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1、计算机基本工作原理计算机系统概述 计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机通过执行程序而 运行，计算 机工作时软硬件协同工作，二者缺一不可。硬件（Hardware）是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的 有形实体。一个计算机硬件系统，从功能级角度而言包五大功能部件：运算 器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算 精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上只能运行机器语言程 序，使用很不方便，效率也低。软件（Software）是指使计算机运行需要
2、的程序、数据和有关的技术文档资料。软 件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解 机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机。软件屏蔽了下层的具体计算机硬件，形成一台抽象的逻辑计算机（也称虚拟机），它在用户和计算机（硬件）之间架起了桥梁。软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机制造者提供的使用和 管理计算机的软件，它包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序等。应用软件是计 算机用户用计算机及其提供的各种系统软件开发的解决各种实际问题的软件。 一、要求掌握的知识要点(1) 掌握十进制数、二进制数、十六进制数、八进制数以及它们之间的相互转换方法。
3、(2) 掌握二进制数的算术运算及逻辑运算的法则，数据在计算机中的表示方法。(3) 掌握 BCD 码、ASCII 码及汉字编码的概念。(4) 熟悉中央处理单元 CPU 的组成及内部主要部件的功能。二、知识点概述(一) 计算机中数据的表示计算机最主要的功能是处理信息，如处理数值、文字、声音、图形和图像等。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。所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂、多样的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。例如，用10 个阿拉伯数码表示数字，用
4、26 个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。1进位计数制 在采用进位计数的数字系统中，如果只用 r 个基本符号(例如，O，1，2，r 一 1)表示数值，则称其为基 r 数制(Radix-r Number System)，r 称为该数制的基(Radix)。对于不同的数制，它们的共同特点是：每一种数制都有固定的符号集。例如，对于十进制数制，其符号有 10个：0，1，2，9；对于二进制数制，其符号有两个：O 和 1。都使用位置表示法。即处于不同位置的数符所代表的值不同，且与它所在位置的权值有关。例如，十进制数 1234.55 可表示为1234.55 = 1103 + 2102 + 3101
5、+ 4100 + 510-1 + 510-2可以看出，各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂。因此，对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式之和，即任意一个r 进制数 N 可表示为式中：Di 是该数制采用的基本数符；ri 是权；r 是基数，不同的基数表示不同的进制数。表 1-1 所示的是计算机中常用的几种进制数。表 1-1 计算机中常用的几种进制数的表示进位制 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 O,1 O,1,2,7 O,1,2,9 O,l,2,9,A,B,F 权
6、2i 8i 10i 16i 形式表示 B O D H 2算术逻辑运算(1) 二进制加法。二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，二进制加法的规则是“逢二进一”，即O + 0 = 0 1 + 0 = 1 0 + 1 = 1 1 + 1 = 0 (有进位)(2) 二进制减法。在二进制减法中，当不够减时需要借位，高位的 1 等于下一位的 2，即“借一当二”，其运算法则如下：0 - 0 = 0 1 - 0 = 1 1 - 1 = 0 0 - 1 = 1 (有借位)(3) 二进制乘法。二进制乘法与十进制乘法是一样的，但因为二进制数只由 0 和 1 构成，因此，二进制乘法更简单，其运算法则如下：OO =
7、 O 1O = 0 O 1 = 0 1 1 = 1(4) 二进制除法。二进制除法是二进制乘法的逆运算，其运算方法与十进制除法是一样的。(5) 二进制与运算又称逻辑乘，其运算法则如下：O0 = O O1 = 0 1 O = 0 11 = 1(6) 二进制或又称逻辑加，其运算法则如下：0O = 0 01 = 1 10 = 1 11 = 1(7) 二进制异或的运算法则如下：O O = 0 0 1 = 1 1 0 = 1 1 1 = 03机器数和码制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 O、1表示，如“0”表示正号，“1”表示负号，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值
8、称为该数的真值。 机器数有无符号数和带符号数两种。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位。对于无符号数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。对于带符号数，机器数的最高位是表示正、负的符号位，其余二进制位表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高数值位之前(符号位之后)，则是纯小数。为了便于运算，带符号的机器数可采用原码、反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。4汉字编码汉字处理包括汉字的编码输入、汉字的存储和汉字的输出等环节。也就是说计算机处理汉字，首先
