一一. （10分）分） 求求X补补、 X/2补补、 X/4补补、 2X补补=？ X= -43/64 X=（ -43/64）10=（ -0.101011）2 （2分） X补补= 1.010101 （2分） X/2补补= 1.101010 或或 X/2补补= 1.101011 （2分） X/4补补= 1.110101 （2分） 2X补补= 溢出溢出 （2分） 测验测验1参考答案参考答案注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，1盛建伦jlshengqtech.edu.cn25位小数原码小数原码的表示范围： +(12-24） -(12-24）二二. （12分）分） 定点数的表示范围。定点数的表示范围。 32位整数原码。位整数原码。 25位小数原码。位小数原码。 28位整数补码。位整数补码。 27位小数补码。位小数补码。32位整数原码整数原码的表示范围：+(2311） -(2311）解：28位整数补码整数补码的表示范围： +(2271） -22727位小数补码小数补码的表示范围： +(12-26） -1.0测验测验1参考答案参考答案注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整，N+1位的机器数位的机器数2盛建伦jlshengqtech.edu.cn三（三（16分）分） 定点补码加减法。定点补码加减法。求求X+Y， XY X= -0.5625，Y= +39/64解：X=（-0.5625）10=（-0.1001）2Y=（+39/64）10=（+0.100111）2采用采用7位机器数（位机器数（N=6）X补补= 1.011100X+Y补补=X补补+Y补补= 11.011100+ 00.100111X+Y= +0.000011=00.000011Y补补= 0.100111 11.011100+ 00.100111 00.000011XY补补=X补补+-Y补补= 11.011100+11.011001-Y补补= 1.011001= 溢出溢出 11.011100+ 11.011001 10.110101取双符号位运算取双符号位运算注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整注意；概念准确，方法正确，步骤清晰完整测验测验1参考答案参考答案四四. （8分）分）浮点浮点数表示范围。数表示范围。尾数尾数12位位原码，阶码原码，阶码8位位补码。补码。写出该写出该浮点浮点数能表示的：最大正数，绝对值最大负数，最小正数能表示的：最大正数，绝对值最大负数，最小正数，绝对值最小负数。数，绝对值最小负数。解：最大正数最大正数绝对值最大负数绝对值最大负数最小正数最小正数绝对值最小负数绝对值最小负数规格化规格化非规格化非规格化测验测验1参考答案参考答案4盛建伦jlshengqtech.edu.cn五 （16分）移码加减法。求X+Y， XY X= -69，Y= +57，解：X=（-69）10=（-1000101）2Y=（ +57）10=（+111001）2X补补 = 10111011 X移移 = 00111011 （N=7）Y补补 = 00111001 Y移移 = 10111001X+Y移移 = X移移+Y补补= 000111011+000111001= 00111011+00111001= 001110100 000111011+ 000111001 001110100取双符号位运算取双符号位运算X+Y补补 =11110100X+Y= （-1100）2=（-12）10测验1参考答案5盛建伦jlshengqtech.edu.cn-Y补补 = 11000111X-Y移移 = X移移+-Y补补= 00111011+11000111= 000111011+111000111= 000000010 000111011+ 111000111 000000010X-Y补补 =10000010X-Y= （-1111110）2=（-126）10移码加减法。X= -69，Y= +57， 求X+Y， XY取双符号位运算取双符号位运算测验1参考答案6盛建伦jlshengqtech.edu.cn六六 （23分分） 浮浮点点数数，尾尾数数8位位补补码码，阶阶码码6位位移移码码（都包括符号位）。 X= -4.75， Y=+28.75， （8分）分） (1) 求求X和和Y的的规格化浮点机器数规格化浮点机器数 （15分）（分）（2）求求X+Y解：X=（ -4.75）10 =（-100.11）2 = -0.10011002+011(1)MX补补 = 1.0110100 EX补补 = 000011 EX移移 = 100011Y=（+28.75）10 =（+11100.11）2 = +0.11100112+0101MY补补 = 0.1110011 EY补补 = 000101 E Y移移 = 100101设浮点数格式为：设浮点数格式为：阶码阶码尾数尾数尾符尾符X浮点 = 1 100011 0110100 设浮点数格式为：设浮点数格式为：阶码阶码尾数尾数Y浮点浮点 = 100101 01110011 浮点加法。