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1、首都经济贸易大学首都经济贸易大学 计算机原理与汇编语言计算机原理与汇编语言 200 2009 9级级1期末考试l考试形式考试形式闭卷笔试，闭卷笔试，1 12 20 0分钟分钟l考试题型考试题型单项选择题：单项选择题：1 1分分/个个1010个个1010分分填空题：填空题：2 2分分/个个1010个个2 20 0分分计算题：计算题：5 5分分/个个44个个2020分分简答题：简答题：4 4分分/个个4 4个个1616分分程序分析题：程序分析题：4 4分分/个个4 4个个1616分分 应用题：应用题：9 9分分/个个22个个1818分分l成绩计算成绩计算考试成绩考试成绩70%+70%+平时成绩平时
2、成绩30%30%组成原理复习考试电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把，是把指令指令以代码的形式事先以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同的同一装置存储执行运算的命令，这些指令一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成按一定的规则组成程序程序v“程序控制程序控制”，是当计算机启动后，程序就，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务自动完成预定的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的
3、设计思想诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行组成原理复习考试v冯冯诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想v采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；地址码组成；v将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是这就是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”（简称存储程（简称存储程序控制）的概念；序控制）的概念；v指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中指令
4、的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。v计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了备五大基本部件组成，规定了5 5部分的基本功能部分的基本功能组成原理复习考试软件与硬件的逻辑等价性v随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了v任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成v对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周
5、期等软件的特点软件的特点 易于实现各种逻辑和运算功能，但是常易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是难可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。组成原理复习考试系统结构、组成与实现v计算机系统结构计算机系统结构(Computerarchitecture）计算机系统的软件与硬件的界面指令系统计算机系统的软件与硬件的界面指令系统程序员所看到的计算机属性外特性程序员所看到的计算机属性外特性v计算机组成计算机
6、组成(Computerorganization）组织）组织计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现v计算机实现计算机实现(Computerimplementation）计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现v计计算算机机系系统统的的结结构构，组组成成，实实现现是是三三个个完完全全不不同同的的概概念念，相相互互间间有有着着十十分分密密切切的的依依赖赖关关系系和和相相互互的的影影响响。广广义义的的计计算算机机系系统统结结构构即即包包括括经经典典的的指指令令集集结结构，也包括计算机组成和实现技术的研究构，也包括计算机组成和实现技术的研究组成原理复习考试真值和机器数v真值真值：现实中真实的数
7、值：现实中真实的数值v机器数机器数：计算机中用：计算机中用0和和1数码组合表达的数值数码组合表达的数值v定点数定点数：固定小数点的位置表达数值的机器数：固定小数点的位置表达数值的机器数定点整数：将小数点固定在机器数的最右侧表达的整数定点整数：将小数点固定在机器数的最右侧表达的整数定点小数：将小数点固定在机器数的最左侧表达的小数定点小数：将小数点固定在机器数的最左侧表达的小数v浮点数浮点数：小数点浮动表达的实数：小数点浮动表达的实数v无符号数无符号数：只表达：只表达0和正整数的定点整数和正整数的定点整数v有符号数有符号数：表达负整数、：表达负整数、0和正整数的定点整数和正整数的定点整数符号位需要
