計算機組成原理(重點)

1、第第1頁頁主講教師：主講教師： 陳宏陳宏課程序號：課程序號： 09213150921315電子信箱：電子信箱： 第第2頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 教材及參考數(shù)目教材及參考數(shù)目教材：教材： 陳智勇陳智勇. .計算機組成原理計算機組成原理. . 西安電子科技大學出版社西安電子科技大學出版社. .參考數(shù)目：參考數(shù)目： 唐朔飛唐朔飛. .計算機組成原理計算機組成原理. .高等教育出版社高等教育出版社 白中英白中英. .計算機組成原理計算機組成原理. . 科學出版社科學出版社. . 王愛英王愛英. .計算機組成與結構計算機組成與結構. .清華大學出版社清華大學出版社. . 俸遠禎俸遠

2、禎. .計算機組成原理計算機組成原理. .電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 李亞民李亞民. .計算機組成與系統(tǒng)結構計算機組成與系統(tǒng)結構. .清華大學出版社清華大學出版社. . 第第3頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論成績及考核方式成績及考核方式n考核方式：考核方式： 期末考試，筆試，閉卷，時間期末考試，筆試，閉卷，時間120120分鐘。分鐘。n成績構成成績構成： 期末成績占期末成績占70%70% 平時成績占平時成績占20%20% 實驗成績占實驗成績占10% 10% 第第4頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論課程性質課程性質 計算機組成原理計算機組成原理是計算機科學與工程中所有

3、專業(yè)是計算機科學與工程中所有專業(yè)的一門核心課程，從課程地位來說，它在先導課和后續(xù)課的一門核心課程，從課程地位來說，它在先導課和后續(xù)課之間起著承上啟下和繼往開來的作用。本課程屬于必修課之間起著承上啟下和繼往開來的作用。本課程屬于必修課和專業(yè)技術基礎課。和專業(yè)技術基礎課。 通過課程的教學使學生懂得數(shù)字計算機的基本組成和通過課程的教學使學生懂得數(shù)字計算機的基本組成和工作原理，能建立整機的概念，為進一步深入學習有關計工作原理，能建立整機的概念，為進一步深入學習有關計算機硬件的后續(xù)課程打下了良好基礎。該課程有較廣的適算機硬件的后續(xù)課程打下了良好基礎。該課程有較廣的適應面，可培養(yǎng)學生在各類計算機上從事開發(fā)

4、和應用的需要。應面，可培養(yǎng)學生在各類計算機上從事開發(fā)和應用的需要。第第5頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論課程學習要求課程學習要求n了解計算機的發(fā)展歷程、計算機的應用領域、計算機的硬件和軟件組了解計算機的發(fā)展歷程、計算機的應用領域、計算機的硬件和軟件組成、計算機的性能以及計算機系統(tǒng)的分類方法和層次結構等。成、計算機的性能以及計算機系統(tǒng)的分類方法和層次結構等。n掌握計算機中數(shù)據(jù)的表示方法、定點數(shù)和浮點數(shù)的機器碼表示、定點掌握計算機中數(shù)據(jù)的表示方法、定點數(shù)和浮點數(shù)的機器碼表示、定點數(shù)和浮點數(shù)的加減乘除運算，以及運算器的組成及設計方法。數(shù)和浮點數(shù)的加減乘除運算，以及運算器的組成及設計方法

5、。n掌握存儲器的組成與分類方法、存儲器的性能指標、掌握存儲器的組成與分類方法、存儲器的性能指標、RAM與與ROM存存儲器的工作原理、主存儲器的設計方法，了解虛擬存儲器和儲器的工作原理、主存儲器的設計方法，了解虛擬存儲器和Cache的組的組成及工作原理。成及工作原理。n掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式、指令格式的分析與設計方法。掌握指令和數(shù)據(jù)的尋址方式、指令格式的分析與設計方法。n掌握掌握CPU的組成及功能、微程序設計技術、流水的組成及功能、微程序設計技術、流水CPU和和RISC CPU的的組成與性能分析。組成與性能分析。n掌握總線的基本概念、總線的控制方式，了解掌握總線的基本概念、總線的控制方式，了解

6、PCI總線的功能和特點?？偩€的功能和特點。n了解典型的輸入了解典型的輸入/輸出設備、輸出設備、I/O設備數(shù)據(jù)傳送控制方式設備數(shù)據(jù)傳送控制方式 第第6頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論實驗教學內容實驗教學內容 n運算器組成實驗運算器組成實驗 掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路；驗證算術邏輯運算單元掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路；驗證算術邏輯運算單元74LS18174LS181的邏輯功能。的邏輯功能。n半導體存儲器原理實驗半導體存儲器原理實驗 掌握靜態(tài)隨機存儲器掌握靜態(tài)隨機存儲器SRAMSRAM的工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。的工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。n微程序設計實驗微程序設計實驗 掌握時序產生

7、器、微程序控制器的組成及工作原理；掌握微程序的掌握時序產生器、微程序控制器的組成及工作原理；掌握微程序的編制、寫入和讀出驗證的方法；理解用微程序解釋機器語言源程序的編制、寫入和讀出驗證的方法；理解用微程序解釋機器語言源程序的工作原理。工作原理。n總線控制實驗總線控制實驗 理解總線的概念及其特性；掌握總線傳輸控制特性。理解總線的概念及其特性；掌握總線傳輸控制特性。n數(shù)據(jù)通路組成與故障分析實驗數(shù)據(jù)通路組成與故障分析實驗 熟悉計算機的數(shù)據(jù)通路；掌握數(shù)字邏輯電路和總線連接中故障的一熟悉計算機的數(shù)據(jù)通路；掌握數(shù)字邏輯電路和總線連接中故障的一般規(guī)律，以及排除故障的一般原則和方法；對出現(xiàn)的故障，要求學生般規(guī)

