信息處理技術員教程-計算機硬件基礎

1、信息處理技術員教程全國計算機技術與軟件專業(yè)技術資格（水平）考試辦公室第一章 計算機硬件基礎計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技術員考試的一個重點?？荚嚧缶V中涉及本章的考點如下：（1）數(shù)據(jù)運算（2）數(shù)據(jù)表示（3）主板的結構（4）CPU的組成（5）存儲器（6）常用I/O設備1.1 計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理和實施控制等功能的電子設備。1946年，世界上第一臺計算機ENIAC誕生在美國，經(jīng)過60多年的發(fā)展，計算機的運算能力、外形結構及應用領域等都發(fā)生了極大的變化。它的誕生、發(fā)展和應用徹底改變了人類社會的生產(chǎn)、生活學習和娛樂方式。1.1.1 計算機的組成部件一個完

2、整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。1、 馮諾依曼提出的設計思路。主要內(nèi)容如下：(1)計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。(2)計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)來表示程序和數(shù)據(jù)。(3)采用“存儲程序并順序執(zhí)行”的原理。圖 計算機系統(tǒng)的基本組成 計算機的系統(tǒng)結構 控制器 只讀存儲器（ROM） 隨機讀寫存儲器（RAM）硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)主機外部設備軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù) 庫管理程序、診斷維護程序等） 應用軟件（各種MIS系統(tǒng)、Office、Photoshop等）中央處理器內(nèi)存儲器運算器輸入設備（鍵盤、鼠標、掃描儀、其他）輸出設備（顯示器、打印機、繪圖儀

3、等）外存儲器（硬盤、軟盤、光盤）2、計算機的硬件系統(tǒng)組成計算機的基本部件有運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備，它們通過總線互連，就構成了計算機的硬件系統(tǒng)。中央處理器（CPU）是運算器和控制器的合稱，是硬件的核心，主要廠家Intel和AMD。1、CPU。主要工作時執(zhí)行指令，按照指令的要求對數(shù)據(jù)進行運算和處理，這部分工作由運算器和控制器分工合作完成。運算器：由算術邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成?？刂破髫撠煂χ噶钸M行譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號，指揮和協(xié)調(diào)計算機的各個部件有序工作。包括部件如下：指令寄存器（IR）指令譯碼器（ID）程序計數(shù)器（PC）微操作信號發(fā)生器2、主存儲器簡

4、稱主存，用于存放當前執(zhí)行的程序和需要使用的數(shù)據(jù)，存儲速度快，CPU可直接訪問。存儲體地址譯碼器地址寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器讀/寫控制電路地址譯碼器地址寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器存儲體讀/寫控制電路主存儲器結構示意圖外存儲器也稱為輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機保存信息，但CPU不可以直接訪問。常見的外存儲器包括軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、移動硬盤以及U盤等。高速緩存存儲器 Cache它是位于CPU和主存儲器之間，容量較小但存取速度很高的存儲器，用于保存主存儲器中一部分內(nèi)容的副本。當主機讀/寫數(shù)據(jù)時，首先訪問Cache，只有在Cache中不含所需數(shù)據(jù)時，CPU才會訪問主存，從而很好地

5、解決了CPU和主存儲器的速度不匹配問題。外部設備也稱外圍設備，簡稱外設，主要包括輸入設備和輸出設備。常用外部設備包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、繪圖儀及掃描儀等。總線：連接計算機中各部件的數(shù)據(jù)通路?？偩€包括數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。3.計算機的軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應用軟件1.1.2計算機的應用科學計算自動控制信息處理計算機輔助設計/輔助制造（CAD/CAM）輔助教學和醫(yī)療人工智能1.1.3計算機的分類目前計算機種類非常多，按照用途可以分為通用計算機和專用計算機。按照運算速度可分為巨型機、大型機、小型機、工作站和微型計算機。按照所處理的數(shù)據(jù)類型可分為模擬計算機、數(shù)字計算機

