國(guó)開(kāi)計(jì)算機(jī)組成原理期末復(fù)習(xí)題及參考答案

完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件（hardware）和軟件（software）兩大部分

（兩類資源）組成。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的物理設(shè)備，是

一種高度復(fù)雜的、由多種電子線路、精密機(jī)械裝置等構(gòu)成的、能自動(dòng)并

且高速地完成數(shù)據(jù)計(jì)算的裝置或者工具。

計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序和相關(guān)數(shù)據(jù)，包括完成計(jì)算機(jī)

資源管理、方便用戶使用的系統(tǒng)軟件（廠家提供），和完成用戶對(duì)數(shù)據(jù)

的預(yù)期處理功能的用戶軟件（用戶設(shè)計(jì)并自己使用）這樣兩大部分。

計(jì)算機(jī)的硬、軟件，二者相互依存，分工互動(dòng)，缺一不可。硬件是計(jì)算

機(jī)系統(tǒng)中保存與運(yùn)行軟件程序的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件則是指揮硬件完成預(yù)期

功能的智力部分。但是，計(jì)算機(jī)的硬件和軟件在邏輯功能上是等效的。

這就是說(shuō)，由軟件實(shí)現(xiàn)的操作，在原理上是可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，

由硬件實(shí)現(xiàn)的許多操作在原理上也可以由軟件的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的組成關(guān)系（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)）可以從如

圖1.1所示的六個(gè)層次來(lái)認(rèn)識(shí)。圖中最下面的2層（第0層數(shù)字邏輯

層、第1層微體系結(jié)構(gòu)層）屬于硬件部分，最上面的3層（第3層操

作系統(tǒng)層、第4層匯編語(yǔ)言層、第5層高級(jí)語(yǔ)言層）屬于軟件部分，

而中間的第2層指令系統(tǒng)層連接了硬件和軟件兩部分，與兩部分都有

密切關(guān)系。

第0層：數(shù)字邏輯層。這說(shuō)明實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的最重要的物質(zhì)材料是電

子線路，是能夠直接處理離散的數(shù)字信號(hào)數(shù)字邏輯電路。涉及到的計(jì)

算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識(shí)就是數(shù)字邏輯和數(shù)字門電路，使用何種電路實(shí)現(xiàn)

信息存儲(chǔ)、信息傳送以及信息運(yùn)算與加工，是這一層要解決的基本問(wèn)

題。

第1層：微體系結(jié)構(gòu)(microarchitecture)層，也可以稱其為計(jì)算機(jī)

裸機(jī)。計(jì)算機(jī)的核心功能是執(zhí)行程序，程序是按一定規(guī)則和順序組織

起來(lái)的指令序列。這一層體現(xiàn)的是，為了執(zhí)行指令，需要在計(jì)算機(jī)中

設(shè)置哪些功能部件(例如：存儲(chǔ)、運(yùn)算、輸入和輸出、接口和總線等

部件，以及控制器部件)，每個(gè)部件又如何具體組成和怎樣運(yùn)行，這

些部件如何實(shí)現(xiàn)相互連接并協(xié)同工作等方面的知識(shí)和技術(shù)。

通常，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器部件(數(shù)據(jù)通路)、控制器部件、存儲(chǔ)

器部件、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5部分組成。這個(gè)層次是計(jì)算機(jī)組成原理

的主要內(nèi)容。

第2層：指令系統(tǒng)(instructionset)層，它介于硬件和軟件之間。這

涉及到需要確定使用哪些指令，指令能夠處理的數(shù)據(jù)類型和對(duì)其運(yùn)算所

用的算法，每一條指令的格式和完成的功能，如何指出想要對(duì)其執(zhí)行

讀操作或者寫操作的存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元，如何指出想要執(zhí)行輸入

或者輸出操作的一個(gè)外圍設(shè)備，對(duì)哪一個(gè)或二個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，執(zhí)行

哪一種運(yùn)算、如何保存計(jì)算結(jié)果等。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、

實(shí)現(xiàn)的最基本和最重要的依據(jù)，與計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度、設(shè)計(jì)

程序的難易程度、程序占用硬件資源的多少、程序運(yùn)行的效率等都直接

相關(guān)，說(shuō)到底，硬件系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)每一條指令的功能，能夠識(shí)別和

執(zhí)行由指令代碼序列組成的程序。當(dāng)然，指令系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件的關(guān)

系也十分密切，指令是用于設(shè)計(jì)程序的，到了計(jì)算機(jī)內(nèi)部，全部的程

序最終都是由指令系統(tǒng)所提供的指令代碼組成的，計(jì)算機(jī)硬件能夠直

接識(shí)別和執(zhí)行的只能是由指令代碼組成的程序。

第3層：操作系統(tǒng)（operatingsystem）層。它主要分擔(dān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中的資源管理與分配，也向使用者和程序設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)單、方便、

高效的服務(wù)。它是使用（直接或者間接）計(jì)算機(jī)硬件指令系統(tǒng)所提供

的指令設(shè)計(jì)出來(lái)的程序，并把一些常用功能以操作命令或者系統(tǒng)調(diào)用

的方式提供給使用人員。

第4層：匯編語(yǔ)言（assemblylanguage）層。計(jì)算機(jī)的硬件可以直

接識(shí)別、理解的，用電子線路容易處理的就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言，又

稱為二進(jìn)制代碼語(yǔ)言，也就是計(jì)算機(jī)的指令。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的全部指令構(gòu)

成該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。由此可以看出，實(shí)質(zhì)上計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)硬件是

在機(jī)器語(yǔ)言的層次上被設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，并且可以直接識(shí)別和執(zhí)行的只能

是由機(jī)器語(yǔ)言構(gòu)成的程序。

匯編語(yǔ)言是對(duì)計(jì)算機(jī)機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)化處理（采用英文）的結(jié)果，再

增加一些為方便程序設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能。與機(jī)器語(yǔ)言相比，匯編