8、律，以及排除故障的一般原則和方法；對出現(xiàn)的故障，要求學生具有獨立分析問題和解決問題的能力。具有獨立分析問題和解決問題的能力。 第第7頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論本章主要內容本章主要內容n計算機發(fā)展歷程計算機發(fā)展歷程 n計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的層次結構n計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成 n計算機的工作過程計算機的工作過程 n計算機性能計算機性能n計算機的分類和應用計算機的分類和應用 第第8頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.1 計算機發(fā)展歷程計算機發(fā)展歷程第一臺電子計算機第一臺電子計算機ENIACENIAC 1946 1946年美國賓西法尼亞大學研制成功電

9、子數(shù)字計算機年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer )( Electronic Numerical Integrator And Computer )第一臺電子計算機（通用可編程序）第一臺電子計算機（通用可編程序）1880018800電子管，電子管，3030噸，占地噸，占地150150平方米，功耗平方米，功耗150kw150kw速度：速度：50005000次十進制加法次十進制加法/ /秒秒ENIACENIAC的特點：的特點：十進制表示，程序用插線開關實現(xiàn)十進制表示，程序用插線

10、開關實現(xiàn)為了改進程序的輸入方式：為了改進程序的輸入方式： 美國數(shù)學家美國數(shù)學家馮馮. .諾依曼諾依曼，提出二進制表達方式和存儲程序控，提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構想。提出并描述一個計算機模型制計算機構想。提出并描述一個計算機模型EDVACEDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic ComputerElectronic Discrete Variable Automatic Computer）EDVACEDVAC直到直到19521952年才調試成功年才調試成功第第9頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 輸出設備輸出設備輸入設備輸

11、入設備 存儲器存儲器控制器控制器運算器運算器控制流控制流CS數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流DS計算結果計算結果程序和數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)具備的功能：具備的功能：(1)(1)輸入輸出功能輸入輸出功能 (2)(2)記憶功能記憶功能 (3)(3)計算功能計算功能 (4)(4)判斷功能判斷功能 (5)(5)自我控制功能自我控制功能 第第10頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機發(fā)展的幾個過程計算機發(fā)展的幾個過程19461946年開始的第一代電子管計算機年開始的第一代電子管計算機:計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次, ,體積龐大體積龐大, ,成本很高成本很高, ,可靠性較

12、低可靠性較低, ,在此期間在此期間, ,形成了計算機的基本體系形成了計算機的基本體系, ,確定了程序設計的基確定了程序設計的基本方法本方法, ,數(shù)據(jù)處理機開始得到應用。數(shù)據(jù)處理機開始得到應用。 19581958年開始的第二代晶體管計算機年開始的第二代晶體管計算機: : 運算速度提高到幾萬次至幾十萬次運算速度提高到幾萬次至幾十萬次, ,可靠性提高可靠性提高, ,體積縮小體積縮小, ,成本降成本降低，工業(yè)控制機開始得到應用。低，工業(yè)控制機開始得到應用。 19651965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機: :可靠性進一步提高可靠性進一步提高, ,體積進一步縮小

13、體積進一步縮小, ,成本進一步下降成本進一步下降, ,運算速度運算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間, ,形成機種多樣化形成機種多樣化, ,生產系列化生產系列化, ,使用系統(tǒng)化使用系統(tǒng)化, ,小型計算機開始出現(xiàn)。小型計算機開始出現(xiàn)。19721972年開始的第四代超大規(guī)模集成電路（年開始的第四代超大規(guī)模集成電路（VLSIVLSI）計算機）計算機: : 可靠性更進一步提高可靠性更進一步提高, ,體積更進一步縮小體積更進一步縮小, ,成本更進一步降低成本更進一步降低, ,速度速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有機片大規(guī)模集成電路組成的微型提高到每秒幾百萬次至幾千

14、萬次。有機片大規(guī)模集成電路組成的微型機開始出現(xiàn)。機開始出現(xiàn)。 19911991年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路(ULSI)(ULSI)計算機計算機: : 運算速度提高到每秒幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機開始出現(xiàn)。 第第11頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論微處理器的發(fā)展微處理器的發(fā)展n以以INTEL為例為例1971年，4004問世，主頻108KHz，晶體管2300個，10微米。1972年，8008問世，主頻200KHz，晶體管3500個。1978年，8086問世，主頻4.77MHz，晶體管29000個，3微米。1982年，年，推出8

15、0286，內含13.4萬個晶體管，PC產業(yè)真正開始騰飛。1985年，386問世，主頻16MHz起，晶體管275000個，1微米。1989年，486問世，主頻25MHz起，晶體管1200000個，1微米。1993年，Pentium問世，主頻60MHz起，晶體管310萬個，0.8微米。2000年，Pentium 4問世，主頻1.3GHz起，晶體管4200萬個，0.18微米。2006年7月27日發(fā)布酷睿2，這是一個跨平臺的構架體系，包括服務器版、桌面版、移動版三大領域。晶體管數(shù)量達到2.91 億個 ，采用65nm制造工藝 。 第第12頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論2008年世界超級計

16、算機排名（年世界超級計算機排名（2008.11）第第13頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論2009年世界超級計算機排名（年世界超級計算機排名（2009.11）第第14頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論TOP500 國家及地區(qū)分布（部分）國家及地區(qū)分布（部分）第第15頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論TOP500設備制造商設備制造商 （2008）第第16頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論TOP500設備制造商設備制造商 （2009）第第17頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論2009前前500超級計算機選用處理器統(tǒng)計超級計算機選用處理器統(tǒng)

17、計第第18頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論20082008前前500500超級計算機選用超級計算機選用OSOS統(tǒng)計統(tǒng)計第第19頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論20092009前前500500超級計算機選用超級計算機選用OSOS統(tǒng)計統(tǒng)計第第20頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論第第21頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機的發(fā)展趨勢計算機的發(fā)展趨勢 1 1巨型化巨型化 巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的計算機。巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的計算機。 2 2微型化微型化 微型化是指采用巨大規(guī)模集成電路組成的體積小、價格低、微型化

