第2章計算機基礎知識

2.1信息的表示、存儲及運算計算機中的數(shù)制計算機中的數(shù)據(jù)編碼二進制算術與邏輯運算當前1頁，總共58頁。計算機的內部的信息分為兩大類型，即控制信息和數(shù)據(jù)信息。在計算機內部，無論哪一種數(shù)據(jù)，都以二進制形式表示。在計算機中，數(shù)據(jù)信息是由不同位數(shù)的二進制數(shù)組成，為了表示位數(shù)的多少，引入了“位”、“字節(jié)”和“字”的概念。位（bit）：位是指一位二進制的代碼，它只具有“0”、“1”兩個狀態(tài)。字節(jié)（byte）：把8位二進制代碼稱為一個字節(jié)，它是表示二進制代碼長度的一種單位。字（word）：字由字節(jié)構成，一般為字節(jié)的整數(shù)倍。當前2頁，總共58頁。2.1.1計算機中的數(shù)制不同數(shù)制的表示在計算機內部用二進制形式表示和存儲數(shù)據(jù)。人們習慣于用十進制記數(shù)。為了書寫簡單方便也使用八進制和十六進制。用加后綴或角標的形式區(qū)別不同進制數(shù)據(jù)。B—表示二進制數(shù)。O或Q—表示八進制數(shù)。D—表示十進制數(shù)（D可省略）。H—表示十六進制數(shù)。當前3頁，總共58頁。數(shù)制的基本概念數(shù)制:用一組固定的數(shù)字(數(shù)碼符號)和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法就叫做數(shù)制(也稱進制)數(shù)位:數(shù)字在一個數(shù)中所處的位置為數(shù)位。位權:是指數(shù)位上的數(shù)字乘上一個固定的值?；鶖?shù):某一數(shù)制中數(shù)字的個數(shù)。進制中的最大數(shù):基數(shù)減一。數(shù)制中的進制規(guī)則:N進制的規(guī)則是逢N進1,或者借1為N當前4頁，總共58頁。十進制使用數(shù)字1、2、…、9、0等符號來表示數(shù)值且采用“逢十進一”的進位計數(shù)制。當前5頁，總共58頁。二進制使用數(shù)字0和1等符號來表示數(shù)值，且采用“逢二進一”的進位計數(shù)制。二進制數(shù)制的特點：僅使用0和1兩個數(shù)字。最大的數(shù)字為1，最小的數(shù)字為0。每個數(shù)字都要乘以基數(shù)2的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定。當前6頁，總共58頁。八進制和十六進制八進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7等符號來表示數(shù)值的，且采用“逢八進一”的進位計數(shù)制。十六進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F等符號來表示數(shù)值，其中A、B、C、D、E、F分別表示數(shù)字10、11、12、13、14、15。十六進制的計數(shù)方法為“逢十六進一”。當前7頁，總共58頁。

十進制整數(shù)轉換為非十進制整數(shù)

除基取余法：“除基取余，先余為低（位），后余為高（位）”。（55）10＝（110111）2

余數(shù)

2551227121312602312110當前8頁，總共58頁。

十進制整數(shù)轉換為非十進制整數(shù)

（55）10＝（67）8

余數(shù)

85578660（55）10＝（37）16

余數(shù)

1655716330當前9頁，總共58頁。

十進制小數(shù)轉換為非十進制小數(shù)乘基取整法:“乘基取整，先整為高(位),后整為低(位)”（0.625）10＝（0.101）2

0.625整數(shù)

×21.2510.25×20.5

0×2 1.0

1當前10頁，總共58頁。

十進制小數(shù)轉換為非十進制小數(shù)（0.32）10＝（0.0101…）2

0.32整數(shù)

×20.640×21.28 10.28×20.56 0×2 1.12 1

…當前11頁，總共58頁。十進制小數(shù)轉換為非十進制小數(shù)十進制小數(shù)并不是都能夠用有限位的其他進制數(shù)精確地表示,這時應根據(jù)精度要求轉換到一定的位數(shù)為止，作為其近似值。如果一個十進制數(shù)既有整數(shù)部分，又有小數(shù)部分，則應將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉換。當前12頁，總共58頁。

非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)

