【大学课件】计算机系统的组成与工作原理

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1、2.1 计算机中数据的表示与运算 2.2 计算机系统的组成 2.3 计算机的工作原理 2.4 微型计算机系统的组成 2.5 微型计算机的组装与选购,第2章 计算机系统的组成与工作原理,http:/ 数制及不同数制间数据的转换 1进位记数制 按进位的原则进行计数的方法称为进位计数制，其中所用的表记符号的个数称为该进位计数制的基数（Radix），而数制中每一数字位置上对应的固定值称为权值（Weight Value）。 任意一个r进制数N可表示为：,2.1 计算机中数据的表示与运算,2二进制 二进制（Binary System）只有0和1两个表记符号，其进位的基数是2，遵循“逢二进一”的进位规则。在

2、计算机中采用二进制数表示数据，主要原因在于： 二进制在物理上最容易实现。 运算规则简单。,3二进制数与十进制数的转换 （1）将二进制数转换成十进制数 一个二进制数按其权（权值用十进制表示）展开求和，即可得相应的十进制数。 推广一下，将r进制数按权展开后，再求和，所得结果即为这个r进制数所对应的十进制数。,（2）将十进制数转换成二进制数 十进制整数部分的转换采用除2取余法。用十进制数整数部分除以2，余数作为相应二进制数整数部分的最低位；用上一步的商再除以2，余数作为二进制数的次低位；一直除到商为0，最后一步的余数作为二进制数的最高位。,十进制小数部分的转换采用乘2取整法：十进制小数部分乘以2，积

3、的整数部分为相应二进制数小数部分的最高位；用上一步积的小数部分再乘2，同样取积的整数部分作为相应二进制数小数部分的次高位；一直乘到积的小数部分为0或达到所要求的精度为止。 同样道理，当将十进制数转换成r进制数时，整数部分用除r取余数处理，小数部分则用乘r取整来处理。,4八进制与十六进制 八进制数与二进制数的转换很容易，每一位八进制数写成对应的3位二进制数即完成八进制数到二进制数的转换。从整数部分的低位到高位以及从小数部分的高位到低位每3位二进制数写成对应的一位八进制数即完成二进制数到八进制数的转换。,十六进制数与二进制数的转换同样很容易，每一位十六进制数写成对应的4位二进制数即完成十六进制数到

4、二进制数的转换。从整数部分的低位到高位以及从小数部分的高位到低位每4位二进制数写成对应的一位十六进制数即完成二进制数到十六进制数的转换。,2.1.2 计算机内部数据的表示方法 1数值数据的表示方法 （1）数据度量单位 一个二进制位称为位（Bit），8个二进制位组成一个字节（Byte），更大的度量单位是：KB、MB、GB、TB等。 1KB=1024字节 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 计算机信息处理的最小单位是位，而计算机数据存储的基本单位是字节。,（2）带符号数的表示 在计算机中，一般用数值数据的最高位（最左边一位）来表示数的符号，约定用0表示正，用1表示负。

5、带符号数在计算机内可以使用原码、反码和补码3种表示方法。 原码。假设使用8位二进制表示一个数，最高位表示数的符号，其余7位表示数值部分。,反码。正数的反码与原码相同，负数的反码是在原码的基础上按位取反。 补码。正数的补码与原码相同，负数的补码是在原码的基础上按位取反后，最后位加1。 引入补码概念后，加法、减法都可用加法实现。因此，现代计算机多采用补码运算。,（3）定点数和浮点数 前面讨论的带符号数的3种表示方法只能表示单纯整数或小数，被认为是数的定点表示法。在计算机中，参与运算的数一般是实数，既有整数部分又有小数部分，为了表示实数，使用数的浮点表示方法。,（4）数值编码 用二进制编码来表示一个

6、数值数据就称为数值编码，也称为二十进制码，简称BCD（Binary Coded Decimal）码。这种编码的特点是保留了十进制的权，而数字则用0和1的组合来表示。 常见的BCD码是8421码，它是用4位二进制数表示1位十进制数字，既具有二进制的形式，又具有十进制的特点。4位二进制数中的每一位从左到右的权分别为8、4、2、1，数字09的8421码为0000、0001、0010、1001。,2字符数据的表示方法 （1）ASCII码 字符数据在计算机内也是用二进制形式表示的，目前普遍采用ASCII码，即美国标准信息交换码（American Standard Code for Information

7、 Interchange）。ASCII码字符用8位二进制表示，但只用低7位，共表示27=128个字符，编码从0至127（称为ASCII码基本集），其中包括32个控制字符、09共10个数字、52个大小写英文字母，其他为专用字符。,（2）汉字编码 汉字编码包括汉字内码、汉字输入编码（外码）和输出编码（字模）3个主要内容。 汉字内码 汉字内码是汉字在计算机内的的存储表示。汉字数量庞大，只能选取部分汉字用于计算机汉字信息处理。我国于1981年颁布了国家标准GB2312-80，其中收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。,汉字国标码、区位码及内码的转换关系是： 国标码高字节=区号（用

8、十六进制）20H 国标码低字节=位号（用十六进制）20H 内码高字节=国标码高字节80H 内码低字节=国标码低字节80H,GB2312-80支持的汉字太少，我国对汉字编码字符集进行了扩充。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号，它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。2000年的GB18030是取代GBK1.0的正式国家标准。该标准收录了27484个汉字，同时还收录了藏文、蒙文、维吾尔文等主要的少数民族文字。现在Windows平台必须支持GB18030编码。按照GBK18030、GBK、GB2312的顺序，3种编码是向下兼容的，同一个汉字在3个编码方案中采用相