18、是指采用巨大規(guī)模集成電路組成的體積小、價格低、功能強的計算機。這種計算機主要包括嵌入式計算機和微型計算機，嵌入式功能強的計算機。這種計算機主要包括嵌入式計算機和微型計算機，嵌入式計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設備中，同時也作為工業(yè)控計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設備中，同時也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設備實現(xiàn)制過程的心臟，使儀器設備實現(xiàn)“智能化智能化”。 3 3網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化 計算機與互聯(lián)網(wǎng)絡組成高速信息通道，互聯(lián)網(wǎng)絡擴展了計算計算機與互聯(lián)網(wǎng)絡組成高速信息通道，互聯(lián)網(wǎng)絡擴展了計算機概念。機概念。 4 4智能化智能化 智能化是指計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、

19、智能化是指計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學習、問題求解和圖像識別等。智能化的發(fā)展將使各種知識庫及人工理解、學習、問題求解和圖像識別等。智能化的發(fā)展將使各種知識庫及人工智能技術得到進一步普及，人們將用自然語言和機器對話。計算機將從數(shù)值智能技術得到進一步普及，人們將用自然語言和機器對話。計算機將從數(shù)值計算為主過渡到知識推理為主，從而使計算機進入知識處理階段。計算為主過渡到知識推理為主，從而使計算機進入知識處理階段。 5 5多媒體化多媒體化 多媒體化是指計算機具有全數(shù)字式、全動態(tài)、全屏幕的播多媒體化是指計算機具有全數(shù)字式、全動態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具備控制和

20、傳輸多媒體電子郵件、電視放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具備控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會議等多種功能。會議等多種功能。第第22頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.2 計算機系統(tǒng)層次結構計算機系統(tǒng)層次結構 計算機解題過程計算機解題過程 現(xiàn)代計算機的解題過程通常是先由用戶用高級語言編現(xiàn)代計算機的解題過程通常是先由用戶用高級語言編寫程序（稱作為源程序），然后將它和數(shù)據(jù)一起送入計算寫程序（稱作為源程序），然后將它和數(shù)據(jù)一起送入計算機內，再由計算機將其翻譯成機器能識別的機器語言程序機內，再由計算機將其翻譯成機器能識別的機器語言程序（稱作為目標程序），機器自動運行該機器語言程序，并（稱作

21、為目標程序），機器自動運行該機器語言程序，并將結果輸出。將結果輸出。 計計 算算 機機用戶程序用戶程序（源程序）（源程序）結果結果計算機計算機翻譯成機器翻譯成機器語言程序語言程序運行運行目標程序目標程序第第23頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論虛虛擬擬機機器器實實際際機機器器微指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行用微程序解釋機器指令用微程序解釋機器指令應用語言程序經應用程序應用語言程序經應用程序包翻譯成高級語言程序包包翻譯成高級語言程序包高級語言程序經編譯高級語言程序經編譯/解釋程解釋程序翻譯成匯編語言程序（或中序翻譯成匯編語言程序（或中間語言程序，或是機器語言語間語言程序，或是

22、機器語言語言）言）匯編語言程序經匯編程序匯編語言程序經匯編程序包翻譯成機器語言程序包翻譯成機器語言程序一般用機器語言程序解釋一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句等作業(yè)控制語句等第第24頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論層次結構劃分的好處層次結構劃分的好處 n有利于理解軟件、硬件和固件在系統(tǒng)中的地位和作用。有利于理解軟件、硬件和固件在系統(tǒng)中的地位和作用。 從系統(tǒng)層次的劃分中，可以看出，微程序機器級（從系統(tǒng)層次的劃分中，可以看出，微程序機器級（M0M0）、傳統(tǒng)機）、傳統(tǒng)機器級（器級（M1M1）、操作系統(tǒng)機器級（）、操作系統(tǒng)機器級（M2M2）不是為應用程序員解題設計的，）不是為應用程序員解

23、題設計的，而是為運行支持更高層次機器級程序所必須的編譯程序和解釋程序而而是為運行支持更高層次機器級程序所必須的編譯程序和解釋程序而設計的，以便能設計和實現(xiàn)新的虛擬機器級。設計的，以便能設計和實現(xiàn)新的虛擬機器級。n有利于理解各種語言的實質和實現(xiàn)途徑。有利于理解各種語言的實質和實現(xiàn)途徑。 計算機各層次的語言總是通過低一級的語言翻譯來實現(xiàn)的，這就計算機各層次的語言總是通過低一級的語言翻譯來實現(xiàn)的，這就說明相鄰機器級之間的語義差別不能太大。說明相鄰機器級之間的語義差別不能太大。n有利于推動計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展。有利于推動計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展。例如，可以重新分配軟、硬件的例如，可以重新分配軟、硬件的比例

24、，為虛擬機器的各個層次提供更多更好的硬件支持，改變硬件及比例，為虛擬機器的各個層次提供更多更好的硬件支持，改變硬件及器件快速發(fā)展而軟件卻日益復雜、開銷過大的狀況?？梢杂糜布凸唐骷焖侔l(fā)展而軟件卻日益復雜、開銷過大的狀況。可以用硬件和固件來實現(xiàn)高級語言和操作系統(tǒng)而形成高級語言機器和操作系統(tǒng)機器。件來實現(xiàn)高級語言和操作系統(tǒng)而形成高級語言機器和操作系統(tǒng)機器。n有利于理解計算機系統(tǒng)結構的定義。有利于理解計算機系統(tǒng)結構的定義。把計算機按功能劃分成多個不同把計算機按功能劃分成多個不同的層次結構，從各個層次的功能劃分和實現(xiàn)去了解計算機系統(tǒng)，有助的層次結構，從各個層次的功能劃分和實現(xiàn)去了解計算機系統(tǒng)，有助于

