信息处理技术员教程-计算机硬件基础.ppt

信息处理技术员教程 全国计算机技术与软件专业技术资格 水平 考试办公室 学时 72主讲教师 刘爱国电话Q 709412000 第一章计算机硬件基础 计算机硬件基础知识历来都是信息处理技术员考试的一个重点 考试大纲中涉及本章的考点如下 1 数据运算 2 数据表示 3 主板的结构 4 CPU的组成 5 存储器 6 常用I O设备 1 1计算机概述 计算机是一种能自动 高速 正确地完成数值计算 数据处理和实施控制等功能的电子设备 1946年 世界上第一台计算机ENIAC诞生在美国 经过60多年的发展 计算机的运算能力 外形结构及应用领域等都发生了极大的变化 它的诞生 发展和应用彻底改变了人类社会的生产 生活学习和娱乐方式 1 1 1计算机的组成部件 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成 1 冯 诺依曼提出的设计思路 主要内容如下 1 计算机由运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备五大部分组成 2 计算机内部采用二进制数来表示程序和数据 3 采用 存储程序并顺序执行 的原理 图计算机系统的基本组成 计算机的系统结构 2 计算机的硬件系统 组成计算机的基本部件有运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备 它们通过总线互连 就构成了计算机的硬件系统 中央处理器 CPU 是运算器和控制器的合称 是硬件的核心 主要厂家Intel和AMD 1 CPU 主要工作时执行指令 按照指令的要求对数据进行运算和处理 这部分工作由运算器和控制器分工合作完成 运算器 由算术逻辑部件 ALU 寄存器组以及一些控制电路组成 控制器负责对指令进行译码 产生一系列控制信号 指挥和协调计算机的各个部件有序工作 包括部件如下 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 程序计数器 PC 微操作信号发生器 2 主存储器简称主存 用于存放当前执行的程序和需要使用的数据 存储速度快 CPU可直接访问 存储体地址译码器地址寄存器数据缓冲寄存器读 写控制电路 主存储器结构示意图 外存储器 也称为辅助存储器 其特点是存储容量大 成本低 可脱机保存信息 但CPU不可以直接访问 常见的外存储器包括软盘存储器 硬盘存储器 光盘存储器 移动硬盘以及U盘等 高速缓存存储器Cache 它是位于CPU和主存储器之间 容量较小但存取速度很高的存储器 用于保存主存储器中一部分内容的副本 当主机读 写数据时 首先访问Cache 只有在Cache中不含所需数据时 CPU才会访问主存 从而很好地解决了CPU和主存储器的速度不匹配问题 外部设备 也称外围设备 简称外设 主要包括输入设备和输出设备 常用外部设备包括键盘 鼠标 显示器 打印机 绘图仪及扫描仪等 总线 连接计算机中各部件的数据通路 总线包括数据总线 DB 地址总线 AB 和控制总线 CB 3 计算机的软件系统 系统软件应用软件 1 1 2计算机的应用 科学计算自动控制信息处理计算机辅助设计 辅助制造 CAD CAM 辅助教学和医疗人工智能 1 1 3计算机的分类 目前计算机种类非常多 按照用途可以分为通用计算机和专用计算机 按照运算速度可分为巨型机 大型机 小型机 工作站和微型计算机 按照所处理的数据类型可分为模拟计算机 数字计算机和混合计算机等 1 2数据运算 二进制是计算机功能得以实现的数字基础 任何计算机应用中的数据在机器内部都表示为 0 和 1 组成的二进制代码串 数据处理最终都将转换为二进制基本运算 1 2 1数制及其转换 1 进位计数制数制 用一组固定的数字符号和一套统一的规则来表示数目的方法 常用的进制有 2进制 8进制 10进制 16进制 基数 某进制所允许使用的基本数字符号 2 8 10 16 位权 数的值不仅取决于数码的大小还取决于它所在的位置 基数的i次方 如 132 5 1 102 3 101 2 100 5 的10 1基数 10位权 102 101 100 