计算机组成原理复习资料(课件整理版可自学使用)

1、、本课程在计算机系统中的位置数字信号、图像处理软件工程人工智能应用语言级机器应用系统高级语言级机器:一离散结构.算法设计基础汇编语言级机器软件体系结构数据库原理、应用 数据结构基础 程序设计基础及语言 编译原理汇编语言程序设计计算机网络技术类接口一I 技术操作系统级机器传统机罂级机器1操作系统一、系统结构-二嵌入式系统外部设备微程序机器级机器组成原理，信号与系统、控制技术电子线路级机器-模拟与数字逻辑电路一、课程目标1、结构与原理掌握建立计算机系统的整机概念；掌握计算机各部件的组成原理与技术；了解计算机系统组成与结构的新技术2、分析与计算能力掌握对组成与结构进行性能分析的方法；通过量化计算，加

2、深对组成原理的理解与掌握3、应用与设计能力通过实验，培养逻辑设计及理论指导实践的能力二、课程内容组织第1章计算机系统概论计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标第2章数据的表示和运算数据的编码及表示，定点及浮点运算方法，ALU结构与组成第3章存储系统层次结构，RAM组成，主存、Cache虚存的组成原理第4章指令系统指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，CISC/RISC第5章中央处理器CPU的功能与结构、工作流程，指令执行过程，数据通路组织，CU的结构及组成,微程序控制器技术，指令流水技术第6章总线概述，操作步骤，仲裁/定时方式，互连结构第7章I/O系统 组成，I/O设备，I/O

3、接口，I/O方式（4种）1、学习方法建立整机概念，将所学知识点融合在一起；从逻辑设计出发，分析多种方案的利与弊；通过量化分析，加深对原理的掌握与理解。2、学习效率第1章计算机系统概论计算机：按照内部存储的指令序列，对数字化信息进行自动高速处理、存储、传送、 控制的装置。指令：指示计算机硬件完成某种功能的明确的命信息：有用的数据，有多种不同类型，其表现手段可以采用数字化形式或模 拟量形式；运算：包括算术运算和逻辑运算，要求自动与高速；处理：对信息进行搜索、识别、变换，甚至联想、思考和推理等等。计算机的基本功能主要包括数据处理数据存储数据传送控制数据处理功能运算功能：算术运算功能和逻辑运算，应用于

4、数值计算和非数值计算两个方 面；处理对象：数值、字符、图形、图像、声音和视频等。数据存储功能主存储器：保存指令和数据；辅助存储器：以文件的形式保存大量数据信息。数据传送功能内部数据流动：CPU和主存以及CPU内部寄存器与运算器之间的数据流动；外部数据传送：输入/输出（I/O ）和计算机通信。控制功能控制器：产生各种基本操作信号并按某种时序发出以完成相应功能；指令编码、指令系统：一台计算机的所有指令集合。1.1.1计算机系统的软硬件*计算机系统的组成：计算机硬件一计算机的物理实体；叱型1T如主机、外设等/医鑫诞菊系统计算机软件一具有特定功能的信息（程序）. 如系统程序、应用程序*计算机系统功能的

5、实现方式工 解题过程一功能的实现方式一硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能软件表示应用的数据处理及过程控制需求1-程序（指令序列，硬件用不同指令表示不同功能）执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能*计算机系统组成的特性：软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映二、计算机系统的层次结构用高级语言编程一用汇编语言编程一使用操作系统命令-用机器语言编程一使用微指令系统一成汇编语言程序或机器语言程序成机罂语言程序操作系统命令-直接执行机器指令 机器指令-直接执行微指令虚拟机器一实际机器!a.r . G !<+,''Taa.r ! Yr "!)*计算机系统结构：机

6、器语言程序员所看到的计算机属性 概念性结构和功能特性软件-软硬件/交界面乙硬件T；指令系统、数据表示、寻址方式, 存储系统，I/O系统.信息保护等指令功能逻辑实现、部件组成.:控制机构.排队及缓冲技术等二_教字电路级机卷-卜:器件技术、组装技术等*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性*计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性*相互关系：计算机系统结构一确定软硬件功能分配及其界面特性;计算机组成一逻辑实现系统结构的内容；计算机实现一物理实现计算机组成的内容举例系统结构计算机组成计算机实现乘法功能是否有乘法指令乘法器还是加法+移位器件、电路生存系统最大容量、编址方式速度保证、单

