计算机硬件基础1

1、计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础第一章第一章 计算机中数据信息的表示及运算计算机中数据信息的表示及运算1.1 进位计数制进位计数制1.2 计算机中数值数据的编码和表示计算机中数值数据的编码和表示1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示1.4 数值的运算数值的运算1.5 微型计算机的系统概述微型计算机的系统概述1.11.1 数制数制1.1.1 进位计数制进位计数制1.1.2 进位计数制之间的转换进位计数制之间的转换1.1.1 进位计数制1、十进制数：基数是、十进制数：基数是10，有，有10个不同的数个不同的数学符号，即学符号，即092、二进制数：基数是、二进制数：基数是2，有，有

2、2个不同的数学个不同的数学符号，即符号，即0和和1 3、八进制：基数是、八进制：基数是8，有，有8个不同的数学符个不同的数学符号号4、十六进制：基数是、十六进制：基数是16，有，有16个不同的数个不同的数学符号，即：学符号，即：0，1，29，A，B，C，D，E，F某一进制数的大小由系数项和权的乘积决定。某一进制数的大小由系数项和权的乘积决定。例：例：（123.45）10 = 1102+2101+3100+410-1+510-2（10101.11）2 = 124+1 22+1 20+1 2-1+1 2-2（375.4）8= 3 82+7 81+5 80+4 8-11.1.1 进位计数制1.1.2

3、 1.1.2 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换1、二进制转换成十进制数、二进制转换成十进制数2、十进制数转换成二进制数、十进制数转换成二进制数例：例：2 58 2 29 余余0 最低位最低位 2 14 余余1 2 7 余余0 2 3 余余1 2 1 余余1 0 余余1 最高位最高位 即得到（即得到（58）10=（111010）2十进制小数转换成二进制数采用乘法十进制小数转换成二进制数采用乘法例：例：0.625 0.25 0.50 2 2 2 1.250 0.50 1.00整数部分为整数部分为1 0 1最高位最高位 最低位最低位即得到（即得到（0.625）10=（0.101）21.1.2

4、 1.1.2 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换3、八进制数与二进制数之间的转换、八进制数与二进制数之间的转换 因为因为23=8，所以每一位八进制数可以用一个，所以每一位八进制数可以用一个4位二进制数表示。位二进制数表示。07之间的数表示成之间的数表示成3位二进制数为：位二进制数为： 000，001，010，011 ，111；1.1.2 1.1.2 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换4、十六进制数与二进制数之间的转换、十六进制数与二进制数之间的转换 因为因为24=16，所以每一位十六进制数可以用一个，所以每一位十六进制数可以用一个4位二位二进制数表示。进制数表示。09之间的数表示成

5、之间的数表示成4位二进制数为：位二进制数为： 0000，0001，0010，0011 ，1001；AF的表示为：的表示为： 1010，1011，1100，1101，1110，1111；1.1.2 1.1.2 不同进制数之间的转换不同进制数之间的转换例：例：（10100111000001.0110）2=（24701.3）8=（29C1.6）161.（ 2 A C . 7 B ）16 =（0010 1010 1100 . 0111 1011）2机器数与真值机器数与真值 实际运算中，数是有正负的，计算机中数也有正实际运算中，数是有正负的，计算机中数也有正负，通常用一个数的最高位表示符号，负，通常用一

6、个数的最高位表示符号，如果字长如果字长为为8 8位，分别为位，分别为D D7 7 D D0 0，那么那么D D7 7为符号位，为符号位， 0表示表示正数，正数，1表示负数；表示负数；D D6 6 D D0 0为数值位。为数值位。如：如： 11010111B=-87 这样，在计算机中，连同符号一起数码化的数，这样，在计算机中，连同符号一起数码化的数，就称为机器数，如上例中的就称为机器数，如上例中的11010111；而使用；而使用正负号加其绝对值的表示方法，称为该数的真值，正负号加其绝对值的表示方法，称为该数的真值，如上例中的如上例中的-87和和-1010111B。1.2 1.2 计算机中数值数据

