计算机组成原理本全PPT白中英

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1、1白中英2计算机组成：计算机组成：主要指计算机硬件的具体实现方式及工作原理从三方面掌握本课程内容 硬件结构硬件结构：从物理上、逻辑上掌握计算机各部件和器件的构成和作用 实现方式：实现方式：硬件联接形式和内部处理方式（如控制器、运算器的实现方式等） 工作原理：工作原理：计算机各部分内部工作过程3本课程的重要地位本课程的重要地位本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课，本课程是计算机及相关专业的核心专业基础课，对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分对后续课程（操作系统、接口与通信等）的学习十分重要。考研必考课程。重要。考研必考课程。通过课程的学习主要掌握以下内容通过课程的学习主要掌握以下内

2、容本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原本课程主要讲授单处理机系统的组成及工作原理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构），理。分析和说明计算机由哪些功能部件组成（结构），各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自各功能部件在整机中的作用，以及它们如何完成各自所分配的任务（工作原理）所分配的任务（工作原理）。学习难点学习难点内容较多、结构复杂、要有数字逻辑的基础内容较多、结构复杂、要有数字逻辑的基础学习思路（方法）学习思路（方法）分析结构、弄清原理、多做练习分析结构、弄清原理、多做练习4l主要内容主要内容l计算机系统概述（计算机基础、基本概念）计算机系统概述（计算机基础、基本概念）l

3、运算方法和运算器（计算机中数据的表示和编码：包括运算方法和运算器（计算机中数据的表示和编码：包括数值、非数值数据，整数、小数，汉字，校验码等。计数值、非数值数据，整数、小数，汉字，校验码等。计算机中运算方法：定点运算、浮点运算、逻辑运算。运算机中运算方法：定点运算、浮点运算、逻辑运算。运算器及实现算器及实现)l内部存储器内部存储器(存储器芯片的结构与工作原理，存储器的组存储器芯片的结构与工作原理，存储器的组织与连接，高速存储器、等织与连接，高速存储器、等)l指令系统（指令格式、寻址方式、典型指令）指令系统（指令格式、寻址方式、典型指令）l中央处理器（中央处理器（CPU的组成及工作原理，控制器的

4、实现，的组成及工作原理，控制器的实现，实现技术）实现技术）l总线系统（总线概念、总线技术）总线系统（总线概念、总线技术）l外围设备（典型外围设备基本工作原理）外围设备（典型外围设备基本工作原理）l输入输出系统（输入输出系统（ 输入输出控制方式）输入输出控制方式）l操作系统支持操作系统支持(调度，存储管理，虚拟存储器等调度，存储管理，虚拟存储器等)5第一节计算机分类第一节计算机分类电子计算机从总体上来说分为两大类电子计算机从总体上来说分为两大类:电子电子模拟计算机和电子数字计算机。模拟计算机和电子数字计算机。 电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示示,运算

5、过程也是连续的。运算过程也是连续的。 电子数字计算机的主要特点是按位运算电子数字计算机的主要特点是按位运算,并且并且不连续地跳动计算。不连续地跳动计算。 6数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用和数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。性和适应性来划分的。 专用机是最有效、最经济和最快速的计算机专用机是最有效、最经济和最快速的计算机,它是针它是针对某一任务设计的计算机对某一任务设计的计算机,但是它的适应性很差。但是它的适应性很差。 通用机适应性很大通用机适应性很大,但

6、是牺牲了效率、速度和经济性。但是牺牲了效率、速度和经济性。通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、小型机、微通用计算机又分巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。它们的区别在于体积、简易性、型机和单片机六类。它们的区别在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。和机器价格。7 1、计算机五代变化、计算机五代变化2、半导体存储器芯片的发展、半导体存储器芯片的发展3、微处理器的发展、微处理器的发展4、计算机体系结构的变化、计算机体系结构的变化计算机体系结构是在冯计算机体系结构是在冯诺依曼结构的基础上，围诺依曼结

7、构的基础上，围绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、绕提高速度、提高字长、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和提高系统可靠性和方便使用等诸方面，通过新器件和新软件提高计算机性能。新软件提高计算机性能。体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线体系结构上，从指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。行体系结构、分布式体系结构等方面的形成和发展。体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化、多媒体体系结构发展趋势：网络化、智能化、模块化

8、、多媒体应用。应用。8一、数字计算机硬件的组成一、数字计算机硬件的组成硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。计算机硬件由五大部分组成：即运算器、控制器、计算机硬件由五大部分组成：即运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。存储器、输入设备、输出设备。运算器进行数据处理或信息加工（）运算器进行数据处理或信息加工（）包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理存储器存放程序和数据（）存储器存放程序和数据（）程序是计算机进行各种操作和控制的依据程序是计算机进行各种操作和控制的依据数据是计算机进行操作的对象数据是计算机进行操作的对象计

9、算机中存放的程序和数据都是二进制形式的计算机中存放的程序和数据都是二进制形式的9控制器控制计算机各部分自动协调的工作（）控制器控制计算机各部分自动协调的工作（）完成的工作是从内存中读取指令，分析和解释指令，完成的工作是从内存中读取指令，分析和解释指令，然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各部分然后按指令的要求发出操作命令，控制计算机各部分自动协调的工作。自动协调的工作。简单程序简单程序指令形式指令形式控制器的基本任务控制器的基本任务指令流和数据流指令流和数据流冯冯诺依曼体系结构计算机的主要特征是：采用存储程诺依曼体系结构计算机的主要特征是：采用存储程序和数据，由指令流来控制计算机的操作。序