7、体/多体MEM总线带宽信号线数、时钟、传输方式§ 1.2计算机系统基本组成、冯诺依曼模型计算机*结构与组成:由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成,1?二控制器入设备输出设备注：数据信息而范息控制.息 状态信息* 数据表示与运算：指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式* 存储程序原理一程序存储方式：指令及数据预先存放（以等同地位）在存储器中；* 存储器结构：由定长单元构成的一维空间，存储器按地址访问；*指令组成：由操作码及地址码组成；操作码地址码1地址码2表示操作数在存储器中的位置袤家藻祖的隹施1"IV I V I « I V I ¥!

8、1« I V I « I V I V V I » I W I B例：若加法运算的操作码用010表示，第01000号与第10000号两个存储单元内容相加的操作可表示为：010 01000 10000*存储程序原理一程序控制机制：按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。物理顺序 （指令地址）指令内容程序 逻辑顺序A+0int nCduntO；(1)A+1int nSum=O；:A+2LP： nStLnt+=nCount： 1A+3nCount+；Q®A+4if (nCbunt3)goto LF；(5) (8)A+5 COUT»nSum 冯诺依

9、曼计算机模型。1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个部件组成;2）存储器以二进制形式存储指令和数据；3）存储程序工作方式；4）五部件以运算器为中心进行组织。二、计算机硬件的基本组成1、计算机硬件的结构现代计算机均在冯诺依曼模型基础上进行改进*采用以存储器为中心的结构：消控制器R运算器缓冲技术使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能存储器直接存储器访问（DMA）技术"输入直备| |输山设备匚二结果*由多种存储器构成存储系统:解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能 /价格计算机T硬件,运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备主存（内存）I辅存（外存）主机-CPU

10、111/0设备（外设）CPU算术逻辑单元aEEF|控制单元cu |主存储器仙AW准格式*采用总线互连形式：实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性I/O设备I/O 接口min （所连I/O设备速度2、计算机部件的基本组成（1旃储器*功能：存储程序和数据、通过读 /写操作接收/提供信息*组成:地址J命令数据-地址译码器存储阵列I/O电路 -*完成操作的过程:读操作一接收地址及命令，内部操作;输出数据写操作一接收地址及命令；接收数据，内部操作(2)运算器*功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果*组成：累加器型运算器*(AC)+Y 一AC的运算过程：寄存器型运算器(0) (AC)为被加数取

11、指阶段执行阶段(1) 加数Y 一TEMP(2) (AC) + (TEMP)(3) ALU 结果一 AC约定：(X)表示寄存器X中内容，Y表示存储单元Y中内容(3粒制器* 功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程* 程序执行过程：循环的指令执行过程(取指令及执行指令)；下条指令地址由当前指令产生 (按程序逻辑顺序)(4腌入/输出设备* 功能：实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换；* 种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；* 连接：通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接, I/O接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能三、计算机软件的基本组成三、计算机软件的基本组成（科学讦

12、算 信息管理*自动控制 人H智能虚拟现实四、计算机工作过程计算机的工作过程就是执行程序的过程。考查指令ADD NUM , R0的执行过程。考查指令ADD NUM , R0的执行过程。主存执守T前工ItO = Z2执仃后工ROi 122图1.4 CPU组成以及和存储器的连接程序执行过程*程序执行的初始条件：（a）程序及数据已存放在主存储器MM中；（b）PC内容已经为即将执行的程序首条指令地址*程序执行的实现方法：-控制器指挥与控制取指一（PC）MM f IR, （PC）+ “1” - PC;分析一（IR）-IDfCU;执行一实现指令约定操作（指令转移时重写PC）;循环一若无中断执行的要求，转&#

