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  • 计算机组成原理白中英
    2021-07-16 00:26:27

    计算机的组成

    计算机和网络是信息技术的核心,利用计算机可以高效地处理和加工信息,随着计算机技术的发展,计算机的功能越来越强大,不但能够处理数值信息,而且还能处理各种文字、图形、图像、动画、声音等非数值信息。下面我们就来学习计算机工作原理

    工 作 原 理

    1945年,美籍著名数学家冯·诺依曼提出了存储程序的设计思想,至今仍然采用冯·诺依曼结构。冯·诺依曼将计算机分成五大基本部分:输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。工作原理见下图。

    根据上面的学习,我们知道计算机的硬件系统是由输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备组成,下面深入学习计算机的硬件系统

    硬 件 系 统

    计算机硬件系统:指构成计算机的所有物理部件的集合。从外观上看,由主机、输入和输出设备组成。根据冯·诺依曼原理,将计算机分成输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。

    输入设备:使计算机从外部获得信息的设备,包括文字、图像、声音等信息。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、话筒、手写汉字输入设备,数码相机、触摸屏等。

    ·         输出设备:计算机中把信息处理的结果以人们能够识别的形式表现出来的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪。

    ·         存储器:计算机的记忆和存储部件,用来存放信息。存储器分为内存和外存。

    o        内存:存储程序和数据,又可分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。

    外存:长期存储程序和数据,容量大。主要有三种:软盘、硬盘和光盘。硬盘是一种硬质圆形磁表面存储媒体,不但存储量大,而且速度快,是目前计算机主要的存储设备。按光盘读/写功能来分:只读(CD-ROM)、一写多读(CD-R)和可擦型光盘。

    存储容量:基本单位是字节(Byte),一个字节由八位二进制数(Bit)组成。为了表示方便,还有千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)。

    换算关系:1KB=210B=1024B   1MB=210KB=1024KB   1GB=210MB=1024MB

    运算器:是计算机实施算术运算和逻辑判断的主要部件。例:+、-、×、÷、<、>、=、≠等。

    控制器:指挥、控制计算机运行的中心。作用:从存储器中取出信息进行分析,根据指令向计算机各个部分发出各种控制信息,使计算机按要求自动、协调地完成任务。

    说明:中央处理器(CPU)是运算器和控制器的合称,是微型计算机的核心,习惯上用CPU型号来表示计算机的档次。例:80286、386、486、Pentium、PⅡ、PⅢ、P4。

    计算机仅有硬件还不能进行信息处理,必须有为计算机编制的各种程序。程序、数据和有关文档资料称为软件。

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    第五代为1991年开始,巨大规模集成电路计算机:单片机;1.2.2 半导体存储器的发展 ;4004 CPU图片;8086 CPU;80286 CPU;Pentium MMX: ;Pentium Ⅱ ;PentiumIII:;Pentium III-Coppermine :;Pentium 4; ;Pentium D ;Intel Core2 Duo ;Intel i7 酷睿至尊版 980X;AMD 羿龙II X6 1090T;微型计算机的特点;摩尔定律( 1965年 戈登·摩尔 原Intel董事长) 晶体管表面积(即刻在集成电路面上的面积)每12个月就会缩小大约50%。 1975年更正为18个月,随后更正为24个月,后又更正为18个月。;第36届全球超级计算机五百强排行榜(2010.11);;天河一号A;;; TOP500.org组织公布的第36届全球超级计算机五百强排行榜,10月底才亮相的中国的“天河一号A”毫无悬念地摘得头名,这也是中国历史上第一次在这项排行上占据头把交椅。 改进前的“天河一号”曾经连续位列第五和第七,全新升级后的天河一号A则基于NUDT YH Cluster集群,硬件上配备了Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器(32nm Westmere-EP)、我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器、NVIDIA? Tesla M2050高性能计算卡、224TB内存、专有互连架构、Linux操作系统,总计186368个核心,Linpack最大性能2.566PFlops(每秒千万亿次浮点运算)、峰值性能4.701PFlops,系统效率54.6%。