10、和数据，由指令流来控制计算机的操作。输入设备输入信息到计算机中的设备输入设备输入信息到计算机中的设备输出设备从计算机中输出信息的设备输出设备从计算机中输出信息的设备10第四节计算机软件一、软件的组成与分类一、软件的组成与分类 计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算计算机中的各种程序、数据和有关文档构成计算机的软件系统。机的软件系统。计算机的软件一般分为两大类：计算机的软件一般分为两大类：系统软件：便于计算机使用的系统管理程序系统软件：便于计算机使用的系统管理程序(包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等）包括操作系统、语言处理、数据库管理系统等）应用软件：针对用户具体实际应用的程序应用软件

11、：针对用户具体实际应用的程序11二、软件的发展二、软件的发展 目的程序目的程序 汇编程序汇编程序 源程序源程序 编译程序编译程序 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 12第四节计算机系统的层次结构 一、多级组成的计算机系统一、多级组成的计算机系统 微程序设计级微程序设计级 一般机器级一般机器级 操作系统级操作系统级 汇编语言级汇编语言级 高级语言级高级语言级二、软件与硬件的逻辑等价性二、软件与硬件的逻辑等价性13计算机系统具有层次性，它是由多级层次结计算机系统具有层次性，它是由多级层次结构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上层是下层功能的扩展，

12、下层是上层的基础；层是下层功能的扩展，下层是上层的基础；层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相互渗透的互渗透的。14第一节数据与文字的表示第一节数据与文字的表示数据一般分为两大类：数据一般分为两大类：数值数据：有确定的值，相互间有大小关系数值数据：有确定的值，相互间有大小关系非数值数据：相互间无大小关系，用于表示符号、非数值数据：相互间无大小关系，用于表示符号、文字或属性。文字或属性。15一、数制及相互转换一、数制及相互转换1、数制、数制常用数制常用数制十进制（十进制（D）：日常使用数制）：日常使用数制二进制（二进制（B）：数字计算机内部使用数制）：数字计

13、算机内部使用数制十六进制（十六进制（H）：为使于对二进制的阅读和）：为使于对二进制的阅读和书写，常采用十六进制（或八进制）表示。书写，常采用十六进制（或八进制）表示。16对一任意数对一任意数S，其，其r进制数表示为进制数表示为（S）rkn r n-1+kn-1 r n-2+ +ki r i-1 + +k-m r -m-1其中其中 kir r称为进位计数值的称为进位计数值的基数基数， ki为第为第i位位数字符数字符， i为为位序位序号号, r i为第为第i位的位的位权位权。17(347) 8 =382+481+780=(103)10(347.5) 8 =382+481+780+58-1 =(23

14、1.625)10(34E.5) 16 =3162+4161+14160+516-1 =(846.3125)10182、不同数制间的转换、不同数制间的转换1十进制十进制八，十六进制八，十六进制二进制二进制法则法则整数部分：除整数部分：除8（16）取余数）取余数小数部分：乘小数部分：乘8（16）取整）取整重复循环重复循环192八，十六进制八，十六进制二进制二进制二进制二进制八进制八进制以小数点为界，分别向左和向右每三以小数点为界，分别向左和向右每三位分为一组，然后写出各组对应的八进位分为一组，然后写出各组对应的八进制数。制数。二进制二进制十六进制十六进制以小数点为界，分别向左和向右每四位分以小数点

15、为界，分别向左和向右每四位分为一组，然后写出各组对应的十六进制为一组，然后写出各组对应的十六进制数。数。203八，十六进制八，十六进制十进制十进制直接按照相应进制数的公式，依直接按照相应进制数的公式，依“按按权相加权相加”的方法计算出通式的值。的方法计算出通式的值。(10110.01)= 124+023+122+181 +120 +02-1 +12-2 =(22.25)10(347.5) 8 =382+481+780+58-1 =(231.625)10(34E.5) 16 =3162+4161+14160+516-1 =(846.3125)1021二、数据格式二、数据格式在计算机中进行数据表示

16、时需考虑的几个在计算机中进行数据表示时需考虑的几个因素：因素：表示数的类型（小数、整数、实数等）表示数的类型（小数、整数、实数等）数值的范围数值的范围数值的精度数值的精度数据存储及处理的硬件代价数据存储及处理的硬件代价22计算机中常用的数据表示格式有两种，一是定点格式，计算机中常用的数据表示格式有两种，一是定点格式，二是浮点格式。二是浮点格式。一般来说一般来说定点格式定点格式容许的数值范围有限容许的数值范围有限(通常用于表示整通常用于表示整数或纯小数），但要求的处理硬件比较简单。数或纯小数），但要求的处理硬件比较简单。浮点格式浮点格式容许的数值范围很大（可以表示实数），容许的数值范围很大（可以

17、表示实数），但要求的处理硬件比较复杂。但要求的处理硬件比较复杂。23、定点数的表示、定点数的表示定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。固定不变的。由于约定在固定的位置，小数点就不再使用记号由于约定在固定的位置，小数点就不再使用记号“.”来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。n+1位定点数表示：位定点数表示： X0 X1 X2X3 Xi Xn-2 Xn-1Xn 其中其中X0为符号位，为符号位， X Xn为数值部分为数值部分, Xi为或。为或。241定点小数定点小数最高位为符号位，小数点位置隐含约定

18、最高位为符号位，小数点位置隐含约定在符号位后，其后为数值部分在符号位后，其后为数值部分n+1位定点小数的表示范围是位定点小数的表示范围是0X12n或：或： (12n ) X12n（16位小数范围：位小数范围： (12 ) X12）252定点整数定点整数最高位为符号位，其后为数值部分，小最高位为符号位，其后为数值部分，小数点位置隐含约定在数值部分的后面。数点位置隐含约定在数值部分的后面。n+1位定点整数的表示范围是位定点整数的表示范围是0X2n 1或：或： (2n 1) X2n 1（16位整数范围：位整数范围： (215 1) X (215 1)262、浮点表示法浮点表示法1数的浮点表示数的浮点

