计算机组成原理期末复习
1 . 概要
四代计算机
第⼀代：电⼦管计算机
第⼆代：晶体管计算机
第三代：中⼩规模集成电路计算机
第四代：超⼤规模集成电路计算机
冯诺依曼计算机特点及组成部件
组成部件：运算器，控制器，存储器，输⼊设备，输出设备
特点：
指令和数据以同等位存储在存储器中，可按地址寻访。采⽤⼆进制编码数据
将程序和数据统⼀表⽰
指令由操作码和地址码组成。
指令在存储器内按顺序存放，计算机具有顺序指令的处理能⼒。
早期的冯诺依曼机以运算器为中⼼。
CPU性能公式
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-rA4YmH6J-1629254130545) (C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210507113221174.png)]
性能 = 1 / 执⾏时间
CPU执⾏时间：简称CPU时间，执⾏某⼀任务在CPU上所花费的时间。
⽤户CPU时间：CPU执⾏⽤户程序花费的时间。
系统CPU时间：操作系统为⽤户服务花费的CPU时间。
CPU时钟周期：处理器时钟的⼀个周期的时间。是CPU中最⼩的时间单位，是主频的倒数。（单位：秒）
主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率。频率越⾼，执⾏指令速度越快。（单位：Hz）
CPU时钟周期 = 1 / 主频 1Hz表⽰每秒执⾏1次
CPI：执⾏⼀条指令所需的时钟周期数。
CPU执⾏时间 = CPU时钟周期数 / 主频 = （指令条数 * CPI） / 主频
CPU执⾏时间 = CPU时钟周期数 * CPU时钟周期 = （指令条数 * CPI） / 时钟频率
CPU执⾏时间取决于：①主频（时钟频率）②每条指令执⾏所⽤的时钟周期数（CPI）③指令条数
MIPS：每秒执⾏多少百万条指令
106
MIPS = 指令条数/指令时间 / = 主频 / CPI
2.指令
CISC 和 RISC
CISC：复杂指令指令集。 X86
RISC：精简指令指令集。 ARM和MIPS
CISC的指令能⼒强，单多数指令使⽤率低却增加了CPU的复杂度，指令是可变长格式；RISC的指令⼤部分为单周期指令，指令长度固定，操作寄存器，只有Load/Store操作内存
CISC⽀持多种寻址⽅式；RISC⽀持⽅式少
CISC通过微程序控制技术实现；RISC增加了通⽤寄存器，硬布线逻辑控制为主，是和采⽤流⽔线
CISC的研制周期长
RISC优化编译，有效⽀持⾼级语⾔
MIPS指令格式
指令字：完整的⼀条指令的⼆进制表⽰
指令字长：指令字中⼆进制代码的位数
指令格式：指令字中的操作码和操作数地址的⼆进制位的分配⽅案。
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操作码：指明本条指令的操作功能，每条指令有⼀个确定的操作码
操作数地址：说明操作数存放的地址，有时是操作数本⾝
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-APYGKOH2-1629254130557)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210605115837519.png)]
op：指令的基本操作，通常为操作码
rs：第⼀个源操作数的寄存器
rt：第⼆个源操作数的寄存器
rd：⽤于存放操作结果的⽬的寄存器
shamt：位移量，在移位指令中使⽤
funct：功能码，⽤于指明op字段中操作的特定变式
三种指令格式：
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-xhCQld8L-1629254130563)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210605120047487.png)]
四川建筑职业技术学院图书馆程序员可见 PC，PSWR
不可见： IR、MAR、MDR
MIPS加减，访存，决策指令
加减法（R型）
add a, b, c # a = b + c
sub d, a, e # d = a - e
访存（I型）
lw $t0, 32($s3) # s3存储数组A，每四个字节为⼀个单位，将A[8]存储到t0
sw $t0, 48($s3) # 将t0存储到A[12]
常数或者⽴即操作数（I型）
addi $s3. $s3. 4 # s3加上⽴即数4
逻辑操作（R 型）
sll $t2. $s0. 4 # $t2 = $s0 << 4
and $t0. $t1. $t2 # $t0 = $t1 & $t2
or $t0. $t1. $t2 # $t0 = $t1 | $t2
nor $t0. $t1. $t3 # $t0 = ~($t1 | $t3)
决策指令（I 型）
beq register1 register2 L1 # register1和register2数值相等，则转移到标签为L1的语句 bne $s3. $s4. Else # 如果s3和s4中不相等，则跳转到Else
slt $t0. $s3, $s4 # 当存储器$s3的值⼩于$s4的值时，将$t0置为1，否则置为0
slti $t0. $s2. 10 # 与⽴即数⽐较
MIPS 计算机对过程的⽀持（J 型）
jal ProcedureAddress # 跳转到某个地址的同时，将下⼀条指令的地址保存到寄存器$ra 中的指令。实际上将PC+4保存在寄存器$ra 中，从⽽将链接指向下⼀条指令
jr $ra # ⽆条件跳转到寄存器所指定的地址
主存中的栈($sp)
压栈 $sp-4
出栈$sp+4
MIPS 指令的寻址⽅式
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(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210606220718235.png)]
⽴即数寻址（I型）：操作数是位于指令⾃⾝中的常数
寄存器寻址（R型）：操作数是寄存器
基址寻址（I型）（存取指令）：操作数在内存，其地址是指令中基址寄存器和常数的和
PC相对寻址（I型）（分⽀指令）：地址是PC和指令⾃⾝中数的和
针对的是下⼀条指令的地址（PC+4）
Address左移两位与PC相加
Address为字地址，PC为字节地址
伪直接寻址（J型）：跳转地址是指令中26位字段和PC⾼位相连⽽成（左移2位与PC⾼4位相连）
分⽀和跳转中的寻址
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-EyAb3tvD-1629254130572)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210606222155221.png)]
在MIPS中，条件分⽀的地址范围 个字
在MIPS中，J和JAL指令的地址范围 个字
3. 算术运算
3.1 数值型数据的表⽰
定点数
廖满嫦⼩数点位置固定
由于约定在固定位置，⼩数点不再使⽤记号表⽰
+/−215+/−225
通常将数据表⽰成纯⼩数或纯整数
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-CmUb9PMQ-1629254130578)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610085703484.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-rBUi1Ote-1629254130580)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610090528085.png)]
