第2章-计算机硬件系统.ppt

1,第2章计算机组成原理,关媛gy_teacher,2,教学内容,2.1计算机中数值信息的表示2.2计算机系统的硬件组成2.3中央处理器及其工作原理2.4存储设备2.5输入输出设备2.6计算机的选配与正确使用*,3,2.1计算机中数值信息的表示,4,2.1.1数制,计算机中处理的信息可分成：数值信息和非数值信息，均以二进制方式存储在计算机中。采用二进制的优点如下：物理表示容易实现运算规则简单算术运算与逻辑运算易于沟通便于传输采用二进制的缺点：不便于阅读和书写,5,补充数据单位,位（bit）：计算机内数据的最小单位，一个二进制位只可能为0和1两种值，可简写为b。字节（Byte）：计算机存储信息的基本单位，八个二进制位构成一个字节，可简写为B。字长（Word）：计算机进行处理时，一次存取、加工和传送的数据长度。早期的处理器字长一般是8位和16位，386以及更高的处理器大多是32位。目前的主流双核处理器已达到64位字长。字长越长，计算机处理数据的速度越快。,6,补充数据单位,计算机内的存储单位除了字节外，还有KB、MB、GB、TB等，各存储单位间的换算关系如下：千字节：1KB=210B=1024B兆字节：1MB=220B=1024KB吉字节：1GB=230B=1024MB太字节：1TB=240B=1024GB,7,补充数据单位,网络中的数据也是按照二进制位一位一位的传输的，网络传输速率的单位是：比特/秒（bps或b/s），也可称为波特率(bps,Kbps,Mbps,Gbps)1Kb/s=103b/s=1000b/s1Mb/s=106b/s103kb/s1Gb/s=109b/s=103Mb/s1Tb/s=1012b/s=103Gb/s,8,2.1.2常用数制及其转换方法,数制的概念十进制D(Decimal):基数为10，数码为0-9，逢10进1二进制B(Binary)：基数为2，数码为0和1，逢2进1计算机中的数据全部用二进制表示，但为了表示方便，在计算机科学中，通常还会采用八进制O(Octal)：基数为8,数码为0-7十六进制H(Hexadecimal)：基数为16,数码为0-9，A-F,9,2.1.2常用数制及其转换方法,1、十进制转换成二进制十进制整数转换为二进制整数除2取余(余数反向排列）例2-1：将(77)10转换成二进制被除数商（除数为2）余数77381381901991941420210101,(77)10=(1001101)2,10,2.1.2常用数制及其转换方法,十进制小数转换为二进制小数乘2取整（余数顺序排列）例2-2：将(0.55)10转换为二进制被乘数结果整数部分0.55*21.1010.10*20.2000.20*20.4000.40*20.8000.80*21.6010.60*21.201(0.55)10=(0.100011)2说明：在小数乘2永远不可能等于1时，取规定有效数字。,11,2.1.2常用数制及其转换方法,实数转换:将十进制实数的整数和小数部分拆开分别转换,最后再将转换结果合并,步骤如下:整数部分:除2取余小数部分:乘2取整合并结果如:(77.55)10=(1001101.100011)2,12,2.1.2常用数制及其转换方法,2、十进制转换成八进制和十六进制十进制八进制:整数部分除8取余法小数部分乘8取整法十进制十六进制:整数部分除16取余法小数部分乘16取整法,13,例2-4：将(367.64)10转换成16进制被除数商（除数为16）余数36722152216101（367）10=（16F）16,被乘数结果（乘数为16）整数部分0.647.2470.243.8430.8413.44130.447.047（0.64）10=（0.73D7）16,合并结果:（367.64）10=（16F.73D7）16,整数部分,小数部分,14,2.1.2常用数制及其转换方法,3、N进制转换成十进制:采用按权求和的方法,15,2.1.2常用数制及其转换方法,3、N进制转换成十进制二进制数B:由n位整数，m位小数组成(B)2=Bn-1B1B0.B-1B-2B-m(D)10=Bn-12n-1+B121+B020+B-12-1+B-22-2+.B-m2-mN进制数P:由n位整数，m位小数组成(P)N=Pn-1P1P0.P-1P-2P-m(D)10=Pn-1Nn-1+Pn-2Nn-2+P1N1+P0N0+P-1N-1+P-2N-