計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)課件(完整版)

1、計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)教材內(nèi)容的組織本教材在內(nèi)容的組織上，按照CC2005和2006年我國(guó)教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)制定的“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)規(guī)范”中的知識(shí)領(lǐng)域“CS-AR計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織”所要求的內(nèi)容進(jìn)行編寫。各章節(jié)涵蓋的知識(shí)單元包括1. AR2 數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示（核心學(xué)時(shí)）： 第2章2. AR3 匯編級(jí)機(jī)器組織（核心學(xué)時(shí)）： 第3章3. AR4 存儲(chǔ)系統(tǒng)組織與結(jié)構(gòu)（核心學(xué)時(shí)）：第4章4. AR5 接口和通信（核心學(xué)時(shí)）： 第5、6章6. AR7 多處理和體系結(jié)構(gòu)（核心學(xué)時(shí)）： 第8章5. AR6 功能組織（核心學(xué)時(shí)）： 第7章第1章第2章第3章第4章計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程；按I

2、EEE分類法的計(jì)算機(jī)的分類；最后作為本書的一個(gè)序，概括性地介紹計(jì)算機(jī)的硬件組成及計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)。進(jìn)位計(jì)數(shù)制；計(jì)算機(jī)中數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示；數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制運(yùn)算方法和實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)傳遞過程中進(jìn)行差錯(cuò)控制的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼。計(jì)算機(jī)中匯編級(jí)指令的格式、地址結(jié)構(gòu)；指令及操作數(shù)的尋址方式，以及指令的種類和功能、典型指令系統(tǒng)的組成等；精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)RISC。存儲(chǔ)器的組織、分類和分層結(jié)構(gòu)；計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器的組成與工作原理；提高存儲(chǔ)系統(tǒng)性能的交叉存儲(chǔ)技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器及虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)等。各章節(jié)主要內(nèi)容第5章第6章第7章第8章計(jì)算機(jī)輸入輸出系統(tǒng)組成；計(jì)算機(jī)輸入輸出的控制方式；計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備磁盤系統(tǒng)以及由磁

3、盤陣列組成的RAID技術(shù)。總線的基本概念、總線的類別和總線的控制方式等；常用總線標(biāo)準(zhǔn)：ISA、PCI等；常用的外部總線接口標(biāo)準(zhǔn)：USB、IEEE 1394和SCSI等。CPU的功能與組成；CPU的指令周期及執(zhí)行指令的過程；CPU控制部件設(shè)計(jì)的兩種主要方法：硬布線設(shè)計(jì)法和微程序設(shè)計(jì)法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性概念，提高并行性的技術(shù)途徑；現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用的流水線技術(shù)和多處理機(jī)技術(shù)；機(jī)群系統(tǒng)。各章節(jié)主要內(nèi)容第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論本章結(jié)構(gòu)11.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程21.2 計(jì)算機(jī)的種類31.3 計(jì)算機(jī)的基本組成51.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分層組織結(jié)構(gòu)41.4 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)

4、展離不開其所依賴的器件技術(shù)的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)界，人們普遍把計(jì)算機(jī)的發(fā)展劃分為5個(gè)年代，而這一劃分所依據(jù)的正是計(jì)算機(jī)所使用的基本元器件?？梢哉f，器件技術(shù)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)保障。計(jì)算機(jī)的發(fā)展年代第四代第三代第二代第一代第零代第零代：機(jī)械時(shí)代世界上第一臺(tái)以齒輪驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)器是由德國(guó)人Wilhelm Schickard教授于1623年設(shè)計(jì)并建造的計(jì)算鐘（Calculating Clock）。 1642年法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家帕斯卡發(fā)明的機(jī)械加法器Pascaline。英國(guó)數(shù)學(xué)家巴貝奇Charles Babbage于1822年設(shè)計(jì)的差分機(jī)Difference Engine。 1938年，德國(guó)工程

5、師朱斯（Konrad Zuse）成功制造了第一臺(tái)二進(jìn)制計(jì)算機(jī)Z-1，此后他繼續(xù)研制了Z系列計(jì)算機(jī)，其中Z-3型計(jì)算機(jī)是世界上第一臺(tái)通用程序控制的機(jī)電計(jì)算機(jī)，它使用了2600個(gè)繼電器，采用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算一次加法只用0.3秒。 1944年，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家艾肯研制成功了一臺(tái)通用型機(jī)電計(jì)算機(jī)MARK-I。更多內(nèi)容可參見網(wǎng)站：第一代：真空管計(jì)算機(jī) 電子計(jì)算機(jī)區(qū)別于機(jī)械式計(jì)算機(jī)的最主要特點(diǎn)是使用了電子元器件作為其存儲(chǔ)和控制部件，計(jì)算機(jī)能夠依靠電子元器件自動(dòng)完成計(jì)算。電子計(jì)算機(jī)發(fā)展階段也正是以其所采用的基本電子元器件及技術(shù)作為劃分的基礎(chǔ)。 計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段表發(fā)展階段大致時(shí)間所采用的技術(shù)典型速度

6、1 19461957 真空管 幾萬次2 19581964 晶體管 十幾到幾十萬次3 19651971 中小規(guī)模集成電路 百萬次4 19721977 大規(guī)模集成電路 千萬次 19781991 超大規(guī)模集成電路 億次 1991巨大規(guī)模集成電路 十億次以上1946年誕生的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC第一代電子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：采用真空管作為基本元器件，體積龐大，功耗大，可靠性低。引入存儲(chǔ)程序的思想，開始使用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，但最初使用的存儲(chǔ)設(shè)備為汞延遲線或靜電存儲(chǔ)管，存儲(chǔ)容量很小，后來采用了磁鼓、磁芯，雖有一定改進(jìn)，但存儲(chǔ)空間仍然有限。輸入輸出設(shè)備簡(jiǎn)單，主要采用穿孔紙帶或卡片，速度很慢。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)

7、器語(yǔ)言，幾乎沒有系統(tǒng)軟件。 第二代：晶體管計(jì)算機(jī) 第一代真空管技術(shù)的計(jì)算機(jī)并不是非常可靠，原因是這些真空管被燒壞的速度太快，以至于這種真空管計(jì)算機(jī)的停機(jī)維修時(shí)間常常比正常運(yùn)行的時(shí)間還多。 1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位研究員John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley發(fā)明了晶體管，這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的發(fā)明，讓他們共同獲得了1956年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種新型的技術(shù)不但掀起了電子器件、電視和無線電廣播等領(lǐng)域的革命，也推動(dòng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。 第二代電子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：采用晶體管代替電子管作為基本元器件。與電子管相比，晶體管具有體積小、重量輕、耗

8、電少、速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，這使計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能都發(fā)生了飛躍。采用磁芯存儲(chǔ)器作為主存，使用磁盤和磁帶作為輔存。使存儲(chǔ)容量增大，可靠性提高，為系統(tǒng)軟件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。提出了操作系統(tǒng)的概念，開始出現(xiàn)匯編語(yǔ)言，并產(chǎn)生了如COBOL、FORTRAN等編程語(yǔ)言以及批處理系統(tǒng)。第三代：集成電路計(jì)算機(jī) 1952年，英國(guó)皇家雷達(dá)研究所的G.W.A.Dummer首先提出了集成電路設(shè)想：根據(jù)電子線路的要求，將電子線路所需要的晶體管、晶體二極管和其他必要元件統(tǒng)統(tǒng)完整地制作(集成)在單塊半導(dǎo)體晶片上，從而構(gòu)成一個(gè)具有預(yù)定功能的電子線路。 1958年，美國(guó)的Jack Kilby和Robert S.Noyce同時(shí)

