第1-4章使用课程来自b站：复旦发哥带学408
第6-7章使用王道课程
第5章二者皆有

1 第1章计算机系统概述
- 1.1 计算机层次结构
  - 1.1.1 计算机硬件
    - 1.1.1.1 冯诺伊曼基本思想
    - 1.1.1.2 计算机功能部件
2 3取指令，#8取数据
- 2.1 计算机性能指标
  - 2.1.1 计算机主要指标
3 第2章数据的表示与运算
4 第3章存储系统
5 第4章指令系统
6 第5章中央处理器：发哥版
7 第5章中央处理器：王道版
8 第6章总线
- 8.1 总线概述
  - 8.1.1 总线的分类
  - 8.1.2 总线的性能指标
- 8.2 总线事务和定时
  - 8.2.1 总线定时
9 第7章输入/输出系统
- 9.1 I/O接口
  - 9.1.1 I/O接口基本结构
  - 9.1.2 I/O端口及其编址
- 9.2 I/O方式

第1章计算机系统概述

计算机层次结构

计算机硬件

冯诺伊曼基本思想

计算机功能部件

MAR和MDR

内存容量：8*8
$2^{MAR} × MDR$
例：p13 3.
“n位的计算机”means：计算字长n位，即一次可以处理n位的数据
“以m位来表示地址”means：地址码的长度，即MAR的位数
=> 地址空间：$2^m$

这里有很多的概念，看书p3-4

PC->MAR->地址总线->定位到具体地址->数据总线（指令）->MDR->IR（OP）->CU
...IR(Ad)->MAR（看图片）

3取指令，#8取数据

计算机性能指标

计算机主要指标

书p12-p14：
概念
CPU执行时间的计算（两个公式）

第2章数据的表示与运算

数值与编码

进制转换

2转10
类比十进制书写

10转2
麻烦的做法：短除法

快一些的做法（用这个）：拼凑

2转16 与 16转2
从后往前，4个一组，不够就补0

10转16
类比计算十进制每位的数值

得出的余数从后往前排，某一次商在16以内就停下（比如这里是1）
也可以拼凑法，但不太好拼（上图中下面使用的方法）
先转成二进制再转到十六进制也行

常见二进制

1）1后面有几个0，就是2的几次方
2）有几个1，就是2的几次方-1
类比二叉树的结点计算

$2^{15} = 32768$
$2^{16} = 65536$

16个1就是 65536-1=65535

定点数的编码表示

定点整数和定点小数

定点小数：小数点在前，每位2^(-n)

（记一下前面几位的数值）
小数点不会存进去，题目没说默认是整数

机器数和真值

补码和原码

转换

算补码
正数补码=原码
负数：符号位不动，按位取反，末位+1（算得很慢）
（用这种方法快：）符号位不动，从右往左数到第一个1，右边0不变，符号位和右边第一个1中间的位数全部取反

补码转原码，原码转补码操作一样

补码的性质

补充：
0的补码是唯一的
（以8bit为例）
0的原码是0000 0000(即正零)
1000 0000(负零)是-128

补码全1：原码为-1
（特殊情况）1后面全0：几个0，就是-2的几次方

补码相加，符号位可以参与运算，但要判断
注意：判断溢出时，若使用方法（3）进位来判断，不能用十六位看，要看转成二进制后看进位

① 变符号位
② 再按转补码规则变补码

0101-1110
类比十进制减法
最高位都不够借位，可以认为前面有个1，算完之后不要最高位

补码相减，符号位也可以参与运算，但依旧要判断溢出
如：

十六进制+ 谁，能变成1后面全0，加的这个数就是它的绝对值
有的时候常规方法更好用
这种方法要注意区分正负：
正数直接算就行

反过来，十进制原码 + 十六进制的谁，能变成1后面全0，加的这个数就是它的补码。
数字比较小时好用
又一例：

无符号数和有符号数

有符号数
第一位 1 -; 0+

类型转换

无符号数和有符号数的转换

机器数不变，加上符号，真值变
例：p31 表2.1

不同字长整数间的转换

大字长->小字长：高位截断，低位赋值
例如：32位--赋-->16位，只保留低16位

小字长->大字长：对高位进行扩展——零扩展和符号扩展
零扩展：前面补0
符号扩展：前面补符号位（对于原码来说数值不变）

运算方法和运算电路

定点数的移位计算

移位是把数据相对于小数点进行移动
逻辑移位
缺的补0
算数移位
缺的左边补符号位，右边补0

移位的意义

左移：*2，或溢出（移动后符号位变了就溢出）
右移：/2，或丢失精度
以十进制为类比来理解：
只能存4位时
1234左移2位，只能存4位：本该是123400，结果是3400
右移2位：本该是12.34，结果是0012
算术移位判断溢出：左移被移出的若有和符号位不同的，就会溢出。右移不会溢出，只有1被移出会影响精度
逻辑左移判断溢出：若高位的1移除，则发生溢出

