计算机组成原理

计算类

浮点数加减

变形补码

1. 两个数字相异为溢出

IEEE754 标准

• 符号位 S（1 位）：0 为正，1 为负
• 阶码 E（8 位/11 位）： 是一种移码$2^k+e$ ，就是把最小的负数变成 0，这样就可以表示负数但不使用符号位。真值+$2^K$ 是这一部分的二进制代码
• 尾数 M：它的二进制值为$1.M$

特殊情况:

• E=255，M=0，结果为无穷大
• E=255，M!=0，结果为 NaN
• E=0，M=0，结果为 0，分正负
• E=0，M!=0，结果用$0.M \times 2^{-126}$ 表示

速记：阶码为 0，$0.M$，否则$1.M$

科学计数法表示 用$0.xxx \times 2^N$

浮点数加减法

1. 判断是否为 0

2. 对阶，小阶看大阶

3. 尾数加减

4. 结果规格化

存储器性能指标

1. 带宽：一定时间传输的数据量

2. 顺序存储器：设模块数为$m$，模块读取一个字周期为$T$，则总时间：$mT$

3. 交叉存储器：设模块数为$m$，总线传送周期为$\tau$，模块读取一个字周期为$T$，则总时间：$T+(m-1)tau$

4. 读取数据总量：$数据总线长度 \times 模块数$

Cache 性能指标

$N_c$ 为 cache 完成的总次数，$N_m$ 为主存完成的总次数;$t_c$ 为命中访问时间，$t_m$ 为未命中访问时间

1. 命中率：$h=\frac{N_c}{N_c+N_m}$

2. 平均访问时间：$t_a = ht_c+(1-h)t_m$

3. 访问效率（命中时间/平均时间）：$e=\frac{t_c}{t_a}$

流水线性能指标

1. 时空图

2. 实际吞吐率：指令数/总时间
3. 加速比：非流水线用时/流水线用时

硬磁盘性能指标

1. 记录面：磁盘表面，双向

2. 柱面：磁道的数目

3. 存储密度：

   • 道密度：沿着半径，单位长度磁道数，道/英寸
   • 位密度：单位磁道长度记录的二进制代码，位/英寸
   • 面密度：位密度 * 道密度

4. 单磁道容量$N=2 \pi r * D$，D 为位密度

5. 存储容量计算：$面密度 * 单盘面积 * 记录面数$

6. 平均寻址时间：找道时间、寻区时间

7. 平均存取时间：平均找道时间$T_s$ +平均寻区时间$\frac{1}{2r}$ +数据传输时间$\frac{b}{rN}$

   • r: 磁盘旋转速率
   • N: 每磁道字节数
   • b: 传送的字节数

8. 数据传输率：$D_r = D \times v = nN$，其中 D 为位密度，v 为线速度，n 为转速，N 为每磁道容量

分析类

存储器拓展

1. 选模块：高位地址
2. 算芯片个数：存储量换算到位，再相除
3. 画图：地址总线、数据总线、译码器

分析指令格式

1. 看字长：单字长、双子长

2. 几地址：看地址个数

3. 类型：RR(仅访问寄存器)、RS(访问寄存器、存储器)、SS(仅访问存储器)

4. 操作个数：$2^{OP长度}$

5. 寻址方式：

寻址方式	说明
立即寻址	操作数直接在指令中
寄存器寻址	操作数在寄存器
直接寻址	操作数的地址在指令中
寄存器间接寻址	操作数的地址在寄存器中
间接寻址	操作数的地址在存储器中
相对寻址	操作数的地址为 PC+偏移量
基址寻址	操作数的地址在基址寄存器
基址变址寻址	操作数的地址=变址寄存器+偏移量

处理器

指令流水线

1. 时空图

2. 实际吞吐率：指令数/总时间
3. 加速比：非流水线用时/流水线用时

设计类

存储器组成

同分析：存储器拓展

数据通路

1. 数据总线
2. 暂存器->ALU
3. DR 和主存双向
4. AR 和主存单向
5. ALU->PC 加一

指令格式设计

1. 操作码个数：决定 OP 长度
2. 寻址方式：决定长度
3. 操作数个数：单地址、双地址
4. 指令长度：单字、双字，决定指令长度

微指令、微程序控制器设计

1. 微程序控制器组成：

   • 控制存储器：存放微程序、只读
   • 地址转移逻辑：存放下一条指令的地址
   • 微指令寄存器：存放控制存储器读出的一条指令

2. 设计微指令：

   • 水平型：控制字段、判别测试字段（一个转移条件 1 位）、下地址字段（同控存容量）
   • 垂直型：微操作码、原寄存器、目标寄存器、其他

3. 微地址形成方法：

   • 计数器方式：后继微地址采用现行微地址加上增量
   • 多路转移方式：按判别测试和状态条件选择后续的微地址

指令执行流程