自考02384計算機原理考點

1、第1章 計算機系統(tǒng)概論 電子計算機是一種能夠自動、高速、精確地對各種信息進行處理和存儲的電子設(shè)備，從總體上可以分為兩大類：電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機。 11 計算機發(fā)展簡史 填空計算機最初是作為一種計算工具而問世的。早在計算機問世之前，就有各種各樣的計算工具。縱觀計算工具的發(fā)展歷史，人類的計算工具已經(jīng)經(jīng)過了算籌、算盤、計算尺、手搖計算機、電動計算機、真空管計算機、晶體管計算機、大規(guī)模集成電路計算機，正在向生物計算、光計算、量子計算等方向探索。 單選、填空ENIAC是個劃時代的創(chuàng)舉，是世界上第一臺電子數(shù)字計算機，成為現(xiàn)代數(shù)字計算機的始祖。 12 計算機系統(tǒng) 單選、填空一個完整的計算機系統(tǒng)包括

2、硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機的所有器件或裝置的總稱，它們是“看得見、摸得著"的有形設(shè)備。軟件是相對硬件而言的，是指在計算機硬件上運行的各種程序以及有關(guān)文檔資料，例如操作系統(tǒng)、匯編程序、編譯程序、診斷程序、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、專用軟件包、各種維護使用手冊、程序流程圖和說明等，是無形的東西。 硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有硬件對軟件的支持，軟件的功能就無從談起，也就無法計算、處理某一方面的問題。同樣，軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂，是硬件功能的完善與擴充。沒有軟件，計算機“仍是個“死"東西，根本無法工作。因此，計算機的硬件與軟件是相互滲透、相互依存、互相配合、相互促進的關(guān)系，二者缺

3、一不可。所以計算機系統(tǒng)性能的好壞取決于軟、硬件功能的總和。 簡答馮·諾依曼思想體制主要包括： (1)采用二進制數(shù)字代碼形式表示各種信息。 (2)采用存儲程序控制工作方式。 (3)計算機硬件由五大部件組成。計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成，其組成框圖如圖11所示。圖中，空心箭頭代表數(shù)據(jù)信號流向，實心箭頭代表控制信號流向。填空運算器是對信息進行運算和處理的部件。在計算機中的運算有兩類：算術(shù)運算和邏輯運算。運算器主要由算術(shù)邏輯運算部件(ALU)和用來暫存數(shù)據(jù)或存放運算結(jié)果的一系列寄存器組成。單選、填空通常，人們把運算器和控制器統(tǒng)稱為中央處理機(CPU)，而把CPU

4、和內(nèi)部存儲器一起稱為主機。主機內(nèi)的存儲器稱為內(nèi)部存儲器或簡稱內(nèi)存，位于主機之外的存儲器稱為外部存儲器或簡稱外存。外存和輸入、輸出設(shè)備一起又統(tǒng)稱為外部設(shè)備或簡稱外設(shè)。單選、填空總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線簡答計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如下： (1)數(shù)字邏輯層。最底層是由邏輯門組成的邏輯電路，稱為數(shù)字邏輯層。 (2)微程序設(shè)計層。這是一個實在的硬件層，它是機器硬件直接執(zhí)行微指令。如果某一個應(yīng)用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行該應(yīng)用程序。對于非微程序控制的計算機，此層合并人數(shù)字邏輯層。 (3)機器語言層。又稱為一般機器層，它是微程序解釋機器指令系統(tǒng)。 (4)操作系統(tǒng)層。它由操作系統(tǒng)

5、程序?qū)崿F(xiàn)，而操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成。所謂廣義指令，是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。 (5)匯編語言層。它給程序員提供一種符號形式的語言，以減少程序員利用機器語言編寫程序的復(fù)雜性。這一層由匯編程序支持或執(zhí)行。 (6)高級語言層。這一層由各種高級語言編譯程序支持。高級語言層上運行的程序是用比匯編語言更高級、更接近人類自然語言的高級語言所編寫的。高級語言程序員在這一級上不需要了解計算機硬件、編譯及操作系統(tǒng)等內(nèi)容。 1·3 計算機系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo) 填空、簡答計算機系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下(1)字長是指計算機的運算部件能同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長通常是字節(jié)的整倍數(shù)：它與計算機的功能和用

6、途有很大的關(guān)系。字長不但決定著寄存器、加法器、數(shù)據(jù)總線等部件的位數(shù)，直接影響著硬件的代價，而且還決定了計算機的運算精度。字長越長：計算機的運算精度就越高。(2)內(nèi)存容量。一個內(nèi)存所能存儲的全部信息量稱為內(nèi)存容量。它可以以字長為單位來計算，也可以以字節(jié)為單位來計算。在以字節(jié)為單位時，約定以8位二進制位為一個字節(jié)(Byte，縮寫為B)。 (2)運算速度。它是用每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示的，單位一般用MIPS(每秒百萬條指令)表示。第2章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ) 21 邏輯代數(shù)與邏輯門簡答邏輯代數(shù)與普通代數(shù)的區(qū)別如下：邏輯代數(shù)和普通代數(shù)一樣用字母代表變量，稱為邏輯變量。和普通代數(shù)不同的是，邏輯變量的取值只有兩

7、種：”1”和”0”，這里的”1"和”0”，不再像普通代數(shù)那樣具有數(shù)值大小的含義，而是表示所研究問題的兩個相互對立的邏輯狀態(tài)。 在邏輯關(guān)系中，最基本的邏輯關(guān)系只有“與"、“或和“非"三種，因此邏輯代數(shù)中變量的運算也只有“與"、“或和“非”三種基本邏輯運算，而其他任何復(fù)雜的邏輯運算都可以用這三種基本邏輯運算來實現(xiàn)。 1邏輯“與"關(guān)系 若假設(shè)在表21中，用“1"表示開關(guān)閉合或燈亮，用“0"表示開關(guān)斷開或燈滅，便可以得到反映開關(guān)狀態(tài)與燈亮/滅之間因果關(guān)系的數(shù)學(xué)表達形式邏輯真值表，簡稱真值表，如表22所示。由表2-2可知，邏輯變量Y與

