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例如，当一个处理器启动时，cache中没有数据，标记域中的值没有意义。因此，在cache中，这些块的标记应该被忽略。对于全相联映射，比较标记位的开销太大，有一种折中的办法，对cache进行分组，一个内存块直接映射到一个组。替换是，选择最近最少使用（LRU），我们可以用1位编号记录2路组相联一组中最久没用的块，用2位来编号记录4路组相联，以此类推，这个编号称为。程序在某一时间真正需要的指令/数据往往只占整个程序内存空间的一小部分，并且程序在使用一个指令/数据字的时候，即将使用的指令/数据通常在。

分支指令beq在MEM级才能决定是否分支，此前beq后的三条指令都已被取到流水线分支成功执行了，分支失败才应该执行的指令就产生了分支冒险，的策略，执行那些紧跟在beq后的指令，跳过分支，如果预测失败不产生额外开销，且预测成功率能达到50%，就能减少减少50%的分支冒险开销。如果beq上一条指令是R型指令，且需要比较R型指令的运算结果，则在R型ALU结果旁路到IF/ID寄存器的基础上，还需要将beq指令。下一条指令使用lw的目标寄存器rt时，访存读出的数据在MEM级才产生，尝试添加旁路，发现。

单周期实现中，任一时刻只有部分硬件在运行将指令执行分散在五个周期，每个周期只执行一个阶段，这样的方法对于效能浪费大指令1进入ID周期后，指令2可以使用IF部分硬件指令1进入EX周期后，指令2可以使用ID部分硬件…与指令周期五个阶段相对应，把数据通路分为五个流水级，形成流水线。

使用这个MIPS子集可以说明建立数据通路和控制单元的关键原理，和其他体系结构是相通的。ALU可以执行加add、减sub、与AND、或OR、小于则置位slt五种运算，（MUX）从多个数据中选择一个作为输出，选择哪个数据取决于选择控制信号。MEM访存分支任务：访存指令向寄存器进行读写，分支指令完成分支。（共九位），由Op与funct翻译而成（最后包含funct）将操作码（Op，不包括funct）翻译成。第五阶段，R型指令将运算结果写回。分析分支指令beq使用的控制信号。指令周期第二阶段的指令译码，就是。

为了表示非整数实数，现在的计算机广泛采用小数点浮动的浮点数，以-0.75为例子，首先转化为二进制实数，然后将二进制实数表示为以2为基数的科学计数法，我们常用sll实现乘二的幂，但是用srl实现除二的幂会出现问题，对于无符号数是相同的，但是对于有符号，算数右移需要补入符号位才相同，如果补零则不同。8位指数可以表示0~255共256个自然数，但是只有1~254表示真正的浮点数，为了方便比较大小，浮点数的指数域采用一种类似于。​​​​​​​程序通常不会在浮点寄存器上进行整数操作，或在整数寄存器上进行浮点操作。

一、计算机概要与技术二、指令：计算机的语言（上）三、指令：计算机的语言（中）四、指令：计算机的语言（下）五、计算机的算数运算（上） ALU功能：对a，b（0，1）完成上图为一位ALU，32个一位ALU组合成为32位ALU。低位的进位输出指向高位的进位输入，最低位的进位输入用于控制减法，这种直接连接1位进位的加法器称为行波进位加法器进位速度制约了加法的速度，32位ALU的行波进位方式在每次进位时都要通过与门、或门各一次，共产生64个门延迟使用超前进位加法器，通过将进位分成4位一组，抽象成每组进位，实现加法器的

处理器共享存储器同一区域P1写，P2读如果P1和P2不同步，将发生数据竞争结果由访问次序决定依赖硬件提供同步指令原子读/写内存操作在读和写之间，不再允许对该空间的其他操作可以是单一的指令例如寄存器之间的原子交换或者指令的原子配对。

简单源于规整以算数运算操作为例：每条指令有且仅有三个操作数规整使实现简单简单能获得低成本高性能越小越快相对主存：数以万计的存储位置寄存器只存储少量、频繁用到的数据加速执行常用操作小常数操作出现的频率高立即数操作用不到内存取数优秀的设计需要适宜的折中方案不同类型指令采用不同的解码方式所有指令相同长度：32为，尽可能保持相似的指令格式。

常数操作数出现的频率高，而且相对于从存储器中取出常数，包含常数的算数运算指令执行速度快很多，并且能耗低。目前在计算机系统结构中，通常一个指令系统中指令字的长度和指令中的地址结构。早期计算机有很多简单的指令集，实现简单。本系列文章用的例子都是MIPS语言。MIPS寄存器指令分为6个字段。不同计算机有不同的指令集。，这样可以增强指令的功能。

该系列文章是本人学习《计算机原理与系统结构》课程的学习笔记参考资料为：《计算机组成与设计：硬件软件接口（原书第5版）》 (戴维 A.帕特森 (David A.Patterson) etc.)计算机概要与技术计算机发展、应用的分类及其特性计算机发展史起止年份代别主要逻辑元件软件应用领域1946-1957一电子管延迟线，磁芯存储器机器语言、汇编语言科学计算、军事、尖端科技。1958-1964二晶体管磁芯存储器高级语言、监控程序、 简单操作系统。