计算机组成原理第二章 第2讲.数据格式

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计算机组成原理第2章 数据的机器层次表示

计算机组成原理第2章 数据的机器层次表示
2012年3月20日星期二 年 月 日星期二
[X2]补=1.1010
15
2.1 数值数据的表示
计算机组成原理
若真值为纯整数,它的补码形式为 XsX1X2…Xn,其中 s表示符号位。 其中X 表示符号位。 例2:X1=1101 , : X2=-1101
[X1]补=0,1101 , [X2]补=1,0011 补码表示中, 真值0的表示形式是唯 在 补码表示中 , 真值 的表示形式是唯 一的。 一的。 [+0]补=[-0]补=00000 注意
注意备注
2012年3月20日星期二 年 月 日星期二 5
2.1 数值数据的表示
计算机组成原理
所谓带符号数, 即正、 负数。 所谓带符号数 , 即正 、 负数 。 我们 加绝对值,来表示数值的 用 “ +”、 “ -”号 ,加绝对值 来表示数值的 、 号 加绝对值 大小, 大小,用这种形式表示的数值在计算机技 术中称为“真值” 术中称为“真值”。 对于数的符号“ 或 对于数的符号“+”或“-”,计算机是 , 无法识别的,因此需要把数的符号数码化。 无法识别的,因此需要把数的符号数码化。 二进制数的最高位为 通常, 约定:二进制数的最高位 符号位, 通常 , 约定 二进制数的最高位 为 符号位 , 表示正号 表示负号 “0”表示正号,“1”表示负号。这种在计 表示正号, 表示负号。 算机中使用的表示数的形式称为机器数 机器数。 算机中使用的表示数的形式称为机器数。
例如: 例如:[X]原 =1.1110011000 [X]补 =1.0001101000
不变
2012年3月20日星期二 年 月 日星期二
变反
不变
注意备注
17
2.1 数值数据的表示

计算机组成原理第二章

计算机组成原理第二章

纯小数(定点小数) 数值表示: x = x0 . x1x2…xn xi={0,1}, 1≤i≤n x12-1 + … + xn-12-n+1 + xn2-n 表示范围:当x1x2…xn各位均为0时,数X的绝对值最小, 即│x│min=0;当各位均为1时,x的绝对值最大,即│x│max=12-n,故数的表示范围为: 0≤|x|≤1-2-n (2.1) 例如: x=0.10101 其数值=2-1+2-3+2-5=21/32 纯整数(定点整数): 数值表示:x = x0x1x2…xn xi={0,1}, 1≤i≤n x02n-1 + x12n-2 + … + xn-121 + xn 表示范围: 0≤|x|≤2n-1 (2.2) 例如: x=010101 其数值=24+22+20=21 目前计算机中多采用定点纯整数表示,因此将定点数表示 的运算简称为整数运算。
当阶码E为全0且尾数M也为全0,真值x为0, 因为符号位S可为0或1,有正 0和负0之分。 当阶码E为全1且尾数M不为全0,表示真值x为∞, 因为符号位S可为0或1, 有+∞和-∞之分。 在32位浮点数表示中,指数的偏移值不选128(10000000),而选 127(01111111)。对规格化浮点数,E的范围为1254,真指数值e 则为-126 +127。因此32位浮点数表示的绝对值的范围是10-38 10+38。 [例1] 若浮点数x的二进制存储格式为(41360000)16,求其32位浮点数的 例 十进制值。 [解:] 将十六进制数展开后,可得二进制数格式为 解
为便于4位浮点数的标准格式 为
32位的浮点数中,S:浮点数的符号位,1 位,0表示正数, 1表示负数。M:尾数,23位,用小数表示,小数点放在尾数 域的最前面。E:阶码,8 位阶符采用隐含方式,即采用移码 方式来表示正负指数。移码方法对两个指数大小的比较和对阶 操作都比较方便,因为阶码域值大者其指数值也大。采用这种 方式时,将浮点数的指数真值e 变成阶码E 时,应将指数 e 加上一个固定的偏移值127(01111111),即 E=e+127.

