第二章 计算机组成原理
数字逻辑与计算机组成原理：第二章 数据的表示与运算
第二章 数据的表示与运算
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
1、无符号数:
没有符号的数，寄存器中的每一位都可用 来存放数据
机器字长为n位，无符号数的表示范围 为0～2n-1
反映无符号数的表示范围
8位 16 位
0 ~ 255 0 ~ 65535
有两种常用的无符号表示法： ◆ 非负数码：表示0或一个正数
(1) 定义
整数
0，x
2n ＞ x ≥ 0
[x]反 = ( 2n+1 – 1) + x 0 ≥ x ＞ 2n（mod 2n+1 1）
x 为真值
n 为整数的位数
如 x = +1101
x = 1101
[x]反 = 0,1101
[x]反 = (24+1 1) 1101 = 11111 1101
用 逗号 将符号位
= 1,0010
和数值部分隔开
小数 x
[x]反 = ( 2 – 2-n) + x
1＞x≥ 0 0 ≥ x ＞ 1（mod 2 2-n）
x 为真值 n 为小数的位数
如 x = + 0.1101
x = 0.1010
[x]反 = 0.1101
[x]反 = (2 2-4) 0.1010
= 1.1111 0.1010
有符号小数： +0.1011,在机器中表示为
-0.1011,在机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数 2、有符号数
有符号整数： +1101，机器中表示为
-1101， 机器中表示为
第一节 数的表示
一、无符号数和有符号数
计算机组成原理 第2章
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
原码、反码与补码
• 例2：已知[x]补=11101110，求[-x]补、[x]反、[x]原及真值x。 解：[-x]补=00010010 （[x]补取反加1） [x]反=11101101 （[x]补减1） [x]原=10010010 （[x]原低7位取反） 真值x=-0010010B=-12H=-18D
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
补码表示法
• 对定点整数，补码的定义是： X [X]补= 2n > x 0 （mod 2n+1）
2n+1+x=2n+1-|x|
0 > x -2n
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
补码表示法
• 利用补码可以将减法运算变成加法运算来实现。但是 根据补码定义，求负数的补码要从2减去|X|。为了用加 法代替减法，结果还得在求补码时作一次减法，这显 然是不方便的。可以利用反码的方式解决负数的求补 问题。 • 另一方面，利用补码实现减法运算，可以和常规的加 法运算使用用一加法器电路，从而简化了计算机的设 计。
移码表示法
• 移码的定义：[X]移=2n +X （-2n = <x< 2n）n为阶码数值位 (除符号位)
• 移码的计算：先求出X的补码，再对其符号位取反或直接利用定 义计算。
《计算机组成原理与实验》 冶金工业出版社
计算机组成原理——第 2章
移码的特点
（1）在移码中，最高位为“0”表示负数，最高位为“1”表示正数。 （2）移码为全0时，它所对应的真值最小，为全1时，它所对应的真 值最大。因此，移码的大小比较直观地反映了真值的大小，这有 助于比较两个浮点数阶码的大小。 （ 3 ） 真 值 0 在 移 码 中 的 表 示 形 式 是 唯 一 的 ， 即 [+0] 移 =[-0] 移 = 100…0。 （4）移码把真值映射到一个正数域，所以可将移码视为无符号数， 直接按无符号数规 则比较大小。 （5）同一数值的移码和补码除最高位相反外，其他各位相同。
计算机组成原理第二章
原码一位乘法（串行乘法） 原码一位乘法（串行乘法）
早期的计算机中，通常采用在n位二进制加法器上重复执行 “加法——移位”操作来串行实现两个n位数的乘法运算，这就 是“原码一位乘法”。原理如下：
设 y = 0 . y1 y 2 y 3 y 4 , 则有
x • y = x • 0 . y1 y 2 y 3 y 4 = x • y1 • 2 −1 + y 2 • 2 − 2 + y 3 • 2 − 3 + y 4 • 2 − 4 = 2 −1 • y1 • x + 2 −1 • y 2 • x + 2 − 2 • y 3 • x + 2 − 3 • y 4 • x = 2 −1
数的机器码表示
补码表示
若定点整数的补码形式为xnxn-1……x2x0（xn为符号位），则 x 定点整数：[x]补= 2n＋1＋x=2n＋1－|x| 0 ≥ x>-2n 2n>x ≥ 0 （mod 2n ）
补码表示与真值的关系 【例题】P21 例3、例4 x = − 2 n x n + 原码变成补码 【例题】P21 例5
z 3 = 2 −1 • ( y 2 • x + z 2 )；
z 4 = 2 −1 • ( y1 • x + z 3 ) 。
其中， z 4 = x • y ， 该过程可以推广到一般。
原码串行乘法算法流程
开始 B=|x|,C=|y|,A=0,CTR=n
N Cn=1? Y
说明： 说明：使用三个寄存器A,B,C 分别存放部分积z、被乘数 |x|和乘数|y|，其中部分积 初始值为0，且B,C均有右移 功能。运算时，用C寄存器的 最低位来决定部分积与0或是 与被乘数B相加，然后A与C一 同右移一位，如此重复n次， 最后得到的A—C中的内容就 是乘积，运算次数用计数器 控制。
计算机组成原理第二章-计算机数据表示方法
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一、计算机内的数据表示
6) 移码（增码）表 示
