计算机组成原理第四章
《计算机组成原理》(周建敏)414-9课件 第四章
是主存储器的后援存储器，用于存放当前暂时不用的程序和数据，不能与CPU直接交 换信息。辅助存储器速度慢、容量大、位价格低。
缓冲存储器 (3)
用于两个不同工作速度的部件之间，在交换信息过程中起缓冲作用。
存储器概述
存储器的分类可用图表示。
存储器
主存储器
随机存储器（RAM）
4.6 虚拟存储器
4.3 主存储器与CPU的连接 4.7 常见问题和易混淆知识点
4.4 并行存储器
存储器概述 4.1
存储器概述
4.1.1 存储器的分类
1.按存取方式分类
(1) 随机存储器（Random Access Memory，RAM）
特点是，存储器中任何一个存储单元都能由CPU或I/O 设备随机存取，且存取时间与存取单元的物理位置无 关。这类存储器在一个存或取的周期内只能进行一次 访问，信息读取时间对任何地址都是相同的。且每一 个字（字节）都有唯一、直接和独立的寻址方法。随 机存储器常用作主存或高速缓存。
其中，x方向有A3A4A5A6A7A8，共6根，产生64条行选择线；y方向有A0A1A2A9，共4
根，产生16条列选择线。
② 数据线，本例中有4条，即I/O1～I/O4，它指定了存储器的字长是4位，因此，存储元
的总数是1 024×4=4 096 。
③ 控制线，本例中 CS 为片选线，低电平有效；WE 为读/写控制线，低电平写入，高电平
存取存储器的存取时间长，速度慢。这种存储器的存储容量
可以做得较大，位价格较低。
存储器概述
第8页
(4) 直接存取存储器（Direct Access Memory，DAM）
特点是，存储器的任何部位（一个字或字节、记录块等）没有实际的寻址机构，当要存取 所需要的信息时，必须执行两个逻辑操作。 ➢首先，直接指向整个存储器的一个小区域（如磁盘上的磁道）； ➢然后对这一小区域像磁带那样按顺序检索、记数或等待，直至找到
计算机组成原理完整第4章PPT课件
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4.3 指令和数据的寻址方式
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式， 有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效 地址的方式 指令寻址
顺序寻址 跳跃寻址
操作数寻址
PC存放下一条指令的地址
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跳跃寻址
目标地址－＞PC
当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执 行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。
所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序 计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。
跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入 取指令阶段。
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4.2.2 地址码(AC)
(3)二地址指令 (A1) OP (A2) -> A1
(4)三地址指令 (A1) OP (A2) -> A3
A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器
n=2L 定长指令、变长指令（固定位数和可变位数）
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4.2.2 地址码(AC)
地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果
三地址格式 操作码
二地址格式 操作码
一地址格式 零地址格式
操作码 操作码
Ａ1
Ａ2
Ａ3
Ａ1
Ａ2
Ａ1
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《计算机组成原理》教程第4章指令系统
4
二 指令的格式
即指令字用二进制代码表示的结构形式
包括 操作码：操作的性质 操作码 地址码：操作数（operand）的存储位置,即参加操作的 operand , 地址码 数据的地址和结果数的地址
操作码域（op） 地址码域（addr）
5
1.操作码 操作码
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的 规模。 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 . 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操 作码最多表示2n种操作
(2)． 堆栈工作过程 ．
（一）进栈操作 ① 建立堆栈，由指令把栈顶地址送入SP，指针 指向栈顶。 ② 进栈：(A)→Msp, (sp)-1→SP ；Msp:存储 器的栈顶单元 （二）出栈操作 （SP）+1→SP, (Msp)→A
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五.指令类型
一个较完善的指令系统应当包括: 数据传送类指令： 例）move、load、store等 算术运算类指令： 例）add、sub、mult、div、comp等 移位操作类指令： 例） shl，shr，srl，srr 逻辑运算类指令： 例）and、or、xor、not等 程序控制类指令： 例）jump、branch、jsr、ret、int等 输入输出指令： 例）in、out等 字符串类指令： 例）如alpha中cmpbge、inswh、extbl等 系统控制类指令： 例）push、pop、test等
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10) *段寻址方式 段寻址方式 Intel 8086 CPU中采用了段寻址方式（基址寻址的特例）。 由16位段寄存器和16位偏移量产生20位物理地址 11)*自动变址寻址 自动变址寻址 指在变址方式中,每经过一次变址运算时,都自动改变变址寄存 器的内容,以后在PDP-11中详讲.
