计算机系统结构第二章new解析
《计算机系统结构(第2版)》清华课件第2章
1 27 27 1 N (1 2 23) 2 2 2
即：
2
129
N (1 2
23
)2
127
1位
1位
7位
23 位
mf
ef
e
m
注：mf 为尾数的符号位，ef 为阶码的符号位，e 为阶码的值，m 为尾数的值。
• 规格化最大正数： 0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 • 规格化最小正数： 0000 0000 0100 0000 0000 0000 0000 0000 • 规格化最大负数： 1000 0000 0100 0000 0000 0000 0000 0000 • 规格化最小负数： 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
1 ( p 1) 当rm＝2时，有： (2, p) 2 2 p 2
5. 浮点数的表数效率
• 浮点数是一种冗余数制(Redundat Number System) • 浮点数的表数效率定义为：
可表示的规格化浮点数个数 2(rm 1) rm p 1 2 req 1 全部浮点数个数 2 rm p 2 req
2.1.3
浮点数格式设计
1. 浮点数格式设计的主要问题
在表示浮点数的6个参数中，只有尾数基值rm、尾数长 度p和阶码长度q与表数范围、表数精度和表数效率 有关
N rm
re 1
q
(r
m,
p)
rm
1 2
( p 1)
rm 1 (rm) rm
在字长确定的情况下，如何选择尾数基值rm， 使表数范围最大、表数精度和表数效率最高
计算机系统结构(中科院 胡伟武 2016)课后习题答案 第二章
1.解：A为10MIPS，B为20MIPS，C为40MIPS。
三台机器实际性能相同。
2.解：加速比y与向量化比例x之间的关系是：y=1/((1-x)+x/8)=1/(1-7x/8)……(A) (1)(2) 在式(A)中令y=2，可解得x=4/7≈57.14%。
此时向量模式运行时间占总时间比例是((4/7)/8)/(3/7+((4/7)/8))=1/7=14.29% (3) 硬件方法，整体加速比为1/(1-0.7*(1-1/16))=2.91软件方法，设相同加速比下向量化比例为x，即1/(1-7x/8)=2.91, x=0.75所以推荐软件方法。
3.解：(1) MIPS EMUL=(I+F×Y)/(W×106)；MIPS FPU=(I+F)/(B×106)(2) 120=(I+8×106×50)/(4×106) => I=80×106(3) 80=(80×106+8×106)/(B×106) => B=1.1(4) MFLOPS=F/((B-((W*I)/(I+F*Y))) ×106)≈18.46(5) 决策正确，因为执行时间缩短了，这才是关键标准。
4.解：(1) y=12.29386-0.18295x+0.0015x2(2) y=342.47443-6.36386x+0.02727x25.解：1.1V下静态功耗1.1*1.1/(1.05/0.5)=0.576W1.1V下1GHZ时动态功耗为1.1*2.5-0.576=2.174W1.1V下0.5GHZ功耗功耗为2.174*0.5/1=1.087W1.1V下0.5GHZ总功耗为1.087+0.576=1.663W6. 解：a) 先证明N=2k 时，正数1212()/N N N a a a N a a a +++≥。
对k 进行数学归纳法即可。
计算机系统结构课件第2章
2.1
数据表示：
数据表示
研究计算机硬件能够直接辨认与处理的数据类型 所谓“硬件能够直接辨认与处理”，指的是对该数据类型的各 种运算操作都有相应的实现硬件电路。 通常数据表示涉及的数据类型有整数、实数、逻辑数、浮点数、 字符串等。
数据结构：
研究应用领域中的各种复杂数据类型。 如：队列、链表、图、树、文件等， 研究它们的存储、处理、运算方法，并给出相应的算法。
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与“科学记数法”非常相似，但各部分均为有限位 数： e m
N m r
其中：
N 浮点数 m 尾数的值，纯小数，符合规格化原则（最高位的绝对值不为0）
e r 阶码的值，整数，常用移码表示 基值，常见的有2进制、8进制、16进制、10进制等
浮点数的机内格式
计算机系统结构主要研究数据表示，主要为浮点数的表示
2.1.1
浮点数据表示
浮点数据就是高级语言课程中所说的“实型数”。 定点数据表示的缺点： 编程困难 表示数的范围小 数据存储单元的利用率低(大量的前置0，造成浪费)
浮点数表示方式要研究的核心内容：
数据长度与表数范围、表数精度和表数效率之间的关系。
2（ rm 1) rmp1 2 req 1 2 rmp 2 req
化简，并忽略机器 0 ：
rm 1 rm
21 50 % 信息利用率很低。 现考察尾基=2时的情况： ( 2) 2 16 1 ( 16 ) 94 % 而尾基=16时， 16
1. 加减法
