《計(jì)算機(jī)組成原理》全冊(cè)詳解優(yōu)秀課件

1引言一、本課程在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的位置程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及語(yǔ)言編譯原理匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)原理、應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)機(jī)器微程序機(jī)器級(jí)機(jī)器電子線路級(jí)機(jī)器外部設(shè)備接口技術(shù)組成原理模擬與數(shù)字邏輯電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)離散結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件工程人工智能信號(hào)與系統(tǒng)、控制技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類數(shù)字信號(hào)、圖像處理2一、課程目標(biāo)1、結(jié)構(gòu)與原理掌握建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)概念；掌握計(jì)算機(jī)各部件的組成原理與技術(shù)；了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)的新技術(shù)2、分析與計(jì)算能力掌握對(duì)組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析的方法；通過(guò)量化計(jì)算，加深對(duì)組成原理的理解與掌握3、應(yīng)用與設(shè)計(jì)能力通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)邏輯設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力課程內(nèi)容組織及要求3二、課程內(nèi)容組織第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)的模型、硬件組成，計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程、性能指標(biāo)第3章存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，RAM組成，主存、Cache、虛存的組成原理計(jì)算機(jī)軟件(指令串及數(shù)據(jù))CUALU存儲(chǔ)器…系統(tǒng)總線I/O設(shè)備1I/O接口1I/O設(shè)備2I/O接口2I/O設(shè)備nI/O接口n第2章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算

數(shù)據(jù)的編碼及表示，定點(diǎn)及浮點(diǎn)運(yùn)算方法，ALU結(jié)構(gòu)與組成4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6章總線

概述，操作步驟，仲裁/定時(shí)方式，互連結(jié)構(gòu)第5章中央處理器

CPU的功能與結(jié)構(gòu)、工作流程，指令執(zhí)行過(guò)程，數(shù)據(jù)通路組織，CU的結(jié)構(gòu)及組成，微程序控制器技術(shù)，指令流水技術(shù)計(jì)算機(jī)軟件(指令串及數(shù)據(jù))CUALU存儲(chǔ)器…系統(tǒng)總線I/O設(shè)備1I/O接口1I/O設(shè)備2I/O接口2I/O設(shè)備nI/O接口n第7章I/O系統(tǒng)

組成，I/O設(shè)備，I/O接口，I/O方式(4種)51、學(xué)習(xí)方法建立整機(jī)概念，將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)融合在一起；從邏輯設(shè)計(jì)出發(fā)，分析多種方案的利與弊；通過(guò)量化分析，加深對(duì)原理的掌握與理解。四、本課程學(xué)習(xí)方法3、作業(yè)自己做！準(zhǔn)備一個(gè)作業(yè)本，每堂課帶來(lái)！2、學(xué)習(xí)效率本課程在計(jì)算機(jī)科學(xué)中處于承上啟下的地位，具有內(nèi)容多、難度大的特點(diǎn)。

6第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論7什么是計(jì)算機(jī)◆計(jì)算機(jī)：按照內(nèi)部存儲(chǔ)的指令序列，對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)高速處理、存儲(chǔ)、傳送、控制的裝置。

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(yùn)算：包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，要求自動(dòng)與高速；

指令：指示計(jì)算機(jī)硬件完成某種功能的明確的命令；§1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介8

處理：對(duì)信息進(jìn)行搜索、識(shí)別、變換，甚至聯(lián)想、思考和推理等等。9計(jì)算機(jī)的功能

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)傳送

控制◆計(jì)算機(jī)的基本功能主要包括

10◆數(shù)據(jù)處理功能

運(yùn)算功能：算術(shù)運(yùn)算功能和邏輯運(yùn)算，應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算和非數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面；

處理對(duì)象：數(shù)值、字符、圖形、圖像、聲音和視頻等?！魯?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

主存儲(chǔ)器：保存指令和數(shù)據(jù)；

輔助存儲(chǔ)器：以文件的形式保存大量數(shù)據(jù)信息。11◆數(shù)據(jù)傳送功能

內(nèi)部數(shù)據(jù)流動(dòng)：CPU和主存以及CPU內(nèi)部寄存器與運(yùn)算器之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)；

外部數(shù)據(jù)傳送：輸入/輸出（I/O）和計(jì)算機(jī)通信?！艨刂乒δ?/p>

控制器：產(chǎn)生各種基本操作信號(hào)并按某種時(shí)序發(fā)出以完成相應(yīng)功能；

指令編碼、指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有指令集合。121.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：具有特定功能的信息(程序)。如系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)表示應(yīng)用需求計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體；如主機(jī)、外設(shè)等計(jì)算機(jī)硬件—計(jì)算機(jī)軟件—13

功能的實(shí)現(xiàn)方式—*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)方式：解題過(guò)程—解題結(jié)果③③運(yùn)行*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實(shí)現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映①硬件具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送及處理和過(guò)程控制功能②軟件表示應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制需求

└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③執(zhí)行軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理及過(guò)程控制功能用戶輸入設(shè)備輸出設(shè)備處理設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備目標(biāo)程序(機(jī)器語(yǔ)言)源程序(高級(jí)語(yǔ)言)①②①編輯②編譯14二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)直接執(zhí)行機(jī)器指令機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M1用機(jī)器語(yǔ)言編程匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M3用匯編語(yǔ)言編程用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M4用高級(jí)語(yǔ)言編程用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序或機(jī)器語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器M2使用操作系統(tǒng)命令用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)命令

微程序級(jí)機(jī)器M0使用微指令系統(tǒng)用微程序解釋機(jī)器指令直接執(zhí)行微指令虛擬機(jī)器實(shí)際機(jī)器15三、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與組成*計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性概念性結(jié)構(gòu)和功能特性←┘數(shù)字電路級(jí)機(jī)器指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式,存儲(chǔ)系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)、信息保護(hù)等機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M1

微程序級(jí)機(jī)器M0硬件軟件匯編語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M3高級(jí)語(yǔ)言級(jí)機(jī)器M4操作系統(tǒng)級(jí)機(jī)器M2軟硬件交界面*計(jì)算機(jī)組成：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性指令功能邏輯實(shí)現(xiàn)、部件組成、控制機(jī)構(gòu)、排隊(duì)及緩沖技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等*計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成時(shí)所體現(xiàn)的計(jì)算機(jī)屬性16*相互關(guān)系：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—確定軟硬件功能分配及其界面特性；計(jì)算機(jī)組成—邏輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)—物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容舉例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)乘法功能是否有乘法指令乘法器還是加法+移位器件、電路主存系統(tǒng)最大容量、編址方式速度保證、單體/多體MEM總線帶寬信號(hào)線數(shù)、時(shí)鐘、傳輸方式17§1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)*結(jié)構(gòu)與組成：