13、167; 1.3 算机系统的性能指标一、计算机系统的性能指标* 系统性能：指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能1、硬件性能参数* 机器字长：指CPU 一次能处理的二进制位数。Lf指ALU 一次能处理的n位CPU一指机器字长为 n个二进制位的CPU;例如,Core 2 CPU 为 64 位 CPU对系统性能的影响一机器字长越长，数据处理性能越好；（.应用数据长度机器字长时，需分次运算）对其它硬件的影响一直接影响ALU、REG长度，间接影响存储字长、数据总线位数* 机器主频：指 CPU内部主时钟脉冲的频率，常用 f表示。主频单位一1GHz=1 X103MHz=1 X 106KHz=1 X 109

14、Hz;时钟周期一CPU内部基本操作的时长，常用 TC表示；f与TC关系一倒数关系，即 f =1/TC* 存储容量：指存储器可存储二进制信息的总位数。主存容量一容量 S=存储单元个数x存储字长； 辅存容量一容量 S =存储块个数x存储块长度；容量单位一1GB=1 X210MB=1 X 220KB=1 X 230B=8 X 230bit;最大主存容量一CPU能够访问的主存最大容量，它决定了CPU的地址和数据引脚数量2、系统性能指标时间是唯一标准，主要有响应时间和吞吐量两个指标。*响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间，吞吐量：又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量，即 吞吐量=n个任务的

15、总工作量+ n个任务的总时间 特点一反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能表示一因工作量无统一定义，通常用MIPS及MFLOPS代替 MIPS（每秒百万次指令） MFLOPS（每秒百万次浮点运算）*其他：RAS（可靠性/可用性/可维护），兼容性等2、微型计算机的产生与发展微处理器字长主频地址线数数据线数其他年代80808实模式19748086164. 77MHz201619788088164. 77MHz208197980286166MHz2416保护模式1982803863212. 5MHz3232虚拟8086模式、虚拟存储器、Cache1985804863225MHz3232RISC、流水

16、线11989Pentium3266MH23264超标量流水、MMX1993Pentium Pro32133MHe3664超级流水.情态匕吁1995Pentium II32200MHz3664DIB1997Pentium UI32450MHz3664SSE、非阻塞Cache1999Pentiiun 4321. 3GHz3664SSE2、总线技术2000Core 2 Duo321.6GHz双核2006/微处理器发展趋势：提高复杂度（增加功能），开发指令级/线 程级/内核级并行性，集成存储器，发展嵌入式处理器二、计算机软件的发展历史1、计算机语言的发展机器语言一汇编语言一高级语言一应用 语言* 高级

17、语言例：FORTRAN、PASCAL、C/C+、Java2、系统软件的发展* 语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序；* 操作系统：DOS、UNIX、Windows；（多道程序、分时/实时、网络、分布式、面向对象 ）* 服务性程序：装配、调试、诊断、排错；* 数据库：数据库（网状、层次、关系型 卜数据库管理软件；* 网络：协议（NetNIOS、TCP/IP等）及实现库三、计算机系统分类按规模及功能分类超级计算机一科学计算等；大型计算机一多用户使用等；小型计算机一办公应用等；工作站一图形处理及分布式计算等；微型计算机一应用广泛；单片机/嵌入式系统一工业控制等_程序执行的指令条数MIP 一程序

18、执行时间106M1Psmax1CPI TC 106主频fCPI 106第二章数据的表示和运算§ 2.1数据的编码一、数制及其转换1、进位计数制* 进位计数制：又称进制或数制，是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。有数码、基数和位权 3个基本参数* 常用的4种进制：二进制八进制十进制十六进制数码0,1 n0,1,7口, L ,90, 1,，9, A, B,，F基数281016位权序101&书写形式B0DH*R 进制数表示：(N )R=(kn-1 k1k0.k-1k-2 - k-m)R= 其中，kiC0,1，(R-1)(2)十进制数小数转换成R进制数小数* 小数转换规则

19、：乘基取整、上左下右例3一将(0.6875)10分别转换成二、八进制数整数部分0. 6875X2=L 3751（最高位）0.375X2=。.7500.75X2=1-510,5X2=1.01（最低位）<0. 6875）W =（0.1011） 2整数部分0.6875X8 = 5.55 （最高位）0.5 X8 =生0 4 （最低位）（0. 6875）io =（0. 54） 8(3)十进制数转换成R进制数* 转换规则：整数部分、小数部分分别转换后再合并练习 1 一(19.6875)10=(X)2=(Y)8 , X= ? Y= ?4、二、八、十六进制数相互转换* 隐含规律：2=21 , 8=23,

