第2章 计算机系统

1、第2章 计算机系统,1,2,主要内容,数制与编码 计算机系统的基本组成 计算机的工作原理 案例分析,3,2.1 数制与编码2.1.1 数制的基本概念,数制也称计数制，是用一组固定的符号和一套统一的规则来表示数值的方法，一般可分为进位计数制和非进位计数制。 非进位计数制的特点是表示数值大小的数码与它在数中所处的位置无关，这种数制现在使用较少，例如罗马数制。 进位计数制是指将数字符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位进位的方法进行计数来表示数值的方式，简称进位制。比如，我们常用的是十进位计数制，简称十进制，就是按照“逢十进一”的原则进行计数的。 目前一般使用进位计数制。一种进位计数制包含一组数

2、码符号以及三个基本要素：数位、基数和位权。,4,2.1.1 数制的基本概念,十进制数的表示,5,(1)数码个数10个： 计数规律:,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,逢十进 1,借一当10,(2) 基与基数,表示某种进位计数制所具有的数字符号的个数称为基数，也叫模。十进制为10。,2.1.1 数制的基本概念,十进制数的表示,6,在十进制中，10的整幂次方称为10进制数的权。即表示某种进位计数制不同位置上数字的单位值，位置不同显示的数值大小不同。,(3) 权,例：,2.1.1 数制的基本概念,不同进制数的表示 用（ ）角标表示，如：（ ）10、（ ）2 、（ ）8 、（ ）16等。其中，十

3、进制数的下标可省略。 在数字后面用特定字母表示： B或b（二进制， Binary ） D或d（十进制， Decimal ，可省略） O或o（八进制， Octal ） H或h（十六进制， Hexadecimal ）,7,2.1.1 数制的基本概念,二进制数的表示,8,数码个数2个： 计数规律: 例：,0,1,逢二进 1,借一当 2,(11011.01)2 = 11011.01B = 124+123 +022+121+120 +02-1 +12-2,2.1.1 数制的基本概念,八进制数的表示,9,数码个数8个 ： 计数规律: 例：,0,1,2,3,4,5,6,7,逢八进 1,借一当 8,(176.

4、5)8 = 176.5O = 182 +781 +680 +58-1,2.1.1 数制的基本概念,十六进制数的表示,10,数码个数16个 ： 计数规律: 例：,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F (0 10 15),逢十六进 1,借一当 16,(FA1.C)16 = FA1.CH = F162 +A161 +1160 +C16-1,11,表2.1 各种常用进位计数制及其数码、基和位权的关系,12,表2.2常用计数制数值对照表,2.1.2 二进制系统,在计算机中采用二进制原因是它具有以下特点。 可行性: 只有两个数码, 很容易用物理器件来实现。 运算规则简单。 加法:

5、 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 减法: 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1(向高位借) 乘法: 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 除法: 1/1=1 0/1=0 逻辑性:可使用逻辑代数这一数学工具。 逻辑或运算: 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 逻辑与运算: 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 逻辑非运算: 1=0 0=1,13,2.1.3 数制间的转换,二、八、十六进制转换为十进制:按权展开，求和,14,(11011.11)2 = ( )10,=124+123 +022+121+120 +12-1 +12-2,16 8

6、 0 2 1 0.5 0.25,=(27.75)10,(321.4)8 = ( )10,=382+281+180 +48-1,192 16 1 0.5,=(209.5)10,例1：,例2：,2.1.3 数制间的转换,十进制转换为二、八、十六进制 十进制数转换成进制数，要对整数和小数部分分别转换，最后再将两部分合成一个数。 (1)整数的转换基数除法 规则：除基取余，商零为止。余数依从右到左排列即为所求。,15,16,例：, (25)10=(11001)2,(25) 10 = ( ) 2,17,例：, (207)10=(11001111)2,(207) 10 = ( ) 2,18, (54)10=

7、(36)16,例:,(54) 10 = ( ) 16,19,十进制转换为二、八、十六进制 (2)小数的转换基数乘法 规则：乘基取整，直到小数部分为零或达到所要求的精度为止。即乘以取整数，直至取走整数后余下的数为止（如若干次后，取走整数部分后余下的数仍不为，满足精度要求停止计算），所取整数从左至右排列即为所求。,2.1.3 数制间的转换,20,例: 将(0.625)10 转换为二进制,整 数 乘2取整 0. 6 2 5 2 1 1. 2 5 0 0. 2 5 2 0 0. 5 0 2 1 1. 0 转换结果为：(0.625)10 =(0.101)2,低位,高位,21,例：, (0.18)10(0

