第2章(组成原理).ppt
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1、1,第2章 计算机系统组成及工作原理,二进制数与信息表示 二进制数据表示二进制表示、与十进制、十六进制的转换 非数值型数据ASCII码于汉字编码 定点与浮点的二进制表示 补码规则、特点、运算 逻辑电路 逻辑电路的基础知识 逻辑“门”电路 组合逻辑电路加法器、编码器、译码器 触发器 基本时序电路寄存器、计数器 计算机的硬件组成 CPU组成与工作原理 指令系统、寻址方式的概念 CPU的工作过程举例,2,2.1 二进制数与信息表示关于二进制,在计算机内一切信息必须进行数字化编码(即用二进制代码形式),才能在机内传送、存储和处理。 二进制:只有0和1,按“逢二进一”规律,第k位权是2k。 二进制 十进
2、制 bn-1bn-2 b0 = dn-1dn-2 . d0 = 1011=1X23+0X22+1X21+1X20 305 = 3X102 + 0X101 + 5X100 = 1X8 + 0X4 + 1X2 + 1X1 = 3X100 + 0X10 + 5X1,3,2.1 二进制数与信息表示二进制变换,二进制整数:第n位的权是2n。 二进制:b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 27 26 25 24 23 22 21 20 权值: 128 64 32 16 8 4 2 1 二进制小数:小数点后第n位权值位2-n = 1/2n。 二进制:0 . b-1 b-2 b-3 b-4 2-1
3、2-2 2-3 2-4 权值: 1/2 1/4 1/8 1/16 0.5 0.25 0.125 0.0625 1101.1001 (二进制) = 1X8 + 1X4 + 0X2 + 1X1 + 1X0.5 + 0X0.25 + 0X0.125 + 1X0.0625 = 13.5625 (十进制) 以上规律可以推广到K进制,整数部分第n位的权值是Kn,小数部分第n位的权是K-n。,4,2.1 二进制数与信息表示二进制变换,十进制二进制 整数部分连续除2取余数,小数部分连续乘2取整数。 123.456(十进制) 1111011.01110100101 (二进制) 2 | 1 2 3 0.456 X
4、 2 = 0.912 2 | 6 1 1 .912 X 2 = 1.824 2 | 3 0 1 .824 X 2 = 1.648 2 | 1 5 0 .648 X 2 = 1.296 2 | 7 1 .296 X 2 = 0.592 2 | 3 1 .592 X 2 = 1.184 2 | 1 1 .184 X 2 = 0.368 0 1 .368 X 2 = 0.736 123 = 64 + 32 + 16 + 8 .736 X 2 = 1.472 + 2 +1 .472 X 2 = 0.994 .994 X 2 = 1.888 八进制和十六进制:八进制每3位二进制对应一位八进制,十六进制每
5、4位二进制对应一位十六进制,5,2.1 二进制数与信息表示ASCII码,ASCII码(American Standard Code for Information Interchange,美国标准信息交换码),它已被国际标准化组织(ISO)定为国际标准,称为ISO 646标准。 内容包括: 控制码:00H1FH 数字:30H39H 大写字母:41H5AH 小写字母:61H7AH 其他代码为符号,6,2.1 二进制数与信息表示汉字编码的概念,输入编码:通过西文键盘进行汉字输入的编码规则,如拼音、双拼、五笔字型等。 汉字内码:汉字文本信息在计算机中进行存储和处理的二进制编码规则,如GB码(国标码)
6、、GBK码(扩展国标码)、Big5(台湾、香港的繁体字编码)等。 汉字字库:描述汉字字形的二进制编码规则,有点阵字库和矢量字库两类。,7,2.1 二进制数与信息表示常见汉字编码,GB2312-80 全称是GB2312-80信息交换用汉字编码字符集 基本集,1980年发布,是中文信息处理的国家标准,中文Windows3.2就是以GB2312-80为基本汉字编码。GB2312-80码共收录6763个简体汉字、682个符号,其中汉字部分:一级字3755,以拼音排序,二级字3008,以偏旁排序。 GB12345-90 信息交换用汉字编码字符集 第一辅助集,目的在于规范必须使用繁体字的各种场合,以及古籍
7、整理等。 BIG5 是目前台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准,包括440个符号,一级汉字5401个、二级汉字7652个,共计13060个汉字。,8,2.1 二进制数与信息表示常见汉字编码,ISO 10646 国际标准化组织制定的,初始的版本包含GB 3212-80、GB 12345、Big 5 以及日、韩文字汉字部分的国际标准。 ISO10646从3.0版开始扩展4字节编码,实现字符编码空间150万个。实现中、日、韩、蒙、藏、彝、维等多文种并存。 Unicode是和ISO10646相近的另一个工业标准。 ISO 10646-1:2000 = Unicode 3.0 ISO 1064
8、6-2:2003 = Unicode 4.0 GBK GBK编码是中文编码扩展国家规范。兼容GB2312,GBK收录汉字21003个(包括日韩文中的汉字)、符号883个,简、繁体字融于一库。,9,2.1 二进制数与信息表示定点与浮点,定点表示法 所有数据的小数点位置固定不变。小数点“.”在机器中的位置是隐含约定的,并不需要真正地占据一个二进制位。一般有两种: 纯整数(小数点在最右边) 纯小数(小数点在最左边),10,2.1 二进制数与信息表示定点与浮点,浮点表示法 小数的规格化: -5678.1234 = - 0.56781234 10+4 0.0056781234 = + 0.5678123
