第2章体系结构与组织.docx

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1、第2章 体系结构与组织学习目标： 了解计算机体系结构的发展、存储系统的结构与组织、接口与通信等基础知识。 掌握数据的机器级表示、非数值数据、数字逻辑与数字系统、汇编级计算机组成 等基础知识。2.1计算机体系结构的发展本章主要学习数值数据在计算机中的表示与运算、非数值数据的表示、数据的机器编 码、数字逻辑与数字系统、计算机系统的组成等基础知识。计算机体系结构是指根据属性和功能不同而划分的计算机组成部什茨史馨， 计算机体系结构发展.mp4 分及计算机基本工作原理、理论的总称，即指适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素相互配合、协作，通过对信息处理而完成预先定义的 目标。计算机体系结构

2、是程序员所看到的计算机的属性，即计算机的逻辑结构和功能特征, 包括其各个硬件和软件之间的相互关系。对计算机系统设计者而言，计算机体系结构是指 研究计算机的基本设计思想和由此产生的逻辑结构；对程序设计者而言，计算机体系结构 是指对系统功能的描述（如指令集、编制方式等）。亚当（Adam）等人从程序设计角度看到了 计算机的属性（外特性），并于1964年率先提出计算机系统结构的概念。至今为止，计算机 共经历了四个不同的发展阶段。1 .第一阶段20世纪60年代中期以前.，是计算机体系结构发展的早期。在这个时期通用硬件已经 相当普遍，软件却是为每个具体应用而专门编写的，大多数人认为软件开发无须预先计划。

3、这时的软件实际上就是规模较小的程序，程序编写起来相对容易，没有系统化的方法，也 没有进行任何管理，除了程序清单之外，根本没有保存其他文档资料。2 .第二阶段从20世纪60年代中期到70年代中期，多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概 念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次。这个阶段的一 个重要特征是出现了 “软件作坊”，广泛使用产品软件。但是，“软件作坊”基本上仍然 沿用着早期形成的个体化软件开发方法。许多程序的个体化特性使得它们最终成为不可维 护的产品，“软件危机”开始出现。3 .第三阶段从20世纪70年代中期到80年代中期，计算机技术又有了很大进步。分布式系统极

4、大 地增加了计算机系统的复杂性，局域网、广域网、宽带数字通信以及对“即时”数据访问 需求的增加，都对软件开发者提出了更高的要求。但是，这个时期软件仍然主要在工业界 和学术界应用，个人应用还很少。这个时期的主要特点是出现了微处理器，以微处理器为 核心的“智能”产品精彩纷呈，PC逐渐成为大众化的商品。4 .第四阶段从20世纪80年代中期开始，人们感受到的是硬件和软件的综合效果。由复杂操作系 统控制的强大的桌面机及局域网、广域网和Intemet网，与先进的应用软件相配合，己经成 为当时的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布式环境，集群、网 络、云计算等概念层出不穷。2.2数据的机器

5、级表示计算机只能识别二进制编码的指令和数据，其他的如数字、字符、声音、图形、图像 等信息都必须转换成二进制的形式，计算机才能识别和处理。二进制只有两个状态(即0和 1),这正好与物理器件的两种状态相对应，例如电压信号的高与低、门电路的导通与截止 等。而十进制电路则需要用10种状态来描述，这将使电路十分复杂，处理起来也非常困难。 因此，采用二进制将使计算机在物理实现上变得简单，且具有可靠性高、处理简单、抗干 扰能力强等优点。2.2.1 数的表示及数制转换李约瑟十进制数是日常生活中常用的，一直伴随着人们的生活。在商教的表示及敷制转换mp4 代时，我国就己采用了十进制。十进制的记数法是古代世界中最先

6、 进、最科学的记数法，对世界科学和文化的发展起着不可估量的作 用。正如李约瑟(JoSePhTerenCeMOntgomeryNeedham, 19001995) 所说的，“如果没有这种十进制，就不可能出现我们现在这个统一 化的世界了”。除了十进制外，其他进制，例如十二进制(时钟)等也 在生活中广泛使用。在计算机内所有的数据都是以二进制代码的形 式存储、处理和传送，但是在输入/输出或书写时，为了用户的方便， 也经常用到八进制和十六进制。在十进制(decimal)系统中，进位原则是“逢十进一”。由此可知，在二进制(binary)系 统中，其进位原则是“逢二进一”；在八进制(OClal)系统中，其进

7、位原则是“逢八进一”； 在十六进制(hexadecimal)系统中，其进位原则是“逢十六进一”。为了弄清进制的概念及 其关系，故而有必要掌握各种进位制数的表示方法以及不同进位制数之间相互转换的方法。1 .数制的相关概念在进位记数的数字系统中，如果只用R个基本符号(如0, 1,2,R-1)来表示数值，那 么称其为“基H数制”。在各种进制中，基和位权这两个基本概念对数制的理解和多种数 制之间的转换起着至关重要的作用。(1)基。称R为数制的“基数”，简称“基”或“底”。例如，十进制数制的基R=M(2)位权。数值中每一固定位置对应的单位被称为“位权”，简称“权” .它以数制 的基为底,以整数为指数组成