8、占用一个位，常用机器数的最高位符号位需要占用一个位，常用机器数的最高位0表示正数、表示正数、1表示负数表示负数具有具有原码原码、反码反码、补码补码、移码移码（移移码码表表示示法法主主要要用用于于表表示示浮浮点点数数的的阶阶码码E，以以利利于于比比较较两两个个指指数数的的大大小小和和对对阶操作。阶操作。）组成原理复习考试数的机器码表示v正数的原码、反码、补码等于真值，只有负数才分别有不同的表示方法v采用补码，减法运算可以用加法运算实现，节省硬件，目前机器中广泛采用补码表示法v有些机器用原码进行存储和传送，运算时改用补码v有些机器做加减法时用补码，做乘除法时用原码v移码表示法主要用于表示浮点数的阶
9、码，可以直接比较大小。表示范围和补码相同，只有最高位相反组成原理复习考试定点数的表示方法n定点表示定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是固约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。通常将数据表示成定不变的。通常将数据表示成纯小数纯小数或或纯整数纯整数n定点数定点数xx0 x1x2xn在定点机中表示如下在定点机中表示如下(x0表示表示符号位，符号位，0代表正号，代表正号，1代表负号代表负号)定点整数的小数点位置定点小数的小数点位置组成原理复习考试定点整数的表示范围v纯整数的表示范围为(x1x2xn各位均为0时最小；各位均为1时最大)0|2n-11v例如：n9，最大值编码：0（1），1111
10、1111表示：111111111000000001281v目前计算机中多采用定点纯整数表示，因此将定点数表示的运算简称为整数运算组成原理复习考试定点小数的表示范围v纯小数的表示范围为(x1x2xn各位均为0时最小；各位均为1时最大)0|12-（n-1）v例如，n9，最大值编码：0.11111111表示：0.111111111.00.000000011-2-8浮点数的表示方法n把一个数的有效数字和数的范围在计算机的把一个数的有效数字和数的范围在计算机的一个存储单元中分别予以表示一个存储单元中分别予以表示n数的小数点位置随比例因子的不同而在一定数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内自由浮动范
11、围内自由浮动 n一个一个十十进制数进制数可以写成可以写成 10en一个一个进制数进制数可以写成可以写成 eM尾数尾数 e指数指数R基数基数数的科学表达法数的科学表达法32位单精度浮点数：含阶符的阶码，：含阶符的阶码，8 位位阶码采用阶码采用移码方式移码方式来表示来表示正负指数正负指数：1位位符符号号位位0表示正数表示正数1表示负数表示负数：尾数，：尾数，23位小位小数表示，小数点放数表示，小数点放在尾数域最前面在尾数域最前面IEEE 754标准标准浮点数的规格化浮点数的规格化例：例：156.78=15.678101=1.5678102=0.15678103=REM对于二进制数对于二进制数101
12、1.1101=0.10111101 2+4=10.111101 2+2=1.0111101 2+3 （规格化表示法规格化表示法）=1.0111101 2+11（规格化表示法规格化表示法）=REM那么，计算机中究竟采用哪种数据形式？那么，计算机中究竟采用哪种数据形式？多种数据形式多种数据形式二进制数二进制数n尾数最高有效位为尾数最高有效位为1，隐藏，并且隐藏在小数，隐藏，并且隐藏在小数点的左边点的左边n32位单精度浮点数规格化表示位单精度浮点数规格化表示(-1)s(1.)2E-127e127（e127）指数真值指数真值e 用偏移码形式表示为阶码用偏移码形式表示为阶码规格化表示原则规格化表示原则I
13、EEE 754标准标准 X(-1)s1.M2e(1.011011)231011.011(11.375)10 指数指数e阶码阶码127 1000 00100111111100000011=(3)10 包括隐藏位包括隐藏位1的尾数的尾数1.M1.011011例1：浮点机器数(41360000)16，求真值 十六进制数展开成二进制数十六进制数展开成二进制数0 100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000S阶码阶码E(8位位)尾数尾数M(23位位)例例2：真值：真值20.59375，求，求32位单精度浮点数位单精度浮点数 分别将整数和分数部分转换成二进制数分别将整数和分
14、数部分转换成二进制数 20.5937510100.10011 移动小数点，使其在第移动小数点，使其在第1、2位之间位之间10100.100111.01001001124e4S0E4+12713110000011M010010011 得到得到32位浮点数的二进制存储格式为：位浮点数的二进制存储格式为：0 100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000(41A4C000)16例例3：已知：已知 X=0.11011011*2010，Y=-0.10101100*2100；用双符号补码来表示浮点数的尾数和阶码用双符号补码来表示浮点数的尾数和阶码 X浮浮=00 010，00.