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    1、2020/7/20,计算机组成原理,1/10,计算机组成原理 第二章作业解答,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,2/10,1、将十进制数(75.34)10转换为8位二进制及八进制、十六进制数 (75.34)10 = (1001011.0)2 = (113.25605)8 = (4B.570A3D)16 2、已知下列数的原码表示,分别写出它们的补码表示: X原=0.10100, X原=1.10111,第二章 2.1,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,3/10,3、已知下列数的补码表示,分别写出它们的原码表示: X补=0.10100, X补=1.10111 4、某机字长16。

    2、位,简述下列几种情况下所能表示数值的范围。 (1)无符号整数 (2)用原码表示定点小数 (3)用补码表示定点小数 (4)用原码表示定点整数 (5)用补码表示定点整数 答:1) 0 2 -1 2) -(1-2 ) 1-2 3) -1 1-2 4) -(2 - 1) 2 - 1 5) -2 2 - 1,第二章 2.1,16,-15,-15,-15,15,15,15,15,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,4/10,5、以下列形式表示(5382)10 (1)8421码 (2)余3码 (3)2421码 (4)二进制数 (5382)10 = (0101 0011 1000 0010)8421。

    3、 = (1000 0110 1011 0101)余3 = (1011 0011 1110 0010)2421 = (1010 1000 0011 0)2 6、求有效信息位为01101110的海明校验码。 检一纠一海明校验码:0110 0111 1001 检二纠一海明校验码:1 0110 0111 1001 7、准备传送的信息是: 1010110010001111,生成多项式是: X5+X2+1,计算校验位,写出CRC码。 CRC:1010 1100 1000 1111 10011,第二章 2.1,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,5/10,1、,第二章 2.1(课本),2020/7。

    4、/20,计算机组成原理计算机学院,6/10,3、32位浮点数一般格式为: 1)最大数的二进制表示为: 0 11111111 1111111(23个1) 2)最小数的二进制表示为: 1 11111111 0000000(23个0) 若数符在阶码和尾数中间,则答案为: 1) 11111111 0 1111111(23个1) 2) 11111111 1 0000000(23个0),第二章 2.1(课本),23位,阶码E,尾数M,1位,8位,数符,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,7/10,3)规格化数所能表示的范围,第二章 2.1(课本),2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,8。

    5、/10,1、已知X和Y,试用它们的变形补码计算出X+Y,并指出结果是否溢出 1) X= 0.11011, Y= 0.11111 2) X= -0.10110, Y= -0.00001 答:1)01 11010 正溢出 2)11 01001 无溢出 2、已知X和Y,试用它们的变形补码计算出X-Y,并指出结果是否溢出 1) X= 0.11011, Y= -0.11111 2) X= 0.10111, Y= 0.11011 答:1)01 11010 正溢出 2)11 11100 无溢出,第二章 2.2,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,9/10,5.(1)x+y=0011011+0000。

    6、011=0011110 无溢出 (2)x+y=0011011+1101011=0000110 无溢出 (3)x+y=1101010+1111111=1101001 无溢出 6.(1)x-y=0011011+0011111=0111010 正溢 (2)x-y=0010111+1100101=1111100 无溢出 (3)x-y=0011011+0010011=0101110 正溢,第二章 2.2(课本),2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,10/10,1、设下列数据长8位,包括一位符号位,采用补码表示,分别写出每个数据右移两位以及左移两位之后的结果 1) X= 0.1100100, 2。

    7、) X= -0.0011001,第二章 2.3,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,11/10,2、用原码乘法计算X*Y。 1) X= 0.11011, Y= -0.11111 答: X*Y = - 0.1101000101,第二章 2.3,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,12/10,7.(1) X*Y原=1 1101000101 X*Y补=1 0010111011 (2) X*Y原=0 1101000101 X*Y补=0 1101000101 ,第二章 2.3(课本),2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,13/10,8.(1) X = 11000,Y = -。