2+.P-mN-m,16,2.1.2常用数制及其转换方法,例2-5：将（1011.11)2转换成十进制数（1011.11)2=(123+022+121+120+12-1+12-2)10=(8+0+2+1+0.5+0.25)10=(11.75)10例2-6：将（317)8转换成十进制数（317)8=(382+181+780)10=(192+8+7)10=(207)10,17,2.1.2常用数制及其转换方法,4、二进制、八进制、十六进制之间的互换二进制与八进制之间的互换关系,八进制01234567,二进制000001010011100101110111,18,(207.54)8=(010000111.101100)2=(10000111.1011)2,2.1.3进制转换,八进制数转换为二进制数一分为三法例2-7：将(207.54)8转换成二进制,207.54,111,010,100,101,000,19,010100101.101110,(10100101.10111)2=(245.56)8,2.1.3进制转换,二进制数转换为八进制数三合一法整数部分：自右向左，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。小数部分：自左向右，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。例2-8：将（10100101.10111)2转换成八进制,20,2.1.2常用数制及其转换方法,二进制与十六进制之间的对应关系,十六进制01234567,二进制00000001001000110100010101100111,十六进制89ABCDEF,二进制10001001101010111100110111101111,21,十六进制数转换为二进制数一分为四法例2-9：将（1E4.2A）16转换成二进制,(1E4.2A)16=(000111100100.00101010)2=(111100100.0010101)2,1E4.2A,0001,1110,0100,0010,1010,2.1.2常用数制及其转换方法,22,00010101.10111000,(10101.10111)2=(15.B8)16,2.1.2常用数制及其转换方法,二进制数转换为十六进制数四合一法整数部分：自右向左，四个一组，最高几位不够四位的补零，每组对应一个十六进制数码。小数部分：自左向右，四个一组，最低几位不够四位的补零，每组对应一个十六进制数码。例2-10：将（10101.10111)2转换成十六进制,23,八进制与十六进制之间的互换方法：以二进制作为中间过渡来实现例2-11：将（237)8转换成十六进制数（237)8=（10011111)2=（9F)16,2.1.2常用数制及其转换方法,24,补充二进制运算规则,二进制运算分为：算术运算和逻辑运算1.算术运算规则,加法规则：0+0=00+1=11+0=11+1=0（向高位进位）,减法规则：0-0=01-0=11-1=00-1=1（向高位借位）,25,补充二进制运算规则,2、逻辑运算规则,逻辑运算是按位独立进行的，相邻位之间不发生关系,26,2.1.3计算机中数值信息的表示,计算机中的任何数据都以二进制数的形式存储。这些数据一般采用定点数和浮点数两种形式表示。定点数：小数点位置固定在有效数字的前面(纯小数)或后面(纯整数)。浮点数:小数点位置不固定的数。,27,2.1.3计算机中数值信息的表示,定点数又分为有符号数和无符号数两类有符号数的最高位表示符号位，其余为数值位，有符号数有三种编码（表示形式）：原码、反码和补码无符号数的各位都表示数值大小。,28,2.1.3常用码制,1、原码：对于有符号数，其最高位为“0”表示该数为正数，为“1”表示该数为负数，其余各二进制位表示该数的绝对值正数(43)10=(00101011)2负数(-43)10=(10101011)20的表示：+0原=00000000-0原=10000000,29,2.1.3常用码制,2.反码：正数的反码与原码相同负数的反码为原码除符号位外各位取反(-43)10=(11010100)20的表示：+0反=00000000-0反=11111111反码的反码就是原码：X反反=X原,30,2.1.3常用码制,3.