计算机系统的基础知识.ppt

,本章要点与学习要求： 计算机产生、发展和应用 （了解） 计算机的基本组成 （掌握） 进位制数及其相互转换 （熟悉） 二进制数定点及浮点表示 （掌握） 二进制数原码反码及补码 （掌握） 计算机常用编码 （熟悉） 补码加减运算 （掌握） 常用逻辑运算 （掌握） 逻辑代数的初步知识 （掌握） 基本逻辑电路和逻辑元件 （了解）,教学目的： 了解计算机的产生、发展和应用 教学重点： 计算机的发展,1.1 计算机发展概述,教学 引入,现在，计算机在我们的日常生活中无处不在，你了解计算机的发展史吗？,返 回,1.1.1 计算机的产生,计算机与一般计算工具的差别 存储器的大小 运算能力 定义 电子计算机是一种能按预先存储的程序，对以数字形式出现的信息进行处理的电子装置。,1.1 计算机发展概述 P1,上一页,返 回,下一页,结绳计数是计算机的“远古史” 算筹是计算机的“古代史” 中国算盘,与计算机诞生有关技术的发展,1. 从筹算到算盘,上一页,返 回,下一页,1614年，耐普尔利用对数原理制造一台乘法机。奥托里把对数刻在木板上，后发展为现在的计算尺。 1642年，法国数学家布莱斯帕斯卡发明简易机械计算机。 1671年，德国数学家莱布尼茨把帕斯卡机器加以改进, 使它既可以做加减法，又可以做乘除法运算。,圆柱型对数计算尺,帕斯卡,帕斯卡加法器,2. 机械计算器,上一页,返 回,下一页,1820年，英格兰的查尔斯巴贝奇设计了“差分机” (计算机之父） 英国数学家乔治布尔1854年提出符号逻辑 （布尔代数） 20世纪30年代末期，英国数学家艾伦图灵描述了假想机器（图灵机） 20世纪30年代后期，艾肯和IBM公司的工程师小组完成了“ Mark I”,布 尔,巴贝奇,Mark,第一台差分机,2. 机械计算器（续）,上一页,返 回,下一页,ENIAC是世界公认的第一台通用电子数字计算机。 1946年2月由美国宾州大学的莫克利和埃克特研制； 18000多个电子管、1500多个继电器、占地170平方米、重量30吨、计算速度5千次/秒；每次至多只能存储20个十进制数； 弱点：存储容量小，尚未采用“程序存储”方式；电子管太多,第一台数字电子计算机 P1,上一页,返 回,下一页,图灵对现代计算机贡献：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。 冯诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯诺依曼结构。 整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成； 采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的 操作； 采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。,冯.诺依曼,图 灵,现代计算机发展的杰出人物 P1,上一页,返 回,下一页,所谓现代计算机是指采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术。 以构成计算机硬件的逻辑元件为标志，大致经历了从电子管、晶体管、中小规模集成电子路到大规模超大规模集电路计算机等四个发展阶段。,1.1.2 计算机的发展 P2,上一页,返 回,下一页,课堂交互,现代计算机与微型机划分的标准有什么不同？,现代计算机：电子器件不同 微型机：微处理器的位数,上一页,返 回,下一页,特点 采用电子管作为逻辑开关元件； 存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等； 外部设备采用纸带、卡片、磁带等； 使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统； 体积庞大 、笨重 、耗电多、 可靠性差、 速度慢、 维护困难 。 典型机器 ENIAC、EDVAC、UNIVAC、IBM 701、IBM 650 应用 科学计算,1. 第一代电子计算机,上一页,返 回,下一页,特点 使用半导体晶体管作为逻辑开关元件； 使用磁芯作为主存储器，辅助存储器采用磁盘和磁带； 输入输出方式有了很大改进； 开始使用操作系统，有了各种计算机高级语言； 体积减小、重量减轻、耗电量减少、速度加快、可靠性增强 。 典型机器 IBM 的7090、7094、7040、7044 应用 数据处理、工业控制、科学计算,2. 第二代电子计算机,上一页,返 回,下一页,特点 使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件； 开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主； 外部设备种类和品种增加； 开始走向系列化、通用化和标准化； 操作系统进一步完善，高级语言数量增多； 计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高。 