9、同的编码。,随着信息交换的需求越来越大，对信息编码的要求也越来越高。国际标准化组织（ISO）在20世纪90年代初制定了一种字符编码方案Unicode，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换和处理的要求。目前，许多操作系统、语言工具都支持Unicode标准。,汉字输入编码（外码） 区位码 拼音输入编码 字形输入编码 汉字输出编码 把某一个汉字当作一幅平面图画，分别从纵、横两个方向等距离在画上作n-1条直线，这样就把该幅画分成nn小方块，会发现有的小方块内有汉字的笔画，有的则没有。这就是一幅数值化了的图形。 所有汉字的字模的集合称为字库。对于用16

10、16点阵字模组成的字库需要大约220KB存储容量。汉字字模在字库中的位置按汉字内码升序存入字库中。,2.1.3 计算机中的数据运算 二进制数之间可执行算术运算与逻辑运算，其运算规则与十进制数类似，但因二进制数只有0和1两个数字符号，故比十进制数要简单得多。 1二进制数的算术运算 （1）加法运算 二进制数的加法规则：0+00，0+1=1+0=1，1+110（向高位产生进位）。 （2）减法运算 二进制数的减法规则：0-0=0，0-1=1（向高位借位1次），1-0=1，1-1=0。 （3）乘法运算 二进制的乘法规则为：00=0，01=0，10=0，11=1。从乘法规则可知，只有当两个1相乘时，其积才

11、为1，其他情况下乘积均为0。 （4）除法运算 二进制除法运算与十进制除法类似，也由减法、上商等操作逐步完成。,2二进制数的逻辑运算 （1）与运算 与运算又称逻辑乘，通常用或表示。运算规则为按位进行与运算，若进行与操作的两位均为1，则结果为1；两位中有一位为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=0，10=0，11=1。 （2）或运算 或运算又称逻辑加，通常用或+表示。运算规则是按位进行或运算，若进行或操作的两位中有一位为1，则结果为1；两位均为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=1，10=1，11=1。,（3）非运算 非运算实现对单个逻辑值的处理，也称为逻辑取反操作，通常用表示。

12、（4）异或运算 上述与、或、非运算是3种最基本的逻辑操作，用它们可组合出任何逻辑功能。有时还要用到异或运算，通常用表示。其规则为按位进行异或运算，若进行异或操作的两位不相同时，则结果为1；两位相同时，则结果为0。具体规则是：00=0，01=1，10=1，11=0。,2.2.1 计算机硬件系统 计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。 将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。根据存储器和CPU的关系，存储器又分为内存储器和外存储器两类。将CPU和内存储器合称为主机，将输入设备、输出设备和外存储器称为外部设备。,2.2

13、计算机系统的组成,1输入设备和输出设备 输入设备接收用户提交给计算机的程序、数据及其他各种信息，并把它们转换成计算机能够识别的二进制代码，送给内存储器。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪等。输出设备是把计算机的处理结果用人们能识别的数字、字符、图形、曲线、表格等形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁盘等外存储器既可作为输入设备，又可作为输出设备。,2存储器 存储器是用于存放原始数据、程序以及计算机运算结果的部件。存储器被划分成许多存储单元，每个存储单元可以存放一个数据或一条指令。为了能够按指定的位置进行存取，必须给每个存储单元编号，这个编号就称为存储单元的地址。地址与存储单元

14、一一对应，每一个存储单元都规定了一个唯一的地址。要访问某一存储单元（向存储单元写入数据或从存储单元中读出数据），要给出这个存储单元的地址。 内存储器用来存放当前需要处理的原始数据及需要运行的程序，CPU可直接对它进行访问。,现代计算机的内存普遍采用了半导体存储器，根据使用功能的不同，半导体存储器可分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）两种。RAM的特点是：用户既可以从中读出信息，又可以将信息写入其中；断电后RAM中所存储的信息将全部丢失。ROM的特点是：用户只能从中读出信息，不能将信息写入其中；断电以后，R

15、OM中所存储的信息不会丢失。 外存储器用来存放当前暂不需要处理的原始数据及不需要运行的程序，不能被 CPU 直接访问，外存储器的数据只有先调入内存才能被 CPU 访问。常见的外存有磁盘、光盘（Compact Disk Read Only Memory，CD-ROM）等，它们都必须通过各自的驱动器才能进行读写操作。,3控制器 控制器是整个计算机的控制中心，它按照从内存储器中取出的指令，向其他部件发出控制信号，使计算机各部件协调一致地工作，另一方面它又不停地接收由各部件传来的反馈信息，并分析这些信息，决定下一步的操作，如此反复，直到程序运行结束。,4运算器 运算器又称算术逻辑单元（Arithmet

16、ic Logic Unit，ALU），它接受由内存送到的二进制数据并对其进行算术运算和逻辑运算。 运算器在控制器的作用下实现其功能。除了完成算术运算和逻辑运算外，它也要完成数据的传送。被加工的数据，大多预先存放在寄存器中或存储器中。在一系列控制信号作用下，数据成队地被送往加法器，完成运算后，在控制信号作用下，再传送到寄存器或内存单元中保存起来。,2.2.2 计算机软件系统 按软件的功能来分，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件又可分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。,1系统软件 系统软件是在硬件基础上对硬件功能的扩充与完善，其功能主要是控制和管理计算机的硬件资源、软件资源和数据资源，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能，为用户使用计算机系统提供方便。,（1）操作系统 操作系统（Ope