1.2 计算机系统及其工作原理

第1章计算机系统概论1.2计算机系统及其工作原理1.2.1数据在计算机中的表示在计算机内部，所有的数据或信息都要表示成计算机能识别的二进制代码的方式，才能进行存储、传输和处理。二进制在物理上容易实现。二进制运算规则简单。采用二进制逻辑性强。计算机内部采用二进制原因基数是最大进位数(进制数)，例如:十进制基数为10;六十进制(时间)的基数为60等数符每个数位上的值。例如:234百位数符为2，十位数符3，个位数符4。位数数符的个数。例如:十进制数234的位数为3；二进制数11010011的位数为8。位权：不同位上数字的单位值1.数制的基本概念⑴十进制数（Decimal）特点：数值用0～9表示，逢十进一。十进制通式为：s10=an×10n-1+...+a1×100+a-1×10-1+...+a-m×10-m其中：“10”为十进制数的基数整数部分，n为整数部分位数小数部分，m为小数部分位数2.计算机的数制（2）二进制数(Binary)特点：0或1，逢二进一。二进制数的通式为：s2=an×2n-1+...+a1×20+a-1×2-1+a-m×2-m例如：1＋1＝1011＋1＝100而不等于122.计算机的数制（3）八进制(Octal)特点：数字为0～7，逢八进一。八进制数的通式为：s8=an×8n-1+...+a1×80+a-1×8-1+a-m×8-m例如：7＋1＝10而不等于82.计算机的数制十六进制数的通式为：S16=an×16n-1+...+a1×160+a-1×16-1+...+a-m×16-m例如：9＋1＝（4）十六进制(Hexadecimal)特点：每位可取数字0～9和英文字母A（10）、B(11）、C(12）、D(13）、E(14）、F(15)的任意一个，逢十六进一。A而不等于10F＋1＝102.计算机的数制十进制（D)二进制(B)八进制(O)十六进制(H)0000101112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B2.计算机的数制二进制数、八进制数、十六进制数与十进制数对照表例1：将二进制整数(1010101)2转换成十进制整数。（1010101)2=1×26＋0×25＋1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20=64＋16＋4＋1=(85)103.二进制与十进制间的转换（1）二进制数转换成十进制数例2：将二进制小数(11010.101)2转换成十进制数（11010.101)2=1×24＋1×23+1×21+1×2-1＋1×2-3=16＋8＋2＋0.5+0.125=(26.625)10（1）二进制数转换成十进制数（a）纯整数部分的转换：“除2倒取余”故：(307)10＝(100110011)223072余1余1762382192924222120余1余1余0余0余0余0余1例1：将(307)10转换为二进制数。153低位高位（2）十进制数转换成二进制数例2：将(0.8125)10转换为二进制数。0.8125故：(0.8125)10＝(0.1101)21.2500×20.5000×21.00001.625×2(b)纯小数部分的转换：“乘2顺取整”×2低位高位（2）十进制数转换成二进制数解：因为：(307)10＝(100110011)2例3：将(307.8125)10转换为二进制数。(0.8125)10＝(0.1101)2故：(307.8125)10＝(100110011.1101)2注意：十进制数转换成二进制数时，常将整数和纯小数部分分开转换为相应的二进制，然后再将二进制数的整数和小数部分连接起来。（2）十进制数转换成二进制数注意：并非所有的十进制小数都能用有限位的二进制小数来表示。故取近似值：（0.63)10＝(0.1010)2小数部分乘2会无限循环下去例:将(0.63)10转换为二进制。（2）十进制数转换成二进制数4.编码计算机处理的信息除了数字之外还需要处理字母、符号等，例如键盘输入及打印机、CRT输出的信息大部分是字符。因此，计算机中的字符也必须采用二进制编码的形式。ASCII码（美国标准信息交换代码）西文信息是由字母、数字、标点符号及一些特殊符号组成的,它们统称为字符。对每个字符集的编码方法多种多样，目前使用最广泛的字符集编码是：西文信息在计算机内的表示其中：可打印字符95个，在键盘上有相应键位如字母、数字等；控制字符33个,在传输、打印或显示输出时起控制作用。00H-1FH、DELASCII码是7位编码，从0000000到1111111,共128种编码，可用来表示128个不同的字符编码，即可用来表示128个不同的字符。用一个字节存放一个ASCII码，高位为0。西文信息在计算机内的表示汉字是记录汉语（国语，华语）的文字，属于表意文字，它用符号直接表达词或词素。汉字的特点：数量大（我国汉字自古至今累计已超过7万字,国家语委颁布的“现代汉语通用字表”包含7000汉字）多个国家和地区使用：港台地区，日、韩、朝、新、马等字形复杂，同音字多，异体字多。中文信息在计算机内的表示我国汉字编码的国家标准：–GB2312-80（6763个常用简体汉字）–GBK-95–GB18030-2000中文信息在计算机内的表示《信息交换用汉字编码字符集》(GB2312－80)。GB2312国标字符集有6763个常用汉字1.由三部分组成：字母、数字和各种符号(拉丁字母、俄文、日文平假名、日文片假名、希腊字母、汉语拼音等，统称GB2312图形符号)；一级常用汉字，共3755个，按汉语拼音排列；二级常用汉字，共3008个，按偏旁部首排列。