第2章计算机系统结构与硬件基础

计算机基础计算机基础教学组2第2章计算机系统结构与硬件基础2.1计算机中信息的表示12.2计算机系统结构22.3计算机的工作原理32.4本章小结4CompanyLogo32.1计算机中信息的表示■概述

计算机在目前的信息社会中发挥的作用越来越重要，计算机的功能也得到了很大的改进，从最初的科学计算、数值处理发展到现在的过程检测与控制、信息管理、计算机辅助系统等方面。计算机不仅仅是对数值进行处理，还要对语言、文字、图形、图像和各种符号进行处理，但因为计算机内部只能识别二进制数，所以这些信息都必须经过数字化处理后，才能进行存储、传送等处理。在计算机系统中，数字和符号都是用电子元件的不同状态表示的，即以高低电平表示。CompanyLogo42.1计算机中信息的表示■进位计数制的概念

按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称“数制”。在日常生活中，除了采用十进制计数外，有时也采用别的进制来计数。例如：十二进制、六十进制等。

在进位计数制中，每个数位所用的不同的数字的个数叫做基数，十进制由0，1，2，3，4，…，9等十个不同的数字组成，也就是说十进制的基数是10。

十进制计数的特点是"逢十进一"。在一个十进数中，需要用到十个数字符号0～9，即十进制数中的每一位是这十个数字符号之一。一个十进制数可以用位权表示。CompanyLogo52.1计算机中信息的表示■进位计数制的概念1、位权

在一个十进制数中，同一个数字符号处在不同位置上所代表的值是不同的；一个数字符号，不管它在哪一个十进制数中，只要在相同位置上，其值是相同的。通常称某个固定位置上的计数单位为位权。在十进制计数中，十位数位置上的位权为10，在小数点后第1位上的位权为10-1。例如，十进制数345.26用位权表示成:(234.13)10=2×102+3×101+4×100+1×10-1+3×10-2CompanyLogo6含有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个基本数字，进位是“逢十进一”。通常十进制的表示形式为(152)10或(152)D。十进制数只含有0、1两个数字，通常二进制的表示形式为(110)2或(110)B。二进制数2.1计算机中信息的表示■常用的计数制CompanyLogo7含有0、1、2、3、4、5、6、7八个基本数字，通常八进制的表示形式为(152)8或(152)O。八进制数含有0-9、A、B、C、D、E、F十六个基本数字，通常十六进制的表示形式为(15D)16或(152)H。十六进制数进位计数制的概念■常用的计数制(23.4)8的位权表示法为：2×81＋3×80＋4×8-1(A2.9)16的位权表示方法为10×161＋2×160＋9×16-1CompanyLogo82.1计算机中信息的表示■计算机与二进制数计算机采用二进制的原因

1）容易实现：二进制在硬件技术上容易实现，只需两个状态。2）运算简单：二进制运算规则简单，操作实现简便。3）工作可靠：由于采用两种稳定的状态来表示数字，使数据的存储、传送和处理都变得更加可靠。4）逻辑判断方便。CompanyLogo9加法减法乘法除法0＋0＝0 0＋1＝1 1＋0＝1 1＋1＝100－0＝0

10－1=1(借1当2)1－0＝1 1－1＝00×0＝0 0×1＝01×0＝0 1×1＝10÷0＝0

0÷1＝0 1÷0（无意义）

1÷1＝1二进制的运算规则：逢二进一，借一当二CompanyLogo10

10011所以1001+1010=100112.1计算机中信息的表示■计算机与二进制数

二进制的加减运算，可借助于十进制数的加减运算竖式，即在进行两数相加时，首先写出被加数和加数，然后按照由低位到高位的顺序，根据二进制加法运算法则把两个数逐位相加即可。例2-1：求1001+1010=?解：1001

＋1010例2-2：求11010－10100＝？解：11010

－10100

00110所以11010－10100＝110CompanyLogo112.1计算机中信息的表示■计算机与二进制数二进制小数二进制小数用小数点左边数字表示数值的整数部分，小数点右边的数字表示数值的小数部分。小数点右面的第一位权为2-1，第二位为2-2，后面的依此类推。对于带小数的加法，十进制中的方法同样适用于二进制，即两个带小数点的二进制数相加，只要将小数点对齐，按照以前同样的步骤进行即可。例2-4 100.01+1101.11=?解：100.01+1101.1110010.00所以100.01+1101.11=10010.00CompanyLogo122.1计算机中信息的表示■数制转换1．二－十进制转换