20、 16=24(1)二进制、八进制数相互转换* 转换规则：从小数点向两边分别转换；3个二进制数位(不够时补零)等价于1个八进制数位例 4(13.724)8=(001 011.111 010 100)2=(1011.1110101)2(10011.01)2=(010 011.010)2=(23.2)8(2)二进制、十六进制数相互转换* 转换规则：从小数点向两边分别转换；4个二进制数位(不够时补零)等价于1个十六进制数位例 5一(2B.E)16=(0010 1011.1110)2=(101011.111)2(11001.11)2=(0001 1001.1100)2=(19.C)16、机器数及其编码*

21、 数值数据：组成一由符号、小数点及数值构成，可缺省符号及小数点 运算一符号与数值分开运算；加减法需先比较大小* 机器数：符号数字化的数，通常 0/1表示+/-;如(+101)2一 (0101)2、(-0.101)2- (-.101)2-> (1.101)2真值一带“ + ”或“-”符号的数* 机器数的运算方法：采用手工运算方法，硬件实现很不方便；如一(+x)+(-y)时，先求x-y、再求结果符号、最后求 x-y或y-x采用新运算方法，便于硬件实现(如符号与数值一起运算)匚一必须使用新的编码方法！* 机器数的编码方法：原码、补码、反码、移码等1、原码表示法(原码编码方法)* 基本思想：用0

22、/1表示符号+/-,数值位为真值的绝对值* 纯整数原码定义：设 X=±xn-2x0, xi=0 或 1,贝U X原=*4仅门-2 x0,lx原X2n-1-X = 2n-1+|JV|0WXV2nT2口TVXWO例1 卜1101原=01101： -1101=11101例2设X原= 11OL 则101例3设+x原=01 io,则rdkino：+X原=0000,则-XlklOOO,即+0原产-0原 练习 1若X，01000, X原二？若X原= 101010,限？* 纯小数原码定义：设 X= ± 0.x-1 x-(n-1),则凶原=x0.x-1 x-(n-1) X0VIX原=T1-X

23、-l+IIXj -LVXW。例4 +0.1001方0. 1001； -0.1001原二L 1001 i-l例5XiLOL 则X=-0.01*原码的特性：X与凶原关系 X原与X表示值的范围相同, +0原 W -0原;运算方法一符号与数值分开运算(与手工运算一致)匚一适合于乘除法，加减法较复杂2、补码表示法* 目标：实现符号与数值一起运算(1)有模运算与补数不例一将时针从10点拨向7点，有两种拨法：倒拨10-3=7;顺拨10+9=7+12=7* 有模运算：运算时只计量小于“模”的部分，多余部分被丢弃 模一计量系统的计数范围；同余一若A、B、M满足A=B+kM (k为有符号整数)，则记A三B (mo

24、d M),称B和A为模M的同余* 补数：若a、b、M满足a+b=M ,称a、b互为模M的补数 运算特征一c-a = c-(M-b) = c+b (mod M),即减去一个数等价于加上这个数的补数匚一可将减法运算转化为加法运算(2)补码定义一个负数的补码应等于模与该数绝对值之差。即某负数X的补码为:X补=M + X (mod M)* 纯整数补码定义：设 X= ±xn-2 x0, xi=0 或 1,则凶补=x' n-1x' n-2x' 0,即X补=即+X (mod 2n) -X2nH 2n-|X|-2n-1XVO说明一因X连同符号位共n位，故模为2n例 6 +00

25、01补=00001, -0001补=10 0000-0001=11111+1111补=01111 , -1111补=10 0000-1111=10001正数补码最高位(符号位)为0,负数最高位为1+0000补=-0000补=00000数0的补码惟一练习 2若 X=-01000、Y=+01000, X补=? 丫补=? 例 7 n=5、X>0 时，最大 凶补=01111, Xmax=24-1=+15XV0 时，最小X补=10000, Xmin=-24 =-16补码表示数的个数比原码多1个原码无 1111补码10- 00 10- 01真值-2n-1 -(2n-1-1)*定点纯小数补码定义:10