15、11011011 Y浮浮=00 100，11.01010100 对对阶阶 E补补=E x 补补-E y 补补=E x 补补+-E y 补补=00 010+11 100=11 110 Ey补补=00100;-Ey补补=11100 即即 E=-2，Mx右移两位，右移两位，Mx补补=00 00110110（11）E b 补补=E y 补补=00 100保留位保留位 X浮浮=00 100，00.00110110 尾数加法尾数加法 M b补补=M x补补+M y补补00 00110110 11+11 0101010011 10001010 11 因此因此Mb补补=11 10001010 11保留位保留位
16、 尾数规格化尾数规格化 尾数没有溢出，但符号位与最高数值位有尾数没有溢出，但符号位与最高数值位有K=1位相同，位相同，需左规：需左规：M b补补左移左移K=1位：位：M b 补补=11 00010101 1 E b补补减减1：E b补补=00 011 舍入处理舍入处理 采用采用0舍舍1入法，根据负数补码舍入规则，执行入法，根据负数补码舍入规则，执行舍入操作。舍入操作。1100010101+1=1100010110 得：得：M b 补补=11 00010110 阶码溢出判断阶码溢出判断 阶码无溢出，阶码无溢出，X+Y正常结束，得：正常结束，得：X+Y 浮浮=00 011，11.00010110
17、即即X+Y=-0.11101010*2011总结：总结：当两数加减运算后尾数结果为当两数加减运算后尾数结果为00.0XXX00.0XXXX X或或11.1X11.1XX X时，进行左规（尾数左移）。左规可能时，进行左规（尾数左移）。左规可能需要进行多次，尾数每左移需要进行多次，尾数每左移1 1位，阶码相应减位，阶码相应减1 1，直至规格化。直至规格化。当两数加减运算后尾数结果为当两数加减运算后尾数结果为10.XXX10.XXXX X或或01.X01.XX X时，进行右规（尾数右移）。右规只需要时，进行右规（尾数右移）。右规只需要进行进行1 1次，尾数每右移次，尾数每右移1 1位，阶码相应加位，
18、阶码相应加1 1。规格化的规则：尾数的舍入处理尾数的舍入处理 对结果尾数进行舍入处理方法对结果尾数进行舍入处理方法 0舍舍1入法入法 保留位中的最高位为保留位中的最高位为1时，就在尾数末尾加时，就在尾数末尾加1；恒置恒置1法法 不论保留位为何值，尾数的有效最低位恒置不论保留位为何值，尾数的有效最低位恒置1。保留位中的最高位为保留位中的最高位为0时，舍去所有的保留位；时，舍去所有的保留位；这种方法的最大误差为这种方法的最大误差为 2-(n+1)，n为有效尾数位数。为有效尾数位数。恒置恒置1法产生的最大误差为法产生的最大误差为 2-n，n为有效尾数位数。为有效尾数位数。无论保留位的值是多少，都舍去
19、。无论保留位的值是多少，都舍去。恒舍法恒舍法 称为趋向零舍入称为趋向零舍入(Round toward zero)。尾数的结果就取其有效的尾数的结果就取其有效的n位的值。位的值。校验码校验码n校验码校验码：能够发现甚至纠正信息传输或存储过：能够发现甚至纠正信息传输或存储过程中出现错误的编码程中出现错误的编码n检错码：仅能检测出错误的编码检错码：仅能检测出错误的编码n纠错码：能够发现并纠正错误的编码纠错码：能够发现并纠正错误的编码n最简单且应用广泛的检错码：最简单且应用广泛的检错码：奇偶校验码奇偶校验码l奇校验奇校验：使包括校验位在内的数据中为：使包括校验位在内的数据中为“1”的个的个数恒为奇数数
20、恒为奇数l偶校验偶校验：使包括校验位在内的数据中为：使包括校验位在内的数据中为“1”的个数的个数恒为偶数恒为偶数l只能检测出奇数个位出错的情况，不能纠错只能检测出奇数个位出错的情况，不能纠错溢出概念与检验方法u两个正数相加两个正数相加,结果为负（即：结果为负（即：大于机器大于机器所能表示的最大正数所能表示的最大正数）,称为称为上溢上溢。u两个负数相加两个负数相加,结果为正（即：结果为正（即：小于机器小于机器所能表示的最小负数所能表示的最小负数),),称为称为下溢下溢。u运算出现溢出，结果就是错误的运算出现溢出，结果就是错误的进一步结论进一步结论：当最高有效位产生进位而符号位无进位时当最高有效位