（1）同号尾数相加、异号尾数相减，不必设置警戒位； 原因：结果的绝对值<2，不需要左规格化。 （2）同号尾数相减、异号尾数相加， 若阶差为0，不必设置警戒位； 若阶差为1，只需设置1位警戒位； 若阶差 >1，只需设置1位警戒位用于左规。
信息技术教材章节解析
信息技术教材章节解析信息技术作为当今社会一个重要的领域，其教育和培训已经成为教育系统不可或缺的一部分。
而教材作为学生学习的主要工具，对于教育的有效性起着至关重要的作用。
因此，本文将对信息技术教材中的章节进行解析，以便更好地了解其内容和结构。
第一章：信息技术概述第一章是信息技术教材的开篇章节，旨在向学生介绍信息技术的基本概念和应用领域。
本章通常以引入信息技术的定义和起源为开端，接着介绍其在日常生活中的广泛应用，如电子邮件、网络浏览和社交媒体等。
此外，本章还会涵盖信息技术发展的历史背景和技术趋势，目的是让学生对信息技术有一个全面的认识。
第二章：计算机系统第二章主要介绍计算机系统的组成和原理。
从硬件角度出发，本章通常会涵盖计算机的五大基本组成部分，即输入设备、输出设备、中央处理器、存储器和控制器。
同时，本章还会对计算机内部运行的基本原理进行解析，例如数据存储、位运算和逻辑电路等。
通过对计算机系统的全面介绍，学生可以更好地理解计算机的工作原理和内部结构。
第三章：计算机网络第三章是信息技术教材中非常重要的一章，主要介绍计算机网络的基本原理和应用。
学生将了解到计算机网络的概念、发展历程以及常见的网络拓扑结构。
此外，本章还会涵盖局域网、广域网和互联网等不同类型的网络。
同时，本章还会介绍网络协议和网络安全等内容，以便学生在日常生活中更好地应用和管理计算机网络。
第四章：数据库系统第四章主要介绍数据库系统的概念和应用。
学生将了解到数据库的基本概念和关键特征，以及数据库管理系统的作用和功能。
本章通常会涵盖关系型数据库和非关系型数据库两种类型的介绍，并通过实例展示如何进行数据库的设计和管理。
此外，本章还会涉及到数据库查询语言和数据备份与恢复等相关内容，帮助学生全面了解数据库系统的工作原理和应用场景。
第五章：软件开发与编程第五章是信息技术教材中涉及到的重要章节，主要介绍软件开发和编程的基本概念和技术。
本章通常会涵盖软件开发的生命周期和常用的开发模型，以及软件需求分析和软件测试等关键环节。
计算机系统结构第2章
表示型、结构型
√ . 表示型数据：硬件能直接识别和引用的、由运算指 令和运算部件实现运算的数据。如定点数,浮点数， 布尔数和二进串，表示型数据是自然数据形式。 √ . 结构型数据：将表示型数据按一定的逻辑组织起来, 就成为结构型数据。它们面向应用和软件。如: 串, 栈, 队列, 向量, 树, 图等等。结构型数据是人为的
★ 续上
★浮点数的规格化 规定：浮点数 F = M1×2n 在保证 F 的值不变的前提下，同时变换 n 和 M1的值，使得该浮点数真值 的尾数小 数点后面第一位为 “1” 成为 0.1□□ …□ × 2n 的形式 例如：0.0100111 × 26 变换为 0.1001110 × 25 (注：请同学们考虑，如若尾数用补码表示,那 末小数点后第一位应是□? 请举例）
原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成，硬件实现的功能也可以由软件的模拟来完成，只是其性能、价格实现的难易程度有所不同。
软件和硬件在逻辑上是等效的。
具有相同功能的计算机系统，其软、硬件功能分配比例可以在很宽的范围内变化。
第二章 数据表示与指令系统 （P36）
. 浮点数一般的典型格式如图所示：
数符
阶符
E（阶码）
M（尾数的有效数字）
一般浮点表示
小数点
S SE E1 …… En M1 M2 …… Mm
N＝(-1)S 2 E 0.M
. 理论上浮点数从格式换算为真值：
2.1 浮点数表示和 IEEE 754 标准 2.2 高级数据表示 自定义数据/ 向量数据/ 堆栈数据 2.3 寻址方式与指令格式的优化设计 寻址方式/ 程序定位技术/ 指令格式优化设计 2.4 指令系统设计的两种风格 指令系统的功能 CISC / RISC 两种指令系统风格和它们的比较
计算机系统结构-第二章（习题解答）
计算机系统结构-第二章（习题解答）1. 数据类型、数据表示和数据结构之间是什么关系？在设计一个计算机系统时，确定数据表示的原则主要有哪几个？答：略2. 假设有A 和B 两种不同类型的处理机，A 处理机中的数据不带标志位，其指令字长和数据字长均为32位。
B 处理机的数据带有标志位，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令条数由最多256条减少至不到64条。
如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。
