您的位置:自考365 > 复习指导 > 笔记串讲 > 理学 > 自考《计算机系统结构》第3章精讲

自考《计算机系统结构》第3章精讲

2006-12-28 15:04   【 】【我要纠错

  第三章 数据类型和数据表示

  这一章主要讲述计算机中所采用的数据类型,它们主要有两类:一类是基本数据类型,包括位、串、整数、实数、字符和布尔量等;另一类是结构数据类型,包括向量、数据、字符串、堆栈、队列、记录等。因为计算机只能识别"0"和"1"这些二进制位,那么在计算机中如何在存储器中用"0"和"1"来表示上面的这些数据,就是我们要学的数据表示。这一章内容不多,比较难理解的似乎是"向量"这种数据类型。本章的内容主要应掌握浮点数的数据表示。

  一、数据类型(识记)

  计算机中所使用的数据一般可分为三类:第一类是用户定义的数据,这类数据通常是由程序设计语言所确定的;第二类是系统数据,它是程序在执行时由计算机系统蕴含生成的;第三类是指令,即被执行的程序可看成是数据的复合。

  上面讲的是"数据",那么"数据类型"是什么呢? 它不同于数据,数据类型除了指一组值的集合外,还定义了可作用于这个集合上的操作集,比如有一组整数值的集合,连同定义在这个集合上可进行的加减乘除等算术操作,这个整数的集合就成为了整数数据类型。

  从系统结构的观点来看,数据类型可分为基本数据、结构数据、访问指针和抽象数据等类型。我们这里讲的主要是基本数据和结构数据。

  1、基本数据类型(识记)

  一般包括二进制位及其位串、整数及自然数、实数(浮点数)、字符和布尔数等。

  2、结构数据类型(识记)

  结构数据类型是一组由相互有关的数据元素复合而成的数据类型,这些数据元素可以是基本数据类型中的元素,也可以是结构数据类型本身中的元素。也就是说这些数据是有结构的,包括向量和数组、字符串、堆栈、队列、记录等,结构数据类型中的元素不一定都具有相同类型。

  这里提到了向量,向量通常是指由标量的一组有序集合表示的量,它类似于一维数组,但又有所不同,因为标量通常只是一个整数或实数,而数组元素不一定只取实数。从计算机存储结构上来说,向量通常存储在一段连续的存储空间里。而数组元素的存储可能用链式存储方式,也就是不一定存储在连续的空间里。

  二、数据表示

  1、数据表示、数据类型、数据结构的关系。(领会)

  上面我们学了数据类型,还有一个概念是数据结构,数据结构就是指上面讲结构数据类型的组织方式,它反映了结构数据类型中各种数据元素或信息单元之间的结构关系,比如树这种数据结构,里面的元素就有根和叶的层次逻辑关系。数据结构一般通过高级语言描述建立的,但是计算机硬件并不懂什么是根什么是叶,它只认0和1.这就需要我们确定如何在计算机系统中进行数据表示,让硬件能认识各种数据类型。

  计算机系统结构中的数据表示是指可由硬件直接辨认的数据类型。这里讲到硬件直接辨认,就是说在系统中能够直接由硬件实现相应数据的运算,也就是系统结构中有相应的运算指令和运算部件来完成这项任务。那么怎么表示才能让硬件识别某种数据类型?

  上面的数据类型和数据表示就涉及到软硬件的交界面了。数据结构所研究的是软的方面,而数据表示考虑是是硬的方面,让计算机能够识别处理,并尽量节约存储空间。

  2、二进的定点、浮点数据表示(综合应用)

  主要讲述是的IEEE标准的二进制浮点数表示:

  IEEE754标准在表示浮点数时,每个浮点数均由三部分组成:符号位S,指数部分E和尾数部分M.

  我们知道10进制数的科学计数法如A= -3.5×105

  这里最前面有一个负号,3.5是尾数,两个有效数字,后面以10为基数的指数为5.我们可以将它表示为-3.5E5

  同样,二进制数也可以用科学计数法规格化表示,比如5这个数,如果用二进制表示的话,整型为101,如果用科学计数法则可以表示为 1.25×24 ,这里用的是十进制,将尾数换成二进制就是1.01(就是101向前移两位小数点,和十进制完全相同),后面的指数4换成二进制则是10,那我们将其用二进制的科学计数法就可以写成1.01E10.

