計(jì)算機(jī)組成原理2013-第十五講

1、計(jì)算機(jī)組成原理 舒燕君 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第十五講DMA接口主存CPU2. DMA 接口組成DMA 控 制 邏 輯 中 斷 機(jī) 構(gòu)設(shè)備HLDAARWCDARHRQ中斷請(qǐng)求數(shù)據(jù)線地址線+1+1溢出信號(hào)DREQDACKBR5.63. DMA 方式與程序中斷方式的比較(1) 數(shù)據(jù)傳送(2) 響應(yīng)時(shí)間(3) 處理異常情況(4) 中斷請(qǐng)求(5) 優(yōu)先級(jí)中斷方式DMA 方式程序 硬件指令執(zhí)行結(jié)束 存取周期結(jié)束能 不能低 高傳送數(shù)據(jù) 后處理 5.66.1 無(wú)符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)一、無(wú)符號(hào)數(shù)寄存器的位數(shù)反映無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍 8 位 0 25516 位 0 65535帶符號(hào)的數(shù) 符號(hào)數(shù)字化的數(shù)+ 0.10110

2、 1011小數(shù)點(diǎn)的位置+ 11000 1100小數(shù)點(diǎn)的位置 11001 1100小數(shù)點(diǎn)的位置 0.10111 1011小數(shù)點(diǎn)的位置真值 機(jī)器數(shù)1. 機(jī)器數(shù)與真值二、有符號(hào)數(shù)6.12. 原碼表示法帶符號(hào)的絕對(duì)值表示(1) 定義整數(shù)x 為真值n 為整數(shù)的位數(shù)如x = x原 = 0 , 1110 x原 = 24 + 1110 = 1 , 1110 x = 1110 x原 = 0，x 2n x 02n x 0 x 2n用 逗號(hào) 將符號(hào)位和數(shù)值部分隔開6.1- 123(1) 補(bǔ)的概念 時(shí)鐘逆時(shí)針- 363順時(shí)針+ 9 6153. 補(bǔ)碼表示法可見(jiàn) 3 可用 + 9 代替記作 3 + 9 （mod 12）同

3、理 4 + 8 （mod 12） 5 + 7 （mod 12） 時(shí)鐘以 12為模減法 加法6.1稱 + 9 是 3 以 12 為模的 補(bǔ)數(shù)結(jié)論 一個(gè)負(fù)數(shù)加上 “?！?即得該負(fù)數(shù)的補(bǔ)數(shù) 一個(gè)正數(shù)和一個(gè)負(fù)數(shù)互為補(bǔ)數(shù)時(shí) 它們絕對(duì)值之和即為 模 數(shù) 計(jì)數(shù)器（模 16） 101110110000+ 0101 1011100001011 0000 ？可見(jiàn) 1011 可用 + 0101 代替同理 011 0.1001自然去掉6.1記作 1011（mod 24） + 0101（mod 23） + 101 （mod 2） + 1.0111(3) 補(bǔ)碼定義整數(shù)x 為真值n 為整數(shù)的位數(shù)x補(bǔ) = 0，x 2n x

4、02n+1 + x 0 x 2n（mod 2n+1）如x = x補(bǔ) = 27+1 +( 1011000 )=x補(bǔ) = 0,1010 x = 10110001,0101000用 逗號(hào) 將符號(hào)位和數(shù)值部分隔開6.11011000100000000(4) 求補(bǔ)碼的快捷方式= 100000= 1,011010101 + 1= 1,0110 又x原 = 1,1010則x補(bǔ) = 24 = 11111 + 1 1010= 1111110101010當(dāng)真值為 負(fù) 時(shí)，補(bǔ)碼 可用 原碼除符號(hào)位外每位取反，末位加 1 求得6.1+ 1設(shè) x = 1010 時(shí)真值0, 10001101, 01110100.1110

5、1.00100.00000.00001.00000,10001101,10001100.11101.11100.00001.0000不能表示練習(xí)求下列真值的補(bǔ)碼 1補(bǔ) = 2 + x = 10.0000 1.0000 = 1.0000+ 0補(bǔ) = 0補(bǔ)由小數(shù)補(bǔ)碼定義= 1000110 x補(bǔ) x原6.1x = +70 x = 0.1110 x = 0.0000 x = 70 x = 0.1110 x = 0.0000 x = 1.0000= 1000110 x補(bǔ) = x 1 x 02+ x 0 x 1（mod 2）4. 反碼表示法(1) 定義整數(shù)x反 = 0，x 2n x 0( 2n+1 1)

6、+ x 0 x 2n（mod 2n+1 1）如x = x反 = 0,1101 = 1,0010 x = 1101x反 = (24+1 1) 1101 = 11111 1101用 逗號(hào) 將符號(hào)位和數(shù)值部分隔開x 為真值n 為整數(shù)的位數(shù)6.1小數(shù)x = + 0.1101x反 = 0.1101x = 0.1010 x反 = (2 2-4) 0.1010= 1.1111 0.1010= 1.0101如x反 = x 1 x 0( 2 2-n) + x 0 x 1（mod 2 2-n）用 小數(shù)點(diǎn) 將符號(hào)位和數(shù)值部分隔開x 為真值6.1n 為小數(shù)的位數(shù)(2) 舉例例 6.10 求 0 的反碼設(shè) x = +

