計(jì)算機(jī)組成原理（本科）全套教學(xué)課件

全套可編輯PPT課件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)運(yùn)算與運(yùn)算器存儲(chǔ)系統(tǒng)指令系統(tǒng)中央處理器總線(xiàn)系統(tǒng)外圍設(shè)備輸入/輸出系統(tǒng)等。目錄concents1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.2計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成1.3計(jì)算機(jī)軟件1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.5計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.6常見(jiàn)問(wèn)題和易混淆知識(shí)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.1（1）第一代計(jì)算機(jī)（1946～1957年）——電子管時(shí)代其特點(diǎn)是：邏輯元件采用電子管；使用機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行編程；主存用延遲線(xiàn)或磁鼓存儲(chǔ)信息，容量極??；體積龐大，成本高；運(yùn)算速度較低，一般只有每秒幾千到幾萬(wàn)次。1.1.1計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展（2）第二代計(jì)算機(jī)（1958～1964年）——晶體管時(shí)代。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用晶體管；運(yùn)算速度提高到每秒幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)次；主存使用磁芯存儲(chǔ)器；軟件開(kāi)始使用高級(jí)語(yǔ)言（如FORTRAN），有了操作系統(tǒng)的雛形。（3）第三代計(jì)算機(jī)（1965～1971年）——中小規(guī)模集成電路時(shí)代。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用中小規(guī)模集成電路；半導(dǎo)體存儲(chǔ)器開(kāi)始取代磁芯存儲(chǔ)器；高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)迅速發(fā)展，開(kāi)始有了分時(shí)操作系統(tǒng)。（4）第四代計(jì)算機(jī)（1972至今）——超大規(guī)模集成電路時(shí)代。其特點(diǎn)是：邏輯元件采用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，并產(chǎn)生了微處理器；半導(dǎo)體存儲(chǔ)器完全取代了磁芯存儲(chǔ)器，并不斷向大容量、高速度發(fā)展，高速緩存、虛擬存儲(chǔ)器等技術(shù)相繼出現(xiàn)，進(jìn)一步提高了存儲(chǔ)器的性能；伴隨著流水線(xiàn)、多處理器等并行技術(shù)的采用，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度已飛速提升。1.1.2計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展面向機(jī)器的機(jī)器語(yǔ)言面向匯編語(yǔ)言、面向問(wèn)題的高級(jí)語(yǔ)言其中高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展真正促進(jìn)了軟件的發(fā)展。高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展又經(jīng)歷了幾個(gè)階段：第一階段代表語(yǔ)言是適用于科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算的FORTRAN語(yǔ)言第二階段結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)階段，其代表語(yǔ)言是PASCAL第三階段面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)階段，其代表語(yǔ)言是C++近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言JAVA等。與此同時(shí)，直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提升的各種系統(tǒng)軟件也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是操作系統(tǒng)，如Windows，Linux，UNIX等。計(jì)算機(jī)硬件的基本構(gòu)成1.21.2.1早期的馮·諾依曼機(jī)1946年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家約翰·馮·諾依曼（JohnvonNeumann）在研究EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）時(shí)提出了“存儲(chǔ)程序”的概念，“存儲(chǔ)程序”的思想奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，以此概念為基礎(chǔ)的各類(lèi)計(jì)算機(jī)通稱(chēng)為馮·諾依曼機(jī)。其特點(diǎn)如下：（1）計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部件組成。（2）指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪(fǎng)。（3）指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制代碼表示。（4）指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。（5）指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常是順序執(zhí)行，特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。（6）早期的馮·諾依曼機(jī)以運(yùn)算器為中心，輸入/輸出設(shè)備通過(guò)運(yùn)算器與存儲(chǔ)器傳送數(shù)據(jù)。典型的馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示。1.2.2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展為以存儲(chǔ)器為中心，使輸入/輸出操作盡可能繞過(guò)CPU，直接在輸入/輸出設(shè)備和存儲(chǔ)器之間完成，以提高系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率，其結(jié)構(gòu)如圖所示。目前絕大多數(shù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仍遵循馮·諾依曼的“存儲(chǔ)程序”設(shè)計(jì)思想。據(jù)此，計(jì)算機(jī)硬件均由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備及將它們連接為有機(jī)整體的總線(xiàn)構(gòu)成。運(yùn)算器的功能是在控制器的指揮下，對(duì)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算（包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算），因此通常稱(chēng)其為算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ArithmeticandLogicalUnit，ALU）。運(yùn)算器中還應(yīng)有存放操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果的寄存器，包括移位寄存器和若干通用寄存器等。01運(yùn)算器010203暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和某些中間運(yùn)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算挑選參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)，選中要執(zhí)行的運(yùn)算功能，并把運(yùn)算結(jié)果輸出到所要求的部件中運(yùn)算器的功能可以歸納為以下幾點(diǎn)：控制器是計(jì)算機(jī)的控制中心，用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身運(yùn)算過(guò)程的自動(dòng)化。它指揮計(jì)算機(jī)各部件按照指令功能的要求進(jìn)行所需要的操作。控制器從存儲(chǔ)器中取出指令，解釋指令的操作碼和地址碼，并根據(jù)譯碼，產(chǎn)生一系列的控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并控制程序的執(zhí)行順序。因此，控制器的主要工作是不斷地取指令、分析指令和執(zhí)行指令。02控制器運(yùn)算器和控制器在結(jié)構(gòu)關(guān)系上是非常密切的，它們之間有大量的信息頻繁交換。在第三代計(jì)算機(jī)中，還可以從結(jié)構(gòu)上分清楚哪個(gè)是運(yùn)算器，哪個(gè)是控制器；到了第四代計(jì)算機(jī)，隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，將運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上，這樣的集成電路芯片稱(chēng)為中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件，是計(jì)算機(jī)各種信息存放和交流的中心。它的基本功能是在控制器的控制下按照指定的地址存入或取出信息。03存儲(chǔ)器早期的計(jì)算機(jī)只有主存，而現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常采用三級(jí)存儲(chǔ)體系，如圖所示。CPU能按存儲(chǔ)單元地址直接訪(fǎng)問(wèn)主存（內(nèi)

