第1章 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述(第02講)

1、計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1第一章 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述（第02講）計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2常用信息分類及表示常用信息分類及表示信息編碼信息編碼數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼命令編碼命令編碼 （指令編碼）（指令編碼）數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)編編碼碼數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)非數(shù)值數(shù)據(jù)非數(shù)值數(shù)據(jù)-無符號數(shù)無符號數(shù)有符號數(shù)有符號數(shù)浮點數(shù)浮點數(shù)定點數(shù)定點數(shù)二二- 十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)定點整數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)定點小數(shù)原碼原碼補(bǔ)碼補(bǔ)碼反碼反碼移碼移碼字符、漢字等字符、漢字等存儲器結(jié)構(gòu)示意圖指令和數(shù)據(jù)的存儲計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3無符號數(shù)無符號數(shù)（沒有符號的數(shù)）沒有符號的數(shù)）例如例如: x=110101 其數(shù)值其數(shù)值= 25+ 24+22+20=32+16+4

2、+1=53 在數(shù)據(jù)處理的過程中，如果不需要設(shè)置符號在數(shù)據(jù)處理的過程中，如果不需要設(shè)置符號位可用全部字長來表示數(shù)值大小。位可用全部字長來表示數(shù)值大小。 8 8位無符號數(shù)的取值范圍是位無符號數(shù)的取值范圍是02550255（2 2）。）。計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4符號數(shù)符號數(shù) 符號數(shù)符號數(shù), , 用其最左邊一位用其最左邊一位MSB(MSB(Most Significant Most Significant Bit)Bit)表示數(shù)的正負(fù)表示數(shù)的正負(fù). . MSB=0, MSB=0,表示正數(shù)表示正數(shù), ,如如+1011,1011,表示表示0 010111011 MSB=1, MSB=1,表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù),

3、,如如- -1011,1011,表示表示1 110111011 帶符號位的數(shù)又叫帶符號位的數(shù)又叫原碼原碼, ,即即:XX原原= =符號位符號位+|+|X|X| 同字長的無符號數(shù)表示的最大值可比符號數(shù)同字長的無符號數(shù)表示的最大值可比符號數(shù)大一倍大一倍. . 無符號數(shù)無符號數(shù)Nmax=1111=15 符號數(shù)符號數(shù) Nmax =0111=7計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5計算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)表示格式有兩種計算機(jī)中常用的數(shù)據(jù)表示格式有兩種: 定點格式定點格式容許的數(shù)值范圍有限，但要求的處理硬件比容許的數(shù)值范圍有限，但要求的處理硬件比 較簡單。較簡單。 浮點格式浮點格式容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比容許的數(shù)

4、值范圍很大，但要求的處理硬件比 較復(fù)雜。較復(fù)雜。定點數(shù)的表示方法定點數(shù)的表示方法定點表示定點表示：約定機(jī)器中所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置是固定不變的。：約定機(jī)器中所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置是固定不變的。 （由于約定在固定的位置，小數(shù)點就不再使用記號由于約定在固定的位置，小數(shù)點就不再使用記號“.”“.” 來表示。來表示。) ) 通常將數(shù)據(jù)表示成通常將數(shù)據(jù)表示成純小數(shù)純小數(shù)或或純整數(shù)。純整數(shù)。數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6定點數(shù)定點數(shù)：小數(shù)點位置固定不變的數(shù)小數(shù)點位置固定不變的數(shù)定點整數(shù)定點整數(shù)：小數(shù)點固定在小數(shù)點固定在最低位最低位數(shù)的數(shù)的右面右面(b) 定點小數(shù)x7x6x5x4x3x2x1x0(a)

