计算机工作原理二进制(c)课件

1、计算机工作原理二进制(c) 计算机工作原理 计算机工作原理二进制(c) 计算机的发展与作用计算机的发展与作用 计算机工作原理二进制(c) 第1台数字电子计算机诞生 1946年美国宾州大学研制成功第1台数字电子 计算机-ENIAC Photo: van Pelt Library, U Penn. 18 000 电子管电子管,6000 开关开关 占地面积占地面积: 150 m2 重量重量: 30 吨吨 功耗功耗: 140 KW 运算速度运算速度: 5000 次次/s 平均无故障时间平均无故障时间 7 min 外部程序控制外部程序控制 计算机工作原理二进制(c) 第14代计算机的对比 代代 别别年年

2、 代代使用的元器件使用的元器件使用的软件类型使用的软件类型主要应用领域主要应用领域 第第1代代 20世纪世纪40年代年代 中期中期50年代年代 末期末期 CPU：电子管：电子管 内存：磁鼓内存：磁鼓 使用机器语言和使用机器语言和 汇编语言编写程汇编语言编写程 序序 科学和工程计科学和工程计 算算 第第2代代 20世纪世纪50年代年代 中、后期中、后期60 年代中期年代中期 CPU：晶体管：晶体管 内存：磁芯内存：磁芯 使用使用FORTRAN等等 高级程序设计语高级程序设计语 言言 开始广泛应用开始广泛应用 于数据处理领于数据处理领 域域 第第3代代 20世纪世纪60年代年代 中期中期70年代年

3、代 初期初期 CPU：SSI，MSI 内存：内存：SSI，MSI 的半导体存储器的半导体存储器 操作系统、数据操作系统、数据 库管理系统等开库管理系统等开 始使用始使用 在科学计算、在科学计算、 数据处理、工数据处理、工 业控制等领域业控制等领域 得到广泛应用得到广泛应用 第第4代代 20世纪世纪70年代年代 中期以来中期以来 CPU：LSI、 VLSI 内存：内存：LSI、 VLSI的半导体存的半导体存 储器储器 软件开发工具和软件开发工具和 平台、分布式计平台、分布式计 算、网络软件等算、网络软件等 开始广泛使用开始广泛使用 深入到各行各深入到各行各 业，家庭和个业，家庭和个 人开始使用计

4、人开始使用计 算机算机 计算机工作原理二进制(c) 计算机的特点与作用 计算机工作原理二进制(c) 计算机有哪些特性？ 计算机的特性：计算机的特性： （1）速度快）速度快 （2）存储容量大）存储容量大 （3）通用性通用性好好 不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进 行处理行处理 不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算 不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能 （4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能

5、力）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力 计算机工作原理二进制(c) 计算机的逻辑组成 计算机工作原理二进制(c) 计算机是一个复杂系统 计算机硬件是计算计算机硬件是计算 机系统中所有实际机系统中所有实际 物理装置的总称物理装置的总称 计算机软件是指在计算机中计算机软件是指在计算机中 运行的各种程序及其处理的运行的各种程序及其处理的 数据和相关的文档数据和相关的文档计算机系统计算机系统 计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 存储器存储器 输出设备输出设备 系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 程

6、序语言处理系统程序语言处理系统 文字处理文字处理 通信通信 娱乐娱乐 计算机工作原理二进制(c) 计算机硬件的逻辑结构 1 经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算 机） 运算器和控制器运算器和控制器 输入设备输入设备输出设备输出设备 存储器存储器 （注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构） 冯冯.诺依曼计算机工作原理：程序存储和程序控制诺依曼计算机工作原理：程序存储和程序控制 中央处理器中央处理器CPU (Central Processing Unit) 计算机工作原理二进制(c) 计算机硬件的逻辑结构 2 现代计算机的逻辑结构 中央处理器中央处理器

7、 (运算器及其控制运算器及其控制) 外存储器外存储器 内存储器内存储器 输出设备输出设备 总线总线(bus) 输入设备输入设备 I/O接口接口I/O接口接口 外存储器接口外存储器接口 控制器控制器控制器控制器控制器控制器 CP U 控制器控制器 memor y storag e I/O设备通过设备通过I/O接接 口与各自的控制器口与各自的控制器 连接，然后由控制连接，然后由控制 器与器与I/O总线相连总线相连 计算机工作原理二进制(c) (1) 中央处理器 什么是处理器什么是处理器(processor)？ 能能高速执行指令，完成二进制数据的算术或高速执行指令，完成二进制数据的算术或 逻辑运算和