存）；增加高速緩存（Cache）的目的是為了提

高速度，解決CPU與主存之間速度不匹配

的矛盾；增加輔存（外存）的目的是彌補(bǔ)主存容量

的不足。CPUCache主存（內(nèi)存）輔存（外存）（1）主存（內(nèi)存）由CPU直接訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器，它存放著正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，也可以存儲(chǔ)計(jì)算的結(jié)果或中間結(jié)果。由于主存直接與運(yùn)算器、控制器交換信息，因此要求其存取速度快，但存儲(chǔ)容量較小。目前，計(jì)算機(jī)的主存都采用大規(guī)模集成電路制成的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)密度大、體積小、重量輕、存取速度快等優(yōu)點(diǎn)。主存通常由隨機(jī)存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）和只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，ROM）組成，并通常稱(chēng)為主存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元包含若干個(gè)存儲(chǔ)元件，每個(gè)存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼0或1。故而存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)一串二進(jìn)制代碼，稱(chēng)這串代碼為存儲(chǔ)字，這串代碼的位數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)字長(zhǎng)，存儲(chǔ)字長(zhǎng)可以是一個(gè)字節(jié)（8bit）或字節(jié)的偶數(shù)倍。每個(gè)存儲(chǔ)單元有一個(gè)唯一的編號(hào)，這個(gè)編號(hào)稱(chēng)為該存儲(chǔ)單元的地址，可以用地址唯一地訪(fǎng)問(wèn)到一個(gè)存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖所示。（2）高速緩存（Cache）存取速度比主存快，但比CPU內(nèi)部的寄存器慢。Cache的容量較小，且常被置于CPU與主存之間。Cache在任何時(shí)候都只是主存中一部分內(nèi)容的拷貝。當(dāng)CPU要存取主存中的某個(gè)信息時(shí)，CPU首先檢查Cache，如果其有該信息，就立即存取它；如果沒(méi)有，就從主存中將包含該信息的一個(gè)數(shù)據(jù)塊拷貝到Cache中，再訪(fǎng)問(wèn)Cache讀寫(xiě)該信息。由于計(jì)算機(jī)中的指令大部分是順序執(zhí)行的（除轉(zhuǎn)移指令外），很多數(shù)據(jù)也是順序存放和處理的（如數(shù)組），因此CPU下次要訪(fǎng)問(wèn)的信息很有可能就是該信息的后續(xù)字，這種情況下，CPU訪(fǎng)問(wèn)Cache即可，提高了處理速度。（3）輔存（外存）是主機(jī)的外圍設(shè)備，用來(lái)存儲(chǔ)大量的暫時(shí)不參加運(yùn)算或處理的數(shù)據(jù)和程序，因而允許存取速度較慢，一旦需要，可成批地與主存交換信息。它是主存的后備和補(bǔ)充，因此稱(chēng)為“輔助存儲(chǔ)器”，如磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器等。輔存的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大、可靠性高、價(jià)格低，在脫機(jī)情況下可以永久地保存信息。輸入/輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)與外界聯(lián)系的重要橋梁，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)不可或缺的組成部分。04輸入/輸出設(shè)備（1）輸入設(shè)備作用是將程序和數(shù)據(jù)以計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的形式輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。常見(jiàn)的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像機(jī)等。它們多是電子和機(jī)電混合的裝置，速度較慢，因此，一般通過(guò)接口與CPU、存儲(chǔ)器相連接。（2）輸出設(shè)備作用是將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果以人們所能接受或其他系統(tǒng)所要求的形式進(jìn)行輸出，如打印到紙上。常見(jiàn)的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。輸出設(shè)備也多為機(jī)電裝置，也需通過(guò)接口與CPU、存儲(chǔ)器連接。從數(shù)據(jù)輸入輸出的角度看，磁盤(pán)機(jī)（硬盤(pán)）和磁帶機(jī)也可以看作輸入/輸出設(shè)備。當(dāng)從磁盤(pán)或磁帶讀取文件時(shí)，它們是輸入設(shè)備，當(dāng)向磁盤(pán)或磁帶保存文件時(shí)，它們是輸出設(shè)備?？偩€(xiàn)是一組可為多個(gè)功能部件共享的公共信息傳送線(xiàn)路。它將上述各大部件連接成一個(gè)有機(jī)整體，如圖所示。總線(xiàn)規(guī)定了計(jì)算機(jī)組件間交換數(shù)據(jù)的規(guī)范化方式，以一種通用的方式為各組件提供數(shù)據(jù)傳送和控制邏輯?？偩€(xiàn)能分時(shí)接收各部件送來(lái)的信息，并發(fā)送信息到各有關(guān)部件中。03總線(xiàn)地址總線(xiàn)是單向的，CPU用它來(lái)傳送主存單元地址或輸入/輸出端口地址。數(shù)據(jù)總線(xiàn)主要用于傳送各大部件之間的數(shù)據(jù)信息，如數(shù)字、命令字、狀態(tài)字等?？刂瓶偩€(xiàn)主要用于傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)，這些信號(hào)用來(lái)指示數(shù)據(jù)是要讀出還是寫(xiě)入CPU，CPU是要訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器還是輸入/輸出設(shè)備，輸入/輸出設(shè)備或存儲(chǔ)器是否已就緒等。計(jì)算機(jī)軟件1.3計(jì)算機(jī)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，它將各種計(jì)算機(jī)的指令組合起來(lái)，使計(jì)算機(jī)硬件部分能正常工作并完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。通常把一個(gè)完整的程序及相應(yīng)的文檔稱(chēng)為軟件。1.3.1計(jì)算機(jī)軟件的分類(lèi)系統(tǒng)軟件是一組保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效、正確運(yùn)行的基礎(chǔ)軟件，通常作為系統(tǒng)資源提供給用戶(hù)使用。主要包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、分布式軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)、各種服務(wù)程序等。應(yīng)用軟件是指用戶(hù)為解決某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的問(wèn)題而編制的程序。包括各種科學(xué)計(jì)算類(lèi)軟件、工程設(shè)計(jì)類(lèi)軟件、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理軟件、情報(bào)檢索軟件、企業(yè)管理軟件、生產(chǎn)過(guò)程控制軟件、文字處理軟件、表格處理軟件、圖形處理軟件等。1.3.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言是一種二進(jìn)制語(yǔ)言，是用二進(jìn)制代碼來(lái)描述機(jī)器指令的。用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序具有充分發(fā)揮硬件功能的特點(diǎn)，機(jī)器語(yǔ)言又是計(jì)算機(jī)唯一能直接識(shí)別、直接執(zhí)行的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，所以程序的運(yùn)行速度很快。但是用機(jī)器語(yǔ)言所編寫(xiě)的程序很不直觀，難懂、難寫(xiě)、難記，也難以修改和維護(hù)。01機(jī)器語(yǔ)言同時(shí)，機(jī)器語(yǔ)言是每種計(jì)算機(jī)所固有的，不同類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，其指令系統(tǒng)和指令格式都不一樣。因此，針對(duì)某一種型號(hào)的計(jì)算機(jī)所編寫(xiě)的程序就不能在另一種型號(hào)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，即機(jī)器語(yǔ)言程序沒(méi)有通用性。用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序有很多困難，為了便于人們使用計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)50年代初出現(xiàn)了匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言基本上是一一對(duì)應(yīng)的，但在表示方法上有了根本性的改進(jìn)，它用一種助記符來(lái)代替操作碼，用符號(hào)來(lái)表示操作數(shù)地址（地址碼），這些助記符通常使用指令功能英文單詞的縮寫(xiě)，以便于記憶。例如，用ADD表示加法，用MOV表示傳送等。02匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言比較直觀、易懂、易用、易記憶，特點(diǎn)是與特定的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)及其指令系統(tǒng)密切相關(guān)，其助記符與其機(jī)器語(yǔ)言操作碼是一一對(duì)應(yīng)的。不同型號(hào)CPU的計(jì)算機(jī)，針對(duì)同一問(wèn)題所編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言程序往往是互不通用的。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序質(zhì)量高，執(zhí)行速度快，占用主存空間少，因此常用于編寫(xiě)系統(tǒng)軟件、實(shí)時(shí)控制程序、經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序和用于直接控制計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備或端口數(shù)據(jù)輸入輸出程序等。匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言一樣，也是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，通用性差，使用仍不方便。機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言一般都稱(chēng)為低級(jí)語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言、JAVA語(yǔ)言等）是為了使程序語(yǔ)言能更貼近人類(lèi)的自然語(yǔ)言，同時(shí)又不依賴(lài)于計(jì)算機(jī)硬件而產(chǎn)生的。用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序是由一系列的語(yǔ)句（或函數(shù)）組成的。每一條語(yǔ)句常?？梢詫?duì)應(yīng)幾條、十幾條，甚至幾十條、上百條機(jī)器指令，因此用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序大大提高了編程效率。03高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是一種電子設(shè)備，而是一個(gè)十分復(fù)雜的軟、硬件結(jié)合而成的整體。因此，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，如圖所示。其目的是分清各級(jí)層次結(jié)構(gòu)彼此之間的界面，明確各自的功能，以便構(gòu)成合理、高效的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。第0級(jí)硬件操作時(shí)序，實(shí)際的硬件層，是硬件組成的實(shí)體。第1級(jí)微程序機(jī)器層，實(shí)際的硬件層，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。第2級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言層，實(shí)際的硬件層，由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)。第3級(jí)操作系統(tǒng)層，由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。操作系統(tǒng)程序是由機(jī)器指令和廣義指令組成的。其中，廣義指令是為擴(kuò)展機(jī)器功能而設(shè)置的，是由操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。這一層也稱(chēng)為混合層。第5級(jí)高級(jí)語(yǔ)言層，高級(jí)語(yǔ)言層為方便用戶(hù)編寫(xiě)各類(lèi)應(yīng)用程序而設(shè)置。它是面向用戶(hù)的。該層由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持和執(zhí)行。第4級(jí)匯編語(yǔ)言層，匯編語(yǔ)言是一種符號(hào)形式語(yǔ)言，用戶(hù)可通過(guò)它編寫(xiě)匯編語(yǔ)言源程序。這一層由匯編程序支持和執(zhí)行。第6級(jí)應(yīng)用語(yǔ)言層，應(yīng)用語(yǔ)言層是直接面向某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，為方便用戶(hù)編寫(xiě)該應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用程序而設(shè)置的。由相應(yīng)的應(yīng)用軟件包支持和執(zhí)行。在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中，第0，1，2級(jí)是實(shí)機(jī)器，上面幾層均為虛機(jī)器（虛擬機(jī)）。傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言層和操作系統(tǒng)層是虛、實(shí)機(jī)器的分界面。軟、硬件功能的分配，決定了虛、實(shí)機(jī)器的界面。利用多級(jí)層次結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，可以在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，明確硬件和軟件及在虛機(jī)器中各層次應(yīng)完成的功能。計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)1.5CPU的工作節(jié)拍是由時(shí)鐘來(lái)控制的，時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘脈沖，這個(gè)時(shí)鐘的頻率（f）就是CPU的主頻。通常用一秒鐘內(nèi)發(fā)出的電子脈沖數(shù)來(lái)表示，常用單位是兆赫茲（MHz）、吉赫茲（GHz）。01主頻CPU時(shí)鐘周期（T）是主頻的倒數(shù)，即T=1/f，常用單位是μs，ns。02CPU時(shí)鐘周期CPI是執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)，計(jì)算公式如下：CPI=執(zhí)行某段程序所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)÷程序包含的指令條數(shù)