語(yǔ)言至少有2大優(yōu)點(diǎn)。首先實(shí)現(xiàn)用英文單詞或其縮寫形式替代二進(jìn)制的

指令代碼，更容易為人們記憶和理解；其次是可以選用含義明確的英

文單詞來(lái)表示程序中用到的數(shù)據(jù)（常量和變量）,并且避免程序設(shè)計(jì)

人員親自花費(fèi)精力為這些數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)單元。如果在此基礎(chǔ)上，還可

以在支持程序的不同結(jié)構(gòu)特性(如循環(huán)和重復(fù)執(zhí)行等結(jié)構(gòu))，子程序

所用形式參數(shù)替換為真實(shí)參數(shù)等方面提供必要的支持。

采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序必須經(jīng)過(guò)一個(gè)叫做匯編程序的系統(tǒng)軟件進(jìn)行

翻譯，將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言后，才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上

予以執(zhí)行。

第5層：高級(jí)語(yǔ)言層，高級(jí)語(yǔ)言又稱算法語(yǔ)言(algorithmlanguage),

它的實(shí)現(xiàn)思路，不再是過(guò)分地〃靠攏〃計(jì)算機(jī)硬件的指令系統(tǒng)，而是

著重面向解決實(shí)際問(wèn)題所用的算法，為方便程序設(shè)計(jì)人員寫出自己解決

問(wèn)題過(guò)程的程序。目前常用的高級(jí)語(yǔ)言有BASIC.C、C++、,PASCAL、

JAVA、PROLOG等多種。

用這些高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)出來(lái)的程序，通常需要經(jīng)過(guò)一個(gè)叫做編譯程序的軟

件編譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，或者首先編譯成匯編程序后，再經(jīng)過(guò)匯編操

作后得到機(jī)器語(yǔ)言程序，才能在計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)上予以執(zhí)行；也可

以由一個(gè)叫做解釋執(zhí)行程序的軟件，逐條取來(lái)相應(yīng)高級(jí)語(yǔ)言程序的每個(gè)

語(yǔ)句并直接控制其完成執(zhí)行過(guò)程，而不是把整個(gè)程序編譯為機(jī)器語(yǔ)言

程序之后再交給硬件系統(tǒng)加以執(zhí)行，解釋執(zhí)行程序的最大缺點(diǎn)是運(yùn)行效

率比很低。

在高級(jí)語(yǔ)言層之上，還可以有應(yīng)用層，由解決實(shí)際問(wèn)題的處理程序組成,

例如文字處理軟件，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，網(wǎng)絡(luò)軟件，多媒體信息處理軟件，辦

公自動(dòng)化軟件等。

5.高級(jí)語(yǔ)言層

4.匯編語(yǔ)言層

t

3.操作系統(tǒng)層

2.指令系統(tǒng)層

t

0.數(shù)字邏輯層

圖1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

運(yùn)算器是對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行加工處理的部件，它用來(lái)對(duì)二進(jìn)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行

算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算，故稱"算術(shù)邏輯運(yùn)算部件（ALU廠。運(yùn)算器主

要由寄存器和算術(shù)邏輯線路構(gòu)成。寄存器用來(lái)存放數(shù)據(jù)，算術(shù)邏輯線路

主要是完成各種運(yùn)算功能。算術(shù)運(yùn)算是指加、減、乘、除四則運(yùn)算，而

各種運(yùn)算都可以歸結(jié)為加法與移位兩個(gè)基本操作，所以算術(shù)邏輯線路核

心部分是加法器。

存儲(chǔ)器是用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的部件。計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)一般分為主存儲(chǔ)

器和外存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器由半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件構(gòu)成，它存取速度快，但容

量小。而外存儲(chǔ)器通常由磁盤存儲(chǔ)器組成，它的存取速度慢，但是容量

大。在運(yùn)算過(guò)程中主存儲(chǔ)器直接與中央處理器（CPU）交換信息，而外

存儲(chǔ)器必須將它的信息傳送到主存儲(chǔ)器后才能由CPU來(lái)處理。

存儲(chǔ)器的基本構(gòu)成單元是存儲(chǔ)元件，存取信息是以一個(gè)單元來(lái)進(jìn)行的，

每個(gè)存取單元可以存放一串二進(jìn)制信息，各單元的位數(shù)相同。為了區(qū)分

存儲(chǔ)體內(nèi)的不同的存儲(chǔ)單元，通常將每個(gè)單元統(tǒng)一編號(hào)，這個(gè)號(hào)碼稱為

存儲(chǔ)單元的“地址

整個(gè)存儲(chǔ)器是由存儲(chǔ)體、選址系統(tǒng)、讀寫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩沖寄存器，以及

有關(guān)控制線路組成。存儲(chǔ)器的工作過(guò)程分為讀出過(guò)程與寫入過(guò)程。讀出

時(shí)，將被選址存儲(chǔ)單元的內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，提供CPU使用。

寫入時(shí)，將要寫入的信息送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器中，然后寫入到被指定的

存儲(chǔ)單元內(nèi)。

控制器主要功能是根據(jù)預(yù)先編好的程序，不斷從主存中取出指令，分析

指令產(chǎn)生各種控制信號(hào)，從而指揮協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)工作（執(zhí)行指

令）。

控制器最基本的組成部分有：指示指令執(zhí)行順序的程序計(jì)數(shù)器（PC）,

寄存現(xiàn)行指令的指令寄存器（IR）,分析指令的指令譯碼器（ID），產(chǎn)

生控制命令序列的控制信號(hào)形成部件。

輸入輸出設(shè)備是實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間相互聯(lián)系的部件，其主要功能是實(shí)

現(xiàn)人——機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)的輸入與輸出，以及各種形式的數(shù)據(jù)變換等。

輸入設(shè)備的功能是向計(jì)算利崎入人們提供的程序和原始數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)

化成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信號(hào)，存入存儲(chǔ)器中。輸入設(shè)備的種類很多，如鍵

盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、掃描儀等。

輸出設(shè)備是將計(jì)算機(jī)加工處理過(guò)的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為用戶所需要的數(shù)

據(jù)形式的設(shè)備。它將計(jì)算機(jī)的信息以字符、圖形、表格等形式顯示打印

出來(lái)。輸出設(shè)備的種類有，如打印機(jī)、顯示器等。有些設(shè)備同時(shí)具有輸

入與輸出的功能，如磁盤、光盤、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

系統(tǒng)總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是上述多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)

