第2章计算机系统的组成与工作原理

1、2.1 计算机中数据的表示与运算2.2 计算机系统的组成2.3 计算机的工作原理2.4 微型计算机系统的组成2.5 微型计算机的组装与选购2.1.1 数制及不同数制间数据的转换数制及不同数制间数据的转换1进位记数制进位记数制 按进位的原则进行计数的方法称为进位计数制，其中所用的表记符号的个数称为该进位计数制的基数（Radix），而数制中每一数字位置上对应的固定值称为权值（Weight Value）。 任意一个r进制数N可表示为：2二进制二进制二进制（Binary System）只有0和1两个表记符号，其进位的基数是2，遵循“逢二进一”的进位规则。在计算机中采用二进制数表示数据，主要原因在于：二

2、进制在物理上最容易实现。运算规则简单。 1 0 100101Binary Digit (bit)Electronic ChargeElectronic State3二进制数与十进制数的转换二进制数与十进制数的转换（1）将二进制数转换成十进制数一个二进制数按其权（权值用十进制表示）展开求和，即可得相应的十进制数。例如，将二进制数1011110.0101转换为十进制数。10)312594(4212211212213214216212)0101.1011110(.十进制小数部分的转换采用乘2取整法，一直乘到积的小数部分为0或达到所要求的精度为止。（2）将十进制数转换成二进制数十进制整数部分的转换采用

3、除2取余法。10020010011502252122 62 32 1200.34520.69021.3802 0.760 2 1.520 2 1.04例 100.345(D) 1100100.01011(B)4八进制与十六进制八进制与十六进制八进制数与二进制数的转换很容易，每一位八进制数写成对应的3位二进制数即完成八进制数到二进制数的转换。从整数部分的低位到高位以及从小数部分的高位到低位每3位二进制数写成对应的一位八进制数即完成二进制数到八进制数的转换。 十六进制数与二进制数的转换：每一位十六进制数写成对应的4位二进制数从整数部分的低位到高位以及从小数部分的高位到低位每4位二进制数写成对应的一

4、位十六进制数。2.1.2 计算机内部数据的表示方法计算机内部数据的表示方法1数值数据的表示方法数值数据的表示方法（1）数据度量单位一个二进制位称为位（Bit），8个二进制位组成一个字节（Byte），更大的度量单位是：KB、MB、GB、TB等。 1KB=1024字节字节 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB计算机信息处理的最小单位是位，而计算机数据存储的基本单位是字节。（2）带符号数的表示）带符号数的表示在计算机中，一般用数值数据的最高位（最左边一位）来表示数的符号，约定用0表示正，用1表示负。带符号数在计算机内可以使用原码、反码和补码3种表示方法。原码原码。假设使用

5、8位二进制表示一个数，最高位表示数的符号，其余7位表示数值部分。反码反码。正数的反码与原码相同，负数的反码是在原码的基础上按位取反。补码补码。正数的补码与原码相同，负数的补码是在原码的基础上按位取反后，最后位加1。引入补码概念后，加法、减法都可用加法实现。因此，现代计算机多采用补码运算。（3）定点数和浮点数前面讨论的带符号数的3种表示方法只能表示单纯整数或小数，被认为是数的定点表示法。在计算机中，参与运算的数一般是实数，既有整数部分又有小数部分，为了表示实数，使用数的浮点表示方法。浮点计算使用计算的一部分位表示“值” ，另一部分位表示指数（4）数值编码用二进制编码来表示一个数值数据就称为数值编

6、码，也称为二十进制码，简称BCD（Binary Coded Decimal）码。这种编码的特点是保留了十进制的权，而数字则用0和1的组合来表示。常见的BCD码是8421码，它是用4位二进制数表示1位十进制数字，既具有二进制的形式，又具有十进制的特点。4位二进制数中的每一位从左到右的权分别为8、4、2、1，数字09的8421码为0000、0001、0010、1001。2字符数据的表示方法字符数据的表示方法（1）ASCII码字符数据在计算机内也是用二进制形式表示的，目前普遍采用ASCII码，即美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Inte