（尾数浮点加法。（尾数8位补码，阶码位补码，阶码6位移码）位移码） X= -4.75，Y=+28.75，(2) 求求X+Y-EY补补 = 111011 对阶对阶E移移= EXEY移移= EX移移+-EY补补= 0100011+1111011取双符号位运算取双符号位运算 0100011+ 1111011 0011110E= -2 ，应将，应将EX加加2，MX右移右移2位：位：MX补补=1.1101101 00 E X+Y移移 = 0100101= 00111108盛建伦jlshengqtech.edu.cn 尾数相加尾数相加MX+Y补补 = MX补补+MY补补= 11.1101101+00.1110011= 00.1100000 00 11.1101101+ 00.1110011 00.1100000取双符号位运算取双符号位运算 规格化规格化已经是规格化尾数。已经是规格化尾数。MX+Y补补=0.1100000 00 E X+Y移移 = 0100101 舍入处理舍入处理用用0舍舍1入法，舍去保留位的入法，舍去保留位的0： MX+Y补补 = 0.1100000 判断溢出判断溢出阶码（移码）的符号位为阶码（移码）的符号位为01，没有溢出。，没有溢出。结果：结果：X+Y= +0.11000002+01019七、七、 （共（共7分）分） 判断题判断题（请在正确的句子前写请在正确的句子前写T，错误的句子前写，错误的句子前写F）（T ）1零的原码表示形式不是唯一的。零的原码表示形式不是唯一的。（ F）2两个符号相同的浮点数相加后必须进行一次右规。两个符号相同的浮点数相加后必须进行一次右规。（ F）4带符号机器数的符号位都用带符号机器数的符号位都用0表示正数，表示正数，1表示负数。表示负数。（ T）5补码加减法运算补码加减法运算，符号位产生的进位是模符号位产生的进位是模。（T ）3计算机的计算机的ALU是用加法和部分积右移操作实现乘法是用加法和部分积右移操作实现乘法 运算的。运算的。（ F ）7“右规右规”是将尾数右移一位是将尾数右移一位，并将阶码的值减并将阶码的值减1。（ T）6若补码加法运算结果的双符号位为若补码加法运算结果的双符号位为01，表示发生，表示发生 正溢出。正溢出。测验1参考答案10盛建伦jlshengqtech.edu.cn八、（共八、（共8分）分） 填空题填空题1原码加法运算，符号位与数值部分 分分开开计计算算 。若两数的符号不同，做 绝绝对对值值大大的的加加数数减减绝绝对对值值小小的的加加数数 ，和的符号 取取决决于于绝绝对对值值大大的的加加数数的的符符号号 ，若两数的符号相同，做 两两数数的的绝绝对对值相加值相加 。 2算术移位应保持数据的 符符号号 不变，只改变数据的 值值 。数据左移一位将使数值 增大一倍增大一倍 ；数据右移一位相当于 除以除以2 。测验1参考答案11盛建伦jlshengqtech.edu.cn计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程http:/211.64.192.109/skyclass25/青岛理工大学 校级精品课程http:/jx.qtech.edu.cn/ec/C84/12盛建伦jlshengqtech.edu.cn第第6章章 中央处理器中央处理器Chapter 6 Central Processing UnitMost RISC machines have only about five simple addressing modes, while CISC machines such as the DEC VAX supermini have over a dozen addressing modes, some of which are quite complicated. The IBM System/360 mainframe had only three addressing modes; a few more have been added for the System/390.（1）13盛建伦jlshengqtech.edu.cn 中央处理机是计算机系统的核心组成部件，它包括运算器和控制器两大部分。 计算机系统由硬件和软件两大子系统组成。只有硬件没有软件的计算机称为“裸机”，“裸机”是不能工作的。 现代计算机的功能日益强大、结构日益复杂。不能想象由人来直接管理这样复杂的机器，必须由软件系统来代替人管理机器自动的工作。这个软件就是操作系统。 控制器是全机的指挥中枢。它根据工作程序的指令序列、外部请求、控制台操作去指挥和协调全机的工作。