位權法：把各非十進制數(shù)按權展開，然后求和。（10110）2＝1×24＋0×23＋1×22＋1×21＋0×20

＝16＋0＋4＋2＋0＝（22）10（10101.101）2＝1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＋1×2-1+0×2

－2＋1×2－3

＝16＋0＋4＋0＋1＋0.5＋0＋0.125＝（21.625）10（1207）8＝1×83＋2×82＋0×81＋7×80

＝512＋128＋0＋7＝（647）10（1B2E）16＝1×163＋B×162＋2×161＋E×160

＝1×4096＋11×256＋2×16＋14×1＝（6958）10當前13頁，總共58頁。

二進制與八進制之間的轉換

二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每三位為一組（不足三位用0補足），然后將各個三位二進制數(shù)轉換為對應的一位八進制數(shù)。八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位八進制數(shù)轉換為對應的三位二進制數(shù)。（）2＝（010111001010.101101100）2

＝（2712.554）8（456.174）8＝（100101110.001111100）2

＝（100101110.0011111）2當前14頁，總共58頁。

二進制與十六進制之間的轉換二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每四位為一組，不足四位用0補足，然后將各個四位二進制數(shù)轉換為對應的一位十六進制數(shù)。十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位十六進制數(shù)轉換為對應的四位二進制數(shù)。（）2＝（010111001010.10110110）2

＝（5CA.B6）16（1A9F.1BD）16＝（0001101010011111.000110111101）2

＝（）2當前15頁，總共58頁。2.1.2計算機中的數(shù)據(jù)編碼原碼表示法用符號位和數(shù)值表示帶符號數(shù)，正數(shù)的符號位用“0”表示，負數(shù)的符號位用“1”表示，數(shù)值部分用二進制形式表示。反碼表示法正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼為對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反。補碼表示法正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼為對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反，然后在最后一位加1。當前16頁，總共58頁。57的二進制形式為111001。[+57]原=00111001（正數(shù)的原碼最高位為0，數(shù)值位補足7位）[-57]原=10111001（負數(shù)的原碼最高位為1，數(shù)值位補足7位）[+57]反=00111001（正數(shù)的反碼與其原碼相同）[-57]反=11000110（負數(shù)的反碼，符號位不變，數(shù)值位為原碼數(shù)值位取反）[+57]補=00111001（正數(shù)的補碼與其原碼相同）[-57]補=11000111（負數(shù)的補碼在其反碼的末尾加1）當前17頁，總共58頁。字符型數(shù)據(jù)的編碼表示基本含義對于字符型數(shù)據(jù)，沒有相應的轉換規(guī)則可以使用。需要人們規(guī)定出每個字符對應的二進制編碼形式。常用的字符型數(shù)據(jù)編碼BCD碼是一種二－十進制的編碼，使用四位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。十進制數(shù)與BCD碼之間的轉換：可按位（或四位二進制數(shù)組）直接進行。ASCII碼（美國標準信息交換碼的簡稱）使用單字節(jié)表示一個字符，最高位為0，故可表示128個字符。主要用于小型機和微型機。EBCDIC碼（擴展BCD碼）在BCD碼的基礎上，又增加了一些符號和英文字母的表示，八位。主要用于超級計算機和大型計算機。當前18頁，總共58頁。漢字的編碼表示與漢字處理有關的幾種編碼漢字輸入碼拼音：全拼輸入法/紫光輸入法/智能ABC輸入法。字形：五筆字型編碼。

漢字交換碼一個漢字占用2個字節(jié)。區(qū)位碼→國標碼（每字節(jié)只用低7位，最高位0）。漢字機內碼將國標碼每字節(jié)最高位置1，避免與單字節(jié)ASCII碼沖突。漢字字形（輸出）碼機內碼→字形碼用于顯示和打印當前19頁，總共58頁。二進制的算術運算

加法0+0=00+1=11+0=11+1=0（進位）減法0-0=01-0=11-1=00-1=1(借位）乘法0x0=01x0=00x1=01x1=1二進制的邏輯運算

