信息处理技术员教程-计算机硬件基础

1、信息处理技术员教程全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试办公室学时：72主讲教师：刘爱国电话Q：709412000第一章计计算算机硬件件基础计算机硬硬件基础础知识历历来都是是信息处处理技术术员考试试的一个个重点。考试大纲纲中涉及及本章的的考点如如下：（1）数数据运算算（2）数数据表示示（3）主主板的结结构（4）CPU的的组成（5）存存储器（6）常常用I/O设备备1.1计计算机机概述计算机是是一种能能自动、高速、正确地地完成数数值计算算、数据据处理和和实施控控制等功功能的电电子设备备。1946年，世世界上第第一台计计算机ENIAC诞生生在美国国，经过过60多多年的

2、发发展，计计算机的的运算能能力、外外形结构构及应用用领域等等都发生生了极大大的变化化。它的诞生生、发展展和应用用彻底改改变了人人类社会会的生产产、生活活学习和和娱乐方方式。1.1.1计计算机的的组成部部件一个完整整的计算算机系统统由硬件件系统和和软件系系统组成成。1、冯冯诺依依曼提出出的设计计思路。主要内内容如下下：(1)计计算机由由运算器器、存储储器、控控制器、输入设设备和输输出设备备五大部部分组成成。(2)计计算机内内部采用用二进制制数来表表示程序序和数据据。(3)采采用“存存储程序序并顺序序执行”的原理理。图计算机系系统的基基本组成成计算机的的系统结结构 控制器 只读存储器（ROM） 随

3、机读写存储器（RAM）硬件系统计算机系统主机外部设备软件系统系统软件（操作系统、语言处理程序、数据 库管理程序、诊断维护程序等） 应用软件（各种MIS系统、Office、Photoshop等）中央处理器内存储器运算器输入设备（键盘、鼠标、扫描仪、其他）输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）外存储器（硬盘、软盘、光盘）2、计算算机的硬硬件系统统组成计算算机的基基本部件件有运算器、存储器器、控制制器、输输入设备备和输出出设备，它们通通过总线线互连，就构成成了计算算机的硬硬件系统统。中央处理理器（CPU）是运算算器和控控制器的的合称，是硬件件的核心心，主要要厂家Intel和AMD。1、CPU。主主要工

4、作作时执行行指令，按照指指令的要要求对数数据进行行运算和和处理，这部分分工作由由运算器器和控制制器分工工合作完完成。运算器：由算术术逻辑部部件（ALU）、寄存存器组以以及一些些控制电电路组成成。控制器负负责对指指令进行行译码，产生一一系列控控制信号号，指挥挥和协调调计算机机的各个个部件有有序工作作。包括括部件如如下：指令寄寄存器（IR）指令令译码器器（ID）程程序计数数器（PC）微操作作信号发发生器2、主存存储器简称主存存，用于于存放当当前执行行的程序序和需要要使用的的数据，存储速速度快，CPU可直接接访问。存储体地址译码码器地址寄存存器数据缓冲冲寄存器器读/写控控制电路路地址译码器地址寄存器

5、数据缓冲寄存器存储体读/写控制电路主存储器器结构示示意图外存储器器也称为辅辅助存储储器，其其特点是是存储容容量大、成本低低，可脱脱机保存存信息，但CPU不可可以直接接访问。常见的外外存储器器包括软软盘存储储器、硬硬盘存储储器、光光盘存储储器、移移动硬盘盘以及U盘等。高速缓存存存储器器 Cache它是位于于CPU和主存存储器之之间，容容量较小小但存取取速度很很高的存存储器，用于保保存主存存储器中中一部分分内容的的副本。当主机机读/写写数据时时，首先先访问Cache，只只有在Cache中不不含所需需数据时时，CPU才会会访问主主存，从从而很好好地解决决了CPU和主主存储器器的速度度不匹配配问题。外

