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2022年10月自考02325計算機系統(tǒng)結構考前復習資料一

計算機中所采用的數(shù)據(jù)類型，它們主要有兩類：一類是基本數(shù)據(jù)類型，包括位、串、整數(shù)、實數(shù)、字符和布爾量等；另一類是結構數(shù)據(jù)類型，包括向量、數(shù)據(jù)、字符串、堆棧、隊列、記錄等。因為計算機只能識別"0"和"1"這些二進制位，那么在計算機中如何在存儲器中用"0"和"1"來表示上面的這些數(shù)據(jù)，就是我們要學的數(shù)據(jù)表示。這一章內(nèi)容不多，比較難理解的似乎是"向量"這種數(shù)據(jù)類型。本章的內(nèi)容主要應掌握浮點數(shù)的數(shù)據(jù)表示。

一、數(shù)據(jù)類型（識記）

計算機中所使用的數(shù)據(jù)一般可分為三類：第一類是用戶定義的數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)通常是由程序設計語言所確定的；第二類是系統(tǒng)數(shù)據(jù)，它是程序在執(zhí)行時由計算機系統(tǒng)蘊含生成的；第三類是指令，即被執(zhí)行的程序可看成是數(shù)據(jù)的復合。

上面講的是"數(shù)據(jù)"，那么"數(shù)據(jù)類型"是什么呢？ 它不同于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型除了指一組值的集合外，還定義了可作用于這個集合上的操作集，比如有一組整數(shù)值的集合，連同定義在這個集合上可進行的加減乘除等算術操作，這個整數(shù)的集合就成為了整數(shù)數(shù)據(jù)類型。

從系統(tǒng)結構的觀點來看，數(shù)據(jù)類型可分為基本數(shù)據(jù)、結構數(shù)據(jù)、訪問指針和抽象數(shù)據(jù)等類型。我們這里講的主要是基本數(shù)據(jù)和結構數(shù)據(jù)。

1、基本數(shù)據(jù)類型（識記）

一般包括二進制位及其位串、整數(shù)及自然數(shù)、實數(shù)（浮點數(shù)）、字符和布爾數(shù)等。

2、結構數(shù)據(jù)類型（識記）

結構數(shù)據(jù)類型是一組由相互有關的數(shù)據(jù)元素復合而成的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)元素可以是基本數(shù)據(jù)類型中的元素，也可以是結構數(shù)據(jù)類型本身中的元素。也就是說這些數(shù)據(jù)是有結構的，包括向量和數(shù)組、字符串、堆棧、隊列、記錄等，結構數(shù)據(jù)類型中的元素不一定都具有相同類型。

這里提到了向量，向量通常是指由標量的一組有序集合表示的量，它類似于一維數(shù)組，但又有所不同，因為標量通常只是一個整數(shù)或實數(shù)，而數(shù)組元素不一定只取實數(shù)。從計算機存儲結構上來說，向量通常存儲在一段連續(xù)的存儲空間里。而數(shù)組元素的存儲可能用鏈式存儲方式，也就是不一定存儲在連續(xù)的空間里

二、數(shù)據(jù)表示

1、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)結構的關系。（領會）

上面我們學了數(shù)據(jù)類型，還有一個概念是數(shù)據(jù)結構，數(shù)據(jù)結構就是指上面講結構數(shù)據(jù)類型的組織方式，它反映了結構數(shù)據(jù)類型中各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結構關系，比如樹這種數(shù)據(jù)結構，里面的元素就有根和葉的層次邏輯關系。數(shù)據(jù)結構一般通過高級語言描述建立的，但是計算機硬件并不懂什么是根什么是葉，它只認0和1.這就需要我們確定如何在計算機系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)表示，讓硬件能認識各種數(shù)據(jù)類型。

計算機系統(tǒng)結構中的數(shù)據(jù)表示是指可由硬件直接辨認的數(shù)據(jù)類型。這里講到硬件直接辨認，就是說在系統(tǒng)中能夠直接由硬件實現(xiàn)相應數(shù)據(jù)的運算，也就是系統(tǒng)結構中有相應的運算指令和運算部件來完成這項任務。那么怎么表示才能讓硬件識別某種數(shù)據(jù)類型？

上面的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示就涉及到軟硬件的交界面了。數(shù)據(jù)結構所研究的是軟的方面，而數(shù)據(jù)表示考慮是是硬的方面，讓計算機能夠識別處理，并盡量節(jié)約存儲空間。

2、二進的定點、浮點數(shù)據(jù)表示（綜合應用）

主要講述是的IEEE標準的二進制浮點數(shù)表示：

IEEE754標準在表示浮點數(shù)時，每個浮點數(shù)均由三部分組成：符號位S，指數(shù)部分E和尾數(shù)部分M.

我們知道10進制數(shù)的科學計數(shù)法如A= -3.5×105

這里最前面有一個負號，3.5是尾數(shù)，兩個有效數(shù)字，后面以10為基數(shù)的指數(shù)為5.我們可以將它表示為-3.5E5

同樣，二進制數(shù)也可以用科學計數(shù)法規(guī)格化表示，比如5這個數(shù)，如果用二進制表示的話，整型為101，如果用科學計數(shù)法則可以表示為 1.25×24 ，這里用的是十進制，將尾數(shù)換成二進制就是1.01（就是101向前移兩位小數(shù)點，和十進制完全相同），后面的指數(shù)4換成二進制則是10，那我們將其用二進制的科學計數(shù)法就可以寫成1.01E10.