9、必须先将汉字代码化，即对汉字进行编码。1) 输入码(1) 数字编码。数字编码就是用数字串代表一个汉字的输入，常用的是国标区位码。国际区位码将国家标准局公布的 6763 个两级汉字分成 94 个区，每个区 94 位，实际上是把汉字表示成二维数组，区位和位码各两位十进制数字，因此，输入一个汉字需要按键四次。例如，“中”字位于第 54 区 48 位，区位码为 5448：(2) 拼音码。拼音码是以汉语读音为基础的输入方法。由于汉字同音字太多，输入重码率很高，因此，按拼音输入后还必须进行同音字选择，影响了输入速度。(3) 字形编码。字形编码是以汉字的形状确定的编码。汉字总数虽多，但都是由一笔一划组成，全
10、部汉字的部件和笔划是有限的，因此，把汉字的笔划部件用字母或数字进行编码，按笔划书写的顺序依次输入，就能表示一个汉字。五笔字形、表形码等便是这种编码法。五笔字形编码是最有影响的编码方法。2) 内部码汉字内部码(简称汉字内码)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。在西文计算机中，没有交换码和内码之分。汉字数量多。用一个字节无法区分，采用国家标准局 GB2312-80 中规定的汉字国标码，两个字节存放一个汉字的内码，每个字节的最高位置“1”，作为汉字机内码。由于两个字节各用 7 位，因此可表示 16 384 个可区别的机内码。以汉字“
11、大”为例，国标码为 3473H，两个字节的高位置“1”，得到的机内码为 B4F3H。为了统一地表示世界各国的文字，1993 年国际标准化组织公布了“通用多八位编码字符集”的国际标准 ISOIEC 10646，简称 UCS(Universal Code Set)。UCS 包含了中、日、韩等国的文字，这一标准为包括汉字在内的各种正在使用的文字规定了统一的编码方案。3) 字形码汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点阵表示字形时，汉字字形码指的就是这个汉字字形点阵的代码。字形码也称字模码，是用点阵表示的汉字字形码，它是汉字的输出方式。根据输出汉字的要求不同，点阵的多少
12、也不同。简易型汉字为 1616 点阵，高精度型汉字为 2424 点阵、3232 点阵、4848 点阵等等。(二) 中央处理机(CPU) 1CPU 的组成前面已经提到，CPU 主要由运算器、控制器组成。构成 CPU 的框图如图1-2 所示。1) 运算器运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术运算和逻辑运算，完成对数据的加工与处理。不同的计算机，运算器的结构也不同，但最基本的结构都是由算术逻辑运算单元(ALU)、累加器(ACC)、寄存器组、多路转换器和数据总线等逻辑部件组成的。2) 控制器计算机能执行的基本操作叫做指令，一台计算机的所有指令组成指令系统。指令由操作码和地址码两部分组成，操作
13、码指明操作的类型，地址码则指明操作数及运算结果存放的地址。图 1-2 CPU 主要组成部件框图控制器的主要功能是从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出指令经指令寄存器送往指令译码器，经过对指令的分析发出相应的控制和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。控制器是由程序计数器(简称 PC)、指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器组成，如图 1-3 所示。图 1-3 控制器组成框图(1) 程序计数器。当程序顺序执行时，每取出一条指令，PC 内容自动增加一个值，指向下一条要取的指令。当程序出现转移时，则将转移地址送入
14、PC，然后由 PC 指向新的程序地址。(2) 指令寄存器(IR)。用于存放当前要执行的指令。(3) 指令译码器(ID)。用于对现行指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。(4) 时序产生器。用于产生时序脉冲和节拍电位去控制计算机有序的工作。(5) 状态条件寄存器。用于保存指令执行完成后产生的条件码。例如，运算是否有溢出，结果为正还是为负，是否有进位等。此外，状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息。(6) 微操作信号发生器。把指令提供的操作信号、时序产生器提供的时序信号以及由控制功能部件反馈的状态信号等综合成特定的操作序列，从而完成取指令的执行控制。控制器一般由指令寄存
15、器(IR)、程序计数器(PC)、时序部件、微操作形成部件和程序状态字寄存器(PSW)构成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。执行指令有取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址四个步骤。2CPU 的功能CPU 的基本功能如下。 (1) 程序控制。CPU 通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是 CPU 的重要职能。(2) 操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU 产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。(3) 时间控制。CPU 对各种操作进行时间上的控制，这就是时间控制。CPU 对每条指令整个的执行时间要进行严格控制。同时。指令执行过程中的操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需进行严格控制。(4) 数据处理。CPU 对数据以算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果为人们所利用。所以，对数据的加工处理是 CPU 最根本的任务。必须指出，在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。一般 来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件所执行 的指令也能够用软件来完成。软件和硬件之间的界线是经常变化的。今天的