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
《计算机组成原理》第四章总线与时序练习题及答案
《计算机组成原理》第四章总线与时序练习题及答案选择题目：1. 当M/IO 0=,RD 0=,WR=1时，CPU 完成的操作是（ c ）。
A. 存储器读操作B. 存储器写操作C. IO 端口读操作D. IO 端口写操作2. 8086CPU 的时钟频率为5MHz ，它的典型总线周期为（ c ）A. 200nsB. 400nsC. 800nsD. 1600ns3. 某微机最大可寻址的内存空间为16MB ，则其系统地址总线至少应有（ D）条。
A. 32B. 16C. 20D. 244. 8086的系统总线中，地址总线和数据总线分别为（ B ）位。
A. 16,16B. 20,16C. 16,8D. 20,205. 8086CPU 一个总线周期可以读（或写）的字节数为（ B ）A. 1个B. 2个C. 1个或2个D. 4个8086有16条数据总路线，一次可以传送16位二进制，即两个字节的数6. 当8086CPU 采样到READY 引脚为低电平时，CPU 将（ B ）A. 执行停机指令B. 插入等待周期C. 执行空操作D. 重新发送地址7. 当8086CPU读写内存的一个对准存放的字时，BHE和A0的状态为（ A ）。
A. 00B. 01C. 10D. 118. 当8086CPU采样到READY引脚为低电平时，CPU将（ B ）A. 执行停机指令B. 插入等待周期C. 执行空操作D. 重新发送地址9. 8086CPU的字数据可以存放在偶地址，也可以存放在奇地址。
下列说法正确的是（ A ）A. 堆栈指针最好指向偶地址B. 堆栈指针最好指向奇地址C. 堆栈指针只能指向偶地址D. 堆栈指针只能指向奇地址10. 8086CPU在进行对外设输出操作时，控制信号M/IO和DT/R状态必须是（D ）A. 0,0B. 0,1C. 1,0D. 1,111. 8086CPU复位时，各内部寄存器复位成初值。
复位后重新启动时，计算机将从内存的（ c ）处开始执行指令。
计算机组成原理第4章
本章学习要求
• 掌握：定点补码加法和减法运算方法 • 理解：3种溢出检测方法 • 理解：补码移位运算和常见的舍入操作方法 • 了解：串行加法器与并行加法器 • 理解：进位产生和进位传递 • 掌握：定点原码、补码乘法运算方法 • 掌握：定点原码、补码加减交替除法运算方法 • 理解：浮点加减乘除运算 • 理解：逻辑运算 • 了解：运算器的基本结构及浮点协处理器
第4章 数值的机器运算
设操作数信号为4、3、2、1、（最低 位信号为1）。向最低位进位的信号为C0、 Gi、Pi 分别是各位的进位产生函数和进位 传递函数。
（1）完善第4位先行进位信号的逻辑表达 式。 C4=G4+P4G3+……
（2）基于操作数，试述表达式中各项的 实际含义。
第4章 数值的机器运算
[-Y]补=[[Y]补]变补
第4章 数值的机器运算
2.补码减法（续）
“某数的补码表示”与“变补”是两个不 同的概念。一个负数由原码转换成补码时，符 号位是不变的，仅对数值位各位变反，末位加 “1”。而变补则不论这个数的真值是正是负， 一律连同符号位一起变反，末位加“1”。[Y]补 表示的真值如果是正数，则变补后[-Y]补所表示 的真值变为负数，反之亦然。
第4章 数值的机器运算
16位单级先行进位加法器
S1 6～S1 3
S1 2～S9
S8～S5
S4～S1
C16 4位CLA C12 4位CLA C8 4位CLA C4 4位CLA
加法器
加法器
加法器
加法器
C0
A1 6～A1 3
A1 2～A9
B1 6～B1 3
B1 2～B9
A8～A5 B8～B5
计算机组成原理 指令系统
IBM 370机的指令格式
8
4 4
4 4 4 12
RR型 RX型 RS型 SI型 SS型
OP
8
R1 R2 R1 X2
4 4
OP
8
B2
4
D2
12
OP
8
R1 R2
8
B2
4 B1 4
D2
12
OP
8
I2
8
D1
12 4 12
OP
L1
B1
D1
B2
D2
图4-1 IBM 370机的指令格式
2.非规整型
操作码字段的位数丌固定，丏分散地放 在指令字的丌同位置上。 PDP-11机（字长16位）的指令分为单 字长、两字长、三字长三种，操作码字段占4 ～16位丌等，可遍及整个指令长度。 显然，操作码字段的位数和位置丌固定 将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设 计复杂化。
入 端口地址 如 出 如 AX, n IN AL, n CPU 的寄存器 OUT n, AL AX CPU 的寄存器 IN AL, DX AX, DX 端口地址 OUT DX, AL AX
