微機(jī)原理

（計算機(jī)原理）

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

1

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

e計算機(jī)的類型

C計算機(jī)的組成

C計算機(jī)系統(tǒng)

C計算機(jī)內(nèi)信息的表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋2

計算機(jī)的類型

?按應(yīng)用領(lǐng)域劃分

桌面計算機(jī)

?企業(yè)級計算機(jī)

C嵌入式計算機(jī)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋3

桌面計算機(jī)

生'臺式機(jī)

自筆記本

…工作站——具有較強(qiáng)圖形、圖像與視頻處理能

力的高性能專用計算機(jī)

I8設(shè)計者考慮的因素：性能價格比

8性能——良好的交互性能（例如圖形用戶界面）、

—支持大量的外部設(shè)備

Q價格——500$-10000$

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋4

企業(yè)級計算機(jī)

1■服務(wù)器——例如局域網(wǎng)服務(wù)器和Internet服務(wù)

器。有一個或多個CPU、GB級的內(nèi)存、幾百

GB級的磁盤以及高速網(wǎng)絡(luò)處理能力。能夠同

時處理幾十或上百個外部請求

2.機(jī)群系統(tǒng)——由PC機(jī)或工作站通過Gbps級的

網(wǎng)絡(luò)連接而成，運(yùn)行專門的操作系統(tǒng)使所有

機(jī)器協(xié)同完成計算任務(wù)。機(jī)群系統(tǒng)具有良好

的可擴(kuò)展性，可以很容易擴(kuò)展機(jī)器數(shù)量

e機(jī)群系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的區(qū)別：在用戶看來機(jī)群系

統(tǒng)就像一個普通的單機(jī)系統(tǒng)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋5

企業(yè)級計算機(jī)

3.大型機(jī)(mainframe)

§大都是舊M360的后代，仍然在

一些大型機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心運(yùn)行著,

有些大型主機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時間已

經(jīng)超過了20年

Q大型主機(jī)所具有的良好的穩(wěn)定性

和巨大的I/O處理能力是PC機(jī)望

塵莫及的一對于企業(yè)級的應(yīng)用

而言，這些特性的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高

于花里胡哨的GUI

IBM390

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋6

企業(yè)級計算機(jī)

設(shè)計者考慮的因素

1.可用性——系統(tǒng)提供有效服務(wù)的能力

?可用性不同于可靠性，可靠性指系統(tǒng)不出現(xiàn)故

障的能力。任何系統(tǒng)都可能出故障，但是企業(yè)

級計算機(jī)系統(tǒng)要確保在部件出現(xiàn)故障的情況下

保證系統(tǒng)提供有效服務(wù)，通常通過冗余來實(shí)現(xiàn)

2.可擴(kuò)展性為滿足服務(wù)需求的增長，企業(yè)

級計算機(jī)必須具有升級計算能力、內(nèi)存和磁

盤容量以及I/O帶寬的能力

3.吞吐量——單位時間內(nèi)處理的事務(wù)數(shù)量

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋7

嵌入式計算機(jī)

e嵌入在其他設(shè)備中，不以計算機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)的計算機(jī)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋8

嵌入式計算機(jī)

?嵌入式計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

ARM微處理器市場細(xì)分

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋9

嵌入式計算機(jī)

?設(shè)計者考慮的主要因素

1.成本一嵌入式計算機(jī)的價格范圍非常廣泛，從低于

1美元的8位微處理器到幾百美元的64位高性能微處理

器。低端產(chǎn)品對于價格尤為敏感

Q最小存儲器需求：存儲器是系統(tǒng)成本的一部分，通常

通過優(yōu)化縮短代碼長度實(shí)現(xiàn)

2,功耗——對于電池供電的系統(tǒng)尤為重要

3.實(shí)時性能——指計算機(jī)在確定的時間間隔內(nèi)對外部事

_件做出恰當(dāng)反應(yīng)的能力。許多嵌入式計算機(jī)應(yīng)用于過

程控制、事務(wù)處理等有實(shí)時要求的領(lǐng)域

Q硬實(shí)時：必須滿足最終時限

9軟實(shí)時：允許偶爾違反最終時限

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋10

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

8計算機(jī)的類型

R計算機(jī)的組成

△計算機(jī)系統(tǒng)