（1-1）03CPICPU執(zhí)行時(shí)間（TCPU）是運(yùn)行一個(gè)程序所花費(fèi)的時(shí)間，計(jì)算公式如下：TCPU=IN×CPI×T

（1-2）其中：IN為執(zhí)行程序中指令的總數(shù)CPI為執(zhí)行每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)T為時(shí)鐘周期04CPU執(zhí)行時(shí)間運(yùn)算速度可以用每秒鐘執(zhí)行多少條指令或完成多少次浮點(diǎn)運(yùn)算來(lái)表示，可以用MIPS或MFLOPS度量。MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）：CPU每秒鐘平均執(zhí)行的定點(diǎn)指令條數(shù)（百萬(wàn)條），計(jì)算公式如下：MIPS=IN/(TCPU×106)=IN/(IN×CPI×T×106)=f/(CPI×106)（1-3）其中：IN為執(zhí)行該程序的總指令數(shù)TCPU為執(zhí)行該程序的總時(shí)間T為CPU時(shí)鐘周期，f為主頻（f=1/T）05運(yùn)算速度MFLOPS（百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒）：CPU每秒鐘平均執(zhí)行的浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（百萬(wàn)次），計(jì)算公式如下：MFLOPS=IFN/(TCPU×106)（1-4）其中：IFN為程序中浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)TCPU為執(zhí)行該程序的總時(shí)間MIPS和MFLOPS分別反映了計(jì)算機(jī)的定點(diǎn)運(yùn)算能力和浮點(diǎn)運(yùn)算能力?；咀珠L(zhǎng)是直接參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)字的二進(jìn)制位數(shù)。決定了寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線(xiàn)等的位數(shù)，直接影響著硬件的造價(jià)。字長(zhǎng)標(biāo)志著運(yùn)算精度，位數(shù)越多，精度越高。一般機(jī)器的字長(zhǎng)都是字節(jié)的1，2，4，8倍，即微型計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為8位、16位、32位和64位。例如，286機(jī)為16位機(jī)，386以上的機(jī)型是32位機(jī)，Intel公司推出的安騰（Itanium）機(jī)是64位機(jī)。06基本字長(zhǎng)07存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量是計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)信息的總字節(jié)量，主存中能存儲(chǔ)的信息總字節(jié)數(shù)稱(chēng)為主存容量（也可用所存儲(chǔ)的二進(jìn)制位的總數(shù)表示存儲(chǔ)容量）。字節(jié)（Byte，簡(jiǎn)寫(xiě)為B）是作為一個(gè)單位來(lái)處理一串二進(jìn)制的數(shù)位，通常以8個(gè)二進(jìn)制位（bit）作為一個(gè)字節(jié)。每1024個(gè)字節(jié)稱(chēng)為1K字節(jié)（1KB）。存儲(chǔ)容量的單位還有MB（兆字節(jié)）、GB（吉字節(jié)）和TB（太字節(jié)）等。它們之間的關(guān)系是：1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B，1GB=1024MB=230B，1TB=1024GB=240B。08主存存取周期主存存取周期是連續(xù)兩次訪(fǎng)問(wèn)主存所允許的最小時(shí)間間隔。微型機(jī)的主存目前都由大規(guī)模集成電路制成，其存取周期很短，約為幾十納秒（ns）到一百納秒左右。衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)很多，除上面列舉的主要指標(biāo)外，還應(yīng)考慮機(jī)器的兼容性（包括數(shù)據(jù)和文件的兼容、程序兼容、系統(tǒng)兼容和設(shè)備兼容），系統(tǒng)的可靠性（平均無(wú)故障工作時(shí)間），系統(tǒng)的可維護(hù)性（平均修復(fù)時(shí)間），機(jī)器允許配置的外圍設(shè)備的最大數(shù)目，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的漢字處理能力，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)性能等。例1-1用一臺(tái)40MHz的處理器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它所包含的各類(lèi)型指令所占比例及CPI數(shù)如表所示。求有效的CPI和MIPS速率。指令類(lèi)型CPI指令所占比例算術(shù)和邏輯160%高速緩存命中的訪(fǎng)存218%轉(zhuǎn)移412%高速緩存失效的訪(fǎng)存810%解CPI是執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)。本標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序共包含4種指令，那么CPI就是這4種指令的數(shù)學(xué)期望。即：CPI=1×60%+2×18%+4×12%+8×10%=2.24（周期/指令）MIPS即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令數(shù)。已知處理器時(shí)鐘頻率為40MHz，即每秒包含40M個(gè)時(shí)鐘周期，故：MIPS=f/(CPI×106)=40/CPI=40/2.24=17.9（百萬(wàn)條指令/秒）例1-2某臺(tái)計(jì)算機(jī)只有Load/Store指令能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀、寫(xiě)操作，其他指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作。根據(jù)程序追蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已知每條指令所占的比例及CPI數(shù)如表所示。求上述情況的平均CPI。指令類(lèi)型CPI指令所占比例算術(shù)邏輯指令143%Load指令221%Store指令212%轉(zhuǎn)移指令224%解本處理機(jī)共包含4種指令，那么CPI就是這4種指令的數(shù)學(xué)期望。即：CPI=1×43%+2×21%+2×12%+2×24%=1.57（周期/指令）例1-3計(jì)算機(jī)A和B是采用不同主頻的CPU芯片，片內(nèi)邏輯電路完全相同。若A機(jī)的CPU主頻為8MHz，B機(jī)為12MHz，則A機(jī)的CPU時(shí)鐘周期為多少？若A機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為0.4MIPS，那么A機(jī)的平均指令周期為多少？B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少？（1）（3）（2）解（1）A機(jī)的CPU主頻為8MHz，所以A機(jī)的CPU時(shí)鐘周期T=1/(8MHz)=0.125μs。（2）A機(jī)的平均指令周期=1/(0.4MIPS)=2.5μs。（3）A機(jī)平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)=(2.5μs)/(0.125μs)=20。因A機(jī)和B機(jī)的片內(nèi)邏輯電路完全相同，所以B機(jī)平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)也為20。由于B機(jī)的CPU主頻為12MHz，所以，B機(jī)的CPU時(shí)鐘周期=1/(12MHz)=1/12μs。B機(jī)的平均指令周期=20×(1/12μs)=5/3μs。B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度=1/(5/3μs)=0.6MIPS。常見(jiàn)問(wèn)題和易混淆知識(shí)點(diǎn)1.6翻譯程序是指把高級(jí)語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序（目標(biāo)代碼）的軟件。01翻譯程序、匯編程序、編譯程序、解釋程序的區(qū)別和聯(lián)系編譯程序解釋程序?qū)⒏呒?jí)語(yǔ)言源程序一次全部翻譯成目標(biāo)程序，每次執(zhí)行程序時(shí)，只執(zhí)行目標(biāo)程序，因此，只要源程序不變，就無(wú)須重新翻譯將源程序的一條語(yǔ)句翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器目標(biāo)代碼，并立即執(zhí)行，然后翻譯下一條源程序語(yǔ)句并執(zhí)行，直至所有源程序語(yǔ)句全部被翻譯并執(zhí)行完翻譯程序有兩種：匯編程序也是一種語(yǔ)言翻譯程序，它將匯編語(yǔ)言源程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言程序。匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，是機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)表示，與機(jī)器語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)。編譯程序與匯編程序的區(qū)別：如果源語(yǔ)言是諸如C，C++，JAVA等高級(jí)語(yǔ)言，而目標(biāo)語(yǔ)言是諸如匯編語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言之類(lèi)的低級(jí)語(yǔ)言，這樣的一個(gè)翻譯程序稱(chēng)為編譯程序。如果源語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言，而目標(biāo)語(yǔ)言是機(jī)器語(yǔ)言，這樣的一個(gè)翻譯程序稱(chēng)為匯編程序。02計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成的區(qū)別和聯(lián)系計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言程序員所看得到的傳統(tǒng)機(jī)器的屬性，包括指令集、數(shù)據(jù)類(lèi)型、存儲(chǔ)器尋址技術(shù)等，大都屬于抽象的屬性。計(jì)算機(jī)組成是指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含許多對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的硬件細(xì)節(jié)。許多計(jì)算機(jī)廠(chǎng)商提供一系列體系結(jié)構(gòu)相同的計(jì)算機(jī)，而它們的組成卻有相當(dāng)大的差別，即使是同一系列的不同型號(hào)機(jī)器，其性能和價(jià)格也有很大差異計(jì)算機(jī)的硬件包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備和總線(xiàn)。隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，將運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上，這樣的集成電路芯片稱(chēng)為中央處理器（CPU）計(jì)算機(jī)軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由硬件、軟件組成的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)包括主頻、CPU時(shí)鐘周期、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間、運(yùn)算速度、基本字長(zhǎng)、主存容量和主存存取周期等本章主要介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)重點(diǎn)掌握以上內(nèi)容。目錄concents2.1數(shù)制與編碼2.2定點(diǎn)數(shù)的表示2.3浮點(diǎn)數(shù)的表示2.4常見(jiàn)問(wèn)題和易混淆知識(shí)點(diǎn)數(shù)制與編碼2.1計(jì)算機(jī)的基本功能是對(duì)信息進(jìn)行加工處理。信息包括數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖形和圖像等。數(shù)據(jù)有兩類(lèi)，一類(lèi)是數(shù)值數(shù)據(jù)，如+123，?12.3，26等，有“量”的概念；另一類(lèi)是非數(shù)值數(shù)據(jù)，如各種字母和符號(hào)，又稱(chēng)符號(hào)數(shù)據(jù)。無(wú)論是數(shù)值數(shù)據(jù)還是非數(shù)值數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中都是用二進(jìn)制數(shù)碼表示的。而文字、聲音、圖形和圖像等信息要在計(jì)算機(jī)中處理，都要事先數(shù)字化，即把聲音、圖形、圖像等信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)碼。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，各種信息都必須采用數(shù)字化編碼的形式才能傳送、存儲(chǔ)和處理加工。所謂編碼，是用來(lái)將信息從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的符號(hào)系統(tǒng)，通常選用少量最簡(jiǎn)單的基本符號(hào)和一定的組合規(guī)則，以表示出大量復(fù)雜多樣的信息。信息的數(shù)字化編碼，是指用二進(jìn)制數(shù)碼（0或1），并選用一定的組合規(guī)則，來(lái)表示數(shù)據(jù)、文字、聲音、圖形和圖像等各種復(fù)雜的信息。2.1.1常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換進(jìn)位計(jì)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。01進(jìn)位計(jì)數(shù)制按照進(jìn)位計(jì)數(shù)制的方法表示數(shù)，不同的數(shù)制均涉及兩個(gè)基本概念：基數(shù)和權(quán)?；鶖?shù)進(jìn)位計(jì)數(shù)制中所具有的數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)。權(quán)每位數(shù)字的值等于數(shù)字乘以所在位數(shù)的相關(guān)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是權(quán)。任意一個(gè)r進(jìn)制數(shù)N，設(shè)整數(shù)部分為n位，小數(shù)部分為m位，則N代表的實(shí)際值可表示為：

