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知识点

第一章

-国外计算机发展
1.电子管计算机(1946—1958 年)
2.晶体管计算机(1958—1964 年)
3.集成电路计算机(1964—1971 年)
4.超大规模集成电路计算机(1971 年至今)

第二章

一、机器码基本概念

用二进制的0/1表示符号位（0表正、1表负）+数值位的编码形式，称为机器码（机器数），常用定点数机器码包括：原码、反码、补码。

二、原码

1. 编码规则

• 正数：符号位为0，数值位与真值的数值位一致；
• 负数：符号位为1，数值位与真值的数值位一致。

2. 定点数原码公式

• 定点小数（形式：(x_0x_1x_2\cdots x_n)，(x_0)为符号位）：
  [
  [x]_{\text{原}} = \begin{cases}
  x & 0\leq x < 1 \
  1+|x| & -1 < x \leq 0
  \end{cases}
  ]
• 定点整数（形式：(x_0x_1x_2\cdots x_n)，(x_0)为符号位）：
  [
  [x]_{\text{原}} = \begin{cases}
  x & 0\leq x < 2^n \
  2^n+|x| & -2^n < x \leq 0
  \end{cases}
  ]

3. 0的表示

原码中0有两个编码：([+0]{\text{原}}=0000\cdots0)，([-0]{\text{原}}=1000\cdots0)。

4. 特点

• 优点：表示直观，仅需符号位加数值绝对值；
• 缺点：存在两个“机器0”，加减法运算复杂（需判断符号、比较大小），仅用于浮点数尾码。

三、反码（又称1的补码）

1. 编码规则

• 符号位与原码一致（0表正、1表负）；
• 正数：反码与原码完全相同；
• 负数：反码的数值位是真值数值位逐位取反。

示例

• (x=+0.1101)，([x]_{\text{反}}=0.1101)；
• (x=-0.1111)，([x]_{\text{反}}=1.0000)。

四、补码（又称2的补码）

1. 模的概念

模（模数）是数值计量系统的范围（记为(\text{mod }M)），超过模的部分会自动舍弃。

• 例：时钟模为12，(16 \equiv 4\ (\text{mod }12))；(-8 \equiv +4\ (\text{mod }12))（即-8的补码是4）。

2. 定点小数补码定义

形式：(x_0x_1x_2\cdots x_n)（(x_0)为符号位），模为2，公式：
[
[x]_{\text{补}} = \begin{cases}
x & 0\leq x < 1 \
2+|x| & -1 \leq x < 0
\end{cases}
]

3. 负数补码的简便求法

• 反码法：符号位为1，数值位取反后末位加1。
  例：(x=-1000)，先取反得10111，加1后([x]_{\text{补}}=11000)。
• 扫描法：符号位为1，对数值位从右到左扫描，右起第一个1及右边的0保持不变，其余位取反。
  例：(x=-1000)，数值位从右找第一个1（对应“1000”的最后一位1），左边位取反，得([x]_{\text{补}}=11000)。

4. 补码求真值

• 符号位为0：真值为正，数值位不变；
• 符号位为1：真值为负，数值位用反码法/扫描法还原（取反+1，或扫描取反）。

四、补码（又称2的补码）

3. 负数补码的简便求法

（1）反码法

• 规则：符号位固定为1，数值位先对真值的数值位逐位取反，再对结果末位加1。
• 步骤示例：
  已知 (x=-1000)（整数）：
  ① 真值数值位：1000；
  ② 逐位取反：0111；
  ③ 末位加1：0111 + 1 = 1000；
  ④ 加上符号位1，得 ([x]_{\text{补}}=11000)。

（2）扫描法

• 规则：符号位固定为1，对真值的数值位从右到左扫描，找到右起第一个“1”，该“1”及它右边的0保持不变，其余位（左边部分）逐位取反。
• 步骤示例：
  已知 (x=-1000)（整数）：
  ① 真值数值位：1000；
  ② 从右扫描，找到第一个“1”（即数值位的最后一位1）；
  ③ 该“1”及右边的0（此处无0）保持不变，左边位（前三位）取反：1000的前三位是“100”，取反为“011”；
  ④ 组合后数值位为“1000”，加上符号位1，得 ([x]_{\text{补}}=11000)。

