计算机组成与系统结构

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1 计算机组成与系统结构 陈泽宇 主编

2 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 上海交通大学 目 第章 录 计算机系统概论...8. 计算机的分类 发展与应用 计算机的分类 计算机的发展概况 计算机的应用....2 计算机的基本组成 计算机硬件 计算机软件 计算机固件 计算机系统的概念 计算机系统的层次结构 计算机系统的 3 个术语 计算机体系结构的分类...8 第2章 运算方法和运算器...2 2

3 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 2. 数据表示基础 进制数及其转换 数的机器码表示 数值数据的表示 定点数的表示 浮点数的表示 非数值数据的表示 字符与字符串的表示 汉字的表示 定点运算和定点运算器 定点运算 定点运算器 浮点运算和浮点运算器 浮点运算 浮点运算流水线 浮点运算器实例...37 第3章 存储系统 存储器概述 基本概念 存储器的分类 存储器的分级结构 半导体存储器芯片 主存储器 主存储器的技术指标 主存储器的基本组成 主存储器的扩展 高速存储器 双端口存储器 多模块交叉存储器 相联存储器 高速缓冲存储器 CACHE

4 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 3.4. Cache 基本原理 地址映射 替换策略 写操作策略 虚拟存储器 虚拟存储器基本原理 页式虚拟存储器 段式虚拟存储器 段页式虚拟存储器 替换算法...57 第4章 指令系统 指令系统概述 指令系统的发展 指令系统的性能要求 指令格式 操作码 地址码 指令字长度 指令助记符 指令分类 数据传送指令 算术运算指令 逻辑运算指令 程序控制指令 输入输出指令 字符串处理指令 系统控制指令 寻址方式 指令寻址方式 操作数寻址方式 堆栈寻址方式

5 计算机组成与系统结构 第5章 陈泽宇主编 中央处理器 CPU CPU 的功能和组成 CPU 的基本功能 CPU 的基本组成 CPU 中的主要寄存器 操作控制器和时序发生器 CPU 的工作过程 指令的执行过程 指令周期 时序发生器 控制方式 操作控制器 组合逻辑控制器 微程序控制器 组合逻辑控制器与微程序控制器的比较 流水线技术 并行处理技术概述 流水线技术 流水线的分类 流水计算机的组成 流水计算机的时空图 指令的相关性 CPU 新技术 上 SIMD 技术 RISC 技术 超线程/多核技术 CPU 新技术 下 动态执行技术 多重指令启动技术 低功耗管理技术...88 第6章 总线系统

6 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 6. 总线系统概述 总线的基本概念 总线的内部结构 总线接口 总线的连接方式 总线的控制与通信 总线的控制 总线的通信 信息传送方式 总线系统实例 ISA 总线 PCI 总线 AGP 总线 PCI Express 总线...00 第7章 输入输出 I/O 系统 输入输出控制方式 程序中断方式 中断的基本概念 单级中断与多级中断 中断控制器 DMA 方式 DMA 基本概念 DMA 数据传送过程 选择型和多路型 DMA 控制器 通道方式 通道的功能 通道的工作过程 通道的类型 通用 I/O 接口 RS-232 接口 IDE 接口

7 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 SATA 接口 USB 接口 SCSI 接口 IEEE-394 接口... 第8章 并行计算机系统 并行性的概念 并行性分类 提高并行性的技术途径 并行性的发展 并行计算机系统 向量处理机 阵列处理机 多处理机系统 机群系统 网格计算 云计算...7 7

8 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 第章 计算机系统概论. 计算机的分类 发展与应用 电子数字计算机 Electronic Digital Computer 通常简称为计算机 Computer 是按照一系列指 令来对数据进行处理的机器 是一种能够接收信息 存储信息 并按照存储在其内部的程序对输入的信息 进行加工 处理 得到人们所期望的结果 并把处理结果输出的高度自动化的电子设备 计算机的发明和发展是 20 世纪人类最伟大的科学技术成就之一 也是现代科学技术发展水平的重要 标志 计算机拥有众多的物理形态 早期的计算机足有一间房间大小 而如今的计算机可以小到装入手表 用手表电池驱动 个人计算机 Personal Computer PC 和便携计算机 Portable Computer 又称膝上型计 算机 Laptop Computer 已经成为信息时代的标志 它们是大多数人所认为的 计算机 但是 到目前为 止 使用最为广泛的计算机形态却是嵌入式计算机 Embedded Computer 嵌入式计算机较为小型 简单 通常用来控制其他设备 可以出现在各种机器中 从战斗机到工业机器人 从数码相机到儿童玩具 根据 Church Turing 理论 任何一台具有最基本功能的计算机 原则上都能够执行任何其他计算机可 以执行的任务 因此 只要不考虑时间和存储容量 性能和复杂度均相差甚远的各种计算机 从个人数字 助理 Personal Digital Assistant PDA 到超级计算机 Supercomputer 都能够执行相同的运算任务 图 - 为 美 国 SGI 公 司 Silicon Graphics, Inc. 为 NASA National Aeronautics and Space Administration 美 国 国 家 航 空 和 宇 宙 航 行 局 制 造 的 Columbia 超 级 计 算 机 图 -2 为 在 GNUX GNU+Linux 操作系统下运行视频会议软件的手表计算机 图 - NASA Columbia 超级计算机 8

9 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 图 -2 手表计算机.. 计算机的分类 计算机分类 根据计算机的效率 速度 价格 运行的经济性和适应性来划分 计算机可分为通用计算机和专用计算 机两大类 通用计算机功能齐全 通用性强 适应面广 可完成各种各样的工作 但是牺牲了效率 速度和经济 性 专用计算机是专为某些特定问题而设计的功能单一的计算机 一般说来其结构要比通用计算机来得简 单 具有可靠性高 速度快 成本低的优点 是最有效 最经济和最快速的计算机 但是其适应性很差 2 通用计算机分类 通用计算机又可分为超级计算机 Supercomputer 大型机 Mainframe 服务器 Server 工作站 Workstation 微型机 Microcomputer 和单片机 Single-Chip Computer 6 类 它们的区别在于体积 复杂度 功耗 性能指标 数据存储容量 指令系统规模和价格 如图 -3 所示 低 复杂度 功耗 性能指标 单片机 微型机 体积 小 数据存储容量 指令系统规模 价格 工作站 服务器 大型机 超级计算机 高 大 图 -3 通用计算机的分类 一般而言 超级计算机主要用于科学计算 其运算速度远远超过其他计算机 数据存储容量很大 结 构复杂 价格昂贵 单片机是只用单片集成电路 Integrated Circuit IC 做成的计算机 体积小 结构简 单 性能指标较低 价格便宜 介于超级计算机和单片机之间的是大型机 服务器 工作站和微型机 它们 的结构规模和性能指标依次递减 但是 随着超大规模集成电路的迅速发展 微型机 工作站 服务器彼此 之间的界限也在发生变化 今天的工作站有可能是明天的微型机 而今天的微型机也可能是明天的单片机 9

10 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编..2 计算机的发展概况 最初 Computer 一词指的是从事数值运算的人 他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运 算工作 随着时代的演变和技术的进步 Computer 一词现在专指计算机 即电子数字计算机 第一台通用电子数字计算机 一 般 认 为 世 界 上 第 一 台 通 用 电 子 数 字 计 算 机 是 946 年 在 美 国 宾 夕 法 尼 亚 大 学 问 世 的 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer 电子数字积分计算机 如图 -4 所示 这台机器 用了 8000 多个电子管 占地 70 平方米 总重量达 30 吨 耗电 40 千瓦 每秒能做 5000 次加减运算 从 今天的眼光来看 这台计算机耗费巨大又不完善 但它却是科学史上一次划时代的创新 奠定了现代电子 数字计算机的基础 图 -4 世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC 最初 ENIAC 的结构设计不够灵活 每一次重新编程都必须重新连线 Rewiring 此后 ENIAC 的 开发人员认识到这一缺陷 提出了一种灵活 合理得多的设计 这就是著名的存储程序体系结构 StoredProgram Architecture 在存储程序体系结构中 给计算机一个指令序列 即程序 计算机会存储它们 并在未来的某个时间里 从计算机存储器中读出 依照程序给定的顺序执行它们 现代计算机区别于其他 机器的主要特征 就在于这种可编程能力 由于早在 ENIAC 完成之前 数学家约翰 冯 诺伊曼 John von Neumann 就在其论文中提出了存储程 序计算机的设计思想 因此 存储程序体系结构又称为冯 诺伊曼体系结构 von Neumann Architecture 自从 20 世纪 40 年代第一台通用电子数字计算机出现以来 尽管计算机技术已经发生了翻天覆地的变化 但是 大多数当代计算机仍然采用冯 诺伊曼体系结构 2 数字计算机的发展史 自从 ENIAC 计算机问世以来 从使用器件的角度来说 计算机的发展大致经历了 5 代的变化 如表 - 所示 表 - 数字计算机的发展史 时间 使用器件 执行速度 次/秒 典型应用 第 代 946~957 电子管 几千至几万 数据处理机 第 2 代 958~964 晶体管 几万至几十万 工业控制机 第 3 代 965~970 小规模/中规模集成电路 几十万至几百万 小型计算机 第 4 代 97~985 大规模/超大规模集成电路 几百万至几千万 微型计算机 第 5 代 986~ 甚大规模集成电路 几亿至上百亿 单片计算机 第一代计算机从 946 年到 957 年 使用电子管 Vacuum Tube 作为电子器件 使用机器语言与符 号语言编制程序 计算机运算速度只有每秒几千次至几万次 体积庞大 存储容量小 成本很高 可靠性 较低 主要用于科学计算 在此期间 形成了计算机的基本体系结构 确定了程序设计的基本方法 数 0

11 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 据处理机 开始得到应用 第二代计算机从 958 年到 964 年 使用晶体管 Transistor 作为电子器件 开始使用计算机高级语 言 计算机运算速度提高到每秒几万次至几十万次 体积缩小 存储容量扩大 成本降低 可靠性提高 不仅用于科学计算 还用于数据处理和事务处理 并逐渐用于工业控制 在此期间 工业控制机 开始 得到应用 第三代计算机从 965 年到 970 年 使用小规模集成电路 Small-Scale Integration SSI 与中规模集 成电路 Medium-Scale Integration MSI 作为电子器件 而操作系统的出现使计算机的功能越来越强 应用范围越来越广 计算机运算速度进一步提高到每秒几十万次至几百万次 体积进一步减小 成本进一 步下降 可靠性进一步提高 为计算机的小型化 微型化提供了良好的条件 在此期间 计算机不仅用于科 学计算 还用于文字处理 企业管理和自动控制等领域 出现了管理信息系统 Management Information System MIS 形成了机种多样化 生产系列化 使用系统化的特点 小型计算机 开始出现 第四代计算机从 97 年到 985 年 使用大规模集成电路 Large-Scale Integration LSI 与超大规模 集成电路 Very-Large-Scale Integration VLSI 作为电子器件 计算机运算速度大大提高 达到每秒几百 万次至几千万次 体积大大缩小 成本大大降低 可靠性大大提高 在此期间 计算机在办公自动化 数据 库管理 图像识别 语音识别和专家系统等众多领域大显身手 由几片大规模集成电路组成的 微型计算 机 开始出现 并进入家庭 第五代计算机从 986 年开始 采用甚大规模集成电路 Ultra-Large-Scale Integration ULSI 作为电 子器件 运算速度高达每秒几亿次至上百亿次 由一片甚大规模集成电路实现的 单片计算机 开始出现 3 计算机体系结构的发展过程 生产 科研 应用的飞速发展 促使计算机的体系结构不断完善 形成了当代计算机的体系结构形式 计算机问世后的 60 多年来 计算机体系结构的发展过程一直是在冯 诺伊曼体系结构的基础上 以提 高速度 扩大存储容量 降低成本 提高系统可靠性 方便用户使用为目的 不断采用新的器件 研制新的软 件的过程 就体系结构本身来说 主要是指令系统 微程序设计 流水线结构 多级存储器体系结构 输入/输 出体系结构 并行体系结构 分布式体系结构 多媒体体系结构 操作系统和数据库管理系统的形成和发展..3 计算机的应用 计算机之所以得到迅速发展 其主要原因在于它的广泛应用 计算机的应用范围几乎涉及人类社会的 所有领域 从国民经济各部门到个人家庭生活 从军事部门到民用部门 从科学教育到文化艺术 从生产 领域到消费娱乐 无一不是计算机应用的天下 科学计算 科学研究和工程技术计算领域 是计算机应用最早的领域 也是应用较为广泛的领域 包括数学 化 学 原子能 天文学 地球物理学 生物学等基础科学研究 以及航天飞行 飞机设计 桥梁设计 水力发电 地 质找矿 天气预报等方面的大量计算 利用计算机进行数值计算 可以节省大量的时间 人力和物力 2 自动控制 自动控制是涉及面极广的一门学科 应用于工业 农业 科学技术 国防以至我们日常生活的方方面面 有了体积小 价廉 可靠的微型机和单片机作为工具 自动控制进入了以计算机为主要控制设备的新的发展 阶段 3 测量测试 计算机在测量和测试领域中所占的比例也相当大 约占 20%左右 在这个领域中 计算机主要起两个 作用 第一 对测量和测试设备本身进行控制 第二 采集数据并进行处理 4 信息处理 信息 是人类赖以生存和交际的媒介 通过五官和皮肤 人类可以看到文字图像 听到唱歌说话 闻 到香臭气味 尝到酸甜苦辣 感到冷热变化 这些都是信息 人本身就是一个非常高级的信息处理系统 计算机在发展初期仅仅用于数值计算 此后 计算机的应用范围逐渐发展到非数值计算领域 可用来 处理文字 表格 图像 声音等各类信息 因此 确切地讲 一台计算机实际上就是一台信息处理机