8、.0011)2,(0.18) 10 = ( ) 2,要求保留小数点后4位。,计算到第5位,0舍1入。,0.1820.36 取整数0 0.3620.72 取整数0 0.7221.44 取整数1 0.4420.88 取整数0 0.8821.76 取整数1,22,例：, (29.93)10(11101.1111)2,1. 8 6,(29.93) 10 = ( ) 2,要求保留小数点后4位。,计算到第5位,0舍1入。,23,二、八、十六进制之间的相互转换 由于二进制、八进制和十六进制之间存在特殊关系：23=8、24=16，即一位八进制数相当于三位二进制数，一位十六进制数相当于四位二进制数。因此转换方法

9、就比较容易，如表所示。,2.1.3 数制间的转换,24,(1) 二进制数转换为八进制数,(10011100101101001000.01)2=,(010 011 100 101 101 001 000.010)2 =,=(2345510.2)8,从小数点开始 3位一组,不足补0,不足补0,.,25,(2) 二进制数转换为十六进制数：,(10011100101101001000.01)2=,(1001 1100 1011 0100 1000.0100)2 =,=( 9CB48.4 ) 16,不足补0,从小数点开始 4位一组,.,26,反之:,(345.7)8 =( ) 2,(345.7)8 =(

10、011 100 101.111 ) 2,1位八进制对应 3位二进制,(27B.7C)16 =( ) 2,(27B.7C)16 =(0010 0111 1011.0111 1100 ) 2,1位十六进制 对应4位二进制,=(10 0111 1011.0111 11 ) 2,27,数值数据除了有大小、整数和小数之分外，还有正负之分。在计算机中，带符号数的符号可以和其数值数字一样用二进制代码来表示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用“0”表示正号，“1”表示负号，其余位仍表示数值。这种在机器内连同符号一起数字化了的数据称为机器数，而机器外部由正负号表示的数据称为真值。计算机中常用的机器数有原码、反

11、码和补码三种。,2.1.4 带符号数的表示方式,28,原码,2.1.4 带符号数的表示方式, 组成： 特点：,符号位数值位 正0 不变 负1,例：,X11101 X1原=01101 X21101 X2原=11101,直观易辨认； 有2个0。,29,反码,2.1.4 带符号数的表示方式, 组成： 特点：,符号位数值位 正0 不变 负1 取反,例：,X11101 X1反=01101 X21101 X2反=10010,正数的反码同原码，负数的反码数值按位取反； 有2个0。,30,补码,2.1.4 带符号数的表示方式, 组成： 特点：,符号位数值位 正0 不变 负1 取反1,例：,X11101 X1补

12、=01101 X21101 X2补=10011,正数的补码同原码， 负数的补码数值按位取反1； 只有1个0。,31,在计算机中，处理小数点的方法有两种。一种是将小数点位置固定的定点数表示法，另一种是小数点位置不固定的浮点数表示法。数的这两种表示方法，在计算机中都得到了应用。 1定点数 定点数是小数点位置固定的数。在计算机中没有专门表示小数点的位，小数点的位置是约定默认的。一般固定在机器数的最低位之后，或是固定在符号位之后。前者称为定点纯整数，后者称为定点纯小数。 2浮点数 浮点数是指小数点位置可以变动的数。为增大数值表示范围，防止溢出，采用浮点数表示法。浮点表示法类似于十进制中的科学计数法。,

13、2.1.5 定点数与浮点数,32,信息包含在数据里面，数据要以规定好的二进制形式表示才能被计算机加以处理，这些规定的形式就是数据的编码。数据的类型有很多，数字和文字是最简单的类型，表格、声音、图形和图像则是复杂的类型，计算机不能直接处理英文字母、汉字、图形、声音，需要对这些对象进行编码，编码过程就是实现将信息在计算机中转化为0和1二进制串的过程。编码时需要考虑数据的特性和便于计算机的存储和处理，所以也是一件非常重要的工作。下面介绍几种常用的信息编码。,2.1.6 信息编码,33,BCD码 数字电路中编码的方式很多，常用的主要是二-十进制码（BCD码，Binary-Coded-Decimal）。

