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 MarkI 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 IBM701 IBM650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IBM370系列 IBM360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IBM9000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 KnowledgeBank 知识库计算机 KBM KnowledgeBankMachine 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 DigitalComputer 模拟计算机 AnalogComputer 混合计算机 Hybridcomputer 应用领域通用计算机 GeneralPurposeComputer 专用计算机 SpecialPurposeComputer 计算机分类 上一页 返回 下一页 综合性能指标巨型机 SuperComputer 大型机 MainFrameComputer 小型机 MiniComputer 微型机 MicroComputer 工作站 Workstation 服务器 Server 网络计算机 NetComputer 巨型机 Supercomputer 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P2 3 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 1200 2000时钟频率 0 5 0 8MHz基本指令执行时间 10 15 S地址总线 4 8条CPU举例 4004 1 第一代微型计算机 1971 1973 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 5000 9000时钟频率 1 2 5MHz基本指令执行时间 1 2 S地址总线 16条微处理器 CPU 举例Intel8080 Intel8085 M6800 Z 80 8080 2 第二代微型计算机 1974 1977 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 5 10MHz基本指令执行时间 0 4 0 75 S地址总线 20 24条微处理器 CPU 举例 Intel8086 Intel8088 Intel80286 M68000 3 第三代微型计算机 1978 1981 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 0 125 S地址总线 24 32条微处理器 CPU 举例Intel80386 Intel80486 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P6 7 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 4B 6C 7D 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 P4311 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 P434 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PositionalNotation多项式表示法PolynomialNotation 简称基数 R 十进制数 上一页 返回 下一页 例 十进制数12345 67809 10410310210110010 110 210 310 410 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 1 104 2 103 3 102 4 101 5 100 6 10 1 7 10 2 8 10 3 0 10 4 9 10 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 1 26 1 25 0 24 0 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 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266 即 66 10 1000010 2 再求小数部分积的整数部分0 625 2 1 2501 0 250 2 0 50000 500 2 1 0001 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 001010111011 0010111001273 134 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 2754 41010111101100 100001 即 2754 41 8 10111101100 100001 2 上一页 返回 下一页 解 001011010101 011101002D5 74 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 5A0B 0C0101101000001011 00001100 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 0000000 0 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 2 E 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 0101101 2100也可表示为 0 10101101 2101规格化浮点数 小数点后第一位数不为0 如上例的0 10101101 2101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 3 X0 则原码为 X 原 0Xn 2Xn 3 X0对于负数 X Xn 2Xn 3 X0 则原码为 X 原 1Xn 2Xn 3 X0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 3 X0 则反码为 X 反 0Xn 2Xn 3 X0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 3 X0 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 mod12 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 3 X0 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 3 X0 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 01011010 X 反 01011010 X 补 01011010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 11011010 X 反 10100101 X 补 10100110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 01101000 X 反 01101000 X 补 01101000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 11101000 X 反 10010111 X 补 10011000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 11111101010101110100000000000000 符号 S0 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 0101010Y 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 1 101101 1 101100 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 101100X 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 1024ByteM megabyte 字节1MB 220B 1024KBG gigabyte 字节1GB 230B 1024MBT terabyte 字节1TB 240B 1024GB b7b6b5b4b3b2b1b0 10010101 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 