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第1章计算机系统基础知识1.1内容提要本章主要包括以下内容：计算机的基本组成和特性；计算机中数据的表示方法，包括数制，数据编码（原码、补码、反码、移码）的概念及特性，定点数与浮点数；字符与汉字，常用校验码生成原理；算术运算和逻辑运算；计算机基本结构和组成原理，包括中央处理器、存储器及输入输出系统；指令系统，包括指令格式，寻址方式，指令的分类和功能；近年考试试题分析举例。1.1.1计算机基本组成和特性内容要点（1）电子数字计算机的基本特性；（2）计算机基本组成，冯·诺依曼结构模型；（3）计算机系统包含计算机硬件和软件两大部分；（4）计算机系统的层次结构和虚拟机的概念。学习难点（1）冯·诺依曼结构计算机模型包括5大部件：存储器用来存放数据和程序；运算器完成算术逻辑运算，又称ALU；输入设备和输出设备I/O实现与外部交换数据；控制器是整个机器控制中心，负责解释指令和发出执行指令时所需的各种控制命令。运算器和控制器合称中央处理器CPU；存储器与CPU合称主机；I/O及辅助存储器称为计算机的外部设备。计算机中采用二进制数进行运算的主要原因是物理上容易实现，运算方法简单，还可表示逻辑变量。（2）虚拟计算机：人们根据逻辑设计使用各种电子器件研制成功的计算机称为物理机器，是实实在在的硬件计算机。人们使用机器语言（二进制指令）与物理机器打交道。计算机系统包含硬件系统和软件系统。不同的用户使用不同层次的软件语言与计算机交往，可以看做与不同层次语言的虚拟计算机交往。因为这种机器实际上是不存在的，都必须通过编译程序等翻译成机器语言，才能在物理机器上运行。新编程序员考试辅导2（3）计算机系统的层次结构：用户在不同层次使用不同语言与计算机打交道，均可实现程序要求，故可以把计算机看做一个多层次的系统。第一层（核心层）是物理机器。人们使用二进制机器指令与机器交往。第二层是操作系统级机器。操作系统用于管理计算机的软件和硬件资源。人们通过系统调用，方便有效地使用和管理计算机资源，把这个层次叫作操作系统级机器，也可叫作操作系统虚拟机。第三层是汇编语言机器。人们使用容易记忆的符号表示的指令（汇编语言）与机器打交道。当然最终执行这些汇编语言时还需通过汇编器把汇编语言翻译成机器语言才能在物理机器上执行。可把这层看做汇编语言虚拟机。第四层是高级语言机器。人们使用高级语言与机器打交道。运行程序时，首先通过编译程序把高级语言翻译成机器语言才能执行，这层也可叫作高级语言虚拟机。1.1.2数据表示内容要点（1）数据分类计算机中处理的数据有两类：数值数据和非数值数据。数值数据指表示数量的数据，有正负和大小之分，在计算机中的数据以二进制的形式进行运算和存储。非数值数据包括字符、汉字、声音和图像等，在计算机中处理前必须以某种编码形式转换成二进制数表示。（2）数制常用的十进制数的计数法则是：表示一位数有10个不同的符号（0，1，2，3，4，5，6，7，8，9），相邻数位之间的关系是“逢十进一”（各位数的位权是10n），它所表示的数值是各位数按权展开的和，十进制数中的10称为该计数制的基数。二进制数的基数为2，表示一位数有两个符号：0和1，相邻数位之间进位关系为“逢二进一”，表示的数值为各位数按权展开的和。二进制数各位的权。例如，一个含有9位整数4位小数的二进制数各位的权分别是：28，27，26，25，24，23，22，21，20，2–1，2–2，2–3，2–4，其中20为个位数。上述数值对应表示的十进制数数值：256，128，64，32，16，8，4，2，1，0.5，0.25，0.125，0.0625，称为对应数位的位权，必须牢记。为了方便，计算机中二进制数常用八进制、十六进制数表示，应熟记八进制数、十六进制数与二进制数的对应关系。BCD码：二—十进制数，每位十进制数用4位二进制数表示的数制，又可分为有权码、无权码两种方案。