計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院

課程教案

專業(yè)________計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)___________

課程_________計算機(jī)組成原理_________________

講授人

2015年9月10日

（一）課程名稱：計算機(jī)組成原理

（二）學(xué)時學(xué)分：周4學(xué)時，4學(xué)分

（三）預(yù)修課程：數(shù)字邏輯、匯編語言

（四）使用教材

唐朔飛編著：《計算機(jī)組成原理》（第2版），高等教育，2008年1月第2版。

（五）教學(xué)參考書（3本以上）

1、王愛英編著：《計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》（第4版），清華大學(xué)，2（）07年3月版。

2、白中英編著：《計算機(jī)組成原理》（第5版），科學(xué)，2013年2月版。

3、WilliamStallings編著：《計算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)一性能設(shè)計》（第8版），機(jī)械

工業(yè)，2011年11月版。

4、李亞民編著：《計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》（第1版），清華大學(xué)，2000年4

月版。

（六）教學(xué)方法：課堂講授，課程設(shè)計，師生互動，理論與實驗結(jié)合教學(xué)。

（七）教學(xué)手段：多媒體教學(xué)。

（八）考核方式：閉卷考試。

（九）學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力的培養(yǎng)方法：通過教師出題、小組討論、實

驗、學(xué)生自由發(fā)言等方式使學(xué)生掌握根本的計算機(jī)專業(yè)思維,提高學(xué)生分析問題、

解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，寫作能力和表達(dá)能力，將為學(xué)生奠定深

厚的專業(yè)潛力和良好的專業(yè)素質(zhì)。

（+）其它要求：嚴(yán)格考勤，學(xué)生課堂表現(xiàn)與課堂參與情況占學(xué)生成績的

15%,當(dāng)堂測試、課程論文和課下作業(yè)占學(xué)生成績的15%,期末成績占70乳

第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論

教學(xué)時數(shù)：2學(xué)時

教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解計算機(jī)系統(tǒng)的根本概念，。使學(xué)生初步掌握

計算機(jī)系統(tǒng)的根本概念與本書的根本結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)打下根底。

教學(xué)重點：掌握馮?諾依曼計算機(jī)的架構(gòu)、計算機(jī)根本技術(shù)指標(biāo)。

教學(xué)難點：引入馮?諾依域計算機(jī)的架構(gòu)、總概全書。

第一節(jié)計算機(jī)系統(tǒng)簡介（了解）

/-C中央處理器（CPU）十算器

‘主機(jī)jI控制器

<{只讀存儲器（ROM）

硬內(nèi)存儲器1可讀可寫存儲器（RAM）

\件C輸入設(shè)備（如：鍵盤、鼠標(biāo)）

計外部設(shè)備I輸出設(shè)備（如：顯示器，打印機(jī)）

算外部存儲器（如：磁盤、磁帶、光盤）

機(jī)操作系統(tǒng)

系「匯編程序

統(tǒng)系語言處理程序解釋程序

X.

軟統(tǒng)編譯程序

件軟「數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（如FOXBASE）

件診斷程序（如DIAGS）

支持軟件調(diào)試程序（如DEBUG）

編輯程序（如EDIT）

程序（如LINK）

網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

應(yīng)用軟件（如WPS）

第二節(jié)計算機(jī)的根本組成（重點）

層次結(jié)構(gòu)

硬件層次結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)模型、算法

用戶程序

作為軟件資源的應(yīng)用程序

語言處理程序（解釋、編譯）

操作系統(tǒng)

機(jī)器語言（指令系統(tǒng)）

微程序控制器

硬件邏輯部件

虛擬機(jī)層次結(jié)構(gòu)

應(yīng)用程序虛擬機(jī)

高級語言虛擬機(jī)

匯編語言虛擬機(jī)

操作系統(tǒng)虛擬機(jī)

指令系統(tǒng)、機(jī)器語言

裸機(jī)（硬件）

編譯：將源程序的全部語句變成機(jī)器語言，然后執(zhí)行。

解釋：將源程序的一條語句變成機(jī)器語言并執(zhí)行，然后再把下一條語句變成

機(jī)器語言并執(zhí)行，直到完畢。

透明：本來存在的事物或?qū)傩?，從某個角度看卻好象不存在，稱為透明。

虛擬機(jī)：由軟件實現(xiàn)功能的機(jī)器稱為虛擬機(jī)。

馮-諾依曼（VonNeumann）型計算機(jī)

i）計算機(jī)分為五局部：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

計算機(jī)以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運算

器，各局部的操作與其相互之間的聯(lián)系都要由控制器集中控制。

（指令流生成控制流，控制流控制數(shù)據(jù)流）

狀數(shù)結(jié)命

態(tài)據(jù)果令

程序結(jié)果

請命地指命請

求令址令令求

2）存儲落按地址訪問，它是一個順序的線性編址的一維空間，每個單元的

位數(shù)是固定的。

3）采用存儲程序原理，將程序和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器中，指令和數(shù)據(jù)等

同看待，指令和數(shù)據(jù)都可以送入運算器中運算，即由指令組成的程序是可以在運

行過程中被修改。

4）數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼，采用二進(jìn)制運算。

5）指令由操作碼和地址碼兩局部組成。操作碼表示指令的性質(zhì)，地址碼表

示操作數(shù)所在的位置.

6）指令在存儲港中根本采用順序執(zhí)行，由指令計數(shù)器指明要執(zhí)行的指令在

存儲器中的地址。

第三節(jié)計算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)（重點）

1.字長

CPU一次處理的最大的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)為機(jī)器字長。機(jī)器字長：是指參與

運算的數(shù)的根本位數(shù)，它標(biāo)志著計算精度，位數(shù)越多，精度越高，但硬件本錢也

越高，因為他決定著存放器、運算部件、數(shù)據(jù)總線等的位數(shù)。

2.主存容量

主存儲流是CPU可以直接訪問的存儲器，需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)

據(jù)就放在主存中。主存容量大如此可以運行比擬復(fù)雜的程序，并可以存入大量信

息，可以利用更完善的軟件支撐環(huán)境。所以計算機(jī)處理能力的大小在很大程度上

取決于主存容量的大小。主存容量的記法有兩種：字節(jié)數(shù)（如PC機(jī)，640KB）

和單元數(shù)（字?jǐn)?shù)）*位數(shù)（如64K*16）。

3.外存容量

外存容量一般是指計算機(jī)系統(tǒng)中聯(lián)機(jī)運行的外存儲容量。

4.運算速度

(1)CPU時鐘頻率

計算機(jī)的操作需要分步執(zhí)行，每個時鐘周期完成一步操作，所以時鐘頻率在

很大程度上反映了CPU速度的快慢。

(2)每秒平均執(zhí)行指令數(shù)(ips)

由于各種指令的執(zhí)行時間不等，所以這種描述是粗略的。通常，一條指令能

實現(xiàn)一次定點加減運算，所以ips值大致相當(dāng)于每秒鐘能完成的定點加減運算次

數(shù)。

(3)單獨注明時間。

第四節(jié)本書/1計算機(jī)二、、、結(jié)

構(gòu)，'I存儲器/I/O\

排隊:-

邏輯寄存器

和解。痛

本章思考題

1.什么是計算機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)硬件和軟件？

2.如何理解計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？

3.說明高級語言、匯編語言和機(jī)器語言的區(qū)別與聯(lián)系。

4.指令和數(shù)據(jù)都存在存儲器中，如何區(qū)分它們？

5.什么是指令？什么是程序？

第二章計算機(jī)的開展與應(yīng)用

教學(xué)時數(shù)：2學(xué)時

教學(xué)目的與要求:通過本章的講述，使學(xué)生初步了解計算機(jī)系統(tǒng)的開展歷史、

應(yīng)用前景，增進(jìn)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教學(xué)重點：掌握計算機(jī)開展趨勢。