7、的编码和表示计算机中数值数据的编码和表示（1）原码）原码X原原=0X1X2 Xn-1 ( X0)1X1X2 Xn-1 ( X0)0表示正，表示正，1表示负，与真值转换方便表示负，与真值转换方便n位原码的表示范围：位原码的表示范围： -(2n-1-1) +(2n-1-1) n=8时，范围为时，范围为-127+127存在问题：存在问题：两个异号数相加或两个同号数相减时两个异号数相加或两个同号数相减时 需要作减法，计算不方便。需要作减法，计算不方便。1.2.1 1.2.1 带符号数的编码带符号数的编码(2)(2)反码反码0表示正，表示正，1表示负，反码负数的数值位为它的正数表示负，反码负数的数值位为

8、它的正数按位取反按位取反（-0）10=10000000 原码表示原码表示（-0）10=11111111 反码表示反码表示n位反码的表示范围：位反码的表示范围： -(2n-1-1) +(2n-1-1) n=8时，范围为时，范围为-127+127X反反=0X1X2 Xn-1 ( X0)1X1X2 Xn-1 ( X0)1.2.1 1.2.1 带符号数的编码带符号数的编码(3)(3)补码补码0表示正，表示正，1表示负，负数的补码表示为它的反码在最后位加表示负，负数的补码表示为它的反码在最后位加1。在计算机里把负数变为补码，是为了把减法变成加补码来进行。在计算机里把负数变为补码，是为了把减法变成加补码来

9、进行。（-87）10=11010111 原码表示原码表示（-87）10=10101000 反码表示反码表示（-87）10=10101001 补码表示补码表示n位补码的表示范围：位补码的表示范围： -2n-1 +(2n-1-1) n=8时，范围为时，范围为-128+127，-128补补=10000000X补补=0X1X2 Xn-1 ( X0)1X1X2 Xn-1 +1 ( X0)1.2.1 1.2.1 带符号数的编码带符号数的编码几点结论：几点结论：原码、反码、补码最高位都是符号位原码、反码、补码最高位都是符号位正数的原码、反码、补码相同正数的原码、反码、补码相同原码、反码、补码的表示范围不同原

10、码、反码、补码的表示范围不同编程时不涉及码制，由硬件自动完成编程时不涉及码制，由硬件自动完成采用不同的码制，运算器和控制器的结构不同采用不同的码制，运算器和控制器的结构不同1.2.1 1.2.1 带符号数的编码带符号数的编码无符号数的表示范围：无符号数的表示范围：8位二进制无符号数：位二进制无符号数：025516位二进制无符号数：位二进制无符号数：065535（216-1）32位二进制无符号数：位二进制无符号数：0232-11.2.1 1.2.1 带符号数的编码带符号数的编码微机中所能表示的数值类型微机中所能表示的数值类型 （1）无符号二进制数）无符号二进制数字节、字、双字字节、字、双字（2）

11、带符号的二进制定点整数）带符号的二进制定点整数整数、短整数、长整数整数、短整数、长整数 （3）带符号的二进制浮点数）带符号的二进制浮点数单精度、双精度、扩展精度单精度、双精度、扩展精度1.2.2 1.2.2 数的表示形式数的表示形式1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示1.3.1 信息的数字化信息的数字化数字计算机是指在计算机中各种信息用数字计算机是指在计算机中各种信息用数字代码表示。在物理机制上，数字代数字代码表示。在物理机制上，数字代码以数字型信号表示。数字信号是一种码以数字型信号表示。数字信号是一种在时间上或空间上离散的信号，目前常在时间上或空间上离散的信号，目前常