由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入及輸出設(shè)備組成，

以運(yùn)算器為中心；輸入設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備注：數(shù)據(jù)信息指令信息控制信息狀態(tài)信息*數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算：

指令及數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制方式表示，運(yùn)算亦采用二進(jìn)制方式18*指令組成：

由操作碼及地址碼組成；010

01000

10000

例：若加法運(yùn)算的操作碼用010表示，第01000號(hào)與第10000號(hào)兩個(gè)存儲(chǔ)單元內(nèi)容相加的操作可表示為：表示操作的性質(zhì)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置*存儲(chǔ)程序原理—程序存儲(chǔ)方式：

指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放(以等同地位)在存儲(chǔ)器中；*存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：

由定長(zhǎng)單元構(gòu)成的一維空間，存儲(chǔ)器按地址訪問(wèn)；操作碼

地址碼1地址碼219*存儲(chǔ)程序原理—程序控制機(jī)制：按程序邏輯順序、自動(dòng)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+0intnCount=0；⑴A+1intnSum=0；⑵A+2LP:nSum+=nCount；⑶⑹⑼A+3nCount++；⑷⑺⑽A+4if(nCount<3)gotoLP；⑸⑻⑾A+5COUT>>nSum；⑿20

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型。2）存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；3）存儲(chǔ)程序工作方式；4）五部件以運(yùn)算器為中心進(jìn)行組織。1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入/輸出五個(gè)部件組成；21二、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成1、計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)均在馮·諾依曼模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)*采用以存儲(chǔ)器為中心的結(jié)構(gòu)：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(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備結(jié)果程序數(shù)據(jù)控制器運(yùn)算器直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)技術(shù)緩沖器緩沖器緩沖技術(shù)822*由多種存儲(chǔ)器構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)：解決速度-容量-價(jià)格間的矛盾，有利于提高性能/價(jià)格主存(內(nèi)存)輔存(外存)計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU主機(jī)I/O設(shè)備(外設(shè))I/O設(shè)備主存儲(chǔ)器MM控制單元CUCPU算術(shù)邏輯單元ALU主機(jī)包含輔存(如DISK等)23*采用總線互連形式：實(shí)現(xiàn)部件操作標(biāo)準(zhǔn)化，有利于提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性CPU主存I/O接口1…MEM總線I/O設(shè)備1I/O接口nI/O設(shè)備n總線橋I/O接口I/O設(shè)備…I/O接口I/O設(shè)備I/O總線非標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)準(zhǔn)格式按地址訪問(wèn)min{所連I/O設(shè)備速度}242、計(jì)算機(jī)部件的基本組成(1)存儲(chǔ)器*功能：存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)、通過(guò)讀/寫(xiě)操作接收/提供信息地址……存儲(chǔ)陣列I/O電路地址譯碼器……數(shù)據(jù)命令*組成：*完成操作的過(guò)程：讀操作—①接收地址及命令，內(nèi)部操作；②輸出數(shù)據(jù)

寫(xiě)操作—①接收地址及命令；②接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作25(2)運(yùn)算器*功能：實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算，并暫存運(yùn)算結(jié)果*組成：寄存器組(堆)Func存儲(chǔ)器ALU寄存器型運(yùn)算器ACFunc存儲(chǔ)器ALU累加器型運(yùn)算器TEMP*(AC)+[Y]→AC的運(yùn)算過(guò)程：

(0)(AC)為被加數(shù)AC存儲(chǔ)器ALUTEMPACFuncTEMP(1)加數(shù)[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU結(jié)果→AC△約定：(X)表示寄存器X中內(nèi)容，[Y]表示存儲(chǔ)單元Y中內(nèi)容26(3)控制器*功能：指揮及控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行過(guò)程

*程序執(zhí)行過(guò)程：

①循環(huán)的指令執(zhí)行過(guò)程(取指令及執(zhí)行指令)；②下條指令地址由當(dāng)前指令產(chǎn)生(按程序邏輯順序)取指令取指階段分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段1027(4)輸入/輸出設(shè)備*功能：實(shí)現(xiàn)外部-內(nèi)部信息的輸入/輸出及格式轉(zhuǎn)換；*種類：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、磁盤(pán)等；*連接：通過(guò)I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，

I/O接口實(shí)現(xiàn)信息傳送時(shí)的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能主存…系統(tǒng)總線主存控制器CPU用戶交互接口鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等磁盤(pán)適配器磁盤(pán)通信接口串口等總線接口BIU28三、計(jì)算機(jī)軟件的基本組成1、計(jì)算機(jī)軟件分類軟件分為系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件兩大類。語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)服務(wù)性程序網(wǎng)絡(luò)管理程序操作系統(tǒng)科學(xué)計(jì)算信息管理自動(dòng)控制人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)際機(jī)器軟硬件交界面系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件虛擬機(jī)器應(yīng)用語(yǔ)言環(huán)境高級(jí)語(yǔ)言環(huán)境匯編語(yǔ)言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序操作系統(tǒng)命令串29四、計(jì)算機(jī)工作過(guò)程

計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。圖1.4CPU組成以及和存儲(chǔ)器的連接

考查指令A(yù)DDNUM，R0的執(zhí)行過(guò)程。30程序執(zhí)行過(guò)程

*程序執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)方法：--控制器指揮與控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1”→PC；

②分析—(IR)→ID→CU；

③執(zhí)行—實(shí)現(xiàn)指令約定操作(指令轉(zhuǎn)移時(shí)重寫(xiě)PC)；

④循環(huán)—若無(wú)中斷執(zhí)行的要求，轉(zhuǎn)①17*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(chǔ)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31§1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)*系統(tǒng)性能：指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機(jī)器字長(zhǎng)：指CPU一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)。

└→指ALU一次能處理的

n位CPU—指機(jī)器字長(zhǎng)為n個(gè)二進(jìn)制位的CPU；例如，Core2CPU為64位CPU

對(duì)系統(tǒng)性能的影響—機(jī)器字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理性能越好；

(∵應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＞機(jī)器字長(zhǎng)時(shí)，需分次運(yùn)算)

對(duì)其它硬件的影響—直接影響ALU、REG長(zhǎng)度，間接影響存儲(chǔ)字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)總線位數(shù)32*機(jī)器主頻：指CPU內(nèi)部主時(shí)鐘脈沖的頻率，常用f

表示。主頻單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；*存儲(chǔ)容量：指存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的總位數(shù)。主存容量—容量S

=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)；

輔存容量—容量S

=存儲(chǔ)塊個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)塊長(zhǎng)度；最大主存容量—CPU能夠訪問(wèn)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