其中，Di是位序號(hào)為i的位上的數(shù)字符號(hào)。（2-1）其中高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展真正促進(jìn)了軟件的發(fā)展。高級(jí)語(yǔ)言的發(fā)展又經(jīng)歷了幾個(gè)階段：第一階段代表語(yǔ)言是適用于科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算的FORTRAN語(yǔ)言第二階段結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)階段，其代表語(yǔ)言是PASCAL第三階段面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)階段，其代表語(yǔ)言是C++近年來(lái)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)了可適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言JAVA等。與此同時(shí)，直接影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能提升的各種系統(tǒng)軟件也有了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是操作系統(tǒng)，如Windows，Linux，UNIX等。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，用于表示數(shù)值的進(jìn)位計(jì)數(shù)制主要有4種：（1）十進(jìn)制（Decimal，用D表示，可省略）有10個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9），低位向高位進(jìn)位的規(guī)律是“逢十進(jìn)一”。例如：879=8×102+7×101+9×100其中，10稱(chēng)為十進(jìn)制的基數(shù)，102，101，100稱(chēng)為各數(shù)位的權(quán)。（2）二進(jìn)制（Binary，用B表示）有2個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)（0和1），其進(jìn)位規(guī)律是“逢二進(jìn)一”。例如：1101.1011B=(1101.1011)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2?1+0×2?2+1×2?3+1×2?4其中，2稱(chēng)為二進(jìn)制的基數(shù)，23，22，21，20，2?1，2?2，2?3，2?4稱(chēng)為各數(shù)位的權(quán)。（3）八進(jìn)制（Octal，用O表示）有8個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)（0，1，2，3，4，5，6，7），其進(jìn)位規(guī)律是“逢八進(jìn)一”。例如：678O=(678)8=6×82+7×81+8×80其中，8稱(chēng)為八進(jìn)制的基數(shù)，82，81，80稱(chēng)為各數(shù)位的權(quán)。（4）十六進(jìn)制（Hexadecimal，用H表示）有16個(gè)不同的數(shù)字符號(hào)（0～9，A～F），其進(jìn)位規(guī)律是“逢十六進(jìn)一”。例如：2AB.1CH=(2AB.1C)16=2×162+A×161+B×160+1×16?1+C×16?2其中，16稱(chēng)為十六進(jìn)制的基數(shù)，162，161，160，16?1，16?2稱(chēng)為各數(shù)位的權(quán)。（1）其他進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。方法是：將其他進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開(kāi)，然后各項(xiàng)相加，就得到相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。02常用進(jìn)位計(jì)數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換例2-1將二進(jìn)制數(shù)10110.101轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。按權(quán)展開(kāi)(10110.101)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+1×2?1+0×2?2+1×2?3 =16+0+4+2+0+0.5+0+0.125 =(22.625)10例2-2將八進(jìn)制數(shù)654.23轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。按權(quán)展開(kāi)(654.23)8=6×82+5×81+4×80+2×8?1+3×8?2

=384+40+4+0.25+0.046875 =(428.296875)10例2-3將十六進(jìn)制數(shù)3A6E.5轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。按權(quán)展開(kāi)(3A6E.5)16=3×163+10×162+6×161+14×160+5×16?1 =12288+2560+96+14+0.3125 =(14958.3125)10（2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換采用“除2取余法”，即整數(shù)部分不斷除以2，并記下每次所得余數(shù)，所有余數(shù)按倒序排列即為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換則采用“乘2取整法”，并將所得整數(shù)按順序排列。4322222211052120取余數(shù)整數(shù)部分110101小數(shù)部分取整數(shù)0.625×2=1.25

10.25×2=0.5 00.5×2=1

1例2-4將十進(jìn)制數(shù)43.625轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。將43.625的整數(shù)部分和小數(shù)部分分開(kāi)做如下處理，所以，(43.625)10=(101011.101)2。（3）二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)它們之間存在特殊的關(guān)系：81=23，161=24，即1位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于3位二進(jìn)制數(shù)，1位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于4位二進(jìn)制數(shù)，對(duì)照下表進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制00001111210223113341004451015561106671117781000108十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制9100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F1610000201017100012111①二進(jìn)制與八進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換。以小數(shù)點(diǎn)為中心，整數(shù)部分自右向左，每3位為1組，最后1組不滿(mǎn)3位時(shí)高位補(bǔ)0；小數(shù)部分自左向右，每3位為1組，最后1組不滿(mǎn)3位時(shí)低位補(bǔ)0，將每組二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)即可。相反，八進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制時(shí)，將1位的八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成3位的二進(jìn)制數(shù)即可。例2-5將二進(jìn)制數(shù)10101011.110101轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)。(010

101

011.110

101)2

（整數(shù)高位補(bǔ)0）

所以，(010101011.110101)2=(253.65)8。253.65

例2-6將八進(jìn)制數(shù)162.52轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。

(162.52)8

所以，(162.52)8=(1110010.10101)2。001

110

010.101

010②二進(jìn)制與十六進(jìn)制的相互轉(zhuǎn)換。以小數(shù)點(diǎn)為中心，整數(shù)部分自右向左，每4位為1組，最后1組不滿(mǎn)4位時(shí)高位補(bǔ)0；小數(shù)部分自左向右，每4位為1組，最后1組不滿(mǎn)4位時(shí)低位補(bǔ)0，將每組二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)即可。相反，十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制時(shí)，將1位的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成4位的二進(jìn)制數(shù)即可。例2-7將二進(jìn)制數(shù)10101011.110101轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。(1010