12 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 5 教育卫生 创立学校 应用书面语言 发明印刷术 被称为教育史上的三次革命 目前 计算机广泛应用于教育 被誉为 教育史上 的第四次革命 除了 目前应用较为普遍的 计算机辅助教学 Computer-Aided Instruction CAI 之外 基于网络的现代远程教学 Distance Learning 或 e-learning 也是近几年迅速 发展起来的一种典型的教育应用 计算机的问世 同样为人类健康长寿带来了福音 一方面 使用计算机的各种医疗设备应运而生 CT 图像处理设备 心脑电图分析仪 血液分析仪等先进的设备和仪器为及早发现疾病提供了强有力的手段 另 一方面 利用计算机建成了集专家经验之大成的各种各样的专家系统 如中医专家诊疗系统 各种疾病的 电子诊疗系统等等 事实表明 这些专家系统行之有效 为诊治疾病发挥了很大作用 6 电子电器 目前 不仅各种类型的个人计算机早已进入家庭 而且在微波炉 洗衣机 家用空调 DVD 播放机 电 子玩具 游戏机等电子电器产品中也广泛应用了各种嵌入式计算机 除了可单独使用的独立电器之外 许多家用电器还可以通过各种有线或无线的网络连接 如 Internet 红外线 蓝牙等 完成自身程序的自动更新 远程控制等复杂任务 7 人工智能 人工智能 简而言之就是使计算机模仿人的高级思维活动 像人类那样直接利用各种自然形式的信息 如文字 图像 颜色 自然景物 声音语言等 目前 在文字识别 图形识别 景物分析 语音识别 语音合成以 及语言理解等方面 人工智能已经取得了不少的成就 到目前为止 人工智能研究中最突出的成就非 机器人 莫属 世界上有大量的 工业机器人 在各 种生产线上完成简单重复的工作 或是代替人类在高温 有毒 辐射 深水等恶劣环境下工作 现在 又出现 了更为先进的 智能机器人 它会自己识别控制对象和工作环境 自动作出判断和决策 直接领会人的 命令和意图 避开障碍物 适应环境变化 灵活机动地完成指定的控制任务与信息处理任务 图 -6 为汽 车生产中的工业机器人 图 -6 汽车生产中的工业机器人.2 计算机的基本组成 一台完整的计算机由计算机硬件 Hardware 和计算机软件 Software 两部分组成 其中 硬件是 基础 是软件活动的舞台 软件是灵魂 使硬件最大限度地发挥作用 两者缺一不可 计算机硬件是由物理元器件构成的有形实体 主要是数字逻辑电路 2

13 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 计算机软件则是由计算机程序构成的无形的东西 需要存储在有形的硬件 如主存储器 硬盘等 中 可以实现更高层次的逻辑功能.2. 计算机硬件 计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称 是构成计算机的物质基础 是计算机系 统的核心 目前大多数计算机都是根据冯 诺伊曼体系结构的思想来设计的 其主要特点是使用二进制数和存储 程序 其基本思想是 事先设计好用于描述计算机工作过程的程序 并与数据一样采用二进制形式存储在 机器中 计算机在工作时自动 高速地从机器中按顺序逐条取出程序指令加以执行 简而言之 冯 诺伊曼 体系结构计算机的设计思想就是存储程序并按地址顺序执行 在计算机存储器里把程序及其操作数据一同存储的思想 是冯 诺伊曼体系结构 或称存储程序体系 结构 的关键所在 在某些情况下 计算机也可以把程序存储在与其操作数据分开的存储器中 这被称为 哈佛体系结构 Harvard Architecture 源自 Harvard Mark I 计算机 现代的冯 诺伊曼计算机在设计中展示 出了某些哈佛体系结构的特性 如高速缓存 Cache 冯 诺伊曼体系结构的计算机具有共同的基本配置 即具有 5 大部件 控制器 运算器 存储器 输入设 备和输出设备 这些部件用总线相互连接 如图 -7 所示 存储器 运算器 总 线 CPU 控制器 适配器 输入设备 输出设备 图 -7 计算机的硬件组成 其中 控制器和运算器合称为中央处理器 Central Processing Unit CPU 早期的 CPU 由许多分立 元件组成 但是自从 20 世纪 70 年代中期以来 CPU 通常被制作在单片集成电路上 称为微处理器 Microprocessor CPU 和存储器通常组装在一个机箱内 合称为主机 除去主机以外的硬件装置称为外 围设备 计算机系统工作时 输入设备将程序与数据存入存储器 运行时 控制器从存储器中逐条取出指令 将其解释成控制命令 去控制各部件的动作 数据在运算器中加工处理 处理后的结果通过输出设备输出 控制器 控制器是计算机的管理机构和指挥中心 它按照预先确定的操作步骤 协调控制计算机各部件有条不 紊地自动工作 控制器工作的实质就是解释程序 它每次从存储器读取一条指令 经过分析译码 产生一系列操纵计 算机其他部分工作的控制信号 操作命令 发向各个部件 控制各部件动作 使整个机器连续 有条不 紊地运行 高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序 以改善性能 对所有 CPU 而言 一个共同的关键部件是程序计数器 Program Counter 它是一个特殊的寄存器 记录着将要读取的下一条指令在存储器中的位置 2 运算器 运算器是一个用于信息加工的部件 用于对数据进行算术运算和逻辑运算 3

14 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 运算器通常由算术逻辑单元 Arithmetic Logic Unit ALU 和一系列寄存器组成 其中 ALU 是具体 完成算术与逻辑运算的单元 是运算器的核心 由加法器和其他逻辑运算单元组成 寄存器用于存放参与 运算的操作数 累加器是一个特殊的寄存器 除了存放操作数之外 还用于存放中间结果和最后结果 特定 ALU 所支持的算术运算 可能仅局限于加法和减法 也可能包括乘法 除法 甚至三角函数和平 方根 有些 ALU 只支持整数 而其他 ALU 则可以使用浮点来表示有限精度的实数 但是 能够执行最简单 运算的任何计算机 都可以通过编程 把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤 所以 任何计算机都 可以通过编程来执行任何的算术运算 如果其 ALU 不能从硬件上直接支持 则该运算将用软件方式实现 但需要花费较多的时间 超标量 Superscalar 计算机包含多个 ALU 可以同时处理多条指令 图形处理器和具有单指令流多 数据流 SIMD 和多指令流多数据流 MIMD 特性的计算机 通常提供可以执行矢量和矩阵算术运算的 ALU 3 存储器 存储器的主要功能是存放程序和数据 程序是计算机操作的依据 数据是计算机操作的对象 不管是程 序还是数据 在存储器中都是用二进制数的形式来表示的 统称为信息 向存储器存入或从存储器取出信 息 都称为访问存储器 计算机存储器是由可以存放和读取数值的一系列单元所组成的 每个存储单元都有一个编号 称为 地址 向存储器中存数或者从存储器中取数 都要按给定的地址来寻找所选择的存储单元 存放在存储 器中的信息可以表示任何东西 文字 数值甚至计算机指令都可以同样容易地存放到存储器中去 由于计算机仅使用 0 和 两个二进制数字 所以使用位 bit 简写成 b 作为数字计算机的最小信息 单位 包含 位二进制信息 0 或 当 CPU 向存储器送入或从存储器取出信息时 不能存取单个的位 而是使用字节 字等较大的信息单位 一个字节 Byte 简写成 B 由 8 位二进制信息组成 而一个字 Word 则表示计算机一次所能处理的一组二进制数 它由一个以上的字节所组成 通常把组成一个字的 二进制位数称为字长 例如微型机的字长可以少至 8 位 多至 32 位 甚至达到 64 位 存储器中所有存储单元的总数 称为存储器的存储容量 通常用单位 KB Kilobyte 千字节 MB Megabyte 兆字节 GB Gigabyte 千兆字节 表示 如 64KB 28MB 256GB 度量存储器容量的 各级单位之间的关系为 KB=024B MB=024KB GB=024MB 存储容量越大 计算机所能存储记 忆的信息就越多 存储器是计算机中存储信息的部件 按照存储器在计算机中的作用 可分为主存储器 寄存器 闪速存 储器 高速缓冲存储器 辅助存储器等几种类型 它们均可完成数据的存取工作 但性能及其在计算机中的 作用差别很大 4 输入输出设备 计算机的输入输出 I/O 设备是计算机从外部世界接收信息并反馈结果的手段 统称为 I/O 设备或外 围设备 Peripheral 简称外设 各种人机交互操作 程序和数据的输入 计算结果或中间结果的输出 被控 对象的检测和控制等 都必须通过外围设备才能实现 在一台典型的个人计算机上 外围设备包括键盘和鼠标等输入设备 以及显示器和打印机等输出设备 5 总线 除了上述 5 大部件外 计算机系统中还必须有总线 Bus 计算机系统通过总线将 CPU 主存储器及 I/O 设备连接起来 总线是构成计算机系统的骨架 是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路 借助于总线连接 计 算机在各部件之间实现传送地址 数据和控制信息的操作 按照信号类型 可将总线分为数据总线 地址总线和控制总线 其中 数据总线主要传送数据 是双向 的 既可以输入 又可以输出 地址总线传送地址信息 是单向的 决定数据或命令传送给谁 而控制总 线则传送各种控制信号.2.2 计算机软件 计算机软件是程序的有序集合 而程序则是指令的有序集合 4

15 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 在大多数计算机中 每一条指令都被分配了一个惟一的编号 称为操作码 以机器指令代码的形式 存储 因为计算机存储器能够存储数字 所以它也能存储指令代码 因此 整个程序 指令序列 可以表示 成一系列的数字 从而可以像数字数据那样被计算机所处理 软件系统 一台计算机中全部程序的集合 统称为这台计算机的软件系统 事实上 利用计算机进行计算 控制或做其他工作时 需要有各种用途的程序 因此 凡是用于一台计 算机的各种程序 统称为这台计算机的程序或软件系统 计算机软件按其功能可分为应用软件和系统软件两大类 应用软件 应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序 如工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序 科学计算程序等等 2 系统软件 系统软件用于实现计算机系统的管理 调度 监视和服务等功能 其目的是方便用户 提高计算机使用 效率 发挥和扩充计算机的功能及用途 总之 软件系统是在硬件系统的基础上 为有效使用计算机而配置的 2 程序设计语言 机器语言 在早期的计算机中 人们直接用机器语言 即机器指令代码 来编写程序 这种用机器语言书写的程 序 计算机完全可以 识别 并执行 所以又叫做目的程序 但是 用机器语言编写程序是一件非常繁琐的工作 需要耗费大量的人力和时间 而且容易出错 出 错后寻找错误也相当费事 这种情况大大限制了计算机的使用 2 汇编语言 为了编写程序方便 提高机器使用效率 人们想出了一种办法 用一些约定的文字 符号和数字按规定 的格式来表示各种不同的指令 每条基本指令都被指定了一个表示其功能又便于记忆的短的名字 称为指 令助记符 如 ADD SUB MULT JUMP 等 然后再用这些指令助记符表示的指令来编写程序 这就是 所谓的汇编语言 Assembly Language 把用汇编语言编写的程序转换为计算机可以理解的 用机器语言表示的目的程序 通常由被称为汇编 程序 Assembler 的计算机程序来完成 通常被归为低级编程语言的机器语言及汇编语言 对于特定类型的计算机而言是惟一的 也就是说 一台 ARM 体系结构的计算机 如 PDA 无法理解一台 Intel Pentium 计算机的机器语言 3 算法语言 为了进一步实现程序自动化 便于程序交流 使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机 人 们又创造了各种接近于数学语言的算法语言 所谓算法语言 是指按实际需要规定好的一套基本符号 以及由这套基本符号构成程序的规则 算法 语言比较接近数学语言 它直观通用 与具体机器无关 只要稍加学习就能掌握 便于推广和使用 有影 响的算法语言包括 BASIC FORTRAN C C++ JAVA 等 大多数复杂的程序采用抽象的算法语言来编写 能够更便利地表达计算机程序员的设计思想 从而帮 助减少程序错误 用算法语言编写的程序称为源程序 Source 这种源程序是不能由机器直接识别和执行的 必须给 计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的 翻译 才能把源程序转换为机器语言 通常采用下面两 种方法 ⑴给计算机配置一套编译程序 Compiler 把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序 然后在运 行系统中执行目的程序 得出计算结果 编译程序和运行系统合称为编译系统 由于算法语言比汇编语言更 5

16 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 为抽象 因此有可能使用不同的编译器 把相同的算法语言源程序翻译成许多不同类型计算机的机器语言 目的程序 ⑵使源程序通过所谓的解释程序 Interpreter 进行解释执行 即逐个解释并立即执行源程序的语句 它不是编译出目的程序后再执行 而是逐一解释语句并立即得出计算结果 3 操作系统 操作系统是随着硬件和软件不断发展而逐渐形成的一套软件系统 用来管理计算机资源 如处理器 存储器 外围设备和各种编译 应用程序 自动调度用户的作业程序 从而使得多个用户能有效地共用一 套计算机系统 操作系统的出现 使计算机的使用效率成倍提高 并且为用户提供了方便的使用手段和令 人满意的服务质量 根据不同使用环境的要求 操作系统目前大致可分为批处理操作系统 分时操作系统 网络操作系统 实时操作系统等多种 4 数据库 计算机在信息处理 情报检索及各种管理系统中的各类应用 要求大量处理某些数据 建立和检索大 量的表格 这些数据和表格可以按一定的规律组织起来 形成数据库 Database DB 使得处理和检索 数据更为方便 迅速 所谓数据库就是实现有组织 动态地存储大量相关数据 方便多用户访问的计算机软 硬件资源所组成 的系统 数据库和数据库管理软件一起 组成了数据库管理系统 Database Management System DBMS 数据库管理系统有各种类型 目前许多计算机 包括微型计算机 都配有数据库管理系统.2.3 计算机固件 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势 要明确划分计算机系统软 硬件的界限已经比较 困难了 因为任何操作既可以由软件来实现 也可以由硬件来实现 任何指令的执行都可以由硬件完成 也可以由软件来完成 因此 计算机系统的软件与硬件可以互相转化 它们之间可以互为补充 对于某一功 能采用硬件方案还是软件方案 取决于器件价格 速度 可靠性 存储容量 变更周期等因素 容量大 价格低 体积小 可以改写的只读存储器为软件固化提供了良好的物质手段 现在已经可以把许 多复杂的 常用的程序制作成所谓的固件 Firmware 就其功能而言是软件 但从形态来说又是硬件 目前 在一片芯片上制作复杂的逻辑电路已经变得现实可行 这就为扩大指令的功能提供了物质基础 因此 本来通过软件手段实现的某些功能 现在可以通过硬件直接解释执行 当研制一台计算机的时候 设计者必须明确分配每一级的任务 确定哪些情况使用硬件 哪些情况使 用软件 而硬件始终放在最低级 就目前而言 一些计算机的特点 就是把原来通过编制程序实现的操作 如整数乘除法指令 浮点运算指令 处理字符串指令等等 改为直接由硬件完成.3 计算机系统的概念.3. 计算机系统的层次结构 现代计算机系统是硬件 固件和软件组成的一个十分复杂的整体 为了对这个系统进行描述 分析 设计 和使用 人们从不同的角度提出了观察计算机的观点和方法 其中常用的一种方法 就是从语言的角度出 发 把计算机系统按功能划分成 5 个层次级别 每一级以一种不同的语言为特征 每一级都能进行程序设 计 计算机系统的层次结构如图 -0 所示 6

