計算機組成原理（第6版）課件全套 紀祿平 第0-6章 概論-輸入輸出設(shè)備及其接口

計算機組成原理(小班+混合式教學)1/8課程內(nèi)容簡介：第一章概論

2學時

第二章數(shù)據(jù)的表示、運算與校驗

10學時

第三章CPU子系統(tǒng)

24學時

第四章存儲子系統(tǒng)

14學時

第五章總線與輸入輸出子系統(tǒng)

8學時

第六章輸入/輸出設(shè)備及接口

6學時

實驗課16學時(單獨課程)

2/8一、課程主要內(nèi)容重點討論計算機單機系統(tǒng)的硬件組成。即五大功能部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設(shè)計方法及相互連接構(gòu)成整機的方法。3/8強調(diào)兩個層次的整機概念：CPU整機概念硬件系統(tǒng)整機概念緊緊抓住各部件之間的信息傳送方式和傳送途徑。4/8二、學習目的為培養(yǎng)同學們在分析、設(shè)計、開發(fā)計算機系統(tǒng)方面的能力打下堅實的基礎(chǔ)。5/8三、教學特點1、以主要部件為背景討論基本原理，輻射MIPS32處理器。2、討論硬件組成時，在寄存器級進行分析。3、遵照大綱，兼顧考研。4、小班研討+線上線下混合式6/8四、教學安排（課堂64節(jié)，4節(jié)/周）教學思路：

CPU主機計算機硬件系統(tǒng)五、成績考核構(gòu)成線上學習（30%）課堂表現(xiàn)(20%)卷面統(tǒng)考（50%）SPOC論壇交互在線視頻學習5次單元測試課堂練習、研討、出勤等考教一體自命題10分1575分20分50分7/8六、配套教材教材：《計算機組成原理》，版次：第5版主編：紀祿平，羅克露等ISBN：978-7-121-37684-9出版社：電子工業(yè)出版社，2020.018/89/13

主要內(nèi)容：

計算機的基本概念

計算機的誕生和發(fā)展系統(tǒng)硬件組成（主要部件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）

計算機的性能指標第一章概論10/13電子計算機——1.1計算機的基本概念是一種可以存儲程序，并且通過執(zhí)行程序指令，可以自動、高速、精確地對數(shù)字信息進行各種復(fù)雜處理，然后輸出運算結(jié)果的高科技智能電子設(shè)備。11/13運算器控制器存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備數(shù)據(jù)信息控制信號

天藍箭頭線運算器和控制器，已集成在CPU中！黃色箭頭線狀態(tài)信息

白色箭頭線5個邏輯模塊:指令信息綠色箭頭線clock

12/131.1.1信息的數(shù)字化表示

1.在計算機中用數(shù)字代碼表示各種信息

二進制代碼例1用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù)

5

-5

表示為

0101

表示為

1101

13/13例2用數(shù)字代碼表示字符A

B

表示為

01000001

表示為

01000010

例3用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài)啟動

停止

正在工作

工作結(jié)束

表示為

00

表示為

01

表示為

10

表示為

11

14/13表示數(shù)字代碼

2.在物理機制上用數(shù)字信號

數(shù)字型電信號例1用電平信號表示數(shù)字代碼

高電平

1

低電平

高電平

0

1

例2用脈沖信號表示數(shù)字代碼

有脈沖無脈沖有脈沖101實現(xiàn)并行操作實現(xiàn)串行操作15/133.信息數(shù)字化表示的優(yōu)點

（1）物理上易實現(xiàn)信息的表示與存儲（2）抗干擾能力強，可靠性高（3）數(shù)值的表示范圍大，精度高（4）可表示的信息類型廣泛（5）能用數(shù)字邏輯技術(shù)進行處理因此，計算機中采用二進制形式表示信息16/131.1.2存儲程序工作方式1.編制程序3.自動、連續(xù)執(zhí)行程序2.存儲程序4.輸出結(jié)果17/13編寫程序輸入程序存儲程序輸出結(jié)果執(zhí)行指令轉(zhuǎn)換為指令序列※計算機的工作流程1.1.3計算機的分類計算機從總體上來說分為兩大類:模擬計算機和數(shù)字計算機。各自的主要特點：模擬計算機：由模擬運算器件構(gòu)成，處理在時間和數(shù)值上連續(xù)的模擬量（如：電壓、電流等）；數(shù)字計算機：由數(shù)字邏輯器件構(gòu)成，處理離散的數(shù)字量。其中數(shù)字計算機又可分為:專用計算機和通用計算機。專用機——是以快速、經(jīng)濟和高集成度為主要指標的特殊計算機，它是針對特定任務(wù)設(shè)計的計算機，適應(yīng)性較差（如：工控機、ATM等）。通用機——適應(yīng)性較高，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性，如個人電腦。20/13它們的系統(tǒng)規(guī)模和計算能力依次遞減。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，類型的劃分會動態(tài)變化。按照系統(tǒng)規(guī)模和計算能力，也可以分為：※巨型機（超算）、※大型機、※小型機、※微型機，等等21/13微型機小型機大型機超級計算機（超算）

體積功耗價格存儲量計算能力簡易性普及率※幾種類型的計算機對比：高低低高中文：約翰·馮·諾依曼外文：JohnVonNeumann國籍：美籍匈牙利人出生地：布達佩斯出生日期：1903年12月28日逝世日期：1957年2月8日畢業(yè)院校：蘇黎世大學、布達佩斯大學稱謂：計算機之父

1.2計算機的誕生和發(fā)展22/6馮·諾依曼思想的產(chǎn)生背景1944年加入了美國軍方ENIAC計算機研制項目，1945年提出并發(fā)表了一個全新的“存儲程序通用電子計算機”方案—EDVAC（馮·諾依曼思想）。EDVAC闡述了電子計算機和程序設(shè)計的新思想，是計算機發(fā)展史上一個劃時代的文獻，宣告電子計算機時代即將來臨。EDVAC方案的意義：催生了第1臺嚴格意義上的電子計算機（ENIAC,賓夕法尼亞大學，1946年2月）23/61.2.1

