第2章計算機基礎知識

1、1第二章第二章 計算機基礎知識計算機基礎知識2.1 2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理計算機系統(tǒng)的組成與工作原理2.2 2.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換及運算數(shù)制轉(zhuǎn)換及運算 22.1 2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理計算機系統(tǒng)的組成與工作原理2.1.1計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成 硬硬 件系統(tǒng)件系統(tǒng)軟軟 件系統(tǒng)件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件計算機系統(tǒng)分為：硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)分為：硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)3計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成42.1.2計算機硬件組成計算機硬件組成主機主機外設外設輸出設備輸出設備網(wǎng)絡設備網(wǎng)絡設備輸入設備輸入設備外存設備外存設備計算機硬件計算機硬件=主機主機+外設外設

2、5計算機的五大部件計算機的五大部件 馮馮.諾依曼思想諾依曼思想： 二進制二進制程序與數(shù)據(jù)一樣存程序與數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存放在內(nèi)存五大模塊五大模塊存儲器存儲器數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流控制流控制流運算器運算器外存儲器外存儲器輸輸出出設設備備內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器輸輸入入設設備備控制器控制器6處理器處理器處處理理器器控制器控制器運算運算器器控制整個計算機控制整個計算機所有部件的工作所有部件的工作又稱算術邏輯又稱算術邏輯單元單元 , ,執(zhí)行算執(zhí)行算術運算和邏輯術運算和邏輯運算運算7存儲器存儲器存儲器存儲器是計算機存儲是計算機存儲數(shù)據(jù)和程序數(shù)據(jù)和程序的記憶單元集合，的記憶單元集合，每個記憶單元由每個記憶單元由8 8位二進制

3、位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。位二進制位組成，可讀寫其中的數(shù)據(jù)。存儲器存儲器內(nèi)存、外存內(nèi)存、外存存儲器通常分為存儲器通常分為內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器和和外存儲器外存儲器可長時存放大量信息可長時存放大量信息的外存儲器的外存儲器信息交流中心信息交流中心內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器8存儲器存儲器每個記憶單元由每個記憶單元由8 8位二進制位組成。位二進制位組成。1KB=210B=1024B1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB1TB= 210GB= 1024GB7 6 5 4 3 2 1 0字節(jié)字節(jié)ByteByte位位BitBit字長：字長：CPU在單位時間內(nèi)在單位時間內(nèi)（同一時間）能一次處

4、理的（同一時間）能一次處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)二進制數(shù)據(jù)的位數(shù) 。地址：地址：在計算機中，內(nèi)存按字節(jié)在計算機中，內(nèi)存按字節(jié)分成一個個單元，對每個單元進分成一個個單元，對每個單元進行編號，就是內(nèi)存地址。行編號，就是內(nèi)存地址。 92.1.3計算機基本工作原理計算機基本工作原理指令是能被計算機識別并執(zhí)行的的二進制代碼，完成一種操作，指令是能被計算機識別并執(zhí)行的的二進制代碼，完成一種操作，由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼操作碼 操作數(shù)操作數(shù) 數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)處理指令數(shù)據(jù)處理指令程序控制指令程序控制指令輸入輸出指令輸入輸出指令 其它指令其它指令 If Goto A

5、nd OrCPUCPU內(nèi)存內(nèi)存I/O設備設備主機主機對計算機的硬件進行管理等對計算機的硬件進行管理等指令指令 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分分類類操作碼操作碼 要完成的操作類型或性質(zhì)要完成的操作類型或性質(zhì)操作數(shù)操作數(shù) 操作的內(nèi)容或所在的地址操作的內(nèi)容或所在的地址 10計算機基本工作原理計算機基本工作原理11計算機基本工作原理計算機基本工作原理 1.指令的串行執(zhí)行指令的串行執(zhí)行一條指令的執(zhí)行過程分為以下一條指令的執(zhí)行過程分為以下3步驟：步驟：（1） 取指令取指令 按照指令計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，按照指令計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并送往指令寄存器。并送往指令寄存器。（2）分析指令分析指令 對

