计班计算机组成原理复习重点白中英版
白中英 第五版 计算机组成原理第5章.
用二进制码表示的指令和数据都放在内存里， 那么CPU是怎样识别出它们是数据还是指令呢?
从时间上来说:
▴ ▴
取指发生在指令周期的第一个CPU周期; 取数发生在后面几个CPU周期，即 “执行指令”阶段。
从空间上来说:
▴ 送指令寄存器IR —指令 ▴
送运算器 — 数据。
计算机组成原理
30
5.3
时序产生器和控制方式
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
计算机组成原理
执行指令阶段
16
LAD指令的指令周期——执行
play 计算机组成原理
17
5.2.4
ADD指令的指令周期
ADD R1, R2是一条RR指令
计算机组成原理
18
ADD指令的指令周期——执行
play
计算机组成原理
19
5.2.5
STO指令的指令周期
STO R2, (R3)是一条RS指令
5.4.1 微命令和微操作
▲ 微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出的各种
控制命令。
▲ 微操作：执行部件接受微命令后所进行的操作。 ▲ 微操作可分为相容性和相斥性两种。 在同时或同一个CPU周期 内可以并行执行的微操作 不能在同时或同一个CPU 周期内并行执行的微操作
7
计算机组成原理
5.1.4 操作控制器与时序产生器
数据通路： 是许多寄存器之间传送信息的通路。 操作控制器的功能 : 根据指令操作码和时序信号，产 生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路， 从而完成取指令和执行指令的控制。 根据设计方法不同，操作控制器可分为：
1.硬布线控制器 2.微程序控制器
；（R1）→R0 ；（6）→ R1
白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解复习答案
白中英《计算机组成原理》（第5版）笔记和课后习题详解完整版>精研学习网>无偿试用20％资料
全国547所院校视频及题库全收集
考研全套>视频资料>课后答案>往年真题>职称考试
第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
1.2课后习题详解
第2章运算方法和运算器
2.1复习笔记
2.2课后习题详解
第3章多层次的存储器
3.1复习笔记
3.2课后习题详解
第4章指令系统
4.1复习笔记
4.2课后习题详解
第5章中央处理器
5.1复习笔记
5.2课后习题详解
第6章总线系统
6.1复习笔记
6.2课后习题详解
第7章外存与I/O设备
7.1复习笔记
7.2课后习题详解
第8章输入输出系统
8.1复习笔记
8.2课后习题详解
第9章并行组织与结构
9.1复习笔记
9.2课后习题详解
第10章课程教学实验设计
第11章课程综合设计。
计算机组成原理本全白中英
22
１、定点数的表示
定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是 固定不变的。 由于约定在固定的位置，小数点就不再使用记号 “.”来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。 n+1位定点数表示： X0 X1 X2X3… Xi … Xn-2 Xn-1Xn 其中X0为符号位， X１… Xn为数值部分, Xi为０或１。
27
任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
28
浮点表示法：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， 这种把数的范围和精度分别表示的方法，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。 对于：101.1101（=0.1011101×20011） 只需存放0.1011101和0011即010111010011
7
第三节
计算机的硬件
一、数字计算机硬件的组成
硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。 计算机硬件由五大部分组成：即运算器、控制器、 存储器、输入设备、输出设备。 运算器 进行数据处理或信息加工（Ｐ８） 包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理 存储器 存放程序和数据（Ｐ９） 程序 是计算机进行各种操作和控制的依据 数据 是计算机进行操作的对象 计算机中存放的程序和数据都是二进制形式的
