计算机系统与数制素材讲课教案

计算机系统与数制素材1.1计算机系统的基本组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。如图1.1所示。图1.1计算机系统逻辑结构图硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础，如CPU、存储器、输人设备、输出设备等。硬件系统又称为裸机，裸机只能识别由0、1组成的机器代码，没有软件系统的计算机几乎是没有用的。软件是由程序、程序运行所需的数据以及开发、使用和维护这些程序所需的文档3部分组软件系统是计算机系统中各种软件的总称。在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化，例如，微机的ROM芯片中就固化了系统的引导程序；同样，硬件实现的功能也可以用软件来实现，称为硬件软化，例如，在多媒体计算机中，视频卡用于对视频信息进行处理（包括获取、编码、压缩、存储、解压缩和回放等），而现在大多数计算机都通过软件（如播放软件）来实现此功能。1.1.1计算机硬件系统硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，可以将其理解为我们所看到的实际物理设备。此部分将会以冯.若依曼思想为主线，对计算机硬件系统进行论述，而各种具体的硬件信息，将会在下一节中进行描述。计算机的工作过程就是执行程序的过程。怎样组织程序，涉及计算机体系结构问题。对后来的计算机在体系结构和工作原理上具有重大影响的是在同一时期由美籍匈牙利数学家冯•诺依曼和他的同事们研制的EDVAC计算机。在EDVAC中采用了“存储程序”的概念。以此概念为基础的各类计算机统称为冯•诺依曼机。它的主要特点可以归结为：①计算机应由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备，其结构如图1.2，图中实线为数据流，虚线为控制流。②程序和数据以同等地位存放在存储器中，并按地址访问。③程序和数据以二进制表示。下面将分别介绍，冯•诺依曼提出的计算机5个基本部分的具体内容。1、运算器运算器的主要功能是算术运算和逻辑运算。计算机中最主要的工作是运算，大量的数据运算任务是在运算器中进行的。运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit,ALU）。在计算机中，算术运算是指加、减、乘、除等基本运算；逻辑运算是指逻辑判断、关系比较以及其他的基本逻辑运算，如“与”、“或”、“非”等。但不管是算术运算还是逻辑运算，都是基本运算。也就是说，运算器只能做这些最简单的运算，复杂的运算都要通过基本运算的组合来一步步地实现。然而，运算器的速度却快得惊人，因此计算机才有高速的信息处理功能。运算器中的数据取自内存，运算的结果又送回内存。运算器对内存的读写操作，是在控制器的控制下进行的。2、控制器控制器是计算机的“神经中枢”和“指挥中心”，只有在它的控制之下整个计算机才能有条不紊地工作，自动执行程序。控制器的功能是依次从存储器取出指令、分析指令、向其他部件发出控制信号、指挥计算机各个部件协同工作。3、存储器存储器是计算机用来存放程序和数据的部件，是计算机中各种信息存储和交流的中心。它的基本功能是能够按照指定位置存入或取出信息。存储器通常分为内存储器和外存储器。（1）内存储器内存储器（简称内存，又称主存）被划分为很多单元，每个单元称为存储单元，每个存储单元可以存储一定数量的二进制数据，各种信息进人计算机后，都要转换成0或1的二进制形式；每个存储单元都有惟一的编号，称为存储单元的地址。当计算机要把一个数据存入某存储单元或从某存储单元取出时，首先要提供存储单元的地址，然后查找相应的存储单元才能进行信息的存取。内存又分为以下两类：①随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）通常RAM指计算机的主存，CPU既可从中读出数据又可向它写入数据。但是，一旦关机断电，RAM中的信息将全部消失。②只读存储器（ReadonlvMemory，ROM)CPU对它只取不存，它里面存放的信息一般由计算机制造厂写入并经固化处理，用户是无法修改的。即使断电，ROM中的信息也不会丢失。因此，ROM中一般存放计算机系统管理程序，如基本榆人输出系统B10S(BasicInpu/OutputSystem）。（2）外存储器外存储器设置在主机外部，简称外存（又称辅存），主要用来长期存放“暂时不用”的程序和数据。通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据，只和内存交换数据，而且不是按单个数据进行存取，而是成批地进行数据交换。常用的外存是磁盘、光盘、闪盘（优盘）等。外存与内存有许多不同之处，主要体现在以下几点：①外存不怕停电，如磁盘上的信息可以长期保存；大部分内存是不能长期保存信息的随机存储器（断电后信息丢失）。②外存的容量不像内存那样受多种限制，可以大得多，如目前硬盘的容量可达数百吉字节；而绝大多数计算机的内存是以半导体存储器为主，由于价格和技术方面的原因，内存的存储容量受到限制。