计算机基础讲义-第2章 计算原理

1、第第2 2章章 计算原理计算原理 1. 01. 0、1 1及数的进制及数的进制2. 02. 0、1 1、逻辑及电子器件、逻辑及电子器件 3.3.信息表示与处理信息表示与处理 4.4.图灵计算图灵计算 5.5.冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 6.6.计算机语言与虚拟机器计算机语言与虚拟机器1.11.1 0 0、1 1及数的进制及数的进制1.1.1 1.1.1 十进制数十进制数 a an na an n-1-1a a0 0.b.b1 1b b2 2b bm ma an n 10 10n n +a+an-1 n-1 10 10n-1 n-1 + + + a+ a0 0 10 100 0 +b+b1 1

2、 10 10-1-1+b+b2 2 10 10-2 -2 + + +b+bm m 10 10-m-m逢十进一逢十进一数码有数码有0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 91.1.21.1.2 r r进制数进制数 a an na an n-1-1a a0 0.b.b1 1b b2 2b bm ma an n r rn n+a+an-1 n-1 r rn n-1-1+ + + a+ a0 0 r r0 0+b+b1 1 r r-1-1+b+b2 2 r r-2-2+ + +b+bm m r r-m-m逢逢r r进一进一数码有数码有0 0、1 1、( (r-1)r

3、-1)1.1.31.1.3 二进制数二进制数 a an na an n-1-1a a0 0.b.b1 1b b2 2b bm ma an n 2 2n n+a+an-1 n-1 2 2n-1n-1+ + + a+ a0 0 2 20 0+b+b1 1 2 2-1-1+b+b2 2 2 2-2-2+ + +b+bm m 2 2-m-m逢二进一逢二进一数码有数码有0 0、1 1 二进制加法运算：二进制加法运算： 0 0 1 1 0 0 1 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 0 + 1 0 1 1 10 0 1 1 10 二进制减法运算：二进制减法运算： 0 10 1 10 1

4、0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0例例1 X=101111 X=10111，Y=10011Y=10011，则，则 X+Y = 101010X+Y = 101010 10111 10111 + 10011 + 10011 101010 101010例例2 X=101112 X=10111，Y=10011Y=10011，则，则 X XY = 100Y = 100 10111 10111 10011 10011 00100 00100 1.1.4 1.1.4 八进制数八进制数 a an na an n-1-1a a0 0.b.b1 1b b2 2b bm ma

5、 an n 8 8n n+a+an-1 n-1 8 8n-1n-1+ + + a+ a0 0 8 80 0+b+b1 1 8 8-1-1+b+b2 2 8 8-2-2+ + +b+bm m 8 8-m-m数码有数码有0 0、1 1 、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7逢八进一逢八进一1.1.5 1.1.5 十六进制数十六进制数 a an na an n-1-1a a0 0.b.b1 1b b2 2b bm ma an n 16 16n n+a+an-1 n-1 16 16n-1n-1+ + + a+ a0 0 16 160 0+b+b1 1 16 16-1-1+b+b2 2 16

6、16-2-2+ + +b+bm m 16 16-m-m数码有数码有0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9、A A、B B、C C、D D、E E、F F逢十六进一逢十六进一1.1.61.1.6 二进制数和十进制数转换二进制数和十进制数转换 二进制二进制 十进制十进制 11101110B=1 B=1 2 23 3+1+1 2 22 2+1 +1 2 21 1 + 0 + 0 2 20 0 =14D =14D 十进制十进制 二进制二进制 200200D = ?BD = ?B 2 200 2 200 0 0 2 100 2 100 0 0 2 50 2 50

7、0 0 2 25 2 25 1 1 2 12 2 12 0 0 2 6 2 6 0 0 2 3 2 3 1 1 2 1 2 1 1 1 0 0 200200D=11001000BD=11001000B 2 133 2 133 1 1 2 66 2 66 0 0 2 33 2 33 1 1 2 16 2 16 0 0 2 8 2 8 0 0 2 4 2 4 0 0 2 2 2 2 0 0 2 1 2 1 1 1 0 0 133133D=10000101BD=10000101B1.1.7 1.1.7 十六进制数和十进制数转换十六进制数和十进制数转换 十六进制十六进制 十进制十进制 1 1FH=1