典型机器 IBM 370系列、 IBM 360系列、富士通F230系列等。 应用 系统模拟、系统设计、大型科学计算、科技工程各领域。,3. 第三代电子计算机,上一页,返 回,下一页,特点 使用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件； 主存采用半导体存储器，辅存采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘； 外部设备有了很大发展，开始采用光字符阅读器（OCR）,扫描仪、激光打印机和各种绘图仪； 操作系统不断发展和完善，数据库管理系统进一步发展。 计算机的体积、重量、功耗进一步减小，运算速度、存储容量、可靠性等大幅度提高。 典型机器 IBM的4300系列、3080系列、3090系列，以及IBM 9000系列 应用 事务处理、智能模拟、普及到社会生活各个方面,4. 第四代电子计算机,上一页,返 回,下一页,人工智能（AI）：是研究如何用人工的方法和技术来模仿、延伸和扩展人的智能，以实现某些“机器思维”或脑力劳动自动化的一门学科。 第五代计算机系统（FGCS:): 就是智能计算机系统，智能计算机由以下几个部分组成： 知识库（KB:Knowledge Bank） 知识库计算机(KBM:Knowledge Bank Machine） 知识库管理系统(KBMS) 问题求解和推理机 智能接口系统 应用系统,5. 人工智能和第五代电子计算机,上一页,返 回,下一页,工作原理 数字计算机（Digital Computer） 模拟计算机 (Analog Computer) 混合计算机 (Hybrid computer) 应用领域 通用计算机 (General Purpose Computer) 专用计算机 (Special Purpose Computer),计 算 机 分 类,上一页,返 回,下一页,综合性能指标 巨型机 （Super Computer） 大型机 （Main Frame Computer） 小型机（MiniComputer） 微型机（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服务器（Server） 网络计算机 （Net Computer）,巨型机(Super computer)又称超级计算机，它的价格昂贵、功能强大，多用于战略武器、空间技术、石油勘探、天气预报、社会模拟等。 两个方向发展 开发高性能器件，缩短时钟周期，提高单机性能 采用多处理器结构，提高机器性能，用于尖端领域，代表国家的计算机科学水平。 典型巨型计算机 如美国的ILLIAC-IV型计算机（每秒1.5亿次）、CRAY-1型计算机（每秒1亿次）。 “银河”系列计算机和“曙光一号”并行计算机等，标志着我国是世界上少数几个能独立研制出巨型机的国家之一。,巨 型 机,上一页,返 回,下一页,运算速度可达5000亿次的“神威”计算机,上一页,返 回,下一页,微型计算机的发展 P23,微型计算机的分代是以微处理器的位数为依据，分四代： 第一代微型计算机 第二代微型计算机 第三代微型计算机 第四代微型计算机,上一页,返 回,下一页,特点 字长：4位/8位 芯片集成度（晶体管数目/片）：12002000 时钟频率：0.50.8MHz 基本指令执行时间：1015S 地址总线：4/8条 CPU举例,4004,1. 第一代微型计算机（19711973）,上一页,返 回,下一页,特点 字长：8位 芯片集成度（晶体管数目/片）：50009000 时钟频率：12.5MHz 基本指令执行时间：12S 地址总线：16条 微处理器（CPU）举例 Intel 8080、Intel 8085、M6800、Z-80,8080,2. 第二代微型计算机（19741977）,上一页,返 回,下一页,特点 字长：16位 芯片集成度（晶体管数目/片）：2万7万 时钟频率：510MHz 基本指令执行时间：0.40.75S 地址总线：20/24条 微处理器（CPU）举例： Intel 8086、Intel 8088 、Intel 80286、M68000,3. 第三代微型计算机（19781981）,上一页,返 回,下一页,特点 字长：32/64位 芯片集成度（晶体管数目/片）：10万以上 时钟频率：25 150MHz 基本指令执行时间：0.125S 地址总线：24/32条 微处理器（CPU）举例 Intel 80386、Intel 80486、奔腾系列等,4. 第四代微型计算机（20世纪80年代初期至中期）,上一页,返 回,下一页,笔记本电脑：一种体积更小、重量更轻的便携式微型机 单片计算机：微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，也称单片微型计算机，简称单片机。 单片机的发展历史可分为三个阶段： 初级单片机阶段（1976-1978） 高性能单片机阶段（1978年以后） 16位单片机推出阶段（1982年以后）,其他微型计算机（20世纪80年代中后期）,上一页,返 回,下一页,综合化、智能化 网络化、高速化、整体化、协同化 多样化、大众化 微小化、低能耗、低污染、缩微化、绿色化 商品化 集成化、 高效化,上一页,返 回,下一页,1.1.3 计算机应用的发展趋势 P67,课堂 交互,按计算机采用的电子器件来划分计算机的发展，经历了（ ）代。 