@[TOC]
一、计算机系统概论
看书看书，都是文字，（想拿高分）多了解
二、数据的表示和运算
各种进制及其转换
| 进制 | 举例 |
|---|---|
| 二进制： 0,1 | 二进制： 101.1 —> 1 × 2! + 0 × 2″ + 1 × 2# + 1 × 2%” = 5.5 |
| 八进制： 0,1,2,3,4,5,6,7 | 八进制： 5.4 —> 5 × 8# + 4 × 8%” = 5.5 |
| 十进制： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 | 十进制： 5.5 —> 5 × 10# + 5 × 10%” = 5.5 |
| 十六进制： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F | 十六进制： 5.8 —> 5 × 16# + 8 × 16%” = 5.5 |
| ## 各种进制的常见书写方式 | |
 |
二进制优越性
①可使用两个稳定状态的物理器件表示 ②0，1 正好对应逻辑值 假、真。方便实现逻辑运算 ③可很方便地使用逻辑门电路实现算术运算
任意进制→十进制
采用r 进制计数法每个位数的基数×该进制的位权次幂依次相加就可以啦
r 进制计数法
==基数==：每个数码位所用到的不同符号的个数，r 进制的基数为 r
举例
| 进制 | 计算举例 |
|---|---|
| 二进制：1 0 0 1 0 0 1 0 . 1 1 0 | 1 * 2^7 + 1 * 2^4 + 1 * 2^1 + 1 * 2^-1 + 1 * 2^-2 = 146.75 |
| 八进制：251.5 | 2 * 8^2 + 5 * 8^1 + 1 * 8^0 + 5 * 8^-1 = 168.625 |
| 十六进制：AE86.1 | 10 * 16^3 + 14 * 16^2 + 8 * 16^1 + 6 * 16^0 + 1 * 16^-1 = 44678.0625 |
大家也可以记住常见的二进制各个位的十进制值（右击保存图片收藏）
二进制↔八进制、十六进制
二进制 —> 八进制
3位一组，毎组转换成对应的八进制符号
八进制—> 二进制
每位八进制对应的3位二进制
二进制 —> 十六进制
4位一组，毎组转换成对应的十六进制符号
二进制 —> 十六进制
4位一组，毎组转换成对应的十六进制符号
十进制→任意进制
除 x 取余倒排法(x 代表进制数)
完整内容可以参考这个回答：zhidao.baidu.com/question/37… 如：75.3 小数部分=0.3 那么我们转化成二进制就是这样
- 整数部分
– 小数部分
十进制→二进制（拼凑法）
用这个图直接凑
真值和机器数
- 真值：符合人类习惯的数字
- 机器数：数字实际存到机器里的形式，正负号需要被“数字化”
例如下面两个数
定点数与浮点数的举例
| 举例 | |
|---|---|
| 定点数：小数点的位置固定 | Eg：996.007 ——常规计数 |
| 浮点数：小数点的位置不固定 | Eg：9.96007*102 ——科学计数法 |
无符号数
概念
==无符号数==：整个机器字长的全部二进制位均为数值位，没有符号位，相当于数的绝对值。
例如：
表示范围
8位二进制数有 2^8 种不同的状态 n位的无符号数表示范围为：0 ～ 2^n -1
有符号数
有符号数的表示
例如 但是这样小数点的位置会不固定，我们在面对所有数据都不固定小数位的时候我们的心情会是这样
所以就有了有符号数的定点表示的规定
有符号数的定点表示
定点整数
定点小数
注意：
-
可用 原码、反码、补码 三种方式来表示定点整数和定点小数。
-
还可用 移码 表示定点整数。
-
若真值为 x，则用 [x]原、[x]反、[x]补、[x]移 分别表示真值所对应的原码、反码、补码、移码
原码、反码、补码、移码
原码
反码
-
若符号位为==0==，则==反码与原码相同==
-
若符号位为==1==，则==数值位全部取反==
补码
- 正数的补码 = 原码
- 负数的补码 = 反码末位+1（要考虑进位）
- 将负数补码转回原码的方法相同：尾数取反，末位+1
移码
- 移码： 补码的基础上将符号位取反。
注意：移码只能用于表示整数
用几种码表示定点整数
各种码的真值0
| [+0] | [-0] | |
|---|---|---|
| 原码 | [+0]原=00000000 | [-0]原=10000000 |
| 反码 | [+0]反=00000000 | [-0]反=11111111 |
| 补码 | [+0]补= [-0]补= 00000000 | [+0]补= [-0]补= 00000000 |
| 反码 | [+0]移= [-0]移= 10000000 | [+0]移= [-0]移= 10000000 |
各种码转换图
各种码表示范围
算数移位运算
移位：通过改变各个数码位和小数点的相对位置，从而改变各数码位的位权。可用移位运算实现乘法、除法
原码的算数移位
例如原码为 10101000 进行算数移位 原码的算数移位——==符号位保持不变，仅对数值位进行移位。==
- 右移：高位补0，低位舍弃。若舍弃的位=0，则相当于÷2；若舍弃的位≠0，则会丢失精度
- 左移：低位补0，高位舍弃。若舍弃的位=0，则相当于×2；若舍弃的位≠0，则会出现严重误差
反码的算数移位
反码的算数移位——==正数的反码与原码相同，因此对正数反码的移位运算也和原码相同。==
- 右移：高位补0，低位舍弃。