馮·諾依曼體系1.用二進制代碼表示程序和數(shù)據(jù)；任何復(fù)雜運算和操作都轉(zhuǎn)換成用二進制代碼表示的指令，數(shù)據(jù)也用二進制代碼來表示；2.采用存儲程序的工作方式將程序和數(shù)據(jù)存儲起來（存儲程序），讓計算機自動地執(zhí)行指令，完成各種復(fù)雜的運算操作（核心思想）。24/63.新型的現(xiàn)代計算機硬件組成存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備馮·諾依曼體系奠定了現(xiàn)代電子計算機的理論基礎(chǔ)。25/6類型時期主要器件重要特征1.2.2計算機的發(fā)展歷程第1代1946-1957電子管速度低，體積大，價格昂貴，可靠性差，主要用于科學計算；第2代1958-1964晶體管體積縮小，可靠性提高，從科學計算擴大到數(shù)據(jù)處理；第3代1965-1971中小規(guī)模集成電路體積縮小，可靠性提高，速度達到MIPS級，機種多樣化，小型計算機出現(xiàn)，軟件和外設(shè)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域擴大；第4代1971-大、超大規(guī)模集成電路速度高達GIPS乃至TIPS級，多機系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，微型計算機出現(xiàn)；26/61.2.3

未來的發(fā)展趨勢1、向巨型化方向2、向微型化方向3、向多媒體化方向4、向網(wǎng)絡(luò)化方向5、向智能化方向27/61.3計算機系統(tǒng)的組織硬件——是指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的實體和裝置之類的有形設(shè)備，是組成計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件——是指由硬件所表達的各種內(nèi)在信息，包括數(shù)據(jù)與控制程序。因為它們是無形的東西，所以稱為軟件或軟設(shè)備。28/211.3.1計算機的硬件系統(tǒng)組成29/20CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線1、硬件系統(tǒng)的基本組成模型※主要功能部件1.CPU（CentralProcessingUnit）主要由運算器、控制器等部件組成。（1）運算器1）功能：完成兩類（算術(shù)和邏輯）運算2）組成特點：30/21主要由ALU(算術(shù)邏輯單元)構(gòu)成，執(zhí)行算術(shù)、邏輯運算以及移位循環(huán)等操作，是CPU功能的主要執(zhí)行部件。ALU以全加器為核心，具有多種運算功能。運算的位數(shù)越多,計算精度就越高,但器件也更復(fù)雜。運算器的數(shù)據(jù)寬度一般是：8位、16位、32位或64位。31/21（2）控制器1）功能：產(chǎn)生控制命令(微命令)，控制全機操作。2）基本組成：微命令發(fā)生器指令信息狀態(tài)信息時序信號微命令序列32/212.存儲器1）功能：存儲數(shù)據(jù)和數(shù)字化后的程序。【注意】不論是數(shù)據(jù),還是程序,存儲器存儲的全是用0或1表示的二進制代碼。存儲器涉及到幾個基本概念：存儲單元：在存儲器中保存一個n位二進制數(shù)的n個存儲電路，組成一個存儲單元。地址：存儲器由許多存儲單元組成,每個存儲單元的編號，稱為地址。33/21存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。存儲容量越大,表示儲存的信息越多，常用的單位有“KB、MB、GB、TB、PB”等；內(nèi)存儲器：即主存，是一種用來存放直接為CPU提供服務(wù)的程序和數(shù)據(jù)存儲器半導體存儲芯片構(gòu)成，特點：工作速度較快，存儲容量比外存小。外存儲器：即輔存，

為計算機配備的存儲容量很大的輔助存儲器。磁盤存儲器、光盤存儲器等，其主要特點是存儲容量大，價格便宜，工作速度較慢。34/20輸出時：處理結(jié)果輸入時：原始信息3.輸入/輸出設(shè)備功能：執(zhí)行輸入/輸出信息的轉(zhuǎn)換。二進制代碼，送入主機；用戶能夠直接感知的形式(字符、圖像、聲音),并輸出給用戶；（二進制代碼）35/214.總線（Bus）能為多個部件分時共享的一組信息傳送通路。根據(jù)傳送的信息不同，可分三類：①傳送各種數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)總線(DataBus);②傳送各種地址信息的地址總線(AddressBus);③傳送各種控制信號的控制總線(ControlBus);36/215.接口外設(shè)的種類、數(shù)量了變，為了將總線與各類外設(shè)連接，須在兩者之間設(shè)置一些部件，具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能，這些部件就是接口。VGA接口顯示器設(shè)備接口其它設(shè)備總線…37/20※計算機硬件的典型架構(gòu)1.微型計算機：南-北橋架構(gòu)CPU北橋芯片組南橋芯片組主存PCI-EHDMI視頻BIOSWIFIPATA、SATA、USB等PCI-E其它I/O總線FSB（掛接網(wǎng)卡、鍵盤和硬盤等外設(shè)）DMI38/20E5-2620芯片組(C600)USB總線（HPProLiantDL300系列）DMI2.小型計算機：多處理器架構(gòu)E5-2620PCI-EWIFIDDR3PCI-EDDR3上行SAS磁盤PCI-ELANPCI-E傳統(tǒng)音頻SATASM總線SuperI/O安全控制芯片…PCI…QPI39/203.超級計算機(超算)：集群式架構(gòu)FT-1500FT-1500FT-1500FT-1500管理集群通信集群路由器路由器路由器路由器存儲集群磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列磁盤陣列計算集群計算節(jié)點計算節(jié)點計算節(jié)點計算節(jié)點（天河-2號，國防科技大學）8機柜（4096處理器）24機柜（12.4PB）125機柜（16000節(jié)點）13機柜（576路由器）THExpress-2性能：33.86PFLOPS功耗：17.8MW40/20※天河-2號的計算節(jié)點剖析單塊主板2節(jié)點：Phi31S1P(61核)GDDR5,8GBE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIE5-2692(12核)E5-2692(12核)DDR3,32GBDDR3,32GBQPIPCI-EPCI-EPhi31S1P(61核)GDDR5,8GBAPU(5協(xié)處理器)CPM(4主+1協(xié))41/20多處理機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點：用多處理器CPU構(gòu)成根據(jù)處理器之間連接的緊密程度，又分為：①緊密偶合型多機系統(tǒng)②松散偶合型多機系統(tǒng)42/21CPU1LM1全局MCPUnLMnI/OI/O※緊密偶合型多機系統(tǒng)特點：多個（CPU+LM）組，通過系統(tǒng)總線構(gòu)成多機系統(tǒng)，且有共享的全局主存儲器；43/20※松散偶合多機系統(tǒng)CPU1LM1I/OCASMTS（消息傳送系統(tǒng)）CPUnLMnI/OCAS特點：多個計算節(jié)點，由通信系統(tǒng)連接成的多機系統(tǒng)，無全局的主存儲器。44/201.3.2軟件系統(tǒng)

