第2章 计算机基础知识教材

武汉理工大学计算机学院第2章计算机基础知识本章内容2.4计算机系统的组成与工作原理2.12.22.3数制及数制间的转换数据在计算机中的表示与编码多媒体技术2.1计算机系统组成与工作原理一个完整的电子计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的。计算机系统硬件系统(Hardware)软件系统(Software)

60多年来，虽然计算机器件经历了重大变化，但就其基本结构仍然是冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼原理“存储程序概念”1.存储程序2.自动执行指令

冯·诺依曼原理确立计算机的工作原理和硬件基本结构。一系列指令的有序集合就称为程序。

程序通过输入设备送入计算机的存储器中存储起来，计算机的各部件会在控制器的作用下自动执行一条条指令，完成计算等各种操作，能通过输出设备输出结果。硬件部件之间的关系图计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部件组成。输入设备存储器运算器输出设备控制器运算器ALU（arithmeticlogicunit），计算机的核心部件。ALU能直接处理的二进制数据的位数称为字长，字长不仅表示计算机的精度，也反映计算机的处理能力。字长越大，计算机一次处理信息的能力就越强，精度就越高，运算速度就越快。控制器CU（controlunit）控制器是计算机的控制中心。在现代计算机中，往往将运算器和控制器集中在一个集成电路芯片内，称为中央处理器（CPU，CentralProcessingUnit）。存储器存储器是计算机中存放程序和数据的器件。存储器可分为内部存储器（简称内存或主存）和外部存储器（简称外存或辅存）两大类。一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位。

通常将每8位二进制位组成一个存储单元，称为字节（Byte，简记为B），并给每个字节编上一个号码，称为地址（Address）。存储器存储器可容纳的二进制信息量称为存储容量存储容量的基本单位是字节。常用的存储容量单位还有：KB、MB、GB和TB。1B=8bits1KB=210B=1024B1MB=210KB=220B1GB=210MB=230B1TB=210GB=240B输入/输出设备输入设备是将外界的信号传送给计算机的设备。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等。输出设备是将计算机运算和处理的结果传送给外界的设备。常见的输出设备有显示器、打印机等。2.2数制及相互转换12常用数制数制之间的转换在进位计数制中有数位、基数和位权三个要素。十进制：基数

R=10可使用数码：0123456789数据：

101.1数位：

210-1位权：10210110010-1展开式：101.1=1*102+0*101+1*100+1*10-1＝101.1同样的数101.1，在二进制中表示的大小不同。二进制：基数

R=2可使用数码：01

数据：

101.1数位：

210-1位权：2221202-1展开式：101.1=1*22+0*21+1*20+1*2-1＝5.5进制按进位的原则进行计数基为R时，逢R进一，借一当R采用位权表示法计算机应用中使用的进制二进制、八进制、十六进制采用二进制的原因：二进制数在物理上最容易实现运算规则简单，易于实现方便逻辑运算计算机中常用的几种进制数的表示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,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位权2i8i10i16i形式表示B（Binary）O（Octal）D（Decimal）H（Hexadecimal）注：其中i为整数其中：

A=10，B=11，C=12，D=13，E=14，F=15二进制数1011，（Binary）也记为：1011B

或(1011)2八进制数1357，（Octal）也记为：1357O

或(1357)8十六进制数3FB9，（Hexadecimal）也记为：3FB9H

或(3FB9)16十进制数2049，（Decimal）也记为：2049D

或(2049)10

在具体表示数时，不同进制的数据可以用不同的数字下标或字母后缀来表示。数制的相互转换十进制非十进制十进制非十进制二、八、十六进制之间的转换10进制2进制8/16进制展开式展开式整数：/2取余小数：*2取整整：/8取余

/16小：*8取整*16以小数点为基准，每3/4位2进制对应一个8/16进制小结展开式方法非十进制整数十进制整数(51.43)8=5×81+1×80+4×8-1+3×8-2=64+1+0.5+0.046875=(65.546875)10(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1

