第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)組2第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件基礎(chǔ)2.1計(jì)算機(jī)中信息的表示12.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22.3計(jì)算機(jī)的工作原理32.4本章小結(jié)4CompanyLogo32.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■概述

計(jì)算機(jī)在目前的信息社會(huì)中發(fā)揮的作用越來越重要，計(jì)算機(jī)的功能也得到了很大的改進(jìn)，從最初的科學(xué)計(jì)算、數(shù)值處理發(fā)展到現(xiàn)在的過程檢測(cè)與控制、信息管理、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)等方面。計(jì)算機(jī)不僅僅是對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理，還要對(duì)語言、文字、圖形、圖像和各種符號(hào)進(jìn)行處理，但因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)，所以這些信息都必須經(jīng)過數(shù)字化處理后，才能進(jìn)行存儲(chǔ)、傳送等處理。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)字和符號(hào)都是用電子元件的不同狀態(tài)表示的，即以高低電平表示。CompanyLogo42.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■進(jìn)位計(jì)數(shù)制的概念

按進(jìn)位的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱“數(shù)制”。在日常生活中，除了采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)外，有時(shí)也采用別的進(jìn)制來計(jì)數(shù)。例如：十二進(jìn)制、六十進(jìn)制等。

在進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，每個(gè)數(shù)位所用的不同的數(shù)字的個(gè)數(shù)叫做基數(shù)，十進(jìn)制由0，1，2，3，4，…，9等十個(gè)不同的數(shù)字組成，也就是說十進(jìn)制的基數(shù)是10。

十進(jìn)制計(jì)數(shù)的特點(diǎn)是"逢十進(jìn)一"。在一個(gè)十進(jìn)數(shù)中，需要用到十個(gè)數(shù)字符號(hào)0～9，即十進(jìn)制數(shù)中的每一位是這十個(gè)數(shù)字符號(hào)之一。一個(gè)十進(jìn)制數(shù)可以用位權(quán)表示。CompanyLogo52.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■進(jìn)位計(jì)數(shù)制的概念1、位權(quán)

在一個(gè)十進(jìn)制數(shù)中，同一個(gè)數(shù)字符號(hào)處在不同位置上所代表的值是不同的；一個(gè)數(shù)字符號(hào)，不管它在哪一個(gè)十進(jìn)制數(shù)中，只要在相同位置上，其值是相同的。通常稱某個(gè)固定位置上的計(jì)數(shù)單位為位權(quán)。在十進(jìn)制計(jì)數(shù)中，十位數(shù)位置上的位權(quán)為10，在小數(shù)點(diǎn)后第1位上的位權(quán)為10-1。例如，十進(jìn)制數(shù)345.26用位權(quán)表示成:(234.13)10=2×102+3×101+4×100+1×10-1+3×10-2CompanyLogo6含有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個(gè)基本數(shù)字，進(jìn)位是“逢十進(jìn)一”。通常十進(jìn)制的表示形式為(152)10或(152)D。十進(jìn)制數(shù)只含有0、1兩個(gè)數(shù)字，通常二進(jìn)制的表示形式為(110)2或(110)B。二進(jìn)制數(shù)2.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■常用的計(jì)數(shù)制CompanyLogo7含有0、1、2、3、4、5、6、7八個(gè)基本數(shù)字，通常八進(jìn)制的表示形式為(152)8或(152)O。八進(jìn)制數(shù)含有0-9、A、B、C、D、E、F十六個(gè)基本數(shù)字，通常十六進(jìn)制的表示形式為(15D)16或(152)H。十六進(jìn)制數(shù)進(jìn)位計(jì)數(shù)制的概念■常用的計(jì)數(shù)制(23.4)8的位權(quán)表示法為：2×81＋3×80＋4×8-1(A2.9)16的位權(quán)表示方法為10×161＋2×160＋9×16-1CompanyLogo82.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■計(jì)算機(jī)與二進(jìn)制數(shù)計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制的原因

1）容易實(shí)現(xiàn)：二進(jìn)制在硬件技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，只需兩個(gè)狀態(tài)。2）運(yùn)算簡(jiǎn)單：二進(jìn)制運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，操作實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便。3）工作可靠：由于采用兩種穩(wěn)定的狀態(tài)來表示數(shù)字，使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理都變得更加可靠。4）邏輯判斷方便。CompanyLogo9加法減法乘法除法0＋0＝0 0＋1＝1 1＋0＝1 1＋1＝100－0＝0