8、邏輯變量A、B之間的關(guān)系是：只有當(dāng)A與B都是“1”是，Y才為“1”；否則，Y為“0”。這一關(guān)系用邏輯表達式表示為： Y=A·B或Y=AB式中，“·"表示邏輯變量A、B的“與"運算，又稱為邏輯乘。 邏輯與運算的規(guī)律是： 0·0=0 0·1=0 10=0 11=1 2邏輯“或"關(guān)系 其邏輯表達式表示為： Y=A+B 式中，“+"表示邏輯變量A、B的“或”運算，又稱為邏輯加。 邏輯或運算的規(guī)律是： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 3邏輯“非"關(guān)系當(dāng)決定一件事情的條件不具備時，這件事情才會發(fā)生，這

9、樣的邏輯關(guān)系稱為邏輯“非關(guān)系。非就是相反，就是否定。 當(dāng)開關(guān)A閉合時，燈Y滅；而當(dāng)開關(guān)A斷開時，燈Y會亮。所以對燈Y亮這一事件來說，開關(guān)A閉合是一種“非"的邏輯關(guān)系。其邏輯表達式表示為：Y= A 式中，字母A上方的符號“一”表示邏輯變量A的“非”或“反運算。 邏輯非運算的規(guī)律是： 0=1 1=0 4常用復(fù)合邏輯運算 除了與、或、非這三種基本邏輯運算之外，經(jīng)常用到的還有基于這三種基本運算構(gòu)成的一些復(fù)合運算，它們是與非(先“與后“非)、或非(先“或”后“非”)、異或等運算。與非、或非和異或運算的邏輯表達式分別是： AB 、A+B 、AB5邏輯代數(shù)的運算法則 計算根據(jù)邏輯與、或、非的三種運

10、算法則，可推導(dǎo)出邏輯運算的一些基本定律和法則，其中最常用的有以下幾種：(1) 關(guān)于變量與常量的關(guān)系A(chǔ)+0=AA+1=AA+A =1A 0=AA+1=1A A =0(2) 重復(fù)律A A=AA+A=A(3) 吸收率A+ A B=AA(A+B)=A(4) 分配律AB+C=A·B+A·C A+B · C=A+B*(A+C)(5) 交換律A+B=B+AA· B=B· A(6) 結(jié)合律A+B+C=A+(B+C)A B C=A (B C)(7) 反演律A BC= A B C A+B+C = A+ B+ C 2.2 組合邏輯電路 單選、填空通常數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電

11、路可以分為兩大類：組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路是指電路的輸出狀態(tài)只與當(dāng)時輸入狀態(tài)有關(guān)，而與電路的以前狀態(tài)無關(guān)，即輸出與輸入的關(guān)系具有即時性，不具備記憶功能。2.3 常用時序電路單選、填空邏輯電路中的輸出狀態(tài)不但與當(dāng)時的輸入狀態(tài)有關(guān)，而且還與電路以前的輸入狀態(tài)有關(guān)，這種邏輯電路稱為時序邏輯電路。因此，時序邏輯電路中必須要有能夠儲存信息的記憶元件觸發(fā)器。觸發(fā)器也是構(gòu)成各種復(fù)雜時序邏輯電路中的基本部件。單選、填空觸發(fā)器的種類很多，按時鐘控制方式來分，有電位觸發(fā)、邊沿觸發(fā)、主從觸發(fā)等方式的觸發(fā)器；按功能來分，有RS型、D型、J K型等觸發(fā)器。同一功能的觸發(fā)器可以由不同的觸發(fā)方式來實現(xiàn)，因此

12、在選用觸發(fā)器時必須考慮觸發(fā)方式。 單選、填空計算機中的許多部件都需要有能夠暫時寄存數(shù)據(jù)的部件，而寄存器就是這樣的部件，它具有接收信息、存放信息或傳遞信息的功能。寄存器主要由觸發(fā)器和一些控制門構(gòu)成。由于一個觸發(fā)器只能存放1位二進制信息，那么存放n位二進制信息的寄存器就需要n個觸發(fā)器來構(gòu)成。 簡答74LS175的具體邏輯功能如下： (1)異步清零。當(dāng)MR=0時，寄存器處于異步清零工作方式。這時，不管其他輸人端的狀態(tài)如何(包括時鐘信號CLK)，寄存器Q3Q0被直接清零。由于清零不受時鐘信號CLK控制，因而稱為異步清零。 (2)同步并行置數(shù)。當(dāng)MR=1時，在CLK上升沿作用下，數(shù)據(jù)輸人端D3D0的數(shù)據(jù)

13、將被分別置人Q3Q0。由于置數(shù)操作要與CLK上升沿同步，且D3D0的數(shù)據(jù)同時置人寄存器，所以稱為同步并行置數(shù)。 (3)保持功能。當(dāng)MR=1時，在CLK上升沿以外的時間，寄存器的內(nèi)容保持不變，即各個輸出端的狀態(tài)與輸人數(shù)據(jù)無關(guān)。 填空移位寄存器不僅能夠存儲數(shù)據(jù)，而且具有移位的功能。按照數(shù)據(jù)移動的方向，可分為單向移位和雙向移位兩大類。 填空、簡答計算器的分類主要有下面幾種： (1)按構(gòu)成計數(shù)器的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)次序分類，可分為異步計數(shù)器和同步計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)脈沖CLK輸入時，所有觸發(fā)器同時都翻轉(zhuǎn)的計數(shù)器稱為同步計數(shù)器；當(dāng)計數(shù)脈沖CLK輸人時，各級觸發(fā)器不同時翻轉(zhuǎn)的計數(shù)器稱為異步計數(shù)器。 (2)按計數(shù)過程中