C計算機(jī)內(nèi)信息的表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋11

計算機(jī)的組成

8馮?諾伊曼計算機(jī)由存儲器、運(yùn)算器、控制器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成

清華大學(xué)電子工程系,12

存儲器

8存儲器是用來存放程序和數(shù)據(jù)的、具有記憶功

能的裝置（此處的存儲器特指主存儲器，或內(nèi)

存）

為了準(zhǔn)確地對存儲器進(jìn)行讀寫，通常以字節(jié)/字

為單位將存儲器劃分為一個個存儲單元，并依

次為每個存儲單元賦予一個從0開始的序號，

該序號稱為存儲單元的地址，存儲單元的地址

也用二進(jìn)制數(shù)碼表示

8每個存儲單元的地址都是唯一的，每次讀寫存

儲器時，必須給出存儲單元的地址才能訪問

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋13

存儲器

§存儲單元的地址和存儲

單元存放的內(nèi)容（指令或

數(shù)據(jù)）都是二進(jìn)制數(shù)碼，

但它們是完全不同的兩

個概念

?地址總線寬度決定地址

的位數(shù)，地址的位數(shù)決

—I定處理器能夠訪問的存

儲器的最大容量

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋14

存儲器

8近年來，幾乎所有的計算機(jī)都以字節(jié)(byte)為

存儲單元的編址單位，一個字節(jié)由8個二進(jìn)制

位組成

8字節(jié)可以組合成字(word),不同的計算機(jī)可能

具有不同的字長

?字長——處理器一次可以直接處理的二進(jìn)制數(shù)

碼的位數(shù)，它通常取決于處理器內(nèi)部通用寄存

器的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長通常是字節(jié)

的倍數(shù)，如8位、16位、32位、64位

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋15

存儲器

字節(jié)順序

一由于現(xiàn)代計算機(jī)按字節(jié)編址，

所以存儲多字節(jié)數(shù)據(jù)時必須指

定各個字節(jié)的存儲順序

自將最低位的字節(jié)存放到最低位

地址、最高位的字節(jié)存放到最

高位地址—小端格式(little

endian)

?將最高位的字節(jié)存放到最低位

地址、最低位的字節(jié)存放到最

高位地址—大端格式(big

endian)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋16

存儲器

字節(jié)順序

△X86采用小端格式，SPARC采用大端格式,

ARM、MIPS支持兩種格式

a計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都采用大端字節(jié)順序

△例：32位字1A2B3c4D(16)的存儲格式

大端格式(bigendian)小端格式(littleendian)

字節(jié)地址0123字節(jié)地址0123

內(nèi)容1A2B3C4D內(nèi)容4D3C2B1A

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋17

存儲器

存儲器芯片

AROM——只讀存儲器，非易失性存儲器。主

板上的BIOS即為ROM芯片

△RAM——隨機(jī)訪問存儲器，為易失性存儲器

?DRAM——容量大，速度慢，常規(guī)內(nèi)存，典型

的訪問時間40?80ns

esRAM——容量小，速度快，Cache（高速緩

存），典型的訪問時間v10ns

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋18

運(yùn)算器

運(yùn)算器是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的裝置，通

常稱為ALU------ArithmeticLogicUnit（算術(shù)

邏輯單元）

ALU的輸入輸出接

口：A、B為ALU

的兩個輸入操作數(shù),

Y為輸出結(jié)果

Y

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋19

運(yùn)算器

數(shù)據(jù)通路(datapath)

eCPU內(nèi)部通常有一定數(shù)

量的高速存儲器——寄

存器屋用工保存中間結(jié)

果和控制信息

e我小1——通用寄存器

cA、B——ALU輸入寄存

器

§Y——ALU輸出寄存器

eALU、寄存器以及連接

它們的內(nèi)部總線，組成

CPU的數(shù)據(jù)通路

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋20

控制器

控制器是指揮和控制計算機(jī)所有部件協(xié)調(diào)工

作的裝置，是整個計算機(jī)的控制中樞

控制器的基本組成

0C—OperationController（操作控制器）

ID—InstructionDecoder（指令譯碼器）

IR—InstructionRegister（指令寄存器）

PC—ProgramCounter（程序計數(shù)器）

MAR—MemoryAddressRegister（內(nèi)存

地址寄存器）

MDR—MemoryDataRegister（內(nèi)存數(shù)