6、部设备备也称外围围设备，简称外外设，主主要包括括输入设设备和输输出设备备。常用用外部设设备包括括键盘、鼠标、显示器器、打印印机、绘绘图仪及及扫描仪仪等。总线：连连接计算算机中各各部件的的数据通通路。总线包括括数据总总线(DB)、地址总总线(AB)和和控制总总线(CB)。3.计算算机的软软件系统统系统软件件应用软件件1.1.2计算算机的应应用科学计算算自动控制制信息处理理计算机辅辅助设计计/辅助助制造（CAD/CAM）辅助教学学和医疗疗人工智能能1.1.3计算算机的分分类目前计算算机种类类非常多多，按照照用途可可以分为为通用计计算机和和专用计计算机。按照运运算速度度可分为为巨型机机、大型型机、小

7、小型机、工作站站和微型型计算机机。按照照所处理理的数据据类型可可分为模模拟计算算机、数数字计算算机和混混合计算算机等。1.2数数据运运算二进制是是计算机机功能得得以实现现的数字字基础，任何计计算机应应用中的的数据在在机器内内部都表表示为“0”和和“1”组成的的二进制制代码串串，数据据处理最最终都将将转换为为二进制制基本运运算。1.2.1数数制及其其转换1、进位位计数制制数制：用用一组固固定的数数字符号号和一套套统一的的规则来来表示数数目的方方法。常用的的进制有有：2进制，8进制制，10进制，16进进制。基数：某某进制所所允许使使用的基基本数字字符号。2，8，10，16。位权(数数的值不不仅取决

8、决于数码码的大小小还取决决于它所所在的位位置）：基数的的i次方方。如：132.5 1102310121005的的10-1基数：10位权：102，101，100，10-12、不同同数制之之间的转转换一、R进进制转十十进制方法：按按权展开开求和。1、二进进制转换换为十进进制101B 122021120 5D10101B=124+023+122+021+120=21D111.11B=122+121+120+12-1+12-2=7.75D2、八进进制转化化为十进进制(172)8 1 82781280 (122)103、十六六进制转转化为十十进制(5C)16 516112160 (92)10二、十进进制

9、转N进制方法:将十进制制数整数数和小数数分开转转换,再再将结果果合并。整数部分分：除除以基基数逆向向取余法法.小数部分分：乘乘以基基数顺向向取整法法.1、十进进制转换换为二进进制十进制整整数转换换：除以以2逆向向取余10D=1010B十进制小小数转换换：乘2顺向取取整20.12520.25020.5001.000结束标志志0.001取整（10.125）10（1010.001）2（0.125）10（0.001）2(172)8 1 82781280 (122)10八进制(172)8172O172Q(336)8？2、八进进制转化化为十进进制(5C)16 516112160 (92)10十六进制制(5

10、C)165CH(A2)16？(FF)16？3、十六六进制转转化为十十进制方法:将十进制制数整数数和小数数分开转转换,再再将结果果合并。整数部分分：整除除（基数数）逆向向取余法法.小数部分分：乘基基（数）顺向取取整法.二、十进进制转R进制(P11)1、十进进制转换换为二进进制十进制整整数转换换：除以以2逆向向取余10D=1010B 逆向取余余注：除到到商为零零停止50221210021102十进制小小数转换换：乘2顺向取取整20.12520.25020.5001.000结束标志志0.001取整（10.125）10（1010.001）2（0.125）10（0.001）2练习题将下列十十进制转转为二

11、进进制，精精确到4位小数数(54)10(110110)2(15.73)10(1111.1011)22、十进进制转换换成八进进制整数部分分：除8逆向取取余264D？3、十进进制转换换成十六六进制整数部分分：除16逆向向取余287D？171D=?（71）10=()2|8|16三、二进进制与八八进制的的转换二进制八进制000000110102011310041015110611171、二进进制八进制(三位位一组法法)111101001B=111101001B=751Q10110B=010110B=26Q11000.11=011000. 110B=30.6Q2、八进进制二进制(扩展展三位法法)345Q

12、=011100101B=11100101B632Q=110011010B=110011010B四、二进进制与十十六进制制的转换换二进制十六进制二进制十六进制00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F1、二进进制十六进制制(四位位一组法法)111001B=00111001B=39H1111000111B=001111000111B=3C7H2、十六六进制二进制(扩展展四位法法)2CH=00101100B=101100B62DH=011000101101B=11000101101B

