第2章（组成原理）.ppt

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：b7b6b5b4b3b2b1b0 27 26 25 2423 22 21 20权值： 128 64 32 1684 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-1b-2b-3b-42-12-22-32-4权值： 1/21/

3、4 1/81/160.5 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 2 = 0.912 2 | 6 1 1.912

4、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

5、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）、GBK码（扩展国标码）、Big5（台湾、香港的繁体字编码）等。 汉

6、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

7、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 3.0ISO 10646-2:2003 = Unicode 4.0 GBK GBK编码是中文编

8、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 = + 0.56781234 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

9、=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32位单精度浮点数 ms：符号位，一位。 E： 阶码，8位。移码(偏移量127

10、)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=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

11、，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

12、-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 =0.0011123,17,为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，

13、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1271000001001111111 00000011（3）10 包括隐藏位1位的尾数 1.

14、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 10100.100111.01001001124e4 于是得到： S0，E4127131，M010010011 最后得到32位浮点数的二进制存储格式为： 0100 0001 10

15、10 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 0000010 符号位 数值位 8位反码表示数的范围：-127 +127，且0 000000

16、0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 + 4 + 2 = 100 1110B 120D = 64 + 32 + 16 + 8 = 111

17、 1000B,22,2.1 二进制数与信息表示原码、反码和补码,78D和-120D的原码： 78D原 = 0 1001110-120D原 = 1 1111000 78D和-120D的反码： 78D反 = 0 1001110-120D反 = 1 0000111 78D和-120D的补码： 78D补 = 0 1001110-120D补 = 1 0001000,23,2.1 二进制数与信息表示原码、反码和补码,8位(字节数)有符号数的原码、反码和补码,+27-1 -(27-1) +27-1 -(27-1) +27-1 -27,24,2.1 二进制数与信息表示补码的运算,补码的运算法则X补+Y补=X+

18、Y补X补-Y补=X-Y补=X补+-Y补 已知Y补求-Y补的方法：将Y补连同符号位一起求反，末尾加1。-Y补称为Y补的机器负数。 补码加减运算规则如下： 参加运算的两个操作数均用补码表示； 按无符号二进制规则运算，符号位作为数的一部分参加运算，运算结果为补码。 若做加法，则两数直接相加，若做减法，则将被减数与减数的机器负数相加；,25,2.1 二进制数与信息表示补码的运算举例,例：无符号二进制数 X=00011101、Y=10110100 求 X+YX+Y = 00011101+10110100 = 11010001 29 180 209 例：有符号二进制数 X补=00011101 Y补=101

19、10100 求 X+Y补和X-Y补X+Y补 = X补+Y补 = 00011101 + 10110100 = 11010001 29 -76 -47X-Y补 = X补+-Y补 = 00011101 + 01001100 = 01101001 29 -76补=76 105,26,2.1 二进制数与信息表示进位和溢出,进位和溢出的产生 运算所得结果超过机器字长额定位数。 无符号数运算进位/借位 有符号数运算溢出 无符号数运算的进位/借位 8位无符号数相加结果超过255，产生进位； 8位无符号数相减，被减数小于减数，产生借位。 X86 CPU中的进位/借位标志 (CF) 可以标记进位或借位。 如：X=

20、01100110，Y=11100010，求CPU进行加、减的运算结果。X+Y = 0110 0110 + 1110 0010 = 0100 1000 产生进位X- Y = 0110 0110 - 1110 0010 = 1000 0100 产生借位,27,2.1 二进制数与信息表示进位和溢出,有符号数运算的溢出 当有符号数运算的结果超出CPU字长则产生溢出。 x86 CPU中根据溢出标志(OF)来判断有符号数运算溢出。 二进制运算溢出和进位/借位没有必然联系。 溢出的判断 - 直观判断： 两个符号相同的数相加，和的符号相反溢出； 两个符号不同的数相减，差的符号和减数相同溢出 - 双符号位判断法

21、：将原符号位扩充为两位，两个符号位作为数的一部分参加运算。结果符号位为00、11则无溢出，符号位为01、10则结果溢出。,28,2.1 二进制数与信息表示补码运算例,例：二进制数 X=0101 1101 Y=1000 1100，将其分别作为无符号数和有符号数进行加、减运算。 X+Y X-Y Y-X,29,2.2 逻辑电路基础知识,逻辑电路中的0和1 逻辑电路的信号电平只有两个稳定状态，分别代表逻辑0和1。一般采用正逻辑，即高电平为1，低电平为0。 逻辑电压： 逻辑电路的电压多为5V和3V，早期的逻辑器件为5V，新型的逻辑器件多为3V，低电压逻辑可以降低功耗。最新的CPU和存储器的电压都低于3V

22、。 基本逻辑关系 “与” ()“或” (+)“非”,30,2.2 逻辑电路基础知识,逻辑关系描述 简单的逻辑关系可以通过逻辑表达式、逻辑电路图或真值表描述。, X = A B + A B,逻辑表达式,逻辑电路图,真值表,31,2.2 逻辑电路逻辑门电路,各种门电路,32,2.2 逻辑电路逻辑门电路实现,由二极管构成的门电路,由三极管构成的非门,33,2.2 逻辑电路组合逻辑,组合逻辑电路 有基本门电路组合而成的、无记忆逻辑电路。m个输入、n个输出的组合逻辑电路可以表示为以下电路。,输出的逻辑表达式：Oi = F(I0 , I1 , I2 , , Im-1) i = 0,1, 2, , n-1

