第2章计算机组成原理

1、第2章 计算机组成原理第第2 2章章 计算机组成原理计算机组成原理 2.1 2.1 数制与转换数制与转换 2.2 2.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 2.3 2.3 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理计算机中数据的表示计算机中数据的表示 在计算机中能直接表示和使用的有在计算机中能直接表示和使用的有数值数据数值数据和和符号数符号数据据两大类。两大类。 数值数据用于表示数量的多少，包括数值数据用于表示数量的多少，包括定点小数定点小数、定点定点整数整数、浮点数浮点数和和十进制数串十进制数串四种类型，它们一般都带四种类型，它们一般都带有表示数值正负的符号位。有表示数值正负的符号位。 符号数

2、据又叫做非数值数据，用于表示一些符号标记符号数据又叫做非数值数据，用于表示一些符号标记包括包括英文大小写字母英文大小写字母，数字符号数字符号0到到9，专用字符专用字符+、-、*、/、(、)、，、；、：、，、；、：、等等，等等，汉字和图形、汉字和图形、语音信息语音信息等也都属于符号数据。等也都属于符号数据。 计算机中表示任何数据都只能采用计算机中表示任何数据都只能采用二进制二进制形式。形式。 计算机中常用进位计数制计算机中常用进位计数制 二进制二进制 数字：数字： 0，1 进位方式：进位方式： 逢二进一逢二进一 后缀：后缀：B 可表示为可表示为10100011B，或，或(10100011)2 八

3、进制八进制 数字：数字：0，1，2，3，4，5，6，7 进位方式：进位方式： 逢八进一逢八进一 后缀：后缀：O 或或 Q 可表示为可表示为137.67Q，或，或(137.67)82.1数制与转换数制与转换对于对于R进制数，都进制数，都可以表示为可以表示为( )R 十进制十进制 数字：数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 进位方式：逢十进一进位方式：逢十进一 后缀：后缀：D 或或 无无 如如1357.26 十六进制十六进制 数字：数字： 09， A，B，C，D，E，F 进位方式：逢十六进一进位方式：逢十六进一 后缀：后缀：H 如如 19BF.36EH或或(19BF.36E)16部分进制数

4、对应表部分进制数对应表 十进十进制制 二进制二进制 八进八进制制十六十六进制进制 十进十进制制 二进制二进制 八进八进制制十六十六进制进制 0 0000 000 8 1000 108 1 0001 011 9 1001 119 2 0010 022 10 1010 12A 3 0011 033 11 1011 13B 4 0100 044 12 1100 14C 5 0101 055 13 1101 15D 6 0110 066 14 1110 16E 7 0111 077 15 1111 17F 位权值位权值基数基数任何任何 R 进制数进制数 N 均可表示为均可表示为(N)R R:基数；基数

5、； Ri:位权值位权值1nmiiiRx1010nmnmxRx RxR位权法位权法：把各非十进制数按权展开求和转换公式转换公式：(N)R =an-1Rn-1 + an-2Rn-2 + . + a1R1 + a0R0 + a-1R-1 + .示例：示例： (1011.11) 2 =123+022+121 +120 +12-1+ 12-2 = 8+0+2+1+0.5+0.25 = (11.75)10非十进制数非十进制数 十进制数十进制数694610291014100 (10101)2= (101.11)2= (71)8= (101A)16= (A10B.8)16 =24+22+1=2122+1+2-

6、1+2-2=5.75781+180=57163+161+10410610163+1162+0161+11160 +816-1= 41227.5练习练习十进制数十进制数 二二进制数进制数 整数部分整数部分采用采用除除2取余取余法，即逐次除以法，即逐次除以2，直至商为，直至商为0，得出的余数，得出的余数倒排倒排，即为二，即为二进制各位的数码。进制各位的数码。 小数部分小数部分采用采用乘乘2取整取整法，即逐次乘以法，即逐次乘以2 ，从每次乘积的整数部分得到二进制数，从每次乘积的整数部分得到二进制数各位的数码。各位的数码。 24 6 022 3 021 1 125 122 121 01 8 5 29