26、-01 10-0000 00 00-0111- -11 00- -00 00- -01-10+101-1101- -11 +(2n-1-1)设 X= ±0.x-1 x-(n-1),则 凶补=*' 0.x' -1 x' -(n-1)JV补=2+X (mod 2)=一例 8+0.1011补=0.1011-0.1011衣卜=2-0.1011=10.0000-0.1011=1.0101补码的特性 X一凶补一若X为正数，改符号位为0,其余各位不变；若X为负数，改符号位为1,其余各位取反、末位加 1例9旌+0101, X补= 0 0101； X=-010L X补=1101

27、1 l7T1"T"凶补一 X一若X补最高位为0,改其为正号，其余各位不变； 若X补最高位为1,改其为负号，其余各位取反、末位加 1例 10X补010L X0101： xfr=l 1011, X=-0101凶原一凶补一若X原最高位为0, X补=凶原； 若凶原最高位为1, X补=凶原各数值位取反、末位加 1例 11 (,(,III1X原R 0101 ,X补= 0 0101； Mjg=10101,1 1011"n ir- X补一凶原一若凶补最高位为0,凶原=X补； 若凶补最高位为1, X原=X补各数值位取反、末位加 1例 12 III - IX补=0 0101, X原=

28、 0 0101； X补=1 0101, X. 1 1011 、T"T"*X补与-X补的关系：凶补一 -X补一凶补的各位取反(含符号位卜末位加1卜X补一凶补一-X补的各位取反(含符号位卜末位加1例13X补=10110, X补=0 1001+1 =0 1010T练习3若旌-01001, -X补二？若X补= 101010, -X补=？ -X=?练习4若 X=+01001 ,凶原=0 01001,凶补=0 01001;若 X=-01010,凶原=1 01010 ,凶补=1 10110 ;若凶原=001010, X= + 01010,凶补=0 01010若X原=101110, X=

29、- 01110,凶补=1 10010若X补=001110, X= +01110, -X#= 1 10010若凶补=101110, X= - 10010,卜不补= 0 10010若-X补=101011,凶补= 0 10101,凶原= 0 10101若-X补=001001,区补=1 10111, X原=1 010013、反码表不法* 目标：作为原码与补码相互转换时的一种过渡编码* 纯整数反码定义:设 X= ±xn-2 - x0, xi=0 或 1,取模=2n-1 ,则X反=（字D+X （mod 2nT）=-X（2-1）+X0X<2n-12niVXW0例 14+1101反=01101

30、, -1101反=10010* 纯小数反码定义：设 X= ± 0.x-1 x-（n-1）, xi=0 或 1,模=2-2-（n-1）,则X反二（2-2（n-i） +x （mod 2-2-如-。）XOX<1I （2-2-（n-D）+X -1VXW0例 15+0.1101反=0.1101,卜0.1101区=1.0010* 反码与补码关系：若X为正数，区补=不反；若X为负数，凶补=凶反+ 1* 原码、补码、反码比较：机器数的最高位均为符号位（0/1表示正/负）；若真值X为正数，凶原=凶补=凶反；若真值X为负数，凶补=凶反+1 ,区反=以原各位求反（符号位除外）;原码无1卜11反码无1

31、000补码10001001II10 0111 1011-11I0-0000-01C001C00101-1101-1101-11I真值-2n-1）-10+1+（2*1）* +0补=-0补，补码比原码、反码多表示一个负数4、移码表示法*目标：实现符号与数值一起编码一数连续时编码连续*纯整数移码定义：设X= ±xn-2x0,其中xi=0或1,取模=2n,贝UX移=2n-1+X （mod 2n） = 2n-1 + X -2n-1<X< 2n-1 例 16 -111移=0001 , -001移=0111 , ±000移=1000,+001移=