    8、11111,第二章 2.3(课本),解:|X|补= 00.11000, |Y|补= 00.11111, - |Y|补= 11.00001,-Y),+ 11.00001,11.11001,+ 00.11111,00.10001,11.10010,+ 11.00001,00.00011,+Y),0,1,00.11000 0.0000,0,:商数不溢出,0.0000,-Y),:余数为正,上商为1,00.00110,0.0011,+ 11.00001,-Y),11.00111,10.01110,0.0110,0,+ 00.11111,+Y),11.01101,0,01.00010,0.0001,1,1。

    9、0.11010,0.1100,+ 00.11111,+Y),11.11001,0.1100,0,+ 00.11111,+Y),00.11000,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,14/10,1、用原码不恢复余数法(加减交替法)计算XY 1) X= -0.10101, Y= 0.11011 2) X= -0.10110, Y= -0.11011 答: 1)|X|补 = 00.10101 |Y|补 = 00.11011 -|Y|补 = 11.00101 q原 = 1.11000 r原 = 1.11000 * 2-5 2) |X|补 = 00.10110 |Y|补 = 00.11011 。

    10、-|Y|补 = 11.00101 q原 = 0.11010 r原 = 1.00010 * 2-5,第二章 2.4,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,15/10,第二章 2.6(课本),9(1)x+y x浮=11 101, 00.100101 y浮=11 110, 11.100010 对阶:E=E-E=11 101- 11 110 =11111 Mx右移1位,Ex加1 x=11 110 , 00.010010(1) 尾数相加 00.010010(1)+11.100010=11.110100(1) 结果规格化:左规两位,11.010010;阶码-2为11 100 溢出判断 阶码符号位为。

    11、11,不溢出 x+y=2-100(-0.101110),2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,16/10,第二章 2.6(课本),x浮=11 101, 00.100101 y浮=11 110, 11.100010 -y浮=11 110,00.011110 对阶:E=E-E=11 101- 11 110 =11111 Mx右移1位,Ex加1 x=11 110 , 00.010010(1) 尾数相减 00.010010(1)+00.011110=00.110000(1) 结果已规格化,尾数采用0舍1入法为0.110001 溢出判断 阶码符号位为11,不溢出 X-Y=2-010(0.1100。

    12、01),2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,17/10,第二章 2.6(课本),10.(1) 阶码相加:3+4=7,111 尾数相乘:0.110100*(-0.100100)=-0.01110101 尾数规格化:左规一位,-0.111011(0舍1入),阶码-1 最后值为(-0.111011)*26,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,18/10,第二章 2.6(课本),10.(2) |被除数| |除数|,不需调整尾数 阶码相减:-2-3=-5,-101 尾数相除:0.0110100.111100,商为0.011011,余数为0.101100*2-6 商规格化:左规一位,0。

    13、.110110,阶码-1 最后商为(0.110110)*2-6 余数为0.101100*2-6,2020/7/20,计算机组成原理计算机学院,19/10,11 串行进位 并行进位,Ci = Ai Bi + (Ai Bi )Ci-1 Gi = Ai Bi ; Pi = Ai Bi Ci = Gi + Pi Ci-1 ( Gi :进位生成函数, Pi :进位生成函数 ),+,+,C1 = G1 + P1 C0 C2 = G2 + P2 C1 C3 = G3 + P3 C2 C16 = G16 + P16C15,= G1 + P1 C0 = G2 + P2 G1 + P2 P1 C0 = G3 + P3 G2 + P3 P2 G1 + P3 P2 P1 C0 = G16 + P16G15 + P16P15G14 + + P16P15 P2P1C0,第二章 2.6(课本。

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    1、练习单元二一、单项选择题1. 某机字长64位,其中1位符号位,63位尾数。若用定点小数表示,则最大正小数为( )。A+(1-2-64 ) B. +(1-2-63 ) C. 2-64 D. 2-632. 设x补=1.x1 x2x3x4x5x6x7x8,当满足( )时,x-1/2成立。Ax1 =1,x2x8至少有一个为1 B. x1 =0,x2x8至少有一个为1 C. x1 =1,x2x8任意 D. x1 =0,x2x8任意3. 设寄存器位数为16位,机器数采用定点整数补码形式(一位符号位),对应于十进制数1022,寄存器内存放的内容为( )。A(1022)16 B. (1776)16 C. (0。

