第2章 计算机硬件基础

,大学计算机基础第3版,姓名：,时间：,第二章计算机硬件基础,目录,2.1理解0和1,2.2计算机中的数制及其运算,2.3数据的存储与表示,2.4数据压缩,2.5计算机硬件组成,2.1.1易经中的0和1,2.1.2电路中的0和1,2.1理解0和1,2.1.3计算机中的0和1,2.1理解0和1,2.1.1易经中的0和1,2.1.1易经中的0和1,易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。,01,阴阳,语义符号化表达,语义符号化：是指将现实世界的语义用符号表达，进而进行基于符号的计算的一种思维，将符号赋予不同语义，则能计算不同的现实世界问题。易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。,语义符号化表达,表达成了符号，也就能够进行计算易经通过阴/阳的演变(即0/1的运算)体现了变化中的规律(即蕴含的语义关系及转换关系)例如：二十四节气的演变规律例如：生命规律的演变规律,2.1理解0和1,2.1.2电路中的0和1,2.1.2电路中的0和1,串联电路中的逻辑“与”关系,逻辑“与”运算关系表,2.1.2电路中的0和1,并联电路中的逻辑“或”关系,逻辑或运算关系表,2.1.2电路中的0和1,实现非功能的简单电路,2.1理解0和1,2.1.3计算机中的0和1,2.1.3计算机中的0和1,计算机为什么采用二进制？,可编码任意信息算术运算规则简单适合逻辑运算实现技术(电子元器件)简单,2.2.1数制的概念,2.2.2常用数制,2.2计算机中的数制及其运算,2.2.3各种数制的转换,2.2.4二进制数的算术逻辑运算,2.2数制及其运算,2.2.1数制的概念,2.2.1数制的概念,（1）基数是一个计数制系统允许使用的基本数字符号（数符）的个数。例如十进制的数符分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，所以十进制的基数为10。依次类推，二进制、八进制、十六进制的基数分别是2、8、16。（2）权是以基数为底的幂，表示处于该位的数字所代表的值的大小。在一个数字当中，处在不同位置上的相同数字所表示的值也是不同的。一个数字在某个位置上的值等于该数字与这个位置上的因子的乘积，而该因子的值是由所在位置相对于小数点的距离来确定，这个因子就是位权。（3）进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值型信息的表示方法。,2.2数制及其运算,2.2.2常用数制,2.2.2常用数制,二进制：1)二进制只有两个数码：0和1;2)二进制数位i的权值：2i;3)二进制表示数值：逢二进1，借1当二；高数位的1相当于低数位的2。4)二称为计数制的基值，即“二进制”,76543210.-1-211110101.01,（,）2,=127+126+125+124+122+120+122=(245.25)10,2.2.2常用数制,二进制不方便之处：与十进制相比，一个数值的数码位数长，识认比较困难。,例如：245的二进制表示：11110101,另外，二进制与十进制转换也不是很方便，因此引出八进制、十六进制等,2.2.2常用数制,任意进制-r进制r进制的一位数表示有r个数码：0,1,r-1r进制数位i的权值：rir进制表示数值：逢r进1，借1当r；高数位的1相当于低数位的r。r称为计数制的基值，即“r进制”,2.2.2常用数制,方法一：后缀脚标数字表计数制(dn-1dn-2d2d1d0.d-1d-2d-m)r其中，r为计数制的数字或汉字形式例如(365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)8,(596.12)16方法二：利用后缀表示各种进位计数制后缀B(binary):二进制数；后缀O(octal):八进制数；后缀H(hex):十六进制数,后缀D(decimal):十进制数。