21、产生进位而符号位无进位时,产生产生上溢上溢；当最高有效位无进位而符号位有进位时当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生产生下溢下溢。产生产生“溢出溢出”的原因的原因：分析可知，当最高有效数值位的运算分析可知，当最高有效数值位的运算进位进位与符号位与符号位的运算的运算进位进位不一致时，将产生运算不一致时，将产生运算“溢出溢出”“溢出溢出”检测方法：检测方法：为了判断为了判断“溢出溢出”是否发生是否发生,可采用可采用两种两种检测的方法。检测的方法。第一种方法第一种方法：采用采用双符号位双符号位法法,称为称为“变形补码变形补码”或或“模模4 4补码补码”,可使模可使模2 2补码所能表示的数的范围扩大
22、一补码所能表示的数的范围扩大一倍倍第二种溢出检测方法第二种溢出检测方法：采用采用“单符号位法单符号位法”。当最高有效位产生进位而符号位无进位时当最高有效位产生进位而符号位无进位时,产生产生上溢上溢；当最高有效位无进位而符号位有进位时当最高有效位无进位而符号位有进位时,产生产生下溢下溢。故：故：溢出逻辑表达式为溢出逻辑表达式为：V VC Cf fC Co o其中其中:C Cf f为符号位产生的进位为符号位产生的进位,C,Co o为最高有效位产生为最高有效位产生的的进位。（显然：此逻辑关系可用异或门方便地实现）进位。（显然：此逻辑关系可用异或门方便地实现）在定点机中，当运算结果发生溢出时在定点机中
23、，当运算结果发生溢出时,机器通过逻机器通过逻辑电路自动检查出溢出故障辑电路自动检查出溢出故障,并进行中断处理。并进行中断处理。常用双符号位方法来判别加、减法运算是否常用双符号位方法来判别加、减法运算是否有溢出，正数的双符号位是有溢出，正数的双符号位是00，负数的双，负数的双符号位是符号位是11。两个正数双符号位的运算为两个正数双符号位的运算为00时，结果不溢出；时，结果不溢出；两个正数双符号位的运算为两个正数双符号位的运算为01时，结果上溢。时，结果上溢。两个负数的双符号位运算为两个负数的双符号位运算为11时，结果不溢出；时，结果不溢出；两个负数的双符号位的运算为两个负数的双符号位的运算为10
24、时，结果下溢。时，结果下溢。采用模采用模4补码运算，其运算结果的补码运算，其运算结果的两个符号位不一致两个符号位不一致时，产生溢出。时，产生溢出。书中例题和作业题 例例 已知已知 X原原=01101,Y原原=01011,z1z8=1101*1011的计算采用上述乘法流程，实现的计算采用上述乘法流程，实现的具体过程如下：的具体过程如下：若若 X*Y原原=z0z1z8 则则 z0=0 0=0 C P Y 说明说明 0 0000 1011 开始，设开始，设P0=0 +1101 y4=1，+X 0 1101 C,P 和和Y同时右移一位同时右移一位 0 0110 1 101 得得P1 +1101 y3=
25、1，+X 1 0011 C,P 和和Y同时右移一位同时右移一位 0 1001 11 10 得得P2 y2=0，不作加法，不作加法 C,P 和和Y同时右移一位同时右移一位 0 0100 111 1 得得P3 +1101 y1=1，+X 1 0001 C,P 和和Y同时右移一位同时右移一位 0 1000 1111 得得P4 z1z8=10001111 X*Y原原=z0z1z8=010001111 0 0110 1 101 得得P1 补码一位乘法运算规则：补码一位乘法运算规则：乘数最低位增加一辅助位乘数最低位增加一辅助位yn+1=0；判断判断yn-i yn-i+1的值，决定是的值，决定是“+X”或或
26、“-X”，或仅右，或仅右移一位，得部分积；移一位，得部分积；00 11 不加不减，右移一位不加不减，右移一位 10 加加-X补补，右移一位右移一位 01 加加X补补，右移一位右移一位 重复第重复第步，直到最高位参加操作步，直到最高位参加操作(y1-y0)*X，但不，但不作移位，结果得作移位，结果得X*Y补补。例例3：已知已知 X补补=01101,Y补补=10110，则则-X补补=10011。用布斯乘法计算用布斯乘法计算X*Y补补的过程如下的过程如下 P Y yn+1 说明说明 00 0000 10110 0 开始，设开始，设y5=0，P0补补=0 y4 y5=00，P、Y同时右移一位同时右移一