23、一位加法器 A+ B CS,34,2.2 逻辑电路加法器,全加器 A B+Ci CoS,多位加法器：由k个全加器级联而成的k位加法器,35,2.2 逻辑电路编码器和译码器,编码器根据2N个输入信号，输出是有效输入端的编号。译码器N个输入端，2N个输出只有一个有效，该输出端的 序号是N。 译码器,36,2.2 逻辑电路触发器,触发器：最基本逻辑记忆单元 具有两个稳定状态，用来表示逻辑状态的0 和1 可通过不同的外部信号改变状态，输入信号消失以后，能将获得的新状态保存下来 基本RS触发器,RS触发器电路图,RS触发器时序图,RS触发器功能表,37,2.2 逻辑电路同步RS触发器,同步RS触发器同步

24、时序电路在同步时序脉冲的驱动下工作的时序电路。同步RS触发器只有在同步时序脉冲的上升沿改变状态。,_ Qn+1 = S+RQn (SR1）,同步RS触发器功能表,38,2.2 逻辑电路JK、D触发器,其它常见触发器常见的触发器除RS触发器外，还有JK触发器、D触发器等。,JK触发器功能表,D触发器功能表,_ _ _ Qn+1 = KQn + JK + JQn,Qn+1 = D,39,2.2 逻辑电路计数器,计数器：对输入的时钟脉冲（CP）的个数进行计数，来一个CP脉冲计数器状态变化一次。,模16二进制计数器,40,2.2 逻辑电路计数器,由D触发器构成的模16减1计数器,思考题：将上述电路改成

25、加1计数器,41,2.2 逻辑电路寄存器,寄存器：存储二进制数的时序电路组件，它具有接收和寄存二进制数码的逻辑功能。,42,2.2 逻辑电路移位寄存器,并行输入串行输出移位寄存器：D0D7:并行输入，DIN:串行输入，QOUT:串行输出，CPP:并行输入控制脉冲。,串行输入行并输出移位寄存器,43,2.3 计算机的硬件组成冯诺依曼体系结构,计算机的组成部分运算器进行运算的部件；存储器记忆原始数据、运算程序及运算结果的部件；控制器发出各种控制信息，以便使计算机各部件协调工作的部件；输入、输出设备将原始数据及运算程序输入计算机，并将结果及其它信息输出的部件。,44,2.3 计算机的硬件组成CPU,

26、ALU(Arithmetic and Logic Unit)：主要完成对二进制数据的算术运算、逻辑运算和各种移位操作 。,PC(Program Counter)：取指令的地址，存放下面要执行的指令的地址， 取指令后自动加1。,用来保存参加运算的操作数和运算的中间结果。,根据二进制的机器指令产生完成指令功能的微操作。,根据译码器产生的微操作，产生控制各个部件的信号，控制各个部件完成指令的功能。,产生时基信号为各功能部件提供定时基准。,45,2.3 计算机的硬件组成指令系统,指令系统：是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。 指

27、令的构成：指令由操作码字段(OP，指明操作功能)和地址码字段 (A,或称操作数字段，指明操作数)两部分构成。,OP,A,操作码：指令的操作码字段表明了所执行的操作。指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码。 地址码结构：运算的操作数和运算结果存放的地址。根据指令功能的不同，地址码字段可以含有单地址、双地址或三地址结构，少量指令无地址码字段。,46,2.3 计算机的硬件组成8086指令举例,例如： Intel 8086 CPU加法指令 ADD AX, BX将寄存器AX和BX相加，和送到AX寄存器。(AX) + (BX) (AX) 该指令由两个字节构成：01D8H。01D8H = 00000

28、001 11011000 其中 000000=ADD，指令操作码 0=源为寄存器，指明源操作数1=字(16位)运算，区分字节、字运算 11=寄存器方式，指明操作数类型 011=BX，寄存器编号000=AX，寄存器编号,47,2.3 计算机的硬件组成指令分类,CPU指令分为以下几类 数据传送类指令 实现寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间的数据传送。 算术、逻辑运算类指令 实现加、减、乘、除等基本算术运算，与、或、非、异或等基本逻辑运算。 带有浮点部件的CPU还具有浮点运算指令。 程序控制类指令 转移控制指令、循环控制指令、子程序指令、中断控制指令等。 输入/输出类指令 实现主机与外部设备之间

29、的信息交换。,48,2.3 计算机的硬件组成指令的寻址方式,寻址方式指令获得操作数的方式，一般有以下几种： 立即寻址：指令中包含操作数ADD AX, 1000D (AX)+1000D(AX) 寄存器寻址：操作数在寄存器中，指令中包含存放操作数的寄存器的编号ADD AX, BX (AX)+(BX)(AX) 直接寻址：操作数在存储器中，指令中包含存储器地址ADD AX, 1000H (AX)+(1000H)(AX) 间接寻址：操作数在存储器中，其地址在某个寄存器中，指令中包含该寄存器的编号 ADD AX, BX (AX)+(BX)(AX),49,2.3 计算机的硬件组成CISCRISC,CSIC(Complex Instruction Set Computer)复杂指令系统计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)