計算機(jī)系統(tǒng)概述

微機(jī)原理

（計算機(jī)原理與應(yīng)用系統(tǒng)）

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

1

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

分計算機(jī)的類型

8計算機(jī)的組成

8計算機(jī)系統(tǒng)

8計算機(jī)性能評價

三計算機(jī)內(nèi)信息的表示

馬洪兵，2006年秋2

計算機(jī)的類型

三按應(yīng)用領(lǐng)域劃分

‘'桌面計算機(jī)

e企業(yè)級計算機(jī)

三嵌入式計算機(jī)

馬洪兵，2006年秋3

計算機(jī)的類型

桌面計算機(jī)

8臺式機(jī)

8筆記本

8工作站——具有較強(qiáng)圖形、圖像與視頻處理能

力的高性能專用計算機(jī)的總稱

分設(shè)計者考慮的因素：性能價格比

?性能——良好的交互性能（例如圖形用戶界面）、

支持大量的外部設(shè)備

仝,價格——500$?10000$

馬洪兵，2006年秋4

計算機(jī)的類型

企業(yè)級計算機(jī)

1.服務(wù)器——例如局域網(wǎng)服務(wù)器和Internet服務(wù)器。有

一個或多個CPU、GB級的內(nèi)存、幾百GB級的磁盤以

及高速網(wǎng)絡(luò)處理能力。能夠同時處理幾十或上百個外

部請求

2.機(jī)群系統(tǒng)——由PC機(jī)或工作站通過Gbps級的網(wǎng)絡(luò)連

接而成，運行專門的操作系統(tǒng)使所有機(jī)器協(xié)同完成計

算任務(wù)。機(jī)群系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，可以很容易

擴(kuò)展機(jī)器數(shù)量

e機(jī)群系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)別：在用戶看來機(jī)群系統(tǒng)就

像一個普通的單機(jī)系統(tǒng)

3.大型機(jī)(mainframe)

馬洪兵，2006年秋5

計算機(jī)的類型

企業(yè)級計算機(jī)

3.大型機(jī)(mainframe)

一大都是舊M360的后代，仍然在

一些大型機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心運行

著，有些大型主機(jī)的持續(xù)運行時

間已經(jīng)超過了20年

?大型主機(jī)所具有的良好的穩(wěn)定性

和巨大的I/O處理能力是PC機(jī)望

塵莫及的—對于企業(yè)級的應(yīng)用

而言，這些特性的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

于花里胡哨的GUIIBM390

馬洪兵，2006年秋6

計算機(jī)的類型

企業(yè)級計算機(jī)——設(shè)計者考慮的因素

1.可用性一系統(tǒng)提供有效服務(wù)的能力

e可用性不同于可靠性，可靠性指系統(tǒng)不出現(xiàn)故

障的能力。任何系統(tǒng)都可能出故障，但是企業(yè)

級計算機(jī)系統(tǒng)要確保在部件出現(xiàn)故障的情況下

保證系統(tǒng)提供有效服務(wù)，通常通過冗余來實現(xiàn)

2.可擴(kuò)展性——為滿足服務(wù)需求的增長，企業(yè)

級計算機(jī)必須具有升級計算能力、內(nèi)存和磁

盤容量以及I/O帶寬的能力

3.吞吐量一一定時間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)量

馬洪兵，2006年秋7

計算機(jī)的類型

嵌入式計算機(jī)

今嵌入在其他設(shè)備中，不以計算機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)的計算機(jī)