17 计算机组成与系统结构 5级 陈泽宇主编 高级语言级 编译程序 4级 汇编语言级 汇编程序 3级 操作系统级 操作系统 2级 机器语言级 微程序 级 微程序设计级 微程序直接由硬件执行 图 -0 计算机系统的层次结构示意图 第 级是微程序设计级 属于硬件级 由机器硬件直接执行微指令 是计算机系统最底层的硬件系统 这一级也可直接用组合逻辑和时序逻辑电路实现 第 2 级是机器语言级 也属于硬件级 由微程序解释机器指令系统 这一级控制硬件系统的操作 第 3 级是操作系统级 属于 软硬件 混合级 由操作系统程序实现 这一级统一管理和调度计算机 系统中的软硬件资源 支撑其他系统软件和应用软件 使计算机能够自动运行 发挥高效特性 第 4 级是汇编语言级 属于软件级 由汇编程序支持和执行 这一级给程序设计人员提供了汇编语言 这种符号形式语言 以减少程序编写的复杂性 第 5 级是高级语言级 也属于软件级 由各种高级语言编译程序支持和执行 这一级是面向用户的 为方便用户编写应用程序而设置 除第 级外 其他各级都得到下面各级的支持 同时也得到运行在下面各级上的程序的支持 第 级 到第 3 级编写程序所采用的语言 基本上是二进制语言 机器执行和解释比较容易 第 4 5 两级编写程序 所采用的语言是符号语言 用英文字母和符号来表示程序 因而便于大多数不了解硬件的人们使用计算机 各层次之间关系紧密 上层是下层功能的扩展 下层是上层的基础 这是计算机系统层次结构的一个 特点 计算机系统中 5 个层次级别的特点如表 -2 所示 第级 第2级 第3级 第4级 第5级 表 -2 计算机系统中 5 个层次级别的特点 微程序设计级 由机器硬件直接执行微指令 硬件级 机器语言级 由微程序解释机器指令系统 操作系统级 由操作系统程序实现 混合级 汇编语言级 由汇编程序支持和执行 软件级 高级语言级 由各种高级语言编译程序支持和执行 二进制语言 符号语言.3.2 计算机系统的3个术语 计算机体系结构 计算机体系结构 Computer Architecture 定义为机器语言程序员所看到的计算机系统的属性 包括 概念性结构和功能特性 这些属性是机器语言程序员为使其设计的程序能在机器上正确运行所需遵循的计 算机属性 是计算机系统中由硬件或固件完成的功能 对通用寄存器型机器来说 这些属性主要包括 数 据表示 寻址规则 寄存器定义 指令集 终端系统 存储系统 信息保护 I/O 结构等 计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面 界面之上是软件的功能 界面之下是 硬件和固件的功能 2 计算机组成 7

18 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 计算机组成 Computer Organization 指的是计算机体系结构的逻辑实现 包括机器内部的数据流和 控制流的组成以及逻辑设计等 它着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式 各部件的功能以及各部件的 联系 3 计算机实现 计算机实现 Computer Implementation 指的是计算机组成的物理实现 包括处理机 存储器等部件的 物理结构 器件的集成度和速度 模块 插件 底板的划分与连接 信号传输 电源 冷却及整机装配技术 等 它着眼于器件技术和微组装技术 其中器件技术在实现技术中占主导作用 上述三个术语具有不同的概念 各自包含不同的内容 但又有紧密的关系 具有相同计算机体系结构 如指令系统相同 的计算机 因为速度要求不同等因素 可以采用不同的 计算机组成 例如 取指令 指令译码 指令执行 访存取数 结果写回 5 个阶段 可以在时间上按顺序方式 进行 也可以让它们在时间上按重叠方式进行 即时间并行 以提高执行速度 同样 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现 例如 存储器件可以采用静态 RAM SRAM 芯片 也可以采用动态 RAM DRAM 芯片 可以采用单片大规模集成电路 也可以采 用中小规模集成电路进行构建 显然 这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状.3.3 计算机体系结构的分类 研究计算机系统分类方法 有助于人们认识计算机的体系结构和组成的特点 理解系统的工作原理和 性能 966 年 Michael J. Flynn 从计算机体系结构的并行性能出发 按照指令流和数据流的不同组织方式 把计算机系统的结构分为 4 类 如表 -3 所示 Single Data 单数据 Multiple Data 多数据 SISD 体系结构 表 -3 Flynn 分类法 Single Instruction 单指令 SISD 单指令流单数据流 SIMD 单指令流多数据流 Multiple Instruction 多指令 MISD 多指令流单数据流 MIMD 多指令流多数据流 SISD 计算机是传统的顺序执行的计算机 在同一时刻只能执行一条指令 即只有一个控制流 处理 一个数据 即只有一个数据流 SISD 计算机通常由一个处理器和一个存储器组成 如图 - 所示 通过执行单一的指令流 对单一的 数据流进行操作 指令按顺序读取 数据在每一时刻也只能读取一个 IS 指令流 CU 控制部件 CS 控制流 PU 处理部件 DS 数据流 SM 共享主存 MM 主存模块 图 - SISD 计算机 其主要缺点在于单个处理器的处理能力有限 同时 这种结构也没有发挥数据处理中的并行性潜力 在实时系统或高速系统中 很少采用 SISD 结构 2 SIMD 体系结构 SIMD 计算机属于并行结构计算机 一条指令可以同时对多个数据进行运算 SIMD 计算机由单一的指令部件控制 按照同一指令流的要求 为多个处理单元分配各不相同的数据 并进行处理 SIMD 系统结构由一个控制器 多个处理器 多个存储模块和一个互连网络组成 如图 -2 所 示 8

19 计算机组成与系统结构 陈泽宇主编 SM 共享主存 处理部件 数据流 DS PU 控制部件 CU 控制流 CS MM DS2 PU2 MM2 DSn PUn MMm IS 指令流 图 -2 SIMD 计算机 SIMD 计算机以阵列处理机和向量处理机为代表 3 MISD 体系结构 MISD 计算机具有多个处理单元 这些处理单元组成一个线性阵列 分别执行不同的指令流 而同一 个数据流则顺次通过这个阵列中的各个处理单元 如图 -3 所示 DS 数据流 控制部件 CU CU2 控制流 CS CS2 处理部件 PU SM 共享主存 PU2 MM CUn CSn MM2 MMm PUn DS ISn 指令流 IS2 IS 图 -3 MISD 计算机 MISD 系统结构只适用于某些特定的算法 在目前常见的计算机系统中很少见 4 MIMD 体系结构 MIMD 计算机属于并行结构计算机 多个处理单元根据不同的控制流程执行不同的操作 处理不同的 数据 典型的 MIMD 系统由多台处理机 多个存储模块和一个互连网络组成 如图 -4 所示 每台处理机执 行自己的指令 操作数也是各取各的 9

20 计算机组成与系统结构 控制部件 IS 指令流 IS2 CU CU2 ISn CUn 控制流 CS CS2 CSn 处理部件 PU PU2 PUn 陈泽宇主编 SM 共享主存 数据流 DS DS2 DSn MM MM2 MMm 图 -4 MIMD 计算机 MIMD 计算机是能够实现指令 数据作业 任务等各级全面并行计算的多机处理系统 在 MIMD 结构中 每个处理器都可以单独编程 因而这种结构的可编程能力是最强的 但由于要用大 量的硬件资源来解决可编程问题 硬件的利用率不高 MIMD 计算机以多处理机和机群系统为代表 20

21 第2章 运算方法和运算器 2. 数据表示基础 计算机的基本功能是对数据 文字 声音 图形 图像和视频等信息进行加工处理 其中数据有两大类 一类是数值数据 如 等 有 量 的概念 另一类是非数值数据 如各种字母和符号 无论 是数值数据还是非数值数据 在计算机中都是用二进制数码表示的 而文字 声音 图形 图像和视频等信 息要在计算机中处理 都要事先数字化 即把文字 声音 图形 图像和视频等信息转换为二进制数码 在计 算机内部 各种信息都必须以数字化编码的形式被存储 传送和加工处理 因此 学习计算机课程 首先必 须掌握信息编码的概念与处理技术 信息的数字化编码 是指用 0 和 这两个最简单的二进制数码 按照一定的组合规则来表示数据 文字 声音 图像 视频等复杂信息 本章主要讨论数据信息在计算机中的表示方法和运算方法 2.. 进制数及其转换 数值数据是表示数量大小的数据 有多种表示方法 日常生活中一般采用十进制数进行计数和计算 但十进制数难以在计算机内直接存储与运算 在计算机系统中 通常将十进制数作为人机交互的媒介 而 数据则以二进制数的形式存储和运算 计算机采用二进制的主要原因有以下几点 ⑴易于物理实现 二进制在技术上最容易实现 这是因为具有两种稳定状态的物理器件很多 如门电路的导通与截止 电 压的高与低等 而它们恰好可以对应表示 和 0 这两个数码 假如采用十进制 那么就要制造具有 0 种稳定状态的物理电路 而这是非常困难的 ⑵运算规则简单 数学推导已经证明 对 R 进制数进行算术求和或求积运算 其运算规则各有 R(R+)/2 种 如采用十进 制 则 R=0 就有 55 种求和或求积的运算规则 而采用二进制 则 R=2 仅有 3 种求和或求积的运算规 则 以加法为例 0+0=0 0+= (+0=) +=0 因而可以大大简化运算器等物理器件的设计 ⑶机器可靠性高 由于电压的高和低 电流的有和无等都是一种质的变化 两种物理状态稳定 分明 因此 二进制码传 输的抗干扰能力强 鉴别信息的可靠性高 ⑷逻辑判断方便 采用二进制后 仅有的两个符号 和 0 正好可以与逻辑命题的两个值 真 和 假 相对应 能够方便地使用逻辑代数这一有力工具来分析和设计计算机的逻辑电路 但是 用二进制表示一个数 其所使用的位数要比用十进制表示长得多 书写和阅读都不方便 也不 容易理解 为了书写和阅读的方便 人们通常使用十六进制来弥补二进制的这一不足. 进位计数制 在人类的生产和生活中 经常要遇到数的表示问题 人们通常采用从低位向高位进位的方式来进行计 数 这种表示数据的方法称为进位计数制 讨论进位计数制要涉及到两个基本概念 基数 Radix 和权 Weight 十进制 在进位计数制中 每个数位所用到的数码符号的个数叫做基数 十进制是人们最熟悉的一种进位计数 制 每个数位允许选用 0~9 共 0 个不同数码中的某一个 因此十进制的基数为 0 每个数位计满 0 就向 高位进位 即 逢 0 进 在一个数中 数码在不同的数位上所表示的数值是不同的 每个数码所表示的数值就等于该数码本身 2

22 乘以一个与它所在数位有关的常数 这个常数叫做权 例如 十进制数 数码 6 所在数位的权 为 000 这一位所代表的数值即为 6 03= 所在数位的权为 00 这一位所代表的数值即为 5 02=500 2 二进制 计算机中信息的存储 处理和传送采用的都是二进制 不论是指令还是数据 或是多媒体信息 声音 图形 图像等 都必须采用二进制编码形式才能存入计算机中 二进制是一种最简单的进位计数制 它只有两个不同的数码 0 和 即基数为 2 逢 2 进 任 意数位的权是 2i 3 十六进制 十六进制数的基数为 6 逢 6 进 每个数位可取 0,,,9,A,B,,F 共 6 个不同的数码和符号中 的任意一个 其中 A~F 分别表示十进制数值 0~5 既然有不同的进位计数制 那么在给出一个数的同时 就必须指明它是哪种进制的数 例如 (00)2 (00)0 (00)6 所代表的数值完全不同 如果不用下标加以标注 就会产生歧义 除了用下标 表示之外 还可以用后缀字母来表示不同的数制 后缀 B 表示该数是二进制 Binary 数 后缀 H 表示该 数是十六进制 Hexadecimal 数 而后缀 D 表示该数是十进制 Decimal 数 十进制数在书写时可以省 略后缀 D 其他进制数在书写时一般不能省略后缀 例如 有 3 个数分别为 375D 0B 和 AFEH 从后缀字 母就可以知道它们分别是十进制数 二进制数和十六进制数 2. 各种进制数之间的转换 二进制数转换为十六进制数 将一个二进制数转换成十六进制数的方法是将二进制数的整数部分和小数部分分别进行转换 即以小 数点为界 整数部分从小数点开始往左数 每 4 位分成一组 当最左边的数不足 4 位时 可根据需要在数 的最左边添加若干个 0 以补足 4 位 对于小数部分 从小数点开始往右数 每 4 位分成一组 当最右 边的数不足 4 位时 可根据需要在数的最右边添加若干个 0 以补足 4 位 最终使二进制数的总的位数 是 4 的倍数 然后用相应的十六进制数取而代之 例如 B = B = 3B.A6CH 2 十六进制数转换为二进制数 要将十六进制数转换成二进制数 只要将 位十六进制数写成 4 位二进制数 然后将整数部分最左边 的 0 和小数部分最右边的 0 去掉即可 例如 3B.328H = B = B 3 二进制数转换为十进制数 要将一个二进制数转换成十进制数 只要把二进制数的各位数码与它们的权相乘 再把乘积相加 就 得到对应的十进制数 这种方法称为按权展开相加法 例如 000.0B = = D 4 十进制数转换为二进制数 要将一个十进制数转换成二进制数 通常采用的方法是基数乘除法 这种转换方法是对十进制数的整 数部分和小数部分分别进行处理 整数部分用除基取余法 小数部分用乘基取整法 最后将它们拼接起来 即可 ⑴十进制整数转换为二进制整数 除基取余法 十进制整数转换为二进制整数的规则是 除以基数 2 取余数 先得到的余数为低位 后得到的余 数为高位 22