6、指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應的控制電位信號；由操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應的控制電位信號；由地址碼確定操作數(shù)地址。地址碼確定操作數(shù)地址。（3）執(zhí)行指令執(zhí)行指令 由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。制信息，去完成該指令所要求的操作。一條指令執(zhí)行完成，指令計數(shù)器加一條指令執(zhí)行完成，指令計數(shù)器加1 或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到（，然后回到（1）。）。把計算機完成一條指令

7、所用的時間稱為一個把計算機完成一條指令所用的時間稱為一個指令指令周期周期，CPU的主頻頻愈高，指令周期就愈短，指令執(zhí)行的速度就愈的主頻頻愈高，指令周期就愈短，指令執(zhí)行的速度就愈快，機器也就愈快?？?，機器也就愈快。 12計算機基本工作原理計算機基本工作原理 指令的串行執(zhí)行是當執(zhí)行指令的三個部件依次全部完成后，才開指令的串行執(zhí)行是當執(zhí)行指令的三個部件依次全部完成后，才開始下一條指令的執(zhí)行，在此過程中在執(zhí)行某功能部件時，其他兩個始下一條指令的執(zhí)行，在此過程中在執(zhí)行某功能部件時，其他兩個功能部件是不工作的。功能部件是不工作的。 2.指令的并行執(zhí)行指令的并行執(zhí)行 指令的并行執(zhí)行就是使這三個功能部件并行工

8、作，則可提高計算指令的并行執(zhí)行就是使這三個功能部件并行工作，則可提高計算機執(zhí)行指令的速度，現(xiàn)在的計算機一般采用流水線技術。機執(zhí)行指令的速度，現(xiàn)在的計算機一般采用流水線技術。 如有三條如有三條指令的并行執(zhí)行平均理論速度是串行執(zhí)行的指令的并行執(zhí)行平均理論速度是串行執(zhí)行的3倍。倍。 取指令1 分析指令1 執(zhí)行指令1 取指令2 分析指令2 取指令3 執(zhí)行指令2 分析指令3 指令1 指令2 指令3 執(zhí)行指令3 取 指 令 執(zhí) 行 指 令 分 析 指 令 132.2 2.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換及運算數(shù)制轉(zhuǎn)換及運算 2.2.1 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換數(shù)制及其轉(zhuǎn)換 1.什么是進位計數(shù)制什么是進位計數(shù)制 按進位的原則進行計數(shù)的方法

9、，稱為進位計數(shù)制。按進位的原則進行計數(shù)的方法，稱為進位計數(shù)制。 2.進位計數(shù)制的特點進位計數(shù)制的特點逢逢N N進一進一: :N N是指進位計數(shù)制所表示數(shù)字字符的總數(shù)，叫基數(shù)。是指進位計數(shù)制所表示數(shù)字字符的總數(shù)，叫基數(shù)。如：十進制有十個數(shù)碼，其基數(shù)為十則是逢十進一如：十進制有十個數(shù)碼，其基數(shù)為十則是逢十進一 。位權表示法位權表示法: :位權的值是其基數(shù)的若干次冪，如十制位權的值是其基數(shù)的若干次冪，如十制750.45:750.45: (750.45)10=7(750.45)10=710102 2+5+510101 1+0+010100 0+4+41010-1-1+5+51010-2-2 數(shù)碼數(shù)碼基

10、數(shù)基數(shù)冪冪權權 3.常用進位計數(shù)制常用進位計數(shù)制 :十進制十進制(D)、二進制、二進制(B)、八進、八進制制(O)、十六進制、十六進制(H)。144.數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換將一種進位計數(shù)制轉(zhuǎn)換為另外一種進位計數(shù)制叫數(shù)制轉(zhuǎn)換。將一種進位計數(shù)制轉(zhuǎn)換為另外一種進位計數(shù)制叫數(shù)制轉(zhuǎn)換。 約定：約定：用用(X)(X)R R表示不同進制數(shù)，表示不同進制數(shù)，R=R=2，表示二進制（也可用，表示二進制（也可用B）8，表示八進制（也可用，表示八進制（也可用O）10，表示十進制（也可用，表示十進制（也可用D）16，表示十六進制（也可用，表示十六進制（也可用H）(1)任何非十進制任何非十進制R R轉(zhuǎn)換成十進制都

