计算机系统结构与信息表示

大学计算机基础计算中心2013年9月计算机硬件系统2第2章计算机系统结构与信息表示计算机软件系统3微型计算机的组成4计算机的信息表示与存储1计算机的信息表示与存储1计算机硬件系统2第2章计算机系统结构与信息表示计算机软件系统3微型计算机的组成4计算机的语言——二进制在冯·诺依曼型计算机中，所有的信息都是采用二进制编码。包括：数据、指令；图形、声音、视频等。二进制系统仅有两个数——0和1二进制表示信息的优点： 易于物理实现 二进制数运算简单 机器可靠性高 通用性强计算机的信息表示与存储计算机中的信息单位位（bit）度量数据的最小单位，表示1位二进制数字。b7b6b5b4b3b2b1b0K（千）字节 1KB=1024BM（兆）字节 1MB=1024KBG（吉）字节 1GB=1024MBT（太）字节 1TB=1024GB计算机的信息表示与存储字节（Byte）信息组织和存储的基本单位，也是计算机体系结构的基本单位。简写为B。1B=8bit计算机中的信息单位K（千）字节(Kilobyte)

1KB=1024BM（兆）字节(Megabyte)

1MB=1024KBG（吉）字节(Gigabyte)

1GB=1024MBT（太）字节(Terabyte)

1TB=1024GBP（拍）字节(Petabyte)

1PB=1024TBE（艾）字节(Exabyte)

1EB=1024PBZ（Z）字节(Zettabyte)

1ZB=1024EBY（Y）字节(Yottabyte)

1YB=1024ZB计算机的信息表示与存储字节（Byte）计算机中的信息单位字（word）在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数串叫做一个字或单元。每个字中二进制位数的长度，称为字长。一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统的字长是不同的，常见的有8位、16位、32位、64位等，字长越长，计算机一次处理的信息位就越多，精度就越高，字长是计算机性能的一个重要指标。计算机的信息表示与存储进位计数制的概念思考十进制数的特点：一个十进制数的每一位可以出现哪些符号？两个十进制数进行加法运算的时候如何进位，那减法运算呢？R进制：采用R个基本符号；遵循“逢R进一，退一当R”。基数：一种计数制允许选用基本数字符号的个数。如：十进制基数为10。计算机的信息表示与存储十进制 基数10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制 基数2，可使用0,1八进制 基数8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制 计算机科学中常用的数制计算机的信息表示与存储思考：计算机能不能直接读懂十、八、十六进制数？

基数16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F数制的书写规则采用括号外面加下标。如：(1011)2：表示二进制数1011。(9981)10：表示十进制数9981。采用字母后缀：B：表示二进制数，如：101B。O：表示八进制数，如：101O。D：表示十进制数，可省略，如：101D或101。H：表示十六进制数，如：101H。计算机的信息表示与存储各数制中数的对照表思考：十进制数15，是个两位数。那么将它表示成二、八、十六进制，值为多少，分别是几位数？计算机的信息表示与存储进制的加减运算——逢R进1，借1当R二进制 运算法则：“逢2进1，借1当2”。例如：计算机的信息表示与存储进制的加减运算——逢R进1，借1当R八进制 “逢8进1，借1当8”。十六进制 “逢16进1，借1当16”计算机的信息表示与存储不同进制数之间的转换思考：(10010101)2=(？)10=(？)8=(？)16计算机的信息表示与存储二进制八进制十进制十六进制位权数制中每一固定位置对应的单位值称为“权”。=1×102+5×101+3×100+2×10-1+9×10-2153.29b2b1b0．

b-1b-210:基数；10-1是b-1位的位权R进制按权展开式的一般形式为：N=dn-1bn-1+dn-2bn-2+…+d1b1+d0b0+d-1b-1+…+d-mb-m十进制数153.29的按权展开式，如下：式中：n——