2计算机组成原理第二章

2计算机组成原理第二章

p2n an bn
§2-3 定点乘法运算
• 直接补码并行乘法:
• 补码与真值的转换公式: 设 A an an1 a1a0和 B bnbn1 b1b0 均为 用定点表示的n+1位带符号整数。在必要的求 补操作以后,A和B的码值输送给n位×n位不带 符号的阵列乘法器,并由此产生2n位乘积为
C x0 x1 xn1 同理,偶校验位C定义为
C x0 x1 xn1
奇偶校验提供奇数个错误检测,无法检 测出偶数个错误,更无法识别错误信息的位置
§2-2 定点加法、减法运算
• 补码加法:
补码加法的公式是 [x]补+ [y]补= [x+y]补 在模2m+1意义下,任意两数的补码之和 等于该两数之和的补码。

f n-1 1 0

f
n-1
1
0

§2-3 定点乘法运算
• 原码并行乘法:
• 人工算法和机器算法的同异性:
早期计算机中为了简化硬件结构,采 用串行的1位乘法方案,即多次执行“加法移位”操作来实现。 自从大规模集成电路问世以来,高速 的单元阵列乘法器应运而生,出现了各种形 式的流水式阵列乘法器,它们属于并行乘法 器。
定点格式
浮点格式
§2-1 数字与文字的表示方法
• 数据格式:
• 定点数的表示方法:
定点格式:约定机器中所有数据的小数点位
置是固定不变的。
x
n
x
n-1
x
n-2
…… x x
1
0
符号 |
量值(尾数)
|
§2-1 数字与文字的表示方法
如果数x表示的是纯整数,那么小数点位于 x 的右边,数的范围为:

计算机组成原理第2章2

计算机组成原理第2章2

此外,影响记录方式优劣的因素还有:读出信息的分辨能力、 频带宽度、抗干扰能力、实现电路 的复杂性等。 为了提高记录方式的性能,人们不断对记录方式进行改进 ,出现了改进不归零制(NREP)、改进的调频制(MFM)、二次改 进的调频制(M2FM)等。如单密度软磁盘采用FM记录方式,倍 密度软磁盘采用MFM记录方式。
单位长度磁道所能记录的二进制信息的位数称为位密度 或线密度,单位是bpi(bits per inch)或bpm(位/mm)。磁带 存储器主要用位密度来衡量,常用的磁带有800 bpi,1 600 bpi,6 250 bpi等。对于磁盘,位密度Db按下式计算 Db=ft / π dmin 其中,ft为每道总位数,dmin为同心圆中的最小直径。 5.25英寸的磁盘的存储密度有如下几种: · 单密度:位密度为2 581 bpi,道密度为48 TPI。 · 倍密度:位密度为5 876 bpi,道密度为48 TPI。
软磁盘格式化。有硬分段和软分段两种格式化方法。硬分段 是靠在盘片上冲上若干个等弧度的孔所产生扇段脉冲来划分 扇区。这种方法已经不用。软分段是用专门的格式化软件来 划分扇区。 软分段的磁道由首部、扇区部分和尾部3部分组成。当磁 盘驱动器检索到索引孔时,便以此作为磁道的起始位置。首 部是考虑不同的软盘驱动器的索引检测器和磁头的机械尺寸 误差以免引起读写错误而留下的一段空隙。尾部是依次设置 首部和各扇区后所剩下的间隙(余头),起转速变化缓冲作用 。首部和尾部之间的弧被划分成为若干扇区。5.25英寸盘的 每磁道扇区数有15,8,9等。每个扇区由ID段和数据段两部 分组成,段之间留有间隙。 目前广泛使用的软磁盘磁道格式有IBM格式和ISO格式。 图2.30为IBM 5.25软磁盘格式。ID段
4.数据传输率 数据传输率是指单位时间存储器读/写的二进制信息量。 它与存储密度和磁介质通过磁头的速度之间关系为 R=D· V 式中,R为数据传输率,单位为字节/秒或位/秒;D为存储密 度(磁盘为位密度,磁带为位密度与数据道数的乘积);V为速 度(注意,速度、密度中的长度单位要一致)。 在计算一批数据的平均传输率时,还应考虑其他因素,如 磁盘应考虑换道寻址时间,磁带应考虑记录之间的间隙等。 5. 误码率 误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数,它等于从辅 存读出时,出错信息位数和读出的总信息

