• 英文字符：ASCII码，七位二进制
• 汉字字符位码，94*为了防止与控制通信字符信字符冲突加20H为了继续在计算器存储中添加80个国家标码H成为机内码

• 无符号：无正负
• 原码：符号位0表示正数，1表示负数，整数表示范围为 ? ( 2 n ? 1 ) 到 2 n ? 1 -(2^n-1)到2^n-1 ?(2n?1)到2n−1,0有+0和-0两种，小数标识范围为 − ( 1 − 2 − n ) 到 1 − 2 − n -(1-2^{-n})到1-2^{-n} −(1−2−n)到1−2−n
• 反码：正数的反码和原码相同,负数的反码为在原码基础上数值位全部取反，表示范围与原码一样，0也有+0和-0
• 补码：正数补码与原码相同，负数补码为反码末尾加一，0只有全0这种表示，特殊规定[x]补=1,0000000表示-2^7
• 移码:表示整数,补码的基础上符号位取反,可用于比较绝对值
• 已知[x]补求[-x]补的技巧:所有位取反,末位加一
• 算术移位
  • 反码:对于正数补0,负数补1
  • 补码:右移补1,左移补0
• 加减运算
• 乘法运算
  • 原码一位乘法:绝对值相乘,符号位是符号异或得到
  • 补码一位乘法:进行n轮加法和移位,最后再进行一次加法,初始时辅助位置为0,若辅助位减去最低位为-1,则加上[-x]补;若为0,则加上0,若为1,则加上[x]补,加一次后acc寄存器和mq寄存器算术右移一位
• 除法运算
  • 恢复余数法:acc存储被除数,通用寄存器存储除数,默认商1,如果得到负数则恢复,逻辑左移一位,符号位异或运算得到,左移n次,上商n+1次
  • 原码加减交替法:若商1得到负数,直接商0,余数左移一位再加上除数
  • 补码交替加减法:余数和除数同号商1,余数左移一位减去除数;若异号,商0,余数左移一位加上除数,重复n次
  • 强制类型转换:不改变数据内容,改变解释方式,在计算机中补码形式保存,short占2字节,int占4字节

• 大端存储:先存储高字节数据 小端存储:先存储低字节数据
• 边界对齐

RAM:随机存取存储器

SAM:顺序存取存储器

DAM:直接存取存储器

CAM:相联存储器,按内容查找,例如快表

ROM:只读存储器,bios存在ROM中

主存储器的基本组成

• 半导体元器件原理:mos管和电容,通过译码器将MAR翻译为高电平,选通字选线,计算金属引脚时考虑数据线,地址线,片选线,读写控制线

• DRAM和SRAM

  类型	SRAM	DRAM
  存储材料	触发器	栅极电容
  是否破坏	否	是
  是否重写	否	是
  运行速度	快	慢
  集成度	低	高
  发热	大	小
  成本	高	低
  是否易失	是	是
  是否刷新	否	是
  行列地址	一次	两次

• DRAM的刷新:分散刷新,集中刷新,异步刷新,不需要CPU介入

• DRAM的地址线复用技术:将地址线减半,分为行地址和列地址两次导通

MROM:掩模式只读存储器,不可重写

PROM:可编程只读存储器,可以写一次

EPROM:可进行多次重写 UVEPROM:紫外线照射擦除 EEPROM:电擦除

Flash:闪存,读速度比写速度快

主存储器与CPU的连接

存取周期:存取时间+恢复时间

双端口RAM与多模块存储器

• 低位交叉编址可以提高存取效率,使得存取时间为T+(n-1)r,T为存取周期,r是读取时间,为了让流水线不间断,应该让m>=T/r
• 双通道内存:低位交叉编址原理

Cache

• 局部性原理:未来用到信息可能就在现在信息邻近位置,这是空间局部性;未来要用到的信息很可能就是现在用到的信息,这是时间局部性
• cashe与主存映射
  • 全相联映射:主存块可以放在cache任意位置,利用率高,但是查找慢
  • 直接映射:每个主存块只能放到一个特定的位置,查找快,但是利用率低
  • 组相联映射:cache分为若干组,每个主存块可以放到对应组的任一快上,综合上面两种优缺点
• cache替换算法
  • 随机算法(RAND):cache满了,随机挑选一块淘汰
  • 先进先出算法(FIFO),没有用到局部性原理,频繁的换入换出,“抖动现象”
  • 最近最久未使用(LRU),命中率最好
  • 最不经常使用(LFU)
• cache写策略:如何保持副本与原本一致性?
  • 写命中
    • 写回法:对cache写命中时,不立即写入主存,该cache被淘汰时再写回,是否被修改用脏位标记
    • 全写法:写直通法,cache修改时,同时修改主存对应块,可增加写缓冲减少访存次数
  • 写不命中
    • 写分配法:对cache写未命中时,把主存块调入cache,在cache中修改,可配合写回法使用
    • 非写分配法:对cache写未命中时只写入主存,不调入cache,搭配全写法使用
• 多级cache

