计算机系统基础知识

1、第第1 1章章 计算机系统基础知识计算机系统基础知识1.1 计算机系统的基本组成1.2 计算机中数据的表示及运算1.3 计算机的基本组成及工作原理 1.4 指令系统简介计算机系统硬件系统软件系统外部设备系统软件应用软件CPU运算器控制器内存储器(主存储器)输出设备外存储器(辅助存储器)主机输入设备图1-1计算机系统 的组成示意图1.进位计数制及其转换进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数r=2r=8r=10r=16数符0,10,1,2,70,1,2,90,1,2,9,A,B, ,F权2i8i10i16i表示符BODH（1 1）二、八、十六进制转换成十进制）二

2、、八、十六进制转换成十进制【例例1 11 1】把八进制数1704.25转化为十进制数。(1704.25)8 183+782+081+480+28-1+58-2 1512+764+4l+20.125+50.015625 (964.328125)10【例例1 12 2】把十六进制数2EC.F转化为十进制数。(2EC.F)162162+14161+12160+1516-1 2256+1416+12l+150.0625 (748.9375)10【例例1 13 3】二进制数1101.11转化为十进制数。(1101.11)2 123122021120+12-1+12-2 18+14+02+11+10.5+

3、10.25 (13.75)10（2 2）十进制转换成二、八、十六进制）十进制转换成二、八、十六进制【例例1 14 4】 把(307)10转换为对应的二进制数。(307)10(100110011)2（2 2）十进制转换成二、八、十六进制）十进制转换成二、八、十六进制【例例1 15 5】 把(307)10转换为八进制数(307)10(463)8（2 2）十进制转换成二、八、十六进制）十进制转换成二、八、十六进制【例例1 16 6】 把(307)10转换为十六进制数(307)10(133)16（2 2）十进制转换成二、八、十六进制）十进制转换成二、八、十六进制【例例1 17 7】 把(0.8125)

4、10转换为二进制数。(0.8125)10(0.1101)2（2 2）二进制与八、十六进制的转换）二进制与八、十六进制的转换0 01 12 23 34 45 56 67 70000000010010100100110111001001011011101101111110 01 12 23 34 45 56 67 700000000000100010010001000110011010001000101010101100110011101118 89 9A AB BC CD DE EF F1000100010011001101010101011101111001100110111011110111

5、011111111（2 2）二进制与八、十六进制的转换）二进制与八、十六进制的转换【例例1. 91. 9】 把(273.64)8转换为二进制数【例例1. 101. 10】把(7CE29A)16转换为二进制数2.2.二进制运算规则二进制运算规则1) 加法：二进制加法的进位规则是“逢二进一”。000101011110(有进位)2) 减法：在二进制减法的借位规则是“借一当二”。000 101110011(有借位)3) 乘法：二进制乘法规则是：0001000101113.机器数和码制0表示正数，1表示负数有符号数和无符号数纯整数与纯小数3.机器数和码制（1）原码表示法设机器字长为n(即采用n个二进制位

6、表示数据)，则最高位是符号位，0表示正号，1表示负号；其余的n-1位表示数值的绝对值。【例例1. 121. 12】若机器字长n等于8，则：+1 原00000001-1 原10000001+127 原01111111-127 原11111111+45 原00101101 -45 原10101101+0.5 原010000000.5 原110000003.机器数和码制（2）反码表示法正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反。【例例1. 131. 13】若机器字长n等于8，则：+1 反00000001-1 反11111110+127 反01111111-127 反10000000+45

7、反00101101 -45 反11010010+0.5 反010000000.5 原101111113.机器数和码制（3）补码表示法正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末尾加1。【例例1. 141. 14】若机器字长n等于8，则：+1 补00000001-1 补11111111+127 补01111111-127 补10000001+45 补00101101 -45 补11010011+0.5 补010000000.5 补110000003.机器数和码制（4）移码表示法移码就是将补码的符号位变反【例例1. 151. 15】若机器字长n等于8，则：+1 移10000001-1

