数据的机器级表示与处理
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第一章概论二、填空题1.计算机专业人员必须完成的两项基本任务是：数据表示和数据处理。
2.数据在计算机存储器中的存在形式称为机内表示。
3.概括地说，数据结构课程的主要内容包括: 数据的逻辑结构、定义在逻辑结构上的基本运算、数据的存储结构和运算的实现。
此外，该课程还要考虑各种结构和实现方法的评价和选择。
4.由一种逻辑性结构和一组基本运算构成的整体是实际问题的一种数学模型，这种数学模型的建立、选择和实现是数据结构的核心问题。
5.存储结构是逻辑结构的存储实现。
6.数据表示任务是逐步完成的，即数据表示形式的变化过程是机外表示->逻辑结构->存储结构。
7.数据处理任务也是逐步完成的，即转化过程是处理要求->基本运算->运算算法。
8.从数据结构的观点看，通常所说的"数据"应分成三个不同的层次，即数据、数据元素和数据项。
9.根据需要，数据元素又被称为元素、结点、顶点或记录。
10.在有些场合下，数据项又称为字段或域，它是数据的不可分割的最小标识单位。
11.从某种意义上说，数据、数据元素和数据项实际反映了数据组织的三个层次，数据可由若干个数据元素构成，数据元素可由若干个数据项构成。
12.根据数据元素之间关系的不同特性，通常有集合、线性结构、树形结构、图状结构四类基本逻辑结构，它们反映了四类基本的数据组织形式。
13.根据操作的效果，可将运算分成以下两种基本类型：①加工型运算，其操作改变了原逻辑结构的“值”，如结点个数、某些结点的内容等；②引用型运算，其操作不改变原逻辑结构，只从中提取某些信息作为运算的结果。
14.将以某种逻辑结构S为操作对象的运算称为“定义在S上的运算”，简称“S上运算”。
15.一般地，可能存在同一逻辑结构S上的两个运算A和B，A的实现需要或可以利用B，而B的实现不需要利用A。
在这种情况下，称A可以“归纳”为B。
16.存储实现的基本目标是建立数据的机内表示。
计算机中数的表示
我们日常使用的数据分成数值型数据和非数值型数据两大类，数值型数据采用十进制数制表示，如26.77、-19、470等，而非数值型数据一般是一些图型符号表示，如“ABC”、“语言”、“@&%☆⊕”等。
而现代电子计算机的数字电路只能表示开/关（或高/低）两个稳定的基本状态，所以在计算机世界中，任何数据都只能用两个基本状态来表示，用两个基本状态来表示数据的方法称为数的二进制表示。
数值型数据可以直接用二进制数表示，而非数值型数据需经过编码后转换成二进制数据表示。
在查看CPU寄存器中的数据或内容中的数据与指令时常以十六进制数制形式显示。
一、数值数据的表示1．数制数制（数的进制）也称为数字系统，每种数制都有一个基数，也就是单个数字能表示的在数字系统中一个数就是由某种进制可用数字符号组成的数字串，一个n位的数其一般格式为：D n-1D n-2…2D1D0，其中D是某一进制中的可用数字，脚标是该数字在数据中的数位序号，数位序号从一个数的整数部分的最低位以0开始编号，向左依次为0、1、2、…直到整数的最高位，向右为-1、-2、-3、…直到小数的最低位。
一个数字位于数据的不同位置其表示的大小是不同的，这种不同称为数位的权，数位的权等于基数的数位序号次方，记作b i，b是进制的基，i是数位序号。
一个数可以展开为位权表示法，或称按权展开求和式，如下所示。
D n-1D n-2…2D1D0= D n-1×b n-1+D n-2×b n-2+…+D1×b1+D0×b0。
（1）二进制数二进制数字系统中记数采用0和1两个符号来表示数据，基本运算规则是“逢二进一”。
一个二进制形式的数据就由0和1两个符号组成的位串，如10011011、-1101.101。
组成地进制数的每一个数位称为一个比特（bit）。
（2）十进制数十进制数字系统中记数采用0~9十个数字符号来表示数据，基本运算规则是“逢十进一”。
南京航空航天大学计算机考研829大纲
一、计算机组成原理部分【目标】1. 理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念。
2. 理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。
3. 能够运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析,并能对一些基本部件进行简单设计。