1011.1101

0100)2（小數(shù)低位補(bǔ)0）所以，(10101011.110101)2=(AB.D4)16。AB.D4例2-8將十六進(jìn)制數(shù)A6.3C轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。

(A6.3C)16所以，(A6.3C)16=(10100110.001111)2。1010

0110.0011

11002.1.2BCD碼為了使計(jì)算機(jī)能識(shí)別和存儲(chǔ)十進(jìn)制數(shù)，并能直接用十進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行運(yùn)算，需要對(duì)十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼，即用0和1的不同組合形式來(lái)表示十進(jìn)制數(shù)的各個(gè)數(shù)位上的數(shù)字，進(jìn)而表示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。將十進(jìn)制數(shù)表示為二進(jìn)制編碼的形式，稱(chēng)為十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼，簡(jiǎn)稱(chēng)二－十進(jìn)制編碼或BCD（BinaryCodedDecimal）碼。BCD碼有多種編碼方法，常用的有8421碼，如表所示。8421碼是將十進(jìn)制數(shù)碼0～9中的每個(gè)數(shù)分別用4位二進(jìn)制編碼表示，比較直觀。十進(jìn)制數(shù)8421碼00000100012001030011401005010160110701118100091001十進(jìn)制數(shù)8421碼10000100001100010001120001001013000100111400010100150001010116000101101700010111180001100019000110012.1.3字符與字符串由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部只能識(shí)別和處理二進(jìn)制代碼，所以字符都必須按照一定的規(guī)則用一組二進(jìn)制編碼來(lái)表示。字符編碼采用國(guó)際通用的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII），每個(gè)ASCII碼以1個(gè)字節(jié)（Byte）存儲(chǔ)，從數(shù)字0到數(shù)字127代表不同的常用字符。01ASCII碼常用字符與ASCII碼值對(duì)照關(guān)系如表所示。碼值字符0NUL1SOH2STX3ETX4EOT5ENQ6ACK7BEL8BS9HT碼值字符10LF11VT12FF13CR14SO15SI16DLE17DC118DC219DC3碼值字符20DC421NAK22SYN23ETB24CAN25EM26SUB27ESC28FS29GS碼值字符30RS31US32SP33！34"35#36$37%38&39'碼值字符40(41)42*43+44,45-46.47/480491碼值字符50251352453554655756857958:59;碼值字符60<61=62>63?64@65A66B67C68D69E碼值字符70F71G72H73I74J75K76L77M78N79O碼值字符80P81Q82R83S84T85U86V87W88X89Y碼值字符90Z91[92\93]94＾95_96`97a98b99c碼值字符100d101e102f103g104h105i106j107k108l109m碼值字符110n111o112p113q114r115s116t117u118v119w碼值字符120x121y122z123{124|125}126~127DEL字符串是指連續(xù)的一串字符，通常情況下，占用主存中連續(xù)的多個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一個(gè)字符。主存字（主存單元）由2個(gè)或4個(gè)字節(jié)組成時(shí)，在同一個(gè)主存字中，既可按先存儲(chǔ)低位字節(jié)、后存儲(chǔ)高位字節(jié)的順序存放字符串的內(nèi)容（又稱(chēng)小端模式），也可按先存儲(chǔ)高位字節(jié)、后存儲(chǔ)低位字節(jié)的順序存放字符串的內(nèi)容（又稱(chēng)大端模式）。這兩種存放方式都是常用方式，不同計(jì)算機(jī)可以選用其中任何一種（甚至是同時(shí)采用）。02字符串的存放例如，字符串“IF_A>B_THEN_READ(C)_”（其中“_”代表空格），它從高位字節(jié)到低位字節(jié)依次存放在主存中，如圖所示。IF空A>B空THEN空READ(C)空其中主存字長(zhǎng)度為4個(gè)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)中存放相應(yīng)字符的ASCII碼值，注意空格“_”也占一個(gè)字節(jié)的位置。因此，每個(gè)字節(jié)分別存放十進(jìn)制的73，70，32，65，62，66，32，84，72，69，78，32，82，69，65，68，40，67，41，32。2.1.4漢字編碼漢字的編碼比較特殊，漢字編碼可分為機(jī)內(nèi)碼和機(jī)外碼兩類(lèi)，機(jī)內(nèi)碼是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的用二進(jìn)制代碼表示的漢字編碼，用于在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)、交換、處理加工漢字信息；而機(jī)外碼是指不在計(jì)算機(jī)內(nèi)使用的漢字編碼，主要是指漢字輸入碼，此外還有供輸出的漢字字模碼。國(guó)標(biāo)碼是指1981年我國(guó)公布的“中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換漢字編碼”，是一種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編碼，代號(hào)為GB2312—1980。它以94個(gè)可顯示的ASCII碼字符為基集，由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成。國(guó)標(biāo)碼與ASCII碼屬同一制式，可以認(rèn)為國(guó)標(biāo)碼是擴(kuò)展的ASCII碼。01國(guó)標(biāo)碼GB2312—1980規(guī)定，所有的國(guó)標(biāo)漢字與符號(hào)組成一個(gè)94×94的矩陣。在此矩陣中，每一行稱(chēng)為一個(gè)“區(qū)”，每一列稱(chēng)為一個(gè)“位”。因此，該矩陣分成94個(gè)區(qū)（區(qū)號(hào)為01～94），每區(qū)有94個(gè)位（位號(hào)為01～94），一個(gè)漢字所在的區(qū)號(hào)和位號(hào)組合在一起就構(gòu)成了該漢字的“國(guó)標(biāo)區(qū)位碼”，簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)標(biāo)碼。國(guó)標(biāo)碼用連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)表示，高位字節(jié)為區(qū)號(hào)，低位字節(jié)為位號(hào)，因此，總共可表示94×94=8836個(gè)漢字或符號(hào)。1～9區(qū)非漢字的各種字母、數(shù)字符和圖符16～55區(qū)一級(jí)漢字區(qū)（最常用漢字），按漢語(yǔ)拼音排序56～87區(qū)二級(jí)漢字區(qū)（次常用漢字），按偏旁部首排序10～15區(qū)和88～94區(qū)空白區(qū)，專(zhuān)供用戶(hù)自定義專(zhuān)用符號(hào)和自造漢字字型及填充一、二級(jí)漢字中沒(méi)有的漢字使用國(guó)標(biāo)碼用兩個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)表示，如漢字“文”的國(guó)標(biāo)碼是“4E44H”。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來(lái)表示中文或西文信息的代碼稱(chēng)為機(jī)內(nèi)碼。ASCII碼是一種西文機(jī)內(nèi)碼，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部用來(lái)表示漢字的編碼稱(chēng)為漢字機(jī)內(nèi)碼。我國(guó)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所采用的機(jī)內(nèi)碼是以國(guó)標(biāo)碼為基礎(chǔ)的編碼。機(jī)內(nèi)碼也是用連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示，將漢字國(guó)標(biāo)碼編碼的每個(gè)字節(jié)的最高位置1。既和國(guó)標(biāo)碼有緊密聯(lián)系，又和ASCII碼嚴(yán)格相區(qū)別，不會(huì)發(fā)生混淆。02漢字機(jī)內(nèi)碼漢字機(jī)內(nèi)碼與國(guó)標(biāo)碼的關(guān)系為：國(guó)標(biāo)碼高位字節(jié)80H漢字機(jī)內(nèi)碼高位字節(jié)國(guó)標(biāo)碼低位字節(jié)80H漢字機(jī)內(nèi)碼低位字節(jié)漢字輸入碼是指直接從鍵盤(pán)輸入的各種漢字輸入方法的編碼，屬于外碼。漢字輸入碼有數(shù)字碼、音碼和形碼，還有以漢字的音和形相結(jié)合的音形碼和形音碼。03漢字輸入碼字模碼是用點(diǎn)陣表示的漢字字形代碼，是漢字的輸出形式。根據(jù)漢字輸出的要求不同，點(diǎn)陣的多少也不同。簡(jiǎn)易型漢字為16×16點(diǎn)陣，提高型漢字為24×24點(diǎn)陣、32×32點(diǎn)陣，甚至更高。因此，字模點(diǎn)陣的信息量是很大的，所占存儲(chǔ)空間也很大。04漢字字模碼以16×16點(diǎn)陣為例，每個(gè)漢字要占用32個(gè)字節(jié)，國(guó)標(biāo)兩級(jí)漢字要占用256千字節(jié)。因此，字模點(diǎn)陣只能用來(lái)構(gòu)成漢字庫(kù)，而不能用于機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)。字庫(kù)中存儲(chǔ)了每個(gè)漢字的點(diǎn)陣代碼，當(dāng)顯示輸出或打印輸出時(shí)才檢索字庫(kù)，輸出字模點(diǎn)陣，得到字形。例如，“華”字的16×16點(diǎn)陣字形如圖所示。2.1.5校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼是指能夠發(fā)現(xiàn)或自動(dòng)糾正錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)編碼，也稱(chēng)為檢錯(cuò)/糾錯(cuò)編碼。校驗(yàn)碼的原理是通過(guò)增加一些冗余碼，來(lái)檢驗(yàn)或糾錯(cuò)編碼。奇偶校驗(yàn)是最簡(jiǎn)單的校驗(yàn)方法，其編碼方法為：在n位有效信息位的最高位或最低位增加一位二進(jìn)制校驗(yàn)位P，使其形成n+1位校驗(yàn)碼。校驗(yàn)碼中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（偶數(shù)），則稱(chēng)為奇校驗(yàn)（偶校驗(yàn)）。01奇偶校驗(yàn)碼設(shè)n位有效信息位XnXn?1…X2X1，其后增加一位二進(jìn)制校驗(yàn)位P，那么P可定義為：