13、典型错误误1D2H=0011101010B=11101010B计算机中中数据存存储单位位1.位：一个二二进制位位，一个个“1”，或者者一个“0”。最小单单位，英英文名bit2.字节节：八位位为一个个字节。英文名名Byte，简简写为B ,1Byte=8bit千字节KB1 KB =1024Byte=210Byte兆字节MB1MB= 1024KB吉字节GB1GB= 1024MB三、带符符号数在在计算机机内部的的表示（P13)在计算机机中，对对于n位位二进制制数将其其最高位作作为符号号位，0表示正正数，1表示负负数如：带符号数数（有符符号数）01101101正正数11000110负负数11101101

14、负负数01101101正正数10001111负负数01110001正正数数的符号号位连同同该数值值本身一一起作为为一个数数称为机机器数，机器数数的二进进制编码码有原码码、反码码、补码码三种。原码、反反码、补补码(P13-14)1、原原码符号位除除外（0正1负负），数数值部分分为该数数绝对值值的二进进制用1个字字节表示示（12）原码=0000 1100（-12）原码码=1000 1100用2个字字节表示示（12）原码=0000000000001100（-12）原码码=1000000000001100原码、反反码、补补码2、反码码正数的反反码与原原码相同同，负数数的反码码符号位位不变，其余数数位取

15、反反。（12）反码=0000 1100（-12）反码码=1111 00113、补码码正数的补补码与原原码相同同，负数数的补码码等于反反码加1（12）补码=00001100（-12）补码码=11110100原码、反反码、补补码正数：原原码，反反码，补补码都相相同负数：原原码，符号位除除外，数数值部分分为该数数绝对值值的的二进制制反码=原原码除符符号位外外求反补码=反反码+1例1：十十进制数数5在在微机内内的存储储形式是是（D）A00000101B10000101C11111010D11111011例2：用用一个字字节表示示十进制制数-15的补补码是1111 0001数值数据据编码非数值数数据编码

16、码定点数浮点数西文字符符中文字符符声音图像视频整数小数有符号整整数无符号整整数计算机中中数据的存储与与编码数值数据据编码（1）定定点数的的表示定点整数数的小数数点位置置约定在在最低位位后面有符号整整数：最高位为为符号位位，0为为正；1为负无符号整整数：都是数值值位，没没有符号号位。例：00100011100011118位有符符号整数数3515(原原码）8位无符号整整数35143下列数值值能用8位二进进制表示示的是A.257B. 300C.200D.29定点小数数的小数数点约定定在最高高数值位位的前面面，符号号位的后后面。浮点数由由阶码和和尾数两两部分组组成：阶符阶码数符尾数阶码部分尾数部分（2

17、）浮浮点数(实数）的表示示(P15)例1：二二个字节节存放一一个整数数，如：+11136例2：四四个字节节存放一一个实数数，如：11060010101110000000数值位符号位000001101111111111111111111111111阶符阶码数符尾数非数值数数据编码码1、ASCII码最基本、最常用用的非数数值数据据是由字字符（汉汉字字符符和西文文字符）组成的的。西文文字符普普遍采用用ASCII码码表示（P14)ASCII码是是美国标标准信息息交换码码(American standard codefor Information Interchange),是是微型计计算机中中表示字字符

18、的常常用编码码。标准的ASCII码是是用一个个字节表表示的，最高位位置为“0”，用7位位二进制制数编码码，总共共可以表表示128个字字符。ASCII码的的新版本本是把原原来的7位码扩扩展成8位码，因此它它可以表表示256个字字符。教材P207和和下页列列出了ASCII编码码表。其其中，每每个字符符的列标标题为其其编码的的高三位位，行标标题为其其编码的的低四位位：若干重要要字符的的编码为为：NUL（空）（0000000）2=（0）10=（0）16回车（CR）（0001101）2=（13）10=（0D）16空格（SP）（0100000）2=（32）10=（20）16数字0（0110000）2=（4