馬洪兵，2006年秋8

計算機(jī)的類型

兮嵌入式計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

ARM微處理器市場細(xì)分

馬洪兵，2006年秋

計算機(jī)的類型

e嵌入式計算機(jī)設(shè)計者考慮的主要因素

1.成本——嵌入式計算機(jī)的價格范圍非常廣泛，從低于

1美元的8位微處理器到幾百美元的64位高性能微處理

器。低端產(chǎn)品對于價格尤為敏感

。最小存儲器需求：存儲器是系統(tǒng)成本的一部分，通常

通過優(yōu)化縮短代碼長度

2.功耗——對于電池供電的系統(tǒng)尤為重要

3.實時性能——指計算機(jī)在確定的時間間隔內(nèi)對外部事

件做出恰當(dāng)反應(yīng)的能力。許多嵌入式計算機(jī)應(yīng)用于過

程控制、事務(wù)處理等有實時要求的領(lǐng)域

?硬實時：必須滿足最終時限

e軟實時：允許偶爾違反最終時限

馬洪兵，2006年秋10

計算機(jī)的組成

分馮?諾伊曼計算機(jī)由存儲器、運算器、控制器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成

馬洪兵，2006年秋11

計算機(jī)的組成

存儲器

9存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的、具有記憶功

能的裝置（此處的存儲器特指主存儲器）

分為了準(zhǔn)確地對存儲器進(jìn)行讀寫，通常以字節(jié)/字

為單位將存儲器劃分為一個個存儲單元，并依

次為每個存儲單元賦予一個從0開始的序號，

該序號稱為存儲單元的地址，存儲單元的地址

也用二進(jìn)制數(shù)碼表示

8每個存儲單元的地址都是唯一的，每次讀寫存

儲器時，必須給出存儲單元的地址才能訪問

馬洪兵，2006年秋12

計算機(jī)的組成

存儲器

三存儲單元的地址和存儲

單元存放的內(nèi)容（指令或

數(shù)據(jù)）都是二進(jìn)制數(shù)碼，

但它們是完全不同的兩

個概念

一控制器地址線的位數(shù)決

定地址的位數(shù)，地址的

位數(shù)決定處理器能夠訪

問的存儲器的最大容量

馬洪兵，2006年秋13

計算機(jī)的組成

存儲器

一近年來，幾乎所有的計算機(jī)都以字節(jié)(byte)為

存儲單元的編址單位，一個字節(jié)由8個二進(jìn)制

位組成

§字節(jié)可以組合成字(word),不同的計算機(jī)可能

具有不同的字長

?字長——處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制數(shù)

碼的位數(shù)，它通常取決于處理器內(nèi)部通用寄存

器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長通常是字節(jié)

的倍數(shù)，如8位、16位、32位、64位

馬洪兵，2006年秋14

計算機(jī)的組成

存儲器—字節(jié)順序

號每個字中的字節(jié)地址可以從左到右，或者從右

到左編排，前者稱為大端格式(bigendian),

后者稱為小端格式(littleendian)

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字地址字節(jié)地址字地址字節(jié)地址

0012303210

4456747654

88910118111098

12121314151215141312

馬洪兵，2006年秋15

計算機(jī)的組成

存儲器一字節(jié)順序

-X86采用小端格式，SPARC采用大端格式，

ARM支持兩種格式

8例：32位字1A2B3c4D(i?的存儲格式

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字節(jié)地址0123字節(jié)地址0123

內(nèi)容1A2B3C4D內(nèi)容4D3C2B1A

馬洪兵，2006年秋16

計算機(jī)的組成

運算器

三運算器是進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的裝置，通

常稱為ALU-ArithmeticLogicUnit（算術(shù)

A、B為ALU的兩個輸

入操作數(shù)，Y為輸出

結(jié)果

馬洪兵，2006年秋17

計算機(jī)的組成

數(shù)據(jù)通路(datapath)

一CPU內(nèi)部通常有一定數(shù)

量的高速存儲器——寄

存器，由于保存中間結(jié)

果和控制信息

?斷小——通用寄存器

8A、B——ALU輸入寄存

器

-Y——ALU輸出寄存器

8ALU、寄存器以及連接

它們?nèi)≈辈靠偩€，組成

CPU%數(shù)據(jù)通路

馬洪兵，2006年秋18

計算機(jī)的組成

運算器

cALU將兩個操作數(shù)進(jìn)行運算并將結(jié)果存回的過

程稱為數(shù)據(jù)通路周期

?數(shù)據(jù)通路周期在很大程度上決定著計算機(jī)的性

能

馬洪兵，2006年秋19

計算機(jī)的組成

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

?輸入設(shè)備是用來輸入程序和原始數(shù)據(jù)的裝置，

其功能是將外界信息轉(zhuǎn)換成機(jī)內(nèi)的表示形式并

傳送到計算機(jī)內(nèi)部

8輸出設(shè)備用來輸出計算機(jī)處理結(jié)果的裝置，其

功能是將處理結(jié)果從計算機(jī)內(nèi)部的表示形式轉(zhuǎn)