7、rchange）。ASCII码字符用8位二进制表示，但只用低7位，共表示27=128个字符，编码从0至127（称为ASCII码基本集），其中包括32个控制字符、09共10个数字、52个大小写英文字母，其他为专用字符。（2）汉字编码汉字编码包括汉字内码、汉字输入编码（外码）和输出编码（字模）3个主要内容。汉字内码汉字内码是汉字在计算机内的的存储表示。汉字数量庞大，只能选取部分汉字用于计算机汉字信息处理。我国于1981年颁布了国家标准GB2312-80，其中收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。汉字国标码、区位码及内码的转换关系是：国标码高字节=区号（用十六进制）20H国标码

8、低字节=位号（用十六进制）20H内码高字节=国标码高字节80H内码低字节=国标码低字节80H随着信息交换的需求越来越大，对信息编码的要求也越来越高。国际标准化组织（ISO）在20世纪90年代初制定了一种字符编码方案Unicode，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换和处理的要求。目前，许多操作系统、语言工具都支持Unicode标准。汉字输入编码（外码） 区位码 拼音输入编码 字形输入编码汉字输出编码把某一个汉字当作一幅平面图画，把该幅画分成nn小方块，会发现有的小方块内有汉字的笔画，有的则没有。这就是一幅数值化了的图形。所有汉字的字模的集合称

9、为字库。对于用1616点阵字模组成的字库需要大约220KB存储容量。汉字字模在字库中的位置按汉字内码升序存入字库中。2.1.3 计算机中的数据运算计算机中的数据运算二进制数之间可执行算术运算与逻辑运算，其运算规则与十进制数类似。1二进制数的算术运算二进制数的算术运算（1）加法运算二进制数的加法规则：0+00，0+1=1+0=1，1+110（向高位产生进位）（2）减法运算二进制数的减法规则：0-0=0，0-1=1（向高位借位1次），1-0=1，1-1=0（3）乘法运算二进制的乘法规则为：00=0，01=0，10=0，11=1。（4）除法运算二进制除法运算与十进制除法类似，也由减法、上商等操作逐步

10、完成。2二进制数的逻辑运算（1）与运算）与运算与运算又称逻辑乘，通常用或表示。运算规则为按位进行与运算，若进行与操作的两位均为1，则结果为1；两位中有一位为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=0，10=0，11=1。（2）或运算）或运算或运算又称逻辑加，通常用或+表示。运算规则是按位进行或运算，若进行或操作的两位中有一位为1，则结果为1；两位均为0，则结果为0。具体规则是：00=0，01=1，10=1，11=1。（3）非运算）非运算非运算实现对单个逻辑值的处理，也称为逻辑取反操作，通常用表示。（4）异或运算）异或运算上述与、或、非运算是3种最基本的逻辑操作，用它们可组合出任何逻辑功能。

11、有时还要用到异或运算，通常用 表示。其规则为按位进行异或运算，若进行异或操作的两位不相同时，则结果为1；两位相同时，则结果为0。具体规则是：0 0=0，0 1=1，1 0=1，1 1=0。2.2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。将运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。根据存储器和CPU的关系，存储器又分为内存储器和外存储器两类。将CPU和内存储器合称为主机，将输入设备、输出设备和外存储器称为外部设备。1输入设备和输出设备输入设备和输出设

12、备输入设备接收用户提交给计算机的程序、数据及其他各种信息，并把它们转换成计算机能够识别的二进制代码，送给内存储器。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪等。输出设备是把计算机的处理结果用人们能识别的数字、字符、图形、曲线、表格等形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。磁盘等外存储器既可作为输入设备，又可作为输出设备。2存储器存储器存储器是用于存放原始数据、程序以及计算机运算结果的部件。存储器被划分成许多存储单元，每个存储单元可以存放一个数据或一条指令。为了能够按指定的位置进行存取，必须给每个存储单元编号，这个编号就称为存储单元的地址。(1)内存储器内存储器：用来存放当前需要处理的原始

13、数据及需要运行的程序，CPU可直接对它进行访问。现代计算机的内存普遍采用了半导体存储器 随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 用户既可以从中读出信息，又可以将信息写入其中；断电后RAM中所存储的信息将全部丢失。 只读存储器（只读存储器（Read Only Memory，ROM）用户只能从中读出信息，不能将信息写入其中；断电以后，ROM中所存储的信息不会丢失。（2）外存储器）外存储器：用来存放当前暂不需要处理的原始数据及不需要运行的程序，不能被 CPU 直接访问，外存储器的数据只有先调入内存才能被 CPU 访问。常见的外存有磁盘、光盘（Compact