14、計數(shù)器中數(shù)字的增減來分類，可分加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器(加減計數(shù)器)。 (3)按計數(shù)器中數(shù)字的編碼方式來分類，可分為二進制計數(shù)器和十進制計數(shù)器。第3章 計算機中的信息表示 填空在計算機中，信息分為兩大類：數(shù)據(jù)信息和控制(指令)信息。數(shù)據(jù)信息泛指計算機處理的對象，它們又可分為數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)。(如文字、聲音、圖像等)；控制信息就是控制計算機工作的信息，計算機執(zhí)行指令時，用指令產(chǎn)生的各種操作命令控制有關(guān)操作，所以指令序列屬于控制信息。3.1 數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示 填空所謂進位計數(shù)制，就是人們利用數(shù)字符號來計數(shù)的方法。凡是用數(shù)字符號排列，按由低位向高位進位計數(shù)的方法叫做進位計數(shù)制，簡稱

15、計數(shù)制或進位制。進位計數(shù)制有很多種，計算機科學(xué)中常用的是二進制、十進制、十六進制。填空一個數(shù)無論采用何種進位制表示，都包含兩個基本要素：基數(shù)和位權(quán)。(1) 基數(shù)任何一種計數(shù)制允許選用的基本數(shù)字符號的個數(shù)叫做基數(shù)。例如，十進制中有09共十個符號，基數(shù)為1 0；二進制中只有0和1共兩個符號，基數(shù)為2。(2) 位權(quán) 一個數(shù)字符號所表示的數(shù)值等于該數(shù)字乘以一個與它所在數(shù)位有關(guān)的常數(shù)，這個常數(shù)叫做“位權(quán)”，簡稱“權(quán)”。位權(quán)的大小是指以基數(shù)為底，數(shù)字符寫所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪。 簡答二進制數(shù)與其他數(shù)制相比，具有以下一些特點：(1)容易實現(xiàn)。(2)工作可靠。(3)運算簡單。(4)便于邏輯運算與邏輯設(shè)

16、計。 計算無符號數(shù)是指整個機器字長，的全部二進制位均表示數(shù)值位(沒有符號位)，相當(dāng)于數(shù)的絕對值。對于機器字長為，n位的無符號數(shù)的表示范圍是0(2n-1)，此時二進制的最高位也是數(shù)值位，其權(quán)值等于21。若字長為8位，則數(shù)的表示范圍為02 5 5。 帶符號數(shù)的正號“”或負號“”，計算機是無法識別的，因此在計算機中需要把數(shù)的正、負符號數(shù)碼化。一般用數(shù)的最高位表示數(shù)的正負，通常約定“0”表示正號，“1”表示負號。 計算十進制使用的數(shù)字符號為09共10個符號，各位的權(quán)是以10為底的冪；二進制使用的數(shù)字符號為0和1，各位的權(quán)是以2為底的冪。十六進制使用數(shù)字0、1、9，以及英文字母A、B、C、D、E、F ，

17、共16個符號，其中，A、B、C、D、E、F分別代表十進制數(shù)中的10、11、。1 2、1 3、1 4、1 5，各位的權(quán)是以1 6為底的冪。 (1)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù) 整數(shù)用“除2取余”，小數(shù)用“乘2取整的方法。 例如：(14.35)10 = (1110.01011)2(2)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)不論是十六進制的整數(shù)部分或小數(shù)部分，只要把每一位十六進制數(shù)用等值的四位二進制數(shù)代替即可。 例如：(3AB.7E)16= (0011 1010 1011.0111 1110)2 (3)二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù) 整數(shù)部分由小數(shù)點向左每四位一組，小數(shù)部分由小數(shù)點向右每四位一組，不足四位的補0，然后用四位二

18、進制數(shù)的等值十六進制數(shù)代替即可。 例如：(101110101011010.101101)2= (5D5A.B4)16 計算一個數(shù)在計算機內(nèi)的表示形式稱為機器數(shù)，這個數(shù)本身的值稱為該機器數(shù)的真值。將真值轉(zhuǎn)換為計算機硬件能夠直接識別、處理的機器數(shù)時，根據(jù)其數(shù)值部分編碼方法的不同，相應(yīng)的機器數(shù)又有三種不同的編碼：原碼、反碼、補碼。 (1)原碼表示法 原碼表示法是一種最簡單的機器數(shù)表示法，其最高位為符號位，符號位為“0表示正數(shù)，符號位為“1”表示負數(shù)。數(shù)值位部分與真值相同。例如：X = +1101001(+1 0 5) 則原碼X原=01101001 X = -1101001(+1 0 5) 則原碼X原

19、=11101001 真值“0”在原碼中有兩種表示形式，即：+0原=00000000，-0原=10000000 對于8位原碼表示的數(shù)值范圍是1 27127， +1 27原=01111111； -1 27原=11111111。 (2)反碼表示法 對于正數(shù)，反碼與原碼相同；對于負數(shù)，除符號位仍為“1”外，其余各數(shù)值位是“按位取反”。 例如： X=-1101001(-105) 則反碼X反=10010110 反碼的“0”也有兩種表示形式，即：+0反=00000000，-0反=11111111 。對于8位反碼表示的數(shù)值范圍為1271 27，+1 27反=01111111， -127反=10000000 (

20、3)補碼表示法 X補=M+X(mod M)其中，模M=基數(shù)n，n為計量裝置的位數(shù)(字長)。對于正數(shù)，與反碼一樣，正數(shù)的補碼與原碼相同；對于負數(shù)，除符號位仍為“1”外，其余各數(shù)值位“按位取反，末位加1”。例如：X=-1101001-105則補碼X補=X反+1=10010110+1=10010111 補碼的“0”只有一種表示形式：+0補=-0補=00000000對于8位補碼表示的數(shù)值范圍為1 27128，+127補 01111111，一128補=10000000 計算通常在編程時用真值來表示數(shù)值，經(jīng)過編譯、解釋后轉(zhuǎn)換成用原碼或補碼表示的機器數(shù)。因此，在計算機中需要將真值或原碼形式表示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為補