軟件類別：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。系統(tǒng)程序：負責系統(tǒng)調(diào)度管理，提供運行和開發(fā)環(huán)境、各種服務(wù)，確保系統(tǒng)運行良好。45/20應(yīng)用程序：利用計算機來解決應(yīng)用問題所編制的程序,如工程設(shè)計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、情報檢索程序、科學計算程序等等。1.3.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)46/20(1)軟-硬件層次計算機系統(tǒng)是一個由多層次的軟件+硬件組成的系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：系統(tǒng)分析級用戶程序級應(yīng)用程序級語言處理程序級操作系統(tǒng)級機器指令級微程序級（MCU）硬件邏輯部件級軟件部分硬件部分軟硬分界面(2)程序語言功能層次專用語言虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機機器語言物理機如可視化編程如C++、Python編程編譯器Compiler匯編器Assembler匯編語言源程序機器語言目標程序指令譯碼器Translator硬件電路執(zhí)行產(chǎn)生控制信號高級語言源程序a=b+c;lw$t1,0($t0);lw$t2,4($t0)add$t3,$t1,$t21000110100001001…1000110100001010…0000000100101010…Regdst=1,aluSrc=1,…Regdst=1,aluSrc=1,…Regdst=0,aluSrc=0,…47/2048/211.3.4軟件與硬件的邏輯等價性※軟件的特點：易于實現(xiàn)各種邏輯和運算功能，但是常受到速度指標和軟件容量的制約；※硬件的特點：

可以高速實現(xiàn)邏輯和運算功能，但是難以實現(xiàn)復(fù)雜功能或計算，受到控制復(fù)雜性指標的制約。計算機中的軟件，理論上都可以“固化”或“硬化”成硬件，以高執(zhí)行速度；1.4計算機系統(tǒng)的性能指標1.基本字長一般4位、8位、16位、32位、64位，等等?！敢淮螖?shù)據(jù)操作的基本位數(shù)?！鼤绊懹嬎愕木?、指令的功能。49/6先介紹外頻的概念外部頻率或基頻，也叫系統(tǒng)時鐘頻率。系統(tǒng)振蕩器頻率放大CPU內(nèi)存其它部件一般不超過300MHz外頻信號倍頻系數(shù)2.外頻50/6（1）CPU的主頻=外頻×倍頻系數(shù)；（2）IPS，每秒執(zhí)行指令數(shù)，(MGTPEZ)（3）CPI，即Clock-cyclePerInstruction

；（4）FLOPS，每秒執(zhí)行浮點運算的次數(shù)(MGTPEZ)比如，天河2號,其實測速度:33.86PFLOPS(LINPACK)（5）CPU的功耗動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗P=C×U2×fC：負載電容；U：工作電壓；f：工作頻率；3.常用的CPU性能指標51/6

位寬×工作頻率8帶寬=4.數(shù)據(jù)傳輸率（B/S）物理含義：單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸量。注意：計算PCI-E總線的帶寬時，一般還要考慮編碼方式、單雙工模式和通道路數(shù)等?！纠}】52/6平均CPI=15×40%+20×30%+15×20%+10×10%=16

程序的時鐘周期數(shù)T=200×16=3200每秒可執(zhí)行程序的次數(shù)=主頻÷每次的時鐘周期=32M÷3200I/O帶寬=(32M÷3200)×4KB=40MBps解答：指令類型占比CPI傳輸類指令40%15雙操作數(shù)指令30%20單操作數(shù)指令20%15轉(zhuǎn)移類指令10%10假設(shè)該I/O程序由200條指令構(gòu)成，CPU每次執(zhí)行該程序可并行輸出4KB數(shù)據(jù)。CPU主頻32MHz，求I/O帶寬。53/65.存儲器的容量※內(nèi)存(主存)容量指可編址的存儲單元個數(shù)×存儲單元的位寬取決于地址碼位數(shù)表明編址單位※外存(輔存)容量指存儲器能存儲的最大數(shù)據(jù)量;常表示為：Byte、KB、MB、GB、TB外存容量與總線地址碼的位數(shù)無關(guān)。54/6第2章數(shù)據(jù)表示、運算與校驗主要介紹：①數(shù)字型數(shù)據(jù)的計數(shù)制、符號數(shù)的表示、定點數(shù)和浮點數(shù)；②基本的運算方法；③字符的表示；④常用的數(shù)據(jù)校驗方法；55/322.1.1進位計數(shù)制※數(shù)制的基與權(quán)在任一數(shù)制中，每一個數(shù)位上允許使用的記數(shù)符號的個數(shù)被稱為該數(shù)制的基數(shù)。每1位都對應(yīng)1個表示該位在數(shù)碼中的位置的值，這個值就稱為數(shù)位的權(quán)值w。[例]

12810，110122.1數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示方法

W=102W=2356/32（1）2進制：0、1（2）8進制：0、1、2、…、7（3）16進制：0、…、9、A、B、C、D、E、F1.常用的幾種進位制2.進制之間的轉(zhuǎn)換（1）整數(shù)

10

2(除2取余法)（2）小數(shù)10

2(乘2取整法)（3）整數(shù)