據(jù)寄存器）

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋21

控制器

?控制器的功能就是執(zhí)行指令,

一般而言，控制器執(zhí)行一條

指令的過程大致分為以下幾

個步驟：

1.從存儲器取一條指令到

指令寄存器中

2.修改程序計數(shù)器，使其

指向后面一條指令

3.對取得的指令進(jìn)行譯碼

4.執(zhí)行指令——由操作控

制器發(fā)出控制信號

5.返回第1步

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋22

控制器

取指一譯碼一執(zhí)行循環(huán)，是計算機(jī)操作的核心

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋23

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備

?輸入設(shè)備是用來輸入程序和原始數(shù)據(jù)的裝置，

其功能是將外界信息轉(zhuǎn)換成機(jī)內(nèi)的表示形式并

傳送到計算機(jī)內(nèi)部

Q輸出設(shè)備用來輸出計算機(jī)處理結(jié)果的裝置，其

功能是將處理結(jié)果從計算機(jī)內(nèi)部的表示形式轉(zhuǎn)

換成人們所需要的形式并傳送到計算機(jī)外部

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋24

鼠標(biāo)一一典型的輸入設(shè)備

早期機(jī)電式鼠標(biāo)——由滾球、根柱和光柵信號

傳感器組成。拖動鼠

標(biāo)時，帶動滾球轉(zhuǎn)動,

滾球又帶動輻柱轉(zhuǎn)動,

光柵信號傳感器產(chǎn)生

的光電脈沖信號反映

出鼠標(biāo)器在垂直和水

平方向的位移變化

目前，機(jī)電式鼠標(biāo)已

經(jīng)被全光學(xué)鼠標(biāo)取代

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋25

顯示器典型的輸出設(shè)備

口早期的顯示器采用CRT技術(shù)，目前LCD成為主流

e顯示屏幕由像素矩陣組成，典型的分辨率為1024x768、

1280x800等

e屏幕上顯示的圖形存放在幀緩沖區(qū)中

Framebuffer

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋26

磁盤一一典型的輸入輸出設(shè)備

8非易失性存儲器，可用的存儲容量非常大，每

位的價格非常低

8典型的訪問時間：5?15ms

Read/writehead(1persurface)

Surface7

Surface6

Surface5

Surface4

Surface3

Surface2

Surface1

Surface0

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋27

總線技術(shù)

地址總線AB

輸

H輸

存H

出

入

I/接O

儲

I/接O

設(shè)

設(shè)

口

口

器

備

備

總線一一連接多個功能部件的一組公共信號線

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋28

總線技術(shù)

S地址總線(AB)：用來傳送CPU輸出的地址信號,

確定被訪問的存儲單元、I/O端口

?地址總線的條數(shù)決定微處理器的尋址能力

△數(shù)據(jù)總線(DB)：用來在CPU與存儲器、I/O接

口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送

q數(shù)據(jù)總線的條數(shù)決定微處理器一次最多可以傳

送的數(shù)據(jù)寬度

R控制總線(CB)：用來傳送各種控制信號

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋29

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

8計算機(jī)的類型

c計算機(jī)的組成

e計算機(jī)系統(tǒng)

C計算機(jī)內(nèi)信息的表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋30

計算機(jī)系統(tǒng)

硬件與軟件

C任何完整的計算機(jī)系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩

部分組成

?計算機(jī)組成討論的是組成計算機(jī)系統(tǒng)所需要

的物理部件與設(shè)備，即計算機(jī)硬件

C軟件是指控制計算機(jī)工作所需的各種程序和

數(shù)據(jù)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋31

計算機(jī)系統(tǒng)

ISA—指令集體系結(jié)構(gòu)

…ISA(lnstructionSetArchitecture)是計算機(jī)

硬件與底層軟件之間的接口，它是程序員為

使一個二進(jìn)制機(jī)器語言程序正確運(yùn)行所需要

了解的屬性

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋32

計算機(jī)系統(tǒng)