19、表示其范围和精度部分分别用定点数表示其范围和精度部分分别用定点数表示123.45=1234.5101=1234510 2 =12345010 34796.540 . 4796541040.00479654 0 . 4796541020.00479654 0 . 47965410227101.1101=0.101110120011=0.01011101020100101.1101=0.101110120011=0.010111010201000.0001011101=0.101110120011=0.010111010200100.0001011101=0.101110120011=0.0101

20、110102001028任意十进制任意十进制N，可以化为，可以化为NM10E其中其中M为小数，为小数，E为整数为整数一个数一个数S的任意进制表示的任意进制表示（S）RmRem ：尾数尾数，是一个纯小数。，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的：比例因子的指数，称为浮点的指数指数，是一个，是一个整数。整数。 R ：比例因子的：比例因子的基数基数，对于二进计数值的机器，对于二进计数值的机器是一个常数，一般规定是一个常数，一般规定 为为2，8或或16。 29浮点表示法浮点表示法：把一个数的有效数字和数的范围把一个数的有效数字和数的范围在计算机的一个存储单元中分别予以表示，在计算机的一个存储

21、单元中分别予以表示，这种把数的范围和精度分别表示的方法，数这种把数的范围和精度分别表示的方法，数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内自由浮动。围内自由浮动。 对于：对于：101.1101（=0.101110120011）只需存放只需存放0.1011101和和0011即即01011101001130一个机器浮点数由一个机器浮点数由阶码阶码和和尾数尾数及其及其符号位符号位组成组成（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的（尾数：用定点小数表示，给出有效数字的位数，决定了浮点数的表示精度；阶码：用位数，决定了浮点数的表示精度；阶码：用整数形式表示，指明小数点在

22、数据中的位置，整数形式表示，指明小数点在数据中的位置，决定了浮点数的表示范围。）决定了浮点数的表示范围。）具体格式见教材具体格式见教材17 31IEEE标准标准总位数符号位阶码尾数总位数符号位阶码尾数短实数短实数321823长实数长实数64111 52临时实数临时实数80115 6432阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式阶码和尾数各占用的位数确定了浮点数的格式对二进制数而言：对二进制数而言：1110.0110.11100112100 0.0011100110.1110011210 0.0011100110.1110011210在将上面的数以浮点数格式存放时，只需将在将上面的数以浮点数格式

23、存放时，只需将红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应红色部分按照浮点数格式要求的位数，化为相应的补码或移码，按照浮点数格式存放的补码或移码，按照浮点数格式存放。33为提高数据的表示精度，当尾数的值不为为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝时，其绝对值应对值应0.5，即尾数域的最高有效位应为，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修否则以修改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表示形式，这称为浮点数的示形式，这称为浮点数的规格化表示规格化表示。 101.1101=0.101110120011=0.01011101020100 规格化表示

24、为尾数是规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是，阶码是0011而尾数是而尾数是0.01011101，阶码是，阶码是0100不是规格化表示。不是规格化表示。34当浮点数的当浮点数的尾数为尾数为 0，不论其阶码为何值，或者，不论其阶码为何值，或者阶码的值遇到比它能表示的最小值还小时，阶码的值遇到比它能表示的最小值还小时，不管其尾数为何值，计算机都把该浮点数看成不管其尾数为何值，计算机都把该浮点数看成零值，称为零值，称为机器零机器零。 浮点数转换的实例见浮点数转换的实例见1835IEEE754浮点数格式说明浮点数格式说明一个规格化的一个规格化的32位浮点数位浮点数的真值可表示为的真值可表示为

25、(1)s(1.)2127 e127其中的范围是（阶码范围其中的范围是（阶码范围126+127），），0和和255作特殊用途：作特殊用途：浮点数浮点数+, 0：，时表示：，时表示x(1)，：255，M0时时x (1)IEEE754的的32位浮点数表示的除外的绝对值最小的数：位浮点数表示的除外的绝对值最小的数：s 00000001 0000 0000 0000 0000 0000 000 x()S21261.0IEEE754的的32位浮点数表示的除位浮点数表示的除外的绝对值最大的数：外的绝对值最大的数：s 11111110 1111 1111 1111 1111 1111 111x()S2127(

26、22 23)363、十进制数串的表示、十进制数串的表示十进制数串在计算机内主要有两种表示形式：十进制数串在计算机内主要有两种表示形式： 1字符串形式字符串形式字符串形式字符串形式：一个字节存放一个十进制的数：一个字节存放一个十进制的数位或符号位。为了指明这样一个数，需要给位或符号位。为了指明这样一个数，需要给出该数在主存中的起始地址和位数出该数在主存中的起始地址和位数(串的长度串的长度)。 372.压缩的十进制数串形式压缩的十进制数串形式压缩的十进制数串形式压缩的十进制数串形式：一个字节存放两：一个字节存放两个十进制的数位。它比前一种形式节省存储个十进制的数位。它比前一种形式节省存储空间，又便

27、于直接完成十进制数的算术运算，空间，又便于直接完成十进制数的算术运算，是广泛采用的较为理想的方法。是广泛采用的较为理想的方法。码（二十进制编码）码（二十进制编码）38、自定义数据表示、自定义数据表示自定义数据表示则用数据本身来说明数据类型。自定义数据表示则用数据本身来说明数据类型。其表示形式有两种，即其表示形式有两种，即标志符数据表示标志符数据表示和和描描述符数据表示述符数据表示。标志符数据表示标志符数据表示要求对每一个数据都附加标志要求对每一个数据都附加标志符（），其中标志符指明后面的数据符（），其中标志符指明后面的数据所具有的类型，如整数、浮点数、所具有的类型，如整数、浮点数、BCD数、数