11、是按位權展開的多項式之和。轉(zhuǎn)換成十進制都是按位權展開的多項式之和。例例:(101011.1)(101011.1)2 2=1=12 25 5+0+02 24 4+1+12 23 3+0+02 22 2+1+12 21 1+1+12 20 0+1+12 2-1-1 =(43.5)=(43.5)1010 (312.4)(312.4)8 8=3=38 82 2+1+18 81 1+2+28 80 0+4+48 8-1-1=(202.5)=(202.5)1010 (7AD) (7AD)1616=7=716162 2+10+1016161 1+13+1316160 0=(1965)=(1965)1010

12、154.數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換(2)(2)十進制轉(zhuǎn)換為非十進制數(shù)十進制轉(zhuǎn)換為非十進制數(shù)R R要將整數(shù)和小數(shù)分別轉(zhuǎn)換。要將整數(shù)和小數(shù)分別轉(zhuǎn)換。整數(shù)部分：整數(shù)部分：除以除以 R取余數(shù)，直到商為取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)，余數(shù)倒序倒序排列。排列。小數(shù)部分：小數(shù)部分：乘以乘以 R取整數(shù)，整數(shù)取整數(shù)，整數(shù)正序正序排列。排列。 例例: : (100.345)10 =(1100100.0101)20.34520.69022 0.760 2 1.520 2 1005025126310001001122 2222221.380倒序倒序正序正序16(3)(3)二進制與八進制、二進制與十六進制的互相轉(zhuǎn)換。二進制

13、與八進制、二進制與十六進制的互相轉(zhuǎn)換。 一位八進一位八進制數(shù)對應三位二進制數(shù)制數(shù)對應三位二進制數(shù)一位一位十六進制數(shù)對應四位二進制數(shù)十六進制數(shù)對應四位二進制數(shù)二進制轉(zhuǎn)化成八二進制轉(zhuǎn)化成八(十六十六)進制進制) 整數(shù)部分：整數(shù)部分：以小數(shù)點為中心，從以小數(shù)點為中心，從右向左右向左按三按三(四四)位進行分組，最后位進行分組，最后一組不足一組不足左邊左邊補零。補零。 小數(shù)部分：小數(shù)部分：以小數(shù)點為中心，從以小數(shù)點為中心，從左向右左向右按三按三(四四)位進行分組，最后位進行分組，最后一組不足一組不足右邊右邊補零。補零。例如，將例如，將10110101.101110110101.1011二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進

14、制數(shù)。二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)。0 01010 110110 101101 . . 101101 1 10000 2 6 5 5 4 2 6 5 5 4 結(jié)果：結(jié)果：(10110101.1011)(10110101.1011)2 2=(265.54)=(265.54)8 8左補0右補0017例如，將例如，將101101010.10111101101010.10111二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)。二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)。0000001 1 0110 0110 10101010 . . 10111011 1 1000000 1 6 A B 8 1 6 A B 8 結(jié)果：結(jié)果：(101101010.10

15、111)(101101010.10111)2 2=(16AB.8)=(16AB.8)1616左補000右補00018二進制、八進制、十六進制數(shù)間的關系二進制、八進制、十六進制數(shù)間的關系 八進制八進制 二進制二進制 十六進制十六進制二進制二進制 十六進制十六進制 二進制二進制0000000008100010011000191001201020010A1010301130011B1011410040100C1100510150101D1101611060110E1110711170111F1111192.2.2二進制數(shù)的算術運算和邏輯運算二進制數(shù)的算術運算和邏輯運算 1.二進制數(shù)的算術運算二進制數(shù)

16、的算術運算加加 法法乘乘 法法減減 法法除除 法法0+0=00+0=00+1=10+1=11+0=11+0=11+1=10(逢逢2進進1) 0 0 0=00=00 0 1=01=01 1 0=00=011=1 0-0=00-0=01-0=11-0=11-1=01-1=00-1=1(借借1當當2) 0 0 0=00=00 0 1=01=01 1 0(0(沒有意義沒有意義) )11=1 二進制數(shù)的算術運算規(guī)則二進制數(shù)的算術運算規(guī)則 20例例2.12.1 求求(1011011)(1011011)2 2 + (1010.11)+ (1010.11)2 2 = =？解：解： 結(jié)果：結(jié)果： (101101