9、發(fā)明了集成電路，并分別在德克薩斯儀器公司和仙童公司研制成功第一塊集成電路，從而開創(chuàng)了第三代乃至以后計(jì)算機(jī)發(fā)展的新紀(jì)元。 第三代電子計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：采用集成電路取代晶體管作為基本元器件。采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量進(jìn)一步擴(kuò)大，而體積更小，可靠性更高。操作系統(tǒng)功能進(jìn)一步明確和完善，高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)一步發(fā)展，使計(jì)算機(jī)功能更強(qiáng)。計(jì)算機(jī)的研制生產(chǎn)開始系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。計(jì)算機(jī)應(yīng)用范圍擴(kuò)大到企業(yè)管理和輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。 系列化：即同一公司在不同時(shí)期生產(chǎn)的機(jī)器采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、字符編碼、控制方式、輸入輸出等方面保持統(tǒng)一，從而保證了程序兼容（稱為向前兼容）。這種向前兼容在

10、很大程度上可以保護(hù)用戶在尤其是軟件方面的投資，當(dāng)用戶進(jìn)行機(jī)器更新時(shí)，原來在低檔機(jī)上編寫的程序可以不作修改就使用在高檔機(jī)上。這一時(shí)期典型的系列機(jī)如IBM360/370。 通用化：機(jī)器指令系統(tǒng)豐富，兼顧科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制等方面，可以適應(yīng)各種應(yīng)用的需要。標(biāo)準(zhǔn)化：采用標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口，因而各個(gè)機(jī)型的外部設(shè)備都是通用的，除各個(gè)型號(hào)機(jī)器的CPU獨(dú)立設(shè)計(jì)以外，存儲(chǔ)器、外部設(shè)備等都采用標(biāo)準(zhǔn)部件組裝。第四代：大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī) 集成度：?jiǎn)蝹€(gè)芯片上所容納的晶體管數(shù)量。 集成電路發(fā)展階段單塊芯片集成的晶體管數(shù)量小規(guī)模集成電路（SSI）10-100中規(guī)模集成電路（MSI）100-1000大規(guī)模集

11、成電路（LSI）1000-10000超大規(guī)模集成電路（VLSI）10000以上巨大規(guī)模集成電路（ULSI）1000000以上第四代電子計(jì)算機(jī)： 在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上，發(fā)展了如虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)、流水線技術(shù)、高速緩沖存儲(chǔ)器技術(shù)及各種并行處理技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)存配置上，容量和速度都大大提高。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的種類越來越豐富，從文字的處理發(fā)展到圖像、聲音等多媒體信息的處理。系統(tǒng)軟件功能越來越強(qiáng)，從單用戶、單道程序系統(tǒng)發(fā)展到多用戶、多道程序系統(tǒng)，從字符界面的命令行操作系統(tǒng)發(fā)展到圖形界面的視窗操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件越來越豐富，計(jì)算機(jī)在辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別和人工智能等領(lǐng)域大顯身手。隨著微型計(jì)算機(jī)技

12、術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)價(jià)格越來越便宜，計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來越普及。二十世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和90年代Internet技術(shù)的發(fā)展，一方面使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來越普及，另一方面在很大程度上改變著人們的生活和工作方式。不同時(shí)期微處理器性能：型號(hào)400480088086PentiumPIV發(fā)布時(shí)間1971年19721978年1993年2000年時(shí)鐘頻率108KHz108KHz5MHz166MHz1.8GHz總線寬度4位8位16位32位64位晶體管數(shù)23003500290003.1百萬42百萬工藝（微米）101030.80.18可尋址存儲(chǔ)器640B16KB1MB4GB64GB虛擬存儲(chǔ)器64TB64TB第五代計(jì)算

13、機(jī)1981年10月，日本首先向世界宣告開始研制第五代計(jì)算機(jī)，并于1982年4月制訂了為期10年的“第五代計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃”。緊接其后美國(guó)和歐洲等國(guó)家也先后提出了發(fā)展第五代計(jì)算機(jī)的計(jì)劃。第五代計(jì)算機(jī)又稱新一代計(jì)算機(jī)或人工智能計(jì)算機(jī)，它是一個(gè)能把信息采集、存儲(chǔ)、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它除了能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及信息處理外，還能面向知識(shí)處理，具有形式化推理、聯(lián)想、學(xué)習(xí)和解釋的能力；能夠幫助人們進(jìn)行判斷、決策、開拓未知領(lǐng)域和獲得新的知識(shí)；人-機(jī)之間可以直接通過自然語(yǔ)言（聲音、文字）或圖形圖像交換信息。我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展概況 我國(guó)從1956年開始研制計(jì)算機(jī)，1958年研制成功第一

14、臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)103機(jī)，1959年又研制成功運(yùn)行速度為每秒1萬次的104機(jī)。103機(jī)和104機(jī)的研制成功填補(bǔ)了我國(guó)在計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的空白，為促進(jìn)我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。1965年，中科院計(jì)算所研制成功第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)109乙，之后推出109丙機(jī)，該機(jī)在我國(guó)兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。1971年我國(guó)開始研制以集成電路為主要器件的DJS系列計(jì)算機(jī)，1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、研制成功采用集成電路技術(shù)的DJS-130小型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒100萬次。該系列計(jì)算機(jī)在上個(gè)世紀(jì)70年代在我國(guó)很多行業(yè)和部門得到了廣泛應(yīng)用。在微型計(jì)算機(jī)方面，1985年，電子工業(yè)部計(jì)算所研制成功與IBM

15、 PC機(jī)兼容的長(zhǎng)城0520CH微機(jī)。此后我國(guó)的長(zhǎng)城系列、方正系列、聯(lián)想系列等微型計(jì)算機(jī)，如雨后春筍般涌現(xiàn)，為我國(guó)計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，也使目前以聯(lián)想公司為代表的中國(guó)計(jì)算機(jī)公司成為了一個(gè)有著巨大影響力的跨國(guó)公司，走在了世界先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的行列。在巨型計(jì)算機(jī)研制方面，1983年，國(guó)防科技大學(xué)研制成功運(yùn)算速度每秒億次的銀河-I巨型機(jī)，這是我國(guó)高性能計(jì)算機(jī)研制領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。1992年，國(guó)防科技大學(xué)又推出了銀河-II通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)每秒10億次。1997年6月，國(guó)防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用可擴(kuò)展分布共享存儲(chǔ)并行處理體系結(jié)構(gòu)，由130多個(gè)處理結(jié)點(diǎn)組成，

16、峰值性能為每秒130億次浮點(diǎn)運(yùn)算，系統(tǒng)綜合技術(shù)達(dá)到90年代中期國(guó)際先進(jìn)水平。 1995年，曙光公司推出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)結(jié)構(gòu)的并行機(jī)曙光1000(含36個(gè)處理機(jī))，峰值速度每秒25億次浮點(diǎn)運(yùn)算。1997至1999年，曙光公司先后在市場(chǎng)上推出具有機(jī)群結(jié)構(gòu)(Cluster)的曙光1000A、曙光2000-I和曙光2000-II等超級(jí)服務(wù)器，峰值計(jì)算速度已突破每秒1000億次浮點(diǎn)運(yùn)算。2000年，曙光公司推出每秒3000億次浮點(diǎn)運(yùn)算的曙光3000超級(jí)服務(wù)器。2003年，百萬億次數(shù)據(jù)處理超級(jí)服務(wù)器曙光4000L通過國(guó)家驗(yàn)收，再一次刷新國(guó)產(chǎn)超級(jí)服務(wù)器的歷史紀(jì)錄，使得國(guó)產(chǎn)高性能機(jī)產(chǎn)

