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1、第二章 计算机硬件系统,计算机科学与技术学院公共基础教研室 伍庆华,本章主要内容,掌握基本数制转换及运算,了解数据在计算机中的表示与存储方式,理解微型计算机各基本部件的功能与主要技术指标,掌握主板、内外存、总线、输入输出接口和输入输出设备功能,2.1数据表示和运算,2.1 数据表示和运算,计算机最主要的功能是处理各种各样的信息，比如：数值、文字、声音、图形和图象等。在计算机内部，各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。因此，掌握信息编码的概念与处理技术是至关重要的。,2.1.1 计算机中数据的表示 数据表示是将各种数据类型转换为计算机能够识别和处理的形式。,计算机中采用二进制编码。
2、的原因,容易表示 在物理上最容易实现， 可以使用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。 如:晶体管的导通与截止、电流的有无、电平的高低 运算简单 编码及运算规则都比较简单。 “1”和“0”与“真”和“假”对应，易于逻辑判断。 传输和处理时不容易出错，可保障计算机的高可靠性。,信息存储单位 位(bit)：位是度量数据的最小单位，表示一位二进制信息。 字节(Byte，缩写为B)：一个字节由八位二进制组成(1byte=8bit)。字节是信息存储中最常用的基本单位。 KB 1KB=210byte=1024byte MB 1MB= 220byte =1024KB GB 1GB= 230byte =102。
3、4MB,字(Word) 字是计算机信息交换、加工、存储的基本单元，是位的组合。通常将组成一个字的位数称为字长。字长表示计算机能并行处理的数据长度，是计算机性能的一个重要指标。,例如：8086是16位机；386以后是32位；目前很多主流的计算机都是64位。,位,字，字长,位、字节、字及字长,字节(8位),数 据 存 储 的 组 织 形 式,各种数据类型在计算机中的表示,文本的编码,西文字符的编码 ASCII 码(美国国家标准信息交换码) 汉字编码 输入码 交换码 (国标码) 内部码 字型码 (输出码),ASCII 码,ASCII码是美国信息交换标准代码。 (American Standard C。
4、ode for Information Interchange) 包括09十个数字，大小写英文字母 及专用符号等95种可打印字符。,Computer,01000011 01101111 01101101 01110000 01110101 01110100 01100101 01110010,7 6 5 4 3 2 1,字符代码化(输入),汉字编码,汉字输入编码方法分为三类： 数字编码 数字编码就是用数字串代表一个汉字的输入，常用的有国际区位码。如：“中”5448 、 “”0113 拼音码 拼音码是以汉语读音为基础的输入方法。常用的有智能全拼、微软拼音、紫光拼音、智能狂拼等。 字形编码 字形编。
5、码是以汉字的形状确定的编码。常用的有五笔字形、表形码等。,汉字输入码,内部码,汉字内部码是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。,字形码,汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，也称字模码，是用点阵表示的汉字字形代码，它是汉字的输出形式。,数值的编码,在计算机中，数字采用二进制系统表示。 例如： 数值125在计算机中(用1个字节表示)01111101。 关于数制之间的相互转换，在后面会介绍到。,图像的编码,图像分为两种：位图和矢量图。 位图图像是由像素或图片元素的单个点组成。像素的大小取决于分辨率。 对于黑白图像每个像素可以用一位二进。