傳送的公共通路。系統(tǒng)總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線三類。

其中數(shù)據(jù)總線用于在這些部件或設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)信息（指令和數(shù)據(jù)）

的電氣信號(hào)；地址總線，用于在這些部件或設(shè)備之間傳送屬于地址信息

的電氣信號(hào)，以選擇存儲(chǔ)部件中的一個(gè)存儲(chǔ)單元，或者外圍設(shè)備中的一

個(gè)設(shè)備方空制總線，用于向存儲(chǔ)部件和外圍設(shè)備傳送起控制作用的信號(hào),

也就是指定在CPU和這些部件或者設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳送的方向以及操作

的性質(zhì)（讀操作還是寫操作）等。

計(jì)算機(jī)的5個(gè)功能部件正是通過(guò)這些總線被有機(jī)地連接在一起，從而構(gòu)

成一臺(tái)完整的、可以協(xié)調(diào)運(yùn)行（執(zhí)行程序）的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。

圖1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成示意圖

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在計(jì)算機(jī)中，普遍的體系結(jié)構(gòu)是由馮?諾依曼提出來(lái)的被稱之為存儲(chǔ)程序

的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，早期計(jì)算機(jī)的幾個(gè)部件是圍繞著運(yùn)算器部件來(lái)組織

的,如圖1.3(a)所示，其特點(diǎn)是在存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備之間傳送數(shù)

據(jù)都是經(jīng)過(guò)運(yùn)算器完成的。

在當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)中，更常用的方案則是圍繞著存儲(chǔ)器部件來(lái)組織,

如圖13(b)所示。兩個(gè)方案相比，并無(wú)實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，只是使輸入

輸出操作盡可能地繞過(guò)CPU,直接在輸入輸出設(shè)備和存儲(chǔ)器系統(tǒng)之間

完成，以提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。

存儲(chǔ)器

原始

部件運(yùn)算

結(jié)果

I輸入運(yùn)算器輸出

輸出

設(shè)備??部件「設(shè)備?

設(shè)備

控制器H\

........I部件I........

方案(a)方案(b)

圖1.3計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

字長(zhǎng)是指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)。它決定著寄存器、加法器、數(shù)據(jù)總

線等部件的位數(shù)。因?yàn)橹噶詈蛿?shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)器中，字長(zhǎng)與指令有著

密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如在32位字長(zhǎng)的計(jì)算磯系統(tǒng)中，一個(gè)整數(shù)、一條

指令通常都用32位二進(jìn)制數(shù)表示,叫做一個(gè)字,運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、數(shù)

據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計(jì)成32位。字長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的處理能力和運(yùn)

行性能有明顯影響，字長(zhǎng)長(zhǎng)一點(diǎn)有利于提高計(jì)算機(jī)的性能，但需要使用

更多的硬件，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格也會(huì)高一些。

第一種方式使用CPU主頻,即CPU系統(tǒng)使用的時(shí)鐘脈沖的頻率（每一

秒鐘提供的時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)稱為赫茲Hz）來(lái)表示，例如500MHz。對(duì)

同一個(gè)型號(hào)的計(jì)算機(jī)，其主頻越高，完成指令的一個(gè)執(zhí)行步驟所用的時(shí)

間越短，執(zhí)行指令的速度越快，但對(duì)不同廠家、不同系列的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，

只用CPU主頻來(lái)說(shuō)明其運(yùn)行速度就未必準(zhǔn)確。

第二種方式使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，由于在計(jì)算機(jī)中用

于計(jì)算整數(shù)的指令和計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)（實(shí)數(shù)）的指令執(zhí)行速度差異較大，

不同程序中這兩類指令所占的比例也有很大不同，為此人們還分別用

MIPS（每秒百萬(wàn)次整數(shù)運(yùn)算）、MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算）

描述整數(shù)指令和浮點(diǎn)數(shù)指令的執(zhí)行速度，以便對(duì)比不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

CPU性能水平。

存儲(chǔ)器的容量，通常情況下用字節(jié)（Byte,8個(gè)二進(jìn)制位構(gòu)成一個(gè)字節(jié)）

表示，32位的字由4個(gè)字節(jié)組成。存儲(chǔ)器的容量大，就可以保存更多

的信息，計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度就可以更快，相應(yīng)的硬件成本也就更高。

目前計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量由幾十、幾百兆字節(jié)（簡(jiǎn)寫為MB）、甚至幾十、

上百G字節(jié)（簡(jiǎn)寫為GB）組成。外存儲(chǔ)器的容量一般是幾十、幾百個(gè)

GB,采用陣列技術(shù)則可以得至熔量更大得多的外存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

內(nèi)存儲(chǔ)器的讀寫周期是指啟動(dòng)連續(xù)的兩次讀寫操作所必需的時(shí)間間隔，

當(dāng)前的內(nèi)存儲(chǔ)器存取周期為幾十個(gè)納秒到一、二百個(gè)納秒（ns）,讀寫

速度快的存儲(chǔ)器價(jià)格要貴一些,要合理選用。

通常把單位時(shí)間內(nèi)可以對(duì)磁盤設(shè)備讀寫的數(shù)據(jù)數(shù)量稱為設(shè)備的傳輸速

率（MB/S,兆字節(jié)徽）,外存設(shè)備的傳輸速率是影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能

的一個(gè)重要因素，特別是用作為服務(wù)器之類計(jì)算機(jī)更是如此。目前磁盤

設(shè)備的傳輸速率可以達(dá)到33MB/S?200MB/S。這個(gè)速率不僅與設(shè)備本

身的性能有關(guān)，與設(shè)備的接口性能和計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì)也直接相關(guān)。在選

用磁盤陣列技術(shù)之后，其傳輸速率得到大幅度提高。

輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，其組成和運(yùn)行原理各不

相同，與計(jì)算機(jī)主機(jī)的連接與控制方式也多有差異，在電子線路之外還

涉及到精密機(jī)械、光學(xué)、激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多技術(shù)。不同的輸入輸出