中文信息在计算机内的表示2.GB2312-80字符集是一个二维代码表，94行、94列,汉字在代码表中的位置用它所处的行号、列号表示：字母、数字和各种符号字母、数字和各种符号字母、数字和各种符号字母、数字和各种符号字母、数字和各种符号一级汉字一级汉字一级汉字一级汉字（3755个）个）（3755个）二级汉字二级汉字（3008个）个）（扩充使用）①②③①②③¨¨¨¨¨¨¨¨¨①②③①②位号位码位号位码位号区号区码区号区码①①①①①⑨⑨⑨⑨16161655555656948794949494GB2312字符集及区位码1995年颁布，全称《汉字内码扩展规范》总计23940个码位，共收入21003个汉字和883图形符号与GB2312字符集及其内码保持向下兼容，见下图双字节编码，首字节的最高位必为“1”（81-FEH），第2字节的最高位不一定是“1”(40-FEH)；简体和繁体汉字在同一个字符集中；包含了中、日、韩认同的全部CJK汉字；GBK汉字内码扩充规范（GBK-95）采用单字节、双字节和四字节三种方式对字符编码。单字节部分使用0x00至0x80码位。双字节部分采用两个八位二进制位串表示一个字符，其首字节码位从0x81至0xFE，尾字节码位分别是0x40至0x7E和0x80至0xFE。四字节部分采用GB11383未采用的0x30到0x39作为对双字节编码扩充的后缀，这样扩充的四字节编码，其范围为0x81308130到0xFE39FE39。GB18030-2000编码输入方法不同，内码相同1.编码方式有四种：流水码（电报码、国际码、区位码）音码（全拼、双拼）形码（五笔字型码、大众码）音形码（自然码、智能ABC）不同的编码方式有不同的输入码2.非编码方式，日益增多汉字输入1.2.2计算机系统的组成硬件软件输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪、触摸屏、光笔等输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等存储器外存——软盘、硬盘、光盘、磁带等内存——RAM，ROM，Cache等运算器控制器操作系统：MS-DOS，Windows等系统软件语言处理系统：C，BASIC，Java等数据库管理系统：Access等各种字处理软件：Word,WPS等应用软件电子表格软件：Excel等用户开发的各类软件：档案管理等CPU主机外设计算机系统是由硬件系统和软件系统组成硬件：计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体。主机、显示器、键盘、鼠标、板卡等这些我们能看见的东西都是硬件1.2.3计算机硬件基本结构与工作原理计算机硬件系统主机中央处理器CPU内存储器运算器控制器外设输入设备输出设备外存其他设备计算机硬件系统组成计算机发展史计算机体系结构美籍匈牙利科学家JohnvonNeumann冯·诺伊曼1949EDSAC数据指令用二进制硬件由五部分组成存储程序ENIAC(1946)掌上电脑至今，计算机的体系结构发生了很大的演变，但基本结构都是建立在冯·诺依曼型计算机基础上。这种体系结构的计算机硬件系统由五大部分组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。数据流控制流输入设备控制器输出设备运算器ALU存储器诺依曼型计算机的基本结构图1.2.3计算机硬件基本结构与工作原理从存储器中取被乘数25、乘数3在运算器中得乘积75存放乘积75从存储器中取被减数86、减数75在运算器中得结果11存放最后结果从键盘输入，到存储器中送入运算器送回存储器送入运算器送回存储器输出最后结果计算机的基本工作过程运算过程中控制器和运算器的作用数据流控制流CPU控制器读指令读取的指令操作数结果存储器状态寄存器运算器运算命令读数据ALU运算器工作过程控制器加法器9操作数RAM寄存器2寄存器7结果＋运算器是如何得到数据呢？它怎么知道要操作的是逻辑运算还是算术运算呢？控制器工作过程RAM控制器指令指针M1指令寄存器两数相加ALU控制器控制器是计算机的神经中枢。控制器产生各种控制信号，控制计算机各部件协调工作，以指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序。计算机硬件基本结构计算机硬件基本结构运算器运算器又称算术逻辑单元ALU，是进行算术运算和逻辑运算的部件。存储器内部存储器访问速度快暂时性价高存储器是计算机的记忆装置，用来存放程序和原始数据。外部存储器访问速度慢永久性价低计算机硬件基本结构输入设备控制器运算器ALU存储器数据流控制流CPU中央处理器（CPU:CentralProcessingUnit）信息命令指令、数据结果存储器按与主机的关系来分内存储器（内存、主存）内存按读写功能又分为：随机存储器（RAM:RandomAccessMemory）只读存储器（ROM:ReadOnlyMemory）外存储器（外存、辅助存储器）存储器分类内存储器（主存）的作用设在计算机主机中，存放当前运行的程序和数据，直接与CPU交换信息。随机存储器（RAM）RAM：既能读出也能写入，存放用户程序和数据，只能在电源电压正常时才能工作，其中的信息可以随时改写，断电后，里面的信息会丢失。计算机概述ROM：是只能读出而不能写入的存储器，通常存放固定不变不需修改的程序。比如计算机启动的引导程序、启动后的检测程序、系统的基本输入/输出程序等重要信息。断电后，其中的信息不丢失。只读存储器（ROM）基本输入输出程序位、字节和字符字节(Byte):相邻的8位（bit）二进制数1Byte=8bit(千字节)：1KB=210B=1024Bytes1000B(兆字节)：1MB=210KB=1024KB=220B(千兆字节)：1GB=210MB=1024MB=230B位、字节和字符256兆内存的存储容量为：256MB=256*210KB=16*1024*1024Byte=268435456Byte约256000000Byte内存的读写速度：纳秒级（1s＝103ms＝106um＝109nm）十亿分之一秒内存的容量与速度外存储器（辅助存储器）设在计算机主机外部，存放当前暂时不用的信息，等需要时才调入内存。外存储器磁盘存储原理软盘目前主要使用3.5英寸软盘，简称3寸盘未写保护写保护软盘写保护软盘组织结构软盘容量计算…...磁道0，扇区1容量计算：512Byte*扇区数*磁道数*盘面数3.5软盘容量=512*18*80*2=1474560byte/1024=1440KB约为1.