28、、字符串等。字符串等。39描述符数据表示描述符数据表示主要用来描述多维结构的数据主要用来描述多维结构的数据类型，如向量、矩阵、记录等（）类型，如向量、矩阵、记录等（） 。描述符标志位部分指明这是一个数据描述符；描述符标志位部分指明这是一个数据描述符；特征标记部分指明数据的各种特征；长度部特征标记部分指明数据的各种特征；长度部分指明数组中元素个数；起始地址部分指明分指明数组中元素个数；起始地址部分指明数据块的首地址。数据块的首地址。40标志符与描述符表示的标志符与描述符表示的区别区别是：是： (1)标志符与每个数据相连，二者合起来存放标志符与每个数据相连，二者合起来存放在一个存储单元，而描述符要

29、和数据分开存在一个存储单元，而描述符要和数据分开存放。放。 (2)描述符表示中，先访问描述符，后访问数描述符表示中，先访问描述符，后访问数据，至少增加一次访存。据，至少增加一次访存。 (3)描述符是程序的一部分，而不是数据的一描述符是程序的一部分，而不是数据的一部分。部分。41二、数的机器码表示二、数的机器码表示在计算机中对数据进行运算操作时，符号位的在计算机中对数据进行运算操作时，符号位的表示，符号位是否也同数值位一道参加运算，表示，符号位是否也同数值位一道参加运算，如何参加运算？为了妥善的处理好这些问题，如何参加运算？为了妥善的处理好这些问题，就需要把符号位和数字位一起编码表示数据，就需要

30、把符号位和数字位一起编码表示数据，为适应不同的处理要求，产生了多种数据编为适应不同的处理要求，产生了多种数据编码方法，如原码、补码、反码、移码等。码方法，如原码、补码、反码、移码等。42计算机中对数据的表示都采用二进制编码计算机中对数据的表示都采用二进制编码真值：数值数据的实际值，如真值：数值数据的实际值，如257257，33,1011B33,1011B等等机器数（机器码）：数值数据在计算机内的编机器数（机器码）：数值数据在计算机内的编码表示码表示43在计算机中通常采用原码、补码、反码和在计算机中通常采用原码、补码、反码和移码表示数值数据移码表示数值数据原码、补码、反码的原码、补码、反码的共性

31、共性：1)这几种编码表示中，正数的编码值与真这几种编码表示中，正数的编码值与真值一样，负数具有不同的编码。值一样，负数具有不同的编码。2）编码的最高位为符号位：）编码的最高位为符号位：0表示正表示正1表示负表示负441、原码表示法、原码表示法符号位：符号位：0表示正，表示正，1表示负表示负数值部分：与真值的二进制形式一样数值部分：与真值的二进制形式一样原码的特征：原码的特征：1）零有两种表示：）零有两种表示：0和和0+0原原=0.000.0-0原原=1.000.0 2）优点：简单直观，便于乘、除法运算）优点：简单直观，便于乘、除法运算缺点：加减法运算不便（符号不能直接参预缺点：加减法运算不便（

32、符号不能直接参预运算）运算）452、反码表示法、反码表示法符号位：符号位：0表示正，表示正，1表示负表示负数值部分：正数不变；负数反码是将真值数值部分：正数不变；负数反码是将真值的各位取反得到的各位取反得到反码的特征：反码的特征：1）零有两种表示：）零有两种表示：0和和00反反0.00.00反反1.11.12）通常用于求补码）通常用于求补码463、补码表示法、补码表示法符号位：符号位：0表示正，表示正，1表示负表示负数值部分：正数不变；负数通过求补得到数值部分：正数不变；负数通过求补得到计算机中数值数据采用补码形式，其符号计算机中数值数据采用补码形式，其符号部分可以直接参预加、减法运算。部分可

33、以直接参预加、减法运算。补码的特征：补码的特征：1）零的表示唯一）零的表示唯一2）补码加减法运算中，符号直接参预运算）补码加减法运算中，符号直接参预运算3）定点小数表示中，）定点小数表示中，-1补补1.00047、移码表示法、移码表示法移码通常用于表示浮点数的阶码。阶码是个移码通常用于表示浮点数的阶码。阶码是个n位的整位的整数。数。n+1位移码的定义是位移码的定义是移移2n2n2n符号位：符号位：1表示正，表示正，0表示负表示负数值部分：与补码数值部分相同数值部分：与补码数值部分相同移码的特征：移码的特征：1）零的表示唯一：）零的表示唯一：100002）移码只能表示整数（只有整数有移码），用于

34、浮）移码只能表示整数（只有整数有移码），用于浮点数阶码表示点数阶码表示48例：写出下列各数位的原码、反码、补码、移码表示。例：写出下列各数位的原码、反码、补码、移码表示。77103 0.0110123/6477=1001101103= 110011123/64= 1011126=0.01011149例：写出下列机器码的真值。例：写出下列机器码的真值。x1原原0.110101x2原原1000101x3反反1.010101 x4反反0.000101x5补补1.010101 x6补补0.000101x7补补1.000000 x8补补10000000 x3移移1.010101 x4移移0.000101

35、50三、字符与字符串的表示方法三、字符与字符串的表示方法、字符的表示、字符的表示采用位采用位ASCII码表示码表示0 9 30H39HA41Ha61H512、字符串的表示、字符串的表示字符串字符串是指连续的一串字符是指连续的一串字符,通常方式下通常方式下,它们占它们占用主存中连续的多个字节用主存中连续的多个字节,每个字节存一个字符。每个字节存一个字符。当主存字由当主存字由2个或个或4个字节组成时个字节组成时,在同一个主存在同一个主存字中字中,既可按从低位字节向高位字节的顺序存放字符既可按从低位字节向高位字节的顺序存放字符串的内容串的内容,也可按从高位字节向低位字节的次序顺序也可按从高位字节向低