第一節(jié)計算機(jī)的開展史

1.從物理器件的角度分為五代計算機(jī)：

(1)第一代電子管計算機(jī)

(2)第二代晶體管計算機(jī)

(3)第三代集成電路計算機(jī)

(4)第四代大規(guī)模集成電路計算機(jī)

(5)第五代超大規(guī)模集成電路計算機(jī)(人工智能)

2.從計算機(jī)的體積可分為：巨、大、中、小、微型計算機(jī)。

3.從運算能力可分為：4,8,16,32,64位計算機(jī)。

第二節(jié)計算機(jī)的應(yīng)用

1.科學(xué)計算和數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.工業(yè)控制和實時控制

3.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

4.虛擬現(xiàn)實

5.辦公自動化

6.多媒體技術(shù)

7.人工智能

第三節(jié)計算機(jī)的展望

1.串行算法改為并行算法，出現(xiàn)了向量計算機(jī)、并行計算機(jī)和多處理機(jī)等。

2.高級語言與機(jī)器語言的語義距離縮小，出現(xiàn)了面向高級語言機(jī)器和直接

執(zhí)行高級語言機(jī)器。

3.硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作

系統(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫計算機(jī)。

4.計算機(jī)系統(tǒng)從指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)

流機(jī)器和歸約機(jī)。

5.為了適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機(jī)。

6.為了獲得高可靠性而研制容錯計算機(jī)。

7.計算機(jī)系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計算機(jī)。

8.出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

9.出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機(jī)。

本章思考題

1.計算機(jī)更新?lián)Q代以什么為依據(jù)？

2.什么是摩爾定律？該定律是否永遠(yuǎn)生效？

3.說明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。

4.說明人工智能的應(yīng)用。

5.舉例說明哪些應(yīng)用需要采用多媒體技術(shù)?

第三章系統(tǒng)總線

教學(xué)時數(shù)：2學(xué)時

教學(xué)目的與要求：使學(xué)生掌握總線系統(tǒng)的根本概念，總線的主要技術(shù)指標(biāo)，

單、多總線架構(gòu)的特點與機(jī)內(nèi)的通信方式。

教學(xué)重點：總線的概念和結(jié)構(gòu)形態(tài)、信息傳送方式。

教學(xué)難點：總線的仲裁、總線數(shù)據(jù)的傳送模式。

第一節(jié)總線的根本概念

在計算機(jī)的內(nèi)部，CPU和存儲器之間由總線連接?？偩€是用來連接計算機(jī)

中的多個部件，以實現(xiàn)部件之間信息交換的一組導(dǎo)線。

總線按照它的任務(wù)劃分，可分為三級：

1.片內(nèi)總線指芯片內(nèi)部的總線。如CPU內(nèi)部總線，他連接CPU內(nèi)部的各

個存放器和算術(shù)邏輯運算部件。

2.系統(tǒng)總線指CPU、主存、1/0（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線。

系統(tǒng)總線根據(jù)其傳遞的信號不同可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。。

3.通信總線用于連接計算機(jī)系統(tǒng)之間或計算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信。

我們所說的總線，一般情況指系統(tǒng)總線。

總線在傳輸數(shù)據(jù)格式上采用串行傳輸和并行傳輸兩類。能一次并行傳輸?shù)臄?shù)

據(jù)位數(shù)被定義為總線的數(shù)據(jù)通路寬度，而單位時間能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量被定義為總線

的數(shù)據(jù)傳輸率。

完成一次總線傳送操作所需的時間稱為一個總線周期。根據(jù)總線可能的傳送

方向，總線可分為單向總線和雙向總線。

第二節(jié)總線的分類

狹義的總線實體是一組傳送線。它們的定義與允許的工作方式派生出相應(yīng)的

總線邏輯，如：接收與發(fā)送信息邏輯，為共享總線所需的緩沖器，對總線控制權(quán)

的申請、仲裁、批準(zhǔn)與控制權(quán)轉(zhuǎn)移邏輯，為與總線標(biāo)準(zhǔn)匹配所要求的信號轉(zhuǎn)換等。

所以，總線實體是一組傳送線路與相應(yīng)的控制邏輯。

I）從系統(tǒng)組成角度分類

在小規(guī)模系統(tǒng)中，常用一組系統(tǒng)總線連接CPU、主存、接口與外圍設(shè)備，

稱為單總線結(jié)構(gòu)。在較大規(guī)模系統(tǒng)中，常設(shè)置多組總線，如：在主存與CPU之

間設(shè)置一組專用的高速存儲總線，而將連接外圍設(shè)備的系統(tǒng)總線稱I/O擴(kuò)展總線。

在一些系統(tǒng)中，將直接與CPU連接的一段總線稱局部總線，將經(jīng)過總線控

制器擴(kuò)大后的總線稱為系統(tǒng)總線。

連接系統(tǒng)內(nèi)部CPU、主存、接口與常規(guī)外圍設(shè)備的總線稱為系統(tǒng)內(nèi)總線。

把計算機(jī)系統(tǒng)之間，計算機(jī)系統(tǒng)與通信設(shè)備或其他系統(tǒng)外設(shè)之間的連接總線稱為

系統(tǒng)外總線。

在松耦合多機(jī)系統(tǒng)中，常將各節(jié)點內(nèi)部的總線稱為局部總線，節(jié)點間的總線

稱為通信總線。

2）按數(shù)據(jù)傳送格式分類

并行總線：用多根數(shù)據(jù)線同時傳送一個字節(jié)或一個字的所有代碼位，可以同

時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)稱為該總線的數(shù)據(jù)通路寬度。計算機(jī)的系統(tǒng)總線大多是并行總

線。

串行總線：按位串行傳送數(shù)據(jù)，即按數(shù)據(jù)代碼位流的順序逐位傳送。

3）按時序控制方式分類

系統(tǒng)總線所連接的CPU與各種外圍設(shè)備往往有各自獨立的工作時序，在通

過總線傳送數(shù)據(jù)信息時，其時序控制方式有同步方式和異步方式之分，相應(yīng)地，

也將總線分為同步總線和異步總線兩類。

同步總線：數(shù)據(jù)傳送操作由統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘同步定時，其顯著特征是有嚴(yán)格

的時鐘周期劃分，一次傳送操作所需的一個總線周期可能包括假如干時鐘周期。

在單機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)時鐘由CPU提供。在多機(jī)系統(tǒng)中，或由負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的主

CPU提供，或?qū)ｉT設(shè)置一個系統(tǒng)時鐘。

第三節(jié)總線特性與性能指標(biāo)

同步控制方式以時鐘周期為劃分時間段的基準(zhǔn)，一個總線周期占用多個時鐘

周期，必要時候，一個總線周期所包含的時鐘周期數(shù)目并不固定，但都是以完整

的時鐘周期為基準(zhǔn)的。例如，DMA控制器向CPU提出總線請求，獲得總線控制

權(quán)后實現(xiàn)一次總線傳送。通常這一過程要經(jīng)過以下幾步：

(1)SO狀態(tài)：DMA控制器提出總線請求(BREQ),此時CPU正控制總線訪問

主存，因此DMA控制器處于等待批準(zhǔn)的SO狀態(tài)，可能要等待幾個時鐘周期。

(2)S1狀態(tài)：CPU完畢一次總線周期操作，發(fā)出總線批準(zhǔn)信號BACK,進(jìn)入

總線控制權(quán)交換狀態(tài)S1狀態(tài)。在S1狀態(tài)中，CPU放棄總線，DMA控制器向總

線送出地址碼，接收總線控制權(quán)，并進(jìn)入下一狀態(tài)。

(3)S2狀態(tài)：由DMA控制器發(fā)出讀命令，從發(fā)送設(shè)備中讀出數(shù)據(jù)，送入有

關(guān)的數(shù)據(jù)存放器，并發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。

(4)S3狀態(tài)：由DMA控制器發(fā)出寫命令，將數(shù)據(jù)總線信息寫入接收設(shè)備。

(5)S4狀態(tài)：延長狀態(tài)，如果在S3狀態(tài)中沒有完成總線傳送，可以延長總

線周期，進(jìn)入S4狀態(tài).