機(jī)器語言

A計算機(jī)硬件的基本功能就是執(zhí)行指令，指令

在馮?諾伊曼計算機(jī)中由二進(jìn)制數(shù)字進(jìn)行編碼

描述完成一個確定任務(wù)的指令序列稱為程序

A計算機(jī)的全部二進(jìn)制機(jī)器指令組成了一種可

供人與計算機(jī)進(jìn)行交流的語言，稱為機(jī)器語

-、一,

00100000000010000000000000000001

00100001000010000000000000000010機(jī)器語言程序

10101100000010000001111101000000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋33

計算機(jī)系統(tǒng)

匯編語言

?使用機(jī)器語言編寫程序十分困難，于是人們

發(fā)明了用助記符表示指令的方法。助記符形

式的指令的集合組成了匯編語言

?匯編語言的助記符形式的指令必須翻譯成機(jī)

器語言二進(jìn)制指令才能在計算機(jī)上執(zhí)行，實(shí)

現(xiàn)這種翻譯的程序稱為匯編器(assembler)

addi$s1,$sO,1

addi$s1,$s1,2匯編語言源程序

sw$s1,8000($s0)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋34

計算機(jī)系統(tǒng)

匯編語言____________

addi$s1,$sO,1

addi$s1,$s1,2匯編語言源程序

sw$s1,8000($s0)

Uj匚編器二）

00100000000010000000000000000001

00100001000010000000000000000010_

10101100000010000001111101000000機(jī)器語言程序

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋35

計算機(jī)系統(tǒng)

高級語言

C匯編語言與機(jī)器語言是一一對應(yīng)的，所以開發(fā)

效率仍然十分低下，于是人們發(fā)明了高級程序

設(shè)計語言，如FORTRAN、C等等

?使高級語言程序在只能運(yùn)行二進(jìn)制機(jī)器指令的

計算機(jī)上運(yùn)行，有兩種途徑:

C編譯

子解釋

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋36

計算機(jī)系統(tǒng)

編譯

?將高級語言編寫的程序翻譯成等價的二進(jìn)制

指令序列來代替，計算機(jī)執(zhí)行等價的機(jī)器語

言程序

?實(shí)現(xiàn)這種翻譯的程序稱為編譯器(compiler)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋37

計算機(jī)系統(tǒng)

編譯

C語言源程序

10111000000000000001000010111011

00000000001000001000011111000011

10100011000000000001000010001001機(jī)器語言程序

00011110000000000010000000000001

00001000000100001000010000111000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋38

計算機(jī)系統(tǒng)

。某程序以高級語言程序作為輸入數(shù)據(jù)，順序

地檢查它的每一條語句，并直接執(zhí)行等價的

I機(jī)器語言指令序列，這種方法稱為解釋

用來解釋高級語言語句的程序稱為解釋器

(interpreter)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋39

第2講計算機(jī)系統(tǒng)概述

8計算機(jī)的類型

c計算機(jī)的組成

△計算機(jī)系統(tǒng)

e計算機(jī)內(nèi)信息的表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋40

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

整數(shù)的表示一符號數(shù)的表示

C把二進(jìn)制數(shù)的最高一位定義為符號位，符號位

為。表示正數(shù)，符號位為1表示負(fù)數(shù)

8在計算機(jī)中使用的、連同符號位一起數(shù)值化了

的數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)所表示的真實(shí)的數(shù)