    2、3FE)16 D. (7FE0)164. 若用二进制数表示十进制数0到,则最少需要的二进制数位是( )。A6 B. 16 C. 20 D.5. 在某8位定点机中,寄存器内容为,若它的数值等于-128,则它采用的数据表示为( )。A原码 B. 补码 C. 反码 D. 移码6. 设浮点数N=MRe,阶码e 与尾数M均采用补码表示,尾数的最高位为符号位,尾数和阶码的基数均为2.下列数据中为规格化数的是( )。A0.001110 B. 1.100010 C. 0.111110 D. 1.1111107. 在下列机器数中,哪种表示方式下,零的表示形式是惟一的?( )A原码 B. 补码 C. 反码 D. 。

    3、都不是8. N+1位的定点整数的原码的数据表示范围是( )。A -2n x2n B. -2n x2n C. -2n+1 x2n -1 D. -2n -1x2n+19. 下列论述中,正确的是( )。A已知x原求x补的方法是:在x原的末位加1B. 已知x补求-x补的方法是:在x补的末位加1C. 已知x原求x补的方法是:将尾数连同符号位一起取反,再在末位加1D. 已知x补求-x补的方法是:将尾数连同符号位一起取反,再在末位加110. 采用全零的形式表示机器零的浮点表示的编码方式是( )。A阶码采用原码表示,尾数采用原码表示B. 阶码采用补码表示,尾数采用原码表示C. 阶码采用补码表示,尾数采用补码表。

    4、示D. 阶码采用移码表示,尾数采用补码表示11. IEEE754标准规定的32位浮点数格式中,符号位为1位,阶码为8位,尾数为23位,则它所能表示的最大规格化正数为( )。A+(2-2-23)2+127 B. +(1-2-23)2+127 C. +(2-2-23)2+255 D. 2+1272-2312. 浮点数的表示范围取决于( )。A阶码的位数 B. 尾数的位数 C. 阶码采用的编码 D. 尾数采用的编码13. 逻辑右移指令执行的操作是( )。A符号位填0,并顺次右移1位,最低位移至进位标志位B. 符号位不变,并顺次右移1位,最低位移至进位标志位C. 进位标志位移至符号位,顺次右移1位,最。

    5、低位移至进位标志位D. 符号位填1,并顺次右移1位,最低位移至进位标志位14. 在浮点运算中,下面的论述正确的是( )。A对阶时应采用向左规格化 B. 对阶时可以使小阶向大阶对齐,也可以使大阶向小阶对齐 C. 尾数相加后可能会出现溢出,但可采用向右规格化的方法得出正确结论 D. 尾数相加后不可能得出规格化的数15. 十进制数-0.75的IEEE754单精度格式表示成十六进制为( )。A3FH B. BEH C. BF D. BEH16. 原码乘除法运算要求( )。A. 操作数必须都是正数 B. 操作数必须具有相同的符号位C. 对操作数符号没有限制 D.以上都不对17. 进行补码一位乘法时,被乘。

    6、数和乘数均用补码表示,运算时( )。A. 首先在乘数最末位yn后增设附加位yn+1 ,且初始yn+1=0,再依照yn yn+1的值确定下面的运算B. 首先在乘数最末位yn后增设附加位yn+1 ,且初始yn+1=1,再依照yn yn+1的值确定下面的运算C. 首先观察乘数符号位,然后决定乘数最末位yn后附加位yn+1的值,再依照yn yn+1的值确定下面的运算D. 不应在乘数最末位yn后增设附加位yn+1,而应直接观察乘数的末两位yn-1yn 确定下面的运算18. 若要想使8位寄存器A中的高4位变为0,低4位不变,可使用( )。A. AF0HA B. A0FHA C. AF0HA D. A0FH。