10－1=1(借1當(dāng)2)1－0＝1 1－1＝00×0＝0 0×1＝01×0＝0 1×1＝10÷0＝0

0÷1＝0 1÷0（無意義）

1÷1＝1二進(jìn)制的運(yùn)算規(guī)則：逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二CompanyLogo10

10011所以1001+1010=100112.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■計(jì)算機(jī)與二進(jìn)制數(shù)

二進(jìn)制的加減運(yùn)算，可借助于十進(jìn)制數(shù)的加減運(yùn)算豎式，即在進(jìn)行兩數(shù)相加時(shí)，首先寫出被加數(shù)和加數(shù)，然后按照由低位到高位的順序，根據(jù)二進(jìn)制加法運(yùn)算法則把兩個(gè)數(shù)逐位相加即可。例2-1：求1001+1010=?解：1001

＋1010例2-2：求11010－10100＝？解：11010

－10100

00110所以11010－10100＝110CompanyLogo112.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■計(jì)算機(jī)與二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制小數(shù)二進(jìn)制小數(shù)用小數(shù)點(diǎn)左邊數(shù)字表示數(shù)值的整數(shù)部分，小數(shù)點(diǎn)右邊的數(shù)字表示數(shù)值的小數(shù)部分。小數(shù)點(diǎn)右面的第一位權(quán)為2-1，第二位為2-2，后面的依此類推。對(duì)于帶小數(shù)的加法，十進(jìn)制中的方法同樣適用于二進(jìn)制，即兩個(gè)帶小數(shù)點(diǎn)的二進(jìn)制數(shù)相加，只要將小數(shù)點(diǎn)對(duì)齊，按照以前同樣的步驟進(jìn)行即可。例2-4 100.01+1101.11=?解：100.01+1101.1110010.00所以100.01+1101.11=10010.00CompanyLogo122.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換1．二－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換

二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換(10010)2=1×24+0×23+0×22+1×21+0×20=(18)10

小數(shù)轉(zhuǎn)換(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(5.75)10CompanyLogo132.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換1．二－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換(2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制①十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)采用“除2取余法”。

具體作法為：將十進(jìn)制數(shù)除以2，得到一個(gè)商數(shù)和一個(gè)余數(shù)；再將商數(shù)除以2，又得到一個(gè)商數(shù)和一個(gè)余數(shù)……繼續(xù)這個(gè)過程，直到商數(shù)等于零為止。每次得到的余數(shù)(必定是0或1)就是對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)的各位數(shù)字。但必須注意:第一次得到的余數(shù)為二進(jìn)制數(shù)的最低位，最后一次得到的余數(shù)為二進(jìn)制數(shù)的最高位。例如：將十進(jìn)制數(shù)97轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。CompanyLogo142.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換1．二－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換(2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制②十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)采用“乘2取整法”。具體作法為：用2乘十進(jìn)制小數(shù)，得到一個(gè)整數(shù)部分和一個(gè)小數(shù)部分；再用2乘小數(shù)部分，又得到一個(gè)整數(shù)部分和一個(gè)小數(shù)部分……繼續(xù)這個(gè)過程，直到余下的小數(shù)部分為0或滿足精度要求為止。最后將每次得到的整數(shù)部分(必定是0或1)從左到右排列即得到所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制小數(shù)。例如：將十進(jìn)制小數(shù)0.6875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)。CompanyLogo152.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換2．八－十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換（1）八進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換八進(jìn)制數(shù)中有八個(gè)數(shù)字符號(hào)0～7，其計(jì)數(shù)特點(diǎn)是"逢八進(jìn)一"。與十進(jìn)制計(jì)數(shù)一樣，在八進(jìn)制數(shù)中，每一個(gè)數(shù)字符號(hào)(0～7)在不同的位置上具有不同的值，各位上的權(quán)值是基數(shù)8的若干次冪。例如：

(154)8=1×82+5×81+4×80=(108)10小數(shù)之間的轉(zhuǎn)換原理也一樣，例如：(154.11)8=1×82+5×81+4×80+1×8-1+1×8-2=(108.140625)10CompanyLogo162.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換2．八－十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換(2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制①十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制整數(shù)采用"除8取余法"。例如：將十進(jìn)制整數(shù)277.77轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制整數(shù)。