21、碼形式，以便于機器對其進行運算。下面先從原碼形式入手來求補碼。 當(dāng)X為正數(shù)時，X補=X反X 當(dāng)X為負數(shù)時，X補等于把X原除去符號位外的各位求反后再末位加“1”。當(dāng)X為負數(shù)時，已知X補，也可通過對其除符號位外的各位求反后再末位加“1"求X補 當(dāng)X為負數(shù)時，由X補轉(zhuǎn)換為X補的另一種更有效的方法是：自低位向高位，尾數(shù)的第一個“1"及其右部的“0”保持不變，左部的各位取反，符號位保持不變。這種方法避免了加“1”運算，它是實際求補電路邏輯實現(xiàn)的依據(jù)。例如：X原=11001010X補=10110110 也可以直接由真值X轉(zhuǎn)換為X補，其方法更簡單：數(shù)值位自低位向高位，尾數(shù)的第一個“1”及

22、其右部的“0”保持不變，左部的各位取反，負號用“1”表示。注意，X必須是負數(shù)。 例如：X=00 0 1 0 1 0 X補=11110110 計算計算機中的一般數(shù)據(jù)有兩種表示格式：定點表示與浮點表示。所謂定點與浮點，是指數(shù)中小數(shù)點的位置是固定的還是浮動的。 (1)定點表示 定點表示分為定點小數(shù)和定點整數(shù)。假設(shè)字長是n1位，則定點小數(shù)的原碼表示范圍是：1-2-n-(1-2-n) ，定點小數(shù)的補碼表示范圍是：1-2-n-1，定點整數(shù)的原碼表示范圍是：2n-1-(2n-1)，定點整數(shù)的補碼表示范圍是：2n-1-2n (2)浮點表示 一個浮點數(shù)N由階碼E和尾碼M兩部分組成。任意一個二進制數(shù)據(jù)N都可以表示

23、為：N=±M×2E，其 中M是尾數(shù)，E是階碼，而基數(shù)2隱含。 例如：-101.0011=-0.1010011×2+3=0011，11010011(階碼，尾數(shù)) 對于二制數(shù)據(jù)N來說： 當(dāng)階碼E=0，若尾數(shù)M為純小數(shù)，則數(shù)據(jù)N為定點小數(shù)。 當(dāng)階碼E=0，若尾數(shù)M為純整數(shù)，則數(shù)據(jù)N位定點整數(shù)。 當(dāng)階碼E為住意整數(shù)，此時數(shù)據(jù)N為浮點數(shù) 填空BCD碼的編碼形式可以有多種，其中最自然、最簡單的一種形式是8421BCD碼，即4位二進制數(shù)的權(quán)從左往右分別為8、4、2、1。32 非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示 單選、填空計算機中的字符是用7位二進制編碼來表示的，并且經(jīng)常用一個字節(jié)來保存這個二進

24、制數(shù)?，F(xiàn)在世界上最通用的編碼方案是ASCII。在ASCII字符編碼表中可以看到，一個字節(jié)中的7位二進制數(shù)給出廠128個編碼，表示128個不同的字符。 單選、填空用計算機進行漢字信息處理，必須將漢字代碼化，即對漢字進行編碼，稱為漢字輸人碼。漢字的編碼有輸入碼、內(nèi)碼、字形碼三種形式， (1)漢字的輸入碼。編碼方案主要分為三大類：數(shù)字編碼、拼音碼、字形編碼。數(shù)字編碼常用的是國標(biāo)區(qū)位碼，用數(shù)字串輸人一個漢字；拼音碼是以漢語拼為基礎(chǔ)的輸入方法；字形編碼是用漢字的形狀來進行的編碼。 (2)漢字的內(nèi)碼。同一個漢字以不同輸入方式進人計算機時，編碼長度以及0、1組合順序差別很大，在漢字信息進一步存取、使用、交流

25、時十分不方便，必須轉(zhuǎn)換成長度一致且與漢字唯一對應(yīng)的能在各種讓算機系統(tǒng)墮通用的編碼，滿足這種規(guī)則的編碼稱為漢字內(nèi)碼。 3)漢字字形碼。存儲在計算機內(nèi)在屏幕上顯示或在打印機上輸出時，需要知道漢字的字形信息，漢字內(nèi)碼并不能直接反映漢字的字形，而要采用專門的字形碼。字形信息的表示大體上有兩類形式：一類是用活字或文字版的固體字形形式，另一類是點陣表示法或矢量表示法等形式，其中最基本的也是大多數(shù)字形庫采用的，是以點陣的形式存儲漢字字形編碼的方法。 單選、填空位圖圖像是由一個個離散點(像素點)的二進制數(shù)字組成的數(shù)字圖像，需要經(jīng)過采樣和量化處理。語音是一種模擬信號，和位圖圖像處理類似，必須經(jīng)過采樣、量化等模/

26、數(shù)轉(zhuǎn)換處理。3.3數(shù)據(jù)校驗碼 計算機中常用檢錯或糾錯技術(shù)進行存儲器讀/寫正確性或傳輸信息的檢驗，這里僅介紹檢錯碼。 最簡單且應(yīng)用廣泛的檢錯碼是采用一位校驗位的奇偶校驗。設(shè)X=(X0X1X2Xn-1)是一個n位字，偶校驗位C定義為： C=X0X1Xn-1即X中包含偶數(shù)個1時，才使C=0。3.4 指令信息的表示 指令是指示計算機硬件執(zhí)行某種操作的命令。CPU就是根據(jù)指令指揮和控制計算機各部件協(xié)調(diào)動作。實現(xiàn)對信息的加工和處理的。指令系統(tǒng)主要包括指令格式、尋址方式、指令類型與指令功能等內(nèi)容，這些都是必須熟悉和掌握的核心問題。1指令格式 計算機能直接識別和執(zhí)行的指令是用二進制編碼表示的機器指令。指令格式