计算机系统具有层次性，它是由多级层次结 构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上 层是下层功能的扩展，下层是上层的基础； 层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相 互渗透的。
13
计算机组成原理(白中英)运算方法和运算器(精品)
25
2.1.1 数据格式——浮点数
浮点数：小数点位置可变，形如科学计数法中的数据表示。 浮点数格式定义： N= Re× M
M：尾数(mantissa) ，是一个纯小数，表示数据的全部有效数 位，决定着数值的精度；
R：基数(radix) ，可以取2、8、10、16，表示当前的数制；
微机中，一般默认为2，隐含表示。
+7 0111 1111
2020年10月15日星期四
21
原、补、移码的编码形式
正数： 原、补码的编码完全相同； 补码和移码的符号位相反，数值位相同；
负数： 原码： 符号位为1 数值部分与真值的绝对值相同 补码： 符号位为1 数值部分与原码各位相反，且末位加1 移码： 符号位与补码相反，数值位与补码相同
若运算结果超出了计算机所能表示的数值范围， 则只保留它的小于模的低n位的数值，超过n位的 高位部分就自动舍弃了。
2020年10月15日星期四
14
2、补码表示法——定义 xnxn-1xn-2……x1x0
定义： 定点小数： [x]补＝
x 2+x = 2 - |x|
1> x ≥0 （mod 2）
0≥x ≥ -1
2020年10月15日星期四
3
2.0 数据的类型（1/2）
按数制分：
十进制：在微机中直接运算困难；
二进制：占存储空间少，硬件上易于实现，易于运算；
十六进制：方便观察和使用；
二-十进制：4位二进制数表示1位十进制数，转换简单。 按数据格式分：
真值：没有经过编码的直观数据表示方式，其值可带正负号， 任何数制均可；
0
0000 0000 1000 0000
-000 0000 1000 0000 1111 1111
计算机组成原理(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
计算机组成原理第四章课件白中英版
操作码字段OC 地址码字段AC
计算机组成原理第四章课件白中英 版
地址码
操作码 操作码
操作码
操作码
A1 A2 A3 三地址指令
A1
A2 二地址指令
A
单地址指令
零地址指令
寄存器－存储器结构可以直接访问存储器，容 易对指令进行编码，生成的目标代码较小。但 其操作数类型不同，需同时对存储器和寄存器 进行编码，指令执行的时钟周期数也不尽相同
Pentium指令格式
Pentium机的指令字长度可变：从１字节到12 字节，还可以带前缀
非固定长度的指令格式是典型的CICS结构特征
3. 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可 分别指定16个）。两个操作数均在寄存器中， 所以是寄存器－寄存器型指令
4. 这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令
[例2] 分析指令格式的特点
15
9
OP
7
4
-------- 源寄存器
位移量(16位)
3
0
变址寄存器
1. 双字长二地址指令，用于访问存储器
2. 操作码字段OP为6位，可以指定64种操作
数据弹出堆栈操作pop存储器堆栈?使用主存部分空间作为堆栈区域寄存器堆栈串联堆栈?cpu内部以堆栈方式存取数据的一组寄存器wordstackpushpop计算机组成原理36451指令的分类数据传送指令?实现主存与寄存器之间寄存器与寄存器之间或立即数到寄存器和主存的数据传送算术运算指令?实现加减乘除等运算的指令逻辑运算指令?实现逻辑与或非异或以及移位等操作的指令程序控制转移指令?无条件转移指令有条件转移指令子程序调用和返回指输入输出指令?cpu与外设之间传送数据的指令计算机组成原理37452基本指令系统助记符指令功能ldamov传送pushadd加法sub减法inc助记符指令功能逻辑或rol循环左移ror循环右移jmp跳转jsr转子程序clahlt暂停计算机组成原理38453精简指令系统为了增强处理器的功能强化指令系统
计算机组成原理-白中英-第5版
80G硬盘
硬盘数据线
DVD光驱
机内电源插头
1.1 计算机的分类
如P2 图1.1
数字计算机
专用计算机
是针对某一任务设计的最有 效、最经济和最快速的计算
机，但适应性很差。
低
高
双核机
处理数字量信息
单片机 体积
分 类
按位运算，
不连续地跳动计算通用计算机
适应性很大，但
微型机 服务器
牺牲了效率、速
模拟计算机 度和经济性。
大型机
功能Biblioteka 简数据存储量 易指令系统
性
价格
处理模拟量信息
超级计算机 高
低
数值连续、运算过程连续
1.2 计算机的发展简史
1.2.1 计算机的五代变化
电子管 1946~1957年，第一代计算机
晶体管 1958~1964年 第二代计算机
摩尔定律
中小规模 集成电路