14、 Disk Read Only Memory，CD-ROM）等，它们都必须通过各自的驱动器才能进行读写操作。3控制器控制器控制器是整个计算机的控制中心，它按照从内存储器中取出的指令，向其他部件发出控制信号，使计算机各部件协调一致地工作，另一方面它又不停地接收由各部件传来的反馈信息，并分析这些信息，决定下一步的操作，如此反复，直到程序运行结束。4运算器运算器运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），它接受由内存送到的二进制数据并对其进行算术运算和逻辑运算。运算器在控制器的作用下实现其功能。除了完成算术运算和逻辑运算外，它也要完成数据的传送。被加工的数据，大多预

15、先存放在寄存器中或存储器中。在一系列控制信号作用下，数据成队地被送往加法器，完成运算后，在控制信号作用下，再传送到寄存器或内存单元中保存起来。2.2.2 计算机软件系统计算机软件系统按软件的功能来分，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件按软件的功能来分，软件可分为系统软件和应用软件两大类。系统软件又可分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。又可分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和支撑软件等。1系统软件系统软件系统软件是在硬件基础上对硬件功能的扩充与完善，其功能主要是控制和管理计算机的硬件资源、软件资源和数据资源，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能，为用

16、户使用计算机系统提供方便。（1）操作系统）操作系统操作系统（Operating System，OS）是为了控制和管理计算机的各种资源，以充分发挥计算机系统的工作效率和方便用户使用计算机而配置的一种系统软件。操作系统是直接运行在计算机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，任何计算机都必须配置操作系统。（2）语言处理程序程序设计语言是人们为了描述解题步骤（即编程序）而设计的一种具有语法语义描述的记号。按其发展分为机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言程序能被计算机直接识别并执行，但用汇编语言或高级语言编写的程序要经过翻译以后才能被计算机执行，这种翻译程序称为语言处理程序，包括汇编程序、解释程序和

17、编译程序。（3）数据库管理系统数据库管理系统（Database Management System，DBMS）是指提供各种数据管理服务的计算机软件系统，这种服务包括数据对象定义、数据存储与备份、数据访问与更新、数据统计与分析、数据安全保护、数据库运行管理以及数据库建立和维护等。（4）支撑软件支撑软件是用于支持软件开发、调试和维护的软件，可帮助程序员快速、准确、有效地进行软件研发、管理和评测。2应用软件应用软件应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用要求而开发的软件。应用软件可以拓宽计算机系统的应用领域，扩大硬件的功能，又可以根据应用的不同领域和不同功能划分为若干子类，例如，财务软件、办公软

18、件、CAD软件等。2.2.3 计算机硬件和软件之间的关系计算机硬件和软件之间的关系2.3.1 2.3.1 指令和程序指令和程序一条指令对应着一种基本操作。一条指令对应着一种基本操作。一个计算机能执行什么样的指令，有多少条指令，这是由设计人员在设计计算机时决定的。计算机所能直接执行的全部指令，就是计算机的指指令系统（令系统（Instruction SetInstruction Set）。以二进制编码表示的指令叫机器指令，它通常包括 操作码：操作码：表示计算机执行什么操作 操作数：操作数：指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址。因为计算机只认识二进制数，所以计算机指令系统中的所有指令都必须以二进

19、制编码的形式来表示。计算机的工作原理可以概括为存储程序存储程序和程序控制程序控制。以指令070740H的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令070740H的功能是取0740H存储单元内的数据与累加器中的数据相加，并将求和结果仍然存储在累加器中。2.3.2 指令的执行过程指令的执行过程2.4.1 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构从系统结构看，微型计算机是将运算器和控制器集成在一个芯片上组成微处理器。微型计算机广泛采用了集成度相当高的器件以及采用了独特的总线（Bus）结构。总线为CPU和其他部件之间提供信息传输通道，包括 数据总线（数据总线（Data Bus，DB） 地址总线（地址总线

20、（Address Bus，AB） 控制总线（控制总线（Control Bus，CB）。）。2.4.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成从外观上看，一台微型计算机由主机箱、显示器、键盘和鼠标组成，有时还配有打印机、扫描仪等其他外部设备。在主机箱内，有主板、总线扩展槽和输入输出接口（显示适配卡、声卡、网卡等）、CPU、内存储器、外存储器等部件。1CPUCPU是由控制器、运算器和内部总线组成的微处理器，是微型计算机的核心器件。CPU的主要功能是控制指令的执行顺序和操作，对数据进行算术运算或逻辑运算并控制数据在各部件之间传递。2内存储器内存储器（1）RAMRAM是计算机工作的存储区，一切要执行