36、位字节的次序顺序存放字符串的内容。存放字符串的内容。52四、汉字的表示方法四、汉字的表示方法内部编码（内码），输入码，显示（打印）码内部编码（内码），输入码，显示（打印）码53五、校验码五、校验码校验码校验码：按照一定的规律和方法，通过给数据增加一位：按照一定的规律和方法，通过给数据增加一位或多位数据而重新编码的方法，使得计算机能够发现或多位数据而重新编码的方法，使得计算机能够发现或纠正数据在存放或传送过程中出现的错误。这样得或纠正数据在存放或传送过程中出现的错误。这样得到的新的编码称为校验码。其中增加的数据位称为校到的新的编码称为校验码。其中增加的数据位称为校验位。验位。54检错码检错码：具

37、有发现错误能力的校验码称为检错码。：具有发现错误能力的校验码称为检错码。纠错码纠错码：能够发现并纠正错误的校验码称为纠错码。：能够发现并纠正错误的校验码称为纠错码。奇偶校验码奇偶校验码：能够发现一位或奇数位数据错误。：能够发现一位或奇数位数据错误。奇校验码奇校验码：通过给数据增加一位校验位，使校验码中：通过给数据增加一位校验位，使校验码中1的个数为奇数个。的个数为奇数个。偶校验码偶校验码：通过给数据增加一位校验位，使校验码中：通过给数据增加一位校验位，使校验码中1的个数为偶数个。的个数为偶数个。55一、补码加法一、补码加法1、补码加法、补码加法负数用补码表示后，可以和正数一样来处理。这样负数用

38、补码表示后，可以和正数一样来处理。这样,运算器里只需要一个加法器就可以了运算器里只需要一个加法器就可以了,不必为了负数不必为了负数的加法运算的加法运算,再配一个减法器。再配一个减法器。补码加法的公式是补码加法的公式是补补补补补补(mod 2)补码加法的特点：补码加法的特点：符号位要作为数的一部分一起参加运算符号位要作为数的一部分一起参加运算,要在模要在模2的意义下相加的意义下相加,即超过即超过2的进位要丢掉。的进位要丢掉。56、补码减法、补码减法负数的减法运算也要设法化为加法来做负数的减法运算也要设法化为加法来做,其所以其所以使用这种方法而不使用直接减法使用这种方法而不使用直接减法,是因为它可

39、以和常是因为它可以和常规的加法运算使用同一加法器电路规的加法运算使用同一加法器电路,从而简化了计算从而简化了计算机的设计。机的设计。数用补码表示时数用补码表示时,减法运算的公式为减法运算的公式为补补补补补补补补补补在实际计算时，利用在实际计算时，利用补补 补补补补公式将减法运算变为加法进行公式将减法运算变为加法进行57现在的问题是如何从现在的问题是如何从y补补去求去求y补补这一点在硬件上实现也很简单，只需对这一点在硬件上实现也很简单，只需对y补补包括符号位包括符号位“求反且最末位加求反且最末位加1 ”（简称（简称“求反加求反加”）,即可得即可得到到y补补。58三、溢出概念与检测方法三、溢出概念

40、与检测方法 在定点小数机器中在定点小数机器中,数的表示范围为数的表示范围为|当当Ex=Ey=E时，时，xy=2E(Mx My)2当当EXEY 时，先通过对阶，使时，先通过对阶，使X和和Y的阶码相同，然的阶码相同，然后按照上式计算。后按照上式计算。(M2EEM)2E，E0操作数检查操作数检查2对阶对阶(小阶向大阶看齐小阶向大阶看齐) 先求阶差先求阶差 E=EXEY若若E=0，则不必对阶，则不必对阶若若E0，则，则EX EY，阶码向阶码向EX 看齐，看齐，MY右移右移E位位若若E0，则，则EX EY，阶码向阶码向EY 看齐，看齐，MX右移右移E位位3尾数相加减尾数相加减4结果规格化结果规格化将尾数

41、部分变为将尾数部分变为0.1或或1.0的形式的形式分为左规格化或右规格化分为左规格化或右规格化5舍入处理舍入处理105、对尾数采用补码时的规格化处理、对尾数采用补码时的规格化处理右规格化：尾数结果为右规格化：尾数结果为10. 或或01. 时进行时进行处理方法：将尾数右移处理方法：将尾数右移1位，并且阶码加位，并且阶码加1。左规格化：尾数结果为左规格化：尾数结果为0.0或或1.1时进行时进行处理方法：尾数每左移处理方法：尾数每左移1位，阶码减位，阶码减1，重复直到结果，重复直到结果尾数为尾数为0.1或或1.0为止。为止。、舍入处理、舍入处理“0舍舍1入入”法：如果右移时被丢掉数位的最高位为法：如

42、果右移时被丢掉数位的最高位为0则舍去则舍去,为为1则将尾数的末位加则将尾数的末位加“1”。“恒置一恒置一”法：只要数位被移掉法：只要数位被移掉,就在尾数的末尾恒就在尾数的末尾恒置置“1”。“就近舍入就近舍入”： 其实质就是通常所说的其实质就是通常所说的四舍五入四舍五入。“朝朝0舍入舍入”： 即朝数轴原点方向舍入即朝数轴原点方向舍入,就是简单的截就是简单的截尾。尾。“朝朝舍入舍入”： 对正数来说对正数来说,只要多余位不全为只要多余位不全为0则则向最低有效位进向最低有效位进1;对负数来说则是简单的截尾。对负数来说则是简单的截尾。“朝朝舍入舍入”： 对正数来说对正数来说,只要多余位不全为只要多余位不