換成人們所需要的形式并傳送到計算機(jī)外部

馬洪兵，2006年秋20

計算機(jī)的組成

控制器

?靠^^普指篇和控制‘部件協(xié)調(diào)工

?控制器的基本組成

控制L

信號」OCIDOC-Operation8ntroller（操作控制器）

ID-InstructionDecoder（指令譯碼器）

IRIR-InstructionRegister（指令寄存器）

PC-Program8unter（程序計數(shù)器）

MAR-MemoryAddressRegist?r（內(nèi)存

存地址寄存器）

儲

器

MDR—MemoryDataReglst?r（內(nèi)存數(shù)

MDR據(jù)寄存器）

馬洪兵,2006年秋

計算機(jī)的組成

控制器

控制器的功能就是執(zhí)行指令,

般而言，控制器執(zhí)行一條指

令的過程大致分為以下幾個步

驟:

1.從存儲器取一條指令到指令

寄存器中

2.修改程序計數(shù)器，使其指向

后面一案指令

3.對取得的指令進(jìn)行譯碼

4.若該指令用到某存儲單元，

則對該存儲單元進(jìn)行尋址

5.必要時，從存僮蟄中讀取一

個字到CPU的雷薦器中

6.執(zhí)行指令——由操作控制器

發(fā)出控制信號

7.返回第1步

馬洪兵，2006年秋22

計算機(jī)的組成

控制器

取指一譯碼一執(zhí)行循環(huán)，是計算機(jī)操作的核心

馬洪兵，2006年秋23

計算機(jī)的組成

計算機(jī)的結(jié)構(gòu)

地址總線AB

輸

輸

存

出

I/O入I/O

儲

設(shè)

CPU接設(shè)接

器

備

口備口

總線一一連接多個功能部件的一組公共信號線

馬洪兵，2006年秋24

計算機(jī)的組成

計算機(jī)的結(jié)構(gòu)

c地址總線(AB)：用來傳送CPU輸出的地址信

號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口

三地址總線的條數(shù)決定微處理器的尋址能力

8數(shù)據(jù)總線(DB)：用來在CPU與存儲器、I/O接

口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送

8數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳

送的數(shù)據(jù)寬度

分控制總線(CB)：用來傳送各種控制信號

馬洪兵，2006年秋25

計算機(jī)系統(tǒng)

硬件與軟件

?任何完整的計算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩

部分組成

?計算機(jī)組成討論的是組成計算機(jī)系統(tǒng)所需要

的物理部件與設(shè)備，即計算機(jī)硬件

?軟件是指控制計算機(jī)工作所需的各種程序和

數(shù)據(jù)

馬洪兵，2006年秋26

計算機(jī)系統(tǒng)

ISA—指令集體系結(jié)構(gòu)

ISA(lnstructionSetArchitecture)是計算機(jī)

硬件與底層軟件之間的接口，它是程序員為

使一個二進(jìn)制機(jī)器語言程序正確運行所需要

了解的屬性

計算機(jī)軟件

ISA

計算機(jī)硬件

馬洪兵，2006年秋27

計算機(jī)系統(tǒng)

機(jī)器語言

計算機(jī)硬件的基本功能就是執(zhí)行指令，指令

在馮?諾伊曼計算機(jī)中由二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼。

描述完成一個確定任務(wù)的指令序列稱為程序

e計算機(jī)的全部二進(jìn)制機(jī)器指令組成了一種可

供人與計算機(jī)進(jìn)行交流的語言，稱為機(jī)器語

一

馬洪兵，2006年秋28

計算機(jī)系統(tǒng)

匯編語言

?使用機(jī)器語言編寫程序十分困難，于是人們

發(fā)明了用助記符表示指令的方法。助記符形

式的指令的集合組成了匯編語言

?匯編語言的助記符形式的指令必須翻譯成機(jī)

器語言二進(jìn)制指令才能在計算機(jī)上執(zhí)行，實

現(xiàn)這種翻譯的程序稱為匯編器(assembler)

馬洪兵，2006年秋乙

計算機(jī)系統(tǒng)

匯編語言

movax,a

movbx,b

xchgax,bx

mova,ax

movb,bx

10111(XXXX)0000000001000010iil011

00000000002000001000011111000011

101(XX)il(X)0(XXXX)0001000010001001

000111100000000000100000

馬洪兵，2006年秋30

計算機(jī)系統(tǒng)

高級語言

號匯編語言與機(jī)器語言是一一對應(yīng)的，所以開發(fā)