25、更深入的了解系統(tǒng)結構的定義。于更深入的了解系統(tǒng)結構的定義。 第第25頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)結構和計算機組成計算機系統(tǒng)結構和計算機組成 n計算機系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構這個詞是這個詞是Amdahl等人在等人在1964年介紹年介紹IBM360時提出時提出的。他們把系統(tǒng)結構定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的的。他們把系統(tǒng)結構定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結構和功能特性。這實際上是計算機系統(tǒng)的外特性，屬性，即概念性結構和功能特性。這實際上是計算機系統(tǒng)的外特性，按照計算機系統(tǒng)的層次結構，不同程序設計者所看到的計算機具有不按照計算機系統(tǒng)的層

26、次結構，不同程序設計者所看到的計算機具有不同的屬性。同的屬性。n計算機系統(tǒng)結構研究的主要內容計算機系統(tǒng)結構研究的主要內容是計算機系統(tǒng)的多級層次結構中各級是計算機系統(tǒng)的多級層次結構中各級之間界面的定義及其上下的功能分配。通常所說的計算機系統(tǒng)結構，之間界面的定義及其上下的功能分配。通常所說的計算機系統(tǒng)結構，主要討論傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結構，即從機器語言程序員的角度所看到主要討論傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結構，即從機器語言程序員的角度所看到的計算機系統(tǒng)結構。的計算機系統(tǒng)結構。 n計算機組成又稱計算機設計計算機組成又稱計算機設計，是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)。研究，是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)。研究的內容主要包括機

27、器內部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。的內容主要包括機器內部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。它著眼于機器內各事件的排序方式與控制機構、各部件的功能以及各它著眼于機器內各事件的排序方式與控制機構、各部件的功能以及各部件間的聯(lián)系。部件間的聯(lián)系。n 計算機組成的設計是按所希望達到的性能價格比，最佳、最合理的計算機組成的設計是按所希望達到的性能價格比，最佳、最合理的把各種設備和部件組成計算機，以實現(xiàn)所確定的計算機系統(tǒng)結構。把各種設備和部件組成計算機，以實現(xiàn)所確定的計算機系統(tǒng)結構。第第26頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.3 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成計算機的硬件系統(tǒng)計

28、算機的硬件系統(tǒng) 存儲器存儲器運算器運算器控制器控制器適配器適配器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線第第27頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機硬件組成計算機硬件組成1. 運算器運算器 通常由通常由算術邏輯運算單元算術邏輯運算單元（ALU，Arithmetic and Logic Unit）、）、通用寄存器通用寄存器和和狀態(tài)字寄存器狀態(tài)字寄存器組成組成 ，是，是進行算術運算和邏輯運算的部件。進行算術運算和邏輯運算的部件。第第28頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機硬件組成計算機硬件組成 2. 控制器控制器 控制器是全機的指揮中心，是發(fā)布命令的控制器是

29、全機的指揮中心，是發(fā)布命令的“決決策機構策機構”，完成協(xié)調和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作?？刂?，完成協(xié)調和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作?？刂破鞯闹饕δ苁钱a生計算機的全部操作控制信號，對取指器的主要功能是產生計算機的全部操作控制信號，對取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作過程進行控制。令、分析指令和執(zhí)行指令的操作過程進行控制。 控制器由控制器由程序計數(shù)器程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器、指令寄存器(IR)、指令譯碼器、時序產、指令譯碼器、時序產生器和操作控制器組成。生器和操作控制器組成。 第第29頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論第第30頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論Pentiu

30、m CPU第第31頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論Pentium IV CPU第第32頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機硬件組成計算機硬件組成 3. 存儲器存儲器 計算機為了完成存儲程序和存儲數(shù)據(jù)的功能，計算機為了完成存儲程序和存儲數(shù)據(jù)的功能，必須具備能存儲信息的存儲器?，F(xiàn)代計算機以存儲器作為必須具備能存儲信息的存儲器?，F(xiàn)代計算機以存儲器作為各種信息存儲和交流的中心，存儲器可與各種信息存儲和交流的中心，存儲器可與CPU、輸入、輸入/輸出輸出設備交換信息，起到存儲、緩沖和傳遞信息的作用。設備交換信息，起到存儲、緩沖和傳遞信息的作用。 第第33頁頁第一章第一章 計算

31、機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論例：例：32M 4bit SDRAM內部結構內部結構第第34頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機硬件組成計算機硬件組成 4. 輸入設備輸入設備 輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序送入計算機。輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序送入計算機。常見的輸入設備包括鍵盤、鼠標、掃描儀、數(shù)字照相機、攝像頭、數(shù)常見的輸入設備包括鍵盤、鼠標、掃描儀、數(shù)字照相機、攝像頭、數(shù)字化儀、話筒等。字化儀、話筒等。 5. 輸出設備輸出設備 輸出設備的作用是將計算結果轉化為用戶或者設備所能識別或者輸出設備的作用是將計算結果轉化為用戶或者設備所能識別或者接收的信息

32、形式，如數(shù)字、字母、符號、文字、圖形、圖像、聲音等。接收的信息形式，如數(shù)字、字母、符號、文字、圖形、圖像、聲音等。常見的輸出設備包括顯示器、打印機、繪圖儀、揚聲器等。常見的輸出設備包括顯示器、打印機、繪圖儀、揚聲器等。 常見的磁盤、光盤、磁帶機等輔助存儲器也是重要的外部設備，常見的磁盤、光盤、磁帶機等輔助存儲器也是重要的外部設備，它既可以作為輸入設備，也可以作為輸出設備，此外，它還有存儲信它既可以作為輸入設備，也可以作為輸出設備，此外，它還有存儲信息的功能。它們與輸入息的功能。它們與輸入/輸出設備一樣，也要通過接口電路或適配器與輸出設備一樣，也要通過接口電路或適配器與主機相連。主機相連。 6.