17、業(yè)再上一個(gè)新臺(tái)階。知識(shí)拓展：摩爾定律摩爾定律是前英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登.摩爾（Gordon Moore）首先提出的，其內(nèi)容是指：集成電路（IC）芯片中所能集成的晶體管數(shù)量每18個(gè)月翻一番，性能也隨之提升一倍。 1.2 計(jì)算機(jī)的種類計(jì)算機(jī)按照其用途分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。專用計(jì)算機(jī)主要是為某一專用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，在這一領(lǐng)域具有高性能或適應(yīng)性，如一些專為圖像處理設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，具有很高的圖像處理速度；再如工控機(jī)，專為一些環(huán)境較為惡劣的工業(yè)控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，具有防塵、防振、高可靠性等特點(diǎn)。通用計(jì)算機(jī)則不是專為某一領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，它能適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。 對(duì)計(jì)算機(jī)種類的劃分，更為傳統(tǒng)和更為普遍的方法是按照198

18、9年由IEEE科學(xué)巨型機(jī)委員會(huì)提出的運(yùn)算速度分類法，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微型計(jì)算機(jī)。 1. 巨型計(jì)算機(jī)巨型機(jī)有極高的速度、極大的容量。主要應(yīng)用于國(guó)防尖端技術(shù)、空間技術(shù)、大范圍長(zhǎng)期性天氣預(yù)報(bào)、石油勘探等領(lǐng)域。目前這類機(jī)器的運(yùn)算速度已超過每秒萬億次。這類計(jì)算機(jī)在技術(shù)上朝兩個(gè)方向發(fā)展：一是開發(fā)高性能器件，特別是縮短時(shí)鐘周期，提高單機(jī)性能；二是采用多處理器結(jié)構(gòu)，構(gòu)成超級(jí)并行計(jì)算機(jī)，通常由100臺(tái)以上的處理器組成超級(jí)并行巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們同時(shí)解算一個(gè)題目，來達(dá)到高速運(yùn)算的目的。巨型機(jī)的研制水平、生產(chǎn)能力及其應(yīng)用程度，已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科技水平的重要標(biāo)志。 2. 大型計(jì)

19、算機(jī)這類計(jì)算機(jī)具有很強(qiáng)的綜合處理能力，性能高，管理能力強(qiáng)。作為通用計(jì)算機(jī)，主要應(yīng)用在政府、銀行、大公司、大企業(yè)等部門或行業(yè)，作為中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)器等，可同時(shí)可支持幾十個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)和支持上萬個(gè)用戶使用。 3. 小型計(jì)算機(jī)小型機(jī)相對(duì)大型機(jī)來說，規(guī)模更小、性能也次之。但由于其可靠性高、易于維護(hù)等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。在七、八十年代，小型機(jī)的發(fā)展非常迅猛，很多行業(yè)和部門都使用了小型機(jī)，國(guó)際上一些大的計(jì)算機(jī)公司，如IBM、HP、DEC等紛紛推出了自己的小型機(jī)系列。從九十年代開始，隨著微型計(jì)算機(jī)的性能不斷提高和成本不斷降低，小型機(jī)市場(chǎng)受到了很大沖擊，一些原來使用小型機(jī)的場(chǎng)合被高性能微機(jī)服務(wù)器所取

20、代。目前，小型機(jī)主要采用的是基于RISC技術(shù)的CPU和類UNIX操作系統(tǒng)。4. 微型計(jì)算機(jī)1971 年，美國(guó)Intel公司生產(chǎn)出了世界上第一塊微處理器芯片Intel4004，1981年美國(guó)IBM公司使用Intel8088微處理器生產(chǎn)了具有里程碑意義的微型計(jì)算機(jī)IBM PC，從而揭開了微型計(jì)算機(jī)大發(fā)展的序幕。微型機(jī)技術(shù)在短短20多年的時(shí)間里發(fā)展迅猛，平均每?jī)赡晷酒募啥瓤商岣咭槐?，從而使得性能提高，價(jià)格降低。平均23年產(chǎn)品就更新?lián)Q代一次，幾乎每個(gè)月都有相關(guān)周邊新產(chǎn)品出現(xiàn)。隨著Internet的普及，微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)像家用電器一樣走向千家萬戶。5. 工作站工作站也是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，性能一般介于小

21、型機(jī)和微型機(jī)之間。它往往作為獨(dú)立的機(jī)器（或聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用于一些具有特殊要求的領(lǐng)域，如電影動(dòng)畫特技制作和制造業(yè)機(jī)械CAD就廣泛使用了圖形工作站。 知識(shí)拓展：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè) 1. TPC評(píng)測(cè)體系TPC(Transaction processing Performance Council，事務(wù)處理性能委員會(huì))是由數(shù)十家會(huì)員公司創(chuàng)建的非盈利組織，總部設(shè)在美國(guó)。TPC的成員主要是計(jì)算機(jī)軟硬件廠家，而非計(jì)算機(jī)用戶，其功能是制定商務(wù)應(yīng)用基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、性能和價(jià)格度量，并管理測(cè)試結(jié)果的發(fā)布。 TPC不給出基準(zhǔn)程序的代碼，而只給出基準(zhǔn)程序的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。任何廠家或其他測(cè)試者都可以根據(jù)規(guī)范，最優(yōu)地構(gòu)造出自己的測(cè)試

22、系統(tǒng)(測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試程序)。為保證測(cè)試結(jié)果的完整性，被測(cè)試者(通常是廠家)必須提交給TPC一套完整的報(bào)告，包括被測(cè)系統(tǒng)的詳細(xì)配置、分類價(jià)格和包含5年維護(hù)費(fèi)用在內(nèi)的總價(jià)格。該報(bào)告必須由TPC授權(quán)的審核員核實(shí)。TPC在全球只有不到10名審核員，全部在美國(guó)。 2. SPEC評(píng)測(cè)體系 SPEC指標(biāo)體系由Standard Performance Evaluation Corp.制定，被引用最廣泛的指標(biāo)主要包括針對(duì)CPU性能的SPEC CPU2000和針對(duì)Web服務(wù)器的SPECweb2005等。 SPEC CPU2000 是一組針對(duì) CPU 和內(nèi)存的測(cè)試，它主要測(cè)試的對(duì)象是 CPU、內(nèi)存。SPEC CPU

23、2000 由許多源代碼程序組成，分成“整數(shù)”和“浮點(diǎn)數(shù)”兩組。SPECint2000 就是“整數(shù)”部分，而 SPECfp2000 則是“浮點(diǎn)數(shù)”部分?！罢麛?shù)”部分有 12 個(gè)程序，使用 C 或 C+ 語(yǔ)言，它們不使用CPU的浮點(diǎn)單元；而“浮點(diǎn)數(shù)”部分有 14 個(gè)程序，使用 FORTRAN 77/90 和C語(yǔ)言，這些程序的主要運(yùn)算是浮點(diǎn)數(shù)的。 SPECint2000 和 SPECfp2000 的結(jié)果，以執(zhí)行時(shí)間為準(zhǔn)。每個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間和一個(gè)參考平臺(tái)（Sun Ultra5/10 300MHz）相比，計(jì)算出其倍數(shù)。如果執(zhí)行時(shí)間和參考平臺(tái)相同，結(jié)果就是100。如果只花了一半時(shí)間完成，結(jié)果就是200。“