值，稱為真值

76543210

假設(shè)機(jī)器字長為8位

符號位數(shù)值位

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋41

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的表示

8對于符號數(shù)，機(jī)器數(shù)常用的表示方法有原碼、

反碼和補(bǔ)碼三種。數(shù)X的原碼記作［X］原，反碼

記作［X］反，補(bǔ)碼記作［X］補(bǔ)八

8原碼：最高位表示符號，數(shù)值位用二進(jìn)制絕對

值表示

分反碼：正數(shù)的反碼與原碼相同。將負(fù)數(shù)的原碼

符號位保持不變，其余位取反則得到機(jī)器數(shù)的

皮碼表示

A補(bǔ)碼：正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同。將負(fù)數(shù)的反碼

加1,則得到機(jī)器數(shù)的補(bǔ)碼表示

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋42

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的原碼表示

符號符號位

J

真值x=+18=+0010010原碼[X]原=00010010

X=-18=-0010010[X]原=10010010

x=+0=+0000000[X]原=00000000

X=-0=-0000000[X]原=10000000

n位原碼表示數(shù)值的范圍是_(2"T-1-1-1),對應(yīng)的原

碼是111…1~011…1

0的原碼有兩種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋43

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的反碼表示

符號符號位

JJ

真值X=+18=+OO1OO1O反碼[X]反=00010010

X=-18=-0010010[X]反=11101101

X=+0=+0000000[X]反=00000000

X=-0=-0000000[X]反=11111111

cn位反碼表示數(shù)值的范圍是-（2〃T-1）?+（2"T-1）,對應(yīng)的反

碼是111…1~011…1

0的反碼有兩種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋44

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號數(shù)的補(bǔ)碼表示

符號符號位

I

真值x=+18=+0010010補(bǔ)碼[X]#=00010010

X=-18=-0010010[X]補(bǔ)=11101110

X=+0=4-0000000[X]補(bǔ)=00000000

X=-0=-0000000[X]補(bǔ)=00000000

en位補(bǔ)碼表示數(shù)值的范圍是-2，1?+（2，1-1）,對應(yīng)的

補(bǔ)碼是100???0~011??.1

-0的補(bǔ)碼只有一種形式

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋45

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼的表數(shù)范圍

十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制

（字長=8）（字長二16）

+127011111117F+327677FFF

+126011111107E+327667FFE

???????????????

+20000001002+20002

+10000000101+10001

0000000000000000

-111111111FF-1FFFF

-211111110FE-2FFFE

???????????????

-1261000001082-327668002

-1271000000181-327678001

-1281000000080-327688000

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋46

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則

[X土Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[±Y]補(bǔ)

其中X,Y為正負(fù)數(shù)均可，符號位參與運(yùn)算

模(module)就是一個計數(shù)系統(tǒng)的最大容量，其大小等于以

進(jìn)位計數(shù)制基數(shù)為底，以位數(shù)為指數(shù)的幕。凡是用器件進(jìn)行

的運(yùn)算都是有模運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果超過模的部分被運(yùn)算器自動

丟棄。因此，當(dāng)器件為n位時，X=2n+X(mod2n)

nn

不難驗證，[X]#=2+X(mod2)

因此，

[X土Y]補(bǔ)=2n+(X±Y)(mod2n)

=(2n+X)+(2n±Y)

=[X]補(bǔ)+[±Y]補(bǔ)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋47

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

補(bǔ)碼加減法的運(yùn)算規(guī)則

8設(shè)計算機(jī)字長為8位,X=42,Y=-91,以28

為模，用補(bǔ)碼運(yùn)算求X+Y和X?Y

【解】

[X]補(bǔ)=00101010,[Y]補(bǔ)=10100101,[?Y]補(bǔ)=01011011

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

=00101010+10100101=11001111(-49)結(jié)果正確

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)

=00101010+01011011=10000101(-123)結(jié)果錯誤

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋48

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

采用補(bǔ)碼，可以將減法用加法實(shí)現(xiàn)，省去減法器，簡

化硬件

一先對減數(shù)進(jìn)行求補(bǔ)運(yùn)算（求反加1,也是加法）

自再將求補(bǔ)后的數(shù)與被減數(shù)相加

C相加的結(jié)果即為用補(bǔ)碼表示的兩數(shù)相減結(jié)果

計算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)過程

01000100B

-10100101B>01011010

+1

01011011

+01000100

10011111

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋49

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

無符號數(shù)的表示

C無符號數(shù)的最高位不是符號位而是數(shù)值的一部

分

機(jī)器運(yùn)算表示符號數(shù)表示無符號數(shù)

10111001[-71]補(bǔ)185

4)00101011+)[43]補(bǔ)+)43

11100100[-28]補(bǔ)228

無符號數(shù)和有符號數(shù)的加減運(yùn)算可以用同一電路完成

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋50

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

C進(jìn)位：

。在加法過程中,符號位向更高位產(chǎn)生進(jìn)位

8在減法過程中,符號位向更高位產(chǎn)生借位

10110101

+10001111

進(jìn)位1111111

01000100

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋51

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

R溢出—運(yùn)算結(jié)果超出范圍

?如果

?符號位相同的兩數(shù)相加，所得結(jié)果的符號位與之相反，

結(jié)果溢出

§符號位相異的兩數(shù)相減，所得結(jié)果的符號位與減數(shù)相同,

結(jié)果溢出

e其他情況，不會產(chǎn)生溢出

10110101

+10001111

01000100

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋52

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

進(jìn)位和溢出

e有符號數(shù)運(yùn)算，出現(xiàn)溢出表示結(jié)果為錯誤的

e無符號數(shù)運(yùn)算，出現(xiàn)進(jìn)位表示結(jié)果為錯誤的

10110101(181/-75)01000010(66/66)