6、和混合計算機等。1.2 數(shù)據(jù)運算二進制是計算機功能得以實現(xiàn)的數(shù)字基礎，任何計算機應用中的數(shù)據(jù)在機器內(nèi)部都表示為“0”和“1”組成的二進制代碼串，數(shù)據(jù)處理最終都將轉(zhuǎn)換為二進制基本運算。1.2.1 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1、進位計數(shù)制數(shù)制：用一組固定的數(shù)字符號和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目的方法。常用的進制有：2進制，8進制，10進制，16進制?；鶖?shù)：某進制所允許使用的基本數(shù)字符號。2，8，10，16。位權(數(shù)的值不僅取決于數(shù)碼的大小還取決于它所在的位置）：基數(shù)的i次方。如：132.5 110231012100 5的10-1基數(shù)：10位權：102，101，100，10-12、不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換一、R進制轉(zhuǎn)十進制

7、 方法：按權展開求和。1、二進制轉(zhuǎn)換為十進制101B 1 220 211 20 5 D10101B=124+023+122+021+120=21D111.11B=122+121+120+12-1+12-2=7.75D2、八進制轉(zhuǎn)化為十進制(172)8 1 827 812 80 (122)103、十六進制轉(zhuǎn)化為十進制(5C)16 516112160 (92)10二、十進制轉(zhuǎn)N進制方法: 將十進制數(shù)整數(shù)和小數(shù)分開轉(zhuǎn)換,再將結果合并。整數(shù)部分： 除以基數(shù)逆向取余法.小數(shù)部分： 乘以基數(shù)順向取整法.1、十進制轉(zhuǎn)換為二進制十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換：除以2逆向取余10D=1010B十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換：乘2順向取整 20

8、.125 20.250 20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10（1010.001）2（0.125）10（0.001）2 (172)8 1 827 812 80 (122)10八進制(172)8172 O 172 Q (336)8？2、八進制轉(zhuǎn)化為十進制 (5C)16 516112160 (92)10十六進制(5C)165C H(A2)16？ (FF)16？3、十六進制轉(zhuǎn)化為十進制方法: 將十進制數(shù)整數(shù)和小數(shù)分開轉(zhuǎn)換,再將結果合并。整數(shù)部分：整除（基數(shù)）逆向取余法.小數(shù)部分：乘基（數(shù)）順向取整法.二、十進制轉(zhuǎn)R進制(P11)1、十進制轉(zhuǎn)換為二進制十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換：除以2逆

9、向取余10D=1010B 逆向取余注：除到商為零停止50221210021102十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換：乘2順向取整 20.125 20.250 20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10（1010.001）2（0.125）10（0.001）2練習題將下列十進制轉(zhuǎn)為二進制，精確到4位小數(shù)(54)10 (110110)2(15.73)10(1111.1011)22、十進制轉(zhuǎn)換成八進制整數(shù)部分：除8逆向取余264D？3、十進制轉(zhuǎn)換成十六進制整數(shù)部分：除16逆向取余287D？171D=?（71）10=( )2|8|16三、二進制與八進制的轉(zhuǎn)換 1、二進制八進制 (三位一組法)11110

10、1001B=111 101 001B=751Q10110B=010 110B=26Q11000.11=011 000. 110B=30.6Q2、八進制二進制 (擴展三位法)345Q=011 100 101B=11100101B632Q=110 011 010B=110011010B四、二進制與十六進制的轉(zhuǎn)換1、二進制十六進制(四位一組法)111001B=0011 1001B=39H1111000111B=0011 1100 0111B=3C7H2、十六進制二進制 (擴展四位法)2CH=0010 1100B=101100B62DH=0110 0010 1101B=11000101101B典型錯誤

11、1D2H=001 1101 010B=11101010B計算機中數(shù)據(jù)存儲單位1.位：一個二進制位，一個“1”，或者一個“0”。最小單位，英文名bit2.字節(jié)：八位為一個字節(jié)。英文名Byte，簡寫為B , 1Byte=8bit千字節(jié) KB 1 KB = 1024Byte = 210Byte兆字節(jié) MB 1 MB = 1024KB吉字節(jié) GB 1 GB = 1024MB三、帶符號數(shù)在計算機內(nèi)部的表示（P13) 在計算機中，對于n位二進制數(shù)將其 最高位作為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)如： 帶符號數(shù)（有符號數(shù)） 01101101 正數(shù) 11000110 負數(shù) 11101101 負數(shù) 01101101

