計算機組成原理復習資料(課件整理版可自學使用)

1、、本課程在計算機系統(tǒng)中的位置數(shù)字信號、圖像處理軟件工程人工智能應用語言級機器應用系統(tǒng)高級語言級機器:一離散結構.算法設計基礎匯編語言級機器軟件體系結構數(shù)據(jù)庫原理、應用 數(shù)據(jù)結構基礎 程序設計基礎及語言 編譯原理匯編語言程序設計計算機網(wǎng)絡技術類接口一I 技術操作系統(tǒng)級機器傳統(tǒng)機罌級機器1操作系統(tǒng)一、系統(tǒng)結構-二嵌入式系統(tǒng)外部設備微程序機器級機器組成原理，信號與系統(tǒng)、控制技術電子線路級機器-模擬與數(shù)字邏輯電路一、課程目標1、結構與原理掌握建立計算機系統(tǒng)的整機概念；掌握計算機各部件的組成原理與技術；了解計算機系統(tǒng)組成與結構的新技術2、分析與計算能力掌握對組成與結構進行性能分析的方法；通過量化計算，加

2、深對組成原理的理解與掌握3、應用與設計能力通過實驗，培養(yǎng)邏輯設計及理論指導實踐的能力二、課程內(nèi)容組織第1章計算機系統(tǒng)概論計算機的模型、硬件組成，計算機的工作過程、性能指標第2章數(shù)據(jù)的表示和運算數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點及浮點運算方法，ALU結構與組成第3章存儲系統(tǒng)層次結構，RAM組成，主存、Cache虛存的組成原理第4章指令系統(tǒng)指令功能與指令格式，操作數(shù)存放及尋址方式，CISC/RISC第5章中央處理器CPU的功能與結構、工作流程，指令執(zhí)行過程，數(shù)據(jù)通路組織，CU的結構及組成,微程序控制器技術，指令流水技術第6章總線概述，操作步驟，仲裁/定時方式，互連結構第7章I/O系統(tǒng) 組成，I/O設備，I/O

3、接口，I/O方式（4種）1、學習方法建立整機概念，將所學知識點融合在一起；從邏輯設計出發(fā)，分析多種方案的利與弊；通過量化分析，加深對原理的掌握與理解。2、學習效率第1章計算機系統(tǒng)概論計算機：按照內(nèi)部存儲的指令序列，對數(shù)字化信息進行自動高速處理、存儲、傳送、 控制的裝置。指令：指示計算機硬件完成某種功能的明確的命信息：有用的數(shù)據(jù)，有多種不同類型，其表現(xiàn)手段可以采用數(shù)字化形式或模 擬量形式；運算：包括算術運算和邏輯運算，要求自動與高速；處理：對信息進行搜索、識別、變換，甚至聯(lián)想、思考和推理等等。計算機的基本功能主要包括數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)處理功能運算功能：算術運算功能和邏輯運算，應用于

4、數(shù)值計算和非數(shù)值計算兩個方 面；處理對象：數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等。數(shù)據(jù)存儲功能主存儲器：保存指令和數(shù)據(jù)；輔助存儲器：以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳送功能內(nèi)部數(shù)據(jù)流動：CPU和主存以及CPU內(nèi)部寄存器與運算器之間的數(shù)據(jù)流動；外部數(shù)據(jù)傳送：輸入/輸出（I/O ）和計算機通信。控制功能控制器：產(chǎn)生各種基本操作信號并按某種時序發(fā)出以完成相應功能；指令編碼、指令系統(tǒng)：一臺計算機的所有指令集合。1.1.1計算機系統(tǒng)的軟硬件*計算機系統(tǒng)的組成：計算機硬件一計算機的物理實體；叱型1T如主機、外設等/醫(yī)鑫誕菊系統(tǒng)計算機軟件一具有特定功能的信息（程序）. 如系統(tǒng)程序、應用程序*計算機系統(tǒng)功能的

5、實現(xiàn)方式工 解題過程一功能的實現(xiàn)方式一硬件具備數(shù)據(jù)的存儲、傳送及處理和過程控制功能軟件表示應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制需求1-程序（指令序列，硬件用不同指令表示不同功能）執(zhí)行軟件實現(xiàn)應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制功能*計算機系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映二、計算機系統(tǒng)的層次結構用高級語言編程一用匯編語言編程一使用操作系統(tǒng)命令-用機器語言編程一使用微指令系統(tǒng)一成匯編語言程序或機器語言程序成機罌語言程序操作系統(tǒng)命令-直接執(zhí)行機器指令 機器指令-直接執(zhí)行微指令虛擬機器一實際機器!a.r . G !<+,''Taa.r ! Yr "!)*計算機系統(tǒng)結構：機

