计算机组成原理考点总结

计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。

包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。

2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。

3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。

包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。

4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。

5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。

注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。

2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。

3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。

数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。

二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。

2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。

三、计算机的性能指标。

1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。

2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。

3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。

4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。

5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。

6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。

7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。

8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。

一.冯·诺依曼计算机的特点1945年，数学家冯诺依曼研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念1.计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成2.指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

3.指令和数据均用二进制数表示。

4.指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

5.指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

6.机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

二.计算机硬件框图1.冯诺依曼计算机是以运算器为中心的2.现代计算机转化为以存储器为中心各部件功能：1.运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。

2.存储器用来存放数据和程序。

3.控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果4.输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式（鼠标键盘）。

5.输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式（打印机显示屏）。

计算机五大子系统在控制器的统一指挥下，有条不紊地自动工作。

由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，两大不见往往集成在同一芯片上，合起来统称为中央处理器（CPU）。

把输入设备与输出设备简称为I/O设备。

现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器。

CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。

主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可以直接与CPU交换信息。

另一类称为辅助存储器，简称辅存，又称外村。

算术逻辑单元简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算。

控制单元用来解实存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。

ALU和CU是CPU的核心部件。

I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入输出操作。

计算机组成原理知识点汇总x《计算机组成原理知识点汇总》一、算术逻辑单元1、算术逻辑单元（ALU）的功能算术逻辑单元（ALU）是一个对存储在寄存器中的数据进行算术和逻辑操作的硬件单元，它执行CPU中算术逻辑操作的所有活动。

主要有：加减乘除运算以及位操作（AND，OR，NOT）等。

2、算术逻辑单元的组成算术逻辑单元（ALU）由控制单元（CU）、累加器（Accumulator）、比较器（comparator）、移位器（Shift）、全加器（Full-Adder）、多位加法器（Multiple Adders）、多位乘法器（Multiple Multipliers）、掩码器（Mask）、屏蔽器（Shifter）等组成。

3、算术逻辑单元的运算过程（1）算术运算：它包括加减乘除运算，算术运算主要是把操作数从输入总线传到累加器中，进行算术运算以后，将结果存放在累加器中，然后传输到输出总线上。

（2）位操作：它包括AND，OR，NOT，异或等，位操作是把操作数从输入总线传到屏蔽器中，通过屏蔽器进行位操作，将结果存放在累加器中，同样传输到输出总线上。

（3）比较：算术逻辑单元还可以进行比较运算，以及移位，比较运算是把两个操作数从输入总线传到比较器中，比较两个操作数的大小，将结果存放在标志位中，寄存器中存放比较结果。