“與”運算(·或?):0·1=01·0=00·0=01·1=1“或”運算(+或?):0+0=00+1=11+0=11+1=1“非”運算(ˉ):Not0=1Not1=0“異或”運算(⊕)：0⊕0=00⊕1=11⊕0=11⊕1=02.1.3二進制的算術運算和邏輯運算當前20頁，總共58頁。2.2計算機系統(tǒng)當前21頁，總共58頁。用戶用戶用戶計算機硬件操作系統(tǒng)應用軟件系統(tǒng)軟件計算機系統(tǒng)的層次結構當前22頁，總共58頁。2.2.1計算機的基本組成及工作原理計算機的基本組成/硬件邏輯圖 1945年美籍匈牙利科學家馮·諾依曼(VonNeumann)提出了一個“存儲程序”的計算機方案。這個方案包含3個要點：采用二進制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令。將指令和數(shù)據(jù)存放在存儲器中。計算機硬件由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部分組成。其工作原理的核心是“程序存儲”和“程序控制”，就是通常所說的“順序存儲程序”概念。我們把按照這一原理設計的計算機稱為“馮·諾依曼型計算機”當前23頁，總共58頁。結果程序數(shù)據(jù)輸入設備輸出設備運算器存儲器控制器計算機硬件結構圖當前24頁，總共58頁。計算機的工作原理運算器用來完成算術運算和邏輯運算。存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序?？刂破饔脕砜刂朴嬎銠C各部分協(xié)調工作。輸入設備用來將數(shù)據(jù)和程序輸入計算機。輸出設備用來將運算結果輸出。當前25頁，總共58頁。2.2.2計算機硬件子系統(tǒng)中央處理器內存儲器外存儲器輸入設備輸出設備主板總線當前26頁，總共58頁。微型計算機硬件體系結構當前27頁，總共58頁。中央處理器基本組成運算器 用來進行算術運算和邏輯運算的元件?？刂破?從存儲器中取出指令、分析指令、確定指令類型并對指令進行譯碼，負責向其他各部件發(fā)出控制信號。寄存器 用來存放當前運算所需的各種操作數(shù)、地址信息、中間結果等內容。當前28頁，總共58頁。主要性能指標字長：對CPU在單位時間內(同一時間)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)叫字長。主頻：也就是CPU的時鐘頻率，簡單地說也就是CPU的工作頻率。一般說來，一個時鐘周期完成的指令數(shù)是固定的，所以主頻越高，CPU的速度也就越快了。外頻：外頻就是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。用公式表示就是：主頻=外頻×倍頻。緩存：緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。當前29頁，總共58頁。內存儲器主要特點斷電后存儲的數(shù)據(jù)丟失。用于存放要執(zhí)行的程序和相應的數(shù)據(jù)。常用的內存種類隨機存儲器（RAM）只讀存儲器（ROM）高速緩存（Cache）存儲容量表示1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B。當前30頁，總共58頁。內存儲器隨機存儲器靜態(tài)隨機存儲器（StaticRAM，SRAM）特點是工作速度快，只要電源不撤除，寫入SRAM的信息就不會消失，不需要刷新電路，同時在讀出時不破壞原來存放的信息，一經(jīng)寫入可多次讀出，但集成度較低，功耗較大。SRAM一般用來作為計算機中的高速緩沖存儲器(Cache)。

動態(tài)隨機存儲器（DynamicRAM，DRAM）特點是讀寫速度較慢，集成度較高，功耗也較低，但缺點是保存在DRAM中的信息隨著電容器的漏電而會逐漸消失，一般信息保存時間為2ms左右。為了保存DRAM中的信息，必須每隔1～2ms對其刷新一次。因此，采用DRAM的計算機必須配置動態(tài)刷新電路，防止信息丟失。DRAM一般用作計算機中的主存儲器。當前31頁，總共58頁。內存儲器只讀存儲器可編程只讀存儲器（ProgrammableROM，PROM）可擦可編程只讀存儲器（ErasableProgrammableROM，EPROM）電可擦可編程只讀存儲器（ElectricallyErasableProgrammableROM，EEPROM）快閃存儲器當前32頁，總共58頁。內存儲器高速緩存存儲容量不大，存取速度很快。直接集成在CPU內部用于存放部分正在運行的程序和數(shù)據(jù)由靜態(tài)存儲器構成。常用的容量為128KB/256KB/512KB。當前33頁，總共58頁。外存儲器主要特點斷電后存儲的數(shù)據(jù)不丟失。作為內存的后援設備，存放暫時不執(zhí)行而將來要執(zhí)行的程序和相應的數(shù)據(jù)。常用的外存種類硬盤（HardDisk）光盤（CompactDisc）U盤（USB接口盤）當前34頁，總共58頁。外存儲器硬盤一個硬盤可以有多張硬質鍍磁盤片。硬盤的存儲容量計算公式：