完畢個總線周期后，DMA控制器放棄系統(tǒng)總線，將總線控制權(quán)交回CPU。

第四節(jié)總線結(jié)構(gòu)和總線控制

異步總線：對總線操作的控制與數(shù)據(jù)傳送，以應(yīng)答方式實現(xiàn)，特點是沒有固

定的時鐘周期劃分。

異步應(yīng)答關(guān)系分為不互鎖、半互鎖和全互鎖三類。

不互鎖：設(shè)備1發(fā)出請求信號，經(jīng)過一段時間后，自動撤消；設(shè)備2接到設(shè)

備1的請求信號后，在條件允許時發(fā)出回答信號，經(jīng)過一段時間后，自動撤消。

半互鎖：設(shè)備1發(fā)出請求信號后，接到設(shè)備2的回答信號后，才撤消請求信

號，而設(shè)備2經(jīng)過一段時間后，自動撤消回答信號。

全互鎖：設(shè)備1發(fā)出請求信號后，接到設(shè)備2的回答信號后，才撤消請求信

號，設(shè)備2知道設(shè)備1撤消了請求信號后，才撤消回答信號。

本章思考題

1.什么是總線？總線傳輸有何特點？

2.如何理解總線的不同分類？

3.比擬同步與異步通信。

4.什么是總線標(biāo)準(zhǔn)？為什么要設(shè)置總線標(biāo)準(zhǔn)？

5.什么總線的傳輸速率，它與哪些因素有關(guān)？

第四章存儲器

教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時

教學(xué)目的與要求：使學(xué)生掌握主存、輔存的概念，重點理解存儲器分級的結(jié)

構(gòu)，掌握主存與CPU連接方式，Cache與主存地址映射方式。

教學(xué)重點：靜態(tài)存儲器、動態(tài)存儲器、Cache存儲器的地址映射方式。

教學(xué)難點：主存芯片與CPU的連接方法、存儲器的校驗。

第一節(jié)概述

1.存儲器的分類

1）按存儲器與CPU的關(guān)系：存儲器分為主存和輔存兩局部。

主存是能夠由CPU直接編程訪問的存儲器，它存放需要執(zhí)行的程序與需要

處理的數(shù)據(jù)。由于主存處于主機(jī)的內(nèi)部所以又稱之為內(nèi)存。與之相對的是外存，

又稱輔存。輔存包括：磁盤、光盤、磁帶等。

2)按存取方式：隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、順序存儲器和直接存儲器。

隨機(jī)存儲器：存儲器中的任何一個存儲單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取

時間都一樣，與存儲單元的物理位置無關(guān)(RAM),可以用存儲周期來表示其工作

速度。

只讀存儲器：存儲器工作的時候只能讀，不能寫，通常保存一些特別重要的

信息。它也采用隨機(jī)存取方式。

順序存取存儲器：存儲器中的存儲內(nèi)容只能按順序存取，其存取時間與存儲

單元的物理位置有關(guān)(SAM),如磁帶。

直接存取存儲器(DAM)：介于隨機(jī)存儲方式和順序存儲方式之間，典型的直

接存取存儲器是磁盤，磁盤尋址時，首先磁頭定位于磁道類似于隨機(jī)存儲方式，

然后在磁道內(nèi)尋址類似于順序存儲方式。

3)按存儲介質(zhì)：半導(dǎo)體存儲器(用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的存儲器，多用于主存)

和磁存儲器(磁性材料做成的存儲器，如磁盤)。半導(dǎo)體存儲器又可以細(xì)分為靜態(tài)

存儲器(SRAM)和動態(tài)存儲器(DRAM)。

4)按信息的保存：永久性存儲器(斷電后存儲信息仍可以保持)和易失性存儲

器(斷電后丟失信息)，如磁盤是永久性，RAM為易失性。

5)按讀寫功能：讀寫存儲器和只讀存儲器

6)主存儲器分為隨機(jī)存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM),只讀存儲器又可

以分為：可編程只讀存儲器(PROM),可擦可編程只讀存儲器(EPROM),電可擦

可編程只讀存儲滯(E2PROM),以與快閃存儲器。

第二節(jié)主存儲器

1.存儲器的組成

存儲體

地

址

緩

沖

和

譯

碼

器

讀寫數(shù)據(jù)緩沖器

存儲器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)按地址存儲的裝置。存儲器由存儲體、地址緩沖和譯

碼器、讀寫數(shù)據(jù)緩沖器組成。存儲體是存儲器的核心，它有許多存儲單元組成，

每個存儲單元又由假如十個可記憶?；?的存儲元件組成。因此，每個存儲單元

可以存放假如干位二進(jìn)制數(shù)，稱為一個字。每個存儲單元按其空間的位置都有一

個固定的編號，稱為存儲單元的地址，簡稱地址。通常說存儲器容量為M*N的，

M表示的是存儲器有多少個字，N表示每個字有多少個存儲元件。

2.主存儲器的技犬指標(biāo)

1）存儲速度：存取時間（TA,又稱取數(shù)時間）和存儲周期（TM）

2）存取時間：存儲器接到讀命令信號到其數(shù)據(jù)輸出端有信號輸出為止的時

間。例如對于2114來說，其存取時間為從WE=1開始到讀寫數(shù)據(jù)緩沖滯中有數(shù)

據(jù)為止。

3）存儲周期：連續(xù)兩次訪問存儲器所需要的最小時間間隔。例如：從CPU

向存儲器發(fā)出讀命令，到CPU的MDR中有數(shù)據(jù)為止。

4)價格：存儲器的價格以位價格衡量，即存儲容量為S,價格為C,P二C/S

是位價格。

3.主存儲器的工作原理

CPU對存儲器進(jìn)展操作的時候，一定要用到兩個存放器：地址存放器(MAR)

和數(shù)據(jù)存放器(MDR)。CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸分為同步傳輸方式和異步

傳輸方式兩種，

1)同步方式：數(shù)據(jù)傳輸是在固定的時間間隔內(nèi)完成，此時間間隔由CPU的

時鐘脈沖確定，從而構(gòu)成一個完整的存儲器讀寫周期。

2)異步方式：當(dāng)存儲器接到CPU的讀寫命令時，完成一次讀寫操作后，向

CPU發(fā)一個“存儲器功能完成"信號(WMFC),CPU接到此信號后，才完成一

次數(shù)據(jù)傳輸工作。

注：CPU中有一個引腳叫做Ready,其名稱是：準(zhǔn)備好信號，當(dāng)它為1時，

表示CPU可以和存儲器傳輸數(shù)據(jù)。而不是象書中所說是通過Ready做主存儲器

應(yīng)答。

3)讀寫過程

(1)CPU從存儲器中讀取一個字節(jié)數(shù)據(jù)

①把耍讀取的字節(jié)的地址送入MARo

②把要讀取的字節(jié)的地址經(jīng)過地址總線送入存儲器的地址緩沖譯碼器，同時

發(fā)出讀請求。

③存儲器讀操作，找到數(shù)據(jù)送入其數(shù)據(jù)緩沖存放涔，

④由數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送入CPU的MDR,同時發(fā)出WMFC信號(WMFC=1)。