4.2 寻址技术
所谓寻址，指的是寻找操作数的地址或下一 条将要执行的指令地址。寻址技术包括编址方 式和寻址方式。
AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST
3. 移位操作 算术移位
逻辑移位
循环移位（带迚位和丌带迚位）
4. 转移 (1) 无条件转移 JMP
(2) 条件转移 结果为零转 （Z = 1） JZ
如
结果溢出转
（O = 1）JO
300 …
完成触収器
结果有迚位转（C = 1）JC 跳过一条指令 SKP
计算机组成原理第四章答案
第4章习题参考答案1．ASCII码是7位，如果设计主存单元字长为32位，指令字长为12位，是否合理？为什么？答：不合理。
指令最好半字长或单字长，设16位比较合适。
一个字符的ASCII 是7位，如果设计主存单元字长为32位，则一个单元可以放四个字符，这也是可以的，只是在存取单个字符时，要多花些时间而已，不过，一条指令至少占一个单元，但只占一个单元的12位，而另20位就浪费了，这样看来就不合理，因为通常单字长指令很多，浪费也就很大了。
2．假设某计算机指令长度为32位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式，指令系统共有70条指令，请设计满足要求的指令格式。
答：字长32位，指令系统共有70条指令，所以其操作码至少需要7位。
双操作数指令3．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1) 单字长二XXX指令。
(2) 操作码字段OP可以指定26=64种操作。
(3) 源和目标都是通用寄存器（可分指向16个寄存器）所以是RR型指令，即两个操作数均在寄存器中。
(4) 这种指令结构常用于RR之间的数据传送及算术逻辑运算类指令。
4．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
15 10 9 8 7 4 3 0答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1)双字长二XXX指令，用于访问存储器。
(2)操作码字段OP可以指定26=64种操作。
(3)RS型指令，一个操作数在通用寄存器（选择16个之一），另一个操作数在主存中。
有效XXX可通过变址寻址求得，即有效XXX等于变址寄存器（选择16个之一）内容加上位移量。
5．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1)该指令为单字长双操作数指令，源操作数和目的操作数均由寻址方式和寄存器构成，寄存器均有8个，寻址方式均有8种。
根据寻址方式的不同，指令可以是RR型、RS型、也可以是SS型；(2)因为OP为4位，所以最多可以有16种操作。
计算机组成原理第4章浮点数运算方法ppt课件
jy]移 (mod 2n+1) 则直接可得移码形式。
同理，当作除法运算时，商的阶码可用下式完成： [jx]移+[-jy]补 = [jx - jy]移
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5. 溢出判断
在浮点规格化中已指出，当尾数之和(差)出现 01.××…×或10.××…×时，并不表示溢出，只有 将此数右规后，再根据阶码来判断浮点运算结果是否 溢出。
若机器数为补码，尾数为规格化形式，并假设阶符取 2位，阶码取7位，数符取2位，尾数取n位，则它们能 表示的补码在数轴上的表示范围如下图。
浮 点 数 加 减 运 算 流 程 图
16
浮点加减法运算
1. 大型计算机和高档微型机中，浮点加减法运算是由 硬件完成的。低档的微型机浮点加减法运算是由软 件完成的，但无论用硬件实现或由软件实现加减法 运算，基本原理是一致的。
2. 浮点加减法运算要经过对阶、尾数求和、规格化、 舍入和溢出判断五步操作。其中尾数运算与定点加
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2. 尾数运算
（1）浮点乘法尾数运算 （2）浮点除法尾数运算
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（1）浮点乘法尾数运算
预处理：检测两个尾数中是否有一个为0， 若有一个为0，乘积必为0，不再作其他操 作；如果两尾数均不为0，则可进行乘法运 算。
相乘：两个浮点数的尾数相乘可以采用定 点小数的任何一种乘法运算来完成。