24、整數(shù)”的12 個(gè)程序的結(jié)果，取其平均值，得到的就是SPECint2000 的測(cè)試結(jié)果?！案↑c(diǎn)數(shù)”的 14 個(gè)程序也是一樣。SPEC web2005測(cè)試的原理是，通過多臺(tái)客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出http Get請(qǐng)求，請(qǐng)求調(diào)用Web服務(wù)器上的網(wǎng)頁(yè)文件，這些文件從數(shù)千字節(jié)到數(shù)兆字節(jié)不等。在相同的時(shí)間里，服務(wù)器回答的請(qǐng)求越多，就表明服務(wù)器對(duì)客戶端的處理能力越強(qiáng)，系統(tǒng)的Web性能就越好。1.3 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，雖然性能越來越高，適應(yīng)各種應(yīng)用的產(chǎn)品越來越豐富，但從其基本的硬件組成上講，仍然采用的是當(dāng)初馮諾依曼（Von Neumann）結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。無論是巨型機(jī)、大型機(jī)還是小型機(jī)、微型

25、機(jī)，它們主要的不同在于性能的高低，而從硬件組成上講是基本相同的。 1981年IBM公司生產(chǎn)的IBM PC Intel8088CPU,4.77MHz64KB內(nèi)存640480分別率單色顯示器5”軟驅(qū) 鍵盤DOS操作系統(tǒng)現(xiàn)代PC機(jī)Intel雙核CPU512M DDRII內(nèi)存160G 7200轉(zhuǎn)高速 SATA硬盤19”寬屏液晶顯示器10/100M集成網(wǎng)卡光電鼠標(biāo)/ 人體工學(xué)程功能鍵盤高品質(zhì)音響系統(tǒng)Windows Vista操作系統(tǒng)PC機(jī)主機(jī)板CPU插座PCI總線插槽內(nèi)存條插座顯卡插槽鍵盤鼠標(biāo)接口串行接口并行接口顯示器接口LAN接口USB接口音頻插孔電源接口硬盤、光驅(qū)接口計(jì)算機(jī)硬件組成 主板CPU顯示接

26、口內(nèi)存鍵盤接口鼠標(biāo)接口磁盤接口串行接口并行接口串行設(shè)備并行設(shè)備從功能結(jié)構(gòu)上講，計(jì)算機(jī)硬件主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口及設(shè)備三大部分組成。從設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上講，CPU、存儲(chǔ)器（目前在計(jì)算機(jī)中是以內(nèi)存條的方式出現(xiàn)）直接插在主板上，同時(shí)在主板上還集成了一些輸入輸出接口電路。顯示器作為標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備，鍵盤和鼠標(biāo)則作為標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備，分別與主板上對(duì)應(yīng)的接口相連。另外，磁盤（包括軟盤和硬盤）、光盤等從功能上講屬于計(jì)算機(jī)的輔助存儲(chǔ)器（第4章詳細(xì)介紹），但從操作系統(tǒng)的角度上講，是將它們作為輸入輸出設(shè)備進(jìn)行管理的。 另外，CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口及設(shè)備間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，因此，它們之間需要通過某種方式連接起

27、來。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，普遍采用的是一種總線連接方式，如圖1-12所示。CPU存儲(chǔ)器I/O接口I/O接口I/O設(shè)備I/O設(shè)備總線圖1-12 計(jì)算機(jī)硬件之間的總線連接1運(yùn)算器運(yùn)算器就是計(jì)算機(jī)內(nèi)用于完成各種運(yùn)算的部件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1-13所示。 運(yùn)算器中有一個(gè)核心部件算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU，它能完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。最基本的算術(shù)運(yùn)算主要包括加、減、乘、除等，邏輯運(yùn)算主要包括與、或、非、異或及移位運(yùn)算等。ALU一般有兩個(gè)輸入端，它能一次完成兩個(gè)操作數(shù)的運(yùn)算。另外在運(yùn)算器中還會(huì)設(shè)置一些通用寄存器R，用于暫時(shí)存放運(yùn)算中產(chǎn)生的中間結(jié)果。2控制器控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，它按照人們預(yù)先編好的程序進(jìn)行工作

28、，根據(jù)程序中指令的要求，有序地向計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件發(fā)出控制信號(hào)，使計(jì)算機(jī)中各個(gè)部件有條不紊地工作，從而完成指令所要求的功能?？刂破鞯幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1-14所示。在控制器中主要包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、地址生成器AG、地址寄存器AR、數(shù)據(jù)寄存器DR、時(shí)序部件CP和控制信號(hào)產(chǎn)生部件等。程序計(jì)數(shù)器PC（Program Counter）實(shí)際上是一個(gè)地址寄存器，其中存放的是下一條要執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的單元地址。 指令寄存器IR（Instruction Register）主要用于存放由PC指向的從存儲(chǔ)器中取出的指令代碼。指令寄存器一般為一個(gè)指令字長(zhǎng)，它主要由兩個(gè)字段組成，一是指令操

29、作碼OP字段，二是操作數(shù)或轉(zhuǎn)移地址Addr字段。OP字段用于指出該指令是一條什么樣的指令，如加法、移位等；Addr字段根據(jù)指令的不同功能有所不同，對(duì)于順序指令，Addr字段用于指出操作數(shù)的類型及存放的位置或地址，而對(duì)于轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子指令，Addr字段則用于指出要轉(zhuǎn)向的指令的地址。指令譯碼器ID（Instruction Decoder）用于對(duì)指令寄存器中的OP字段進(jìn)行譯碼，并將譯碼結(jié)果輸出給控制信號(hào)產(chǎn)生部件，如圖1-16所示。 地址生成器AG（Address Generator）主要用于生成操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的單元地址，從而為取該操作數(shù)做好準(zhǔn)備。地址寄存器AR（Address Register）主要有

30、兩個(gè)用途：一是用于存放由地址生成器按尋址方式進(jìn)行計(jì)算得到的操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址；二是用于存放由當(dāng)前轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)子指令產(chǎn)生的要轉(zhuǎn)向的指令的地址。 最后，所有指令的執(zhí)行都是在一定的操作控制信號(hào)的控制下完成的，操作控制信號(hào)產(chǎn)生部件就是根據(jù)指令譯碼的結(jié)果產(chǎn)生當(dāng)前指令執(zhí)行過程中所需的全部操作控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)序部件產(chǎn)生的時(shí)序下按照一定的順序逐個(gè)產(chǎn)生，從而控制不同的部件完成相應(yīng)的操作。3存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)重要的組成部件之一，主要用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。從物理上講，存儲(chǔ)器是由具有一定記憶功能的物理器件構(gòu)成的，如目前計(jì)算機(jī)內(nèi)存普遍采用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)外存采用的磁介質(zhì)存儲(chǔ)器或光存儲(chǔ)器等。這些物理器件是

31、通過自身的一些物理特性來表示和存儲(chǔ)二進(jìn)制0、1信息的。從邏輯上講，存儲(chǔ)器是由一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)單元構(gòu)成的，它也正是利用這一個(gè)個(gè)的存儲(chǔ)單元來存儲(chǔ)或記憶二進(jìn)制信息的。存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)稱為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通常用單位KB（K字節(jié)）、MB（M字節(jié)）、GB（G字節(jié)）等表示，存儲(chǔ)容量越大，表示存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)記憶的信息量越大。4輸入輸出接口與設(shè)備輸入輸出系統(tǒng)由輸入輸出設(shè)備和與設(shè)備配套的適配器（Adaptor）或接口電路組成。計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備又稱為外圍設(shè)備，它們主要完成人機(jī)間的信息交換。由于輸入輸出設(shè)備種類繁多，在處理速度、數(shù)據(jù)格式、機(jī)械及電器特性等方面差異較大，因此，CPU與輸入輸出設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換通常