(2)CPU向存儲器寫一個字節(jié)數(shù)據(jù)

①把要寫入存儲器的字節(jié)送入MDRo

②其地址送入MARo

③經(jīng)過數(shù)據(jù)總線和地址總線把數(shù)據(jù)、地址送入存儲器，同時發(fā)出寫請求。

④將數(shù)據(jù)寫入存儲器指定單元，同時發(fā)出WMFC信號。

4.存儲器擴(kuò)容

1）位擴(kuò)展（字長擴(kuò)展）

位擴(kuò)展連接方式：將多片存儲器的地址、片選、讀寫控制連在一起；數(shù)據(jù)線

分別連接。

2）字?jǐn)U展

字?jǐn)U展連接方式：將多片存儲器的地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制連在一起；片選信

號來區(qū)別那個芯片被選用（充當(dāng)高位）。

3）字位擴(kuò)展。

字?jǐn)U展連接方式：將多片存儲落的地址、讀寫控制連在一起；片選信號來區(qū)

別那個芯片被選用（充當(dāng)高位），數(shù)據(jù)線分別連接。

可選講：動態(tài)存儲器的刷新

由于動態(tài)存儲器依靠電容上存儲電荷來暫存信息，而電容上存儲的電荷會逐

步衰減，所以動態(tài)存儲器一定要定期刷新。通常動態(tài)存儲芯片要在2ms（毫秒）以

內(nèi)全部刷新一遍，即全部刷新一遍所允許的最大時間間隔為2ms,稱為最大刷新

周期。對于整個存儲器來說，各個存儲芯片可以同時刷新。對于每塊動態(tài)存儲芯

片來說，如此是按行刷新，每次刷新一行，所需時間為一個刷新周期。例如一個

動態(tài)存儲芯片為128行，，如此在2ms內(nèi)應(yīng)該至少安排128個刷新周期。

對于一個動態(tài)存儲器，它在工作過程中實際包括兩種工作狀態(tài)：讀寫保持狀

態(tài)和刷新狀態(tài)。如何進(jìn)展刷新呢？通常采用以下三種方式：

（1）集中刷新方式：在2ms之內(nèi)直接安排128個刷新周期，統(tǒng)一刷新。優(yōu)點

是主存利用率高，控制簡單；缺點是存儲器在每個2ms之內(nèi)必定有一段時間不

能進(jìn)展讀寫操作（在進(jìn)展刷新），造成一段死區(qū)。

（2）分散刷新方式：存取操作和刷新同時進(jìn)展，即在每個存儲周期中包括存

取數(shù)據(jù)刷新數(shù)據(jù)兩局部。優(yōu)點：沒有死區(qū)，缺點：降低效率。

（3）異步刷新方式：由于2ms/128=15.625us（微秒），所以每隔15.625us提出

一次刷新請求，安排一個刷新周期，如果此時正在進(jìn)展存取工作，如此等到存取

工作完畢后進(jìn)展刷新。

5.多體交叉存儲器

存儲器是存儲指令（程序）和數(shù)據(jù)的地方，CPU工作時將不停的訪問存儲器，

CPU工作的根本周期是時鐘周期（節(jié)拍），存儲器工作的根本周期是存儲周期，即

CPU以時鐘周期表示CPU的速度，存儲器以存儲周期表示存儲器的速度，但是

通常存儲器的存儲周期的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CPU的時鐘周期，所以實際上CPU為工

作速度會降低到與存儲器的速度相當(dāng)，CPU工作時不得不在兩個時鐘周期之間

插入空閑周期。

通常存儲器的容量與速度成反比，即1K的存儲器的速度比4K的存儲器的

速度快，因此提出多體交叉存儲器技術(shù)。多體交叉存儲器技術(shù)分為兩種：高位交

叉編址和低位交叉編址。例如，某機(jī)器有一個容量為4K*8的存儲器，為了提高

存儲速度將存儲器變成4個1K*8的存儲模塊。

1）高位交叉編址：該方法的優(yōu)點是便利靈活，便于擴(kuò)展，如將4K的存儲.器

擴(kuò)展成5K的存儲器只需要加一個存儲模塊，某一個存儲模塊出現(xiàn)問題不影響其

他模塊。

2）低位交叉編址：該方法的優(yōu)點是提高CPU工作效率。因為在通常情況下,

數(shù)據(jù)被連續(xù)讀取，如CPU取4個字節(jié)，用高位交叉技術(shù)要對存儲器進(jìn)展4次讀

取，而用低位交叉技術(shù)只對存儲器讀取一次即可（四個模塊同時工作）。用低位交

叉技術(shù)的機(jī)器一個存儲周期得到4個字節(jié)，其存儲周期相當(dāng)于原來的四分之一。

推而廣之，一個具有n個模塊的存儲器，其存儲周期等效于單模塊的1/n,但這

是個樂觀的估計，總之效率會明顯提高。

注意：理論上講，n的值越大，存儲滯的速度越高，但是實際中一般吆8。

如果n>8速度提高就不在明顯，這是因為多體交叉存儲器存在訪問沖突問題。產(chǎn)

生訪問沖突的原因是：一、程序中有轉(zhuǎn)移指令，二、是數(shù)據(jù)的隨機(jī)性。

對于多體交叉存儲器的控制有兩種：一種是同時啟動各模塊，然后在主存控

制部件的控制下，分時使用總線傳輸；另一種是各模塊分時啟動，如四個模塊就

是每隔四分之一存儲周期啟動一個模塊，后者應(yīng)用多些。

6.存儲器校驗

二進(jìn)制信息在傳送時，可能發(fā)生錯誤，校驗碼是一種具有校驗過失能力的代

碼。校驗碼由兩局部組成：信息位和校驗位，信息位就是要傳送的數(shù)據(jù)信息，校

驗位是在信息位的根底上根據(jù)具體的校驗方法得到的一些附加數(shù)據(jù)。校驗的方法

不同，信息位也不同。

根本概念

碼字：表示一個數(shù)（或字符）的假如干位二進(jìn)制代碼；碼元：碼字中的一位二

進(jìn)制數(shù)：碼組：滿足一定規(guī)如此的碼字集合：最小碼距：一個碼組中任何兩個碼

字之間的不同碼元的最小個數(shù)。

假如實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗，必須在原有碼字（信息位）的根底上增加額外碼元（校驗

位），從而增大碼組中的最小碼距。最小碼距與校驗?zāi)芰Φ年P(guān)系滿足下面公式：L

=2C+1,L=D+1其中L表示最小碼距，C表示可糾錯位數(shù)，D表示可檢錯位

數(shù)。

奇偶校驗

所謂奇偶校驗就是在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后面加一位奇偶校驗位，為奇校驗時就是加

校驗位后，保證在全部數(shù)據(jù)中“1〃的個數(shù)為奇數(shù)個，為偶校驗時就是加校驗位

后，保證在全部數(shù)據(jù)中“1〃的個數(shù)為偶數(shù)個。

假設(shè)數(shù)據(jù)位四位，對于奇校驗來說，總是P=B3十……十B0十1

對于偶校驗位P=B3十B2十B1十B0

加奇偶校驗位時可以根據(jù)校驗位的位置分為橫向奇偶校驗、縱向奇偶校驗和

橫縱奇偶校驗。例如有以下一組數(shù)據(jù)：

0011000000110001001100100011001100110100（數(shù)字：01234）

采用橫向奇校驗時編碼為：

001100001

001100010

001100100

001100111

001101000

即：001100001001100010001100100001100111001101000

第三節(jié)高速緩沖存儲器

1.存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計算機(jī)系統(tǒng)對存儲器的根本要求是：高速度、大容量、低價格。這三個條件

