计算机组成原理(第五版)

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1、广东石油化工学院计算机科学与技术系 刘晶讲课人简介和联系方式n 刘 晶 n 信息学院计算机系 副教授 n 电话：2923841（宅） n E-mail： n QQ：327693987计算机组成原理计算机组成原理目 录n 第一章 计算机系统概论 n 第二章 运算方法和运算器 n 第三章 存储系统 n 第四章 指令系统 n 第五章 中央处理器 n 第六章 总线系统 n 第七章 外围设备 n 第八章 输入输出系统 计算机组成原理计算机组成原理第一章 计算机系统概论n1.1 计算机的分类和应用n1.2 计算机的硬件n1.3 计算机的软件n1.4 计算机系统的层次结构计算机组成原理计算机组成原理1.1

2、计算机的分类和应用一、计算机的分类 电子计算机:n 电子模拟计算机n 电子数字计算机（电脑） 区别：精度；数据存储量；逻辑判断 能力；控制方法。计算机组成原理计算机组成原理数字电子计算机：n专用计算机:高效；高速；经济；不通用。n通用计算机:适应性好；相对不高效、高速、经济。 通用计算机：巨型机；大型机；中型机；小型机；微型机；单片机。 （体积；功耗；性能；数据存储量；指令系统；价格成递减）计算机组成原理计算机组成原理二、计算机的应用n科学计算 n测量和测试 n教育和卫生 n自动控制 n信息处理 n家用电器 n人工智能计算机组成原理计算机组成原理1.2 计算机的硬件组成：计算机组成原理计算机组

3、成原理一、数字计算机的硬件组成运算器：完成算术逻辑运算功能。存储器：保存原始数据和程序。位；字节；字；字长；存储单元；地址；容量（B KB MB GB TB等）；分类（内存；外存）控制器：计算机中发号施令的部件.指令(操作码 地址码);计算程序;存储程序;程序控制;取指周期;执行周期;中央处理器;数据字;指令字;数据流;指令流适配器与输入输出设备:计算机组成原理计算机组成原理1.3 计算机的软件一、软件的组成与分类系统程序：用来简化程序设计，简化 使用 方法，提高计算机使用效率的程序。各种服务程序；语言程序；操作系统；数 据库管理系统。应用程序：用户利用计算机来解决某些问 题而编制的程序。计算

4、机组成原理计算机组成原理二、软件的发展和演变机器指令； 机器语言手工程序； 目的程序；汇编语言； 汇编源程序；汇编程序； 算法语言；源程序； 编译程序；解释程序； 操作系统；数据库； 数据库管理软件；数据库管理系统。计算机组成原理计算机组成原理1.4 计算机系统的层次结构各级都得到它 下一级的支持，同 时也受到运行在下 面各级上的程序的 支持。计算机组成原理计算机组成原理软件与硬件的逻辑等价性软件硬件化-固件（固化）硬件软件化-硬件可以完成的任务也可以用软件来实现。本章思考题：P15 4.5.6.7.9 计算机组成原理计算机组成原理第二章 运算方法和运算器n2.1 数据与文字的表示方法n2.2

5、 定点加法、减法运算n2.3 定点乘法运算n2.4 定点除法运算n2.5 定点运算器的组成n2.6 浮点运算方法和浮点运算器计算机组成原理计算机组成原理2.1 数据与文字的表示方法一、数据格式 （类型 精度 范围 硬件代价） 1 定点数的表示方法纯小数：0|X|1-2-n纯整数：0|X|2n-1计算机组成原理计算机组成原理2 浮点数的表示方法任何 一个十进制数N都可以写成：N=10EM任意进制数N可以写成:N=ReM基数:R 指数(阶码):e 尾数:M早期:计算机组成原理计算机组成原理现代:IEEE标准S:符号位，“0”为正;“1”为负E:阶码,采用“移码”表示M:尾数,原码规格化表示(1.M

6、型）计算机组成原理计算机组成原理例1 若浮点数x的754标准存储格式为(41360000)16求其浮点数的十进制数值。0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 符号位:S=0阶码:E=10000010(移码) 指数:e=E-01111111=00000011=(3)10尾数:M=1.011011故: x =+(1.011011)23=1011.011=(11.375)10 计算机组成原理计算机组成原理例2 将数(20.59375)10转换成754标准的32位浮点 数的二进制存储格式.解: (20.59375)10=10100.10011=1.0100100

7、1124 e=4 E=100+01111111=10000011 M=010010011 S=0 32位浮点数格式: 0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000 =(41A4C000)16 计算机组成原理计算机组成原理3 十进制数串的表示方法n字符串形式(非压缩BCD码)十进制的一位数码和符号都用一个字节存储.n压缩的十进制数串形式(压缩的BCD码)十进制的一位数码和符号都用半个字节存储. 例如:123C012D符号位 补0计算机组成原理计算机组成原理4 自定义数据表示传统的计算机是用操作码来区分数据类型(定 点数;浮点数;BCD数)自定义数据是用数据本身来

8、区分数据类型 1)标志符数据表示:2)描述符数据表示:标志符数据描述符标志位特征标记数据块长 度数据块起始地址计算机组成原理计算机组成原理二、数的机器码表示 真值:带有符号的各种进制数的表示法.如:12.3 -32 +101.11 5B.6 -7 机器码(机器数):计算机内部数值编码. 1 原码设X=+1011100B,Y=-1011100B此时X和Y被称为真值.则X原=01011100,Y原=11011100而+0原=00000000, -0原=10000000 计算机组成原理计算机组成原理2 补码举一实例:3点钟+5小时=8时3点钟-7小时=8时即:3-7=3+5 为什么? 答:时钟是以1