•移码表示浮点数的阶码，只有整数形式，如IEEE754中阶码用移码表示。
设定点整数X的移码形式为X0X1X2X3…Xn
则移码的定义是：
[X]移= 2n + X
2n X - 2n
•具体实现：数值位与X的补码相同，符号位与补码相反。
[X]补
10000001 11111111
[X]移
00000001 01111111
00000000 10000000
00000001 01111111
10000001 11111111
Confederal Confidential
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一、计算机内的数据表示
3.计算机中常用的两种数值数据格式 1)定点数 •可表示定点小数和整数 •表现形式：X0.X1X2X3X4……..Xn
Confederal Confidential
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一、计算机内的数据表示 IEEE754 32位浮点数与对应真值之间的变换流程
Confederal Confidential
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一、计算机内的数据表示
例5 将十进制数20.59375转换成32位IEEE754格式浮点数的二进 制格式来存储。
解:先将十进制数换成二进制数： 20.59375=10100.10011(0.5+0.25+0.125+0.0625+0.03125) 移动小数点，使其变成1.M的形式 10100.10011=1.010010011×24
16
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一、计算机内的数据表示
例6 若某浮点数x的二进制存储格式为(41360000)16 ,求与其对应 的32位浮点表示的十进的值。
计算机组成原理课件第2章课件
压力测试
通过长时间运行高负载任务来 测试计算机的稳定性和可靠性 。
温度和散热测试
测试计算机在高温环境下的稳 定性和散热性能。
计算机性能优化
01
02
03
04
硬件优化
通过升级硬件配置，如 更快的处理器、更大的 内存和存储空间等，提 高计算机性能。
软件优化
通过优化软件算法、操 作系统和应用程序等， 提高计算机性能。
计算机安全重要性
随着计算机技术的快速发展，计算机安全问题日益突出，保护计算机安全对于保障国家安全、社会稳定和经济发展具 有重要意义。
计算机安全威胁
计算机安全面临的威胁包括病毒、木马、黑客攻击、网络钓鱼、拒绝服务攻击等，这些威胁可能导致数 据泄露、系统瘫痪、经济损失等严重后果。
计算机安全技术
防火墙技术
感谢您的观看
THANKS
Excel
电子表格软件，用于数据处理、图表制作和 数据分析。
应用软件
PowerPoint
演示文稿软件，用于制作幻 灯片、演示文稿和会议报告 等。
图像处理软件
用于处理和编辑图像，如 Photoshop等。
图像裁剪
对图像进行裁剪，保留需要 的部分。
应用软件
色彩调整
调整图像的色彩、亮度和对比度 等参数。
数据库管理系统
用于管理大量数据，提供数据存储、检索、更新和保护功能。
系统软件
数据模型
定义数据的组织方式和数据之间的关系。
数据操作语言
用于执行数据的插入、删除、更新和检索等 操作。
数据控制语言
用于控制对数据的访问权限和数据的安全性。
应用软件
Word
文本编辑软件，用于撰写文档、排版和打印。
计算机组成原理第2章 数据的表示方法
• 优点：简单，直观，易懂。 • 缺点：做加减法时，需要将符号位和数值部 分分开处理。
• 原码表示进行加减运算的情况。
指令操作 操作数符1 操作数符2 实际操作 + 加法 + + + + + 减法 + + + + + + -
2、二进制定点数的补码表示
– 只照顾机器 (运算方便、节省存储空间 )，不照顾 人(是否便于理解) 。
• 机器数按小数点位置是否固定分为:
– 定点数 – 浮点数(实数)
2.2.1 无符号数
• 无符号数是指没有符号的数，在计算机中 每一位都是数据。
– 如数据的位数为16位时，无符号数的范围为 0~65535共65536个数（即216）。
• 如8421码，用12(CH)表示正号，用13(DH)表示负 号。
有权码
十进 制数
0 1 2
无权码
4311 码 十进 制数
0 1 2
8421 码
2421 码
5211 码
余3码
0011 0100 0101
格雷码 （1）
0000 0001 0011
格雷码 （2）
0000 0100 0110
0000 0000 0001 0001 0010 0010
• 下面以有权码8421码为例，进行一位BCD码 的加法运算。 1、2+7=9 2、6+8=14 3、9+8=17 0010 0110 1001 0111 1000 1000 1001 1110 修正 10001 修正 0110 0110 10100 10111
第二章 计算机组成原理
时钟频率的发展：
400MHZ---533MHZ---800MHZ，即将达到1066MHZ [单选]用MHz来衡量计算机的性能，它指的是计算机__________。
ACM 图灵奖
1966年由ACM（美国计算机学会）创建，该奖有计 算机界的诺贝尔奖之称。
IEEE 计算机先驱奖
1980年由IEEE-CS(美国电气与电子工程师学会-计 算机学会)创建，是世界范围内计算机科学技术领域另 一个最重要的奖项，和图灵奖是互为补充的。
计算机的诞生与发展
对计算机的诞生发展做出重大贡献的两个人：
(a) NEC SX-6/64MB巨 型计算机外形
(b) 全球气温分布与 变化趋势图
计算机的分类
大型计算机（Mainframe）
运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安 全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机， CPU 通常有 4 、 8、16、32个甚至更多处理器。