8、数据传送等操作逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：的部件，特点是： 由数字电路组成，结构非常复杂由数字电路组成，结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上所有电路都制作在大规模集成电路芯片上 (仅几个平方厘米仅几个平方厘米)，称为，称为“微处理器微处理器” (microprocessor) Intel 4004 chip Intel 8080 chip 计算机工作原理二进制(c) 存储器存储器 中央中央 处理器处理器 存储数据存储数据 和指令和指令 执行指令执行指令 处理数据处理数据 指令，数据指令，数据 处理结果处理结果 CPU的任务 CPU的主要任务是执行指令，它按指令的的主要

9、任务是执行指令，它按指令的 规定对数据进行操作规定对数据进行操作 计算机工作原理二进制(c) (2) 存储器 功能：功能： 储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据 分类：内存储器分类：内存储器/外存储器外存储器 内存储器（内存储器（RAM） (简称内存或主存简称内存或主存) 外存储器外存储器 (简称外存或辅存简称外存或辅存) 存取速度存取速度很快很快较慢较慢 存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高) 很大很大(因单位成本较低因单位成本较低) 性质性质断电后信息消失断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持 用途用途存放已经启动运行的程序存放已经启动运行

10、的程序 和需要立即处理的数据和需要立即处理的数据 长期存放计算机系统中几乎所长期存放计算机系统中几乎所 有的信息有的信息 与与CPU关关 系系 CPU所处理的指令及数据所处理的指令及数据 直接从内存中取出直接从内存中取出 程序及相关数据必须先送入内程序及相关数据必须先送入内 存后才能被存后才能被CPU使用使用 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存储内容存储内容 地地 址址 存储单元存储单元 计算机工作原理二进制(c) 主存储器(RAM)的功能与原理 主存是主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令处

11、理的指令 和数据和数据 存存 储储 内内 容容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存储存储 单元单元 地址地址 地址码地址码 存储单元 地址寄存器 地址译码器 读写控制电路 读读/写的数据写的数据 读读/写控制信号写控制信号 (64位) (36位) 计算机工作原理二进制(c) (5) 总线(bus) 功能：功能： 用于连接用于连接CPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/O设备并在设备并在 它们之间传输信息的一组它们之间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控传输线及其控 制电路，总线分为：数据总线、地址总线和控制电路，总线分为：数据总线、地

12、址总线和控 制总线制总线 分类：分类： CPU总线（或前端总线）总线（或前端总线） ：用于连接：用于连接CPU和和 内存的总线内存的总线 I/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的设备（包括外存）的 总线总线 计算机工作原理二进制(c) 计算机工作原理计算机工作原理 计算机工作原理二进制(c) 计算机工作原理计算机工作原理-“存储程序控制” 原理 将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处，程序连同它所处 理的数据都用理的数据都用二进位表示二进位表示并预先并预先存放在存储器存放在存储器中中 程序运行时，程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指

13、令和从内存中一条一条地取出指令和 相应的数据，相应的数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运，对数据进行运 算处理，直到程序执行完毕为止算处理，直到程序执行完毕为止 CPU从内存中逐条从内存中逐条 读取该程序的指令及读取该程序的指令及 相关的数据相关的数据 将指令的运算处理将指令的运算处理 结果送回内存保存结果送回内存保存 任务完成后，将处任务完成后，将处 理得到的全部结果成理得到的全部结果成 批传送到外存以长久批传送到外存以长久 保存保存 外存储器外存储器 内存储器内存储器 CPU 任务启动时，执行任务启动时，执行 该任务的程序和数据该任务的程序和数据 从外存成批传送到内从外

14、存成批传送到内 存存 指令1 指令2 指令k 指令n 程序程序 数据1 数据2 数据m 数据数据 CPU逐条逐条 执行指令执行指令,按按 指 令 要 求 完指 令 要 求 完 成 对 数 据 的成 对 数 据 的 运算和处理运算和处理 计算机工作原理二进制(c) 指令与指令系统 instruction set software hardware 计算机工作原理二进制(c) 指令是什么？ 指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指执行什么操作。指 令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组 成的成的 指令采用二进位表示，大

15、多数情况下，指令由两个指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个 部分组成：部分组成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址 指出指出CPU应执行何种操作的一应执行何种操作的一 个命令词，例如加、减、乘、个命令词，例如加、减、乘、 除、取数、存数等除、取数、存数等 指出该指令所操作指出该指令所操作(处理处理)的的 数据或者数据所在位置数据或者数据所在位置 计算机工作原理二进制(c) 指令在计算机中的执行过程 n取指令：CPU的控制器从 存储器读取一条指令并放 入指令寄存器 n指令译码：指令寄存器中 的指令经过译码，决定该 指令应进行何种操作、操 作数在哪里 n执行指令 3.1 取操作数