7、2 1余数余数例例：185.8125( ？)2（185）10 = （? ）2（185）10 =（10111001）2整数、小数部分分别转换整数、小数部分分别转换0 120.625021.2500 120. 25000. 5000 01. 0000 10. 500020.812521.6250 1整整数数（0.8125）10 = ( ? )2（0.8125）10 = (0.1101)2185.8125( ？)2（185）10 =（10111001）2（0.8125）10 = (0.1101)2（185.8125）10 = (10111001.1101)2二进制数与八进制数的相互转换二进制数与八进

8、制数的相互转换二进制数二进制数八进制数八进制数八进制数八进制数二进制数二进制数三位并一位三位并一位一位拆三位一位拆三位二进制数二进制数 八进制数八进制数 整数部分整数部分从最低有效位开始，每三位二进制从最低有效位开始，每三位二进制数数 对应一位八进制数，不足三位高位补对应一位八进制数，不足三位高位补“0”。 小数部分小数部分从最高有效位开始，每三位二进制从最高有效位开始，每三位二进制数对应一位八进制数，不足三位，低位补数对应一位八进制数，不足三位，低位补“0”。二进制的三位数：二进制的三位数：000111，对应八进制的对应八进制的8个基本符号个基本符号07例：把二进制数 11011111.01

9、11 转换为八进制数。二进制转换八进制举例二进制转换八进制举例(11011111.0111)2=(337.34)8例：把八进制数 163.64 转换为二进制数八进制数八进制数 二进制数二进制数 将每一位八进制数转换成相应的将每一位八进制数转换成相应的3位二进制位二进制数，依次连接起来即可。数，依次连接起来即可。二进制数与十六进制数的相互转换二进制数与十六进制数的相互转换二进制数二进制数十六进制数十六进制数十六进制数十六进制数二进制数二进制数一位拆四位一位拆四位四位并一位四位并一位 二进制数转换成十六进制数：二进制数转换成十六进制数：整数部分整数部分从从最低最低有效位开始，每有效位开始，每四四位

10、二进制数位二进制数对应一位十六进制数，不足四位高位补对应一位十六进制数，不足四位高位补“0”。小数部分小数部分从从最高最高有效位开始，每有效位开始，每四四位二进制数位二进制数对应一位十六进制数，不足四位，低位补对应一位十六进制数，不足四位，低位补“0”。 十六进制数转换成二进制数：十六进制数转换成二进制数： 只要将每一位十六进制数转换成相应的只要将每一位十六进制数转换成相应的4位位二进制数，依次连接起来即可。二进制数，依次连接起来即可。二进制数二进制数 十六进制数十六进制数例例1：把二进制数：把二进制数 11010011111.01111 转换为十六进制数转换为十六进制数例例2：把十六进制数：

11、把十六进制数 C2.A8 转换为二进制数转换为二进制数二进制与十六进制转换举例二进制与十六进制转换举例2.1.32.1.3数值数据的机器数表示数值数据的机器数表示 真值真值：现实中真实的数值：现实中真实的数值 机器数机器数：计算机中用编码表达的数值：计算机中用编码表达的数值 包括包括原码、反码、补码、移码原码、反码、补码、移码等等例：例： 真值真值 +1011100 机器数机器数 X原原=01011100 1.1.原码表示法原码表示法 保持原有的数值部分的形式不变，只将符号用二进制保持原有的数值部分的形式不变，只将符号用二进制代码表示。代码表示。0 0为正，为正，1 1为负。为负。例：例：0.

12、100110.10011原原0.10011 0.10011 0.100110.10011原原1.100111.10011 10011 10011原原0 010011 10011 1001110011原原1 11001110011 原码中原码中“0”有两种表示形式有两种表示形式 纯小数原码纯小数原码 0原原0.000 0原原1.000 纯整数原码纯整数原码 0原原000 0原原1002.2.补码表示法补码表示法若若x0 则则x补补x，符号位为，符号位为0。若若x0，则将，则将x的的各位取反各位取反，然后，然后在最低位上加在最低位上加1，符号位等于符号位等于1，即得到，即得到x补补。 例：例：x

13、x0.10110.1011， xx补补 例：例：x x0.10110.1011 x x补补 例：例：x x10111011， xx补补 例：例：x x1011 1011 x x补补1 101010101各位取反各位取反0.0100末位加末位加10.01011.0101 （负数符号位为（负数符号位为1）各位取反各位取反0100末位加末位加101010.1011010112.2.补码表示法补码表示法 补码中补码中“0”的表示是唯一的的表示是唯一的 0补补0补补0.000 （定点小数）（定点小数） 0补补0补补000 （定点整数）（定点整数） 补码表示的最小数可以表示到补码表示的最小数可以表示到1或