功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务 器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。
内存储器
控制器CU RAM
外部存储器－－硬盘 、软盘、光盘、磁带
外设
输入设备－－键盘、鼠标器、扫描仪 输出设备－－显示器、打印机、绘图仪 其他设备－－调制解调器
计算机的组成
台 式 机
PC机的物理组成
机箱、显示器、键盘、鼠标器等
机箱内包含:
主板、硬盘、软驱、光驱、
电源、风扇等
主板上安装
CPU、芯片组、内存条、
第二章
计算机组成原理
计算机组成原理第四版第二章
+ [y]补 0. 0 1 0 1 [x+y]补 0. 1 1 1 0
所以x+y=+0.1110
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第二章 运算方法和运算器
B 补码减法
➢ 公式：
[x-y]补=[x]补-[y]补=[x]补+[-y]补
➢ 举例
已知 x=+0.1101 ， y=+0.0110，求x-y。 解： [x]补=0.1101 [y]补=0.0110 ，[-y]补=1.1010 [x]补 0. 1 1 0 1 + [-y]补 1. 1 0 1 0 [x-y]补 1 0. 0 1 1 1
最大正数，称为“上溢” 或“正溢出”
两个负数相加，结果 小于机器所能表示的最
小负数，称为“下溢” 或“负溢出”
判断方法
举例说明
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第二章 运算方法和运算器
溢出检测方法常用以下两种方法：
1.采用双符号位（变形补码）判断方法：
变形补码： “00”表示正数、“11”表负数，两符号位同时参加运算， 运算结果符号出现01或10表明溢出。
发生溢出；而在浮点运算时，运算结果超出尾数的表示范围 却并不一定溢出，只有当阶码也超出所能表示的范围时，才 发生溢出。
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3.十进制数串的表示方法
➢ 目前,大多数通用性较强的计算机都能直接 处理十进制形式表示的数据。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 ➢ 2.压缩的十进制数串形式
➢ 计算机采用定点数表示时，对于既有整数又有小数的原始数据，需要设 定一个比例因子，数据按其缩小成定点小数或扩大成定点整数再参加运 算，运算结果，根据比例因子，还原成实际数值。若比例因子选择不当， 往往会使运算结果产生溢出或降低数据的有效精度。
第二章 计算机组成原理考点
第 2 章计算机组成原理★考核知识要点、重点、难点精解★考点 1 * ：计算机硬件的组成及其功能计算机硬件主要包括中央处理器（CPU ）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过系统总线互相连接1. 输入设备（1）输入设备的概念用来向计算机输入信息的设备通称为“输入设备”。
（2）输入设备的分类输入设备有多种，例如，数字和文字输入设各（键盘、写字板等），位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等），图形输入设备（扫描仪，数码相机等），声音输入设各（麦克风、MIDI 演奏器等），视频输入设备（摄像机），温度、压力输入设备．（温度、压力传感器）等。
注意：输入到计算机中的信息都使用二进位（“0”和“ 1 " ）来表示。
2 中央处理器（CPU）负责对输入信息进行各种处理（例如计算、排序、分类、检索等）的部件称为“处理器”。
注意：一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，有的用于绘图，有的用于通信．其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器（CPU），它是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。
3 ．内存储器( l ) 内存储器的概念计算机的一个重要特性是它具有强大的“记忆”功能，能够把程序和数据（包括原始数据、中间运算结果与最终结果等）储存起来，具有这种功能的部件就是“存储器”。
( 2 ) 内存的工作原理内存是存取速度快而容量相对较小（因成本较高）的一类存储器。
内存储器直接与CPU 相连接，是计算机中的工作存储器，它用来存放正在运行的程序和需要立即处理的数据。
CPU 工作时，它所执行的指令及处理的数据都是从内存中取出的，产生的结果也存放在内存中。
4 ．外存储器外存则是存取速度较慢而容量相对很大的一类存储器。
外存储器也称为辅助存储器，其存储容量很大，它能长期存放计算机系统中几乎所有的信息。
计算机执行程序时，外存中的程序及相关的数据必须先传送到内存，然后才能被CPU 使用。
计算机组成原理
第二章 计算机组成原理2.1 计算机的组成与分类 2.1.1 计算机的发展与作用一、 计算机的发展过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。