12、用二位逻辑值用二位逻辑值0、1表示。多位信号的组表示。多位信号的组合可表示广泛的信息，处理时可进行逐合可表示广泛的信息，处理时可进行逐位处理。位处理。数字代码数字代码字符字符图像图像声音声音命令和状态命令和状态1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示1.3.2 十进制数的编码十进制数的编码多位二进制数表示一位十进制数，这种多位二进制数表示一位十进制数，这种表示方法称为二进制编码的十进制数，表示方法称为二进制编码的十进制数，也称也称BCD码。码。1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示1.3.3 西文信息的表示西文信息的表示字母、数字、标点符号及特殊符号组

13、字母、数字、标点符号及特殊符号组成的字符集，通常使用成的字符集，通常使用ASCII码表示。码表示。每一个每一个ASCII码占用一个字节，其中码占用一个字节，其中最高位为最高位为0，余下，余下7位用来表示位用来表示128个不个不同的字符、控制码和状态码。同的字符、控制码和状态码。1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示1.3.4 中文信息的表示中文信息的表示1、GB2312国标码国标码汉字在计算机中通常采用汉字在计算机中通常采用GB2312标准进行编标准进行编码，简称国标码。码，简称国标码。GB2312国际字符集由三部分组成：分别是各国际字符集由三部分组成：分别是各种符号、数

14、字、字母及汉语拼音；一级常用汉字，按种符号、数字、字母及汉语拼音；一级常用汉字，按拼音排序；二级常用汉字，按部首排序。三部分共七拼音排序；二级常用汉字，按部首排序。三部分共七千多个字符，因此国标码需用两个字节来表示这些字千多个字符，因此国标码需用两个字节来表示这些字符。符。1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示 1.3.4 中文信息的表示中文信息的表示2、汉字的输入、汉字的输入汉字输入编码方法分为四类汉字输入编码方法分为四类：（：（1）数）数字编码，例如国标码、区位码；（字编码，例如国标码、区位码；（2）字音）字音编码，例如微软拼音；（编码，例如微软拼音；（3）字型编码，

15、例）字型编码，例如五笔输入法；（如五笔输入法；（4）形音编码，结合字音）形音编码，结合字音编码和字型编码的优点编码和字型编码的优点1.3 1.3 数字化信息的编码和表示数字化信息的编码和表示 1.3.4 中文信息的表示中文信息的表示3、汉字的输出、汉字的输出一套汉字的所有字符点阵形状描述信息集合一套汉字的所有字符点阵形状描述信息集合在一起成为字型库，简称字库。不同字体对应不在一起成为字型库，简称字库。不同字体对应不同的字库。在输出汉字时，计算机都要到相应的同的字库。在输出汉字时，计算机都要到相应的字库中找到字型描述信息，然后将字型信息输出。字库中找到字型描述信息，然后将字型信息输出。目前对字型

16、的表述主要有两种：点阵型和轮目前对字型的表述主要有两种：点阵型和轮廓型。点阵型是指用廓型。点阵型是指用1616、3232等形式排等形式排成方阵的二进制数来表示一个汉字。成方阵的二进制数来表示一个汉字。1表示对应表示对应位是黑点，位是黑点，0表示对应位是空白。表示对应位是空白。1.4.1 二进制数的运算二进制数的运算0 + 0=0 0 + 1=11 + 0=1 1 + 1=0（有进位）（有进位）0 0=00 1=01 0=01 1=11.4 1.4 数值的运算方法数值的运算方法 1.4 1.4 数值的运算方法数值的运算方法1、编码位数的扩展、编码位数的扩展补码：短整数补码可以扩展成长整数补码，扩

17、展时按符补码：短整数补码可以扩展成长整数补码，扩展时按符号为进行扩展。号为进行扩展。 例如：例如：X补补=0101，扩展成，扩展成8位后表示为位后表示为00000101X补补=1101，扩展成，扩展成8位后表示为位后表示为11111101原码：短整数原码可以扩展成长整数原码，扩展时符号原码：短整数原码可以扩展成长整数原码，扩展时符号位不变，其余位以位不变，其余位以0来扩充。来扩充。 例如：例如：X原原=0101，扩展成，扩展成8位后表示为位后表示为00000101X原原=1101，扩展成，扩展成8位后表示为位后表示为100001011 1、常用的逻辑门电路、常用的逻辑门电路 与门与门 或门或门