27、位 00 0000 0 1011 0 得得P1补补+11 0011 y3 y4=10，+-X补补 11 0011 P、Y同时右移一位同时右移一位 11 1001 10 101 1 得得P2补补 y2 y3=11，P、Y同时右移一位同时右移一位 11 1100 110 10 1 得得P3补补 11 1100 110 10 1 得得P3补补+00 1101 y1y2=01，+X补补 00 1001 P、Y同时右移一位同时右移一位 00 0100 1110 1 0 得得P4补补+11 0011 y0 y1=10，+-X补补 11 0111 1110 1 最后一次不右移最后一次不右移 因此，因此，X*
28、Y补补=101111110 布斯乘法的算法过程为布斯乘法的算法过程为n+1次的次的“判断判断加减加减右移右移”的循环，判断的次数为的循环，判断的次数为n+1次，右移的次数为次，右移的次数为n次。次。在布斯乘法中，遇到连续的在布斯乘法中，遇到连续的“1”或连续的或连续的“0”时，时，是跳过加法运算，直接实现右移操作的，运算效率高。是跳过加法运算，直接实现右移操作的，运算效率高。3.1.1 存储器分类半导体存储器：用半导体器件组成的存储器广泛使用的广泛使用的SRAM和和DRAM都是半导体随机读写存储器。前都是半导体随机读写存储器。前者的速度比后者快，但集成度不如后者高。者的速度比后者快，但集成度不
29、如后者高。磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器 按存储介质分 按存储方式分按存储方式分 随随机机存存储储器器：任任何何存存储储单单元元的的内内容容都都能能被被随随机机存存取取，且存取时间和存储单元的物理位置无关且存取时间和存储单元的物理位置无关顺序存储器顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关储单元的物理位置有关 按存储器的读写功能分：ROM，RAM 按信息的可保存性分：非永久记忆，永久记忆 按在计算机系统中的作用分：主存、辅存、高速缓存、控制存储器存储器是计算机系统中的记忆设备,它主要用来存放数据和程序。首都经济贸易大学首都经济贸
30、易大学 计算机原理与汇编语言计算机原理与汇编语言 200 2009 9级级343.1.3 主存储器的技术指标l存储容量存储容量主存存储容量：以字节主存存储容量：以字节B B（ByteByte）为基本单位）为基本单位半导体存储器芯片：以位半导体存储器芯片：以位b b（BitBit）为基本单位）为基本单位存储容量以存储容量以2 2101010241024规律表达规律表达KBKB，MBMB，GBGB和和TBTB厂商常以厂商常以10103 310001000规律表达规律表达KBKB，MBMB，GBGB和和TBTBl存取时间（访问时间）存取时间（访问时间）发出读发出读/写命令到数据传输操作完成所经历的时
31、间写命令到数据传输操作完成所经历的时间l存取周期存取周期两次存储器访问所允许的最小时间间隔两次存储器访问所允许的最小时间间隔存取周期大于等于存取时间存取周期大于等于存取时间l存储器带宽（数据传输速率）存储器带宽（数据传输速率）单位时间里存储器所存取的信息量单位时间里存储器所存取的信息量组成原理复习考试 CPUCPU对对存存储储器器进进行行读读/写写操操作作，首首先先由由地地址址总总线线给给出出地地址址信信号号，然然后后要要对对存存储储器器发发出出读读操操作作或或写写操操作作的的控控制制信信号号，最最后后在在数数据据总总线线上上进进行行信信息息交交流流。所所以以，存储器与存储器与CPUCPU之间
32、，要完成之间，要完成:地址线的连接；地址线的连接；数据线的连接；数据线的连接；控制线的连接。控制线的连接。存存储储器器芯芯片片的的容容量量是是有有限限的的,为为了了满满足足实实际际存存储储器器的容量要求，需要对存储器进行扩展。的容量要求，需要对存储器进行扩展。存储器与CPU连接 组成原理复习考试8K18K1位扩展组成的位扩展组成的8K8K88 RAM RAM 8 7 6 5 4 3 2 8k1 中央中央处理器处理器 CPU A0 A12 D0 :D7位扩展法位扩展法：只加长每个存储单元的字长，：只加长每个存储单元的字长，而不增加存储单元的数量而不增加存储单元的数量组成原理复习考试 A15 A1