效率仍然十分低下，于是人們發(fā)明了高級程序

設(shè)計語言，如FORTRAN、C等等

?使高級語言程序在只能運行二進(jìn)制機(jī)器指令的

計算機(jī)上運行，有兩種途徑：

一編譯

一解釋

馬洪兵，2006年秋31

計算機(jī)系統(tǒng)

編譯

?將高級語言編寫的程序翻譯成等價的二進(jìn)制

指令序列來代替，計算機(jī)執(zhí)行等價的機(jī)器語

言程序

8實現(xiàn)這種翻譯的程序稱為編譯器(compiler)

馬洪兵，2006年秋32

計算機(jī)系統(tǒng)

編譯swap(inta>intbX

Inttemp;

temp-a;

a■b;

b-temp;

)

lomooooooooooooooiooooioiiioii

OOOOOOOOOOWOOOO1OOOO11111OOOO11

iOiOOOilOOOOOOOOOOOlOOOOlOOOlOOi

000111100000000000100000

馬洪兵，2006年秋33

計算機(jī)系統(tǒng)

解釋

?某程序以高級語言程序作為輸入數(shù)據(jù)，順序

地檢查它的每一條語句，并直接執(zhí)行等價的

機(jī)器語言指令序列，這種方法稱為解釋

?用來解釋高級語言語句的程序稱為解釋器

(interpreter)

馬洪兵，2006年秋34

計算機(jī)性能評價

響應(yīng)時間與吞吐量

?響應(yīng)時間——從提交作業(yè)到完成

作業(yè)所花費的時間

e吞吐量——一定時間間隔內(nèi)完成

的作業(yè)數(shù)

一個人用戶更關(guān)心響應(yīng)時間，企業(yè)

級計算機(jī)的管理人員更關(guān)心吞吐

里

e對于企業(yè)級服務(wù)器以外的應(yīng)用，

響應(yīng)時間是評價計算機(jī)性能的主

要依據(jù)

馬洪兵，2006年秋35

計算機(jī)性能評價

計算機(jī)性能定義

e對計算機(jī)性能進(jìn)行比較時，最基本的標(biāo)準(zhǔn)就是時間

標(biāo)準(zhǔn)——執(zhí)行同樣的程序所需時間最短的計算機(jī)就

是最好的計算機(jī)

1

性能=______________________

執(zhí)行時間

馬洪兵，2006年秋36

計算機(jī)性能評價

CPU執(zhí)行時間

三對于多任務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)該從響應(yīng)時間中去除因為等待I/O

操作而花去的時間和CPU執(zhí)行其他程序所花費的時

間，為此引入CPU執(zhí)行時間的概念

CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)X時鐘周期

_CPU時鐘周期數(shù)

時鐘頻率

CPU時鐘周期數(shù)=程序指令數(shù)X每條指令平均時鐘周期數(shù)

每條指令平均時鐘周期數(shù)---CPI(clockcycleper

instruction)

CPU執(zhí)行時間=指令數(shù)xCPIx時鐘周期

馬洪兵，2006年秋37

計算機(jī)性能評價

CPI

三執(zhí)行不同的指令所需的時鐘周期是不同的，簡

單的指令需要較少的時鐘周期，復(fù)雜的指令需

要較多的時鐘周期

n

CPI=ZCPLxE

i=l

——第i類指令出現(xiàn)的頻度

''CPIj——執(zhí)行第i類指令指令所需的時鐘周期

馬洪兵，2006年秋38

計算機(jī)性能評價

影響計算機(jī)性能的因素

CPU執(zhí)行時間=指令數(shù)XCPIX時鐘周期

三指令數(shù)：取決于指令集體系結(jié)構(gòu)(ISA),與指

令集的具體實現(xiàn)無關(guān)。編譯器也對指令數(shù)有很

大影響

三CPI和時鐘周期：與機(jī)器的實現(xiàn)細(xì)節(jié)密切相關(guān)