14、或2n 对于定点小数对于定点小数 1补补1.000 对于纯整数对于纯整数 2n补补1000对于对于1和和2n的补码，的补码，符号位上的符号位上的 1 具有特具有特殊意义，既表示殊意义，既表示符号符号也表示也表示数值数值。3.3.反码表示法反码表示法若若x0 则则x反反x，符号位为，符号位为0。若若x0，则将，则将x的各位取反，符号位等于的各位取反，符号位等于1，即得，即得到到x反反。 例：例： x x0.1001100 0.1001100 则则xx反反 x x0.1001100 0.1001100 则则xx反反 x x1001100 1001100 则则xx反反 x x1001100 1001

15、100 则则xx反反 反码：反码：0 0的表示不唯一。的表示不唯一。0.10011001.011001101001100101100114.4.移码表示法移码表示法 补码的数值部分不变，补码的数值部分不变，符号取反符号取反，即得移码。反之，即得移码。反之亦然。亦然。 最高位表示符号：正数用最高位表示符号：正数用1，负数用，负数用0 移码：移码：0的表示是唯一的的表示是唯一的例：已知例：已知x1100101 ，求，求x补补和和x移移。 解：解： x1100101 x补补10011011数值位取反，数值位取反，末位加末位加1x移移00011011符号取反符号取反四种码制的比较四种码制的比较 对于正

16、数它们都等于真值本身，而对于负数各有不对于正数它们都等于真值本身，而对于负数各有不同的表示；最高位都表示符号位。同的表示；最高位都表示符号位。 原码和反码各有两种零的表示法，而补码和移码具原码和反码各有两种零的表示法，而补码和移码具有唯一的零；有唯一的零； 原码、反码表示的正、负数范围相对零来说是对称原码、反码表示的正、负数范围相对零来说是对称的，但补码负数表示范围较正数表示范围宽，能多表的，但补码负数表示范围较正数表示范围宽，能多表示一个最负的数示一个最负的数( (绝对值最大的负数绝对值最大的负数) )，其恒等于，其恒等于-2-2n n ( (定点整数定点整数) )或或-1(-1(定点小数定

17、点小数) )。 转换规则可逆。机器码转换为真值用同样的规则。转换规则可逆。机器码转换为真值用同样的规则。机器数的表示法机器数的表示法 正正 数数负负 数数正正0负负0原码原码0数值数值1绝对值绝对值0000000010000000反码反码0数值数值1按位取反按位取反0000000011111111补码补码0数值数值1按位取反按位取反+10000000000000000移码：将补码的符号位取反 1.1.字符的表示方法字符的表示方法ASCIIASCII码码ASCII码码(American Standard Code for Information Interchange美国国家信息交换标准字符码美

18、国国家信息交换标准字符码) 128个常用字符，用个常用字符，用7位二进制编码，包括位二进制编码，包括10个十个十进制数码进制数码,26个英文字母和一定数量的专用符号个英文字母和一定数量的专用符号,如如$,%,等。等。2.1.42.1.4非数值数据的表示非数值数据的表示汉字的表示方法汉字的表示方法 汉字输入码汉字输入码汉字机内码汉字机内码汉字字形码汉字字形码存储处理存储处理键盘输入键盘输入汉字输出汉字输出 为了能直接使用西文标准键盘把汉字输入到计算机为了能直接使用西文标准键盘把汉字输入到计算机, ,就必须就必须为汉字设计相应的输入编码方法。可分为流水码、拼音码、拼为汉字设计相应的输入编码方法。可

19、分为流水码、拼音码、拼形码、音形码四种。形码、音形码四种。 1.1.汉字的输入编码汉字的输入编码 2. 2.汉字机内码汉字机内码 在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。一般用两个字节（码。一般用两个字节（2 2个个8 8位码）来存放一个汉字机内码，位码）来存放一个汉字机内码，且最高位均为且最高位均为1 1。3.3.汉字字形码汉字字形码 用点阵、矢量函数等方式表示的汉字字形的字模码。用点阵、矢量函数等方式表示的汉字字形的字模码。 校验码校验码 校验码校验码：能够发现甚至纠正信息传输或存储过程中：能够发现甚至纠正信息传输或存储过程中