互相矛盾，不可能同時實現(xiàn)，為了解決這一矛盾，必須對存儲系統(tǒng)進(jìn)展層次劃分。

1)主存、輔存結(jié)構(gòu)：以速度快、價格高的半導(dǎo)體存儲器作主存，以磁存儲

器做輔存。

2)高速緩存、主存、輔存三級結(jié)構(gòu)。

通常把CPU當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)放在主存中，而暫時不執(zhí)行的程序

和數(shù)據(jù)放在輔存中。在執(zhí)行過程中，不斷地把輔存中即將處理的信息調(diào)入主存，

處理過的信息不斷地調(diào)出主存。這一過程現(xiàn)在由操作系統(tǒng)中的虛擬存儲器技術(shù)實

現(xiàn)。對于那些使用頻率極高的數(shù)據(jù)如此保存在Cache中。采用了三級結(jié)構(gòu)，理想

情況是高速緩存的速度，輔存的容量、價格。

2.高速緩沖存儲器(Cache)

引用虛擬存儲器的目的是令主存空間擴(kuò)大，引用Cache是為了提高主存的速

度。虛擬存儲器靠OS軟管理，而Cache靠硬件管理。Cache本身是一個高速的

存儲器件，其速度與CPU的速度相當(dāng)，如果搞好Cache與主存的關(guān)系，可以大

大提高主存的速度,乂由于Cache對于系統(tǒng)程序員來說也是透明的。有人把Cache

劃入CPU中。由于Cache和主存都可以與CPU相關(guān)，Cache與主存的關(guān)系有點

像頁式虛擬存儲器中的快表。

通常把Cache和主存等分成塊，每當(dāng)給出一個主存字地址進(jìn)展訪存時，都必

須通過主存-Cache地址映像變換機(jī)構(gòu)判定該訪問字所在的塊是否已經(jīng)在Cache

中，如果在，如此經(jīng)地址映像變換機(jī)構(gòu)將主存地址變換成Cache的地址去訪問

Cache,此時Cache與處理機(jī)之間進(jìn)展單子寬信息的交往；如果不在Cache中，

如此產(chǎn)生Cache失效，這時要從訪主存的通路中把包含該字的一塊信息通過多字

寬通路調(diào)入Cache,同時將被訪問字由主存送入CPU,如果Cache中已裝不進(jìn)了，

即發(fā)生塊沖突，此時需要按所選擇的替換算法將該塊替換進(jìn)Cache,并修改地址

映像表中有關(guān)的地址映像關(guān)系和修改好Cache各塊使用狀態(tài)標(biāo)志等信息。

1)地址映像與變換：

①全相聯(lián)映射

讓主存中任意的一塊均可以映像到Cache中的任意一塊位置上。此時要求有

一個專門硬件設(shè)置的目錄表，目錄表中記錄著主存塊號與Cache塊號之間的變換

關(guān)系，主存地址通過目錄表可以轉(zhuǎn)換成Cache中的地址。

優(yōu)點：塊沖突率低，缺點：Cache變大，目錄表也大，速度降低。

②直接映射

讓主存中每一個塊只能映像到Cache中唯一的一個位置上，例如設(shè)Cache

中可以放X塊，主存中的第i塊映像到Cache中的第(iMODX)塊中。這相當(dāng)于

把主存空間按Cache的空間分成區(qū)，每區(qū)的各塊均只能按位置一一對應(yīng)到Cache

的相應(yīng)位置。此時主存地址分為區(qū)號，主存塊號，塊內(nèi)地址三局部，目錄表只記

錄各塊的區(qū)號，變換時，以主存塊號為地址到目錄表中的對應(yīng)局部取區(qū)號與主存

地址區(qū)號比擬一樣，如此主存塊號與塊內(nèi)地址成Cache地址，不一樣，如此換頁。

優(yōu)點：電路簡單，速度快；缺點：沖突率高。

③組相聯(lián)映射

將Cache各塊分組，主存以Cache大小分區(qū)，區(qū)下分組，組下分塊。組間采

用直接映像，組內(nèi)采用全相聯(lián)映像。

2)Cache的讀寫：

①讀操作：訪存時，一方面主存地址送主存，啟動讀主存，另一方面地址送

Cache映象成Cache地址。從Cache頁中讀取內(nèi)容，并將相應(yīng)的Cache標(biāo)記與主

存地址中的主存頁標(biāo)記進(jìn)展比擬，如果二者一樣，如此表示訪問Cache命中，讀

出數(shù)據(jù)送往CPU,不等主存讀操作完畢，就可以繼續(xù)下一次訪存操作。如果標(biāo)

記不符合，或是按映像方式搜索完畢仍未找到相符的Cache標(biāo)志，明確本次訪問

Cache失敗，如此從主存讀出數(shù)據(jù)送CPU,偶爾一次不命中，不一定立即替換，

一般是在命中率變低時才考慮替換，如果替換，如此以頁為單位整頁替換，并相

應(yīng)修改Cache標(biāo)記。

②寫操作：

寫回法（標(biāo)志替換法）。在數(shù)據(jù)回寫的時候，只寫入Cache,同時在Cache塊

中設(shè)置一個標(biāo)志位，標(biāo)志位為1表示有數(shù)據(jù)寫回此Cache塊，當(dāng)此Cache塊被替

換的時候?qū)懭胫鞔?，但是如果在替換時，恰好主存沒有此Cache塊（先被虛擬存

儲器替換），如此出錯。這種方式不在Cache操作過程中插入寫主存操作，保持

程序的運行速度。

寫直達(dá)法。寫入Cache同時寫入主存，但有些寫入是多余的。這種方式保持

了Cache與主存的一致性。

本章思考題

1.計算機(jī)中哪些部件可用于存儲信息？

2.說明存取周期和存取時間的區(qū)別。

3.存儲器層次結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在什么地方，為什么要分這些層次？

4.什么叫刷新，為什么進(jìn)展刷新？

5.什么是存儲器的帶寬。

第五章輸入輸出系統(tǒng)

教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時

教學(xué)目的與要求：使學(xué)生了解計算機(jī)系統(tǒng)中常用I/O設(shè)備的根本接口，主要

技術(shù)指標(biāo)，工作原理等知識，重點I/O設(shè)備與CPU傳輸數(shù)據(jù)的三種方式。

教學(xué)重點：程序查詢方式和中斷方式的工作原理、根本接口。

教學(xué)難點：DMA的傳送方式與傳送過程。

第一節(jié)I/O設(shè)備

輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器以與同輸入輸出操作有關(guān)的硬

件與軟件。如：鍵盤一輸入設(shè)備，8042—設(shè)備控制器，8255—相關(guān)硬件，int9—

相關(guān)軟件。

第二節(jié)I/O接口

1.輸入輸出設(shè)備編址方式：

輸入輸出設(shè)備的編址方式分為兩種：獨立I/O編址、(與內(nèi)存)統(tǒng)一編址。如

PC機(jī)采用前者，INAL,60H；讀入掃描碼

2.輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的控制方式：

(1)程序直接控制方式

(2)程序中斷傳送方式

(3)直接存儲器存取①MA)傳送方式

(4)通道控制方式

(5)I/O處理機(jī)

第三節(jié)程序查詢方式

程序直接控制方式

主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸由程序來控制，在程序中安排一段由輸入輸出指

令和其他指令組成的程序段直接控制外設(shè)的工作。程序直接控制方式分為無條件

傳送方式和有條件(查詢)傳送方式。

無條件傳送：外設(shè)與CPU之間的工作關(guān)系、動作時間固定，所以可以采用

無條件傳送。

查詢：傳送數(shù)據(jù)之前先由程序?qū)ν庠O(shè)狀態(tài)進(jìn)展測試，測試結(jié)果滿足時，傳送

數(shù)據(jù)。(說明：與外設(shè)相關(guān)的芯片有狀態(tài)存放器和控制存放器，狀態(tài)存放器提供

芯片的狀態(tài)，即外設(shè)的狀態(tài)，常常依靠IN指令把外設(shè)芯片的狀態(tài)讀入CPU來進(jìn)