对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在A 处理机和B 处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？答：我们可以计算出数据的总数量：∵ 程序有1000条指令组成，且每条指令平均要访问两个操作数∴ 程序访问的数据总数为：1000×2＝2000个∵ 每个数据平均访问8次∴ 程序访问的不同数据个数为：2000÷8＝250对于A 处理机，所用的存储空间的大小为：bit 4000032250321000Mem Mem Mem data n instructio A =?+?=+=对于B 处理机，指令字长由32位变为了30位（条数由256减少到64），这样，所用的存储空间的大小为：bit 3900036250301000Mem Mem Mem data n instructio B =?+?=+=由此我们可以看出，由于数据的平均访问次数要大于指令，所以，采用带标志符的数据表示不会增加总的存储空间大小。
3. 对于一个字长为64位的存储器，访问这个存储器的地址按字节编址。
假设存放在这个存储器中的数据中有20％是独立的字节数据（指与这个字节数据相邻的不是一个字节数据），有30％是独立的16位数据，有20％是独立的32位数据，另外30％是独立的64位数据；并且规定只能从一个存储字的起始位置开始存放数据。
⑴计算这种存储器的存储空间利用率。
计算机系统结构课件第2章
2.Huffman编码法 Huffman编码法是1952年由Huffman提出的一种可变字长编码 (VLC)。采用Huffman编码法表示操作码，必须先知道各种指令在 程序中出现的概率，这可通过对典型程序统计得到。根据 Huffman编码法的原理，操作码的最短长度可通过下式计算：
H pi log 2 pi
（3）主存寻址 主存寻址是所有计算机中都普遍采用的一类寻址方式，其寻 址种类也最为复杂。主存寻址的指令格式主要有： OPC M OPC M， M OPC M， M， M （4）堆栈寻址 堆栈寻址方式的地址是隐含的，在指令中不必给出操作数的 地址。因此，指令的长度很短，一般的形式有： OPC OPC M
i 1
n
Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率，一共有n种操作码。 如果采用固定长操作码，n种操作码共需要个 log 2 n 二进制 位，因此固定长度操作码的信息冗余量为：
R 1
pi log 2 pi
i 1
n
log 2 n
3.扩展编码法 Huffman编码法能使操作码的平均长度最短，信息的冗余量 最小。然而，这种编码方法所形成得操作码很不规整。这不利于 硬件的译码，也不利于软件的编译，也很难与地址码配合，形成 有规则长度的指令编码。 在许多处理机中，采用了一种新的折中的方法，称为扩展编 码法。这种方法是由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成 的。对于上节中有7条指令的模型机例子，如果采用扩展编码法编 排操作码，可有多种方法。
3.自定义数据表示 为了减少高级语言与机器语言之间的差别，采用了自定义数 据表示，就是由数据本身来表明数据类型，这样可以使每种指令 的种类大为减少，称为通用化指令。自定义数据表示有带标志符 数据表示和数据描述符表示。 （1）带标志符数据表示就是对每一个数据都附加一个标志符， 由这个标志符来表示这个数据的类型。这种表示法的优点是：简 化指令系统；易于对编程查错；自动类型转换；简单化编译；方 便程序调试。缺点是增加存储空间又使指令执行速度变慢。 （2）数据描述符表示，主要用来描述复杂和多维结构的数据 类型，如向量、记录等。它与带标志符数据表示不同之处是： ①标志符与每个数据相连，两者合存在一个存储单元中；而 描述符则和数据分开存放； ②要访问数据集中的元素时，先访问描述符，这至少增加一 级寻址； ③描述符看成是程序一部分，而不是数据的一部分。标志符 则可看作是数据的一部分。
计算机体系结构第2版课件第2章 第1讲
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
2
MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
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一、浮点数据表示
4.尾数舍入处理
1）恒舍法
又称截断法、必舍法等。 优点：容易实现。 缺点：累计误差较大； 结论：运算精度要求较高的应用场合，不宜使用。
数符
阶符
阶码 尾数
尾数
147 0.625×2
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1
在不同的计算机上，浮点数的表示方式也不相同。一般地， 阶码部分用二进制表示。 尾数用几进制表示，随机器而异。
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1
3. 熟练掌握等长码编码、哈夫曼编码和扩展操作码的编码方法
并能针对题目的具体要求设计出比较优化的指令格式。
4. 了解改进指令系统所要达到的目标以及所采取的思路和办法。 5. 了解CISC的问题和RISC的优点。
本章的重点和难点
本章的重点是：自定义数据表示；浮点数尾数的基值选择；