19、8）10=（30）16数字9（57）10=（39）16字母A（65）10=（41）16字母Z（90）10=（5A）16字母a（97）10=（61）16字母z（122）10=（7A）161、定点点加减运运算二进制数数补码的的运算补码的运运算规则则是：X+Y补= X补+ Y补XY补= X补+ Y补已知Y补，求Y补的方法是是将Y补各位按位位取反(包括符符号位在在内)末末位加1。现举例说说明以上上两个公公式的正正确性。1.2.3算算术运算算【例1-18】设设X1=+ 0001100X2 =0001100Y1= +0000101Y2=0000101则X1补= 00001100X2补= 11110100Y

20、1补= 00000101Y2补= 11111011 计算X1 + Y1。 + 0001100 X1 0 0001100X1补+) + 0000101 Y1 +) 0 0000101Y1补 + 0010001 X1+Y1 0 0010001X1补+Y1补因为：X1+Y1补= +0010001补= 00010001= X1补+ Y1补所以：X1+Y1补= X1补+ Y1补 计算X1Y1。 + 0001100X10 0001100X1补) + 0000101Y1 +) 1 1111011Y1补 + 0000111X1Y1 10 0000111X1补+Y1补自然丢失因为：X1Y1补= +0000111

21、补= 00000111= X1补+ Y1补所以：X1Y1补= X1补+ Y1补 计算算X2+Y2。0001100X211110100X2补+)0000101Y2+)11111011Y2补0010001X2+Y211101111X2补+Y2补自然丢失因为：X2+ Y2补= 0010001补= 11101111= X2补+ Y2补所以：X2+Y2补= X2补+ Y2补 计算X2 - Y2。 0001100X21 1110100X2补) 0000101Y2 +)0 0000101Y2补 0000111X2 - Y2 1 1111001X2补+Y2补因为： X2 - Y2补 = 0000111补 =

22、1 1111001 = X2补+ Y2补所以： X2 - Y2补 = X2补 + Y2补由此可看看出，计计算机引引入了补补码编码码后，带带来了以以下几个个优点：(1)减减法转转化成了了加法，这样大大大简化化了运算算器硬件件电路的的设计，加减法法可用同同一硬件件电路进进行处理理。(2)运运算时时，符号号位与数数值位同同等对待待，都按按二进制制数参加加运算，符号位位产生的的进位丢丢掉不管管，其结结果是正正确的。这大大大简化了了运算规规则。运用以上上两个公公式时，要注意意以下两两点：(1)公公式成成立有个个前提条条件，就就是运算算结果不不能超出出机器数数所能表表示的范范围，否否则运算算结果不不正确，

23、按“溢溢出”处处理。例如，设设机器字字长为8位，则则128N+127，计算(+64)+(+65)。 + 640 1000000+) + 65+)0 1000001 +1291 0000001127显然这个个结果是是错误的的。究其其原因是是：(+64)+(+65)=+129+127，超出了了字长为为8位所所能表示示的最大大值，产产生了“溢出”，所以以结果值值出错。再如，计计算(125)+(10)。 1251 0000011+) 10+)1 1110110 135 10 1111001+121显然，计计算结果果也是错错误的。其原因因是：(125)+(10)= 135128，超超出了字字长为8位所能

24、能表示的的最小值值，产生生了“溢溢出”，所以结结果出错错。(2)采采用补补码运算算后，结结果也是是补码，欲得运运算结果果的真值值，还需需进行转转换。2、浮点点加减运运算完成加减减运算，需要包包括下述述步骤：(1)零零操作数数检查(2)“对阶阶”操作作(3)尾尾数相加加减(4)尾尾数规格格化(5)舍舍入处理理3、浮点点乘除运运算1)“与”运运算(AND)“与”运运算又称称逻辑乘乘，用符符号或或表示示。其运运算规则则为00=001=010=011=1当两个逻逻辑变量量取值均均为1时时，它们们“与”的结果果才为1。1.2.4逻逻辑运算算2)“或”运运算(OR)“或”运运算又称称逻辑加加，用符符号+