    7、A19. 在2424点阵的汉字字库中,一个汉字的点阵占用的字节数为( )。A. 2 B. 9 C. 24 D. 7220. 假定下列字符码中有奇偶校验位,但没有数据错误,采用奇校验的字符码是( )。A. B. C. D. 21. 在循环冗余校验中,生成多项式G(x)应满足的条件不包括( )。A. 校验码中的任何一位发生错误,在与G(x)作模2除时,都应使余数不为0B. 校验码中的不同位发生错误时,在与G(x)作模2除时,都应使余数不同C. 用与G(x)对余数作模2除,应能使余数循环D. 选择不同的生成多项式所得的CRC码的码距相同,因而检错、校错能力相同22. 运算器的核心部分是( )。A. 。

    8、数据总线 B. 累加寄存器C. 算术逻辑运算单元 D. 多路开关23. 浮点运算器的组成结构包括( )。A. 乘法器 B. 除法器C. 阶码和尾数运算部件 D. 一个ALU24. 下面对浮点运算器的描述中正确的是( )。A. 浮点运算器由阶码部件和尾数部件实现B. 阶码部件可以实现加、减、乘、除4种运算C. 阶码部件只能进行阶码的移位操作D. 尾数部件只能进行乘法和加法运算二、填空题1. 设某机字长为8位(含一符号位),若X补=,则X所表示的十进制数的真值为 ,1/4X补= ;若Y移=,则X所表示的十进制数的真值为 ;Y的原码表示X原= 。2. 在带符号数的编码方式中,零的表示是惟一的有 和 。

    9、。3. 若x1补=,x2原1.01101,则数x1的十进制数真值是 ,x2的十进制数真值是 。4. 补码进行算术右移时的规则是 。5. 计算机中数值数据常采用的数据表示格式有 和 两种。6. 设某浮点数的阶码为8位(最左一位为符号位),用移码表示;尾数为24位(最左一位为符号位),采用规格化补码表示,则该浮点数能表示的最大正数的阶码为 ,尾数为 ;规格化最小负数的阶码为 ,尾数为 。(用二进制回答)7. 浮点运算器由 和 两部分组成,它们本身都是定点运算器,其中第二个空要求能够进行 运算。8. 为了提高运算器的速度,可采用 进位、 乘/除法器、等并行技术措施。9. 在定点运算器的结构中,通常包。

    10、括 、 、 、 、 等10. 设有效信息位的位数为N,校验位数为K,则能够检测出一位出错并能自动纠错的海明校验码应满足的关系是 。三、简答题1. 定点数中小数点的位置在哪里?2. 比较原码表示数据和补码表示数据的优缺点。3. “0”在四种带符号数编码方式中分别是什么?4. 试比较定点带符号数在计算机内的4种表示方法。5. 移码表示法的主要用途是什么?为什么?6. 计算机怎样判别存储的文字信息是ASCII码还是汉字编码?7. 比较算术右移和逻辑右移的主要区别。8. 简述定点运算时采用变形补码检测溢出的方法。9. 简述定点运算时采用单符号位检测溢出的方法。10. 浮点加减运算时,为什么要进行对阶?。

    11、说明对阶的方法和理由。11. 简述浮点运算中溢出的处理方法。12. 试述浮点数规格化的目的和方法。13. 在浮点表示法中,什么是上溢和下溢?14. 比较截去舍入法,冯诺依曼舍入法和0舍1入法的优缺点。15. 什么是纠错码?常用的纠错码有哪几种?16. 在检错码中,奇偶校验法能否定位发生错误的信息位?是否具有纠错功能?17. 简述CRC码的纠错原理。18. 试述先行进位解决的问题及基本思想。19. 简述十进制加法器的工作原理。20. 简述运算器的功能。21. 说明定点运算器的组成及各部分的作用。22. 说明浮点运算器的组成及各部分的作用。23. 说明运算器的条件寄存器中有哪些标志状态位及其作用。。