5、定點整數(shù)x1x0 x2x3x4x5x6x7定點小數(shù)定點小數(shù)：小數(shù)點固定在小數(shù)點固定在最高位最高位數(shù)的數(shù)的后面后面，即純小數(shù)表示，即純小數(shù)表示計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7n機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù): :數(shù)在機(jī)器內(nèi)的表示形式數(shù)在機(jī)器內(nèi)的表示形式, ,是符號也被是符號也被數(shù)值化的數(shù)數(shù)值化的數(shù). . 例例:01011:01011和和1101111011分別是分別是+1011+1011和和-1011-1011的機(jī)的機(jī)器數(shù)器數(shù). .n真值真值: :是數(shù)值數(shù)據(jù)代表的實際值是數(shù)值數(shù)據(jù)代表的實際值, ,即用表示即用表示符號符號, ,再加上數(shù)的絕對值再加上數(shù)的絕對值. .機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)01011 真值真值+1011機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)110

6、11 真值真值-1011機(jī)器數(shù)、真值機(jī)器數(shù)、真值計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8計算機(jī)中計算機(jī)中定點數(shù)定點數(shù)表示方法表示方法 原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼 計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9 （1 1）定點整數(shù)）定點整數(shù) 最高位是符號位：最高位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù)1 1、原碼表示法、原碼表示法例：例：x = +1011 x原原 = 00000 + |+1011|=01011 x = -1011 x原原 = 10000 + |-1011|=11011.n n-1n-23 2 1 0. 原碼格式原碼格式 XX原原= =符號位符號位+|+|X|X|機(jī)器數(shù)真值計算機(jī)組成與系

7、統(tǒng)結(jié)構(gòu)10(2)(2)定點小數(shù)定點小數(shù) 第第0位是符號位：位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù).01 2n-3 n-2n-1 n. 格式格式例例: x = +0.1001, 則則 x原原= 0 + | +0.1001 | =0.1001 x = - 0.1001, 則則 x原原 = 1+ | -0.1001 | = 1.1001 XX原原= =符號位符號位+|+|X|X|機(jī)器數(shù)真值計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11原碼原碼為符號位加上數(shù)的絕對值，為符號位加上數(shù)的絕對值，0正正1負(fù)負(fù)；原碼原碼零有兩個編碼，零有兩個編碼，+0和和 -0編碼不同編碼不同;原碼原碼表示簡單，易于同真值之間進(jìn)

8、行轉(zhuǎn)換。表示簡單，易于同真值之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 (3) (3) 結(jié)論結(jié)論 XX原原= =符號位符號位+|+|X|X|計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12課堂練習(xí)：課堂練習(xí)： 已知4位二進(jìn)制數(shù)（0000-1111），分別求它們作為原碼時代表的真值。x0 x1x2x3作為原碼編碼時代表的值0000+00001+10010+20011+30100+40101+50110+60111+71000-01001-11010-21011-31100-41101-51110-61111-7計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13用用1 1位符號位位符號位0,10,1碼表示正負(fù)碼表示正負(fù), ,給運(yùn)算帶來的問題：給運(yùn)算帶來的問題： 正正, ,正

9、相加正相加: :符號位符號位0+0=0,0+0=0,仍為正仍為正, ,不影響結(jié)果不影響結(jié)果. . 正正, ,負(fù)相加負(fù)相加:0+1=1,:0+1=1,不一定對不一定對, ,要看哪個絕對值大要看哪個絕對值大, ,和的符和的符號位由大數(shù)定號位由大數(shù)定. . 負(fù)負(fù), ,負(fù)相加負(fù)相加:1+1=10,:1+1=10,和的符號與實際值不符和的符號與實際值不符. .結(jié)論結(jié)論: :用上述方法表示符號數(shù)用上述方法表示符號數(shù), ,負(fù)數(shù)的符號位不能與負(fù)數(shù)的符號位不能與數(shù)值部分一起參加運(yùn)算數(shù)值部分一起參加運(yùn)算, ,為解決機(jī)器內(nèi)負(fù)數(shù)的符號為解決機(jī)器內(nèi)負(fù)數(shù)的符號位參與運(yùn)算的問題位參與運(yùn)算的問題, ,要引入補(bǔ)碼與反碼要引入補(bǔ)