6、器語言程序員所看到的計算機屬性 概念性結構和功能特性軟件-軟硬件/交界面乙硬件T；指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式, 存儲系統(tǒng)，I/O系統(tǒng).信息保護等指令功能邏輯實現(xiàn)、部件組成.:控制機構.排隊及緩沖技術等二_教字電路級機卷-卜:器件技術、組裝技術等*計算機組成：實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結構時所體現(xiàn)的計算機屬性*計算機實現(xiàn)：實現(xiàn)計算機組成時所體現(xiàn)的計算機屬性*相互關系：計算機系統(tǒng)結構一確定軟硬件功能分配及其界面特性;計算機組成一邏輯實現(xiàn)系統(tǒng)結構的內(nèi)容；計算機實現(xiàn)一物理實現(xiàn)計算機組成的內(nèi)容舉例系統(tǒng)結構計算機組成計算機實現(xiàn)乘法功能是否有乘法指令乘法器還是加法+移位器件、電路生存系統(tǒng)最大容量、編址方式速度保證、單

7、體/多體MEM總線帶寬信號線數(shù)、時鐘、傳輸方式§ 1.2計算機系統(tǒng)基本組成、馮諾依曼模型計算機*結構與組成:由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成,1?二控制器入設備輸出設備注：數(shù)據(jù)信息而范息控制.息 狀態(tài)信息* 數(shù)據(jù)表示與運算：指令及數(shù)據(jù)均用二進制方式表示，運算亦采用二進制方式* 存儲程序原理一程序存儲方式：指令及數(shù)據(jù)預先存放（以等同地位）在存儲器中；* 存儲器結構：由定長單元構成的一維空間，存儲器按地址訪問；*指令組成：由操作碼及地址碼組成；操作碼地址碼1地址碼2表示操作數(shù)在存儲器中的位置袤家藻祖的隹施1"IV I V I « I V I ¥!

8、1« I V I « I V I V V I » I W I B例：若加法運算的操作碼用010表示，第01000號與第10000號兩個存儲單元內(nèi)容相加的操作可表示為：010 01000 10000*存儲程序原理一程序控制機制：按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。物理順序 （指令地址）指令內(nèi)容程序 邏輯順序A+0int nCduntO；(1)A+1int nSum=O；:A+2LP： nStLnt+=nCount： 1A+3nCount+；Q®A+4if (nCbunt3)goto LF；(5) (8)A+5 COUT»nSum 馮諾依

9、曼計算機模型。1）計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入/輸出五個部件組成;2）存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；3）存儲程序工作方式；4）五部件以運算器為中心進行組織。二、計算機硬件的基本組成1、計算機硬件的結構現(xiàn)代計算機均在馮諾依曼模型基礎上進行改進*采用以存儲器為中心的結構：消控制器R運算器緩沖技術使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲器直接存儲器訪問（DMA）技術"輸入直備| |輸山設備匚二結果*由多種存儲器構成存儲系統(tǒng):解決速度-容量-價格間的矛盾，有利于提高性能 /價格計算機T硬件,運算器 控制器 存儲器 輸入設備 輸出設備主存（內(nèi)存）I輔存（外存）主機-CPU

10、111/0設備（外設）CPU算術邏輯單元aEEF|控制單元cu |主存儲器仙AW準格式*采用總線互連形式：實現(xiàn)部件操作標準化，有利于提高系統(tǒng)的可擴展性I/O設備I/O 接口min （所連I/O設備速度2、計算機部件的基本組成（1旃儲器*功能：存儲程序和數(shù)據(jù)、通過讀 /寫操作接收/提供信息*組成:地址J命令數(shù)據(jù)-地址譯碼器存儲陣列I/O電路 -*完成操作的過程:讀操作一接收地址及命令，內(nèi)部操作;輸出數(shù)據(jù)寫操作一接收地址及命令；接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作(2)運算器*功能：實現(xiàn)算術運算及邏輯運算，并暫存運算結果*組成：累加器型運算器*(AC)+Y 一AC的運算過程：寄存器型運算器(0) (AC)為被加數(shù)取

11、指階段執(zhí)行階段(1) 加數(shù)Y 一TEMP(2) (AC) + (TEMP)(3) ALU 結果一 AC約定：(X)表示寄存器X中內(nèi)容，Y表示存儲單元Y中內(nèi)容(3粒制器* 功能：指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實現(xiàn)程序執(zhí)行過程* 程序執(zhí)行過程：循環(huán)的指令執(zhí)行過程(取指令及執(zhí)行指令)；下條指令地址由當前指令產(chǎn)生 (按程序邏輯順序)(4腌入/輸出設備* 功能：實現(xiàn)外部-內(nèi)部信息的輸入/輸出及格式轉(zhuǎn)換；* 種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等；* 連接：通過I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接, I/O接口實現(xiàn)信息傳送時的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能三、計算機軟件的基本組成三、計算機軟件的基本組成（科學訐

12、算 信息管理*自動控制 人H智能虛擬現(xiàn)實四、計算機工作過程計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程?？疾橹噶預DD NUM , R0的執(zhí)行過程?？疾橹噶預DD NUM , R0的執(zhí)行過程。主存執(zhí)守T前工ItO = Z2執(zhí)仃后工ROi 122圖1.4 CPU組成以及和存儲器的連接程序執(zhí)行過程*程序執(zhí)行的初始條件：（a）程序及數(shù)據(jù)已存放在主存儲器MM中；（b）PC內(nèi)容已經(jīng)為即將執(zhí)行的程序首條指令地址*程序執(zhí)行的實現(xiàn)方法：-控制器指揮與控制取指一（PC）MM f IR, （PC）+ “1” - PC;分析一（IR）-IDfCU;執(zhí)行一實現(xiàn)指令約定操作（指令轉(zhuǎn)移時重寫PC）;循環(huán)一若無中斷執(zhí)行的要求，轉(zhuǎn)&#