A）4 B）6 C）7 D）3,分析：按计算机采用的电子器件来划分，计算机的发展经历了四代。,结论：答案应选 A）,上一页,返 回,下一页,教学小结,计算机的定义 与计算机诞生有关的技术的发展 现代计算机的发展 微型计算机的发展 计算机的特点 计算机的应用,上一页,返 回,下一页,作 业,P43 1 1冯诺依曼计算机的主要特征是什么？ 补充：计算机和微型计算机分别是根据什么划代的？计算机和微型计算机这几代各是什么？,教学目的 掌握计算机系统的组成成分及各组成成分的功能 了解计算机的工作过程。 教学重点 计算机硬件组成及各部分功能,1.2 计算机的基本组成及工作原理,教学 引入,现在，我们已经了解计算机的发展，那么计算机的内部有哪些部件组成？,返 回,1.2.1 计算机的基本组成 P7,上一页,返 回,下一页,负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处理,实现记忆功能的部件用来存放计算程序及参与运算的各种数据。,存储器,运算器,控制器,输入设备,实现计算程序和原始数据的输入,负责对程序规定的控制信息进行分析、控制并协调输入、输出操作或内存访问,1.2.1 计算机的基本组成 P7,输出设备,实现计算结果的输出,上一页,返 回,下一页,结果 数据,中央处理器,取数 存数,输 入 设 备,输 出 设 备,外 存 储 器,内存储器,运算器,控 制 器,程序 数据,外设,主 机,上一页,返 回,下一页,冯诺依曼型计算机两大特征： 程序存储 采用二进制,微型计算机的组成框图 P8,上一页,返 回,下一页,指令 定义：能够被计算机识别的命令，是对计算机进行程序控制的最小单位 组成： 操作码：计算机应该执行的某种操作的性质和功能； 地址码：被操作的数据存放在何处，即指明操作数的地址 程序 是由完成某一特定任务的一组指令所组成。 机器指令 计算机执行某种操作的指令，它们全部由0和1这样的二进制编码组成，其操作通过硬件逻辑电路实现。,1.2.2 计算机的基本工作原理 P9,上一页,返 回,下一页,输出设备,执行结果,程序数据,先编写出完成这一算题的计算程序；,结束指令,输入设备,内存储器,微处理器,地址/指令/数据,分析指令,取指令,执行指令,其他指令,CPU工作过程,程序和数据送入计算机内存；,控制器从存储器中取指令；,控制器分析、执行指令，为取下一条指令做准备；,取下一条指令，分析执行，如此重复操作，直至执行完程序中 的全部指令，便可获得最终结果。,计算机的工作过程,计算机的自动计算过程就是执行一段预先编制好的计算程序的过程； 计算程序是指令的有序集合。 指令的逐条执行是由计算机的硬件实现的，可归结为取指令、分析指令、执行指令所规定的操作，并为取下一条指令准备好指令地址。,1.2.2 计算机的基本工作原理 P11,动画演示,上一页,返 回,下一页,教学小结,计算机系统的组成 计算机硬件及各部分的功能 计算机的工作过程,作 业,P 43 4,教学目的 学习计算机中数据信息的表示方式和各种表示方式之间的内在联系、二进制的定点与浮点表示及其原码反码补码表示、计算机中非数值数据的编码，使大家对数值数据的表示方式有所了解。 教学重点 不同进制数之间的转换 二进制数的原码、反码及补码表示 字符编码,1.3 数制与编码,教学 引入,计算机可以处理各种各样的数据，如文本、图像、声音、动画等，那么这些信息在计算机内部是如何保存的？,返 回,按值表示,要求在选定的进位制中正确地表示出数值，包括数字符号、小数点位置及正负符号等。,表示数据信息的两种基本方法,1,上一页,返 回,下一页,1. 特点 ： 10个有序的数字符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,其中：“十” 为进位基数(Base / Radix)，, “逢十进一”的计数规则, 小数点符号：“.”,2. 表示法 ：并列表示法 Positional Notation 多项式表示法 Polynomial Notation,简称基数( R )。,十 进 制 数,上一页,返 回,下一页,例：十进制数 1 2 3 4 5 . 6 7 8 0 9,104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5,如上所示，处在不同位置的数字具有不同的“权”，并列计数法，也称位置表示法。,万 千 百 十 个位 位 位 位 位,十 百 千 万 十万分 分 分 分 分 位 位 位 位 位,并列表示法,上一页,返 回,下一页,多项式表示法 将并列式按“权” 展开为按权展开式，称为多项式表示法。 如下例：,12345.67809 = 1104 + 2103 + 3102 + 4101 + 510 0 + 610-1 + 710-2 + 810-3 + 0 10-4 + 910 - 5,上一页,返 回,下一页,进位制数 所谓“数制”，即各种进位计数制。 