14、 用四位二进制数表示一位09十个数码，即为BCD码 。四位二进制数最多可以有16种不同组合，不同的组合便形成了一种编码。主要有： 8421码、 2421码、余3码等。,2.1.6 信息编码,34,二进制数,自然码,8421码,2421码,余三码,35,简称8421码。按4位二进制数的自然顺序，取前十个数依次表示十进制的09，后6个数不允许出现，若出现则认为是非法的或错误的。 8421码是一种有权码，每位有固定的权，从高到低依次为8, 4, 2, 1，如 : 8421码 (0111) 8421BCD =08+14+12+11=7,例：8421 BCD码,36,西文字符编码 字符是计算机中使用最多

15、的信息形式之一,在计算机中要为每个字符指定一个确定的编码,作为识别与使用这些字符的依据.字符包括西文字符和中文字符.西文字符普遍采用的是ASCII码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准代码)。,2.1.6 信息编码,37,位,(bit),字 (Word),是中央处理器对数据进行处理的单位，字中所含的二进制位数称为字长,数据的单位,字节 (Byte),38,ASCII码,美国国家标准信息交换码,在ASCII码中，每个字符用7位二进制代码表示,39,40,汉字编码 汉字是象形文字，种类繁多，编码比拼音文字困难，而且

16、在一个汉字处理系统中，汉字的输入、内部处理、输出对编码的要求不尽相同，所用的代码也不尽相同。其中有用于汉字输入的输入码，用于机内存贮和处理的机内码，用于输出显示和打印的字模点阵码（或称字形码）。计算机系统在处理汉字时，要进行一系列的汉字编码及转换，即需要经过汉字输入码、汉字机内码、汉字字形码的转换。,2.1.6 信息编码,41,拼音编码：主要是以汉语拼音为基础的编码方案，如全拼、双拼、智能ABC、搜狗拼音、紫光拼音输入法等。 字形编码：是以汉字的形状确定的编码。把汉字的笔划部件用字母或数字进行编码，按笔划书写的顺序依次输入，就能表示一个汉字。代表有五笔字型法、郑码输入法等。,汉字的输入码,为用

17、户能够利用西文键盘输入汉字而设计的编码，目前常用的输入法大致分为两类：,42,国标码,国家标准汉字编码,（主要用于汉字信息的存储与交换）,代号：GB231280,汉字 6763个,一级常用汉字 3755个,二级常用汉字 3008个,非汉字图形符号 682个,（汉字、字母、图形7445个）,用两个字节表示共16位,43,汉字的内码是汉字在计算机内部存储、处理的代码,英文字符的机内代码是最高位为0的8位ASCII码,汉字字符的机内代码的两个字节的最高位都为1,例：,“大”的国标码：00110100 01110011,“大”的机内码：10110100 11110011,将国标码的每个字节的最高由“0

18、”变为“1”，变换后的国标码就是汉字机内码。,44,汉字字形码的作用：提供输出汉字时所需要的汉字字型，用以将机内码还原为汉字进行输出。,汉字的字模点阵,字型码,2.2 计算机系统的基本组成,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是计算机系统中由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。而计算机软件则是在计算机硬件设备上运行的各种程序及其相关文档和数据的总称。硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂。仅由硬件组成，没有软件的计算机称之为“裸机”，“裸机”只能识别由0、1数字信号组成的机器代码，不能供用户直接使用。而没

19、有硬件对软件的物质支持，软件的功能也无从谈起。所以应把计算机系统当作一个整体来看，它既含硬件，也包括软件，两者不可分割。硬件和软件相互结合才能充分发挥电子计算机系统的功能。,45,2.2 计算机系统的基本组成,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是计算机系统中由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。而计算机软件则是在计算机硬件设备上运行的各种程序及其相关文档和数据的总称。硬件是软件建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂。仅由硬件组成，没有软件的计算机称之为“裸机”，“裸机”只能识别由0、1数字信号组成的机器代码，不能

20、供用户直接使用。而没有硬件对软件的物质支持，软件的功能也无从谈起。所以应把计算机系统当作一个整体来看，它既含硬件，也包括软件，两者不可分割。硬件和软件相互结合才能充分发挥电子计算机系统的功能。,46,2.2.1 计算机硬件系统,硬件是指构成计算机的物理设备。 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。,48,49,1.中央处理器(CPU),CPU(Central Processing Unit) 组成： 控制器 运算器 高速缓冲存储器Cache CPU是计算机系统的核心。 微型计算机的CPU称为微处理器。,50,(1)运算器,运算器主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算