- 左移：低位补0，高位舍弃
反码的算数移位——==负数的反码数值位与原码相反，因此负数反码的移位运算规则如下，==
- 右移：高位补1，低位舍弃。
- 左移：低位补1，高位舍弃。
补码的算数移位
补码的算数移位——==正数的补码与原码相同，因此对正数补码的移位运算也和原码相同。==
- 右移：高位补0，低位舍弃。
- 左移：低位补0，高位舍弃。
补码的算数移位——==负数补码===反码末位+1 导致反码最右边几个连续的1都因进位而变为0，直到进位碰到第一个0为止。
规律——==负数补码中，最右边的1及其右边同原码。最右边的1的左边同反码== 负数补码的算数移位规则如下：
- 右移（同反码）：高位补1，低位舍弃。
- 左移（同原码）：低位补0，高位舍弃。
逻辑移位
- 逻辑右移：高位补0，低位舍弃。
- 逻辑左移：低位补0，高位舍弃。
可以把逻辑移位看作是对“无符号数”的算数移位
逻辑移位的应用举例
例如颜色RGB分别存储的数据为： R = 102 01100110 G = 139 10001011 B = 139 10001011
需要将三个灰度值合成一个才能成彩色图像
循环移位
原码的加减运算
原码的加法运算：
- 正+正 → 绝对值做加法，结果为正 （可能会溢出）
- 负+负 → 绝对值做加法，结果为负 （可能会溢出）
- 正+负 → 绝对值大的减绝对值小的，符号同绝对值大的数
- 负+正 → 绝对值大的减绝对值小的，符号同绝对值大的数
原码的减法运算，“减数”符号取反，转变为加法：
- 正-负 → 正+正
- 负-正 → 负+负
- 正-正 → 正+负
- 负+正 → 负-负
补码的加减运算
对于补码来说，无论加法还是减法，最后都会转变成加法，由加法器实现运算，符号位也参与运算。
补充：
1. 求[-B]补
[-B]补 ： [B]补连同符号位一起取反加1
2. 负数补 → 原：
①数值位取反+1； ②负数补码中，最右边的1及其右边同原码。最右边的1的左边同反码
例题
我们先看一道例题：设机器字长为8位（含1位符号位），A = 15，B = -24，求[A+B]补和[A−B]补
先将A B的原码补码都求出来
[A+B]补 = [A]补 + [B]补 = 0,0001111 + 1,1101000 = 1,1110111 原码：1,0001001 真值-9
[A-B]补 = [A]补 + [-B]补 = 0,0001111 + 0,0011000 = 0,0100111 真值+39
我们将题改一下： 其中 C = 124，求[A+C]补和[B−C]补，按照上面方法求出可得： [A+C]补 = 0,0001111 + 0,1111100 = 1,0001011 真值-117 溢出（实际应该是139，但是溢出后是 -117） [B−C]补 = 1,1101000 + 1,0000100 =0,1101100 真值+108
溢出判断
溢出条件
- 只有“正数+正数 ”才会上溢 —— 正+正=负
- 只有“负数+负数 ”才会下溢 —— 负+负=正
溢出判断：采用双符号位
正数符号为00，负数符号为11 [A+C]补 = 00,0001111 + 00,1111100 = ==01==,0001011 上溢 [B−C]补 = 11,1101000 + 11,0000100 = ==10==,1101100 下溢
记两个符号位为S1 S2 ，则V=S1异或S2
- 若V=0，表示无溢出；
- 若V=1，表示有溢出。
乘法运算的思想
手算乘法（二进制）
例如： 算 0.1101×0.1011
列竖式
移位运算
原码的一位乘法
补充：运算器相关知识
运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）
- ACC： 累加器，用于存放操作数，或运算结果。
- MQ： 乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
- X： 通用的操作数寄存器，用于存放操作数
- ==ALU==： 算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算
| 加 | 减 | 乘 | 除 | |
|---|---|---|---|---|
| ACC | 被加数、和 | 被减数、差 | 乘积高位 | 被除数、余数 |
| MQ | 乘数、乘积低位 | 商 | ||
| X | 加数 | 减数 | 被乘数 | 除数 |
原码一位乘法实现方法：先加法再移位，重复n次
符号位通过==异或==确定；数值部分通过被乘数和乘数绝对值的 n 轮加法、移位完成根据当前乘数中参与运算的位确定(ACC)加什么。
- 若当前运算位 =1，则(ACC)+[|x|]原；
- 若当前运算位 =0，则(ACC)+0。
每轮加法后ACC、MQ的内容统一逻辑右移
手算模拟
tips
- 乘数的符号位不参与运算，可以省略
- 原码一位乘可以只用单符号位
- 答题时最终结果最好写为原码机器数
例题
设机器字长为5位（含1位符号位，n=4），x = −0.1101，y = +0.1011，采用原码一位乘法求x·y
解：手动计算是这样 符号位：1与0进行异或运算，得0。
所以随后结果是：==x·y= -0.10001111==
补码的一位乘法（Booth算法）
- 进行 n 轮加法、移位，最后再多来一次加法
- 每次加法可能 +0 、+[x]补、+[-x]补
- 每次移位是“补码的算数右移”
- 符号位参与运算
在第二个步骤中，需要根据MQ中的最低位、辅助位 来确定加什么：