12、 正數(shù) 10001111 負數(shù) 01110001 正數(shù) 數(shù)的符號位連同該數(shù)值本身一起作為一個數(shù)稱為機器數(shù)，機器數(shù)的二進制編碼有原碼、反碼、補碼三種。 原碼、反碼、補碼(P13-14)1、 原碼符號位除外（0正1負），數(shù)值部分為該數(shù)絕對值的二進制用1個字節(jié)表示（12）原碼 = 0000 1100（-12）原碼= 1000 1100用2個字節(jié)表示（12）原碼 = 00000000 00001100（-12）原碼= 10000000 00001100原碼、反碼、補碼2、反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼符號位不變，其余數(shù)位取反。（12）反碼 = 0000 1100 （-12）反碼= 1111 00

13、113、補碼正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼等于反碼加1（12）補碼=0000 1100（-12）補碼=1111 0100原碼、反碼、補碼正數(shù)：原碼，反碼，補碼都相同負數(shù)：原碼，符號位除外，數(shù)值部分為該數(shù)絕對 值的二進制反碼=原碼除符號位外求反 補碼=反碼+1例1：十進制數(shù)5在微機內(nèi)的存儲形式是（D）A00000101 B10000101C11111010 D11111011 例2：用一個字節(jié)表示十進制數(shù)-15的補碼是 1111 0001數(shù)值數(shù)據(jù)編碼非數(shù)值數(shù)據(jù)編碼定點數(shù)浮點數(shù)西文字符中文字符聲音圖像視頻整數(shù)小數(shù)有符號整數(shù)無符號整數(shù)計算機中數(shù)據(jù)的存儲與編碼數(shù)值數(shù)據(jù)編碼（1）定點數(shù)的表示定點整數(shù)的

14、小數(shù)點位置約定在最低位后面有符號整數(shù)：最高位為符號位，0為正；1為負無符號整數(shù)：都是數(shù)值位，沒有符號位。例： 00100011100011118位有符號整數(shù)35 15(原碼）8位無符號整數(shù)35 143下列數(shù)值能用8位二進制表示的是 A. 257 B. 300 C. 200 D. 29 定點小數(shù)的小數(shù)點約定在最高數(shù)值位的前面，符號位的后面。浮點數(shù)由階碼和尾數(shù)兩部分組成：階符階碼數(shù)符尾數(shù)階碼部分尾數(shù)部分（2）浮點數(shù)(實數(shù)）的表示(P15)例1：二個字節(jié)存放一個整數(shù)，如：+11136例2：四個字節(jié)存放一個實數(shù)，如：11060010101110000000數(shù)值位符號位0000011011111111

15、1111111111111111 1階符階碼數(shù)符尾數(shù)非數(shù)值數(shù)據(jù)編碼1、ASCII碼最基本、最常用的非數(shù)值數(shù)據(jù)是由字符（漢字字符和西文字符）組成的。西文字符普遍采用ASCII碼表示（P14)ASCII碼是美國標準信息交換碼(American standard code for Information Interchange),是微型計算機中表示字符的常用編碼。 標準的ASCII碼是用一個字節(jié)表示的，最高位置為“0”，用7位二進制數(shù)編碼，總共可以表示128個字符。 ASCII碼的新版本是把原來的7位碼擴展成8位碼，因此它可以表示256個字符。教材P207和下頁列出了ASCII編碼表。其中，每個字符