13、167; 1.3 算機系統(tǒng)的性能指標一、計算機系統(tǒng)的性能指標* 系統(tǒng)性能：指在計算機硬件上運行的計算機軟件的性能1、硬件性能參數(shù)* 機器字長：指CPU 一次能處理的二進制位數(shù)。Lf指ALU 一次能處理的n位CPU一指機器字長為 n個二進制位的CPU;例如,Core 2 CPU 為 64 位 CPU對系統(tǒng)性能的影響一機器字長越長，數(shù)據(jù)處理性能越好；（.應用數(shù)據(jù)長度機器字長時，需分次運算）對其它硬件的影響一直接影響ALU、REG長度，間接影響存儲字長、數(shù)據(jù)總線位數(shù)* 機器主頻：指 CPU內(nèi)部主時鐘脈沖的頻率，常用 f表示。主頻單位一1GHz=1 X103MHz=1 X 106KHz=1 X 109

14、Hz;時鐘周期一CPU內(nèi)部基本操作的時長，常用 TC表示；f與TC關系一倒數(shù)關系，即 f =1/TC* 存儲容量：指存儲器可存儲二進制信息的總位數(shù)。主存容量一容量 S=存儲單元個數(shù)x存儲字長； 輔存容量一容量 S =存儲塊個數(shù)x存儲塊長度；容量單位一1GB=1 X210MB=1 X 220KB=1 X 230B=8 X 230bit;最大主存容量一CPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量2、系統(tǒng)性能指標時間是唯一標準，主要有響應時間和吞吐量兩個指標。*響應時間：指一個任務從任務輸入到結果輸出的總時間，吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內(nèi)能處理的工作量，即 吞吐量=n個任務的

15、總工作量+ n個任務的總時間 特點一反映了多任務計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能表示一因工作量無統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替 MIPS（每秒百萬次指令） MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）*其他：RAS（可靠性/可用性/可維護），兼容性等2、微型計算機的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器字長主頻地址線數(shù)數(shù)據(jù)線數(shù)其他年代80808實模式19748086164. 77MHz201619788088164. 77MHz208197980286166MHz2416保護模式1982803863212. 5MHz3232虛擬8086模式、虛擬存儲器、Cache1985804863225MHz3232RISC、流水

16、線11989Pentium3266MH23264超標量流水、MMX1993Pentium Pro32133MHe3664超級流水.情態(tài)匕吁1995Pentium II32200MHz3664DIB1997Pentium UI32450MHz3664SSE、非阻塞Cache1999Pentiiun 4321. 3GHz3664SSE2、總線技術2000Core 2 Duo321.6GHz雙核2006/微處理器發(fā)展趨勢：提高復雜度（增加功能），開發(fā)指令級/線 程級/內(nèi)核級并行性，集成存儲器，發(fā)展嵌入式處理器二、計算機軟件的發(fā)展歷史1、計算機語言的發(fā)展機器語言一匯編語言一高級語言一應用 語言* 高級

17、語言例：FORTRAN、PASCAL、C/C+、Java2、系統(tǒng)軟件的發(fā)展* 語言處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序；* 操作系統(tǒng)：DOS、UNIX、Windows；（多道程序、分時/實時、網(wǎng)絡、分布式、面向?qū)ο?）* 服務性程序：裝配、調(diào)試、診斷、排錯；* 數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫（網(wǎng)狀、層次、關系型 卜數(shù)據(jù)庫管理軟件；* 網(wǎng)絡：協(xié)議（NetNIOS、TCP/IP等）及實現(xiàn)庫三、計算機系統(tǒng)分類按規(guī)模及功能分類超級計算機一科學計算等；大型計算機一多用戶使用等；小型計算機一辦公應用等；工作站一圖形處理及分布式計算等；微型計算機一應用廣泛；單片機/嵌入式系統(tǒng)一工業(yè)控制等_程序執(zhí)行的指令條數(shù)MIP 一程序

18、執(zhí)行時間106M1Psmax1CPI TC 106主頻fCPI 106第二章數(shù)據(jù)的表示和運算§ 2.1數(shù)據(jù)的編碼一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進位計數(shù)制* 進位計數(shù)制：又稱進制或數(shù)制，是用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。有數(shù)碼、基數(shù)和位權 3個基本參數(shù)* 常用的4種進制：二進制八進制十進制十六進制數(shù)碼0,1 n0,1,7口, L ,90, 1,，9, A, B,，F(xiàn)基數(shù)281016位權序101&書寫形式B0DH*R 進制數(shù)表示：(N )R=(kn-1 k1k0.k-1k-2 - k-m)R= 其中，kiC0,1，(R-1)(2)十進制數(shù)小數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)小數(shù)* 小數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則

