计算机组成原理期末复习

计组知识点

第一章

  • 国外计算机发展
  1. 电子管计算机（1946—1958 年）
  2. 晶体管计算机（1958—1964 年）
  3. 集成电路计算机（1964—1971 年）
  4. 超大规模集成电路计算机（1971 年至今）

第二章

一、机器码基本概念

用二进制的 0/1 表示符号位（0 表正、1 表负）+ 数值位的编码形式，称为机器码（机器数）。
常用定点数机器码包括：原码、反码、补码。

二、原码

1. 编码规则

  • 正数：符号位为 0，数值位与真值的数值位一致；
  • 负数：符号位为 1，数值位与真值的数值位一致。

2. 定点数原码公式

  • 定点小数（形式：\((x_0x_1x_2\cdots x_n)\)，\(x_0\) 为符号位）：

\[[x]_{\text{原}}= \begin{cases} x, & 0 \le x < 1 \\ 1+|x|, & -1 < x \le 0 \end{cases} \]

  • 定点整数（形式：\((x_0x_1x_2\cdots x_n)\)，\(x_0\) 为符号位）：

\[[x]_{\text{原}}= \begin{cases} x, & 0 \le x < 2^n \\ 2^n+|x|, & -2^n < x \le 0 \end{cases} \]

3. 0 的表示

原码中 0 有两个编码：
\([+0]_{\text{原}}=0000\cdots0\)，
\([-0]_{\text{原}}=1000\cdots0\)。

4. 特点

  • 优点：表示直观，仅需符号位加数值绝对值；
  • 缺点：存在两个机器 0，加减法运算复杂，仅用于浮点数尾数。

三、反码（1 的补码）

1. 编码规则

  • 符号位与原码一致；
  • 正数：反码与原码相同；
  • 负数：数值位逐位取反。

示例

  • \(x=+0.1101\)，\([x]_{\text{反}}=0.1101\)
  • \(x=-0.1111\)，\([x]_{\text{反}}=1.0000\)

四、补码（2 的补码）

1. 模的概念

模（模数）表示计数系统的范围，记为 \(\text{mod } M\)，超过模的部分自动舍弃。

\[16 \equiv 4 \ (\text{mod }12), \quad -8 \equiv 4 \ (\text{mod }12) \]

2. 定点小数补码定义

形式：\((x_0x_1x_2\cdots x_n)\)，\(x_0\) 为符号位，模为 2：

\[[x]_{\text{补}}= \begin{cases} x, & 0 \le x < 1 \\ 2+|x|, & -1 \le x < 0 \end{cases} \]

3. 负数补码的简便求法

（1）反码加 1 法

规则：符号位为 1，数值位逐位取反后末位加 1。

\[x=-1000 \Rightarrow [x]_{\text{补}}=11000 \]

（2）扫描法

规则：符号位为 1，从右向左扫描，找到右起第一个 1，该位及其右边保持不变，其左边逐位取反。

\[x=-1000 \Rightarrow [x]_{\text{补}}=11000 \]

4. 补码求真值

  • 符号位为 0：真值为正；
  • 符号位为 1：真值为负，数值位取反加 1 或扫描还原。

第三章

一、溢出的概念

由于字长有限，运算结果超出表示范围称为溢出。

  • 正溢：正数加正数得负；
  • 负溢：负数加负数得正。

二、溢出检测方法

1. 符号位一致性检测法

  • 同号数相加才可能溢出；
  • 加法判别式：

\[V=X_fY_f\overline{S_f}+\overline{X_f}\,\overline{Y_f}S_f \]

  • 减法判别式：

\[V=X_f\overline{Y_f}S_f+\overline{X_f}Y_f\overline{S_f} \]

2. 进位一致性检测法

最高数值位进位为 \(C_d\)，符号位进位为 \(C_f\)：

\[C_d \ne C_f \Rightarrow \text{溢出} \]

3. 变形补码（双符号位）检测法

  • 正数：00，负数：11
  • 结果为 01：上溢；10：下溢

\[V=S_{f1}\oplus S_{f2} \]

第四章

一、存储单元表示

  • 电容有电荷 → 表示 1
  • 电容无电荷 → 表示 0

二、单管 DRAM 读操作流程

  1. 预充：位线预充到 \(V_{CC}/2\)；
  2. 访问：电荷重分配；
  3. 放大：跷跷板放大器放大信号；
  4. 恢复：恢复电容电荷并刷新；
  5. 输出：列选通输出数据。

三、DRAM 刷新

  • 最大刷新周期：2 ms、4 ms、8 ms；
  • 按行刷新。
刷新方式 特点
集中刷新 有死区
分散刷新 无死区但速度慢
异步刷新 综合性能最好

四、DRAM 与 SRAM 区别

项目 SRAM DRAM
刷新 不需要 需要
速度 快 慢
密度 低 高
用途 Cache 主存

第五章 指令系统

一、指令寻址方式

  • 顺序寻址：\(PC \leftarrow PC+\text{指令长度}\)
  • 跳跃寻址：PC 由指令给出目标地址

二、操作数寻址方式

方式 有效地址 EA
立即 操作数 = D
直接 \(EA=D\)
间接 \(EA=(D)\)
寄存器 操作数在寄存器
寄存器间接 \(EA=R[D]\)
相对 \(EA=PC+D\)
变址 \(EA=IX+D\)
基址 \(EA=BR+D\)
堆栈 \(EA=SP\)