②十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制小數(shù)采用“乘8取整法”。例如，將十進(jìn)制小數(shù)0.140625轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制小數(shù)CompanyLogo172.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換3．十六－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換（1）十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)中有十六個(gè)數(shù)字符號(hào)0～9以及A、B、C、D、E、F，其計(jì)數(shù)特點(diǎn)是“逢十六進(jìn)一”。其中符號(hào)A、B、C、D、E、F分別代表十進(jìn)制數(shù)10、11、12、13、14、15。與十進(jìn)制計(jì)數(shù)一樣，在十六進(jìn)制數(shù)中，每一個(gè)數(shù)字符號(hào)(0～9以及A、B、C、D、E、F)在不同的位置上具有不同的值，各位上的權(quán)值是基數(shù)16的若干次冪。例如:(1CB.D8)16=1×162+12×161+11×160+13×16-1+8×16-2=(459.84375)10CompanyLogo182.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換3．十六－十進(jìn)制轉(zhuǎn)換(2)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制①十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制整數(shù)采用“除16取余法”。②十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制小數(shù)采用“乘16取整法”。③在將一個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，需要將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，十進(jìn)制數(shù)91.75轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)CompanyLogo192.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換4、二進(jìn)制與八、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換(1)

二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間有著簡(jiǎn)單的關(guān)系，它們之間的轉(zhuǎn)換是很方便的。由于8和16都是2的整數(shù)次冪，即8=23、16=24。因此，三位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于一位八進(jìn)制數(shù)，四位二進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于一位十六進(jìn)制數(shù)。(2)八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的規(guī)律是：每位八進(jìn)制數(shù)用相應(yīng)的三位二進(jìn)制數(shù)代替。例如，八進(jìn)制數(shù)(315.27)8轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)(3)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的規(guī)律是：每位十六進(jìn)制數(shù)用相應(yīng)的四位二進(jìn)制數(shù)代替。例如，十六進(jìn)制數(shù)(2BD.C)16轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)CompanyLogo202.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■數(shù)制轉(zhuǎn)換

4、二進(jìn)制與八、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換(4)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的規(guī)律是：從小數(shù)點(diǎn)開始，向前每三位一組構(gòu)成一位八進(jìn)制數(shù)；向后每三位一組構(gòu)成一位八進(jìn)制數(shù)，當(dāng)最后一組不夠三位時(shí)，應(yīng)在后面添0補(bǔ)足三位。例如，二進(jìn)制數(shù)(1101001101.01)2轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)

(5)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的規(guī)律是：從小數(shù)點(diǎn)開始，向前每四位一組構(gòu)成一位十六進(jìn)制數(shù)；向后每四位一組構(gòu)成一位十六進(jìn)制數(shù)，當(dāng)最后一組不夠四位時(shí)，應(yīng)在后面添0補(bǔ)足四位。例如，二進(jìn)制數(shù)(1101001101.01)2轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)CompanyLogo212.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■帶符號(hào)數(shù)的表示方式帶符號(hào)數(shù)可以分為原碼、反碼和補(bǔ)碼三種形式。1．原碼在原碼表示中，最高位用0和1表示該數(shù)的符號(hào)+和-，后面數(shù)值部分不變。即：正數(shù)的符號(hào)位為0，負(fù)數(shù)的符號(hào)位為1，后面各位為其二進(jìn)制的數(shù)值。X1=+85=+1010101[X1]原

=01010101X2=-85=-1010101[X2]原

=11010101在原碼中，0的原碼有兩種表達(dá)方式：

[+0]原

=00000000[-0]原

=10000000由于0占用兩個(gè)編碼，因此8位的二進(jìn)制數(shù)表示范圍為-127~-0，+0~127共256個(gè)數(shù)，其中0占了兩個(gè)編碼——00000000和10000000。CompanyLogo222.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■帶符號(hào)數(shù)的表示方式2．反碼

正數(shù)的反碼與原碼的表示方式相同；負(fù)數(shù)的反碼是它的正數(shù)（帶符號(hào)位）按位取反，即負(fù)數(shù)的反碼最高位為1，數(shù)值位為原碼逐位求反。

X1=+85=+1010101[X1]反

=01010101X2=-85=-1010101[X2]反

=10101010在反碼表示中，0的反碼有兩種表達(dá)方式：

[+0]反

=00000000[-0]反

=11111111因此，8位帶符號(hào)數(shù)反碼的表示范圍也是-127~-0，+0~127共256個(gè)數(shù)。CompanyLogo232.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■帶符號(hào)數(shù)的表示方式3．補(bǔ)碼在補(bǔ)碼表示中，正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼的表示方式相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為它的正數(shù)（帶符號(hào)位）按位取反加1，即該負(fù)數(shù)的反碼加1。