二、指令周期1、指令周期的概念指令周期是指中央处理器（CPU）执行指令所需要完成的时间，也就是说，指令从被CPU读取到完成执行的时间段称为指令周期。

它也可以简单的理解为一条指令完成执行的时间。

2、指令周期的分类指令周期可以分为主周期和子周期两种，主周期是指一条指令完成执行所需的最少时间，而子周期是指每一步执行完成的时间。

3、指令周期的作用指令周期是指系统的处理速度，它是用来评价计算机的运行速度的重要指标。

在进行计算机系统设计时，可以根据指令周期调整处理器的结构，以提高计算机的处理速度。

408-计算机组成原理考点整理一.计算机系统概述1.发展历史●电子管●晶体管●中小规模集成电路●超大规模集成电路2.摩尔定理3.冯·诺伊曼结构特点●采用“存储程序”的工作方式，控制流驱动方式，按地址访问并顺序执行指令●计算机硬件系统由输入输出设备、存储器、运算器、控制器5大部件组成●指令和数据以同等地位存储●指令和数据均为二进制码●指令由操作码和地址码组成4.计算机功能部件●输入设备●输出设备●存储器●主存储器（内存储器）●按地址存取方式●组成●地址寄存器MAR●存放访存地址●位数对应存储单元个数●数据寄存器MDR●暂存要读写的信息●与存储字长相等●时序控制逻辑●产生存储器操作所需的各种时序信号●辅助存储器（外存储器）●运算器●核心●算术逻辑单元ALU●必备寄存器●累加器ACC●乘商寄存器MQ●操作数寄存器X●控制器●组成●控制单元CU Control Unit●程序计数器PC Program Counter●存放当前欲执行指令●指令寄存器IR Instrument Register●存放当前正在执行的指令5.C PU●ALU●通用寄存器组GPRs●标志寄存器●控制器●指令寄存器IR●程序计数器PC●存储器地址寄存器MAR●存储器数据寄存器MDR6.计算机软件●系统软件和应用软件●系统软件●基础软件●作为系统资源提供给用户使用●主要有●操作系统OS●数据库管理软件DBMS●语言处理程序●分布式软件系统●网络软件系统●标准库程序●服务性程序●应用软件●用户为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序、●三个级别的语言●机器语言●二进制代码语言●计算机唯一可以直接识别和执行的语言●汇编语言●助记符●高级语言●翻译程序●汇编程序●将汇编程序汇编成机器程序●解释程序●不生成目标语言代码，同声传译●编译程序●生成目标语言代码，笔译●软件和硬件的逻辑等价性●某一功能，既可用软件实现，又可用硬件实现7.层次结构●下层是上层的基础，上层是下层的扩展8.计算机的性能指标●机器字长、指令字长和存储字长●字长也称机器字长是计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数●指令字长是一个指令字中包含的二进制代码的位数●存储字长是一个存储单元存储的二进制代码的长度●字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高●数据通路带宽●数据总线一次所能并行传送信息的位数●主存容量●主存储器所能存储信息的最大容量●运算速度●吞吐量●响应时间●CPU时钟周期●主频●CPI●CPU执行时间●MIPS●MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS、EFLOPS、ZFLOPS●基准程序●对于不同的应用场景选择不同的基准程序●不一定准确9.系列机●基本特性：指令系统向后兼容10.兼容●计算机软件或硬件之间的通用性●向前兼容（Forward Compatibility）：指老的版本的软／硬件可以使用新版本的软／硬件产生的数据。

《计算机组成原理》总结完整版《计算机组成原理》学科复习总结★第⼀章计算机系统概论本章内容：本章主要讲述计算机系统的组成、计算机系统的分层结构、以及计算机的⼀些主要指标等需要掌握的内容：计算机软硬件的概念，计算机系统的层次结构、体系结构和计算机组成的概念、冯.诺依曼的主要思想及其特点、计算机的主要指标本章主要考点：概念1、当前的CPU由哪⼏部分组成？控制器、运算器、寄存器、cache (⾼速缓冲存储器)2、⼀个完整的计算机系统应包括哪些部分？配套的硬件设备和软件系统3、什么是计算机硬件、计算机软件？各由哪⼏部分组成？它们之间有何联系？计算机硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成。

主要包括运算器(ALU)、控制器(CU)、存储器、输⼊设备和输出设备五⼤组成部分。

软件是计算机程序及其相关⽂档的总称，主要包括系统软件、应⽤软件和⼀些⼯具软件。

软件是对硬件功能的完善与扩充，⼀部分软件⼜是以另⼀部分软件为基础的再扩充。

4、冯·诺依曼计算机的特点●计算机由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备五⼤部件组成●指令和数据以同等地位存于存储器内，可按地址寻访●指令和数据⽤⼆进制表⽰●指令由操作码和地址码组成，操作码⽤来表⽰操作的性质，地址码⽤来表⽰操作数在存储器中的位置●指令在存储器内按顺序存放●机器以运算器为中⼼，输⼊输出设备和存储器间的数据传送通过运算器完成5、计算机硬件的主要技术指标●机器字长：CPU ⼀次能处理数据的位数，通常与CPU 中的寄存器位数有关●存储容量：存储容量= 存储单元个数×存储字长；MAR（存储器地址寄存器）的位数反映存储单元的个数，MDR（存储器数据寄存器）反映存储字长主频吉普森法●运算速度MIPS 每秒执⾏百万条指令CPI 执⾏⼀条指令所需的时钟周期数FLOPS 每秒浮点运算次数◎第⼆章计算机的发展及应⽤本章内容：本章主要讲述计算机系统、微型计算机系统的发展过程以及应⽤。