16、3.2 进行运算 n修改指令计数器，决定下 一条指令的地址 1 取指令取指令 4 修改指修改指 令计数器令计数器 3 执行指令执行指令 2 指令译码指令译码 指令执行周期指令执行周期 通常，每一步需要通常，每一步需要1个或几个时个或几个时 钟周期才能完成钟周期才能完成 计算机工作原理二进制(c) 关于指令系统 CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令 系统，即它的机器语言 计算机工作原理二进制(c) 计算机数据常用表示方法计算机数据常用表示方法 计算机工作原理二进制(c) 23 计数与进制 “数”是一种信息，它有大小（数值），可以进行 四则运算 “数”有不同的表示方法。日常生活中人们使用 的是

17、十进制数，但计算机使用的是二进制数，程 序员还使用八进制和十六进制数 计算机工作原理二进制(c) 十进制数 语法规则语法规则 每一位可使用十个不同数字表示（每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、 3、4、5、6、7、8、9） 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢10进进1 各位的权值是各位的权值是10的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是10 ） 标志：标志： 尾部加尾部加“D”或缺省或缺省 语义规则语义规则 204.96=210201014100910 1 610 2 计算机工作原理二进制(c) 二进制数 语法规则语法规则 每一位使用两个不同数字表示（每一位使用两个不同数字表示（0

18、、1），即每一），即每一 位使用位使用 1 个个“比特比特”表示表示 低位与高位的关系是：逢低位与高位的关系是：逢2进进1 各位的权值是各位的权值是 2 的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是2 ） 标志：标志： 尾部加尾部加B 语义规则：按权展开语义规则：按权展开 101.01 B =122021120 02 1 12 2 5.25 计算机工作原理二进制(c) 二进制对应十进制数据 1B： 11B: 111.01B: 1111B: 1011.11B: 计算机工作原理二进制(c) 十六进制数 语法规则语法规则 每一位使用十六个数字和符号表示（每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、 4、

19、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F ） 逢逢16进进1, 基数为基数为16 各位的权值是各位的权值是16的整数次幂（基数是的整数次幂（基数是16 ） 标志：标志：尾部加尾部加H 语义规则：按权展开语义规则：按权展开 F5.4H=15161 + 5160 + 416 1 = 245.25 计算机工作原理二进制(c) 十六进制对应十进制数据 1H: 10A.BH: ABC.8H: 111H: 计算机工作原理二进制(c) 八进制数 语法规则语法规则 每一位使用每一位使用8种数字表示（种数字表示（0、1、2、3、4、5、6、 7） 逢逢8进进1, 基数为基数为8 各位的权值是各位的权值是8的整

20、数次幂（基数是的整数次幂（基数是8 ） 标志：标志：尾部加尾部加Q 语义规则：按权展开语义规则：按权展开 75.4Q=781 + 580 + 48 1 = 61.5 计算机工作原理二进制(c) 八进制对应十进制数据 1Q: 106.7Q: 111Q: 计算机工作原理二进制(c) 不同进位制数的比较 十进制二进制八进制十六进制 零0000000 壹1000111 贰2001022 叁3001133 肆4010044 伍5010155 陆6011066 柒7011177 捌81000108 玖91001119 拾10101012A 拾壹11101113B 拾贰12110014C 拾叁1311011

21、5D 拾肆14111016E 拾伍15111117F 计算机工作原理二进制(c) 32 不同进制数的相互转换 原理：原理：真值真值(语义语义)相等相等 十进制十进制-二进制二进制 十进制十进制-十六进制十六进制 二进制二进制 -十进制十进制 十六进制十六进制-十进制十进制 整数整数:除权取余除权取余 小数小数:乘权取整乘权取整 按权展开按权展开 计算机工作原理二进制(c) 十进制数 二进制数 转换方法：整数和小数分开转换方法：整数和小数分开 转换转换 整数部分：除以整数部分：除以2 2逆序取余逆序取余 小数部分：乘以小数部分：乘以2 2顺序取整顺序取整 例如：例如：29.687529.6875

22、 11101.1011 B 注意：十进制小数注意：十进制小数( (如如0.63)0.63)在转换在转换 时会出现时会出现二进制无穷小数，这时只二进制无穷小数，这时只 能取近似值能取近似值, ,即实数存储在计算机即实数存储在计算机 中会存在误差，整数存储在计算机中会存在误差，整数存储在计算机 中没有误差中没有误差 整整 数数 部部 分分 小小 数数 部部 分分 计算机工作原理二进制(c) 十六进制数与二进制数的互换 转换方法：与八、二进制互换的方法类似转换方法：与八、二进制互换的方法类似 例例1：35A2.CFH 0011 0101 1010 0010.1100 1111B 例例2：11 010