③外存速度慢，内存速度快。4、输入设备输人设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机可以识别的形式（二进制）存放到内存中。常用的输人设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、麦克风等。5、输出设备输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响等。输人设备和输出设备简称为I/O(Input/Output）设备。1.1.2计算机软件系统在计算机系统中，硬件是物质基础，软件是指挥硬件工作的灵魂。软件的功能与质量在很大程度上决定了整个计算机的性能，故软件和硬件一样，是计算机工作必不可少的组成部分。所谓软件，是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合计算机软件极为丰富，要对软件进行恰当的分类是相当困难的。一种通常的分类方法是将软件分为系统软件和应用软件两大类1、系统软件系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作的程序和相关数据。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。一般来讲，系统软件包括操作系统、语言处理程序和工具软件等。2、应用软件应用软件是针对某个应用领域的具体问题而开发和研制的程序。应用软件一般包括用户程序及其说明性文件资料。应用软件必须在系统软件的支持下才能工作。它具有很强的实用性和专业性，正是由于应用软件的开发和使用，才使得计算机的应用日益渗透到社会的各行各业。由于计算机软件的迅速发展，软件逐步标准化、模块化，一般把解决各类特别问题的应用程序的组合称为软件包。1.1.3计算机基本工作原理按照冯·诺依曼机“存储程序”的概念，计算机的工作过程就是执行程序的过程。要了解计算机是如何工作的，首先要知道计算机指令和程序的概念。

1、计算机的指令和程序指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。计算机指令常用二进制代码表示，指令长度是指组成二进制代码的位数。一条指令通常由两个部分组成，如下所示：操作码操作数程序是指能完成一定功能的指令序列，是计算机指令的有序集合。计算机按照程序设定的指令顺序依次执行，并完成对应的一系列操作，这就是程序执行的过程。2、计算机的工作原理计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。用户首先必须根据某任务要求编写相应的程序，通过输人设备将程序和数据送到计算机的存储器中保存起来；程序运行后，计算机从存储器依次取出指令，送往控制器进行分析，并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号；最终的运算结果要送到输出设备输出。1.2微机硬件组成及主要技术指标1.2.1微机硬件组成微型计算机，又称微机，是目前发展最快的一类计算机。它们的基本结构都是由显示器、键盘和主机构成。台式计算机的主机安装在主机箱内，在主机箱内有系统主板（又称主机板或母板）、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示器适配器（又称显示卡或图形加速卡）等。下图为具有基本功能的多媒体计算机硬件系统。1、主板(l)主板架构系统主板是微型计算机中最大的一块集成电路板，是微型计算机中各种设备的连接载体。主板采用开放式结构，板上有CPU插座、控制芯片组、BIOS芯片、内存条插槽、AGP(AcceleratedGraphicsPort)总线扩展槽、PCI(PeripheralComponentInterconnect)局部总线扩展槽和其他各种接口。(2)芯片组芯片组是系统主板的“灵魂”，它决定了主板的结构及CPU的使用。芯片组就像人体的中枢神经一样，控制着整个主板的运作。芯片组外观就是集成块。根据芯片的功能，有时把它们称做南桥芯片和北桥芯片。南桥芯片主要负责1/0接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等；北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片上通常装有散热片。(3)板载功能随着主板技术的发展，主板早已经不是原先单一的搭载CPU、内存、硬盘以及外设的平台，而是可以附加许多原来由各种类型的卡所承担的功能，这些功能称为板载功能。随着主板南、北桥芯片的功能日益丰富和板载芯片越来越多，主板的板载功能也越来越多。可以说只要用户需要，几乎所有能附加的功能都被加上了。目前常用主板主要的板载功能有声卡、显示卡、网卡、IEEE1394卡等。2、CPU(l)CPU分类CPU有通用CPU和嵌人式CPU两种类型。通用和嵌人式的区别，主要在于应用模式的不同。一般来说，通用CPU追求高性能，功能比较强，能运行复杂的操作系统和大型应用软件。