×2-1=8+0+2+1+0.5=(11.5)10例如：把十进制数75转换成八进制数。

875893811

0

1即：(75)10=(113)8示例：十进制整数非十进制整数直到商为027523712181290241220210

0

1结果为：1001011即：(75)10=(1001011)2例如：把十进制数75转换成二进制数。示例：

0.625

╳2

1.250 整数=1

╳2

0.50 整数=0

╳2

1.0

整数=1即：(0.625)10=(0.101)2十进制小数非十进制小数例如：把十进制数0.625转换成二进制数。直到小数部分为0

0.734

╳8

5.872整数=5

╳8

6.976整数=6

╳8

7.808整数=7

╳8

6.464整数=6即:(0.734)10≈(0.5676)8例如：把十进制数0.734转换成八进制数。十进制小数有可能不能精确转换成对应的非十进制数。例如：将(37.625)10转化成二进制数

整数部分

除2取余

(余数)2|372|1812|902|412|202|102|01

小数部分(整数)乘2取整

0.625

×211.250

×2

00.50

×211.0取值方向即：(37.625)10=(100101.101)2(10110110111.0101)20示例：二进制数八进制数(26 67.24)800即：(10110110111.0101)2=(2667.24)8(26 67.24)8(010 110110111.010100)2即：(2667.24)8=(10110110111.0101)2示例：二进制数十六进制数(

010110110111.01001000

)2(5 B 7.48)16(5 B 7.48)16(

010110110111.01001000

)2即：(5B7.48)16=(10110110111.0101)2=(2667.24)82.3数据在计算机中的表示和编码数值数据的表示和编码字符数据的表示和编码图形及图像的表示声音的表示数字动画和数字视频的表示定点数数值数据在计算机内有两种表示方法：

定点数和浮点数

小数点在数中的位置是固定不变的。由于约定在固定的位置，所以小数点是隐含的，不再使用“.”来表示。定点数有两种：（1）定点小数-----小数点固定在符号位之后（纯小数）（2）定点整数-----小数点固定在最低数据之后（整数）0100000010000011定点小数：定点整数：定点数符号位隐含小数点（+0.5)符号位隐含小数点（-3)一个任意实数，可以用纯小数和指数之积来表示。如：通常表示为：其中：

X为浮点数；M为尾数；

E为阶码；R为阶的基数。

浮点数210556.0（55.6）×=10一个任意实数，在计算机内部可以用指数（为整数）和尾数（为纯小数）来表示，即浮点表示法。尾数阶码3130242322

0浮点数阶符阶码数符尾数阶码部分尾数部分

8bits24bits

……

=（2100

0.1000101）2=（1000.101）2=（8.625）10000001000100010100000000

0000

0000

PC机中的单精度浮点数据（两个字＝32bits）即：+770100110101001101机器数+77

符号位真值机器数/真值数值数据的编码把符号位与数字位一起编码来表示数的各种方法。如：真值 机器数

+0 +0000000 00000000 -0 -0000000 10000000 +5 +0000101 00000101 -5 -0000101 10000101在计算机中，1.机器数也称为原码；2.数的最高位为符号位；3.符号位“0”表示正，“1”表示负。反码、补码数字基本运算包括加、减、乘、除。乘、除在机器中可用移位来实现。加法可用加法器来实现。为简化计算机电路，增加运算速度，引进反码和补码，可将二进制数减法运算变加法运算。结论负数：反码=原码除符号位各位取反补码=反码+1正数：反码=原码补码=原码不论正数还是负数移码：补码的符号位取反101100101100110110110011带符号的机器数-77

原码反码补码最高位为符号位，数值部分为原数的绝对值负数：反码=原码除符号位各位取反负数：补码=反码+17-7=7+(-7)=(00000111)原+(10000111)原=(00000111)补+(11111001)补=(00000000)补

=07-27=7+(-27)=(00000111)原+(10011011)原=(00000111)补+(11100101)补=(11101100)补=(11101011)反=(10010100)原=-(24+22)10=-20补码数据计算字符数据的表示和编码ASCII编码字符串汉字编码ASCII编码美国信息交换标准代码

(AmericanStandardCodeforInformationInterchange,ASCII)标准ASCII码也叫基础ASCII码，使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母，数字0到9、标点符号，以及在美式英语中使用的特殊控制字符。美国