21、。,51,(2)控制器-计算机的神经中枢,控制器对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件以完成一定的任务。 它是指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序的元件。,52,(3)高速缓存（Cache）： 为了解决CPU与内存之间的速度不匹配而影响系统运行速度的问题。,53,2.存储器,存储器是计算机的记忆装置。,54,最小单位：位( bit )，计算机中最小的数据单位。 基本单位：字节( Byte )， 8位二进制码称为一个字节，简称B。字节是计算机中数据处理和度量存储容量的基本单位。,信息的存储单位,55,千字节(KB)1KB = 1024 Bytes 兆字节(MB)1MB = 210 KB

22、 = 220B 吉字节(GB)1GB = 210 MB = 230B 太字节(TB)1TB = 210 GB = 240B,其它存储单位,地址：存储器的存储容量以字节为基本单位，每个字节都有自己的编号，称为地址。,56,存储器的组成,内存储器（内存，也称主存储器或主存） RAM (Random Access Memory)，随机存取存储器：可读写，断电后内容消失。 ROM (Read Only Memory)，只读存储器：只读不写，断电后信息不会丢失。 外存储器 硬磁盘存储器 光盘存储器 闪速存储器,57,硬盘由涂有磁性材料的铝合金圆盘组成，每个硬盘都由若干个磁性圆盘组成。,（1）硬盘存储器,

23、58,移动硬盘（Mobile Hard disk）则是以硬盘为存储介质，再加上外壳和电路板（包括控制芯片和数据及电源的接口）共三大部分组成。,59,（2）光盘存储器,光盘（Optical Disk）存储器的存储介质不同于磁盘，主要利用激光原理存储和读取信息。光盘主要分为CD、DVD和蓝光光盘等几种类型。光盘片用塑料制成基板，其工作原理是在基板上涂抹上专用的有机染料，供激光记录信息。由于烧录前后的反射率不同，经由激光读取不同长度的信号时，通过反射率的变化形成0与1信号，借以读取信息。,60,（3）闪速存储器,闪速存储器(flash memory)是一种新型的EEPROM可移动存储设备。闪速存储器

24、的历史并不长，从首次问世到现在只有十几年时间。在这十几年中，发展出了各种各样的闪存，有计算机上常用的U盘，有数码相机、MP3上用的CF（Compact Flash）卡、MMC（Multi Media Card）卡、SD（Secure Digital Memory）卡、TF（Trans Flash）卡、SM（Smart Media）卡和MS（Memory Stick）卡等等。它们携带和使用方便，容量和价格适中，存储数据可靠性强，因此普及很快，深受广大计算机及IT技术使用者的青睐。 常见的闪速存储器是U盘。,61,3.输入/输出设备,输入设备： 键盘 鼠标 扫描仪 手写输入笔 数码相机,输出设备：

25、 显示器 打印机 绘图仪,62,键盘,键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成。每按下一个键，则产生一个相应的扫描码，不同位置的按键对应不同的扫描码。键盘中的单片机将扫描码送到主机，再由主机将按键扫描码转换成ASCII码。,63,键盘的使用,104键组成,64,基准键位,65,键盘指法,66,鼠标,鼠标（Mouse）又称为鼠标器，因其外观像一只拖着长尾巴的老鼠而得名，开始出现于1963年。鼠标也是微机上的一种常用的输入设备，是控制显示屏上光标移动位置的一种指点式设备。利用它可方便地指定光标在显示器屏幕上的位置，对屏幕上较远距离光标的移动，比用键盘上光标移动键移动光标方便得多；并且可以通过单（双

26、）击鼠标，选取光标所指的内容。 目前常用的鼠标器是光电式的。 鼠标也可分为有线与无线两类。无线鼠标以红外线遥控。,67,扫描仪,扫描仪（Scanner）是一种典型的图形、图像输入设备。它可以将照片、图片、图形输入到计算机中，并转换成图像文件存储于硬盘。一般通过USB接口与主机相连。 扫描仪的主要技术参数是分辨率，用每英寸的检测点数表示，其单位是dpi（dots per inch）。,68,显示器,CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示器、LCD液晶显示器（Liquid Crystal Display）、LED（Light Emitting Diode，发光二级管）显示器 分