8、FH=1 16161 1+F+F 16 160 0 = 31D = 31D 十进制十进制 十六进制十六进制 16 200 16 200 8 8 16 16 C C C C 0 0 200D = C8H 200D = C8H 16 133 16 133 5 5 16 8 16 8 8 8 0 0 133133D = 85HD = 85H1.1.8 1.1.8 二进制数和十六进制数转换二进制数和十六进制数转换 二进制二进制 十六进制十六进制 1101001B = 69H1101001B = 69H 1111001110B = 3CEH 1111001110B = 3CEH 十六进制十六进制 二进制

9、二进制 3 3EH = 111110BEH = 111110B 237H = 1000110111B237H = 1000110111B2.2 02.2 0、1 1、逻辑及电子器件、逻辑及电子器件2.2.1 02.2.1 0、1 1及逻辑运算及逻辑运算(1)(1)或运算或运算只要有一个或一个以上子事件成立，整个事件即只要有一个或一个以上子事件成立，整个事件即成立，这种因果关系为成立，这种因果关系为“或或”逻辑。逻辑。(2)(2)与运算与运算组成事件的所有子事件都成立时，整个事件才成组成事件的所有子事件都成立时，整个事件才成立，这种因果关系为立，这种因果关系为“与与”逻辑。逻辑。(3)“(3)“

10、非非”运算运算两个事件的关系是相互否定的关系，它们之间的两个事件的关系是相互否定的关系，它们之间的关系是关系是“非非”逻辑。逻辑。 0AND 0 0 0AND 1 0 1AND 0 0 1AND 1 1“与”运算 0OR 0 0 0OR 1 1 1OR 0 1 1OR 1 1“或”运算NOT 0 1NOT 1 0“非”运算(4)(4)逻辑运算规则逻辑运算规则 用用1 1表示表示“真真”，用，用0 0表示表示“假假”。“异或”运算 0XOR 0 0 0XOR 1 1 1XOR 0 1 1XOR 1 0例例3 3 X=10111X=10111，Y=10011Y=10011，则，则 X AND Y

11、= 10011X AND Y = 10011 10111 10111 AND 10011 AND 10011 10011 10011例例4 X=101114 X=10111，Y=10011Y=10011，则，则 X OR Y = 10111X OR Y = 10111 10111 10111 OR 10011 OR 10011 10111 10111 例例5 X=101115 X=10111，Y=10011Y=10011，则，则 X XOR Y = 100X XOR Y = 100 10111 10111 XOR 10011 XOR 10011 00100 00100(5)(5)逻辑与电子元器

12、件逻辑与电子元器件UCC(+5V)R3.9kABFV1V2R3.9kBAFV2V1RVRCF(UI)UCC(+5v )A(UO)(a) 二级管与门(b) 二级管或门(c) 三级管非门FAB(a)(b)&FAB(c)FAB图2.10 与门的逻辑符号图2.11 或门的逻辑符号FAB(a)(b)FAB(c)1FAB图2.12 非门的逻辑符号FA(a)FA(b)1FA(c)图2.13 异或门的逻辑符号FBFAFAABB1+(6)逻辑图(7)(7)半加器半加器2.3 2.3 信息表示与处理信息表示与处理 用用0 0和和1 1编码编码1) 1) BCD码：Binary Coded Decimal(

13、二-十进制编码)十进制十进制0 1 2 3 4 BCD码码0000 0001 0010 00110100十进制十进制5 6 7 8 9 BCD码码0101 011001111000 1001十进制数十进制数53285328的的BCDBCD码为码为0101 0011 0010 10000101 0011 0010 10002)ASCII2)ASCII码码(American Standard Code for (American Standard Code for Information Interchange, Information Interchange, 美国信息交换标准码美国信息交换标准

14、码) )一个符号用一个符号用8位位0、1码码来表示，最高位始终为来表示，最高位始终为0 b8b7b6b5b4b3b2b1 0 x x x x x x xASCII码的例子码的例子01000001 A 41 H01000010 B 42 H01111111 DEL 7F H3)3)汉字编码汉字编码“大”b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 用0和1编码汉字,每个汉字在计算机内部由 2个字节表示0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 国标码1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 (机)内码汉字