2

10(按權(quán)相加)（4）小數(shù)2

10(按權(quán)相加)（5）16進制?2進制(逐位轉(zhuǎn)換/分組轉(zhuǎn)換)57/3229(1)2910→X22141270231211201高位低位(2)0.687510→X2除2取余乘2取整0.6875×2=1.37510.375×2=0.7500.75×2=1.510.5×2=1.01低位高位X2=111012X2=0.10112(3)1101.112→X10X10=1×23=13.7510按權(quán)相加+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-258/32(4)1111012→X16X16=111101=00111101(5)28AF16→X2X2=28AF(6)28AF16→X10X10=28AF==1041510=0010=0011

1101=3D161000101011112×163+8×162+10×161+15×160按權(quán)相加逐位轉(zhuǎn)換4位分組、按組轉(zhuǎn)換59/3260/322.1.2帶符號數(shù)的表示數(shù)的符號表示規(guī)則：“0”表示正號“+”，“1”表示負號“-”01001010+1001010-100101011001010一個二進制數(shù)，用0-1代碼表示符號，數(shù)值位不變就得到與該二進制數(shù)真值對應(yīng)的原碼真值原碼1、原碼二進制數(shù)的碼制：原碼、反碼、補碼和移碼61/32字長為8位的原碼表示范圍為：-127～+127

[+127]原

=01111111

[–127]原

=11111111數(shù)值“0”有兩種原碼形式：

[+0]原=00000000

[-0]原=1000000062/322、反碼②負數(shù)情況符號位保持為“1”，數(shù)值位分別“按位取反”①

正數(shù)情況X反=X原（X≥0）[例]

X=

-1101001

(真值-105)X原=1

1101001X反=1

0010110[例]

X=

+1101001(真值+105)

X反=X原=0

1101001字長8位的反碼表示范圍為：-127～+127

[+127]反=01111111

[-127]反=10000000數(shù)值“0”也有兩反碼形式:[+0]反=00000000[-0]反=11111111163/3264/32※補碼的編碼規(guī)則：3、補碼(a)對于正數(shù)(字長8位)

[X]補=[X]原

(即X≥0時)(b)對于負數(shù)(字長8位)符號位仍保持為“1”其余各數(shù)值位“按位取反,末位再加1”

[X]補=[X]反+…1

(即X<0時)編碼定義：[X]補=X+2n(模2n)，n為編碼位數(shù)65/32字長8位的補碼表示范圍為：-128～+127

[+127]補=01111111；

[-128]補=1

0000000※注意補碼比原碼和反碼多表示1個負值，即-128數(shù)值“0”只有1種補碼形式：

[+0]補=[-0]補=

0000000066/324、原碼和補碼之間的轉(zhuǎn)換(1)已知[X]原，求[X]補[例]已知[X]原=10011010，求[X]補

解：[X]原=

10011010

↓↓↓↓↓↓↓↓11100101+

1[X]補=11100110符號位不變，其余各位變反原碼為負數(shù)末位加1+1

67/32(2)已知[X]補，求[X]原

[[X]補]補=[X]原[例]已知[X]補=11101100，求[X]原解：[X]補=

11101100

↓↓↓↓↓↓↓↓

10010011[X]原=10010100符號位不變，其余各位變反補碼為負數(shù)末位加1+168/32(3)求補(變補)，即已知[X]補，求[-X]補[X]補的代碼連同符號位一起變反，末位再加1，即得到[-X]補[例]已知[X]補=01010110，求[-X]補解：[X]補=01010110

↓↓↓↓↓↓↓↓10101001

[-X]補=10101010不區(qū)分正負數(shù)連同符號位一起變反末位加15、移(增)碼上述規(guī)則等價于將x正向平移或者增加2n-1

，因此稱之為移碼或增碼。移碼通常用于表示浮點數(shù)的階碼。階碼一般為整數(shù)，故移碼通常只用于表示整數(shù)對定點整數(shù)x，它的移碼是：

[x]移＝2n-1＋x，其中-2n-1≤x<2n-1這里的n為X原位數(shù)69/3270/32[例]階碼的為6位，X表示其真值

X移＝25＋X（-25＜X＜25）[例]當正數(shù)X＝+10101時,

X移＝25+X=110101

當負數(shù)X＝-10101時,

X移＝25+X＝25-10101

＝001011移碼表示范圍與補碼一致，0也只有1個移碼。正數(shù)：將原碼符號位變反，即得到移碼。負數(shù)：將原碼連同符號位一起變反，末位再加1，即得到移碼(與變補等效)。補碼和移碼:

符號相反、數(shù)值位相同71/32二進制代碼無符號真值原碼真值反碼真值補碼真值移碼真值0000000000000001┆0111111001111111100000001000000110000010┆11111101111111101111111101┆126127128129130┆253254255+0+1┆+126+127-0-1-2┆-125-126-127+0+1┆+126+127-127-126-125┆-2-1-0+0+1┆+126+127-128-127-126┆-3-2-1-128-127┆-2-1012┆12512612772/321、定點數(shù)的表示2.1.3定點數(shù)與浮點數(shù)．01011101數(shù)值部分符號位小數(shù)點數(shù)的小數(shù)點固定在同一位置不變。①帶符號的定點小數(shù)約定所有數(shù)的小數(shù)點的位置，固定在符號位之后。字長n+1位，則表示范圍為：-(1-2-n)

～1-2-n73/32②帶符號的定點整數(shù)

0101110

．1數(shù)值部分符號位小數(shù)點小數(shù)點的位置固定在最低數(shù)值位之后字長n+1位，則數(shù)的表示范圍為：-(2n-1)～2n-1③無符號定點整數(shù)若代碼序列為XnXn-1…X1X0，共n+1位，則有：典型值真值代碼序列最大正數(shù)2n+1-111…1111最小非零正數(shù)100….001表示范圍為:小數(shù)點的位置固定在最低數(shù)值位之后

0~（2n+1-1）分辨率為:

174/3210000000補～01111111補無符號數(shù)：定點整數(shù):定點小數(shù):00000000～11111111025511111111原～01111111原-127127-1281271.1111111原～0.1111111原-(1-2-7)(1-2-7)1.0000000補～0.1111111補-1(1-2-7)※字長8位的定點數(shù)的表示范圍75/3276/322、浮點數(shù)的表示原理①浮點表示中，小數(shù)點的位置可按需浮動格式模型：階符階碼位