8、,例如，一个十进制数制的位权为I(F L如(P, io% IOL 1伊, IO1, IO 2, IO 3,，10对十进制数，R=IO,它的基本符号有10个，分别为0, 1,2,9。对二进制数，R=2, 其基本符号为0和1。进位记数的编码符合“逢R进位”的规则。各位的权是R为底的基，一个数可按权展 开成多项式。例如，十进制数523.47可按权展开如下：523.47=5102 +210, +31Oo +410 ,+710-2因此，可将任意数制的数N表示为以下通式：(N)R = Dm Ir + Dg Rg + + D R + D RO + D I RT + + D k R k = EDjR式中，(M

9、R表示R进制的数M数共有m+k+1位，且相和&为正整数；D可以是R进制的 基本符号中的任意一个；押为该进制的权，R为基数或“底”。在计算机中常用的数制有十进制、二进制、八进制、十六进制数制，它们的基、位权 及基本符号总结如表2.1所示。表2.1各种进制的基、位权及基本符号进制名称基(H)位权基本符号十进制10,103,IO2JO1,10,IO1,102, IO-3,0,12 ,9二进制2.7j ?2 9l 0-1 7-2 0-3 .0,1八进制88秒8,84,8 8-3,0,1,2,十六进制16,163,162J6,160,16-,16-2. 16-0,l,2j,9,AB,C,D,E,F2 .

10、数制的表示数制的表示方法有很多种，常用的有以下两种。D下标法下标法是指用小括号将所表示的数括起来，然后在括号外的右下角写上数制的基七例2.1 (862)A (IOIo.11)2、(356)8、(93BF)g分别表示一个十进制数、二进制数、八 进制数和十六进制数。2)字母法字母法是指在所表示的数的末尾加上相应数制的首字母。进制对应的字母如表2.2所示。表2.2进制与字母进制十进制二进制八进制十六进制所用字母DBOH八进制的字母。为与数字零区别，故而有时用Q表示。而由于生活中常用的数制为十 进制，因此，对于十进制数，可以省略其后的字母D。例2.2 862D或862、1010.1IB, 356Q、9

11、3BFH分别表示一个十进制数、二进制数、 八进制数和十六进制数。3 .数制间的基本关系十进制、二进制、八进制和十六进制数制之间的基本关系如表2.3所示。表2.3数制间的基本关系十进制二进制八进制十六进制0(X)(X)(X)01OOOIOl12OOlO0223OOll0334OlOO0445OlOl0556OllO0667Olll077810001089100111910101012AIlIOll13B12IIOO14C13IlOI15D14IllO16E15Illl17F4 .数制之间的转换二进制、八进制、十六进制和十进制数制之间的相互转换有一定的规律，只要掌握了 它们之间的基本规律，就很容易

12、进行这些数制之间的相互转换，具体内容如下所述。D其他进制数转换为十进制数其他进制转换为十进制的具体转换方法为：相应位置的数码乘以对应位的权，再将所 有的乘积进行累加，即得对应的十进制数。例 2.3 (1001.101)2=(l23+022+021+l20+l2 1 +022+1 23)o=(8+0+0+1 +0.5+0+0.125) 10=(9.625) io例 2.4 (8A.F)i6=(816,+10160+1516 1)io=(128+10+0.9375) 10=(138.9375) io2)二进制数、八进制数、十六进制数之间的转换八进制数和十六进制数是从二进制数演变而来的。其具体转换方

13、法为：由3位二进制 数组成1位八进制数，由4位二进制数组成1位十六进制数。对于同时有整数和小数部分 的数，则以小数点为界，对小数点前后的数分别进行分组处理，不足的位数用O补足，对 于整数部分将O补在数的左边，对于小数部分则将O补在数的右边。例 2.5 (1 001.111 l)2=(001 001.111 100)2=(l 1.74)8例 2.6 (1 1011.1001)2=(0001 1011.1OO1)2=(1B.9)6例 2.7 (5A.F3)i6=(0101 1010.1111 0011)2=(.)23)十进制数转换为其他进制数(1)整数的转换方法为：除基取余法。即用十进制整数除以要

14、转换的进制数的基，取 余数，从低位向高位逐次进行，然后对商继续这一操作，直到商为零为止。例28现以(156)o为例，利用除2取余法将其转换为二进制整数的过程如下：2| 156 xo=O2178 Xi=O2 39 X2=I2 1 9 X3=I29 X4=l2 4 X5=O2 2 X6=O1 X7= 1即(156)0=(X7 X6 XS X4 X3 Xl Kl XO)2 =()2 将除2取余法推广开来，可以得到将十进制整数转换为其他进制数的方法。 (2)小数的转换方法为：乘基取整法。即将十进制小数乘以要转换的进制数的基，取 整数，然后对小数点后的数继续这一操作，直到小数点后为零或达到所要求的精度为

15、止。 例29以(0.5625)10转化为二进制数为例，说明其转换过程。0.5625 X 2 1.1250 x-=l0.1250 X 20.2500 X 2=00.2500X 2 0.5000 X 3=00.5000X 2 1.0000 X-4=1(0.5625)o=(Ox ix 2X 3x 4)2=(OJOOl)2(3)十进制混合小数的转换为：将十进制数的整数和小数分别按上述方法进行转换， 然后再组合到一起。十进制混合小数由整数和纯小数组成。将十进制数的整数部分按除R 取余法转换为R进制的整数部分，将十进制的纯小数部分按乘R取整法转换为R进制的小 数部分，然后再将R进制的整数部分和小数部分组合起来构成R进制混合小数。例2.10