設(shè)備的運(yùn)行速度各不相同，例如針式打印機(jī)每秒只能打印幾個(gè)字符，而

激光打印機(jī)則可以打印多行甚至幾頁(yè)打印紙的信息C

通常是指涉及機(jī)器語(yǔ)言或者匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)的屬性，更多說(shuō)的是計(jì)算機(jī)的外特性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及

其功能特性。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究硬件和軟件功能的劃分，確定硬

件和軟件的界面，即哪些功能應(yīng)劃分給硬件子系統(tǒng)完成，哪些功能應(yīng)劃

分到軟件子系統(tǒng)中完成。

對(duì)于目前的通用型機(jī)器，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)一般包括：

數(shù)據(jù)表示（計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型及其表示、存儲(chǔ)、

讀寫方式）；

尋址方式（最小尋址單位、支持的尋址方式、表示和地址計(jì)算等）；

寄存器組織（指令中使用的寄存器數(shù)量和表示方法）；

指令系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)一指令系統(tǒng)的組成，指令類別、格式和功能）；

存儲(chǔ)系統(tǒng)（存儲(chǔ)器尋址方式、主存容量、最大尋址空間等）；

中斷機(jī)構(gòu)（中斷的類型和處理流程）；

機(jī)器工作狀態(tài)（計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的定義和切換）；

機(jī)器級(jí)的輸入輸出紜構(gòu)（輸入輸出設(shè)備和CPU之間數(shù)據(jù)傳送的方式和

控制）；

信息保護(hù)（系統(tǒng)中對(duì)各類信息的保護(hù)，對(duì)各種運(yùn)行異常或者出錯(cuò)的檢測(cè)

和處理方案等）。

是依據(jù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)確定并且分配了硬件子系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)和功能

特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)各部件的具體組成，它們之間的連接關(guān)系,

實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。從這一點(diǎn)又可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)組成是

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)相同的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所要求的

功能，完全可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)方案。

在計(jì)算機(jī)組成的領(lǐng)域內(nèi)，需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一是合理的性能價(jià)格

比，關(guān)鍵的技術(shù)措施在于處理好計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流，合理地

匹配各功能部件的性能參數(shù)，也就是盡力避免因一個(gè)部件形成的“瓶頸”

問(wèn)題而影響計(jì)算機(jī)的整體性能。

是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括中央處理機(jī)、主存儲(chǔ)器、輸入輸出接口

和設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，所選用的半導(dǎo)體器件的集成度和速度，器件、模塊、

插件、底板的劃分，電源、冷卻、裝配等技術(shù)，生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)調(diào)試等

各種問(wèn)題，一句話，就是把完成邏輯設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)組成方案轉(zhuǎn)換為真實(shí)

的計(jì)算機(jī)，也就是把滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行、價(jià)格等各項(xiàng)要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真

正地制作并調(diào)試出來(lái)。

從制作計(jì)算機(jī)使用的元器件的不同，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，依次經(jīng)歷了：

1.電子管時(shí)代（1946年——1958年）

電子管

1946年第一代

電子管電子計(jì)算機(jī)ENIAC

2.晶體管時(shí)代（1958年——1964年）

第二代晶體管電子計(jì)算機(jī)IBM7094

3.小規(guī)模集成電路時(shí)代（1964年—1975年）

4.大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路時(shí)代（1975年——）

展勾史I

大規(guī)模集成電路1M

第四代大規(guī)模集成電路

微型機(jī)、筆記本?.平犍腦、IBM超級(jí)計(jì)算機(jī)

如果依據(jù)計(jì)算機(jī)所提供的功能和運(yùn)行性能來(lái)劃分，可以把計(jì)算機(jī)劃分為

巨型計(jì)算機(jī)，大型計(jì)算機(jī)，中小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，這種劃分標(biāo)準(zhǔn)

并不是絕對(duì)的，把一臺(tái)計(jì)算機(jī)劃分在哪一類中，和計(jì)算機(jī)發(fā)展的進(jìn)程密

切相關(guān)，例如，現(xiàn)在的一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的功能和性能，可能比40年前

的大型計(jì)算機(jī)的功能還要強(qiáng)大，這是計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)步的重要成果和具體

表現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)另外一種分類辦法是Flynn分類法，在1966年，M.J.Flynn

提出如下定義：

指令流(instructionstream)------機(jī)器執(zhí)行的指令序列。

數(shù)據(jù)流(datastream)——由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)

和中間色數(shù)據(jù)。

多倍性(multiplicity)——在系統(tǒng)中最受限制的元件上同時(shí)處于同一

執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。

他按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同的組織方式，把計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以

下4類：

(1)單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(SingleInstructionstreamSingleData

stream);

(2)單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionstreamMultiple

Datastream);

(3)多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(MultipleInstructionstreamSingle

Datastream);

(4)多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(MultipleInstructionstream

MultipleDatastream)e

上面的第1種是傳統(tǒng)的指令順序執(zhí)行的處理機(jī)系統(tǒng)，第2種以陣列

處理機(jī)或并行處理機(jī)為代表，第4種屬于多處理機(jī)系統(tǒng)。對(duì)第3種有不

同的看法，在有的文獻(xiàn)中把流水線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)看作為MISD結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)步的另一個(gè)方面，表現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和對(duì)社會(huì)變

革、進(jìn)步帶來(lái)的深刻影響。簡(jiǎn)單列舉如下。

1.科學(xué)計(jì)算：計(jì)算機(jī)作為計(jì)算工具，完成各種復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算是它的

一個(gè)重要應(yīng)用方面，在科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、天氣預(yù)報(bào)、地質(zhì)與石油勘

探等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。

2.數(shù)據(jù)處理：計(jì)箕機(jī)作為數(shù)據(jù)處理工具，在政府辦公，企、事業(yè)單位

的管理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對(duì)政府大量的檔案和公文收發(fā)、保存和檢

