系统1、层次构造的引入*程序访问局部性规律：程序执行时，指令和数据呈现的相对簇聚特性。时间局部性—被访问过的信息，可能很快被再次访问；空间局部性—被访问信息的相邻信息，可能很快被访问*用户需求矛盾的解决方案：近期常用数据—放在“前方〞MEM(快而小)中；近期不用数据—放在“前方〞MEM(慢而大)中。高速度、大容量、低价格高速度、大容量、低价格2、层次构造的存储系统(1)层次存储系统组成*思想：①用多种类型MEM构成前方-前方的层次构造；②前方MEM中信息为前方MEM中信息的副本；③各层MEM之间信息传递是“透明〞的(2)常见的存储系统层次构造围绕主存的层次构造一般为“Cache-主存-辅存〞三种MEM构成的两个存储层次*“Cache-主存〞存储层次：--设置高速缓冲存储器目标—解决主存速度问题(Cache的速度，主存的容量)*“主存-辅存〞存储层次：目标—解决主存容量问题(主存的速度，辅存的容量)└→可能存在：(执行的)程序空间≥主存空间(3)层次存储系统的工作方式*程序执行需求：即将执行的指令和数据存放在主存中*层次存储系统的工作方式：§3.2半导体存储器根基*静态RAM—用触发器存储信息，长时间不访问及信息读出后信息值(状态)保持不变；*动态RAM—用电容存储信息，长时间不访问及信息读出后信息值(状态)被破坏，需及时恢复信息值(称为刷新及再生)。一、静态RAM(StaticRAM，SRAM)1、SRAM存储元的组成原理存储元—RAM中存储1位二进制信息的电路；*6管MOS静态存储元工作原理：读出—①在W线上加正脉冲；②D=D=V中→D或D产生压降(假设信息为“0〞那么D电压下降)→用差动放大器可检测出所读信息，T1、T2状态保持不变(非破坏性读)。2、SRAM芯片的组成原理(1)存储芯片基本组成主要由存储阵列、地址译码器、I/O电路、控制电路等组成*地址译码器：有一维、二维两种译码方式↓↓译码器输出线数—2M根2×2M/2根常见译码方式—二维译码方式→同一列存储元共用位选择线*驱动器：X译码器每个输出需控制同一行各存储元的字选线├→设置驱动器增加驱动能力I/O电路输出时需驱动总线信号(负载大)*I/O电路：根据内部读/写信号，检测/控制D及D线└→被选存储元*片选与控制电路：片选—MEM常由多个芯片组成，读/写操作常针对某个芯片(2)SAM芯片参数与构造*芯片相关参数：存储阵列容量—数据引脚数量—地址引脚数量—3、SRAM芯片的读写时序*读周期时序：(存储器对外部信号的时序要求)*写周期时序：数据线DCD字选择线X数据线DCD字选择线XT1CS动态存储器(DynamicRAM，DRAM)