．數(shù)符．尾數(shù)位階碼（帶符號的定點整數(shù)）尾數(shù)（帶符號的定點小數(shù)）隱含小數(shù)點隱含小數(shù)點②引入浮點數(shù)表示的意義[例]某字長為8位的原碼二進制數(shù)定點數(shù)：11111111~01111111-127

127-(1-2-7)

1-2-7精度：1精度：2-7浮點數(shù)：5位階碼+3位尾數(shù)215×(-0.75)

~

215×0.75精度：11111001=2-15×0.2501111111~01111011整數(shù)：小數(shù)：相同字長時，浮點數(shù)的表示范圍更大、精度更高！77/32浮點數(shù)真值：N=±RE×M

階碼E尾數(shù)M階符數(shù)符R：階碼的底數(shù)，隱含約定為2。E：階碼，定點整數(shù)，補碼或移碼表示，其位數(shù)決定了數(shù)值的范圍；M：尾數(shù)，為定點小數(shù)，原碼或補碼表示，其位數(shù)決定著數(shù)的精度；數(shù)符表示數(shù)的正負。③浮點數(shù)的機器(存儲)格式EfE1…EmMfM1…Mn78/32④尾數(shù)M的規(guī)格化表示規(guī)格化的目的→使浮點數(shù)的表示代碼“唯一”128=0.128×103=1.28×102=12.8×101，…科學計數(shù)法約定：1≤|M|<10則規(guī)范形式：128=1.28×102（唯一）3.2=1.6×21=0.8×22=0.4×23,…可以表示成任意多個代碼形式約定尾數(shù)M的值域，使數(shù)的表示是唯一的、確定的→計算不便→尾數(shù)M的“規(guī)格”化79/32正數(shù)，規(guī)格化后最高數(shù)值位為“1”負數(shù)，規(guī)格化后最高數(shù)值位為“0”規(guī)格化以后尾數(shù)的最高有效位為“1”對于補碼：對于原碼：①浮點數(shù)用原碼表示時0-11-1/21/2-1≤M﹤-1/2

或1/2≤M﹤1②浮點數(shù)用補碼表示時1/2≤|M|﹤1M原=0.1000，1.1010M原=0.0010,1.0110如0.1010,0.1110非規(guī)格化如1.0010,1.0000-0.875-10.6250.87580/32最小浮點數(shù)最大浮點數(shù)為最大正數(shù)：[例1]階符1位、階碼m位，數(shù)符1位、尾數(shù)n位，如果表示成規(guī)格化補碼，分析各真值對應(yīng)的M、E取值情況。最小浮點正數(shù)為最大正數(shù)：2

-1m為最小負數(shù)：-1為最大正數(shù)：2

-1m1-2-n為最小負數(shù)：-2

m為最小正數(shù)：2-1最大浮點負數(shù)為最小負數(shù)：-2

m為最大負數(shù)：-(1/2+2-n)N=M×2E-1≤M<-1/2或1/2≤M<1=F(M,E)-2m≤E≤2m-1E→M→

E→M→

E→M→

E→M→

81/32[思考]某十六進制浮點數(shù)A368000016，將其表示成補碼，字長32位，階碼8位（含1位階符），尾數(shù)24位（含1位數(shù)符），求該浮點數(shù)十進制的真值。表示范圍：231

×(-1)[例2]某個用規(guī)格化補碼表示的浮點數(shù)，其中階碼6位(含1位階符),尾數(shù)10位(含1位數(shù)符)。絕對精度=2-32×0.5=2-33相對精度=2-9(即最小的非0正數(shù))：(只與尾數(shù)的數(shù)值位數(shù)有關(guān))：011111

100…00~011111

011…11231×

(1-2-9)100000

010…00xxxxxx

000…0182/3283/323、※IEEE754格式的浮點數(shù)在上述的表示格式中：Ｓ=浮點數(shù)的符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)；Ｅ=階碼，8位，采用移碼表示，階符隱含；Ｍ=尾數(shù)，23位，純小數(shù)表示，且真值=1+M；階碼E采用移碼形式，但只偏移27-1

（不是27）。

有32位浮點數(shù)（單精度）和64位浮點數(shù)（雙精度）①32位短浮點數(shù)：SEM3130

~

2322

~

0在上述表示格式中：Ｓ=浮點數(shù)的符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)；Ｅ=階碼，11位，采用移碼方式，階符隱含；Ｍ=尾數(shù)，52位，用純小數(shù)表示；對階碼E編碼時，只偏移210-1

（標準移碼偏移210）。②64位長浮點數(shù)：SEM6362

~

5251

~

084/32※補充說明：

85/32（1）為了確保浮點數(shù)表示的唯一性，約定0≤M<1；（2）E為全0且M非全0：非規(guī)范浮點數(shù)（E偏移126），則：F真=(-1)S×M×2E-126（5）E為全1（255）：M為全0，則F真=±∞（6）E為全1（255）：M非全0時，代碼無效(NaN)；（4）1≤E≤254：數(shù)是規(guī)范浮點數(shù)（E偏移127），則：F真=(-1)S×(1+M)×2E-127（3）E為全0且M為全0：表示浮點數(shù)086/32[解答]首先分別將整數(shù)和小數(shù)部分轉(zhuǎn)換成二進制：20.59375＝10100.10011然后移動小數(shù)點，使其在第1、2位之間10100.10011=1.010010011×24

小數(shù)點被左移了4位，于是得到：e=4尾符S=0，階碼E=4＋127=131，尾數(shù)M=010010011最后得到32位浮點數(shù)的二進制代碼：01000001101001001100000000000000

＝(41A4C000)16[例]