19、：乘基取整、上左下右例3一將(0.6875)10分別轉(zhuǎn)換成二、八進制數(shù)整數(shù)部分0. 6875X2=L 3751（最高位）0.375X2=。.7500.75X2=1-510,5X2=1.01（最低位）<0. 6875）W =（0.1011） 2整數(shù)部分0.6875X8 = 5.55 （最高位）0.5 X8 =生0 4 （最低位）（0. 6875）io =（0. 54） 8(3)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)* 轉(zhuǎn)換規(guī)則：整數(shù)部分、小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換后再合并練習 1 一(19.6875)10=(X)2=(Y)8 , X= ? Y= ?4、二、八、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換* 隱含規(guī)律：2=21 , 8=23,

20、 16=24(1)二進制、八進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換* 轉(zhuǎn)換規(guī)則：從小數(shù)點向兩邊分別轉(zhuǎn)換；3個二進制數(shù)位(不夠時補零)等價于1個八進制數(shù)位例 4(13.724)8=(001 011.111 010 100)2=(1011.1110101)2(10011.01)2=(010 011.010)2=(23.2)8(2)二進制、十六進制數(shù)相互轉(zhuǎn)換* 轉(zhuǎn)換規(guī)則：從小數(shù)點向兩邊分別轉(zhuǎn)換；4個二進制數(shù)位(不夠時補零)等價于1個十六進制數(shù)位例 5一(2B.E)16=(0010 1011.1110)2=(101011.111)2(11001.11)2=(0001 1001.1100)2=(19.C)16、機器數(shù)及其編碼*

21、 數(shù)值數(shù)據(jù)：組成一由符號、小數(shù)點及數(shù)值構成，可缺省符號及小數(shù)點 運算一符號與數(shù)值分開運算；加減法需先比較大小* 機器數(shù)：符號數(shù)字化的數(shù)，通常 0/1表示+/-;如(+101)2一 (0101)2、(-0.101)2- (-.101)2-> (1.101)2真值一帶“ + ”或“-”符號的數(shù)* 機器數(shù)的運算方法：采用手工運算方法，硬件實現(xiàn)很不方便；如一(+x)+(-y)時，先求x-y、再求結果符號、最后求 x-y或y-x采用新運算方法，便于硬件實現(xiàn)(如符號與數(shù)值一起運算)匚一必須使用新的編碼方法！* 機器數(shù)的編碼方法：原碼、補碼、反碼、移碼等1、原碼表示法(原碼編碼方法)* 基本思想：用0

22、/1表示符號+/-,數(shù)值位為真值的絕對值* 純整數(shù)原碼定義：設 X=±xn-2x0, xi=0 或 1,貝U X原=*4僅門-2 x0,lx原X2n-1-X = 2n-1+|JV|0WXV2nT2口TVXWO例1 卜1101原=01101： -1101=11101例2設X原= 11OL 則101例3設+x原=01 io,則rdkino：+X原=0000,則-XlklOOO,即+0原產(chǎn)-0原 練習 1若X，01000, X原二？若X原= 101010,限？* 純小數(shù)原碼定義：設 X= ± 0.x-1 x-(n-1),則兇原=x0.x-1 x-(n-1) X0VIX原=T1-X

23、-l+IIXj -LVXW。例4 +0.1001方0. 1001； -0.1001原二L 1001 i-l例5XiLOL 則X=-0.01*原碼的特性：X與兇原關系 X原與X表示值的范圍相同, +0原 W -0原;運算方法一符號與數(shù)值分開運算(與手工運算一致)匚一適合于乘除法，加減法較復雜2、補碼表示法* 目標：實現(xiàn)符號與數(shù)值一起運算(1)有模運算與補數(shù)不例一將時針從10點撥向7點，有兩種撥法：倒撥10-3=7;順撥10+9=7+12=7* 有模運算：運算時只計量小于“?！钡牟糠郑嘤嗖糠直粊G棄 模一計量系統(tǒng)的計數(shù)范圍；同余一若A、B、M滿足A=B+kM (k為有符號整數(shù))，則記A三B (mo

24、d M),稱B和A為模M的同余* 補數(shù)：若a、b、M滿足a+b=M ,稱a、b互為模M的補數(shù) 運算特征一c-a = c-(M-b) = c+b (mod M),即減去一個數(shù)等價于加上這個數(shù)的補數(shù)匚一可將減法運算轉(zhuǎn)化為加法運算(2)補碼定義一個負數(shù)的補碼應等于模與該數(shù)絕對值之差。即某負數(shù)X的補碼為:X補=M + X (mod M)* 純整數(shù)補碼定義：設 X= ±xn-2 x0, xi=0 或 1,則兇補=x' n-1x' n-2x' 0,即X補=即+X (mod 2n) -X2nH 2n-|X|-2n-1XVO說明一因X連同符號位共n位，故模為2n例 6 +00