9、4 10-2 任何一个数十进制数N的浮点表示形式为: N=M10E 记为 N=M E 任何一个二进制数N的浮点表示形式为: N=M2E 式中:E和M都是带符号的定点数,E为阶码部分,M为尾数部分。在计算机中,尾数为纯小数,阶码为纯整数。,11,2.1 二进制数与信息表示定点与浮点,IEEE 754标准浮点数 CPU的浮点处理指令支持的浮点数据格式基于IEEE 754标准,支持浮点运算的浮点部件包括早期的浮点处理器(FPU:intel 8087/287/387)和现代的具备浮点处理指令的CPU。 符合IEEE 754标准的浮点数有32位(单精度)、64位(双精度)和80位(扩展精度)三种。,如3
10、2位单精度浮点数 ms:符号位,一位。 E: 阶码,8位。移码(偏移量127)表示的指数部分。 m: 尾数,23位。原码表示的纯小数。,12,一个机器浮点数由阶码和尾数及其符号位组成(尾数:用定点小数表示,给出有效数字的位数决定了浮点数的表示精度;阶码:用整数形式表示,指明小数点在数据中的位置,决定了浮点数的表示范围),2.浮点数的表示法,在计算机中存放一个完整的浮点数,应该包括阶码、阶符、尾数以及尾数的符号(数符)共4部分,即:,阶符,阶码,数符,尾数,13,一般按照IEEE 754标准,采用32位浮点数和64位浮点数两种标准格式,(1) 32位浮点数标准格式,在32位浮点数中,约定基数R=
11、2, S是尾数的符号位,即浮点数的符号位,它占一位,安排在最高位,0表示正数,1表示负数,尾数M占23位,放在低位部分,当然是纯小数。E是阶码,占8位,阶码采用了移码方法来表示,将阶码上移127,即E=e+127,14,例【1-1】 X=20110.1011101 =2000000110.10111010000000000000000 =2000000101.01110100000000000000000 于是求得数X的32位浮点数格式: S=0, E=e+127=00000010+01111111=10000001, M = 01110100000000000000000,M值左移一位 根据
12、规格化32位浮点数的表示形式,求数X的真值为: X=(-1)S(1.M)2E-127 (2.5),15,(2) 64位浮点数格式,它与32位浮点数的组成原理相同,约定基数R=2,尾数符号位S占一位,置于最高位,规格化的尾数M占52位,最左边一位1已被隐藏,阶码e上移1023,即E=e+1023,移码形式的阶码占共计11位 反过来,已知一个规格化的64位浮点数,求浮点数X的真值可表示为: X=(-1)S(1.M)2E-1023 (2.6),16,同一个浮点数的表示方法不是唯一的,如: (1.75)10=1.1120 (IEEE规格化表示) =0.11121 (传统规格化表示) =0.011122
13、 =0.0011123,17,为提高数据的表示精度,当尾数的值不为 0 时,其绝对值应0.5,即尾数域的最高有效位应为1,否则以修改阶码同时左右移小数点的办法,使其变成这一表示形式,这称为浮点数的规格化表示 当浮点数的尾数为 0,不论其阶码为何值,或者当阶码的值遇到比它能表示的最小值还小时,不管其尾数为何值,计算机都把该浮点数看成零值,称为机器零,18,例1 若浮点数的二进制存储格式为(41360000)16,求其32位浮点数的十进制值 解:将16进制数展开后,可得二进制数格式为: 0 100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 指数e=阶码127100000
14、1001111111 00000011(3)10 包括隐藏位1位的尾数 1.M1.011 0110 0000 0000 0000 0000 1.011011 于是有:x(1)S 1.M 2e (1.011011) 23 +1011.011 (11 .375),S,阶码(8位),尾数(23位),19,例2 将十进制数数20.59375转换成32位浮点数的二进制格式来存储 解: 首先分别将整数和分数部分转换成二进制数: 20.5937510100.10011 然后移动小数点,使其在第1,2位之间 10100.100111.01001001124 e4 于是得到: S0, E4127131, M01
15、0010011 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)16,20,2.1 二进制数与信息表示原码、反码和补码,原码:二进制的最高位为符号位,0正1负,其余各位同无符号二进制。 125D原 = 0 1111101 -125D原 = 1 1111101 符号位 数值位 8位原码表示数的范围:-127 +127,且00000000和10000000含义相同。 反码:正数的反码和原码相同,负数的反码为其原码将数值位求反,即0变1,1变0。 125D反 = 0 1111101 -125D反 = 1 0
16、000010 符号位 数值位 8位反码表示数的范围:-127 +127,且0 0000000和11111111含义相同。,21,2.1 二进制数与信息表示原码、反码和补码,补码:正数的补码和原码相同,负数的补码为其原码将数值位求反+1。 125D补 = 0 1111101 -125D补 = 1 0000011 符号位 数值位 8位补码表示数的范围:-128 +127,最主要的优点是在加、减运算时不需要判断符号位,所以CPU在进行有符号数的加、减运算时用的是补码。 例:分别求出十进制数78D和-120D的8位原码、反码和补码。 将78D和120D分别转换成二进制: 78D = 64 + 8 +
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