    12、24. 说明实现补码两位乘法,需要在实现原码一位乘法的运算部件中增加哪些线路?四、运算题1. 将十进制数85.375转换为二、八、十六进制数。2. 将十六进制数(CE.B)16转换为二、八、十进制数。3. 分别计算用二进制数表示5位和6位十进制数时所需的最短二进制位的长度。4. 已知x=(-)2,设机器字长为8位,求x的原码、反码、补码和移码,并用十六进制形式表示。5. 已知x=(-0.8125)10,设机器字长为8位,求x的原码、反码、补码和移码,并用二进制形式表示。6. 写出表A.1中各数的原码、反码、补码和移码表示(用8位二进制数)表A.1 题6表十进制数二进制真值原码表示反码表示补码表。

    13、示移码表示-35/6423/128-127定点小数的-1定点整数的-1定点整数的-1287. 在采用8位二进制数定点整数的情况下,分别写出下列W、X、Y、Z的真值。(1)W补=X原=Y反=Z移=00H(2)W补=X原=Y反=Z移=80H(3)W补=X原=Y反=Z移=FFH8. 字长为8位的定点小数的原码和补码的表示范围分别为多少?9. 将下列十进制数表示成二进制规格化数(采用8位二进制补码表示)。(1)27/64 (2)-27/6410. 写出下列十进制数的IEEE754单精度浮点数编码。(1)0.15625 (2)-0.15625 (3)16 (4)-511. 将下列十六进制的IEEE单精度。

    14、浮点数代码转换成十进制数值表示。(1)42E48000 (2)3F (3) (4)C7F0000012. 已知x=0.1011,y=,0.0011,求0.5x补,0.25x补,-x补,-2x补,0.5y补,0.25y 补,-y补,-2y补,x+y补,x-y补。13. 已知x=0.01111,y=0.11001,用补码计算x+y补、xy补、x+y、xy。14. 已知x和y,用变形补码计算x+y、x-y。(1)x=0.11011,y=0.11111 (2)x=0.1101,y=0.101115. 已知x=0.1101,y=0.1011,用原码一位乘法和布斯乘法计算xy。16. 已知x=0.0110。

    15、1,y=0.10100,利用补码两位乘法计算xy。17. 已知x=0.1011,y=0.1101,分别用原码恢复余数法和原码不恢复余数法求x/y。18. 用浮点加法流程对数据0.5和0.4375进行二进制加法操作,假定可存储4位尾数。19. 设浮点数的阶码为4位(含阶符),尾数为6位(含尾符),均采用补码表示:下列数据x、y中的指数和小数部分均为二进制真值。(1)x=20100.1101,y=2011(0.1010),求x+y。(2)x=2-010(0.1111),y=2-1000.1110,求xy。20. 一个8位寄存器中的十六进制数C5H,连续经过一次算术右移,一次逻辑左移、一次大循环右移。

    16、、一次循环左移。写出每次移位后寄存器的内容和进位标志C的状态。21. 已知x补=0.1011,y补=1.1011,求算术左移、逻辑左移、算术右移、逻辑右移后,x与y的值。五、设计题1. 求下列信息码的奇校验码和偶校验码(设校验位在最低位)。(1) (2) (3) (4)2. 求信息码的海明校验码。3. 利用生成多项式G(x)=x3+x+1,求信息码1001和1111的CRC码。4. 一个4位信息码,以G(x)=x3+x+1为生成多项式进行CRC编码,若经传输后接收到的编码为,判断所接收的编码是否正确。5. 某4位加法器进位链中的进位信号为C4C3C2C1,低位来的进位信号位为C0,分别按串行进。

    17、位方式和并行进位方式写出C4C3C2C1的逻辑表达式。6. 图A.1给出了实现补码乘法的部分硬件框图。(1)将逻辑门AND1和AND2的输入信号填写正确。(2)按补码乘法规则将给定的算式的乘法完成,写出XY的真值。(3)将乘法运算初态和终态时三个寄存器中的数据填入表A.2中。00. 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 00. 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 000. 1 1 0 0 1 00. 1 1 0 0 1 00. 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 00. 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1图A.1 硬件框图(略)表A.2 题6表寄存器ABC运算初态运算终态。

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