計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識.ppt

,本章要點與學(xué)習(xí)要求： 計算機產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用 （了解） 計算機的基本組成 （掌握） 進位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換 （熟悉） 二進制數(shù)定點及浮點表示 （掌握） 二進制數(shù)原碼反碼及補碼 （掌握） 計算機常用編碼 （熟悉） 補碼加減運算 （掌握） 常用邏輯運算 （掌握） 邏輯代數(shù)的初步知識 （掌握） 基本邏輯電路和邏輯元件 （了解）,教學(xué)目的： 了解計算機的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用 教學(xué)重點： 計算機的發(fā)展,1.1 計算機發(fā)展概述,教學(xué) 引入,現(xiàn)在，計算機在我們的日常生活中無處不在，你了解計算機的發(fā)展史嗎？,返 回,1.1.1 計算機的產(chǎn)生,計算機與一般計算工具的差別 存儲器的大小 運算能力 定義 電子計算機是一種能按預(yù)先存儲的程序，對以數(shù)字形式出現(xiàn)的信息進行處理的電子裝置。,1.1 計算機發(fā)展概述 P1,上一頁,返 回,下一頁,結(jié)繩計數(shù)是計算機的“遠古史” 算籌是計算機的“古代史” 中國算盤,與計算機誕生有關(guān)技術(shù)的發(fā)展,1. 從籌算到算盤,上一頁,返 回,下一頁,1614年，耐普爾利用對數(shù)原理制造一臺乘法機。奧托里把對數(shù)刻在木板上，后發(fā)展為現(xiàn)在的計算尺。 1642年，法國數(shù)學(xué)家布萊斯帕斯卡發(fā)明簡易機械計算機。 1671年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨把帕斯卡機器加以改進, 使它既可以做加減法，又可以做乘除法運算。,圓柱型對數(shù)計算尺,帕斯卡,帕斯卡加法器,2. 機械計算器,上一頁,返 回,下一頁,1820年，英格蘭的查爾斯巴貝奇設(shè)計了“差分機” (計算機之父） 英國數(shù)學(xué)家喬治布爾1854年提出符號邏輯 （布爾代數(shù)） 20世紀30年代末期，英國數(shù)學(xué)家艾倫圖靈描述了假想機器（圖靈機） 20世紀30年代后期，艾肯和IBM公司的工程師小組完成了“ Mark I”,布 爾,巴貝奇,Mark,第一臺差分機,2. 機械計算器（續(xù)）,上一頁,返 回,下一頁,ENIAC是世界公認的第一臺通用電子數(shù)字計算機。 1946年2月由美國賓州大學(xué)的莫克利和?？颂匮兄疲?18000多個電子管、1500多個繼電器、占地170平方米、重量30噸、計算速度5千次/秒；每次至多只能存儲20個十進制數(shù)； 弱點：存儲容量小，尚未采用“程序存儲”方式；電子管太多,第一臺數(shù)字電子計算機 P1,上一頁,返 回,下一頁,圖靈對現(xiàn)代計算機貢獻：建立了圖靈機的理論模型，發(fā)展了可計算性理論；提出了定義機器智能的圖靈測試。 馮諾依曼貢獻：建立現(xiàn)代計算機基本結(jié)構(gòu)，即馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 整個系統(tǒng)是由五大基本部件組成，即由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備組成； 采用二進制，使用機器語言,指令通過操作碼來完成簡單的 操作； 采用存儲程序的思想，對計算進行集中的順序控制。,馮.諾依曼,圖 靈,現(xiàn)代計算機發(fā)展的杰出人物 P1,上一頁,返 回,下一頁,所謂現(xiàn)代計算機是指采用先進的電子技術(shù)來代替陳舊落后的機械或繼電器技術(shù)。 以構(gòu)成計算機硬件的邏輯元件為標志，大致經(jīng)歷了從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電子路到大規(guī)模超大規(guī)模集電路計算機等四個發(fā)展階段。,1.1.2 計算機的發(fā)展 P2,上一頁,返 回,下一頁,課堂交互,現(xiàn)代計算機與微型機劃分的標準有什么不同？,現(xiàn)代計算機：電子器件不同 微型機：微處理器的位數(shù),上一頁,返 回,下一頁,特點 采用電子管作為邏輯開關(guān)元件； 存儲器使用水銀延遲線、靜電存儲管、磁鼓等； 外部設(shè)備采用紙帶、卡片、磁帶等； 使用機器語言，50年代中期開始使用匯編語言，但沒有操作系統(tǒng)； 體積龐大 、笨重 、耗電多、 可靠性差、 速度慢、 維護困難 。 典型機器 ENIAC、EDVAC、UNIVAC、IBM 701、IBM 650 應(yīng)用 科學(xué)計算,1. 第一代電子計算機,上一頁,返 回,下一頁,特點 使用半導(dǎo)體晶體管作為邏輯開關(guān)元件； 使用磁芯作為主存儲器，輔助存儲器采用磁盤和磁帶； 輸入輸出方式有了很大改進； 開始使用操作系統(tǒng)，有了各種計算機高級語言； 體積減小、重量減輕、耗電量減少、速度加快、可靠性增強 。 典型機器 IBM 的7090、7094、7040、7044 應(yīng)用 數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、科學(xué)計算,2. 第二代電子計算機,上一頁,返 回,下一頁,特點 使用中、小規(guī)模集成電路作為邏輯開關(guān)元件； 開始使用半導(dǎo)體存儲器。輔存仍以磁盤,磁帶為主； 外部設(shè)備種類和品種增加； 開始走向系列化、通用化和標準化； 操作系統(tǒng)進一步完善，高級語言數(shù)量增多； 計算機的體積、重量進一步減小，運算速度和可靠性進一步提高。 典型機器 IBM 370系列、 IBM 360系列、富士通F230系列等。 