大学计算机组成原理--第2章、计算机数据表示方法

大学计算机组成原理--第2章、计算机数据表示方法
0 1 0 1 0 1 0 1
和数Si
0 1 1 0 1 0 0 1
进位Ci+1
0 0 0 1 0 1 1 1
22
二进制加法器基本电路
Ci+1 Si
Si=Ai Bi Ci
Ci 1=AiBi ( Ai Bi )Ci Ci 1=AiBi ( Ai Bi )Ci
Ci Ai Bi
35
定点小数
最高有效位
最低有效位
… … …
X0
X1 X2 X3
Xn
符号位 小数点位置
X0 1 1 1

数值部分
… …
1 0
2-n ≦ |X|≦1-2-n
… … …
下溢/上溢
X0
0
0
1
36
定点小数的编码
数值表示 X = X 0 . X1 X 2… X
0≤i≤n X i={0,1},
-n+1
n n-12
UCS
ISO 10646 UCS-2 UCS-4
UTF (Unicode Transform format)
UTF-7 UTF-8 UTF-16
14
Terminology
UUEncode/Uudecode MIME
(Multipurpose Internet Mail Extensions )
charset=gb2312 简体中文 charset=big5 繁体中文 charset=EUC_KR 韩语 charset=Shift_JIS 或 EUC_JP 日语 charset=KOI8-R/Windows-1251俄语 charset=iso-8859-2 中欧语系 charset=utf-8 unicode多语言

计算机组成原理第二章

计算机组成原理第二章

阶码用移码,尾数用补码。
第一种浮点表示的格式为: 1000100110lllllllll0000000000000
阶符 阶码值 数符
尾数值
第二种浮点表示的格式为:
11000100101111111110000000000000
数符 阶符 阶码值
尾数值
阶码用补码,尾数用补码。
第一种浮点表示的格式为: 11111111011111110000000000000000
汉字“示”的点阵 码:
汉字库:
软字库:将汉字库存放在软盘或硬盘中, 每次需要时自动装载到计算机的内存中。
硬字库:将汉字库固化在ROM中(俗称汉 卡),再插在pc机的扩展槽中,这样不 占内存,只需要安排一个存储器空间给 字库即可。
输出汉字的过程:
将输入码转换为机内码,然后用机内码 检索字库,找到其字形点阵码,再输出 汉字。
(1)浮点数的表示格式
把字长分成阶码(表示指数)和尾数
(表示数值)两部分.假设阶码为E,尾
数为D,基数为2,则以这种格式存储的
数X可表示为

实际应用中,阶码通常采用补码或移码 定点整数形式,尾数通常用补码定点小 数形式表示。
格式:
第一种:
第二种:
(2)浮点数的规格化
通过调整阶码,使其尾数D满足下面形式 的数:
①原码规格化后,正数为0.1X…X的形 式;负数为1.lx…x的形式。
②补码规格化后,正数为0.1X…X的形 式;负数为1.0X…X的形式。 尾数D的真值的小数点后的第一位值 必须为1。
(3)浮点数的表示举例
例:某机用32位表示一个数,阶码部分占8位(含一 位符号位),尾数部分占24位(含一位符号位)。 试写出其浮点数表示 格式。

2计算机组成原理(第二章)

2计算机组成原理(第二章)