索，業(yè)務(wù)信息的處理與辦公流程自動(dòng)化管理，信息分析與科學(xué)決策等方

面提供支持。對(duì)企業(yè)單位的人、財(cái)、物，購(gòu)、銷、存等信息的保存與管

理，市場(chǎng)預(yù)測(cè)和經(jīng)營(yíng)決策等方面提供支持。

3.自動(dòng)控制：計(jì)算機(jī)作為具有高速和靈活的邏輯處理能力的工具，廣

泛用于工業(yè)生產(chǎn)、航天發(fā)射等過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，包括用于產(chǎn)品的輔助設(shè)

計(jì)(和輔助制造(

CAD)CAM)e

4.人工智能：計(jì)算機(jī)作為具有高速和靈活的邏輯處理和推理能力的工

具，在人工智能領(lǐng)域，完成諸如數(shù)學(xué)定理證明，自然語(yǔ)言理解，知識(shí)表

示和挖掘，密碼處理和破譯，智能機(jī)器人研制和應(yīng)用，計(jì)算機(jī)翻譯等需

要有一定邏輯推理的領(lǐng)域發(fā)揮決定性的作用。

5.網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為在寬廣

的范圍內(nèi)傳播信息和實(shí)現(xiàn)人員溝通的重要工具，出現(xiàn)了電子政府，電子

商務(wù)，網(wǎng)絡(luò)教育，遠(yuǎn)程診斷，網(wǎng)上信息檢索等多種應(yīng)用，極大地改變了

人類的生活環(huán)境和交流方式。

1.二進(jìn)制碼

只使用〃0〃和〃1〃兩個(gè)基本符號(hào),在數(shù)值數(shù)據(jù)中選用〃逢二進(jìn)一〃的

進(jìn)位規(guī)則，這是二進(jìn)制碼的基本特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部普遍使用二進(jìn)制碼來(lái)

表示各種數(shù)據(jù)，這是因?yàn)椋?/p>

①很容易找到表示和區(qū)分二進(jìn)制碼的和〃1〃兩個(gè)符號(hào)的物理器

件；

②〃0〃和兩個(gè)符號(hào)可以很好地對(duì)應(yīng)邏輯型數(shù)據(jù)的〃假〃和〃真〃

兩個(gè)值；

③用二進(jìn)制碼表示的數(shù)值型數(shù)據(jù)的運(yùn)算規(guī)則最簡(jiǎn)單。

各種不同類型的數(shù)據(jù)，包括數(shù)值、邏輯值、文本、圖像、聲音和視頻等

多種信息，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部都必須采用二進(jìn)制代碼的和〃1〃來(lái)

表示。對(duì)于數(shù)值類型的數(shù)據(jù)，在日常生活中通常使用帶正、負(fù)號(hào)的十進(jìn)

制數(shù)來(lái)表示，如123.456、-789等，這就勢(shì)必遇到和計(jì)算機(jī)內(nèi)部選用

的二進(jìn)制數(shù)或采用二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)(BinaryCodedDecimal

Number,簡(jiǎn)稱BCD碼)之間的數(shù)制轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

2.數(shù)制與進(jìn)位計(jì)數(shù)法

在采用進(jìn)位計(jì)數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)中，如果只用r個(gè)基本符號(hào)(例如0,12…

r-1)、通過(guò)排列起來(lái)的符號(hào)串表示數(shù)值，則稱其為基r數(shù)制(Radix-r

NumberSystem),r稱為數(shù)制的基數(shù)(Radix)。假定用m+k個(gè)自左向

右排列的符號(hào)Di(i是位序號(hào)，-k<i<m-l;Di表示符號(hào)串中第i位上

的記數(shù)符號(hào)，屬于0到r-1中的一個(gè))表示數(shù)值N,則有：

N=Dm-1Dm-2...DIDOD-lD-2…D-k(2.1)

式中的Di()為該數(shù)制采用的基本符號(hào)，可取值0、L2、…、

r-1，小數(shù)點(diǎn)位置隱含在D0與D-1位之間,則Dm-1...DO為N的

整數(shù)部分，D-1...D-k為N的小數(shù)部分。

如果為第i位上的符號(hào)1賦以某個(gè)固定的值Wi,則稱Wi為第i位的

權(quán)(Weight),在選用〃逢r進(jìn)位"的規(guī)則時(shí)，位權(quán)Wi的值為ri(-

個(gè)底為基數(shù)、幕是位序號(hào)的指數(shù)值)，則稱這種數(shù)制為r進(jìn)位數(shù)制

(PositionalRadix-rNumberSystem),簡(jiǎn)稱r進(jìn)制。第i位的實(shí)際值

可寫成Dixri,N的實(shí)際值為各數(shù)據(jù)位實(shí)際值的累加和，可表示為：

m-1

N=￡DM(22)

i=-k

例如，表示十進(jìn)制數(shù)要使用10個(gè)基本符號(hào)：0,1,2,3,4,5,6,

7,8,9,采用逢10進(jìn)1規(guī)則，例如103.4=1x102+0x101+3x

100+4x10-1。

在計(jì)算機(jī)中通常還會(huì)用到二、八、十六3種進(jìn)位數(shù)制。

在二進(jìn)制中，計(jì)數(shù)符號(hào)：0,1,基數(shù)是2,逢二進(jìn)一。

在八進(jìn)制中，計(jì)數(shù)符號(hào)：0,1,…，7,基數(shù)是8,逢八進(jìn)一。

在十六進(jìn)制中，計(jì)數(shù)符號(hào)：0,1，…，9,A,B，…，F(xiàn),基數(shù)是16,

逢十六進(jìn)一。分別用A-F分別表示十進(jìn)制數(shù)10,11,12,13,14,

15。

1.十一二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

十一二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換要分為整數(shù)與小數(shù)兩種情況分別轉(zhuǎn)換。

(1)整數(shù)的轉(zhuǎn)換：采用除2取余，高位在下，直到商為0時(shí)為止的原

則。

例如:35

低位

高位

結(jié)果：100011

(2)小數(shù)的轉(zhuǎn)換：采用乘2取整，高位在上的原則，位數(shù)達(dá)到要求或

小數(shù)部分為0結(jié)束。

例如，把十進(jìn)制小數(shù)0.375轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，如下所示：