动态RAM目标：降低功耗、节约成本*单管MOS式动态存储元工作原理：写入—①所写数据加到D上，②翻开T1→对CS充电或放电；保持—断开T1→无放电回路→信息存储在CS中(会缓慢泄漏)；读出—①在D上加正脉冲→对CD预充电，②翻开T1→读D上电压变化(破坏性读)└→CS得到充电2、DRAM芯片的基本组成(2)单管MOS式DRAM芯片的组成*基本构造：通常采用地址分两次传送方式组织增设①地址锁存器、时序控制电路，②再生电路*芯片操作：读、写、刷新(行刷新方式[无列地址])(3)DRAM芯片组成例如*Intel4116芯片：单管MOS存储元、地址分两次传送参数—容量=16K×1位；地址引脚=14/2=7根；数据引脚=2根(单向DIN/DOUT、共1位宽度)构造—2个64×128存储阵列，时钟发生器串联3、DRAM芯片的操作时序*读周期时序：*刷新周期时序：与读周期类似，区别在于CAS在整个操作过程中无效└→行刷新时不需要列地址4、DRAM芯片的刷新*刷新周期：同一存储元连续两次刷新的最大间隔；与DRAM存储元材料及芯片组成有关*刷新方法：每个刷新周期内，循环进展所有行的行刷新(1)DRAM芯片刷新方式通常有集中式、分散式、异步式三种方式*集中式刷新：将所有行刷新集中在刷新周期的后部特点—存在“死区〞(不能进展读/写操作的时间段)*分散式刷新：将行刷新分散在每个存取周期中特点—防止了“死区〞，增加了存取时间(1倍)*异步式刷新：将行刷新均匀分布在刷新周期中设芯片需刷新128次，那么每次刷新间隔2000/128=15.5μs特点—“死区〞可忽略，支持固有的存取周期→最常用(2)DRAM芯片刷新实现按约定的刷新方式，由专用电路定时产生行刷新命令*DRAM芯片的刷新电路：*刷新电路在计算机的位置：通常独立存在于DRAM芯片/模块之外→DRAM控制器5、MOS型SRAM与DRAM芯片比较*DRAM芯片的优点：①DRAM集成度远高于SRAM；←常采用单管MOS存储元②DRAM地址引脚是SRAM的一半；←常采用地址分两次传送方式③DRAM功耗约为SRAM的1/4；←采用单管MOS存储元所致④DRAM成本远低于SRAM*DRAM芯片的缺点：DRAM速度远低于SRAM←使用动态元件(电容)所致*RAM芯片应用：SRAM芯片—常用来构成高速度、小容量MEM，如CacheDRAM芯片—常用来构成大容量MEM，如主存三、只读存储器(ReadonlyMemory，R0M)*ROM：信息注入MEM后不能再改变，它具有非易失性*半导体ROM：具有非易失性的半导体MEM，如EPROM、FLASH等*ROM芯片组成：与SRAM类似，区别在于存储元的实现及操作1、掩模ROM(MROM)*特征：用户不可修改信息；*存储元状态：用MOS管的有/无表示“1〞/“0〞；*数据读出：字选线加电压时，位线电压为所选存储元的数据VCC字选择线XVCC字选择线X数据线DVCC熔丝未断(“1〞)字选择线X数据线D熔丝已断(“0〞)VDVD2、可编程ROM(PROM)*特征：用户可一次性修改信息(电写入)；*存储元状态：用二极管/熔丝的通/断表示“1〞/“0〞；*数据写入：字线X加电压，假设写0—VD=V地→熔丝熔断，假设写1—VD=V中→熔丝不断；*数据读出：字线X加电压、VD=V中，检测VD变化可读出数据3、可擦除可编程ROM(EPROM)*特征：用户可屡次修改信息(电写入、光擦除)；*存储元状态：常用浮栅雪崩注入MOS管(即FAMOS管)的浮栅Gf是/否带电荷表示“1〞/“0〞；N基体N基体PSDGCSiO2PDSGC4、电可擦除可编程ROM(E2PROM)*特征：用户可屡次修改信息(电写入、电擦除)；*存储元状态：用浮栅隧道氧化层MOS管(即Flotox管)的浮栅是/否带电荷表示“1〞/“0〞；5、闪速存储器(FLASH)*特征：用户可屡次修改信息(电写入、电擦除)；*存储元状态：与叠栅EPROM类似，但氧化层更薄§3.3主存储器一、主存储器的组成*主存储器相关概念：主存容量=主存单元长度×主存单元个数*应用对主存空间的需求：二、主存储器的逻辑设计*存储器容量扩展方法：位扩展法、字扩展法、字位扩展法*主存逻辑设计：使用ROM、SRAM或DRAM芯片进展容量扩展，实现主存单元长度和主存单元个数。1、位扩展法(又称并联扩展)*目的：扩展存储器的存储字长*芯片连接特征：各芯片数据引脚连接不同，其余引脚连接一样例1—用1K×1位SRAM芯片构成1K×4位存储模块2、字扩展法(又称串联扩展)*目的：扩展存储器的存储字数例2—用1K×4位SRAM芯片构成2K×4位存储模块解：①芯片数量—共需(2K×4b)÷(1K×4b)=2片；②各芯片地址范围—存储模块有log2(2K)=11位地址，各芯片片选有效逻辑—0#、1#芯片分别为A10=0、A10=1练习1—用1M×4位SRAM芯片构成4M×4位存储模块3、字位扩展法*目的：同时扩展存储器的存储字长和存储字数例3—用1K×4位SRAM芯片构成2K×8位存储模块解：①芯片数量—共需(2K×8b)÷(1K×4b)=4片；②各芯片地址范围—存储模块有log2(2K)=11位地址，练习2—用1K×4位SRAM芯片构成4K×8位存储模块例4—用1K×4位ROM、1K×8位SRAM芯片构成4K×8位存储模块，其中前1KB空间为只读空间解：①芯片数量—共需ROM2片、SRAM3片；ROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