43、全为0则则简单截尾简单截尾;对负数来说对负数来说,向最低有效位进向最低有效位进1。 106、溢出及处理、溢出及处理浮点数的溢出通常是以其阶码的溢出表现出来的。浮点数的溢出通常是以其阶码的溢出表现出来的。 当机器浮点数值大于最大正数，或小于最小负数时，当机器浮点数值大于最大正数，或小于最小负数时，称为称为上溢上溢。上溢时阶码运算值超出了它所表示的范围，。上溢时阶码运算值超出了它所表示的范围，机器必须做中断处理。机器必须做中断处理。 当机器浮点数值小于最小正数当机器浮点数值小于最小正数a值，或大于最大负数值，或大于最大负数b值时，称为值时，称为下溢下溢。下溢通常看作为机器零。下溢通常看作为机器零。

44、 溢出的处理：溢出的处理： 阶码上溢阶码上溢：阶码：阶码 超过了阶码可能表示的最大值的正超过了阶码可能表示的最大值的正指数值指数值,一般将其认为是一般将其认为是和和。 阶码下溢阶码下溢 ：阶码超过了阶码可能表示的最小值的负：阶码超过了阶码可能表示的最小值的负指数值指数值,一般将其认为是一般将其认为是0。 尾数上溢尾数上溢 ：两个同符号尾数相加产生了最高位向上：两个同符号尾数相加产生了最高位向上的进位的进位,将尾数右移将尾数右移,阶码增阶码增1来重新对齐。来重新对齐。 尾数下溢尾数下溢 ：在将尾数右移时：在将尾数右移时,尾数的最低有效位从尾尾数的最低有效位从尾数域右端流出数域右端流出,要进行舍入

45、处理。要进行舍入处理。107二、浮点数的乘、除法运算二、浮点数的乘、除法运算、运算规则、运算规则设有两个浮点数设有两个浮点数和和：2EM2EM浮点乘法运算的规则是浮点乘法运算的规则是2(EE)(MM)浮点除法运算的规则是浮点除法运算的规则是 2(EE)(MM)108、乘、除法运算步骤、乘、除法运算步骤浮点数的乘除运算大体分为以下几个步骤：浮点数的乘除运算大体分为以下几个步骤：0 0 操作数检查。操作数检查。阶码加阶码加/ /减操作。减操作。尾数乘尾数乘/ /除操作。除操作。结果规格化结果规格化舍入处理。舍入处理。、移码运算、移码运算移码加，减法运算的公式为：移码加，减法运算的公式为： 移移 移

46、移 补补 移移 移移 补补上面公式表明执行阶码加减时上面公式表明执行阶码加减时, ,对加数或减数对加数或减数 来说来说, ,应送移码符号位正常值的反码。应送移码符号位正常值的反码。109如果阶码运算的结果溢出如果阶码运算的结果溢出,上述条件则不上述条件则不成立。成立。双符号位的阶码加法器：规定移码的第二个符双符号位的阶码加法器：规定移码的第二个符号位号位,即最高符号位恒用即最高符号位恒用 0 参加加减运算。参加加减运算。 则溢出条件是结果的最高符号位为则溢出条件是结果的最高符号位为1。此时。此时,当当低位符号位为低位符号位为 0时时,表明结果上溢表明结果上溢,为为1时时,表明表明结果下溢。结果

47、下溢。 当最高符号位为当最高符号位为0时时,表明没有溢出。此时，当表明没有溢出。此时，当低位符号位为低位符号位为 1,表明结果为正；为表明结果为正；为 0 时时,表明表明结果为负。结果为负。110三、浮点运算流水线三、浮点运算流水线、流水线原理、流水线原理计算机的流水处理过程同工厂中的流水装配线类计算机的流水处理过程同工厂中的流水装配线类似。似。为了实现流水为了实现流水,首先必须把输入的任务分割为一系首先必须把输入的任务分割为一系列的子任务列的子任务,使各子任务能在流水线的各个阶段使各子任务能在流水线的各个阶段并发地并发地执行执行。将任务连续不断地输入流水线。将任务连续不断地输入流水线,从而实

48、现了从而实现了子任子任务的并行务的并行。流水处理可以大幅度地改善计算机的系统性能，流水处理可以大幅度地改善计算机的系统性能，是在计算机上实现是在计算机上实现时间并行性时间并行性的一种非常经济的方法。的一种非常经济的方法。在流水线中，原则上要求各个阶段的处理时间都在流水线中，原则上要求各个阶段的处理时间都相同。若某一阶段的处理时间较长，势必造成其他阶相同。若某一阶段的处理时间较长，势必造成其他阶段的空转等待。因此对子任务的划分，是决定流水线段的空转等待。因此对子任务的划分，是决定流水线性能的一个关键因素性能的一个关键因素,它取决于操作部分的效率、所期它取决于操作部分的效率、所期望的处理速度，以及

49、成本价格等等。望的处理速度，以及成本价格等等。 111线性流水线：线性流水线：假定作业假定作业 T 被分成被分成 k 个子任务个子任务,可表达为可表达为 TT1,T2,Tk 各个子任务之间有一定的优先关系：若各个子任务之间有一定的优先关系：若ik 时时, Ckk 。这就是说。这就是说,理论上理论上k级线性流水线级线性流水线处理几乎可以提高处理几乎可以提高k倍速度。但实际上由于存储器冲突、数倍速度。但实际上由于存储器冲突、数据相关据相关,这个理想的加速比不一定能达到。这个理想的加速比不一定能达到。114、流水线浮点加法器、流水线浮点加法器浮点数加减法由浮点数加减法由0 0操作数检查、对阶操作、尾