15、编码汉字编码(1) -怎样保存怎样保存由外到内计算机内部由内到外“型”汉字编码汉字编码(2) -怎样输入怎样输入用键盘上的字母符号编码汉字, 以便键入字母符号代替键入汉字输入码有若干：拼音码、字型码、区位码 拼音码： xing双拼码： x；其中其中,x,x表声母表声母x,x,而而；表韵母表韵母inging五笔字型码： gajf其中,g表字根“-”,a表开下的草字头,j表右侧立刀,f表下面土字计算机内部由外到内由内到外“大”汉字汉字(3) -怎样输出怎样输出用0和1编码无亮点和有亮点形成字型信息, 便于显示 字模点阵码计算机内部由外到内由内到外oooooo11oooooooooooooo11oo

16、oooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo“大”汉字汉字(4) -汉字的处理过程汉字的处理过程计算机内部由外到内由内到外da1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1

17、1 1 oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo图像编码位图图像位图图像将图像划分成均匀的网格将图像划分成均匀的网格状，每个单

18、元格称为状，每个单元格称为- -像素像素像素表达颜色的不同，像素表达颜色的不同，需要编码的位数不同。需要编码的位数不同。黑白黑白-1位位256级灰度级灰度-8位位16色彩色色彩色-4位位256色彩色色彩色-8位位24位真彩色位真彩色-24位位矢量图象矢量图象 把图象分解为直线和曲线的组合，用数学公把图象分解为直线和曲线的组合，用数学公式定义这些曲线和直线。式定义这些曲线和直线。 位图图像种类位图图像种类BMP BMP 256 256种颜色；种颜色；JPEG(JPG) JPEG(JPG) 24 24位或数百种颜色；位或数百种颜色；GIF GIF 256 256或更少颜色；或更少颜色；TIFF T

19、IFF 多用于图像印刷或打印多用于图像印刷或打印PNG PNG 多用于多用于 web web 页面页面声音编码采样频率采样精度编码方法及其保真度WAVWAV、AUAU、AIFFAIFF、MP3 MP3 等等视频编码视频：时间序列的动态图像(如25帧/秒)数据速率压缩比关键帧音频轨音频轨文字轨文字轨视频轨视频轨2.4 图灵机计算机的理论模型 2.4.1 图灵机的思想 u图灵机模型图灵机是一个七元组 P = (Q, S, G, d, q0, B, F )，其中 Q 是有穷状态集 S 是有穷输入字符集 G 是有穷带字符集 d 是状态转移函数 q0 是初始状态 B 是空格符 F 是有穷终结状态集控制B

20、 BX X1 1X X2 2X X3 3 d:Qd:QG QG QG GL,RL,R2.5.1 冯诺依曼计算机存储器运算器控制器输入设备输出设备五部分组成五部分组成n 存储器n 运算器n 控制器n 输入设备n 输出设备 2.5 冯诺依曼计算机计算机系统基本组成：硬件计算机系统基本组成：硬件 主机输入设备输出设备外存储器 外部设备键盘鼠标扫描仪光驱光盘软盘/硬盘显示器打印机控制器运算器内存储器芯片电路板计算机系统基本组成：硬件计算机系统基本组成：硬件内存储器和外存储器的区别内存储器: 临时、高速、直接、 造价高、容量低。外存储器: 永久、较慢、间接、 造价低、容量高。计算机系统基本组成：软件计算

21、机系统基本组成：软件(1) 系统软件系统软件 应用软件应用软件系统软件：系统软件：对计算机管理、控制、维护，或对计算机管理、控制、维护，或 者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。者编辑、制作、加工用户程序的一类软件。应用软件：应用软件：解决实际问题的软件。解决实际问题的软件。用户用户计算机系统基本组成：软件计算机系统基本组成：软件(2)语言处理系统应用程序/软件包数据库管理系统工具软件操作系统硬件2.4计算机语言与虚拟机器 1 机器语言 2 汇编语言 3 高级语言 4 虚拟机器安装了不同程序才能完成不同的工作安装了不同程序才能完成不同的工作编程序编程序计算机为什么能做很多事情？科学计算、排版印刷、辅助设计计算机语言发展过程：机器语言(1)例如：完成例如：完成7+10并存储的一段程序并存储的一段程序10000110000001111000101100001010100101110000011111110100所有程序都需转换成机器语言程序所有程序都需转换成机器语言程序计算机才能执行计算机才能执行计算机语言有计算机语言有3 3种类型：种类型：机器语言、汇编语言、机器语言、汇编语言、高级语言高级语言