8、移01111111+127 移11111111-127 移00000001+45 移10101101 -45 移01010011+0.5 移110000000.5 移010000004.定点数和浮点数（1）定点数所谓定点数就是小数点的位置固定不变的数。定点整数和定点小数4.定点数和浮点数（1）浮点数浮点数是小数点位置不固定的数，它能表示更大范围的数。 二进制浮点数的一般形式: NF2E F为尾数，E为阶码规格化 尾数部分以纯小数形式表示，其绝对值应满足0.5|M|1。4.定点数和浮点数（1）浮点数工业标准IEEE754【例例1 12222】利用IEEE754标准将数176.0625表示为单精度

9、浮点数。解：首先将该十进制来转换成二进制数:(176.0625)10(10110000.0001)2其次对二进制进行规格化处理：10110000.000110110000000127单精度浮点数所规定的23位尾数：01100000001000000000000。求阶码，E7127134。则指数的移码表示为10000110。最后，可得到（176.0625）10的单精度浮点数表示形式：010000110011000000010000000000005.十进制与字符的编码表示十进制数8421BCD码余3BCD码格雷码000000011000010001010000012001001010011300

10、11011000104010001110110501011000111060110100110107011110101000810001011110091001110001006.ASCII码D3d2d1d0(低4位)d6d5d4位(高3位)0000010100111001011101110000NULDLESP0Pp0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXCD3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB,7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)

11、9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;Kk1100FFFSNn1111DIUS/?Oo7.汉字编码国标码与机内码的转换 以汉字“大”为，国标码为3473H，两个字节的高位置“1”，得到的机内码为B4F3H。1.奇偶校验码1的个数为奇数(奇校验)或者为偶数(偶校验)奇偶性水平垂直奇校验水平垂直偶校验分类水平校验位数据水平校验位数据编码11 0 1 0 0 1 0 101 0 1 0 0 1 0 110 0 1 1 0 1 1 000 0 1 1 0 1 1 011 1 0 0 1 1 0 001 1 0 0 1 1 0 001 0 1 0 1 0 1 111 0 1 0

12、1 0 1 1垂直校验位00 0 0 0 1 0 1 111 1 1 1 0 1 0 02.海明码该校验码通过在数据位之间插入k个校验位，扩大数据编码的码距，从而不但有能力检测出错误，并能纠正错误。【例例1 12626】 采用4位偶校验方式，求10100110的海明码。 （1）首先确定Di与Pi在海明码中的位置：P1 H1 , P2 H2 , P3 H4 , P4 H8 ,剩下则依序排列Di ，可得：H12H11H10H9H8H7H6H5H4H3H2H1D7D6D5D4P4D3D2D1P3D0P2P12.海明码（2）其次确定校验关系 海明码下标校验位值对应关系P4 P3 P2 P1H1 (P1

13、)1P10001H2 (P2)2P20010H3 (D0)31+2P1 P20011H4 (P3)4P30100H5 (D1)51+4P1P30101H6 (D2)62+4P2P30110H7 (D3)71+2+4P1P2P30111H8 (P4)8P41000H9 (D4)91+8P1 P41001H10 (D5)102+8P2P41010H11 (D6)111+2+8P1P2P41011H12 (D7)124+8P3P411002.海明码（3）确定校验位的取值：2.海明码（4）求得的海明码H12H11H10H9H8H7H6H5H4H3H2H1D7D6D5D4P4D3D2D1P3D0P2P1

14、1010001110012.海明码（5）检测错误：3.循环冗余校验码CRC码利用生成多项式为k个数据位产生r个校验位进行编码，其编码长度为nk+r，所以又称为(n，k)码。其编码格式：1.基本的逻辑运算（1)“与”(AND)运算1.基本的逻辑运算（2)“或”(OR)运算1.基本的逻辑运算（3)“非”(NOT)运算10 01、 1.基本的逻辑运算（4）“异或”运算2.常用的逻辑公式2.常用的逻辑公式【例例1.381.38】用真值表来证明 2.常用的逻辑公式1.机器数的加减运算（1）原码加减法 符号相同则相加：将数值部分直接相加，运算结果的符号与两个加数的符号相同。 符号相异则相减：先比较两个数绝