补码：正数的补码与原码相同（正数没有补码）负数的补码为其反码加1:(-43)10=(11010101)20的补码表示是唯一的：+0补=-0补=(00000000)2由于减法运算可以通过以下方式来实现：X原-Y原=X原+-Y补如果将计算机内部的负数用补码表示，减法运算就可以用加法器来实现，CPU内部就不用设置减法器，从而简化了CPU的设计。,31,机器位无符号的整数带符号整数（补码）8位0255（28-1）-128+12716位065535（216-1）-32768+3276732位0232-1-231+231-164位0264-1-263+263-1,K位02k-1-2k-1+2k-1-1,注意：由于计算机中存储各种类型数据的字节数是有限的，所以能表示的数也是有一定范围的，当运算的结果超过了这个范围，就会产生溢出。,二进制整数的表示范围,32,2.1.3浮点数的表示,一个十进制实数可以表示成一个纯小数和一个幂的积（其中指数部分用来指出实数中小数点的位置）浮点数可以表示为:(尾数)*基数阶码例如：122.45=(0.12245)103二进制的表示方法也一样例如:(1001.011)2=(0.1001011)2100,33,注:尾数位数越多,精度越高;阶码位数越多,值域越大,（假设机器字长为16位，符号位为1位，阶码4位，尾数12位),2.1.3浮点数的表示,阶码,尾数,例：101.1101=0.1011101211,其表示形式为：,34,2.2计算机系统的硬件组成,35,2.2计算机硬件系统,计算机系统=硬件系统+软件系统硬件:是计算机系统中所有实际物理装置的总称软件:是在计算机中运行的程序和相关数据、文档的集合目的：充分发挥硬件效率，方便人们使用计算机关系：硬件是基础，软件是对硬件功能的扩充,36,2.2.1计算机系统的逻辑结构,计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大逻辑功能部件构成。其中运算器和控制器共同构成中央处理器（CPU）。,37,2.2.1计算机系统的逻辑结构,运算器：用来对计算机内部的二进制信息和数据进行处理和计算控制器：是整台计算机的控制中心，负责协调和指挥整个计算机系统的工作存储器：存放程序和数据输入设备：将现实生活中的信息转换为计算机所能识别的二进制信息输出设备：将二进制形式的计算机处理结果转换为人类或其他设备可以识别的信息形式,38,2.2.1计算机系统的逻辑结构,计算机内部各个组成部分之间通过总线传输彼此间的数据和信号。,39,2.2.2计算机系统的物理组成,1、主机箱内部组成部件系统板（主板，Mainboard）：计算机的所有部件都是直接或间接的安装在主板上的中央处理器（CPU）各类存储器内存：DDR2/DDR3外存：硬盘、光驱扩展卡：常用外围设备（显示器、音箱等）需要通过扩展卡与主板相连，常用扩展卡（显卡、声卡、网卡）的功能已集成在了主板上其他设备和线路：例如电源、风扇等,40,41,2.2.2主板的构成,CPU插座内存插槽总线扩展槽I/0接口芯片组（南桥芯片和北桥芯片）BIOS芯片CMOS芯片和电池,42,PCI总线扩展槽,双通道内存插槽,CPU插座,PCI-EX1显卡扩展槽,主板电池,SATA硬盘接口,北桥芯片,南桥芯片,PCI-EX16显卡扩展槽,43,2.2.2主板的构成,总线(BUS)是连接计算机中CPU、内存、辅存、各种输入输出设备的一组物理信号线及其相关的控制电路，它的功能是在计算机各部件间运载传输信号。总线分成:内部总线：在CPU各部件间交换信息系统总线：在CPU、存储器以及各I/O设备间交换信息控制总线-控制信号地址总线-地址信号数据总线-数据信号,44,2.4.3总线,衡量总线的技术指标是总线带宽（传输速率），即单位时间内总线上可传送的数据量。计算公式：总线带宽（MB/s)=（数据线宽度/8）总线工作频率例：P4的CPU外部数据总线为64位，工作频率为533MHz传输速率=（64b/8)533MHz=4264MB/s=4.3GB/s,45,2.2.2主板的构成,计算机中常用I/0总线：PCI：外围设备局部总线.AGP：加速图形端口.PCI-Express：新一代的PCI总线，有x1、x4、x8、x16多种规格，最终将取代PCI和AGP成为统一的总线标准.,46,2.2.2主板的构成,常用I/0接口,47,USB,USB:UniversalSerialBus,即通用串行总线，是一种高速的、可连接多个设备、串行传输的接口USB接口的传输速率：US