- 辅助位 – MQ中最低位 = 1时，(ACC)+[x]补
- 辅助位 – MQ中最低位 = 0时，(ACC)+0
- 辅助位 – MQ中最低位 = -1时，(ACC)+[-x]补
手算模拟
例题
设机器字长为5位（含1位符号位，n=4），x = −0.1101，y = +0.1011，采用Booth算法求x·y
解：手动计算是这样 最后得 [x·y]补 = 11.01110001 即x·y = −0.10001111
做题总结
- n轮加法、算数右移，加法规则如下： 辅助位 – MQ中最低位 = 1时，(ACC)+[x]补 辅助位 – MQ中最低位 = 0时，(ACC)+0 辅助位 – MQ中最低位 = -1时，(ACC)+[-x]补
- 补码的算数右移： 符号位不动，数值位右移，正数右移补0， 负数右移补1（符号位是啥就补啥）
- 一般来说，Booth算法的被乘数、部分积采用双符号位补码
原码，补码一位乘法的对比
| 原码一位乘法： | 补码一位乘法： | ||
|---|---|---|---|
| 进行 n 轮加法、移位 | 进行 n 轮加法、移位，最后再多来一次加法 | ||
每次加法可能 +0 、`+[ |
x | ]`原 | 每次加法可能 +0 、+[x]补、+[-x]补 |
| 每次移位是“逻辑右移” | 每次移位是“补码的算数右移” | ||
| 符号位不参与运算 | 符号位参与运算 | ||
| # 原码除法：恢复余数法（了解，不考） | |||
| 思路图（打字打不清楚了是） | |||
|
补充知识：大小端模式与边界对其
大小端模式
大家一定知道：多字节数据在内存里一定是占连续的几个字节
最高有效字节我们用MSB表示 最低有效字节我们用LSB表示
例如
-
大端模式更便于人类阅读
-
小端模式更便于便于机器处理
边界对齐
现代计算机通常是按字节编址，即每个字节对应1个地址 通常也支持按字、按半字、按字节寻址。 假设存储字长为32位，则1个字=32bit，半字=16bit。
每次访存只能读/写1个字
-
下面是边界对其方式：不够四字节的会填充空的
-
下面是不对齐方式，不够四字节的不填充
浮点数的表示
定点数：如纯小数0.1011和纯整数11110
浮点数表示形式
==阶码==：常用补码或移码表示的定点整数 ==尾数==：常用原码或补码表示的定点小数
浮点数的真值：
阶码E反映浮点数的表示范围及小数点的实际位置； 尾数M的数值部分的位数n反映浮点数的精度。
举个栗子
例题：阶码、尾数均用补码表示，求a、b的真值 a = 0,01;1.1001 b = 0,10;0.01001
解： a： 阶码0,01对应真值+1 尾数1.1001对应真值-0.0111
a的真值 = 2^1^×(−0.0111) = −0.111 ==（相当于尾数表示的定点小数算数左移一位，或小数点右移一位）==
b： 阶码0,10对应真值+2 尾数0.01001对应真值+0.01001
b的真值 = 2^2^×(+0.01001) = +1.001 ==（相当于尾数表示的定点小数算数左移2位，或小数点右移2位）==
浮点数尾数的规格化
规格化浮点数：规定尾数的最高数值位必须是一个有效值 。
左归与右归
-
左规：当浮点数运算的结果为非规格化时要进行规格化处理， 将尾数算数左移一位，阶码减1。
-
右规：当浮点数运算的结果尾数出现溢出（双符号位为01或10）时， 将尾数算数右移一位，阶码加1。
说白了就是：
-
左归就是通过算数左移、阶码减1 来规格化
-
右归就是通过算数右移、阶码加1 来规格化
例题：浮点数加法
例：a = 010;00.1100，b = 010;00.1000，求a+b
解：a = 2^2^×00.1100 ，b = 2^2^×00.1000 a+b = 2^2^×00.1100 + 2^2^×00.1000 = 2^2^×(00.1100 + 00.1000) = 2^2^×01.0100 = 2^3^×00.1010
（注：采用“双符号位” ，当溢出发生时，可以挽救。更高的符号位是正确的符号位）
规格化浮点数的特点
1. 用原码表示的尾数进行规格化：
- 正数为0.1××…×的形式，其最大值表示为0.11…1；最小值表示为0.10…0。 尾数的表示范围为1/2≤M≤(1−2^−n^)。
- 负数为1.1××…×的形式，其最大值表示为1.10…0；最小值表示为1.11…1。 尾数的表示范围为−(1−2^−n^)≤M≤−1/2。
2. 用补码表示的尾数进行规格化：
- 正数为0.1××…×的形式，其最大值表示为0.11…1；最小值表示为0.10…0。 尾数的表示范围为1/2≤M≤(1−2−n)。
- 负数为1.0××…×的形式，其最大值表示为1.01…1；最小值表示为1.00…0。 尾数的表示范围为−1≤M≤−(1/2+2−n)
3. 表示范围
4. 注意事项（※）
1. 规格化的原码尾数，最高数值位一定是1
2. 规格化的补码尾数，符号位与最高数值位一定相反
3. 补码算数左移，低位补0；补码算数右移，高位补1
浮点数的加减运算
我们可以先通过十进制的浮点数加减运算步骤来类推二进制的
十进制浮点数加减运算步骤：
浮点数加减运算包括五个步骤：① 对阶② 尾数加减③ 规格化④ 舍入⑤ 判溢出
例如：计算9.85211 × 10^12^ + 9.96007 × 10^10^
解：
二进制浮点数的加减运算
上面我们进行了十进制的浮点数的加减运算，下面我们可以以此类推，也按照上面五个步骤来做