[X]补=
其中,[X]补是机器数,X是真值。

例如, x=+0.1011,则[x]补=0.1011 x= -0.1011,则[x]补=1.0101 对于正数x=+0.x1x2…xn,[x]补= 0.x1x2…xn 对于负数x= -0.x1x2…xn,[x]补= 10.0…0-0.x1x2…xn 对于0,只有一种形式[+0]补=[-0]补 =0.00…0
1 – X = 1 + |X|
0 ≤X<1
-1<X≤0 8位 机器字
其中,[X]原是机器数,X是真值。

例如,x=+0.1001,则[x]原=0.1001 x= -0.1001,则0.x1x2…xn,[x]原= 0.x1x2…xn 对于负数x= -0.x1x2…xn,[x]原= 1.x1x2…xn 对于0,有两种形式: [+0]原 = 0.00…0, [ -0]原 = 1.00…0

[x]移 = 27 - 0111 1111 = 0000 0001
24
移码的特点

最高位为0表示负数,为1表示正数。 移码全0时真值最小,全1时真值最大。 0的移码只有一个,[±0]移=100…0 同一数值的移码和补码,数位相同,而符号相反。
便于阶码大小的比较,便于对阶操作,有利于简化 机器中的判零电路。
例如,x = + 0.1101, [x]反 = 0.1101 x = - 0.1101, [x]反 = 1.0010
11
反码表示(续)

对于正数 x=+0.x1x2…xn,[x]反= 0.x1x2…xn 对于负数 x= -0.x1x2…xn,[x]反= 1.x1x2…xn 对于0,有两种形式:[+0]反 = 0.00…0, [-0]反 = 1.11…1 若定点整数的补码形式为xn…x2x1x0,定点整数的补码定义:

计算机组成原理02-数据表示

计算机组成原理02-数据表示

补码性质
补码没有正零和负零之分 [+0]补 = 0.00…0
取反加1 取反加
[- 0]补
1.11…1 + 0.00…1 = 0.00…0 = [+0]补 [- 1]补 = 1.00…0
符号位既表示数值又表示符号 补码可以取到负方向最值
反码表示法
纯小数(x0. x1 x2…. xn )的反码可定义为: 纯小数( 的反码可定义为: 纯小数 X X
1.1111111 -(1-2-7)
1.0000001
0
0.0000001 0.1111111 (1-2-7)
11111111 -(27-1)
0
01111111 (27-1)
原码性质
1. 0可分 和-0. 可分+0和 . 可分 2. +0 为 00…0 -0为 10…0 为
3. 符号和数值无关 4. 比较直观,但在电路设计时,需要对最 比较直观,但在电路设计时, 高位和其他位分别处理. 高位和其他位分别处理.
小结
正数的原码,反码, 正数的原码,反码,补码相同 负数的原码只是符号位为1, 负数的原码只是符号位为 ,其余数值部分同 真值的数值部分 负数的反码可将其真值的数值各位取反 负数的补码可由真值的数值各位取反, 负数的补码可由真值的数值各位取反,末位加 1得到 得到
定点整数典型代码值
11… …11 原码绝对值最大负数 - (2n – 1) ) –1 10… …01 原码绝对值最小负数 +1 00… …01 原码最小非零正数 2n – 1 01… …11 原码最大正数 - 2n 10… …00 补码绝对值最大负数 –1 11… …11 补码绝对值最小负数 +1 00… …01 补码最小非零正数 2n – 1 01… …11 补码最大正数 - (2n – 1)~ (2n – 1) 原码定点整数表示范围 ) ) - 2n ~ (2n – 1) 补码定点整数表示范围 )
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0
1
最大值0.1111111,无法表示0.1111111001 最近零0.0000001,无法表示0.0000000001 -0.0000001,无法表示-0.000000001 最小值-0.1111111,无法表示-0.111111111
2.1.1数据格式
4、定点表示法的特点