1965~1971年 1972~1990年
1991年~至今
用算盘模拟一下计算机 y=ax+b-c人 ---------- 控制器
行数
解题步骤和数据
说明
1
取数
（9）→算盘
2
乘法 （12）→算盘
针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）
MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。
针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）
其他的性能指标
主存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……
1.3 计算机的硬件
1.3.1 硬件的组成要素
纸 ---------- 存储器 算盘 ---------- 运算器 笔 ---------- 输入/输出设备
计算机组成原理重点整理(白中英版)_考试必备复习进程
1．若浮点数x的754标准存储格式为(41360000)16，求其浮点数的十进制数值。
解：将16进制数展开后，可得二制数格式为0 100 00010011 0110 0000 0000 0000 0000S 阶码(8位) 尾数(23位)指数e=阶码-127=10000010-01111111=00000011=(3)10包括隐藏位1的尾数1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1.011011于是有x=(-1)S×1.M×2e=+(1.011011)×23=+1011.011=(11.375)102. 将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式。
解:首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.59375=10100.10011然后移动小数点，使其在第1，2位之间10100.10011=1.010010011×24e=4于是得到：S=0, E=4+127=131, M=010010011最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：01000001101001001100000000000000=(41A4C000)163.假设由S,E,M三个域组成的一个32位二进制字所表示的非零规格化浮点数ｘ,真值表示为（非IEEE754标准）：ｘ＝(－1)s×(1.M)×2E－128问：它所表示的规格化的最大正数、最小正数、最大负数、最小负数是多少？(1)最大正数0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111ｘ＝[1＋(1－2-23)]×2127(2)最小正数000 000 000000 000 000 000 000 000 000 00ｘ＝1.0×2－128(3)最小负数111 111 111111 111 111 111 111 111 111 11ｘ＝－[1＋(1－2－23)]×2127精品文档100 000 000000 000 000 000 000 000 000 00ｘ＝－1.0×2－1284.用源码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算xXy。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
计算机组成原理课程总结&复习考试要点一、考试以讲授过的教材中的内容为主，归纳要点如下：第1章 -第2章计算机概念运算方法和运算器（一）学习目标1.了解计算机的分类和应用。
2.掌握计算机的软、硬件构成。
3.掌握计算机的层次结构。
3．掌握数的原码、反码、补码的表示方法。
4．掌握计算机中数据的定点表示和浮点表示方法，并熟练掌握各种表示方法下所能表示的数据的范围。
5．理解定点加法原理及其判断溢出的方法。
6．了解计算机定点乘法、除法的实现方法。
7．了解浮点加法，乘法，除法的实现方法。
8．理解ALU运算器的工作原理及其扩展方法。
（二）第1章学习内容第一节计算机的分类和应用要点：计算机的分类，计算机的应用。
第二节计算机的硬件和软件要点：了解计算机的硬件构成及各部分的功能；了解计算机的软件分类和发展演变。
第三节计算机系统的层次结构要点：了解计算机系统的层次结构。
（三）第2章学习内容第一节数据和文字的表示方法要点：△定点数的表示方法，及其在原码、反码和补码表示下的数值的范围；△○浮点数的表示方法及其不同表示格式下数据的表示范围；常见汉字和字符的几种表示方法；第二节定点加法、减法运算要点：△补码加、减法及其溢出的检测方法；二进制加法器和十进制加法器的逻辑构成。