直接看一个例题：已知十进制数X=−5/256、Y=+59/1024，按机器补码浮点运算规则计算X−Y，结果用二进制表示，浮点数格式如下：==阶符取2位，阶码取3位，数符取2位，尾数取9位==
解：
首先我们先用补码表示阶码和尾数，
5D = 101B，1/256 = 2^-8^ → X = – 101 × 2^-8^ = – 0.101 × 2^-5^ = – 0.101 × 2^-101^ 59D = 111011B，1/1024 = 2^-10^ → Y = + 111011 × 2^-10^ = + 0.111011 × 2^-4^ = + 0.111011 × 2^-100^
再转化成补码形式 X：11011,11.011000000 ==（X是负数 转化成补码取反+1 阶码 尾数都一样操作）== Y：11100,00.111011000
1. 对阶
使两个数的阶码相等，小阶向大阶看齐，尾数毎右移一位，阶码加1
① 求阶差：[ΔE]补=11011+00100=11111，知ΔE=−1 ② 对阶： X：11011,11.011000000 → 11100,11. 101100000 X = – 0.0101 × 2^-100^
2. 尾数加减
-Y：11100,11.000101000 ==（求码的负数的方法：连符号位一块取反+1）==
然后让X加上-Y
11.101100000
+ 11.000101000
10.110001000
所以X-Y：11100, 10.110001000
3. 规格化
X-Y：11100, 10.110001000 à 11101,11.011000100
4. 舍入
无舍入
5. 判溢出
常阶码，无溢出，结果真值为2−3×(−0.1001111)2
浮点数的加减运算——舍入规则
“0”舍“1”入法：
类似于十进制数运算中的“四舍五入”法，即在尾数右移时，被移去的最高数值位为0，则舍去；被移去的最高数值位为1，则在尾数的末位加1。这样做可能会使尾数又溢出，此时需再做一次右规。
恒置“1”法：
尾数右移时，不论丢掉的最高数值位是“1”还是“0”，都使右移后的尾数末位恒置“1”。这种方法同样有使尾数变大和变小的两种可能。
例如
强制类型转换
转化的可操作性
char → int → long → double float → double int → float：可能损失精度 float → int：可能溢出及损失精度
结论：范围、精度从小到大，转换过程没有损失
原因：拿32位来说： int：表示整数，范围 -2^31^ ～ 2^31^-1 ，有效数字32位 float：表示整数及小数，范围 ±[2^-126^ ～ 2^127^×(2−2^−23^)]，有效数字23+1=24位
奇偶校验码
概念
由若干位代码组成的一个字叫==码字==。 将两个码字逐位进行对比，具有不同的位的个数称为==两个码字间的距离==。 一种编码方案可能有若干个合法码字，各合法码字间的最小距离称为“==码距==”。 例如：下面两组的码距分别是1和2
其中==码距==的能力范围是：
- 当d=1时，无检错能力；
- 当d=2时，有检错能力；
- 当d≥3时，若设计合理，可能具有检错、纠错能力
奇偶校验码
- 奇校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为奇数。
- 偶校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为偶数。
例1： 给出两个编码1001101和1010111的奇校验码和偶校验码。 设最高位为校验位，余7位是信息位，则对应的奇偶校验码为： 奇校验： 11001101 01010111 偶校验： 01001101 11010111
1 0
例2： 给出两个编码1001101和1010111的奇校验码和偶校验码。 设最高位为校验位，余7位是信息位，则对应的奇偶校验码为： 奇校验： 11001101 01010111 偶校验： 01001101 11010111
偶校验的硬件实现：各信息进行异或（模2加）运算，得到的结果即为偶校验位
例如：将上述例子求偶校验位：
偶数个错误校验不出
例如
总结
三、主存储器
保留，我貌似没学过，不晓得，可能和后面存储系统混了，先看看书
四、指令系统
指令案例文章（必看）：editor.csdn.net/md/?article…
现代计算机的结构
这次就开搞控制器！
学会指令系统就可以更精进之前搞的典型过程了：yangyongli.blog.csdn.net/article/det…
指令格式
指令的定义
==指令（又称机器指令）==：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为==指令集==。
注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。
例如：x86 架构、ARM架构之间不能互相执行对方架构系统的指令。
指令格式
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分（如下图所示）：
==操作码==就是要表达用户要干什么？ 比如：停机中断、求反求补、加减乘除……
==地址码==就是要说明对谁进行操作？ 比如：不需要操作对象、需要一个操作对象、需要两个操作对象……
其中 一条指令可能包含 0个、1个、2个、3个、4个 地址码…
根据地址码数目不同，可以将指令分为 零地址指令、一地址指令、二地址指令…
