1、計算機組成與體系結構 復習,June 19,第1章 緒論,馮諾依曼計算機 存儲程序、程序控制。 按地址訪問并順序執(zhí)行指令： 將要處理的問題用指令編成程序，以二進制形式、以同等地位存放在存儲器中，并可按地址訪問。 在控制器的控制下，指令被逐條從存儲器中取出來執(zhí)行，產生控制流，在控制流的驅動下完成指令的功能。 計算機的基本組成：硬件、軟件,2,第2章 數據表示,數值數據 定點數 原碼, 補碼, 反碼, 移碼 表達數的范圍；零的表示。 原碼、補碼、反碼、移碼、真值 之間的轉換 引入補碼的目的；補碼的定義、性質 十進制數：BCD碼 浮點數 階碼范圍；尾數精度 IEEE754 標準 表達數的范圍 與真值

2、之間的轉換 非數值數據：英文字符 - ASCII碼 檢錯與糾錯碼：奇偶校驗,3,習題2.8、2.9,習題2.5,規(guī)格化浮點數,IEEE754格式,第3章 運算方法、運算器,定點數運算 加減：補碼二進制加 同號數相加、異號數相減：可能溢出 溢出的判斷（有符號數、無符號數） 乘法： 原碼：絕對值相乘，符號位單獨處理（異或） 補碼：布斯法 浮點數運算 溢出：上溢、下溢 浮點運算：階碼(加/減、比較)，尾數(加/減、乘、除) 浮點數加/減、乘、除運算 運算器： 算術邏輯單元、暫存器/寄存器、多路開關、總線 算術運算、邏輯運算,4,第4章 存儲系統(tǒng),指標：速度、容量、成本 主存 存放程序和數據 給定地址

3、范圍和芯片容量，求需要芯片的片數 按字編址，按字節(jié)編址 常用的半導體存儲器： SRAM、DRAM芯片，地址線、數據線數目與容量的關系 EPROM 雙端口存儲器 沖突 利用SRAM構成計算機系統(tǒng)的內存 字擴展 位擴展,5,第4章 存儲系統(tǒng),Cache： 引入目的 Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問周期 地址映射方式 全相聯 直接映射 組相聯 虛存 引入目的 地址映射、地址變換由誰負責 輔存 磁盤 磁記錄方式(NRZ, FM, MFM, PM)：自同步，效率,6,n路組相聯: 每組n塊,與Cache總容量有關,與主存總容量有關,第5章 指令系統(tǒng),數據的大端存儲、小端存儲 堆棧：壓棧、出棧操作 指令的典

4、型分類：數據傳送類、算術/邏輯運算類、輸入/輸出類、程序控制類 常用尋址方式： 隱含尋址 寄存器尋址、寄存器間接尋址、寄存器相對尋址 基址尋址、變址尋址 RISC的特點,7,第6章 控制器、CPU,CPU結構和微操作 CPU的組成： 運算器 控制器：取指令，譯碼，執(zhí)行(產生控制信號) 寄存器組/Cache 機器字長 通用寄存器位數 節(jié)拍周期(時鐘周期)、CPU周期(機器周期)、指令周期 硬布線控制器設計 給定某計算機系統(tǒng)的數據通路，寫微操作、微命令序列 微程序控制器設計 機器指令、微指令、微程序 硬布線、微程序 比較,8,第7章 流水線、指令級并行,流水線性能指標的計算。 流水線的相關及解決辦

5、法 結構相關：增加資源副本 數據相關：RAW、WAR、WAW直通技術，寄存器重命名，數據重定向；編譯 控制相關：分支預測，延遲轉移；編譯 指令級并行 超標量 超長指令字VLIW,9,第8章 輸入輸出系統(tǒng),幾種集中式總線仲裁方式的特點 鏈式查詢方式（菊花鏈） 計數器定時查詢方式（輪詢） 獨立請求方式 接口、適配器：數據緩沖、數據格式轉換，監(jiān)測，控制 程序查詢 中斷：在指令周期結束時響應 硬件需要保護的斷點 斷點/現場 保護在堆棧中 DMA：在總線周期結束時響應 周期挪用(竊取)方式 現代計算機 存儲器分時方式、停止CPU方式、擴展時鐘周期方式 通道 通道指令 通道程序 通道流量的計算,10,第9