磁頭數(shù)×柱面數(shù)×每磁道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)。硬盤與硬盤驅動器是封裝在一起的。巨磁阻效應的發(fā)現(xiàn)催生了大容量的小體積硬盤，巨磁阻效應的發(fā)現(xiàn)者榮獲2007年諾貝爾物理學獎。當前35頁，總共58頁。當前36頁，總共58頁。外存儲器光盤：根據(jù)激光照射后反射的不同表示不同信息。CD（CompactDisc）。VCD（VideoCD）：可存儲70分鐘的MPEG-1影視節(jié)目。DVD（DigitalVersatileDisk，數(shù)字通用光盤）。光盤的使用要有光盤驅動器的配合。當前37頁，總共58頁。外存儲器U盤/優(yōu)盤通過USB接口與計算機相連，傳輸速度快/使用方便/支持熱插拔/連接靈活。是一種基于閃存技術的移動存儲設備，用FlashEPROM芯片來存儲數(shù)據(jù)。廣泛應用于MP3/MP4/數(shù)碼相機/數(shù)碼攝像機/手機/個人數(shù)字助理的各種閃存卡都是基于閃存技術的存儲設備。當前38頁，總共58頁。外存儲器存儲器的層次結構存儲器的指標主要有存取速度、存儲容量和單位價格。存取速度快、單位價格高的存儲器容量少一些。存取速度慢、單位價格低的存儲器容量多一些。存儲容量從小到大形成如下層次：

寄存器。高速緩存。主存儲器/內存。輔助存儲器/外存。當前39頁，總共58頁。輸入設備鍵盤（Keyboard）鼠標（Mouse）掃描儀（Scanner）跟蹤球（TrackBall）觸摸屏（TouchScreen）當前40頁，總共58頁。輸出設備顯示器（DisplayDevice）打印機（Printer）繪圖儀（Plotter）當前41頁，總共58頁。輸出設備顯示器：用來顯示字符與圖形信息。CRT（CathodeRayTube，CRT）顯示器。液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）。當前42頁，總共58頁。輸出設備顯示器的性能指標

顯示色彩：分為單色顯示器和彩色顯示器。屏幕尺寸：顯示器對角線長度，常見的顯示器有15/17/19/21英寸等。點距：屏幕上的相鄰像素點之間的距離。分辨率：屏幕上可以容納的像素點的個數(shù)，顏色深度：計算機中表示色彩的二進制位數(shù)。刷新頻率：每秒鐘內屏幕畫面刷新的次數(shù)。當前43頁，總共58頁。輸出設備打印機：用于將計算機運行結果打印在紙上。針式打印機。激光打印機。噴墨打印機。當前44頁，總共58頁。主板主要功能

提供插接各種功能卡的插槽。各種常用外部設備提供通用接口。當前45頁，總共58頁。主板主要組成部分

芯片擴展槽當前46頁，總共58頁。當前47頁，總共58頁。2.2.6主板主要組成部分對外接口當前48頁，總共58頁?？偩€主要作用多個功能部件共享的信息傳輸線稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，使用統(tǒng)一的總線標準，不同設備間互連將更容易實現(xiàn)。CPU內部的總線為內部總線，連接微型計算機系統(tǒng)各部件的總線稱為外部總線?？偩€分類數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線當前49頁，總共58頁?？偩€結構圖

1．地址總線地址總線是單向的。地址總線的位數(shù)決定了CPU的尋址能力，也決定了微型機的最大內存容量。

2．數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線的傳輸方向是雙向的，是CPU與存儲器、CPU與I/O接口之間的雙向傳輸。

3．控制總線控制總線是CPU對外圍芯片和I/O接口的控制以及這些接口芯片對CPU的應答、請求等信號組成的總線。

當前50頁，總共58頁?？偩€當前51頁，總共58頁。2.2.3計算機軟件子系統(tǒng)系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)程序設計語言數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)網(wǎng)絡管理軟件系統(tǒng)服務程序當前52頁，總共58頁。程序設計語言的一些概念機