馬洪兵，2006年秋39

計算機(jī)性能評價

提高計算機(jī)性能的途徑

CPU執(zhí)行時間=指令數(shù)XCPIX時鐘周期

e可以通過減少公式中任意一項來提高處理器的

性能

9但是，公式中的三項并不是相互獨立的，它們

之間有著復(fù)雜的聯(lián)系，減少三項中的任意一項

都有可能增加其他兩項

馬洪兵，2006年秋40

計算機(jī)性能評價

提高計算機(jī)性能的途徑

?一些技術(shù)可以在保持其他兩項不變的前提下減

少其中的一項：

一采用優(yōu)化編譯技術(shù)，在目標(biāo)代碼中消除冗余代

碼，可以減少指令數(shù)，但是并不影響CPI和時

鐘周期

三采用快速電路技術(shù)或更為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)減少信號

傳輸延遲，可以減少時鐘周期，但是并不影響

CPI和指令數(shù)

馬洪兵，2006年秋41

計算機(jī)性能評價

提高計算機(jī)性能的途徑

8一些技術(shù)可能在減少某一項的同時，增加另一

項或兩項的值

三例如，指令集可以包含更多復(fù)雜的指令，使每

條指令執(zhí)行更多的動作，可以減少指令數(shù)一＞

CISC

三雖然指令數(shù)減少，但是執(zhí)行部件的復(fù)雜性增

力口，從而導(dǎo)致CPI和時鐘周期的增加

8只有在減少項的作用大于增加項的情況下，才

能獲得性能的提高

馬洪兵，2006年秋42

計算機(jī)性能評價

提高計算機(jī)性能的途徑

一減少CPI的愿望激發(fā)了許多體系結(jié)構(gòu)和微體系

結(jié)構(gòu)（即體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)）技術(shù)

,■體系結(jié)構(gòu)方面：采用精簡的指令集，減少每條

指令的復(fù)雜性，從而減少CPI--RISC

…微體系結(jié)構(gòu)方面：同時重疊執(zhí)行多條指令一

流水線技術(shù)、超標(biāo)量技術(shù)

馬洪兵，2006年秋43

計算機(jī)性能評價

性能測量

e公平的性能測量方法是使用一個一致的實際應(yīng)用程序

來評估性能。系統(tǒng)性能評估協(xié)會(SPEC,System

PerformanceEvaluationCooperative)是目前公認(rèn)

的計算機(jī)性能評估機(jī)構(gòu)

eSPEC選擇不同應(yīng)用領(lǐng)域具有代表性的應(yīng)用程序(包括

游戲、編譯器、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、天體物理計算等等)對各

種商業(yè)計算機(jī)進(jìn)行評估，并公布評估結(jié)果

馬洪兵，2006年秋44

計算機(jī)性能評價

性能測量

?SPEC2000基準(zhǔn)程序包含了兩部分：

?CINT2000,用來測量整數(shù)運算

?CFP2000,用來測量浮點數(shù)運算

一SPEC2000參照采用300MHzUltraSPARCHi處

理器的UltraSPARCIO工作站，計算SPEC等級

在參照計算機(jī)上的執(zhí)行時間

SPEC等級=---------------------------

在被測計算機(jī)上的執(zhí)行時間

馬洪兵，2006年秋45

計算機(jī)性能評價

性能測量

。如果某計算機(jī)的SPEC等級=50,則表明該計

算機(jī)的運行速度是UltraSPARCIO工作站的50

倍

8

d

a

k

08

f

0^

y

a

0

Z0

N1

O6

C3

SI

0

500100015002000250030003500

ClockrateinMHz

馬洪兵，2006年秋46

計算機(jī)性能評價

MIPS

…MIPS是MillionsofInstructionPerSecond

的縮寫，用來表示微處理器的性能，意思是每

秒鐘能執(zhí)行多少百萬條指令

指令數(shù)

MIPS=

執(zhí)行時間義106

馬洪兵，2006年秋47

計算機(jī)性能評價

MIPS

今由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，

所以MIPS通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上

不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計平均值

?MIPS是不可靠的性能指標(biāo)：不能用MIPS指標(biāo)來

比較指令集不同的計算機(jī)，因為同一程序在這

些機(jī)器上的指令數(shù)是不同的

馬洪兵，2006年秋48

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

整數(shù)的表示——符號數(shù)的表示

呂把二進(jìn)制數(shù)的最高一位定義為符號位，符號位

為。表示正數(shù)，符號位為1表示負(fù)數(shù)