20、出现错误的编码出现错误的编码 检错码检错码：仅能检测出错误的编码：仅能检测出错误的编码 纠错码纠错码：能够发现并纠正错误的编码：能够发现并纠正错误的编码 最简单且应用广泛的检错码：最简单且应用广泛的检错码：奇偶校验码奇偶校验码2.1.5 2.1.5 计算机中定点数的加减运算计算机中定点数的加减运算 定点数加减法的特点定点数加减法的特点: 参加运算的两个操作数均用参加运算的两个操作数均用补码补码表示；表示； 符号位要作为数的一部分一起参加运算；符号位要作为数的一部分一起参加运算； 符号位的进位为模值，应该丢掉；符号位的进位为模值，应该丢掉； 运算结果为补码。运算结果为补码。1 1 补码加法补码加

21、法 补补补补补补例：例：0.1011，0.0101，求，求 x补补0.1011，y补补1.1011 x补补 0.1 0 1 1 y补补 1.1 0 1 1 +补补 1 0.0 1 1 0 所以所以0.0110丢模丢模2 2 补码减法补码减法 补补 ()补补 补补补补例：例：+0.1101，+0.0110，求，求- x补补 0.1101，-y补补1.1010 x补补 0.1 1 0 1 -y补补 1.1 0 1 0 -补补 1 0.0 1 1 1 所以所以0.0110丢模丢模例：例：x x0.10100.1010，y y0.10010.1001，求，求x xy y？ 解：解：xx补补0.1010

22、0.1010， yy补补0.10010.1001， xxyy补补xx补补yy补补 0.11010.1101 ? ?例：例：x x0.11010.1101，y y0.10110.1011，求，求x xy y？ 解：解：xx补补1.00111.0011， yy补补1.01011.0101， xxyy补补xx补补yy补补 0.10000.1000 ? ?0 0.1010.10100 0.1001.10011 1.0011.00111 1.0011.00111 1.0101.01010 0.1000.10001 1定点数加减运算溢出的处理定点数加减运算溢出的处理 当运算结果当运算结果超出超出机器数所能

23、表示的范围时，称为机器数所能表示的范围时，称为溢出溢出。 若若两个异号数相加两个异号数相加或两个同号数相减时，其结果是不或两个同号数相减时，其结果是不会产生溢出的。会产生溢出的。 仅当仅当两个同号数相加两个同号数相加或异号数相减时才有可能产生溢或异号数相减时才有可能产生溢出。出。 一旦产生溢出，则结果就是一旦产生溢出，则结果就是不正确不正确的，所以必须能够的，所以必须能够检查出溢出情况。检查出溢出情况。 判断溢出的方法有判断溢出的方法有双符号位法双符号位法和和单符号位法单符号位法。回 顾 机器数 原码：原码：保持原有的数值部分的形式不变，只将符号用二进制代码表示。0为正，1为负。 反码：反码：

24、若x0 则x反x，符号位为0。 若x0，则将x的各位取反，符号位等于1，即得到x反。 补码：补码：若x0 则x补x，符号位为0。 若x0，则将x的各位取反，然后在最低位上加1，符号位等于1，即得到x补。 移码：移码：补码的数值部分不变，符号取反，即得移码。反之亦然。最高位表示符号：正数用1，负数用02.22.2计算机的硬件组成计算机的硬件组成 硬件是计算机系统中实际物理装置的总称。具体由五大硬件是计算机系统中实际物理装置的总称。具体由五大功能部件组成，即：功能部件组成，即： 运算器、控制器、存储器、输入运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备设备和输出设备 。1. 运算器运算器 算术运算、逻

25、辑运算算术运算、逻辑运算 采用采用二进制二进制数（容易实现）数（容易实现） 运算器包括运算器包括算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALU）、阵列乘除器、寄存）、阵列乘除器、寄存器器、多路开关、三态缓冲器和数据总线等逻辑部件。、多路开关、三态缓冲器和数据总线等逻辑部件。 计算机的运算器长度：计算机的运算器长度： 8 8位、位、1616位、位、3232位或位或6464位位2. 2. 存储器存储器 存储器是用来存储程序和数据的部件。存储器是用来存储程序和数据的部件。 存储的是存储的是0 0或或1 1表示的表示的二进制二进制代码代码 存储容量存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单存储器所有存储单