32、1001, +111移=1111, -1000移=0000补码移码10 00 10 0100 0000111 11 00 000,"010111 10 00 10 0101-1111-11真值-1+1*移码的特性:数在数轴上为连续编码（无符号数），便于比较大小；与移=区补符号位取反、其余各位不变、十进制数编码*BCD码（Binary Coded Dicimal）：又称二-十进制编码，是指用 4位二进制编码表示1位十进制数位的编码方式。*BCD码种类：分有权码和无权码两种，最常用的是8421 码。卜进制数84肛码余3码0000000100100011010001010110011110

33、00100100110100010101101000100110101011有输入码、内码、交换码、字模码4种*字符编码的类型: BCD码缺省指8421码（特殊声明除外）!四、字符及字符串编码1、字符编码*字符编码：字符在字符集中惟一的数字化代码，表示字符在字符集中的序号或特征号*有关字符编码的约定：字符编码一均指交换码的编码!字符数据一均指内码的编码！*常见字符编码（交换码）种类：编码种类点量 码数说明ASCII码1287美国标准信息交换码，英文，使用最广泛EBCDIC码2568扩展二-十进制交换码，英文，IBM定义Unicode码6553616：统一字符码，支持各国语言，使用较广泛ANSI

34、 码2568 1美国国家标准协会交换码,英文，含ASCII码GB2312-80744514汉字国标码，中文码点数量一需编码的信息数量；（如交换码指字符数，字模码指字符点阵数） 编码长度一采用等长编码，长度二卜陵码点数量 12、字符串编码*字符串特性：由多个字符构成；所含字符数不固定。*字符串编码方法：由各个字符编码组成；通过特定编码标志字符串的结束，结束编码放在最后匚一字符集必须包含该字符 （如ASCII码中编码为0的字符）例一C语言中字符串“ am”可编码为1100001 1101101 000000五、校验码*冗余校验思想：用待发数据（M）形成校验信息（P）, M与P一起传送；用接收数据（

35、M'）形成新校验信息（P”），检错并纠错*术语：校验码一由数据位和校验位组成的信息编码；检错（检验）一检查数据在传送过程中有 /无错误；纠错（校正）一根据错误位置纠正数据（取反）*常见校验码：奇偶校验码、海明校验码1、奇偶校验码2、*编码原理：采用1位校验位，使数据位及校验位中“ 1”的位数为奇数或偶数个数生校验原理士检测校验码中包中邀变化，f琴是否有错预先约定为奇数/偶数个一-奇校验/偶校验2种方法兴校险码编码：（设数据信息为校验码组成一共口+1位.数据n皿|校验位皿数据101001001101001100011奇校验码101001000110100?1100011?偶校验码1010

36、01010110100?1100011?*校验方法：故障字 检错纠错一s s=p'p"，其中P'是接U的、P”是形成的;若S=0无错误，若S=1有错误；无此能力（.无法获得错误位置）接收的奇校验码故障字S错误位数（人工）发送码（参考）10100100001010010001101001小01101101011011007 0110110101101000?01101101*校验能力：只能检测奇数个错误，无纠错能力例3一下列接收的校验码 01001、1010a10011中，只有一个有奇数位错，请问发送时采用的是奇校验还是偶校验码？*应用：广泛应用于I/O传输的数据校验&

37、#167; 2.2数据的表示数据译辑数 非数值数据一千勺（串）数值数据J无符号数;有符号数一自然数一整数、纯小数、实数等一含汉字一声音、图像等计算机只计算机用编码表示数据:支持最常用（最基本）的数据类型：数据表示一计算机硬件能够直接识别和引用的数据类型 应用数据一数据表示的转换：程序员或编译程序完成、数值数据的数据表示方法1、数值数据的数学特征进制可有多种；符号为“ +”或“-"，可以没有符号小数点为”，可隐含表示，小数点位置可任意变化;数码长度可任意变化；不会产生运算溢出2、冯诺依曼模型计算机的硬件特征指令和数据用二进制表示，采用二进制运算；二进制中只有0和1,无法表示符号和小数点