在R进制中，具有R个数字符号，它们是0，1，2，（R-1） 在R进制中，由低位向高位是按“逢R进一“的规则进行计数。 R进制的基数（base）是 R，R进制数的第i位的权(weight)为“Ri”，并约定整数最低位的位序号i=0（i=n,2，1，0，-1， -2）。 小数点右移一位扩大倍，左移一位缩小为原来的1/倍。,1.3.1 进位制数及其相互转换 P12,上一页,返 回,下一页,不同数制特点,进位计数制方式:每种数制使用数码个数R称为基数，进位计数制编码符合“逢R进位”规则。 位权表示法:数制中每一固定位置对应的单位值称为权，处于不同位置数码代表的值与它所在位置权值有关。,1,1.3.1 进位制数及其相互转换（续）,上一页,返 回,下一页,进位制,二进制,八进制,十进制,十 六 进 制,规 则,基 数,数 码,权,形式表示,逢二进一,R=2,0,1,2i,B,逢八进一,R=8,0,1,2,7,8i,Q,逢十进一,R=10,0,1,2, ,9,10i,D,逢十六进一,R=16,0,1,9,A,B,C,D,E,F,16i,H,计算机中常用进制数的表示,上一页,返 回,下一页,使用按权相加法，即将各位进制数码与它对应的权相乘，其积相加，和数即为与该R进制数相对应的十进制数。,整数的转换:采用除R取余法。从最后一次除得余数读起（即从高位到低位）。 小数部分的转换:采用乘R取整法，将所得小数从第一次乘得整数读起，就是这个十进制小数所对应的R进制小数,R进制数十进制数,十进制数R进制数,不同数制之间的转换 P13,上一页,返 回,下一页,分析：使用按权相加法，即将各位进制数码与它对应的权相乘，其积相加，和数即为与该R进制数相对应的十进制数。,(1100101.101)2=126+125+024+023+122+021+120+12-1 + 02-2 + 12-3,=64+32+0+0+4+0+1+0.5+0.125 =（101.625）10,即 （1100101.101）2=（101.625）10,例1：求（1100101.101）2 的等值十进制数。,上一页,返 回,下一页,33,解:先求（66）10等值二进制数 余数 2 66,即（66）10=（1000010) 2,再求小数部分 积的整数部分 0.6252=1.250 1,0.2502=0.500 0 0.5002=1.000 1,即(0.625)10=(0.101)2,所以： (66.625）10=(1000010.101）2,注意：十进制小数不一定都能转换成完全等值的二进制小数，所以有时要取近似值，有换算误差存在。,0,16,8,4,2,1,0,1,0,0,0,0,1,例2：求（66.625）10等值二进制数,分析：将此数分成整数和小数两部分分别转换，然后再拼接起来。,上一页,返 回,下一页,二进制、八进制、十六进制间转换,二进制数八进制数 “三位并一位” 以小数点为基准，整数部分从右至左，每三位一组，最高位不足三位时，添0补足三位； 小数部分从左至右，每三位一组最低有效位不足三位时，添0补足三位。 各组三位二进制数按22，21，20权展开后相加， 得到一个八进制数,八进制数二进制数 “一位拆三位” 把一位八进制写成对应的三位二进制，然后按权连接即可,二进制数十六进制数 “四位并一位” 以小数点为基准，整数部分从右至左，每四位一组，最高位不足四位时，添0补足四位； 小数部分从左至右，每四位一组最低有效位不足四位时，添0补足四位。 各组四位二进制数按23, 22，21，20权展开后相加， 得到一个十六进制数,十六进制数二进制数 “一位拆四位” 把一位十六进制写成对应的四位二进制，然后按权连接即可,上一页,返 回,下一页,解： 001 010 111 011 . 001 011 100 1 2 7 3 . 1 3 4,即： (1010111011.0010111)2=(1273.134)8,例3：将（1010111011.0010111)2 转换 为八进制数,分析：按照“三位并一位”的原则，对二进制数进行处理。,例4：将（2754.41)8转换成二进制数,分析：按照“一位拆三位”的原则，对八进制数进行处理。,解： 2 7 5 4 . 4 1 010 111 101 100 . 100 001,即：（2754.41)8=(10111101100.100001)2,上一页,返 回,下一页,解： 0010 1101 0101 0111 0100 2 D 5 . 7 4,即： （1011010101.011101)2=(2D5.74)16,例5：将（1011010101.011101)2转换成十六进制数,分析：按照“四位并一位”的原则，对二进制数进行处理。,例6：将（5A0B.0C)16转换成二进制数,分析：按照“一位拆四位”的原则，对八进制数进行处理。,解： 5 A 0 B 0 C 0101 1010 0000 1011 . 0000 1100,即：（5A0B.0C)16=(101101000001011.000011)2,上一页,返 回,下一页,2. 