The control unit is the circuitry that controls the flow of data through the processor, and coordinates the activities of the other units within it. In a way, it is the brain within the brain, as it controls what happens inside the processor, which in turn controls the rest of the PC.14盛建伦jlshengqtech.edu.cn 机器一加电，立即开始执行BIOS程序。自动到系统磁盘的0道装入引导程序Boot。该程序装入主存运行后把操作系统的常驻内存部分装入内存，建立相应的环境，管理计算机的资源，等待人的命令。 机器加电时，硬件电路自动产生一个Reset信号，将CPU复位。Reset使程序计数器PC清0，使CPU的一些寄存器为规定的某个初始状态。按程序计数器PC的内容到主存储器取指令。计算机在上电后要执行的第一条指令被安排在主存储器的0000H单元。通常在该单元放一条转移指令，转移到操作系统程序的入口地址。 操作系统的一小部分内核程序（BIOS）必须固化在ROM中，安装在主板上，保证机器一上电就可以立即执行。 现代计算机的操作系统也是十分庞大复杂的。这样庞大的软件系统不可能全部驻留在内存中，只能保存在辅存（磁盘、磁带）上。在开机后按需要装入主存储器运行。6.1 控制器的组成控制器的组成控制器的功能控制器的功能 冯诺伊曼计算机是“程序存储”计算机，把要解决的问题编制程序，装入主存，即可由计算机自动地取指令执行程序。 “程序是指令的有序集合”。在程序运行过程中，计算机的各部件在控制器的控制下逐条执行程序中各指令，有条不紊地工作，在各部件之间流动的指令和数据形成了指令流和数据流。 控制器的基本功能控制器的基本功能是周而复始的按一定顺序逐条取指令，分析指令，执行指令，再取下一条指令，直至停机。The fundamental operation of most CPUs, regardless of the physical form they take, is to execute a sequence of stored instructions called a program. The program is represented by a series of numbers that are kept in some kind of computer memory. There are four steps that nearly all CPUs use in their operation: fetch, decode, execute, and write back.16盛建伦jlshengqtech.edu.cn控制器必须具备以下基本功能： 取指令 Fetch the Instruction from Memory 分析指令 Decode the Instruction 对指令译码对指令译码，分析它要求分析它要求的操作并产生相应操作并产生相应的控制命令控制命令。形成操作数有效地址形成操作数有效地址。发出指令地址及发出指令地址及访存控制信号访存控制信号。将指令从主存取入将指令从主存取入CPU。The first step, fetch, involves retrieving an instruction from program memory. The location in program memory is determined by a program counter (PC), which stores a number that identifies the current position in the program. After an instruction is fetched, the PC is incremented by the length of the instruction word in terms of memory units.The instruction that the CPU fetches from memory is used to determine what the CPU is to do. In the decode step, the instruction is broken up into parts that have significance to other portions of the CPU.17盛建伦jlshengqtech.edu.cn控制器必须具备以下基本功能： 执行指令 Execute the Instruction 控制主机与控制主机与I/O设备交换信息设备交换信息（控制输入输出控制输入输出） 对异常情况和某些请求对异常情况和某些请求的处理处理 按照操作数有效地址取出操作数按照操作数有效地址取出操作数，并按操作性质形成相应并按操作性质形成相应的操作控制信号序列操作控制信号序列，完成指令完成指令的各种操作各种操作（包括对运算结果包括对运算结果的处处理理）。形成下一条指令形成下一条指令的地址地址。