10 1 2 不同数制之间的转换 一 R进制转十进制方法 按权展开求和 1 二进制转换为十进制101B 1 22 0 21 1 20 5D10101B 1 24 0 23 1 22 0 21 1 20 21D111 11B 1 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 7 75D 2 八进制转化为十进制 172 8 1 82 7 81 2 80 122 103 十六进制转化为十进制 5C 16 5 161 12 160 92 10 二 十进制转N进制 方法 将十进制数整数和小数分开转换 再将结果合并 整数部分 除以基数逆向取余法 小数部分 乘以基数顺向取整法 1 十进制转换为二进制十进制整数转换 除以2逆向取余10D 1010B 十进制小数转换 乘2顺向取整 2 0 125 2 0 250 2 0 500 1 000 结束标志 0 001 取整 10 125 10 1010 001 2 0 125 10 0 001 2 172 8 1 82 7 81 2 80 122 10 八进制 172 8172O172Q 336 8 2 八进制转化为十进制 5C 16 5 161 12 160 92 10 十六进制 5C 165CH A2 16 FF 16 3 十六进制转化为十进制 方法 将十进制数整数和小数分开转换 再将结果合并 整数部分 整除 基数 逆向取余法 小数部分 乘基 数 顺向取整法 二 十进制转R进制 P11 1 十进制转换为二进制十进制整数转换 除以2逆向取余10D 1010B 逆向取余 注 除到商为零停止 5 0 2 2 1 2 1 0 0 2 1 10 2 十进制小数转换 乘2顺向取整 2 0 125 2 0 250 2 0 500 1 000 结束标志 0 001 取整 10 125 10 1010 001 2 0 125 10 0 001 2 练习题 将下列十进制转为二进制 精确到4位小数 54 10 110110 2 15 73 10 1111 1011 2 2 十进制转换成八进制整数部分 除8逆向取余264D 3 十进制转换成十六进制整数部分 除16逆向取余287D 171D 71 10 2 8 16 三 二进制与八进制的转换 1 二进制 八进制 三位一组法 111101001B 111101001B 751Q10110B 010110B 26Q11000 11 011000 110B 30 6Q 2 八进制 二进制 扩展三位法 345Q 011100101B 11100101B632Q 110011010B 110011010B 四 二进制与十六进制的转换 1 二进制 十六进制 四位一组法 111001B 00111001B 39H1111000111B 001111000111B 3C7H 2 十六进制 二进制 扩展四位法 2CH 00101100B 101100B62DH 011000101101B 11000101101B典型错误1D2H 0011101010B 11101010B 计算机中数据存储单位 1 位 一个二进制位 一个 1 或者一个 0 最小单位 英文名bit2 字节 八位为一个字节 英文名Byte 简写为B 1Byte 8bit千字节KB1KB 1024Byte 210Byte兆字节MB1MB 1024KB吉字节GB1GB 1024MB 三 带符号数在计算机内部的表示 P13 在计算机中 对于n位二进制数将其最高位作为符号位 0表示正数 1表示负数如 带符号数 有符号数 01101101正数11000110负数11101101负数01101101正数10001111负数01110001正数数的符号位连同该数值本身一起作为一个数称为机器数 机器数的二进制编码有原码 反码 补码三种 原码 反码 补码 P13 14 1 原码符号位除外 0正1负 数值部分为该数绝对值的二进制用1个字节表示 12 原码 00001100 12 原码 10001100用2个字节表示 12 原码 0000000000001100 12 原码 1000000000001100 原码 反码 补码 2 反码正数的反码与原码相同 