0.375x2=0.75整數(shù)部分為0高位

0.75x2=1.5整數(shù)部分為1

0.5x2=1.0整數(shù)部分為1低位

所以，0.375=(0.011)2

查看動(dòng)畫演示(十進(jìn)制轉(zhuǎn)化二進(jìn)制)

2.--十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

二-十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換：通常采用公式(2.2)對(duì)二進(jìn)制數(shù)各位的實(shí)際值

累加求和完成。

例如：(10110)2=1x24+0x23+1x22+1x21+0x20=22

(1101.1)2=1x23+1x22+0x21+1x20+1x2-1=13.5

查看動(dòng)畫演示(二進(jìn)制轉(zhuǎn)化十進(jìn)制)

3.八一二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

因?yàn)?3=8,故1個(gè)八進(jìn)制位對(duì)應(yīng)3個(gè)二進(jìn)制位，可以把一個(gè)八進(jìn)制數(shù)

的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每一位分別轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制數(shù)。

例如：(103.4)8=(001010011.100)2

(741)8=(111100001)2

4.二一八進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

因?yàn)?3=8,故3個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)1個(gè)八進(jìn)制位，可以從小數(shù)點(diǎn)位置分

別向左和向右把每3位二進(jìn)制數(shù)劃分為一組，并轉(zhuǎn)換成1位八進(jìn)制數(shù)。

注意：小數(shù)部分分組時(shí)若低位不足3位時(shí)要用0補(bǔ)足，否則會(huì)出錯(cuò)。

例如：(10110110.1)2=(266.4)8,而不是(266.1)8

查看動(dòng)畫演示(二進(jìn)制轉(zhuǎn)化八進(jìn)制)

5.十六一二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

因?yàn)?4=16,故1個(gè)十六進(jìn)制位對(duì)應(yīng)4個(gè)二進(jìn)制位，可以把一個(gè)十六

進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分的每T立分別轉(zhuǎn)換成4位二進(jìn)制數(shù)。

例如：(123)16=(0001,0010,0011)2

(D2C8)16=(1101,0010,1100,1000)2

6.二一十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

因?yàn)?4=16,故4個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)1個(gè)十六進(jìn)制位,可以從小數(shù)點(diǎn)位

置分別向左和向右把每4位二進(jìn)制數(shù)劃分為一組，并轉(zhuǎn)換成1位十六進(jìn)

制數(shù)。注意：小數(shù)部分分組是若低位不足4位要用0補(bǔ)足，否則會(huì)出錯(cuò)。

例如：(10110110.11)2=(1011,0110)16=(B6.C)16,而不是

(266.3)16

(100110111)2=(1,0011,0111)8=(137)16

查看動(dòng)畫演示(二進(jìn)制轉(zhuǎn)化十六進(jìn)制)

用定點(diǎn)小數(shù)引出數(shù)值的三種編碼(原碼、補(bǔ)碼和反碼)方案是最方便的。

(1)原碼表示法

原碼表示法是用機(jī)器數(shù)的最高一位代表符號(hào)，其余各位給出數(shù)值絕對(duì)值

的表示方法。其定義為：

XO<X<1

[X]M=■(2.3)

?1-X-1<X<O

例如，X=+0.1011,兇原二01011

X=-0.1011,兇原二11011

按定義，當(dāng)X=-0.1011時(shí)，兇原=1-X=1.0000-(-0.1011)=11011,

約定小數(shù)點(diǎn)在符號(hào)位和數(shù)值位之間，可省略，這里的X為數(shù)的真值,兇

原為原碼表示的機(jī)器數(shù)，是符號(hào)位+|X|O

在原碼表示中，零有兩種表示形式，即［+0.0］原=00000,［-0.0］原

=10000。

原碼表示的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算的規(guī)則簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算很

不方便，要比較參與加減運(yùn)算兩個(gè)數(shù)的符號(hào)和兩個(gè)數(shù)的絕對(duì)值的大小，

才能確定運(yùn)算結(jié)果的數(shù)值和符號(hào)。

(2)反碼表示法

反碼表示法是用機(jī)器數(shù)的最高一位代表符號(hào)，數(shù)值位是對(duì)負(fù)數(shù)值各位取

反的表示方法，其定義為

O<X<1

[X]&=v(2.4)

(22)+X-1<X<OMOD(2-2-0)

例如，X=+0.1011,兇反二01011,X=-0.1011z兇反二10100

在反碼表示中，零有兩個(gè)編碼，即［+0.0］反=00000,［-0.0］反=11111

在當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中很少使用反碼，在有些書(shū)中也稱反碼為按1取模

的編碼。

(3)補(bǔ)碼表示法

補(bǔ)碼表示法是用機(jī)器數(shù)的最高一位代表符號(hào)，以下各位給出數(shù)值按2取

模結(jié)果的表示方法，其定義為：

［幻*4X叱XVI(25)

［2+X-l<X<0MOD2

例如，X=+0.1011,兇補(bǔ)=01011,X=-0.1011,兇補(bǔ)=10101

在補(bǔ)碼表示中，0有唯一的編碼，即［+0.0］補(bǔ)=乂=00000,［-0.0］補(bǔ)

=2+XMOD2=00000,所以定點(diǎn)小數(shù)多出一個(gè)編碼，可表示-1。

例如，Xl=X2=-0.1000廁［XI］補(bǔ)=［X2］補(bǔ)=11000,那么［X+X］補(bǔ)

=11000+11000=110000按2取模后得10000這是-1的補(bǔ)碼表示。

補(bǔ)碼表示的機(jī)器數(shù)和它的真值的關(guān)系是［X］補(bǔ)=2*符號(hào)位+X,由此

又得到X=［X］補(bǔ)-2*符號(hào)位,這個(gè)結(jié)論在討論補(bǔ)碼乘法是會(huì)用到。

補(bǔ)碼表示非常適合于進(jìn)行加減法運(yùn)算，對(duì)符號(hào)位與數(shù)值位同等處理，只

要結(jié)果不超出機(jī)器能表示的數(shù)值范圍，將直接得到正確的運(yùn)算結(jié)果，即

符號(hào)位與數(shù)值位都是正確的補(bǔ)碼表示，并且可以用實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的電路

