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 十进制 bn-1bn-2 b0=

2、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：1/21/4 1/81/160.5 0.25 0.125 0.06251101.1001(二进制)=1X

3、8+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 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

4、.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

5、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.

6、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

7、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 4.0GBK 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

8、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=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 7

9、54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)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，

10、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，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=2000000101.01110100000

11、000000000000 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-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

12、(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，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

13、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.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：20.593751010

14、0.10011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 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

15、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 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

16、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 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 111100078D和-120D的反码：78D反=0 1001110-120D反=1 000011178D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-

17、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+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

18、 29 180 209例：有符号二进制数 X补=00011101 Y补=10110100 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)

19、可以标记进位或借位。如：X=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：将原符号位扩充

20、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。基本逻辑关系“与”(

21、)“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 一位加法器 A+B CS,34,2.2 逻辑电路加法器,全加器 A B+C

22、i 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

23、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

24、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,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

25、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

26、,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=00000001 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

27、 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 A

28、X,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)精简指

29、令系统计算机CSIC的特点 指令系统多达几百条指令，具有多种复杂的寻址方式；由于复杂指令操作，可能降低系统的执行速度；“20-80律”RISC的特点 只选择使用频度高的指令，指令数目一般不超过100条。寻址方式种类少，一般不超过2种，指令格式力求一致。所有或绝大多数指令在单个机器周期内完成。增加通用寄存器数目，一般不少于32个。减少访问内存。,50,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,作为一个例子，说明Intel x86 CPU指令 ADD AX,3000H 的执行过程。指令的机器指令(03060030H)存放在存储器的指定单元，执行该指令前，CPU的程序计数器PC存放着该存储器单元

30、的地址。机器指令中0306为操作码及其寻址方式定义，0030为源操作数地址。(AX)+(3000H)(AX),51,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,步骤1取指令,地址存储器,存储器机器指令,存储器读命令存储器,更新PC的值，指向下一条指令,52,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,步骤2指令译码,(AX)累加器,53,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,步骤3取数据,数据暂存器,数据地址存储器,存储器读命令存储器,54,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,步骤4执行 ADD,标志,和,55,2.3 计算机的硬件组成CPU的工作过程举例,步骤5存数据,

31、和寄存器,56,本章总结,二进制二进制的概念、二进制/十进制转换（包括小数）ASCII码、汉字编码（GB、GBK、UNICODE、ISO-10646）浮点数、有符号数及其运算、逻辑电路基本逻辑单元、简单逻辑关系（表达式、真值表、电路图）加法器触发器、计数器、寄存器计算机硬件组成冯诺依曼体系结构CPU指令系统（CISC、RISC）CUP组成、CPU工作过程,57,本章作业,二进制数10110110和01110110分别为原码、反码和补码表示的十进制数是多少？将251.508转换成二进制小数。说明汉字编码标准GB2312-80、GBK、ISO-10646及其之间的关系。怎样根据运算数和结果的符号状态判断补码的运算溢出？画出表达式 X=AB+AC的电路图，求出真值表。求出电路的逻辑表达式。,