應(yīng)用 系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)設(shè)計、大型科學(xué)計算、科技工程各領(lǐng)域。,3. 第三代電子計算機,上一頁,返 回,下一頁,特點 使用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路作為邏輯開關(guān)元件； 主存采用半導(dǎo)體存儲器，輔存采用大容量的軟、硬磁盤，并開始引入光盤； 外部設(shè)備有了很大發(fā)展，開始采用光字符閱讀器（OCR）,掃描儀、激光打印機和各種繪圖儀； 操作系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進一步發(fā)展。 計算機的體積、重量、功耗進一步減小，運算速度、存儲容量、可靠性等大幅度提高。 典型機器 IBM的4300系列、3080系列、3090系列，以及IBM 9000系列 應(yīng)用 事務(wù)處理、智能模擬、普及到社會生活各個方面,4. 第四代電子計算機,上一頁,返 回,下一頁,人工智能（AI）：是研究如何用人工的方法和技術(shù)來模仿、延伸和擴展人的智能，以實現(xiàn)某些“機器思維”或腦力勞動自動化的一門學(xué)科。 第五代計算機系統(tǒng)（FGCS:): 就是智能計算機系統(tǒng)，智能計算機由以下幾個部分組成： 知識庫（KB:Knowledge Bank） 知識庫計算機(KBM:Knowledge Bank Machine） 知識庫管理系統(tǒng)(KBMS) 問題求解和推理機 智能接口系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng),5. 人工智能和第五代電子計算機,上一頁,返 回,下一頁,工作原理 數(shù)字計算機（Digital Computer） 模擬計算機 (Analog Computer) 混合計算機 (Hybrid computer) 應(yīng)用領(lǐng)域 通用計算機 (General Purpose Computer) 專用計算機 (Special Purpose Computer),計 算 機 分 類,上一頁,返 回,下一頁,綜合性能指標 巨型機 （Super Computer） 大型機 （Main Frame Computer） 小型機（MiniComputer） 微型機（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服務(wù)器（Server） 網(wǎng)絡(luò)計算機 （Net Computer）,巨型機(Super computer)又稱超級計算機，它的價格昂貴、功能強大，多用于戰(zhàn)略武器、空間技術(shù)、石油勘探、天氣預(yù)報、社會模擬等。 兩個方向發(fā)展 開發(fā)高性能器件，縮短時鐘周期，提高單機性能 采用多處理器結(jié)構(gòu)，提高機器性能，用于尖端領(lǐng)域，代表國家的計算機科學(xué)水平。 典型巨型計算機 如美國的ILLIAC-IV型計算機（每秒1.5億次）、CRAY-1型計算機（每秒1億次）。 “銀河”系列計算機和“曙光一號”并行計算機等，標志著我國是世界上少數(shù)幾個能獨立研制出巨型機的國家之一。,巨 型 機,上一頁,返 回,下一頁,運算速度可達5000億次的“神威”計算機,上一頁,返 回,下一頁,微型計算機的發(fā)展 P23,微型計算機的分代是以微處理器的位數(shù)為依據(jù)，分四代： 第一代微型計算機 第二代微型計算機 第三代微型計算機 第四代微型計算機,上一頁,返 回,下一頁,特點 字長：4位/8位 芯片集成度（晶體管數(shù)目/片）：12002000 時鐘頻率：0.50.8MHz 基本指令執(zhí)行時間：1015S 地址總線：4/8條 CPU舉例,4004,1. 第一代微型計算機（19711973）,上一頁,返 回,下一頁,特點 字長：8位 芯片集成度（晶體管數(shù)目/片）：50009000 時鐘頻率：12.5MHz 基本指令執(zhí)行時間：12S 地址總線：16條 微處理器（CPU）舉例 Intel 8080、Intel 8085、M6800、Z-80,8080,2. 第二代微型計算機（19741977）,上一頁,返 回,下一頁,特點 字長：16位 芯片集成度（晶體管數(shù)目/片）：2萬7萬 時鐘頻率：510MHz 基本指令執(zhí)行時間：0.40.75S 地址總線：20/24條 微處理器（CPU）舉例： Intel 8086、Intel 8088 、Intel 80286、M68000,3. 第三代微型計算機（19781981）,上一頁,返 回,下一頁,特點 字長：32/64位 芯片集成度（晶體管數(shù)目/片）：10萬以上 時鐘頻率：25 150MHz 基本指令執(zhí)行時間：0.125S 地址總線：24/32條 微處理器（CPU）舉例 Intel 80386、Intel 80486、奔騰系列等,4. 第四代微型計算機（20世紀80年代初期至中期）,上一頁,返 回,下一頁,筆記本電腦：一種體積更小、重量更輕的便攜式微型機 單片計算機：微型計算機的主要部件集成在一塊芯片上，也稱單片微型計算機，簡稱單片機。 單片機的發(fā)展歷史可分為三個階段： 初級單片機階段（1976-1978） 高性能單片機階段（1978年以后） 16位單片機推出階段（1982年以后）,其他微型計算機（20世紀80年代中后期）,上一頁,返 回,下一頁,綜合化、智能化 網(wǎng)絡(luò)化、高速化、整體化、協(xié)同化 多樣化、大眾化 微小化、低能耗、低污染、縮微化、綠色化 商品化 集成化、 高效化,上一頁,返 回,下一頁,1.1.3 計算機應(yīng)用的發(fā)展趨勢 P67,課堂 交互,按計算機采用的電子器件來劃分計算機的發(fā)展，經(jīng)歷了（ ）代。 A）4 B）6 C）7 D）3,分析：按計算機采用的電子器件來劃分，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了四代。