10、碼與反碼. .為什么引入補(bǔ)碼與反碼？為什么引入補(bǔ)碼與反碼？計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14 （1 1）定點整數(shù)）定點整數(shù) 最高位是符號位：最高位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù)2 2、反碼表示法、反碼表示法例：例：x = +1011 x反反 = 00000 + |+1011|=01011 x = -1011 x反反 = 10000 + |-1011|=10100.n n-1n-23 2 1 0. 反碼格式反碼格式正數(shù)正數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X|=“0”+ X|=“0”+ | |X|X|負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X|=“1”+ X|=“1”+ |

11、|X|X|機(jī)器數(shù)真值計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15(2)(2)定點小數(shù)定點小數(shù) 第第0位是符號位：位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù).01 2n-3 n-2n-1 n. 格式格式例例: x = +0.1001, 則則 x反反= 0 + | +0.1001 | =0.1001 x = - 0.1001, 則則 x反反 = 1+ | -0.1001 | = 1.0110 機(jī)器數(shù)真值正數(shù)正數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X|=0+ X|=0+ | |X|X|負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X|=1+ X|=1+ | |X|X|計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16正數(shù)的反碼正數(shù)的

12、反碼為符號位加上數(shù)的絕對值。（符號位為為符號位加上數(shù)的絕對值。（符號位為0）負(fù)數(shù)的反碼負(fù)數(shù)的反碼為符號位加上數(shù)值位逐位求反。為符號位加上數(shù)值位逐位求反。 （符號位為（符號位為1）反碼反碼零有兩個編碼，零有兩個編碼，+0和和 -0編碼不同編碼不同; (3) (3) 結(jié)論結(jié)論 正數(shù)正數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X| X| （ XX反反=XX原原）負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX反反= =符號位符號位+|+|X|X|計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17反碼運(yùn)算要注意以下三個問題反碼運(yùn)算要注意以下三個問題: :(1)(1)符號位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算符號位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算. .(2)(2)符號位相加后符號位相加后, ,

13、如有進(jìn)位如有進(jìn)位, ,則要把它送到最低位去相加則要把它送到最低位去相加, ,叫叫循環(huán)進(jìn)位循環(huán)進(jìn)位. .(3)(3)運(yùn)算性質(zhì)運(yùn)算性質(zhì):X反反+Y反反= X+Y反反; X反反反反=X原原【例例1.11 】已知已知X=- 0.1101,Y=- 0.0001,求求X+Y.(反碼反碼)解解 : X反反=1.0010 +Y反反=1.1110 11.0000+循環(huán)進(jìn)位循環(huán)進(jìn)位 1X+Y反反= 1.0001機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù) X+Y= -0.1110真值真值計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)18 解：解： X反反0.1101 + Y反反1.1110 10.1011 +循環(huán)進(jìn)位循環(huán)進(jìn)位 1 X + Y反反0.1100機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)

14、所以所以 X + Y 0.1100真值真值 課堂練習(xí)：課堂練習(xí)：已知：已知：X0.1101 Y-0.0001 求：求： X + Y ?（采用反碼運(yùn)算）采用反碼運(yùn)算）計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)19 （1 1）定點整數(shù)）定點整數(shù) 最高位是符號位：最高位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù)3 3、補(bǔ)碼表示法、補(bǔ)碼表示法例：例：x = +0111 x補(bǔ)補(bǔ) = 00000 + |+0111|=00111 x = -0111 x補(bǔ)補(bǔ)= x反反+1= 11000 +1=11001.n n-1n-23 2 1 0. 補(bǔ)碼格式補(bǔ)碼格式正數(shù)正數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= =符號位符號位+|+|X|=“0”+ X|=

15、“0”+ | |X|X|負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= = XX反反+1+1機(jī)器數(shù)真值計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)20(2)(2)定點小數(shù)定點小數(shù) 第第0位是符號位：位是符號位：0-表示正數(shù)，表示正數(shù)，1-表示負(fù)數(shù)表示負(fù)數(shù).01 2n-3 n-2n-1 n. 格式格式例例: x = +0.1001, 則則 x補(bǔ)補(bǔ)= 0 + | +0.1001 | =0.1001 x = - 0.1001, 則則 x補(bǔ)補(bǔ) = 1.0110+1 = 1.0111 機(jī)器數(shù)真值正數(shù)正數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= =符號位符號位+|+|X|=0+ X|=0+ | |X|X|負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= = XX反反+1+1計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)21正數(shù)的補(bǔ)碼正