整数部分的总位数；m——

小数部分的总位数；d下标

——

该位的数码；b——

基数。b上标

——

位权。“二”、“八”、“十六”转“十”进制方法：按权展开，再求和。10010101=1×20+0×21+1×22+0×23+1×24+0×25+0×26+1×27=149b7b6b5b4b3b2b1b0=20+22+24+27=1

+4+16+128写出按权展开式按十进制规则计算求和2:进制的基数；23=8是b3位的权值计算机的信息表示与存储例1：将(101.1)2转换成十进制数。

(101.1)2＝1×22+0×21+1×20+1×2-1

＝4+0+1+1/2＝(5.5)10例2：将(113.6)8转换成十进制数。

(113.6)8＝1×82+1×81+3×80+6×8-1

＝64+8+3+6/8＝(75.75)10例3：将(2B.C)16转换成十进制数。

(2B.C)16＝2×161+11×160+12×16-1

＝32+11+12/16＝(43.75)10“二”、“八”、“十六”转“十”进制计算机的信息表示与存储“十”转“二”、“八”、“十六”进制方法：整数部分和小数部分分别转换，两部分再求和。整数部分：除以基数，取余数；当商为零时，余数倒排序。小数部分：乘以基数，取整数；当小数部分为零时，整数顺排序。计算机的信息表示与存储“十”转“二”、“八”、“十六”进制例1：将(48.375)10转换成二进制数。解：整数部分、小数部分分别进行。整数部分转换过程如下：整数部分结果：(48)10=(110000)2

计算机的信息表示与存储2482242122623210b0=0b1=0b2=0b3=0b4=1b5=1先计算出的数靠近小数点。小数部分转换过程如下：0.375×2=0.75 b-1=00.75×2=1.5 b-2=10.5×2=1.0 b-3=1小数部分结果：(0.375)10=(0.011)2“十”转“二”、“八”、“十六”进制计算机的信息表示与存储整数部分结果： (48)10=(110000)2小数部分结果： (0.375)10=(0.011)2整数部分+小数部分：

(48.375)10=(110000.011)2“十”转“二”、“八”、“十六”进制例2：将(47.39)10转换成二进制数。解：整数部分、小数部分分别进行。整数部分转换过程如下：整数部分结果：(47)10=(101111)2

计算机的信息表示与存储小数部分转换过程如下：0.39×2=0.78b-1=00.78×2=1.56b-2=10.56×2=1.12b-3=1小数部分结果：(0.39)10≈(0.011)2小数部分转换时，乘2的过程一直继续下去，直到达到小数部分为零或者达到所需要的位数（例如本例中取了3位）。“十”转“二”、“八”、“十六”进制计算机的信息表示与存储小数部分不一定精确整数部分结果：

(47)10=(101111)2

小数部分结果：

(0.39)10≈(0.011)2整数部分+小数部分：

(47.39)10

=(101111.011)2“十”转“二”、“八”、“十六”进制计算机的信息表示与存储“二”转“八”进制方法：“三位合一”。先分组：以小数点为界，整数部分从右向左，每三位为一组，最后不足三位时，用零从左边补齐三位；小数部分从左向右，每三位为一组，最后不足三位时，用零从右边补齐三位。再转换：每一组二进制数转换成相应的一位八进制数。计算机的信息表示与存储“二”转“八”进制例：将二进制数(1110111.11)2转化成八进制数。二进制和八进制对照表计算机的信息表示与存储101421“八”转“二”进制方法：“一位分三”。将八进制数的每一位数码转换成三位二进制数即可。例：将八进制数(34.57)8转化成二进制数。计算机的信息表示与存储101421“二”转“十六”进制方法：“四位合一”。先分组：以小数点为界，整数部分从右向左，每四位为一组，最后不足四位时，用零从左边补齐四位；小数部分从左向右，每四位为一组，最后不足四位时，用零从右边补齐四位。再转换：每一组二进制数转换成相应的一位十六进制数。计算机的信息表示与存储例：将(1110111.11)2转化成十六进制数。二进制和十六进制对照表“二”转“十六”进制10118421计算机的信息表示与存储“十六”转“二”进制方法：“一位分四”。将十六进制数的每一位数码转换成四位二进制数即可。例：将(AB.C)16转化成二进制数。10118421计算机的信息表示与存储逻辑运算概述以上判读的结果只能是“真”或“假”其一。逻辑数据：只有两个值——真、假。二进制数也只有2个数值：0、1。因此可以用1来表示真，用0来表示假。2013年9月23日是星期一。 ——真2013年9月24日是星期一。 ——假2013年9月23日是星期一并且2013年9月24日是星期一。 ——假计算机的信息表示与存储条件a条件b条件a非运算结果与运算结果或运算结果真真假真真真假假假真假真真假真假假真假假二进制的逻辑运算计算机的信息表示与存储二进制的逻辑运算规则逻辑运算的符号： 与：AND，或：OR，非：NOT逻辑运算规则：与运算： 0AND0=0，0AND1=0，