,結(jié)論：答案應(yīng)選 A）,上一頁,返 回,下一頁,教學(xué)小結(jié),計算機的定義 與計算機誕生有關(guān)的技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代計算機的發(fā)展 微型計算機的發(fā)展 計算機的特點 計算機的應(yīng)用,上一頁,返 回,下一頁,作 業(yè),P43 1 1馮諾依曼計算機的主要特征是什么？ 補充：計算機和微型計算機分別是根據(jù)什么劃代的？計算機和微型計算機這幾代各是什么？,教學(xué)目的 掌握計算機系統(tǒng)的組成成分及各組成成分的功能 了解計算機的工作過程。 教學(xué)重點 計算機硬件組成及各部分功能,1.2 計算機的基本組成及工作原理,教學(xué) 引入,現(xiàn)在，我們已經(jīng)了解計算機的發(fā)展，那么計算機的內(nèi)部有哪些部件組成？,返 回,1.2.1 計算機的基本組成 P7,上一頁,返 回,下一頁,負責(zé)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算即數(shù)據(jù)的加工處理,實現(xiàn)記憶功能的部件用來存放計算程序及參與運算的各種數(shù)據(jù)。,存儲器,運算器,控制器,輸入設(shè)備,實現(xiàn)計算程序和原始數(shù)據(jù)的輸入,負責(zé)對程序規(guī)定的控制信息進行分析、控制并協(xié)調(diào)輸入、輸出操作或內(nèi)存訪問,1.2.1 計算機的基本組成 P7,輸出設(shè)備,實現(xiàn)計算結(jié)果的輸出,上一頁,返 回,下一頁,結(jié)果 數(shù)據(jù),中央處理器,取數(shù) 存數(shù),輸 入 設(shè) 備,輸 出 設(shè) 備,外 存 儲 器,內(nèi)存儲器,運算器,控 制 器,程序 數(shù)據(jù),外設(shè),主 機,上一頁,返 回,下一頁,馮諾依曼型計算機兩大特征： 程序存儲 采用二進制,微型計算機的組成框圖 P8,上一頁,返 回,下一頁,指令 定義：能夠被計算機識別的命令，是對計算機進行程序控制的最小單位 組成： 操作碼：計算機應(yīng)該執(zhí)行的某種操作的性質(zhì)和功能； 地址碼：被操作的數(shù)據(jù)存放在何處，即指明操作數(shù)的地址 程序 是由完成某一特定任務(wù)的一組指令所組成。 機器指令 計算機執(zhí)行某種操作的指令，它們?nèi)坑?和1這樣的二進制編碼組成，其操作通過硬件邏輯電路實現(xiàn)。,1.2.2 計算機的基本工作原理 P9,上一頁,返 回,下一頁,輸出設(shè)備,執(zhí)行結(jié)果,程序數(shù)據(jù),先編寫出完成這一算題的計算程序；,結(jié)束指令,輸入設(shè)備,內(nèi)存儲器,微處理器,地址/指令/數(shù)據(jù),分析指令,取指令,執(zhí)行指令,其他指令,CPU工作過程,程序和數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)存；,控制器從存儲器中取指令；,控制器分析、執(zhí)行指令，為取下一條指令做準備；,取下一條指令，分析執(zhí)行，如此重復(fù)操作，直至執(zhí)行完程序中 的全部指令，便可獲得最終結(jié)果。,計算機的工作過程,計算機的自動計算過程就是執(zhí)行一段預(yù)先編制好的計算程序的過程； 計算程序是指令的有序集合。 指令的逐條執(zhí)行是由計算機的硬件實現(xiàn)的，可歸結(jié)為取指令、分析指令、執(zhí)行指令所規(guī)定的操作，并為取下一條指令準備好指令地址。,1.2.2 計算機的基本工作原理 P11,動畫演示,上一頁,返 回,下一頁,教學(xué)小結(jié),計算機系統(tǒng)的組成 計算機硬件及各部分的功能 計算機的工作過程,作 業(yè),P 43 4,教學(xué)目的 學(xué)習(xí)計算機中數(shù)據(jù)信息的表示方式和各種表示方式之間的內(nèi)在聯(lián)系、二進制的定點與浮點表示及其原碼反碼補碼表示、計算機中非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼，使大家對數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方式有所了解。 教學(xué)重點 不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換 二進制數(shù)的原碼、反碼及補碼表示 字符編碼,1.3 數(shù)制與編碼,教學(xué) 引入,計算機可以處理各種各樣的數(shù)據(jù)，如文本、圖像、聲音、動畫等，那么這些信息在計算機內(nèi)部是如何保存的？,返 回,按值表示,要求在選定的進位制中正確地表示出數(shù)值，包括數(shù)字符號、小數(shù)點位置及正負符號等。,表示數(shù)據(jù)信息的兩種基本方法,1,上一頁,返 回,下一頁,1. 特點 ： 10個有序的數(shù)字符號：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,其中：“十” 為進位基數(shù)(Base / Radix)，, “逢十進一”的計數(shù)規(guī)則, 小數(shù)點符號：“.”,2. 表示法 ：并列表示法 Positional Notation 多項式表示法 Polynomial Notation,簡稱基數(shù)( R )。,十 進 制 數(shù),上一頁,返 回,下一頁,例：十進制數(shù) 1 2 3 4 5 . 6 7 8 0 9,104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5,如上所示，處在不同位置的數(shù)字具有不同的“權(quán)”，并列計數(shù)法，也稱位置表示法。,萬 千 百 十 個位 位 位 位 位,十 百 千 萬 十萬分 分 分 分 分 位 位 位 位 位,并列表示法,上一頁,返 回,下一頁,多項式表示法 將并列式按“權(quán)” 展開為按權(quán)展開式，稱為多項式表示法。 