27、辨率是显示器的主要指标。所谓分辨率，就是指显示设备所能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高。 显示器的大小按显示屏对角线的尺寸可分为19英寸、22英寸、24英寸等。 显示器必须配置显示适配器才能构成完整的显示系统。显示适配器又通称为显示卡，它是将微型计算机的微处理器与显示器这个外部设备连接起来，并且能实施通信的一种I/O接口。,69,打印机,打印机的种类： 针式(点阵)打印机 喷墨打印机 激光打印机 打印机的技术指标： 分辨率 速度 噪声,70,输入/输出接口,输入/输出接口（也称I/O接口）是用于连接各种输入/输出设备的接口。在微机上，从ATX主板开始，输入/输出接口都是统一集成在主板的一侧

28、。现在的主板一般都符合PC99规范，也就是用不同的颜色表示不同的接口，便于区别。,71,4.总线（BUS）,在连接计算机的五个基本部件时，可以根据计算机中信息的流向来安排各功能部件之间的信息传输的线路。例如给每一个信息流向各自安排信号线路，形成与信息流向一致的计算机连接结构。或者安排一组公共的信息传递线路，使得所有的信息都通过该线路进行传输，这种信息传输的公共通道称为“总线”（Bus）。当前大部分计算机，特别是微型计算机各部件之间是通过总线连接的。,72,2.2.2 计算机软件系统,软件的概念： 软件是指在计算机上运行的程序及其使用和维护文档的总和。 软件系统的分类： 系统软件 应用软件,73

29、,软件系统的分类,系统软件： 是计算机系统中供给用户使用的操作系统环境和控制计算机系统按照操作系统要求运行的软件。,应用软件： 是计算机系统支持下的所有面对实际问题和具体用户群的应用程序的总合。,74,系统软件,操作系统(Dos,Windows,Linux,) 程序设计语言 机器语言（低级语言） 汇编语言（过渡语言） 高级语言（接近自然语言） 语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序 系统服务程序 数据库管理系统（FoxPro、Oracle等）,75,1、操作系统（Operating System，简称OS） 它是最基本、最重要的系统软件，负责管理计算机的全部软件资源和硬件资源，合理地组织计

30、算机各部分协调工作，为用户提供操作和编程界面。 例如：Windows。,76,2、程序设计语言和语言处理程序 人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言，或称程序设计语言。计算机语言分三类： （1）机器语言：用二进制代码“0”和“1”形式表示的，能被计算机直接识别和执行的语言。是一种低级语言，机器语言程序不便于记忆、阅读和书写。通常不用机器语言直接编写程序。 （2）汇编语言：是一种用助记符表示的面向机器的程序设计语言。机器不能直接识别和执行由汇编语言编制的程序（汇编语言程序），必须由汇编程序（或汇编系统）将其翻译成机器语言程序才能运行。,77,（3）高级语言：是一种比较接近自然语言和数学表达式

31、的计算机程序设计语言。用高级语言编写的程序称为源程序，计算机不能直接识别和执行这种源程序，要把高级语言源程序翻译为机器指令才能执行。这通常有两种方式。 编译方式：将源程序整个翻译成目标程序，然后通过链接程序将目标程序链接成可执行程序。 解释方式：将源程序逐句翻译，翻译一句执行一句，边翻译边执行，不产生目标程序。,78,79,3、系统服务程序 系统服务程序完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务，如诊断程序。诊断程序主要用于对计算机系统硬件的检测。能对CPU、内存、软硬驱动器、显示器、键盘及I/O接口的性能和故障进行检测。 4、数据库管理系统 数据库管理系统（DataBase Managem

32、ent System，简称DBMS）的作用是管理数据库，它是有效的进行数据存储、共享和处理的工具。 单机DBMS：Foxbase、Visual FoxPro、Access等 网络环境的大型DBMS：Sybase、Oracle、SQL Server、DB2等,80,应用软件,文字处理软件(如：WPS、WORD) 表格处理软件(如：CCED、 EXCEL) 辅助设计软件 实时控制软件 需要说明的是，系统软件与应用软件之间的差异逐渐淡化了。,计算机系统组成图示,裸 机,cpu,存储器,输入输出接口及设备,操作,系统,程 序 设 计 语 言,语言处理程序,支持软件,应用,软件,软件系统,82,2.2.3 软件与硬件