50、数操作、操作数检查、对阶操作、尾数操作、结果规格化及舍入处理共结果规格化及舍入处理共4 4步完成，因此流水线浮点步完成，因此流水线浮点加法器可由加法器可由4 4个过程段组成。图个过程段组成。图2.192.19仅示出了除仅示出了除0 0操作操作数检查之外的数检查之外的3 3段流水线浮点加法器框图。段流水线浮点加法器框图。115四、浮点运算器实例四、浮点运算器实例、之外的浮点运算器、之外的浮点运算器8087是美国是美国Intel公司为处理浮点数等数据的算术公司为处理浮点数等数据的算术运算和多种函数计算而设计生产的专用算术运算处理器。运算和多种函数计算而设计生产的专用算术运算处理器。由于它们的算术运

51、算是配合由于它们的算术运算是配合8086CPU进行的，所以又进行的，所以又称为协处理器。称为协处理器。8087浮点运算器的特点和内部结构：浮点运算器的特点和内部结构： 以异步方式与以异步方式与80386并行工作，并行工作，8087相当于相当于386的一个的一个I/O部件，本身有它自己的指令，但不能单独使用，它部件，本身有它自己的指令，但不能单独使用，它只能作为只能作为386主主CPU的协处理器才能运算。的协处理器才能运算。 可处理包括二进制浮点数、二进制整数、和压缩十进制可处理包括二进制浮点数、二进制整数、和压缩十进制数串三大类数串三大类7种数据，其中浮点数的格式符合种数据，其中浮点数的格式符

52、合IEEE754标准。标准。 全部数据在全部数据在8087中均以中均以80位临时数据的形式表示。因位临时数据的形式表示。因此此8087具有具有80位字长的内部结构，并有八个位字长的内部结构，并有八个80位字长位字长以以“先进后出先进后出”方式管理的寄存器组，又称寄存器堆栈。方式管理的寄存器组，又称寄存器堆栈。116 8087中有处理浮点数指数部分的部件和处理尾数部中有处理浮点数指数部分的部件和处理尾数部分的部件，还有加速移位操作的移位器路线，它们通分的部件，还有加速移位操作的移位器路线，它们通过指数总线和小数总线与八个过指数总线和小数总线与八个80位字长的寄存器堆栈位字长的寄存器堆栈相连接。相

53、连接。 8087内部还设置了三个各为内部还设置了三个各为16位字长的寄存器，即位字长的寄存器，即特征寄存器、控制寄存器和状态寄存器。特征寄存器、控制寄存器和状态寄存器。、之内的浮点运算器、之内的浮点运算器奔腾奔腾CPU将浮点运算器包含在芯片内。浮点运算将浮点运算器包含在芯片内。浮点运算部件采用流水线设计。部件采用流水线设计。指令执行过程分为指令执行过程分为8段流水线。前段流水线。前4 段为指令预段为指令预取取(DF)、指令译码、指令译码(D1)、地址生成、地址生成(D2)、取操作数、取操作数(EX)，在，在U、V流水线中完成。流水线中完成。后后4段为执行段为执行1(X1)、执行、执行2(X2)

54、、结果写回寄存器、结果写回寄存器堆堆(WF)、错误报告、错误报告(ER)，在浮点运算器中完成。一，在浮点运算器中完成。一般情况下，由般情况下，由U流水线完成一条浮点数操作指令。流水线完成一条浮点数操作指令。117118119第三章内部存储器第三章内部存储器存储器存储器：计算机中记录信息的设备，用于存放程序：计算机中记录信息的设备，用于存放程序和数据。和数据。构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。器件和磁性材料。120第一节存储器概述第一节存储器概述一、存储器分类一、存储器分类存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体存储器中最小的存储单

55、位就是一个双稳态半导体电路或一个电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的晶体管或磁性材料的存储元存储元，它可，它可存储一个二进制代码。存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个由若干个存储元组成一个存储单元存储单元，然后再由许，然后再由许多存储单元组成一个多存储单元组成一个存储器存储器。能构成存储元的材料或电路的特征：能构成存储元的材料或电路的特征：具有两种稳定状态具有两种稳定状态两种稳定状态经控制信号可以转换两种稳定状态经控制信号可以转换能读出其中的信息能读出其中的信息无外部原因，其状态能够长期保存无外部原因，其状态能够长期保存121根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有根据存储材料的性能及

56、使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法各种不同的分类方法: 按存储介质分按存储介质分 半导体存储器：半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。用磁性材料做成的存储器。 按存储方式分按存储方式分 随机存储器：随机存储器：任何存储单元的内容都能被随机存取，且任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。存取时间和存储单元的物理位置无关。顺序存储器：顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。单元的物理位置有关。 按存储器的读写功能分按存储

57、器的读写功能分 只读存储器只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的半导体存储器。出而不能写入的半导体存储器。随机读写存储器随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存既能读出又能写入的半导体存储器。储器。 122 按信息的可保存性分按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器：非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。断电后仍能保存信息的存储器。 按在计算机系统中的作用分按在计算机系统中的作用分根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为根据存储

58、器在计算机系统中所起的作用，可分为主存储主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。二、存储器的分级结构二、存储器的分级结构 为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构多级存储器体系结构，即使用即使用高速缓冲存储器、主存储器和外（辅助）存储高速缓冲存储器、主存储器和外（辅助）存储器器构成的多级（三级）存储体系结构。构成的多级（三级）存储体系结构。能够直接访问的存储器称为能够直接访问的存储器称为内存储器（内存）内存储器（内存）。

59、它包括高速缓冲存储器和主存储器（主存）。它包括高速缓冲存储器和主存储器（主存）。不能直接访问外存储器，外存储器上的信息必须不能直接访问外存储器，外存储器上的信息必须调入内存后才能由处理。调入内存后才能由处理。123 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）：是与主存：是与主存储器间的一个高速小容量的半导体存储器。储器间的一个高速小容量的半导体存储器。通过通过Cache可以使高速存取主存储器中可以使高速存取主存储器中的指令和数据。的指令和数据。特点：特点：存取速度快，但存储容量小存取速度快，但存储容量小 。 主存储器（主存）主存储器（主存）：主存存放计算机运行期：主存存放计算机运行期间的大量

