计算机科学与导论 第2章 计算机体系结构与组织

1、第二章计算机体系结构和组织学习目标了解数据的机器编码、微型计算机系统的组成、存储系统的组织结构、基本输入/输出系统、计算机系统的分类、多核技术、高性能计算机、并行计算机、网络计算机和分布式系统。掌握数字数据的表示和计算、非数字数据的编码、数字逻辑和数字系统。第2章计算机体系结构和组织，2.1数字数据，计算机只能识别二进制编码的指令和数据，以及其他信息，如数字、字符、声音、图形、图像等。必须先转换成二进制形式，然后才能提供给计算机进行识别和处理。因为二进制系统只有两种状态，即0和1，所以它只对应于物理设备的两种状态，例如高和低电压信号、门电路的开和关等。十进制电路需要以10种状态来描述，这将使电

2、路非常复杂和难以处理。因此，使用二进制将使计算机在物理上变得简单，并具有可靠性高、处理简单和抗干扰能力强的优点。2.1.1数字表示和数字系统转换。十进制和十进制(时钟)是日常生活中常用的。计算机中的所有数据都是以二进制代码的形式存储、处理和传输的，但为了方便用户输入/输出或书写，通常使用八进制和十六进制。在十进制中，进位原则是“每十进制一”。可以看出，在二进制系统中，进位原理是“每个二进制1”；在八进制中，进位原则是“每八进一”；在十六进制系统中，进位原则是“每十六进制一”。进位计数制(位置计数法)Ai:数字(数字符号)x:基数，称为“基数”或“基数”(数字数):重量(数值中每个固定位置对应的

3、单位)计数规则：以每个基数为例：(123.45)10=1102 2101 3100 410-1 510-2(101.01)2=122 021 120 02字母表法：在末尾写下相应的数字字母系统的简化符号、数字之间的基本关系、数字之间的转换、其他数字到十进制二进制的转换以及八进制和十六进制十进制数字到其他十进制数字以及其他十进制数字到十进制数字的转换。方法：根据进位计数系统(位置计数法)，得出十进制例1:二进制数1101.101转换成十进制数解：(1011.101)2=123 022 121 120 12-1 02-2 12-3=8 021 0 . 50 . 125=11.625，例2:将十六进

4、制数2AE.4转换成十进制数解：2ae.4h=2162 10161 14160 方法：四位二进制对应一位十六进制(从右到左为整数部分，从左到右为小数部分)示例1:将101101001.110101b转换为十六进制数字解决方案：整数部分：00101110012E9十进制部分：110100d 4 so 1011101001.110101 b=2E 9。 D4H，二进制和十六进制之间的转换，示例2:将5A.3BH转换为二进制数解决方案：5 A. 3 B 101 1010。0011 1011，所以5A.3BH=1011010.00111011B，方法：将整数部分除以基数并取余数，示例1:十进制整数(1

5、05)10转换为二进制整数解：2 105 2 52余数是1 2 26余数是0 2 13余数是0 2 6余数是1 2 3余数是0 2 1余数是1 0余数是1，所以，(105)10(1101001)2例2:十进制十进制(0.8125)10转换成二进制十进制数，采用“二乘二取整”的方法。过程如下：0.812521.625取整数1 0.62521.25取整数1 0.2520.5。思考：(1)把十进制转换成十六进制？(2)整数和小数都有？练习，将(11.375)10转换成二进制数，将十进制数301.6875转换成十六进制数，将3ADH转换成十进制数，将10001110010001010B转换成十六进制数

6、。为什么计算机使用二进制数？在计算机中，数字用物理设备的状态来表示，而二进制系统只有两种状态(0，1)，这很容易用电路来表示。电位水平、脉冲的有无以及电路的通断都可以表示出来。二进制可以方便地表示逻辑值并执行逻辑运算。二进制算术规则简单，易于用数字逻辑电路实现。2.1.2数字的原始代码、补码和补码以及数字数据应在计算机中表示，并应与实际使用中的要求相同。数字数据在计算机中的表示必须明确表示符号表示法和小数点位置表示法。在计算机中，数字数据的符号表示方法很简单，计算机中使用二进制0和1，它们只对应于正符号和负号。因此，在计算机中，表示一个数字数据的符号的方式是占据一个二进制数字，用“0”表示正号

7、，用“1”表示负号。为了区分符号和数值，二进制数字数据在计算机中用原始码、反码和补码表示。真值和机器数，是计算机中指数的表示形式。为了表达公共数和机器数之间的对应关系，公共数被称为机器数的真值。因此，计算机中只有机器的数量，没有数量的真正价值。例如，N1和N2两个数字的真值为：N11101010 N21011100，对应的机器编号为：n1: 01101010n2: 1101100，原始代码：二进制数，最高有效数字代表数字的符号(0正，1负)，其余数字代表数值本身。整数的原始码公式：02noriginal=2n-X=2nX-2n0十进制原始码公式：02noriginal=1 X110一般方法：对

8、于最左边的符号，如果它是正数，则原始码的符号位为0，如果它是负数，则原始码的符号位为1，然后剩余的数字位被写入符号的右边而不改变。示例：查找原始代码1011、1011、0.1011、0.1011。原码的特点是：原码与真值之间的关系简单，原码与真值之间的转换方便，适用于乘法和除法。在机器中进行加减运算就更复杂了。逆码，逆码：一个二进制数，如果模2n-1，它的补码被称为补码整数的补码公式：02n逆=(2 n1-1)2n0十进制源代码公式：01逆=(2-n)X-10一般方法：对于最左边的符号，如果是正数，补码的符号位为0，其余的数字位不变；如果为负，则逆码的符号位为1，然后其余的数字位逐位反转。例：