信息交换

标准码ASCII码特殊字符的ASCIISP：20H=(32)100-9：30H-39HA-Z：41H-5AHa-z：61H-7AH用户输入十进制数“10”传递给程序的过程用户键入“1”和“0”键BIOS将扫描码翻译为ASCII码31H和30H主机接收两个ASCII码一方面回送给终端另一方面传给程序终端将ASCII码转换为字符点阵信息，显示“10”程序将两个字符转换为二进制数00001010字符串字符串是指连续的一串字符。如：“abc”“1234567890”“^&*W#”一般，它们占用主存中连续的多个字节，每个字节存一个字符。比较字符串大小，是从左到右逐个比较两个字符串中对应字符的ASCII码的大小。如:“they”>“them”，“98”>“200”。常见ASCII码的大小规则----0~9＜A~Z＜a~z

机内码(计算机存储和传输)字型(输出)码(计算机输出汉字)外部(输入)码(键盘)键盘管理程序

汉字处理程序汉字信息汉字信息交换码(国标码)其它系统代码汉字编码与汉字处理过程汉字输入码（或外码）数码：用一串数字来替代汉字的编码。如电报码、国标码等。音码：以汉字读音(不考虑声调)为基础的编码。如全拼码，简拼码，双拼码等。形码：以汉字的笔画、结构、形状为依据的汉字编码。如五笔字型等。音形码：把汉字拼音和汉字字形相结合的编码方式。主要有智能ABC、搜狗输入法等。

不论是哪一种汉字输入方法，利用输入码将汉字输入计算机后，必须将其转换为汉字机内码才能进行相应的存储和处理。

汉字机内码（内码）是供计算机系统内部进行存储、加工处理、传输统一使用的代码。

大部分汉字系统一般都采用将GB2312-80国标码每个字节高位置“1”作为汉字机内码。汉字交换码（国标码）《信息交换用汉字编码字符集•基本集》是我国于1980年制定的国家标准GB2312-80每个汉字（图形符号）采用双字节表示，每个字节只用低7位（字节的最高位为0）；当表示某个汉字的2个字节处在低数值时（0～31），系统很难判定是两个ASCII控制码还是一个汉字的国标码，因此，在计算机内部，汉字编码全部采用机内码表示。汉字字形码（又称汉字字模码）是表示汉字字形的字模数据：点阵字形：通常有16×16，24×24，32×32，48×48等矢量字形汉字输出码将汉字字形经过点阵数字化后形成的一串二进制数，用于汉字的显示和打印。有笔画的点用1表示，没有笔划的点用0表示。图形及图像的表示图像（image）图形(graphics)图形与图像的关系图像图像是指由扫描仪、摄像机等输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。位图表示法、点阵表示法：将一张图分割成若干行和列像素Pixel：行与列的交叉构成一个个点放大后颜色深度：每个像素需要的BIT数24位真彩色：967K256色（8bits）：324K16色：162K黑白（2色）：42K注：颜色深度越大，颜色就越多，图片占的空间越大。

图像文件占用数据空间计算方法为：比特数＝图像宽度×图像高度×图像深度字节数＝比特数÷8。图像格式：图像的大小和格式有一定的关系

.BMP.PCX.GIF.JPG.PNG不同格式的图像文件可以利用软件工具来相互转换矢量图形是以一种指令的形式存在的。特点：图形是对图像进行抽象的结果。能对图中的各个部分分别进行控制。图形的产生需要时间。（存储量小，显示时解释指令）图形（graphics）描述一幅图中所包含的直线、圆、弧线、矩形的大小和形状格式：dxf

（AutoCAD的矢量文件）dwg在微机平台上制作二维图形较常见的软件有CorelDRAW等。制作三维图形常见的软件有3DMAX、AutoCAD等图形放大基本元素变换显示图像像素失真更逼真图形图元无失真只有线、点、面图形实际上是对图像的抽象图形与图像的关系波形音频MIDI音乐声音的表示波形音频波形音频文件是真实声音数字化后的数据文件。声音信息通过话筒将声波变成电波，然后对其电信号进行采样（把时间分成足够小的间隔，并保存下该间隔的电信号强度），即声音的数字化。存储在计算机上波形音频文件有许多种类。目前较流行的音频文件有WAV、MP3、WMA等。不同的音频格式之间也可以相互转化。MIDI音乐乐器数字接口（MIDI，MusicalInstrumentDigitalInterface）是一种电子乐器之间以及电子乐器与电脑之间的统一交流协议。

与波形声音相比，MIDI数据不是声音而是指令。它指示MIDI设备要做什么，怎么做，如演奏哪