如下例：,12345.67809 = 1104 + 2103 + 3102 + 4101 + 510 0 + 610-1 + 710-2 + 810-3 + 0 10-4 + 910 - 5,上一頁,返 回,下一頁,進位制數(shù) 所謂“數(shù)制”，即各種進位計數(shù)制。 在R進制中，具有R個數(shù)字符號，它們是0，1，2，（R-1） 在R進制中，由低位向高位是按“逢R進一“的規(guī)則進行計數(shù)。 R進制的基數(shù)（base）是 R，R進制數(shù)的第i位的權(quán)(weight)為“Ri”，并約定整數(shù)最低位的位序號i=0（i=n,2，1，0，-1， -2）。 小數(shù)點右移一位擴大倍，左移一位縮小為原來的1/倍。,1.3.1 進位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換 P12,上一頁,返 回,下一頁,不同數(shù)制特點,進位計數(shù)制方式:每種數(shù)制使用數(shù)碼個數(shù)R稱為基數(shù)，進位計數(shù)制編碼符合“逢R進位”規(guī)則。 位權(quán)表示法:數(shù)制中每一固定位置對應(yīng)的單位值稱為權(quán)，處于不同位置數(shù)碼代表的值與它所在位置權(quán)值有關(guān)。,1,1.3.1 進位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換（續(xù)）,上一頁,返 回,下一頁,進位制,二進制,八進制,十進制,十 六 進 制,規(guī) 則,基 數(shù),數(shù) 碼,權(quán),形式表示,逢二進一,R=2,0,1,2i,B,逢八進一,R=8,0,1,2,7,8i,Q,逢十進一,R=10,0,1,2, ,9,10i,D,逢十六進一,R=16,0,1,9,A,B,C,D,E,F,16i,H,計算機中常用進制數(shù)的表示,上一頁,返 回,下一頁,使用按權(quán)相加法，即將各位進制數(shù)碼與它對應(yīng)的權(quán)相乘，其積相加，和數(shù)即為與該R進制數(shù)相對應(yīng)的十進制數(shù)。,整數(shù)的轉(zhuǎn)換:采用除R取余法。從最后一次除得余數(shù)讀起（即從高位到低位）。 小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換:采用乘R取整法，將所得小數(shù)從第一次乘得整數(shù)讀起，就是這個十進制小數(shù)所對應(yīng)的R進制小數(shù),R進制數(shù)十進制數(shù),十進制數(shù)R進制數(shù),不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 P13,上一頁,返 回,下一頁,分析：使用按權(quán)相加法，即將各位進制數(shù)碼與它對應(yīng)的權(quán)相乘，其積相加，和數(shù)即為與該R進制數(shù)相對應(yīng)的十進制數(shù)。,(1100101.101)2=126+125+024+023+122+021+120+12-1 + 02-2 + 12-3,=64+32+0+0+4+0+1+0.5+0.125 =（101.625）10,即 （1100101.101）2=（101.625）10,例1：求（1100101.101）2 的等值十進制數(shù)。,上一頁,返 回,下一頁,33,解:先求（66）10等值二進制數(shù) 余數(shù) 2 66,即（66）10=（1000010) 2,再求小數(shù)部分 積的整數(shù)部分 0.6252=1.250 1,0.2502=0.500 0 0.5002=1.000 1,即(0.625)10=(0.101)2,所以： (66.625）10=(1000010.101）2,注意：十進制小數(shù)不一定都能轉(zhuǎn)換成完全等值的二進制小數(shù)，所以有時要取近似值，有換算誤差存在。,0,16,8,4,2,1,0,1,0,0,0,0,1,例2：求（66.625）10等值二進制數(shù),分析：將此數(shù)分成整數(shù)和小數(shù)兩部分分別轉(zhuǎn)換，然后再拼接起來。,上一頁,返 回,下一頁,二進制、八進制、十六進制間轉(zhuǎn)換,二進制數(shù)八進制數(shù) “三位并一位” 以小數(shù)點為基準，整數(shù)部分從右至左，每三位一組，最高位不足三位時，添0補足三位； 小數(shù)部分從左至右，每三位一組最低有效位不足三位時，添0補足三位。 各組三位二進制數(shù)按22，21，20權(quán)展開后相加， 得到一個八進制數(shù),八進制數(shù)二進制數(shù) “一位拆三位” 把一位八進制寫成對應(yīng)的三位二進制，然后按權(quán)連接即可,二進制數(shù)十六進制數(shù) “四位并一位” 以小數(shù)點為基準，整數(shù)部分從右至左，每四位一組，最高位不足四位時，添0補足四位； 小數(shù)部分從左至右，每四位一組最低有效位不足四位時，添0補足四位。 各組四位二進制數(shù)按23, 22，21，20權(quán)展開后相加， 得到一個十六進制數(shù),十六進制數(shù)二進制數(shù) “一位拆四位” 把一位十六進制寫成對應(yīng)的四位二進制，然后按權(quán)連接即可,上一頁,返 回,下一頁,解： 001 010 111 011 . 001 011 100 1 2 7 3 . 1 3 4,即： (1010111011.0010111)2=(1273.134)8,例3：將（1010111011.0010111)2 轉(zhuǎn)換 為八進制數(shù),分析：按照“三位并一位”的原則，對二進制數(shù)進行處理。,例4：將（2754.41)8轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),分析：按照“一位拆三位”的原則，對八進制數(shù)進行處理。