17、1)2 + (1010.11)2 = (1100101.11)2 兩個二進制數(shù)相加時，每一位最多有兩個二進制數(shù)相加時，每一位最多有3 3個數(shù)（本位被加個數(shù)（本位被加數(shù)、加數(shù)和來自低位的進位數(shù)）相加，按二進制數(shù)的加法數(shù)、加數(shù)和來自低位的進位數(shù)）相加，按二進制數(shù)的加法運算法則得到本位相加的和及向高位的進位。運算法則得到本位相加的和及向高位的進位。21例例2.2 2.2 求求(11000001)(11000001)2 2 (00101101)(00101101)2 2 = =？ 解：解：結(jié)果：結(jié)果：(11000001)(11000001)2 2 (101101) (101101)2 2 =(1001

18、0100) =(10010100)2 2 兩個二進制數(shù)相減時，每一位最多有兩個二進制數(shù)相減時，每一位最多有3 3個數(shù)（本位被減個數(shù)（本位被減數(shù)、減數(shù)和向高位的借位數(shù)）相減，按二進制數(shù)的減法運數(shù)、減數(shù)和向高位的借位數(shù)）相減，按二進制數(shù)的減法運算法則得到本位相減的差數(shù)和向高位的借位。算法則得到本位相減的差數(shù)和向高位的借位。22例例2.3 2.3 求求 (1011.01)(1011.01)2 2 (101)(101)2 2 = =？ 解：解：結(jié)果：結(jié)果：(1011.01)(1011.01)2 2 (101) (101)2 2 =(111000.01) =(111000.01)2 2 由于二進制乘數(shù)與

19、被乘數(shù)中只有由于二進制乘數(shù)與被乘數(shù)中只有1 1和和0 0兩種情況，相乘運兩種情況，相乘運算要比十進制數(shù)相乘的算要比十進制數(shù)相乘的“九九乘法表九九乘法表”法則簡單的多了。法則簡單的多了。23例例2.4 2.4 求求(100011)(100011)2 2 (101)(101)2 2 = =？解：解： 結(jié)果：結(jié)果：(100011)(100011)2 2 (101)(101)2 2 =(111) =(111)2 2 除法是除法是乘數(shù)的逆運算，二進制除法與十進制除法類似。乘數(shù)的逆運算，二進制除法與十進制除法類似。 242.二進制數(shù)的邏輯運算二進制數(shù)的邏輯運算邏輯非邏輯非運算運算 邏輯非的真值表邏輯非的真

20、值表AF = A0110邏輯邏輯與與運算運算 邏輯與的真值表邏輯與的真值表ABF = AB000010100111252.二進制數(shù)的邏輯運算二進制數(shù)的邏輯運算邏輯邏輯或或運算運算 邏輯邏輯或或的真值表的真值表ABF = A+B000011101111262.2.3 數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示 1.整數(shù)的表示整數(shù)的表示 機器數(shù)機器數(shù) 在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以二進制的形式存儲和運算的。以在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以二進制的形式存儲和運算的。以一個字節(jié)為例，假設該字節(jié)表示無符號的正整數(shù)，那么，一個字節(jié)為例，假設該字節(jié)表示無符號的正整數(shù)，那么，9191的表示形式如下：的表示形式如下： 數(shù)

21、的正負用數(shù)的正負用高位字節(jié)的最高位高位字節(jié)的最高位來符號位，用來符號位，用“0”表示表示正數(shù)正數(shù)，“1”表示表示負數(shù)負數(shù)。用一個字節(jié)表示一個帶符號整數(shù)。用一個字節(jié)表示一個帶符號整數(shù)-91-91，其格式為：其格式為： 0 1 0 1 1 0 1 11 1 0 1 1 0 1 1符號位符號位在計算機內(nèi)部，數(shù)字和符號都用二進制碼表示，兩者合在一起構(gòu)成在計算機內(nèi)部，數(shù)字和符號都用二進制碼表示，兩者合在一起構(gòu)成數(shù)的機內(nèi)表示形式，稱為數(shù)的機內(nèi)表示形式，稱為機器數(shù)機器數(shù)，而它真正表示的帶有符號的數(shù)稱，而它真正表示的帶有符號的數(shù)稱為這個機器數(shù)的為這個機器數(shù)的真值真值。機器數(shù)是二進制數(shù)在計算機內(nèi)的表示形式。機器