二进制转换成十进制整数转换(10010)2=1×24+0×23+0×22+1×21+0×20=(18)10

小数转换(101.11)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-2=(5.75)10CompanyLogo132.1计算机中信息的表示■数制转换1．二－十进制转换(2)十进制转换成二进制①十进制整数转换成二进制整数采用“除2取余法”。

具体作法为：将十进制数除以2，得到一个商数和一个余数；再将商数除以2，又得到一个商数和一个余数……继续这个过程，直到商数等于零为止。每次得到的余数(必定是0或1)就是对应二进制数的各位数字。但必须注意:第一次得到的余数为二进制数的最低位，最后一次得到的余数为二进制数的最高位。例如：将十进制数97转换成二进制数。CompanyLogo142.1计算机中信息的表示■数制转换1．二－十进制转换(2)十进制转换成二进制②十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整法”。具体作法为：用2乘十进制小数，得到一个整数部分和一个小数部分；再用2乘小数部分，又得到一个整数部分和一个小数部分……继续这个过程，直到余下的小数部分为0或满足精度要求为止。最后将每次得到的整数部分(必定是0或1)从左到右排列即得到所对应的二进制小数。例如：将十进制小数0.6875转换成二进制小数。CompanyLogo152.1计算机中信息的表示■数制转换2．八－十进制的转换（1）八进制向十进制转换八进制数中有八个数字符号0～7，其计数特点是"逢八进一"。与十进制计数一样，在八进制数中，每一个数字符号(0～7)在不同的位置上具有不同的值，各位上的权值是基数8的若干次幂。例如：

(154)8=1×82+5×81+4×80=(108)10小数之间的转换原理也一样，例如：(154.11)8=1×82+5×81+4×80+1×8-1+1×8-2=(108.140625)10CompanyLogo162.1计算机中信息的表示■数制转换2．八－十进制的转换(2)十进制转换成八进制①十进制整数转换成八进制整数采用"除8取余法"。例如：将十进制整数277.77转换成八进制整数。

②十进制小数转换成八进制小数采用“乘8取整法”。例如，将十进制小数0.140625转换成八进制小数CompanyLogo172.1计算机中信息的表示■数制转换3．十六－十进制转换（1）十六进制转换成十进制十六进制数中有十六个数字符号0～9以及A、B、C、D、E、F，其计数特点是“逢十六进一”。其中符号A、B、C、D、E、F分别代表十进制数10、11、12、13、14、15。与十进制计数一样，在十六进制数中，每一个数字符号(0～9以及A、B、C、D、E、F)在不同的位置上具有不同的值，各位上的权值是基数16的若干次幂。例如:(1CB.D8)16=1×162+12×161+11×160+13×16-1+8×16-2=(459.84375)10CompanyLogo182.1计算机中信息的表示■数制转换3．十六－十进制转换(2)十进制转换成十六进制①十进制整数转换成十六进制整数采用“除16取余法”。②十进制小数转换成十六进制小数采用“乘16取整法”。③在将一个十进制数转换成十六进制数时，需要将整数部分和小数部分分别进行转换。例如，十进制数91.75转换成十六进制数CompanyLogo192.1计算机中信息的表示■数制转换4、二进制与八、十六进制之间的转换(1)

二进制与八进制、十六进制之间有着简单的关系，它们之间的转换是很方便的。由于8和16都是2的整数次幂，即8=23、16=24。因此，三位二进制数相当于一位八进制数，四位二进制数相当于一位十六进制数。(2)八进制数转换成二进制数的规律是：每位八进制数用相应的三位二进制数代替。例如，八进制数(315.27)8转换成二进制数(3)十六进制数转换成二进制数的规律是：每位十六进制数用相应的四位二进制数代替。例如，十六进制数(2BD.C)16转换成二进制数CompanyLogo202.1计算机中信息的表示■数制转换

4、二进制与八、十六进制之间的转换(4)二进制数转换成八进制数的规律是：从小数点开始，向前每三位一组构成一位八进制数；向后每三位一组构成一位八进制数，当最后一组不够三位时，应在后面添0补足三位。例如，二进制数(1101001101.01)2转换成八进制数