第三节定点乘法运算要点：原码并行乘法原理；不带符号的阵列乘法器；补码并行乘法原理；○直接补码阵列乘法器。
第四节定点除法运算要点：理解原码除法原理以及并行除法器的构成原理。
第五节多功能算术/逻辑运算单元要点：△74181并行进位运算器；74182进位链；△○多位ALU的扩展。
第六节浮点运算运算和浮点运算器要点：了解浮点加/减；浮点乘/除原理。
浮点存储：。
解：将16进制数展开后，可得二制数格式为0 100 00010011 0110 0000 0000 0000 0000S 阶码(8位) 尾数(23位)包括隐藏位1的尾数1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1.011011于是有x=(-1)S×1.M×2e=+(1.011011)×23=+1011.011=(11.375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式。
2. 将数(20.59375)10解:首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：20.59375=10100.10011然后移动小数点，使其在第1，2位之间4e=4于是得到：最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：41A4C000)163.假设由S,E,M三个域组成的一个32位二进制字所表示的非零规格化浮点数ｘ,真值表示为（非IEEE754标准）：ｘ＝(－1)s×(1.M)×2E－128问：它所表示的规格化的最大正数、最小正数、最大负数、最小负数是多少？(1)最大正数0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111ｘ＝[1＋(1－2-23)]×2127(2)最小正数000 000 000000 000 000 000 000 000 000 00ｘ＝1.0×2－128(3)最小负数111 111 111111 111 111 111 111 111 111 11ｘ＝－[1＋(1－2－23)]×2127(4)最大负数100 000 000000 000 000 000 000 000 000 00ｘ＝－1.0×2－1284.用源码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算xXy。
（1）x=11000 y=11111 (2) x=-01011 y=11001（1）原码阵列x = 0.11011, y = -0.11111符号位: x0⊕y= 0⊕1 = 1[x]原 = 11011, [y]原= 11111[x*y]原= 1， 11 0100 0101带求补器的补码阵列[x]补 = 0 11011, [y]补 = 1 00001乘积符号位单独运算0⊕1＝1尾数部分算前求补输出│X│＝11011，│y│＝11111 (2) 原码阵列x = -0.11111, y = -0.11011符号位: x0⊕y= 1⊕1 = 0= 1 00101│＝11111，│y│＝11011-100*0.010110规格化处理: 0.101100 阶码 11010x+y= 0.101100*2-6规格化处理: 1.011111 阶码 11100x-y=-0.100001*2-46. 设过程段 Si 所需的时间为τi,缓冲寄存器的延时为τl,线性流水线的时钟周期定义为τ＝max{τi }＋τl＝τm＋τl流水线处理的频率为 f＝1/τ。
一个具有k 级过程段的流水线处理 n 个任务需要的时钟周期数为Tk＝k＋(n－1)，所需要的时间为： T＝Tk×τ而同时，顺序完成的时间为：T＝n×k×τk级线性流水线的加速比：*Ck = TL＝n·kTk k＋(n－1)第3章多层次存储器一、学习目标1．了解存储器的不同分类及其各自的特点。
2．理解SRAM和DRAM存储单元的构成及其存储原理。
3．掌握存储器的扩展及其与CPU的连接。
4．了解SRAM和DRAM的不同特点，掌握DRAM的刷新方法。
5．了解高性能主存储器、闪速存储器、高速存储器的特点和工作原理。
6．掌握CACHE存储器的基本原理及其地址映射过程。
二、学习内容第一节存储器概述要点：存储器的分类，存储器的分级结构。
第二节随机读写存储器要点：SRAM基本存储元的存储原理；△SRAM芯片的组成及其逻辑结构；△○SRAM的扩展；△○SRAM与CPU的连接；理解DRAM基本存储元的存储原理；△DRAM芯片的组成及其逻辑结构；△DRAM的刷新；了解EDRAM芯片的构成及工作原理；了解闪存的工作原理及其特点。
第三节只读存储器和闪速存储器要点：了解只读存储器的工作原理；了解闪存的工作原理及其特点。
第四节高速存储器要点：了解高速存储器的特点；了解双端口存储器的原理；了解多模块交叉存储器；相联存储器。