规格化：相乘结果可能要进行左规，左规 时调整阶码后如果发生阶下溢，则作机器 零处理；如果发生阶上溢，则作溢出处理。
计算机组成原理_指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
返回
1
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
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4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
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2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
计算机组成原理4第四章存储器PPT课件精选全文
4.2
11
4.2
请问： 主机存储容量为4GB，按字节寻址，其地址线 位数应为多少位？数据线位数多少位？ 按字寻址（16位为一个字）,则地址线和数据线 各是多少根呢？
12
数据在主存中的存放
设存储字长为64位（8个字节），即一个存 取周期最多能够从主存读或写64位数据。
读写的数据有4种不同长度:
字节 半字 单字 双字
34
3. 动态 RAM 和静态 RAM 的比较
主存
DRAM
SRAM
存储原理
电容
触发器
集成度
高
低
芯片引脚
少
多
功耗
小
大
价格
低
高
速度
慢
快
刷新
有
无
4.2
缓存
35
内容回顾: 半导体存储芯片的基本结构 4.2
…… ……
地
译
存
读
数
址
码
储
写
据
线
驱
矩
电
线
动
阵
路
片选线
读/写控制线
地址线（单向） 数据线（双向） 芯片容量
D0
…… D 7
22
(2) 重合法（1K*1位重合法存储器芯片）
0 A4
0,00
…
0,31
0 A3
X 地
X0
32×32
… …
0址
矩阵
A2
译
0码
31,0
…
31,31
A1
器 X 31
0 A0
Y0 Y 地址译码器 Y31 A 9 0A 8 0A 7 0A 6 0A 5 0
计算机组成原理第4章 存储系统
第四章存储系统4.1概述4.1.1技术指标4.1.2层次结构4.1.3存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。
一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。
这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为一个存储位或存储元。
由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。
根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法。
(1)按存储介质分作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。
另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。
目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。
用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。
用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。
(2)按存取方式分如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。
半导体存储器是随机存储器。
如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。
如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。
磁盘存储器是半顺序存储器。
(3)按存储器的读写功能分有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)。
既能读出又能写人的半导体存储器，称为随机读写存储器(RAM)。
(4)按信息的可保存性分断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。
断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。
磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写4.2 半导体随机读写存储器主存储器由半导体存储芯片构成，容量较小时可采用SRAM芯片，容量较大时一般采用DRAM芯片。
主存中的固化区采用ROM芯片，包括PROM、EPROM、EEPROM、等。
计算机组成原理 第4章 内存
4.1.3 按内存模块的不同标准分类
1. SDRAM（Synchronous DRAM，同步动 态随机存储器） SDRAM的工作频率与系统总线频率是同 步的，数据信号在每个脉冲的上升沿处传送 出去，其工作原理示意图，如图4-9所示。
图4-9 PC100 SDRAM工作原理示意图
2. DDR SDRAM（Dual Date Rate SDRAM， 双倍速率SDRAM） DDR SDRAM与SDRAM一样，也是与系 统总线时钟同步的。DDR内存采用100MHz 的核心频率，通过两条线路同步传输到I/O缓 存区（I/O Buffers），实现200MHz的数据 传输频率。由于是两路传输，所以可以预读 2bit数据。DDR SDRAM的工作原理示意图， 如图4-10所示。
1. ROM ROM是一种不靠电源保持数据，只能读取， 而不能随意改变内容的内存。ROM常用于存 储不需要经常更新的重要的信息，ROM中的 数据即使断电也不会丢失，例如主板的BIOS。 根据ROM的工作原理，又分为以下3类。 (1) ROM（掩模式只读存储器） (2) PROM（Programmable ROM，可编程 ROM） PROM芯片的外观，如图4-1所示。
4.1.2 按内存的外观分类
目前微机配件的DRAM有两种形式。 1. 双列直插封装内存芯片 DIP芯片一般用于286以下的微机，现在 只有在显示卡、硬盘等配件上才能见到它们， 如图4-5所示。
图4-5 DIP内存芯片
2. 内存条（内存模块） 内存条主要有两种接口类型：SIMM （Single Inline Memory Module，单边接触内 存模组），早期的30线、72线的内存条属于这 种接口类型；DIMM（Dual Inline Memory Module，双边接触内存模组），这种类型接口 的内存条的两边都有引脚。168线的SDRAM、 184线的DDR SDRAM、240线的DDR2 SDRAM内存条属于DIMM接口类型。所谓内存 条线数即是指引脚数。 SDRAM内存条用在Pentium II/III级别的微机 上，称SDRAM，常见容量有32MB、64MB、 128MB和256MB，如图4-6所示。
计算机组成原理(第三版)第 4 章 指令系统汇编
内存
有效地址 EA=［D］； ［EA］＝ DATA； • 例如: ADD A,＠［3050H］ MOV A,＠［3050H］
… EA … DATA
EA
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
5、寄存器寻址方式 ( Register Addressing )
寄存器寻址：操作数存放于指令的操作码所规定的寄存 器中即操作数位于寄存器中，操作数所在的寄存器编号 存放在指令的REG字段中。 • →速度快、指令短，操作数在CPU中； • 指令格式：
内存
有效地址 EA=［PC或IP］+D； ［EA］＝DATA (指令)；
EA→
…
指令 …
D • 例如:JR SUB1-$
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
；
10、堆栈寻址 ( Stack Addressing )
• 操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址 EA由堆栈指针寄存器SP隐含指出，通常用于堆栈 指令。 • 堆栈是由若干个连续主存单元组成的先进后出（ first in last out，即FILO）存储区，第一个放 入堆栈的数据存放在栈底，最近放入的数据存放 在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据 的入栈和出栈在时刻变化。栈顶的地址由堆栈指 针SP指明。 • 一般计算机中，堆栈从高地址向低地址扩展，即 栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址，称为堆 栈向上生成；堆栈寻址主要用来暂存中断和子程 序调用时现场数据及返回地址。
OP* MOD REG CPU 寄存器组
R0 … Ri
有效地址 EA=REG； ［REG］＝ DATA； • 例如: EA→ ADD A, Ri ; MOV A, Ri ;
计算机组成原理课件第四章计算机中的算术运算
结果：
[X*Y]补=0.10001111
Ø