18、 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门2 2、触发器、触发器 RS触发器触发器 D触发器触发器 JK触发器触发器3 3、寄存器、寄存器 锁存器锁存器 移位寄存器移位寄存器 计数器计数器 三态门三态门 译码器译码器1.4.2 1.4.2 微型计算机的基本组成电路微型计算机的基本组成电路 1 1、常用逻辑电路、常用逻辑电路2 2、触发器、触发器-RS触发器触发器2 2、触发器、触发器-D触发器触发器 2 2、触发器、触发器-JK触发器触发器3 3、寄存器、寄存器-锁存器锁存器什么是锁存器：由若干个钟控D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫锁存器。应用场合：数据有效迟

19、后于时钟信号有效。这意味着时钟信号先到，数据信号后到。在某些运算器电路中有时采用锁存器作为数据暂存器。什么是寄存器：由若干个正沿D触发器构成的一次能存储多位二进制代码的时序逻辑电路，叫寄存器。应用场合：时钟有效迟后于数据有效。这意味着数据信号先建立，时钟信号后建立。在CP上升沿时刻打入到寄存器。锁存器是用于存储数据 来进行交换，使数据稳定下来保持一段时间不变化，直到新的数据将其替换。寄存器与锁存器都是用来暂存数据的器件，在本质上没有区别.3 3、寄存器、寄存器-移位寄存器移位寄存器3 3、寄存器、寄存器-计数器计数器3 3、寄存器、寄存器-三态门三态门 3 3、寄存器、寄存器-译码器译码器1.

20、5 1.5 微型计算机系统微型计算机系统1.5.1微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成1.5.2微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构调制解调器调制解调器内存条内存条电源箱电源箱 中央处理器中央处理器主板主板光驱光驱软驱软驱硬盘硬盘微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构1.5微型计算机系统的组成逻辑图微型计算机系统的组成逻辑图存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输入入设设备备CPU1.5 1.5 微型计算机系统微型计算机系统CPU存储器存储器PIO(I/O接接口电路口电路)I/O设备设备地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线I/O总线总线控 制 总控 制

21、 总线线时钟时钟微机硬件组成示意图微机硬件组成示意图CPU：运行指令，计算数据：运行指令，计算数据存储器：存放程序和数据存储器：存放程序和数据外设接口：在系统与外设之间传输数据外设接口：在系统与外设之间传输数据时钟：产生系统中各部件间相互协调工时钟：产生系统中各部件间相互协调工作所需的脉冲信号作所需的脉冲信号外围设备：完成系统的输入和输出外围设备：完成系统的输入和输出系统总线：为系统总线：为AB、DB、CB的总称。的总称。1.5 1.5 微型计算机系统微型计算机系统数据总线（数据总线（DB）：数据总线的位数（也）：数据总线的位数（也称为宽度）与微处理器的位数相对应。称为宽度）与微处理器的位数相

22、对应。数据总线是双向的。数据总线是双向的。地址总线（地址总线（AB）：地址总线的位数决定）：地址总线的位数决定了了CPU可以直接寻址的内存范围。如：可以直接寻址的内存范围。如：16位微型机的位微型机的AB为为20位，决定它的最位，决定它的最大内存容量为大内存容量为220=1M字节。地址总线字节。地址总线是单向的。是单向的。控制总线（控制总线（CB）：控制总线用来传输控）：控制总线用来传输控制信号，是双向的。制信号，是双向的。1.5 1.5 微型计算机系统微型计算机系统微型机按结构分类：微型机按结构分类：l单板机：将单板机：将CPU，存储器，接口电路，存储器，接口电路，键盘，显示屏等设计在一块电路板上。键盘，显示屏等设计在一块电路板上。例如：例如：