?2022年10月自考02325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料一

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2022年10月自考02325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料一

計(jì)算機(jī)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(shí)數(shù)、字符和布爾量等；另一類是結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型，包括向量、數(shù)據(jù)、字符串、堆棧、隊(duì)列、記錄等。因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能識(shí)別"0"和"1"這些二進(jìn)制位，那么在計(jì)算機(jī)中如何在存儲(chǔ)器中用"0"和"1"來(lái)表示上面的這些數(shù)據(jù)，就是我們要學(xué)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(yīng)掌握浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)表示。

一、數(shù)據(jù)類型（識(shí)記）

計(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)語(yǔ)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(shí)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)蘊(yùn)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(fù)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(gè)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(gè)集合上可進(jìn)行的加減乘除等算術(shù)操作，這個(gè)整數(shù)的集合就成為了整數(shù)數(shù)據(jù)類型。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)看，數(shù)據(jù)類型可分為基本數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、訪問(wèn)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(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

1、基本數(shù)據(jù)類型（識(shí)記）

一般包括二進(jìn)制位及其位串、整數(shù)及自然數(shù)、實(shí)數(shù)（浮點(diǎn)數(shù)）、字符和布爾數(shù)等。

2、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型（識(shí)記）

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型是一組由相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復(fù)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(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型本身中的元素。也就是說(shuō)這些數(shù)據(jù)是有結(jié)構(gòu)的，包括向量和數(shù)組、字符串、堆棧、隊(duì)列、記錄等，結(jié)構(gòu)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(biāo)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?yàn)闃?biāo)量通常只是一個(gè)整數(shù)或?qū)崝?shù)，而數(shù)組元素不一定只取實(shí)數(shù)。從計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，向量通常存儲(chǔ)在一段連續(xù)的存儲(chǔ)空間里。而數(shù)組元素的存儲(chǔ)可能用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)方式，也就是不一定存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)的關(guān)系。（領(lǐng)會(huì)）

上面我們學(xué)了數(shù)據(jù)類型，還有一個(gè)概念是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是指上面講結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型的組織方式，它反映了結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型中各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，比如樹(shù)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，里面的元素就有根和葉的層次邏輯關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言描述建立的，但是計(jì)算機(jī)硬件并不懂什么是根什么是葉，它只認(rèn)0和1.這就需要我們確定如何在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)表示，讓硬件能認(rèn)識(shí)各種數(shù)據(jù)類型。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)表示是指可由硬件直接辨認(rèn)的數(shù)據(jù)類型。這里講到硬件直接辨認(rèn)，就是說(shuō)在系統(tǒng)中能夠直接由硬件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，也就是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有相應(yīng)的運(yùn)算指令和運(yùn)算部件來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。那么怎么表示才能讓硬件識(shí)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(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)能夠識(shí)別處理，并盡量節(jié)約存儲(chǔ)空間。

2、二進(jìn)的定點(diǎn)、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示（綜合應(yīng)用）

主要講述是的IEEE標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)表示：

IEEE754標(biāo)準(zhǔn)在表示浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，每個(gè)浮點(diǎn)數(shù)均由三部分組成：符號(hào)位S，指數(shù)部分E和尾數(shù)部分M.

我們知道10進(jìn)制數(shù)的科學(xué)計(jì)數(shù)法如A= -3.5×105

這里最前面有一個(gè)負(fù)號(hào)，3.5是尾數(shù)，兩個(gè)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(jìn)制數(shù)也可以用科學(xué)計(jì)數(shù)法規(guī)格化表示，比如5這個(gè)數(shù)，如果用二進(jìn)制表示的話，整型為101，如果用科學(xué)計(jì)數(shù)法則可以表示為 1.25×24 ，這里用的是十進(jìn)制，將尾數(shù)換成二進(jìn)制就是1.01（就是101向前移兩位小數(shù)點(diǎn)，和十進(jìn)制完全相同），后面的指數(shù)4換成二進(jìn)制則是10，那我們將其用二進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法就可以寫(xiě)成1.01E10.