1AND0=0，1AND1=1或运算： 0OR0=0，0OR1=1，

1OR0=1，1OR1=1，非运算： NOT0=1，NOT1=0计算机的信息表示与存储二进制的逻辑运算按位进行逻辑运算。举例计算机的信息表示与存储数据在计算机中的表示数值有大小及符号（正数，负数）。数在计算机的表示统称为机器数。计算机中数的符号怎么表示呢？——将符号数值化01正数负数数符有符号数：最高位为数符。无符号数：无数符，每位都表示数值。计算机的信息表示与存储数的表示范围 1个字节可表示无符号数的范围：0—25500000000111111110000000111111111100000000+1个字节能表示256吗？溢出：运算结果超出表示数的范围。溢出时，机器产生错误结果。计算机的信息表示与存储028-1思考：1个字节可表示有符号数的范围是多少？编码的作用计算机只“认识”两个字——“0”和“1”。计算机在进行数字计算、处理字母符号、汉字、图形、图像、声音都必须按一定的规则将其转换成二进制。这个规则就是编码。计算机的信息表示与存储字符输入时由机器将数据转换成二进制编码；输出时由机器自动转换成对应符号。信息内部表示与外部显示的关系外部信息先转换成二进制编码后才能被计算机处理。信息表示方式的转换由计算机的输入输出设备来完成。计算机的信息表示与存储十进制数8421编码十进制数8421编码01234567000000010010001101000101011001118910111213141510001001000100000001000100010010000100110001010000010101十进制数的二进制编码——BCD码用4位二进制数码来表示1位十进制数。8421码是常用的一种BCD编码。01118421计算机的信息表示与存储西文字符的编码——ASCII码每一个字符有一个唯一的编码。AmericanStandardCodeForInformationInterchange（美国标准信息交换码）每个字符占1B，用7位，最高位不用，一般为0。ASCII码中，常用字符128个，编码从0到127，包含控制字符和普通字符。计算机的信息表示与存储字符ASCII码值空格32048A65a97ASCII码表计算机的信息表示与存储汉字的编码计算机处理汉字信息的前提条件是对每个汉字进行编码，称汉字编码。归纳起来可分为以下四类：汉字输入码、汉字交换码、汉字内码和汉字字形码。通过汉字输入码将汉字信息输入到计算机内部，再用汉字交换码和汉字内码对汉字信息进行加工、转换、处理，最后使用汉字字形码将汉字从显示器上显示出来或用打印机打印出来。计算机的信息表示与存储汉字的编码输入设备输入管理模块输入字典输入码机内码内部处理汉字字库内存通信机内码国标码地址码字形码字形码汉字汉字输出设备国标码汉字输入码是为从计算机外部输入汉字而编制的汉字编码，也称汉字外部码，简称外码。编码方法有百种之多，可归并为下列几种：顺序码，如区位码；音码，如微软拼音和智能ABC输入法；形码，如五笔字型；音形码。为提高输入速度，输入方法逐步智能化是目前的发展趋势。例如，基于模式识别的语音识别输入、手写板输入或扫描输入等。计算机的信息表示与存储汉字交换码和汉字内码——占2B汉字交换码是指在不同汉字信息系统之间进行汉字交换时所使用的编码。我国1980年制定的“中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码”(代号GB2312－80)中规定的汉字交换码为标准汉字编码，简称GB2312－80编码或国标码。汉字内码是汉字在信息处理系统内部最基本的表现形式，是信息处理系统内部存储、处理、传输汉字而使用的编码，简称内码。计算机的信息表示与存储汉字字形码汉字字形码是表示汉字字形信息的编码，在显示或打印时使用。