01XXXXXXXXXX

10XXXXXXXXXX

11XXXXXXXXXXROM1#ROM0#SRAM1#00XXXXXXXXXX

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11XXXXXXXXXXSRAM2#SRAM3#模块有log2(4K)=12位地址芯片有10位地址③连接图—三、提高访存速度的措施*CPU的访存特征：一次访存的信息常为多个存储字，屡次访存的地址常为连续的；1、多模块存储器--多体存储器2、高性能存储器(1)EDODRAM(ExtendedDataOutputDRAM，扩展数据输出DRAM)*提高性能思路：同时读出并缓冲一行信息，减小平均TM*实现原理：用SRAM保存上次读操作的一行信息，当前读操作的行地址假设与上次读操作一样，那么直接从SRAM中取出信息SDRAM(SynchronousDRAM,同步DRAM)MEM从所接收地址开场，连续读/写多个存储字(内部计数器产生各存储字地址)，减少了多个地址连续数据传送的平均TM(3)DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM，双数据速率DRAM)3、双端口存储器--同时支持两个操作*构造：2套译码+I/O+读写电路，1个存储阵列+判断逻辑电路§3.4高速缓冲存储器一、Cache的基本原理*Cache的性能：命中率(H)—HC=NC/(NC+NM)其中,NC、NM—CPU访存在Cache、主存中的命中次数√平均访问时间—TA=HCTCache+(1-HC)TMem1、Cache的存储空间管理(1)Cache与主存的信息交换单位*目标：尽量减小平均访问时间TA*Cache与主存的信息交换单位：字块(又称块或行)(2)Cache的存储空间管理2、Cache的基本工作原理3、Cache的构造与组成*存储体：由SRAM构成*地址映像及变换机构：由目录表、比较器等组成；目录表—行数=Cache块数，表项=有效位+块标记+…地址映像机构—决定查目录表的哪些行及块标记组成└→影响变换的性能及成本地址变换机构—查表并比较，命中时直接形成Cache地址不命中时调入块或替换块后再形成二、Cache的相关技术1、地址映像及变换*实现功能：某主存块可存放到Cache中哪些块位置*性能指标：调入块时的块冲突概率、地址变换的速度与成本(1)全相联地址映像及变换*映像规那么：主存块i可映射到Cache的任意一个块；*地址变换方法：比较目录表所有行，命中时行号即为变换后的块号；例1：CPU支持最大主存容量1MB、按字节编址，块大小16B，Cache容量为8KB。全相联映像方式时，⑴主存地址格式及参数⑵Cache地址格式及参数⑶目录表行数块标记位数⑷假设目录表项为<有效位,块标记>，CPU访问36454H主存单元时，那么Cache命中时的目录表项(2)直接地址映像及变换*映像规那么：主存块i可映射到Cache的块j=(imodG)；*地址变换方法：比较目录表相应行，命中时主存地址的区内块号即为变换后的块号；例2：CPU支持最大主存容量1MB、按字节编址，块大小16B，Cache容量为8KB。直接映像方式时，⑴主存及Cache地址格式及参数⑵目录表行数块标记位数⑶假设目录表项为<有效位,块标记>，CPU访存地址为36454H时，那么可能命中的Cache块号命中时的目录表项(3)组相联地址映像及变换--直接映像与全相联映像的折中*映像规那么：将Cache中块分组，每组为n个块(共G/n个组)，主存块i可映像到Cache的第j组(j=imodG/n)中的任意块。※n路组