,解： 2 7 5 4 . 4 1 010 111 101 100 . 100 001,即：（2754.41)8=(10111101100.100001)2,上一頁,返 回,下一頁,解： 0010 1101 0101 0111 0100 2 D 5 . 7 4,即： （1011010101.011101)2=(2D5.74)16,例5：將（1011010101.011101)2轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù),分析：按照“四位并一位”的原則，對二進制數(shù)進行處理。,例6：將（5A0B.0C)16轉(zhuǎn)換成二進制數(shù),分析：按照“一位拆四位”的原則，對八進制數(shù)進行處理。,解： 5 A 0 B 0 C 0101 1010 0000 1011 . 0000 1100,即：（5A0B.0C)16=(101101000001011.000011)2,上一頁,返 回,下一頁,2. 二進制數(shù)的定點表示 P15,概念,指計算機中的小數(shù)點位置固定不變的數(shù)的表示方式。,功能,分類,定點整數(shù)：小數(shù)點固定在數(shù)的最低位之后。設(shè)字長為位，能表示的數(shù)值范圍為： 00000000-01111111 即0-（7） 定點小數(shù)：小數(shù)點固定在數(shù)的最高位之前。設(shè)字長為位，能表示的范圍為： 0.00000000.1111111 即0-（1- -7 ）,上一頁,返 回,下一頁,浮點表示法: 指計算機中的小數(shù)點位置不是固定的，或者說是“浮動” 的 數(shù)的表示方式：通過階碼和尾數(shù)表示： N=2E (S) E稱為階碼，它是一個二進制正整數(shù) ； E前的為階碼的符號，稱為階符（Ef）； S稱為尾數(shù)，它是一個二進制正小數(shù) ； S前的為尾數(shù)的符號，稱為尾符(Sf) ； “”是階碼E的底數(shù)。,二進制數(shù)的浮點表示 P16,上一頁,返 回,下一頁,例：10101.101表示為：1.01011012100 也可表示為：0.101011012101 規(guī)格化浮點數(shù)：小數(shù)點后第一位數(shù)不為0。 如上例的0.101011012101 即為規(guī)格化浮點數(shù),浮點數(shù)的表示,階碼,尾數(shù),階符,尾符,例：二進制數(shù)101.1和10.11的規(guī)格化浮點表示形式為 (設(shè)字長為8位),上一頁,返 回,下一頁,真值,一個數(shù)的正號用”+”表示；負號用”-”表示，即為該數(shù)的真值。例如：十進制數(shù)+13.5二進制的真值為+1101.1;十進制數(shù)-13.5二進制的真值為-1101.1,機器數(shù),以0表示正數(shù)的符號，以1表示負數(shù)的符號，并且每一位的數(shù)值也用0和1表示之后，這樣的數(shù)叫機器數(shù)，有時也叫做機器碼,符號化 好處,可以方便的存儲；在做乘法或除法時，把數(shù)的符號位按位相加后，就得到結(jié)果的符號位。其規(guī)則是正數(shù)乘正數(shù)，符號按位相加得0；正數(shù)乘負數(shù)，符號按位相加得 1；負數(shù)乘負數(shù)，符號按位相加得0。,3. 二進制的原碼、反碼及補碼表示 P17,數(shù)符（+/-）+ 尾數(shù)（數(shù)值的絕對值）,符號（+/-）數(shù)碼化； 最高位：“0”表示“+”， “1”表示“-,機器數(shù)的分類 原碼、反碼、補碼,上一頁,返 回,下一頁,原碼是一種機器數(shù)。數(shù)的原碼表示是在機器中用符號位的0和1表示數(shù)的正號和負號，而其余位表示數(shù)的本身。 對于正數(shù)，X=+Xn-2Xn-3X0，則原碼為： X原=0Xn-2Xn-3X0 對于負數(shù)，X=-Xn-2Xn-3X0，則原碼為： X原=1Xn-2Xn-3X0 原碼表示法的特點: 優(yōu)點:簡單易懂，與真值的轉(zhuǎn)換方便。 缺點:異號相加時機器首先應(yīng)判斷數(shù)的符號，然后比較兩數(shù)的絕對值，增加了機器的復(fù)雜程度。,符號位+尾數(shù)部分（真值）,原碼表示法,上一頁,返 回,下一頁,表示方法 對于正數(shù)其反碼與原碼相同；對于X=+Xn-2Xn-3X0，則反碼為：X反=0Xn-2Xn-3X0 對于負的二進制數(shù)，符號位不變，數(shù)值各位取反，即 0變?yōu)?，l變?yōu)?。對于X=-Xn-2Xn-3X0，則反碼為X反=1 特點: 在計算機中容易實現(xiàn)，如觸發(fā)器，一邊表示原碼，另一邊表示反碼。,正數(shù)：尾數(shù)部分與真值形式相同； 負數(shù)：尾數(shù)為真值數(shù)值部分按位取反,反碼表示法,上一頁,返 回,下一頁,（+4）稱為（8）對12的補碼， 數(shù)學(xué)公式表示為： 8+4（mod 12),什么是補碼？,上一頁,返 回,下一頁,表示方法 對于正數(shù)其補碼與原碼相同；對于X=+Xn-2Xn-3X0，則補碼為： X補=0Xn-2Xn-3 X0 對于負數(shù),除了符號位之外數(shù)值各位取反，末尾位加1。對于X=Xn-2Xn-3X0，則補碼為： X補=1 +1 特點: 負數(shù)用補碼表示時，可把減法轉(zhuǎn)化成加法，可以用加法器實現(xiàn)減法，簡便、經(jīng)濟,正數(shù)：尾數(shù)部分與真值形式相同； 負數(shù)：尾數(shù)為真值數(shù)值部分按位取反加1,補 碼 表 示 法,上一頁,返 回,下一頁,X = + 90 (十進制真值) = + 1011010 (二進制真值) 設(shè)字長為8位 X原 = 0 1011010 X反 = 0 1011010 X補 = 0 1011010 正數(shù)的符號位為0 ，其原碼、反碼和補碼的形式是完全一致的。