页式存储

虚拟存储器

• 页式虚拟存储器
• 段式虚拟存储器
• 段页式虚拟存储器

• 按照操作类型
  • 数据传送:LOAD,STORE
  • 算术逻辑
  • 移位操作
  • 转移操作
  • 输入输出操作
• 按照操作码分:定长操作码与可变长操作码
• 按照指令长度分:定长指令字结构与变长指令字结构
• 按照指令含地址个数
  • 零地址指令:不需要操作数,例如空操作,停机,关中断指令
  • 一地址指令:只需要一个操作数,例如加一减一取反运算,求补;或者原地操作
  • 二地址指令:(A1)OP(A2)->A1,访存四次,取指令->读A1->读A2->写A1
  • 三地址指令:(A1)OP(A2)->A3,访存四次,取指令->读A!->读A2->写A3
  • 四地址指令:(A1)OP(A2)->A3,A4=下一条指令的地址,访存四次

• 顺序寻址
• 跳跃寻址

• 直接寻址：直接送入MAR，访存一次
• 间接寻址：访存三次，EA=(A)
• 寄存器寻址:操作数存在寄存器中,执行阶段不用访存
• 寄存器间接寻址
• 隐含地址:隐含给出操作数地址
• 立即寻址:又称为立即数,采用补码表示,这个就是内存地址,用#标识,访存一次
• 基址寻址:EA=(BR)+A,BR为基址寄存器,面向操作系统
• 变址寻址:EA=(IX)+A,IX为变址寄存器,面向用户
• 基址寻址&变址寻址复合:EA=(IX)+((BR)+A)
• 相对寻址:EA=(PC)+A
• 堆栈寻址:操作数存在堆栈中,隐含使用堆栈指针(SP)作为操作数地址 ,硬堆栈不必访存,软堆栈需要访存1次
• CISC:complex instruction set computer,一条指令完成一个复杂的基本功能,X86架构,台式机,笔记本,功耗高
• RISC:reduced instruction set computer,一条及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,ARM架构,用于手机,平板,功耗低

• 指令控制:取指令,分析指令,执行指令
• 操作控制:指令送去相应部位
• 时间控制
• 数据加工
• 中断处理

• 算术逻辑单元:ALU,实现算数逻辑运算
• 通用寄存器组:AX,BX,CX,SP等,用于存放操作数
• 暂存寄存器:暂存从主存读取的数据,因为直接放入通用寄存器会破坏其原有数据
• 累加寄存器:用于实现加法运算
• 程序状态字寄存器(PSW):例如OP表示溢出,SF表示符号标志,ZF表示零标志,CP是进位标志
• 移位器:移位运算
• 计数器:控制乘除运算的操作步数

• 程序计数器
• 指令寄存器
• 指令译码器
• 微操作信号发生器
• 时序系统
• 存储器地址寄存器:存放所访问主存单元的地址
• 存储器数据寄存器

• 单指令周期:所有指令执行时间相同,指令间串行
• 多指令周期:不同类型的指令执行步骤不同,指令间串行
• 流水线方案:隔一段时间启动一条指令,多条指令处于不同阶段,同时进行

• 寄存器之间数据传送:三态门控制输入输出
• 微操作流程

• 先后顺序不得随意更改
• 被控对象不同的微操作尽量在一个节拍完成
• 时间短的微操作尽量在一个节拍内完成允许有先后顺序

• 水平型微指令:一条微指令可以定义多个并行的微命令,微程序短,执行速度快,但是微指令长,编写麻烦 微指令编码方式,称为微指令控制方式,是指如何对微指令控制字段进行编码,以形成控制信号,编码目的是保证速度情况下,尽量缩短微指令字长
  • 直接编码(直接控制)方式:在微指令控制字段中,每一位代表一个微操作命令,置为一表示控制信号有效,这种方式简单直观,执行的速度快,并行性好,但是微指令字长过大,造成CM(控制存储器)过大
  • 字段直接编码方式:将微指令控制字段分为若干段,每段经过译码后发出控制信号微命令字段分段的原则是:
    • 互斥性微命令在同一段,相容性命令在不同段中
    • 每个小段包含信息位不能太多
    • 每个小段留出一个状态,表示本字段不发出任何微命令,例如3位的小段,只能表示7个互斥微操作
  • 字段间接编码方式:第一层译码器译码后又经过一层译码
• 垂直型微指令:一条微指令只能定义一条微命令,微指令短,简单,规整,便于编写,但是微程序长,执行速度慢,效率低
• 混合型微指令
• 指令流水线
  • 顺序执行方式,控制简单,硬件代价低
  • 一次重叠执行方式:上一次和下一次重叠一个阶段,各部件利用率提高了,但是需要更多硬件,控制过程相对麻烦一点
  • 二次重叠执行方式:下一次和上一次重叠两个阶段
  • 性能指标:
    • 吞吐率:单位时间完成任务数,理想最大吞吐率为1/△t
    • 加速比:完成同样的任务,不使用流水线与使用流水线用时比例
    • 效率:设备利用率
  • 影响流水线的因素
    • 数据相关(数据冲突),解决方有硬件方法阻塞stall和软件方法NOP(空操作)
    • 控制相关(控制冲突):改变PC值和转移指令时
  • 流水线分类
  • 五段式流水线