定点表示方法直接、简单,将二进制计数制与 01状态的存储方式较好结合 但定点数表示数的范围受字长限制,表示数的 大小范围有限; 带小数点的实数,需要设置比例因子增大或者 缩小若干倍变成整数或者纯小数保存,操作不 便
所以——引入浮点
2.1.1数据格式
思考:可否将比例因子和有效数字一并保
存在一个连续的存储空间? 可以方便的设置比例因子,将实数化为整 数或者纯小数保存 比例因子的大小决定了小数点所在的实际 位置 所以——浮动的小数点出现了
2.1.1数据格式
5、浮点表示格式:
任意十 进制数N
N = RE
2.1.1数据格式
这样,数据的表示就已经很完善了吧~~ 但还有更能的人粗线了~~ 既然约定尾数不为0时,最高位始终为1,
那也就可以将1省去不写,约定尾数如果写 的是M,真正的尾数是1.M 节约了一个“位” 用1×2-n表示0 也能很好的完成0,+∞,- ∞等的表示。
2.1.1数据格式
6
7 8
0110
0111 1000
1100
1101 1110
1010
1100 1110
1011
1100 1110
9
1001
1111
1111
1111
2.1.1数据格式
但是在IEEE754标准中移码却有特殊的约定: 32位浮点数的移码(8位)计算方法是:
E=e+127 即 e=E-127
2.1.1数据格式
IEEE754标准 32位的浮点数:


S:数的符号位,1位,在最高位,“0”表示正数,“1”表示负数。 M是尾数, 23位,在低位部分,采用纯小数表示 E是阶码,8位,采用移码表示。移码比较大小方便。 规格化: 若不对浮点数的表示作出明确规定,同一个浮点数的表 示就不是惟一的。
事情还不只这么简单 出于各种目的,有时尾数和阶码不固定的
使用机器原码、补码甚至移码、反法。 不同的规则、不同的约定使同样的一组01 序列,有着不同的解读。
2.1.1数据格式
规格化浮点数例题:

某机浮点规格化表示的位数格式如下,阶码和 尾数均为原码,试写出所能表示的最大值、最 小值、最接近零的正负值。
2.1.1数据格式
例1:若浮点数x的754标准存储格式为 (41360000)16,求其浮点数的十进制数值。 (4 1 3 6 0 0 0 0)16 0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000 1位 8位 23位 1.011011 × 210000010 – 1111111 =1.011011 × 211 =1011.011 =(11.375)10
规格化的浮点数表示范围如下图所示
2.1.1数据格式
最大值:(1-2-6)
×215 最小值: -(1-2-6) ×215 最小正值: 0.1 × 2-15 最大负值: 0.1 × -2-15
22
2.1.1数据格式
分割线
浮点数规格化 表示理论
具体的 IEEE754标准
2.1.1数据格式
2.1.1数据格式
再做例题:
设浮点数的格式为:阶符1位,阶码4位, 数符1位,尾数6位,均为原码且尾数规格 化,则该浮点数表示的最大数为 _______________。 (1-2-6) ×215 如果在上述格式下要保存十进制数 12.25,相应的01序列应为:_____ 。 0010 0011 0001
P18
2.1.1数据格式---IEEE示数范围 分析
IEEE754浮点数格式说明: 一个规格化的32位浮点数x的真值可表示
为Leabharlann x=(-1)s × (1.M) × 2E-127 e=E-127 E全0或E全1:特殊用途; 一般数:E的范围是1~254; (阶码范围-126~+127)
2.1.1数据格式---IEEE示数范围 分析
非0
非0 任意
全0
全1 非全0或全1
非正规形式NaN
非正规形式NaN 正规形式
2.1.1数据格式---IEEE示数范围 分析 IEEE754的32位浮点数表示的除0外的绝对
值最小的数: s 00000001 0000 0000 0000 0000 0000 000 x=(-1)S×2-126×1.0 IEEE754的32位浮点数表示的除∞外的绝对 值最大的数: s 11111110 1111 1111 1111 1111 1111 111 x=(-1)S×2127×(2-2 -23)
5 1 9
1
阶符
阶码
数符
尾数
2.1.1数据格式
1 5 1 9
阶符 阶码 数符 尾数 最大值:0.111111111 * 211111, 即, (1-2-9) ×231约等于2,143,289,344 最小值:-(1-2-9) ×231 最接近零正值:0.1 ×2-31 接近零负值:-0.1 ×2-31
2.1.1数据格式
2.1.1数据格式
1、定点表示法