（3）二进制数与其他记数制数的转换方法第1章计算机系统基础知识3二进制数转换为十进制数是把二进制数各位按权展开求和。十进制数转换为二进制数时分整数和小数两部分，分开进行转换然后相加。十进制整数部分采用“除2取余”法，直到商数为0，最后得到的余数是二进制数的最高位。十进制小数部分采用“乘2取整”的方法，首先得到的整数部分是转换成二进制小数的最高位，直到要求的精度。以此类推十进制数转换成任意进制数（如r进制）的方法，整数部分为“除r取余”，小数部分为“乘r取整”。（4）机器数各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是数的符号用0、1表示，如“0”表示正数，“1”表示负数。小数点隐含表示不占位置。机器数对应的实际数值称为该数的真值。机器数有两种：无符号数和带符号数。无符号数表示正数，没有负数，机器数中无符号位。无符号整数的小数点，固定在该数最低位之后，是纯整数。无符号小数的小数点固定在该数最高位之前，是纯小数。8位二进制无符号整数的表数范围是8位全0到8位全1，即0到28–1=255。8位二进制无符号小数的表数范围是8位全0到8位全1，即0到1–2–8。带符号机器数的最高位是表示正数、负数的符号位，其余为数值位。带符号整数的小数点固定在该数最低位之后，是纯整数。带符号小数的小数点固定在该数最高位（符号位）之后，最高数值位之前，是纯小数。这种表示数的方式称为定点数。浮点数小数点的位置不是固定的，如N=MRE，小数点位置用阶码E表示。E为定点整数。浮点数的数值部分用尾数M表示，M为定点小数，R为阶E的底数，在一个指定的机器中R是固定的，在浮点数表示中不再出现。（5）定点数据编码方法为了运算方便，带符号的机器数有不同的编码方法，称为码制。①原码：又称符号绝对值码。该数最高位为符号位，正数用“0”表示，负数用“1”表示。其他位为数据位，用二进制数绝对值表示。原码与真值转换方便，但做加减运算不便，且零有+0和–0两种表示方法。②反码：正数的反码表示与原码相同。负数的反码，符号位用“1”表示，数值位由其绝对值各位取反得到。反码零也有+0，–0两种表示方法。因运算不便使用较少。③补码：为了加减运算方便引入补码概念。关键思想是用加法代替减法。正数的补码与原码表示相同。新编程序员考试辅导4负数的补码，符号位用“1”表示，数值位用其绝对值的补数表示（即原码各位求反，末位加1）。补码最大优点是做加减运算方便。如(x+y)补=(x)补+(y)补，(x–y)补=(x)补+(–y)补。补码符号位参加运算，不单独处理，现代计算机中大都采用补码系统。补码另一优点是零的表示形式是唯一的，即(+0000)补=(–0000)补=00000。补码的表数范围比原码、反码略宽。在定点小数中，补码可以表示–1。(–1)补=1.0000，而原码、反码不能表示绝对值等于1的数。④移码：为了比较两个整数的大小，引入移码概念。移码与补码有类似的地方（数值部分），但符号位与补码相反，即正数的移码符号位为“1”，负数的移码符号位为“0”。或者说求一个数的移码，先求其补码再将其符号位变反即可得到。移码表数范围与补码整数的表数范围相同。（6）非数值数据（符号数据）英文字符编码的国际标准是ASCII码。用7位二进制数表示，可表示128个符号。扩展的二/十进制交换码EBCDIC，采用8bit表示一个字符，可表示28=256个不同符号。汉字编码有很多种方法。常用的数字编码方式是区位码，将常用汉字分成94个区，每个区又分94位，每个汉字的区位编号用两个字节十进制数表示。拼音码和字形码也是汉字常用输入编码方法。汉字国标码也是数字编码，是汉字信息交换码国家标准，它与区位码一一对位，但区号位号用十六进制数表示，且第一个汉字放在(21)16区(21)16位。计算机内存放汉字编码的方法与输入编码不同，通常用两个字节汉字国标码表示，为了与ASCII码区分，将每个字节最高位置“1”表示汉字字符，而ASCII码最高位为0，低7位表示其编码，这种汉字编码称为汉字机内编码，简称内码。