能响应来自外部和内部能响应来自外部和内部的请求请求，处理一些异常情况和事件处理一些异常情况和事件。During the execute step, various portions of the CPU are connected so they can perform the desired operation. If, for instance, an addition operation was requested, an arithmetic logic unit (ALU) will be connected to a set of inputs and a set of outputs. 18盛建伦jlshengqtech.edu.cn控制器的组成控制器的组成 控制器的主要部件包括：程序计数器程序计数器，指令寄存器指令寄存器，指令译指令译码器码器，脉冲源脉冲源及启停线路启停线路，时序信号形成部件时序信号形成部件，微操作控制信号微操作控制信号形成部件形成部件等。A control unit is the part of a CPU. The outputs of the unit control the activity of the rest of the device. A control unit can be thought of as a finite state machine.控制器的基本组成框图19盛建伦jlshengqtech.edu.cn程序计数器PCOP地址码指令寄存器指令译码器ID微操作控制信号形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件运算器ALU通用寄存器组状态寄存器数据寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中断机构DBABCB主存储器I/O指令数据操作数地址指令地址转移地址形式地址总线控制控制器的基本组成框图120盛建伦jlshengqtech.edu.cn1程序计数器PC 程序计数器是用来存放要要取取的的下下一一条条指指令令在在主主存存储储器器的的地地址址的，有有自自动动加加1功能。程序计数器的位数取决于CPU能够访问的程序存储空间的大小。 当程序是顺序执行时，每取一个指令字，程序计数器PC自动加1，形成下一条指令的地址。当程序发生转移时，用转移目标地址取代PC原来的值作为下一条指令的地址。2指令寄存器IR 指令寄存器IR是用来存放（从存储器取来）当前正在执行的指令的，指令寄存器的位数取决于指令字长。After the execution of the instruction and writeback of the resulting data, the entire process repeats, with the next instruction cycle normally fetching the next-in-sequence instruction because of the incremented value in the program counter.4脉冲源及启停线路产生一定频率的脉冲信号作为机器的时钟脉冲。产生Reset信号。5时序信号形成部件 为了保证指令及各个微操作的执行按正确顺序完成，需要相应的控制指令周期、机器周期的节拍电位、节拍脉冲等。6微操作控制信号形成部件根据指令分析的结果和时序信号，产生相应的微操作控制信号。3指令译码器ID 指令译码器的功能是对指令寄存器中的指令的操作码进行分析（译码），决定应该执行的基本操作。22盛建伦jlshengqtech.edu.cn程序计数器PCOP地址码指令寄存器指令译码器ID微操作控制信号形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件运算器ALU通用寄存器组状态标志位数据寄存器MDR地址寄存器MARCLK+1ResetReset中断机构DBABCB主存储器I/O指令数据操作数地址指令地址转移地址形 式地址总线控制控制器的基本组成框图223盛建伦jlshengqtech.edu.cn 取指令时，首先把程序计数器PC的内容送到地址总线，接着发出存储器读命令Read 。等待一段时间后，从数据总线将取出的指令读入并送到CPU的指令寄存器IR。 访问主存储器取操作数时，首先把主存地址寄存器MAR的内容送到地址总线，接着发出存储器读命令Read 。等待一段时间后，从数据总线将读出的数据读入并送到CPU的数据寄存器MDR。 把数据写到主存储器时，首先把主存地址寄存器MAR的内容送到地址总线，数据寄存器MDR的内容送到数据总线，接着发出存储器写命令Write 。等待一段时间后存储器写周期结束。24盛建伦jlshengqtech.edu.cn指令执行过程指令执行过程设指令格式为设指令格式为：Opcoders,rdrs1imm或disprs,rd为源/目的操作数地址操作数地址，rs1为另一源操作数地址操作数地址，rs,rd和rs1均为通用寄存器的地址通用寄存器的地址。