1、硬件：输入输出设备，控制器，存储器，运算器。

2、计算机技术指标：机器字长、存储容量、运算速度。

3、多总线结构的原理：双总线结构特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线和I/O总线分开的结构。

三总线1由主存总线用于CPU与主存之间的传输，I/O总线供CPU与各类I/O 设备之间传递信息，DMA总线用于高速IO设备与主存之间直接交换信息，任意时刻只能用一种总线，主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取。

三总线2CPU与Cache之间构成局部总线，而且还直接连到系统总线上，cache可通过系统总线与主存传输信息，还有一条扩展总线可以连接IO设备。

四总线由局部总线，系统总线，告诉总线，扩展总线构成。

4、总线判优分为集中式和分布式两种，集中式分为链式查询、计数器定时查询、独立请求方式（排队器）5、总线通信控制的四种方式：同步通信，异步通信，半同步通信，分离式通信。

6、波特率是每秒传输的位数，比特率是每秒传输的有效数据位数（bps）7、存储器技术指标：存储速度，存储容量和位价。

8、存储器分为主存，闪存，辅存和缓存。

9、分层原因：1缓存-主存层解决CPU与主存速度不匹配问题；2主存-辅存层解决系统存储容量的问题。

10、主存的技术指标：存储容量，存储速度（存取时间和存取周期表示）。

11、存储器带宽的计算方法：如存取周期为500ns，每个存取周期可访问16位，则带宽为32M位/秒。

带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。

12、动态RAM的刷新方式：集中刷新（是在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读写操作‘死时间’）分散刷新（指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。

不存在死时间，整个系统速度降低）异步刷新（前两种方式的结合，即可缩短死时间，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点）。

13、动态RAM集成度远高于静态RAM；动态RAM行列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少；动态RAM功耗比静态RAM小；动态RAM的价格比静态RAM便宜；由于使用动态元件，因此速度比静态RAM低；动态RAM需要再生，需配置再生电路，也需要消耗一部分功率。

计算机组成原理知识点总结1.计算机系统结构：计算机系统由硬件和软件两个部分组成。

硬件包括中央处理器（CPU）、内存、存储、输入输出设备等；软件包括系统软件和应用软件。

计算机的基本组成包括控制器、运算器、存储器和输入输出设备。

2.布尔代数和逻辑运算：布尔代数是一种逻辑运算的数学体系，计算机的工作原理是基于逻辑运算的。

布尔代数的基本运算有与、或、非、与非等。

逻辑电路是基于这些布尔运算的组合与设计电路，并且逻辑门是构成逻辑电路的基本元件，包括与门、或门和非门等。

3. 数据表示和编码方式：计算机内部使用二进制表示和存储数据。

十进制数可以转换为二进制数，通过位于和非显示十进制数。

计算机采用不同的编码方式来表示字符和数据，例如ASCII码、Unicode等。

4.计算机中的算术运算：计算机进行算术运算包括加法、减法、乘法和除法等。

算术运算是通过逻辑运算和位操作实现的，例如加法器、乘法器和除法器。

5.存储器层次结构：存储器是计算机中用于存储和访问数据的设备。

存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等。

存储器的访问速度和容量呈反比，存储器层次结构的设计目标是在速度和容量之间找到一个平衡点。

6.输入输出设备：计算机通过输入输出设备与外部世界交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

输入输出设备通过中断机制和设备控制器实现与CPU的数据交换。

7.中央处理器：中央处理器是计算机的核心，执行指令并控制计算机的运行和运算。

中央处理器由控制器和运算器组成，控制器负责解释和执行指令，运算器负责算术和逻辑运算。

8.指令的执行过程：计算机按照程序顺序依次执行指令，指令的执行过程包括取指令、解码、执行和访存。

指令集架构是计算机硬件和软件交互的接口。

9.总线和IO结构：总线是计算机内部各个部件之间传输数据和信号的通道，包括地址总线、数据总线和控制总线。

IO结构包括存储器映射IO和端口映射IO两种方式。

10.中断和异常处理：计算机中断是指暂停当前程序的执行，转而执行其他程序或处理异常情况。

第一章概述1、什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统——计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。

