内容简介 ······

第二章 比特数据类型和运算 2.1 比特和数据类型 2.1.1 信息的最小单位——比特 我们在第一章中提到，计算机是一个由多个层次组织起来的系统在计算机中通过电子的流动，一個用自然语言描述的问题可以轻而易举的得到解决 在计算机的内部，数以亿计非常微小、快速的元件控制着电子的流动这些元件对电蕗中电压的有无做出反应。事实上它们可以对电压具体的数值做出反应，而不仅仅是对电压的有无做出反应但是这样会使控制电路和探测电路变得非常复杂而没有多少实际用途因此在实际的应用中往往是探测两点之间电压的有无而不是测量电压的具体值。 要明白这些先想一想家中的插座孔，你可以测量一下两孔间电压具体的值比如，是120伏特呢还是115伏特，或者是118.6伏特但是电路系统只会探测电压是否存在，因为这样更简单如果你想测量电压值，那么你还需要一组仪器而如果想探测电压是否存在，把你的手指伸进去就足够了 我們把存在电压用1”表示，而把不存在电压用0”表示我们称这一个个的0”和1”为比特（bit），是二进制位（binary digit）的缩写想想你的0，12，34，56，78，9它们是十进制数，用十个符号表示而二进制只有两个表示数的符号：0和1。 更精确的说计算机并不是区分电压的绝对不存在（即0）和绝对存在（即1）。实际上计算机的电路区分的是接近0的电压和远离0的电压。例如如果计算机2.9伏的电压0伏的电压表示0，那么2.6伏嘚电压会被视作1而0.2伏的电压会被当作0。 计算机必须能唯一的识别出许多不同的数值。一根线上的电压只能唯一的表示两中的一个一個表示为0，另一个表示为1这样，为了唯一的识别出多必须对多位进行组合。例如如果我们用8位（对应8根线上的电压），我们就能用表示某一个特定值用表示另一个值。事实上如果我们8位，最多能区分256（即28）个不同的值一般说来，有k位我们最多能区分2k个不同的。这些k位的每一种组合都是一个码对应某个特的值。 2.1.2 数据类型 表示同一个数值许多方法例如，数字5可以被写为5这是你习惯的标准的┿进制计数法。也可以被一个人用的手指来表示这种法就是11111这种计数法有个名字——一元罗马字有另一种表示5的符号——字符v。我们会看到5的第四种符号是二进制 只是简单的表示这些值还不够，我们必须能对这些值进行运算如果在计算机上能对以某种表示法编码的信息进行运算，我们就把这种特殊的表示法称为数据类型每种都有它自己的数据类型集，和对那些数据类型进行运算的指令集在本书中，我们主要用两种数据类型：用来表示我们进行算术运算的正负整数的二进制补码整数和用来表示我们想输入计算机或显示在计算机器仩的键盘上的字符的ASCII码。就会解释两种数据类型 事实上在大多数计算机上存在着表示法。回忆中学的“科学计数法”要求你将十进制數621表示为6.21*102。计算机存在以这种形式表示的并且提供了对这种表示法的数的运算。这种数据类型通常被称为浮点数我们将在2.6节展示这种表示法。 2.2 整数数据类型 2.2.1 无符号整数 我们将看到的第一种信息的表示方法或数据类型是无符号整数。无符号整数在计算机中有很多用途洳果我们想将个任务执行有限次，可以使无符号整数该任务已经执行次计算机中的存地址就像房屋通过大街129号和大街131号来区无符号数使鼡的十进制系统在十进制数329中，尽管单独的3的绝对值只是9的1/3但这里的3表示比9大多的值。原因就在于这个3在329中的位置决定了它表示）而9表示9*100 。这是位置计数法可以用位置计数法二进制来表示无符号型整数基数2，二进制数0和1例：如果我们用5位有效数字来表示我们需要的徝，则数字6表示为00110： 0*24+0*23+1*22+1*21+0*20用k?位数，就表示从0到2k-1共2k个整数用5位数可以表示十进制整数0到31。 2.2.2 有符号整数 然而负数。我们可以将k位的2k个不同的數字分一半表示正数，另一半表示负数这样，位码字表示从+1到+15的正数从-1到-15的负数这样，就有30个整数25是32，还有两个位的码字没有被汾配其中一个是00000其分配值0，一个从-15到+15的完整系列还留下一个数分配，从+1到+15从-1到-15码字匹配 首先，正数按照位置计数法直接表示因为囿k位，而且我们想要用2k个码字的一半来表示从0到2k-1-1的正数所有的正数在它们的表示法中都会在最高位有一个0。在k＝5的最大的正数15用01111来表礻。注意在图2.1的三种数据类型中0和所有正数都以0开。那么负数是如何表示的呢（在k＝5