32、是通過相應(yīng)輸入輸出適配器（又稱輸入輸出接口）來實(shí)現(xiàn)的。1.4 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)語(yǔ)言按照與硬件相關(guān)程度由高到低分為機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。 高級(jí)語(yǔ)言是與機(jī)器無關(guān)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用一種更接近自然的表達(dá)方式表示數(shù)據(jù)的運(yùn)算和程序的控制結(jié)構(gòu)等 匯編語(yǔ)言是一種采用助記符表示的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的指令和機(jī)器語(yǔ)言的指令在很大程度上是一一對(duì)應(yīng)的。 機(jī)器語(yǔ)言屬于硬件機(jī)器級(jí)語(yǔ)言，是一種用二進(jìn)制代碼表示的能夠被計(jì)算機(jī)硬件直接識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言。 高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分層組織結(jié)構(gòu)從一般使用者的角度來看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，而計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)其在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所起的作用又可進(jìn)一步

33、分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是指能夠?qū)τ?jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行管理，對(duì)用戶方便使用計(jì)算機(jī)硬件資源提供服務(wù)的軟件，其核心就是操作系統(tǒng)。應(yīng)用軟件則是人們使用各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為解決各種應(yīng)用問題而編制的程序。因此，從這一層面上看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自下而上可以看成是由三個(gè)層次構(gòu)成的，即：計(jì)算機(jī)硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件， 從計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的角度看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以進(jìn)一步劃分為不同的層次來實(shí)現(xiàn)其功能。這種劃分可以看成是概念上的劃分。我們可以設(shè)想計(jì)算機(jī)是按照不同的層次結(jié)構(gòu)來建造的。這里的每一個(gè)層次都實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)特定功能，并有一個(gè)特定的假想機(jī)器與之對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的每一個(gè)層次的這種假想機(jī)器稱之為虛擬機(jī)。每一層的虛擬機(jī)都執(zhí)行自己特

34、有的指令集，必要時(shí)還可以調(diào)用較低層次的虛擬機(jī)來完成各種任務(wù)。如圖1-17是一個(gè)業(yè)界普遍接受的代表不同抽象的虛擬機(jī)器的計(jì)算機(jī)組織結(jié)構(gòu)層次圖。 從功能上講，任何可以利用軟件實(shí)現(xiàn)的功能也可以利用硬件實(shí)現(xiàn)，反之，任何可以利用硬件實(shí)現(xiàn)的功能同樣也可以利用軟件實(shí)現(xiàn)，這就是所謂硬件和軟件等效原理。當(dāng)研制一臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)候，設(shè)計(jì)者必須明確軟硬件的功能劃分。隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，由硬件實(shí)現(xiàn)的功能范圍逐步擴(kuò)大，這也就使計(jì)算機(jī)的處理速度越來越快，性能越來越高。本章小結(jié)本章主要講述了以下內(nèi)容：1. 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程。從機(jī)械計(jì)算機(jī)發(fā)展到電子計(jì)算機(jī)，電子計(jì)算機(jī)按所使用電子器件劃分年代：電子管計(jì)算機(jī)、晶體

35、管計(jì)算機(jī)、中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)和大規(guī)模超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。2. 計(jì)算機(jī)的種類。按照1989年由IEEE科學(xué)巨型機(jī)委員會(huì)提出的運(yùn)算速度分類法，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微型計(jì)算機(jī)。3. 計(jì)算機(jī)的硬件組成。主要包括中央處理器CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出系統(tǒng)，CPU主要由運(yùn)算器和控制器組成，這也是馮諾依曼提出的計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)。4. 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。由低到高分為機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。5. 計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)。從計(jì)算機(jī)的基本硬件開始分為數(shù)字邏輯層、控制層、機(jī)器層、系統(tǒng)軟件層、匯編語(yǔ)言層、高級(jí)語(yǔ)言層和用戶層。優(yōu)點(diǎn)配置數(shù)據(jù)源負(fù)責(zé)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。創(chuàng)建SessionFactory實(shí)例完

36、成實(shí)體映射。聲明事務(wù)管理聲明式事務(wù)管理，配置Bean的方法的事務(wù)處理策略。123前端UI設(shè)計(jì)UI功能設(shè)計(jì)后端類及接口設(shè)計(jì)后端類及接口實(shí)現(xiàn)前端功能實(shí)現(xiàn)循環(huán)圖文本文本文本文本文本循環(huán)名稱添加文本流程圖階段 1階段 2階段 3表文本文本文本文本文本標(biāo)題 A標(biāo)題 B標(biāo)題 C標(biāo)題 D標(biāo)題 E標(biāo)題 F三維餅圖文本文本文本文本文本文本市場(chǎng)分析圖標(biāo)題文本文本文本文本第2章 數(shù)據(jù)的機(jī)器級(jí)表示及運(yùn)算本章結(jié)構(gòu)12.1 數(shù)制及轉(zhuǎn)換22.2 數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)器表示32.3 非數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)器表示52.5 浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算42.4 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算及實(shí)現(xiàn)62.6 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼2.1 數(shù)制及轉(zhuǎn)換進(jìn)位計(jì)數(shù)制 ：將數(shù)字符號(hào)按序排列成數(shù)位，并遵

37、照某種由低位到高位的進(jìn)位方式計(jì)數(shù)來表示數(shù)值的方法，稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱計(jì)數(shù)制。無論使用哪種進(jìn)位計(jì)數(shù)制，數(shù)值的表示都包含兩個(gè)基本要素：基數(shù)和位權(quán)。一種進(jìn)位計(jì)數(shù)制允許使用的基本數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)稱為這種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的基數(shù)。一般而言，K進(jìn)制數(shù)的基數(shù)為K，可供選用的基本數(shù)字符號(hào)有K個(gè)，它們分別為0K-1，每個(gè)數(shù)位計(jì)滿K就向其高位進(jìn)1，即“逢K進(jìn)1”。進(jìn)位計(jì)數(shù)制中每位數(shù)字符號(hào)所表示的數(shù)值，等于該數(shù)字符號(hào)值乘以一個(gè)與數(shù)字符號(hào)所處位置有關(guān)的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就稱為位權(quán)，簡(jiǎn)稱權(quán)。位權(quán)的大小是以基數(shù)為底、數(shù)字符號(hào)所處位置的序號(hào)為指數(shù)的整數(shù)次冪。各數(shù)字符號(hào)所處位置的序號(hào)計(jì)法為：以小數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)，整數(shù)部分自右向左依次為0、1、

38、 遞增，小數(shù)部分自左向右依次為-1、-2、 遞減。任何進(jìn)制數(shù)的值都可以表示成該進(jìn)制數(shù)中各位數(shù)字符號(hào)值與相應(yīng)位權(quán)乘積的累加和形式，該形式稱為按權(quán)展開的多項(xiàng)式和。一個(gè)K進(jìn)制數(shù)(N)K，用按權(quán)展開的多項(xiàng)式和形式可表示為：(N)KDmKm +Dm-1Km-1 + +D1K1 +D0K0+D-1K-1 +D-2K-2 + +D-nK-n 二進(jìn)制數(shù) ：二進(jìn)制的基數(shù)為2，只有0和1兩個(gè)數(shù)字符號(hào)，計(jì)數(shù)“逢二進(jìn)一”。用按權(quán)展開的多項(xiàng)式和形式可表示為： (N)2Dm2m +Dm-12m-1 + +D121 +D020+D-12-1 +D-22-2 + +D-n2-n 計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示，具有以下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)容

39、易實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單。與邏輯量吻合。 十六進(jìn)制數(shù)：十六進(jìn)制的基數(shù)為16，由09、AF共16個(gè)數(shù)字、字母符號(hào)組成。其中，09共10個(gè)數(shù)字符號(hào)含義與十進(jìn)制數(shù)相同，AF共6個(gè)字母符號(hào)的值分別對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的1015，計(jì)數(shù)“逢十六進(jìn)一”。用按權(quán)展開的多項(xiàng)式和形式可表示為： (N)16Dm16m +Dm-116m-1 + +D1161 +D0160+D-116-1 +D-216-2 + +D-n16-n 八進(jìn)制數(shù)：八進(jìn)制的基數(shù)為8，由07共8個(gè)數(shù)字組成，計(jì)數(shù)“逢八進(jìn)一”。用按權(quán)展開的多項(xiàng)式和形式可表示為： (N)8Dm8m +Dm-18m-1 + +D181 +D080+D-18-1 +D-28-2 +