嵌人式CPU则强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，在功能和性能上有很大的变化范围，例如用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电。微型计算机一般采用通用CPU，最具代表性的产品是美国Intel公司的微处理器系列，CPU的产品并非只由Intel公司一家生产，IBM、Apple、Motorola、AMD、Cyrix等也是著名的微处理器产品的生产公司。CPU的功能是计算机主要技术指标之一，人们习惯用CPU的档次来大体表示微型计算机的规格。(4)国产CPU——龙芯龙芯CPU是中国科学院计算技术研究所研制的以通用CPU为核心并兼顾嵌人式CPU特点的新一代CPU。3、存储器(1)内存储器目前在微型计算机上广泛采用动态随机存储器（DRAM）作为主存。DRAM的特点是数据信息以电荷形式保存在小电容器内，由于电容器的放电回路的存在，超过一定的时间后，存放在电容器内的电荷就会消失，故必须对小电容器周期性刷新来保持数据。DRAM中的SDRAM(SynchronousDRAM，同步动态随机存储器）是早些年计算机系统普遍使用的内存形式，它的刷新周期与系统时钟保持同步，使RAM和CPU以相同的速度同步工作，取消等待周期，减少了数据存取时间。DDRRAM(DoubleDataRateRAM）是双倍速率的SDRAM，它使用了更多、更先进的同步电路，它的速度是标准SDRAM的两倍。目前在DDRRAM这个大家族中，已经相继出现了DDR2和DDR3。微型计算机上使用的动态随机存储器被制作成内存条的形式，需要插在系统主板的内存插槽上使用。目前常用的内存条中，一个内存条的容量有512MB、1G、2G或4G等不同的规格。(2)外存储器为了能存储更多的数据，就需要配置磁盘、磁带、光盘等外部存储器。外存中的数据一般不能直接送到运算器，只能成批地将数据先送到内存，再进行处理。常用的外存储器有：①硬盘硬盘的盘片是由涂有磁性材料的铝合金或玻璃材质制成。硬盘及其内部结构如图1.11所示。②光介质存储器光介质存储器也是微型计算机上使用较多的存储设备。它利用激光在某种介质上写人信息，然后再用激光读出信息。目前微型计算机上使用的光介质主流产品是光盘。它需要通过专用的设备，如CD-ROM(CompactDisk一ROM）等驱动器读取光盘上的信息。③移动硬盘如图所示为一移动硬盘。移动硬盘主要是由硬盘和硬盘盒两部分组成。移动硬盘中的硬盘一般是笔记本硬盘，有2.5in和l.8in两种型号。台式计算机也可使用移动硬盘。硬盘盒都带有数据接口，一般都采用USB接口（早期也有过IDE接口的），有USB1.1和USB2.0两种规格，后者的数据传输速度比前者要快几百倍，基本上和计算机内置硬盘交换数据的速度相同。也有一部分移动硬盘采用IEEE1394接口。④U盘U盘，全称“USB闪存盘”，英文名“USBflashdisk”。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。4、输入设备输人设备将数据、程序等转换成计算扒能接受的二进制码，并将它们送人内存。常用输人设备是键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、游戏手柄等，如图所示。5、输出设备输出设备将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字、字符、图像、声音等形式显示、打印或播放出来。常用的输出设备是显示器、打印机等。(2）打印机目前使用的打印机主要有3类：针式打印机喷墨打印机激光打印机6、常用多媒体设备常用的多媒体设备有显卡、声卡、IEEE1394卡、多媒体信息获取设备等。(1)显卡(2)声卡声卡又称音频卡，是处理音频信号的硬件，目前大都已作为微型计算机必备功能集成在主板上，但也有部分专业声卡类似于显卡一样单独存在，称之为独立声卡(3)IEEE1394卡IEEE1394是一种连接外部设备的机外总线标准，传输速度可达400Mbps通过IEEE1394接口可以将许多计算机外部设备（如硬盘、打印机、扫描仪）、各种家电（如数码相机、DVD播放机、视频电话等）非常简单地连接到计算机上。(4)多媒体信息获取设备多媒体信息获取，常用的设备有扫描仪、数码照相机和摄像机等。数码照相机（DC）数码摄像机（DV）数码摄像机的优点是动态拍摄效果好，电池容量大，DV带也可以支持长时间拍摄，拍、采、编、播自成一体，相应的软、硬件支持也十分成熟。目前数码摄像机普遍都带有存储卡，一机两用，切换起来也很方便。由于数码摄像机使用的小尺寸电荷祸合器件与其镜头不匹配，在拍摄静止图像时的效果不如数码照相机。用于连接摄像机与计算机的1394数据传输电缆线称为iLink或Firewire缆线，如图fig所示。一端连接计算机上的IEEE1394卡上的接口，另一端接在数码摄像机的DVIn/Out接口，然后打开DV的电源并把DV调到VCR状态，操作系统会自动识别DV设备。这时就可以启动采集／编辑软件，将存储在DV磁带上的数码影像输人到计算机。反之，使用此缆线也可将编辑好的文件传回摄像机。如果要将DV上的数码影像输出到电视机，需要使用RCA线缆，如图fig所示。