16、數(shù)的補(bǔ)碼為符號位加上數(shù)的絕對值；為符號位加上數(shù)的絕對值；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其反碼為其反碼1；補(bǔ)碼補(bǔ)碼零只有一個編碼，零只有一個編碼，+0和和 -0編碼相同編碼相同; (3) (3) 結(jié)論結(jié)論 正數(shù)正數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= =符號位符號位+|+|X| X| （ XX補(bǔ)補(bǔ)=XX原原=XX反反）負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) XX補(bǔ)補(bǔ)= = XX反反+1+1計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22原碼、補(bǔ)碼性質(zhì)的舉例原碼、補(bǔ)碼性質(zhì)的舉例 X X原原 X反反 X補(bǔ)補(bǔ) X反反反反 X補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ) +1101 01101 01101 01101 01101 01101 -1101 11101 10010 10011 11101 11101 從上例可見

17、從上例可見, ,不論對正數(shù)還是負(fù)數(shù)不論對正數(shù)還是負(fù)數(shù), ,反碼和補(bǔ)碼有相似性質(zhì)反碼和補(bǔ)碼有相似性質(zhì) X反反反反= X原原 X補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)補(bǔ)= X原原 取反加1計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23補(bǔ)碼運(yùn)算要注意以下補(bǔ)碼運(yùn)算要注意以下三個問題三個問題: :(1)(1)符號位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算符號位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算. .(2)(2)如有進(jìn)位出現(xiàn)如有進(jìn)位出現(xiàn), ,舍去不要舍去不要. .(3)(3)運(yùn)算性質(zhì)運(yùn)算性質(zhì):X補(bǔ)補(bǔ)+Y補(bǔ)補(bǔ)= X+Y補(bǔ)補(bǔ)【例例1.14 】已知已知X=0.1101,Y=-0.0001,求求X+Y。（。（補(bǔ)碼）補(bǔ)碼）解解: X補(bǔ)補(bǔ)= 0.1101 + Y補(bǔ)補(bǔ)= 1.1111 X+Y補(bǔ)補(bǔ)=10.1

18、100 X+Y= 0.1100真值真值 舍去不要舍去不要正數(shù)求補(bǔ)碼的規(guī)則是符號位數(shù)值化，正數(shù)求補(bǔ)碼的規(guī)則是符號位數(shù)值化，數(shù)值位是其本身數(shù)值位是其本身計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)24已知：已知：X=-0.1101,Y=-0.0001, 求求X+Y。（。（采用補(bǔ)碼運(yùn)算）采用補(bǔ)碼運(yùn)算）課堂練習(xí)：課堂練習(xí)：解解: X補(bǔ)補(bǔ)= 1.0011 + Y補(bǔ)補(bǔ)= 1.1111 X+Y補(bǔ)補(bǔ)=11.0010 X+Y= -0.1110真值真值 舍去不要舍去不要計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)254 4、移碼、移碼移碼移碼: :是在補(bǔ)碼的最高位加是在補(bǔ)碼的最高位加1,1,又叫增碼又叫增碼, ,一般用于整數(shù)一般用于整數(shù). .【例例1.16 】 真值真值 補(bǔ)碼補(bǔ)碼 移碼移碼 +3 0011 1011 0 0000 1000 補(bǔ)碼與移碼的補(bǔ)碼與移碼的符號位相反符號位相反 -3 1101 0101 數(shù)值位相同數(shù)值位相同 eE真值e=移碼E+23（4位表示移碼）計算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)26【例例1.17 】幾個典型數(shù)的原、反、補(bǔ)碼的表示幾個典型數(shù)的原、反、補(bǔ)碼的表示( (字長為字長為8 8位位) )結(jié)論結(jié)論:1.:1.原碼、反碼的表示范圍為原碼、反碼的表示范圍為+127+127-127,-127,補(bǔ)碼的表示范補(bǔ)碼的表示范 圍為圍為+127+127-128,-128,兩者差兩者差1. 1. 因負(fù)數(shù)