二、计算机的巨大作用1开拓了人类认识自然、改造自然的新资源 2增添了人类发展科学技术的新手段 3提供了人类创造文化的新工具 4引起了人类的工作与生活方式的变化2.1.2 计算机系统的组成● 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称● 软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档 程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作 数据：程序处理的对象深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用CPU ：LSI 、VLSI 内存：LSI 、VLSI 的半导体存储器20世纪70年代中期以来第4代在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用操作系统，数据库管理系统等开始使用CPU ：SSI ，MSI 内存：SSI ，MSI 半导体存储器60年代中期～70年代初期第3代开始广泛应用于数据处理领域使用FORTRAN 等高级程序设计语言CPU ：晶体管 内存：磁芯50年代中后期～60年代中期 第2代 科学计算和工程计算使用机器语言和汇编语言编写程序CPU ：电子管 内存：磁鼓20世纪40年代中期～50年代末期 第1代 主要应用 配置的软件 主要元器件 年 代 代 别文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等它们都是软件不可缺少的组成部分计算机硬件组成示意图一、输入设备●输入（input）指把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程（名词）向计算机输入的内容输入设备,用来向计算机输入信息的设备输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示输入设备类别●按照输入信息的类型划分●数字和文字输入设备（键盘、写字板等）●位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等）●图形输入设备（扫描仪，数码相机等）●声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等）●视频输入设备（摄像机）●温度、压力输入设备（温度、压力传感器）二、中央处理器CPU●处理器能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理●微处理器简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器包含运算器和控制器。
经典：计算机组成原理-第2章-运算方法和运算器
第二章：运算方法和运算器
2．1 数据与文字的表示方法 2．2 定点加法、减法运算 2．3 定点乘法运算 2．4 定点除法运算 2．5 定点运算器的组成 2．6 浮点运算方法和浮点运算器
其中尾数域所表示的值是1.M。因为规格化的浮点数的尾数域最
左位（最高有效位）总是1。故这一位经常不予存储，而认为隐藏
在小数点的左边。
64位的浮点数中符号位1位，阶码域11位，尾数域52位，指数偏
移值是1023。因此规格化的64位浮点数x的真值为：
x=(－1)s ×(1.M) × 2E－1023 e=E－1023
[X]反=1.x1x2...xn 对于0，有[+0]反=[-0]反之分：
[+0]反=0.00...0
[-0]反=1.11...1
我们比较反码与补码的公式
[X]反=2-2-n+X
[X]补=2+X
可得到 [X]补=[X]反+2-n
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若要一个负数变补码，其方法是符号位置1，其余各位0变1，1变 0，然后在最末位（2-n）上加1。
10100.10011=1.010010011*24 e=4 于是得到：S=0,E=4+127=131=10000011, M=010010011 最后得到32位浮点数的二进制存储格式为： 0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000=（41A4C000）164
计算机组成原理课件第二章
a 2021/1/2
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2.1.1数据格式
64位的浮点数中符号位1位，阶码域11位，尾数域 52位，指数偏移值是1023。因此规格化的64位浮点
数x的真值为：
x=(-1)S×(1.M)×2E-1023
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2.1.2数的机器码表示
真值:一般书写的数 机器码:机器中表示的数, 要解决在计算机内部数
的正、负符号和小数点运算问题。
原码 反码 补码 移码
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1、原码表示法
定点小数x0. x1x2…xn
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1、原码表示法
定点整数x0. x1x2…xn
e=E-1023
一个规格化的32位浮点数x的真值表示为
x=(-1)S×(1.M)×2E-127
e=E-127
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2.1.1数据格式
真值x为零表示：当阶码E为全0且尾数M也为全0时的值，结 合符号位S为0或1，有正零和负零之分。
真值x为无穷大表示：当阶码E为全1且尾数M为全0时，结合 符号位S为0或1，也有+∞和-∞之分。
电路容易实现，触发器的输出有正负之分。
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3、反码表示法
对尾数求反，它跟补码的区别在于末位少加一个1， 所以可以推出反码的定义
定点小数x0.x1x2…xn