二进制数的定点表示 P15,概念,指计算机中的小数点位置固定不变的数的表示方式。,功能,分类,定点整数：小数点固定在数的最低位之后。设字长为位，能表示的数值范围为： 00000000-01111111 即0-（7） 定点小数：小数点固定在数的最高位之前。设字长为位，能表示的范围为： 0.00000000.1111111 即0-（1- -7 ）,上一页,返 回,下一页,浮点表示法: 指计算机中的小数点位置不是固定的，或者说是“浮动” 的 数的表示方式：通过阶码和尾数表示： N=2E (S) E称为阶码，它是一个二进制正整数 ； E前的为阶码的符号，称为阶符（Ef）； S称为尾数，它是一个二进制正小数 ； S前的为尾数的符号，称为尾符(Sf) ； “”是阶码E的底数。,二进制数的浮点表示 P16,上一页,返 回,下一页,例：10101.101表示为：1.01011012100 也可表示为：0.101011012101 规格化浮点数：小数点后第一位数不为0。 如上例的0.101011012101 即为规格化浮点数,浮点数的表示,阶码,尾数,阶符,尾符,例：二进制数101.1和10.11的规格化浮点表示形式为 (设字长为8位),上一页,返 回,下一页,真值,一个数的正号用”+”表示；负号用”-”表示，即为该数的真值。例如：十进制数+13.5二进制的真值为+1101.1;十进制数-13.5二进制的真值为-1101.1,机器数,以0表示正数的符号，以1表示负数的符号，并且每一位的数值也用0和1表示之后，这样的数叫机器数，有时也叫做机器码,符号化 好处,可以方便的存储；在做乘法或除法时，把数的符号位按位相加后，就得到结果的符号位。其规则是正数乘正数，符号按位相加得0；正数乘负数，符号按位相加得 1；负数乘负数，符号按位相加得0。,3. 二进制的原码、反码及补码表示 P17,数符（+/-）+ 尾数（数值的绝对值）,符号（+/-）数码化； 最高位：“0”表示“+”， “1”表示“-,机器数的分类 原码、反码、补码,上一页,返 回,下一页,原码是一种机器数。数的原码表示是在机器中用符号位的0和1表示数的正号和负号，而其余位表示数的本身。 对于正数，X=+Xn-2Xn-3X0，则原码为： X原=0Xn-2Xn-3X0 对于负数，X=-Xn-2Xn-3X0，则原码为： X原=1Xn-2Xn-3X0 原码表示法的特点: 优点:简单易懂，与真值的转换方便。 缺点:异号相加时机器首先应判断数的符号，然后比较两数的绝对值，增加了机器的复杂程度。,符号位+尾数部分（真值）,原码表示法,上一页,返 回,下一页,表示方法 对于正数其反码与原码相同；对于X=+Xn-2Xn-3X0，则反码为：X反=0Xn-2Xn-3X0 对于负的二进制数，符号位不变，数值各位取反，即 0变为，l变为0。对于X=-Xn-2Xn-3X0，则反码为X反=1 特点: 在计算机中容易实现，如触发器，一边表示原码，另一边表示反码。,正数：尾数部分与真值形式相同； 负数：尾数为真值数值部分按位取反,反码表示法,上一页,返 回,下一页,（+4）称为（8）对12的补码， 数学公式表示为： 8+4（mod 12),什么是补码？,上一页,返 回,下一页,表示方法 对于正数其补码与原码相同；对于X=+Xn-2Xn-3X0，则补码为： X补=0Xn-2Xn-3 X0 对于负数,除了符号位之外数值各位取反，末尾位加1。对于X=Xn-2Xn-3X0，则补码为： X补=1 +1 特点: 负数用补码表示时，可把减法转化成加法，可以用加法器实现减法，简便、经济,正数：尾数部分与真值形式相同； 负数：尾数为真值数值部分按位取反加1,补 码 表 示 法,上一页,返 回,下一页,X = + 90 (十进制真值) = + 1011010 (二进制真值) 设字长为8位 X原 = 0 1011010 X反 = 0 1011010 X补 = 0 1011010 正数的符号位为0 ，其原码、反码和补码的形式是完全一致的。,X = - 90 (十进制真值) = - 1011010 (二进制真值) 设字长为8位 X原 = 1 1011010 X反 = 1 0100101 X补 = 1 0100110 负数的符号位为1，原码数值部分是该数绝对值的二进制表示，反码数值部分是原码各位变反，补码的数值部分是在反码的基础上加1。,(1)定点整数机器码,X = + 0.8125(十进制真值) = 2-1 + 2-2 + 2-4 = 0.1101 (二进制真值) 设字长为8位 X原 = 0 1101000 X反 = 0 1101000 X补 = 0 1101000 正数，其原码、反码和补码的形式是完全一致的。,(2)定点小数机器码,X = - 0.8125(十进制真值) = - （2-1+ 2-2 + 2-4 ） = - 0.1101 (二进制真值) 设字长为8位 X原 = 1 1101000 X反 = 1 0010111 X补 = 1 0011000 负数的符号位为1，原码数值部分是该数绝对值的二进制表示、反码数值部分是原码各位变反，补码的数值部分是在反码的基础上加1。