计算机硬件——计算机的物理实体。

计算机软件——计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要5、冯·诺依曼计算机的特点是什么？解：冯氏计算机的特点是：P9·由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；·指令和数据以同一形式（二进制形式）存于存储器中；·指令由操作码、地址码两大部分组成；·指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；·以运算器为中心（原始冯氏机）。

7、解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。

解：P10 主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；主存——计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；存储单元——可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位；存储元件——存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取；存储字——一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位；存储字长——一个存储单元所存二进制代码的位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；指令字长——一条指令的二进制代码位数；8、解释下列英文缩写的中文含义：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：CPU——Central Processing Unit，中央处理机（器），见7题；PC——Program Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器；IR——Instruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器；CU——Control Unit，控制单元（部件），控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件；ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件；ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器；MQR——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

考研：计算机组成原理考点总结●1 计算机系统和概述●历程●硬件●电子管●晶体管●集成电路●大规模集成电路●摩尔定律●软件●系列机体系结构相同●兼容机器语言兼容●可移植性●固件●结构●硬件●冯诺依曼计算机●同时存储数据和程序●五大部件●输入●输出●存储器●寄存器●通用●专用●mar●mdr●pc●ir●psw●cache●主存●辅存●运算器●算术逻辑单元●寄存器●acc●mq乘商●x操作数●ix变址寄存器●br基址寄存器●控制器●ir●pc●cu●信息存储相同解释不同●指令组成●软件●软件功能●系统软件●os●dbms●应用软件●语言●机器语言(可以被硬件直接执行)●汇编语言●汇编器●高级语言●编译器●解释器●软硬件逻辑功能一致性●层次结构●高级语言虚拟机●汇编语言虚拟机●操作系统虚拟机●机器语言●微程序机器●性能指标●名词●字长●数据通路带宽●空间●时间●吞吐量●处理请求数量ps●响应时间●总时间●主频和CPU时钟周期 T=1/f●CPI●执行一条指令所需的时钟周期数●CPU执行时间●时间=(指令条数xCPI)/主频●MIPS=指令条数/(执行时间x10⁶)=主频/CPI●MFLOPS每秒执行多少百万次浮点运算●基准程序●2 数据的表示和运算●数制与编码●进位及转换●计算机中一切数据都用二进制表示●表示简单●逻辑真假对应●规则简单●数制●二进制●十进制●八进制●十六进制●数制转换●B2O3位转●B2H4位转●X2D权相加●D2X整数：除基取余法小数：乘积取整法●值的编码●各种码制及其关系●原码：用机器数的最高位表示数的符号，其余各位表示数的绝对值。