零地址指令
- 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
- 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
一地址指令
- 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等 指令含义：OP(A1)→A1 ，完成一条指令需要3次访存：取指→ 读A1 →写A1
- 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC） 指令含义： (ACC)OP(A1)→ACC，完成一条指令需要2次访存：取指→ 读A1
注：A1 指某个主存地址， (A1)表示 A1 所指向的地址中的内容
二、三地址指令
==常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令==
指令含义：(A1)OP(A2)→A1 完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A1
==常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令==
指令含义：(A1)OP(A2)→A3 完成一条指令需要访存4次，取指→ 读A1→读A2 →写A3
四地址指令
指令含义：(A1)OP(A2)→A3，A4=下一条将要执行指令的地址
完成一条指令需要访存4次，取指 →读A1 →读A2 →写A3
正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令 四地址指令：执行指令后，将PC的值修改位 A4 所指地址
小杨同学表示：事真多！
地址码的位数有什么影响？
n位地址码的直接寻址范围=2^n^，==若指令总长度固定不变，则地 址码数量越多，寻址能力越差==
分类
指令-按地址码数目分类
指令-按指令长度分类
可以分为：半字长指令、单字长指令、双字长指令 ——指令长度是机器字长的多少倍
==指令字长==：一条指令的总长度（可能会变） ==机器字长==：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关） ==存储字长==：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存
定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等 变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
指令-按操作码长度分类
- 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同（n位 → 2^n^条指令） ——控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
- 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变 ——控制器的译码电路设计复杂， 但灵活性较高
- 扩展操作码指令格式：定长指令字结构+可变长操作码
指令—按操作类型分类
-
数据传送（==数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送==） LOAD 作用：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目的）中 STORE 作用：把寄存器（源）中的数据放到存储器（目的）中
-
算术逻辑操作 算术：加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算 逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
-
移位操作 算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
-
转移操作（==程序控制类：改变程序执行的顺序==） 无条件转移 JMP 条件转移 JZ：结果为0；JO：结果溢出；JC：结果有进位 调用和返回 CALL和RETURN 陷阱(Trap)与陷阱指令
-
输入输出操作（==输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送==） CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)
指令格式小结
扩展操作码
指令由操作码和若干个地址码组成。
PS：先回顾一下指令字结构与操作码的概念：
- 定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
- 变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
- 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
- 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
定长指令字结构+可变长操作码 → 扩展操作码指令格式（==即不同地址数的指令使用不同长度的操作码==）
扩展操作码举例
这只是一种设计方法：
设计扩展操作码需注意：
