网络工程师辅导教程--计算机硬件基础知识部分

• E:小数点的位置决定数值范围，定点整数(带符号纯整数)
• R是阶码的底，又称基数，隐含表示，通常R=2，则
N2EF
• E和F可分别指定为原码、反码、补码、移码 • 特别注意E和F分别以什么码表示，否则就惨了
• 浮点数表示格式(格式非固定)：
阶符 阶码 数符
尾数
浮点数的规格化
• 为了规范，规定在运算结束将运算结果存到 机器中时，必须是规格化的浮点数
试题举例
• 用n个二进制位表示带符号纯整数时，已知 [X]补、[Y]补，则当 (46) 时，等式 [X]补+[Y]补=[X+Y]补 成立。 （46） A、-2n≤(X+Y)≤2n-1 B、-2n-1≤(X+Y)<2n-1 C、-2n-1-1≤(X+Y)≤2n-1 D、-2n-1≤(X+Y)< 2n
CPU
➢功能 指令控制：控制机器保证顺序执行程序 操作控制：指令分析 时间控制：对各种微操作实施时间控制 数据加工：对数据做算术/逻辑运算得到结果
计算机体系结构
CPU组成－寄存器
• 累加器 • 通用寄存器组：工作寄存器，提高运算速
度 • 标志寄存器： S,Z,C,O(或V),P • 指令寄存器IR • 地址寄存器：CS,DS,SP和程序计数器PC等
机内数据表示形式
移码
• 机器数的又一种表示方法，又称增码 • 常用来表示浮点数的阶码 • 移码的符号位，用1表示正号，而0表示负
号 • 求法:把其补码的符号位直接变反即可
机器数的运算
补码的加、减运算
➢运算规则 [X Y ]补 [X ]补 [Y ]补
[ X Y ] 补 [ X ] 补 [ Y ] 补 [ X ] 补 [ Y ] 补
由组合电路实现 • 微程序控制(micro-programmed implementation)
❖ CISC、RISC
试题举例(2003年程序员上午试题56）
• 下面关于组合逻辑控制器正确的描述是：____。 A．组合逻辑控制器是由软件实现的，所以比较灵活 B．组合逻辑控制器是由硬件实现的，因此速度很快 C．组合逻辑控制器是由软件实现的，所以容易修改 D．组合逻辑控制器是一系列微指令实现的，因此体积
计算机系统基本组成
➢硬件系统典型结构：采用总线结构连接
❖单总线结构：各部件间通过总线交换信息
优点：扩充I/O设备容易 缺点：分时使用总线，限制了信息传送的 吞吐量 适用：微机、小型机
计算机系统基本组成
❖双总线结构：CPU与主存间设专用高速 存储总线
▪ 以CPU为中心：I/O设备与主存间信息交 换需经CPU进行 优点：控制线路简单，对I/O总线传送 速率要求较低 缺点：CPU工作效率较低
汉字信息处理系统模型 输入——输入码——国标码— —内码——字形码—— 输出
试题举例
• 若某汉字的机内码为BFF0H，则该汉字的国 标码为（1），而该汉字的区位码为（2）。
• （1）（2） A. 3F70H B. 1F50H C. 2F80H D. DF0FH
✓答案： （1）A （2） B
计算机体系结构
（47）A.使CPU能找到中断服务程序的入口地址 B. 为了实现中断嵌套 C. 为了使CPU在执行完中断服务程序时
能回到被中断程序的断点处 D. 为了使CPU与I/O设备并行工作
✓答案：（47）C
计算机体系结构
控制器的实现
❖ 两种方法： • 硬布线逻辑（hardwired implementation)
✓答案：B
定点数表示
• 定点整数、定点小数
符号位 小数点 位置
小数点 位置
(纯小数)
(整数)
• 小数点位置是约定的，并没有具体的硬件
定点数的不足
表示范围有限，太大或太小的数都不能表示
除法不精确
浮点数的表示及其规格化
• 任意浮点数N可用阶码E和尾数F表示
NREF
• F:数值的有效数字决定精度，定点小数(带符号纯小数)
– 有权码:例,8421码等 – 无权码:例,余3码,格雷码等 注：余3码＝8421码＋0011
格雷码编码规则是相邻两个代码间只有一位不同
字符数据的表示方法
➢ASCII码：(American Standard Code for Information Interchange)用7位二进制数表示， 可表示128个符号，包括字母、数字、专用 字符和控制字符，国际标准ISO646，又称国 际5号代码IA5。