9、2为模,5和-7互为补码.在计算机中采用补码主要原因 有二,一是可以将减法变成加法来运 算.二是补码的符号位可以参加运算.计算机中是用2n为模2补码.计算机组成原理计算机组成原理3 反码:若以2n-1为模的补码称1补码结论: X为正时: X反=X补=X原 X为负时:求X补是将X原的符号位不变,其余各位变反 加1.求X反是将X原的符号位不变,其余各位变反 .计算机组成原理计算机组成原理+0补=2n+00.00=0-0补=2n-00.00=0 +0反=2n-1+00.00=0-0反=2n-1-00.00=111.11例如:X=+1010011BX反=X补=X原=01010011X=-1010011

10、BX原=11010011X补=10101101X反=10101100计算机组成原理计算机组成原理4 移码针对补码不易比较大小的缺点而出现了移码X移= 2n-1 -1+X -2n-1 X2n-12n-1-1为偏移量 例如:X=+10010B=+18,Y=-10010B=-18X移= 26-1 -1+X=011111+010010=110001B Y移= 26-1 -1+X=011111-010010=001101B计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理例5 设机器字长16位，定点表示，尾数15位，数符1位，问： （1）定点原码整数表示时，最大正数是多少？最小负数是 多少？ （2

11、）定点原码小数表示时，最大正数是多少？最小负数是 多少？ 解（1）定点原码整数表示最大正数值=（215-1）10=+32767最小负数值=-（215-1）10=-32767（2）定点原码小数表示最大正数值=（1-2-15）10=+0.111111最小负数值=-（1-2-15）10=-0.111111 计算机组成原理计算机组成原理例6 假设由S,E,M三个域组成的一个32位二进制数所表示的非 零规格化浮点数x,真值表示为:x=(-1)S(1.M)2E-128 问:它所表示的规格化的最大正数、最小正数、最大负数、最 小负数是多少？解:(1)最大正数0 11111111 111111x=1+(1-2

12、-23)2127(2)最小正数0 00000000 000000x=1.02-128(3)最小负数1 11111111 111111x=-1+(1-2-23)2127(4)最大负数1 00000000 000000x=-1.02-128计算机组成原理计算机组成原理三、字符与字符串的表示方法 字符:ASCII码:美国国家信息交换标准字符码.有95个可显示打印的字符;33个控制码. 字符串:连续的一串字符.不同的计算机存储顺序不同. 四、汉字的表示方法 1 汉字的输入编码数字编码;拼音码;字形编码. 2 汉字内码是汉字信息的存储 交换 检索等操作的机内代码.一般采 用两个字节表示. 3 汉字字模码

13、用点阵表示汉字字形代码,是汉字的输出形式. 五、校验码计算机组成原理计算机组成原理2.2 定点加法、减法运算一、补码加法X补+Y补=X+Y补 例8 X=0.1001,Y=0.0101,求X+Y。X补=0.1001 Y补=0.0101X+Y补=0.1001+0.0101=0.1110X+Y=+0.1110 例9 X=+0.1011,Y=-0.0101,求X+Y。X补=0.1011 Y补=1.1011X+Y补=0.0110X+Y=+0.0110计算机组成原理计算机组成原理二、补码减法X-Y补=X+（-Y）补=X补+-Y补 已知Y补，求-Y补的方法是：将Y补连同符号位全部变反，末尾加上 “1”。 例

14、10 已知X1=-0.1110,X2=+0.1101,求X1补=-X1补=X2补=-X2补=计算机组成原理计算机组成原理例11 X=+0.1101,Y=+0.0110,求X-Y,Y-X。解:X补=0.1101 Y补=0.0110-Y补=1.1010X-Y补=10.0111 X-Y=0.0111-X补=1.0011Y-X补=Y补+-X补=0.0110+1.0011=1.1001 Y-X=-0.0111计算机组成原理计算机组成原理三、溢出概念与检测方法计算机的运算结果超出了它的存储单元 的存储范围而产生数据丢失的现象称为-溢 出。 例12 X=+0.1011，Y=+0.1001，求X+Y。 解:X

15、补=0.1011 Y补=0.1001X+Y补=X补+Y补=1.0100(负数)两个正数相加结果不可能是负数!运算结果是错误的.是正溢出(上溢).计算机组成原理计算机组成原理例13 X=-0.1101,Y=-0.1011,求X+Y。 解: X补=1.0011 Y补=1.0101X+Y补=0.1000(正数)两个负数相加结果不可能是正数.所以是错误 的.是负溢出(下溢).计算机组成原理计算机组成原理例14 X=+0.1100,Y=+0.1000,求X+Y。解：X补=00.1100Y补=00.1000X+Y补=01.0100 正溢出 例15 X=-0.1100,Y=-0.1000,求X+Y。X补=11.0100Y补=11.1000X+Y补=10.1100 负溢出 双符号位相同不溢出.否则溢出. 单符号位溢出判别：看数值部分向符号位是否有 进位和符号位是否向前有进位。溢出判别方法:双符号位法计算机组成原理计算机组成原理四、基本的二进制加法/减法器n位行波进位的补码加法/减法器计算机组成原理计算机组成原理一位全加器真值表和逻辑电路如图输入输出 Ai B