数值范围有限，要求的处理硬件简单。
浮点数（IEEE754）
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-e3UWr9Is-1629254130583)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610094719584.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-x8ptqerY-1629254130585)
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610095013667.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-eougFhb9-1629254130587)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610095929402.png)]
3.2 整数的编码（原码，反码，补码）
表⽰范围反码：符号位 || 数值按位取反（x<0）
表⽰范围补码：反码最低位+1（x<0）
表⽰范围正数的原码，反码，补码均相同，符号位为0，数值位同数的真值。
0的原码和反码均有2个编码，补码只有1个编码
负数的原码，反码，补码表⽰均不同，符号位为1，数值位：原码为数的绝对值，反码为每⼀位均取反码，补码在反码的最低位上+1有符号数与⽆符号数进⾏⽐较：
有符号数转换成⽆符号数，进⽽进⾏⽐较。
若有int，则说明将此⽆符号数转化成了有符号数
补码的加法和减法
补码加法公式：补码减法公式：与：连同符号位在内，逐位求反，再在最低位加1，即可得[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-jtYKS4bw-1629254130589)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610105115829.png)]
溢出概念和检测⽅法
定点整数机器中，数的表⽰范围在运算过程中，运算结果超出机器字长所能表⽰的范围的现象，称为“溢出”
可能产⽣的溢出情况
[−(2−n 1),2−n 1]
[−(2−n 1),2−n 1]
[−2,2−n n 1]
[x ]+补[y ]=补[x +y ](mod 2)
补n +1[x −y ]=补[x ]−补[y ]=补[x ]+补[−y ](mod 2)
补n +1[x ]补[−x ]补[x ]补[−x ]补
∣x ∣<2n −1
两正数加，变负数，上溢。
两负数加，变正数，下溢。
溢出检测⽅法⼀：双符号位法
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-fGPxDgOY-1629254130590)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610105904997.png)]何新
溢出检测⽅法⼆：单符号位法
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-dn43Tr0u-1629254130592)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610105915346.png)]
乘除运算
原码乘法
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-HyFySt4O-1629254130594)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610185925914.png)][外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-nOrZ4cPQ-1629254130596)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610185238184.png)]救国论坛
原码除法
两个原码表⽰的数相除时，商的符号由两数的符号按位相加求得，商的数值部分由两数的数值部分相除求得。
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-AKVpryGu-1629254130597)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610190154216.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-GYXXy4jM-1629254130599)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610190841887.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-JwRoBn53-1629254130601)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610191939311.png)]
除法：恢复余数法，加减交替法
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-8mnsFQQh-1629254130603)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610192455592.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-Q0VZDYix-1629254130605)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610192641918.png)]
浮点运算
浮点数加减运算
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-dLmw44KG-1629254130607)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610194905090.png)]
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-kkXY4sAA-1629254130609)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610195240086.png)]元叙事
浮点数乘除
[外链图⽚转存失败，源站可能有防盗链机制，建议将图⽚保存下来直接上传(img-EabtPqX3-1629254130611)
(C:/Users/DELL/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20210610200512015.png)]
重点
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