X1=＋0.1011011 , [X1]反=0.1011011 X2=－0.1011011 , [X2]反=1.0100100
第二章 计算机组成原理知识点
第二章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用作用：①速度快，通用性强②具有多种多样的信息处理能力，不仅能进行复杂的数学运算，而且能对图像，文字和声音等多种形式的信息进行获取，编辑，转换，存储，展现等处理③信息存储容量大，存取速度高④具有互联，互通和互操作的特性，计算机网络不仅能进行信息的交流与共享，还可借助网络上的其他计算机协同完成复杂的信息处理任务。
2.1.2 计算机的逻辑组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。
软件是指计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。
CPU，内存存储器，总线等构成计算机的“主机”输入/输出设备和外存储器称为“外设”承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”总线是用于在CPU，内存，外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连2.1.3计算机的分类巨型机，大型机，服务器，个人计算机，嵌入式计算机微处理器（µP或MP），通常指使用单片大规模集成电路制成的，具有运算和控制功能的部件SOC：单个集成电路芯片中包含微处理器，存储器，输入/输出控制与接口电路，电子系统模拟电路，数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路2.2 CPU的结构与原理2.2.1 CPU的作用与组成匈牙利数学家冯·诺依曼的“存储程序控制”原理CPU的根本任务是执行指令CPU的组成：寄存器组（用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间结果），运算器：也称算术逻辑部件（ALU），控制器：指令计数器（用来存放CPU正在执行的指令的地址）和指令寄存器（用来保存当前正在执行的指令）2.2.2 指令与指令系统指令是构成程序对的基本单位，采用二进制表示，指令由操作码和操作数地址组成，CPU所能执行的全部指令称为指令系统2.2.3 CPU的性能指标字长，主频，CPU总线速度，高速缓存的容量与结构，指令系统，逻辑结构，内核个数 TFLOPS（万亿条浮点指令/秒）MIPS（百万条定点指令/秒），MFLOPS（百万条浮点指令/秒）2.3 PC主机的组成2.3.1 主板，芯片组与BIOSCPU芯片和内存条分别通过主板上的CPU插座和存储器插槽安装在主板上，PC机常用外围设备通过扩充卡或I/O接口与主板相连，扩充卡借助卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是闪烁存储我，其中存放的是BIOS，它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动，另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放者与计算机系统相关的一些参数（称为配置信息），包括当前的日期和时间，开机口令，已安装的光驱和硬盘的个数及类型等，CMOS 芯片是一种易失性存储器，它由主板上的电池供电，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息芯片组由北桥芯片（MCH）和南桥芯片（ICH）组成，CPU时钟信号由芯片组提供芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量，速度及可使用的内存条的类型每次机器加电时，CPU首先执行BIOS程序，它具有诊断计算机故障和加载操作系统并启动其运行的功能BIOS:加电自检程序，引导装入程序，CMOS设置程序，基本外围设备的驱动程序内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成，RAM目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成DRAM:电路简单，集成度高，功耗小，成本低SRAM:电路复杂，集成度低，功耗大，成本高每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问存储器的存取时间指的是从CPU给出存储器地址开始到存储器读出数据并送回到CPU所需要的时间解决主存速度慢的方法是：①采用cache存储器②改进存储器芯片的电路与工艺，并对DRAM的存储控制技术进行改进2.3.3 I/O总线与I/O接口CPU芯片与北桥芯片相互连接总线称为CPU总线（前端总线FSB），I/O设备控制器与CPU，存储器之间相互交换信息，传输数据的一组公用信号线称为I/O总线，总线上有三类信号：数据信号，地址信号和控制信号总线带宽（MB/S）=(数据线宽度/8)X总线工作频率（MHZ）X每个总线周期的传输次数PCI-E是PC机I/O总线的一种新标准，采用高速串行传输USB电源（5V,100mA～500Ma） USB3.0的电流是1A2.4常用输入设备扫描仪的性能指标：①扫描仪的光学分辨率：普通家用扫描仪分辨率在1600～3200dpi②色彩位数③扫描幅面④与主机的接口2.5 常用输出设备显示器的刷新频率越高，图像的稳定性越好，响应时间越小越好。
《计算机组成原理》
Intel 8086: 16位
Intel 80386,80486, pentium：32位
精品ppt
13
1计算机的组成
1.1中央处理器 1.2存储体系 1.3主板主要部件 1.4系统总线 1.5输入设备 1.6输出设备
精品ppt
14
中央处理器（ CPU ）
包含运算器和控制器