展查詢方式的數(shù)據(jù)傳送，CPU發(fā)給外設(shè)芯片的控制命令常常依靠OUT指令送入

控制存放器，使外設(shè)按照CPU的要求工作。

第四節(jié)程序中斷方式

程序中斷傳送方式

1)中斷：在計算機(jī)的運行過程中，如果發(fā)生某種隨機(jī)事態(tài)，CPU將暫停執(zhí)

行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，為該事態(tài)服務(wù)，并在服務(wù)完畢后自動恢復(fù)

原程序的執(zhí)行。

中斷的定義包含了程序切換與隨機(jī)性兩個概念。

中斷的實質(zhì)是一種程序切換過程。轉(zhuǎn)子程序也是一種程序切換，但區(qū)別在于

中斷是隨機(jī)切換，而轉(zhuǎn)子程序的切換不是隨機(jī)的。

2)中斷方式的應(yīng)用

(1)以中斷方式管理中低速I/O操作，使CPU與外設(shè)并行工作

(2)軟中斷

(3)故障處理：掉電、校驗錯、軟件故障、溢出

(4)實時處理：通過定時器實時采集數(shù)據(jù)

(5)多機(jī)通信：依靠中斷通信

(6)人機(jī)對話：

3)程序中斷與簡單中斷

程序中斷：中斷發(fā)生之后執(zhí)行一段程序

簡單中斷：中斷發(fā)生之后不執(zhí)行程序，只是讓出幾個CPU周期，如DMA

中斷

第五節(jié)DMA方式

1.直接存儲器存取(DMA)傳送方式

對于高速外設(shè)的成批信息交換通常采用DMA方式。在DMA方式中數(shù)據(jù)交

換不是由CPU執(zhí)行程序來完成，而是由DMA控制器控制，如軟盤操作。DMA

方式分為三種：CPU暫停、CPU周期竊取、CPU與10交替訪問存儲器

2.通道控制方式

DMA可以處理大批數(shù)據(jù)，但是對外設(shè)的管理仍由CPU承當(dāng)，為能更好的發(fā)

揮CPU效率，設(shè)置新硬件通道。通道是專門執(zhí)行輸入輸出操作的處理機(jī)，它獨

立的對輸入輸出操作進(jìn)展管理。當(dāng)CPU執(zhí)行I/O指令時，CPU不執(zhí)行輸入輸出

操作，只啟動通道執(zhí)行輸入輸出操作，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)給通道。

3.主機(jī)與外設(shè)間的連接模式

總線型

在這種結(jié)構(gòu)中，CPU通過系統(tǒng)總線與外設(shè)相連，各外設(shè)通過各自的接口直

接與公共的系統(tǒng)總線相連。CPU經(jīng)過地址鎖存器向系統(tǒng)總線發(fā)出地址代碼，經(jīng)

過數(shù)據(jù)緩沖器向系統(tǒng)總線發(fā)出或接收數(shù)據(jù)代碼，經(jīng)過總線控制器發(fā)出或接收控制

信號。如果CPU暫時放棄對系統(tǒng)總線的控制，如此有關(guān)的輸出端呈高阻態(tài)，即

與總線脫鉤。

此結(jié)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展，易于實現(xiàn)；缺點：信息吞吐量有限。

輻射型

在這種結(jié)構(gòu)中，各外設(shè)和主機(jī)之間有各自獨立的數(shù)據(jù)通路，因而形成以主機(jī)

為中心向各設(shè)備輻射的星型連接?，F(xiàn)在多采用CPU通過系統(tǒng)總線連接一個多口

接口卡，由多口接口卡分別連接外設(shè)。各外設(shè)之間不能直接傳送信息，它只能把

信息通過接口送入主機(jī)，再由主機(jī)送別的外設(shè)。

優(yōu)點：各外設(shè)各自獨立，相互干擾??；缺點：不能實現(xiàn)設(shè)備之間直接通信。

通道控制方式

通道是一種專門負(fù)責(zé)管理輸入輸出操作的控制器，它執(zhí)行一種通道程序。

CPU啟動通道后可以并行地執(zhí)行自身的程序，而通道如此執(zhí)行通道程序，或以

DMA方式實現(xiàn)主存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)直傳，或讓數(shù)據(jù)輸入CPU或從CPU輸出。

這就使CPU從繁重的1/()操作中解脫出來，發(fā)揮其高速處理的優(yōu)勢，讓CPU的

處理與通道管理下的U0操作并行地進(jìn)展。

從連接角度看，主機(jī)一般通過單獨的數(shù)據(jù)通路分別連接數(shù)目有限的通道，各

通道再用總線結(jié)構(gòu)通過接口連接外設(shè)，可稱為四級連接模式，即主機(jī)-通道-I/O

接口或設(shè)備控制器-外圍設(shè)備。通道的概念具有較大彈性，在邏輯劃分與功能上

可作多種變化。有的系統(tǒng)讓通道控制器位于CPU之中，稱為結(jié)合型通道；有的

系統(tǒng)如此讓它獨立于CPU之外，稱為獨立型通道。通道執(zhí)行的通道程序，可以

放在主存中，與CPU共享主存；也可以自帶局舒存儲器存放通道程序。它的功

能可以只負(fù)責(zé)管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，也可以開展為實現(xiàn)較復(fù)雜的預(yù)處理，變

成輸入輸出處理機(jī)。

輸入輸出處理機(jī)(IOP)方式

IOP比通道具有更強(qiáng)的獨立性與通用性，它的功能與CPU類似，只是專用

化，面向輸入輸出管理與相應(yīng)的處理。IOP有自己的指令系統(tǒng)，可以編制自己的

程序；通過執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)獨立于CPU的輸入輸出操作。

在大型計算機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)通過專門的數(shù)據(jù)通路與IOP連接，IOP通過總線

再與外圍設(shè)備連接。高檔微型計算機(jī)系統(tǒng)也采用輸入輸出處理器，將IOP集成

在一塊芯片中。這種IOP芯片與CPU一起掛接在系統(tǒng)總線上，可共享主存，當(dāng)

CPU進(jìn)展輸入輸出時，將任務(wù)寫入存儲器的個特殊區(qū)域中，然后通知IOPOIOP

從該區(qū)域中獲知CPU的要求，并執(zhí)行程序，完成指定的輸入輸出操作，然后用

某些約定的特征信息或以中斷請求信號通知CPU。

本章思考題

I.I/O設(shè)備有哪些編址方式，各有何特點？

2.I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時，共有哪幾種控制方式？簡述特點。

3.圖形顯示和圖像顯示有何區(qū)別？

4.中斷向量通過什么總線送至什么地方？為什么？

5.試從5個方向比擬程序中斷方式和DMA方式的區(qū)別。

第六章計算機(jī)的運算方法

教學(xué)時數(shù)：8學(xué)時

教學(xué)目的與要求：使學(xué)生掌握計算機(jī)系統(tǒng)信息的表示方法、根本邏輯運算和

四如此運算，理解運算的實現(xiàn)方法，信息的流動方式，運算器部件的組成結(jié)構(gòu)與

設(shè)計方法。

教學(xué)重點：計算機(jī)信息的表示方法、定點數(shù)和浮點數(shù)的四如此運算。

教學(xué)難點：原碼一位串行乘法算法乘法器、浮點乘除運算算法。

第一節(jié)無符號數(shù)與有符號數(shù)