6、制数表示。而对于彩色图像则每个像素的颜色用3个组成部分表示，而每个颜色用一个字节来表示其强度，所以一个像素需要3个字节来表示。 矢量图像：在数学上定义为一系列有线段连接的点。矢量文件中的图形元素都是一个自成一体的实体，具有颜色、形状、大小、位置等属性。特点：同分辨率无关。,音频编码,音频指声音或音乐信号。计算机中处理音频需要经过三个步骤：,2. 量化,3. 编码,1. 采样,视频,视频是及时连续播放的图像序列。动画和视频信息是连续渐变的静态图像或图形序列沿时间轴顺序更换显示，从而构成的运动视觉媒体。 当前的视频文件都采用某些标准进行压缩，否则信息量会非常大。可参见第六章内容。,各种各样的进位计。
7、数制：,常见的： 二进制 十进制 八进制 十六进制,2.1.2 进制和进制转换,1.进位计数制的两个相关概念：,基数：所使用的不同基本符号的个数。 位权：处于该位的数字所代表的值的大小。,(321)10 = 3102 + 2 101 + 1 100 (101)2 = 122 + 0 21 + 1 20,进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制,规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一 基数 r = 2 r = 8 r = 10 r = 16 数符 0，1 0,1,7 0,1,9 0,1,9,A,B,C,D,E,F 位权 2i 8i 10i 16i 下标 B O D H,表2-2 计算机中。
8、常用进制数的特征,对任何一种进位计数制表示的数都可以写出按其权展开的多项式之和： (101)D = 1102 + 0 101 + 1 100 (101)B = 122 + 0 21 + 1 20 = 4+0+1= (5)D (101)O = 182 + 0 81 + 1 80 = 64+0+1= (65)D (101)H = 1162 + 0 161 + 1 160 = 256+0+1= (257)D,结论:,r进制十进制: 各位按权展开相加 即只要把二进制中出现1的位数权相加即可。 例如： (101)B = 122 + 0 21 + 1 20 =4+0+1= (5)D (101)O =182。
9、 + 0 81 + 1 80 = 64+0+1=(65)D (101)H =1162 + 0161 +1160 =256+0+1=(257)D,2. r进制到十进制转换,例如：(100)D( )B 2 |100 余数 2| 50 0(最低位) 2| 25 0 2| 12 1 2| 6 0 2| 3 0 2| 1 1 0 1 (最高位) 结论：(100)D( 1100100 )B,3、十进制 r进制的转换,1)整数部分的转换 除r取余,从末位取起 即：把一个十进制的整数不断除以所需要的基数r，取其余数(除r取余法)，就能够转换成以r为基数的数。,进制转换练习题：,1. (25)D( )B 2. 。
10、(25)D = ( )O 3. ( 19 )H = ( )D 4. (11001)B= ( )H,例如：(0.625)D=( )B 乘2取整： 整数部分 0.625 2 1 .250 1 2 0 .500 0 2 1 .000 1 结论：(0.625 )D = ( 0.101 )B,2)小数部分转换,乘r取整，顺序取起 即：将一个十进制小数转换成r进制小数时，将十进制小数不断地乘以r，并取整，这称为乘r取整法。,混小数的转换,如果十进制数包含整数和小数两部分，则必须将十进制小数点两边的整数和小数部分分开，分别完成相应的转换，然后，再把r进制整数和小数部分组合在一起。 练习： (25.125)D。
11、 = ( )B,3)非十进制数间的转换,常规转换方法： 先将被转换数转换为相应的十进制数，然后再将十进制数转换为其它进制数。 例如： ( 19 )H = ( 25 )D = (11001 )B (11001 )B = ( 25 )D = ( 31 )O 特别转换方法：利用二进制、八进制和十六进制之间的特殊关系直接转换。见表2-3,表 2-3 二进制、八进制和十六进制之间的关系,二进制 八进制 二进制 十六进制 二进制 十六进制,000 0 0000 0 1000 8 001 1 0001 1 1001 9 010 2 0010 2 1010 A 011 3 0011 3 1011 B 100 。