被乘数的符号Ｘ０和乘数的符号Ｙ０ 都参加运算。
Ø 乘数寄存器Ｒ１有附加位Ｙｎ＋１， 其初始状态为“０”。当乘数和部分积每次 右移时，部分积最低为移至Ｒ１的首位位臵， 故Ｒ１必须是具有右移功能的寄存器。 Ø 被乘数寄存器Ｒ２的每一位用原码或 反码经多路开关传送到加法器对应位的一个 输入端，而开关的控制信号由ＹｎＹｎ＋１的 输出译码器产生。当ＹｎＹｎ＋１＝0１时， 送［Ｘ］补；当ＹｎＹｎ＋１＝１０时，送 ［－Ｘ］补，即送Ｒ２的反码且在加法器最 末位加上“１”。 Ø Ｒ０保存部分积，它也是具有右移功 能的移位寄存器，其符号位与加法器符号位 始终一致。 当计数器ｉ＝ｎ＋１时，封锁ＬＤＲ１和Ｌ ＤＲ０控制信号，使最后一步不移位。
Yi-1yi 00
00 01 01
Cj 0
1 0 1
操作 部分积加0，右移两位
部分积加|x|，右移两位 部分积加|x| ，右移两位 部分积加2|x| ，右移两位
[X]补=1. 1 0 0 + [Y]补=1. 0 1 1
1 10. 1 1 1
丢到
两负数相加，结果应为负数，但运 算结果为正数，表明有溢出发生
例: X＝100 ，Y＝-11０，求 X-Y＝？ 解:
[X]补=0 1 0 0 + [-Y]补=0 1 1 0
1 01 0 一个正数减去一个负数，结果为正数，但计算 结果为负数，表明有溢出发生，出错
采用双符号位的判断方法
每个操作数的补码符号用两个二进制数表示，称为 变形补码，用“00”表示正数，“11”表示负数，左边第 一位叫第一符号位，右边第一位称为第二符号位，两个 符号位同时参加运算，如果运算结果两符号位相同，则 没有溢出发生。如果运算结果两符号位不同，则表明产 生了溢出。“10”表示负溢出，说明运算结果为负数， “01”表示正溢出，说明运算结果为正数。
计算机组成原理第4章
数据开关 （11000001）
C1H
打开三 态门 SW_G=0
-1 0 +1 定点小数
器允许的表示范围（溢出）。
补码 纯小数：0≤X<1
总线1 总线2
通用 寄存器
ALU
特殊 寄存器
总线 旁路器
总线3
16
4.9 运算器的基本组成与实例
4.9.2 ALU举例 1. ALU电路
ALU即算术逻辑单元，它是既能完成算术运 算又能完成逻辑运算的部件。前面已经讨论过， 无论是加、减、乘、除运算，最终都能归结为加 法运算。因此，ALU的核心首先应当是一个并行 加法器，同时也能执行像“与”、“或”、 “非”、“异或”这样的逻辑运算。由于ALU能 完成多种功能，所以ALU又称多功能函数发生器。
C1=G1+P1C0 C2=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1C0
C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
6
C1=G1+P1C0 C2=G2+P2C1 C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
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计算机组成原理第四章课后习题和答案解析[完整版]
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第4章存储器1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。
答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。
CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。
由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。
需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。
擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。
或称快擦型存储器。
2. 计算机中哪些部件可以用于存储信息？按速度、容量和价格/位排序说明。
答：计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。
按速度由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按容量由小至大排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘；按价格/位由高至低排序为：寄存器、Cache、主存、硬盘。