25、01補=00001, -0001補=10 0000-0001=11111+1111補=01111 , -1111補=10 0000-1111=10001正數(shù)補碼最高位(符號位)為0,負數(shù)最高位為1+0000補=-0000補=00000數(shù)0的補碼惟一練習 2若 X=-01000、Y=+01000, X補=? 丫補=? 例 7 n=5、X>0 時，最大 兇補=01111, Xmax=24-1=+15XV0 時，最小X補=10000, Xmin=-24 =-16補碼表示數(shù)的個數(shù)比原碼多1個原碼無 1111補碼10- 00 10- 01真值-2n-1 -(2n-1-1)*定點純小數(shù)補碼定義:10

26、-01 10-0000 00 00-0111- -11 00- -00 00- -01-10+101-1101- -11 +(2n-1-1)設 X= ±0.x-1 x-(n-1),則 兇補=*' 0.x' -1 x' -(n-1)JV補=2+X (mod 2)=一例 8+0.1011補=0.1011-0.1011衣卜=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.0101補碼的特性 X一兇補一若X為正數(shù)，改符號位為0,其余各位不變；若X為負數(shù)，改符號位為1,其余各位取反、末位加 1例9旌+0101, X補= 0 0101； X=-010L X補=1101

27、1 l7T1"T"兇補一 X一若X補最高位為0,改其為正號，其余各位不變； 若X補最高位為1,改其為負號，其余各位取反、末位加 1例 10X補010L X0101： xfr=l 1011, X=-0101兇原一兇補一若X原最高位為0, X補=兇原； 若兇原最高位為1, X補=兇原各數(shù)值位取反、末位加 1例 11 (,(,III1X原R 0101 ,X補= 0 0101； Mjg=10101,1 1011"n ir- X補一兇原一若兇補最高位為0,兇原=X補； 若兇補最高位為1, X原=X補各數(shù)值位取反、末位加 1例 12 III - IX補=0 0101, X原=

28、 0 0101； X補=1 0101, X. 1 1011 、T"T"*X補與-X補的關系：兇補一 -X補一兇補的各位取反(含符號位卜末位加1卜X補一兇補一-X補的各位取反(含符號位卜末位加1例13X補=10110, X補=0 1001+1 =0 1010T練習3若旌-01001, -X補二？若X補= 101010, -X補=？ -X=?練習4若 X=+01001 ,兇原=0 01001,兇補=0 01001;若 X=-01010,兇原=1 01010 ,兇補=1 10110 ;若兇原=001010, X= + 01010,兇補=0 01010若X原=101110, X=

29、- 01110,兇補=1 10010若X補=001110, X= +01110, -X#= 1 10010若兇補=101110, X= - 10010,卜不補= 0 10010若-X補=101011,兇補= 0 10101,兇原= 0 10101若-X補=001001,區(qū)補=1 10111, X原=1 010013、反碼表不法* 目標：作為原碼與補碼相互轉(zhuǎn)換時的一種過渡編碼* 純整數(shù)反碼定義:設 X= ±xn-2 - x0, xi=0 或 1,取模=2n-1 ,則X反=（字D+X （mod 2nT）=-X（2-1）+X0X<2n-12niVXW0例 14+1101反=01101

30、, -1101反=10010* 純小數(shù)反碼定義：設 X= ± 0.x-1 x-（n-1）, xi=0 或 1,模=2-2-（n-1）,則X反二（2-2（n-i） +x （mod 2-2-如-。）XOX<1I （2-2-（n-D）+X -1VXW0例 15+0.1101反=0.1101,卜0.1101區(qū)=1.0010* 反碼與補碼關系：若X為正數(shù)，區(qū)補=不反；若X為負數(shù)，兇補=兇反+ 1* 原碼、補碼、反碼比較：機器數(shù)的最高位均為符號位（0/1表示正/負）；若真值X為正數(shù)，兇原=兇補=兇反；若真值X為負數(shù)，兇補=兇反+1 ,區(qū)反=以原各位求反（符號位除外）;原碼無1卜11反碼無1

31、000補碼10001001II10 0111 1011-11I0-0000-01C001C00101-1101-1101-11I真值-2n-1）-10+1+（2*1）* +0補=-0補，補碼比原碼、反碼多表示一個負數(shù)4、移碼表示法*目標：實現(xiàn)符號與數(shù)值一起編碼一數(shù)連續(xù)時編碼連續(xù)*純整數(shù)移碼定義：設X= ±xn-2x0,其中xi=0或1,取模=2n,貝UX移=2n-1+X （mod 2n） = 2n-1 + X -2n-1<X< 2n-1 例 16 -111移=0001 , -001移=0111 , ±000移=1000,+001移=

32、1001, +111移=1111, -1000移=0000補碼移碼10 00 10 0100 0000111 11 00 000,"010111 10 00 10 0101-1111-11真值-1+1*移碼的特性:數(shù)在數(shù)軸上為連續(xù)編碼（無符號數(shù)），便于比較大小；與移=區(qū)補符號位取反、其余各位不變、十進制數(shù)編碼*BCD碼（Binary Coded Dicimal）：又稱二-十進制編碼，是指用 4位二進制編碼表示1位十進制數(shù)位的編碼方式。*BCD碼種類：分有權碼和無權碼兩種，最常用的是8421 碼。卜進制數(shù)84肛碼余3碼0000000100100011010001010110011110