23 具体的做法是 用 2 连续去除十进制整数 直到商等于 0 为止 然后按逆序排列每次的余数 先取得 的余数为低位 便得到与该十进制数相对应的二进制数各位的数值 例如 将 75D 转换成二进制数 2 75 余数 余数 余数 2 余数 0 余数 0 5 余数 2 余数 0 余数 低位 高位 0 所以 75D=00B ⑵十进制小数转换为二进制小数 乘基取整法 十进制小数转换为二进制小数的规则是 乘以基数 2 取整数 先得到的整数为高位 后得到的整 数为低位 具体的做法是 用 2 连续去乘十进制数的小数部分 直至乘积的小数部分等于 0 为止 然后按顺序排 列每次乘积的整数部分 先取得的整数为高位 便得到与该十进制数相对应的二进制数各位的数值 例如 将 0.325D 转换成二进制数 = 整数 =.25 整数 = 0.5 整数 =.0 整数 高位 低位 所以 0.325D = 0.00B 若要将十进制数 转换成二进制数 应对整数部分和小数部分分别进行转换 然后再进行整 合 D=00.00B 需要注意的是 十进制小数常常不能准确地换算为等值的二进制小数 存在有一定的换算误差 例如 将 D 转换成二进制数 = = = = = = 由于小数位始终达不到 0 因此这个过程会不断进行下去 通常的做法是 根据精度要求 截取一定 的数位 其误差值小于截取的最低一位数的权 当要求二进制数取 m 位小数时 一般可求 m+ 位 然后对最低位作 0 舍 入 处理 例如 D = B 若取精度为 5 位 则由于小数点后第 6 位为 0 被舍去 所以 D = 0.000B 23

24 2..2 数的机器码表示. 机器数和真值 二进制数有正负之分 如 N=+0.00 N2=-0.00 则 N 是个正数 N2 是个负数 机器不能直接 把符号 + - 表示出来 为了能在计算机中表示正负数 必须引入符号位 即把正负符号也用 位二 进制数码来表示 把符号位和数值位一起编码来表示相应的数的表示方法包括 原码 补码 反码 移码等 为了便于在计算机中表示 同时又便于与实际值相区分 在此首先引入机器数和真值的概念 机器数 用二进制数 0 或 来表示数的符号 0 表示正号 表示负号 且把符号位置于该 数的最高数值位之前 这样表示的数称为机器数 或称机器码 即把符号位和数值位一起编码来表示的 数就是机器数 真值 一般书写中用 + - 来表示数的符号 这样表示的数称为真值 例 如 N = N2 = 这 是 真 值 表 示 成 机 器 数 以 原 码 为 例 就 是 [N] 原 = 0.00 [N2]原 =.00 机器数有原码 补码 反码和移码四种表示形式 下面以整数为例说明原码 补码 反码和移码的表示方 法 2. 原码 符号位为 0 表示正数 为 表示负数 数值部分用二进制数的绝对值表示的方法称为原码表示法 通 常用[X]原表示 X 的原码 例如 要表示+59 和-59 的原码 假设机器数的位数 8 位 即机器的字长为 8 位 最高位是符号位 其余 7 位是数值位 那么 +59 和-59 的原码分别表示为 [+59]原=000 [-59]原=00 写成一般式则为 正数的原码 [X]原=X (0 X 2n-) 负数的原码 [X]原=2n--X (-2n- X 0) 注意 0 的原码有两个值 有 正零 和 负零 之分 机器遇到这两种情况都当作 0 处理 [+0]原= [-0]原= 原码的表示方法简单易懂 与真值转换方便 但在进行加减法运算时 符号位不能直接参加运算 而 是要分别计算符号位和数值位 当两数相加时 如果是同号 则数值相加 如果是异号 则要进行减法运 算 而在进行减法运算时 还要比较绝对值的大小 然后用大数减去小数 最后还要给运算结果选择恰当 的符号 为了解决这些问题 人们引进了数的补码表示法 3. 补码 什么是补码 我们先用日常生活中的实例来进行说明 假如现在时间是 7 点 而你的手表却指向了 9 点 如何调整手表的时间 有两种方法拨动时针 一种是顺时针拨 即向前拨动 0 个小时 另一种是逆 时针拨 即向后拨 2 个小时 从数学的角度可以表示为 (9+0) -2=9-2=7 或 9-2=7 可见 对钟表来说 向前拨 0 个小时和向后拨 2 个小时的结果是一样的 减 2 可以用加 0 来代替 这 是因为钟表是按 2 进位的 2 就是它的 模 对模 2 来说 -2 与+0 是 同余 的 也就是说 -2 与 +0 对于模 2 来说是互为补数的 计算机中的加法器是以 2n 为模的有模器件 因此可以引入补码 把减法运算转换为加法运算 以简化 运算器的设计 补码的定义 把某数 X 加上模数 K 称为以 K 为模的 X 的补码 [X]补=K+X 因此 正数的补码的最高位为符号 0 数值部分为该数本身 负数的补码的最高位为符号 数 24

25 值部分为用模减去该数的绝对值 通过用模 2n 减去某数的绝对值的方法来求某数的补码比较麻烦 求一个二进制数的补码的简便方法是 正数的补码与其原码相同 负数的补码是符号位不变 数值位逐位取反 即求其反码 然后在最低位加 例如 [+59]补=[+59]原=000 而[-59]原=00 因此 [-59]补= = 0000 注意 0 的补码只有一种形式 就是 n 位 0 采用补码表示法进行加减法运算 比原码运算方便多了 符号位可以和数值位一起参加运算 而且不 论数是正还是负 计算机总是做加法 减法运算可转换为加法运算 4. 反码 引入反码的目的是便于求负数的补码 正数的反码与原码相同 负数的反码是符号位不变 数值位逐位取反 例如 [+59]反=[+59]原=000 而[-59]原=00 因此 [-59]反=00000 注意 0 的反码也有两个 [+0]反= [-0]反= 在计算机中 求一个数的反码很容易 因此 求一个数的补码也就易于实现 采用补码运算 计算机的控制线路较为简单 所以 目前大多数计算机均采用补码存储 补码运算 其运算结果仍为补码形式 综上所述 在 n 位机中 用 n 位二进制数补码表示一个带符号的整数时 最高位为符号位 后面 n- 位为数值部分 n 位二进制数补码表示的范围为-2n- +2n-- 例如 在 8 位机中 补码表示的范围为 表 2-2 列出了 8 位二进制数码在各种表示形式下的对应真值 表 位二进制数的各种表示方法 二进制数码 真值 原码 +０ +１ +２ ０ -１-２ 无符号数 反码 +０ +１ +２ 补码 +０ +１ +２ 移码 移码也称为增码或偏码 常用于表示浮点数中的阶码 移码可由补码求得 只要把补码的符号位取反就得到了移码 2.2 数值数据的表示 2.2. 定点数的表示 计算机中常用的数据表示格式有两种 一是定点格式 二是浮点格式 所谓定点数和浮点数 是指在 计算机中一个数的小数点的位置是固定的还是浮动的 如果一个数中小数点的位置是固定的 则为定点数 如果一个数中小数点的位置是浮动的 则为浮点数 一般来说 定点格式可表示的数值的范围有限 但要 求的处理硬件比较简单 而浮点格式可表示的数值的范围很大 但要求的处理硬件比较复杂 采用定点数表示法的计算机称为定点计算机 采用浮点数表示法的计算机称为浮点计算机 定点机在 使用上不够方便 但其构造简单 造价低 一般微型机和单片机大多采用定点数的表示方法 浮点机可表 示的数的范围比定点机大得多 使用也比较方便 但是比定点机复杂 造价高 在相同的条件下浮点运算 25

26 比定点运算速度慢 目前 一般大 中型计算机及高档微型机都采用浮点表示法 或同时具有定点和浮点两 种表示方法 所谓定点格式 即约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的 通常将定点数据表示成纯小数或 纯整数 为了将数表示成纯小数 通常把小数点固定在数值部分的最高位之前 而为了把数表示成纯整数 则把小数点固定在数值部分的最后面 如图 2- 所示 纯小数表示法 符号 纯整数表示法 数值部分 符号 数值部分 小数点 小数点 图 2- 定点数表示法 图中所标示的小数点. 在机器中是不表示出来的 而是事先约定在固定的位置 对于一台计算机 一旦确定了小数点的位置就不再改变 对纯小数进行运算时 要用适当的比例因子进行折算 以免产生溢出 或过多损失精度 假设用一个 n 位字来表示一个定点数 x= x0 x x2 xn- 其中一位 x0 用来表示数的符号位 其余位数代 表它的量值 为了对所有 n 位进行统一处理 符号位 x0 通常放在最左位置 并用数值 0 和 分别代表正号 和负号 对于任意定点数 x= x0 x x2 xn- 如果 x 表示的是纯小数 那么小数点位于 x0 和 x 之间 数的表 示范围为 0 ｘ -2-(n-) 如果 x 表示的是纯整数 则小数点位于最低位 xn- 的右边 数的表示范围为 0 ｘ 2n-- 目前计算机中大多采用定点纯整数表示 因此将定点数表示的运算简称为整数运算 浮点数的表示 在定点数表示中存在的一个问题是 难以表示数值很大的数据和数值很小的数据 例如 电子的质量 克 和太阳的质量 克 相差甚远 在定点计算机中无法直接表示 因为小数点只能固定 在某一个位置上 从而限制了数据的表示范围 为了表示更大范围的数据 数学上通常采用科学计数法 把数据表示成一个小数乘以一个以 0 为底 的指数 例如 在计算机中 电子的质量和太阳的质量可以分别取不同的比例因子 以使其数值部分的绝对值 小于 即 这里的比例因子 0-27 和 034 要分别存放在机器的某个单元中 以便以后对计算结果按此比例增大 显 然 这要占用一定的存储空间和运算时间 浮点表示法就是把一个数的有效数字和数的范围在计算机中分别予以表示 这种把数的范围和精度分 别表示的方法 相当于数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内自由浮动 改变指数部分的数值 相当于改变小数点的位置 在这种表示法中 小数点的位置是可以浮动的 因此称为浮点表示法 浮点数的一般表示形式为 一个十进制数Ｎ可以写成 N = 0e M 一个二进制数Ｎ可以写成 N = 2e M 其中 M 称为浮点数的尾数 是一个纯小数 e 是比例因子的指数 称为浮点数的指数 是一个整数 在计算机中表示一个浮点数时 一是要给出尾数 M 用小数形式表示 二是要给出指数 e 用整数形式表 示 常称为阶码 尾数部分给出有效数字的位数 因而决定了浮点数的表示精度 阶码部分指明了小数点 在数据中的位置 因而决定了浮点数的表示范围 浮点数也是有符号数 带符号的浮点数的表示如图 2-2 所示 26

27 S E M 符号位 位 阶码 m位 尾数 n位 图 2-2 浮点数的表示 其中 S 为尾数的符号位 放在最高一位 E 为阶码 紧跟在符号位之后 占 m 位 M 为尾数 放在 低位部分 占 n 位. 规格化浮点数 若不对浮点数的表示做出明确规定 同一个浮点数的表示就不是惟一的 例如 =. 20 (.75)0 = (.)2 = 0. 2 = = 为了提高数据的表示精度 需要充分利用尾数的有效位数 当尾数的值不为 0 时 尾数域的最高有效 位应为 否则就要用修改阶码同时左右移动小数点的办法 使其变成符合这一要求的表示形式 这称为 浮点数的规格化 2. IEEE-754 标准浮点格式 在 IEEE-754 标准出现之前 业界并没有一个统一的浮点数标准 相反 很多计算机制造商都在设计 自己的浮点数规则以及运算细节 为了 便于软件 的移 植 浮点 数的 表示格式应该有一个统一的标准 985 年 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 美国电气和电子工程师协会 提出了 IEEE-754 标准 并以此作为浮点 数表示格式的统一标准 目前 几乎所有的计算机都支持该标准 从而大大改善了科学应用程序的可移植 性 IEEE 标准从逻辑上采用一个三元组{S, E, M}来表示一个数 N 它规定基数为 2 符号位 S 用 0 和 分 别表示正和负 尾数 M 用原码表示 阶码 E 用移码表示 根据浮点数的规格化方法 尾数域的最高有效位 总是 由此 该标准约定这一位不予存储 而是认为隐藏在小数点的左边 因此 尾数域所表示的值是.M 实际存储的是 M 这样可使尾数的表示范围比实际存储多一位 为了表示指数的正负 阶码 E 通 常采用移码方式来表示 将数据的指数 e 加上一个固定的偏移量后作为该数的阶码 这样做既可避免出现 正负指数 又可保持数据的原有大小顺序 便于进行比较操作 目前 大多数高级语言都按照 IEEE-754 标准来规定浮点数的存储格式 IEEE-754 标准规定 单精度浮 点数用 4 字节 即 32 位 存储 双精度浮点数用 8 字节 即 64 位 存储 如图 2-3 所示 S 8位 23位 阶码E 尾数M S 位符号位 位 52位 阶码E 尾数M 位符号位 单精度格式 32位 双精度格式 64位 图 2-3 IEEE-754 标准浮点格式 单精度格式 32 位 符号位 S 位 阶码 Ｅ 8 位 阶码的偏移量为 27 7FH 尾数 M 23 位 用小数表示 小数点放在尾数域的最前面 双精度格式 64 位 符号位 S 位 阶码 Ｅ 位 阶码的偏移量为 023 3FFH 尾数 M 52 位 用小数表示 小数点放在尾数域的最前面 在 IEEE-754 标准中 一个规格化的 32 位浮点数 X 的真值可表示为 X = (-)s (.M) 2 E-27 e = E-27 式 2-9 在 IEEE-754 标准中 一个规格化的 64 位浮点数 X 的真值可表示为 X = (-)s (.M) 2 E-023 e = E 式 2-0