33、4CPU A0 A13 A13 WE D0D7 2:4译码器译码器 CECE16K8WE CE16K8WE CE16K8WEWE CE16K8WE16K816K8字扩展法组成字扩展法组成64K64K88 RAM RAM11100100字扩展法字扩展法：仅增加存储单元的数量，而各：仅增加存储单元的数量，而各单元的位数不变单元的位数不变组成原理复习考试字位同时扩展：字位同时扩展：21142114存储芯片存储芯片1K1K4 4扩展成扩展成2K2K8 8存储器存储器 D4-D7 D3-D0 A0 A1 A9 WE CPU A10 2114CS R/W 2114CS R/W 2114CS R/W 211
34、4CS R/W 字字位位同同时时扩扩展展法法：既既增增加加存存储储单单元元的的数数量量，也也加长各单元的位数加长各单元的位数组成原理复习考试字位扩展法字位扩展法字位扩展法字位扩展法题：用题：用题：用题：用16k816k8位的位的位的位的SRAMSRAM芯片构成芯片构成芯片构成芯片构成64K1664K16位的存储器，要求画出该存储器位的存储器，要求画出该存储器位的存储器，要求画出该存储器位的存储器，要求画出该存储器的组成逻辑框图。的组成逻辑框图。的组成逻辑框图。的组成逻辑框图。解：存储器容量为解：存储器容量为解：存储器容量为解：存储器容量为64K1664K16位，其地址线为位，其地址线为位，其地
35、址线为位，其地址线为1616位（位（位（位（A A1515AA0 0），数据线也是），数据线也是），数据线也是），数据线也是1616位（位（位（位（D D1515DD0 0），），），），SRAMSRAM芯片容量为芯片容量为芯片容量为芯片容量为16K816K8位，其地址线为位，其地址线为位，其地址线为位，其地址线为1414位（位（位（位（A A1313A A0 0），数据线为，数据线为，数据线为，数据线为8 8位（位（位（位（D D7 7DD0 0），因此组成存储器时须字位同时扩展。，因此组成存储器时须字位同时扩展。，因此组成存储器时须字位同时扩展。，因此组成存储器时须字位同时扩展。芯片数芯片
36、数芯片数芯片数=（64K1664K16）/（16K816K8）=42=42A A1515A A1414A A1313.A.A0 0000.0000.000.00.001.1001.1010.0010.0 01.01.011.1011.1100.0100.0 10.10.101.1101.1110.0110.0 11.11.111.1111.1D D1515DD88D D7 7.D.D0 0 低低低低8 8位位位位高高高高8 8位位位位片片片片1 1片片片片2 2片片片片3 3片片片片4 4A A1515A A14140000片片片片1 10101片片片片2 21010片片片片3 31111片片
37、片片4 4译码方案译码方案译码方案译码方案组成原理复习考试组成原理复习考试v刷新周期刷新周期从从上上次次对对整整个个存存储储器器刷刷新新结结束束时时刻刻，到到本本次次对对整个存储器完成全部刷新一遍为止的时间间隔整个存储器完成全部刷新一遍为止的时间间隔一般为一般为2ms2ms，4ms4ms或或8ms8msv刷新方式（书刷新方式（书101101页习题页习题3 3（2 2）集中式集中式分散式分散式异步式异步式刷新方式刷新方式组成原理复习考试3.4高速存储器高速存储器3.4.1 双端口存储器（空间并行）同一个存储器具有两组相互独立的读写控制线路,提供了两个相互独立的端口，都可以对存储器中任何位置上的数
38、据进行独立的存取操作3.4.2 多体交叉存储器（时间并行）每个模块各自以等同的方式与CPU传送信息。连续地址分布在相邻的模块，对连续字的成块传送可以重叠进行实现流水线并行存取3.4.3 相联存储器 按内容寻址的存储器 把存储单元所存内容的某一部分作为检索项，去检索该存储器，并对存储器中与该检索项符合的存储单元内容进行读出或写入组成原理复习考试3.5Cache存储器Cache:asafeplaceforhidingorstoringthings.v在相对容量较大而速度较慢的主存与高速处理器之间设置的少量但快速的存储器v主要目的：提高存储器速度；解决CPU和主存之间的速度匹配问题v为追求高速，包括