33、 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線是構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)系統(tǒng)總線是構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在CPU、存儲器、輸入設備、存儲器、輸入設備、輸出設備之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)、控制輸出設備之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)、控制/狀態(tài)等信息的傳送操作。狀態(tài)等信息的傳送操作。第第35頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件計算機軟件計算機軟件計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機硬件計算機硬件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理程序語言處理程序診斷程序診斷程序各種標準程序庫各種標準程序庫。M

34、ISERPOFFICEOUTLOOK。第第36頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機硬件與軟件的邏輯等價性計算機硬件與軟件的邏輯等價性 ，同一邏輯功能既可以用軟，同一邏輯功能既可以用軟件也可以用硬件或固件實現(xiàn)。從原理上講，軟件實現(xiàn)的功能完全可件也可以用硬件或固件實現(xiàn)。從原理上講，軟件實現(xiàn)的功能完全可以用硬件或固件完成，同樣，硬件實現(xiàn)的邏輯功能也可以由軟件的以用硬件或固件完成，同樣，硬件實現(xiàn)的邏輯功能也可以由軟件的模擬來完成，只是性能、價格以及實現(xiàn)的難易程度不同而已。模擬來完成，只是性能、價格以及實現(xiàn)的難易程度不同而已。 軟、硬件的功能分配比例可以在很寬的范圍內變化，這種變化軟、硬

35、件的功能分配比例可以在很寬的范圍內變化，這種變化是動態(tài)的，軟硬功能分配的比例隨不同時期以及同一時期的不同機是動態(tài)的，軟硬功能分配的比例隨不同時期以及同一時期的不同機器的變化而變化。由于軟、硬件是緊密相關的，軟硬界面常常是模器的變化而變化。由于軟、硬件是緊密相關的，軟硬界面常常是模糊不清的，在計算機系統(tǒng)的功能實現(xiàn)上，有時候很難分清哪些功能糊不清的，在計算機系統(tǒng)的功能實現(xiàn)上，有時候很難分清哪些功能是由硬件完成的，哪些功能是由軟件完成的。在滿足應用的前提下，是由硬件完成的，哪些功能是由軟件完成的。在滿足應用的前提下，軟硬功能分配比例的確定，主要是看能否充分利用硬件、器件技術軟硬功能分配比例的確定，主

36、要是看能否充分利用硬件、器件技術的現(xiàn)狀和進展，使計算機系統(tǒng)達到較高的性能價格比。的現(xiàn)狀和進展，使計算機系統(tǒng)達到較高的性能價格比。 從目前軟硬件技術的發(fā)展速度及實現(xiàn)成本上看，隨著器件技術從目前軟硬件技術的發(fā)展速度及實現(xiàn)成本上看，隨著器件技術的高速發(fā)展，特別是半導體集成技術的高速發(fā)展，以前由軟件來實的高速發(fā)展，特別是半導體集成技術的高速發(fā)展，以前由軟件來實現(xiàn)的功能，越來越多的由硬件或固件來實現(xiàn)，總的來說，軟件硬化現(xiàn)的功能，越來越多的由硬件或固件來實現(xiàn)，總的來說，軟件硬化是目前計算機系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。是目前計算機系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。第第37頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.4 計算

37、機的工作過程計算機的工作過程使用計算機求解一個簡單的例子使用計算機求解一個簡單的例子 【例】【例】 用計算機求解用計算機求解z=x+y，其中，其中x和和y為已知數(shù)。為已知數(shù)。 為：為： 將將x的值從主存單元取出，存入某一個寄存器；的值從主存單元取出，存入某一個寄存器； 將將y的值從主存單元取出，存入另一個寄存器；的值從主存單元取出，存入另一個寄存器； 將將x和和y的值相加，運算結果存入寄存器；的值相加，運算結果存入寄存器； 將結果從寄存器取出，存入主存單元將結果從寄存器取出，存入主存單元z中。中。 將上述解題步驟按照計算機的指令格式和指令系統(tǒng)編將上述解題步驟按照計算機的指令格式和指令系統(tǒng)編寫成

38、對應的機器指令，就完成了程序的編寫。寫成對應的機器指令，就完成了程序的編寫。 第第38頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論簡單計算機的組成框圖簡單計算機的組成框圖 第第39頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算計算z=x+y的機器語言程序的機器語言程序 第第40頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機工作的具體過程計算機工作的具體過程n 啟動機器后，操作控制器發(fā)出控制信號將程序計數(shù)器啟動機器后，操作控制器發(fā)出控制信號將程序計數(shù)器PC的內容的內容（這里設置的初值為（這里設置的初值為0）送至地址寄存器）送至地址寄存器AR，然后啟動對主存的讀操，然后啟動對主存的讀操

39、作，從主存的作，從主存的0地址中讀出一條指令，并將指令代碼地址中讀出一條指令，并將指令代碼“1110”（十六進（十六進制）送入指令寄存器制）送入指令寄存器IR，同時，同時PC加加1，形成下一條指令在主存中的地，形成下一條指令在主存中的地址。從而完成了第一條指令的取指操作過程。址。從而完成了第一條指令的取指操作過程。n 通過指令譯碼器對指令寄存器通過指令譯碼器對指令寄存器IR中的操作碼中的操作碼“1”（十六進制）進（十六進制）進行分析，識別出該指令的功能為取數(shù)指令，于是操作控制器發(fā)出操作行分析，識別出該指令的功能為取數(shù)指令，于是操作控制器發(fā)出操作控制信號，將指令寄存器控制信號，將指令寄存器IR中