负数的反码符号位不变 其余数位取反 12 反码 00001100 12 反码 111100113 补码正数的补码与原码相同 负数的补码等于反码加1 12 补码 00001100 12 补码 11110100 原码 反码 补码 正数 原码 反码 补码都相同负数 原码 符号位除外 数值部分为该数绝对值的二进制反码 原码除符号位外求反补码 反码 1例1 十进制数 5在微机内的存储形式是 D A 00000101B 10000101C 11111010D 11111011例2 用一个字节表示十进制数 15的补码是 11110001 数值数据编码 非数值数据编码 定点数 浮点数 西文字符 中文字符 声音 图像 视频 整数 小数 有符号整数 无符号整数 计算机中数据的存储与编码 数值数据编码 1 定点数的表示定点整数的小数点位置约定在最低位后面有符号整数 最高位为符号位 0为正 1为负无符号整数 都是数值位 没有符号位 例 00100011100011118位有符号整数35 15 原码 8位无符号整数35143下列数值能用8位二进制表示的是A 257B 300C 200D 29定点小数的小数点约定在最高数值位的前面 符号位的后面 浮点数由阶码和尾数两部分组成 2 浮点数 实数 的表示 P15 例1 二个字节存放一个整数 如 11136例2 四个字节存放一个实数 如 1 106 0 010101110000000 数值位 符号位 0 0000110 111111111111111111111111 1 阶符 阶码 数符 尾数 非数值数据编码 1 ASCII码最基本 最常用的非数值数据是由字符 汉字字符和西文字符 组成的 西文字符普遍采用ASCII码表示 P14 ASCII码是美国标准信息交换码 AmericanstandardcodeforInformationInterchange 是微型计算机中表示字符的常用编码 标准的ASCII码是用一个字节表示的 最高位置为 0 用7位二进制数编码 总共可以表示128个字符 ASCII码的新版本是把原来的7位码扩展成8位码 因此它可以表示256个字符 教材P207和下页列出了ASCII编码表 其中 每个字符的列标题为其编码的高三位 行标题为其编码的低四位 若干重要字符的编码为 NUL 空 0000000 2 0 10 0 16回车 CR 0001101 2 13 10 0D 16空格 SP 0100000 2 32 10 20 16数字0 0110000 2 48 10 30 16数字9 57 10 39 16字母A 65 10 41 16字母Z 90 10 5A 16字母a 97 10 61 16字母z 122 10 7A 16 1 定点加减运算二进制数补码的运算补码的运算规则是 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补已知 Y 补 求 Y 补的方法是将 Y 补各位按位取反 包括符号位在内 末位加1 现举例说明以上两个公式的正确性 1 2 3算术运算 例1 18 设X1 0001100X2 0001100Y1 0000101Y2 0000101则 X1 补 00001100 X2 补 11110100 Y1 补 00000101 Y2 补 11111011 因为 X1 Y1 补 0010001 补 00010001 X1 补 Y1 补所以 X1 Y1 补 X1 补 Y1 补 因为 X1 Y1 补 0000111 补 00000111 X1 补 Y1 补所以 X1 Y1 补 X1 补 Y1 补 计算X2 Y2 0001100X211110100 X2 补 0000101Y2 11111011 Y2 补 0010001X2 Y211101111 X2 补 Y2 补 因为 X2 Y2 补 0010001 补 11101111 X2 补 Y2 补所以 X2 Y2 补 X2 补 Y2 补 由此可看出 计算机引入了补码编码后 带来了以下几个优点 1 减法转化成了加法 这样大大简化了运算器硬件电路的设计 加减法可用同一硬件电路进行处理 2 运算时 符号位与数值位同等对待 都按二进制数参加运算 