大学计算机基础第2章

第2章

计算机组成原理和工作原理

知识点：软、硬件的组成信息表示方法程序指令数据编码

本章主要介绍了计算机的组成和工作原理，其中包括计算机的硬件软件组成，信息表示方法的基本知识和指令系统等内容。通过本章的学习，相信读者可以对计算机的组成有个初步的认识，并了解计算机的工作原理。2.1计算机软硬件的组成计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，如图:2.1.1计算机硬件的概念2.1.2计算机硬件组成1．微型计算机的总线结构根据所传递的信息的不同，总线分为三种：（1）数据总线DB（DataBus）（2）地址总线AB（AddressBus）（3）控制总线CB（ControlBus）2．外设接口（1）串行接口（2）并行接口（3）通用串行总线USB（UniversalSerialBus）3．PC机的硬件配置（1）主板（2）中央处理器（CPU-centralprocessingunit核心器件-微处理器）（3）内存储器（4）外存储器

(5)输入/输出设备2.1.3计算机软件的概念计算机软件系统指在计算机硬件设备上运行的程序及相关文档和数据。软件是微机的灵魂，用来扩大计算机系统的功能和提高计算机系统的效率，通常承担着计算机运行服务的全部技术支持。没有安装软件的微机称为“裸机”，无法完成任何工作。

软件系统由系统软件和应用软件两大部分构成:1．计算机系统软件系统软件通常负责管理，控制和维护计算机的各种软硬件资源，并为用户提供一个友好的操作界面，以及服务于一般目的的上机环境。系统软件指：操作系统、语言处理系统，以及数据库管理系统等。1）操作系统操作系统主要完成以下四个方面的工作：对存储进行管理和调度对CPU进行管理和调度对输入/输出设备进行管理对文件系统及数据库进行管理2）实用软件2．计算机应用软件应用程序软件是用各种高级语言编写出来的，一组有特定应用目的的程序组，用来执行各项特定的功能。3．操作系统平台与实用软件或应用软件之间的关系用户使用电脑时可能会发现，某某软件仅用于DOS平台，某某软件可通知于Windows9X或WindowsXP等，这是什么意思呢？操作系统是系统软件中最基础的部分，它是用户和裸机之间的接口。因此，又称操作系统为平台软件。2.2计算机内的信息表示2.2.1数字化信息编码1．数字化信息编码的概念信息必须经过数字化编码才能被处理。所谓编码，是指采用约定的基本符号，按照一定的组合规则，表示出复杂多样的信息，从而建立起信息与编码之间的对应关系。信息送入计算机后以编码的形式进行处理，从计算机输出后又还原成原来的形式。2．计算机中的常用名词1）位位是二进制数位（BinaryDigit）的缩写，记为bit。例:（10101101）2占有8位。

2）字节（B）字节是在信息技术和数码技术中用于表示信息的基本储存单位或数量单位。对二进制数据进行储存时，以八位二进制代码作为一个单元存放在一起，称为一个字节，记为byte。即1B=8bit。字节可以表示数字或字符。计算机存储量的大小是由字节来衡量的。例:（10101101）2占有1个字节。3）字一条指令或一个数据信息称为一个字（Word）。字是计算机存储、传输、处理数据的信息单位。通常一组二进制数位叫做一个“字”。字是若干个字节的组合，1Word=nByte。4）字长

CPU中每个字所包含的二进制代码位数的多少叫做一个“字长”。5）容量指存储器所能存储的字节数。容量是衡量计算机存储能力常用的一个名词。常用的容量单位有B、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）、TB。1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB1K字节记为1KB，1M字节记为1MB，1G字节记为1GB，1T字节记为1TB。思考：962934272bit等于多少MB？1962934272bit=（1962934272÷8）B=245366784B

=（245366784÷210）KB=239616KB

=（239616÷210）MB=234MB2.2.2计算机中信息的表示方法1．计算机中数据的表示方法没有涉及符号的数据称为无符号数，除此之外，还有带符号的数，通常用“+”和“-”来表示，但计算机中只有“1”和“0”两个数字，所以一般规定，“0”表示正数，“1”表示负数。像这样连符号也数码化了的二进制数，称为“机器数”，原来带有“＋”、“－”号的二进制数称为“真值”。例：十进制数＋75－75二进制数（真值）机器数＋1001011－10010110100101111001011符号绝对值计算机中符号数的表示方法有三种：原码、反码和补码。

原码一个二进制数同时包含符号和数值两部分，用最高位（左边第一位）表示数值的符号位，其余位表示数值的绝对值，这种表示带符号数的方法为原码表示法。例1：十进制数+17其原码为00010001

十进制数-17其原码为10010001

反码是另一种表示有符号数的方法。对于正数，其反码与原码相同；对于负数，在求反码的时候，保持原码的符号位不变，其余各位按位取反，即“1”都换成“0”，“0”都换成“1”。例2：十进制数+17的原码为00010001，反码为00010001。十进制数-17的原码为10010001，反码为11101110。