imm/disp为立即数立即数或位移量位移量。25盛建伦jlshengqtech.edu.cn（1）加法指令的执行过程）加法指令的执行过程加法指令的功能加法指令的功能：将寄存器将寄存器rs中的一个数与存储器中中的一个数与存储器中的一个数一个数（地址为地址为（rs1）+disp）相加相加，结果放在寄存器结果放在寄存器rd中中。操作表达式：（rs）+（rs1）+disp）rd26盛建伦jlshengqtech.edu.cnCPT1T2(rs1)ALUALUPCPCABPC+1PCALUALUGRDBDRALUDRDRALUDRDBDBIRALUARARABrs1GRResetimm/dispALUrs,rdGR程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID微 操 作 控制 信 号 形成部件脉冲源启停线路时序信号产生部件ALU通用寄存器组GRFlag数据寄存器DR地址寄存器ARCLK2DBABCB主存储器(rs)ALUOPimm/disprs1rs,rdCLK+ADS-27盛建伦jlshengqtech.edu.cn（1）加法指令的执行过程加法指令的功能：将寄存器rs中的一个数与存储器中的一个数（地址为（rs1）+disp）相加，结果放在寄存器rd中。操作表达式：（rs）+（rs1）+disp）rd28盛建伦jlshengqtech.edu.cn（1）加法指令的执行过程 以上操作需4个机器周期。其中，取指令和取数周期通过总线访存。计算地址和运算送结果周期是在CPU内部操作，不使用总线。29盛建伦jlshengqtech.edu.cn（2）条件转移指令的执行过程 条件转移指令的功能：根据状态标志寄存器中相关标志的状态决定是否转移。如果转移条件成立，则转移到指令指定的目标地址，否则顺序执行下一条指令。30盛建伦jlshengqtech.edu.cn加法指令时序图CLK2CLKPCAB ， DBDR ， PC+1ARAB，DBDRADSININT1T2T1T2T1T2T1T2取指令计算地址取数据加法运算DBrs1GR,(rs1)ALU,dispALU+rsGR,(rs)ALU,DRALUALUARrdGR ， ALU rd ，置Flag31盛建伦jlshengqtech.edu.cn时序系统时序系统1指令周期和机器周期指令周期和机器周期 指令周期指令周期Instruction Cycle是取指令和执行指令的时间总和取指令和执行指令的时间总和，它包括若干个机器周期机器周期Machine Cycle。一般的计算机至少要设置以下机器周期：取指令周期取指令周期读存储器周期读存储器周期中断周期中断周期写存储器周期写存储器周期 此外，还可有“间址周期间址周期”，“ I/O读周期读周期”，“ I/O写周期写周期”等。一条指令的操作取一种或几种机器周期组合而成。直接寻址的指令，需取指令周期+1个读/写存储器周期。间接寻址的指令，需取指周期+1个间址周期+1个读/写存储器周期32盛建伦jlshengqtech.edu.cn2节拍节拍 在一个机器周期内，要完成若干个微操作微操作。把一个机器周期分成若干个相等的时间段，每段用一个节拍电位节拍电位信号表示。节拍的宽度取决于完成一次微操作所需要的时间。3工作脉冲工作脉冲 有些微操作需要同步定时脉冲，如寄存器打入脉冲等。1个节拍可以包含若干个脉冲。也可以利用时钟脉冲。4多级时序系统多级时序系统Being digital devices, all CPUs deal with discrete states and therefore require some kind of switching elements to differentiate between and change these states. 33盛建伦jlshengqtech.edu.cn机器周期节拍C0C1C2C3M0M1T指令周期时钟三级时序系统34盛建伦jlshengqtech.edu.cnHomeworkn6 -1, 17The introduction of the microprocessor in the 1970s significantly affected the design and implementation of CPUs. Since the introduction of the first microprocessor (the Intel 4004) in 1970 and the first widely used microprocessor (the Intel 8080) in 1974, this class of CPUs has almost completely overtaken all other central processing unit implementation methods. 35盛建伦jlshengqtech.edu.cn