2023计算机组成原理复习【1-4】

第一章 计算机系统概述

1．计算机语言的分类：高级语言，低级语言（汇编语言与机器语言）。P8

• 高级语言是人类可读写的编程语言。低级语言包括汇编语言和机器语言两种。汇编语言是一种直接使用符号代替计算机指令的语言，便于程序员编写交互式代码。机器语言则是计算机可以直接执行的二进制指令，它不需要编译器或解释器来将代码翻译成计算机能够理解的格式。低级语言相对于高级语言而言，具有更高的运行效率和底层控制能力，但是编写难度较大且可读性不好，通常用于特定场景下的编程需求。
• ISA(指令集体系结构)：软件和硬件之间接口，简称体系结构；ISA规定的内容有哪些？具体实现的组织称微体系结构，简称微架构。
  • ISA规定的内容：1. 指令集：定义CPU所能够支持的指令集合，例如x86、ARM、MIPS等。2. 寄存器：定义CPU中的通用寄存器、特殊寄存器、状态寄存器等寄存器类型及其功能。3 . 内存系统结构：定义内存访问方式、地址线宽度、字节顺序等。4. I/O系统结构：定义输入输出系统架构、控制器等。
• ISA和微架构是两个不同层面上概念，微架构是软件不可感知部分。P9
  • 指令集体系结构是指软件能感知到的部分，也称软件可见部分。相同的ISA可以有不同的微体系结构，微体系结构由逻辑电路实现。

2．冯·诺依曼原理的内容理解；冯·诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，冯·诺依曼计算机中，CPU如何区分取出的二进制流是指令还是数据？P14

• 冯·诺依曼原理指的是计算机应该采用存储程序的方式，即将指令和数据存储在同一块存储器中，并按地址区分，使得指令可以像数据一样被读取和处理。
• 从时间来说：取指令事件发生在“取指周期”；取数据事件发生在“执行周期”；从空间来说：取出的二进制代码是指令，一定送往指令寄存器（控制器）；取出的二进制代码是数据，一定送往数据寄存器（运算器）。

3． 计算机系统性能评价，学会计算：CPI，用户CPU时间，P17- P18

• CPI = CPU时钟周期数 ÷ 执行的指令条数
• 用户CPU时间是指用户程序在CPU上消耗的时间，也可以理解为用户程序执行的时间。它是衡量计算机性能的另一个重要指标。用户CPU时间越短，表示用户程序的执行效率越高。
  计算公式如下：
  用户CPU时间 = 执行的指令条数 × CPI × 时钟周期（主频的倒数）

第二章 数据的机器级表示

1．浮点数尾数的规格化：尾数如果采用原码，规格化尾数必定是±0.1****格式。浮点数所能表示的范围和精度分别取决于阶码与尾数。

2．IEEE-754单精度、双精度浮点数格式，能够根据给出的真实值能求出IEEE格式的浮点数。

十进制数0.3125转换为IEEE-754单精度浮点数。

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答案：将0.3125表示为二进制数为0.0101，对其规范化后变为1.01 x 2^-2。因此，阶码为-2+127=125，二进制表示为01111101。尾数为01000000000000000000000，因此IEEE格式的单精度浮点数为0 01111101 01000000000000000000000。

3．大端方式和小端方式，学会按字节编址的存储空间里如何存储数据。

大端方式是指高字节存储在内存低地址，而小端方式是指高字节存储在内存高地址

以16位整数0x1234为例：

• 在大端方式中，0x12存储在低地址，0x34存储在高地址。
• 在小端方式中，0x12存储在高地址，0x34存储在低地址。

大端正常顺序（平常上课见到的那种顺序），小端是大端的逆序

第三章 运算方法和运算部件

1．C语言，包括位扩展及位截断。P53

• 位扩展是将变量的最高位复制到所有较高的位上，从而保持变量的符号不变。例如，在将8位整数转换成16位整数时，将原来的最高位（即符号位）复制到剩余的8位中，以保持变量的符号值不变。（无符号数就拓展0）
• 位截断是指将变量的某些位设置为0，从而实现对变量的位精度的控制。例如，在将16位整数转换成8位整数时，需要将变量的高8位截断，只保留低8位的值。

2．ALU干啥的? ALU的核心是加法器。

ALU是专门的算术逻辑部件，用来完成基本逻辑运算和定点数加减运算。

3．结合习题，学会定点数一位乘法（原码一位乘法、补码一位乘法[布斯公式]，掌握步骤及特点）。（以例题、习题复习）
另外注意：补码的乘法不具备[X×Y]补=[X]补×[Y]补的性质。

原码一位乘法：1101 × 1011

关于最后什么时候停止——直到原来的乘数所有位都被丢弃为止

补码一位乘法x=0.1101, y=-0.1011

关于什么时候停止运算——当乘数所有位数都参与完比较后（最后要右移），最后结果低4位不包含原来乘数的位数

4．浮点数的加减法、乘法除法运算步骤（特别注意尾数规格化），结合习题，学会计算。
例如采用IEEE-754扩展的浮点数格式(例如8位浮点数包含1位符号位，4位阶码和3位尾数，阶码的偏置为7)，实现浮点数相乘过程。

浮点数加减法(用补码表示)
更早的应该是先将给出的十进制数转为二进制数（IEEE规格化——1.xxx），然后再转成浮点数
（1）对阶：采用小阶向大阶看齐的方法，实现对阶（尾数要移动相应的对阶数）
（2）尾数相加减：尾数进行相加减，并保留正确的长度。（正常加减）
（3）规格化
（3）舍入：将结果舍入为对应精度的数值，如四舍五入。
（4）溢出判断：如果加减后的结果超出了该浮点数所能表示的范围，发生了溢出，需要进行错误处理。