【大纲】1.计算机系统概述(1). 了解计算机的发展历程;(2). 掌握冯?诺依曼计算机结构的特点,计算机硬件的基本组成与功能,计算机系统的组成(硬件+软件)及其层次结构,计算机的工作原理;(3). 掌握计算机的性能指标,具体包括CPU执行时间、CPI、时钟周期、主频、MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS等;2.数据的机器级表示(1).掌握数制与编码:包括进位计数制及其相互转换,真值和机器数,BCD编码,字符与字符串,校验码;(2). 熟练掌握定点数的表示与运算:包括无符号数的表示和有符号整数的表示,定点数的移位运算;原码定点数加减运算;补码定点数加减法运算;定点数乘除运算;识记溢出概念和判别方法;(3). 掌握浮点数的表示与运算:包括浮点数的表示,IEEE754标准,浮点数的加减运算及其规格化;(4).理解算术逻辑单元ALU:包括串行加法器和并行加法器,算术逻辑单元ALU 的功能与结构;3.运算方法与运算部件(1).掌握不同层次程序员看到的运算:高级语言以C语言为例,ISA层面则以MIPS为例;(2). 了解串行加法器、并行加法器及先行进位部件,掌握算术逻辑部件ALU 的设计;(3). 掌握定点数运算及运算部件:补码加减运算,无符号数乘法运算,无符号除法运算;掌握补码加减运算器如何实现;(4). 掌握浮点数加减运算及浮点数运算的精度问题;了解相应的运算部件实现思想; 4.存储器分层体系结构(1).了解存储器的分类及其分层结构,半导体存储器随机访问存储器的组织,只读存储器及主存的主要技术指标等;掌握存储器芯片与CPU的连接,多模块存储器的交叉存储;(2).掌握高速缓冲存储器的CPU的基本访存过程,Cache和主存之间的映射方式,程序访问的局部性原理对编程的影响及Cache-friendly的程序,了解Cache替换算法和Cache写策略;(3).掌握虚拟存储器的基本概念,三种实现方案,缺页的处理以及快表的工作原理,注意虚拟地址和物理地址的转换问题,如何查段表和页表;TLB的原理和作用;平均访问时间的计算等。
计算机文化基础123进位计数制与数据处理123进位计数制与数据处理
1.2.3进位计数制与数据处理计算机机器不具备逻辑思维能力，无法读懂人类语言，只能识别由0、 1组成的二进制代码，这与人类在实际工作和生活中使用的十进制完全不同。
为了更好地理解计算机语言与计算机处理信息的方式，必须理解进位计数制、二进制与十进制数等概念。
1、数值数据在计算机中的表示方法计算机只能识别二进制数，因此所有输入计算机的数据（或信息）都要在计算机内部转换成二进制进行处理，处理完毕以后又要从二进制形式转换成人类能容易识别的信息，如文字、图片、声音等，那么什么是二进制呢？这就要先了解进位计数制。
（1）进位计数制日常生活中经常遇到各种进位计数制，例如一打等于12个（12进制），一小时等于60分（60进制）等，其中最常用的是十进制。
所谓进位计数制是指按进位的原则进行计数的方法，简称进制。
十进制：十进制有10个数（0、1、2、3、4、5、6、7、8 9）组成，采用10为基数，逢十进一。
每个位上是权数10的次幕，例如105可以拆分成：105=1 X 102+0X 101+5X 100。
因此，我们从十进制中抽象出 X进制数的表示形式。
N=d n …di …d1=d n XX n-1…di X X i-1…d1 XX0X进制数中，基数为x,进位规律逢X进一，权数为X。
二进制：采用2为基数，逢二进一的计数制，二进制只包含两个数（0 和 1）,例如 10101=1X 24+0X 23+1 X 22+0X 21+1X 2°。
八进制：采用8为基数，逢八进一的计数制，八进制包含八个数（0、1、2、3、4、5、6、7）。
例如 4 5=4 X 81+5 X 8°不同进位计数制需要一些书写规范来区分，下面介绍几种常见写法。
1、二进制：B放在数字后面表示例如1010B2、八进制：O放在数字后面表示例如4503、十进制：D放在数字后面表示例如12334D或在数字后面写下标（2）、（8）、（16）表示数制，例如47（8）、153（1。
自考-计算机系统结构--复习资料大全
1计算机系统的多级层次结构， , 1：M0微程序（微指令）机器、2：M1传统(机器指令）机器、3：M2操作系统(作业控制）机器、4：M3汇编语言机器、5：M4高级语言机器、6：M5应用语言机器；1—2为实际机器,3—6为虚拟机器2，各个机器级的实现的依靠, , 翻译和解释3, 翻译, translation, 是先用转换程序将高一级机器级上实现的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器上实现的技术。
4，解释, interpretation, 在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术.5, M0—M5各级的实现方式，, M0用硬件实现,M1用微程序(固件实现）,M2到M5大多采用软件实现.6, 虚拟机器的定义, , 以软件为主实现的机器7, 实际机器的定义, ，以硬件或固件实现的实际机器8 透明的定义,，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称之为透明9 计算机系统结构的定义， , 是系统结构的一部分,指的是传统机器级的系统结构，其界面之上包括操作系统、汇编语言、高级语言和应用语言级中所有的软件功能，界面之下包括所有硬件和固件的功能。
它是软件和硬件/固件的交界面，是机器语言、汇编语言、程序设计者，或者编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。