27、就是指令用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，通常由若干個字段構(gòu)成，主要包括操作碼和地址碼字段。一條機器指令的基本格式如下：操作碼OP地址碼D (1)操作碼指明了計算機應(yīng)講行什么件質(zhì)的操作，如加、減、乘、除四則運算或數(shù)據(jù)傳送、移位等操作。 (2)地址碼指明了操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)存放的地址。根據(jù)指令碼中提供操作數(shù)地址的個數(shù)，又可以把指令格式分為：零地址指令(又稱為無操作數(shù)指令)，一地址指令(又稱為單操作數(shù)指令)、二地址指令(又稱為雙操作數(shù)指今)和三地址指令(又稱為三操作數(shù)指令)等。 零地址指令格式：操作碼OP 這類指令中只有操作碼，沒有操作數(shù)，例如空操作指令、停機指令等；也可能是有操作數(shù)，而該操作數(shù)被隱含地給

28、出。 一地址指令格式：操作碼OP地址碼D 一地址通常有兩種情況：這個操作數(shù)既是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲地址；指令中給出一個操作數(shù)，而另一個操作數(shù)被隱含在CPU的某個寄存器中 二地址指令格式：操作碼OP地址碼D1地址碼D2 這類指令指明參與操作的兩個操作數(shù)地址，分別為源地址D2的地址和目的地址D1。指令功能是(D1)OP(D2)->D1。 在雙操作指令中，從操作數(shù)的物理位置來說，可分為三種類型：寄存器寄存器(RR)型指令。操作數(shù)都放在CPU內(nèi)寄存器中，因不需要訪問存儲器，所以機器執(zhí)行的速度快：存儲器存儲器(SS)型指令，操作數(shù)都放在存儲器單元中，執(zhí)行速度慢；寄存器一存儲器(RS)型

29、指令，執(zhí)行速度介于上述兩者之間。三地址指令格藏：操作碼OP地址碼D1地址碼D2地址碼D3 指令功能是(D2)OP(D3)àD1，該指令的優(yōu)點是操作結(jié)束后，D2、D3中的內(nèi)容均未被破壞；缺點是增加了指令長度和存放空間，加大了取指令的時間。 2.指令長度 每一條機器指令都是一串二進制代碼，稱為指令字。在指令系統(tǒng)設(shè)計上出現(xiàn)兩種相反的趨勢：一種是采用可變長指令字結(jié)構(gòu)，讓指令功能盡可能豐富，稱之為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(Complex Instruction Set Cornputer，CISC)；另一種是采用定長指令字結(jié)構(gòu)，只選取簡單、常用的指令，稱之為精簡指令系統(tǒng)計算機(Reduced Ins

30、truction Set Computer，RISC)。 3.尋址方式 指令中以什么方式提供操作數(shù)或操作數(shù)地址，稱為尋址方式。 (1)立即尋地。操作數(shù)跟在操作碼的后面，指令的地址字段直接給出了操作數(shù)。在取出該指令的同時，也就取出了可以立即使用的操作數(shù)。這樣的數(shù)稱為立即數(shù)。 (2)寄存器尋址。指令的地址碼字段給出某一個通用寄存器的編碼(地址)，該寄存器中存放著操作數(shù)。 (3)直接尋址。指令的地址碼字段直接給出的是操作數(shù)的有效地址EA。用這個有效地址訪問一次存儲器，便可以從指定的存儲單元中獲得操作數(shù)。由于這樣給出的操作數(shù)地址是不能修改的。與程序本身所在的位置無關(guān)，所以又叫做絕對尋址方式。 (4)寄

31、存器間接尋址。指令中的地址碼給出了某一通用寄存器的編號，以該寄存器中的內(nèi)容為有效地址EA，用這個有效地址訪問一次存儲器，便可以從指定的存儲單元中獲得操作數(shù)。 (5)存儲器間接尋址。這是一種與寄存器間接尋址類似間接尋址方式。通常在指令格式中劃出一位作為直接或間接尋址的標(biāo)志位I。(6)變址尋址。變址尋址就是把變址寄存器RX的內(nèi)容(變址值)與指令中給出的形式地址D相加，形成操作數(shù)的有效地址EA，即EA=(RX)D。(7)相對尋址。相對尋址方式是變址尋址的特例。它以程序計數(shù)器PC為變址器，與指令提供的形式地址相加，從而得到有效地址EA。有效地址與形式地址D和程序計數(shù)器PC器的關(guān)系為：EA=(PC)D。

32、 (8)基址尋址。當(dāng)存儲器容量較大、所需地址碼的長度大于字長時，由指令地址碼字段直接給出的地址就不能直接訪問到存儲器的所有單元。解決的方法通常是把整個存儲空間分成若干個段，段的首地址存放在基址寄存器中，段內(nèi)位移量由指令直接給出，存儲器的實際地址就等于基址寄存器的內(nèi)容(即段首地址)與段內(nèi)位移量之和，這樣通過修改基址寄存器的內(nèi)容就可以訪問存儲器的任一單元。 4指令的類型及功能 計算機的指令系統(tǒng)一般都包含有幾十條到上百條指令，其類型也有很多種，在此將按照指令的類型分別介紹各類指令的基本功能。 (1)數(shù)據(jù)傳送類指令 這類指令用于實現(xiàn)寄存器與寄存器、寄存器與存儲器單元以及兩個存儲器單元之間的數(shù)據(jù)傳送操作