40、+D-n8-n 數(shù)制的轉(zhuǎn)換1. 二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)“加權(quán)求和法”具體方法為：將要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)表示成按權(quán)展開的多項(xiàng)式和的形式，然后逐項(xiàng)相加，所得的和值便是對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。2. 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分采用“除2取余”法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體方法為：將要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制整數(shù)除以二進(jìn)制的基數(shù)2，取商的余數(shù)作為二進(jìn)制整數(shù)最低位的系數(shù)K0，繼續(xù)將商的整數(shù)部分除以2，再取商的余數(shù)作為二進(jìn)制整數(shù)次低位的系數(shù)K1，這樣依次相除，直至商為0為止，最后一位余數(shù)作為二進(jìn)制整數(shù)最高位的系數(shù)Kn。余數(shù)序列KnKn-1K1K0便構(gòu)成了對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。第二代：晶體管計(jì)算機(jī) 2. 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)

41、換成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制的小數(shù)部分采用“乘2取整法”進(jìn)行轉(zhuǎn)換。具體方法為：將要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)部分乘以二進(jìn)制的基數(shù)2，取積的整數(shù)部分作為二進(jìn)制小數(shù)的最高位的系數(shù)K-1，繼續(xù)將積的小數(shù)部分乘以2，再取積的整數(shù)部分作為二進(jìn)制小數(shù)次高位的系數(shù)K-2，這樣依次相乘，直至積的小數(shù)部分為0或達(dá)到所需精度為止，最后一位積的整數(shù)部分作為二進(jìn)制小數(shù)最低位的系數(shù)K-m。積的整數(shù)部分序列0.K-1 K-2K-m+1K-m便構(gòu)成了對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。 3. 二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)存在著簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，每1位十六進(jìn)制數(shù)正好對(duì)應(yīng)4位二進(jìn)制數(shù)。以小數(shù)點(diǎn)為界，整數(shù)部分向左、小數(shù)部分向右分成4位一組，各組分別

42、用對(duì)應(yīng)的一位十六進(jìn)制數(shù)表示，即可得到所求的十六進(jìn)制數(shù)。兩頭的分組不足4位時(shí)，在小數(shù)點(diǎn)左邊的高位和小數(shù)點(diǎn)右邊的低位可用0補(bǔ)足。 2.2 數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)器表示所謂數(shù)據(jù)的機(jī)器數(shù)表示是指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接表示、存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)形式。數(shù)值數(shù)據(jù)是一種帶符號(hào)數(shù)，即有正負(fù)之分。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的符號(hào)（+或-）和數(shù)的值一樣都要采用二進(jìn)制0、1編碼。對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼表示常用的有原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼表示等。為了區(qū)分一般書寫時(shí)表示的數(shù)和機(jī)器中編碼表示的數(shù)，我們稱前者為真值，后者為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)包含兩部分：符號(hào)位和數(shù)值部分。1. 原碼表示法具體表示方法是：符號(hào)位表示該數(shù)的符號(hào)，正（+）用“0”表示，負(fù)（-）用“1”表示，

43、而數(shù)值部分保持與其真值相同。 純小數(shù)的原碼表示：設(shè)純小數(shù)的原碼形式為0.12 n，則原碼表示的定義為：原 10 1-1+| 0-1純整數(shù)的原碼表示：設(shè)純整數(shù)的原碼形式為012 n，則原碼表示的定義為：原 2n0 2n-2n +| 0-2n原碼表示法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀、簡(jiǎn)單易懂，但它的最大缺點(diǎn)是加法運(yùn)算復(fù)雜。這是因?yàn)椋?dāng)兩數(shù)相加時(shí)，如果是同號(hào)則數(shù)值相加；如果是異號(hào)，則要進(jìn)行減法。而在進(jìn)行減法運(yùn)算時(shí)，還要比較絕對(duì)值的大小，然后減去小數(shù)，最后還要給結(jié)果選擇恰當(dāng)?shù)姆?hào)。顯然，利用原碼作加減法運(yùn)算是不太方便的。另外，原碼的零是不唯一的。 2. 補(bǔ)碼表示法補(bǔ)碼表示法是計(jì)算機(jī)中實(shí)際采用的一種編碼方法，與原碼表

44、示相同的是，其符號(hào)位表示該數(shù)的符號(hào)，正（+）用“0”表示，負(fù)（-）用“1”表示，但數(shù)值部分有所不同。純小數(shù)的補(bǔ)碼表示：設(shè)純小數(shù)的原碼形式為0.12 n，則補(bǔ)碼表示的定義為：補(bǔ) 10 2+2-| 0-1純整數(shù)的補(bǔ)碼表示：設(shè)純整數(shù)的原碼形式為012 n，則補(bǔ)碼表示的定義為：補(bǔ) 2n0 2n+1 +2n+1-| 0-2n補(bǔ)碼有兩條重要的性質(zhì)：補(bǔ)碼的零是唯一的。補(bǔ)碼的減法可以化為加法實(shí)現(xiàn)，即： X+Y補(bǔ)X補(bǔ)+Y補(bǔ) X-Y補(bǔ)X補(bǔ)+-Y補(bǔ)反碼表示法中，符號(hào)的表示法與原碼相同；而對(duì)于數(shù)值部分，正數(shù)的反碼與正數(shù)的原碼數(shù)值部分相同，負(fù)數(shù)的數(shù)值部分則通過將負(fù)數(shù)原碼的數(shù)值部分各位取反（0變1，1變0）得到。 3.

45、反碼表示法純小數(shù)的反碼表示：設(shè)純小數(shù)的原碼形式為0.12 n，則反碼表示的定義為：反 10 2-2-n +2-| 0-1純整數(shù)的補(bǔ)碼表示：設(shè)純整數(shù)的原碼形式為012 n，則補(bǔ)碼表示的定義為：反 2n0 2n+1-1+ 0-2n通過比較小數(shù)與整數(shù)的反碼與補(bǔ)碼的公式可得到：補(bǔ)反+2-n （0 x-1）補(bǔ)反+1 （0 x-2-n）這兩個(gè)公式告訴我們，若要將一個(gè)負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示，其方法是：符號(hào)位置1，數(shù)值部分各位變反，末位加1。4. 移碼表示法移碼主要用于表示我們后面要講到的浮點(diǎn)數(shù)的階碼，而且通常表示的是純整數(shù)。對(duì)于純整數(shù)012 n，移碼表示的定義是： 移2n+x （2nx-2-n） 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù) 我

46、們?nèi)粘１硎镜臄?shù)據(jù)類型主要有兩種：一是一般的數(shù)據(jù)表示形式，如125、98.6等；二是科學(xué)記數(shù)法表示的數(shù)據(jù)形式，如1.25108等。這兩種數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)在計(jì)算機(jī)中的表示形式就是定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)。1. 定點(diǎn)數(shù)的表示方法所謂定點(diǎn)數(shù)是指數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置是固定不變的。在計(jì)算機(jī)中，定點(diǎn)數(shù)主要分為兩種：一是定點(diǎn)整數(shù)，即純整數(shù)；二是定點(diǎn)小數(shù)，即純小數(shù)。假設(shè)用一個(gè)n+1位二進(jìn)制來表示一個(gè)定點(diǎn)數(shù)x，其中一位0用來表示數(shù)的符號(hào)位，其余n位數(shù)代表它的數(shù)值。這樣，對(duì)于任意定點(diǎn)數(shù)012 n，其在機(jī)器中的定點(diǎn)數(shù)表示如下： 符號(hào)01 2 . . . n 數(shù)值如果數(shù)x表示的是純小數(shù)，那么小數(shù)點(diǎn)位于0和1之間，其數(shù)值范圍為：01-2-