（计算麻烦）●反码：正数正常表示，负数各位取反●补码：反码末位加1●优势●0的补码唯一●多表示一个数●运算简单●模4补码（双符号位小数）●与真值转换●大于等于0，相等●小于0，逐位取反，末位加一●移码：真值加偏置值●Bias的值●Bias = 2^{k-1}-1，IN IEEE 754●Bias = 2^{k-1}时，移码等于补码的符号位取反●全0最小，全1最大●BCD码：2->10的快速转换●8421●余3●2421●码制的关系●补码、移码在数轴不对称●原码，反码在数轴对称（有2个0）●负数的反码补码越靠近0真值越大●值的表示●整数：定点数●U整数：原码●S整数：补码●小数：IEEE 754 浮点数●阶码：移码●尾数：原码●不考虑字长整数可以精确表示，浮点数不可以精确表示●数的运算●加减运算●运算部件●一位全加器●输出●进位：C_{out} = A_iB_i+ (A_i\oplus B_i)C_i●值：S_n=C_{i}\oplus A_i\oplus B_i（奇数校验）●图●串行进位加法器●把n个全加器相连可得到n位加法器●逻辑图●信号逐级形成，速度慢●并行进位加法器●原理：每个C_i形成条件在最初均已经获得->先行进位●空间换时间●一般采用四位并行●并行加法器的串联与并联●标志位●ZF=\neg(S_{n-1}+...+S_0)0标志，判断结果是否为0●OF=C_{out}\oplus C_{n-1}溢出标志，判断有符号数的结果是否溢出●CF=C_{out}\oplus C_{in}进位标志，判断无符号数是否溢出●SF=S_{n-1}符号标志●补码的加减运算●公式●[A+B]_补=([A]_补+[B]_补)mod\space 2^{n}●[A-B]_补=([A]_补+[-B]_补)mod\space 2^{n}●规则●符号位参与运算●高位截断●电路●减法时作用于取反器与加法器的C0达到求B的补码的效果（减法->加法）●溢出判别●正数相加小于0，负数相加大于0●单符号位：(A_sB_s)\oplus S_s●双符号位：S_{s1}\oplus S_{s2}●标志位：OF●原码的加减运算●加法直接相加●减法取反相加●高位截断●溢出看CF●乘法运算●原码一位乘法●过程●绝对值参与运算，符号位结果为A_{s}\oplus B_{s}●乘数MQ，ACC置空，Cn置为字长值●为1累加，为0不操作●逻辑右移●LOOP●电路●C寄存进位（采用带进位的右移）●Cn存储字长为处置●MQ最低位送至控制器，判断是否加●补码一位乘法（Booth算法）●原理●[x\times y]_补=[x]_补\times (-b_{w-1}\times 2^{w-1}+\sum\limits^{n-2}\limits_{i=0}b_i\times 2^i)●=[x]补\times[2^{n-1}\times(b_{n-2}-b_{n-1})+2^{n-2}\times(b_{n-3}-b_{n-2})+...+2^{0}\times(b_{-1}-b_{0})+b_{-1}]●=[x]补\times[\sum\limits^{n-1}\limits_{i=0}2^{i}\times(b_{i-1}-b_{i})+b_{-1}]●=[x]补\times\sum\limits^{n-1}\limits_{i=0}2^{i}\times(b_{i-1}-b_{i})\space\space (let\space b_{-1}=0)●规则●双符号位，符号参与运算●末位加一位初值为0●根据b_{i-1}-b_i判断●-1加[-x]_补●1加[x]_补●0不变●算数右移●n次移位，最后移位完成再运算一遍●电路●无需C进行右移（符号位参与运算）●除法运算●原码除法●符号Q_s=x_s\oplus y_s●商的值|Q|=|X|/|Y|●恢复余数●步骤●默认商1，小于0则加回来●左移●LOOP●不恢复余数●原理●商多加A，左移，减A\Rightarrow (+A)\times 2-A=+A●商完与除数为负，商0，左移加除数●步骤●余数正商1，左移，减除数●余数负商0，左移，加除数●n次后商0，恢复余数●补码除法●规则●符号参与运算，除数、被除数、商、余数均用补码●除数被除数同号则减，异号则加●余数除数同号上1，左移减除数●余数除数异号上0，右移加除数●LOOP●末尾置1●电路●移位运算●算术移位（针对有符号数）●逻辑移位（无符号数）●循环移位●带进位位●不带进位位●浮点数表示和运算●浮点数表示●V = (−1)^s × M × r^E（r是基数，E是阶码，M称为尾数）●规格化●有效位越多，精度越高●尾数最高位为有效值●IEEE 754●V = (−1)^s × M × 2^E●类型●单精度●1+8+23●双精度●1+11+52●Bias=2^{k-1}-1●E=2^{exp}-Bias●三种类型●Case 1 Normalized Values●Exp is neither all zeros (numeric value 0) nor all ones●E = e − Bias, Bias = 2^{k-1}-1●The significand is defined to be M = 1+ f●M is in the range 1≤M<2● An implied leading 1 representation, getting an additional bit of precision for free●Case 2 Denormalized Values●exponent field is all zeros●E = 1− Bias●M = f●WHY?●Provide a way to represent numeric value 0●+0.0 has a bit pattern of all zeros●when the sign bit is 1, but the other fields are all zeros, we get the value −0.0●Represent numbers that are very close to 0.0●gradual underflow in which possible numeric values are spaced evenly near 0.0.