40、的地址碼部分中的地址碼部分“10”（十六進制）送入（十六進制）送入地址寄存器地址寄存器AR，然后啟動對主存的讀操作，從主存的，然后啟動對主存的讀操作，從主存的10（十六進制）（十六進制）地址中讀出地址中讀出x的內容的內容0002送入通用寄存器送入通用寄存器R1。從而完成了第一條指令。從而完成了第一條指令的分析過程和執(zhí)行過程。的分析過程和執(zhí)行過程。n 重復重復、的操作過程，由于的操作過程，由于PC的值在每次取指操作完成時都的值在每次取指操作完成時都進行了加進行了加1操作，因此計算機會自動地、順序地逐條取出指令、分析操作，因此計算機會自動地、順序地逐條取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，直到執(zhí)行完停機指

41、令后，機器便自動停機。指令和執(zhí)行指令，直到執(zhí)行完停機指令后，機器便自動停機。第第41頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.5 計算機性能計算機性能計算機性能的衡量尺度計算機性能的衡量尺度 1. 1. 響應時間響應時間 響應時間是指從用戶向計算機系統(tǒng)發(fā)送一個請求后，到系統(tǒng)對該響應時間是指從用戶向計算機系統(tǒng)發(fā)送一個請求后，到系統(tǒng)對該請求做出響應并獲得它所需要的結果所花的等待時間。請求做出響應并獲得它所需要的結果所花的等待時間。 2. 2. 吞吐率吞吐率 吞吐率是指系統(tǒng)響應用戶請求的速率。吞吐率是指系統(tǒng)響應用戶請求的速率。 3. 3. 可擴展性可擴展性 如果一個計算機系統(tǒng)能加以擴展以滿足

42、不斷增長的對性能和功能如果一個計算機系統(tǒng)能加以擴展以滿足不斷增長的對性能和功能的要求，或是能夠縮減資源以降低成本，則稱此計算機系統(tǒng)具有可擴的要求，或是能夠縮減資源以降低成本，則稱此計算機系統(tǒng)具有可擴展性。展性。 4. 4. 可編程性、可靠性和可用性可編程性、可靠性和可用性 可編程性主要是指程序設計的方便性?？煽啃允侵敢粋€計算機系可編程性主要是指程序設計的方便性?？煽啃允侵敢粋€計算機系統(tǒng)能無故障運行的可靠程度（指無故障運行的工作時間）?？捎眯允墙y(tǒng)能無故障運行的可靠程度（指無故障運行的工作時間）?？捎眯允侵敢粋€計算機系統(tǒng)可正常使用時間所占的百分比。指一個計算機系統(tǒng)可正常使用時間所占的百分比。 5.

43、 5. 兼容性兼容性 6. 6. 性能價格比性能價格比第第42頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論反映計算機性能的參數(shù)反映計算機性能的參數(shù) 1. 1. 主頻主頻 通常所說的主頻指的是通常所說的主頻指的是CPUCPU時鐘頻率，單位通常為時鐘頻率，單位通常為MHzMHz（1M=101M=106 6）、）、GHzGHz（1G=101G=109 9）。）。 2. 2. 機器字長機器字長 機器字長是指運算器一次能運算的二進制數(shù)的最多位數(shù)，它與機器字長是指運算器一次能運算的二進制數(shù)的最多位數(shù)，它與CPUCPU內內通用寄存器的位數(shù)、通用寄存器的位數(shù)、CPUCPU內部數(shù)據(jù)總線的寬度有關。內部數(shù)據(jù)總線

44、的寬度有關。 3. 3. 數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度 數(shù)據(jù)通路寬度是指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。數(shù)據(jù)通路寬度是指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。 4. 4. 運算速度運算速度 通常采用單位時間內執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，單位為通常采用單位時間內執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，單位為MIPSMIPS，即，即每秒執(zhí)行百萬條指令。也可用平均一條指令執(zhí)行所花的時鐘周期數(shù)來每秒執(zhí)行百萬條指令。也可用平均一條指令執(zhí)行所花的時鐘周期數(shù)來衡量，單位為衡量，單位為CPICPI。 5. 5. 存儲容量存儲容量 存儲容量是指一個存儲器中可以容納的存儲單元總數(shù)。存儲容量越存儲容量是指一個存儲器中可以容納的存

45、儲單元總數(shù)。存儲容量越大，所能存儲的信息就越多。大，所能存儲的信息就越多。 第第43頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論性能因子性能因子CPI cNCNCPUf/CPIITCPIITNI程序中指令總數(shù)時鐘周期數(shù)執(zhí)行整個程序所需 CPUCPI 設設CPU時鐘周期為，時鐘周期為，CPU時鐘周期的倒數(shù)則是時鐘周期的倒數(shù)則是CPU的的時鐘頻率。一個程序在時鐘頻率。一個程序在CPU上運行所需的時間可以用下述上運行所需的時間可以用下述公式表示公式表示 ： IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)（這里指動態(tài)執(zhí)行指表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)（這里指動態(tài)執(zhí)行指令數(shù)），令數(shù)），CPI（Clock Cycles

46、Per Instruction）表示執(zhí)行）表示執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。由此公式可見，程序運每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。由此公式可見，程序運行的時間取決于三個特征：行的時間取決于三個特征：CPU時鐘周期，每條指令所需時鐘周期，每條指令所需的時鐘周期數(shù)以及程序中總的指令數(shù)。的時鐘周期數(shù)以及程序中總的指令數(shù)。 由由CPI的含義可得到如下表達式：的含義可得到如下表達式： 第第44頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論性能因子性能因子CPI NniiII1iCPICPI)CPI(CPI1iNiniII 在程序執(zhí)行過程中，要用到不同類型的指令，令在程序執(zhí)行過程中，要用到不同類型的指令，