47、n如果數(shù)x表示的是純整數(shù)，那么小數(shù)點(diǎn)位于最低位n 的右邊，其數(shù)值范圍為：02n+1-12. 浮點(diǎn)數(shù)的表示方法在浮點(diǎn)數(shù)表示中，數(shù)據(jù)被分為兩部分：尾數(shù)和階碼。尾數(shù)表示數(shù)的有效數(shù)位，階碼則表示小數(shù)點(diǎn)的位置。加上符號(hào)位，浮點(diǎn)數(shù)據(jù)可以表示為：N(-1)SMRE 其中M是浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)，R是基數(shù)，E是階碼，S是浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)位。在計(jì)算機(jī)中表示為： 數(shù)符尾數(shù)階碼階符E0E1 E2 . . . Em SM1 M2 . . . Mn 在計(jì)算機(jī)中，基數(shù)R取2，是個(gè)常數(shù)，在系統(tǒng)中是約定的，不需要表示出來；階碼E用定點(diǎn)整數(shù)表示，它的位數(shù)越長(zhǎng)，浮點(diǎn)數(shù)所能表示的數(shù)的范圍越大；尾數(shù)M用定點(diǎn)小數(shù)表示，它的位數(shù)越長(zhǎng)，浮點(diǎn)數(shù)所能表示

48、的數(shù)的精度越高。3. 浮點(diǎn)數(shù)的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)從邏輯上采用三元組S,E,M表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)N SEMN的實(shí)際值n由下列式子表示： n(-1)sm2e 其中n、s、e、m分別為N、S、E、M對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值。IEEE754標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種浮點(diǎn)數(shù)格式：?jiǎn)尉入p精度擴(kuò)展精度。 單精度浮點(diǎn)數(shù)N共32位，其中S占1位，E占8位，M占23位。 22 030 2331SEM雙精度浮點(diǎn)數(shù)N共64位，其中S占1位，E占11位，M占52位。 51 062 5263SEM2.3 非數(shù)值數(shù)據(jù)的機(jī)器表示二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù) 字符編碼 漢字的表示方法 1. 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù) 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)除了能將我們?nèi)粘Ｉ?/p>

49、活中的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為上述二進(jìn)制形式表示和處理外，還能直接使用二進(jìn)制編碼的方式表示十進(jìn)制數(shù)位，常用的表示方法就是二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)（Binary-Coded Decimal），簡(jiǎn)稱BCD碼。BCD碼是將一個(gè)十進(jìn)制數(shù)的每個(gè)十進(jìn)制數(shù)字編碼成一個(gè)4位的二進(jìn)制數(shù)，并且使用了3個(gè)4位二進(jìn)制編碼表示符號(hào)，其中1111表示無符號(hào)數(shù)，1100表示正數(shù)，而1101則表示負(fù)數(shù)。 十進(jìn)制數(shù)字BCD編碼01234567890000000100100011010001010110011110001001正數(shù)負(fù)數(shù)無符號(hào)數(shù)110011011111因?yàn)橐粋€(gè)十進(jìn)制數(shù)字的BCD編碼只占一個(gè)4位的空間，所以在存儲(chǔ)一個(gè)十進(jìn)制數(shù)串時(shí)可

50、以采取一種稱為壓縮十進(jìn)制數(shù)串形式表示，具體方法：十進(jìn)制數(shù)串的每個(gè)數(shù)字的BCD碼連續(xù)存儲(chǔ)，最后4位存儲(chǔ)符號(hào)。 【例2.12】利用壓縮的BCD編碼存儲(chǔ)-1265。 解：-1265的BCD編碼為：0001 0010 0110 0101 使用三個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，其中在最低位數(shù)字后面加上符 號(hào)，在高位補(bǔ)0，則有：0000 00010010 01100101 11012. 字符編碼 EBCDIC碼 ASCII碼 統(tǒng)一字符編碼標(biāo)準(zhǔn) Unicode 2.4 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算及實(shí)現(xiàn) 定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算 定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算定點(diǎn)數(shù)的除法運(yùn)算1. 定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算 在機(jī)器中，定點(diǎn)數(shù)是以補(bǔ)碼形式表示的，因此，我們這里主要介紹補(bǔ)碼的加

51、減運(yùn)算。 補(bǔ)碼的加法運(yùn)算 根據(jù)補(bǔ)碼的性質(zhì)，我們可以得出以下結(jié)論：用補(bǔ)碼表示的兩個(gè)數(shù)相加，其結(jié)果仍為補(bǔ)碼；+ y 補(bǔ)補(bǔ)+ y 補(bǔ)；符號(hào)位與數(shù)值位一同參加運(yùn)算。舉例補(bǔ)碼的減法運(yùn)算根據(jù)補(bǔ)碼的性質(zhì)，我們還可以得出以下結(jié)論：用補(bǔ)碼表示的兩個(gè)數(shù)相減，其結(jié)果仍為補(bǔ)碼；- y 補(bǔ)補(bǔ)+ -y 補(bǔ)；符號(hào)位與數(shù)值位一同參加運(yùn)算。舉例補(bǔ)碼的減法運(yùn)算可以轉(zhuǎn)換為加法實(shí)現(xiàn)，所以計(jì)算時(shí)可以先求出-y的補(bǔ)碼，再做加法運(yùn)算，這樣在機(jī)器中實(shí)現(xiàn)時(shí)，只需一個(gè)加法器即可完成加、減法運(yùn)算，這也是計(jì)算機(jī)中使用補(bǔ)碼表示的主要原因之一。 二進(jìn)制補(bǔ)碼加法器的實(shí)現(xiàn) 加法器的基本電路是實(shí)現(xiàn)一位加的全加器。全加器的輸入有三個(gè)：兩個(gè)相加數(shù)xi、yi和一個(gè)

52、低位來的進(jìn)位位Ci+1；輸出有兩個(gè)：本位和zi和向高位的進(jìn)位位Ci。 圖2-2 全加器經(jīng)邏輯設(shè)計(jì)化簡(jiǎn)，可得如下輸入輸出關(guān)系式： zixiyiCi+1Cixiyi+(xi+yi)Ci+1 構(gòu)成一個(gè)多位的加法器可以將上述一位的全加器電路串聯(lián)起來，將最低位的進(jìn)位輸入端置0，其余位的進(jìn)位輸入端連接到低一位全加器的進(jìn)位輸出端。低位的進(jìn)位輸出像波的傳播一樣傳遞到高位，這樣的加法器電路稱為行波進(jìn)位加法器，或串行進(jìn)位加法器。 能同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)碼加、減法的加法器如圖所示。 0101010101-C1C2Ci+1Cnx0 x1xixn-1xnFa0MUXMUXMUXMUXMUXy0y1yiyn-1ynFa1FaiFa

53、n-1FanCn+1+寄存器B寄存器A行波進(jìn)位加法器邏輯關(guān)系清晰，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但由于其進(jìn)位位是由低到高一位一位串行生成，因此，電路延遲時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)算速度慢。一種改進(jìn)的方法是采用先行進(jìn)位法，具體做法是：將n位相加的二進(jìn)制位進(jìn)行分組，每若干位分成一組，組內(nèi)所有位的進(jìn)位位同時(shí)生成，組間則仍然是串行進(jìn)位。通過這種多級(jí)分組的方法，可以大大提高加法器的運(yùn)算速度。 十進(jìn)制加法器的實(shí)現(xiàn) 二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)可以直接運(yùn)算。但要注意的是，其運(yùn)算結(jié)果需要進(jìn)行修正。具體修正規(guī)則是：如果兩個(gè)一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2，即十進(jìn)制9，則不需要修正；如相加之和大于(1001)2，則需要進(jìn)行加6修正，并向高位

