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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

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

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

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：

1. 正+正 → 绝对值做加法，结果为正 （可能会溢出）
2. 负+负 → 绝对值做加法，结果为负 （可能会溢出）
3. 正+负 → 绝对值大的减绝对值小的，符号同绝对值大的数
4. 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

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。

1. 若当前运算位 =1，则(ACC)+[|x|]原；
2. 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）

1. 进行 n 轮加法、移位，最后再多来一次加法
2. 每次加法可能 +0 、+[x]补、+[-x]补
3. 每次移位是“补码的算数右移”
4. 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

1. 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
2. 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）
3. 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
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

1. 下面是边界对其方式：不够四字节的会填充空的

2. 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
复制代码

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

1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
2. 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

1. 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
2. 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

1. 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
2. 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
3. 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

1. 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

2. 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
3. 移位操作
算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
4. 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
5. 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：

1. 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”==）
2. 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

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）

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

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
5. 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)
复制代码

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。==

1. ==算术逻辑单元==：主要功能是进行算术/逻辑运算。
2. ==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
复制代码

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。==

1. ==算术逻辑单元==：主要功能是进行算术/逻辑运算。
2. ==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。
3. ==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。
4. ==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。
5. ==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。
6. ==移位器==：对运算结果进行移位运算。
7. ==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

1. 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。
2. 指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
3. 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。
4. 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。
5. 存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。
6. 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。

1. 取指周期是为了==取指令==
2. 间址周期是为了==取有效地址==
3. 执行周期是为了==取操作数==
4. 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：

1. 当前指令地址送至存储器地址寄存器，

记做：(PC) → MAR
3. 将MAR所指主存中的内容经数据总线
送入MDR，记做：M(MAR) → MDR
2. 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
4. 将MDR中的内容(此时是指令)送入IR，
记做：(MDR) → IR
5. 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：

1. 将指令的地址码送入MAR，

记做：Ad(IR) → MAR
或Ad(MDR) → MAR
2. CU发出控制信号，启动主存做读操作，
记做：1 → R
3. 将MAR所指主存中的内容经数据总线
送入MDR，记做：M(MAR) → MDR
4. 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：

1. 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
2. CU发出控制信号，启动主存做写操作，
记做：1 → W
3. 将断点(PC内容) 送入MDR，
记做：(PC) → MDR

4. 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）