- 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。（==对比哈夫曼树“前缀编码”==）
- 各指令的操作码一定不能重复。
通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
设计扩展操作码例题：
设指令字长固定为16位，试设计一套指令系统满足： a) 有15条三地址指令 b) 有12条二地址指令 c) 有62条一地址指令 d) 有32条零地址指令
设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m×2!种状态
解： a) 共2^4^=16种状态 留出16-15=1种
b) 共1 ×2^4^=16种 留出16-12=4种
c) 共4 ×2^4^=64种 留出64-62=2种
d) 共2 ×2^4^=32种
| 0000 -1110 | A1(取的合法范围) | A2 | A3 | |
|---|---|---|---|---|
| 1111 XXXX XXXXXXXX | 1111 | 0000 -1011 | A1 | A2 |
| 1111 11XX XXXX XXXX | 1111 | 1100 –1110 1111 |
0000 –1111 0000 –1101 |
A1 |
| 1111 1111 111X XXXX | 1111 | 1111 | 1110 –1111 | 0000 -1111 |
指令操作码
==操作码==指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。
==操作码==是识别指令、了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使用方法等的==关键信息==。 例如，指出是算术加运算，还是减运算；是程序转移，还是返回操作。
操作码分类：
定长操作码：
==在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。==
- 一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2^n^条指令。
- 优：定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利； – 缺：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限。
扩展操作码(不定长操作码) ：
==全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。==
- 最常见的变长操作码方法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的 指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。
- 优： 在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类；
- 缺 ：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。
首先 ，我们还得先回忆一下计算机的工作过程：yangyongli.blog.csdn.net/article/det…
指令寻址
==指令寻址==： ==下一条== 欲执行 ==指令== 的 ==地址==（始终由程序计数器PC给出）
即( PC ) + 1→ PC，如下面图片的例子
该系统采用==定长指令字结构== 指令字长=存储字长=16bit=2B（地址为16位） 主存==按字编址==
我们将上面例子拆分为： 指令地址、操作码、地址码。如下图形式
顺序寻址
( PC ) + “1” → PC
跳跃寻址
由转移指令指出
JMP：无条件转移把PC中的内容改成地址码数值
O(∩_∩)O哈哈~
例如在前面的例子中
小结
指令寻址 v.s. 数据寻址
寻址方式不同
寻址方式特征包括：（十种）
数据寻址
我们在原有的寻址方式上加上四个bit位，也就是==寻址特征==（告诉后面的形式地址用什么方式来解读），就构成了==数据寻址==。
一地址指令形式：
最终解读完后得到一条有效地址（求出操作数的真实地址，称为==有效地址(EA)==。）
二地址指令形式：
以下寻址方式前提：假设指令字长=机器字长=存储字长，假设操作数为3
十种寻址方式
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
隐含寻址
立即寻址
偏移寻址
内容太多：请移驾另一篇博客： yangyongli.blog.csdn.net/article/det…
堆栈寻址
内容太多：请移驾另一篇博客： yangyongli.blog.csdn.net/article/det…
数据寻址小结
CISC和RISC对比（整的少，要高分看书上的背）
CISC： Complex Instruction Set Computer RISC： |
RISC： Reduced Instruction Set Computer |
|
|---|---|---|
| 类比 | 有很多库函数的C语言 | 没有库函数的C语言 |
| 设计思路 | 一条指令完成一个复杂的基本功能。 | 一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能。 |