,浮点数机器码 例：设字长为32位，其中，阶为8位补码，尾数为24位原码，求二进制数0.000101011101的浮点规格化数表示形式,解：0.000101011101 = 0.101011101 10 -11 则0.000101011.101的浮点表示形式如下： 11111101 010101110100000000000000,符号、S 0、1 数值位不变,原码、反码和补码间关系,x 真值,x原,x反,x补,S 不变，数值位,不变(S=0),变反(S=1),S 不变，数值位,不变(S=0),变反后加1(S=1),注：S表示符号位,记住规律,上一页,返 回,下一页,例7：已知计算机字长为8位，试写出二进制101010和101010的机器中表示的原码、反码和补码。 解：设该机器采用定点整数表示,则其真值形式为: X=+0101010 Y=-0101010 原 = 反 = 补 =00101010 Y原 = 10101010 Y反 = 11010101 Y补 =11010110,原码、反码、补码应用举例,上一页,返 回,下一页,例8：已知X补101101，求真值X 解：先由X补求出X反，则得: X反= X补11011011101100 X反的符号位为1，故其所对应的真值为负， 且数值为X反的各位取反，即： X反 101100 X -10011,原码、反码、补码应用举例,上一页,返 回,下一页,K（kilobyte） 字节 1KB =210B=1024 Byte M（megabyte）字节 1MB = 220B=1024 KB G（gigabyte） 字节 1GB = 230B=1024 MB T（terabyte）字节 1TB = 240B=1024GB,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+ 24+ 22+ 20,=149,信息的存储单位,上一页,返 回,下一页,什么是编码？ 所谓编码（code）,是指按一定规则组合而成二进制数码序列来表示数字字符或其他符号。 计算机中常用的编码有十进制编码(BCD码）、可靠性编码（校验码）、字符编码、操作编码及汉字编码等。,4.数据的编码表示 P18,上一页,返 回,下一页,用四位二进制代码对一位十进制数进行编码，它既具有二进制码的形式(四位二进制码)，又有十进制数的特点(每四位二进制码是一位十进制数)。 例1:（931）10=（？）BCD 解: （ 9 3 1)10 = (1001 0011 0001)BCD,BCD码（二十进制码）P18,上一页,返 回,下一页,十进制数与BCD码的对照表,上一页,返 回,下一页,目的：解决代码在形成或传输过程中可能会发生的错误，提高系统的安全性 方法： 使代码自身具有一种特征或能力 增加信息位之间的运算，如异或运算 增加校验位 作用： 不易出错 若出错时易发现错误 出错时易查错且易纠错 分类: 格雷码、奇偶校验码和海明码等。,可靠性编码（校验码）,上一页,返 回,下一页,格雷码,任何两个相邻的代码只有1个二进制位的状态不同其余的二进制位必须相同。这种编码的好处是从一个编码变到下一个相邻的编码的时候，只有一位的状态发生变化,海明码,一种既能检测出错位并能校正出错位的可靠性代码,奇偶 校验码,它由若干信息位加一个校验位所组成，其中校验位的取值将使整个代码中“1”的个数为奇数或偶数。若“1”的个数为奇数，则称奇校验码；否则称偶校验码,可靠性编码分类,上一页,返 回,下一页,奇偶校验码示例,上一页,返 回,下一页,对文字和符号进行编码的二进制代码称为字符代码 计算机中常用的字符编码有： ASCII编码：用一个字节表示，最高位置0，只用低七位，收集了128个字符和符号。当ASCII码的最高位取1时，又可表示128个字符，这种编码称为扩展ASCII码，主要是一些制表符。 EBCDIC码：主要用在大型机器中，采用8位二进制编码，有256个编码状态，但只选用其中一部分,1.3.2 字 符 的表示 P19,上一页,返 回,下一页,ASCII 码 表 P1920,上一页,返 回,下一页,课堂交互,问题1：Grid的ASCII码分别是多少？,上一页,返 回,下一页,问题2：负九点五用二进制码(按值表示)是多少？ 用ASCII码(按形表示)是多少?,字符代码化（输入）,字形码,汉字信息的输入（汉字输入码） 汉字信息的加工（把汉字输入码转换成汉字内码才可加工处理） 汉字的输出（只有汉字的字形码才能在屏幕上显示和打印机输出）。,2中文字符 P20,汉字的输入码( 外码),数字编码：如电报码或国家标准GB2312-80规定的汉字交换码（国标、区位码）来输入汉字都是数字编码。数字编码法不会产生重码，但难以记忆，不易推广,字音编码：一种基于汉语拼音的编码方法。由于同音字很多，因此这种编码方法会产生很多重码,字形编码：根据汉字的字形而给出 编码方法。把汉字分解为字根、部首、偏旁、笔划等基本单位，每一种基本单位与键盘上的一个键相对应，从而构成一个汉字的编码。这种输入法不易记忆，但具有重码少，输入速度快等优点。,形音编码：形音编码法吸取字音编码和字形编码两种编码的特点，使编码规则简单，重码少。,上一页,返 回,下一页,国标码：是国家规定的用于汉字信息处理使用的代码的依据。