第三章

一、溢出的概念

因计算机字长固定，数据表示范围有限，运算结果超出对应数据类型的表示范围时，称为溢出。

• 正溢（正向溢/上溢）：两个正数相加，结果符号位为负（或正数结果的绝对值超范围）；
• 负溢（负向溢/下溢）：两个负数相加，结果符号位为正（或负数结果的绝对值超范围）。

二、溢出检测方法

1. 符号位一致性检测法

• 适用场景：仅同符号数相加时可能溢出。
• 核心逻辑：“正正得负”“负负得正”时判定溢出。
• 逻辑表达式（(X_f/Y_f)为操作数符号位，(S_f)为结果符号位，(V=1)表示溢出）：
  • 加法：(V = X_f Y_f \overline{S_f} + \overline{X_f} \overline{Y_f} S_f)
  • 减法：需用([-y]_{\text{补}})的符号位参与，表达式为(V = X_f \overline{Y_f} S_f + \overline{X_f} Y_f \overline{S_f})

2. 进位一致性检测法

• 核心依据：最高数据位的进位（(C_d)）与符号位的进位（(C_f)）是否一致。
• 逻辑：(C_d \neq C_f)时判定溢出；(C_d = C_f)时无溢出。

3. 变形补码（双符号位补码）检测法

• 变形补码规则：用两位符号位表示符号，正数为“00”、负数为“11”（第1符号位是真实符号）。
• 溢出判断：
  • 结果符号位为“01”→ 上溢（正向溢）；
  • 结果符号位为“10”→ 下溢（负向溢）；
  • 结果符号位为“00/11”→ 无溢出。
• 逻辑表达式：(V = S_{f1} \oplus S_{f2})（(S_{f1}/S_{f2})为结果的两位符号位，异或为1则溢出）。

要不要我帮你整理成溢出检测方法的对比表格，更直观区分三种方法的逻辑和特点？

第四章

→ 表示数据“1”；

• 电容无电荷 → 表示数据“0”。

二、单管DRAM的工作原理（读操作流程）

读操作需经历5个步骤，且读/写操作可同步实现行刷新：

1. 预充操作：预充电路将位线预充至(V_{CC}/2)，加速后续读取过程；
2. 访问操作：行选通信号使MOS管导通，存储电容与位线寄生电容进行电荷重分配，通过位线电压差区分“1”（略高于(V_{CC}/2)）和“0”（略低于(V_{CC}/2)）；
3. 信号检测：读出放大电路（跷跷板电路）将微弱电压差放大为稳定的“1”（高电平）/“0”（低电平）；
4. 数据恢复：位线高电平给存储电容充电，恢复其电荷（避免数据丢失），同时完成同一行的刷新；
5. 数据输出：列选通信号使位线上的稳定数据输出到外部。

三、DRAM的刷新（因电容电荷会泄漏，需定期补充）

1. 核心概念

• 最大刷新周期：电容电荷泄漏前必须完成刷新的时间（常见2ms、4ms、8ms）；
• 刷新逻辑：按“行”刷新，刷新地址由刷新地址计数器生成（如256行对应8位计数器）。

2. 三种刷新方式（解决CPU访问与刷新的争用问题）

刷新方式	操作逻辑	优点	缺点
集中刷新	2ms内前3872个周期做读写/保持，最后128个周期集中刷新所有行	读写过程不受刷新干扰，速度快	存在“死区”（128个周期内CPU无法访问）
分散刷新	存储周期拆分为“读写段+刷新段”（总周期1μs），每128个周期刷新整个存储器	无“死区”	刷新频繁，降低系统整体速度
异步刷新	将2ms拆为128个15.5μs段，每段最后0.5μs刷新1行	兼顾时间利用与系统速度，效率高	-

四、DRAM与SRAM的核心区别

对比维度	SRAM	DRAM
单元结构	6个MOS管/单元	1个MOS管+1个存储电容/单元
存储原理	依赖MOS管导通/截止	依赖电容电荷状态
刷新需求	无需刷新	需定期刷新（电容电荷泄漏）
读写速度	快	慢（电容充放电耗时）
存储密度	低	高
功耗	高	低
成本	高	低
典型用途	高速缓存（Cache）	计算机主存

第五章 指令系统

一、指令寻址方式

用于确定下一条要执行的指令地址，分为2种：

1. 顺序寻址

   • 逻辑：程序指令按顺序存于主存，通过程序计数器（PC）自动递增获取下一条指令地址（如32位机中PC = PC + 4，“4”是指令字节长度）。
   • 适用场景：无分支的顺序执行程序。