完成減法運(yùn)算，用+［-Y］補(bǔ)的辦法處理減數(shù)即可。

查看動(dòng)畫演示（補(bǔ)碼原理）

帶符號(hào)的整數(shù)也可以用原碼、補(bǔ)碼和反碼三種不同的編碼方法表示。

可以認(rèn)為整數(shù)是小數(shù)點(diǎn)被設(shè)置在最低一位數(shù)值位的右邊，機(jī)器數(shù)的最高

位仍被用作數(shù)的符號(hào)位。數(shù)值的表示范圍，以及整數(shù)編碼的取模值，都

與表示一個(gè)數(shù)所用的二進(jìn)制位數(shù)有關(guān)。

例如，對(duì)于用n+1個(gè)二進(jìn)制位表示的帶符號(hào)的整數(shù)的補(bǔ)碼，其數(shù)值范

圍是-2n4X<2n，是用機(jī)器數(shù)的最高一位代表符號(hào)，以下各位給出數(shù)值

按2n+l取模結(jié)果的表示方法，其定義為：

X0<X<2n

DOX(2.9)

20*l+X-20<X<0MOD尸】

正數(shù)的原碼和反碼的定義、表示與定點(diǎn)小數(shù)部分說(shuō)明的方法類似，這里

從略。

例如，X=+10101[X]原=[X]補(bǔ)=[X]反=010101

X=-10101[X]J^=110101，兇補(bǔ)=101011，兇反=101010

以上兩個(gè)數(shù)的變形補(bǔ)碼分別為0010101和1101011。這里的n均為5。

有些計(jì)算機(jī)內(nèi)有專門的十進(jìn)制運(yùn)算指令，支持選用十進(jìn)制數(shù)的算術(shù)計(jì)

算。為此要求采用一種二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)，這種編碼被

稱為BCD碼(BinaryCodedDecimal),使用4位二進(jìn)制編碼來(lái)表示

十進(jìn)制數(shù)字0~9,有多種具體實(shí)現(xiàn)方案，如表2.3所示。

ft23常用+遵敏敷打?嗎

十進(jìn)瓶依8421碼2421日521119格■碼余3碼

000000000000000000011

100010001000100010100

?00100010001100110101

300110011010100100110

40100010001110M00111

501011011100001111000

60110110010100101loot

701111101110001001010

810001110111011001011

910011111111110001100

按照編碼的每一位是否都有固定的權(quán)值，表中的編碼可分為有權(quán)碼和無(wú)

權(quán)碼兩類。顯然，8421碼、2421碼和5211碼為有權(quán)碼；而格雷碼、

余3碼的每一位沒(méi)有確定的權(quán)，所以是無(wú)權(quán)碼。

格雷碼又稱循環(huán)碼，其編碼規(guī)則是使任何兩個(gè)相鄰的代碼只有一個(gè)二進(jìn)

位的狀態(tài)不同，在D/A或A/D轉(zhuǎn)換電路中得到很好的運(yùn)行結(jié)果。

用BCD碼來(lái)表示十進(jìn)制數(shù)字時(shí)，1個(gè)字節(jié)存放2位十進(jìn)制的數(shù)字；符

號(hào)位放在最低位數(shù)字位之后，一般用C(12)表示正號(hào)，用D(13)

表示負(fù)號(hào)。例如：+258被表示成258cH,占用兩個(gè)字節(jié)，-34被表

示為034DH,也占用兩個(gè)字節(jié)，此處的H指出用的是十六進(jìn)制數(shù)。

查看動(dòng)畫演示(十進(jìn)制編碼)

小數(shù)點(diǎn)的位置可以在數(shù)據(jù)位之間移動(dòng)的數(shù)據(jù)稱為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，與數(shù)學(xué)中

的實(shí)數(shù)相對(duì)應(yīng)，與定點(diǎn)數(shù)相比，它的表示范圍可以更大，還存在一個(gè)數(shù)

據(jù)精度(有效數(shù)字位數(shù))的問(wèn)題。

例如：123.456可用如下多種表示：

12.3456x101

0.123456x103

1.23456x102,只有最后這種表示屬于科學(xué)計(jì)數(shù)法計(jì)算機(jī)

中浮點(diǎn)數(shù)據(jù)編碼的一般形式為：N=(-1)SXMXRE

在計(jì)算機(jī)中,浮點(diǎn)數(shù)通常被表示成如下格

SEM

式：1做腳健做心

其中：S:代表符號(hào)位，0代表正，1代表負(fù)，是浮點(diǎn)數(shù)（即尾數(shù)

部分）的符號(hào)。M:代表尾數(shù)，也就是有效數(shù)字，用定點(diǎn)小數(shù)表示，

通常用原碼表示。

R:指數(shù)的底，約定為2,不必表示出來(lái)，E:代表階碼，是一個(gè)整數(shù),

可正可負(fù)，一般用移碼表示，用REx尾數(shù)M可得到浮點(diǎn)數(shù)的絕對(duì)值。

合理地選擇階碼和尾數(shù)的位數(shù)m和n的值是十分重要的，以便在總長(zhǎng)

度為1+m+n位二進(jìn)制表示的浮點(diǎn)數(shù)中，既保證有足夠大的數(shù)值范圍

（取決于m）,又保證有所要求的數(shù)值精度（取決于n）。

需要對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算做出某些規(guī)定，國(guó)際上得到普遍應(yīng)用的是

IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定了表示浮點(diǎn)數(shù)所用的位數(shù)和幾個(gè)字段的分配

關(guān)系，規(guī)格化表示和規(guī)格化操作，隱藏位的使用等方案，如表2.4所示:

浮點(diǎn)數(shù)符號(hào)位階碼尾數(shù)總位數(shù)隱裳位

短實(shí)數(shù)182332使用

長(zhǎng)實(shí)數(shù)1115264使用

臨時(shí)實(shí)數(shù)1156480不用

三種浮點(diǎn)數(shù)格式

請(qǐng)注意，1位的符號(hào)位用于表示浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)，也可以說(shuō)是尾數(shù)的符號(hào)。