能够高速地进行算术运算和逻辑运算 负责对输入信息进行各种处理的部件 一台计算机中有多个处理器，它们各有其不
精品ppt
25
指令和指令系统基本概念
计算机指令系统的“兼容性”问题
由于每种类型的CPU都有自己的指令系统， 因此，某一类计算机的可执行程序代码未必 能在其他计算机上运行。
同一公司的CPU产品通常“向下兼容”—— 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基 础上进行扩充。
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指令执行过程
（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放 入指令寄存器。
（2）指令寄存器中的指令经过译码，决定该 指令应该进行何种操作、操作数在哪里。
（3）根据操作数的位置从存储器取得操作数。
……→
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指令执行过程
（4）运算器按照指令操作码的要求，对 操作数完成规定的运算处理，并根据运 算结果修改或设置处理器的一些状态标 志。
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中央处理器（ CPU ）
超标量结构
为了加快CPU中指令的处理速度，CPU在执 行当前指令的同时，可以使用指令预取部件 提前向主存或快存去取出一些准备要执行的 指令。CPU采取“流水线”式的工作方式和 结构，实现了“超标量结构”。
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中央处理器
并行处理和多处理器系统
计算机组成原理(白中英)第2章
原码表示 1111 1111 1000 0001
反码表示
补码表示
移码表示
1000 0000 1000 0001 0000 0001 1111 1110 1111 1111 0111 1111
0000 0000 0000 0000 0000 0000 1000 0000 1000 0000 1111 1111
实际机器中保存时 并不保存小数点
定点小数： [x]补＝
定点整数： [x]补＝
x 2+x = 2 - |x| x 2n+1+x = 2n+1-|x|
（mod 2）
（mod 2n+1）
举例： x为n+1位 [+0.110 ] 补 ＝ 0.110
[+110]补 ＝ 0110
[-0.110] 补 ＝ 10 + (-0.110) = 1.010
按编码不同又可分为原码、反码、补码、移码……
2013年7月26日星期五 5
2.1 数据与文字的表示方法
2.1.1 数据格式
2.1.2 数的机器码表示
2.1.1 数据格式
2.1.3 字符与字符串的表示方法
2.1.4 汉字的表示方法
2.1.5 校验码
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2.1.1 数据格式——定点数
由[-X]补 求[X]补， 此规则同 样适用。
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3、移码表示法
移码通常用于表示浮点数的阶码
xnxn-1xn-2……x1x0
4位补码与移码 真值 -8 补码 1000 1001 1010 移码 0000 0001 0010
用定点整数形式的移码
计算机组成原理第二章参考答案
计算机组成原理第二章参考答案计算机组成原理第二章主要介绍了计算机的层次结构和性能指标。
以下是第二章的参考答案，详细介绍了计算机层次结构的各个层次和性能指标。
第二章：计算机的层次结构和性能指标1. 什么是计算机的层次结构？计算机的层次结构是指计算机系统中各个层次之间的相互关系和功能划分。
计算机的层次结构从上到下分为五个层次：应用层、操作系统层、汇编和机器语言层、微程序层和硬件层。
2. 请介绍计算机的五个层次结构。
- 应用层：计算机的最顶层，负责处理用户的应用程序和数据。
- 操作系统层：负责管理计算机系统的资源和控制计算机的运行。
- 汇编和机器语言层：负责将高级语言转化为机器语言，供计算机硬件执行。
- 微程序层：负责实现计算机指令的具体执行过程。
- 硬件层：计算机的最底层，包括处理器、内存、输入输出设备等硬件组件。
3. 什么是计算机的性能指标？计算机的性能指标是指衡量计算机性能优劣的指标，主要包括速度、存储容量、可靠性和成本四个方面。
4. 请介绍计算机的速度性能指标。
- 响应时间：指从用户发出请求到计算机给出响应的时间。
- 时钟周期：指计算机内部处理器的时钟周期时间。
- 主频：指处理器的时钟频率，单位为赫兹。
- MIPS：指每秒执行百万条指令数，是衡量计算机运算速度的指标。
5. 请介绍计算机的存储容量性能指标。
- 主存容量：指计算机中用于存储程序和数据的主存容量。
- 硬盘容量：指计算机中用于存储大容量数据的硬盘容量。
- 缓存容量：指计算机中用于提高数据访问速度的高速缓存容量。
6. 请介绍计算机的可靠性性能指标。
- 故障率：指计算机发生故障的概率。
- 可用性：指计算机正常工作的时间占总时间的比例。
- 容错能力：指计算机在部分组件故障时仍然可以正常工作的能力。
7. 请介绍计算机的成本性能指标。
- 硬件成本：指计算机硬件的购买和维护成本。
- 能耗成本：指计算机在运行过程中消耗的能源成本。
- 人工成本：指计算机的使用和维护所需的人力成本。
《计算机组成原理》教学课件 第二章
第20页
数制与编码
第21页
（2）十进制转换为二进制。整数部分的转换采用“除2取余法”，即整数部分不 断除以2，并记下每次所得余数，所有余数按倒序排列即为相应的二进制数。小数部分的转换 则采用“乘2取整法”，并将所得整数按顺序排列。
第15页
数制与编码
（4）十六进制（Hexadecimal，用H表示）