時(shí)鐘周期—CPU內(nèi)部基本操作的時(shí)長(zhǎng)，常用TC表示；

f

與TC關(guān)系—倒數(shù)關(guān)系，即f

=1/TC

容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；

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特點(diǎn)—反映了多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件總體性能△MIPS(每秒百萬(wàn)次指令)

表示—因工作量無(wú)統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替*吞吐量：又稱吞吐率，指單位時(shí)間內(nèi)能處理的工作量，即吞吐量

=n個(gè)任務(wù)的總工作量÷n個(gè)任務(wù)的總時(shí)間

△MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算)*其他：RAS(可靠性/可用性/可維護(hù))，兼容性等32*響應(yīng)時(shí)間：指一個(gè)任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時(shí)間，2、系統(tǒng)性能指標(biāo)時(shí)間是唯一標(biāo)準(zhǔn)，主要有響應(yīng)時(shí)間和吞吐量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)。34§1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件電子管晶體管SSI、MSILSI、VLSIULSI主存磁心半導(dǎo)體輔存紙帶、磁帶磁盤(pán)光盤(pán)字長(zhǎng)4/88/16/3232/64速度(次/s)40,000200,0001,000,00010,000,000100,000,0001、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展*發(fā)展趨勢(shì)：向大型機(jī)、微型機(jī)兩個(gè)方向發(fā)展*研究重點(diǎn)：器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)352、微型計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器字長(zhǎng)主頻地址線數(shù)數(shù)據(jù)線數(shù)其他年代80808實(shí)模式19748086164.77MHz201619788088164.77MHz208197980286166MHz2416保護(hù)模式1982803863212.5MHz3232虛擬8086模式、虛擬存儲(chǔ)器、Cache1985804863225MHz3232RISC、流水線1989Pentium3266MHz3264超標(biāo)量流水、MMX1993PentiumPro32133MHz3664超級(jí)流水、動(dòng)態(tài)執(zhí)行1995PentiumⅡ32200MHz3664DIB1997PentiumⅢ32450MHz3664SSE、非阻塞Cache1999Pentium4321.3GHz3664SSE2、總線技術(shù)2000Core2Duo321.6GHz雙核2006*微處理器發(fā)展趨勢(shì)：提高復(fù)雜度(增加功能)，開(kāi)發(fā)指令級(jí)/線程級(jí)/內(nèi)核級(jí)并行性，集成存儲(chǔ)器，發(fā)展嵌入式處理器36二、計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展歷史1、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展機(jī)器語(yǔ)言→匯編語(yǔ)言→高級(jí)語(yǔ)言→應(yīng)用語(yǔ)言*高級(jí)語(yǔ)言例：

FORTRAN、PASCAL、C/C++、Java2、系統(tǒng)軟件的發(fā)展*語(yǔ)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(shí)/實(shí)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)、分布式、面向?qū)ο?*服務(wù)性程序：裝配、調(diào)試、診斷、排錯(cuò)；*數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)(網(wǎng)狀、層次、關(guān)系型)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件；*網(wǎng)絡(luò)：協(xié)議(NetNIOS、TCP/IP等)及實(shí)現(xiàn)庫(kù)37三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類按規(guī)模及功能分類超級(jí)計(jì)算機(jī)—科學(xué)計(jì)算等；大型計(jì)算機(jī)—多用戶使用等；小型計(jì)算機(jī)—辦公應(yīng)用等；工作站—圖形處理及分布式計(jì)算等；微型計(jì)算機(jī)—應(yīng)用廣泛；單片機(jī)/嵌入式系統(tǒng)—工業(yè)控制等38第二章數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算

39§2.1數(shù)據(jù)的編碼一、數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進(jìn)位計(jì)數(shù)制

*進(jìn)位計(jì)數(shù)制：又稱進(jìn)制或數(shù)制，是用一組固定的符號(hào)和統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)表示數(shù)值的方法。有數(shù)碼、基數(shù)和位權(quán)3個(gè)基本參數(shù)

*常用的4種進(jìn)制：二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)碼0,10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,…,F基數(shù)281016位權(quán)2i8i10i16i書(shū)寫(xiě)形式BODH

*R進(jìn)制數(shù)表示：(N

)R=(kn-1…k1k0.k-1k-2…k-m)R=

其中，ki∈{0,1,…(R-1)}402、R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

例1—(101.01)2=(1×22+1×20+1×2-2)10=(5.25)10

(3A.C)16=(3×161+10×160+12×16-1)10=(58.75)103、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)(1)十進(jìn)制數(shù)整數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)整數(shù)

例2—

余數(shù)2191(最低位)291240220211(最高位)0(19)10=(10011)2

余數(shù)8193(最低位)822(最高位)0(19)10=(23)8*轉(zhuǎn)換規(guī)則：按位權(quán)展開(kāi)*整數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則：除基取余、上右下左41(2)十進(jìn)制數(shù)小數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)小數(shù)

整數(shù)部分0.6875×2=1.3751(最高位)0.375×2=0.750

0.75×2=1.510.5×2=1.01(最低位)(0.6875)10

=(0.1011)2

整數(shù)部分0.6875×8=5.55(最高位)0.5×8=4.04

(最低位)(0.6875)10

=(0.54)8

例3—將(0.6875)10分別轉(zhuǎn)換成二、八進(jìn)制數(shù)(3)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)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(xí)1—(19.6875)10=(X)2=(Y)8，X=？Y=？*小數(shù)轉(zhuǎn)換規(guī)則：乘基取整、上左下右424、二、八、十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

*隱含規(guī)律：2=21，8=23，16=24(1)二進(jìn)制、八進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

*轉(zhuǎn)換規(guī)則：①?gòu)男?shù)點(diǎn)向兩邊分別轉(zhuǎn)換；

②3個(gè)二進(jìn)制數(shù)位(不夠時(shí)補(bǔ)零)等價(jià)于1個(gè)八進(jìn)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(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換

*轉(zhuǎn)換規(guī)則：①?gòu)男?shù)點(diǎn)向兩邊分別轉(zhuǎn)換；

②4個(gè)二進(jìn)制數(shù)位(不夠時(shí)補(bǔ)零)等價(jià)于1個(gè)十六進(jìn)制數(shù)位

例5—(2B.E)16=(0010

1011.1110)2=(101011.111)2

(11001.11)2=(0001

1001.1100)2=(19.C)16

43二、機(jī)器數(shù)及其編碼*數(shù)值數(shù)據(jù)：組成—由符號(hào)、小數(shù)點(diǎn)及數(shù)值構(gòu)成，可缺省符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)運(yùn)算—①符號(hào)與數(shù)值分開(kāi)運(yùn)算；②加減法需先比較大小*機(jī)器數(shù)：符號(hào)數(shù)字化的數(shù)，通常0/1表示+/-；