39、管理在内的全部功能由硬件实现组成原理复习考试Cache的读操作v高速命中(Hit)：微处理器读取主存的内容已包含在Cache中，可以直接读取Cache，不用访问主存从从CPU接收地址接收地址RAY（命中（命中hit）N（失效（失效miss）开始开始Cache中含中含RA？从从Cache读读RA的字送的字送CPU从主存读含从主存读含RA的块的块向向CPU传送传送RA的字的字向向Cache传送含传送含RA的主存块的主存块结束结束l高速失效(Miss)、缺失、未命中：微处理器读取主存的内容不在Cache中，需要访问主存读取一个数据块组成原理复习考试Cache的工作原理1、Cache以块为单位进行操作
40、2、当CPU发出访内操作请求后，首先由Cache控制器判断当前请求的字是否在Cache中，若在，叫命中，否则，不命中3、若命中：若是“读”请求，则直接对Cache读，与主存无关若是“写”请求：vCache单元与主存单元同时写（Writethrough写）v只更新Cache单元并加标记，移出时修改主存（写回Copyback）v只写入主存，并在Cache中加标记，下次从MM读出，保证正确。4、未命中时：若是“读”请求，则从主存读出所需字送CPU，且把含该字的一块送Cache，称“装入通过”，若Cache已满，置换算法；若是“写”请求，直接写入主存。组成原理复习考试Cache的命中率v命中率（Hit
41、Rate）：高速命中的概率h=NcNc+Nmcache/主存系统的平均访问时间ta：ta=htc+(1-h)tmtc命中时的cache访问时间tm未命中时的主存访问时间h命中率Nccache完成存取的总次数Nm主存完成存取的总次数组成原理复习考试设r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率tce=ta=tchtc+(1-h)tm1h+(1-h)r=1r+(1-r)hCache的访问效率e组成原理复习考试【例5】CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，已知cache存取周期为50ns，主存存取周期为250ns，求cache/主存系统的效率和平均访
42、问时间。【解】h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)0.95)=83.3%ta=tc/e=50ns/0.833=60ns 或者，ta=htc+(1-h)tm=60ns组成原理复习考试3.5.2主存与Cache的地址映射vCache通通过过地地址址映映射射(mapping)的的方方法法确确定定主主存存块块与与Cache行行之之间间的的对对应应关关系系，确确定定一一个个主主存存块块应该存放到哪个应该存放到哪个Cache行中行中v全相联映射全相联映射(fullyassociati
43、vemapping)可以将一个主存块存储到任意一个可以将一个主存块存储到任意一个Cache行行v直接映直接映射射(directmapping)将一个主存块存储到唯一的一个将一个主存块存储到唯一的一个Cache行行v组相联映组相联映射射(setassociativemapping)可可以以将将一一个个主主存存块块存存储储到到唯唯一一的的一一个个Cache组组中中任意一个行任意一个行组成原理复习考试全相联映射v优点：命中率较高，优点：命中率较高，Cache的存储空间利用率高的存储空间利用率高v缺点：线路复杂，成本高，速度低缺点：线路复杂，成本高，速度低组成原理复习考试直接映射v优点：硬件简单，容易
44、实现优点：硬件简单，容易实现v缺点：命中率低，缺点：命中率低，Cache的存储空间利用率低的存储空间利用率低组成原理复习考试组相联映射v组间采用直接映射，组内为全相联组间采用直接映射，组内为全相联v硬件较简单，速度较快，命中率较高硬件较简单，速度较快，命中率较高组成原理复习考试3.5.3替换策略v替换问题替换问题新主存块要进入新主存块要进入Cache，决定替换哪个原主存块，决定替换哪个原主存块直接映射，只能替换唯一的一个直接映射，只能替换唯一的一个Cache行行全相联和组相联，需要选择替换策略（算法）全相联和组相联，需要选择替换策略（算法）1.最不常用最不常用(LFU:least-freque