奇校驗(yàn)

（2-2）

偶校驗(yàn)

（2-3）例如，8位二進(jìn)制信息00101011，在其最低位增加一位二進(jìn)制校驗(yàn)位P，那么奇校驗(yàn)碼為001010111，偶校驗(yàn)碼為001010110。奇偶校驗(yàn)碼的校驗(yàn)方法：如果奇校驗(yàn)碼中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，或者偶校驗(yàn)碼中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則表示編碼出錯(cuò)了。即校驗(yàn)方程為：

奇校驗(yàn)

（2-4）

偶校驗(yàn)

（2-5）如果E=0，表示編碼正確；如果E=1，則表示編碼出錯(cuò)。海明碼是由RichardHamming于1950年提出的一種碼制，是一種糾錯(cuò)碼。是由數(shù)據(jù)與校驗(yàn)位組合而成的，其組合規(guī)則為：將數(shù)據(jù)與校驗(yàn)位（奇偶校驗(yàn)）自左向右進(jìn)行編碼，其中編號(hào)為2的冪的位均為校驗(yàn)位，其余為數(shù)據(jù)位，如圖所示。02海明校驗(yàn)碼編號(hào)R1R2dR3dddR4ddd1(20)2(21)34(22)5678(23)91011采用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示海明碼每一位位置序號(hào)。例如，第1位用0001表示，第2位用0010表示，第3位用0011表示，以此類(lèi)推，得到所有位置序號(hào)的二進(jìn)制數(shù)。海明碼的每個(gè)校驗(yàn)位的值都是一組數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位。校驗(yàn)位R1，R2，R3，R4分別是4組不同數(shù)據(jù)位的奇偶校驗(yàn)位：（1）校驗(yàn)位R1對(duì)位置序號(hào)二進(jìn)制數(shù)的最低位為1的位進(jìn)行校驗(yàn)，即對(duì)第1，3，5，7，…位進(jìn)行校驗(yàn)。（2）校驗(yàn)位R2對(duì)位置序號(hào)二進(jìn)制數(shù)的次低位為1的位進(jìn)行校驗(yàn)，即對(duì)第2，3，6，7，…位進(jìn)行校驗(yàn)。（2）校驗(yàn)位R3對(duì)位置序號(hào)二進(jìn)制數(shù)的倒數(shù)第三位為1的位進(jìn)行校驗(yàn)，即對(duì)第4，5，6，7，…位進(jìn)行校驗(yàn)例2-9已知原信息為1001101，求其海明校驗(yàn)碼（校驗(yàn)位采用偶校驗(yàn)）。解將數(shù)據(jù)位與校驗(yàn)位（偶校驗(yàn)）自左向右進(jìn)行編碼，并將位置序號(hào)用二進(jìn)制數(shù)表示，如圖所示。R1R21R3001R4101000100100011010001010110011110001001101010111(20)2(21)34(22)5678(23)91011校驗(yàn)位R1是對(duì)第1，3，5，7，9，11這6位作偶校驗(yàn)得到，即R1=0；校驗(yàn)位R2是對(duì)第2，3，6，7，10，11這6位作偶校驗(yàn)得到，即R2=1；校驗(yàn)位R3是對(duì)第4，5，6，7這4位作偶校驗(yàn)得到，即R3=1；校驗(yàn)位R4是對(duì)第8，9，10，11這4位作偶校驗(yàn)得到，即R4=0。所以，最后得到海明校驗(yàn)碼為01110010101。海明碼檢錯(cuò)與糾錯(cuò)過(guò)程如下。（1）將出錯(cuò)計(jì)數(shù)器置為0。（2）依次對(duì)每個(gè)校驗(yàn)位進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，如果有錯(cuò)，將校驗(yàn)位所對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)值加入計(jì)數(shù)器中，直到所有校驗(yàn)位檢查完為止。（3）檢查出錯(cuò)計(jì)數(shù)器的值，如果為0，則數(shù)據(jù)傳輸無(wú)錯(cuò)；如果不為0，則數(shù)據(jù)傳輸有錯(cuò)，且出錯(cuò)計(jì)數(shù)器的值即為出錯(cuò)數(shù)據(jù)位的位置序號(hào)。（4）將出錯(cuò)數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)取反即可。例2-10已知數(shù)據(jù)“11001100”的海明碼是“101110001100”（這里采用偶校驗(yàn)），若接收到的數(shù)據(jù)被改為“100110001100”，即第3位出錯(cuò)，分析海明碼檢錯(cuò)與糾錯(cuò)過(guò)程。解按照上述海明碼檢錯(cuò)與糾錯(cuò)過(guò)程可得：依次對(duì)每個(gè)校驗(yàn)位與其所負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行偶校驗(yàn)，此時(shí)出錯(cuò)計(jì)數(shù)器的值為3。首先將出錯(cuò)計(jì)數(shù)器置為0。由于其余校驗(yàn)位與第3位數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，因此等所有的校驗(yàn)位檢驗(yàn)結(jié)束后，出錯(cuò)計(jì)數(shù)器的值仍為3，故可知海明碼的第3位數(shù)據(jù)出錯(cuò)。將第3位數(shù)據(jù)取反即可。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼又稱(chēng)CRC碼（CyclicRedundancyCheck），簡(jiǎn)稱(chēng)循環(huán)碼。CRC碼檢錯(cuò)能力強(qiáng)，且容易實(shí)現(xiàn)，是目前使用最廣泛的檢錯(cuò)碼之一。CRC碼的編碼過(guò)程涉及二進(jìn)制多項(xiàng)式和模2運(yùn)算知識(shí)。例如，比特串B4B3B2B1B0的二進(jìn)制多項(xiàng)式形式是B4×x4+B3×x3+B2×x2+B1×x1+B0×x0，若比特串取值為10101110，則該比特串可被表示成二進(jìn)制多項(xiàng)式x7+x5+x3+x2+x。03循環(huán)冗余校驗(yàn)碼采用CRC碼校驗(yàn)時(shí)，發(fā)送方和接收方須事先約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，并且G(x)的最高項(xiàng)和最低項(xiàng)的系數(shù)必須為1。CRC碼的編碼過(guò)程如下。相除：用移位后的式子模2除以生成多項(xiàng)式G(x)（也可看成二進(jìn)制數(shù)），得到的余數(shù)R(x)（r位）就是校驗(yàn)碼。移位：將原信息碼（k位）左移r位（k+r=n位），即在信息碼的末尾加上r個(gè)0，r為G(x)的最高次冪。構(gòu)成發(fā)送序列：將余數(shù)R(x)加到原信息碼后面即得到完整的CRC碼，構(gòu)成發(fā)送序列（n位）。接收端檢錯(cuò)過(guò)程如下。若余數(shù)為0，表示收到的編碼正確，編碼的后r位即為校驗(yàn)碼。設(shè)接收端收到的CRC碼多項(xiàng)式為T(mén)(x)，將T(x)模2除以G(x)得到余數(shù)R(x)。若余數(shù)不為0，則表示收到的編碼錯(cuò)誤。例2-11設(shè)有二進(jìn)制數(shù)據(jù)11001011，采用的生成多項(xiàng)式G(x)=x4+x3+x+1，試求應(yīng)添加在二進(jìn)制數(shù)據(jù)后面的余數(shù)，并給出該數(shù)據(jù)完整的CRC碼。解G(x)的二進(jìn)制形式為11011，其最高次冪為4。因此，首先在原數(shù)據(jù)后面添加4個(gè)0將其作為被除數(shù)，然后用模2除以G(x)，求得4位余數(shù)R(x)，計(jì)算過(guò)程如圖所示。求得余數(shù)R(x)=0010，因此，該數(shù)據(jù)完整的CRC碼為110010110010。例2-12設(shè)生成多項(xiàng)式G(x)=x4+x3+1，接收方接收到的編碼字為1100111001，請(qǐng)問(wèn)收到的信息有錯(cuò)嗎？如沒(méi)錯(cuò)，請(qǐng)還原原信息碼。解G(x)為11001，用收到的編碼1100111001模2除以G(x)，得余數(shù)R(x)=0，因此收到的信息沒(méi)有錯(cuò)誤，計(jì)算過(guò)程如圖所示。G(x)的最高次冪為4，即r=4，因此，編碼的后4位為校驗(yàn)碼，去掉后4位后即為原信息碼：110011。2.1.6真值和機(jī)器數(shù)在計(jì)算機(jī)中，通常采用數(shù)的符號(hào)和數(shù)值一起編碼的方法來(lái)表示數(shù)據(jù)。常用的有原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼表示法。這幾種表示法都將數(shù)據(jù)的符號(hào)數(shù)字化，通常用0表示“正”，用1表示“負(fù)”，如0101表示+5。這種把符號(hào)“數(shù)字化”的數(shù)稱(chēng)為機(jī)器數(shù)。真值是機(jī)器數(shù)所代表的實(shí)際值。定點(diǎn)數(shù)的表示2.2在計(jì)算機(jī)中，小數(shù)點(diǎn)不用專(zhuān)門(mén)的器件表示，而是按約定的方式標(biāo)出。計(jì)算機(jī)中共有兩種方法約定小數(shù)點(diǎn)的存在，一種方法約定所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置固定不變，即定點(diǎn)表示；另一種方法約定小數(shù)點(diǎn)的位置是可以浮動(dòng)的，即浮點(diǎn)表示。它們表示的數(shù)分別稱(chēng)為定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。2.2.1無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)的表示有符號(hào)數(shù)在計(jì)算機(jī)中將數(shù)的符號(hào)數(shù)碼化。一般規(guī)定二進(jìn)制的最高位為符號(hào)位，最高位為0表示該數(shù)為正數(shù)，最高位為1表示該數(shù)為負(fù)數(shù)。根據(jù)符號(hào)位和數(shù)值位的編碼方法不同，有符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)可分為原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼等。無(wú)符號(hào)數(shù)機(jī)器字長(zhǎng)的全部位數(shù)均用來(lái)表示數(shù)值的大小，相當(dāng)于數(shù)的絕對(duì)值。對(duì)于字長(zhǎng)為n位的無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍為0～2n?1。例如，機(jī)器字長(zhǎng)為8位，則數(shù)的表示范圍為00000000～11111111（0～255）。2.2.2機(jī)器數(shù)的定點(diǎn)表示01定點(diǎn)小數(shù)定點(diǎn)小數(shù)是純小數(shù)，若約定小數(shù)點(diǎn)固定于機(jī)器數(shù)數(shù)值位的左邊，符號(hào)位的右邊，則機(jī)器數(shù)表示純小數(shù)。若數(shù)據(jù)X的形式為