定点数的加减计算

加减运算电路

标志位：ZF OF SF CF
书p43

无符号数只看CF
CF=1，表示进位，溢出
OF无意义

有符号数只看OF
OF=0说明没溢出

机器数一样，$C{in}$、$C{out}$ 、$Cn$、$C{n-1}$都一样，但表示的值不一样，因为有符号数存的是补码

可以这样理解记忆（结果论）：

浮点数的表示与运算

浮点数的表示

表示格式

符号、尾数、阶码概念：书p56
符号 +1 -0

IEEE 754标准

概念什么的见书p57-58划线部分

注意2.中，0.M，M如果是二进制，0.M就是二进制的
例

给浮点数，求机器数
① 整数、小数部分分别转为二进制
② 移 . 小数点改次数，转换为$±(1. xxx)_{2}×2^n$
③ S（1位）：+0-1
④ E（8位）：次数的真值+偏置值（127）
⑤ M（23位）：. 小数点后面的直接抄，不够位数末尾补0

计算真值+127的时候有技巧：算(n-1)+128（n-1+1000 0000）

原码的1和小数点不用存，存小数点后面的就行，后面补0
建议写成：___(3) ____(4) _(1)，方便后续转成16进制

例

给机器数，求浮点数

先转二进制
手动添上1.
n-127不好算，技巧：n-128+1（蓝色框框）
最后不好算可以左移小数点3位（黑色下划线）

数据的大小端和对齐存储

占用空间：
int 4B
short 2B
char 1B

书写格式：
0x...、...H：16进制
大小端存储

“边界对齐”方式存储
满足两个要求（见下图）
例

第3章存储系统

存储器概述

概念看书本p81

主存储器

SRAM和DRAM

DRAM
书p86

行列地址引脚复用：用相同地址线传送行、列地址（分两次传送），地址引脚减半
比如图上传入行号和列号，用2根地址线

共 $2^{a+b}$ 个存储单元（比如这里是 16）
可以写成 $2^a$ 行 $2^b$ 列（比如这里是 $2^2$行 $2^2$列
地址线数量=max{a, b}

静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)区别
书p87

只读存储器ROM

特点、类型：书p88

多模块存储器

单体并行存储器

多体并行存储器

高位交叉编址（顺序方式）
高位是自己芯片（存储体）的编号，低位是自己内部的地址

例：

每个存储体1M($2^{20}$)，说明低20位表示内部的地址，高3位表示是哪一个存储体

低位交叉编址（交叉方式）（说“交叉编址”默认）
高位是自己内部的地址，低位是自己存储体的编号

例：

每个存储体1M($2^{20}$)，说明高20位表示内部的地址，低3位表示是哪一个存储体

交叉存储器可采用轮流启动或同时启动两种方式

判断是哪种方式只需要看数据线是=单个模块数or汇总数

扩展了解
高位划掉，对于每个存储体只有4个地址，2位即可表示
拿到4位地址后，通过高两位锁定某个存储体后，只要看低两位就行

本节例题

30.

地址引脚：地址线（这里11）
数据引脚：数据线（这里8）
答：A.

33.

宽度为32位的存储器总线（也就是数据线）
4个64M×8位=>每个地址内容8位
=>4个加起来32位
=>同时启动

交叉编址：判断每个地址在哪个模块，用地址对模块总数（这里是4）取余即可
如图中的例子：6、7，分别在2、3模块
10%=4，x从2开始

double占8字节Byte（64位），每个模块8位bit
同时启动，一次能读所有模块相同的地址，拼到一起变成32位（4模块*8位(2bit4*4)*）
共占3行=>3个存储周期
答：C.