机内数据表示形式
原码、反码、补码、移码
• 书写的真值包括数值部分及其符号（＋/－） • 真值在计算机中的表示称为机器数
• 机器数的表示方法有原码、反码、补码、移码， 要注意正、负数的区别
• 正数的原码、反码、补码完全相同，其符号位 为“0”，其余位取值不变
• 对于负数，负数的原码其符号位为“1”，其余 各位取值不变；负数的反码其符号位为“1”， 其余各位在原码基础上按位取反；负数的补码 其符号位为“1”，其余各位在原码的基础上按 位求反，再在末位上加“1”
机器数的运算
补码的加、减运算
• 当运算结果超过定点数表示范围，则产生溢出
• 进位判决法
令C
n
表示次高位（最高数值位）向最高位（符
1
号位）的进位，C n 表示符号位的进位，
则 CnCn11时有溢出，否则无溢出 • 双符号位判决法
采用两位二进制数表示符号位：
00－正号 11－负号
若运算结果符号位为01(正溢出）或10（负溢出)
• 常用的7位ASCII码： 30H—39H对应十进制数0－9 41H对应大写A 61H对应小写a，相差20H 20H表示空格SP 0DH表示回车CR
汉字的处理
汉字编码
• 汉字的编码输入（外 码）
• 汉字的存储（内码） • 汉字的输出（字形码）
输入时汉字转化为输入码 计算机处理汉字时采用机内码 显示汉字时转化为显示字形码 交换汉字时又采用交换码
计算机体系结构
控制器基本功能
➢ 中断控制逻辑 ▪ 中断处理过程 中断响应过程：关中断；断点保护； 入口地址置入PC 中断服务过程：保护现场；开中断； 执行服务程序；关中断；恢复现场；返回
计算机体系结构
控制器基本功能
➢中断控制逻辑 ▪ 中断的种类 按中断源的位置分：内部中断、外部 中断 按中断源的类型分：硬件中断、软件 中断 按中断源的屏蔽特性分：可屏蔽中断、 非屏蔽中断
计算机体系结构
控制器基本功能
➢中断控制逻辑 ▪ 多重中断： 中断排队 中断嵌套
试题举例
(2004年下半年网络工程师上午试题3）
●中断响应时间是指 (3) 。
(3) A.从中断处理开始到中断处理结束所用的时间 B.从发出中断请求到中断处理结束所用的时间 C.从发出中断请求到进入中断处理所用的时间 D.从中断处理结束到再次中断请求的时间
直接存储器
计算机体系结构
存储系统－层次结构
❖三级结构 高速缓存Cache+主存＋辅存 目的是解决主存与CPU速度不匹配问题
❖两级结构（主存＋辅存） 目的是解决存储器容量不足的问题
▪ 注：若将CPU内的寄存器也看成是一个层次， 则可将存储系统增加一个层次
计算机体系结构
存储器系统－主存（半导体存储器）
的运行速度有利。 缺点：控制信号的逻辑设计复杂，用门电路实现也
较困难，尤其要变动一些设计更不方便
✓答案： B
计算机体系结构
存储器系统－分类
• 按位置：内存（主存）、外存（辅存） • 按材料：磁存储器、半导体存储器、光
存储器 • 按工作方式：读写存储器、只读存储器 • 按访问方式：按地址访问、按内容访问 • 按寻址方式：随机存储器、顺序存储器、
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请试验做下题
●内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，
共有__(1)__个字节。若用存储容量为
32K×8bit的存储芯片构成该内存，至少需要
__(2)__片。
(1)A.80K B.96K C.160K D.192K
(2)A.2
B.5
C.8
D.10
(2)11110101000000
(3)1101010100000000
(4)11110001010000
• A: (2) • B: (2) • C: (1) • D: (1) • E: (3)
答案
字符数据的表示方法
➢字符（包括数值、文字、英文字母）进入计算 机时，必须转换成二进制，称字符编码
➢BCD码：用4位二进制代码表示1位十进制数
• RAM：断电后信息丢失，SRAM（集成度低，不需 刷新）， DRAM（集成度高，动态刷新）