9、求1011、1011、0.1011、0.1011的逆码的特点：加减时，如果最高位有进位，最低位应该是1，此时需要再加一次，增加了复杂度，影响了速度，所以很少使用。补码，补码：一个二进制数，如果以2n为模，它的补码被称为补码整数的补码公式：02n逆=2n1x2nx十进制补码公式：01逆=2 X210一般方法：对于最左边的符号，如果它是一个正数，补码的符号位是0，其余的数字不是。如果它是负数，补码的符号位是1，然后其余的数字位被逐位反转，然后加1。例：求1011、1011、0.1011、0.1011的补码的特点：在没有溢出的情况下，补码的运算简单，可以得到正确的结果。与原代码相比，正轴方向的补码范

10、围与原代码相同，但负轴方向的补码范围增加了一个单位。三种代码系统的比较，同一点解决了机器中数字数据符号的表示。最高有效位代表符号位。不同点的原始代码的符号位和数字位必须分开操作。有两种方法分别表示原始码和倒码的零。当码字长度需要扩展时，所采用的处理方法是不同的。由原始码和补码表示的正负数的范围相对于零是对称的，而补码的负数的范围比正数的范围宽。表示机号，问题约为-0，-0补码=100000000 b-0补码=000000000 b-128补码=1000000b示例：-64 1100 0000-64 1100 0000-128 11000 0000=-128补码符号位进位丢失-128 1000

11、0000 127 11=-1的补码、约为-0，如果您错误数据中小数点的位置在操作过程中是固定的，小数点的位置由计算机设计者在机器的结构中指定。常用的定点整数和定点小数、定点整数和由定点整数表示的数字都是整数，而小数点固定在数字位数的最低位之后。格式是：如果参与运算的数字是十进制的，在将其发送到计算机之前，将其乘以一个比例因子，并将其放大为一个整数。符号位、数字位、虚小数点、定点小数点和定点小数点都是小数，小数点在最左边的符号位和数字位之间。格式为：符号位，数字位，虚小数点。如果参与运算的数字大于或等于1，将其除以一个比例因子，并在将其发送到计算机之前将其减少到小于1。定点的优点：计算简单方便，

12、但需要计算参与运算的数的比例因子，增加了额外的计算量，浮点数，浮点数的统一格式：n=MRE:指数，顺序码m:有效数或尾数r:基数101101.0101 b 1011012-4 1011010.1012-1 10110101.012-2 1011010.12-3 0.1011010.12-3小数点后是1，它是一个整数(正整数或负整数)有两种顺序码和尾数采用相同的编码系统。顺序码和尾数采用不同的编码系统。在情况1:中，字长被设置为16位，包括1位顺序符号、4位顺序码、1位尾部符号和10位尾数。要求将X=101101.0101写成一个规范化的浮点补码数，并且顺序码和尾数都用补码表示。X=-10110

13、1.0101-0.101101010126，浮点数机的数量，例如2:顺序码用原始码表示，尾数用补码表示。找出下列机器的真正价值。求： -0.110110011122的真值，浮点数的个数，以及2.1.4十进制数的编码。十进制数常用的编码方法有BCD码、剩余3码、格雷码等。BCD编码方法未压缩的BCD码压缩的BCD码，在8421BCD码和十进制数之间转换，把十进制数转换成8421BCD码的方法很简单，每一个十进制数的1位可以用4个二进制数来表示。示例2.16将十进制数578.43转换为8421BCD代码。578.43=(0101 0111 1000.0100 0011)BCD .将8421BCD码

14、转换成十进制数意味着每四个二进制数由一个十进制数表示。示例2.17将8421BCD代码1001 1001 0111.0011 0110转换为十进制数。(1001 1001 0111.0011 0110)BCD=997.36 .8421BCD码的格式分为压缩的8421BCD码(也称为组合BCD码)和未压缩的8421BCD码(也称为未组合BCD码和分离BCD码)。(1)压缩8421BCD码。每个十进制数由一个4位二进制数表示，即一个字节代表一个2位十进制数。例如，压缩的BCD码(01100101)表示为65的十进制数。(2)未压缩的8421BCD代码。每个十进制数由一个8位二进制数表示，即一个字节

15、代表一个1位十进制数，每个字节只有低4位代表09，高4位是不确定数。例如，十进制数字65由未压缩的BCD代码表示为(-0110-0101) BCD，其中“-”是一个不确定的数字。2.2非数字数据，除了处理数字数据外，计算机还可以处理非数字数据，包括字符、声音、图形、图像等数据信息。因为计算机只以二进制代码的形式处理数据，所以非数字数据必须先转换成二进制表示的形式，然后才能提供给计算机进行处理。2.2.1文字信息的编码、文字处理语言信息的输入、语言信息的传输、信息处理语言的输出、英文字符的编码，以及美国信息交换标准代码ASCII(美国信息交换标准代码):美国信息交换标准代码通常在微型计算机中用来表示字符。它最多可以代表128个字符，包括10个数