12、4 0100 4 1100 C 101 5 0101 5 1101 D 110 6 0110 6 1110 E 111 7 0111 7 1111 F,4、二进制与八、十六进制之间的转换,二进制转换到八进制，只要将二进制数从小数点开始，整数部分从右向左3位一组，小数部分从左向右3位一组(不足3位补零)，根据表2完成转换。 例1：(110 110.001 100 )B( 66.14 )O (12.34)O = ( 001 010.011 100 )B 二进制同十六进制之间的转换就如同八进制同二进制之间一样，只是4位一组。 例2：(10A1)H = ( 0001 0000 1010 0001 )B。
13、 (101 0111)B = ( 57 )H,2.1.3 二进制数的原码、补码和反码表示,数据在计算机中如何存储呢？ 问题： 数的长度 如何确定数的符号 小数点的表示,什么是原码、补码和反码？,原码表示法：用数据的第一位表示符号，用其后的各位表示数的绝对值的方法。 反码：符号位不变，其余各位取反。 补码：反码+1。 当X0时 当X0时 见例2.7,例2.7 已知某计算机用一个字节表示整数，求50，-50， 126，-126，0，-0的原码、反码和补码。,转换方法： 先分别求每个数的真值； 将数值扩充为7位，符号位转换为0/1，得8位原码； 整数的原码、反码和补码相同； 根据前面公式求负数的原码。
14、、反码和补码。,2.1.4 定点和浮点数表示,小数点数的表示：定点数和浮点数表示法。 定点数：小数点的位数一旦约定就不再更改。 定点整数和定点小数 浮点数：将科学技术法引入二进制计数。任何一个二进制数N都可以写成N=M,M：称为尾数，表示数据的有效值部分； E：称为阶码，实际上表示小数点的相对位置。,见例2.9,例2.9设某计算机使用定点长度为2字节，其中前一个字节的最高位表示数的符号，求用定点数表示整数732。,步骤： 将十进制数转换为二进制数1011011100； 由于数据长度是16位，故前面不够16位的部分补0，另最高位为0。,例2.10设某计算机使用定点长度为2字节，其中前一个字节的最。
15、高位表示数的符号，求用定点数表示纯小数-0.6876,步骤： 将十进制数转换为二进制数0.10110000000001101； 由于数据长度是16位，由于是无限小数，故截取前15位，另最高位为1。,数符,数值部分,1.二进制数的四则运算 -加、减、乘、除,规则：逢二进一，借一当二。 加法运算法则： 000011 1011110(进位) 例：二进制数11011010？ 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 练习：求二进制数之和。 10001111+01100001=？ 减法同理。,答案：11110000,2.1.5 运算,乘法运算法则： 0 000 10 1 001 11 举例：二。
16、进制数1101 1010？ 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 练习：1111 1000=?,设X、Y是两个整数，由补码定义有： 用补码运算除了不需要对数据的符号进行判断外，还有一个好处加减法统一为加法运算。 见例2.12，2.13,2.补码加减法运算,例2.12 X=44，Y=59，求X+Y，X-Y的值。,步骤： 先计算X，Y，-Y的补码； 求X+Y、X-Y的补码； 再将补码转换为真值和十进制。 真值：X+Y=+1100111B=+103D X-Y=-0001111B=-15D,注意：当运算结果超出补。
17、码表示范围时结果就不正确了 见例2.13,结果最高位是1，表示负数。这是由于两数相加超出了1个字节表示的范围。数据溢出。解决方法：扩展到2个字节,例2.13 已知X=100、Y=59，求X+Y的值。,2.2.1 中央处理器 1、CPU组成和工作原理 CPU主要由ALU(算术逻辑部件)、控制器 和寄存器组成。功能： 实现数据的算术逻辑运算； 从存储器中取指令、分析指令和控制指令的执行； 对软件异常和外部中断进行处理。,2.2 计算机硬件技术,CPU的主要性能指标,(1)主频 指计算机主时钟在一秒钟内发出的脉冲数。主频越高就表明CPU的运算速度越快。 (2)双核和双CPU技术 双核指在一个处理器上。