33、，包括通用數(shù)據(jù)傳送指令和堆棧及堆棧操作指令。 (2)運算類指令 運算類指令包括算術(shù)運算指令和邏輯運算指令。算術(shù)運算指令一般都設(shè)有二進制數(shù)加、減、乘、除、比較和求補等最基本指令；邏輯運算指令指與、或、非、異或和測試等。 (3)移位操作指令 移位操作指令分為算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位三種，可以實現(xiàn)對操作數(shù)左移或右移一位或若干位。 算術(shù)移位的對象是帶符號數(shù)，左移時、末位補0；右移時，必須保持操作數(shù)的符號不變。當(dāng)左移一位時，如不產(chǎn)生溢出，則數(shù)值乘2；而右移一位時，如不考慮因移出舍去的末位尾數(shù)，則數(shù)值除2。 邏輯移位操作的是無符號數(shù)。算術(shù)移位與邏輯移位主要差別在于右移時，填人最高位的數(shù)據(jù)不同。算術(shù)右移

34、保持最高位(符號位)不變，而邏輯右移最高位補零。 循環(huán)移位又分為小循環(huán)(自身循環(huán))與大循環(huán)(帶進位循環(huán))，主要用于實現(xiàn)循環(huán)式控制、高低字節(jié)互換等。 5字符串處理指令 字符串處理指今是一種非數(shù)處理指今。一船包括字符串傳送、字符串轉(zhuǎn)換、字符串比較、字符串查找、字符串匹配、字符串的抽取和替換。 6輸入/輸出指令(I/0) I/0指令主要用來實現(xiàn)CPU與外部設(shè)備之間的信息交換、包括輸入/輸出數(shù)據(jù)、CPU向外設(shè)發(fā)控制命令或外設(shè)向CPU報告工作狀態(tài)等。 7程序控制指令 程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行順序，并使程序具有測試、分析和判斷的能力。它主要包括轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用和返回指令等。 (1)轉(zhuǎn)移指令用來

35、改變程序的執(zhí)行順序，可以分為無條件轉(zhuǎn)移指令和條件轉(zhuǎn)移指令全兩種。 (2)子程序是一組可以公用的指令序列，只要知道子程序的入口地址就能調(diào)用它。通常把一些需要重復(fù)使用并能獨立完成某種特定功能的程序單獨編成子程序，在需要時由主程序調(diào)用，這樣做既簡化了程序設(shè)計，又節(jié)省了存儲空間。 (3)從子程序轉(zhuǎn)向主程序的指令稱為返回指令。 8其他指令 其他指令主要包括特權(quán)指全、陷阱與陷阱指令。陷阱實際上是一種意外事故中斷，中斷的目的不是為了請求CPU的正常處理，而是為了通知CPU所出現(xiàn)的故障，并根據(jù)故障轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。 填空、簡答堆棧是由若干個連續(xù)存儲單元組成的先進后出(FILO)存儲區(qū)，第一個送入堆棧中的

36、數(shù)據(jù)存放在棧底，最后送入堆棧中的數(shù)據(jù)存放在棧頂。棧底是固定不變的，而棧頂卻是隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧在不斷變化。為了表示棧頂?shù)奈恢?，用一個寄存器指出棧頂?shù)牡刂罚@個寄存器稱為堆棧指針(Stack Pointe SP)，任何堆棧操作只能由SP控制在棧頂進行。 由于堆棧具有“先進后出”的特性，因而在中斷服務(wù)程序、子程序調(diào)用過程中廣泛用于保存返回地址、狀態(tài)標(biāo)志及現(xiàn)場信息等。另一個重要作用是在子程序調(diào)用時利用堆棧在主程序與子程序之間傳遞參數(shù)。例如，首先把所需傳遞的參數(shù)壓人堆棧中，然后調(diào)用子程序。第4章 運算方法及運算器 運算器是計算機中加工與處理數(shù)據(jù)的功能部件，它主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)、各種寄存器和

37、若干控制門電路組成。4.1 定點補碼加、減法運算 簡答由于補碼加、減法運算規(guī)則最簡單，實現(xiàn)起來也最方便，因此，一般計算機都采用補碼做加、減法運算。其運算特點是： 符號位與數(shù)值部分可以按相同的規(guī)則一起參加運算，符號位不用單獨處理。 補碼減法運算可以轉(zhuǎn)換成加法運算。 補碼加、減法運算是有“模”運算，即符號位的進位自然丟失，并不影響運算結(jié)果的正確性。 1補碼加法運算補碼加法時，不管兩個數(shù)是正數(shù)還是負數(shù)，按補碼的和等于和的補碼進行運算，即：X補+X補=X+Y補 例如：已知X=1000000，Y=0001000，求兩數(shù)和的補碼。 解： X補01000000，Y補=00001000 則X補+Y補=0100

38、1000所以X+Y補=01001000 例如： X=0011001，Y=0000110 ，求兩數(shù)和的補碼。解：X補11100111，Y補=11111010則 X補+Y補=11100001，所以X+Y補=11100001。2補碼減法運算 補碼減法運算可以轉(zhuǎn)化為加法來做，轉(zhuǎn)化公式為： X補-Y補=X補+-Y補=X-Y補 例如：已知 X=0111000，Y=0010001 ，求補碼的減法運算。 解：X補=11001000，Y補=11101111，-Y補=00010001 則 X補-Y補=X補+-Y補=11011001 填空由于計算機的字長是固定的，因此計算機中數(shù)的表示范圍(允許取值范圍)是有限的。若

39、兩個有符號數(shù)進行加、減法運算的結(jié)果超出了給定的取值范圍，就稱為溢出。 計算機必須對運算結(jié)果是否“溢出”作出明確的判斷。所以，在運算器中專門設(shè)計了“溢出”判斷電路和一個“溢出”標(biāo)志位。當(dāng)判斷電路檢測到溢出發(fā)生時，則置“溢出”標(biāo)志為“1"，表示結(jié)果出錯，要求機器停止運算，進行中斷處理。判斷是否發(fā)生“溢出”常用下列兩種檢測方法。 (1)進位檢測方法 用符號位的進位與最高數(shù)值位的進位的異或來檢測，若異或的結(jié)果是1，則溢出；若結(jié)果是0，則沒有溢出。 例如：已知X=1011001，Y=1000110，求兩數(shù)的補碼之和，并判斷是否溢出。 解：X補=01011001，Y補=01000110，XY補=