国标码是双字节代码，国标码中的每个字符用两个字节进行编码，每个字节的低7位表示信息，最高位为0。 汉字机内码：是供计算机系统内部进行存储、加工处理传输统一使用的代码。目前使用最广泛的是变形的国标码 将GB231280 交换码的两个字节的最高位分别置为1而得到的。,汉字的机内码 P20,上一页,返 回,下一页,交换码：用于汉字外码和内部码的交换。 汉字字形码：是指汉字字形点阵的代码， 用于汉字的显示和打印。目前汉字字形的产生方式大多是数字式，即以点阵方式形成汉字。 汉字字库：是汉字字形数字化后， 以二进制文件形式存储在存储器中而形成的汉字字模库。 软汉字字库：汉字字库文件存储在软盘或硬盘中。 硬汉字字库：亦称汉卡，汉字字库存储在汉卡中，将汉卡安装在机器的扩展槽中。,汉 字 编 码 P20,上一页,返 回,下一页,1234567890123456 00000001100000001 00000001100000002 00000001100000003 11000001100000114 11111111111111115 11000001100000116 11000001100000117 11000001100000118 11111111111111119 11000001100000110 00000001100000001 00000001100000002 00000001100000003 00000001100000004 00000001100000005 00000001100000006,汉 字 字 形 码,上一页,返 回,下一页,课堂交互,问题：存储3232点阵的一个汉字的字形码需要多少存储空间？,上一页,返 回,下一页,声音是一种连续的随时间变化的波，即声波。用连续波形表示声音的信息，称为模拟信息。 声音在计算机内表示时需要把声波数字化，又称量化。 在每一固定的时间间隔里对声波进行采样，采得的波形称为样本，再把样本（振幅的高度）量化成二进制代码存储在机内。这个过程称为声音的离散化或数字化，也称模/数转换。 反之，将声音输出时，要进行逆向转换，即数/模转换。 常用的声音文件扩展名为.wav，.au，.voc和.mp3,1.3.3 声音信息的表示 P21,上一页,返 回,下一页,颜色表示法:在计算机中，用RGB值来表示颜色。 数字化图像和图形 位图图像：计算机通过指定每个独立的点（或像素）在屏幕上的位置来存储位图图像。位图图像文件的扩展名为.bmp，.pcx，.tif，.jpg和.gif。 矢量图形：由一串可重构图形指令构成。矢量图形文件的扩展名为.wmf，.dxf，.mgx和.cgm。 矢量图形与位图图像相比，有以下优点： 矢量图形占用的存储空间小。矢量图形的存储依赖于图形的复杂性，图形中的线条、图形、填充模式越多，所需要的存储空间越大。 使用矢量图形软件，可以方便地修改图形。可以把矢量图形的一部分当作一个独立的对象，单独地加以拉伸、缩小、移动和删除。,1.3.4 图像和图形信息的表示 P21,上一页,返 回,下一页,动画：其每一幅画面都是通过一些工具软件对图像素材进行编辑制作而成。它是用人工合成的方法对真实世界的一种模拟。 视频：对视频信号源（如电视机、摄像机等）经过采样和数字化处理后保存下来的信息。视频影像是对真实世界的记录。 视频文件的扩展名为.avi，.mpg。,1.3.5 视频信息的表示 P22,上一页,返 回,下一页,教学小结,进位制数及其相互转换 二进制数的定点和浮点表示 二进制数的原码、反码及补码表示 字符编码（ASCII、BCD）和校验码（奇偶校验码） 汉字的编码（国标码、机内码输入码、字形码）,作 业,P4344 7、8、11、12、13,教学目的 本讲主要介绍二进制与十进制的算术运算以及二进制的逻辑运算的基本知识，通过本讲的学习使大家对计算机中的基本运算方法有所了解。 教学重点 二进制补码运算 二进制的逻辑运算,1.4 运算基础,教学引入,1+1=2 1+1=10 1+1=1,?,返 回,计算机中的基本运算 算术运算：包括加、减、乘、除等四则运算 逻辑运算：包括逻辑乘、逻辑加、逻辑非及逻辑异或等运算 运算规则： 、 加法规则：0 + 0 = 0 0 + 1= 1+ 0 =1 1 + 1= 0 减法规则：00 = 0 10 =1 11=0 01= 1 乘法规则：00 = 0 01=10 = 0 11= 1 除法规则：01= 0 11= 1 ( 0不能作除数 ),1.4.1 二进制的四则运算 P23,上一页,返 回,下一页,例9. （1010）2+（0101）2=（？）2 1 0 1 0 + 0 1 0 1 1 1 1 1,10 + 5 15,二进制数的加法运算,上一页,返 回,下一页,例10. （1110）2 （1001）2=（？）2 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1,14 9 5,二进制数的减法运算,上一页,返 回,下一页,例11. （1100）2（1001）2=（？）