计算机的运算方法

符号与原码表示法

机器字长与无符号数：无符号数八位为0~~255（有符号-127~~127），16为0~65535
有符号数的源码表示法，第一位为符号位，0正数1负数，数值位为绝对值，故原码表示又称为带符号的绝对值表示。
- +0.1011->0,1011 -1100->1,1100
小数：+0.1101 -> 0.1101 -0.1101->1-(-0.1101)->1.1101

补码表示法

负数+“模”=该负数的补数
负小数的补码=符号位为1+原码每位取反再加一
0的反码补码都为0

补码加法

减法的机器实现困难，故做加法时，将数转为补码做运算，结果不变

定点数浮点数

定点数：小数点固定在某一位置（绝对值小于一的纯小数/纯整数）
浮点数：小数点的位置可以浮动的数，可以通过乘10的次幂来移动小数点位置但值不变

浮点表示

N=S*r^j: S尾数，j阶码，r基数（2，4，8，16）
计算机中规定浮点数的尾数用纯小数形式，且尾数最高位为1的浮点数，称为规格化数，其精度最高

指令系统

扩展操作码技术

操作码的位数随地址数的减少而增加。
在设计操作码不固定的系统时，尽量考虑安排指令使用频度，高的指令使用短操作码，频度低的使用长操作码，可以缩短经常使用的指令的译码时间。
具体内容暂时引用ppt...

三地址指令可以有四位操作码，16个情况可以分为n个三地址指令操作码和16-n个扩展码
扩展码前四位操作码为扩展码，共有1-n种，后四位每个16种则二地址指令可以有16（16-n）个
也可以后四位再留下扩展码来进一步扩展一地址指令和0地址指令

寻址方式

指令寻址
- 顺序寻址：(PC)1->PC
- 跳跃

数据寻址

立即寻址：
- 形式地址A位操作数
- 指令执行阶段不访存
- A的位数限制了立即数的范围
直接寻址
- EA = A ,有效地址由形式地址直接给出
- 执行阶段访问一次存储器
- A的位数决定乐该指令操作数的寻址范围
- 操作数的地址不宜修改（必须修改A）
隐式寻址
- 操作数地址隐含在操作马车或者某个寄存器中
- 指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长
间接寻址
- EA-(A)：A指出EA所在存储单元地址，有效地址由形式地址间接提供
- 执行时两次访存
- 可扩大寻址范围
寄存器寻址
- EA=Ri 有效地址即为寄存器编号
- 执行阶段不访存，只访问寄存器，速度快
- 寄存器个数有限，可缩短指令字长
寄存器间接寻址
- 有效地址在寄存器中，操作数在存储器，执行阶段访问
基址寻址
- EA=(BR)+A BR为基址寄存器
- 可扩大操作数寻址范围，因为基址寄存器的位数可以大于形式地址A的位数
- 在程序的执行过程中BR内容不变，形式地址A可变
变址寻址
- EA=(IX)+A IX为变址寄存器（专用），通用寄存器也可以作为变址寄存器
- 可扩大寻址范围
相对寻址
- EA=(PC)+A A是相对于当前指令的位移量
- 广泛用于转移指令
- A的位数决定操作数的寻址范围
堆栈寻址
- 指令字中没有形式地址码，是0地址指令

RISC与CISC

RISC:精简指令系统计算机
COSC:复杂指令系统计算机

RISC特点

选用使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用又不复杂的指令，让复杂指令的功能由频度高的简单指令的组合来实现。
指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式少
只有LOAD/STORE指令访存
CPU由多个通用寄存器
采用流水技术，一个时钟周期内完成一条指令
采用组合逻辑实现控制器
采用优化的编译程序

比较

RISC更能充分利用VLSI芯片的面积
RISC更能提高计算机运算速度
- 指令数，指令格式，寻址方式少
- 通用寄存器多
- 采用寄存器窗口重叠技术；
- 采用组合逻辑；便于实现指令流水。
RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性
RISC有效支持高级语言
RISC不易实现指令兼容系统

CPU

指令流水

指为了提高处理器执行指令的效率（缩短指令周期），吧一条指令分为多个需要不同电路完成的细小步骤，每个步骤由专门的电路并行完成。
影响流水效率的因素
- 结构相关：不同指令争用同一功能部件产生资源冲突
- 数据相关：不同指令因重叠操作，改变操作的读写访问顺序；发生在几条相邻指令间，共用一个存储单元或者寄存器时。（为了防止读脏数据而导致的指令暂停）
- 控制相关：一条指令要等前一条指令做出转移方向的决定后才能进入流水线。

中断

中断：指计算机允许期间，出现意外情况需要主机干预时，使得CPU中断当前正在执行的程序而转取执行相应的中断程序。完毕后又返回原来被中断的程序继续执行。
中断隐指令：在机器指令系统中没有的指令，他是CPU在终端周期内由硬件自动完成的一条指令。
- 作用：保护程序断点/寻找服务程序入口地址/硬件关中断等
中断矢量地址：存储中断向量的存储单元地址，中断服务例行程序入口地址的地址。
中断流程
- 保护现场
- 中断服务
- 恢复现场
- 中断返回
中断频闭字：一个16位二进制码，越大则优先级越高。如果硬件排队中高屏蔽字中断后进入则CPU进行高优先级的程序运行再返回。如果当前程序位最高优先级则CPU运行完先回到无服务再进入新的服务。

控制单元

整体：控制存储器（控存）是微程序控制单元的核心部件，用来存放全部的微程序。
CMAR：控存地址寄存器，用来存放需要读出的微指令地址
CMDR：控存数据寄存器，存放从控存读出的微指令
顺序逻辑：用来控制微指令序列的；
- 控制形成下一条微指令的地址，其输入与微地址形成部件（与指令寄存器相连），微指令的下地址字段以及外来的标志有关。

组成原理基础杂记（下）