33、00100100110100010101101000100110101011有輸入碼、內(nèi)碼、交換碼、字模碼4種*字符編碼的類型: BCD碼缺省指8421碼（特殊聲明除外）!四、字符及字符串編碼1、字符編碼*字符編碼：字符在字符集中惟一的數(shù)字化代碼，表示字符在字符集中的序號或特征號*有關字符編碼的約定：字符編碼一均指交換碼的編碼!字符數(shù)據(jù)一均指內(nèi)碼的編碼！*常見字符編碼（交換碼）種類：編碼種類點量 碼數(shù)說明ASCII碼1287美國標準信息交換碼，英文，使用最廣泛EBCDIC碼2568擴展二-十進制交換碼，英文，IBM定義Unicode碼6553616：統(tǒng)一字符碼，支持各國語言，使用較廣泛ANSI

34、 碼2568 1美國國家標準協(xié)會交換碼,英文，含ASCII碼GB2312-80744514漢字國標碼，中文碼點數(shù)量一需編碼的信息數(shù)量；（如交換碼指字符數(shù)，字模碼指字符點陣數(shù)） 編碼長度一采用等長編碼，長度二卜陵碼點數(shù)量 12、字符串編碼*字符串特性：由多個字符構成；所含字符數(shù)不固定。*字符串編碼方法：由各個字符編碼組成；通過特定編碼標志字符串的結束，結束編碼放在最后匚一字符集必須包含該字符 （如ASCII碼中編碼為0的字符）例一C語言中字符串“ am”可編碼為1100001 1101101 000000五、校驗碼*冗余校驗思想：用待發(fā)數(shù)據(jù)（M）形成校驗信息（P）, M與P一起傳送；用接收數(shù)據(jù)（

35、M'）形成新校驗信息（P”），檢錯并糾錯*術語：校驗碼一由數(shù)據(jù)位和校驗位組成的信息編碼；檢錯（檢驗）一檢查數(shù)據(jù)在傳送過程中有 /無錯誤；糾錯（校正）一根據(jù)錯誤位置糾正數(shù)據(jù)（取反）*常見校驗碼：奇偶校驗碼、海明校驗碼1、奇偶校驗碼2、*編碼原理：采用1位校驗位，使數(shù)據(jù)位及校驗位中“ 1”的位數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)個數(shù)生校驗原理士檢測校驗碼中包中邀變化，f琴是否有錯預先約定為奇數(shù)/偶數(shù)個一-奇校驗/偶校驗2種方法興校險碼編碼：（設數(shù)據(jù)信息為校驗碼組成一共口+1位.數(shù)據(jù)n皿|校驗位皿數(shù)據(jù)101001001101001100011奇校驗碼101001000110100?1100011?偶校驗碼1010

36、01010110100?1100011?*校驗方法：故障字 檢錯糾錯一s s=p'p"，其中P'是接U的、P”是形成的;若S=0無錯誤，若S=1有錯誤；無此能力（.無法獲得錯誤位置）接收的奇校驗碼故障字S錯誤位數(shù)（人工）發(fā)送碼（參考）10100100001010010001101001小01101101011011007 0110110101101000?01101101*校驗能力：只能檢測奇數(shù)個錯誤，無糾錯能力例3一下列接收的校驗碼 01001、1010a10011中，只有一個有奇數(shù)位錯，請問發(fā)送時采用的是奇校驗還是偶校驗碼？*應用：廣泛應用于I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)校驗&

37、#167; 2.2數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)譯輯數(shù) 非數(shù)值數(shù)據(jù)一千勺（串）數(shù)值數(shù)據(jù)J無符號數(shù);有符號數(shù)一自然數(shù)一整數(shù)、純小數(shù)、實數(shù)等一含漢字一聲音、圖像等計算機只計算機用編碼表示數(shù)據(jù):支持最常用（最基本）的數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)表示一計算機硬件能夠直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型 應用數(shù)據(jù)一數(shù)據(jù)表示的轉(zhuǎn)換：程序員或編譯程序完成、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示方法1、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)學特征進制可有多種；符號為“ +”或“-"，可以沒有符號小數(shù)點為”，可隱含表示，小數(shù)點位置可任意變化;數(shù)碼長度可任意變化；不會產(chǎn)生運算溢出2、馮諾依曼模型計算機的硬件特征指令和數(shù)據(jù)用二進制表示，采用二進制運算；二進制中只有0和1,無法表示符號和小數(shù)點

38、；機器字長固定，CPU內(nèi)部全部采用定長方式處理。3、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法* 進制問題處理：只支持二進制方式；* 符號問題處理：有符號數(shù)一用數(shù)字表示符號，數(shù)據(jù)本身無法區(qū)分無符號數(shù)一符號位置為數(shù)值；在指令級進行區(qū)分* 小數(shù)點問題處理：點的表示一用隱含方式表示；位置表示一約定不同數(shù)據(jù)類型的位置不同無符號數(shù)，整數(shù)純小數(shù)實數(shù)隱含于最低位之后隘含于最高位之前域小數(shù)尾數(shù)+整數(shù)指數(shù);藪福天苒無法應至二茬稻豆綾排檸區(qū)分*數(shù)碼長度問題處理：不同數(shù)據(jù)類型一數(shù)碼長度固定；一便于定長方式處理同一數(shù)據(jù)類型一可有幾種長度；一可提高處理及存儲效率*運算問題處理：運算方法一按數(shù)據(jù)表示的格式及編碼進行相應運算；數(shù)據(jù)類型區(qū)分一由指令

