计算机组成原理扫盲

考研
3.3k words

完整的计算机系统包含软硬件系统 1. 表示指令执行过程的描述中： IR -> CU (IR) -> CU 2. 可重定位目标文件？ 其中()强调IR中的数据本身，而不带()强调的时数据从IR到CU。 3. 速度提升50%后的速度是1.5倍

IPC=1CPI 5. 程序员可以通过jmp指令来设置程序跳转到需要执行的指令，这就是通过更改PC的值来完成的，因此PC对于程序员来说不透明而cpu中的其他寄存器对于程序员来说都是透明的 6. 计算机中的单位:K、M 、G、T、P、E、Z 7. 数据总线无处不在

相联存储器是什么 相联存储器也称关联存储器，是一种不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器，可以实现快速地查找块表。既可以按照地址寻址也可以按照内容寻址（通常是某些字段），为了与传统寄存器作区别，称为按内容寻址的存储器。 向相联存储器写入信息时按顺序写入，不需要地址。读出时，要求CPU给出一个相联关键字，用它和存储器中所有单元中的一部分信息进行比较，若它们相等，则将此单元中余下的信息读出。这是实现存储器并行操作的一种有效途径，特别适合于信息的检索和更新。

数据表示与运算

补码运算溢出判断

在补码表示法中，双符号位（也称为模4补码）是一种用于检测算术运算溢出的技术。它通过扩展符号位（最高位）到两位，从而更直观地判断运算结果是否发生了上溢（正溢出）或下溢（负溢出）。

双符号位扩展：将符号位扩展到两位（如 00 表示正数，11 表示负数），其余数值位不变。

假设用 4位数值位 + 2位符号位（共6位）表示补码，数值范围为： 正数范围：00 0000（0）到 00 1111（+15）。 负数范围：11 0000（-16）到 11 1111（-1）。

正数无溢出 

1
2
3
4
  00 0101  (+5)
+ 00 0011  (+3)
-----------
  00 1000  (+8)  → 符号位为00，无溢出。

上溢 

1
2
3
4
  00 1111  (+15)
+ 00 0001  (+1)
-----------
  01 0000  (试图表示+16，但超出范围)

下溢 

1
2
3
4
  11 0000  (-16)
+ 11 1111  (-1)
-----------
  10 1111  (试图表示-17，但超出范围)

负数无溢出 

1
2
3
4
  11 1011  (-5)
+ 11 1101  (-3)
-----------
  11 1000  (-8)  → 符号位为11，无溢出。

高级语言中的强制类型转换

强制类型转换不改变数字的机器码，只改变解释方式。其中数字的存储方式均为补码。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
unsigned short x = 65535;
short y = (short) x;

**长整型向短整型转换直接截取低位**

**短整型转换：**
1. 无符号数：零扩充
2. 有符号数：符号扩充

unsigned short x = 65535;
short y = (short) x;
unsigned long xL = (unsigned long) x;
long yL = (long) y;

// x = 65535
// x = 1111 1111 1111 1111
// xL = 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111

// y = - 1
// y = 1111 1111 1111 1111
// yL = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

代标志位的加法器

OF(OverFlow Flag) 溢出标志

溢出标志位是*最高位和次高位的进位异或的结果，常用于表示有符号加减运算是否溢出 OF=Cn⊕Cn−1

补码的运算存在两种溢出： 补码的溢出发生在以下两种情况：

1. 正溢出（上溢）：两个正数相加，结果超出表示范围，变成负数。

1
2
3
4
5
  (0)0111 (+7) 
+ 
  (0)0001 (+1) 
------------------
= (0)1000 (-8)

符号位从 0 变为 1，结果错误。 最高位的进位为0而次高位的进位为1

2. 负溢出（下溢）：两个负数相加，结果超出表示范围，变成正数。

1
2
3
4
5
  (0)1000 (-8) 
+ 
  (0)1000 (-8) 
------------------
= (1)0000 (+0)

符号位从 1 变为 0，结果错误。 最高位的进位为1而次高位的进位为0

3. 次高位和最高位进位相同

最高位进位 次高位进位 实例 结果
0 0 0010 + 0101 = (0)0111 结果为正数且没有超过正数的表达范围
1 1 1011 + 1101 = (1)1000 结果为负数且没有超过负数的表达范围

CF(Carry Flag) 借位/进位标志

CF=Cin⊕Cout

作用：

  1. 无符号数加法：当结果的最高有效位（MSB）产生进位时，CF=1。
  2. 无符号数减法：当被减数小于减数（需要借位）时，CF=1（相当于借位标志）。
  3. 移位/旋转指令：记录被移出的位（如左移时移出的最高位）。

无符号整数的进位很好理解，只要最高位进位为1就说明无符号数相加之和超出了n位能够表示的最大值即

1
2
3
4
  0000 0011 (3)
+ 1111 1011 (-5)
-------------
  1111 1110 (-2, 或 254 无符号)

SF(Sign Flag) 符号标志

SF=Fn−1

ZF(Zero Flag)

ZF位只用来检查是否所有位都为0，与具体使用什么码无关。 ZF=F0F2...Fn−1¯

补码数据计算

加法安装正常的二进制加法运算。 负数可以有如下表示： −Y=Y¯+1 以此思路，减法进行如下运算： X−Y=X+Y¯+1

无符号整数的乘法

有符号整数乘法

最低位 辅助位 操作
0 0 +0
0 1 +[补]
1 0 +[-补]
1 1 +0

无符号除法运算

存储系统

一些不太熟悉的概念

  1. 随机存储： 存取时间和存储位置无关
  2. 只读存储： 断电不丢失，某些类型也能重写。随机读取，写入比读出更慢。
  3. 直接存取(DAM)和顺序存取(SAM)： 直接存取先找区域再在小区域内顺序查找，顺序完全按照存储顺序找。
  4. 存取时间、存储周期： 
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    启动存取    存取完    下次存取
    --------------------------------->
     ^          ^         ^
     |          |         |
    t1          t2        y3
     |----------|---------|
        存取        恢复
     |-----存取周期--------|
  5. 主存带宽： 数据传输速率，表示每秒从主存进出的信息最大数量，单位B/s或者b/s
  6. cache的数据调动对所有程序员透明，主存和辅存的数据调动仅对应用程序员透明。
  7. 若题目没有明确说明，默认cache不命中的时间为访问cache 和 主存的时间之和。
  8. 存储器的刷新： 因为电容漏电补充电荷，刷新周期常取2ms
    1. 集中刷新：集中刷新期间(死区)不能访问主存
    2. 分散刷新：没有死区但存取时间翻倍
    3. 异步刷新：以行为单位刷新，一个刷新周期每行刷一次，死区更加分散，cup不会等待很长的时间。 刷新由内存单独完成，对CPU透明。DRAM刷新以行为单位。刷新类似于读，但又有所不同，刷新不需要选片，整个存储器中的芯片同时被刷新。
  9. 引脚复用：为了减少地址线的数量行数和列数要尽可能的接近即|r - c| 尽可能小且为了降低刷新开销，行数要较少
  10. (S)DRAM的缓冲容量：为一行
  11. ROM的类型：

  1. 主存储器：现代计算机常用字节编址，存储体内的一个地址有一个字节
  2. 多模块存储器：是一种空间并行技术常用单体多字或者多体低位交叉存储器
  3. 低位交叉编址：轮流启动方式，模块存取周期为T,总线周期为r则能最大发挥CPU和存储器性能的模块的数量为

连续存取m个字所需的时间为：t1 = T + (m − 1)r

  1. 存储器访存冲突：访问某个模块的时候这个模块还没有恢复
Comments