汉字输出时通过内码找到其对应字模码（点阵字型）逐点输出点阵字形。如果一个汉字用16×16点阵表示，则每个汉字要占2字节×16=32字节，两级汉字共6763个字模，占用大量存储空间。（7）数据校验方法计算机中的数据在传送、存储过程中可能出错，为了及时发现和纠正错误，编码中引入差错检查机制。常用的校验编码有奇偶校验码、汉明校验码、CRC循环冗余校验码。奇偶校验是最常用的校验方法，可以发现一位错或奇位数同时出错。学习难点（1）码制码制是为了运算方便提出的数值数据的编码方法。第1章计算机系统基础知识5①4种码制中，正数的原码、补码、反码表示都是一样的，即符号位为“0”，数值位为其绝对值。而在正数的移码表示中，虽然其数值也是其绝对值，但符号位相反，即正数的符号位为“1”，负数的符号位为“0”。②负数的原码、反码、补码的符号位都为“1”，但数值位表示方法是不同的。原码的数值位为该数的绝对值。反码的数值位为该数的绝对值每位求反。补码的数值位为该数绝对值的补数，即其绝对值每位求反，末位加1。负数的移码，其数值位与补码相同，即该数绝对值的补数，但符号位与补码不同（与原码反码也不同），即负数移码的符号位为“0”。③4种编码中零的表示不同。(+0)原=0000(–0)原=1000(+0)反=0000(–0)反=1111(+0)补=0000(–0)补=0000(+0)移=1000(–0)移=1000④4种编码表示数的范围不同，以8位二进制带符号整数x为例：11111111(x)原01111111，–(27–1)(x)原(27–1)即–127(x)原+12710000000(x)反01111111，–(27–1)(x)反(27–1)即–127(x)反+12710000000(x)补01111111，–27(x)补(27–1)即–128(x)补+127，注意：此时(x)补最小值是–27=–128，而不是–(27–1)=–127。00000000(x)移11111111，–27(x)移(27–1)即–128(x)移+127（2）浮点数n位定点数的补码或移码可表示2n个数，而其原码、反码只能表示2n–1个数。表示数的范围小。浮点数是小数点位置不固定的数，同时为了扩大定点数的表示范围，引入浮点数概念。任意浮点数N可用阶码E和尾数M两个部分来表示：N=MREM称为浮点数尾数，表示其数值的有效数字，是定点小数。E称为浮点数的阶码，表示小数点的位置，是定点整数。R是阶码的底。在浮点数表示中R是固定不变的，隐含表示，通常取R=2，则N=M×2E。机器中只需给出E和M，即可知该数之数值。E和M都是定点数，也可分别指定其为新编程序员考试辅导6原码、反码、补码、移码，同样可求出其表数范围。需要注意，对于浮点数N：最大正数M是最大正数，E是最大正数。最小正数M是最小正数，E是最小负数。最大负数M是最大负数，E是最小负数。最小负数M是最小负数，E是最大正数。注意补码、移码的最小负数与原码、反码是不同的。计算机中一个数的浮点数有许多种表示方法。为了规范，规定在运算结束将运算结果存到机器中时，必须是规范化的浮点数，即浮点数尾数的最高数值位是有效数字，即1/2|M|1。（3）海明校验码常用于发现纠正1位数据出错。其编码规则是在n位被校验数据位间，插入k个校验位，其校验位之个数满足关系2k–1n+k；校验位在海明码中的位置是固定的，即海明码的1，2，4，8…位；一个校验位可校验多个数据位，每个校验位的取值等于其被校验数据位之和。其中被校数据位海明位号等于各校验位海明位号之和。当某个数据位出错，则引起有关的校验位改变，当所有汉明位均正确时，则有关的校验值为全0。当某个校验位出错时，则有关的校验值只有一位不为0。且其编码为该出错校验位之汉明位号。当某个数据位出错时，则有关的校验值有2位或3位不为0，且其编码为该出错数据位之海明位号。纠正其错时，只要将出错位变反即可，因此可以自动纠正1位错。发现多位数据出错或纠正多位出错的情况要复杂得多。（4）CRC循环冗余