39、操作碼區(qū)分；溢出處理一硬件檢測并發(fā)出通知，由軟件處理數(shù)值數(shù)據(jù)的處理方法：包括數(shù)據(jù)的表示和數(shù)據(jù)的操作方法處理數(shù)里的操作T 蛆成謖輯實現(xiàn)廠G表示格式（小數(shù)點表示）二二_ 編碼方W （符號及數(shù)伯表示）、 數(shù)碼長度（決定了數(shù)值范圍）一:- 詰算方式：:二:二:：二：:二:：:二:：:二：:：:：:二" 溢出處理FaI fiJiil定點與浮點表示機器數(shù)編碼二、數(shù)的定點表示1、定點表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點位置固定不變。*定點表示形式：有約定在數(shù)值最低位之后和最高位之前兩種自然數(shù)（無符號）S贏旃一整數(shù)（有符號）數(shù)將 旃表示一尾數(shù)用定點純小數(shù)表示，階用定點整數(shù)表示2、浮點數(shù)的表示采用浮點表示

40、格式的數(shù)稱為浮點數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長度。*浮點數(shù)的表示范圍與精度：假設尾數(shù)及階的基均為 2,數(shù)值長度分別為 m位及e位負上溢區(qū)下溢區(qū)、'負 mjn負數(shù)區(qū)機罩零絕打零!A 負 max A 正 min正數(shù)區(qū)正上溢區(qū)（ + 8）2、定點數(shù)的表示采用定點表示格式的數(shù)稱為定點數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長度。*定點數(shù)的表示范圍：（設數(shù)碼長度為n位）7型 編福式、自然數(shù)（無符號）純整數(shù)（有符號）純小數(shù)原碼02°1（無符號編碼）-(2n (1-2-。)+(l-2-tn-1)補碼-1+(l-2-n)二、數(shù)的浮點表不1、浮點表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點位置是可變的。*浮點表示形式：由尾數(shù)和階組成熊二

41、=(12)x2127,盤皿=N負2 =2f影響因素一!決定了范圍、m決定了精度例1若浮點表示格式中 m=10、e=4,尾數(shù)及階均為補碼編碼方式，寫出 （-54）10的機 器碼。解：（-54）10=（-110110）2=-0.11011X 2+110,浮點數(shù)機器碼為 00110 10010100000例2若浮點表示格式中尾數(shù)為8位（含1位符號位卜階為5位（含1位符號位），寫出下列實數(shù)的浮點數(shù)及機器碼。編碼格式實數(shù)浮點數(shù)浮點數(shù)的表示階尾數(shù)階碼)尾數(shù)碼原碼原碼+10101.11+0. 1010111 X 2Moi0 01010 1010111F 00101110. 10111 X2101 00101

42、 1011100移碼補碼也 0010111旬. 10111 X2100 11100 1011100-10101.11-0. 1010111 X "皿1 01011 0101001例3浮點表示格式同例 2,寫出下列機器碼的浮點數(shù)。編碼格式浮點數(shù)的表示浮點數(shù)階尾數(shù)階碼尾數(shù)碼原碼原碼0 11010 1010111也 1010111X11011 01101 1011010-0- 1011010X2-11°移碼補碼0 01010 1011100+0. 10111X2-10111 11011 1101000-0. 0011000X211013、浮點數(shù)的規(guī)格化*目的：在現(xiàn)有的浮點數(shù)表示格

43、式中，使表示精度最大化。例4若浮點表示格式中m=3、e=3、尾數(shù)和階均為原碼編碼方式，不同表示方法的浮點數(shù)精度不同：+ 101.1=0.1011 X 23=0.01011X 24=0.001011X25o!on olioi c) olioo oloio Colioio；ooirEJ L Sr I*規(guī)格化數(shù)的要求：尾數(shù)真值的最高位為1,即1/2 <|M| <1*規(guī)格化的操作：左規(guī)一尾數(shù)左移一位，階碼減一；右規(guī)一尾數(shù)右移一位，階碼加一。應用一非規(guī)格化數(shù)一規(guī)格化數(shù)，可能需多次規(guī)格化操作例5若浮點數(shù)尾數(shù)及階的基均為 2,回答下列問題：非規(guī)格化浮點數(shù)+1. 0111X2)10-0. 0001