28 由于双精度格式的原理与单精度格式相同 仅仅是表示的位数有所增加 所以 下面 主要介绍单精度 格式 32 位 浮点数的表示方法 当一个浮点数的尾数为 0 不论其阶码为何值 或者当阶码的值遇到比它所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 当阶码 E 为全 0 且尾数 M 也为全 0 时 表示的真值 X 为零 结合符号位 S 为 0 或 有正零和负零之 分 当阶码 E 为全 且尾数 M 也为全 0 时 表示的真值 X 为无穷大 结合符号位 S 为 0 或 有+ 和- 之分 这样 在 32 位浮点数表示中 要除去 E 用全 0 和全 255 表示零和无穷大的特殊情况 因此 阶码 E 的取值范围变为 254 指数的偏移量不选 B 而选 27 0B 对于 32 位规格化浮点数 真正的指数值 e 为 因此 数的绝对值的范围是 非数值数据的表示 2.3. 字符与字符串的表示 非数值数据 通常指的是字符 字符串 图形符号 汉字等数据 它们并不用来表示数值的大小 一般 情况下也不对它们进行算术运算. ASCII 字符 由于计算机内部只能识别和处理二进制代码 所以字符必须按照一定的规则用一组二进制编码来表示 字 符 编 码 方 式 有 很 多 种 美 国 国 家 标 准 局 ANSI 制 定 的 ASCII American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准码 是现今最为通用的单字节编码系统 它主要用于显示现代 英文字母和符号 已被国际标准化组织 ISO 定为国际标准 称为 ISO 646 标准 ASCII 字符编码表如表 2-3 所示 表中的横轴为 7 位 ASCII 码高 3 位 b6b5b4 的二进制表示 纵轴为 ASCII 码低 4 位 b3b2bb0 的二进制表示 括号中的数字为对应的十六进制表示 表 2-3 ASCII 字符编码表 b6b5b4 b3b2bb (0) 000 () 000 (2) 00 (3) 000 (4) 00 (5) 00 (6) 0 (7) 000 (8) 00 (9) 00 (A) 0 (B) 00 (C) 0 (D) 0 (E) (F) (0) () (2) (3) (4) (5) (6) (7) NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI DLE DC DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US SP! " # $ % & ' ( ) * +,. / : ; < = A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ ` a b c d e f g h i j k l m n o P q r s t u v w x y z { } ~ DEL ASCII 码用 7 位二进制编码 0~27 表示一个字符 总共可以表示 28 个字符 其中有 95 个是可显 示和打印的字符 包括 0 个十进制数字 0~9 52 个英文大写和小写字母 A~Z a~z 以及若干个运 算符和标点符号 除此之外的 33 个字符是不可显示和打印的控制符号 原先用于控制计算机外围设备的 某些工作特性 现在多数已被废弃 计算机通常用一个字节 8 位 来存放一个 ASCII 字符 字节的低 7 位表示不同的 ASCII 字符 而字 节的最高 位固定为 0 在有些情况下 字节的最高 位也可以用作奇偶校验位以检验错误 或用作西文字 符和汉字的区分标识 除了使用字节最高位为 0 的标准 ASCII 码 0~27 之外 通过使用字节最高位为 的另外 28 个编 码 28~255 许多公司和组织还自行定义了不少互不兼容的扩展 ASCII 码系统 扩展 ASCII 码用 8 位二 进制表示一个字符 总共可以表示 256 个不同的字符 2. Unicode 码 28

29 现今人类使用了接近 6800 种不同的语言 即使是扩展 ASCII 码这类 8 位代码也不能满足需要 解决问 题的最佳方案是设计一种全新的编码方法 而这种方法必须有足够的能力来容纳全世界所有语言中任意一 种语言的所有符号 这就是 Unicode 统一码 Unicode 为每种语言中的每个字符设定了统一并且惟一的 二进制编码 以满足跨语言 跨平台进行文本转换 处理的要求 目前实际应用的 Unicode 对应于 UCS-2 2-byte Universal Character Set 2 字节通用字符集 每个字 符占用 2 个字节 使用 6 位的编码空间 理论上允许表示 26=65536 个字符 可以基本满足各种语言的使 用需要 实际上目前版本的 Unicode 尚未填充满这 6 位编码 从而为特殊的应用和将来的扩展保留了大量 的编码空间 这个编码空间已经非常大了 但设计者考虑到将来某一天它可能也会不够用 所以又定义了 UCS-4 编码 每个字符占用 4 个字节 实际上只用了 3 位 最高位必须为 0 理论上可以表示 23= 个字符 在 PC 机中 若使用扩展 ASCII 码 Unicode UCS-2 和 UCS-4 方法分别表示一个字符 则三者之间的差 别为 扩展 ASCII 码用 8 位表示 Unicode UCS-2 用 6 位表示 Unicode UCS-4 用 32 位表示 3. 字符串 字符串是指连续的一串字符 它们通常占用主存中连续的多个字节 每个字节存放一个字符 以 ASCII 字符为例 当主存字由 2 个或 4 个字节组成时 在同一个主存字中 既可按从低位字节向高位字节 的顺序存放字符串的内容 也可按从高位字节向低位字节的顺序存放字符串的内容 这两种存放方式都是 常用方式 不同的计算机可以选用其中的任何一种 例如下列字符串 IF A>=B THEN READ(C) 可以按图 2-4 所示从高位字节到低位字节依次存放在主存中 图中 主存单元长度是 4 个字节 每个字 节中存放相应字符的 ASCII 值 文字表达式中的空格 在主存中也占一个字节的位置 因此 每个字 节分别存放十六进制的 E 3D E I > T D F = H R ( A B E E C 49 3E N A ) ASCII 字符 D ASCII 码 十六进制表示 E 4 29 图 2-4 存放在主存单元中的字符串 汉字的表示 汉字处理是我国计算机推广应用中必须解决的问题 汉字的字数繁多 字形复杂 读音多变 常用汉 字就有 7000 个左右 要在计算机中表示汉字 最方便的方法是为每个汉字设计一个编码 而且要使这些编 码与西文字符和其他字符有明显的区别 目前 在我国使用的计算机汉字操作平台中常见的有以下 4 种汉字字符集. GB232 字符集 GB232 即国标码字符集 GB 全称为 信息交换用汉字编码字符集-基本集 由中国国家标准 总局发布 98 年 5 月 日起实施 是中国国家标准的简体中文字符集 它所收录的汉字已经覆盖 99.75% 的使用频率 基本满足了汉字的计算机处理需要 2. BIG5 字符集 BIG5 又称大五码 984 年由台湾财团法人信息工业策进会和 5 家软件公司宏碁 Acer 神通 MiTAC 佳佳 零壹 Zero One 大众 FIC 创立 故称大五码 BIG5 码的产生 一方面是因为当时 台湾不同厂商各自推出不同的编码 如倚天码 IBM PS55 王安码等 彼此不能兼容 另一方面 台湾当 时尚未推出官方的汉字编码 而 GB232 编码亦未收录繁体中文字 BIG5 字符集共收录 3053 个中文字 该字符集在中国台湾使用 尽管 BIG5 码内包含一万多个字符 但是没有考虑社会上流通的人名 地名用字 方言用字 化学及生物 29

30 学科等用字 没有包含日文平假名及片假名字母 3. GBK 字符集 995 年 底推出的 GBK 汉字 内码 扩展规范 编码是中文编码扩展国家标准 该编码标准兼容 GB232 共收录汉字 2003 个 符号 883 个 并提供 894 个造字码位 简 繁体字融于一库 GBK 字符集主要扩展了对繁体中文字的支持 4. GB8030 字符集 GB8030 的全称是 GB 信息交换用汉字编码字符集-基本集的扩充 是中国政府于 2000 年 3 月 7 日发布的新的汉字编码国家标准 200 年 8 月 3 日后在中国市场上发布的软件必须符合该标准 GB8030 字符集标准解决了汉字 日文假名 朝鲜语和中国少数民族文字组成的大字符集计算机编码问 题 该标准采用单字节 双字节和四字节三种编码方式 字符总编码空间超过 50 万个编码位 收录了 个汉字 覆盖中文 日文 朝鲜语和中国少数民族文字 能满足中国大陆 香港 台湾 日本和韩国等 东亚地区信息交换多文种 大字量 多用途 统一编码格式的要求 并且与 Unicode 3.0 版本兼容 与以前的 国家字符编码标准兼容 2.4 定点运算和定点运算器 计算机中的基本运算有两大类 算术运算和逻辑运算 算术运算 主要是指加 减 乘 除四则运算 参加运算的数据一般要考虑符号和编码格式 即原码 反 码还是补码 由于数据有定点数和浮点数两大类 因此也可以分为定点数四则运算和浮点数四则运算 逻辑运算 包括逻辑与 或 非 异或等运算 针对不带符号的二进制数 2.4. 定点运算. 定点加减法运算 定点加 减法运算属于算术运算 要考虑参加运算数据的符号和编码格式 在计算机中 定点数据主要 有原码 反码 补码三种形式 在定点加减法运算时 三种编码形式从理论上来说都是可以实现的 但难度 不同 首先 原码是一种最直接 方便的编码方案 但是它的符号位不能直接参加加减运算 必须单独处理 在原码加减运算时 一方面要根据参加运算的两个数据的符号位 以及指令的操作码来综合决定到底是做 加法还是减法运算 另一方面运算结果的符号位也要根据运算结果来单独决定 实现起来很麻烦 其次 反码的符号位可以和数值位一起参加运算 而不用单独处理 但是反码的运算存在一个问题 就是符号位一旦有进位 结果就会发生偏差 因此要采用循环进位法进行修正 即符号位的进位要加到最 低位上去 这也会带来运算的不便 两个数进行补码运算时 可以把符号位与数值位一起处理 只要最终的运算结果不超出机器数允许的 表示范围 运算结果一定是正确的 这样一来 补码运算就显得很简单 因为它既不需要事先判断参加运 算数据的符号位 运算结果的符号位如果有进位 也只要将进位数据舍弃即可 不需做任何特殊处理 因此 现代计算机的运算器一般都采用补码形式进行加减法运算 补码加法 补码加法的公式是 [x]补+[y]补=[x+y]补 mod 2 式 2- 在模 2 意义下 任意两数的补码之和等于该两数之和的补码 这是补码加法的理论基础 之所以说是 模 2 运算 是因为最高位 即符号位 x0 和 y0 相加结果中的向上进位是要舍去的 由此可见 当两数以补码形式相加时 符号位可以作为数据的一部分参加运算而不用单独处理 运算 的结果将直接得到两数之和的补码 符号位有进位也只要丢弃即可 这样的运算规则十分方便 这也是补 码在计算机内大量使用的原因 2 补码减法 30

31 由于减去一个数就是加上这个数的负数 [x-y]补=[x+(-y)]补=[x]补+[-y]补 mod 2 式 2-2 从[y]补求[-y]补的法则 当已知[y]补要求[-y]补时 只要将[y]补连同符号位 取反且最低位加 即可 由此可见 补码定点减法和补码定点加法在本质上是相同的 因此 减法运算可以转换成加法运算 使用同一个加法器电路 无需再配减法器 从而可以简化计算机的设计 3 溢出及其判断 在计算机中 由于机器码的位数是有限的 所以数的表示范围也是有限的 如果两数进行加减运算之 后的运算结果超出了给定的取值范围 这就称为溢出 在定点数运算中 正常情况下溢出是不允许的 两个正数相加 结果大于机器所能表示的最大正数 称为正溢 而两个负数相加 结果小于机器所能 表示的最小负数 称为负溢 溢出的判定方法一般有单符号位法和双符号位法两种 我们以下只讨论双符号位法 双符号位法用两个符号位表示一个数据 由于有两个符号位 所以相加时是模 4 的相加运算 用双符号位法进行溢出判断的方法是 如果两个数相加后 其结果的两个符号位一致 00 或 则没有发生溢出 如果两个符号位不一致 0 或 0 则发生溢出 具体来说 两个符号位为 0 时为正 溢 0 时为负溢 不论溢出与否 运算结果的最高符号位始终指示正确的符号 这样 在双符号位方式下 只要将两个符号位进行异或运算 异或结果为 0 的就表示正常 异或结果 为 的就表示溢出 由此 机器就可以通过逻辑电路自动检查出这种溢出 并进行相应的中断处理 2. 定点乘除法运算 基本运算器的功能只能完成数码的传送 加法和移位 并不能直接完成两数的乘除法运算 但在实际 运算中 乘除法却又是计算机的基本运算之一 下面我们讨论实现乘除法运算的方法 从实现角度来说 实现乘除法运算一般有三种方式 ① 采用软件实现乘除法运算 利用基本运算指令 编写实现乘除法的循环子程序 这种方法所需的硬 件最简单 但速度最慢 ② 在原有的基本运算电路的基础上 通过增加左右移位和计数器等逻辑电路来实现乘除法运算 同 时增加专门的乘除法指令 这种方式的速度比第一种方式快 ③ 自从大规模集成电路问世以来 高速的单元阵列乘除法器应运而生 出现了各种形式的流水式阵 列乘除法器 它们属于并行乘除法器 也有专门的乘除法指令 这种方法依靠硬件资源的重复设置来赢得 乘除运算的高速 是三种方式中速度最快的一种 从编码角度考虑 由于乘除法结果的符号位确定比较容易 运算结果的绝对值和参加运算的数据的符 号无关 所以用原码实现也很简单 但在现代计算机中一般还是采用补码进行乘除法运算 3. 逻辑运算 在计算机中 运算器除了要进行加 减 乘 除等算术运算外 还要完成各种逻辑运算 参加逻辑运算的 数据称为逻辑数 是不带符号位的二进制数 或者不用考虑是否有符号位以及数据格式 只是把它当成一 种简单的数字 0 和 的组合 通常用 表示逻辑真 用 0 表示逻辑假 利用逻辑运算可以进行两个数的比较 或者从某个数中选取某几位等操作 由于在文本 图片 声音等 非数值数据中有着广泛的应用 因此逻辑运算也是一种非常重要的运算 计算机中的逻辑运算主要包括逻辑非 逻辑与 逻辑或 逻辑异或等 4 种运算 逻辑非运算 NOT 逻辑非运算又称为取反运算 就是对某个操作数的各位按位取反 使每一位 0 变成 变成 0 逻辑 非运算的运算符一般写成 ˉ 设 x=x0xx2xn 则逻辑非标记为 x = x0 x x2 xn 2 逻辑与运算 AND 3