✓答案： （3）C
Baidu Nhomakorabea
试题举例(2003年程序员上午试题58）
• 在微型计算机中，采用中断方式的优点之 一是 (58) 。
（58）A．简单且容易实现 B．CPU可以不工作 C．可实时响应突发事件 D．传送速度最快
✓答案： C
试题举例(2004年上半年高程上午试题47）
• 在中断响应过程中，CPU保护程序计数器的主 要目的是（47）。
▪ 注：上述寄存器分属于运算器和控制器
计算机体系结构
CPU组成－运算器
➢功能 • 算术运算 • 逻辑运算 ➢基本结构 • ALU • 累加器ACC • 寄存器组 • 多路转换器
计算机体系结构
CPU组成－控制器CU
• 基本功能：时序控制、执行控制 • 输入信号：时钟信号、指令寄存器IR、
标志位、控制总线上的控制信号
• 输出信号：CPU内的控制信号、发往控 制总线的控制信号
• 基本组成：指令寄存器IR、指令译码器、 程序计数器PC、时序部件、微操作形成 部件、程序状态字PSW寄存器
计算机体系结构
控制器基本功能
➢时钟周期 时钟周期：T周期，机器主频，时间基准 机器周期（CPU周期）：微操作时间 指令周期：执行一条指令所需时间
解答
✓答案： （1）C （2）B
2004年下半年网络工程师上午试题1、2
计算机基础知识
• 计算机系统基本组成 • 计算机的运算基础
数制及其转换 算术运算 • 机内数据表示形式 原码、反码、补码、移码 定点数和浮点数 ASCII码 汉字编码
计算机系统基本组成
• 计算机系统：硬件系统＋软件系统 • 软件：程序＋数据＋相关的文档
• 规格化浮点数尾数的最高数值位是有效数字， 即
正尾数 0.5F1
负尾数 1F0.5
试题举例
• 计算机中16位浮点数的表示格式为
0 34
15
阶码
尾数（含数符）
其中阶码4位（含1位符号）为定点整数，尾数12 位（含1位符号）为定点小数，设一个数机器码为 1110001010000000。
若阶码为移码且尾数为原码，则其十进制真值为 A ；
（软件是指为管理、运行、维护及应用 计算机所开发的程序和相关文档的集合）
计算机系统基本组成
• 硬件系统： 主机＋外存储器＋I/O设备
主机＝CPU+内存＋时钟电路＋中断控制电 路＋DMA电路＋总线＋附属电路等
CPU＝运算器＋控制器 内存＝ROM＋RAM＋cache 外存储器：硬盘、软盘、光盘、磁带等大容量 I/O设备＝输入设备＋输出设备 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：显示器、打印机、绘图仪等
很小
分析
• 按照控制信号产生的方式不同，控制器分为微程序 控制器和组合逻辑控制器两类
• 微程序控制器是将全部控制信号存储在控制器中。 优点：控制信号的逻辑设计，实现及改动都较容易。 缺点：产生控制信号所需的时间较长。 • 组合逻辑控制器，又称硬布线方式控制器，是用组
合逻辑的门电路实现控制信号。 优点：产生控制信号所需的延迟时间少，对提高系统
计算机系统基本组成
❖双总线结构：CPU与主存间设专用高速 存储总线
▪ 以存储器为中心：主存可通过系统总线 直接与I/O设备交换信息 优点：信息传送速率高 缺点：增加硬件投资
计算机系统基本组成
❖通道结构：I/O设备较多，输入输出操作 频繁时采用 优点：可扩展性好、CPU负担轻、系 统效率高 缺点：结构相对复杂、成本较高 适用：大、中型机
试题举例
• 用n个二进制位表示带符号纯整数时，已知 [X]补、[Y]补，则当 (46) 时，等式 [X]补+[Y]补=[X+Y]补 成立。 （46） A、-2n≤(X+Y)≤2n-1 B、-2n-1≤(X+Y)<2n-1 C、-2n-1-1≤(X+Y)≤2n-1 D、-2n-1≤(X+Y)< 2n
若阶码为移码且尾数为反码，则其十进制真值为 B ；
若阶码为补码且尾数为原码，则其十进制真值为 C ；
若阶码为补码且尾数为补码，则其十进制真值为 D ， 将其规格化后的机器码为 E 。
供选择的答案
• A-D: (1)0.078125 (2) 20
(3)1.25
(4)20.969375
• E: (1)1110001010000000