●Case 3: Special Values●the exponent field is all ones●∞ : When the fraction field is all zeros●Overflow●NaN : When the fraction field is nonzero●Result cannot be given as a real number or as infinity● Representing uninitialized data●运算●加减●向大数对阶（损失精度更小）●尾数加减●规格化●舍入●Round-to-even(default mode)●The least significant digit of the result is even●Attempts to find a closest match●It will round upward about 50% of the time and round downward about 50% of thetime.●Round-toward-zero●Positive numbers downward and negative numbers upward●Round-down（截断）●Round-up●溢出判断●右规，exp全1●左规，exp全0●数据存储与转换●数据存储●按“边界对齐”方式存储●一次访存取出●空白填充●空间换时间●数据排列IEEE 754已规范，不影响●Little endian●least significant byte to most●Big endian●from most to least●0x01234567 in Machine●数据转换●C中转换情况●most numbers are signed by default●情况●标明转换●隐含转换●U和S运算均转换到U●同样字长整数转换--- Based on a bit-level perspective●The numeric values might change, But the bit patterns do not●T2U●Conversion from two’s complement to unsigned●Conversion from two’s complement to unsigned.●U2T●Unsigned to two’s-complement conversion●Conv ersion from unsigned to two’s complement●整数向大整数数转换●To convert an unsigned number to a larger data type ------ simply add leading zeros to therepresentation●To convert two’s-complement number to a larger data type------ perform a sign extension●Examples of sign extension●The proof of Expansion of a two’s-complement number by sign extension (by 1 bit)●When converting from short to unsigned, the program first changes the size and then the type.●整数向小整数转换●bit位截断●Truncation of an unsigned number●Truncation of a two’s-complement number●整数与浮点数的转换● int to float●the number cannot overflow●but it may be rounded●int or float to double● exact numeric value can be preserved (because double has both greater range)●greater precision can be preserved● double to float●the value can overflow to +∞ or −∞, since the range is smaller.●Otherwise, it may be rounded, because the precision is smaller.●float or double to int●value may be rounded toward zero●the value may overflow●Intel-compatible microprocessors designate the bit pattern [10 ... 00] (TMin_w forword size w)as an integer indefinite value.