+10001111(143/413)+01100011(99/99)

101000100(68/68)10100101(165/-91)

溢出且進(jìn)位，有符號數(shù)、無符溢出無進(jìn)位，有符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果

號數(shù)運(yùn)算結(jié)果均錯誤錯誤，無符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果正確

01000010(66/66)

+11001101(205/?51)

100001111(15/15)

進(jìn)位無溢出，無符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果

錯誤，有符號數(shù)運(yùn)算結(jié)果正確

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋53

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

浮點(diǎn)數(shù)的表示

?任意一個二進(jìn)制實(shí)數(shù)X都可以表示成如下一般

格式：

X=±Sx2土J

尾尾階階

符數(shù)符碼

10.01011101x2+5的階碼為+5,表示把尾數(shù)的小數(shù)

點(diǎn)向右移動5位就是小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置

規(guī)格化處理：整數(shù)部分必須是1

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋54

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

eIEEE754標(biāo)準(zhǔn)——二進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算標(biāo)準(zhǔn)(A

StandardforBinaryFloatingPointArithmetic)

§將階碼以一種偏置形式存放，即將真階碼加上一個常數(shù)

偏置值才是格式階碼，以保證偏置后的格式階碼恒為正

s單精度的階碼偏置值為+127,雙精度的階碼偏置值為

+1023,擴(kuò)展精度的階碼偏置值為+16383

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋55

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

符號偏置階碼有效數(shù)字

4-oo011...111A00...00

011...101A11...11

正數(shù)

000...011A00...00

+0000...000A00...00

-0100...000A00...00

100...011A00...00

負(fù)數(shù)

111...101A11...11

-00111...111A00...00

單精度數(shù)的范圍：±3.40xl038精度：1.18x10-38

雙精度數(shù)的范圍：±1.80x1()308精度：2.23x10-308

擴(kuò)展精度數(shù)的范圍：±1.19x1()4932精度：3.36x10-4932

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋56

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

例.寫出178.125以單精度浮點(diǎn)數(shù)形式存放的機(jī)器數(shù)

解：178.125(D)=10110010.001(B)

表示成規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)為1.0110010001x27

???23位有效數(shù)字字段為01100100010000000000000

真階碼為111

偏置階碼為1111111+111=10000110

符號位為0

??.178.125的單精度浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)為

01000011001100100010000000000000

表示成十六進(jìn)制為43322000(H)

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋57

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

十進(jìn)制數(shù)的表示——8421BCD碼

8壓縮BCD碼：每一位用4位二進(jìn)制表示，

0000?1001表示。?9,一個字節(jié)表示兩位十進(jìn)

制數(shù)

Q非壓縮BCD碼：用一個字節(jié)表示一位十進(jìn)制數(shù),

高4位總是0000,低4位的0000?1001表示0?9

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋58

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

A計算機(jī)中除了能夠處理數(shù)值數(shù)據(jù)以外，還可以

處理文字、語音、圖像等各種信息，這些信息

統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)

非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機(jī)中也必須以二進(jìn)制形式表

示，非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示本質(zhì)上是編碼的過程

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋59

計算機(jī)內(nèi)信息的表示

?ASCH碼一美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼

ASCII字符表

000001010Oil100101110111

X、

0000NULDLESP0@Pp

0001SOHDC1!1AQaq

0010STXDC2ft2BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENGNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYIy

1010LFSUB**JZjz

1011VTESC+K[k(

1100FFFS9<L\11

1101CRGS-=M1m)

1110SORS?>NTn?

1111SIUS/?00DEL

注：H表示高3位，L表示低4位。

清華大學(xué)電子工程系，馬洪兵，2011年秋