32位或64位的尾數(shù)用于表示數(shù)值，規(guī)定用規(guī)格化的原碼小數(shù)表示。

規(guī)格化是指非0值的浮點(diǎn)數(shù)的位數(shù)必須滿足的要求,即小

數(shù)點(diǎn)后的最高位數(shù)字必須為lo在遇到不滿足這一規(guī)定的情況下，需要

把非規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)變成為規(guī)格化表示的浮點(diǎn)數(shù)，這項(xiàng)操作被稱為規(guī)格

化操作。使用規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)便于浮點(diǎn)數(shù)之間的運(yùn)算與比較，也有利于

提高浮點(diǎn)數(shù)的表示精度。

既然尾數(shù)的最高位的值一定要為1,在實(shí)用中，可以通過(guò)把整個(gè)尾數(shù)左

移一位的辦法把最高位的這個(gè)1移走，使受尾數(shù)位數(shù)限制不能被保存的

更低一位上的一個(gè)數(shù)位得以保存,從而提高了一個(gè)二進(jìn)制位的表示精

度，這項(xiàng)處理方案被稱為隱藏位技術(shù)，被用于單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)的

存儲(chǔ)中。臨時(shí)浮點(diǎn)數(shù)中不使用隱藏位技術(shù)。

8位或11位的階碼用作為以2為底的一個(gè)指數(shù)的幕，只能是整數(shù)，它

的位數(shù)決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍，通常用移碼表示，移碼由1位符號(hào)位

和n位數(shù)據(jù)位構(gòu)成。

對(duì)于一個(gè)n+1位的整數(shù)移碼的定義是岡移=2n+x其表示范圍?2n

<x<2n，例如，8位的移碼是27+X,稱為移128的方案，移碼形式

的機(jī)器數(shù)比數(shù)X在數(shù)軸上右移了128O

X=-127,岡移=27+X=128+(-127)=1=(00000001)2,

X=127,岡移=27+X=128+127=255=(11111111)2

請(qǐng)注意，移碼只用于表示整數(shù)，僅用在浮點(diǎn)數(shù)的階碼部分。對(duì)同一個(gè)X,

其移碼數(shù)與補(bǔ)碼數(shù)有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，數(shù)值位相同，符號(hào)位相反，移碼

用0表示負(fù)號(hào)，1表示正號(hào)。

使用移碼的優(yōu)點(diǎn)是：便于比較兩個(gè)移碼數(shù)的大小，移碼表示的機(jī)器數(shù)與

數(shù)在數(shù)軸上的排列關(guān)系一致，正數(shù)大于負(fù)數(shù)，用在浮點(diǎn)數(shù)的階碼部分時(shí),

有利于加快浮點(diǎn)數(shù)的比較的速度，有利于判斷浮點(diǎn)數(shù)的0。

數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)加工、存取和傳送的過(guò)程中可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。為減少

和避免這類錯(cuò)誤，一方面是精心盡量提高計(jì)算機(jī)硬件本身的可靠性；另

一方面是在數(shù)據(jù)編碼上采用帶有某種特征能力的編碼方法，通過(guò)少量的

附加電路，使之能發(fā)現(xiàn)某種錯(cuò)誤，甚至能準(zhǔn)確的確定出錯(cuò)位置，進(jìn)而提

供自動(dòng)糾正錯(cuò)的的功能。

數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼就是一種常用的帶有發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤，甚至帶有一定自動(dòng)改錯(cuò)

能力的數(shù)據(jù)編碼方法。它的實(shí)現(xiàn)原理是在合法的數(shù)據(jù)編碼之間，加進(jìn)一

些不允許出現(xiàn)的（非法的）編碼，使合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯(cuò)誤時(shí)，就

稱為非法編碼。這樣，則可以通過(guò)檢查編碼的合法性來(lái)達(dá)到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的

目的。合理的設(shè)計(jì)編碼規(guī)則，安排合法、非法的編碼數(shù)量，就可以得到

發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力，甚至達(dá)到自動(dòng)改正錯(cuò)誤的目的。

這里用到的一個(gè)碼距（最小碼距）的概念。

碼距是指任意兩個(gè)合法碼之間至少有幾個(gè)二進(jìn)制位不相同，僅有一位不

同稱其碼距為1，例如1000與1001的碼距為1,而1011與1000的

碼距則為2O

只有當(dāng)合法碼之間的碼距d>=2時(shí)，校驗(yàn)碼才具有檢錯(cuò)能力，當(dāng)碼距

d>=3時(shí)，校驗(yàn)碼才具有糾錯(cuò)能力。

一般說(shuō)來(lái)，合理地增大編碼的碼距，就能提高發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力，但表示

一定數(shù)量的合法碼所使用的二進(jìn)制位數(shù)要變多，增加了電子線路的復(fù)雜

性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳送的數(shù)量。

所謂校驗(yàn)碼，又稱檢錯(cuò)碼，是指具有發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤或自動(dòng)改正錯(cuò)誤能力

的一種數(shù)據(jù)編碼方法，用于檢查或糾在讀寫和傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中可能出

現(xiàn)的錯(cuò)誤。其實(shí)現(xiàn)的基本思路是在有效信息代碼的基礎(chǔ)上，添加一些用

于校驗(yàn)?zāi)康牡娜哂嘈畔?lái)構(gòu)成一個(gè)校驗(yàn)碼，因此校驗(yàn)碼將由有效信息+

校驗(yàn)位構(gòu)成，校驗(yàn)位的值是通過(guò)對(duì)有效信息位執(zhí)行某種邏輯運(yùn)算得到。

校驗(yàn)碼的校驗(yàn)原理是通過(guò)判斷代碼的合法性來(lái)檢錯(cuò)的。如圖2.2所示。

W

效

校信

蛤出

蛉e

接收校

談H

/總

取位

/

原理

校驗(yàn)

圖2.2

種。

驗(yàn)碼3

環(huán)校

、循

驗(yàn)碼

明校

、海

驗(yàn)碼

偶校

有奇

驗(yàn)碼

的校

常