点阵方式矢量方式点阵：汉字字形点阵的代码16×16,24×24,32×32,48×48矢量：存储的是描述汉字字形的轮廓特征。=16×16bit=256bit=32B思考:存储右边的这个汉字需要多少字节？计算机的信息表示与存储计算机硬件系统2第2章计算机系统结构与信息表示计算机软件系统3微型计算机的组成4计算机的信息表示与存储1计算机系统的构成硬件系统计算机系统软件系统主机外部设备输入设备输出设备计算机硬件系统中央处理器（CPU）内存储器系统软件应用软件RAMROM运算器控制器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。是对计算机进行程序控制的最小单位。PC+1程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。指令系统是一台计算机的所有指令的集合。计算机硬件系统机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）内存储器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地址控制流运算器计算机硬件基本组成计算机硬件系统冯·诺依曼计算机——5大基本部件运算器：对数据进行算术运算和逻辑运算的部件。控制器：电子计算机的指挥部，负责协调指挥各部件的工作。存储器：计算机记忆或暂存数据的部件。输入设备：输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程，所使用的设备称为输入设备。输出设备：用来输出处理结果的设备。计算机硬件系统奠定现代计算机发展的重要人物和思想冯·诺依曼：美籍匈牙利数学家，提出了著名的“存储程序”设计思想。存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机的发展简史1949EDSACJohnVonNouma计算机的工作原理计算机的两个基本能力：存储程序自动执行程序运算（处理）存储（记录）控制（协调）计算机硬件系统执行步骤：第一步：输入指令（将数据和程序输入到存储器中）第二步：取数指令（从存储器取数2）第三步：取数指令（从存储器取数3）第四步：加法指令（执行2+3的运算）第五步：存数指令（将计算结果5送到存储器保存）第六步：输出指令（输出计算结果）计算机硬件系统计算2+3=？停机指令停止执行执行指令解释指令从存储器取出指令YN计算机硬件系统指令执行过程简图中央处理器（CPU）运算器的任务是对信息进行加工处理。功能：主要完成各种算术运算和逻辑运算。控制器是计算机的指挥控制中心。功能：读取指令，分析指令，并作出相应的控制。控制器按照计算机的工作节拍（主频）产生各种控制信号，以指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序。运算器控制器计算机硬件系统存储器存储器是计算机的记忆装置。我记住了！计算机硬件系统访问速度快*暂时性价高容量小外存储器访问速度慢永久性价低容量大内存储器内部存储器（主存）外部存储器（辅存）内存储器ROM(ReadOnlyMemory)：只能读出信息，不能写入新的信息；存放在ROM中的信息能长期保存而不受停电的影响，关机后再开机，又可从中读出信息。其中常存放一些不能改写的管理机器本身的监控程序和其他服务程序。RAM(RandomAccessMemory)：可读可写，关机后RAM中的信息自动消失。一般用来存储计算机运行的程序、数据以及支持用户程序运行的系统程序。注意：计算机内存容量是指RAM的大小。计算机硬件系统外存储器存储容量大，便于计算机之间的数据交换。断电后，数据不丢失。常见的外存储器有：硬盘：固定在机箱内，容量大。优盘：USB接口，体积小，携带方便。光盘：方便存储永久性数据。软盘：基本被淘汰，容量小，1.44MB，易损坏。计算机硬件系统磁盘存储器常用的几个术语磁道：