，，其中，

為符號(hào)位，

～

是數(shù)值的有效部分，也稱(chēng)為尾數(shù)，

為最高有效位，則定點(diǎn)小數(shù)的格式如圖所示。…

小數(shù)點(diǎn)位置（隱含）數(shù)值部分

符號(hào)位02定點(diǎn)整數(shù)定點(diǎn)整數(shù)是純整數(shù)，若約定小數(shù)點(diǎn)固定于機(jī)器數(shù)最低位的右邊，則機(jī)器數(shù)表示純整數(shù)。若數(shù)據(jù)X的形式為

，其中，

為符號(hào)位，

~

是數(shù)值的有效部分，也稱(chēng)為尾數(shù)，

為最低有效位，則定點(diǎn)整數(shù)的格式如圖所示?！?/p>

數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置（隱含）

符號(hào)位2.2.3數(shù)的機(jī)器碼表示01原碼表示法原碼是一種比較簡(jiǎn)單、直觀的機(jī)器數(shù)表示法，用機(jī)器數(shù)的最高位表示數(shù)的符號(hào)，其余的各位表示數(shù)的絕對(duì)值。（1）當(dāng)X為純小數(shù)即

，原碼定義為：

例2-13求X的原碼[X]原，字長(zhǎng)為8位。①X=+0.1001②X=?0.1001解①X=+0.1001[X]原=0.1001000②X=?0.1001[X]原=1?X=1.1001000機(jī)器中實(shí)際保存時(shí)并不保存小數(shù)點(diǎn)。（2）當(dāng)X為純整數(shù)即

，則原碼定義為：例2-14求X的原碼[X]原，字長(zhǎng)為8位。①X=+1001②X=?1001解①X=+1001[X]原=00001001②X=?1001[X]原=27?X=10000000+1001=10001001原碼的特點(diǎn)：原碼表示直觀、易懂，與真值的轉(zhuǎn)換容易；用原碼實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算的規(guī)則很簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算比較復(fù)雜。02補(bǔ)碼表示法原碼表示法的加減法操作比較復(fù)雜，對(duì)于兩個(gè)不同符號(hào)數(shù)的加法（或同符號(hào)數(shù)的減法），先要比較兩個(gè)數(shù)的絕對(duì)值大小，然后絕對(duì)值大的數(shù)減去絕對(duì)值小的數(shù)，最后還要給結(jié)果選擇合適的符號(hào)。而補(bǔ)碼表示法中的加減法則可統(tǒng)一采用加法操作實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)碼的編碼思路是利用模運(yùn)算中的補(bǔ)數(shù)來(lái)表示負(fù)數(shù)。模運(yùn)算系統(tǒng)中，模是指計(jì)量器的容量（計(jì)數(shù)范圍）。例如，大家所熟悉的鐘表，是以12為計(jì)數(shù)循環(huán)的，模M=12；一個(gè)4位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為0～15，模M=16。運(yùn)算時(shí)只計(jì)量小于模的部分，其余部分被丟棄，這種運(yùn)算稱(chēng)為模運(yùn)算，或模M運(yùn)算。模運(yùn)算的典型特征是同余，同余是指兩個(gè)整數(shù)A和B除以同一正整數(shù)M，所得余數(shù)相同。這時(shí)稱(chēng)A和B對(duì)M同余，即A和B在以M為模時(shí)是相等的，可寫(xiě)成A=B（modM）。例如，鐘表中模M=12，故3點(diǎn)和15點(diǎn)、5點(diǎn)和17點(diǎn)是同余的，它們可以寫(xiě)作：3=15 （mod12）5=17 （mod12）（1）當(dāng)X為純小數(shù)即

，補(bǔ)碼定義為：

（mod2）例2-15求X的補(bǔ)碼[X]補(bǔ)，字長(zhǎng)為8位。①X=+0.1001②X=?0.1001解①X=+0.1001[X]補(bǔ)=0.1001000②X=?0.1001[X]補(bǔ)=2+X=1.0111000機(jī)器中實(shí)際保存時(shí)并不保存小數(shù)點(diǎn)。（2）當(dāng)X為純整數(shù)即

，則補(bǔ)碼定義為：

（mod）例2-16求X的補(bǔ)碼[X]補(bǔ)，字長(zhǎng)為8位。①X=+1101②X=?1101解①X=+1101[X]補(bǔ)=00001101②X=?1101[X]補(bǔ)=28+X=100000000?1101=11110011例2-17求X=?1101的補(bǔ)碼，字長(zhǎng)為8位。解根據(jù)上面的小技巧解題步驟如下：11110011