26、元的总数。通常用单位位“KBKB、MBMB、GBGB”等表示等表示 内存（主存）内存（主存）和和外存外存 ( (辅存）辅存）外存：大容量辅助存储器。外存：大容量辅助存储器。用来存放系统程序和大型用来存放系统程序和大型数据文件及数据库。数据文件及数据库。内存：内存：CPUCPU可直接可直接访问的存储器访问的存储器cache(高速缓冲存储器高速缓冲存储器)：高速小容：高速小容量半导体存储器量半导体存储器1K=？；1M=？；1G=？；1T=？ 硬盘硬盘 光盘光盘 内存条内存条 闪存闪存半导体存储器半导体存储器磁表面存储器磁表面存储器存存储储器器分分类类按存储介质分按存储介质分 只读存储器只读存储器R

27、OM随机读写存储器随机读写存储器RAM按存储内容可变性分按存储内容可变性分 易失性存储器易失性存储器非易失性存储器非易失性存储器按信息易失性分按信息易失性分 RAM（断电则信息丢失）（断电则信息丢失） 硬盘、闪存、光盘硬盘、闪存、光盘（信息永久保存）（信息永久保存）高速缓冲高速缓冲存储器存储器主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器按在计算机系统中的作按在计算机系统中的作用分用分 cache、内存、内存硬盘硬盘Read Only Memory只能读取只能读取Random Access Memory可读可写可读可写cache 硬盘、光盘硬盘、光盘2.2.32.2.3中央处理器中央处理器 控制器和运算

28、器合称为中央处理器控制器和运算器合称为中央处理器(Central Processing Unit,简称简称CPU)，它是计算机的核心部件，主要完成各种，它是计算机的核心部件，主要完成各种算术及逻辑运算，并控制计算机各部件协调工作。算术及逻辑运算，并控制计算机各部件协调工作。 计算机之所以能快速、自动、连续工作，是由于计算机之所以能快速、自动、连续工作，是由于控制器控制器在程序的要求下不断对机器控制的结果。控制器的作用在程序的要求下不断对机器控制的结果。控制器的作用就是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：就是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能：(1)取指令取指令(2)分析指令分析指令(3

29、)执行指令执行指令(4)控制程序和数据的输入与结果输出控制程序和数据的输入与结果输出(5)随机事件和某些特殊请求的处理随机事件和某些特殊请求的处理2.2.42.2.4外围设备外围设备 输入输出设备简称输入输出设备简称I/O设备设备，在计算机和其他机器之间，在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。以及计算机与用户之间提供联系。扫描仪扫描仪绘绘图图仪仪输输入入设设备备输输出出设设备备硬件系统五大组成部分框图硬件系统五大组成部分框图 把人们所熟悉的信息变换为机器内部能接把人们所熟悉的信息变换为机器内部能接收和识别的二进制信息。收和识别的二进制信息。例如：鼠标、键例如：鼠标、键盘、扫描仪

30、、数码摄像机、数码相机等盘、扫描仪、数码摄像机、数码相机等计算机中用于存取程序和数据的部件。分为内存和外存两类把计算机处理的结果变换为人或其把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形它机器所能接收和识别的信息形式。例如：显示器、打印机、音式。例如：显示器、打印机、音箱、绘图仪等箱、绘图仪等指挥和控制计算机各个部件进行指挥和控制计算机各个部件进行工作的工作的“神经中枢神经中枢”负责对信息进行加工和运算，内负责对信息进行加工和运算，内设若干寄存器，用于暂存操作数和设若干寄存器，用于暂存操作数和中间结果。中间结果。2.32.3计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理 2.3.1 2.

31、3.1 指令格式指令格式 2.3.2 2.3.2 寻址技术寻址技术 2.3.3 2.3.3 指令执行过程指令执行过程 2.3.4 2.3.4 指令系统的设计技术指令系统的设计技术2.3.1 2.3.1 指令格式指令格式 一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如下：义的二进制代码，指令的基本格式如下：操作码字段操作码字段地址码字段地址码字段表征指令的操表征指令的操作特性与功能作特性与功能 指定参与操作的指定参与操作的操作数的地址操作数的地址 操作码操作码 操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。 例，加法、减法、乘法、取数、存