32 逻辑与运算也叫逻辑乘 表示两个操作数相同位的数据进行按位 与 运算 两个都是 则结果为 两个中只要有 个为 0 结果就是 0 逻辑与运算的运算符一般写成 或 逻辑与的特点是 对任何数据逻辑与 0 都会变成 0 而逻辑与 则保持原有数据不变 所以在实际应用 中 如果需要对一个数据的某几位清 0 其他位保持不变 时 常常会用到逻辑与运算 3 逻辑或运算 OR 逻辑或运算也叫逻辑加 表示两个操作数相同位的数据进行按位 或 运算 两个都是 0 则结果为 0 两个中只要有 个为 结果就是 逻辑或运算的运算符一般写成 或 + 逻辑或的特点是 对任何数据逻辑或 都会变成 而逻辑或 0 则保持原有数据不变 所以在实际应用 中 如果需要对一个数据的某几位置 其他位保持不变 时 常常会用到逻辑或运算 4 逻辑异或运算 XOR 逻辑异或运算又称按位加 表示两个操作数相同位的数据进行按位 模 2 加 运算 若两个都相同则 结果为 0 若两个不同则结果为 逻辑异或运算的运算符一般写成 逻辑异或的特点是 对任何数据逻辑异或 都会取反 而逻辑异或 0 则保持原有数据不变 所以在实 际应用中 如果需要对一个数据的某几位取反 其他位保持不变 时 常常会用到逻辑异或运算 逻辑异或还有一个特点 就是对一个数连续进行两次逻辑异或 该数就会恢复到原来的状态 这一特 点在一些需要数据可恢复的操作中是很有用的 定点运算器 运算器是数据的加工处理部件 是 CPU 的重要组成部分 运算器的主要功能是对数据进行加工处理 包括对数值数据的算术运算 如执行加 减 乘 除运算 变更数据的符号等 同时也包括对各种数据的逻辑运算 如进行与 或 非等运算 因此 实现对数据的算 术和逻辑运算是运算器最重要的功能 运算器通常由算术逻辑单元 Arithmetic Logic Unit ALU 寄存器 数据总线和其他逻辑部件组成 ALU 是具体完成算术与逻辑运算的单元 是运算器的核心 由加法器及其他逻辑运算单元组成 寄存器用 于存放参与运算的操作数 其中的累加器是一个特殊的寄存器 除了可以存放操作数外 还用于存放中间 结果和最后结果 数据总线用于完成运算器内部的数据传送 无论计算机的功能 规模有多大差异 其运算器的基本结构总是包括以下几个部分 ⑴能实现算术和逻辑运算的功能部件 ALU ⑵存放待加工信息或加工后信息的通用寄存器组 ⑶按操作要求控制数据输入的部件 如多路开关或数据锁存器 可以接收来自外部设备或存储器的数 据 也可以暂存通用寄存器的数据 ⑷按操作要求控制数据输出的部件 如输出移位开关和多路开关 可以将 ALU 的输出结果根据要求进 行移位 并经总线送往其他部件 或作为中间结果送给通用寄存器 以便作为 ALU 的输入进行下一次运算 ⑸计算机与其他部件进行信息传输的总线 以及总线接收器和发送器 总线接收器和发送器通常是由 三态门构成的 下面介绍运算器的各个组成部分. ALU 算术逻辑单元 ALU 不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能 而且具有先行进位逻辑 从而能实 现高速运算 特定 ALU 所支持的算术运算 可能仅局限于加法和减法 也可能包括乘法 除法 甚至三角函数和平 方根 有些 ALU 只支持整数 而其他 ALU 则可以使用浮点来表示有限精度的实数 但是 能够执行最简单 运算的任何计算机 都可以通过编程 把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤 所以 任何计算机都 可以通过编程来执行任何算术运算 如果其 ALU 不能从硬件上直接支持 则该运算将用软件方式实现 但需要花费较多的时间 超标量 Superscalar 计算机包含多个 ALU 可以同时处理多条指令 图形处理器和具有单指令流多 32

33 数据流 SIMD 和多指令流多数据流 MIMD 特性的计算机 通常提供可以执行矢量和矩阵算术运算的 ALU 2. 数据总线 除了运算器的核心部件 ALU 之外 运算器中还包括各种寄存器 多路选择器 移位器等部件 它们之 间的数据传送非常频繁 为了减少运算器内部的数据传送线同时便于控制 通常将一些寄存器之间的数据 传送通路加以归并 组成总线结构 使不同来源的信息在此总线上分时传送 根据总线所处的位置 总线可以分为内部总线和外部总线 内部总线是指 CPU 内各部件的连线 外部 总线是指系统总线 即 CPU 与存储器 I/O 系统之间的连线 运算器内部的总线属于内部总线 按照总线的逻辑结构 总线可以分为单向传送总线和双向传送总线 所谓单向传送总线 就是信息只 能向一个方向传送 传送地址信息或控制信息的总线通常是单向传送总线 而双向传送总线 就是信息可 以向两个方向传送 数据总线一般是双向传送总线 既可以发送数据 又可以接收数据 有时为了简化数 据线的管理 也可以有只用于发送数据或者只用于接收数据的数据总线 3. 运算器的基本结构形式 运算器的设计 主要是围绕 ALU 和寄存器同数据总线之间如何传送操作数和运算结果来进行的 在决 定方案时 需要考虑数据传送的方便性和操作速度 在微型机和单片机中还要考虑在硅片上制作总线的工 艺 运算器的基本结构形式如图 2-8 所示 单总线 缓冲寄存器 通 用 寄存器 A 特 殊 寄存器 B ALU (a) 单总线结构的运算器 总线 通 用 寄存器 特 殊 寄存器 缓 冲 寄存器 ALU 特 殊 寄存器 总线2 (b) 双总线结构的运算器 总线 总线2 通 用 寄存器 特 殊 寄存器 ALU 总 线 旁路器 总线3 (c) 三总线结构的运算器 图 2-8 运算器的三种基本结构 单总线结构的运算器 单总线结构的运算器如图 2-8(a)所示 所有部件都连接到同一条总线上 所以数据可以在任何两个寄 存器之间 或者在任一个寄存器和 ALU 之间传送 这种总线结构的运算器内部只有一组数据总线 优点是总线的控制电路比较简单 有利于提高大规模 集成电路的集成度 但是由于总线的分时性 同一时间内只能有一个操作数放到总线上 把两个操作数输入 到 ALU 需要分两次来做 而且还需要 A B 两个缓冲寄存器 因此 这种结构的主要缺点是操作速度较慢 33

34 执行一个双操作数的运算 一般需要三次数据传送 花费三个单元时间 以加法运算为例 首先把第一个操作数通过总线送往缓冲寄存器 A 暂存 再把第二个操作数通过总线 送往缓冲寄存器 B 暂存 最后一步是将两个操作数从缓冲寄存器 A 和 B 送往 ALU 并将运算结果通过总 线送往相应的通用寄存器 2 双总线结构的运算器 双总线结构的运算器如图 2-8(b)所示 有两条总线同时连接 ALU 的两个输入端 可以与通用寄存器双 向传送数据 为了防止总线冲突 在 ALU 的输出端设置缓冲寄存器 特殊寄存器分为两组 分别与两条总 线相连 在这种结构中 两个操作数同时加到 ALU 进行运算 只需要一次操作控制 而且马上就可以得到运 算结果 ALU 的输出不能直接加到总线上去 这是因为 当形成操作结果的输出时 两条总线都被输入数 占据 因而必须在 ALU 输出端设置缓冲寄存器 总之 双总线结构运算器比单总线结构运算器速度快 执 行一个双操作数的运算 一般只需要两次数据传送 花费两个单元时间 当然 总线控制电路要相对复杂 些 还是以加法运算为例 首先将两个操作数分别送往总线 和总线 2 由于总线 和总线 2 直接连接 ALU 的输入端 因此可以直接运算 并把运算结果送往 ALU 输出端的缓冲寄存器 第二步把缓冲寄存器 中存放的运算结果通过总线 送往相应的通用寄存器 3 三总线结构的运算器 三总线结构的运算器如图 2-8(c)所示 共有三条总线 由于三总线结构的总线控制电路复杂 为了简化 设备 每条数据总线都设计成单向总线 寄存器可以输出数据至总线 和总线 2 而总线 和总线 2 的数据 分别送往 ALU 的两个输入端 与之相反 ALU 的输出端只能送往总线 3 而寄存器也只能接收来自总线 3 的数据 在三总线结构中 ALU 的两个输入端分别由两条总线供给 而 ALU 的输出则与第三条总线相连 显 然 三总线结构运算器的速度是最快的 双操作数运算可以一步完成 当然 总线控制也是最复杂的 仍然以加法运算为例 可以将两个操作数通过总线 和总线 2 分别送往 ALU 同时将 ALU 的运算结 果通过总线 3 送往相应的通用寄存器 因为在三总线结构运算器中 每条总线都是单向传输数据 因此给寄存器之间的数据传送带来一定困 难 为了避免寄存器之间的数据传送也要用到 ALU 从而降低速度 在三总线结构运算器中还专门设置了总 线旁路器 只要开通总线旁路器 总线 2 的数据就可以直接送往总线 3 而不需要经过 ALU 这样就可以大 大提高寄存器之间的数据传送速度 4. 寄存器 寄存器一般指的是通用寄存器 多通用寄存器是现代计算机系统的结构特点之一 利用多个寄存器 可以存放运算过程的中间结果 使存取数据的速度提高 从而缩短指令周期 加快机器速度 通用寄存器是指这些寄存器的用途广泛 除了用于存放操作数和运算结果外 还可以作为变址寄存器 存放变址值 作为堆栈指示器存放堆栈指针等 可以被程序员直接使用 除了通用寄存器外 还有一些专 用寄存器 它们对于程序员而言是透明的 不能直接使用 硬件系统在完成某项工作时会用到相关的专用 寄存器 除此之外 累加器是运算器中与 ALU 直接相连 使用频繁的一种寄存器 每次运算的操作数或运算的 中间结果大多存放在累加器中 所以 累加器是与很多指令都相关的通用寄存器 2.5 浮点运算和浮点运算器 2.5. 浮点运算. 浮点数的加减法运算 设有两个浮点数 x 和 y 它们的规格化表示分别为 x = 2Ex Mx 34

35 y = 2Ey My 其中 Ex 和 Ey 分别为数 x 和 y 的阶码 而 Mx 和 My 分别为数 x 和 y 的尾数 这样 浮点数加 减法运 算的规则可以表示为 ( M x 2 Ex Ey ± M y ) 2 Ey E x ± y = 2 Ex M x ± 2 y M y = E E E ( M x ± M y 2 y x ) 2 x (Ex Ey) 式 2-3 (Ex>Ey) 之所以要这样分类 是因为要遵循 小阶向大阶靠拢 的对阶原则 下面会有详细的解释 根据公式 可总结出浮点数运算的几个步骤 0 操作数检查 浮点数的运算过程比较复杂 如果能判断出两个操作数中有一个为 0 那么运算结果马上可知 而不 必进行后续的一系列操作 以节省运算时间 2 对阶 两个浮点数相加减 首先要看它们的阶码是否相同 即小数点位置是否对齐 如果阶码相同 则表示 小数点位置是对齐的 尾数就可以直接进行加减运算 反之若两数阶码不同 则表示小数点位置没有对齐 不能直接进行加减运算 此时 必须通过 对阶 过程使两数的阶码相同 也就是使两数的小数点位置对 齐 要对阶就要改变两数中一个数的阶码 表面上看来改变哪一个都可以 由于随着阶码的改变 尾数也 要做相应的移动才能使浮点数据的值保持不变 所以如果阶码变大 尾数要右移 阶码变小 尾数要左移 尾数的左右移都会造成有效数据的移出与丢失 但是右移丢失的是最低有效位 而左移丢失的却是最高有 效位 显然 右移更能减小数据误差 所以 对阶必须遵循 小阶向大阶靠拢 的原则 两数中阶码较小的 那个数的阶码要变大 变成和另一个数的阶码一样 而这个数的尾数要作相应的右移 右移多少取决于阶 码变大多少 阶码每增加 尾数要相应右移 位 相当于小数点左移 位 对阶时 一般首先求出两数阶码之差 即 E = Ex - Ey 如果 E=0 说明两数阶码相等 无需对阶 如果 E>0 表示 Ex>Ey Ey 要向 Ex 靠拢 其尾数 My 要做相应右移 如果 E<0 表示 Ex<Ey Ex 要向 Ey 靠拢 其尾数 Mx 要做相应右移 3 尾数相加 对阶完成后 表示两数的小数点已经对齐 可以直接进行尾数的加减运算 无论加法运算还是减法运 算 都与前述的定点数补码运算一样 按加法进行操作 要注意的是 相加过程中没有溢出 也就是对于 定点数来说是溢出的结果 对于浮点数尾数相加来说是很正常的事情 所以我们常用双符号位表示尾数 4 结果规格化 尾数相加完成之后 还需要进行规格化的判定 如果不满足规格化要求 则要对结果作规格化处理 尾数的规格化处理有两种情况 如果尾数相加结果的两个符号位数据不相等 表明运算结果的尾数的绝对值大于 因此要 向右规 格化 由于尾数相加的绝对值不可能超过 2 因此向右规格化肯定是尾数右移 位 阶码加 如果尾数相加结果的符号位与数据最高位相等 表示数据没有规格化 尾数要 向左规格化 即尾 数左移 n 位 阶码相应减 n 5 舍入处理 在对阶和向右规格化的过程中 尾数都要向右移位 这样尾数的低位部分可能会丢失 从而造成一定 的误差 为了减少误差 要进行舍入处理 常用的舍入方法有两种 ⑴0舍入 0 舍 入 就是指尾数右移时被丢掉的数据的最高位如果是 0 那就舍去 如果是 就在尾数的 最低位加上 这种方法 实际上类似于我们平时所说的 四舍五入 这种方法的优点是每次舍入产生的误差小 误差控制在 2-(n+) 范围内 而且也不会造成误差的累积 但缺点是要进行一次 加 运算 特殊情况下还有可能造成再次 向右规格化 的现象 35