如(+101)2→(0101)2、(-0.101)2→(-.101)2→(1.101)2

真值—帶“+”或“-”符號(hào)的數(shù)*機(jī)器數(shù)的運(yùn)算方法：

①采用手工運(yùn)算方法，硬件實(shí)現(xiàn)很不方便；如—(+x)+(-y)時(shí)，先求x-y、再求結(jié)果符號(hào)、最后求x-y或y-x

☆②采用新運(yùn)算方法，便于硬件實(shí)現(xiàn)(如符號(hào)與數(shù)值一起運(yùn)算)└→必須使用新的編碼方法！*機(jī)器數(shù)的編碼方法：原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼等441、原碼表示法(原碼編碼方法)*基本思想：用0/1表示符號(hào)+/-，數(shù)值位為真值的絕對(duì)值*純整數(shù)原碼定義：

設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，則[X]原=xn-1xn-2…x0，[X]原

=X

0≤X＜2n-12n-1

-

X

=

2n-1

+|X|-2n-1＜X≤0

例1—[+1101]原=01101；[-1101]原=11101

例2—設(shè)[X]原=1101，則X=-101

例3—設(shè)[+X]原=0110，則[-X]原=1110；

[+X]原=0000，則[-X]原=1000，即[+0]原≠[-0]原

練習(xí)1—若X=-01000，[X]原=？

若[X]原=101010，X=？45*純小數(shù)原碼定義：

設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，則[X]原=x0.x-1…x-(n-1)[X]原

=X

0≤X＜11-X=1+|X|-1＜X≤0

例4—[+0.1001]原=0.1001；[-0.1001]原=1.1001

例5—[X]原=1.01，則X=-0.01

*原碼的特性：①X與[X]原關(guān)系—·[X]原與X表示值的范圍相同，

·[+0]原≠[-0]原；②運(yùn)算方法—符號(hào)與數(shù)值分開(kāi)運(yùn)算(與手工運(yùn)算一致)

└→適合于乘除法，加減法較復(fù)雜462、補(bǔ)碼表示法

*目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)符號(hào)與數(shù)值一起運(yùn)算*有模運(yùn)算：運(yùn)算時(shí)只計(jì)量小于“?！钡牟糠?，多余部分被丟棄?！?jì)量系統(tǒng)的計(jì)數(shù)范圍；(1)有模運(yùn)算與補(bǔ)數(shù)示例—將時(shí)針從10點(diǎn)撥向7點(diǎn)，有兩種撥法：

①倒撥10-3=7；②順撥10+9=7+12=7*補(bǔ)數(shù)：若a、b、M滿足a+b=M，稱a、b互為模M的補(bǔ)數(shù)

同余—若A、B、M滿足A=B+kM

(k為有符號(hào)整數(shù))，則記

A≡B(mod

M)，稱B和A為模M的同余

運(yùn)算特征—c-a

=

c-(M-b)

=

c+b

(modM)，即減去一個(gè)數(shù)等價(jià)于加上這個(gè)數(shù)的補(bǔ)數(shù)

└→可將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算47(2)補(bǔ)碼定義

*純整數(shù)補(bǔ)碼定義：

設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，則[X]補(bǔ)=x’n-1x’n-2…x’0，即[X]補(bǔ)

=

2n

+X(mod2n)

=X

0≤X＜2n-12n

+X=2n

-|X|-2n-1≤X＜0

說(shuō)明—因X連同符號(hào)位共n位，故模為2n

一個(gè)負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼應(yīng)等于模與該數(shù)絕對(duì)值之差。即某負(fù)數(shù)X的補(bǔ)碼為：

[X]補(bǔ)=

M+X(modM)48

例6—[+0001]補(bǔ)=00001，[-0001]補(bǔ)=10

0000-0001=11111[+1111]補(bǔ)=01111，[-1111]補(bǔ)=10

0000-1111=10001

練習(xí)2—若X=-01000、Y=+01000，[X]補(bǔ)=？[Y]補(bǔ)=？

例7—n=5、X≥0時(shí)，最大[X]補(bǔ)=01111，Xmax=24-1=+15

X＜0時(shí)，最小[X]補(bǔ)=10000，Xmin=-24=-16

原碼無(wú)11…11

10…0110…00

00…00

00…0101…11補(bǔ)碼

10…0010…0111…11

00…00

00…0101…11真值

-2n-1-(2n-1-1)

-1

0

+1+(2n-1-1)[+0000]補(bǔ)=[-0000]補(bǔ)=00000※數(shù)0的補(bǔ)碼惟一※正數(shù)補(bǔ)碼最高位(符號(hào)位)為0，負(fù)數(shù)最高位為1※補(bǔ)碼表示數(shù)的個(gè)數(shù)比原碼多1個(gè)49*定點(diǎn)純小數(shù)補(bǔ)碼定義：

設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，則[X]補(bǔ)=x’0.x’-1…x’-(n-1)[X]補(bǔ)

=

2+X(mod2)

=X

0≤X＜12+X=2-|X|-1≤X＜0

例8—[+0.1011]補(bǔ)=0.1011[-0.1011]補(bǔ)=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.01011050△X→[X]補(bǔ)—

若X為正數(shù)，改符號(hào)位為0，其余各位不變；若X為負(fù)數(shù)，改符號(hào)位為1，其余各位取反、末位加1

例9—X=+0101，[X]補(bǔ)=X=-0101，[X]補(bǔ)=0

0101；1

1011△[X]補(bǔ)→X—

若[X]補(bǔ)最高位為0，改其為正號(hào)，其余各位不變；若[X]補(bǔ)最高位為1，改其為負(fù)號(hào)，其余各位取反、末位加1

例10—[X]補(bǔ)=0

0101，X=+

0101；[X]補(bǔ)=1

1011，X=-

0101(3)補(bǔ)碼的特性

51△[X]原→[X]補(bǔ)—

若[X]原最高位為0，[X]補(bǔ)=[X]原；

若[X]原最高位為1，[X]補(bǔ)=[X]原各數(shù)值位取反、末位加1

例11—

[X]原=0

0101,[X]補(bǔ)=0

0101；[X]原=1

0101,[X]補(bǔ)=1

1011△[X]補(bǔ)→[X]原—

若[X]補(bǔ)最高位為0，[X]原=[X]補(bǔ)；

若[X]補(bǔ)最高位為1，[X]原=[X]補(bǔ)各數(shù)值位取反、末位加1

例12—

[X]補(bǔ)=0

0101,[X]原=0

0101；[X]補(bǔ)=1

0101,[X]原=1

101152*[X]補(bǔ)與[-X]補(bǔ)的關(guān)系：△[X]補(bǔ)→[-X]補(bǔ)—[X]補(bǔ)的各位取反(含符號(hào)位)、末位加1[-X]補(bǔ)→[X]補(bǔ)—[-X]補(bǔ)的各位取反(含符號(hào)位)、末位加1