CISC的思路：除了提供整数的加减乘指令除之外，还提供矩阵的加法指令、矩阵的减法指令、矩阵的乘法指令 |
RISC的思路：只提供整数的加减乘指令 |
|
| 代表 | x86架构，主要用于笔记本、台式机等 | ARM架构，主要用于手机、平板等 |
| 指令与电路 | 一条指令可以由一个专门的电路完成 | 一条指令一个电路，电路设计相对简单，功耗更低 |
| 实现 | 有的复杂指令用纯硬件实现很困难 → 采用“存储程序”的设计思想，由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令 | “并行”、“流水线” |
将上面分的更细一下，如下表格
举个栗子
举个栗子，拿之前的计算机工作原理图来说，忘了的小伙伴可以点击下面链接再看一下： blog.csdn.net/weixin_4552… 其中，乘法指令可以访存，一定是CISC
五、中央处理器
CPU的功能
- 指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。
- 操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管 理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件， 从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
- 时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间 顺序提供应有的控制信号。
- 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
- 中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。
运算器和控制器的功能
-
==运算器==：对数据进行加工
-
==控制器== 协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列， 基本功能包括取指令、分析指令、执行指令
- 取指令：自动形成指令地址；自动发出取指令的命令。
- 分析指令：操作码译码(分析本条指令要完成什么操作)；
- 产生操作数的有效地址。
- 执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。
- 中断处理：管理总线及输入输出；处理异常情况(如掉电)和特殊请 求(如打印机请求打印一行字符)
更形象点，如下图：
运算器的基本结构
运算器包括：==算术逻辑单元与通用寄存器组。==
- ==算术逻辑单元==：主要功能是进行算术/逻辑运算。
- ==通用寄存器组==：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
例如下图：（当然没有这么简单，这只是个概图，肯定不是这么简单的了，大家可以先参考一下）
专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。
问题探究
如果按照上图直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据？？？
那肯定是不行的呀，这样数据不就传输混乱的嘛，那么我们怎样解决呢？
解决方法1. 使用多路选择器
根据控制信号选择一路输出
解决方法2. 使用三态门
可以控制每一路是否输出 如：
R0out为1时R$中的数据输出到A端，
R0out为0时R$中的数据无法输出到A端
优缺点：性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。
运算器真正的基本结构
CPU采用内部单总线方式：==将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。==
- ==算术逻辑单元==：主要功能是进行算术/逻辑运算。
- ==通用寄存器组==：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
- ==暂存寄存器==：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
- ==累加寄存器==：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
- ==程序状态字寄存器==：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
- ==移位器==：对运算结果进行移位运算。
- ==计数器==：控制乘除运算的操作步数。
优缺点
结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。
控制器的基本结构
- 程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。
- 指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
- 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
- 微操作信号发生器：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。 5.时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。