1.機(jī)器數(shù)

機(jī)器數(shù)包括原碼、反碼、補碼和移碼。

1）原碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對于一個正數(shù)，用”0〃表示它的

符號，后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)；對于一個負(fù)數(shù)，用“1〃表示它的符號,

后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)。

2）反碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對于一個正數(shù)，用“0〃表示它的

符號，后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)；對于一個負(fù)數(shù)，用“1〃表示它的符號,

后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)（即原碼）逐位變反（即“0〃變”1〃，“1”變

“0〃）o

3）補碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對于一個正數(shù)，用“0〃表示它的

符號，后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)；對于一個負(fù)數(shù)，用力〃表示它的符號,

后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)（即原碼）逐位變反，然后加io

對負(fù)的補碼進(jìn)展復(fù)原的時候，數(shù)值位仍然采用逐位變反，然后加1的方法。

對于一個四位的二進(jìn)制數(shù)來說，變反意味著用一個最大的四位二進(jìn)制數(shù)來減此二

進(jìn)制數(shù)，Z=00l0,Z變反即1111-0010=1101；變反加1,可以表示成

1111-0010+1=10000-0010=11lOo對于同一個數(shù)進(jìn)展兩次變反加I,就可表示成：

10000-(10(X)0-0010)=10000-1()()()()+()()10=001()由此可知，對于同一個數(shù)進(jìn)展兩次

變反加1,就可復(fù)原原來的數(shù)，所以補碼復(fù)原仍是采用變反加1的方法。

4)移碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對于一個正數(shù)，用“1〃表示它的

符號，后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)；對于一個負(fù)數(shù)，用“0〃表示它的符號,

后面的數(shù)值局部就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反，然后加1(移碼和補碼在符

號上是相反的)。移碼復(fù)原只能先把它變成補碼，再復(fù)原。

注意：對于原碼00000和10000都表示十進(jìn)制的“0〃，對于反碼00000和

11111都表示十進(jìn)制的“0〃，而對于補碼()()()()()表示“0”,而1000()表示絕對

值最大的負(fù)數(shù)(-16),同理對于移碼10000表示“0〃，而00000表示絕對值最大

的負(fù)數(shù)(-16)。注2：對于原碼，反碼和補碼可以表示整數(shù)也可以表示小數(shù)，而移

碼只能表示整數(shù)，移碼只用于浮點數(shù)的階碼表示。

第二節(jié)數(shù)的定點表示與浮點表示

1.定點數(shù)

定點數(shù)表示法約定：機(jī)器在運算過程中，所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置固定不變，

小數(shù)點的位置由系統(tǒng)設(shè)計者指定一個不變的位置，它不占二進(jìn)制的一位，而是隱

含在機(jī)器數(shù)中的某個位置上。

事實上，不論是定點小數(shù)還是定點整數(shù)都不能直接表示表示：+11.11

如果出現(xiàn)此種情況那么11.11=22*0.1111=2-2*1111.0

此時用定點數(shù)來表示數(shù)據(jù)必須另外參加一個比例因子，以便正確說明記錄的

數(shù)據(jù)。用定點數(shù)進(jìn)展運算處理的機(jī)器稱定點機(jī)。

2.浮點數(shù)

將定點數(shù)所需的比例因子引入數(shù)據(jù)表示中，形成了浮點數(shù)。浮點數(shù)由階數(shù)和

尾數(shù)兩局部構(gòu)成。浮點數(shù)的形式如下：N=±R±E*M

其中R為階碼的底，可以為2、4、8、16等等，E為階碼，M為尾數(shù)。

通常，描述一個浮點數(shù)需要考慮以下六個參數(shù)

（1）尾數(shù)值：包括采用什么碼制（原碼、反碼、補碼，常采用原碼或補碼），

采用什么數(shù)制（小數(shù)、整數(shù)，常采用小數(shù)）

（2）階值：包括采用什么碼制（補碼、移碼，常采用移碼），采用什么數(shù)制（一

般采用整數(shù)）

（3）尾數(shù)的基：尾數(shù)采用二進(jìn)制、四進(jìn)制、8進(jìn)制、16進(jìn)制、10進(jìn)制

（4）階的基：目前采用的只有二進(jìn)制

（5）尾數(shù)的長度

（6）階的長度

浮點數(shù)的表示形式為：

數(shù)符階符階碼數(shù)值（尾數(shù)）

浮點數(shù)的表示法有很多，我們以以下四種加以說明：

原碼表示法：階和尾全是原碼；

反碼表示法：階和尾全是反碼；

補碼表示法：階和尾全是補碼；

階移尾補表示法：階為移碼，尾為補碼；

在表示浮點數(shù)的時候，為了充分利用尾數(shù)的有效位數(shù)，提高數(shù)據(jù)精度需要采

用規(guī)格化表示，所以約定浮點數(shù)的尾數(shù)的數(shù)值最高位一定是有效的數(shù)據(jù)。對于原

碼表示的浮點數(shù)，尾數(shù)的數(shù)值最高位為1,表示規(guī)格化；對于反碼、補碼表示的

浮點數(shù)，符號位與尾數(shù)的數(shù)值最高位不一致，表示規(guī)格化。

對于一個數(shù)V,如果出現(xiàn)v>x,我們稱之為（正）上溢；如果出現(xiàn)v<z,我們

稱之為（負(fù)）上溢；如果出現(xiàn)W<V<Y,我們稱之為下溢；出現(xiàn)上溢現(xiàn)象要進(jìn)展相

應(yīng)的溢出處理，出現(xiàn)下溢現(xiàn)象如此把結(jié)果直接看做是0（階、尾數(shù)全0）。當(dāng)浮點

數(shù)的位數(shù)越多，它可以表示的X圍就越大。

數(shù)據(jù)精度：指一個數(shù)的有效位數(shù)。定點數(shù)的精度為16,浮點數(shù)為11。

而在計算機(jī)中使用最多的是IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。

第三節(jié)定點運算

1.原碼，反碼和補碼、移碼的運算

1）原碼運算：

加法：同符號相加或是異符號相減，保存符號，直值相加。

減法：異符號相加或是同符號相減，符號與絕對值大的數(shù)保持一致，真值相

減。

2）反碼運算：只有加法運算，符號參與運算

3）補碼運算：只有加法運算，符號參與運算

4）移碼運算：移碼加減移碼運算，然后修正。

2.定點數(shù)運算的溢出處理

1）溢出現(xiàn)象。對于定點數(shù)的加減運算來說，實際上可以分為兩類：同號加（加）

和異號加（減）。同號相加的時會產(chǎn)生結(jié)果不正確的現(xiàn)象，其原因是由于正確的結(jié)

果超過了數(shù)據(jù)所能夠表示的X圍，故爾稱之為溢出現(xiàn)象，異號相加是不會出現(xiàn)

溢出現(xiàn)象的。

2）溢出的判別

（1）由于溢出現(xiàn)象只出現(xiàn)在同號相加，其現(xiàn)象為正加正得負(fù)或是負(fù)加負(fù)得

正，

也可以表述為：當(dāng)符號一樣的兩個數(shù)相加時，如果結(jié)果的符號與加數(shù)（或被

加數(shù)）的符號不同時，如此為溢出。

（2）當(dāng)兩個數(shù)相加，如果C<>CF,如此為溢出。溢出標(biāo)志為F=CeCF

其中C為數(shù)值位的進(jìn)位，CF為符號位的進(jìn)位。

（3）采用雙符號位。

即用00表示正數(shù)，用11表示負(fù)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)01時是正溢，出現(xiàn)10時是負(fù)溢。