44、0 X 2*0104-1011. IX 24010規(guī)格化操作右規(guī)1次左規(guī)3次右規(guī)4次規(guī)格化浮點數(shù)+S 10111 X 2HHi-0. 10000 X20D1+0. 10111 X”。原碼尾數(shù)一最高數(shù)值位為1;補碼尾數(shù)一最高數(shù)值位與符號相反一便于硬件實現(xiàn)4、IEEE 754 標準*表示格式及數(shù)碼長度：有單精度、雙精度兩種格式及長度單精度浮點表示格式雙精度浮點表示格式（即 RM=RE=2）;（改進了定點位置）,*編碼方式：數(shù)制一M和E均采用二進制方式碼制一M為原碼編碼的定點純小數(shù)E為移碼編碼的定點整數(shù)（改進了移碼值）* 階的碼制：采用的是余 127碼和余1023碼余X碼一偏移值為 X的移碼稱為余

45、X碼，標準移碼：真值=E-28-1=E-128 ,余 127 碼： 真值=E-（28-1-1）=E-127 ;階的范圍一1WEW254,而0和255另作他用，即-126W階的真值W 127* 尾數(shù)的碼制：（以單精度格式為例）支持非規(guī)格化尾數(shù)和規(guī)格化尾數(shù)兩種方式；非規(guī)格化尾數(shù)一尾數(shù)真值 =± 0.m-1m-23,機器碼M=m-1m-23,尾數(shù)精度=23位;規(guī) 格 化尾數(shù)一規(guī)格化的尾數(shù)真值 =± 1.m-2m-24,機器碼M=m-2m-24,尾數(shù)精度=24位* IEEE 754標準浮點表示的特征：（以單精度格式為例）下溢區(qū)機器零r0.0正非規(guī)格化數(shù)區(qū)域正規(guī)格化數(shù)區(qū)域正上 溢區(qū)+

46、0- 1-1X2-126+1. 1 1X2127+0.0 01X2-1 汨+1. 00X2-126參數(shù)值真偷V說明E=0,機器零（下溢區(qū)）E=0f且M707V二(一AX2 X0.M非規(guī)格化數(shù)1WEW254N=(T)5X2ET2TXLM規(guī)格化數(shù)萬二255,且Af/0AMtaN為非藪值行255, 53/=0N=(1)SX8士無窮大（上溢區(qū)）說明：明確地表示了機器零及無窮大：非規(guī)格化數(shù)減少了下溢區(qū)間大?。ň葥p失卜 非數(shù)值用于表示異常（如0/0.負數(shù)開根等）例5求(-11/128)10的IEEE 754單精度規(guī)格化數(shù)的機器碼 解一(-11/128)10 =( -1011)2 X 2-7 =(-0.1

47、011)2X 2-3 =(-1.011)2 X 2-4=(-1.011)2X 2123-127機器碼為，符 階尾數(shù)1 0111 1011 0110 0000 0000 0000 0000 000例6求IEEE 754單精度碼為(CC968000)16的浮點數(shù)的真值 N解一(CC968000)16=1 10011001 00101101000000000000000N為負數(shù)，浮點數(shù)為規(guī)格化數(shù)(1V 10011001V 254);階=(10011001)2 (01111111)2 =(00011010)2=(26)10尾數(shù)=(1.00101101)2 =(1.17578125)10.N=( -1)

48、1 X 1.17578125X 226=-1.17578125X 226數(shù)值數(shù)據(jù)的表示小結：表示格式有定點和浮點兩種，編碼方式?jīng)Q定運算器的運算方法,數(shù)碼長度總是固定的四、非數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示 MEM字長的特征：MEM字長一均為2n位(n為常數(shù))；一便于數(shù)據(jù)長度的二進制運算地址數(shù)據(jù)(1位)地址 數(shù)據(jù)(設字長為16位)0000H0001H地址數(shù)據(jù)()OOOOH0001H0000100010001111MEM字長種類一有二進制位、機器字長、折中長度 3類提高MEM的存儲效率:指令中地址效率一妗MEMM址應對應多個數(shù)據(jù)位:通常丕采用按位編址數(shù)據(jù)的存儲效率一短數(shù)據(jù)占1±字長，長數(shù)據(jù)占缸b字長通

49、常采用按折中長度(如字節(jié))編址1、字符數(shù)據(jù)的表示指字符的交換碼在存儲/處理時的表示方式，即字符的內(nèi)碼。水數(shù)據(jù)的表示方法,表示格式一qI瓦 明 Cl Q擴座位字符交換碼數(shù)碼長度一為幽序長的倍數(shù)，BPn-kW；編碼方式一無符號的二進制編碼 例1-常見字符交換碼的表示；字符種類一制長MEM按字專數(shù)碼長度ASCII碼78位= 7+1Unicode碼1616 位= 16+0GB2312-8峭1416 位=14+2字符數(shù)據(jù)的表示于編址MEM按字（設=16）編址占地址數(shù)數(shù)碼長度占地址數(shù)1個16 位= 7+91個2個16位二16卜01個2個16位=14+21個2、邏輯數(shù)據(jù)的表示* 數(shù)學特征：值域一真、假；運算一與（AND）、或（OR）、非（NOT）等* 數(shù)據(jù)的表示方法：數(shù)碼長度一1位一 n位（n為MEM字長倍數(shù)）；一以提高存儲效率表示格式-口個邏輯數(shù)二屬捆綁表示,每