16、的列標題為其編碼的高三位，行標題為其編碼的低四位：若干重要字符的編碼為：NUL（空） （000 0000）2 = （0）10=（0）16回車（CR） （000 1101）2 = （13）10=（0D）16空格（SP） （010 0000）2 = （32）10=（20）16數(shù)字0 （011 0000）2=（48）10=（30）16數(shù)字9 （ 57）10=（39）16字母A （ 65）10=（41）16字母Z （ 90）10=（5A）16 字母a （ 97）10=（61）16字母z （ 122）10=（7A）161、定點加減運算 二進制數(shù)補碼的運算補碼的運算規(guī)則是：X+Y補 = X補 + Y補XY

17、補 = X補 + Y補 已知Y補，求Y補的方法是將Y補各位按位取反(包括符號位在內(nèi))末位加1。 現(xiàn)舉例說明以上兩個公式的正確性。1.2.3 算術運算 【例1-18】 設X1= + 0001100 X2 =0001100 Y1 = + 0000101 Y2 =0000101則X1補 = 00001100X2補 = 11110100Y1補 = 00000101Y2補 = 11111011 計算X1 + Y1。 + 0001100 X1 0 0001100X1補+) + 0000101 Y1 +) 0 0000101Y1補 + 0010001 X1+Y1 0 0010001X1補+Y1補因為： X1

18、+Y1補 = +0010001補 = 0 0010001 = X1補+ Y1補所以： X1+Y1補 = X1補 + Y1補 計算X1Y1。 + 0001100X10 0001100X1補) + 0000101Y1 +) 1 1111011Y1補 + 0000111X1Y1 10 0000111X1補+Y1補自然丟失 因為： X1Y1補 = +0000111補 = 0 0000111 = X1補+ Y1補所以： X1Y1補 = X1補 + Y1補 計算X2 + Y2。 0001100 X2 1 1110100 X2補+) 0000101 Y2+) 1 1111011 Y2補 0010001 X2

19、+Y2 1 1101111 X2補+Y2補自然丟失因為： X2+ Y2補 = 0010001補 = 1 1101111 = X2補+ Y2補所以： X2 + Y2補 = X2補 + Y2補 計算X2 - Y2。 0001100X21 1110100X2補) 0000101Y2 +)0 0000101Y2補 0000111X2 - Y2 1 1111001X2補+Y2補因為： X2 - Y2補 = 0000111補 = 1 1111001 = X2補+ Y2補所以： X2 - Y2補 = X2補 + Y2補 由此可看出，計算機引入了補碼編碼后，帶來了以下幾個優(yōu)點： (1) 減法轉(zhuǎn)化成了加法，這樣

20、大大簡化了運算器硬件電路的設計，加減法可用同一硬件電路進行處理。 (2) 運算時，符號位與數(shù)值位同等對待，都按二進制數(shù)參加運算，符號位產(chǎn)生的進位丟掉不管，其結果是正確的。這大大簡化了運算規(guī)則。 運用以上兩個公式時，要注意以下兩點： (1) 公式成立有個前提條件，就是運算結果不能超出機器數(shù)所能表示的范圍，否則運算結果不正確，按“溢出”處理。 例如，設機器字長為8位，則128N+127，計算(+64)+(+65)。 + 640 1000000+) + 65+)0 1000001 +1291 0000001127 顯然這個結果是錯誤的。究其原因是：(+64)+(+65)= +129+127，超出了字

21、長為8位所能表示的最大值，產(chǎn)生了“溢出”，所以結果值出錯。 再如，計算(125)+(10)。 1251 0000011+) 10+)1 1110110 135 10 1111001+121顯然，計算結果也是錯誤的。其原因是：(125)+(10)= 135128，超出了字長為8位所能表示的最小值，產(chǎn)生了“溢出”，所以結果出錯。 (2) 采用補碼運算后，結果也是補碼，欲得運算結果的真值，還需進行轉(zhuǎn)換。2、浮點加減運算完成加減運算，需要包括下述步驟：(1)零操作數(shù)檢查(2) “對階”操作(3)尾數(shù)相加減(4)尾數(shù)規(guī)格化(5)舍入處理3、浮點乘除運算1) “與”運算(AND)“與”運算又稱邏輯乘，用符