RCA线缆包含了3个接头：红色代表右声道音频线路，白色代表左声道音频线路，黄色代表视频线路。1.2.2微机主要技术指标1、总线任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备连接，如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计与系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。英语名称BUS，很形象地表示了总线的特征。总线就像高速公路，总线上传输的信号则被视为高速公路上的车辆。显而易见，在单位时间内公路上通过的车辆数直接依赖于公路的宽度、质量。因此，总线技术成为微型计算机系统结构的一个重要方面。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准，使不同设备间的互连实现起来更容易。2、计算机与外部设备接口外部总线通常以接口形式表现，是外部设备与计算机连接的端口,计算机上常见的接口如图所示。1.3.1进位记数制在日常生活中，人们常会遇到不同进制的数，如十进制数，逢十进一；一周有七天，逢七迸一。人们平时用得最多的是十进制数；而计算机中存放的是二进制数，为了书写和表示方便，还引人了八进制数和十六进制数。无论哪种数制，其共同之处都是采用了进位记数制。

在采用进位记数的数字系统中，如果只用r个基本符号（例如0,1,2，…，r-l）表示数值，则称其为r进制数（Radix一rNumberSystem),r称为该数制的“基数”(Radix)，而数制中每一固定位置对应的单位值称为“权”。进位制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基本符号0,10,1,2,…,70,1,2,…,90,1,2,…9,A,B,…,F权2i8i10i16i角标表示B(Binary)O(Octal)D(Decimal)H(Hexadecimal)1.3.2不同进位计数间的转换1、r进制数转换成十进制数2、十进制数转换成r进制数3、二进制、八进制、十六进制数间的相互转换1.4计算机中数据的表示1.4.1基本概念

(1)编码计算机要处理的数据除了数值数据以外，还有各类符号、图形、图像和声音等非数值数据。而计算机只能识别0和1两个数码。要使计算机能处理这些信息，首先必须将各类信息转换成“0”和“1”表示的代码，这一过程成为编码。(2)数据能被计算机接受和处理的符号的集合都称为数据。(3)比特比特（Bit：BinaryDigit——二进制数位）是指1位二进制的数码（即0或1）。比特是计算机中表示信息的数据编码中的最小单位。(4)字节字节表示被处理的一组连续的二进制数字。通常用8位二进制数字表示一个字节，即一个字节由8个比特组成。字节是存储器系统的最小存取单位。1.4.2数值数据的表示数值数据有大小和正负之分。通常在微型计算机中，用两个字节表示一个整数，用四个字节表示一个实数。在二进制数的最前面规定一个符号位：“0”表示正数，“1”表示负数。数据表示方法通常有定点数表示和浮点数表示两种。(1)定点数的表示①定点纯整数：小数点的位置在最低数值位的后面，用于表示整数,如下所示。数符数值②定点纯小数：小数点的位置约定在最高数值位的前面，用于表示小于1的纯小数，如下所示。(2)浮点数的表示浮点数的表示来源于数学中的指数形式：N＝M×Rc式中R表示进制数的基数。N可以用下面两个部分表示。①尾数M。尾数为小于1的小数。尾数的长度影响数据的精度。②阶码c。阶码相当于数学中的指数。阶码的大小影响浮点数可以表示的数据的大小范围。如下所示给出了浮点数的表示方法。阶符阶码尾符尾数例1.9设尾数为8位，阶码为6位，请将二进制数-0100.100用浮点数的表示方法表示。解答：由于二进制数-0100.100是负数，因此尾符应该是“1”，尾数是10100100；-0100.100与-0.0100100相比，小数点向右移动了4位，这个“4”就是阶码。由于“4”是正数，因此，阶符是“0”，而十进制的“4”在二进制中是“100”，补齐称六位二进制数就是“000100”，所以阶码是“000100”。所以最后表示的结果应该是：00001001101001001.4.3字符的表示1、西文字符的表示.西文字符用ASCII码表示。ASCII编码是由美国国家标准委员会制定的一种包括数字、字母、通用符号和控制符号在内的字符编码集，全称叫美国国家信息交换标准代码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。2、汉字字符的表示(1)GB2312汉字国标码全称是GB2312—80《信息交换用汉字编码字符集——基本集》,1980年发布，是中文信息处理的国家标准，也称汉字交换码，简称GB码。(2)汉字输入码汉字输入方法很多，如区位、拼音、五笔字型等。不同输入法有自己的编码方案，所采用的编码方案统称为输入码。输入码进入机器后必须转换为机内码进行存储和处理。如，以全拼输入方案键入“tong”，或以五笔字型输入方案“xycq”，都能得到“统”这个汉字