例如365.2D,11011.01B,3460.32O,596.12H,各种进位计数制的表示方法,2.2数制及其运算,2.2.3各种数制的转换,2.2.3各种数制的转换,r进制数值的大小及其与十进制的转换,(F5.4)16=F161+5160+416-1=(245.25)10,2.2.3各种数制的转换,(753.37)8=753.37O=782+581+380+38-1+78-2=(491.484375)10(753.37)16=753.37H=7162+5161+3160+316-1+716-2=(1875.2148)10(753.37)12=7122+5121+3120+312-1+712-2=(1071.2986)10,同一个数串，由于进位制不同其所表达的数值大小也是不同的,2.2.3各种数制的转换,“除基取余”,2.2.3各种数制的转换,(139)10=()2,10001011,(269)10=()8,415,(396)10=()16,18C,2.2.3各种数制的转换,“乘基取整”,2.2.3各种数制的转换,例如：(0.525)10,=(0.8666)16,2.2.3各种数制的转换,2.2.3各种数制的转换,2.2数制及其运算,2.2.4二进制数的算术和逻辑运算,2.2.4二进制数的算术运算,运算规则简单：逢二进一；借一当二。想想十进制的算术运算口诀:1+1,1+2,1+3,1+9,2+1,确实复杂,2.2.4二进制数的算术运算,算术运算按位计算并考虑进位和借位；乘除法运算可转为多次加减法运算来进行；有很多快速进行加减乘除运算的算法。,例1:10111B+10011B=?,10111,+)10011,0,1,0,1,0,1,101010B,0,0,1,0,0,00100B,2.2.4二进制数的逻辑运算,“与”运算(AND):当X和Y都为真时,XANDY也为真;否则均为假。“或”运算(OR):当X和Y都为假时,XORY也为假;否则均为真。“非”运算(NOT):当X为真时,NOTX为假;当X为假时,NOTX为真。“异或”运算(XOR):当X和Y都为真或都为假时,XXORY为假;否则为真。,“与”运算：两把钥匙都有才能开门,“或”运算：只要有任何一把钥匙便能开门,2.3数据的存储与表示,2.3.2原码、反码和补码,2.3.3整数的存储,2.3.4实数的存储,2.3数据的存储与表示,2.3.5字符编码,2.3.6汉字编码,2.3.7多媒体数据的表示,2.3数据的存储与表示,2.3.2原码、反码和补码,2.3.2原码、反码和补码,存储编码,转换中间码,运算编码,原码,反码,补码,2.3.2原码、反码和补码,反码,正数的反码与其原码相同；负数的反码是把除符号位外的其他位变反,2.3.2原码、反码和补码,正数的补码与原码相同负数的补码为该数的反码加1,补码,2.3数据的存储与表示,2.3.3整数的存储,2.3.3整数的存储,整数是没有小数部分的整型数字，可以当作小数点位置是固定的数字。存储整数一般采用定点表示法，小数点是假设的并不实际存储。例如机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，故十进制数+32767的定点数表示如下所示：,2.3.3整数的存储,无符号整数：不考虑符号的一连串二进制数字序列，比如一个任务的执行次数、内存单元的存储地址等，都可以用无符号整数表示。有符号整数：负数可以用有符号整数来表示。有符号整数主要有两种方法，一种是前面所讲的二进制补码记数法，另外一种方法是余码记数法。,2.3数据的存储与表示,2.3.4实数的存储,2.3.4实数的存储,实数是带有整数部分和小数部分的数字，小数部分的存储要指明其小数点的位置。小数点在计算机中通常有两种表示方式，即定点数和浮点数。,2.3.4实数的存储,浮点数的表示,定点数的表示,2.3数据的存储与表示,2.3.5字符编码,2.3.5字符编码,ASCII码(美国标准信息交换码)(AmericanStandardCodeforInformationInterchange),ASCII编码位,Computer,0100001101101111011011010111000001110101011101000110010101110010,2.3数据的存储与表示,2.3.6汉字编码,2.3.6汉字编码,汉字编码是指将汉字转换成二进制代码的过程汉字处理过程:通过汉字外码输入,以汉字内码存储,以汉字字形码输出,2.3.6汉字编码,汉字“大”如何输入、存储和显示的？