符号位产生的进位丢掉不管 其结果是正确的 这大大简化了运算规则 运用以上两个公式时 要注意以下两点 1 公式成立有个前提条件 就是运算结果不能超出机器数所能表示的范围 否则运算结果不正确 按 溢出 处理 例如 设机器字长为8位 则 128 N 127 计算 64 65 显然这个结果是错误的 究其原因是 64 65 129 127 超出了字长为8位所能表示的最大值 产生了 溢出 所以结果值出错 再如 计算 125 10 显然 计算结果也是错误的 其原因是 125 10 135 128 超出了字长为8位所能表示的最小值 产生了 溢出 所以结果出错 2 采用补码运算后 结果也是补码 欲得运算结果的真值 还需进行转换 2 浮点加减运算 完成加减运算 需要包括下述步骤 1 零操作数检查 2 对阶 操作 3 尾数相加减 4 尾数规格化 5 舍入处理3 浮点乘除运算 1 与 运算 AND 与 运算又称逻辑乘 用符号 或 表示 其运算规则为0 0 00 1 01 0 01 1 1当两个逻辑变量取值均为1时 它们 与 的结果才为1 1 2 4逻辑运算 2 或 运算 OR 或 运算又称逻辑加 用符号 或 表示 其运算规则为0 0 00 1 11 0 11 1 1当两个逻辑变量的取值只要一个为1 它们 或 的结果就会为1 4 异或 运算 XOR 异或 运算用符号 或 来表示 其运算规则为0 0 00 1 11 0 11 1 0当两个逻辑变量取值不相同时 它们 异或 的结果才为1 要注意的是 一个逻辑数据用一位基2码表示 这样 8个逻辑数据用8位基2码表示 这8位基2码可存放在一个字节中 反过来说 一个32位的字就可以表示32个逻辑数据 1 2 5字符编码 1 字符的表示2 汉字的表示 1 国标码 2 区位码 3 机内码 1 3指令系统 指令是指示计算机执行某种操作的命令 一台计算机所有指令的集合构成该机器的指令系统 1 3 1计算机指令每条指令都包含两个基本部分 操作码 表示指令执行什么功能 地址码 表示参与操作的数据的地址 1 3 2指令执行控制 在CPU中 一条指令的运行包括取指 分析和执行3个步骤 1 取指 2 分析 指令译码 3 执行常用的指令执行方式包括下述3种 1 顺序执行方式 2 超前执行方式 3 流水线方式 1 4存储体系 存储介质是指用来制作存储信息的物质 存储器按存储介质分类可分为半导体存储器 磁存储器和光存储器 该存储体系存在下述两个存储层次 1 Cache 主存存储层次 2 主存 辅存存储层次 1 4 1主存储器 1 主存记忆元件主存储器按照存取限制可以分为RAM 随机存储器 和ROM 只读存储器 两种 前者既可以在线存 写 又可以在线取 读 后者只能在线取 读 1 RAM SRAM DRAM 2 ROM PROM EPROM EEPROM 2 主存储器组成主存储器主要由存储体 地址译码驱动电路 读 写电路和时序控制电路等组成 3 主存工作模式 1 SDRAM 2 DDRSDRAM 3 RDRAM 4 XDRDRAM 4 主存储器的主要性能指标 1 每位成本 2 容量 3 存取速度 访问时间Ta 存取周期Tm 主存带宽Bm 4 信息的可靠保存性 非易失性和可更改性 5 可靠性 1 4 2辅助存储器 1 磁表面存储器磁盘 磁带都是磁表面存储器 其信息存储于涂覆在载体表面 厚度为0 024 5um左右的磁层上 磁记录格式规定了一连串的二进制数字数据与磁层存储元的相应磁化翻转形式互相转换的规则 常用的有下面几种 1 归零制 RZ 2 不归零制 NRZ 3 调相制 PE或PM 4 调频制 FM或FD 评价硬盘性能好坏 主要参照下述指标 1 记录密度2 硬盘容量3 主轴转速4 寻道时间5 平均存取时间6 缓冲存储区大小7 数据传输率8 误码率 2 磁盘阵列RAID3 光盘存储器特点 1 记录密度高 存储容量大 2 采用非接触方式读 写 没有磨损 可靠性高 3 可长期保存信息 4 成本低廉 易于大量复制 5 存储密度高 体积小 能自由更换盘片 6 误码率在10 10 10 17以下 7 存取时间为100 500MS 数据存取速度比磁盘略低 基本速度为150MBPS 1 4 3高速缓冲存储