47、令Ii表示表示第第i類指令在程序中的執(zhí)行次數(shù)，類指令在程序中的執(zhí)行次數(shù)，CPIi表示執(zhí)行一條第表示執(zhí)行一條第i類指類指令所需的時鐘周期數(shù)，令所需的時鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令種類數(shù)。則有：為程序中所有的指令種類數(shù)。則有： 因為因為ININ是個常數(shù)，上式可以改寫為是個常數(shù)，上式可以改寫為 ：第第45頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機性能常用指標計算機性能常用指標 MIPS(Million Instructions Per Second，每秒百萬條指令，每秒百萬條指令) 這是一個用來描述計算機性能的尺度。對于一個給定這是一個用來描述計算機性能的尺度。對于一個給定的程序，的程序

48、，MIPSMIPS定義為：定義為： 66610CPI10CPI10MIPSCCNNENfTIITI 由上式可得程序的執(zhí)行時間由上式可得程序的執(zhí)行時間TE的表達式為：的表達式為： 610MIPSNEIT第第46頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機性能常用指標計算機性能常用指標 【例】【例】 已知已知Pentium 450處理機在運行某一測試程序處理機在運行某一測試程序時所獲得的性能為時所獲得的性能為0.5CPI，試計算，試計算Pentium 450處理機處理機在運行該程序時所獲得的在運行該程序時所獲得的MIPS速率。速率?！窘狻俊窘狻浚河捎冢河捎赑entium 450處理機處理機

49、=450MHz，因此，由，因此，由公式可求出：公式可求出：MIPS900105 . 01045010CPIfMIPS666C 450 PentiumII即即Pentium 450處理機在運行該程序時所獲得的處理機在運行該程序時所獲得的MIPS速速率為率為900MIPS。 第第47頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機性能常用指標計算機性能常用指標 MFLOPS(Million Floating point Operations Per Second，每秒百萬次浮點運算，每秒百萬次浮點運算) 可用如下公式表示可用如下公式表示： 6EFN10TIMFLOPS其中，其中，IFN表示程序

50、中的浮點運算次數(shù)。表示程序中的浮點運算次數(shù)。 由于由于MFLOPS取決于機器和程序兩個方面，因此取決于機器和程序兩個方面，因此MFLOPS只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)只能用來衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。機器的整體性能。 第第48頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論【例】【例】 用一臺用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，程序所含的混合指處理機執(zhí)行標準測試程序，程序所含的混合指令數(shù)和每類指令的令數(shù)和每類指令的CPI如表所示，求有效如表所示，求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)速率和程序的執(zhí)行時間。行時間。 【解】【解】：總指令數(shù)為：總指令數(shù)為： 4

51、5000+32000+15000+8000=100000條條 各類指令所占的比例分別是：整數(shù)運算為各類指令所占的比例分別是：整數(shù)運算為45%，數(shù)據(jù)傳送為，數(shù)據(jù)傳送為32%，浮點操作為浮點操作為15%，控制傳送為，控制傳送為8%。 有效有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時間分別計算如下：速率和程序的執(zhí)行時間分別計算如下： (1)有效有效CPI為為 10.45+20.32+20.15+20.08=1.55CPI (2)MIPS速率為速率為 40106/(1.55106)25.8MIPS (3)程序的執(zhí)行時間為程序的執(zhí)行時間為 1000001.55/(40106)=0.003875s第第49頁頁第

52、一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論1.6 計算機的分類和應用計算機的分類和應用 計算機的分類計算機的分類 1. 1. 按信息的形式及處理方式分類按信息的形式及處理方式分類 電子計算機按信息的形式及處理方式的不同，可分為電子數(shù)字計電子計算機按信息的形式及處理方式的不同，可分為電子數(shù)字計算機、電子模擬計算機和數(shù)字模擬混合計算機。算機、電子模擬計算機和數(shù)字模擬混合計算機。 2. 2. 按計算機的用途分類按計算機的用途分類 電子數(shù)字計算機按用途的不同，可分為專用計算機和通用計算機。電子數(shù)字計算機按用途的不同，可分為專用計算機和通用計算機。 3. 3. 按計算機的規(guī)模分類按計算機的規(guī)模分類 計算機

53、按規(guī)模的不同，可分為嵌入式計算機、微型計算機、工作計算機按規(guī)模的不同，可分為嵌入式計算機、微型計算機、工作站、小型計算機、大型計算機和超級計算機六類。站、小型計算機、大型計算機和超級計算機六類。 4. 4. 按計算機的使用方式分類按計算機的使用方式分類 計算機按使用方式的不同，可分為嵌入式計算機、桌面計算機和計算機按使用方式的不同，可分為嵌入式計算機、桌面計算機和服務器，這是目前廣泛使用的分類方法。服務器，這是目前廣泛使用的分類方法。 5. 5. 按計算機的結構分類按計算機的結構分類 計算機按結構的不同，可分為馮計算機按結構的不同，可分為馮諾依曼結構的計算機和非諾依曼結構的計算機和非馮馮諾依曼

54、結構的計算機。諾依曼結構的計算機。 第第50頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論計算機的應用計算機的應用 1. 科學計算科學計算 2. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 3. 計算機控制計算機控制 4. 計算機輔助設計與制造計算機輔助設計與制造 5. 人工智能人工智能(或智能模擬或智能模擬) 6. 嵌入式應用嵌入式應用 7. 網(wǎng)絡應用網(wǎng)絡應用 8. 多媒體技術多媒體技術 第第51頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 習題習題1 1 P28 13 P28 13作作 業(yè)業(yè)第第52頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 任意一個十進制數(shù)任意一個十進制數(shù) 可以寫成可以寫成 10E 計算機中