將十進制數(shù)20.59375轉(zhuǎn)換成IEEE754的32位標準浮點數(shù)的2進制格式，并寫出相應(yīng)的16進制數(shù)。2.2字符表示方法2.2.1ASCII碼ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。字符總數(shù)：128包含數(shù)字0~9，大小寫英文字母，運算符，標點符號，標示符，格式控制符等等。代碼寬度：7b存儲寬度：7b(有效位)+1b(奇偶校驗位)=8b87/7ASCII碼示例16進制30313233343536373839數(shù)字0123456789①數(shù)字型②字符型16進制4142434445464748494A字符ABCDEFGHIJ③其它型16進制2528292A3C3D3E3F407F字符%()*<=>?@DEL88/72.2.2漢字編碼1.漢字的輸入碼89/7①數(shù)字輸入碼包括：數(shù)字碼、拼音碼、字形碼√常用的是國標區(qū)位碼，用數(shù)字串代表漢字；√將6763個二級漢字分為94個區(qū)，每區(qū)94位，把漢字表示成二維數(shù)組，數(shù)組下標就是區(qū)位碼?！鶖?shù)字編碼輸入的優(yōu)缺點：無重碼，輸入碼與內(nèi)部碼的轉(zhuǎn)換方便，代碼難以記憶。[例]平?3829（位于碼表38區(qū)、29位）以漢字拼音為基礎(chǔ)的輸入方法（如微軟拼音）根據(jù)漢字的書寫形狀來進行編碼（如五筆字型）。②拼音輸入碼√簡單方便；√同音字多，重碼率高，影響輸入速度。※拼音輸入碼的優(yōu)缺點：③字形輸入碼√把漢字的筆劃部件用字母或數(shù)字進行編碼，按筆劃順序依次輸入，就能對應(yīng)一個漢字?！毯唵畏奖?，符合書寫習慣；√重碼率高，需要記住字形結(jié)構(gòu)?！中屋斎氪a的優(yōu)缺點：90/72.漢字的內(nèi)碼國標碼：10進制區(qū)位碼轉(zhuǎn)成16進制，再加2020H用于漢字信息的存儲、交換、檢索等操作的計算機內(nèi)代碼,一般用兩個字節(jié)表示。機內(nèi)碼：國標碼+8080H(與ASCII區(qū)別)，或者區(qū)位碼轉(zhuǎn)成16進制+A0A0H√機內(nèi)碼的基礎(chǔ)是國標碼[例]“啊”的區(qū)位碼160110=1001H國標碼=1001H+2020H=3021H機內(nèi)碼=1001H+A0A0H=B0A1H91/73.漢字字模碼字模碼用點陣表示的漢字字形代碼,是漢字的輸出形式。92/7例如：字模碼漢字的字模碼為：16×16位=32字節(jié)※特別說明：93/7①字模點陣用來構(gòu)成漢字庫，并非而機內(nèi)存儲。②字庫中存儲每個漢字的點陣代碼，用于漢字的顯示輸出或打印輸出。③當顯示輸出或打印輸出時才檢索字庫，輸出字模點陣，得到字形?！虧h字的輸入碼、內(nèi)碼、字模碼分別是用于計算機輸入、內(nèi)部處理、輸出三種不同用途的編碼；√各有用途，不能混為一談。2.3數(shù)據(jù)處理與存儲94/1110011111、移位操作(1)邏輯移位

：數(shù)碼位置變化。(2)算術(shù)移位

10001111循環(huán)左移：：符號位不變、數(shù)碼位置變化算術(shù)左移：1

10

(-15)(-30)000111101111數(shù)值發(fā)生2n倍變化，n為移動的位數(shù)空位補095/11（1）單符號位：0011101110

（2）雙符號位：001110

000111①正數(shù)補碼\原碼移位規(guī)則※移位規(guī)則左移右移右移0

01110

0011左移左移右移右移011100

001110000111數(shù)符不變(單：符號位不變；雙：第1符號位不變)空位補0(右移時第2符號位移至尾數(shù)最高位)96/11（2）單符號位：1101110110

（3）雙符號位：101100

110110②負數(shù)補碼移位（1）移位規(guī)則左移右移右移1

10111

1101左移右移右移110110111011數(shù)符不變(單：符號位不變；雙：第1符號位不變)左移空位補0（第二符號位移至尾數(shù)最高位）。右移空位補197/11※易出錯處：00

1110左右011100正確：11

0110101100001100011100

000110正確：00

1110111100左正確：101100

111110右11

0110正確：98/112、舍入方法①0舍1入（原碼、補碼）000100原

100101原

111011補

②末位恒置1（原碼、補碼）000100原

111011補

100101原

00010原

10011原

11110補

00011原

10011原

11101補

［例］保留4位尾數(shù)：［例］保留4位尾數(shù)：99/110000000A000AFFFF800A800A0000002A002A0000F12CF12C直接把符號位（0/1）填充到擴展位高位均全補03、數(shù)位擴展與壓縮（1）符號擴展（2）0-擴展（3）位數(shù)壓縮棄高位、留低位F12B800A02A0F12C800AF12C（針對無符號數(shù)）100/114、數(shù)據(jù)存儲(按字節(jié)編址)（1）小端模式/Little-Endian小地址單元存儲數(shù)據(jù)的低位(即尾端)#103#102#101#100FFFF0001FFFF0001（2）大端模式/Big-Endian大地址單元存儲數(shù)據(jù)的低位(即尾端)#103#102#101#100FFFF00010100FFFF101/115、數(shù)據(jù)字的對齊(Alignment)102/11要求數(shù)據(jù)的地址是相應(yīng)的邊界地址

※按邊界對齊（假定存儲字寬度為32位，按字節(jié)編址，字長32位）

字地址：4的倍數(shù)(低兩位為0)

半字地址：2的倍數(shù)(低位為0)

字節(jié)地址：任意※不按邊界對齊

例如inti,shortk,doublex,charc則&i=0;&k=4;&x=8;&c=16則&i=0;&k=4;&x=6;&c=14;ikxc按字邊界對齊不按邊界對齊0004081216字節(jié)0字節(jié)1

字節(jié)2

字節(jié)3ikxc試分析訪存次數(shù)的變化情況字節(jié)0字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)30004081216103/11