45、ntlyused)替换使用次数最少的块替换使用次数最少的块2.最近最少使用法最近最少使用法(LRU:least-recentlyused)本本指指替替换换近近期期最最少少使使用用的的块块，实实际际实实现现的的是是替替换换最最久久没有被使用的块没有被使用的块3.随机法随机法(random)随意选择被替换的块，不依赖以前的使用情况随意选择被替换的块，不依赖以前的使用情况组成原理复习考试3.6虚拟存储器虚拟存储器v虚拟存储器：在主存-外存层次间借助于磁盘辅助存储器实现由系统软件和辅助硬件管理以透明方式提供给用户一个比实际主存空间大得多的程序地址空间v作用：扩大主存容量，提高辅存访问速度，有效管理存储
46、系统虚拟虚拟：利用其他部件实现的本来不存在的事物或属性：利用其他部件实现的本来不存在的事物或属性透明透明：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在组成原理复习考试3.6.1虚拟存储器的基本概念虚拟存储器的基本概念v物理地址（实地址）：（对应主存物理空间）由CPU地址引脚送出，用于访问主存的地址v虚拟地址（虚地址）：（对应主存逻辑空间）由编译程序生成的，是程序的逻辑地址vCPU理解虚拟地址，并将其转换成物理地址v主存-外存层次的基本信息传送单位段：按程序逻辑划分为可变长的块，称为段页：机械地划分为大小相同的块，称为页面段页：程序按模块分段，段内分
47、页组成原理复习考试v段式管理：把主存按段分配的存储管理方式优点：段的界线分明，段易于编译、管理、修改和保护，便于多道程序共享缺点：段的长度各不相同，主存空间分配麻烦v页式管理：以定长页面进行存储管理的方式优点：页的起点和终点地址固定,方便造页表,新页调入主存也很容易掌握，比段式空间浪费小缺点：处理、保护和共享都不及段式来得方便v段页式管理：分段和分页相结合的存储管理方式优点：综合段式和页式管理方式的特点缺点：需要多次查表过程虚拟存储器的管理虚拟存储器的管理组成原理复习考试3.7存储保护多个程序同时存在于存储器中，系统需要提供多个程序同时存在于存储器中，系统需要提供存存储保护，储保护，通常采用两
48、种方法：通常采用两种方法：存储区域保护：存储区域保护：界限保护界限保护页表和段表保护页表和段表保护键式保护键式保护环状保护环状保护访问方式保护：访问方式保护：设置访问权限：读设置访问权限：读R、写、写W、执行、执行E的组合的组合特权保护特权保护计算机组成原理计算机组成原理复习复习与考试与考试4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求l指令系统决定了计算机的基本功能，指令系统的设计是计算机系统设计的指令系统决定了计算机的基本功能，指令系统的设计是计算机系统设计的一个核心问题。它不仅与计算机的硬件设计紧密相关，而且直接影响到系一个核心问题。它不仅与计算机的硬件设计紧密相关，而且直接影响
49、到系统软件设计的难易程度。统软件设计的难易程度。l完善的计算机的指令系统应具备：完善的计算机的指令系统应具备：1 1、完备性：完备性：一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性。备性。2 2、有效性：有效性：指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。3 3、规整性：规整性：指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。指令操作的对
50、称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。（1 1）对称性：在指令系统中，所有寄存器和存储单元都可同等对待，这对）对称性：在指令系统中，所有寄存器和存储单元都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。（2 2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。（3 3）指令的格式与数据格式的一致性：指令长度与数据长度有一定关系，）指令的格式与数据格式的一致性：指令长度与数据长度有一定关系，以方便存取和处理。以方便存取和处理。4 4、兼容性：兼容性：兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本