,X = - 90 (十進制真值) = - 1011010 (二進制真值) 設(shè)字長為8位 X原 = 1 1011010 X反 = 1 0100101 X補 = 1 0100110 負數(shù)的符號位為1，原碼數(shù)值部分是該數(shù)絕對值的二進制表示，反碼數(shù)值部分是原碼各位變反，補碼的數(shù)值部分是在反碼的基礎(chǔ)上加1。,(1)定點整數(shù)機器碼,X = + 0.8125(十進制真值) = 2-1 + 2-2 + 2-4 = 0.1101 (二進制真值) 設(shè)字長為8位 X原 = 0 1101000 X反 = 0 1101000 X補 = 0 1101000 正數(shù)，其原碼、反碼和補碼的形式是完全一致的。,(2)定點小數(shù)機器碼,X = - 0.8125(十進制真值) = - （2-1+ 2-2 + 2-4 ） = - 0.1101 (二進制真值) 設(shè)字長為8位 X原 = 1 1101000 X反 = 1 0010111 X補 = 1 0011000 負數(shù)的符號位為1，原碼數(shù)值部分是該數(shù)絕對值的二進制表示、反碼數(shù)值部分是原碼各位變反，補碼的數(shù)值部分是在反碼的基礎(chǔ)上加1。,浮點數(shù)機器碼 例：設(shè)字長為32位，其中，階為8位補碼，尾數(shù)為24位原碼，求二進制數(shù)0.000101011101的浮點規(guī)格化數(shù)表示形式,解：0.000101011101 = 0.101011101 10 -11 則0.000101011.101的浮點表示形式如下： 11111101 010101110100000000000000,符號、S 0、1 數(shù)值位不變,原碼、反碼和補碼間關(guān)系,x 真值,x原,x反,x補,S 不變，數(shù)值位,不變(S=0),變反(S=1),S 不變，數(shù)值位,不變(S=0),變反后加1(S=1),注：S表示符號位,記住規(guī)律,上一頁,返 回,下一頁,例7：已知計算機字長為8位，試寫出二進制101010和101010的機器中表示的原碼、反碼和補碼。 解：設(shè)該機器采用定點整數(shù)表示,則其真值形式為: X=+0101010 Y=-0101010 原 = 反 = 補 =00101010 Y原 = 10101010 Y反 = 11010101 Y補 =11010110,原碼、反碼、補碼應(yīng)用舉例,上一頁,返 回,下一頁,例8：已知X補101101，求真值X 解：先由X補求出X反，則得: X反= X補11011011101100 X反的符號位為1，故其所對應(yīng)的真值為負， 且數(shù)值為X反的各位取反，即： X反 101100 X -10011,原碼、反碼、補碼應(yīng)用舉例,上一頁,返 回,下一頁,K（kilobyte） 字節(jié) 1KB =210B=1024 Byte M（megabyte）字節(jié) 1MB = 220B=1024 KB G（gigabyte） 字節(jié) 1GB = 230B=1024 MB T（terabyte）字節(jié) 1TB = 240B=1024GB,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+ 24+ 22+ 20,=149,信息的存儲單位,上一頁,返 回,下一頁,什么是編碼？ 所謂編碼（code）,是指按一定規(guī)則組合而成二進制數(shù)碼序列來表示數(shù)字字符或其他符號。 計算機中常用的編碼有十進制編碼(BCD碼）、可靠性編碼（校驗碼）、字符編碼、操作編碼及漢字編碼等。,4.數(shù)據(jù)的編碼表示 P18,上一頁,返 回,下一頁,用四位二進制代碼對一位十進制數(shù)進行編碼，它既具有二進制碼的形式(四位二進制碼)，又有十進制數(shù)的特點(每四位二進制碼是一位十進制數(shù))。 例1:（931）10=（？）BCD 解: （ 9 3 1)10 = (1001 0011 0001)BCD,BCD碼（二十進制碼）P18,上一頁,返 回,下一頁,十進制數(shù)與BCD碼的對照表,上一頁,返 回,下一頁,目的：解決代碼在形成或傳輸過程中可能會發(fā)生的錯誤，提高系統(tǒng)的安全性 方法： 使代碼自身具有一種特征或能力 增加信息位之間的運算，如異或運算 增加校驗位 作用： 不易出錯 若出錯時易發(fā)現(xiàn)錯誤 出錯時易查錯且易糾錯 分類: 格雷碼、奇偶校驗碼和海明碼等。,可靠性編碼（校驗碼）,上一頁,返 回,下一頁,格雷碼,任何兩個相鄰的代碼只有1個二進制位的狀態(tài)不同其余的二進制位必須相同。這種編碼的好處是從一個編碼變到下一個相鄰的編碼的時候，只有一位的狀態(tài)發(fā)生變化,海明碼,一種既能檢測出錯位并能校正出錯位的可靠性代碼,奇偶 校驗碼,它由若干信息位加一個校驗位所組成，其中校驗位的取值將使整個代碼中“1”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。若“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則稱奇校驗碼；否則稱偶校驗碼,可靠性編碼分類,上一頁,返 回,下一頁,奇偶校驗碼示例,上一頁,返 回,下一頁,對文字和符號進行編碼的二進制代碼稱為字符代碼 計算機中常用的字符編碼有： ASCII編碼：用一個字節(jié)表示，最高位置0，只用低七位，收集了128個字符和符號。當ASCII碼的最高位取1時，又可表示128個字符，這種編碼稱為擴展ASCII碼，主要是一些制表符。 EBCDIC碼：主要用在大型機器中，采用8位二進制編碼，有256個編碼狀態(tài)，但只選用其中一部分,1.3.2 字 符 的表示 P19,上一頁,返 回,下一頁,ASCII 碼 表 P1920,上一頁,返 回,下一頁,課堂交互,問題1：Grid的ASCII碼分別是多少？,上一頁,返 回,下一頁,問題2：負九點五用二進制碼(按值表示)是多少？ 用ASCII碼(按形表示)是多少?,字符代碼化（輸入）,字形碼,漢字信息的輸入（漢字輸入碼） 漢字信息的加工（把漢字輸入碼轉(zhuǎn)換成漢字內(nèi)碼才可加工處理） 漢字的輸出（只有漢字的字形碼才能在屏幕上顯示和打印機輸出）。