●3 存储系统●存储技术●SRAM●双稳态触发器●速度最快●易失性（断电后）●集成度低●Cache、Register File●DRAM●电容●速度快●易失性（2ms）●刷新●分类●集中刷新●固定时间一起刷新，有死区●分散刷新●读完刷新，没有死区，但降低了速度●异步刷新●缩短了死区，提高了效率，可在无请求时刷新●特点●透明●行刷新●破坏性读出●结构●存储体●二维阵列（引脚复用---时间换空间）●控制信号●译码器●片选控制●访存控制●读写控制●Memory●ROM●MROM●直接写入●PROM●一次可编程●EPROM●可擦除可编程●Flash闪存存储器●固态硬盘#ssd●页为单位读写●重写需要擦除整块 ------ 读比写快●随机访问●磁盘驱动器（磁盘）#disk●直接存取存储器●组成●磁盘●扇面●磁道●扇区●柱面●（不同盘面同一磁道）●性能指标●记录密度●磁盘容量●平均存取时间●寻道时间●平均旋转延迟（1/2TMAX）●传输时间●数据传输率●单位时间传输字节数●阵列●RAID0●无校验●无冗余●RAID1●镜像●海明纠错码●RAID2●RAID3●位交叉奇偶校验●RAID4●块交叉奇偶校验●RAID5●无独立校验阵列●光盘●串行读写●性能指标●容量●成本●速度●存取时间●启动存储器至完成操作时间●存取周期●存取时间+恢复时间●带宽●单位时间传输信息量●层次结构●原理●良好的程序符合局部性原理●高层充当下一层的高速缓存●层次●主存●存储技术：DRAM●编址方式●字节编址●容量及速度扩展●容量扩展●位扩展●无需片选●地址线相同●数据线不同●字节扩展●低位地址线相同●高位地址线做片选信号●字位扩展●多模块存储体●单体多字●一个存储单元放多字，速度提高●顺序存取●多体并行●高位交叉编址●顺序存取●地址空间增加，速度不变●低位交叉编址●交叉存放，并行读写●地址空间增加，速度提高●片选信号●线选●译码片选●主存选择与连接●与CPU有直连通道●数据总线●地址总线●决定访存空间●控制总线●读写●片选●选择芯片●ROM存放系统程序、标准子程序●RAM存放用户数据、代码●芯片尽量简化连线●地址线选择低位相连，高位译码●数据线连接●位扩展相连●片选线连接●访存●读写●高位地址线●Cache●存储技术：SRAM●组成●块（传送单元）●组●组中行●映射方式●直接映射●每个组一行●过程●组选择●标志位匹配及有效位检查●字选择●特点●简单●冲突大●组相联●每个组若干行●过程●组选择●每一行同时匹配及有效位检查●字选择●特点●增加硬件成本●冲突降低●全相联●只有一个组●过程●每一行的标志位匹配及有效位检查●字选择●特点●冲突最低●速度最快●硬件价格最高●适用●TLB●数据查找●分类●Miss->Memory●同步，Hit后取消访存●基本过程●组选择●行匹配●字选择●缓存不命中●分类●冷缓存●冲突不命中（放置策略）●容量不命中（容量大小）●替换算法●随机●FIFO●LRU（多维护位1位）●命中：低的加一●不命中有空闲，全体加一●不命中无空闲，最大出，全体加一●抖动●不断加载驱逐相同组●填充解决●写策略●写命中●写直达●写回（多修改位一位）●维护修改位●适用传送时间长●写不命中●非写分配●写分配●分配Cache空间，进Cache写，一般与写回搭配●系统中的Cache●分级Cache●数据、指令Cache●辅存●磁盘存储器#disk●固态硬盘 #ssd●映射关系●Cache—主存（速度）●虚拟存储器------主存—磁盘（容量、进程管理、空间保护）●段式虚拟存储器●页式虚拟存储器●段页式虚拟存储器●用户程序->虚拟地址（段）●用户●过程●段基址（USER）●段首址（SEGMENT）->段虚拟地址●段虚拟地址首地址+段内偏移->虚拟地址●虚拟地址->物理地址（页）●操作系统及硬件●页表●页命中（硬件）●地址翻译●缺页（OS+硬件）●磁盘调页●地址翻译●TLB（快表）●全相联●多级页表●思想●一级空表项无需创建二级页表●主存只需保存一级页表，二级页表随进程调入调出●前表项是后表基址，各个表比较标志位，直至找到物理页号●步骤●接收虚拟地址●MMU生成PTE请求●查询TLB●查询主存中多级页表●页面已加载？●已加载●读取PTE地址●MMU生成PA●未加载●触发异常●寻找牺牲页，若已修改则写回●调入新页面，更新内存●返回原先进程，重新执行指令●4 指令系统●指令系统●所有指令的集合●位于软硬件交界面●指令格式●组成●操作码●操作、功能●识别指令，了解指令功能与组成●地址码●被操作信息●分类●零地址指令●一地址指令●二地址指令●三地址指令●四地址指令●长度●与操作码与地址码长度有关，与机器字长无直接联系●分类●定长操作码●速度快●简化硬件，控制简单●变长操作码●有限字长，丰富功能●扩展操作码●操作码的位数随地址减少而增加●一，二，三地址可以组合●指令种类●数据传送●数据运算●转移●输入输出●寻址方式●指令寻址●顺序●跳跃●PC relative●They encode the difference between the address of the target instruction and the address ofthe instruction immediately following the jump●Give an “absolute” address●数据寻址●类型●隐含寻址●缩短字长●增加硬件●立即数寻址●位数限制●直接寻址●位数限制●间接寻址●扩大寻址范围●多次访存●寄存器寻址●寄存器直接寻址●快●寄存器数目少●寄存器间接寻址●快●访存●相对寻址（PC）●They encode the difference between the address of the target instruction and theaddress of the instruction immediately following the jump●基址寻址●面向操作系统●R中值不可修改●有利于多道程序设计，可用于编制浮动程序●变址寻址●面向用户●R中值可修改●主要用于处理数组问题●基址变址寻址●[BP]+[DI]+disp●比较●汇编指令●寄存器●格式●AT&T●movl $2, 8(%edx, %eax, 3)●Intel●mov long ptr [ebx+eax*3+8], 2●常用指令●数据传输●mov●lea●push●pop●数据运算●add/sub●cmp●inc/dec●mul/imul●div/idiv●被除数隐含在edx:eax●余数edx●and/or/Xor●text●not●neg●shl/shr●转移●jmp●jxx●call/ret●调用过程●存寄存器，存参数●call●存寄存器●。