54、進(jìn)位。 十進(jìn)制加法器可在二進(jìn)制加法器的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)摹靶Ｕ边壿媮韺?shí)現(xiàn)，如圖是實(shí)現(xiàn)一位十進(jìn)制BCD碼加法的單元電路。 加減運(yùn)算的溢出判別 我們先來看兩個(gè)補(bǔ)碼運(yùn)算的例子。 【例2.18】設(shè)0.1101，y0.0110，則有： + y 補(bǔ)補(bǔ)+ y 補(bǔ)0.1101補(bǔ)+0.0110補(bǔ)0.1101+0.01101.0011兩個(gè)正數(shù)相加結(jié)果怎么變成了負(fù)數(shù)？ 【例2.19】設(shè)-0.1011，y-0.1001，則有： + y 補(bǔ)補(bǔ)+ y 補(bǔ)-0.1011補(bǔ)+-0.1001補(bǔ)1.0101+1.01110.1100兩個(gè)負(fù)數(shù)相加結(jié)果怎么變成了正數(shù)？ 其實(shí)，在計(jì)算機(jī)中，任何種類的數(shù)據(jù)表示由于受到計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制，其

55、表示的數(shù)據(jù)都是有一定范圍的。例如，8位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的純整數(shù)的范圍是-128+127（即1000000001111111）；16位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的純整數(shù)的范圍是-4096+4095（即10000000000000000111111111111111）。 如果運(yùn)算結(jié)果超出了表示范圍，則稱為產(chǎn)生了溢出。其中，若運(yùn)算結(jié)果比最大的正數(shù)還大，則為正溢出；若運(yùn)算結(jié)果比最小的負(fù)數(shù)還小，則為負(fù)溢出。 下面介紹三種溢出的判別方法。 （1）符號(hào)位判別法當(dāng)符號(hào)相同的兩個(gè)數(shù)相加時(shí)，如果結(jié)果的符號(hào)與相加數(shù)的符號(hào)不同，則為溢出。溢出表達(dá)式：Vx0 y0 z0 +x0 y0 z0其中 x0、y0分別為兩個(gè)相加數(shù)的符號(hào)位，z

56、0為運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)位，若V1，則說明產(chǎn)生了溢出；若V0，則無溢出。（2）進(jìn)位位判別法當(dāng)兩個(gè)補(bǔ)碼相加時(shí)，如果符號(hào)位和數(shù)值部分最高位的進(jìn)位位C0、C1不同，則為溢出，相同則未溢出。溢出表達(dá)式為：VC0C1其中C0、C1分別為結(jié)果的符號(hào)位和數(shù)值部分最高位的進(jìn)位位 。（3）雙符號(hào)位法 兩個(gè)相加數(shù)均使用兩位符號(hào)位，00表示正數(shù)，11表示負(fù)數(shù)。 當(dāng)兩個(gè)正數(shù)相加時(shí)，若結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位相同，則無溢出；若不同，則有溢出，且為01時(shí)是正溢出，為10時(shí)是負(fù)溢出。溢出表達(dá)式為：Vz0z0 其中z0、z0為運(yùn)算結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位。若V1，則說明產(chǎn)生了溢出；若V0，則無溢出。 進(jìn)位位判別法和雙符號(hào)位判別法的邏輯實(shí)現(xiàn)分別如下

57、圖示。2. 定點(diǎn)數(shù)的乘法運(yùn)算 分別介紹：原碼一位乘法補(bǔ)碼一位乘法原碼一位乘法原碼乘法是將符號(hào)位與數(shù)值部分分開進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果的數(shù)值部分是兩相乘數(shù)的數(shù)值部分之積，而符號(hào)位則是兩相乘數(shù)的符號(hào)位的異或。設(shè)原x0 x1 x2 xn， y 原y0 y1 y2 yn，則xy原(x0y0)|(x1 x2 xn)(y1 y2 yn) 先考察一下手工完成二進(jìn)制乘的方法和步驟,見教材例2.20. 在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算時(shí)，必須對(duì)手工過程進(jìn)行如下調(diào)整：（1）硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)需要使用三個(gè)寄存器分別存放乘數(shù)、被乘數(shù)和部分積。（2）機(jī)器中的運(yùn)算器一般一次只能完成兩個(gè)數(shù)的相加，手工一次性相加可以改為逐次加。每次得到一個(gè)部分積，

58、最后一次的部分積即為乘積。（3）手工計(jì)算時(shí)，每次得到的位積都相對(duì)上一次位積左移一位，在計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以每次將部分積右移一位，部分積的最低位直送即可。（4）部分積右移時(shí)，將乘數(shù)寄存器同時(shí)右移一位，這樣一方面可以每次根據(jù)乘數(shù)寄存器的值決定本次位積的值（若最低位為1，則本次位積為被乘數(shù)；若最低位為0，則本次位積為0）；另一方面，乘數(shù)寄存器的最高位每次可以接受部分積右移出來的一位。（5）運(yùn)算完成后，部分積寄存器和乘數(shù)寄存器中分別存放的是最后乘積的高半部和低半部。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)原碼一位乘的過程見例2.21。 實(shí)現(xiàn)原碼一位乘的邏輯電路原理框圖 補(bǔ)碼一位乘法與原碼一位乘不同的是，補(bǔ)碼一位乘的兩個(gè)乘數(shù)和被乘數(shù)的

59、符號(hào)位是直接參加運(yùn)算的。下面我們介紹一種布斯乘法，該算法是由布斯（Booth）最早提出的，故以其名字命名。布斯一位乘法的運(yùn)算步驟如下：（1）初始部分積為0（2）根據(jù)乘數(shù)寄存器的最低兩位決定：若為00或11，則將上次部分積直接右移一位；若為01，則將上此部分積加補(bǔ)，然后右移一位；若為10，則將上此部分積加-補(bǔ)，然后右移一位。得到新部分積。（3）如此重復(fù)n+1步，最后一步不移位。3. 定點(diǎn)數(shù)的除法運(yùn)算分別介紹：原碼一位除法補(bǔ)碼一位除法原碼一位除法原碼除法是將符號(hào)位與數(shù)值部分分開進(jìn)行運(yùn)算，商的數(shù)值部分是兩相除數(shù)的數(shù)值部分相除之后的結(jié)果，而商的符號(hào)位則是兩相除數(shù)的符號(hào)位的異或。設(shè)原x0 x1 x2 x

60、n， y 原y0 y1 y2 yn，則x/y原(x0y0)|(x1 x2 xn)/(y1 y2 yn) 先考察一下手工完成二進(jìn)制除的方法和步驟，見教材例2.23。 在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)原碼一位除需要對(duì)手工過程做如下的改進(jìn)。（1）硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)需要使用三個(gè)寄存器分別存放被除數(shù)（余數(shù)）、除數(shù)和商。（2）為使加法器的位數(shù)不增加，可以將手工中的右移除數(shù)改為左移余數(shù)，左移出去的余數(shù)的高位都是無用的0，對(duì)運(yùn)算不會(huì)產(chǎn)生任何影響。（3）手工中的商0或1是通過計(jì)算者用觀察比較的辦法確定的，而在計(jì)算機(jī)中，只能用做減法后判斷結(jié)果的符號(hào)位來確定。當(dāng)差為負(fù)時(shí)，則商0，同時(shí)還應(yīng)把除數(shù)加回到差上去，恢復(fù)余數(shù)為原來的正值之后再將其左移