X=?1101X的真值?0001101111100101X的補(bǔ)碼最低位+1按位取反例2-18[X]補(bǔ)=11010101，求[?X]補(bǔ)。解[X]補(bǔ)=11010101，連符號(hào)位一起各位取反后為00101010，再在末尾加1后得00101011，即[?X]補(bǔ)=00101011。03反碼表示法反碼通常用來(lái)作為由原碼求補(bǔ)碼或者由補(bǔ)碼求原碼的中間過(guò)渡。由真值求反碼的規(guī)則如下。（1）符號(hào)位：0表示正號(hào)“+”，1表示負(fù)號(hào)“?”。（2）數(shù)值部分：正數(shù)，數(shù)值部分與真值形式相同；

負(fù)數(shù)，將真值的數(shù)值部分按位取反。例2-19求X的反碼[X]反，字長(zhǎng)為8位。①X=+0.1101 ②X=?0.1101③X=+1101 ④X=?1101解①X=+0.1101 [X]反=0.1101000②X=?0.1101 [X]反=1.0010111③X=+1101 [X]反=00001101④X=?1101 [X]反=1111001004移位表示法移碼常用來(lái)表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼，它只能表示整數(shù)。設(shè)X為n位的二進(jìn)制數(shù)，真值為

，純整數(shù)移碼的定義為：[X]移=2n+X?2nX<2n（其中機(jī)器字長(zhǎng)為n+1）移碼就是在真值的基礎(chǔ)上加一個(gè)常數(shù)（2n），這個(gè)常數(shù)稱(chēng)為偏移值，相當(dāng)于X在數(shù)軸上向正方向偏移了若干單位，如圖所示。02n2n+1?1?2n02n?1[X]移真值移碼表示法中，數(shù)的最高位（符號(hào)位）：如果為0，表示該數(shù)為負(fù)數(shù)；如果為1，表示該數(shù)為正數(shù)。例2-20求X的移碼[X]移，字長(zhǎng)為8位。①X=+1101 ②X=?1101解①X=+1101 [X]移=27+X=10000000+1101=10001101②X=?1101 [X]移=27+X=10000000?1101=01110011綜上所述，對(duì)于真值、原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼的轉(zhuǎn)換規(guī)律如圖所示。例2-21將十進(jìn)制真值?127，?1，0，+1，+127表示成二進(jìn)制數(shù)并求其原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼的值（字長(zhǎng)為8位）。解二進(jìn)制真值及其諸碼值列于表中，其中0在原碼和反碼中有兩種表示方式。十進(jìn)制真值二進(jìn)制真值原碼表示反碼表示補(bǔ)碼表示移碼表示?127?111111111111111100000001000000100000001?1?0000001100000011111111011111111011111110+000000000000000000000000000000010000000?00000001000000011111111+1+000000100000001000000010000000110000001+127+111111101111111011111110111111111111111浮點(diǎn)數(shù)的表示2.32.3.1浮點(diǎn)數(shù)的表示格式點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置可隨比例因子的不同而浮動(dòng)的數(shù)據(jù)，通常以下式表示：N=M×REN浮點(diǎn)數(shù)M尾數(shù)，用定點(diǎn)小數(shù)表示E階碼，用定點(diǎn)整數(shù)表示R“階的基數(shù)（底）”，為常數(shù)，一般為2，8或16階碼和尾數(shù)可以采用原碼、補(bǔ)碼、反碼中任意一種編碼方法來(lái)表示。另外，階碼還可以采用移碼方式表示（通常采用移碼方式）。由上式可見(jiàn)，浮點(diǎn)數(shù)由階碼和尾數(shù)兩部分組成，如圖所示。EsE（m位）MsM（n位）階符階碼數(shù)值數(shù)符尾數(shù)數(shù)值Es階碼的符號(hào)位，安排在最高位E階碼，緊跟階符位之后，占m位Ms尾數(shù)的符號(hào)位，在尾數(shù)之前的一位M尾數(shù)，在低位部分，占n位2.3.2規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)用浮點(diǎn)表示法表示一個(gè)數(shù)時(shí)，表示形式不唯一。例如：X=+0.01100101×2?101=+0.11001010×2?110=+0.001100101×2?100如果尾數(shù)M滿(mǎn)足|M|<1，則該浮點(diǎn)數(shù)為規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)，否則稱(chēng)其為非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)。例如，0.1101×210，?0.1101×210是規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)；而0.0110×211，?0.0110×211是非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)。例2-22將非規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)N=0.0110×211規(guī)格化。解把浮點(diǎn)數(shù)N的尾數(shù)向左移一位（即尾數(shù)的小數(shù)點(diǎn)右移一位），變?yōu)?.1100，同時(shí)，階碼遞減1，得到N=0.1100×210即為規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)。例2-23解將十進(jìn)制數(shù)

轉(zhuǎn)換成規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)表示。假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)表示格式中，階碼占5位（包括階符位），尾數(shù)占11位（包括數(shù)符位），尾數(shù)用補(bǔ)碼表示，階碼用移碼表示。()10=()2=+0.1101×2?11。[+0.1101]補(bǔ)=0.1101000000，即尾數(shù)為01101000000；[?11]移=01101，即階碼為01101。因此，其浮點(diǎn)數(shù)為011010110100000。例2-24假設(shè)浮點(diǎn)數(shù)格式中，階碼占5位（包括階符位），尾數(shù)占8位（包括數(shù)符位），階碼用移碼表示，當(dāng)尾數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí)，寫(xiě)出浮點(diǎn)數(shù)1110111101000B的規(guī)格化數(shù)。解依題意，尾數(shù)[M]補(bǔ)=11101000，即[M]原=10011000，即真值M=?0.0011000，則尾數(shù)左移2位后，M'=?0.1100000，[M']補(bǔ)=10100000。階碼[E]移=11101，左規(guī)后[E']移=11011。因此，規(guī)格化數(shù)為1101110100000B。2.3.3IEEE754標(biāo)準(zhǔn)按照IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點(diǎn)數(shù)格式如圖所示。SEM數(shù)符階碼，用移碼表示尾數(shù)數(shù)值位，用原碼表示（1）（2）單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位），階碼8位，尾數(shù)24位（內(nèi)含1位符號(hào)位）。雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位），階碼11位，尾數(shù)53位（內(nèi)含1位符號(hào)位）。根據(jù)IEEE754國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點(diǎn)數(shù)有兩種格式：由于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)約定在小數(shù)點(diǎn)左部有一位隱含位，從而實(shí)際使得尾數(shù)的有效值變?yōu)?.M。例如，(13)10=(1101)2，將它規(guī)格化后結(jié)果為1.101×2011，其中整數(shù)部分的1將不存儲(chǔ)在23位尾數(shù)內(nèi)。以單精度浮點(diǎn)數(shù)為例，最高位為數(shù)符位；其后是8位階碼，以2為底，用移碼表示，移碼的偏置值為28?1=127；其后23位是原碼表示的尾數(shù)數(shù)值位。對(duì)于規(guī)格化的二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)值的最高位總是1，為了能使尾數(shù)多表示一位有效位，將這個(gè)1隱含，因此尾數(shù)數(shù)值實(shí)際上是24位。IEEE754標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)格化的單精度浮點(diǎn)數(shù)的真值為：N=(?1)S×1.M×2E?127規(guī)格化的雙精度浮點(diǎn)數(shù)的真值為：N=(?1)S×1.M×2E?1023下面以單精度浮點(diǎn)數(shù)為例，討論IEEE754標(biāo)準(zhǔn)對(duì)特殊數(shù)據(jù)的表示，具體如表所示。符號(hào)位S階碼E尾數(shù)M數(shù)值N0/10000/10≠0(?1)S×(0.M)×2E?1260/11～254≠0(?1)S×(1.M)×2E?1270/1255≠0NaN（非數(shù)值）0/12550(?1)S×∞（無(wú)窮大）例2-25將(20.59375)10轉(zhuǎn)換成IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式。解(20.59375)10=(10100.10011)2將尾數(shù)規(guī)范為1.M的形式：10100.10011=1.010010011×24，即指數(shù)e=4。可得：M=010010011，S=0，E=4+127=131=10000011。因此，32位浮點(diǎn)數(shù)的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)格式為：01000001101001001100000000000000=(41A4C000)16。例2-26若浮點(diǎn)數(shù)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式為(41360000)16，求浮點(diǎn)數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值。解(41360000)16=01000001001101100000000000000000即S=0，E=10000010，M=01101100000000000000000。因此，指數(shù)e=E?127=10000010?01111111=00