22、數(shù)是二進制數(shù)在計算機內(nèi)的表示形式。 符號位符號位27數(shù)的表示范圍數(shù)的表示范圍 數(shù)的位數(shù) 無符號正整數(shù)范圍 帶符號整數(shù)的范圍 80255-12812716065535-32768327673204294967295-21474836482147483647機器數(shù)在機內(nèi)有三種不同的表示方法：原碼、反碼和補碼。機器數(shù)在機內(nèi)有三種不同的表示方法：原碼、反碼和補碼。 28原碼、反碼和補碼原碼、反碼和補碼假定一個數(shù)在機器中占用假定一個數(shù)在機器中占用8位。位。(1) 原碼原碼0X1|X|0=XX=0+7： 00000111 +0：00000000 - - 7： 10000111 - - 0：10000000

23、 X原原=+7： 00000111 +0：00000000 0X1|X|0=XX=00X1|X|+10=XX=0 +7： 00000111 +0：00000000 - -7： 11111000 - - 0：11111111 - - 7： 11111001 - - 0：00000000 (2)反碼反碼X反反=X補補=(3)補碼補碼29 補碼能夠化減法為加法，實現(xiàn)類似于代數(shù)中的補碼能夠化減法為加法，實現(xiàn)類似于代數(shù)中的x-y=x+(-y)x-y=x+(-y)運運算，便于電子計算機電路的實現(xiàn)。算，便于電子計算機電路的實現(xiàn)。例例 求求(32-10)(32-10)1010解：解：+32+32原原 = (0

24、0100000)= (00100000)2 2 +32 +32補補 = (00100000)= (00100000)2 2 - 10 - 10原原=(10001010)=(10001010)2 2 - 10- 10補補= (11110110)= (11110110)2 2所以，所以，(32-10)(32-10)1010= (00010110)= (00010110)2 2 = (+22)= (+22)1010302.實數(shù)的表示實數(shù)的表示 定點小數(shù)定點小數(shù) 定點整數(shù)定點整數(shù) S小數(shù)點S小數(shù)點無符號位定點數(shù)定點數(shù)312.實數(shù)的表示實數(shù)的表示浮點數(shù)浮點數(shù) 階碼階碼數(shù)符數(shù)符階符階符尾數(shù)尾數(shù)110.01

25、1(B)=1.100112+10=11001.12-10=0.1100112+111100110011N= 數(shù)符數(shù)符尾數(shù)尾數(shù)2階符階符階碼階碼尾數(shù)尾數(shù)的位數(shù)決定的位數(shù)決定數(shù)的精度數(shù)的精度階碼階碼的位數(shù)決定的位數(shù)決定數(shù)的范圍數(shù)的范圍 規(guī)格化的形式：尾數(shù)的絕對值規(guī)格化的形式：尾數(shù)的絕對值大于等于大于等于0.1并且小于并且小于1，從而，從而唯一地規(guī)定了小數(shù)點的位置。唯一地規(guī)定了小數(shù)點的位置。 定點整數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)定點小數(shù)322.2.4 非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示 字符字符 西文字符西文字符 ACSII碼：碼：128個常用字符，個常用字符，用用7位二進制編碼位二進制編碼，

26、從，從0到到127。 控制字符：控制字符：032；普通字符：；普通字符：94個。個。 例如：例如：“a”字符的編碼為字符的編碼為1100001，對應的十進制數(shù)是，對應的十進制數(shù)是97； 換行換行 0AH 10 回車回車 0DH 13 空格空格 20H 32 09 30H39H 4857 AZ 41H5AH 6590 az 61H7AH 9712233漢字編碼漢字編碼 (1) 漢字輸入碼漢字輸入碼音碼類音碼類 全拼、雙拼、微軟拼音、全拼、雙拼、微軟拼音、自然碼和智能自然碼和智能ABC等等 形碼類形碼類 五筆字型法、鄭碼輸入法等五筆字型法、鄭碼輸入法等 。(2) 漢字國標碼漢字國標碼(GB231280