例13—[X]補(bǔ)=1

0110，[-X]補(bǔ)=

0

1001+1=

0

1010

練習(xí)3—若X=-01001，[-X]補(bǔ)=？若[X]補(bǔ)=101010，[-X]補(bǔ)=？-X=？53

0

01001

0

01001

練習(xí)4—

①若X=+01001，[X]原=，[X]補(bǔ)=；

②若X=-01010，[X]原=，[X]補(bǔ)=；

1

01010

1

10110

+

01010

0

01010

③若[X]原=001010，X=，[X]補(bǔ)=；

④若[X]原=101110，X=，[X]補(bǔ)=；

-

01110

1

10010

+

01110

1

10010

⑤若[X]補(bǔ)=001110，X=，[-X]補(bǔ)=；

⑥若[X]補(bǔ)=101110，X=，[-X]補(bǔ)=；

-

10010

0

10010

0

10101

0

10101

⑦若[-X]補(bǔ)=101011，[X]補(bǔ)=，[X]原=；

⑧若[-X]補(bǔ)=001001，[X]補(bǔ)=，[X]原=

1

10111

1

01001

714543、反碼表示法

*目標(biāo)：作為原碼與補(bǔ)碼相互轉(zhuǎn)換時(shí)的一種過(guò)渡編碼*純整數(shù)反碼定義：

設(shè)X=±xn-2…x0，xi=0或1，取模=2n-1，則[X]反

=

(2n-1)+X(mod2n-1)

=X

0≤X＜2n-1(2n-1)+X-2n-1＜X≤0*純小數(shù)反碼定義：

設(shè)X=±0.x-1…x-(n-1)，xi=0或1，模=2-2-(n-1)，則[X]反

=

(2-2-(n-1))

+

X(mod2-2-(n-1))

=X

0≤X＜1(2-2-(n-1))+X-1＜X≤0

例14—[+1101]反=01101，[-1101]反=1001010

例15—[+0.1101]反=0.1101，[-0.1101]反=1.001055*反碼與補(bǔ)碼關(guān)系：若X為正數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反；若X為負(fù)數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反+111

原碼、補(bǔ)碼、反碼比較：

①機(jī)器數(shù)的最高位均為符號(hào)位(0/1表示正/負(fù))；原碼無(wú)11…11

10…0110…00

00…00

00…0101…11反碼

無(wú)

10…0011…1011…11

00…00

00…0101…11補(bǔ)碼

10…0010…0111…11

00…00

00…0101…11真值

-2n-1-(2n-1-1)

-1

0

+1+(2n-1-1)④[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)，補(bǔ)碼比原碼、反碼多表示一個(gè)負(fù)數(shù)②若真值X為正數(shù)，[X]原=[X]補(bǔ)=[X]反；

③若真值X為負(fù)數(shù)，[X]補(bǔ)=[X]反+1，

[X]反=[X]原各位求反(符號(hào)位除外)；564、移碼表示法

*目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)符號(hào)與數(shù)值一起編碼

←數(shù)連續(xù)時(shí)編碼連續(xù)*純整數(shù)移碼定義：

設(shè)X=±xn-2…x0，其中xi=0或1，取模=2n，則

[X]移

=

2n-1+X(mod2n)

=

2n-1

+

X-2n-1≤X＜2n-1

例16—[-111]移=0001，[-001]移=0111，[±000]移=1000，

[+001]移=1001，[+111]移=1111，[-1000]移=0000補(bǔ)碼

10…0010…0111…11

00…00

00…0101…11移碼

00…00

00…0101…1110…0010…0111…11真值

-2n-1-(2n-1-1)

-1

0+1+(2n-1-1)*移碼的特性：

①數(shù)在數(shù)軸上為連續(xù)編碼(無(wú)符號(hào)數(shù))，便于比較大??；

②[X]移=[X]補(bǔ)符號(hào)位取反、其余各位不變57三、十進(jìn)制數(shù)編碼*BCD碼(BinaryCodedDicimal)：又稱二-十進(jìn)制編碼，是指用4位二進(jìn)制編碼表示1位十進(jìn)制數(shù)位的編碼方式。

*BCD碼種類：分有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼兩種，最常用的是8421碼。十進(jìn)制數(shù)01234567898421碼0000000100100011010001010110011110001001余3碼0011010001010110011110001001101010111100

BCD碼缺省指8421碼(特殊聲明除外)！58四、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(hào)或特征號(hào)*字符編碼的類型：有輸入碼、內(nèi)碼、交換碼、字模碼4種

與輸入法、字符集大小有關(guān)與字體、字號(hào)大小有關(guān)字符交換時(shí)的編碼(序號(hào)),僅與字符集大小有關(guān)字符存儲(chǔ)時(shí)的編碼(數(shù)據(jù)表示),與字符集大小、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)鍵盤(pán)計(jì)算機(jī)B轉(zhuǎn)換處理傳送字模碼內(nèi)碼輸入碼交換碼顯示器傳送計(jì)算機(jī)A交換碼內(nèi)碼內(nèi)碼字符數(shù)據(jù)字符字模庫(kù)MEM交換碼59*有關(guān)字符編碼的約定：

字符編碼—均指交換碼的編碼！

字符數(shù)據(jù)—均指內(nèi)碼的編碼！*常見(jiàn)字符編碼(交換碼)種類：編碼種類碼點(diǎn)數(shù)量編碼長(zhǎng)度說(shuō)明ASCII碼1287美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，英文，使用最廣泛EBCDIC碼2568擴(kuò)展二-十進(jìn)制交換碼，英文，IBM定義Unicode碼6553616統(tǒng)一字符碼，支持各國(guó)語(yǔ)言，使用較廣泛ANSI碼2568美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)交換碼，英文，含ASCII碼GB2312-80744514漢字國(guó)標(biāo)碼，中文①碼點(diǎn)數(shù)量—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(diǎn)陣數(shù))②編碼長(zhǎng)度—采用等長(zhǎng)編碼，長(zhǎng)度=log2

碼點(diǎn)數(shù)量602、字符串編碼

*字符串特性：

①由多個(gè)字符構(gòu)成；

②所含字符數(shù)不固定。*字符串編碼方法：

①由各個(gè)字符編碼組成；

②通過(guò)特定編碼標(biāo)志字符串的結(jié)束，結(jié)束編碼放在最后

└→字符集必須包含該字符(如ASCII碼中編碼為0的字符)