6、章 并行體系結構,互連網絡（Interconnection Network，ICN）:由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網絡，用于實現計算機系統(tǒng)中部件之間、處理器之間、部件與處理器之間甚至計算機之間的相互連接。 多處理器系統(tǒng) 多計算機系統(tǒng),11,P46，習題2.8：機器字長為8位。,12,1000 0001,1111 1110,1111 1111,無法表示,無法表示,1.0000000,0000 0000,0000 0000,0000 0000,1.0000000,1.1111111,0000 0000,0.1011010,0.1011010,0.1011010,1.0000001,

7、1.1111110,1.1111111,P46，習題2.8：機器字長為8位。,13,無法表示,無法表示,無法表示,無法表示,無法表示,1000 0000,0111 1111,0111 1111,0111 1111,1111 1111,1000 0000,1000 0001,0101 1001,0101 1001,0101 1001,1010 0000,1101 1111,1110 0000,P47，習題2.9,機器字長8位，定點整數，寫出W、X、Y、Z的真值。,14,W補X原Y反 Z移00H W補X原Y反 Z移80H W補X原Y反 Z移FFH,0,+0,+0,-128,-128,-0,-127

8、,0,-1,-127,-0,+127,P46, 2.5,設x為定點小數，x補1. x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 ，最高位是符號位。 若要 x-1/2， x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 應滿足什么條件？ -1 x -1/2 1.0000000 x補 1.1000000 x6=0，x5x0任意 若要 -1/2x-1/4， x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 應滿足什么條件？ 1+1/2 x補 1+3/4 1000000 x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 1011111 x6=1，x5=0，x4x0任意,15,設x為定點小數，x反1. x6 x5 x4 x3 x2

9、 x1 x0 ，最高位是符號位。 若要 x- (2-1-2-7)， x6 x5 x4 x3 x2 x1 x0 應滿足什么條件？ 解： -1x-(2-1-2-7)， x反(2-2-7)+x，xx反-(2-2-7)， 2-2-7-1x反2-2-7-2-1+2-7， 1-2-7x反2-2-1， 0.1111111x反1.1000000， 1.0000000 x反1.0111111，x6=0，x5x0任意。,16,二、數據的定點與浮點表示 2. 浮點數表示,如果階碼的底為2，則規(guī)格化浮點數的尾數應滿足條件：1/2|M|1 當尾數用補碼表示時 若尾數M0，由于1/2補0.10000，尾數應具有格式：M0

10、.1xxxx當M0時，1/2補M補1補 若尾數M0，由于-1/2補1.10000，-1補1.0000，為了使計算機判斷方便，一般不把-1/2補列為規(guī)格化的數，而把-1補列為規(guī)格化的數，尾數應具有格式：M1.0 xxxx當M0時，-1補M補-1/2補,17,2）規(guī)格化的浮點數, 什么是規(guī)格化的浮點數？,二、數據的定點與浮點表示 2. 浮點數表示,左規(guī)：若采用變形補碼表示尾數，則當結果的尾數出現11.1xxxx或00.0 xxxx的形式時，需將尾數左移1位，階碼減1，直到尾數為規(guī)格化形式為止。 右規(guī)：當浮點運算結果的尾數出現01.xxxx或10.xxxx的形式時，并不一定溢出，應先將尾數右移1位，

11、階碼加1，然后判斷階碼是否溢出。,18,2）規(guī)格化的浮點數, 什么是規(guī)格化的浮點數？,二、數據的定點與浮點表示 3. IEEE 754 標準,19,（1）單精度格式,IEEE 754單精度浮點數格式,IEEE 754單精度格式位模式表示的值,二、數據的定點與浮點表示 3. IEEE 754 標準,20,IEEE 754 單精度格式二進制位與其對應的浮點數真值舉例,二、數據的定點與浮點表示 3. IEEE 754 標準,21,（2）雙精度格式,IEEE 754 雙精度浮點數格式,11bit,20bit,32bit,二、數據的定點與浮點表示 3. IEEE 754 標準,22,（2）雙精度格式,I