3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。
主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。
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§4.1机器数的加减运算及其实现
例：已知X＝-10111，Y＝-10001，用变形 补码的加法求X+Y 解：设比例因子H＝2，则有 所以：
X+Y=-101000
§4.1机器数的加减运算及其实现
补码相加的规则总结：
若两数的符号不同，相加的结果即为和的补码
若两数符号相同，相加后若其符号不变，结果正确 若两数符号相同，相加后若其符号改变，结果错误
§4.1机器数的加减运算及其实现
例: 已知X=+1101,Y=-110,求X+Y 解: [X]补=00001101, [Y]补=11111010 [X+Y]补=[X]补+[Y]补 = 00001101+11111010
符号位
溢出
00001101 +1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 mod 28
§4.1机器数的加减运算及其实现
2. 符号相异的两个原码相加 规则：先比较两数的绝对值，用绝对值大的数减去 绝对值小的数，结果取绝对值大的数的符号 例：已知X＝+10101，Y＝-01010，求X+Y 10101 -01011 01011 例：已知X＝+01010，Y＝-10111，求X+Y 10101 -01011 01101
d. (-63)+(-66)＝-129 符号位 1 1 0 0 0 0 0 1 +10111110 溢出 101111111
§4.1机器数的加减运算及其实现
溢出判断方法： 1. 根据符号位判断 规则：两个正数相加，结果为负，则溢出 两个负数相加，结果为正，则溢出 即，当两个同号数相加，若结果符号与 两个操作数的符号不同，则发生溢出。
符号位
溢出位
0 0 .1 1 0 0 1 +1 1 .0 1 1 1 1 1 0 0 .0 1 0 0 0
mod 22
所以，X-Y＝+1000
§4.1机器数的加减运算及其实现
例：两正数相减，被减数小于减数。已知X＝ +10011，Y＝+11001，求真值X-Y 解：[X]补=00.10011，[-Y]补＝11.00111 [X-Y]补=[X]补+[-Y]补 ＝ 00.10011 + 11.00111
负溢出、正溢出
当发生错误时，采用除以比例因子H的方法求解
§4.1机器数的加减运算及其实现
补码加法特点: 符号与数值部分都参加运算 运算结果按2取模(小数),或按2n取模(整数) 运算结果仍为补码形式
补码相加的规则总结： 若两数的符号不同，相加的结果即为和的补码 若两数符号相同，相加后若其符号不变，结果正确 若两数符号相同，相加后若其符号改变，结果错误: 负溢出、正溢出 当发生错误时，采用除以比例因子H的方法求解
1 1 .0 0 1 1 1 +0 0 .1 0 0 1 1 1 1 .1 1 0 1 0 所以，X-Y＝-110
符号位
mod 22
§4.1机器数的加减运算及其实现
补码加减法运算规则总结: 参加运算的操作数用补码表示 符号位与数值位一起参加运算 若为加法操作,则两数直接相加;若为减法,则 减数连同符号位一起变反加1,再与被减数相 加 运算的结果仍然是补码的形式.
0 0 .1 0 0 1 1 +1 1 .0 0 1 1 1 1 1 .1 1 0 1 0 所以，X-Y＝-110
符号位
mod 22
§4.1机器数的加减运算及其实现
例：两负数相减，被减数大于减数。已知X＝ -10011，Y＝-11001，求真值X-Y 解：[X]补=11.01101，[-Y]补＝00.11001 [X-Y]补=[X]补+[-Y]补 ＝ .01101 + 00.11001
§4.1机器数的加减运算及其实现
一、原码加法 1. 符号相同的两个原码相加 规则：符号不变，数值部分相加 例：已知X＝+10101，Y＝+01011，求X+Y （+ 1 0 1 0 1） +（ + 0 1 0 1 1 ） +100000 例：已知X＝-10011，Y＝-01101，求X+Y （ - 1 0 0 1 1） +（ - 0 1 1 0 1 ） -100000
a. 63+66＝129 符号位 000111111 +001000010 010000001
正溢出
d. (-63)+(-66)＝-129 符号位 1 1 1 0 0 0 0 0 1 +110111110 1101111111
溢出
负溢出
§4.1机器数的加减运算及其实现