18、集成两个运算核心；双CPU不光处理器核心是两个，缓存等硬件配置也是双份的。 (2)CPU外频 指CPU从主板上获得的工作频率。 CPU主频= CPU外频倍频系数,(4)前端总线：也称CPU的外部总线 (5)CPU字长 字长是CPU在单位时间内能处理的二进制数的位数。它体现了一条指令所能处理数据的能力。字长越长，CPU可同时处理的数据位数就越多，功能就越强。 (6)高速缓存：目前一般都使用二级缓存，一级缓存(L1)封装在CPU内部，二级缓存(L2)位于CPU外部。,2.2.2内存储器,功能：用于存放计算机进行信息处理所必须的原始数据、中间结果、最后结果以及指示计算机工作的程序。是衡量微机的主要性。
19、能之一，内存的大小直接影响程序运行情况。 内存的主要技术指标： 速度：工作频率越高，其带宽越大。 容量：指存储器中包含的字节数。单位MB,GB。 读写时间：从存储器读一个字或者向存储器写入一个字所需时间。单位7ns,8ns,10ns几种。 奇偶校验： 一般用在高端的服务器电脑中。,A、RAM(Random Access Memory，随机存取存储器),RAM可以被CPU随机地读写，因此又称为读写存储器； RAM最大的特点是关机或断电数据便会消失； 存储器芯片安装在条形电路板上，称之为内存条； 存储器的性能用存储容量(存储信息的多少)来衡量。,B、ROM(Read Only Memory，只读存。
20、储器),只能从中读出数据而不能写入数据； 关机或断电后ROM的数据不会丢失； 生产厂商把一些重要的不允许用户更改的信息和程序放在ROM中，如存放在主板ROM中的BIOS(基本输入输出系统),内存的分类,2.2.3I/O子系统,输入/输出子系统也称外部设备，其作用是： 为计算机与外部设备进行交流提供窗口； 储存程序和数据 可分为：外部存储器和非存储型输入输出设备。,1.外存储器,1)磁存储设备：硬盘 2)光存储设备：光盘 3)固态存储器(闪存)：内存卡,硬盘,硬盘是一种由磁性物质铝合金制成的圆盘。许多盘片被固定在一根轴上，并随轴转动，一般固定在机器内，速度比软盘快，容量大 。,CD：Compac。
21、t Disk(高密度盘) 它是通过光学方式读取和记录信息的，写入和读出都是使用激光束来实现的。,光盘存储器分为： 只读光盘存储器(CD-ROM) ； 一次写入型光盘(CD-R) ； 可擦写型光盘(CD-RW)； DVD-RAM；DVD-R等,一张光盘在不压缩情况下存储容量可以达到660MB。,光盘存储器,CD的数据存放方式,固态存储器,闪存卡：一般用于数码相机，掌上电脑、MP3/4播放器上作为存储媒介。 U盘,2.输入输出设备,输入设备,1、键盘分4个键区,2、鼠标,机械式鼠标； 光电式鼠标,3、扫描仪 4、触摸屏,2、 输出设备(Output Device),2、音频输出,4、绘图仪,3.其。
22、他设备(主板、机箱和电源),主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板。由一下几个部分组成： CPU插槽、内存插槽、总线、高速缓存、时钟、CMOS主板BIOS、软盘/硬盘，串口、并口等外设接口、控制芯片等。 著名品牌：Intel LEO(大众) 联想 华硕 技嘉等 机箱主要作用是保护内部设备； 电源供给系统要求的直流电源。,2.2.4子系统互连,当前大部分计算机(特别是微机)的各个部件之间是用总线相连接，系统总线是计算机内部传输各种信息的通道。,数据总线,控制总线,地址总线,根据总线的位置和连接的不同，可以分成： 片内总线：CPU内部总线。 系统总线：系统输入输出总线。 外部总线：计算机之间或与外设进行通信的总线。,2.2.5程序执行,1、程序和指令 指令是要求计算机执行某个操作的命令，有操作码和地址码组成。 程序是指令的有序集合，一般以文件形式保存在计算机外存储器上。当用户执行某些操作时，相应的程序调入内存执行。,2、机器周期 一个程序的执行过程，就是CPU顺序执行指令的过程，CPU执行一个指令的过程称为机器周期。一个机器周期由取指令、指令译码、指令执行组成。 见例：实现两个数的加法来说明程序的执行过程。,CPU与外部设备间的数据传送方式： 1)程序控制方式 2)中断方式 3)直接存储器存储方式 4)I/O通道控制方式,Thank You。