22、號或表示。其運算規(guī)則為00 = 001 = 010 = 011 = 1當兩個邏輯變量取值均為1時，它們“與”的結果才為1。1.2.4 邏輯運算 2) “或”運算(OR)“或”運算又稱邏輯加，用符號 + 或表示。其運算規(guī)則為0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 1當兩個邏輯變量的取值只要一個為1，它們“或”的結果就會為1。3) “非”運算(NOT)“非”運算用符號來表示。其運算規(guī)則為1=00=14) “異或”運算(XOR)“異或”運算用符號或來表示。其運算規(guī)則為00 = 001 = 110 = 111 = 0當兩個邏輯變量取值不相同時，它們“異或”的結果才為1。

23、要注意的是，一個邏輯數(shù)據(jù)用一位基2碼表示，這樣，8個邏輯數(shù)據(jù)用8位基2碼表示，這8位基2碼可存放在一個字節(jié)中。反過來說，一個32位的字就可以表示32個邏輯數(shù)據(jù)。1.2.5 字符編碼1、字符的表示2、漢字的表示（1）國標碼（2）區(qū)位碼（3）機內(nèi)碼1.3 指令系統(tǒng)指令是指示計算機執(zhí)行某種操作的命令，一臺計算機所有指令的集合構成該機器的指令系統(tǒng)。1.3.1計算機指令每條指令都包含兩個基本部分：操作碼，表示指令執(zhí)行什么功能；地址碼，表示參與操作的數(shù)據(jù)的地址。操作碼 地址碼 1.3.2 指令執(zhí)行控制在CPU中，一條指令的運行包括取指、分析和執(zhí)行3個步驟。(1)取指(2)分析（指令譯碼）(3)執(zhí)行常用的指

24、令執(zhí)行方式包括下述3種。（1）順序執(zhí)行方式（2）超前執(zhí)行方式（3）流水線方式1.4 存儲體系存儲介質(zhì)是指用來制作存儲信息的物質(zhì)。存儲器按存儲介質(zhì)分類可分為半導體存儲器、磁存儲器和光存儲器。該存儲體系存在下述兩個存儲層次。（1）Cache-主存存儲層次（2）主存-輔存存儲層次CPUCache主存輔存輔助硬件輔助硬件1.4.1 主存儲器1、主存記憶元件主存儲器按照存取限制可以分為RAM(隨機存儲器)和ROM(只讀存儲器)兩種。前者既可以在線存(寫)又可以在線取(讀)，后者只能在線取(讀)。(1)RAM:SRAM,DRAM.(2)ROM:PROM,EPROM,EEPROM.2、主存儲器組成主存儲器主

25、要由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、讀/寫電路和時序控制電路等組成。3、主存工作模式(1)SDRAM(2)DDR SDRAM(3)RDRAM(4)XDR DRAM4、主存儲器的主要性能指標（1）每位成本（2）容量（3）存取速度 訪問時間Ta 存取周期Tm 主存帶寬Bm（4）信息的可靠保存性、非易失性和可更改性（5）可靠性1.4.2 輔助存儲器1、磁表面存儲器磁盤、磁帶都是磁表面存儲器，其信息存儲于涂覆在載體表面，厚度為0.0245um左右的磁層上。磁記錄格式規(guī)定了一連串的二進制數(shù)字數(shù)據(jù)與磁層存儲元的相應磁化翻轉(zhuǎn)形式互相轉(zhuǎn)換的規(guī)則，常用的有下面幾種。(1)歸零制(RZ)(2)不歸零制(NRZ)(3)調(diào)相制(PE或PM)(4)調(diào)頻制(FM或FD)評價硬盤性能好壞，主要參照下述指標1、記錄密度2、硬盤容量3、主軸轉(zhuǎn)速4、尋道時間5、平均存取時間6、緩沖存儲區(qū)大小7、數(shù)據(jù)傳輸率8、誤碼率2、磁盤陣列RAID3、光盤存儲器特點：（1）記錄密度高、存儲容量大。（2）采用非接觸方式讀/寫，沒有磨損，可靠性高（3）可長期保存信息（4）成本低廉，易