有16个不同的数字符号（0～9，A～F），其进位规律
是“逢十六进一”。例如：
2AB.1CH=(2AB.1C)16=2×162+A×161+B×160+1×16−1 +C×16−2
其中，16称为十六进制的基数，162，161，160，16−1， 16−2称为各数位的权。
=(22.625)10
第18页
数制与编码
例2-2
将八进制数转换成十进制数。 按权展开(654.23)8
=6×82+5×81+4×80+2×8−1+3×8−2 =384+40+4+0.25+0.046 875 =(428.296 875)10
第19页
数制与编码
例2-3
将十六进制数转换成十进制数。 按权展开(3A6E.5)16
而文字、声音、图形和图像等信息要在计算机中处理，都要
事先数字化，即把声音、图形、图像等信息转换为二进制数
码。在计算机内部，各种信息都必须采用数字化编码的形式 才能传送、存储和处理加工。
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计算机的组成与分类
完成信息输出的设备 输出设备： 功能：把计算机中用“0” 和“1”表示的信息转换成人可直
接
识别和感知的形式 常见的输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音 箱 等 输入设备＋输出设备 ＝ I / O（Input / Output）设备
计算机的组成与分类
总线与I/O接口
总线：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间 传输信息并协调它们工作的一种部件 前端总线：连接CPU和内存的总线
什么是BIOS （Basic Input/Output System）
• 中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读 存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序
功能：
• 诊断计算机故障 • 启动计算机工作 • 控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显 示等)
BIOS 芯片
计算机的组成与分类
计算机硬件的组成
中央处理器（CPU） 内存储器 计算机硬件 外存储器 输入设备 输出设备 系 统 总 线 外围设备 （外设） 主机
CPU 主存储器
总线
外存储器 输入设备 输出设备
计算机的组成与分类
内存储器 中央处理器 系统总线 存储控制器
控制器 I/O接口
控制器 输出设备
控制器 外存储器接口 外存储器
数据1 数据2 数据m
内 存 储 数器
据
②CPU 从内存中逐条 读取该程序的指令及 相关的数据
④将指令的运算处理 结果送回内存保存
③CPU 逐 条 执行指令,按 指令要求完 成对数据的 运算和处理
CPU
CPU的结构与原理
Cpu的组成
• 寄存器
存取速度快 临时存放参加运算的数据和得到的中间(最后)结果
• 保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片
BIOS 芯片中包含的程序
加电自检程序程序（POST）
(Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障
系统自举程序（Boot）
启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态
CMOS设置程序
设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等
常用外部设备的驱动程序（Driver）
为主服务器（企业级服务器）
计算机的组成与分类
小型计算机
• 为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持
的用户较少
• 小型机的典型应用是帮助中小企业完成信息处理任务， 如库存管理、销售管理、文档管理等
计算机的组成与分类
个人计算机
台式机：一般在办公室或家庭中使用
便携机：便于外出携带
笔记本（膝上机） 手持式计算机（掌上机）
代 别
第1代 20 世 纪 40 年 CPU：电子管 代 中 期 ～ 50 内存：磁鼓 年代末期 第2代 50 年 代 中 后 CPU：晶体管 期 ～ 60 年 代 内存：磁芯 中期 第3代 60 年 代 中 CPU：SSI，MSI 期 ～ 70 年 代 内存：SSI，MSI 初期 半导体存储器 第4代 20 世 纪 70 年 CPU：LSI、VLSI 代中期以来 内存：LSI、VLSI 的半导体存储器
芯片组举例
Pentium 4
CPU
DDR 2 双通道 DDR 2 音频Codec 电话Modem PCI 插槽(≤6个) 电源管理、时钟生成 USB 2.0接口(x8)
CPU前端总线
北桥
图形卡接口 82865P MCH
存 储 器
硬盘接口(x2) 以太网接口 键盘,鼠标,软驱,并 口,串口等 Super I/O
计算机的组成与分类
计算机的发展
世界上第一台计算机
时间：1946年 地点：美国宾夕法尼亚大学 名称：ENIAC 应用：为了计算弹道而研制
18000电子管，1500个继电器，重30吨，运算速度5000次/秒
计算机的组成分类
第1～4代计算机的对比
年 代 主要元器件 配置的软件 主要应用 使 用 机 器语 言和 汇 科学计算和工程 编语言编写程序 计算 使用 FORTRAN 等高级 开始广泛应用于 程序设计语言 数据处理领域 操 作 系 统， 数据 库 在科学计算 、 数 管 理 系 统等 开始 使 据处理、工业控 用 制等领域得到广 泛应用 软 件 工 程、 分布 式 深入到各行各业， 计 算 、 网络 软件 等 家庭和个人开始 开始广泛使用 使用计算机