15、对值的大小，然后用绝对值大者的绝对值减去绝对值小者的绝对值，结果的符号取绝对值大者的符号。1.机器数的加减运算（2）补码加减法 补码的加法运算规则是：X+Y 补X 补+Y 补 补码的减法运算规则是：X-Y 补X 补+-Y 补 (3) 由X补求-X补的方法是：X补的各位取反(包括符号位)，末尾加“1”。1.机器数的加减运算（2）补码加减法 【例例1.321.32】设二进制整数X=+1000100，Y=+1110，求X+Y、X-Y的值。1.机器数的加减运算（2）补码加减法 【例例1.331.33】设二进制整数X=+110110，Y=110011，求X+Y、X-Y的值。1.机器数的加减运算（3）溢出

16、及判定 在确定了运算的字长和数据的表示方法后，数据的范围也就确定了。一旦运算结果超出所能表示的数据范围，就会发生溢出，运算结果肯定是错误的。 当两个同符号的数相加(或者是相异符号数相减)时，运算结果有可能溢出。1.机器数的加减运算（3）溢出及判定 【例例1.341.34】设二进制整数X=+1000001，Y=1000011，若用8位补码表示，则X 补=01000001, Y 补=01000011,求X+Y 补1.机器数的加减运算（3）溢出及判定 【例例1.351.35】设二进制整数X=1111000，Y=10010，若用8位补码表示，则X 补=10001000, Y 补=11101110,求X

17、+Y 补1.总线（1）内总线 ISA (industry standard architecture) 24条地址线，16条数据线 EISA(extended ISA) 24条地址线，16条数据线 PCI(peripheral component interconnect)1.总线（2）外总线 RS-232 SCSI USB IEEE13942.中央处理单元 （1）CPU的组成 运算器（ALU） 控制器（CU） 程序计数器：当程序顺序执行时，每取出一条指令，PC内容自动增加一个值，指向下一条要取的指令。 指令寄存器：用于存放正在执行的指令。 指令译码器：用于产生时序脉冲和节拍电位以控制计算机各

18、部件有序地工作。2.中央处理单元 （1）CPU的组成 寄存器组 累加器 通用寄存器组 标志寄存器 指令寄存器 数据缓冲寄存器 地址寄存器 内部总线3.双核处理器是在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力。3.存储系统（1）存储器的分类 所处的位置：内存和外存 构成：磁存储器、半导体存储器、光存储器 工作方式：读写和只读 访问方式：按内容访问和按地址访问 寻址方式：随机、顺序、直接3.存储系统（2）存储系统的层次结构3.存储系统（3）主存储器 种类：RAM和ROM 性能指标：KB、MB、GB、TB、PB、EB 存储时间 取数时间：存储器从接收读出命令到被 读出信息稳定在数据寄存器的输出端

19、为止的时间间隔。 存取周期：两次独立的存或取操作之间所需要的最短时间。 带宽 可靠性3.存储系统（4）高速缓存 位于CPU和主存之间 容量小，一般在几千字节到几兆字节之间； 速度一般比主存快510倍，由快速半导体存储器制成； 其内容是主存内容的副本，对程序员来说是透明的； cache既可存放程序又可存放数据。3.存储系统（5）外存储器 硬盘 道密度：沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为道密度。 位密码：沿磁道方向，单位长度内存储二进制信息的个数叫位密度。 存储容量：整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量。 非格式化容量位密度内圈磁道周长每个记录面上的磁道数记录面数 格式化容量每个扇区的字节数每道的扇区数每个记录面的磁道数记录面数3.存储系统（5）外存储器 硬盘 平均存取时间：从发生读写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需时间。 寻道时间：为磁头移动到目标磁道(或柱面)所需的时间。 等待时间：为待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。 数据传输率：磁头找到地址后，单位时间写入或读出的字节数。3.存储系统（5）外存储器 光盘 只读型CD-ROM 只写一次型WORM 可擦除型 USB移动硬盘与闪存盘（优盘）3.存储系统（5）外存储器 USB移动硬盘与闪