25、或表示。其运算算规则为为0 +0= 00 +1= 11 +0= 11 +1= 1当两个逻逻辑变量量的取值值只要一一个为1，它们们“或”的结果果就会为为1。3) “非”运算(NOT)“非”运算用符号来表示。其运算规则为1=00=14)“异或”运算(XOR)“异或”运算用用符号或来来表示。其运算算规则为为00=001=110=111=0当两个逻逻辑变量量取值不不相同时时，它们们“异或或”的结结果才为为1。要注意的的是，一一个逻辑辑数据用用一位基基2码表表示，这这样，8个逻辑辑数据用用8位基基2码表表示，这这8位基基2码可可存放在在一个字字节中。反过来来说，一一个32位的字字就可以以表示32个逻逻辑

26、数据据。1.2.5字字符编码码1、字符符的表示示2、汉字字的表示示（1）国国标码（2）区区位码（3）机机内码1.3指指令系系统指令是指指示计算算机执行行某种操操作的命命令，一一台计算算机所有有指令的的集合构构成该机机器的指指令系统统。1.3.1计算算机指令令每条指令令都包含含两个基基本部分分：操作作码，表表示指令令执行什什么功能能；地址址码，表表示参与与操作的的数据的的地址。操作码 地址码 1.3.2指指令执行行控制在CPU中，一一条指令令的运行行包括取取指、分分析和执执行3个个步骤。(1)取取指(2)分分析（指指令译码码）(3)执执行常用的指指令执行行方式包包括下述述3种。（1）顺顺序执行行

27、方式（2）超超前执行行方式（3）流流水线方方式1.4存存储体体系存储介质质是指用用来制作作存储信信息的物物质。存存储器按按存储介介质分类类可分为为半导体体存储器器、磁存存储器和和光存储储器。该存储体体系存在在下述两两个存储储层次。（1）Cache-主主存存储储层次（2）主主存-辅辅存存储储层次CPUCache主存辅存辅助硬件辅助硬件1.4.1主主存储器器1、主存存记忆元元件主存储器器按照存存取限制制可以分分为RAM(随随机存储储器)和和ROM(只读读存储器器)两种种。前者者既可以以在线存存(写)又可以以在线取取(读)，后者者只能在在线取(读)。(1)RAM:SRAM,DRAM.(2)ROM:P

28、ROM,EPROM,EEPROM.2、主存存储器组组成主存储器器主要由由存储体体、地址址译码驱驱动电路路、读/写电路路和时序序控制电电路等组组成。3、主存存工作模模式(1)SDRAM(2)DDRSDRAM(3)RDRAM(4)XDRDRAM4、主存存储器的的主要性性能指标标（1）每每位成本本（2）容容量（3）存存取速度度访问时时间Ta存取周周期Tm主存带带宽Bm（4）信信息的可可靠保存存性、非非易失性性和可更更改性（5）可可靠性1.4.2辅辅助存储储器1、磁表表面存储储器磁盘、磁磁带都是是磁表面面存储器器，其信信息存储储于涂覆覆在载体体表面，厚度为为0.0245um左右的的磁层上上。磁记录格格

29、式规定定了一连连串的二二进制数数字数据据与磁层层存储元元的相应应磁化翻翻转形式式互相转转换的规规则，常常用的有有下面几几种。(1)归归零制(RZ)(2)不不归零制制(NRZ)(3)调调相制(PE或或PM)(4)调调频制(FM或或FD)评价硬盘盘性能好好坏，主主要参照照下述指指标1、记录录密度2、硬盘盘容量3、主轴轴转速4、寻道道时间5、平均均存取时时间6、缓冲冲存储区区大小7、数据据传输率率8、误码码率2、磁盘盘阵列RAID3、光盘盘存储器器特点：（1）记记录密度度高、存存储容量量大。（2）采采用非接接触方式式读/写写，没有有磨损，可靠性性高（3）可可长期保保存信息息（4）成成本低廉廉，易于于大量复复制（5）存存储密度度高，体体积小，能自由由更换盘盘片（6）误误码率在在10-1010-17以下（7）存存取时间间为100500MS，数数据存取取速度比比磁盘略略低