实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输 出操作的控制
PC机的启动工作过程
1. 接通电源时CPU自动执行BIOS中的POST程序
1.1 按CMOS中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作状态 (发现 错误则报错) 1.2 初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和 硬盘等设备
用二进位表示，用来规定计算机执行什么操作
是构成程序的基本单位
2. 指令的组成
• 操作码：即命令词，指出计算机应执行何种操作 • 操作数地址：指出该指令所操作的数据或数据存放的位置
操作码
操作数地址
CPU的结构与原理
指令执行的过程
• CPU的控制器从存储器读取一条指令放入到指令寄存器
• 读取的指令经过译码，决定执行何种操作，操作数放在哪
• 巨型计算机（Supercomputer） • 大型计算机（Mainframe）
• 小型计算机（Minicomputer）
• 个人计算机（Personal Computer）
计算机的组成与分类
巨型计算机
• 采用大规模并行处理的体系结构，由数以百计、千计、 万计 的CPU组成； • 速度达到每秒数万亿次以上；
运 算 器
中 央 处 理 器
A: 任务启动时，程序从外存大量调入内存
B: CPU依次从内存取出指令和数据 C: CPU依次执行各条指令，完成数据的运算和处理
D: CPU将指令和数据的运算和处理结果送回内存保存
E: 任务结束时，将处理结果成批传回外存
CPU的结构与原理
指令与指令系统
1. 指令的定义
CPU插座
处理器 插槽
存储器插座 电源连接器
ROM ：存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS) CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）,易失性
芯片组
主板的核心 芯片组与CPU芯片同步发展
芯片组决定了主板上所能安装的内存的最大容量、
速度及可使用内存条的类型 网卡、显卡、声卡等集成在芯片组
作用：
• 存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、 口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache 使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用
2. CPU自动执行自举程序
按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光 盘）
3. 从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操 作系统并装入内存 4. 最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作 系统所控制
关于CMOS 芯片
这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即 使计算机关机后也不会丢失所存储的信息
• 运算器（ALU）
对数据进行各种算术运算和逻辑运算
• 控制器（指挥中心）
组成：指令计数器＋指令寄存器
取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操 作控制信号，记录内部状态
CPU的结构与原理
控制信号
指令
外存
内 存 储 器
控制器 指令计数器 指令寄存器 控制信号
数据 运算结果
寄 存 器 组
计算机的组成与分类
单片计算机（嵌入式计算机）
是一种把处理器、存储器、输入／输出控制与接口电路等都集成
在同一块芯片上的大规模集成电路
CPU的结构与原理
(1) 计算机的工作原理：
存储程序控制-------冯.诺依曼
(2)主要内容：
• 指令与数据都用二进制编码形式存储、运行和运算
• 程序和数据预先存放在存储器内
I/O 总线：连接内存和I/O设备(包括外存)的总线
I/O接口：计算机系统中的I/O设备通过I/O接口与各自的 控制器连接，然后由控制器与总线相连
计算机的组成与分类
计算机的分类
1.按内部逻辑结构分为：
• 单处理机、多处理机(并行机)
2.按字长分为：
• 16位机、32位机或64位计算机等
3.按计算机的性能、用途和价格分为：
• 多用在军事、科研、气象预报、 石油勘探等领域
NEC SX-6/64MB巨型计算机外形
计算机的组成与分类
大型计算机
• 运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性
高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件
• 通常含有4、8、16、32个甚至更多个CPU;
• 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作
•
• • •
CPU的总线速度
高速缓存的容量与结构 指令系统 逻辑结构 MIPS(百万条定点指令/秒)
cache(高速缓存)
Cache存储器
cache是一种小容量高速 缓冲存储器，它由SRAM
8 4
9
14 10
3
组成
主存储器
10 4
主存中的部分信息拷 贝在cache存储器中
cache直接制作在CPU芯 片内，速度几乎与CPU 一样快
• 中央处理器：承担系统软件和应用软件运行任务的处理器
• 并行处理：使用多个CPU实现超高速计算的技术
计算机的组成与分类
内存储器和外存储器
• 存储器：把程序和数据存储起来的部件 • 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快、容量相对小、价格相对高；