38、；机器字长固定，CPU内部全部采用定长方式处理。3、数值数据的表示方法* 进制问题处理：只支持二进制方式；* 符号问题处理：有符号数一用数字表示符号，数据本身无法区分无符号数一符号位置为数值；在指令级进行区分* 小数点问题处理：点的表示一用隐含方式表示；位置表示一约定不同数据类型的位置不同无符号数，整数纯小数实数隐含于最低位之后隘含于最高位之前域小数尾数+整数指数;薮福天苒无法应至二茬稻豆绫排柠区分*数码长度问题处理：不同数据类型一数码长度固定；一便于定长方式处理同一数据类型一可有几种长度；一可提高处理及存储效率*运算问题处理：运算方法一按数据表示的格式及编码进行相应运算；数据类型区分一由指令

39、操作码区分；溢出处理一硬件检测并发出通知，由软件处理数值数据的处理方法：包括数据的表示和数据的操作方法处理数里的操作T 蛆成谡辑实现厂G表示格式（小数点表示）二二_ 编码方W （符号及数伯表示）、 数码长度（决定了数值范围）一:- 诘算方式：:二:二:：二：:二:：:二:：:二：:：:：:二" 溢出处理FaI fiJiil定点与浮点表示机器数编码二、数的定点表示1、定点表示方法指约定数据中隐含的小数点位置固定不变。*定点表示形式：有约定在数值最低位之后和最高位之前两种自然数（无符号）S赢旃一整数（有符号）数将 旃表示一尾数用定点纯小数表示，阶用定点整数表示2、浮点数的表示采用浮点表示

40、格式的数称为浮点数，通常有几种数码长度。*浮点数的表示范围与精度：假设尾数及阶的基均为 2,数值长度分别为 m位及e位负上溢区下溢区、'负 mjn负数区机罩零绝打零!A 负 max A 正 min正数区正上溢区（ + 8）2、定点数的表示采用定点表示格式的数称为定点数，通常有几种数码长度。*定点数的表示范围：（设数码长度为n位）7型 编福式、自然数（无符号）纯整数（有符号）纯小数原码02°1（无符号编码）-(2n (1-2-。)+(l-2-tn-1)补码-1+(l-2-n)二、数的浮点表不1、浮点表示方法指约定数据中隐含的小数点位置是可变的。*浮点表示形式：由尾数和阶组成熊二

41、=(12)x2127,盘皿=N负2 =2f影响因素一!决定了范围、m决定了精度例1若浮点表示格式中 m=10、e=4,尾数及阶均为补码编码方式，写出 （-54）10的机 器码。解：（-54）10=（-110110）2=-0.11011X 2+110,浮点数机器码为 00110 10010100000例2若浮点表示格式中尾数为8位（含1位符号位卜阶为5位（含1位符号位），写出下列实数的浮点数及机器码。编码格式实数浮点数浮点数的表示阶尾数阶码)尾数码原码原码+10101.11+0. 1010111 X 2Moi0 01010 1010111F 00101110. 10111 X2101 00101

42、 1011100移码补码也 0010111旬. 10111 X2100 11100 1011100-10101.11-0. 1010111 X "皿1 01011 0101001例3浮点表示格式同例 2,写出下列机器码的浮点数。编码格式浮点数的表示浮点数阶尾数阶码尾数码原码原码0 11010 1010111也 1010111X11011 01101 1011010-0- 1011010X2-11°移码补码0 01010 1011100+0. 10111X2-10111 11011 1101000-0. 0011000X211013、浮点数的规格化*目的：在现有的浮点数表示格

43、式中，使表示精度最大化。例4若浮点表示格式中m=3、e=3、尾数和阶均为原码编码方式，不同表示方法的浮点数精度不同：+ 101.1=0.1011 X 23=0.01011X 24=0.001011X25o!on olioi c) olioo oloio Colioio；ooirEJ L Sr I*规格化数的要求：尾数真值的最高位为1,即1/2 <|M| <1*规格化的操作：左规一尾数左移一位，阶码减一；右规一尾数右移一位，阶码加一。应用一非规格化数一规格化数，可能需多次规格化操作例5若浮点数尾数及阶的基均为 2,回答下列问题：非规格化浮点数+1. 0111X2)10-0. 0001