  当我们依照这种计数法给一个数字确定其精度(有效位)后,就可以用一定长度的1和0的位串来表示一个实数了。

  浮点数一般采用以下四种基本格式:

  (1)单精度格式(32位):除去符号位1位后,E占8位,M占23位。

  (2)扩展单精度格式:E>=11位,M31位。

  (3)双精度格式:(64位);E=11位,M=52位。

  (4)扩展双精度格式:E>=15位,M>63位。

  我们最重要的是掌握单精度格式的表示法。在IEEE754标准中,约定小数点左边隐含有一位,通常这位数就是1,这样实际上使尾数的有效位数为24位,即尾数为1.M.指数的值在这里称为阶码,为了表示指数的正负,所以阶码部分采用移码表示,移码值为127,阶码值即从1到254变为-126至+127,在IEEE754中所有的数字位都得到了使用,明确地表示了无穷大和0,并且还引进了"非规格化数",使得绝对值较小的数得到更准确表示。请看下表:

  

  其中红色字0、1表示隐含位,注意当数字N为非规格化数或是0时,隐含位是0.

  记住了上面的表格就能算出所有IEEE标准的单精度二进制浮点数了,我们重点要会计算规格化数字的双向转换,并且理解二进制浮点数表示法的思想。

  3、向量数据表示(简单应用)

  这里又提到向量,前面已经简单解释过向量,这里说的是向量数据表示,我们知道向量在内存中是连续存放在一段空间里的,换句话说,这些向量元素的地址是连续的。

  在标量计算机上运行时,由于没有专门的向量数据表示,因此在计算一个向量(相当于一维数组的计算)时,每取用一个数据元素,都要用到计算该元素的地址。而在向量机中,由于有了向量数据表示,就可以把一个向量用一个位串来表示出来。向量指令就是能够用一条指令对向量的全部元素进行运算的指令。

  比方,有两排抽屉:A和B:我们有一个任务,就是把A中每个抽屉里的东西按照顺序一一对应地搬到B的每个抽屉里。

  用标量指令就是这样:听着,把A1抽屉里的东东给我搬到B1里去~~(等打工的搬好后……)再把A2抽屉里的东东给我搬到B2里去!(又等跑腿的搬完后……)还有,把A3抽屉……直到把全部抽屉搬好,数到了5,算是完成一项任务了,其间用了5次循环命令。

  

  而用向量指令就是这么说的:听着,把A柜子从第1格抽屉起的5个抽屉的东东给搬到B柜子里去,位置是从第1格抽屉起,依次放到5个抽屉里去。这样,跑腿的就明白了,只要一句话就完成了任务。

  向量表示就是用一个位串来表示一个向量的基址、位移量和向量长度,这样三个值就能明确表示一个向量,并能确定参加计算的元素所在的位置,因此向量表示是向量指令及向量机得以实现的基础。

  在向量处理中,还会遇到稀疏向量(就是含有大量0元素的向量),所以为了节省空间了处理时间,采用压缩向量的表示方法。这里要注意的是有一个中间向量Z向量,它是一个位向量,每个元素不是1就是0,而压缩向量就是根据Z向量中的有1的元素对应的稀疏向量元素存储起来而得到的。这个容易理解。

  4、自定义数据表示(领会)

  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。自定义数据表示形式有两种,即带标志符数据表示和数据描述符表示。

  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。这种表示法有它的优点也有它的缺点,请认真领会一下。

  其优点是: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。

  另一种就是数据描述符表示,主要用来描述复杂和多维结构的数据类型,如向量、记录等,它于带标志符数据表示不同之处是:

  (1)标志符要与每个数据相连,两者合存在一个存储单元中;而描述符则和数据分开存放(一个连合一个分)

  (2)要访问数据集中的元素时,必须先访问描述符,这就至少增加一级寻址(先访描符增寻址)

  (3)描述符可看成是程序一部分,而不是数据的一部分。标志符则可看作是数据的一部分(程序部分不是数)

本文转载链接:自考《计算机系统结构》第3章精讲

分享到:
  • 站内搜索
  • 课程搜索
  • 试题搜索

热门搜索:教材 报名 查分 免考 考试计划