主存储器与CPU的连接

位扩展：地址不变，每个地址能放的位数变多了（变宽）
8个芯片取出的地址一样，数据汇总到一起

CPU数据线数>存储芯片数据位数

字扩展：总地址（即存储字长，每个单元叫一个存储字长）变多（变长）

CPU数据线位数=芯片数据线位数，CPU地址线位数>芯片地址线位数

字位同时扩展

示意图

14根地址线，但CPU传16位地址，高2位是芯片编号，经过译码器翻译到对应的芯片（模块），芯片内具体位置只用低14找即可

本节习题

15.

4000H~5FFFH 有2000H=$2×16^3$(8K)个地址
按字节编址=>1个地址1字节=>8K×8位
=>ROM 8KB
共64KB=>RAM 56KB=56K×8位
8K->56K：×7组
4位->8位：×2
=>14个芯片

外部存储器

高速缓冲存储器 Cache

Cache总容量 = 行数×每行容量（内含数据和标记）

Cache 和主存的映射方式

时间局部性：访问过的数据可能再一次访问；空间局部性：访问过的数据的邻近空间可能被访问

直接映射

已知内存地址，计算块内地址（下下图上左边）

已知内存块号，计算Cache行号（也就是块号）（下图上右边和左边下方）
看标记判断放的是是哪个内存块的

CPU找21：
内存：21
Cache：1行块内地址1

上面是十进制表示地址，二进制表示也一样

就图上这样取余

例：
CPU找21（0001 0101)：直接拆分就行
(21/4) 0001 0101/$2^2$
=>低位 01 表示块内地址，高位 0001 01 表示块号
0001 01/$2^2$
=>低2位表示余数，是块内内地址，高位是标记

全相联映射

内存块号作为标记，记录放的是哪一块

组相连

cache分组

具体放到这组哪个位置随便放，组间直接映射，组内全相联

Cache 中主存块替换算法

LRU

最久未使用 LRU(Least Recently Used, 近期最少使用)算法(记忆：Longest Remaining Unused)
计数值的位数：$log_2路数$

Cache 的一致性问题

p123

总结

标记相等，且有效位为1(防止是旧数据，比如关机前的），才能说明cache是你想要的
Cache总容量=标记阵列=地址映射表：书p121

Cache访问流程和比较器在书本p119顶部

3.5课后习题

3.5.6

【例 3.3】

3）

p124

29.

31.

代码从a[0]开始读，但是a[0]没有，所以缺失
cache以块为单位，一块4个数据（块大小16B/一个数据占4B），最开始cache为空，找不到第一个数据，就会把整个块16B导入
这里对每个cache块进行读+写，第一个元素读的时候缺失了，把整个cache块放进来，写的时候就不会缺失
这种题目的做法：看一个cache块能放几个数据，一般第一个缺失；再看读/写几次
如果问缺失次数：1000×2×1/8（总次数/缺失率）0

第4章指令系统

指令系统

概念见书p156-160

定长操作码与扩展操作码

随着地址减少，操作码变多

指令的寻址方式

基址寻址

变址寻址

基址寻址 v.s. 变址寻址

变址寻址处理数组问题

double 8字节 64位
例：书p172 32.

课后习题

27.

29.

34.
如果改成间接寻址：
要看内存存储单元多大，假设是n位，寻址范围为0~$2^n-1$

如果改成相对寻址：(PC)+A，既要看A又要看PC

CISC 和 RISC 的基本概念

书p201-203

第5章中央处理器：发哥版

CPU功能和基本架构

书p206-208

课后习题

26.
相关知识点——边界对齐：首地址是该类型大小的整数倍；整个大小是最大类型大小的整数倍

本题解答：

按边界对齐，PC也可以放4位，0000~1111，但很多用不到会浪费，好处是访问内存不需要变换
算PC位数：看指令能有多少个位置可以放，再取多少个2
PC位数=内存数量/一个指令占多少个地址（内存器容量/指令字长）

指令执行过程

p213-216

数据通路的功能和基本结构

p219-222

控制器的功能和工原理

异常和中断机制

指令流水线

概念

执行过程：p254

k级流水线执行n条指令的时间：$(k+(n-1))t$
两种理解方式，第一种：

第二种：

当指令足够多的时候，k->0

流水线对指令集的要求

数据不用的时候先放在寄存器里
OP 100 200 拆分成三条指令：
① LOAD 2 100：100号地址的x取出来，放到2号寄存器
② LOAD 5 200：200号地址的y取出来，放到5号寄存器
③ OP 2 5：2号寄存器和5号寄存器内容相加
拆分指令可以使各条时间缩短，让各条指令时间相近
故设计时，一条指令要么访问内存，要么计算