2. 跳跃寻址

   • 逻辑：程序分支/转移时，PC值由指令的地址字段直接设定（而非PC递增），改变执行顺序。
   • 适用场景：条件转移、无条件转移指令（如JMP指令）。

二、操作数寻址方式

用于确定操作数的有效地址（EA），常见类型如下：

寻址方式	核心逻辑（有效地址EA）	特点 & 适用场景	示例（x86）
立即寻址	操作数=形式地址D（S=D）	取数快；操作数范围受D位宽限制；用于赋初值	MOV EAX, 2008H（给EAX赋2008H）
直接寻址	EA=D（D是主存地址）	地址直观；寻址范围受D限制、灵活性差	MOV EAX, [2008H]（取2008H主存单元内容到EAX）
寄存器寻址	EA=D（D是寄存器编号）	无需访存、速度快；地址码短；寄存器数量有限	MOV EAX, ECX（取ECX内容到EAX）
间接寻址	EA=(D)（D是主存单元，其内容是操作数的EA）	寻址范围大、灵活；需两次访存，速度慢	MOV EAX, @2008H（取2008H单元指向的主存内容）
寄存器间接寻址	EA=R[D]（D是寄存器编号，寄存器内容是主存地址）	仅需一次访存，比间接寻址快；扩展寻址范围	MOV AL, [EBX]（取EBX指向的主存内容到AL）
相对寻址	EA=PC + D（PC是下一条指令地址）	程序可“浮动”（与指令相对位置固定）；用于分支转移	分支指令中通过PC+偏移量定位目标地址
变址寻址	EA=变址寄存器内容 + D	变址寄存器可变、D是基准；用于数组/线性表的批量访问	循环访问数组时，通过变址寄存器递增遍历元素
基址寻址	EA=基址寄存器内容 + D	基址寄存器固定、D可变；用于程序重定位、扩展寻址范围；面向系统	多道程序中，通过基址寄存器实现虚拟地址→物理地址
堆栈寻址（补充）	EA=栈顶指针（SP）	操作数存于堆栈，自动管理地址；用于子程序调用、中断、数据暂存	PUSH EAX（EAX内容压栈）、POP EBX（栈顶内容弹到EBX）

要不要我帮你整理成操作数寻址方式的速记卡片，方便你快速区分每种方式的核心特点？

第六章 中央处理器

1. 程序计数器（Program Counter，PC）

• 别名：Intel x86系列中称为指令指针寄存器（Instruction Pointer，IP）
• 核心功能：保存下一条待执行指令的字节地址
• 关键特点：
  1. 位宽与主存地址总线位宽一致；
  2. 程序顺序执行时，PC值通过“当前PC值 + 当前指令字节长度”更新（由加法器实现）；
  3. 程序分支/跳转时，PC值由分支指令提供的目标地址直接改写，实现执行流程切换。

2. 存储器地址寄存器（Memory Address Register，AR）

• 别名：简称地址寄存器
• 核心功能：暂存CPU访问主存时的单元地址（取指令、读写数据前，需将目标地址送入AR）
• 关键特点：
  1. 位宽与主存地址总线位宽一致；
  2. 并非CPU必备组件，部分计算机可直接将地址加载到地址总线完成访存。

3. 存储器数据寄存器（Memory Data Register，DR）

• 别名：简称数据寄存器
• 核心功能：作为CPU与主存的缓冲部件，存放从主存读出的数据，或待写入主存的数据
• 关键特点：
  1. 数据位宽与机器字长相同；
  2. 可兼作运算器（ALU）的操作数、运算结果/中间结果暂存器，减少主存访问次数；
  3. 并非CPU必备组件，具体依赖CPU硬件结构。

4. 指令寄存器（Instruction Register，IR）

• 核心功能：保存当前正在执行的指令
• 关键特点：
  1. 位宽与指令字长度一致；
  2. 指令字会送入指令译码器（ID）解析为指令译码信号，其地址码部分会生成目标地址/数据，配合控制部件完成指令执行。

这些寄存器是CPU实现“取指-译码-执行”指令周期的核心支撑，负责衔接主存、运算部件与控制逻辑的信息流转。

第七章

微程序基本

作业重点

第二章 第3题
第四章 第1.2题 平均访问时间,效率
第五章 第1
第六章 第1