36 ⑵恒置 恒置 就是指尾数右移时 只要发生低位数据的丢失 尾数的最低位就被设定为 这种方法每次舍入所产生的误差比 0 舍 入 要大一点 误差控制在 2-n 范围内 而且也不会造成误 差的累积 其关键特点是舍入处理时无需进行加法运算 所以速度快 也不会造成再次 向右规格化 的 现象 6 溢出处理 尾数相加的溢出不是真正的溢出 可以借由向右规格化作出调整 那么 浮点数的运算会不会产生溢 出 什么时候才是真正的溢出呢 当浮点数在做向左或向右规格化的过程中 阶码也会做相应的调整 也就是说 阶码可能要加上 向右规格化 或者减去 n 向左规格化 n 为尾数左移的位数 显然 这些时候都有可能产生阶码溢出 现象 如果阶码减去 n 发生阶码溢出 也就是发生阶码的下溢 表示运算结果的精度超出了该浮点数可以表 示的范围 也就是运算结果趋近于 0 在这种情况下 机器一般认为运算结果就是 0 如果阶码加上 发生 阶码溢出 也就是发生阶码的上溢 表示数据超出了浮点数可表示的范围 一般认为是 + 或- 依赖于 尾数的正负 这种情况才是真正的溢出 机器的溢出标志会被置 综上所述 浮点数运算真正的溢出 是指在尾数相加的时候发生尾数上溢 并在向右规格化的时候使 阶码也发生上溢 2. 浮点数的乘除法运算 设有两个浮点数 x 和 y 它们的规格化表示分别为 x = 2Ex Mx y = 2Ey My 那么 两数的乘积为 x y=(2ex Mx) (2Ey My)=2Ex+Ey (Mx My) 式 2-4 也就是说 两个浮点数相乘的结果就是它们的阶码相加 尾数相乘 同理 两数相除的结果为 x y=(2ex Mx) (2Ey My)=2Ex-Ey (Mx My) 式 2-5 也就是说 两个浮点数相除的结果就是它们的阶码相减 尾数相除 这样 浮点数的乘除运算就可以转化成定点数的加 减 乘 除运算 无论是浮点数的乘法还是除法 都可以分为下面 4 个运算步骤 ① 0 操作数检查 ②阶码加/减操作 ③尾数乘/除操作 ④规格化处理与舍入 浮点运算流水线 一条具体的指令执行过程 通常可以分为五个部分 取指令 指令译码 取操作数 运算 ALU 写结 果 其中前三步一般由指令控制器完成 后两步则由运算器完成 按照传统的方式 所有的指令均为顺序执 行 首先指令控制器工作 完成第一条指令的前三步 然后运算器工作 完成后两步 接着指令控制器工 作 完成第二条指令的前三步 然后运算器工作 完成第二条指令的后两步 很明显 当指令控制器 工作时 运算器基本上处于空闲状态 而当运算器工作时 指令控制器又处于空闲状态 造成相当大的资 源浪费 一个显而易见的解决方法是 在完成第一条指令的前三步后 指令控制器不等运算器完成第一条 指令的后两步 就立即开始第二条指令的操作 对于运算器也是如此 这就形成了一种与工厂中的装配流 水线类似的流水线 为了实现流水 首先必须把输入的任务分割为一系列的子任务 使各子任务能在流水线的各个阶段并 发地执行 将任务连续不断地输入流水线 从而实现子任务级的并行 流水处理大幅度地改善了计算机的系 36

37 统性能 是在计算机上实现时间并行性的一种非常经济的方法 在流水线中 原则上要求各个阶段的处理时间都相同 若某一阶段的处理时间较长 势必造成其他阶 段的空转等待 因此 对子任务的划分 是决定流水线性能的一个关键因素 它取决于操作部分的效率 所期望的处理速度 以及成本价格等等 假定作业 T 被分成 k 个子任务 可表达为 T {T T2 Tk} 各个子任务之间有一定的优先关系 若 i<j 则必须在 Ti 完成以后 Tj 才能开始工作 各子任务之间 具有这种线性优先关系的流水线称为线性流水线 线性流水线的硬件基本结构如图 2-0 所示 L 输入 时钟 L S L S2 L L Sk 输出 C 图 2-0 线性流水线的硬件基本结构 图中 处理一个子任务的过程为过程段 Si 线性流水线由一系列串联的过程段组成 各个过程段 之间设有高速缓冲寄存器 L 以暂时保存上一过程子任务处理的结果 在一个统一的时钟 C 的控制 下 数据从一个过程段流向下一个相邻的过程段 设过程段 Si 所需的时间为 τi 缓冲寄存器的延时为 τl 线性流水线的时钟周期定义为 τ max{τi} + τl 式 2-6 流水线处理的频率 f /τ 在流水线处理中 当任务饱满时 任务源源不断地输入流水线 不论有多少级过程段 每隔一个时钟 周期总能输出一个任务 从理论上说 一个具有 k 级过程段的流水线处理 n 个任务需要的时钟周期数为 Tk k+(n-) 式 2-7 其中 k 个时钟周期用于处理第一个任务 k 个周期后 流水线被装满 剩余的 n- 个任务只需 n- 个周 期就完成了 如果用非流水线的硬件来处理这 n 个任务 时间上只能串行进行 则所需时钟周期数为 TL n k 式 2-8 将 TL 和 Tk 的比值定义为 k 级线性流水线的加速比 Ck = TL n k = Tk k + (n ) 式 2-9 当 n>>k 时 Ck k 也就是说 理论上 k 级线性流水线处理几乎可以提高 k 倍速度 但实际上 由于 存储器冲突 数据相关等原因 这个理想的加速比不一定能达到 浮点运算器实例. CPU 之外的浮点运算器 8087 是美国 Intel 公司为处理浮点数等数据的算术运算和多种函数计算而设计生产的专用算术运算处 理器 由于其算术运算是配合 8086 CPU 进行的 所以 8087 又称为协处理器 Co-processor 以下说明 8087 浮点运算器的特点和内部结构 ⑴以异步方式与 8086 并行工作 8087 相当于 8086 的一个 I/O 部件 本身有它自己的指令 但不能单 独使用 它只能作为 8086 主 CPU 的协处理器才能运算 如果 8086 从主存读取的指令是 8087 的浮点运算指 令 则它们以输出的方式把该指令送到 接受指令后进行译码并执行浮点运算 8087 进行运算期 间 8086 可取下一条其他指令予以执行 因而实现了并行工作 如果在 8087 执行浮点运算指令过程中 8086 又取来了一条 8087 指令 则 8087 给出 忙 标志信号加以拒绝 使 8086 暂停向 8087 发送命令 只 有待 8087 完成浮点运算而取消 忙 标志信号以后 8086 才可以进行下一次发送操作 ⑵可处理包括二进制浮点数 二进制整数和压缩十进制数串三大类 7 种类型数据 其中浮点数的格式 37

38 符合 IEEE-754 标准 有 32 位 64 位 80 位 临时实数 三种 2. CPU 之内的浮点运算器 奔腾 Pentium CPU 将浮点运算器包含在芯片内 浮点运算部件采用流水线设计 指令执行过程分为 8 段流水线 前 4 段为指令预取 DF 指令译码 D 地址生成 D2 取操作数 EX 在 U V 流水线中完成 后 4 段为执行 X 执行 2 X2 结果写回寄存器堆 WB 错误报告 ER 在浮点运算器中完成 奔腾 CPU 内部的主要流水线是 U-Pipe 能应付所有的 x86 指令 另一 条流水线称为 V-Pipe 只能对一些简单的整数指令和一个浮点运算指令 FXCH 解码 一般情况下 由 U 流水线完成一条浮点数操作指令 浮点部件内有浮点专用加法器 乘法器和除法器 有 8 个 80 位寄存器组成的寄存器堆 内部的数据总 线为 80 位宽 可支持 IEEE-754 标准的单精度和双精度格式的浮点数 还使用一种称为临时实数的 80 位 浮点数 38

39 第3章 存储系统 3. 存储器概述 存储器是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 现代计算机系统都是以存储器为中心 计 算机若要开始工作 必须先把有关程序和数据装到存储器中 程序才能开始运行 在程序执行过程中 CPU 所需的指令要从存储器中取出 运算器所需的原始数据要从存储器中取出 运算结果必须在程序执行完毕 之前全部写到存储器中 各种输入输出设备也直接与存储器交换数据 因此 在计算机运行过程中 存储 器是各种信息存储和交换的中心 3.. 基本概念 构成存储器的存储介质 目前主要采用半导体器件和磁性材料 存储器中最小的存储单位可以是一个 双稳态半导体电路或一个 CMOS 晶体管或磁性材料的存储元 它可存储一个二进制代码 这个二进制代码 位是存储器中最小的存储单位 称为一个存储位或存储元 若干个存储位可以组成一个存储单元 许多存 储单元可以组成一个存储器 这些存储单元的集合也称为存储体 我们知道 存储器是用来存储程序和数据的 而程序和数据都是用二进制来表示的 二进制数中每一 位 bit 0 或 就是由存储器的一个存储位来存储的 存储器的容量以字节 Byte 简称为 B 为单 位表示 比如 640KB MB 32MB GB 等 其相互关系如下 KB=024B MB=024KB GB=024MB TB=024GB CPU 向存储器送入和从存储器取出数据信息时 通常采用较大的信息单位 字 Word 来工作 总而言之 ⑴ 位 bit 是二进制数的最小单位 也是数字计算机的最小信息单位 通常用 b 表示 ⑵ 字节 Byte 包含 8 个 bit 通常用 B 表示 存储器容量一般都是以字节为单位的 ⑶ 字 Word 由若干个字节组成 至于一个字到底等于多少个字节 则取决于计算机的字长 即计 算机一次所能处理的数据的最大位数 例如 对于 32 位机 Word = 4 Bytes = 32 bits 3..2 存储器的分类 根据存储材料的性能及使用方法的不同 存储器可以有各种不同的分类方法 按存储介质分 存储介质必须满足两个基本要求 ⑴ 必须有两个明显区别的状态 分别表示二进制代码 0 和 ⑵ 两个物理状态的改变速度要快 它直接影响存储器的读写速度 目前使用的存储介质主要是半导体器件 磁存储介质和光存储介质 用半导体器件组成的存储器称为半 导体存储器 如计算机主存 用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器 它通过磁头和磁记录介质的相 对运动完成读出和写入 如磁盘 磁带 利用激光技术在光存储介质上写入和读出信息的存储器称为光盘 存储器 如只读型光盘 CD-ROM DVD-ROM 可读写光盘 CD-RW DVD+RW 一次性光盘等 2 按存取方式分 如果任何存储单元的内容都能被随机存取 且存取时间和存储单元的物理位置无关 则这种存储器称 为随机存储器 如半导体存储器 如果存储单元的内容只能按某种顺序来存取 存取时间与存储单元的物 理位置有关 取决于访问存储单元的地址顺序 则这类存储器称为顺序存储器 如磁带存储器 与顺序存 储器相比 随机存储器的存取速度快得多 但每一位的价格也要高很多 3 按存储器的读写功能分 有些半导体存储器中存储的内容是固定不变的 只能读出而不能写入 通常用来存放固定不变的程序 汉字字型库等 在制造芯片时由厂家预先写入 这类半导体存储器称为只读存储器 ROM 既能读出 内容又能写入新内容的半导体存储器称为随机读写存储器 RAM 用来存放正在执行的程序和正在访 问的数据 39

40 4 按信息的可保存性分 断电后信息就消失的存储器称为非永久记忆存储器 如半导体存储器 RAM 断电后仍能保存信息的 存储器称为永久记忆存储器 如磁介质存储器 光盘存储器 5 按在计算机系统中的作用分 根据在计算机系统中所起的作用 存储器可分为主存储器 辅助存储器 高速缓冲存储器 控制存储器 等 3..3 存储器的分级结构 一个存储器的性能通常用速度 容量 价格三个主要指标来衡量 计算机对存储器的要求是容量大 速度 快 成本低 需要尽可能地同时兼顾这三方面的要求 但是一般来讲 存储器速度越快 价格也越高 因而 也越难满足大容量的要求 目前通常采用多级存储器体系结构 使用高速缓冲存储器 主存储器和外存储器 如图 3- 所示 CPU Cache 主 存 磁 盘 磁 带 光 盘 } } 内 存 外 存 图 3- 存储系统的分级结构 CPU 能直接访问的存储器称为内存储器 简称内存 包括高速缓冲存储器和主存储器 CPU 不能直 接访问的存储器称为外存储器 简称外存 也叫辅助存储器 外存的信息必须调入内存才能被 CPU 使 用 高速缓冲存储器 Cache 是计算机系统中的一个高速 小容量的半导体存储器 它位于高速的 CPU 和低速的主存之间 用于匹配两者的速度 达到高速存取指令和数据的目的 和主存相比 Cache 的存取 速度快 但存储容量小 主存储器 简称主存 是计算机系统的主要存储器 用来存放计算机正在执行的大量程序和数据 主 要由 MOS 半导体存储器组成 外存储器 简称外存 是计算机系统的大容量辅助存储器 用于存放系统中的程序 数据文件及数据 库 与主存相比 外存的特点是存储容量大 位成本低 但访问速度慢 目前 外存储器主要有磁盘存储器 磁带存储器和光盘存储器 由 Cache 和主存储器构成的 Cache 主存系统 其主要目标是利用与 CPU 速度接近的 Cache 来高速存 取指令和数据以提高存储器的整体速度 从 CPU 角度看 这个层次的速度接近 Cache 而容量和每一位的 价格则接近主存 由主存和外存构成的虚拟存储器系统 其主要目的是增加存储器的容量 从整体上看 其速度接近于主存的速度 其容量则接近于外存的容量 计算机存储系统的这种多层次结构 很好地解决 了容量 速度 成本三者之间的矛盾 这些不同速度 不同容量 不同价格的存储器 用硬件 软件或软硬件结 合的方式连接起来 形成一个系统 这个存储系统对应用程序员而言是透明的 在应用程序员看来它是一 个存储器 其速度接近于最快的那个存储器 存储容量接近于容量最大的那个存储器 单位价格则接近最 便宜的那个存储器 3..4 半导体存储器芯片 半导体存储器芯片按照读写功能可分为随机读写存储器 Random Access Memory RAM 和只读存 储器 Read Only Memory ROM 两大类 RAM 可读可写 断电时信息会丢失 ROM 中的内容只能读出 不能写入 信息可永久保存 不会因为断电而丢失 随机读写存储器 目前广泛使用的半导体随机读写存储器是 MOS 半导体存储器 按保存数据的机理分为静态存储器 Static RAM SRAM 和动态存储器 Dynamic RAM DRAM 静态存储器 SRAM 40