规则:
• 所有数据的小数点位置固定不变

小数点固定在什么位置?
• 纯整数 • 纯小数

数值带不带符号?
• 带符号数 • 不带符号数
2.1.1数据格式
2、定点纯整数
x0 x1 x2 x3 … xn-1 xn
符号
量值
n
小数点固定于最后 一位之后,不需专 门存放位置
2.1.1数据格式
压缩的十进制数串形式
压缩的十进制数串形式:一个字节存 放两个十进制的数位。它比前一种形式节 省存储空间,又便于直接完成十进制数的 算术运算,是广泛采用的较为理想的方法。
BCD码(二-十进制编码)
2.1.1数据格式
BCD码:

表示一位十进制数的二进制码的每一位有确定 的权。一般用8421码,其4个二进制码的权从 高到低分别为8、4、2和1。用0000, 0001,…,1001分别表示0,1,…,9,每个 数位内部满足二进制规则,而数位之间满足十 进制规则,故称这种编码为“以二进制编码的 十进制(binary coded decimal,简称BCD)码”。


字符串形式:一个字节存放一个十进制数 位(数码)或者符号位。 压缩的十进制数串即BCD码 其他编码方式

有权码: (8421码、2421码、5211码)
• 无权码: (余三码、格雷码)
• 自定义数据表示
2.1.1数据格式
字符串形式
一个字节存放一个十进制的数位或符号 位。为了指明这样一个数,需要给出该数 在主存中的起始地址和位数(串的长度)。 即ASCII码形式。
• 尾数域最左位(最高有效位)总是1, 故这一位经常不予存储,而认为 隐藏在小数点的左边。 • 采用这种方式时,将浮点数的指数真值e变成阶码E时,应将指数e加 上一个固定的偏移值127(0111 1111),即E=e+127。
27
2.1.1数据格式
一个规格化的32位浮点数x的真值表示为:
x=(-1)S×(1.M)×2E-127 e=E-127 64位的浮点数中符号位1位,阶码域11位, 尾数域52位,指数移码偏移值是1023。 因此规格化的64位浮点数x的真值为: x=(-1)S×(1.M)×2E-1023 e=E-1023
6、IEEE754标准(规定了浮点数的表示格式,运算 规则等)

规则规定了单精度(32)和双精度(64)的基本格式. 规则中,尾数用原码,指数用移码(便于对阶和比较)
24
2.1.1数据格式
什么是移码?

一般用来表示浮点数的阶码 是一个定点有符号整型数据
二进制真值e=e0e1e2……ek-1ek [e]移=2k+e eg. e=+10101 [e]移=+10101+100000=110101 eg. e=-10101 [e]移=-10101+100000=001011
表示数的范围是 0≤|x|≤2 -1
提问:最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数呢?(在 数轴上表示)
定点纯整数

主要负责表数范围
定点纯小数

主要负责表数精度
2.1.1数据格式
3、定点纯小数
x0 x1 x2 x3 …
xn-1 xn
量值
符号 小数点固定于符号位之后, 不需专门存放位置
2.1.1数据格式
十进制数 0 1 2 3 4 5 8421码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 2421码 0000 0001 0010 0011 0100 1011 5211码 0000 0001 0011 0101 0111 1000 4311码 0000 0001 0011 0100 1000 0111
对于IEEE754标准:


当阶码E为全0且尾数M也为全0时的值,结合 符号位S为0或1,真值x为零,包含正零和负零 之分。 当阶码E为全1且尾数M为全0时,结合符号位S 为0或1,真值为无穷大,也有+∞和-∞之分。
32
2.1.1数据格式---IEEE示数范围 分析
尾数部分 0 0 阶码 全0 全1 形式 零 无穷
法?! 肿么办?@_@
2.1.1数据格式
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