40、10011111 符號位的進位是0，最高數(shù)值位的進位是1，異或結(jié)果是1，表示溢出。 (2)變形補碼檢測方法 如果將符號位擴充為兩位，其所能表示的信息量將隨之?dāng)U大，既能檢測出是否溢出，又能指出結(jié)果的符號，這種編碼稱為變形補碼。 變形補碼檢測方法是：每個操作數(shù)在運算時都采用兩個符號位，正數(shù)用00表示，負數(shù)用11表示，兩個符號位與數(shù)值位一起參加運算。若運算結(jié)果的兩個符號位的代碼一致，表示沒有溢出；若運算結(jié)果的兩個符號位代碼不一致，表示溢出。這時，左邊的符號位(第一符號位)代表了該數(shù)真正的符號，右邊的符號位(第二符號位)則被破壞。 例如：已知X=1011001，Y1001110，求兩數(shù)的補碼之和，并判

41、斷是否溢出。 解：X補=110100111，Y補=110110010，XY補=101011001 符號位的代碼為10，表示運算結(jié)果 “負溢”。如果符號位的代碼為01，則表示運算結(jié)果為“正溢”。4.2 定點乘法運算 采用原碼做乘法運算比較方便，因為乘積的符號位是兩乘數(shù)符號位的異或，而乘積的數(shù)值部分則是兩乘數(shù)絕對值相乘。 1原碼一位乘法運算 機器算法的運算規(guī)則總結(jié)如下： (1)被乘數(shù)和乘數(shù)均取絕對值參加運算，符號位單獨處理。 (2)為了避免中間結(jié)果溢出，被乘數(shù)、部分積取雙符號位參加運算，部分積初值為0。 (3)從乘數(shù)的最低位yn，開始對乘數(shù)進行判斷：若yn=1，則部分積加上被乘數(shù)|X|，然后右移一

42、位；如yn=0，則部分積加上0，然后右移一位。 (4)重復(fù)第(3)步n次。 例如：設(shè)X=0.1101，Y=0.1011求X原Y原的值。 解：乘法運算時，需要3個寄存器，其設(shè)置如下： A運算前存放部分積累加和，運算后存放乘積高位，初值A(chǔ)=00.0000 B存放被乘數(shù)，初值為B=|X |=00.1101 C運算前存放乘數(shù)，運算后存放乘積低位，初值為C=Y=0.1011 2.補碼一位乘法運算 補碼一位乘法的比較法運算算法是Bootk夫婦首先提出的，所以也稱為Booth算法，其運算規(guī)則如下 (1)運算的數(shù)均以碼表示，符號位參與運算。 (2)為了避免中間結(jié)果溢出，被乘數(shù)、部分積取雙符號位參加運算，部分積

43、初值為0。 (3)乘數(shù)可取符號位，以決定最后一步是否需要校正，即是否要加減X補。 (4)乘數(shù)末位增設(shè)附加位yn+l，且初值為0 (5)按照表41中所列規(guī)則進行操作。表41 補碼一位乘法操作規(guī)則 yn(高位) yn+1 (低位) 操 作 0 0 部分積右移一位 0 1 部分積加X補，右移一位 1 0 部分積加X補，右移一位 1 1 部分積右移一位 (6)按照上述操作規(guī)則重復(fù)n+1次操作，但第n+1次操作不再移位，僅根據(jù)y0與y1比較結(jié)果做相應(yīng)的運算即可。請注意，移位時須按照補碼移位規(guī)則進行。4.3 定點除法運算 用原碼做除法很方便，商的符號位是兩數(shù)的符號位的異或，商的數(shù)值部分則是兩數(shù)的絕對值相除

44、。 1原碼恢復(fù)余數(shù)除法 原碼恢復(fù)余數(shù)法的運算規(guī)則如下： (1)被除數(shù)和除數(shù)均取絕對值參加運算，符號位單獨處理。為了避免溢出，要求0<|被除數(shù)|除數(shù)|。 (2)被除數(shù)減除數(shù)得余數(shù)。 (3)如果余數(shù)為正，表示夠減，上商“1”，然后余數(shù)左移一位，減去除數(shù)得新余數(shù)；如果余數(shù)為負，表示不夠減，上商“0”加除數(shù)，以恢復(fù)原來的余數(shù)，然后余數(shù)左移一位，減去除數(shù)得新余數(shù)。 (4)重復(fù)第(3)步一直到n位商時，計算結(jié)束。 2原碼不恢復(fù)余數(shù)除法 在恢復(fù)余數(shù)法中，當(dāng)余數(shù)為負時，需要恢復(fù)余數(shù)，這就延長了機器除法操作的時間，同時使除法操作的步數(shù)不固定，控制比較復(fù)雜。因此，實際中常采用不恢復(fù)余數(shù)法，又稱為加減交替法。

45、 不恢復(fù)余數(shù)法的運算規(guī)則如下： (1)被除數(shù)和除數(shù)均取絕對值參加運算，符號位單獨處理。為了避免溢出，要求0<|被除數(shù)|除數(shù)|。 (2)被除數(shù)減除數(shù)得余數(shù)。 (3)如果余數(shù)為正，表示夠減，上商“qi=1”，余數(shù)左移一位，減去除數(shù)得新余數(shù)；如果余數(shù)為負，表示不夠減，上商“qi=0”，余數(shù)左移一位，加除數(shù)得到新余數(shù)，即： ri+1=2ri+(1+2qi)y (4)重復(fù)第(3)步n次。 (5)當(dāng)?shù)趎步余數(shù)為負數(shù)時需要加上除數(shù)，以恢復(fù)正確的余數(shù)rn，最后的余數(shù)R=2-Nrn (余數(shù)與被除數(shù)取同號)。 3補碼不恢復(fù)余數(shù)法 補碼不恢復(fù)余數(shù)法在算法上不像原碼除法那樣直觀，運算時應(yīng)解決以下幾個相關(guān)問題；(