思考下列問題:1、在32位機器上輸出si,usi,i,ui的十進制（真值）和十六進制值（補碼機器數(shù)）是什么？shortsi=-32768;unsignedshortusi=si;inti=si;unsingnedintui=usi;已知32768=215=1000000000000000B2、某機存儲器按字節(jié)編址,字長32位，欲存儲倆數(shù)shortfloatf1=-256,f2=-128.75。試分析在地址碼為#1000存儲單元的小端字對齊存儲模式。104/112.4基本運算方法補碼（+、–、×、÷）原碼（+、–、×、÷）浮點數(shù)運算移碼（+、–）定點數(shù)運算105/472.4.1定點數(shù)的運算定點數(shù)一般用補碼表示；符號位參加運算。重點：基于補碼的加、減乘、除法106/471.補碼的加減法(X+Y)補=X補+Y補（1）(X-Y)補=X補+(-Y)補（2）數(shù)學依據(jù)：(X+Y)補=X+Y+2n=X+Y+2n+2n=X補+Y補全過程以2n為模，即除以2n后取余數(shù)。(X-Y)補=X-Y+2n=X-Y+2n+2n=X補+(-Y)補其中，(-Y)補=[Y補]變補Y的符號置反后再表示成補碼Y補連同符號一起變反、末尾+1107/472)X=–3Y=–2

X補=11101

Y補=1111011011（-5補碼）1)X=3Y=2

X補=00011

Y補=0001000101（+5補碼）【例】求(X+Y)補1)X=4Y=–5

X補=00100

Y補=11011(-Y)補=0010101001（+9補碼）2)X=–4Y=5

X補=11100

Y補=00101(-Y)補=1101110111（–9補碼）【例】求(X–Y)補

X補=00100

Y補=11011

X補=11100

Y補=00101108/4700101原10101原※補碼表示與變補運算的區(qū)別補碼表示10011補變補運算補碼表示符號位不變負數(shù)尾數(shù)改變，正數(shù)尾數(shù)不變。00011補變補運算符號位變反，尾數(shù)變反、末尾加1【舉例】11011001010110111101(-Y)補也稱為Y補的機器負數(shù)。109/47（2）補碼加減運算流程操作數(shù)用補碼表示,符號位參加運算得到補碼表示的結(jié)果，符號位指示結(jié)果的正負X補+Y補X補+(-Y)補ADDSUB110/47（3）邏輯實現(xiàn)#控制信號加法器輸入端：Sub：控制MUX和CinA：輸入A補B：輸入B補加法器輸出端：Sum:加法結(jié)果Cout:進位信號#補碼加減運算器框圖MUXSum加法器444AZFCinCout4B401SubBOF補碼加/減運算部件邏輯SFCFB＇ZF:0標志位；SF：符號標志；CF:進位/借位標志；OF:溢出標志。111/47（4）溢出判斷思考：在什么情況下可能產(chǎn)生溢出？A：4位尾數(shù)，1位符號(SA)B：4位尾數(shù)，1位符號(SB)

補碼，故符號位也參加運算結(jié)果的符號，記為Sf符號位的進位，記為Cf尾數(shù)最高位的進位，記為C［假設(shè)］補碼表示的Ａ、B兩數(shù)做加減運算＊溢出的判斷規(guī)則112/470011011100正確00011000101）A=3、B=23+2：001012）A=10、B=710+7：010100011110001正溢正確負溢正確正確3）A=-3、B=-2-3+(-2)：1101111101111104）A=-10、B=-7-10+(-7)：01111101101

10015）A=6、B=-46+(-4)：000106）A=-6、B=4-6+4：111101101000100113/470

101000111（2）A=10B=710+7：10001（4）A=-10B=-7-10+(-7)：011111011011001①硬件判斷邏輯一(根據(jù)SA、SB與Sf的關(guān)系)＋溢出邏輯=SASBSf②硬件判斷邏輯二(根據(jù)Cf與C的關(guān)系)正溢負溢SASBSf114/47正確00011000101）A=3B=23+2：001012）A=10B=710+7：010100011110001正溢正確負溢正確正確3）A=-3B=-2-3+(-2)：1101111101111104）A=-10B=-7-10+(-7)：0111110110110015）A=6B=-46+(-4)：0001000110111006）A=-6B=4-6+4：111101101000100Cf=0C=0Cf=0C=1Cf=1C=1Cf=1C=0Cf=1C=1Cf=0C=0111111115/47②硬件判斷邏輯二(Cf與C的關(guān)系)溢出邏輯=Cf⊕C③硬件判斷邏輯三(從雙符號位)①硬件判斷邏輯一(SA、SB與Sf的關(guān)系)＋溢出邏輯=SASBSfSASBSf116/471）3+2：正確00001100001000

01012）10+7：001010000111010001正溢正確負溢正確正確3）-3+(-2)：1110111111011111104）-10+(-7)：1011111101101110015）6+(-4)：0000100001101111006）-6+4：11

111011

1010000100第１符號位Sf1第２符號位Sf2117/47③硬件判斷邏輯三（雙符號位Sf1、Sf2）溢出邏輯=Sf1⊕Sf2②硬件判斷邏輯二(Cf與C的關(guān)系)溢出邏輯=Cf⊕C①硬件判斷邏輯一(SA、SB與Sf的關(guān)系)＋溢出邏輯=SASBSfSASBSf00/11-正確；01-正溢；10-負溢；118/472、原碼加減運算[符號位單獨處理、數(shù)值位加減]

先比較兩數(shù)符號：①加法：同號數(shù)值位求和，異號求差；②減法：異號數(shù)值位求和，同號求差；※求和時：數(shù)值位相加，和的符號取被加數(shù)（被減數(shù)）符號[若最高位產(chǎn)生進位，則結(jié)果有溢出?！蟛顣r：被加數(shù)（被減數(shù)）與加數(shù)（減數(shù)）求補后相加。⊙最高數(shù)值位有進位，相加結(jié)果為正，數(shù)值位正確；符號取被加數(shù)（被減數(shù)）的符號。⊙最高數(shù)值位無進位，相加結(jié)果為負，得到數(shù)值位的補碼，需對結(jié)果求補還原為絕對值形式的數(shù)值位；符號位與被加數(shù)（被減數(shù)）的符號相反。119/473原+2原3原+[-2]原3原-2原3原-[-2]原求和求差[例]已知[X]原