例—C語(yǔ)言中字符串“am”可編碼為1100001110110100000061*冗余校驗(yàn)思想：

①用待發(fā)數(shù)據(jù)(M)形成校驗(yàn)信息(P)，M與P一起傳送；

②用接收數(shù)據(jù)(M’)形成新校驗(yàn)信息(P”)，檢錯(cuò)并糾錯(cuò)五、校驗(yàn)碼存儲(chǔ)器或傳輸線路M函數(shù)fP輸出方比較器P”P(pán)’糾正器M函數(shù)fM’輸入方狀態(tài)*術(shù)語(yǔ)：校驗(yàn)碼—由數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位組成的信息編碼；檢錯(cuò)(檢驗(yàn))—檢查數(shù)據(jù)在傳送過(guò)程中有/無(wú)錯(cuò)誤；糾錯(cuò)(校正)—根據(jù)錯(cuò)誤位置糾正數(shù)據(jù)(取反)*常見(jiàn)校驗(yàn)碼：奇偶校驗(yàn)碼、海明校驗(yàn)碼621、奇偶校驗(yàn)碼*編碼原理：采用1位校驗(yàn)位，使數(shù)據(jù)位及校驗(yàn)位中“1”的位數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)個(gè)*校驗(yàn)原理：檢測(cè)校驗(yàn)碼中“1”的個(gè)數(shù)變化，確定是否有錯(cuò)

例1—數(shù)據(jù)101001001101001100011奇校驗(yàn)碼101001000110100？1100011？偶校驗(yàn)碼101001010110100？1100011？有奇校驗(yàn)/偶校驗(yàn)2種方法預(yù)先約定為奇數(shù)/偶數(shù)個(gè)*校驗(yàn)碼編碼：

(設(shè)數(shù)據(jù)信息為mnmn-1…m1)

校驗(yàn)碼組成—共n+1位，數(shù)據(jù)mn-1…m1校驗(yàn)位p163*校驗(yàn)方法：故障字S—S=P’P”，其中P’是接收的、P”是形成的；檢錯(cuò)—若S=0無(wú)錯(cuò)誤，若S=1有錯(cuò)誤；糾錯(cuò)—無(wú)此能力(∵無(wú)法獲得錯(cuò)誤位置)

例2—接收的奇校驗(yàn)碼故障字S錯(cuò)誤位數(shù)(人工)發(fā)送碼(參考)10100100001010010001101001??0110110101101100??0110110101101000??01101101*校驗(yàn)?zāi)芰Γ褐荒軝z測(cè)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，無(wú)糾錯(cuò)能力

例3—下列接收的校驗(yàn)碼①01001、②10100、③10011中，只有一個(gè)有奇數(shù)位錯(cuò)，請(qǐng)問(wèn)發(fā)送時(shí)采用的是奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)碼？*應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于I/O傳輸?shù)臄?shù)據(jù)校驗(yàn)2564§2.2數(shù)據(jù)的表示

計(jì)算機(jī)用編碼表示數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)非數(shù)值數(shù)據(jù)邏輯數(shù)

字符(串)

--含漢字圖形其它

--聲音、圖像等無(wú)符號(hào)數(shù)

--自然數(shù)有符號(hào)數(shù)

--整數(shù)、純小數(shù)、實(shí)數(shù)等

計(jì)算機(jī)只支持最常用(最基本)的數(shù)據(jù)類型：

數(shù)據(jù)表示—計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別和引用的數(shù)據(jù)類型

應(yīng)用數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)表示的轉(zhuǎn)換：程序員或編譯程序完成程序員實(shí)際應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)類型計(jì)算機(jī)語(yǔ)言支持的數(shù)據(jù)類型計(jì)算機(jī)硬件支持的數(shù)據(jù)類型編譯程序65一、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示方法2、馮·諾依曼模型計(jì)算機(jī)的硬件特征

①指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算；

②二進(jìn)制中只有0和1，無(wú)法表示符號(hào)和小數(shù)點(diǎn)；

③機(jī)器字長(zhǎng)固定，CPU內(nèi)部全部采用定長(zhǎng)方式處理。1、數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)特征

①進(jìn)制可有多種；

②符號(hào)為“+”或“-”，可以沒(méi)有符號(hào)；

③小數(shù)點(diǎn)為“．”，可隱含表示，小數(shù)點(diǎn)位置可任意變化；

④數(shù)碼長(zhǎng)度可任意變化；

⑤不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算溢出663、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法*符號(hào)問(wèn)題處理：

有符號(hào)數(shù)—用數(shù)字表示符號(hào)，

無(wú)符號(hào)數(shù)—符號(hào)位置為數(shù)值；*進(jìn)制問(wèn)題處理：只支持二進(jìn)制方式；數(shù)據(jù)本身無(wú)法區(qū)分在指令級(jí)進(jìn)行區(qū)分無(wú)符號(hào)數(shù)、整數(shù)純小數(shù)實(shí)數(shù)隱含于最低位之后隱含于最高位之前純小數(shù)尾數(shù)+整數(shù)指數(shù)定點(diǎn)格式浮點(diǎn)格式數(shù)據(jù)本身無(wú)法區(qū)分，在指令級(jí)進(jìn)行區(qū)分*小數(shù)點(diǎn)問(wèn)題處理：

①點(diǎn)的表示—用隱含方式表示；②位置表示—約定不同數(shù)據(jù)類型的位置不同67*數(shù)碼長(zhǎng)度問(wèn)題處理：

①不同數(shù)據(jù)類型—數(shù)碼長(zhǎng)度固定；←便于定長(zhǎng)方式處理

②同一數(shù)據(jù)類型—可有幾種長(zhǎng)度；←可提高處理及存儲(chǔ)效率*運(yùn)算問(wèn)題處理：

①運(yùn)算方法—按數(shù)據(jù)表示的格式及編碼進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算；

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)的操作方法表示格式(小數(shù)點(diǎn)表示)編碼方式(符號(hào)及數(shù)值表示)數(shù)碼長(zhǎng)度(決定了數(shù)值范圍)運(yùn)算方式溢出處理數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)的操作數(shù)據(jù)處理定點(diǎn)與浮點(diǎn)表示機(jī)器數(shù)編碼②數(shù)據(jù)類型區(qū)分—由指令操作碼區(qū)分；③溢出處理—硬件檢測(cè)并發(fā)出通知，由軟件處理39系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定組成邏輯實(shí)現(xiàn)68二、數(shù)的定點(diǎn)表示1、定點(diǎn)表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點(diǎn)位置固定不變。*定點(diǎn)數(shù)的表示范圍：