12、EEE 754 雙精度格式位模式表示的值,二、數據的定點與浮點表示 3. IEEE 754 標準,23,（2）雙精度格式,IEEE 754雙精度格式二進制位與其對應的浮點數真值舉例,3.20 用Booth法求乘積。,X 0.1101 X補 11.0011 -X補 00.1101 Y 0.0110 Y補 0.0110,24,符號,D,A,A-1,操作說明,00 0000,00110 0,(部分積),(乘數),00 0000,+0,00 0000,00011 0,右移1位,+-X補,00 1101,00 1101,00 0110,10001 1,右移1位,+0,00 0000,00 0011,01

13、000 1,右移1位,+X補,11 0011,11 0110,11 1011,00100 0,右移1位,+0,00 0000,11 1011,0010,不移位, XY補1.10110010,P8586,11 1101,10010,右移1位,.,3.3.1 加減運算 三、浮點運算實例,【例3.22】兩浮點數的和、差。 X0.1101012010；Y0.1010102001。 【解】 階碼4位，補碼表示；尾數8位，雙符號位補碼表示。兩數可表示為： X浮1110; 00.110101 Y浮1111; 11.010110 對階 尾數求和/差 規(guī)格化 舍入處理,25,3.3.1 加減運算 三、浮點運算實

14、例,X浮1110; 00.110101 Y浮1111; 11.010110 對階 求階差： E補EX補EY補111000011111 X的階碼比Y的階碼小。 X尾數右移一位，使兩者階碼相同。這時的X為： X浮1111; 00.011010(1),26,3.3.1 加減運算 三、浮點運算實例,X浮1111; 00.011010(1) Y浮 1111; 11.010110 尾數求和/差： 規(guī)格化,27,00.011010 11.010110 11.110000,00.011010 00.101010 01.000100,(1) (1),(1) (1),左規(guī)： 尾數左移2位，階碼減2， XY浮 11

15、01; 11.000010,右規(guī)： 尾數右移1位，階碼加1， XY浮 0000; 00.100010(01), 舍入處理：,舍,3.3.2 乘除運算 一、浮點乘法運算,設 X、Y、Z 為浮點數， XMx2Ex YMy2Ey ZXY(MxMy)2Ex+Ey 兩浮點數相乘之積的 階碼為兩乘數階碼之和 尾數為兩乘數尾數之積,28,0操作數檢查,結果規(guī)格化、舍入,階碼加,尾數乘,3.3.2 乘除運算 二、浮點除法運算,設 X、Y、Z 為浮點數， XMx2Ex YMy2Ey ZXY(MxMy)2Ex-Ey 兩浮點數相除，商的 階碼被除數的階碼除數的階碼 尾數被除數的尾數除數的尾數,29,0操作數檢查,結

16、果規(guī)格化、舍入,階碼減,尾數除,存儲器字擴展連接電路圖,C0000C1FFF,C2000C3FFF,C4000C5FFF,C6000C7FFF,30,31,內存位擴展連接,按字節(jié)編址， 地址范圍： 40000H407FFH,SRAM,假設某計算機系統(tǒng) 內存按字節(jié)編址，系統(tǒng)總線的數據總線為8位， 利用 2K4bit 的 SRAM，構成 2K8bit 內存。,4.2.1 隨機存儲器 二、主存儲器的組成及接口, 80386、80486 的內存接口 32位處理器。 地址信號：A2A31 存儲體選擇信號：BE0BE3（對應4個存儲體） 32位數據信號：D0D31,32,2. 內存構成 (4)80 x86