23、0 1110.1100 11B 34E.CCH 十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 十六进制数十六进制数 二进制数二进制数 0 0000 8 10000 0000 8 1000 1 0001 9 1001 1 0001 9 1001 2 0010 A 1010 2 0010 A 1010 3 0011 B 1011 3 0011 B 1011 4 0100 C 1100 4 0100 C 1100 5 0101 D 1101 5 0101 D 1101 6 0110 E 1110 6 0110 E 1110 7 0111 F 1111 7 0111 F 1111 n1 1位十六进制数与位十

24、六进制数与4 4位二进制数的对应关系：位二进制数的对应关系： 计算机工作原理二进制(c) 十六进制数与二进制数的互换练习 2F3.D3H: B ADFH: B 1011101.101B: H 1011111.10111B: H 计算机工作原理二进制(c) 八、二进制互换的方法类似 1个八进制数与个八进制数与3位二进制数相对应位二进制数相对应 例如：例如： 1075.06Q： 1.000110B 1011101.1011B: 1 3 5.54Q 计算机工作原理二进制(c) 各种进制的互相转换 以十进制和二进制为标准，进行互换以十进制和二进制为标准，进行互换 345.75转换成二进制、八进制和十六

25、进制转换成二进制、八进制和十六进制 的数的数 1075.06Q转换成转换成16进制、十进制的数进制、十进制的数 计算机工作原理二进制(c) 数值信息的表示 如何解决如何解决分而治之分而治之(divide and conquer) 将有理数分类将有理数分类 整数整数(integer) 无符号数整数无符号数整数(unsigned integer) 有符号整数有符号整数(signed integer) 浮点数浮点数(float) 38 计算机工作原理二进制(c) 39 (1)无符号整数的表示 特点：没有符号位，仅能表示正整数特点：没有符号位，仅能表示正整数 N位范围：位范围：000111 (真值：真

26、值：02n-1) 计算步骤计算步骤 转换为二进制转换为二进制 高位补足高位补足0 举例：用举例：用八位不带符号整数八位不带符号整数表示表示(43)10 第一步：第一步： 101011 第二步：第二步：00101011 计算机工作原理二进制(c) 40 (2)有符号整数的表示原码 规则规则 第一位为符号位，正整数符号位为第一位为符号位，正整数符号位为0，负整数符号为，负整数符号为1； 第二位开始为绝对值，表示法与无符号整数相同第二位开始为绝对值，表示法与无符号整数相同 N位范围：位范围：111011 (真值：真值： -(2n-1-1) 2n-1-1) 计算步骤计算步骤 将绝对值表示成二进制将绝对

27、值表示成二进制 设置符号位，除符号位外高位补足设置符号位，除符号位外高位补足0 举例举例 +43的的8位原码为：位原码为： 0 - 43的的8位原码为：位原码为： 1 +0的的8位原码为：位原码为：00000000 -0的的8位原码为：位原码为：10000000 计算机工作原理二进制(c) 41 (2)有符号整数的表示原码 讨论讨论 范围：范围：-(2n-1-1)+(2n-1-1)，只有，只有2n-1个数个数 缺点：整数缺点：整数0的表示重复的表示重复 000(真值：真值：+0) 100(真值：真值：-0) 0的重复表示不仅仅是浪费问题，给信息处理带来很大问的重复表示不仅仅是浪费问题，给信息处

28、理带来很大问 题题 加法与减法运算规则不统一，增加了成本；需要加加法与减法运算规则不统一，增加了成本；需要加 法运算器和减法运算器才能实现加法运算和减法运算法运算器和减法运算器才能实现加法运算和减法运算 如何应对：在计算机内部采用如何应对：在计算机内部采用“补码补码”表示有符号表示有符号 整数整数 计算机工作原理二进制(c) （3）有符号整数补码的计算方法）有符号整数补码的计算方法 转换规则转换规则 正整数的补码和其原码相同。正整数的补码和其原码相同。 负整数的补码为：其原码除符号位外，其余各位负整数的补码为：其原码除符号位外，其余各位 取反加取反加1得来。得来。 计算步骤计算步骤 将绝对值表示成二进制将绝对值表示成二进制 根据整数符号根据整数符号 正：设置符号位为正：设置符号位为0，高位，高位补足补足0 负：第负：第2位向左每位取反，末尾加位向左每位取反，末尾加1，设置符号位设置符号位1 42 计算机工作原理二进制(c) (3)有符号整数的机器内表示补码 例例1: - 43用用8位补码表示位补码表示 所以：所以： - 43 的的8位补码为：位