(設(shè)數(shù)碼長(zhǎng)度為n位)自然數(shù)(無(wú)符號(hào))整數(shù)(有符號(hào))純小數(shù)Sn-1

Sn-2…S0

Sf

Sn-2…S0

Sf

S-1…S-(n-1)數(shù)值數(shù)符數(shù)值數(shù)符數(shù)值類型編碼自然數(shù)(無(wú)符號(hào))純整數(shù)(有符號(hào))純小數(shù)原碼0～2n-1(無(wú)符號(hào)編碼)-(2n-1-1)～+(2n-1-1)-(1-2-(n-1))～+(1-2-(n-1))補(bǔ)碼-2n-1～+(2n-1-1)-1～+(1-2-(n-1))*定點(diǎn)表示形式：有約定在數(shù)值最低位之后和最高位之前兩種2、定點(diǎn)數(shù)的表示采用定點(diǎn)表示格式的數(shù)稱為定點(diǎn)數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長(zhǎng)度。69三、數(shù)的浮點(diǎn)表示1、浮點(diǎn)表示方法指約定數(shù)據(jù)中隱含的小數(shù)點(diǎn)位置是可變的。

表示—尾數(shù)用定點(diǎn)純小數(shù)表示，階用定點(diǎn)整數(shù)表示*浮點(diǎn)表示形式：由尾數(shù)和階組成

格式—1SE

ESM

M階符階值數(shù)符尾數(shù)值1em或SE

EMSM

70*浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍與精度：

假設(shè)尾數(shù)及階的基均為2，數(shù)值長(zhǎng)度分別為m位及e位2、浮點(diǎn)數(shù)的表示采用浮點(diǎn)表示格式的數(shù)稱為浮點(diǎn)數(shù)，通常有幾種數(shù)碼長(zhǎng)度。下溢區(qū)正上溢區(qū)(+∞)負(fù)上溢區(qū)(-∞)負(fù)數(shù)區(qū)機(jī)器零絕對(duì)零N正min正數(shù)區(qū)N負(fù)maxN正maxN負(fù)min

例1—若浮點(diǎn)表示格式中m＝10、e＝4，尾數(shù)及階均為補(bǔ)碼編碼方式，寫(xiě)出(-54)10的機(jī)器碼。

解：(-54)10=(-110110)2=-0.11011×2+110，

浮點(diǎn)數(shù)機(jī)器碼為00110

10010100000

影響因素—e決定了范圍、m決定了精度71

例2—若浮點(diǎn)表示格式中尾數(shù)為8位(含1位符號(hào)位)、階為5位(含1位符號(hào)位)，寫(xiě)出下列實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)及機(jī)器碼。編碼格式實(shí)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)數(shù)的表示階尾數(shù)階碼尾數(shù)碼原碼原碼+10101.11+0.1010111×2+1010010101010111-0.0010111-0.10111×2-10移碼補(bǔ)碼+0.0010111+0.10111×2-10-10101.11-0.1010111×2+101

例3—浮點(diǎn)表示格式同例2，寫(xiě)出下列機(jī)器碼的浮點(diǎn)數(shù)。編碼格式浮點(diǎn)數(shù)的表示浮點(diǎn)數(shù)階尾數(shù)階碼尾數(shù)碼原碼原碼0110101010111+0.1010111×2+11011011011011010移碼補(bǔ)碼001010101110011101111010002010010

1101110001110

0101110010101

10101001-0.1011010×2-110+0.10111×2-1011-0.0011000×2+1101723、浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化

*目的：在現(xiàn)有的浮點(diǎn)數(shù)表示格式中，使表示精度最大化。

例4—若浮點(diǎn)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(diǎn)數(shù)精度不同：

+101.1=0.1011×23=0.01011×24=0.001011×25001101010100001001010001*規(guī)格化數(shù)的要求：尾數(shù)真值的最高位為1，即

≤|M|＜1

*規(guī)格化的操作：

左規(guī)—尾數(shù)左移一位，階碼減一；

右規(guī)—尾數(shù)右移一位，階碼加一。

應(yīng)用—非規(guī)格化數(shù)→規(guī)格化數(shù)，可能需多次規(guī)格化操作4473

例5—若浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)及階的基均為2，回答下列問(wèn)題：非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)+1.0111×2+010-0.00010×2+010+1011.1×2+010規(guī)格化操作右規(guī)1次規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)+0.10111×2+011

原碼尾數(shù)—最高數(shù)值位為1；

補(bǔ)碼尾數(shù)—最高數(shù)值位與符號(hào)相反

←便于硬件實(shí)現(xiàn)左規(guī)3次-0.10000×2-001右規(guī)4次+0.10111×2+110744、IEEE754標(biāo)準(zhǔn)*表示格式及數(shù)碼長(zhǎng)度：有單精度、雙精度兩種格式及長(zhǎng)度*編碼方式：

①數(shù)制—M和E均采用二進(jìn)制方式(即RM=RE=2)；2381單精度浮點(diǎn)表示格式數(shù)符S階E尾數(shù)M3252111雙精度浮點(diǎn)表示格式數(shù)符S階E尾數(shù)M64②碼制—M為原碼編碼的定點(diǎn)純小數(shù)(改進(jìn)了定點(diǎn)位置)，

E為移碼編碼的定點(diǎn)整數(shù)(改進(jìn)了移碼值)75*階的碼制：采用的是余127碼和余1023碼余X碼—偏移值為X的移碼稱為余X碼，標(biāo)準(zhǔn)移碼：真值=E-28-1=E-128，余127碼：真值=E-(28-1-1)=E-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；

規(guī)格化尾數(shù)—規(guī)格化的尾數(shù)真值=±1.m-2…m-24，機(jī)器碼M=m-2…m-24，尾數(shù)精度=24位

階的范圍—1≤E≤254，而0和255另作他用，

即-126≤階的真值≤127

非規(guī)格化尾數(shù)—尾數(shù)真值=±0.m-1…m-23，機(jī)器碼M=m-1…m-23，尾數(shù)精度=23位；76*IEEE754標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)表示的特征：(以單精度格式為例)參數(shù)值真值N說(shuō)明E=0，且M=0N=0機(jī)器零(下溢區(qū))E=0，且M≠0N=(-1)S×2-126×0.M非規(guī)格化數(shù)1≤E≤254N=(-1)S×2E

-127×1.M規(guī)格化數(shù)E=255，且M≠0N=NaN為非數(shù)值E=255，且M=0N=(-1)S×∞±無(wú)窮大(上溢區(qū))

說(shuō)明：①明確地表示了機(jī)器零及無(wú)窮大；

②非規(guī)格化數(shù)減少了下溢區(qū)間大小(精度損失)；

③非數(shù)值用于表示異常(如0/0、負(fù)數(shù)開(kāi)根等)正非規(guī)格化數(shù)區(qū)域機(jī)器零0.0+0.0…01×2-126+0.1…1×2-126+1.0…0×2-126正規(guī)格化數(shù)區(qū)域略+1.1…1×2+127下溢區(qū)正上溢區(qū)77