8這種在計算機(jī)中使用的、連同符號位一起數(shù)值

化了的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實

的數(shù)值，稱為真值

76543210

假設(shè)機(jī)器字長為8位

符號位數(shù)值位

馬洪兵，2006年秋49

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的表示

8對于符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、

反碼和補(bǔ)碼三種。數(shù)X的原碼記作［X］原，反碼

記作［X］反，補(bǔ)碼記作［X］補(bǔ)八

與原碼：最高位表示符號，數(shù)值位用二進(jìn)制絕對

值表示

8反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同。負(fù)數(shù)的原碼符

號位保持不變，其余位取反則得到機(jī)器數(shù)的反

宿表示

Q補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。將負(fù)數(shù)的反碼

加1,則得到機(jī)器數(shù)的補(bǔ)碼表示

馬洪兵，2006年秋50

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的原碼表示

符號符號位

J

真值x=+18=+0010010原碼[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]原=10010010

x=+0=+0000000[X]原=00000000

X=-0=-0000000[X]原=10000000

jn位原碼表示數(shù)值的范圍是-（2〃T-1）?+（2〃T—1）,對應(yīng)的原

碼是111…1?011…1

C。的原碼有兩種形式

馬洪兵，2006年秋51

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的反碼表示

符號符號位

I

真值X=+18=+0010010反碼[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

X=+0=4-0000000[X]反=00000000

X=-0=-0000000[X]反=

jn位反碼表示數(shù)值的范圍是_(2〃T_1)~+(2〃T—1),對應(yīng)的反

碼是111…1?011…1

。的反碼有兩種形式

馬洪兵，2006年秋52

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的補(bǔ)碼表示

符號符號位

I

真值X=+18=+0010010補(bǔ)碼[X]補(bǔ)=00010010

X=-18=-0010010[X]補(bǔ)=11101110

X=+0=4-0000000[X]補(bǔ)=00000000

X=-0=-0000000[X]補(bǔ)=00000000

巴n位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是-2〃7?+（2，T-1）,對應(yīng)的

補(bǔ)碼是100??.0?011...1

e0的補(bǔ)碼只有一種形式

馬洪兵，2006年秋53

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼的表數(shù)范圍

十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制

（字長=8）（字長二16）

+127011111117F+327677FFF

+126011111107E+327667FFE

???????????????

+20000001002+20002

+10000000101+10001

0000000000000000

-111111111FF-1FFFF

-211111110FE-2FFFE

???????????????

-1261000001082-327668002

-1271000000181-327678001

-1281000000080-327688000

叫洪兵，2006年秋54

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運算規(guī)則

[X土Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[±Y]補(bǔ)

其中X,Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運算

模(module)就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以

進(jìn)位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的幕。凡是用器件進(jìn)行

的運算都是有模運算，運算結(jié)果超過模的部分被運算器自動

丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時，X=2n+X(mod2n)

nn

不難驗證，［X］#=2+X(mod2)

因此，

［X土Y］補(bǔ)=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n±Y)

=［X］補(bǔ)+［土Y］補(bǔ)

馬洪兵，2006年秋55

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運算規(guī)則

一設(shè)計算機(jī)字長為8位，X=42,Y=-91,以28

為模，用補(bǔ)碼運算求X+Y和X?Y

【解】

[X]補(bǔ)=00101010,[Y]補(bǔ)=10100101,[-Y]#=01011011

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

=00101010+10100101=11001111(-49)結(jié)果正確

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[?Y]補(bǔ)

=00101010+01011011=10000101(423)結(jié)果錯誤

馬洪兵，2006年秋56

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

8采用補(bǔ)碼，可以將減法用加法實現(xiàn)，省去減法器，簡

化硬件

8先對減數(shù)進(jìn)行求補(bǔ)運算（求反加1,也是加法）

8再將求補(bǔ)后的數(shù)與被減數(shù)相加

?相加的結(jié)果即為用補(bǔ)碼表示的兩數(shù)相減結(jié)果

計算機(jī)中的實現(xiàn)過程

01000100B

-10100101B>01011010

+1

01011011

+01000100

10011111

馬洪兵，2006年秋57

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

無符號數(shù)的表示

?無符號數(shù)的最高位不是符號位而是數(shù)值的一部

分

機(jī)器運算表示符號數(shù)表示無符號數(shù)