41 利用双稳态触发器来保存信息 只要不断电信息就不会丢失 静态存储器的集成度低 成本高 功耗较大 通常作为 Cache 的存储体 2 动态存储器 DRAM 利用 MOS 电容存储电荷来保存信息 使用时需要不断给电容充电才能保持信息 动态存储器电路简单 集成度高 成本低 功耗小 但需要反复进行刷新 Refresh 操作 工作速度 较慢 适合作为主存储器的主体部分 刷新操作 为防止存储的信息电荷泄漏而丢失信息 由外界按一定规律不断地给栅极进行充电 补足 栅极的信息电荷 DRAM 工作时必须要有刷新控制电路 操作比较复杂 由于要不间断地进行刷新 故称这种存储器为 动态存储器 动态 MOS 存储器主要采用 读出 的方式进行刷新 依次读出存储器的每一行 就可完成对 整个 DRAM 的刷新 DRAM 存储器的刷新需要有硬件线路的支持 这些控制线路可以集成在一个半导体芯片上 形成 DRAM 控制器 借助于 DRAM 控制器 可以把 DRAM 当作 SRAM 一样使用 从而为系统设计带来很大的方便 3 增强型 DRAM EDRAM EDRAM 芯片是在 DRAM 芯片上集成一个高速小容量的 SRAM 芯片而构成的 这个小容量的 SRAM 芯片起到高速缓存的作用 从而使 DRAM 芯片的性能得到显著改进 当 CPU 从主存 DRAM 中读取数据时 会将包含此数据的整个数据块都写入高速缓存 SRAM 内 下次 读取连续地址数据时 CPU 就可以从这个 SRAM 中直接取用 而不必到较慢的 DRAM 中读取 如此即可 加快 CPU 的存取速度 将由若干 EDRAM 芯片组成的存储模块做成小电路插件板形式 就是目前普遍使用的内存条 2 只读存储器 只读存储器 ROM 是一种存储固定信息的存储器 其特点是在正常工作状态下只能读取数据 不能即 时修改或重新写入数据 只读存储器电路结构简单 且存放的数据在断电后不会丢失 特别适合于存储永久性的 不变的程序 代码或数据 如常数表 函数 表格和字符等 计算机中的自检程序就是固化在 ROM 中的 ROM 的最大优点是具有不易失性 只读存储器有不可重写只读存储器 MROM PROM 和可重写只读存储器 EPROM EEPROM 闪速 存储器等 两大类 不可重写只读存储器 ⑴掩模只读存储器 MROM 掩模只读存储器 又称固定 ROM 这种 ROM 在制造时 生产厂家利用掩模 Mask 技术把信息写入 存储器中 使用时用户无法更改 适宜大批量生产 掩模只读存储器可分为二极管 ROM 双极型三极管 ROM 和 MOS 管 ROM 三种类型 ⑵可编程只读存储器 PROM 可编程只读存储器 Programmable ROM 简称 PROM 是可由用户一次性写入信息的只读存储器 是在 MROM 的基础上发展而来的 PROM 的缺点是用户只能写入一次数据 一经写入就不能再更改 2 可重写只读存储器 这类 ROM 由用户写入数据 程序 当需要变动时还可以进行修改 使用起来比较方便 可重写 ROM 有紫外线擦除 EPROM 电擦除 EEPROM 和闪速存储器 Flash ROM 三种类型 ⑴光擦可编程只读存储器 EPROM EPROM 的特点是其中的内容可以用特殊的装置进行擦除和重写 EPROM 出厂时 其存储内容为全 用户可根据需要改写为 0 当需要更新存储内容时 可将原存储内容擦除 恢复为全 以 便写入新的内容 4

42 EPROM 一般是将芯片置于紫外线下照射 5~20 分钟左右 以擦除其中的内容 然后用专用的设备 EPROM 写入器 将信息重新写入 一旦写入则相对固定 在闪速存储器大量应用之前 EPROM 常用于软件开发过程中 ⑵电擦可编程只读存储器 EEPROM 或 E2PROM 用紫外线擦除 EPROM 的操作复杂 速度很慢 EEPROM 可以用电气方法将芯片中的存储内容擦除 擦除时间较快 甚至可以在联机状态下操作 EEPROM 既可使用字擦除方式又可使用块擦除方式 使用字擦除方式可擦除一个存储单元 使用块 擦除方式可擦除数据块中所有存储单元 ⑶闪速存储器 Flash ROM 闪速存储器 Flash ROM 是 20 世纪 80 年代中期出现的一种块擦写型存储器 是一种高密度 非易失性 的读/写半导体存储器 它突破了传统的存储器体系 改善了现有存储器的特性 Flash ROM 中的内容或数据不像 RAM 一样需要电源支持才能保存 但又像 RAM 一样具有可重写性 在某种低电压下 其内部信息可读不可写 类似于 ROM 而在较高的电压下 其内部信息可以更改和删 除 类似于 RAM Flash ROM 可以用软件在 PC 机中改写或在线写入 信息一旦写入即相对固定 因此 在 PC 机中可用 于存储主板的 BIOS 程序 由于能进行改写 便于用户自行升级 BIOS 但这也给病毒以可乘之机 著名的 CIH 病毒正是利用这个特点来破坏 BIOS 从而导致整个系统瘫痪的 另外 由于单片存储容量大 易于修改 Flash ROM 也常用于数码相机和 U 盘中 因其具有低功耗 高密度等特点 且没有机电移动装置 特别适合于便携式设备 成为替代磁盘的一种理想工具 3.2 主存储器 3.2. 主存储器的技术指标 主存储器是 CPU 能直接访问的存储器 由随机读写存储器 RAM 和只读存储器 ROM 组成 能快速地进行 读或写操作 衡量一个主存储器性能的技术指标主要有存储容量 存取时间 存储周期和存储器带宽 存储容量 在一个存储器中可以容纳的存储单元的总数称为存储容量 Memory Capacity 存储单元可分为字存储单元和字节存储单元 所谓字存储单元 是指存放一个机器字的存储单元 相 应的单元地址称为字地址 而字节存储单元 是指存放 个字节 8 位二进制数 的存储单元 相应的地 址称为字节地址 如果一台计算机中可编址的最小单位是字存储单元 则该计算机称为按字编址的计算机 如果一台计算机中可编址的最小单位是字节存储单元 则该计算机称为按字节编址的计算机 一个机器字 可以包含数个字节 所以一个字存储单元也可包含数个字节存储单元 为了描述方便和统一 目前大多数计算机采用字节为单位来表征存储容量 在按字节寻址的计算机中 存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定 例如 一台计算机的地址码为 n 位 则可产生 2n 个不同 的地址码 如果地址码被全部利用 则其最大容量为 2n 个字节 一台计算机设计定型以后 其地址总线 地 址译码范围也已确定 因此其最大存储容量是确定的 而实际配置存储容量时 只能在这个范围内进行选 择 通常情况下主存储器的实际存储容量远远小于理论上的最大容量 一般而言 存储器的容量越大 所 能存放的程序和数据就越多 计算机的解题能力就越强 存储容量的单位通常用 KB MB GB 来表示 K 代表 20 M 代表 220 G 代表 230 KB=l024B MB=024KB GB=l024MB 2 存取时间 存取时间即存储器访问时间 Memory Access Time 是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的 时间 具体地说 读出时为取数时间 写入时为存数时间 取数时间就是指存储器从接受读命令到信息被读 出并稳定在存储器数据寄存器中所需的时间 存数时间就是指存储器从接受写命令到把数据从存储器数据 42

43 寄存器的输出端传送到存储单元所需的时间 3 存储周期 存储周期又称为访问周期 是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间 它是衡量主存 储器工作性能的重要指标 存储周期通常略大于存取时间 4 存储器带宽 存储器带宽是指单位时间里存储器所存取的信息量 是衡量数据传输速率的重要指标 通常以位 /秒 bps bit per second 或字节/秒 Byte/s 为单位 例如 总线宽度为 32 位 存储周期为 250ns 则 存储器带宽 = 32b/250ns = 28Mb/s = 28Mbps 存取时间 存储周期 存储器带宽都反映了主存的速度指标 主存储器的基本组成 主存储器由存储体 寻址系统 存储器数据寄存器 读写系统及控制线路等组成 如图 3-3 所示 EMBED Visio.Drawing. X0 A0 A A2 A3 A4 A5 地 址 输 入 缓 冲 X 地 址 译 码 器 X... X63 0,0 0,,0..., 63,0 DB 输入输出 缓冲 I/O 电路,63... 存储矩阵 , 0, ,63 Y0 Y Y63 Y 地 址 译 码 器 地 址 输 入 缓 冲 控制电路 R/W CS A6 A7 A8 A9 A0 A 图 3-3 主存储器的基本组成 存储体 存储体是一个由存储单元按照一定规则排列起来的存储阵列 存储体是存储器的核心 是存储信息的 实体 2 寻址系统 寻址系统就是读出和写入信息的地址选择机构 包括存储器地址寄存器 MAR 和地址译码器 地址译码器接收来自地址寄存器的 n 位地址 经译码后产生 2n 个地址选择信号 并从 2n 个单元中选出 一个单元 通常用 X 选择线 行线 和 Y 选择线 列线 的交叉来选择所需要的单元 存储器地址寄存器 MAR 具有地址缓冲功能 可使 CPU 和主存的速度都得到充分发挥和提高 MAR 从 功能上看属于主存 但在一些微型机中常被放在 CPU 内 并可兼作别用 在速度要求较高的计算机中 CPU 与主存中都设有地址寄存器 3 存储器数据寄存器 MDR 一般把存储器数据寄存器 MDR 作为存储器接收输入数据和发出输出数据用的数据缓冲器件 在数据 传送中 它可以起到数据缓冲作用 使 CPU 与主存速度相匹配 从而使两者的速度都能得到发挥和提高 4 读写系统 读写系统包括写入信息和读出信息所需线路 写入信息所需线路包括写入线路 写驱动器等 读出信息 所需线路包括读出线路 读驱动器和读出放大器等 43

44 5 控制线路 无论是读或写操作 都需要由一系列明确规定的连续操作步骤来完成 这就需要主存时序线路 时钟 脉冲线路 读逻辑控制线路 写或重写逻辑控制线路以及动态存储器的定时刷新线路等 这些线路总称为存 储器控制线路 存储器控制线路控制逻辑电路接收片选信号 CS Chip Select 及来自 CPU 的读/写控制信 号 形成芯片内部控制信号 并控制数据的读出和写入 主存储器的工作原理 由 CPU 发来的地址送到存储器地址寄存器中 在读写控制线路的作用下 经 过地址译码后 选中存储体中某一存储单元 对该存储单元进行读 /写操作 读出或写入的信息都暂存于 存储器数据寄存器中 主存储器的扩展 CPU 对存储器进行读/写操作 首先由地址总线给出地址信号 然后发出读操作或写操作的控制信号 最后在数据总线上进行信息交流 因此 存储器同 CPU 连接时 要完成地址线 数据线和控制线的连接 目前生产的存储器芯片的容量是有限的 在字数或字长方面与存储器的实际要求都有差距 所以需要 在字向和位向两方面进行扩充才能满足实际存储器的容量要求 通常采用位扩展法 字扩展法 字位同时扩 展法 位扩展法 假定使用 8K l 位的 RAM 芯片 那么组成 8K 8 位的存储器 可采用图 3-4 所示的位扩展法 此时只 需把字长由 位加大到 8 位 而存储器的字数 8K 则与存储器芯片的字数一致 图中 每一片 RAM 的字 数是 8K 23 故其地址线为 3 条 A0~A2 可满足整个存储体容量的要求 每一片 RAM 对应数据的 位 只有 条数据线 故只需将它们分别接到数据总线上的相应位即可 在这种方式中 对芯片没有选 片要求 就是说芯片均按已被选中来考虑 在这种连接中 每一条地址总线接有 8 个负载 每一条数据线 接有 个负载 I/O 3 I/O 2 I/O 中央 处理器 CPU A2 I/O 0 地址总线 A0 I/O I/O 8K I/O I/O D0 数据总线 D7 图 3-4 位扩展法组成 8K 8 位存储器 2 字扩展法 字扩展法仅在字向扩充 而位数不变 因此可以将芯片的地址线 数据线 读/写控制线并联 而由片 选信号来区分芯片的具体地址 故片选信号端连接到选片译码器的输出端 使用 6K 8 位的 RAM 芯片 采用字扩展法组成 64K 8 位存储器的连接如图 3-5 所示 其中每一片 RAM 的字数是 6K 24 故其地址线为 4 条 A0~A3 图中 4 片芯片的数据线与数据总线的 D0~D7 相连 对应 8 位数据 地址总线低位地址 A0~A3 与各片芯片的 4 位地址端相连 两位高位地址 A4 A5 经 2:4 译码器与 4 片芯片的片选端相连 其地址空间分配见表 3-44

45 2:4 译 码 器 A5 A CE CE CE 6K 8 6K 8 6K 8 6K 8 WE WE D0~D7 3 CE CPU A0 A3 2 WE WE WE 图 3-5 字扩展法组成 64K 8 位存储器 表 3- 图 3-5 的地址空间分配表 地址 片外 A5 A 片内 A3 A2 A A A0 说明 最低地址 最高地址 最低地址 最高地址 最低地址 最高地址 最低地址 最高地址 片号 字位同时扩展法 一个存储器的容量假定为 M N 位 若使用 L K 位的芯片 L<M, K<N 则需要在字向和位向同时 进行扩展 此时共需要 M/L N/K 个存储器芯片 3.3 高速存储器 高速 CPU 与主存储器在速度上不相匹配 而且在一个 CPU 周期中有可能需要用到几个存储器字 这成 为了限制高速计算的主要问题 为了使 CPU 不至于因为等待存储器读写操作的完成而无事可做 可以采取 一些特殊措施 以加速 CPU 和存储器之间的有效传输 ⑴主存储器采用更高速的技术来缩短存储器的读出时间 或加长存储器的字长 ⑵采用并行操作的双端口存储器 ⑶在 CPU 和存储器之间插入一个高速缓冲存储器 Cache 以缩短读出时间 ⑷在每个存储器周期中存取几个字 3.3. 双端口存储器 常规存储器是单端口存储器 每次只接收一个地址 访问一个存储单元 从中读取或写入一个字节或 字 主存储器是信息交换的中心 一方面 CPU 频繁地与主存交换信息 另一方面外设也较频繁地与主存交 换信息 而单端口存储器每次只能接受一个访存者 或是读或是写 这就影响到存储器的整体工作速度 为此 在某些系统中采用了双端口存储器 图 3-6 所示的双端口存储器具有两个彼此独立的读写口 每个读写口都有一套自己的地址寄存器和译 码电路 可以并行地独立工作 两个读写口可以按各自接收的地址同时读出或写入 或一个写入而另一个 读出 与两个独立的存储器不同 两个读写口的访存空间相同 可以访问同一个存储单元 通常使双端口存 储器的一个读写口面向 CPU 另一个读写口则面向外设或输入输出处理机 45