始料不及———计算机组成原理
文章目录
第一章 计算机还要与技术
计算机系统结构的8个伟大思想
1、面向摩尔定律的设计
2、使用抽象简化设计
3、加速大概率事件
4、通过并行提高性能
5、通过流水线提高性能
6、通过预测提高性能
7、存储器层次
8、通过冗余提高可靠性
冯诺依曼计算机的五大部件
控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
性能
响应时间：也叫执行时间，计算机完成某任务的总时间。
吞吐率：也叫带宽，单位时间内完成的任务数量。
CPU性能的度量标准是cpu执行时间
CPI：每条指令所需的时钟周期数的平均值
CPU时钟周期数=指令数*CPI
CPU执行时间=CPU时钟周期数 * 时钟周期时间=CPU时钟周期数/时钟频率 =指令数 *CPI * 时钟周期时间
可在指令数、CPI、时钟周期时间三个方面改善COU性能。
第二章 指令：计算机的语言
mips指令
mips字段：
目标寄存器在二进制编码中总是在后面，但在mips汇编指令中总是在前面
R型
op：6位，操作码，指令的基本操作
rs：5位，第一个源操作数寄存器
rt：5位，第二个源操作数寄存器
rd：5位，用于存放操作结果的目的寄存器
shamt：5位，位移量
funct：功能码，用于指明op字段操作的特定形式
add $rd $rs $rt $rd= $rs+ $rt
op：0，rs，rt，rd，shamt：0，func：32
sub：$rd $rs $rt $rd= $rs- $rt
op：0，rs，rt，rd，shamt：0，func：34
slt $rd $rs $rt rt? $rd=1: $rd=0
op：0，rs，rt，rd，shamt：0，funct：42
与以上相同形式的func
add：32
sub：34
addu：33
subu：35
and：36
or：37
xor：38
nor：39
slt(小于则置位，补码形式)：42
sltu(小于则置位，自然数形式）：43
sll $rd $rt,shamt $rd=rt<<shamt
op：0，rs：0，rt，rd，shamt，funct：0
srl $rd $rt,shamt $rd=rt>>shamt
op：0，rs：0，rt，rd，shamt，funct：2
jr $rs goto $rs
op：0，rs，rt：0，rd：0，shamt：0，funct：8
I型
op：6位，操作码，指令的基本操作
rs：5位，第一个源操作数寄存器
rt：5位，第二个源操作数寄存器，首位的目标寄存器
immediate：16位立即数
addi $rt $rs immediate
$rt= $rs+immediate
op：8，rs，rt，immediate
lw $rt $rs
immediate rs(immediate)
op：43，rs，rt，immediate
格式同上的op
addi：8
lw：35
sw：43
beq：4
bne：5
addiu：9
andi：12
ori：13
xori：14
slti：10
sltiu：11
lui（取立即数高16位，低16位用0补齐） $rt immediate
op：15，rs：0，rt，immediate
j型
op：6位
address：26位
j
op：2
jal：3
寻址：
分支指令：
指令中16位立即数地址左移两位和当前pc值相加（pc+4之后）
跳转指令：
26位地址左移两位后与当前pc前4位组合
寄存器
$zero 0 值恒为0
$at 1 被汇编器保留，用来处理大的常数
$v ~ $v1 2~3 用于返回值的两个值寄存器 调用时不保存
$a0~ $a3 4~7 用于传递参数的4个参数寄存器 调用时不保存
$t0 ~ $t7 8~15 临时变量 调用时不保存
$s0 ~ $s7 16~23 保存寄存器 调用时保存
$t8 ~ $t9 24~25 更多临时变量 调用时不保存
$gp 28 全局指针 调用时保存
$sp 29 栈指针 调用时保存
$fp 30 帧指针 调用时保存
$ra 31 用于返回起始点的返回地址寄存器 调用时保存
第三章 计算机的算术运算
整数
减法
计算a-b可直接减，也可a+（b的补码）
乘法
设乘数位数为4
初始：乘数4位，被乘数8位，置于低4位，乘积8位初始为0
重复4次以下步骤：
1、 乘积+乘数末位*被乘数
2、 左移被乘数
3、 右移乘数
除法
设除数位数为4
初始：商4位初始为0，除数8位，置于高4位，余数8位，初始为被除数，置于低4位
重复5次以下步骤：
1、余数=余数-除数
2、若余数<0则余数+除数，商左移，最低位置0；若余数>=0,则商左移，最低为置1
3、除数右移
浮点数
浮点数表示
单精度
阶码：
符号位：1位
指数：8位
尾数：23位
偏阶：127
| 指数 | 尾数 | 表示对象 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 非0 | 非规格化数 |
| 1~254 | 任何值 | 浮点数 |
| 255 | 0 | 无穷 |
| 255 | 非0 | NaN（非数，即不是数） |
双精度
阶码：
符号位：1位
指数：11位
尾数：20位
偏阶：1023
| 指数 | 尾数 | 表示对象 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 非0 | 非规格化数 |
| 1~2046 | 任何值 | 浮点数 |
| 2047 | 0 | 无穷 |
| 2047 | 非0 | NaN（非数，即不是数） |
加法
1、将较小指数向较大指数对齐，即通过右移（小数点左移）并增大相应指数使两个数指数相同
2、将两数位数相加
3、对结果进行规格化，右移则增大指数，左移则减少指数
4、检查是否溢出（对于单精度，最大的指数是127，最小的指数是-126），若无溢出，继续进行第五步，否则返回异常
5、对尾数按要求进行舍入，判断是否为规格化数，若否，返回第3步，否则结束。
乘法
1、将两个偏阶指数相加，然后减去偏阶得到新的偏阶指数
2、位数相乘
3、将结果规格化
4、检查是否溢出，若溢出，返回异常，否则继续第五步
5、对尾数按要求进行舍入，判断是否为规格化数，若否，返回第3步，否则结束
浮点数精确性
舍入规则：
右边多保留两位，第一位为保护位，第二位为舍入位，若两位为0~49 ，向下舍入，若为 51~ 99，则向上舍入，若为50，则看粘贴位（若舍入后面的位数不全为0，则粘贴位为1，否则为0），若粘贴位为1，则向上舍入，否则向偶数舍入。
浙公网安备 33010602011771号