- 存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。
- 存储器数据寄存器：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。
我们上面运算器与控制器合起来，构成一个CPU。
CPU整体的基本结构
我们将标注上ALU 寄存器 CU 中断系统后是这个样子。
小结
指令周期
==指令周期==：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。 指令周期常常用若干机器周期来表示，机器周期又叫CPU周期
一个机器周期又包含若干时钟周期（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位）。
每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。如下图可分为定长的机器周期与不定长的机器周期。 CLK：时钟脉冲
几种常见的指令周期
每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。
指令周期流程
四个工作周期都有CPU访存操作，只是访存的目的不同。
- 取指周期是为了==取指令==
- 间址周期是为了==取有效地址==
- 执行周期是为了==取操作数==
- 中断周期是为了==保存程序断点。==
这四个周期在计算机内部是用触发器控制的
触发器，可以存放1个二进制位。
CLK（时钟脉冲）通过判断四个触发器的状态来判断该指令执行的是哪个周期。具体状态判断如下图
指令周期的数据流
取指周期
取指周期步骤：
- 当前指令地址送至存储器地址寄存器， 记做：
(PC) → MAR - 将MAR所指主存中的内容经数据总线 送入MDR，记做：
M(MAR) → MDR - CU发出控制信号，经控制总线传到主 存，这里是读信号，记做：
1 → R - 将MDR中的内容(此时是指令)送入IR， 记做：
(MDR) → IR - CU发出控制信号，形成下一条指令地 址，记做：
(PC)+1 → PC
具体数据流向图如下图所示：
间址周期
间址周期步骤：
- 将指令的地址码送入MAR， 记做：
Ad(IR) → MAR或Ad(MDR) → MAR - CU发出控制信号，启动主存做读操作， 记做：
1 → R - 将MAR所指主存中的内容经数据总线 送入MDR，记做：
M(MAR) → MDR - 将有效地址送至指令的地址码字段， 记做：
(MDR)→ Ad(IR)
具体数据流向图如下图所示：
执行周期
执行周期的任务是根据IR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。
不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。
中断周期
==中断==：暂停当前任务去完成其他任务。
为了能够恢复当前任务，需要保存断点。 一般使用堆栈来保存断点，这里用SP表示栈顶地址，假设SP指向栈顶元素，进栈操作是先修改指针，后存入数据。
中断周期步骤：
-
CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR 记做：
(SP)-1 → SP，(SP) → MAR本质上是将断点存入某个存储单元，假设其 地址为a，故可记做：a → MAR -
CU发出控制信号，启动主存做写操作， 记做：
1 → W -
将断点(PC内容) 送入MDR， 记做：
(PC) → MDR -
CU控制将中断服务程序的入口地址 (由向量地址形成部件产生)送入PC， 记做：
向量地址→ PC
具体数据流向图如下图所示：
指令执行方案
一个指令周期通常要包括几个时间段（执行步骤），每个步骤完成指令的一部分功能，几个依次执行的步骤完成这条指令的全部功能。
方案1．单指令周期
对所有指令都选用相同的执行时间来完成 。
==指令之间串行执行；==
指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。
缺点：
对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要 使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的 运行速度。
方案2．多指令周期
对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成 。
==指令之间串行执行；==
可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程 。
缺点：
需要更复杂的硬件设计。
方案3．流水线方案
在每一个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中 。
==指令之间并行执行==
例如这个样子
本章小结
微程序控制器
（如果我有时间，就整，建议看书，我的版本可能和学校教的不一样）
六、存储系统
都是概念，看书
七、IO（没学，不会）
今天的文章计算机组成原理保姆级复习资料分享到此就结束了，感谢您的阅读。
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