7、0.0000+0.0000反= 0.0000解：同理，對(duì)于整數(shù)+0反= 0,0000例6.9 已知 x反 = 1,1110 求 x例6.8 已知 x反 = 0,1110 求 x解：由定義得 x = + 1110解：6.1= 1,1110 11111= 0001由定義得x = x反 (24+1 1)x = 0.0000 0.0000反= 1.1111 0反= 1,1111 + 0反 0反 三種機(jī)器數(shù)的小結(jié) 對(duì)于正數(shù)，原碼 = 補(bǔ)碼 = 反碼 對(duì)于負(fù)數(shù) ，符號(hào)位為 1，其 數(shù)值部分原碼除符號(hào)位外每位取反末位加 1 補(bǔ)碼原碼除符號(hào)位外每位取反 反碼 最高位為符號(hào)位，書寫上用“,”（整數(shù)）或“.”（小

8、數(shù)）將數(shù)值部分和符號(hào)位隔開6.1例6.11 000000000000000100000010011111111000000010000001111111011111111011111111128129-0-1-128-127-127-126二進(jìn)制代碼 無(wú)符號(hào)數(shù)對(duì)應(yīng)的真值原碼對(duì)應(yīng) 的真值補(bǔ)碼對(duì)應(yīng) 的真值反碼對(duì)應(yīng) 的真值012127253254255-125-126-127-3-2-1-2-1-0+0+1+2+127+0+1+2+127+0+1+2+1276.1+0 設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為 8 位（其中位為符號(hào)位）對(duì)于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無(wú)符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和反碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的真值范圍各為多少？例6.12 解：

9、已知 y補(bǔ) 求 y補(bǔ) y補(bǔ) = 0. y1 y2 yny = 0. y1 y2 yny = 0. y1 y2 yn y補(bǔ) = 1.y1 y2 yn + 2-n y補(bǔ) = 1. y1 y2 yn y原 = 1. y1 y2 yn + 2-n y = （0. y1 y2 yn + 2-n） y = 0. y1 y2 yn + 2-n y補(bǔ) = 0. y1 y2 yn + 2-n設(shè) y補(bǔ) = y0. y1 y2 yn6.1每位取反，即得 y補(bǔ)y補(bǔ)連同符號(hào)位在內(nèi)，末位加 1每位取反，即得 y補(bǔ)y補(bǔ)連同符號(hào)位在內(nèi)，末位加 15. 移碼表示法補(bǔ)碼表示很難直接判斷其真值大小如十進(jìn)制x = +21x = 21

10、x = +31x = 31x + 25 + 100000 + 10000010101 + 10000011111 + 100000大大錯(cuò)錯(cuò)大大正確正確0,101011,010110,111111,00001 10101 11111= 110101= 001011= 111111= 000001二進(jìn)制補(bǔ)碼6.1(1) 移碼定義x 為真值，n 為 整數(shù)的位數(shù)移碼在數(shù)軸上的表示x移碼2n+112n2n 12n00真值如x = 10100 x移 = 25 + 10100用 逗號(hào) 將符號(hào)位和數(shù)值部分隔開x = 10100 x移 = 25 10100 x移 = 2n + x（2nx 2n）= 1,1010

11、0= 0,011006.1(2) 移碼和補(bǔ)碼的比較設(shè) x = x移 = 27 + 1100100 x補(bǔ) = 0,1100100設(shè) x = 1100100 x移 = 27 1100100 x補(bǔ) = 1,0011100補(bǔ)碼與移碼只差一個(gè)符號(hào)位= 1,1100100= 0,001110010016.1- 1 0 0 0 0 0- 1 1 1 1 1- 1 1 1 1 0- 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0+ 0 0 0 0 1+ 0 0 0 1 0+ 1 1 1 1 0+ 1 1 1 1 1真值 x ( n = 5 )x補(bǔ)x移x 移對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制整數(shù)(3) 真值、補(bǔ)碼和移碼的對(duì)照表0123132

12、333462630 0 0 0 0 00 0 0 0 1 00 0 0 0 0 10 1 1 1 1 11 0 0 0 0 01 0 0 0 0 11 0 0 0 1 01 1 1 1 1 01 1 1 1 1 10 1 1 1 1 10 1 1 1 1 00 0 0 0 1 00 0 0 0 0 10 0 0 0 0 01 1 1 1 1 11 0 0 0 1 01 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0- 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0+ 1 1 1 1 10 0 0 0 0 01 1 1 1 1 10 0 0 0 0 01 0 0 0 0 06.1 當(dāng) x = 0 時(shí)+0移