第六章 中央处理器

1. 程序计数器 PC

  • 保存下一条指令地址；
  • 顺序执行时自动加指令长度；
  • 转移时由指令改写。

2. 地址寄存器 AR

  • 保存主存访问地址；
  • 位宽等于地址总线宽度。

3. 数据寄存器 DR

  • CPU 与主存之间的数据缓冲；
  • 位宽等于机器字长。

4. 指令寄存器 IR

  • 保存当前正在执行的指令；
  • 指令送入译码器。

第七章

一、微程序控制思想

将控制信号编码为微指令，若干微指令组成微程序，存于控制存储器中。

二、核心概念

名称 含义
微命令 控制信号
微操作 基本硬件操作
微指令 相容微命令集合
微程序 实现一条机器指令

三、微指令周期

一个微指令周期等于一个时钟周期。

四、微程序控制器组成

  1. 控制存储器
  2. 地址转移逻辑
  3. 微地址寄存器

作业重点

第二章 第3题

3.（40分） 已知某C语言编译器中，浮点数表示采用IEEE754标准，变量i的定义如下：
float i = -20.75，试求出变量i在存储器中的存储格式（结果用十六进制给出）。

第四章
（一）

  1. （30分）某计算机系统使用半导体存储器构建主存，其数据线为64位，已知DRAM芯片规格为：256M×32位，若要组成32GB主存，按字节地址编址，并采用内存条的形式，问：

（1）该系统主存需要多少片DRAM芯片？

（2）若每个内存条为2G×64位，共需要多少内存条？每个内存条内需要多少片DRAM芯片？

（3）若要实现32GB主存的访问，地址线最少需要多少位？设主存地址首地址从0开始，其末地址是多少？（给出十六进制结果）

  1. （30分）某计算机字长32位，采用直接相联Cache,主存容量4MB，Cache数据存储体容量为4KB，块长度为8个字。

（1）画出直接相联映射方式下主存字节地址划分情况，并说明每个字段位数。

（2）设Cache初始状态为空，若CPU顺序访问（读取）0-99号单元，每次访问一个单元（一个字），并重复此操作10次，请计算Cache命中率。

3.（20分）已知Cache命中率为90%，主存访问时间为120ns，Cache访问时间为20ns：

（1）若CPU访问10000次，共有多少次未命中？

（2）平均访问时间是多少？

（3）若通过技术提升命中率至95%，系统效率为多少？

第五,六章 第1题

img

  1. （20分）设有一台计算机，其指令长度为16位，有一类RS型指令的格式：

其中，OP为操作码，占6位；R为寄存器编号，占2位，可访问4个不同的通用寄存器；MOD为寻址方式，占2位，与形式地址A一起决定源操作数，规定如下：

     MOD=00，为立即寻址，A为立即数；

     MOD=01，为相对寻址，A为位移量；

     MOD=10，为变址寻址，A为位移量。

假定要执行的指令为加法指令，存放在1000H单元中，形式地址A的编码为01H，其中H表示十六进制数。该指令执行前存储器和寄存器的存储情况如图所示，假定此加法指令的两个源操作数中一个来自于形式地址A或者主存，另一个来自于目的寄存器R0，并且加法的结果一定存放在目的寄存器R0中。

在以下几种情况下，该指令执行后，R0和PC的内容为多少？

(1)若MOD=00，(R0)=__________。

(2)若MOD=01，(R0)=__________。

(3)若MOD=10，(R0)=; (PC)=。

  1. （40分）某单总线结构的计算机框图如下图所示如下所示。指令“sub rd,rs,rt”的功能为“R[rd] ← R[rs] - R[rt]”，即把寄存器Rrs和Rrt的值相减，结果存入寄存器Rrd。
    img
    （1）分析CPU的数据流和控制流，给出①②③④⑤的部件名称；

（2）给出指令取指周期的数据通路；

（3）请画出指令“sub rd,rs,rt”执行部分的流程图，包括数据流和控制流。.（40分）某单总线结构的计算机框图如下图所示如下所示。指令“sub rd,rs,rt”的功能为“R[rd] ← R[rs] - R[rt]”，即把寄存器Rrs和Rrt的值相减，结果存入寄存器Rrd。

（1）分析CPU的数据流和控制流，给出①②③④⑤的部件名称；

（2）给出指令取指周期的数据通路；

（3）请画出指令“sub rd,rs,rt”执行部分的流程图，包括数据流和控制流。

  • 会问给出一条指令问他的操作数,寻址方式
posted @ 2025-12-30 13:48  LFmin  阅读(15)  评论(0)    收藏  举报