例如：

X1=85=+1010101

[X1]補(bǔ)=01010101X2=-85=-1010101[X2]補(bǔ)=[X2]反＋1=10101011

在補(bǔ)碼表示中，0的補(bǔ)碼只有一種表達(dá)方式:[+0]補(bǔ)=00000000=[-0]補(bǔ)，而用10000000來表示-128，所以8位帶符號(hào)數(shù)補(bǔ)碼的表示范圍是-128～127共256個(gè)數(shù)。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，對(duì)帶符號(hào)數(shù)值一律用補(bǔ)碼表示，原因在于：（1）使符號(hào)位能與有效值部分一起參加運(yùn)算,從而簡(jiǎn)化運(yùn)算規(guī)則；（2）使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算，進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)中運(yùn)算器的線路設(shè)計(jì)。CompanyLogo242.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■信息的存儲(chǔ)單位1．基本存儲(chǔ)單位位(Bit)：計(jì)算機(jī)的最小存儲(chǔ)單位稱為位，每一位只能存儲(chǔ)一個(gè)0或1。字節(jié)(Byte)：每八位組成一個(gè)字節(jié)，目前使用的最普遍的基本單位是字節(jié)。目前我們使用的26個(gè)英文字母和一些基本符號(hào)的存儲(chǔ)單位都是一個(gè)字節(jié)。字(Word)：兩個(gè)字節(jié)稱為一個(gè)字。目前的漢字的存儲(chǔ)單位都是一個(gè)字。CompanyLogo252.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■信息的存儲(chǔ)單位2．?dāng)U展的存儲(chǔ)單位在計(jì)算機(jī)各種存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)容量表示中（例如軟盤、內(nèi)存、硬盤、光盤），用戶所接觸到的存儲(chǔ)單位不是位、字節(jié)和字，而是K、M、G等。KB：1KB=1024Byte。在早期用的軟盤有360KB和720KB的。MB：1MB=1024KB。目前微型機(jī)的內(nèi)存有128MB、256MB、512MB或更大的。GB：1GB=1024MB。目前微型機(jī)的硬盤有20GB、60GB到幾百GB或更大。TB：1TB=1024GB。目前個(gè)人用的微型機(jī)存儲(chǔ)容量一般都到不了這個(gè)級(jí)別，只是作為服務(wù)器或者專門的計(jì)算機(jī)中才能用到這么大的存儲(chǔ)容量。CompanyLogo262.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■信息編碼在計(jì)算機(jī)中，不僅數(shù)值是用二進(jìn)制表示的，各種字符和漢字也都是用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼的。為了便于信息的表示、存儲(chǔ)、處理和傳輸，需要對(duì)字符或漢字有一個(gè)統(tǒng)一的編碼方法。1．二－十進(jìn)制編碼（BCD碼）二進(jìn)制在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)，因此，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理采用二進(jìn)制方式，但在計(jì)算機(jī)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出時(shí)，仍然采用十進(jìn)制數(shù)。為了便于機(jī)器識(shí)別與轉(zhuǎn)換，將每一位十進(jìn)制數(shù)用二進(jìn)制編碼來表示。這種用二進(jìn)制編碼表示十進(jìn)制數(shù)的編碼就稱為二－十進(jìn)制碼，簡(jiǎn)稱BCD（Binarycodeddecimal）碼。這種編碼保留了十進(jìn)制的權(quán)。而數(shù)字則用0、1來表示。BCD碼有兩種形式，即壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。CompanyLogo272.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■信息編碼2．字符編碼目前在微型機(jī)中普遍使用的字符編碼是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼)碼。它是用七位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼的，共能表示128個(gè)字符，包括了計(jì)算機(jī)處理信息常用的英文字母、數(shù)字符號(hào)、算術(shù)與邏輯運(yùn)算符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等。CompanyLogo282.1計(jì)算機(jī)中信息的表示■信息編碼3．漢字編碼（1）國(guó)標(biāo)碼我國(guó)制定了“中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換漢字編碼”，代號(hào)為“GB2312-80”。這種編碼稱為國(guó)標(biāo)碼。在國(guó)標(biāo)碼的字符集中共收錄了漢字和圖形符號(hào)7445個(gè)，其中一級(jí)漢