46、1) 夠減的判斷。 (2) 上商規(guī)則。 (3) 商符的確定。 (4) 對商的校正。44 邏輯運算 邏輯運算是指不考慮進位的“位對位”的運算，參加運算的操作數(shù)常被稱為，邏輯數(shù)。利用邏輯運算可以進行兩個數(shù)的邏輯比較、從某個數(shù)中選取某幾位等操作。 計算機中的邏輯運算，主要是指“邏輯非”、“邏輯加”、“邏輯乘”、“邏輯異或”等四種基本運算。這些運算通過在原有加法器上附加上部分線路來實現(xiàn)，因而把用于完成算術(shù)運算與邏輯運算的部件稱為算術(shù)邏輯單元(ALU)。邏輯運算的真值表如下表42所示。 表42 邏輯運算真值表 xi yi zi(xi) zi(xiyi) zi(xiyi) zi(xiyi) 邏輯數(shù) 邏輯數(shù)

47、 邏輯求反 邏輯加 邏輯乘 邏輯異或 0 0 1 0 0 O 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 45 浮點運算 如果有兩個浮點數(shù)X和Y，它們分別為：X=MxEx，Y=MxEy，其中，數(shù)x和y的尾數(shù)是MX和My，EX、Ey為數(shù)X和y的階碼。則兩浮點數(shù)進行加、減法的運算規(guī)則是： X±Y=(Mx2Ex-Ey±My)2Ey (當(dāng)ExEy 浮點加、減運算的步驟如下： (1)0操作數(shù)檢查 如果判知兩個操作數(shù)X或y中有一個數(shù)為0，即可以得知運算結(jié)束，而沒有必要再進行后續(xù)的一系列操作，以節(jié)省運算時間。 (2)對階 兩浮點數(shù)進行加、減運算，首先要看兩數(shù)的

48、階碼是否相同，即小數(shù)點位置是否對齊。若兩數(shù)階碼不同，表示小數(shù)點位置沒有對齊，此時必須使兩數(shù)階碼相同，這個過程叫做對階。 對階的規(guī)則是：小階向大階看齊(采用這一規(guī)則的原因是當(dāng)階碼小的數(shù)的尾數(shù)右移并相應(yīng)增加階碼時，舍去的僅是尾數(shù)低位部分，誤差比較小)。要使小階的階碼增大，則相應(yīng)的尾數(shù)每右移一位，階碼加1，直到兩數(shù)的階碼相等為止。 (3)尾數(shù)加、減 對階之后，就可以進行尾數(shù)加、減運算，方法與定點加、減運算完全一樣。 (4)結(jié)果規(guī)格化 設(shè)尾數(shù)用雙符號位補碼表示，經(jīng)過加、減運算之后，只要對運算結(jié)果的符號位和小數(shù)點后的第一位進行比較：如果它們不等，即00.1xx或11.xx就是規(guī)格化的數(shù)；如果它們相等，即

49、00.1xx或，11.xx就不是規(guī)格化的數(shù)，在這種情況下，需要尾數(shù)向左移被以實現(xiàn)規(guī)格化過程，叫做向左規(guī)格化。 在浮點加、減運算時，尾數(shù)求和的結(jié)果也可能得到0 1.xx或10.xx，即兩符號位不相等，這在定點加、減運算中稱為溢出，是不允許的。但在浮點運算中，它表明尾數(shù)結(jié)果的絕對值大于1，此時將結(jié)果右移一位，階碼加1即可，稱為右規(guī)格化 (5)舍入處理 在對階或向右規(guī)格化時，尾數(shù)要向右移位，這樣被右移的尾數(shù)的低位部分會被丟掉，從而造成一定誤差，因此要進行舍入處理。常用的舍人方法有兩種：一種是“0舍1入”法，另一一種種是“恒置1”法 (6)溢出判斷 浮點數(shù)的溢出是由階碼的符號決定的。若階碼也采用雙符號

50、位補碼表示，當(dāng)階碼為01 xx表示上溢，此時浮點數(shù)真正溢出，機器需停止運算，作溢出中斷處理；當(dāng)階碼為10xx表示下溢，浮點數(shù)值趨于零，機器不作溢出處理，而是按機器零處理。 46 運算器 運算器主要由算術(shù)邏輯單元、通用寄存器、狀態(tài)字寄存器和有關(guān)的判斷邏輯(例如判結(jié)果是否為0，有無進位，是否溢出等)、局部控制電路和內(nèi)部等組成。 單選，填空根據(jù)總線所處的位置，可將其分為內(nèi)部總線和外部總線兩類。內(nèi)部總線是指CPU內(nèi)各部件的連線，而外部總線是指系統(tǒng)總線，即CPU與存儲器、I/O系統(tǒng)之間的連線。 按總線的邏輯結(jié)構(gòu)來說，總線可分為單向總線和雙向總線。所謂單向總線，就是信息只能一個方向傳送；所謂雙向總線，就是

51、信息可以向兩個方向傳送，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收數(shù)據(jù)。第5章 中央處理器51 CPU的功能與組成 簡答計算機對信息進行的處理(或計算)是通過程序的執(zhí)行來實現(xiàn)的。CPU要控制整個程序的執(zhí)行，它應(yīng)具有以下幾個基本功能。 (1)程序控制。程序執(zhí)行順序成為程序控制。 (2)操作控制。 (3)時間控制。對各種微操作實施時間上的控制稱為時間控制。 (4)數(shù)據(jù)加工。就是對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算。 除了上述4個基本功能之外，CPU還必須能控制程序的輸入和運算結(jié)果的輸出以及對總線_的管理，甚至能處理機器運行過程中出現(xiàn)的異常情況和特殊請求即應(yīng)具有中斷理能力。 簡答傳統(tǒng)的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。現(xiàn)代的CPU主要由運算器、控制器和Cache三大部分組成。 (1)運算器。運算器是計算機的加工處理部