13、 = 25 + 0 當(dāng) n = 5 時(shí)可見(jiàn)，最小真值的移碼為全 0(4) 移碼的特點(diǎn)用移碼表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼能方便地判斷浮點(diǎn)數(shù)的階碼大小= 1,00000= 1,00000= 0000006.1 0移 = 25 0 +0移 = 0移 100000移= 25 100000最小的真值為 25= 1000006.2 數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出一、定點(diǎn)表示Sf S1S2 Sn數(shù)符數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置Sf S1S2 Sn數(shù)符數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置或定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī)原碼補(bǔ)碼反碼(1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1 +(1 2-n) 2n +( 2n 1)(1

14、 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1)二、浮點(diǎn)表示N = Srj浮點(diǎn)數(shù)的一般形式S 尾數(shù)j 階碼r 基數(shù)（基值）計(jì)算機(jī)中 r 取 2、4、8、16 等當(dāng) r = 2N = 11.0101= 0.110101210 = 1.1010121 = 1101.012-10 = 0.001101012100 計(jì)算機(jī)中 S 小數(shù)、可正可負(fù)j 整數(shù)、可正可負(fù) 規(guī)格化數(shù)二進(jìn)制表示6.21. 浮點(diǎn)數(shù)的表示形式Sf 代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)n 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度m 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍jf 和 m 共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置6.2jf j1 j2 jm Sf S1 S2 Sn j 階碼S 尾數(shù)

15、階符數(shù)符階碼的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置2. 浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍（原碼）2( 2m1)( 1 2n)2( 2m1)2n2( 2m1)( 1 2n)2( 2m1)2n最小負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)負(fù)數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)下溢0上溢上溢215 ( 1 2-10) 2-15 2-10 215 ( 1 2-10) 設(shè) m = 4 n =10上溢 階碼 最大階碼下溢 階碼 最小階碼 按 機(jī)器零 處理6.22-15 2-10 練習(xí) 設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為 24 位，欲表示3萬(wàn)的十進(jìn)制數(shù)，試問(wèn)在保證數(shù)的最大精度的前提下，除階符、數(shù)符各 取1 位外，階碼、尾數(shù)各取幾位？滿足 最大精度 可取 m = 4，n = 18解：m

16、= 4，5，6，15 位二進(jìn)制數(shù)可反映 3 萬(wàn)之間的十進(jìn)制數(shù) 215 = 32768214 = 163846.2215 0. 15位3. 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化形式r = 2尾數(shù)最高位為 1r = 4尾數(shù)最高 2 位不全為 0r = 8尾數(shù)最高 3 位不全為 04. 浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化r = 2左規(guī) 尾數(shù)左移 1 位，階碼減 1右規(guī) 尾數(shù)右移 1 位，階碼加 1r = 4左規(guī) 尾數(shù)左移 2 位，階碼減 1右規(guī) 尾數(shù)右移 2 位，階碼加 1r = 8左規(guī) 尾數(shù)左移 3 位，階碼減 1右規(guī) 尾數(shù)右移 3 位，階碼加 1基數(shù) r 越大，可表示的浮點(diǎn)數(shù)的范圍越大基數(shù)不同，浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化形式不同基數(shù) r 越大，浮點(diǎn)

17、數(shù)的精度降低 6.2例如：最大正數(shù)= 215( 1210 ) 2 0.111111111110 個(gè) 1最小正數(shù)最大負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)= 21521 = 215( 12 10 ) = 216= 21521 = 2162-1111 0.10000000009 個(gè) 02-1111 ( 0.1000000000)9 個(gè) 02 ( 0.1111111111)10 個(gè) 1設(shè) m = 4，n = 10，r = 2尾數(shù)規(guī)格化后的浮點(diǎn)數(shù)表示范圍6.2三、舉例例 6.13 將 + 寫成二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)及在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中的機(jī)器數(shù)形式。其中數(shù)值部分均取 10 位，數(shù)符取 1 位，浮點(diǎn)數(shù)階碼取 5 位（含1位階符）。1

18、9128解：設(shè) x = +19128二進(jìn)制形式定點(diǎn)表示浮點(diǎn)規(guī)格化形式x原 = 1, 0010; 0. 1001100000 x補(bǔ) = 1, 1110; 0. 1001100000 x反 = 1, 1101; 0. 1001100000定點(diǎn)機(jī)中浮點(diǎn)機(jī)中000 x = 0.0010011x = 0.0010011x = 0.10011000002-10 x原 = x補(bǔ) = x反 = 0. 6.2x = 1110100000例 6.14 將 58 表示成二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)，并寫出它在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中的三種機(jī)器數(shù)及階碼為移碼、尾數(shù)為補(bǔ)碼的形式（其他要求同上例）。解：設(shè) x = 58二進(jìn)制形式定點(diǎn)表示浮點(diǎn)規(guī)格化形式x原 = 1, x補(bǔ) = 1, 1111000110 x反 = 1, 1111000101x原 = 0, 0110; 1. 1110100000 x補(bǔ) = 0, 0110; 1. x反 = 0, 0110; 1. 定點(diǎn)機(jī)中浮點(diǎn)機(jī)中x階移、尾補(bǔ) = 1, 0