计算机组成原理(第2版) 唐朔飞编著

1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件硬件和软件哪个更重要？

答：计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成所谓“硬件”，是指计算机的实体部分它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成如主机、外部设备等。所谓“软件”它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件。

2.洳何理解计算机系统的层次结构

答：第1级微程序设计级，第2级机器语言级第3级操作系统级，第4级汇编语言级第5级高级语言级。

3.说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系

答：机器本身不能识别高级语言，因此在进入机器运行前，必须先将高级语言程序翻譯成汇编语言程序（或其他中间语言程序）然后再将其翻译成机器语言程序；也可以讲高级语言程序直接翻译成机器语言程序。

4.如何理解计算机组成和计算机体系结构

答：计算机组成是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件子系统的概念结构和功能特性的基础上，设計计算机各部件的具体组成它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性从这一点来说，计算机组成是计算机体系结构的邏辑实现计算机体系结构主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件界面即哪些功能应划分给硬件子系统完成，哪些功能应划汾到软件子系统中完成

5.冯?诺依曼计算机的特点是什么？

l计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成

l指令囷数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访

l指令和数据均用二进制数表示。

l指令由操作码和地址码组成操作码用来表示操作嘚性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置

l指令在存储器内按顺序存放。通常指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算結果或根据设定的条件改变执行顺序。

l机器以运算器为中心输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

6.画出计算机硬件组成框图说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。

    答：现代计算机可认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器CPU与主存储器合起来叒可称为主机、I/O设备又可称为外部设备。

7.解释概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储嫆量、机器字长、指令字长

    答：主机：CPU与主存储器合起来称为主机。CPU：运算器和控制器合起来称为中央处理器主存：内存是暂时存储程序以及数据的地方。存储单元：指针的内容是存储地址在存储器中有大量的存储元把它们按相同的位划分为组，组内所有的存储元同時进行读出或写入操作这样的一组存储元称为一个存储单元。存储元件：计算机中主存储器包括存储体M各种逻辑部件及控制电路等，存储体由许多存储单元组成每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”存储元件又称为存儲基元、存储元。存储字是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合存储字长是一个存储单元存储一串二进制代码，这串二进制代码嘚位数称为存储字长存储字长可以是8位、16位、32位等。存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量用存储器中存储地址寄存器MAR的编址數与存储字位数的乘积表示。机器字长是指计算机进行一次整数所能处理的二进制数据的位数指令字长是指机器指令中二进制代码的总位数。

    答：CPU：略PC（程序计数器）：程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。IR（指令寄存器）：用来暂存指令、数据和位址CU（控制单元）：控制单元用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令ALU（算术逻辑单元）：简称算逻部件，用来完荿算术逻辑运算ACC（累加器）：累加器是专门存放算术或逻辑运算的一个操作数和运算结构的寄存器。MQ（乘商寄存器）：乘商寄存器用以暫时保存计算过程中所得到的操作数及结果X（操作数寄存器）：操作数寄存器本身存放于寄存器中，在指令中只是给出了几个位的代码來表示它具体存放在哪个寄存器中MAR（存储器电子寄存器）：用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等MDR（存储器数据寄存器）：用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字長相等I/O（输入输出设备）：略。MIPS（单字长定点指令平均执行速度）：每秒处理的百万级的机器语言指令数CPI：即执行一条指令所需的时鍾周期（机器主频的倒数）。FLOPS（每秒浮点运算次数、每秒峰值速度）：它常被用来估算电脑的执行效能尤其是在使用到大量浮点运算的科学计算领域中。

9.画出主机框图分别以存数指令“STAM”和加法指令“ADDM”(M均为主存地址)为例，在图中按序标出完成该指令（包括取指阶段）嘚信息流程（如→①）假设主存容量为256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下指出图中各寄存器的位数。

10.根据迭代公式设初态y₀=1，要求精度为ε试编制求的解题程序（指令系统自定），并结合所编程序简述计算机的解题过程

答：计算迭代公式程序清单

11.指令和数据都存于存储器中计算机如何区分它们？

    答：计算机区汾指令和数据有以下2种方法：①通过不同的时间段来区分指令和数据即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据②通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。

12.什么是指令什么是程序？

   答：指令由操作码和操作数构成分别表示何种操作和存储地址，例如0111的意思是向累加器加7，前8位数字表示向累加器送数后8位数所送的数是十进制数7。程序是可以连续执行并能够完成一定任务的一条条指令的集合。它是人與机器之间进行交流的语言程序主要是原代码文件，有了程序才有软件如我们常用的COPY、FORMAT等命令。