是研究软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定,提供机器语言、汇编语言设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到或遵循的计算机属性.10计算机系统结构的属性（需了解一部分）， , 1、数据表示;2、寻址方式；3、寄存器组织；4、指令系统；5、存储系统组织；6、中断机构;7、系统机器级的管态和用户态的定义与切换;8、I/O结构；9、信息保护方式和保护机构等等.11计算机系统结构不包含的内容,, 不包含“机器级内部”的数据流和控制流的组成，逻辑设计和器件设计等.12 计算机组成的定义,, 指的是计算机系统结构的“逻辑实现”，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机学科专业基础综合组成原理-计算机系统概述、数据的表示和运算(三)
计算机学科专业基础综合组成原理-计算机系统概述、数据的表示和运算(三)(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、{{B}}单项选择题{{/B}}(总题数：52，分数：52.00)1.下列关于冯·诺依曼计算机的叙述中，不正确的是______。
∙ A.计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成∙ B.数据和程序在计算机中都用二进制数表示，且存放于计算机的存储器之中∙ C.冯·诺依曼计算机是一种虚拟计算机系统∙ D.目前的大多数计算机还是基于冯·诺依曼计算机的（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：冯·诺依曼计算机的要点包括：(1)计算机(指硬件)应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；(2)计算机内部采用二进制来表示指令和数据；(3)将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。
冯·诺依曼计算机不是虚拟计算机系统。
2.计算机系统包括______。
∙ A.运算器、存储器、控制器∙ B.主机与外部设备∙ C.硬件系统与软件系统∙ D.系统软件与应用软件（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：广义上来讲，计算机系统包括计算机软件和硬件。
3.下列说法中错误的是______。
∙ A.主频为1GHz的CPU运算性能可能强于主频为2GHz的CPU∙ B.衡量用于科学计算的CPU性能的主要指标为MFLOPS∙ C.字长指计算机能直接处理的二进制信息的位数∙ D.主频是指CPU机器周期的倒数（分数：1.00）B.C.D. √解析：主频是指CPU时钟周期的倒数，而不是CPU机器周期的倒数。
4.下图中计算机硬件系统基本组成部件1、2、3、4和5的名称是______。
∙ A.1控制器2运算器3存储器4输入设备5输出设备∙ B.1运算器2控制器3存储器4输入设备5输出设备∙ C.1运算器2存储器3控制器4输入设备5输出设备∙ D.1运算器2控制器3存储器4输出设备5输入设备（分数：1.00）A.B. √C.D.解析：图中所示为冯·诺依曼计算机硬件系统的五大基本部件，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
2023年湖南工学院数据科学与大数据技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(含答案)
2023 年湖南工学院数据科学与大数据技术专业《计算机系统构造》科目期末试卷 A(有答案〕一、选择题1、对机器语言程序员透亮的是〔〕A.中断字B.主存地址存放器C.通用存放器D.条件码2、计算机系统构造不包括〔〕A.主存速度B.机器工作状态C.信息保护D.数据表示3、对汇编语言程序员透亮的是〔〕A.I/O 方式中的DMA 访问B.浮点数据表示C.访问方式保护D.程序性中断4、在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是〔〕A.截断法C.恒置“1“法D.ROM 查表法5、与流水线最大吞吐率凹凸有关的是( )A.各个子过程的时间B.最快子过程的时间C.最慢子过程的时间D.最终子过程的时间6、在计算机系统的层次构造中，机器被定义为〔〕的集合体A.能存储和执行相应语言程序的算法和数据构造B.硬件和微程序〔固件〕C.软件和固件D.软件和硬件7、不同系列的机器之间，实现软件移植的途径不包括( )A.用统一的高级语言B.用统一的汇编语言C.模拟D.仿真8、微指令由〔〕直接执行。
A.微指令程序C.汇编程序D.编译程序9、在操作系统机器级，一般用〔〕程序〔〕作业把握语句。
A.汇编程序，翻译B.汇编程序，解释C.机器语言，解释D.机器语言，翻译10、外部设备打印机适合于连接到( )。
A.数组多路通道B.字节多路通道C.选择通道D.任意一种通道二、填空题11、指令系统是软件设计人员与硬件设计人员之间的一个主要，也是他们之间相互沟通的一座桥梁。
在计算机系统的设计过程中，的设计是格外关键的，它必需由软件设计人员和硬件设计人员共同来完成。
12、页面替换是发生于页面失效，同时又发生的时候。