(5)二进制数转换成十六进制数的规律是：从小数点开始，向前每四位一组构成一位十六进制数；向后每四位一组构成一位十六进制数，当最后一组不够四位时，应在后面添0补足四位。例如，二进制数(1101001101.01)2转换成十六进制数CompanyLogo212.1计算机中信息的表示■带符号数的表示方式带符号数可以分为原码、反码和补码三种形式。1．原码在原码表示中，最高位用0和1表示该数的符号+和-，后面数值部分不变。即：正数的符号位为0，负数的符号位为1，后面各位为其二进制的数值。X1=+85=+1010101[X1]原

=01010101X2=-85=-1010101[X2]原

=11010101在原码中，0的原码有两种表达方式：

[+0]原

=00000000[-0]原

=10000000由于0占用两个编码，因此8位的二进制数表示范围为-127~-0，+0~127共256个数，其中0占了两个编码——00000000和10000000。CompanyLogo222.1计算机中信息的表示■带符号数的表示方式2．反码

正数的反码与原码的表示方式相同；负数的反码是它的正数（带符号位）按位取反，即负数的反码最高位为1，数值位为原码逐位求反。

X1=+85=+1010101[X1]反

=01010101X2=-85=-1010101[X2]反

=10101010在反码表示中，0的反码有两种表达方式：

[+0]反

=00000000[-0]反

=11111111因此，8位带符号数反码的表示范围也是-127~-0，+0~127共256个数。CompanyLogo232.1计算机中信息的表示■带符号数的表示方式3．补码在补码表示中，正数的补码与原码的表示方式相同；负数的补码为它的正数（带符号位）按位取反加1，即该负数的反码加1。

例如：

X1=85=+1010101

[X1]补=01010101X2=-85=-1010101[X2]补=[X2]反＋1=10101011

在补码表示中，0的补码只有一种表达方式:[+0]补=00000000=[-0]补，而用10000000来表示-128，所以8位带符号数补码的表示范围是-128～127共256个数。

在计算机系统中，对带符号数值一律用补码表示，原因在于：（1）使符号位能与有效值部分一起参加运算,从而简化运算规则；（2）使减法运算转换为加法运算，进一步简化计算机中运算器的线路设计。CompanyLogo242.1计算机中信息的表示■信息的存储单位1．基本存储单位位(Bit)：计算机的最小存储单位称为位，每一位只能存储一个0或1。字节(Byte)：每八位组成一个字节，目前使用的最普遍的基本单位是字节。目前我们使用的26个英文字母和一些基本符号的存储单位都是一个字节。字(Word)：两个字节称为一个字。目前的汉字的存储单位都是一个字。CompanyLogo252.1计算机中信息的表示■信息的存储单位2．扩展的存储单位在计算机各种存储介质的存储容量表示中（例如软盘、内存、硬盘、光盘），用户所接触到的存储单位不是位、字节和字，而是K、M、G等。KB：1KB=1024Byte。在早期用的软盘有360KB和720KB的。MB：1MB=1024KB。目前微型机的内存有128MB、256MB、512MB或更大的。GB：1GB=1024MB。目前微型机的硬盘有20GB、60GB到几百GB或更大。TB：1TB=1024GB。目前个人用的微型机存储容量一般都到不了这个级别，只是作为服务器或者专门的计算机中才能用到这么大的存储容量。CompanyLogo262.1计算机中信息的表示■信息编码在计算机中，不仅数值是用二进制表示的，各种字符和汉字也都是用二进制数进行编码的。为了便于信息的表示、存储、处理和传输，需要对字符或汉字有一个统一的编码方法。1．二－十进制编码（BCD码）二进制在计算机应用中有很多优点，因此，在计算机内部数据处理采用二进制方式，但在计算机外部数据进行输入/输出时，仍然采用十进制数。为了便于机器识别与转换，将每一位十进制数用二进制编码来表示。这种用二进制编码表示十进制数的编码就称为二－十进制码，简称BCD（Binarycodeddecimal）码。这种编码保留了十进制的权。而数字则用0、1来表示。BCD码有两种形式，即压缩BCD码和非压缩BCD码。CompanyLogo272.1计算机中信息的表示■信息编码2．字符编码目前在微型机中普遍使用的字符编码是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美国信息交换标准代码)码。它是用七位二进制数进行编码的，共能表示128个字符，包括了计算机处理信息常用的英文字母、数字符号、算术与逻辑运算符号、标点符号等。CompanyLogo282.1计算机中信息的表示■信息编码3．汉字编码（1）国标码我国制定了“中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码”，代号为“GB2312-80”。这种编码称为国标码。在国标码的字符集中共收录了汉字和图形符号7445个，其中一级汉