44、0 X 2*0104-1011. IX 24010规格化操作右规1次左规3次右规4次规格化浮点数+S 10111 X 2HHi-0. 10000 X20D1+0. 10111 X”。原码尾数一最高数值位为1;补码尾数一最高数值位与符号相反一便于硬件实现4、IEEE 754 标准*表示格式及数码长度：有单精度、双精度两种格式及长度单精度浮点表示格式双精度浮点表示格式（即 RM=RE=2）;（改进了定点位置）,*编码方式：数制一M和E均采用二进制方式码制一M为原码编码的定点纯小数E为移码编码的定点整数（改进了移码值）* 阶的码制：采用的是余 127码和余1023码余X码一偏移值为 X的移码称为余

45、X码，标准移码：真值=E-28-1=E-128 ,余 127 码： 真值=E-（28-1-1）=E-127 ;阶的范围一1WEW254,而0和255另作他用，即-126W阶的真值W 127* 尾数的码制：（以单精度格式为例）支持非规格化尾数和规格化尾数两种方式；非规格化尾数一尾数真值 =± 0.m-1m-23,机器码M=m-1m-23,尾数精度=23位;规 格 化尾数一规格化的尾数真值 =± 1.m-2m-24,机器码M=m-2m-24,尾数精度=24位* IEEE 754标准浮点表示的特征：（以单精度格式为例）下溢区机器零r0.0正非规格化数区域正规格化数区域正上 溢区+

46、0- 1-1X2-126+1. 1 1X2127+0.0 01X2-1 汨+1. 00X2-126参数值真偷V说明E=0,机器零（下溢区）E=0f且M707V二(一AX2 X0.M非规格化数1WEW254N=(T)5X2ET2TXLM规格化数万二255,且Af/0AMtaN为非薮值行255, 53/=0N=(1)SX8士无穷大（上溢区）说明：明确地表示了机器零及无穷大：非规格化数减少了下溢区间大小（精度损失卜 非数值用于表示异常（如0/0.负数开根等）例5求(-11/128)10的IEEE 754单精度规格化数的机器码 解一(-11/128)10 =( -1011)2 X 2-7 =(-0.1

47、011)2X 2-3 =(-1.011)2 X 2-4=(-1.011)2X 2123-127机器码为，符 阶尾数1 0111 1011 0110 0000 0000 0000 0000 000例6求IEEE 754单精度码为(CC968000)16的浮点数的真值 N解一(CC968000)16=1 10011001 00101101000000000000000N为负数，浮点数为规格化数(1V 10011001V 254);阶=(10011001)2 (01111111)2 =(00011010)2=(26)10尾数=(1.00101101)2 =(1.17578125)10.N=( -1)

48、1 X 1.17578125X 226=-1.17578125X 226数值数据的表示小结：表示格式有定点和浮点两种，编码方式决定运算器的运算方法,数码长度总是固定的四、非数值数据的数据表示 MEM字长的特征：MEM字长一均为2n位(n为常数)；一便于数据长度的二进制运算地址数据(1位)地址 数据(设字长为16位)0000H0001H地址数据()OOOOH0001H0000100010001111MEM字长种类一有二进制位、机器字长、折中长度 3类提高MEM的存储效率:指令中地址效率一妗MEMM址应对应多个数据位:通常丕采用按位编址数据的存储效率一短数据占1±字长，长数据占缸b字长通

49、常采用按折中长度(如字节)编址1、字符数据的表示指字符的交换码在存储/处理时的表示方式，即字符的内码。水数据的表示方法,表示格式一qI瓦 明 Cl Q扩座位字符交换码数码长度一为幽序长的倍数，BPn-kW；编码方式一无符号的二进制编码 例1-常见字符交换码的表示；字符种类一制长MEM按字专数码长度ASCII码78位= 7+1Unicode码1616 位= 16+0GB2312-8峭1416 位=14+2字符数据的表示于编址MEM按字（设=16）编址占地址数数码长度占地址数1个16 位= 7+91个2个16位二16卜01个2个16位=14+21个2、逻辑数据的表示* 数学特征：值域一真、假；运算一与（AND）、或（OR）、非（NOT）等* 数据的表示方法：数码长度一1位一 n位（n为MEM字长倍数）；一以提高存储效率表示格式-口个逻辑数二属捆绑表示,每