931 10 100100110001 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P19 20 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GB2312 80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 123456789012345600000001100000001000000011000000020000000110000000311000001100000114111111111111111151100000110000011611000001100000117110000011000001181111111111111111911000001100000110000000011000000010000000110000000200000001100000003000000011000000040000000110000000500000001100000006 汉字字形码 上一页 返回 下一页 课堂交互 问题 存储32 32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 P43 447 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 21 1 101 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 00 1 1 0 11 1 0减法规则 0 0 01 0 11 1 00 1 1乘法规则 0 0 00 1 1 0 01 1 1除法规则 0 1 01 1 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 21010 01011111 10 515 二进制数的加法运算 上一页 返回 下一页 例10 1110 2 1001 2 21110 10010101 14 95 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1100 乘数10011100000000001100乘积1101100 12 9108 二进制数的乘法运算 上一页 返回 下一页 例12 1001011 2 101 2 2101 10010111011000101111101101101000 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 x y 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 0001 10001001 4 9 0100 10011101 011010011 7 9 0111 100110000 011010110 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P25 26 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 10 S 15 即 1010 2 S 1111 2 要进行加6修正 并在修正过程中向高位产生进位 16 S 19 即 10000 2 S 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P27 28 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位之间没有进位和借位的联系分类 逻辑加法 又称逻辑 或 运算 逻辑乘法 又称逻辑 与 运算 逻辑否定 又称逻辑 非 运算 1 4 4逻辑运算 续 上一页 返回 下一页 或 OR 运算的规则如下 运算符号 只有决定某一事件条件中有一个或一个以上成立 这一事件才能发生 功能定义 由两个变量A和B所组成的函数有如下关系 F A B A B 01 当A B 0时当A l或B l时 01010101 1100101011011111 动画演示 1 逻辑 或 运算 逻辑加 上一页 返回 下一页 与 OR 运算的规则如下 0 0 运算符号 只有决定某一事件的所有条件全部具备 这一事件才能发生 功能定义 由两个变量A和B所组成的函数有如下关系 F A B A B 10 当A B 1时当A 0或B 0时 动画演示 2 逻辑 与 运算 逻辑乘 01010101 1100101001000000 上一页 返回 下一页 与 OR 运算的规则如下 1运算符号 当决定某一事件的条件满足时 事件不发生 反之事件发生 功能定义 由变量A组成的函数有如下关系 F A 10 当A 0时当A 1时 3 逻辑 非 运算 1100101000110101 上一页 返回 下一页 异或 EOR 运算的规则如下 0 0 11 0运算符号 功能定义 由变量A B组成的函数有如下关系 F A B A B 10 当A B时 当A B时 4 逻辑 异或 运算 01010101 1100101010011111 上一页 返回 下一页 F A B 教学小结 二进制数补码加法运算用BCD码表示的十进制数的加法运算二进制的逻辑运算 作业 P4414 18 19 教学目的本讲主要介绍分析和设计逻辑电路所用的数学工具 逻辑代数的基本知识 并简要介绍计算机中常用的几种逻辑电路教学重点与难点逻辑代数中的常用公式逻辑代数的简单应用 1 5逻辑代数与逻辑电路 教学引入 计算机内部处理的是0 1信息 具体到计算机内部的硬件如何处理这些信息 返回 A 0 AA 0 0A 1 1A 1 AA A AA A AA A 1A A 0A AA B B AA B B AA B C A B CA B C A B CA B C A B A C A B C A B A C 0 1律 重叠律 互补律 对合律 交换律 结合律 分配律 上一页 返回 下一页 逻辑代数的常用公式 ABC A B A C B C A B C A B A C 000001010011100101110111 00010001 00011111 00111111 01011111 00011111 由此证明A B C A B A C 成立 例 证明分配律A B C A B A C 成立 证明方法 上一页 返回 下一页 右边 A 1 B 0 1律 左边证明成立 例 证明A B A B 可以用公理来证明 吸收律 A B A BA B A B A AB AA A B A 证明方法 上一页 返回 下一页 等式右边 公式可推广 上一页 返回 下一页 降低成本 逻辑函数的简化 提高电路工作速度和可靠性 上一页 返回 下一页 例如 对F 进行化简 例 逻辑函数的简化 上一页 返回 下一页 门电路 信息从输入端进入电路 通过电路的转换产生新的信息从输出端流出 这种电路称为 门电路 可用来实现二进制数的算术运算和逻辑运算 MOS晶体管G高电位时 S与D导通 呈低阻抗 G低电位时 S与D截止 呈高阻抗 1 5 2基本逻辑电路P30 上一页 返回 下一页 逻辑特性只有当所有输入都为0时 输出才为0 否则 便为1 逻辑表达式 逻辑符号 1 1 或 门电路 上一页 返回 下一页 逻辑特性只有当所有输入都为1时 输出才为1 否则 便为0 逻辑表达式 逻辑符号 2 与 门电路 上一页 返回 下一页 逻辑特性 非 门的输出总是输入的反相 故又常称为反相器 逻辑表达式 逻辑符号 A F 3 非 门电路 上一页 返回 下一页 逻辑特性 与非 门可有多个输入端 只有当所有输入都为1时 输出才为0 而只要有一个输入为0 输出必为1 逻辑表达式 F 4 与非 门电路 上一页 返回 下一页 逻辑特性 或非 门可有多个输入端 只有当所有输入都为0时 输出才为1 而只要有一个输入为1 输出必为0 逻辑表达式 F 5 或非 门电路 C 1 A B F F A B C C A B F 上一页 返回 下一页 全加器的Si Ci的逻辑表达式 工作过程 1 5 3基本逻辑部件P36 1 全加器 动画演示 上一页 返回 下一页 全加器的逻辑图 上一页 返回 下一页 全加器 加法器 8位全加器组成框图 上一页 返回 下一页 二进制译码器输入输出满足 m 2n 2 4译码器3 8译码器4 16译码器 译码输入 n位二进制代码 译码输出m位 一位为1 其余为0 或一位为0 其余为1 2 译码器P36 上一页 返回 下一页 逻辑表达式为 逻辑图 2 译码器 续 上一页 返回 下一页 多路转换器 multiplexer 定义 一种能够从多路输入中选择其中任一路作为输出的逻辑部件 也称多路选择器或多路开关 工作过程 寄存器 register 一种能够暂时存放数据的逻辑部件计数器 counter 定义 一种能够对输入脉冲进行计数的逻辑部件 工作过程 节拍发生器 pulse traingenerator 用来产生节拍控制所需要的电位与脉冲的逻辑部件 1 5 3基本逻辑部件 续 上一页 返回 下一页 动画演示 动画演示 组合逻辑电路 任一时刻的输出只与当前的输入状态有关 而与过去的输入状态无关 全加器 译码器和多路转换器时序逻辑电路 任一时刻的输出值不仅与当前的输入变量有关 而且与线路的原有状态有关 触发器