3）溢出處理

計算機(jī)在運算過程中，一旦發(fā)現(xiàn)結(jié)果有溢出現(xiàn)象，必然會進(jìn)展處理。溢出處

理有的是采用軟件處理，有的是采用硬件處理。軟件硬件等效。

3.二進(jìn)制定點乘法

在計算機(jī)中，運算使用全加器，一次只能兩個數(shù)相加，所以采用累加的方式

即：A=A+B,其中A中放入的是累加的結(jié)果（局部積），B中放入的是乘數(shù)的某一

位與被乘數(shù)相乘的結(jié)果（被乘數(shù)）；而在計算機(jī)中都是定點小數(shù)運算，為了保證每

一位的正確位置，采用移位的方式（右移1位），所以在計算機(jī)中做乘法，就是靠

累加和移位實現(xiàn)的。

1）定點原碼一位乘法。

兩個原碼相乘，積的符號由兩原碼的符號異或而成，積的值由兩個原碼的絕

對值相乘而得。實現(xiàn)原碼一位乘，電路中應(yīng)該設(shè)有存放器A、B、C；計數(shù)器Count,

其中存放器A用于存放局部積，他在運算之初為0,在運算過程中，每次累加的

結(jié)果放入A,最終A保存的是積的高位局部，存放器B用于存放被乘數(shù)，存放

器C用于存放乘數(shù)，由于每次移位都是A、C同時移動，所以當(dāng)運算完畢的時候

C保存的是積的低位局部。計數(shù)器Count中保存的是被乘數(shù)、乘數(shù)的數(shù)值位數(shù)。

注：原碼移位的時候采用的是邏輯移位。

2）定點補碼一位乘

補碼乘法與原碼乘法相似，不同之處是補碼的符號位可以直接參與運算。要

實現(xiàn)補碼一位乘，電路中應(yīng)該設(shè)有存放器A、B、C；計數(shù)器Count,其中存放器

A用于存放局部積，他在運算之初為0,在運算過程中，每次累加的結(jié)果放入A,

最終A保存的是積的高位局部，存放器B用于存放被乘數(shù)補碼數(shù)值局部，存放

器C用于存放乘數(shù)補碼數(shù)值局部，由于每次移位都是A、C同時移動，所以當(dāng)運

算完畢的時候C保存的是積的低位局部。計數(shù)器Count中保存的是被乘數(shù)、乘

數(shù)的數(shù)值位數(shù)。注：采用校正法，每次做加法之后要算術(shù)右移，但做校正時只加,

不移位。

3）原碼兩位乘法（軟件工程、物聯(lián)網(wǎng)、信息管理專業(yè)略）

進(jìn)展原碼兩位乘法的時候，當(dāng)乘數(shù)末兩位為00如此A=A+0；當(dāng)乘數(shù)末兩位

為01如此A=A+X；當(dāng)乘數(shù)末兩位為10如此A=A+2X；當(dāng)乘數(shù)末兩位為11如此

A=A+3X。由于3X不好實現(xiàn)所以改為4X-X,即當(dāng)乘數(shù)末兩位為11如此A=A-X,

然后右移2位，并設(shè)標(biāo)志位CJ=1。

關(guān)于原碼兩位乘的說明：

①符號位由兩個乘數(shù)的的符號位相異或，數(shù)值的絕對值相乘（符號位三位防

止假溢出）。

②運算規(guī)如此見上表，+X表示加被乘數(shù)的絕對值，-X表示加被乘數(shù)的絕對

值的補。

③乘數(shù)如果為奇數(shù)位時，末位加個，0',或最后一次移位只移動一位。

④運算到最高數(shù)值位完畢，但當(dāng)此時CJ=1,要追加一個+X,但不移位。

4.補碼兩位乘法

采用兩位布斯算法，所以要加一個附加位，置為0。說明：對于數(shù)值位為奇

數(shù)n個位的數(shù)來說，操作（n+l）/2次，且最后一次只右移1位。對于數(shù)值位為偶

數(shù)n個位的數(shù)來說，①補個7T,操作n/2+l次，且最后一次只右移1位。②Y采

用雙符號操作n/2+l次，且最后一次不移位。

第四節(jié)浮點四如此運算

1.浮點數(shù)加減法

i）檢測操作數(shù)是否為0

判斷浮點數(shù)為0的方式：（1）尾數(shù)為0,（2）階碼下溢

加法：如果有一個為0,和就是另一個數(shù)。

減法：如果被減數(shù)為0,差為減數(shù)求補；如昊減數(shù)為0,差為被減數(shù)。

2）對階：調(diào)整兩個浮點數(shù)的階碼，使他們的階一致。通常把階小的數(shù)調(diào)整

成與階大的一致。

3）數(shù)相加減：其方法與定點數(shù)一樣。

4）結(jié)果規(guī)格化：運算完畢，當(dāng)尾數(shù)的絕對值大于等于1時，尾數(shù)右移1位,

階加1,使之規(guī)格化，成為右規(guī)；當(dāng)尾數(shù)的絕對值小于1/2時，尾數(shù)左移，階相

減，使之規(guī)格化，成為左規(guī)。通常浮點數(shù)加減運算不會溢出，但是理論上仍然有

溢出的可能。例如兩個極大的數(shù)相加，規(guī)格化時，導(dǎo)致階碼溢出，此時浮點數(shù)溢

出。

5）舍入：由于對階的時候階小的要與階大的對齊，所以常常會導(dǎo)致一些階

小的浮點數(shù)的一些數(shù)據(jù)被移出浮點數(shù)的尾數(shù)（尾數(shù)的位數(shù)不夠），所以要采取舍入

處理。以一個8位階24位尾的浮點數(shù)為例。

①截斷法：把多余局部截去。

電路可以不加任何多余電路，誤差最大。最大誤差=2-23。如果尾數(shù)采用補

碼，正數(shù)和負(fù)數(shù)的積累誤差最大，正數(shù)積累誤差偏負(fù)（比熨際值?。?，負(fù)數(shù)積累誤

差偏正（比實際值大），如果把數(shù)據(jù)一起考慮總誤差為（）。

②舍入法：（）舍1入。

電路加1位，最大誤差=2-24,如果尾數(shù)采用補碼，正數(shù)和負(fù)數(shù)的積累誤差

比③小。

③恒1法：末位恒置Io

電路可以不加任何多余電路，最大誤差合2?23,如果尾數(shù)采用補碼，正數(shù)和

負(fù)數(shù)的積累誤差比①小。

④查表舍入法

它把尾數(shù)的低K-1位和被舍入局部的最高位送入一個ROM表，通過表的內(nèi)

容得到對應(yīng)的近似結(jié)果。這個方法電路復(fù)雜，但是速度快，ROM速度比做加法

快，平均誤差=0,如果尾數(shù)采用補碼，正數(shù)和負(fù)數(shù)的積累誤差最小。

6）溢出判斷：當(dāng)階碼局部正溢，如此稱浮點數(shù)上溢出，進(jìn)入溢出處理；當(dāng)

階碼局部負(fù)溢，如此稱浮點數(shù)下溢出，浮點數(shù)直接置為0（尾數(shù)為0）。

2.浮點乘法

（1）檢查操作數(shù)是否為0,并置結(jié)果符號。如果有一個操作數(shù)為0,結(jié)果為0。

(2)階碼相加：階碼相加可能會產(chǎn)生溢出，上溢出進(jìn)入溢出處理，下溢出直

接積為Oo

(3)尾數(shù)相乘：方法同定點乘法。

(4)規(guī)格化。

(5)舍入

(6)溢出處理

第五節(jié)算術(shù)邏輯單元

1.算術(shù)邏輯運算部件(ALU)

參見書中281頁圖6.17o

2.先行進(jìn)位鏈

通過對一位全加電路的學(xué)習(xí)我們知道，一位全加器有三個輸入A