60、程序和数据。间的大量程序和数据。特点：特点：存取速度较快，存储容量不大存取速度较快，存储容量不大 。 外存储器（辅助存储器）外存储器（辅助存储器）：外存存放系统程：外存存放系统程序和大型数据文件及数据库。序和大型数据文件及数据库。特点：特点：存储容量大，位成本低存储容量大，位成本低 ，速度慢，速度慢。在多级存储器管理系统中，各级存储器承担各在多级存储器管理系统中，各级存储器承担各自不同的职能：自不同的职能： Cache提速；外存提供大容提速；外存提供大容量；主存提供运行程序和数据的存储。量；主存提供运行程序和数据的存储。124三、存储器基本概念及技术指标三、存储器基本概念及技术指标、基本概念、

61、基本概念记忆元件（存储介质）记忆元件（存储介质）：组成存储器的物理器件：组成存储器的物理器件位位：一位二进制：一位二进制存储单元存储单元：若干存储位构成的存储单元：若干存储位构成的存储单元字节单元字节单元：8位二进制构成的存储单元位二进制构成的存储单元字（存储）单元字（存储）单元：存放一个字的存储单元：存放一个字的存储单元存储体存储体：许多存储单元构成的集合：许多存储单元构成的集合地址地址：存储单元的编号，用于识别不同单元：存储单元的编号，用于识别不同单元字节地址字节地址：每个单元存放一个字节时，则相应地址为字：每个单元存放一个字节时，则相应地址为字节地址节地址字地址字地址：每个单元存放一个机

62、器字时，则相应地址为字：每个单元存放一个机器字时，则相应地址为字地址地址125、技术指标、技术指标存储容量存储容量：存储器具有的存储单元总的数量。：存储器具有的存储单元总的数量。一般可通过地址的位数反映出单元数的多少，它一般可通过地址的位数反映出单元数的多少，它反应了存储器存储信息的能力。其单位通常为：反应了存储器存储信息的能力。其单位通常为：KB，MB，GB，TB。1K21010241M2201G2301K单元有单元有10位地址，位地址， 1单元有单元有20位地址位地址, 1G单元有单元有30位地址。位地址。如：如：32K单元有单元有15位地址，位地址，256M单元有单元有28位地址。位地址

63、。存取时间：存取时间：启动到完成一次存储器操作所经历的时间。启动到完成一次存储器操作所经历的时间。分为分为读出时间读出时间和和写入时间写入时间。存储周期：存储周期：连续启动两次读（写）操作所需间隔的最小连续启动两次读（写）操作所需间隔的最小时间。通常存储周期略大于存取时间。时间。通常存储周期略大于存取时间。存储器带宽：存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，单位时间里存储器所存取的信息量，(单单位为位为MB/s,每秒多少兆字节每秒多少兆字节)，反应了存储器的整体速，反应了存储器的整体速度。度。126第二节第二节SRAM存储器存储器目前广泛采用的半导体存储器是半导体存目前广泛采用的半导体存储

64、器是半导体存储器。根据存储信息的原理不同，分为静态存储器。根据存储信息的原理不同，分为静态存储器（）和动态存储器（）。储器（）和动态存储器（）。一、基本的静态存储元阵列一、基本的静态存储元阵列 所有的所有的SRAM是用一个锁存器是用一个锁存器(触发器触发器)作为存储位元。作为存储位元。SRAM包含三组信号：包含三组信号： 地址线：选择单元，确定容量地址线：选择单元，确定容量(单元数单元数) 数据线：单元的位数数据线：单元的位数 控制线：读写控制控制线：读写控制127128、基本、基本RMOS存储器逻辑结构存储器逻辑结构由存储体由存储体(阵列阵列)、地址译码器、地址译码器、IO电路和电路和控制电

65、路组成控制电路组成地址译码器地址译码器：将用二进制代码表示的地址转换：将用二进制代码表示的地址转换成输出端的高电位，用来驱动相应的读写电成输出端的高电位，用来驱动相应的读写电路，以便选择所要访问的存储单元。路，以便选择所要访问的存储单元。地址译码有两种方式：地址译码有两种方式：单译码（单方向译码）：单译码（单方向译码）：只有一个译码器，译只有一个译码器，译码输出选择一个存储字。码输出选择一个存储字。N位地址，译码输出位地址，译码输出2N个状态，对应个状态，对应2N个单元个单元15位地址，需位地址，需21532K条选通线条选通线双译码双译码：采用：采用X、Y两个方向译码器进行译码。两个方向译码器

66、进行译码。采用双向译码方式可以减少译码输出选择线的条数。采用双向译码方式可以减少译码输出选择线的条数。同样同样32K个单元，采用个单元，采用256128阵列形式时，只阵列形式时，只需要需要256128384条选择线条选择线129130存储体存储体：存储单元的集合：存储单元的集合存储阵列由存储阵列由256行行*128列列*8位的三维结构。位的三维结构。行和列的交叉位置为一个存储单元。通常用行和列的交叉位置为一个存储单元。通常用X选择线选择线(行线行线)和和Y选择线选择线(列线列线)的交叉来选择的交叉来选择所需要的单元。所需要的单元。I/O电路电路： 处于数据总线和被选用的单元之间，处于数据总线和被选用的单元之间， 控制被选中的单元读出或写入，放大信息。控制被选中的单元读出或写入，放大信息。 片选片选: 在地址选择时，首先要选片在地址选择时，首先要选片,只有当片选只有当片选信号有效时，此片所连的地址线才有效。信号有效时，此片所连的地址线才有效。 1313、读、读/写周期波形图写周期波形图读读/写周期波形图精确的反映了写周期波形图精确的反映了SRAM工工作的时间关系。也反映了数据线、地址线、