21、的程序和数据都要先装入RAM中。根据制造原理不同，RAM可分为 静态RAM（Static RAM，SRAM） 动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）（3）Cache为了解决内存与CPU工作速度上的矛盾，在CPU和内存之间增设高速缓冲存储器（Cache）。Cache中存放常用的程序和数据，当CPU访问这些程序和数据时，首先从高速缓存中查找，如果所需程序和数据不在Cache中，则到内存中读取数据，同时将数据回写入Cache中。Cache通常由静态存储器（SRAM）构成。（2）ROM主要用于存放系统的引导程序、诊断程序等。 EPROM （Erasable Programmable ROM）

22、EEPROM （Electrically Erasable Programmable ROM） 闪速存储器（Flash Memory）3主板与主板芯片组主板与主板芯片组主板又叫主机板（Mainboard）、系统板（Systembourd）或母板（Motherboard），它是微型计算机的核心连接部件。主板的核心是主板芯片组，它决定了主板的规格和性能。主板芯片组通常包含南桥芯片和北桥芯片。4系统总线系统总线系统总线包括集成在CPU内的内部总线内部总线和外部总线外部总线。外部总线同样包括数据总线、地址总线和控制总线。数据总线是CPU与输入/输出设备交换数据的双向总线，64位计算机的数据总线有64根

23、数据线。地址总线是CPU发出指定存储器地址的单向总线。控制总线是CPU向存储器或外设发出的控制信息的信号线，也可能是存储器或某外设向CPU发出的响应信号线，系双向总线。从总线标准的发展过程来看，微型计算机先后采用了XT总线、ISA总线、EISA总线、VL总线和PCI总线等。5输入输出接口输入输出接口（1）USB接口USB（Universal Serial Bus）（2）IEEE 1394接口传输速度更高，主要用于主机与硬盘、打印机、扫描仪、数码摄像机、视频电话等。6外存储器外存储器目前常用的外存储器有软盘（Floppy disk）、硬盘（Hard disk）、光盘（CD-ROM）以及移动存储设

24、备等（1）软盘与软盘驱动器（2）硬盘与接口类型硬盘由硬盘驱动器和多张不可更换的硬盘盘片（存储介质）密封而成。硬盘较软盘具有存储容量大、记录密度高、记录速度快、性能与可靠性好等特点, 目前使用的硬盘容量高达80GB1TB 。硬盘的有关性能指标有：盘径、磁头数（面数）、柱面数（每面上磁道数）、扇区数、每扇区内记录数据量（字节）、磁盘转速、平均寻道时间、缓存、内部数据传输率、接口类型等。硬盘的接口类型反映了计算机系统内硬盘数据传输速度。（3）光盘与光盘驱动器光盘可分3类： 只读光盘（CD-ROM） 追记型只读光盘（CD-R） 可改写型光盘（CD-RW）光盘驱动器是读写设备。DVD是较CD-ROM具有

25、更高记录密度的产品，容量可达4.7GB。可分只读、追记和改写3类。衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速记为1X，二倍速记为2X，依次类推。一倍速光驱的数据传输速率为150KBps。一倍速DVD驱动器的数据传输速率为1.3MBps。（4）移动硬盘与U盘移动硬盘是在EIDE接口硬盘的基础上加装USB或1394接口使之成为移动存储工具。目前大量使用的U盘使用Flash半导体材料作为存储介质，以USB接口接入系统。7输入输出设备输入输出设备常用的输入输出设备有：键盘（Keyboard）、鼠标（Mouse）、扫描仪（Scanner）、显示器（Monitor）和打印机（Printer）等。2.4.3 微型计算机的软件配置微型计算机的软件配置1微型计算机常用的系统软件微型计算机常用的系统软件（1）常用操作系统DOS操作系统操作系统：基于字符界面的单用户、单任务的操作系统。Windows 3.x：基于图形界面的16位的单用户、多任务操作系统。Windows 98：基于图形界面的32位单用户、多任务操作系统。 Windows NT：基于图形界面的32位多用户、多任务操作系统，它包括Windows NT Server和Windows NT Workstation。Linux操作系统：是多用户、多任务、源代码公开的操作系统，常用于网络服务器。（2）常用的程序设计语言传统