第五节 Cache存储器要点：了解Cache的功能；△○掌握主存Cache的地址映射：全相联方式、组相联方式和直接相联方式。
*闪存：高性能、低功耗、高可靠性以及移动性编程操作：实际上是写操作。
所有存储元的原始状态均处“1”状态，这是因为擦除操作时控制栅不加正电压。
编程操作的目的是为存储元的浮空栅补充电子，从而使存储元改写成“0”状态。
如果某存储元仍保持“1”状态，则控制栅就不加正电压。
如图(a)表示编程操作时存储元写0、写1的情况。
实际上编程时只写0，不写1，因为存储元擦除后原始状态全为1。
要写0，就是要在控制栅C上加正电压。
一旦存储元被编程，存储的数据可保持100年之久而无需外电源。
读取操作：控制栅加上正电压。
浮空栅上的负电荷量将决定是否可以开启MOS晶体管。
如果存储元原存1，可认为浮空栅不带负电，控制栅上的正电压足以开启晶体管。
如果存储元原存0，可认为浮空栅带负电，控制栅上的正电压不足以克服浮动栅上的负电量，晶体管不能开启导通。
当MOS 晶体管开启导通时，电源VD提供从漏极D到源极S的电流。
读出电路检测到有电流，表示存储元中存1，若读出电路检测到无电流，表示存储元中存0，如图(b)所示。
擦除操作：所有的存储元中浮空栅上的负电荷要全部泄放出去。
为此晶体管源极S加上正电压，这与编程操作正好相反，见图(c)所示。
源极S 上的正电压吸收浮空栅中的电子，从而使全部存储元变成1状态。
*cache：设存储器容量为32字，字长64位，模块数m=4，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。
存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期=50ns。
若连续读出4个字，问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少?解：顺序存储器和交叉存储器连续读出m=4个字的信息总量都是：q=64b×4=256b顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需的时间分别是：t2=mT=4×200ns=800ns=8×10-7st1=T+(m-1)=200ns+350ns=350ns=35×10-7s顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是：W2=q/t2=256b÷(8×10-7)s=320Mb/sW1=q/t1=256b÷(35×10-7)s=730Mb/s*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问时间。
解：h=Nc/（Nc+Nm）=1900/(1900+100)=0.95r=tm/tc=250ns/50ns=5e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)×0.95=83.3%ta=tc/e=50ns/0.833=60ns*存储器：已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用256K×16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：（1）每个模块板为1024K×64位，共需几个模块板？（2）个模块板内共有多少DRAM芯片?（3）主存共需多少DRAM芯片? CPU如何选择各模块板？(1)个模块64264*264*262026==(2)1616*2*264*281020=每个模块要16个DRAM芯片(3)64*16 = 1024块由高位地址选模块*用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。
(2) 设存储器读/写周期为0.5μS, CPU在1μS内至少要访问一次。
试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少？解：(1)根据题意，存储总容量为64KB，故地址总线需16位。
现使用16K*8位DRAM芯片，共需16片。
芯片本身地址线占14位，所以采用位并联与地址串联相结合的方法来组成整个存储器，其组成逻辑图如图所示，其中使用一片2：4译码器。
(2)根据已知条件，CPU在1us内至少访存一次，而整个存储器的平均读/写周期为0.5us，如果采用集中刷新，有64us的死时间，肯定不行如果采用分散刷新，则每1us只能访存一次，也不行所以采用异步式刷新方式。
假定16K*1位的DRAM芯片用128*128矩阵存储元构成，刷新时只对128行进行异步方式刷新，则刷新间隔为2ms/128 = 15.6us，可取刷新信号周期15us。
刷新一遍所用时间＝15us×128＝1.92ms第4章指令系统一、复习目标1．了解计算机指令系统的发展与性能要求。