55、一個任意進制數(shù)計算機中一個任意進制數(shù) 可以寫成可以寫成 e m m ：尾數(shù)尾數(shù)，是一個純小數(shù)。，是一個純小數(shù)。 e ：浮點的：浮點的指數(shù)指數(shù), 是一個整數(shù)。是一個整數(shù)。 R ：基數(shù)基數(shù)，對于二進計數(shù)值的機器是一個常數(shù)，一般規(guī)定，對于二進計數(shù)值的機器是一個常數(shù)，一般規(guī)定 為為2，8或或16。 浮點數(shù)的表示方法浮點數(shù)的表示方法一個數(shù)的表示：一個數(shù)的表示： 91028 = 0.9 10-27 21033 = 0.2 1034 =10E （十進制表示）（十進制表示）第第53頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 尾數(shù)尾數(shù)：用：用定點小數(shù)定點小數(shù)表示，給出有效數(shù)字的位數(shù)，決定表示，給出有效數(shù)字的

56、位數(shù)，決定了浮點數(shù)的了浮點數(shù)的表示精度表示精度； 階碼階碼：用：用定點整數(shù)定點整數(shù)形式表示，指明小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的形式表示，指明小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置，決定了浮點數(shù)的位置，決定了浮點數(shù)的表示范圍表示范圍。 Es E1 E2 Em Ms M1 M2 Mn階符階符 階碼階碼 數(shù)符數(shù)符 尾數(shù)尾數(shù)一個機器浮點數(shù)由一個機器浮點數(shù)由階碼階碼和和尾數(shù)尾數(shù)及其及其符號位符號位組成：組成：第第54頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論S尾數(shù)符號，尾數(shù)符號，0正正1負；負；M尾數(shù)尾數(shù), 純小數(shù)表示純小數(shù)表示, 小數(shù)點放在尾數(shù)域的最前面。小數(shù)點放在尾數(shù)域的最前面。 一般采用原碼或補碼表示。一般采用原碼或補碼表示

57、。 E階碼，采用階碼，采用“移碼移碼”表示表示; 階符采用隱含方式，即采用階符采用隱含方式，即采用“移碼移碼”方法來表示正負指數(shù)。方法來表示正負指數(shù)。 按照按照 IEEE754 IEEE754 的標準，的標準，3232位浮點數(shù)和位浮點數(shù)和6464位浮點數(shù)的標準格式為位浮點數(shù)的標準格式為 ： S E M31 30 23 22 032位位 S E M63 62 52 51 064位位浮點數(shù)的標準格式浮點數(shù)的標準格式 為便于軟件移植，使用為便于軟件移植，使用 IEEE IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）標準（電氣和電子工程師協(xié)會）標準IEEE754 IEEE754 標準：尾數(shù)用原碼；階碼用移碼；基為標

58、準：尾數(shù)用原碼；階碼用移碼；基為2 2。 第第55頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論浮點數(shù)的規(guī)格化表示浮點數(shù)的規(guī)格化表示 浮點數(shù)是數(shù)學中實數(shù)的子集合，由一個純小數(shù)乘上一個指數(shù)值來組浮點數(shù)是數(shù)學中實數(shù)的子集合，由一個純小數(shù)乘上一個指數(shù)值來組成。一個浮點數(shù)有不同的表示：成。一個浮點數(shù)有不同的表示： 0.5； 0.05 101 ； 0.005 102 ； 50 10-2 為提高數(shù)據(jù)的表示精度，需做為提高數(shù)據(jù)的表示精度，需做規(guī)格化處理規(guī)格化處理。規(guī)格化目的：規(guī)格化目的：l 為了提高數(shù)據(jù)的為了提高數(shù)據(jù)的表示精度；表示精度；l 為了數(shù)據(jù)表示的為了數(shù)據(jù)表示的唯一性。唯一性。尾數(shù)為尾數(shù)為R進制的規(guī)

59、格化：進制的規(guī)格化： 絕對值大于或等于絕對值大于或等于1/R二進制原碼二進制原碼的規(guī)格化數(shù)的形式：的規(guī)格化數(shù)的形式： 正數(shù)正數(shù) 0.1xxxxxx負數(shù)負數(shù) 1.1xxxxxx補碼補碼尾數(shù)的規(guī)格化的形式：尾數(shù)的規(guī)格化的形式：尾數(shù)的最高位與符號位相反尾數(shù)的最高位與符號位相反正數(shù)正數(shù) 0.1xxxxxx負數(shù)負數(shù) 1.0 xxxxxx第第56頁頁第一章第一章 計算機系統(tǒng)概論計算機系統(tǒng)概論 把不滿足這一表示要求的尾數(shù)，變成滿足這一要求的尾數(shù)的操作過程，把不滿足這一表示要求的尾數(shù)，變成滿足這一要求的尾數(shù)的操作過程，叫作浮點數(shù)的叫作浮點數(shù)的規(guī)格化處理規(guī)格化處理，通過，通過尾數(shù)移位和修改階碼實現(xiàn)尾數(shù)移位和修改

60、階碼實現(xiàn)。 在計算機內，其純小數(shù)部分被稱為浮點數(shù)的尾數(shù)，對非在計算機內，其純小數(shù)部分被稱為浮點數(shù)的尾數(shù)，對非 0 0 值的浮點數(shù)，值的浮點數(shù)，要求尾數(shù)的絕對值要求尾數(shù)的絕對值必須必須 = 1/2= 1/2，即尾數(shù)域的最高有效位應為，即尾數(shù)域的最高有效位應為1,1,稱滿足這稱滿足這種表示要求的浮點數(shù)為種表示要求的浮點數(shù)為規(guī)格化表示規(guī)格化表示。 例如例如 0.0.1 1000101010000101010規(guī)格化處理規(guī)格化處理： 既然非既然非 0 0 值浮點數(shù)的尾數(shù)數(shù)值最高位必定為值浮點數(shù)的尾數(shù)數(shù)值最高位必定為 1 1，則在保存浮點數(shù)，則在保存浮點數(shù)到內存前，通過尾數(shù)左移到內存前，通過尾數(shù)左移, ,