例6—求IEEE

754單精度碼為(CC968000)16的浮點(diǎn)數(shù)的真值N

例5—求(-11/128)10的IEEE754單精度規(guī)格化數(shù)的機(jī)器碼

解—(-11/128)10

=(

-1011)2×2-7

=(-0.1011)2×2-3

=(-1.011)2×2-4=(-1.011)2×2123-127

解—(CC968000)16=1

10011001

00101101000000000000000N為負(fù)數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)為規(guī)格化數(shù)(∵1＜10011001＜254)；數(shù)符階尾數(shù)10111

10110110

0000

0000

0000

0000

000

機(jī)器碼為：

階=(10011001)2－(01111111)2

=(00011010)2=(26)10

尾數(shù)=(1.00101101)2

=(1.17578125)10∴N=(―1)1×1.17578125×226=-1.17578125×226

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示小結(jié)：表示格式有定點(diǎn)和浮點(diǎn)兩種，編碼方式?jīng)Q定運(yùn)算器的運(yùn)算方法，數(shù)碼長(zhǎng)度總是固定的484178四、非數(shù)值數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表示

提高M(jìn)EM的存儲(chǔ)效率：指令中地址效率—1個(gè)MEM地址應(yīng)對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)據(jù)位；

MEM字長(zhǎng)的特征：

MEM字長(zhǎng)—均為2n位(n為常數(shù))；←便于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的二進(jìn)制運(yùn)算

MEM字長(zhǎng)種類—有二進(jìn)制位、機(jī)器字長(zhǎng)、折中長(zhǎng)度3類

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率—短數(shù)據(jù)占1個(gè)字長(zhǎng)，長(zhǎng)數(shù)據(jù)占多個(gè)字長(zhǎng)0000H0001H…地址數(shù)據(jù)(1位)01…0000H0001H…0000100010001111…地址數(shù)據(jù)(8位)0000H0001H…00001000111100000000000010001111…地址數(shù)據(jù)(設(shè)字長(zhǎng)為16位)通常不采用按位編址通常采用按折中長(zhǎng)度(如字節(jié))編址791、字符數(shù)據(jù)的表示指字符的交換碼在存儲(chǔ)/處理時(shí)的表示方式，即字符的內(nèi)碼。*數(shù)據(jù)的表示方法：表示格式—

數(shù)碼長(zhǎng)度—為MEM字長(zhǎng)的倍數(shù)，即n=kW；m

Cm-1

Cm-2…C1

C0

Kx-1…

K0x擴(kuò)展位字符交換碼n

例1—常見(jiàn)字符交換碼的表示：字符字符數(shù)據(jù)的表示種類編碼長(zhǎng)度MEM按字節(jié)編址MEM按字(設(shè)=16)編址數(shù)碼長(zhǎng)度占地址數(shù)數(shù)碼長(zhǎng)度占地址數(shù)ASCII碼78位=7+11個(gè)16位=7+91個(gè)Unicode碼1616位=16+02個(gè)16位=16+01個(gè)GB2312-80碼1416位=14+22個(gè)16位=14+21個(gè)

編碼方式—無(wú)符號(hào)的二進(jìn)制編碼802、邏輯數(shù)據(jù)的表示

*數(shù)學(xué)特征：值域—真、假；

運(yùn)算—與(AND)、或(OR)、非(NOT)等*運(yùn)算處理方法：可采用所有位同時(shí)按位進(jìn)行與/或/非運(yùn)算

可獲得最大性能←┘└→一位操作時(shí)，軟件負(fù)責(zé)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)*數(shù)據(jù)的表示方法：

數(shù)碼長(zhǎng)度—1位→n位(n為MEM字長(zhǎng)倍數(shù))；←以提高存儲(chǔ)效率

表示格式—n個(gè)邏輯數(shù)據(jù)捆綁表示，每個(gè)邏輯數(shù)據(jù)占1位；bn-1b0

Ln-1

Ln-2…L1

L0

例2—8位邏輯數(shù)A和B如何實(shí)現(xiàn)第0位的OR操作(結(jié)果在A中)？

編碼方式—各位獨(dú)立編碼，1/0可表示真/假

解：步驟為①

C=BAND01H；②

A=AORC5381§2.3定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算方法一、移位運(yùn)算1、移位及移位運(yùn)算

*移位：數(shù)值相對(duì)于某個(gè)位置的移動(dòng)例—20.0m=2000.0cm，稱20相對(duì)于小數(shù)點(diǎn)左移了2位*移位操作：有左移、右移2種類型；二進(jìn)制數(shù)左移或右移n位相當(dāng)于乘以或除以2n*移位運(yùn)算：對(duì)計(jì)算機(jī)中機(jī)器數(shù)的移位操作運(yùn)算種類—對(duì)有符號(hào)數(shù)，有算術(shù)左移、算術(shù)右移；對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)，有邏輯左移、邏輯右移

運(yùn)算參數(shù)—操作數(shù)、移動(dòng)位數(shù)822、邏輯移位運(yùn)算

*操作數(shù)類型：無(wú)符號(hào)機(jī)器數(shù)

例1—某REG內(nèi)容為00111001，邏輯移位運(yùn)算結(jié)果如下：*運(yùn)算規(guī)則：

機(jī)器數(shù)整體移位，移出的數(shù)丟棄，出現(xiàn)的空位補(bǔ)0邏輯左移2位丟棄部分邏輯右移2位丟棄部分0011100100111001000000*運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方法：通常用移位寄存器實(shí)現(xiàn)

練習(xí)—若(REG)=11001001，邏輯左移1位再右移1位的結(jié)果?0邏輯左移運(yùn)算移位寄存器0邏輯右移運(yùn)算移位寄存器*溢出判斷方法：左移、移丟數(shù)碼為1時(shí)運(yùn)算溢出833、算術(shù)移位運(yùn)算

*操作數(shù)類型：有符號(hào)機(jī)器數(shù)(原碼、補(bǔ)碼等)例3真值原碼補(bǔ)碼真值原碼補(bǔ)碼+20001000010-21001011110算術(shù)左移1位+4-4算術(shù)右移1位+1-1*運(yùn)算規(guī)則：符號(hào)位不變，數(shù)值部分整體移位，空位添補(bǔ)規(guī)則如下表(根據(jù)編碼方式的數(shù)學(xué)特征添補(bǔ))碼制真值算術(shù)移位運(yùn)算規(guī)則符號(hào)位數(shù)值左移空位添補(bǔ)規(guī)則數(shù)值右移空位添補(bǔ)規(guī)則原碼正/負(fù)數(shù)保持不變空位補(bǔ)0補(bǔ)碼正/負(fù)數(shù)末位數(shù)值位補(bǔ)0首位數(shù)值位補(bǔ)符號(hào)位反碼正數(shù)末位數(shù)值位補(bǔ)0首位數(shù)值位補(bǔ)符號(hào)位負(fù)