<span>计算机组成原理</span>

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=0.10110110×24

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/逻辑运算单元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/逻辑运算单元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。