2 被乘数 1 1 0 0 ) 乘数 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 乘积 1 1 0 1 1 0 0,12 9 108,二进制数的乘法运算,上一页,返 回,下一页,例12. （1001011）2（101）2=（？）2 101）1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0,5 ) 75,1,1,1,1,1,5,25,25,0,5,二进制数的除法运算,上一页,返 回,下一页,二进制乘法可以由“加法”和“移位”两种操作实现。除法可以由“减法”和“移位”两种操作实现 因此，运算器中只需进行加减法及左右移位操作便可实现四则运算。 计算机中，加减法通常都用补码进行。,数的乘除法运算的特点,上一页,返 回,下一页,分析：运算公式 x补+y补 =x+y补 例13 设x=+0110110， y=1111001 求： x+y=? 解：在计算机中，真值x，y表示为下列补码形式： x补=0,0110110 y补=1,0000111 有： 0，0110110 x补 + 1，0000111 y补 1，0111101 x补y补 即x+y补x补y补 1，0111101 求得 x+y=1000011 结果正确,例：二进制补码加法运算 P24,上一页,返 回,下一页,例14 设x=+1010011， y=+0100101 求x+y=? 解：在计算机中，真值x，y表示为下列补码形式： x补=0, 1010011 y补=0, 0100101 有： 0，1010011 x补 + 0，0100101 y补 0，1111000 x补y补 即x+y补x补y补 0, 1111000 求得 x+y=+1111000 结果正确,例：二进制补码加法运算,上一页,返 回,下一页,例15 设x=-1000011， y=-0100001 求x+y=? 解：在计算机中，真值x，y表示为下列补码形式： x补=1, 0111101 y补=1, 1011111 有： 1, 0111101 x补 + 1, 1011111 y补 11, 0011100 x补y补 丢失 即x+y补x补y补 1, 0011100 求得 x+y=-1100100 结果正确,例：二进制补码加法运算,上一页,返 回,下一页,例16 设x=+1000101， y=+1100111 求： x+y=? 解：在计算机中，真值x，y表示为下列补码形式： x补=0, 1000101 y补=0, 1100111 有： 0 , 1000101 x补 + 0 , 1100111 y补 1 , 0101100 x补y补 即x+y补x补y补 1,0101100 求得 x+y=1010100 结果错误,思考：如何处理溢出现象？,例：二进制补码加法运算,上一页,返 回,下一页,例17 设x=+1010101， y=+1100001 求： x - y=? 解：x补=0, 1010101 -y=-1100001 -y补=1, 0011111 有： 0，1010101 x补 + 1，0011111 -y补 1，1110100 x补-y补 即x-y补x补-y补 1, 1110100 求得 x-y=0001100,xy补=x+（y）补=x补y补,例：二进制补码减法运算 P25,运算器只 有加法器？,上一页,返 回,下一页,1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1,4 9 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1,7 9 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0,9,13,16,思考：如何处理十进制运算后的结果？,1.4.3 十进制运算 P2526,上一页,返 回,下一页,BCD码的运算 四位二进制加法是逢16进一，而BCD码则是逢10进一，因此实现BCD码的加法时要进行必要的修正。 BCD码的加法修正规则：设A，B为两个一位BCD码，其纯二进制加法之和为S，则S可能出现下列三种情况: 0 S 9，即（0000）2 S （1001）2 :不需修正。 10S15，即(1010)2S(1111)2 ：要进行加6修正，并在修正过程中向高位产生进位。 16S19,即(10000)2S(10011)2：向高位的进位会自己产生，不过还要对本位进行加 6修正。,1.4.3 十进制运算（续）,上一页,返 回,下一页,数字电路的特点及描述工具 数字电路是一种开关电路 输入、输出量是高、低电平，可以用二元常量（0，l）来表示 输入量和输出量之间的关系是一种逻辑上的因果关系 仿效普通函数的概念，数字电路可以用逻辑函数的数学工具来描述 逻辑变量 逻辑代数是一种双值代数，其变量只有、两种取值 逻辑代数的变量简称逻辑变量，可用字母、等表示 逻辑变量只有三种最基本的运算，即逻辑加、逻辑乘及逻辑非,1.4.4 逻辑运算 P2728,上一页,返 回,下一页,逻 辑 函 数,上一页,返 回,下一页,定义：实现逻辑变量之间的运算称为逻辑运算 算术运算的主要区别： 逻辑运算的操作数和结果都是单个数位的操作 位与