数的下溢处理方法；寻址方式中的再定位技术；信息在存贮 器中按整数边界存贮的概念；操作码和指令字格式的优化； CISC指令系统的改进途径综述；RISC概念及所采用的基本 技术等。
计算机系统结构
第二章 数据表示与指令系统
基本要求
1. 领会数据表示与数据结构的关系，自定义数据表示中标志符
数据表示的优点，掌握浮点数的表示方法。
2. 了解指令系统中三种面向的寻址方式。理解逻辑地址变换成
物理地址中所采用的静态再定位和动态再定位的方法。基址 寻址和变址寻址的差别。领会信息在主存中按整数边界存贮 的含义、编址要求、存在问题和适用场合。
尾数用二进制表示:（0.10011101）2×25
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1
0
0
1
0
1
9
D
尾数用十六进制表示:（0.9D）16×165
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1
二、寻址方式
二、信息在主存中按整数边界存储
3. 程序在主存中的定位技术
一、浮点数据表示----尾数舍入处理
一、浮点数据表示
4.尾数舍入处理
3) 舍入法 优点：精度高，积累误差小； 缺点：实现困难（需增设附加位），处理速度慢（连续进位， 右规）； 现状：很少使用，主要用于软件实现的浮点运算中。
一、浮点数据表示----尾数舍入处理
一、浮点数据表示
4.尾数舍入处理
4）查表法
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
阶码 尾数
尾数
147 0.625×2
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1
阶符
阶码 尾数
尾数
147 0.625×2
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1
本章的难点是：浮点数尾数基值的选择；操作码和指令字格
式的优化设计。
一、浮点数据表示
一、浮点数据表示
1 定点数计算机的缺点
例如：太阳的重量约为：0.2*1034克；
一个电子的重量约为：0.9*10-27克； 二者相差：1061; 若用定点数表示：2x>1061 x>203位； 无符号长整型：0~4294967295
结论：可表示的数范围小。
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式 阶码
34 0.2×10
尾数 ？？？
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
001来自001
0
0
1
1
1
0
1
147 0.625×2
一、浮点数据表示
2 通用计算机浮点数的表示格式
0
0
1
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
尾数
147 0.625×2
一、浮点数据表示----尾数舍入处理
一、浮点数据表示
4.尾数舍入处理
2）恒置法 恒置法又称恒置r/2法(r是尾数的基值)，或恒置1法(当尾数 基值取2时)，或冯·诺依曼法(Von Neumann rounding)。 优点：容易实现，积累误差较小； 缺点：损失一位精度，表数精度降低； 现状：广泛应用于精度要求不太高的各种计算机系统中。
0
0
1
0
1
4
7
2
尾数用八进制表示：（0.472）8×85
一、浮点数据表示
一、浮点数据表示----举例
一、浮点数据表示
一、浮点数据表示
尾数(16) 尾数(10) 1/16 2/16 3/16 4/16 5/16 6/16 7/16 8/16 9/16 10/16 11/16 12/16 13/16 14/16 15/16 尾数(2) 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 阶码 10
p=2 m=4 rm=16 规 格 化 浮 点 数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
00 1/16 2/16 3/16 4/16 5/16 6/16 7/16 8/16 9/16 10/16 11/16 12/16 13/16 14/16 15/16
01
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 176 192 208 224 240
11
256 512 768 1024 1280 1536 1792 2048 1304 2560 2816 3072 3328 3584 3840
一、浮点数据表示
3 浮点数尾数基值的选择
1）表数范围：随着rm增大，表数范围增大；
优点：速度快，平均误差可调节到0。 缺点：硬件开销加大。 现状：逐渐普遍使用。
二、信息在主存中按整数边界存储
二、寻址方式
二、信息在主存中按整数边界存储
1. 三种面向的寻址方式：
面向寄存器、面向堆栈和面向主存的寻址方式。
2. 逻辑地址与物理地址 逻辑地址：程序员编写程序时所用到的地址，如内存变量、 程序标号； 物理地址：程序在主存中的实际地址。