=1.0011，[Y]原

=1.1010，計算[X+Y]原解：由原碼加減運算規(guī)則知：同號相加，則求和，和的符號同被加數(shù)符號。和的數(shù)值位為：0011+1010=1101和的符號位為：1

[X+Y]原

=1.1101[例]已知[X]原

=1.0011，[Y]原

=1.1010，要求計算[X–Y]原

解：由原碼加減運算規(guī)則知：同號相減，則數(shù)值位求差

差的數(shù)值位為：0011+(1010)求補

=0011+0110=1001

最高數(shù)值位無進位，表明加法結(jié)果為負，需對1001求補，還原為絕對值形式的數(shù)值位。即：(1001)求補=0111差的符號位為[X]原的符號位取反，即

[X–Y]原

=0.0111120/473、標準移碼的加減[符號位和數(shù)值部分一起處理][E1]移+[E2]移=2n-1+E1+2n-1+E2=2n+E1+E2

=[E1+E2]補（mod2n）=E1補+E2補=

(E1移+E2移)反號[E1]移–[E2]移=2n-1+E1+2n–[E2]移

(mod2n)

=2n-1+E1+2n–2n-1–E2

=2n+E1–E2=[E1–E2]補（mod2n）=E1補+(E2)變補121/47[重要結(jié)論]兩數(shù)移碼的加減等于兩數(shù)加減后表示成的補碼?！a碼和移碼：符號位相反、數(shù)值位相同①加法：直接將[E1]移和[E2]移進行模2n加，結(jié)果的符號取反。②減法：先將減數(shù)[E2]移求補，然后再與被減數(shù)[E1]移進行模2n加，結(jié)果的符號取反。因此，可得到移碼的下列加減法則：[溢出判斷]進行模2n相加時，如果兩個加數(shù)與和數(shù)符號全相同，則發(fā)生了溢出。122/47[例]用4位移碼計算“–7+（–6）”和“–3+6”的值。[–7]移

=0001[–6]移=0010 [–3]移=0101 [6]移=1110[–7]移+[–6]移

=0001+0010=0011補

（符號都為0，有溢出）[–3]移

+[6]移

=0101+1110=0011補，（符號取反后為1011，其真值為+3）思考：[–7+(–6)]移=?

[–3+(6)]移

=？123/47[例]用四位移碼計算“–7–（–6）”和“–3–5”

[–7]移

=0001[–6]移=0010

[–3]移=0101 [

5

]移=1101

[–7]移

–[–6]移

=0001+1110=1111補

符號取反后為0111，其真值為–1。

[–3]移

–[

5

]移

=0101+0011=1000補符號取反后為0000，其真值為–8124/472.4.2定點數(shù)乘法√原碼一位乘√補碼一位乘√原碼兩位乘125/471、原碼一位乘原碼乘法部分積累加、移位。[例]

0.1101×1.1011乘積

P

=|X|×|Y|X原Y原符號SP=SX⊕SY126/47手工運算0.1101×0.10111101110100001101.10001111添加符號：1.10001111部分積思考：1）加數(shù)的個數(shù)增多情況2）加數(shù)的位數(shù)增多的情況解決辦法：可將1次總加改為分步移位累加←|X|←|Y|①加數(shù)只為|X|或0②個數(shù)為|Y|的位數(shù)127/47原碼1位乘法（1）算法原理[每次將1位乘數(shù)所對應(yīng)的部分積與原部分積的累加和相加，并移位]設(shè)置寄存器：

A：存放部分積累加和、乘積高位

B：存放被乘數(shù)

C：存放乘數(shù)、乘積低位

A=00.0000B=|X|=00.1101C=|Y|=.1011

設(shè)置初值：128/47步數(shù)CR條件操作A

C

00.0000.1011

0）Cn=1+BCn+00.110100.1101

0.1101×0.1011

1101110100001101

0.10001111BC

1101

00.01101.101

0.1101×0.10111）Cn=1+B+00.110101.001100.100111.10

0.1101×0.1011

0.1101×0.1011

1101110100001101

0.10001111BC2）Cn=0+0+00.000000.100100.0100111.13）Cn=1+B+00.110101.000100.10001111X原×Y原

=1.100011111011110111101111129/47（2）算法流程0→A、0→CR、|X|→B、|Y|→CCn=1?CR=n?1/2(A+B)→A，C1/2(A+0)→A，C

CR+1→CRYYNNSX⊕SY→SA130/47選擇（3）32位硬件邏輯方案加法器AC寄存器控制邏輯clock0/BCnAC[63:32]AC[63:32]T=0：|X|→B,|Y|→AC[31:0],0→AC[63:32]32位BT=1：AC[63:32]+0/B→AC[63:32],AC右移T=2：T=n：同上，然后置符號?！璚n

右移SxSy64位的移位寄存器Cn=AC[0]131/472.補碼一位乘法※Booth（比較法）Yn

(高位)Yn+1(低位)運算操作[XY]補=[An]補+(Y1-Y0)×[X]補＊乘數(shù)尾添加Yn+1，循環(huán)判別YnYn+1,累加如表情況的的校正值，再整體右移1位（即?×

）。132/4700?×A補01?×

(A補+X補)10?×(A補-X補)11?×A補Y0[例]

X=-0.1101，Y=-0.1011，計算[XY]補初始化A=00.0000，ACCn+100000010101步數(shù)

CnCn+1條件操作1

1

0

-B+0011010011010

011011010

1101010右移1位→2

0

1

+B+1100111110011

1100110101右移1位→11101

0133/47B=X補=11.0011，-B=-X補=001101

C=Y補=1.01010011001000步數(shù)

CnCn+1條件操作3

1

0

-B+001101100100100100

111101111010右移1位→4

0

1

+B+

1100111101111

1011

111110111101右移1位→11110011101

0

1

0

-B+001101111110[XY]補=0010001111=

+0.1000

1111保持不變!!134/4701校正.（請參考教材）※補碼1位乘法除了比較法，還有校正法。①乘數(shù)Y補為正，乘以X補累加，結(jié)果不校正；②乘數(shù)Y補為負，乘以X補累加，結(jié)果-X補校正；135/472.4.3

定點