规格化后应该是——1.xxx

1. 尾数相乘（原码乘法）、阶码相加（减）
2. 尾数规格化
3. 尾数舍入处理
4. 阶码溢出判断

习题参考部分：见作业参考答案。

原码、补码加减乘除法

答案

浮点数加减乘除

答案

注意尾数相加处——先用原码相加，如果没有进位则为减数的符号，有进位是被减数的符号（其实，也可以直接根据十进制看正负）。如果符号是负的，还要再用补码进行表示。可以自己算算这里的尾数相加

第四章 指令系统

1．指令操作码编码：固定长度操作码，扩展操作码。 例如习题6。

一条指令的格式：
| 操作码 | 地址码A1 | 地址码A2 | 地址码A3 |
指令的长度是固定的，题设会给，一般是16字节，地址码长度一般也会给
1.固定操作码编码
指令的操作码部分采用固定长度编码
2.扩展操作码编码
2.1 等长扩展法
2.2 不等长扩展法

2．指令系统中采用不同灵活的寻址方式，使用尽量短的地址码访问尽可能大的寻址空间。例如变址寻址的目标地址计算、相对寻址方式的计算。

变址寻址：PC+偏移量
相对寻址：寄存器内容+偏移量

3．CISC与RISC的主要特点(尤其RISC特点，选择题角度出发，理解含义就可)。

CISC：

• 采用复杂指令集，指令长度不固定，有多种寻址方式和操作类型。
• 拥有大量的指令集和复杂的指令编码方式，可以完成高级操作并减少代码长度。
• 硬件资源相对较多，能够充分利用硬件实现各种复杂的指令。
• 对编译器和开发人员的要求较低，直接翻译高级语言到汇编语言即可。
• 适合于数据密集型应用，如数据库、图像处理等。

RISC：

• 采用精简指令集，指令长度固定，只支持简单的寻址方式和操作类型。
• 指令集数量较少，每个指令执行的操作也比较简单，可以提高指令执行速度和效率。
• 硬件资源相对较少，采用流水线处理等技术来加速指令执行。
• 对编译器和开发人员的要求较高，需要更多的工作来优化代码。
• 适合于计算密集型应用，如数据挖掘、模拟仿真等。

• 计算机执行程序所需要的时间P= I×CPI×T 其中I是指令数,CPI是执行每条指令所需的平均周期数,T时钟周期。单周期CPU：CPI=1，还有流水线CPU，而超标量流水CPU<1。
• $1s(秒)=10^{3}ms(毫秒)=10^6\mu s(微秒)=10^{9}ns(纳秒)$
• 频率在数学表达式中用“f”表示，其相应的单位有：Hz(赫)、kHz(千赫)、MHz(兆赫)、GHz(吉赫)。其中1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。

4．结合习题，学会C高级语言的MIPS机器代码表示，注意MIPS寄存器的使用约定。注意MIPS汇编语句的执行过程，例如算术移位、逻辑移位。

算术移位——带符号
逻辑移位——不带符号

习题参考部分：见作业参考答案。

相对寻址

假定某计算机中有一条转移指令,采用相对寻址方式,共占两个字节,第一字节是操作码,第二字节是相对位移量(用补码表示),CPU每次从内存只能取一个字节。假设执行到某转移指令时PC的内容为200,执行该转移指令后要求转移到100开始的一段程序执行,则该转移指令第二字节的内容应该是多少

注意取完操作码之后再计算，所以是202
用补码表示

变址寻址

注意（1）这里的12是指十进制要转成十六进制

相对寻址和变址寻址都是计算完之后就是有效地址，里面的内容就是操作数

指令操作码编码：固定长度操作码，扩展操作码

注意：定长指令字格式≠定长操作码

更多参考，一定要看

其中，扩展编码时：二地址留出一种编码（1111）用来给一地址扩展简而言之——给出1111时，计算机辨认出要进行扩展。所以，零地址时，要二地址和一地址的扩展编码总共10位

设计指令

看看就行了

转移指令

阅读MIPS指令、计算程序运行时间

1: 将 a2 的内容左移 2 位,即乘 4
2: 将 a3 的内容左移 2 位,即乘 4
3: 将 $v0$ 置零
4: 将 $t0$ 置零
5: 将第一个数组的首地址存放在 $t4$
6: 取第一个数组的第一个元素存放在 $t4$
7: 将 t1 置零
8: 将第二个数组的首地址存放在 $t3$
9: 取第二个数组的第一个元素存放在 t3
10: 如果 t3 和 t4 不相等,则跳转到 $skip$
11: 将 v0 的值加 1,结果存于 $v0$
12: 将 t1 的值加 4,结果存于 $t1$
13:如果 $t1$ 不等于 $a3$ , 即还未取完数组中所有元素,则转移到 $inner$
14: 将 $t0$ 的值加 $4$
15:如果 $t0$ 不等于 $a2$ , 即还未取完数组中所有元素,则转移到 $outer$

写MIPS语句

十进制25在MIPS语句中也是直接用十进制（看上去是这样的）
注意一下 $LUI$

$sub$ $t1 $t1 $t2—— $t1-t2$ 存到 $t1$ 上

修改MIPS指令

MIPS指令

根据C语言写MIPS

看看就行了，真别考这种题吧，写不出来