17、內存的連接,在80486系統(tǒng)中，利用4片容量為 128K8bit的SRAM芯片構成512 KB的內存，連接圖：,80486內存芯片連接圖,2,1,4,21400000H2147FFFFH,xxxxxxx0 xxxxxxx4 xxxxxxx8 xxxxxxxC,xxxxxxx1 xxxxxxx5 xxxxxxx9 xxxxxxxD,xxxxxxx2 xxxxxxx6 xxxxxxxA xxxxxxxE,xxxxxxx3 xxxxxxx7 xxxxxxxB xxxxxxxF,4.3.5 Cache性能分析,1. 加速比 Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問周期T：THTC(1H)TMTHTC(1H)(T

18、MTC)TC(1H)TM Cache的訪問周期為TC，主存的訪問周期為 TM ,數據塊裝入Cache的時間(包括替換開銷)為 TB ,Cache的命中率為 H。,34,4.5.1 磁表面存儲器一、磁表面存儲原理及記錄方式：3. 性能評價,35,1,數據序列,0,1,1,1,0,0,0,1,RZ,NRZ,NRZ1,FM,MFM,PM,歸零制,不歸零制,見“1”就變不歸零制,調頻制,改進調頻制,調相制,無自同步能力,無自同步能力,編碼 效率,100,100,50,100,50,編碼效率 位密度/最大磁化翻轉次數,5.2.1 存儲模式3. 堆棧（Stack）,堆棧的基本操作,36,壓棧操作后,POP

19、 R1,PUSH R1,彈出操作后,(SP)-1SP (R1)MSP,MSP(R1) (SP)+1SP,西電版，P177 習題5.20,說明下列指令執(zhí)行后R1 的值。R1為16位寄存器。 MOV R1,#1200H MOV R1,RB MOV R1,(1200H) MOV R1,(RB) MOV R1,1100H(RB) MOV R1,(RB)(RI) MOV R1,1100H(RB)(RI),37,1200H 0100H 4C2AH 3412H,4C2AH 7856H 65B7H,【解】 R1,（小端存儲）,（按字節(jié)編址）,5.5.2/3 CISC與RISC,RISC的特點： 指令系統(tǒng)簡單

20、指令條數少、格式少、長度固定、功能簡單 尋址方式少 采用硬布線控制邏輯（不用或少用微程序控制） Load/Store結構 只有LOAD和STORE指令可以訪問存儲器 寄存器多 寄存器窗口技術 十分重視提高流水線的執(zhí)行效率 大部分指令可以單周期執(zhí)行完成 延遲轉移技術 十分強調優(yōu)化編譯技術的作用,38,6.1.1 CPU的功能與結構,簡 化 的 單 總 線 結 構 的 CPU,39,圖6.2 單總線數據通路CPU內部結構圖,圖6.9 計算機系統(tǒng)模型,6.2 硬布線控制器設計,公操作取指周期,40,6.2 硬布線控制器設計,其他指令： （1）MOV R0, X,41,6.2 硬布線控制器設計,其他指

21、令： （3）ADD R1, R0,42,6.2 硬布線控制器設計,其他指令： （6）JZ offs,43,西電版P278/高教版P340，習題7.7,某CPU內有5級指令流水線，各級處理時間分別為10ns、5ns、5ns、10ns、5ns。 執(zhí)行1000條指令，流水線的吞吐率、加速比？ 改進流水線的性能，如何改造？改造后的吞吐率？,44,西電版P278/高教版P340，習題7.7, 執(zhí)行1000條指令，流水線的吞吐率、加速比？ 【解】 T1000(1)(1055105) ns100035000 ns； T1000(5)(1055105) ns(10001)10 ns 35 ns99910 ns 10025 ns；,45,西電版P278/高教版P340，習題7.7, 改進流水線的性能，如何改造？改造后的吞吐率？ 【解】細分瓶頸段 T1000(1)(5+5)+5+5+(5+5)+5 ns100035000 ns； T1000(7)(5+5)+5+5+(5+5)+5 ns(10001)5 ns 35 ns9995 ns 5030 ns；,46,西電版P278/高教版P340，習題7.7, 改進流水線的性能，如何改造？改造后的吞吐率？ 【解】重復設置瓶頸段 T1000(1)(1055105) ns100035000 ns； T1000(5)(1055105