,输入“大”,拼音输入：“da”,字形输入：“dddd”,输入计算机后，一个汉字对应唯一的编码,2.3.6汉字编码,汉字交换码是为了在不同汉字系统之间准确无误的交换汉字信息而制定的统一编码,在计算机中显示“大”,对汉字的形状进行的编码,2.3.5字符编码,“大”国标码：0110100001110011机内码：1110100011110011,2.3数据的存储与表示,2.3.7多媒体数据的表示,2.3.7多媒体数据的表示,图像按编码方式可分为：位图图像：由静态的像素点组成，直接按像素点位置画出，例如BMP,JPG,GIF矢量图像：由若干特定点的位置和相关数学公式计算动态画出，例如wmf,emf,dwg,2.3.7多媒体数据的表示,位图图像编码：由于位图图像的存储量大(水平像素数目垂直像素数目每像素位数)，通常都需要进行压缩存储，不同的压缩采用了不同的图像编码。,2.3.7多媒体数据的表示,声音,2.3.7多媒体数据的表示,视频数字化过程,视频是连续的图像图像是离散的视频,2.4数据的压缩,2.4.1普通数据的压缩,2.4.2图像的压缩,2.4数据的压缩,2.4.1普通数据的压缩,2.4.1普通数据的压缩,数据压缩可分成两种类型：无损压缩和有损压缩,无损数据压缩是对文件的数据存储方式进行优化，压缩后信息不受损失，对压缩后的数据进行还原，得到的数据与原始数据完全相同。有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，重构后的数据与原来的数据有所不同，但不影响人对原始资料表达的信息的理解。有损压缩适用于重构信号不一定非要和原始信号完全相同的场合。,2.4数据的压缩,2.4.2图像的压缩,2.4.2图像的压缩,图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。,2.4.2图像的压缩,图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数据压缩无损压缩：即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像，信息没有损失。有损压缩：压缩后的数据无法完全恢复原来的图像，信息有一定损失。,2.5.1计算机硬件结构,2.5.2处理器,2.5计算机的硬件组成,2.5.3存储器,2.5.4输入输出设备,2.5计算机硬件,2.5.1计算机硬件结构,2.5.1计算机硬件结构,存储器,输入设备,输出设备,运算器,控制器,冯诺依曼体系,2.5.1计算机硬件结构,2.5.1计算机硬件结构,主板（华硕M5G）,2.5.1计算机硬件结构,主板与外部设备的接口,2.5.1计算机硬件结构,存储器,输入设备,输出设备,运算器,控制器,微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；各部件通过总线连接。,总线,2.5计算机硬件,2.5.2处理器,2.5.2处理器,CPU是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。运算器:主要是完成各种算术运算和逻辑运算。控制器:用来协调和指挥整个计算机系统的操作。,2.5.2处理器,4004,8008,8086,Core2,P4,P3,P2,Pentium,80486,80386,2.5.2处理器,2002年9月，“龙芯”1号研制成功2005年4月,64位CPU“龙芯“2号推出2008年，龙芯3号多核处理器推出,狗剩1号,MZD110,我国自主研发的CPU,2.5.2处理器,字长：64位机，一次能处理8个字节CPU主频：工作频率或时钟频率。主频的高低直接影响CPU的运算速度CPU外频：指CPU与周边设备进行数据传输的频率。在正常情况下，CPU总线频率与内存频率相同，两者之间数据交换速度跟着提高。前端总线频率：简称FSB，是CPU和外界交换数据的最主要通道，因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大。,CPU的主要性能指标,2.5计算机硬件,2.5.3存储器,2.5.3存储器,计算机存储器的三级存储结构,存储器是计算机的记忆装置。,2.5.3存储器,2.5.3存储器,2.5.3存储器,主存储器简称主存或内存。,内存是CPU能够直接访