當我們依照這種計數(shù)法給一個數(shù)字確定其精度（有效位）后，就可以用一定長度的1和0的位串來表示一個實數(shù)了。

浮點數(shù)一般采用以下四種基本格式：

（1）單精度格式（32位）：除去符號位1位后，E占8位，M占23位。

（2）擴展單精度格式：E>=11位，M31位。

（3）雙精度格式：（64位）；E=11位，M=52位。

（4）擴展雙精度格式：E>=15位，M>63位。

我們最重要的是掌握單精度格式的表示法。在IEEE754標準中，約定小數(shù)點左邊隱含有一位，通常這位數(shù)就是1，這樣實際上使尾數(shù)的有效位數(shù)為24位，即尾數(shù)為1.M.指數(shù)的值在這里稱為階碼，為了表示指數(shù)的正負，所以階碼部分采用移碼表示，移碼值為127，階碼值即從1到254變?yōu)?126至+127，在IEEE754中所有的數(shù)字位都得到了使用，明確地表示了無窮大和0，并且還引進了"非規(guī)格化數(shù)"，使得絕對值較小的數(shù)得到更準確表示。

3、向量數(shù)據(jù)表示（簡單應用）

這里又提到向量，前面已經(jīng)簡單解釋過向量，這里說的是向量數(shù)據(jù)表示，我們知道向量在內(nèi)存中是連續(xù)存放在一段空間里的，換句話說，這些向量元素的地址是連續(xù)的。

在標量計算機上運行時，由于沒有專門的向量數(shù)據(jù)表示，因此在計算一個向量（相當于一維數(shù)組的計算）時，每取用一個數(shù)據(jù)元素，都要用到計算該元素的地址。而在向量機中，由于有了向量數(shù)據(jù)表示，就可以把一個向量用一個位串來表示出來。向量指令就是能夠用一條指令對向量的全部元素進行運算的指令。

比方，有兩排抽屜：A和B：我們有一個任務，就是把A中每個抽屜里的東西按照順序一一對應地搬到B的每個抽屜里。

用標量指令就是這樣：聽著，把A1抽屜里的東東給我搬到B1里去~~（等打工的搬好后……）再把A2抽屜里的東東給我搬到B2里去?。ㄓ值扰芡鹊陌嵬旰蟆┻€有，把A3抽屜……直到把全部抽屜搬好，數(shù)到了5，算是完成一項任務了，其間用了5次循環(huán)命令。

而用向量指令就是這么說的：聽著，把A柜子從第1格抽屜起的5個抽屜的東東給搬到B柜子里去，位置是從第1格抽屜起，依次放到5個抽屜里去。這樣，跑腿的就明白了，只要一句話就完成了任務。

向量表示就是用一個位串來表示一個向量的基址、位移量和向量長度，這樣三個值就能明確表示一個向量，并能確定參加計算的元素所在的位置，因此向量表示是向量指令及向量機得以實現(xiàn)的基礎。

在向量處理中，還會遇到稀疏向量（就是含有大量0元素的向量），所以為了節(jié)省空間了處理時間，采用壓縮向量的表示方法。這里要注意的是有一個中間向量Z向量，它是一個位向量，每個元素不是1就是0，而壓縮向量就是根據(jù)Z向量中的有1的元素對應的稀疏向量元素存儲起來而得到的。這個容易理解。

4、自定義數(shù)據(jù)表示（領會）

為了減少高級語言與機器語言之間的差別，采用了自定義數(shù)據(jù)表示，就是由數(shù)據(jù)本身來表明數(shù)據(jù)類型，這樣可以使每種指令的種類大為減少，稱為通用化指令。自定義數(shù)據(jù)表示形式有兩種，即帶標志符數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)描述符表示。

帶標志符數(shù)據(jù)表示就是對每一個數(shù)據(jù)都附加一個標志符，由這個標志符來表示這個數(shù)據(jù)的類型。這種表示法有它的優(yōu)點也有它的缺點，請認真領會一下。

其優(yōu)點是：簡化指令系統(tǒng)；易于對編程查錯；自動類型轉換；簡單化編譯；方便程序調試。缺點是增加存儲空間又使指令執(zhí)行速度變慢。

另一種就是數(shù)據(jù)描述符表示，主要用來描述復雜和多維結構的數(shù)據(jù)類型，如向量、記錄等，它于帶標志符數(shù)據(jù)表示不同之處是：

（1）標志符要與每個數(shù)據(jù)相連，兩者合存在一個存儲單元中；而描述符則和數(shù)據(jù)分開存放（一個連合一個分）

（2）要訪問數(shù)據(jù)集中的元素時，必須先訪問描述符，這就至少增加一級尋址（先訪描符增尋址）

（3）描述符可看成是程序一部分，而不是數(shù)據(jù)的一部分。標志符則可看作是數(shù)據(jù)的一部分（程序部分不是數(shù)）

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