,2中文字符 P20,漢字的輸入碼( 外碼),數(shù)字編碼：如電報碼或國家標準GB2312-80規(guī)定的漢字交換碼（國標、區(qū)位碼）來輸入漢字都是數(shù)字編碼。數(shù)字編碼法不會產(chǎn)生重碼，但難以記憶，不易推廣,字音編碼：一種基于漢語拼音的編碼方法。由于同音字很多，因此這種編碼方法會產(chǎn)生很多重碼,字形編碼：根據(jù)漢字的字形而給出 編碼方法。把漢字分解為字根、部首、偏旁、筆劃等基本單位，每一種基本單位與鍵盤上的一個鍵相對應(yīng)，從而構(gòu)成一個漢字的編碼。這種輸入法不易記憶，但具有重碼少，輸入速度快等優(yōu)點。,形音編碼：形音編碼法吸取字音編碼和字形編碼兩種編碼的特點，使編碼規(guī)則簡單，重碼少。,上一頁,返 回,下一頁,國標碼：是國家規(guī)定的用于漢字信息處理使用的代碼的依據(jù)。國標碼是雙字節(jié)代碼，國標碼中的每個字符用兩個字節(jié)進行編碼，每個字節(jié)的低7位表示信息，最高位為0。 漢字機內(nèi)碼：是供計算機系統(tǒng)內(nèi)部進行存儲、加工處理傳輸統(tǒng)一使用的代碼。目前使用最廣泛的是變形的國標碼 將GB231280 交換碼的兩個字節(jié)的最高位分別置為1而得到的。,漢字的機內(nèi)碼 P20,上一頁,返 回,下一頁,交換碼：用于漢字外碼和內(nèi)部碼的交換。 漢字字形碼：是指漢字字形點陣的代碼， 用于漢字的顯示和打印。目前漢字字形的產(chǎn)生方式大多是數(shù)字式，即以點陣方式形成漢字。 漢字字庫：是漢字字形數(shù)字化后， 以二進制文件形式存儲在存儲器中而形成的漢字字模庫。 軟漢字字庫：漢字字庫文件存儲在軟盤或硬盤中。 硬漢字字庫：亦稱漢卡，漢字字庫存儲在漢卡中，將漢卡安裝在機器的擴展槽中。,漢 字 編 碼 P20,上一頁,返 回,下一頁,1234567890123456 00000001100000001 00000001100000002 00000001100000003 11000001100000114 11111111111111115 11000001100000116 11000001100000117 11000001100000118 11111111111111119 11000001100000110 00000001100000001 00000001100000002 00000001100000003 00000001100000004 00000001100000005 00000001100000006,漢 字 字 形 碼,上一頁,返 回,下一頁,課堂交互,問題：存儲3232點陣的一個漢字的字形碼需要多少存儲空間？,上一頁,返 回,下一頁,聲音是一種連續(xù)的隨時間變化的波，即聲波。用連續(xù)波形表示聲音的信息，稱為模擬信息。 聲音在計算機內(nèi)表示時需要把聲波數(shù)字化，又稱量化。 在每一固定的時間間隔里對聲波進行采樣，采得的波形稱為樣本，再把樣本（振幅的高度）量化成二進制代碼存儲在機內(nèi)。這個過程稱為聲音的離散化或數(shù)字化，也稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 反之，將聲音輸出時，要進行逆向轉(zhuǎn)換，即數(shù)/模轉(zhuǎn)換。 常用的聲音文件擴展名為.wav，.au，.voc和.mp3,1.3.3 聲音信息的表示 P21,上一頁,返 回,下一頁,顏色表示法:在計算機中，用RGB值來表示顏色。 數(shù)字化圖像和圖形 位圖圖像：計算機通過指定每個獨立的點（或像素）在屏幕上的位置來存儲位圖圖像。位圖圖像文件的擴展名為.bmp，.pcx，.tif，.jpg和.gif。 矢量圖形：由一串可重構(gòu)圖形指令構(gòu)成。矢量圖形文件的擴展名為.wmf，.dxf，.mgx和.cgm。 矢量圖形與位圖圖像相比，有以下優(yōu)點： 矢量圖形占用的存儲空間小。矢量圖形的存儲依賴于圖形的復(fù)雜性，圖形中的線條、圖形、填充模式越多，所需要的存儲空間越大。 使用矢量圖形軟件，可以方便地修改圖形。可以把矢量圖形的一部分當作一個獨立的對象，單獨地加以拉伸、縮小、移動和刪除。,1.3.4 圖像和圖形信息的表示 P21,上一頁,返 回,下一頁,動畫：其每一幅畫面都是通過一些工具軟件對圖像素材進行編輯制作而成。它是用人工合成的方法對真實世界的一種模擬。 視頻：對視頻信號源（如電視機、攝像機等）經(jīng)過采樣和數(shù)字化處理后保存下來的信息。視頻影像是對真實世界的記錄。 視頻文件的擴展名為.avi，.mpg。,1.3.5 視頻信息的表示 P22,上一頁,返 回,下一頁,教學(xué)小結(jié),進位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換 二進制數(shù)的定點和浮點表示 二進制數(shù)的原碼、反碼及補碼表示 字符編碼（ASCII、BCD）和校驗碼（奇偶校驗碼） 漢字的編碼（國標碼、機內(nèi)碼輸入碼、字形碼）,作 業(yè),P4344 7、8、11、12、13,教學(xué)目的 本講主要介紹二進制與十進制的算術(shù)運算以及二進制的邏輯運算的基本知識，通過本講的學(xué)習(xí)使大家對計算機中的基本運算方法有所了解。 教學(xué)重點 二進制補碼運算 二進制的邏輯運算,1.4 運算基礎(chǔ),教學(xué)引入,1+1=2 1+1=10 1+1=1,?,返 回,計算機中的基本運算 算術(shù)運算：包括加、減、乘、除等四則運算 邏輯運算：包括邏輯乘、邏輯加、邏輯非及邏輯異或等運算 運算規(guī)則： 、 加法規(guī)則：0 + 0 = 0 0 + 1= 1+ 0 =1 1 + 1= 0 減法規(guī)則：00 = 0 10 =1 11=0 01= 1 乘法規(guī)則：00 = 0 01=10 = 0 11= 1 除法規(guī)則：01= 0 11= 1 ( 0不能作除數(shù) ),1.4.1 二進制的四則運算 P23,上一頁,返 回,下一頁,例9. （1010）2+（0101）2=（？）