10111001[-71]補(bǔ)185

+)00101011+)[43]補(bǔ)+)43

11100100[-28]補(bǔ)228

無符號數(shù)和有符號數(shù)的加減運算可以用同一電路完成

馬洪兵，2006年秋58

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

e進(jìn)位：

3在加法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生進(jìn)位

三在減法過程中，符號位向更高位產(chǎn)生借位

10110101

+10001111

進(jìn)位1111111

01000100

馬洪兵，2006年秋59

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

?溢出——運算結(jié)果超出范圍

?如果

8符號相同的兩數(shù)相加，所得結(jié)果的符號與之相反，結(jié)果

溢出

S符號相異的兩數(shù)相減，所得結(jié)果的符號與減數(shù)相同，結(jié)

果溢出

與其他情況，不會產(chǎn)生溢出

10110101

+10001111

101000100

馬洪兵，2006年秋60

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

8有符號數(shù)運算，出現(xiàn)溢出表示結(jié)果為錯誤的

8無符號數(shù)運算，出現(xiàn)進(jìn)位表示結(jié)果為錯誤的

10110101(181/-75)01000010(66/66)

+10001111(143/-113)+01100011(99/99)

101000100(68/68)10100101(165/-91)

溢出且進(jìn)位，有符號數(shù)、無符溢出無進(jìn)位，有符號數(shù)運算結(jié)果

號數(shù)運算結(jié)果均錯誤錯誤，無符號數(shù)運算結(jié)果正確

01000010(66/66)

+11001101(205051)

100001111(15/15)

進(jìn)位無溢出，無符號數(shù)運算結(jié)果

錯誤，有符號數(shù)運算結(jié)果正確

馬洪兵，2006年秋61

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

浮點數(shù)的表示

*,任意一個二進(jìn)制實數(shù)X都可以表示成如下般

格式:

x=±sX2土J

ft

尾尾階階

符數(shù)符碼

10.01011101x2+5的階碼為+5,表示把尾數(shù)的小數(shù)

點向右移動5位就是小數(shù)點的實際位置

規(guī)格化處理：整數(shù)部分必須是1

馬洪兵，2006年秋62

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

?IEEE754標(biāo)準(zhǔn)——二進(jìn)制浮點運算標(biāo)準(zhǔn)(A

StandardforBinaryFloatingPointArithmetic)

?將階碼以一種偏置形式存放，即將真階碼加上一個常數(shù)

偏置值才是格式階碼，以保證偏置后的格式階碼恒為正

自單精度的階碼偏置值為+127,雙精度的階碼偏置值為

+1023,擴(kuò)展精度的階碼偏置值為+T6383

馬洪兵，2006年秋63

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號偏置階碼有效數(shù)字

+00011...111A00...00

011...101A11...11

??

正數(shù)*

000...011A00...00

+0000...000A00...00

-0100...000A00...00

100...011A00...00

??

負(fù)數(shù)?

111...101A11...11

-00111...111A00...00

單精度數(shù)的范圍：±3.40x1038精度：1.18x10-38

雙精度數(shù)的范圍：±1.8OxlO308精度：2.23x10-308

擴(kuò)展精度數(shù)的范圍：±1.19x1()4932精度：3.36x10-4932

馬洪兵，2006年秋64

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

例.寫出178.125以單精度浮點數(shù)形式存放的機(jī)器數(shù)

解：178.125①產(chǎn)10110010.001(B)

表示成規(guī)格化的浮點數(shù)為1.0110010001x27

???23位有效數(shù)字字段為01100100010000000000000

真階碼為111

偏置階碼為11為111+111=10000110

符號位為0

??.178.125的單精度浮點機(jī)器數(shù)為

01000011001100100010000000000000

表示成十六進(jìn)制為43322000(H)

馬洪兵，2006年秋65

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

十進(jìn)制數(shù)的表示421BCD碼

三壓縮BCD碼：每一位用4位二進(jìn)制表示，

0000?1001表示0~9,一個字節(jié)表示兩位十進(jìn)

制數(shù)

8非壓縮BCD碼：用一個字節(jié)表示一位十進(jìn)制

楚，高4位總是0000,低4位的0000?1001表

示。?9

馬洪兵，2006年秋66

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

三計算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以

處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息

統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)

?非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表

示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過程

馬洪兵，2006年秋67

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

eASCII碼——美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼

ASCII字符表

V

000001010Oil100101110111

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC2fi2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENGNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

1010LFSUB*JZjz

1011VTESC+K[k(

1100FFFS<L\11

1101CRGS-=M1m)

1110SORS.>NTn?

1111SIUS/?0<-oDEL

注：H表示高3位，L表示低4位。

馬洪兵，2006年秋