总结： 当结果两符号位不同时发生溢出 第一位符号总是结果的正确符号 第二位符号位区别是正 / 负溢出 操作数及结果在寄存器或存储器中仍然 只用一位，只是在运算时扩充为双符号位 措施：选取一个合理的比例因子H＝2i，对每 个加数都除以H，然后相加，最后将结果乘以 H即可。
§4.1机器数的加减运算及其实现
通过例子来说明如何判断结果是否发生溢出 假设计算机字长为8位
a. 31+13＝44 符号位 0 0 0 1 1 1 1 1 +00001101 00101100 b. 63+66＝129 符号位 0 0 1 1 1 1 1 1 +01000010 10000001
c. ( -31)+(-13)＝-44 符号位 1 1 1 0 0 0 0 1 +11110011 溢出 111010100
§4.1机器数的加减运算及其实现
3. 符号相异的两个原码相减 同1 4. 符号相同的两个原码相减 同2 原码运算的特点:符号位不参加运算 原码运算的优缺点：麻烦 引入反码的原因：？ 引入补码的原因：？
§4.1机器数的加减运算及其实现
二、补码加法 特点: 符号与数值部分都参加运算 运算结果按2取模(小数),或按2n取模 (整数) 运算结果仍为补码形式 1. 定点补码运算性质 性质一: 两数之和的补码等于两数补码之和 [X+Y]补=[X]补+[Y]补
§4.1机器数的加减运算及其实现
例：已知X＝+10111，Y＝+10001，用变 形补码的加法求X+Y 解：设比例因子H＝2，则有 所以：
X+Y=+101000
§4.1机器数的加减运算及其实现
说明： a. 舍入处理 恒置1； 0舍1入； b. 符号位扩展 补码在右移时，要注意符号位要一起 移，且最左边要补上原符号的值
§4.1机器数的加减运算及其实现
计算结果的补码均可化成该数的原码。 例：设有两个定点小数 X=-0.1101，Y=0.0111，(1<X+Y<0)，求这两数之和。 解：[X]补＝1.0011 [Y]补＝0.0111 [X]补+[Y]补＝1.0011+0.0111＝1.1010 [X+Y]原＝[[X]补+[Y]补]补＝[1.1010]补＝1.0110 所以，X+Y＝-0.0110 说明： 用补码做加法是数值位连同符号位一起参加 运算的。
第四章 机器数的运算方法及运算器
4.1 机器数的加减运算及其实现 4.2 定点乘法及其实现 4.3 定点除法及其实现 4.4 浮点数的算术运算 4.5 运算器的组成和结构 4.6 浮点运算器
第二章内容回顾
1. 真值与机器数 2. 定点数的原码、反码、补码 例：写出13与-11的二进制形式真值、原码、 反码、补码。 解：真值：X＝+1101，Y＝-1011 [X]原＝ [X]反＝ [X]补＝01101 [Y]原＝11011， [Y]反＝ 10100 [Y]补＝10101
§4.1机器数的加减运算及其实现
2. 双符号位判断法 又称为变形补码判断法 定义：正数用00表示符号 负数用11表示符号 性质： [X+Y]变形补=[X]变形补+[Y]变形补 [[X ]变形补]变形补=[X]原
§4.1机器数的加减运算及其实现
判断方法： 若双符号位相同（00或11），则无溢出 若双符号位不同（01或10），则有溢出 01：正溢出；10：负溢出 例：
§4.1机器数的加减运算及其实现
结果错误的原因： 1.符号参加运算 2.产生了溢出
例：设有两个定点小数X=+0.10111,Y=- 0.10001 ， 用补码的加法求Z=X+Y 解：[X]补= 0.10111，[Y]补=1.01111 [X+Y]补= [X]补+[Y]补=0.10111+1.01111
符号位 溢出
010111 +101111 1000110
§4.1机器数的加减运算及其实现
例 ： 设 有 两 个 定 点 小 数 X=-0.10111 ， Y=+0.10001，用补码的加法求Z=X+Y 解：[X]补=1.01001，[Y]补=0.10001 [X+Y]补= [X]补+[Y]补=1.01001+0.10001
00110110 +1 1 0 0 1 1 0 1 100000011
符号位 正溢出
00110110 +0 0 1 1 0 0 1 1 01101001
§4.1机器数的加减运算及其实现
四、补码加减法线路的实现 逻辑电路如图所示：
§4.1机器数的加减运算及其实现
§4.1机器数的加减运算及其实现
性质二: 一个数的补码的补码是这个数的原码 [[X ]补]补=[X]原 例：设有两定点小数X＝0.10011， Y＝-0.11001，求其补码的补码 解： [X]原=0.10011，[X]补=0.10011 [[X ]补]补=0.10011＝ [X]原 [Y]原=1.11001，[Y]补=1.00111 [[Y ]补]补=1.11001＝ [Y]原