13、依据Flynn 分类法，依据指令流和数据流的不同组织方式，计算机系统的构造可以分为SISD〔单指令流单数据流〕、MISD、和14、解决Cache 与主存不全都性的方法有和15、向量处理机的构造主要有和两种。
16、一种机器的系统构造上实现另一种机器的指令系统，一般可承受方法或方法。
第2章 数据的机器级表示与处理
• 为什么用补码表示带符号整数？
– 补码运算系统是模运算系统，加、减运算统一 – 数0的表示唯一，方便使用 –符号数：unsigned int ( short / long)；带符号整数： int ( short / long) 常在一个数的后面加一个“u”或“U”表示无符号数 若同时有无符号和带符号整数，则C编译器将带符号整数强制转换为无符号数 假定以下关系表达式在32位用补码表示的机器上执行，结果是什么？
Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7
u
Binary 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
Decimal -0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7
Binary 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
容易理解, 但是： ü 0 的表示不唯一，故不利于程序员编程 ü 加、减运算方式不统一 ü 需额外对符号位进行处理，故不利于硬件设计 ü 特别当 a<b时，实现 a-b比较困难
结论1： 一个负数的补码等于对应正数补码的“各位取 反、末位加1”
运算器适合用补码表示和运算
运算器只有有限位，假设为n位，则运算结果只能保留低n位， 故可看成是个只有n档的二进制算盘，因此，其模为2n 。 当n=4时，共有16个机器数： 0000 ~ 1111，可看成是模为 24 的钟表系统。真值的范围为
从 50年代开始，整数都采用补码来表示 但浮点数的尾数用原码定点小数表示
补码 - 模运算（modular运算）
重要概念：在一个模运算系统中，一个数与它除以“模”后的余数等价。
时钟是一种模12系统 现实世界中的模运算系统 假定钟表时针指向10点，要将它拨向6点， 则有两种拨法： ① 倒拨4格：10- 4 = 6 ② 顺拨8格：10+8 = 18 ≡ 6 (mod 12) 模12系统中： 10- 4 ≡ 10+8 (mod 12) -4≡8 (mod 12) 则，称8是- 4对模12的补码 （即：- 4的模12补码等于8）。 同样有 -3 ≡ 9 （mod 12） -5 ≡ 7 （mod 12）等 结论1： 一个负数的补码等于模减该负数的绝对值。 结论2： 对于某一确定的模，某数减去小于模的另一数，总可 以用该数加上另一数负数的补码来代替。 补码（modular运算）：+ 和– 的统一
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作业三数据的机器级表示与处理一. 选择题
1.108对应的十六进制形式是（）。
A.63H
B. 6CH
C. B4H
D. 5CH
2.–1029的16位补码用十六进制表示为（）。
A.7BFBH
B. 8405H
C. 0405H
D. FBFBH
3.考虑以下C语言代码：
short si=–8196;
unsigned short usi=si;
执行上述程序段后，usi的值是（）。
A.57339
B. 8196
C. 34572
D. 57340
4.考虑以下C语言代码：
short si=–32768;
unsigned short usi=si;
执行上述程序段后，usi的值是（）。
A.65535
B. 32768
C. –32768
D. 65536
5.考虑以下C语言代码：
unsigned short usi=65535;
short si=usi;
执行上述程序段后，si的值是（）。
A.–1
B. 1
C. –65535
D. 65535
6.假定变量i、f的数据类型分别是int、float。
已知i=12345，f=1.2345e3，则在一个
32位机器中执行下列表达式时，结果为“假”的是（）。
A.i==(int)(float)i
B. i==(int)(double)i
C. f==(float)(double)f
D. f==(float)(int)f
二、问答题
P75:3．实现下列各数的转换。
(涉及8421码的不做)
（1）(25.8125)10= (?)2= (?) 8= (?) 16
（2）(101101.011)2 = (?)10= (?) 8= (?) 16= (?) 8421
（3）(0101 1001 0110.0011)8421 = (?)10= (?) 2= (?) 16
P75:4．假定机器数为8位（1位符号，7位数值），写出下列各二进制数的原码和补码表示。
（如果无法完整表示，则写溢出）
P75:5．假定机器数为8位（1位符号，7位数值），写出下列各二进制数的补码和移码表示。
P75:9. 在32位计算机中运行一个C语言程序，在该程序中出现了以下变量的初值，请写。