當(dāng)我們依照這種計(jì)數(shù)法給一個(gè)數(shù)字確定其精度（有效位）后，就可以用一定長(zhǎng)度的1和0的位串來(lái)表示一個(gè)實(shí)數(shù)了。

浮點(diǎn)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(hào)位1位后，E占8位，M占23位。

（2）擴(kuò)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)中，約定小數(shù)點(diǎn)左邊隱含有一位，通常這位數(shù)就是1，這樣實(shí)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(fù)，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(wú)窮大和0，并且還引進(jìn)了"非規(guī)格化數(shù)"，使得絕對(duì)值較小的數(shù)得到更準(zhǔn)確表示。

3、向量數(shù)據(jù)表示（簡(jiǎn)單應(yīng)用）

這里又提到向量，前面已經(jīng)簡(jiǎn)單解釋過(guò)向量，這里說(shuō)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(shuō)，這些向量元素的地址是連續(xù)的。

在標(biāo)量計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有專門的向量數(shù)據(jù)表示，因此在計(jì)算一個(gè)向量（相當(dāng)于一維數(shù)組的計(jì)算）時(shí)，每取用一個(gè)數(shù)據(jù)元素，都要用到計(jì)算該元素的地址。而在向量機(jī)中，由于有了向量數(shù)據(jù)表示，就可以把一個(gè)向量用一個(gè)位串來(lái)表示出來(lái)。向量指令就是能夠用一條指令對(duì)向量的全部元素進(jìn)行運(yùn)算的指令。

比方，有兩排抽屜：A和B：我們有一個(gè)任務(wù)，就是把A中每個(gè)抽屜里的東西按照順序一一對(duì)應(yīng)地搬到B的每個(gè)抽屜里。

用標(biāo)量指令就是這樣：聽(tīng)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(xiàng)任務(wù)了，其間用了5次循環(huán)命令。

而用向量指令就是這么說(shuō)的：聽(tīng)著，把A柜子從第1格抽屜起的5個(gè)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(gè)抽屜里去。這樣，跑腿的就明白了，只要一句話就完成了任務(wù)。

向量表示就是用一個(gè)位串來(lái)表示一個(gè)向量的基址、位移量和向量長(zhǎng)度，這樣三個(gè)值就能明確表示一個(gè)向量，并能確定參加計(jì)算的元素所在的位置，因此向量表示是向量指令及向量機(jī)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

在向量處理中，還會(huì)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(shí)間，采用壓縮向量的表示方法。這里要注意的是有一個(gè)中間向量Z向量，它是一個(gè)位向量，每個(gè)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(duì)應(yīng)的稀疏向量元素存儲(chǔ)起來(lái)而得到的。這個(gè)容易理解。

4、自定義數(shù)據(jù)表示（領(lǐng)會(huì)）

為了減少高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)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(lái)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(biāo)志符數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)描述符表示。

帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示就是對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)都附加一個(gè)標(biāo)志符，由這個(gè)標(biāo)志符來(lái)表示這個(gè)數(shù)據(jù)的類型。這種表示法有它的優(yōu)點(diǎn)也有它的缺點(diǎn)，請(qǐng)認(rèn)真領(lǐng)會(huì)一下。

其優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)；易于對(duì)編程查錯(cuò)；自動(dòng)類型轉(zhuǎn)換；簡(jiǎn)單化編譯；方便程序調(diào)試。缺點(diǎn)是增加存儲(chǔ)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(lái)描述復(fù)雜和多維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型，如向量、記錄等，它于帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示不同之處是：

（1）標(biāo)志符要與每個(gè)數(shù)據(jù)相連，兩者合存在一個(gè)存儲(chǔ)單元中；而描述符則和數(shù)據(jù)分開(kāi)存放（一個(gè)連合一個(gè)分）

（2）要訪問(wèn)數(shù)據(jù)集中的元素時(shí)，必須先訪問(wèn)描述符，這就至少增加一級(jí)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(biāo)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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