2 1 0 1 0 + 0 1 0 1 1 1 1 1,10 + 5 15,二進制數(shù)的加法運算,上一頁,返 回,下一頁,例10. （1110）2 （1001）2=（？）2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1,14 9 5,二進制數(shù)的減法運算,上一頁,返 回,下一頁,例11. （1100）2（1001）2=（？）2 被乘數(shù) 1 1 0 0 ) 乘數(shù) 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 乘積 1 1 0 1 1 0 0,12 9 108,二進制數(shù)的乘法運算,上一頁,返 回,下一頁,例12. （1001011）2（101）2=（？）2 101）1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0,5 ) 75,1,1,1,1,1,5,25,25,0,5,二進制數(shù)的除法運算,上一頁,返 回,下一頁,二進制乘法可以由“加法”和“移位”兩種操作實現(xiàn)。除法可以由“減法”和“移位”兩種操作實現(xiàn) 因此，運算器中只需進行加減法及左右移位操作便可實現(xiàn)四則運算。 計算機中，加減法通常都用補碼進行。,數(shù)的乘除法運算的特點,上一頁,返 回,下一頁,分析：運算公式 x補+y補 =x+y補 例13 設(shè)x=+0110110， y=1111001 求： x+y=? 解：在計算機中，真值x，y表示為下列補碼形式： x補=0,0110110 y補=1,0000111 有： 0，0110110 x補 + 1，0000111 y補 1，0111101 x補y補 即x+y補x補y補 1，0111101 求得 x+y=1000011 結(jié)果正確,例：二進制補碼加法運算 P24,上一頁,返 回,下一頁,例14 設(shè)x=+1010011， y=+0100101 求x+y=? 解：在計算機中，真值x，y表示為下列補碼形式： x補=0, 1010011 y補=0, 0100101 有： 0，1010011 x補 + 0，0100101 y補 0，1111000 x補y補 即x+y補x補y補 0, 1111000 求得 x+y=+1111000 結(jié)果正確,例：二進制補碼加法運算,上一頁,返 回,下一頁,例15 設(shè)x=-1000011， y=-0100001 求x+y=? 解：在計算機中，真值x，y表示為下列補碼形式： x補=1, 0111101 y補=1, 1011111 有： 1, 0111101 x補 + 1, 1011111 y補 11, 0011100 x補y補 丟失 即x+y補x補y補 1, 0011100 求得 x+y=-1100100 結(jié)果正確,例：二進制補碼加法運算,上一頁,返 回,下一頁,例16 設(shè)x=+1000101， y=+1100111 求： x+y=? 解：在計算機中，真值x，y表示為下列補碼形式： x補=0, 1000101 y補=0, 1100111 有： 0 , 1000101 x補 + 0 , 1100111 y補 1 , 0101100 x補y補 即x+y補x補y補 1,0101100 求得 x+y=1010100 結(jié)果錯誤,思考：如何處理溢出現(xiàn)象？,例：二進制補碼加法運算,上一頁,返 回,下一頁,例17 設(shè)x=+1010101， y=+1100001 求： x - y=? 解：x補=0, 1010101 -y=-1100001 -y補=1, 0011111 有： 0，1010101 x補 + 1，0011111 -y補 1，1110100 x補-y補 即x-y補x補-y補 1, 1110100 求得 x-y=0001100,xy補=x+（y）補=x補y補,例：二進制補碼減法運算 P25,運算器只 有加法器？,上一頁,返 回,下一頁,1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1,4 9 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1,7 9 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0,9,13,16,思考：如何處理十進制運算后的結(jié)果？,1.4.3 十進制運算 P2526,上一頁,返 回,下一頁,BCD碼的運算 四位二進制加法是逢16進一，而BCD碼則是逢10進一，因此實現(xiàn)BCD碼的加法時要進行必要的修正。 BCD碼的加法修正規(guī)則：設(shè)A，B為兩個一位BCD碼，其純二進制加法之和為S，則S可能出現(xiàn)下列三種情況: 0 S 9，即（0000）2 S （1001）2 :不需修正。 10S15，即(1010)2S(1111)2 ：要進行加6修正，并在修正過程中向高位產(chǎn)生進位。 16S19,即(10000)2S(10011)2：向高位的進位會自己產(chǎn)生，不過還要對本位進行加 6修正。,1.4.3 十進制運算（續(xù)）,上一頁,返 回,下一頁,數(shù)字電路的特點及描述工具 數(shù)字電路是一種開關(guān)電路 輸入、輸出量是高、低電平，可以用二元常量（0，l）來表示 輸入量和輸出量之間的關(guān)系是一種邏輯上的因果關(guān)系 仿效普通函數(shù)的概念，數(shù)字電路可以用邏輯函數(shù)的數(shù)學(xué)工具來描述 邏輯變量 邏輯代數(shù)是一種雙值代數(shù)，其變量只有、兩種取值 邏輯代數(shù)的變量簡稱邏輯變量，可用字母、等表示 邏輯變量只有三種最基本的運算，即邏輯加、邏輯乘及邏輯非,1.4.4 邏輯運算 P2728,上一頁,返 回,下一頁,邏 輯 函 數(shù),上一頁,返 回,下一頁,定義：實現(xiàn)邏輯變量之間的運算稱為邏輯運算 算術(shù)運算的主要區(qū)別： 邏輯運算的操作數(shù)和結(jié)果都是單個數(shù)位的操作 位與