补码表示带符号数的最直接的方法。对于正数，其补码与原码相同；对于负数，其补码为反码最低位加1。例3：十进制数+17的原码为00010001，反码为00010001，补码为00010001。十进制数-17的原码为10010001，反码为11101110。补码为11101111。在补码表示中，零有惟一的编码：[+0]补=[-0]补＝000000002．计算机中字符的编码通常把字母、标点符号、特殊符号以及数字符号，通称为“字符”。字符首先要转换成二进制编码形式（如ASCII码）后，计算机才能对其处理。1）ASCII码

ASCII码（AmericanStandardCodeforInformation），也称为美国标准信息交换码，是一种用来表示字母，符号的七位二进制码。

ASCII码是用七位二进制表示一个字符，由于从0000000到1111111共有128种编码，可用来表示128个不同的字符。其中包括10个数字、26个小写字母、26个大写字母、运算符号、标点符号以及控制符号等。表2-2基本ASCII码字符集2）BCD码：（Binary-CodedDecimal）在日常生活中，人们习惯于十进制，而计算机只认识二进制，所以在计算机执行输入与输出操作时，使用了一种称之为BCD（BinaryCodedDecimal——二进制编码的十进制数)的编码方法，将十进制数转换成计算机能识别的二进制数，或将二进制数转换成人们习惯的十进制。例：01100101如果将其看成为一个二进制数，则对应的十进制数为：（01100101）2

＝0×27＋1×26＋1×25＋0×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＝0＋64＋32＋0＋0＋4＋0＋1＝（101）10但如果将其理解为一组BCD码的二进制数，则对应的十进制数为：（0110

0101）2

65＝(65)102.3数制及其特点计算机中的数据、信息都是以二进制形式编码表示的。而人们习惯于用十进制数来表示数据。所以，必须熟悉计算机中数据的表示方式，并掌握二进制、十进制、八进制、十六进制之间的相互转换。2.3.1进位计数制的特点所谓进位计数制就是把一组特定的数字符号按先后顺序排列起来，由低位向高位进位计数的方法。在进位计数制中包含两个基本要素：“基数”和“权”。1）基数一个计数制系统允许使用的基本数字符号（数符）的个数。例：十进制的基数为10，数符分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，二进制的基数是2，数符分别是0，1。2）权权也称“位权”，是以基数为底的幂，表示处于该位的数字所代表的值的大小。在一个数字当中，处在不同位置上的相同数字所表示的值也是不同的。一个数字在某个位置上的值等于该数字与这个位置上的因子的乘积，而该因子的值是由所在位置相对于小数点的距离来确定，这个因子就是位权。以十进数为例：个位“位权”为1（100），十位“位权”为10（101），百位“位权”为100（102），依此类推：n位“位权”为10n-1。小数以后的则为10-1

、10-2

、10-3

。（321）10=3×102+2×101+1×100

（101）2=1×22+0×21+1×20不论哪种进位计数制处于该位的数字所代表的值的大小，它们都有共同的计数规则和方法。其共同的规则和方法如下：1．计数规则——逢N进一N是指数制中所使用的数码符号的总个数，称为基数。例：十进制数使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十个数码计数，基数N=10，故“逢十进一”；二进制数只使用0、1两个数码计数，基数N=2，故“逢二进一”；八进制数只使用0、1、2、3、4、5、6、7八个数码计数，基数N=8，故“逢八进一”；十六进制数需使用0、1、2…9、A、B、C、D、E、F共16个数码计数，基数N=16，因此应采用“逢十六进一”。2．计数方法——位权表示法在进位计数制中，数码所处的位置不同，它所代表的值也就不相等。对每一个数位赋予的位值，在数学上叫做“权”（即位权）。某一位数码所代表的值等于该数码与该位的“位权”值的乘积。位权的值等于基数的若干次幂。例4：(286)10中，2的位权是100；8的位权是10；6的位权是1(247)8中，2的位权是64；4的位权是8，7的位权是1任何一个数都可以按位权展开式表示。例5：（710）8=7*82+1*81+0*80位权展开式又称“乘权求和”。2.3.2常用计数制的表示方法日常生活中常见的进位计数制有十进制、七进制、十二进制、六十进制；不常见的有二进制、八进制和十六进制。1．十进制日常生活中最常见的是十进制数，基数为10，数符为0~9的计数系统。计数规则：（1）由数符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9构成（2）逢十进一2．二进制二进制数只有两个代码“0”和“1”，所有的数据都由它们的组合来实现。二进制数据在进行运算时，遵守“逢二进一，借一当二”的原则。计数规则：（1）由数符0、1构成（2）逢二进一3．八进制八进制数基数是8，数符为0~7的计数系统。计数规则：（1）由数符0、1、2、3、4、5、6、7构成（2）逢八进一4．十六进制十六进制数采用0~9和A、B、C、D、E、F六个英文字母一起构成十六个代码。计数规则：（1）由数符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,A,B,C,D,E,F构成（2）逢十六进一在数字后加字母B表示二进制数，加字母O表示八进制数，加字母D表示十进制数，加字母H表示十六进制数。例6：1011B为二进制数1011，也记为（1011）21357O为八进制数1357，也记为（1357）82049D为十进制数2049，也记为（2049）103FB9H为十六进制数3FB9，也记为（3FB9）16表2-4计算机中常用进制数的表示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数符0,10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位权2i8i10i16i下标BODH结论：各种进位计数制中的“位权”的值恰好是基数的某次幂。例7：（101）D=1×102＋0×101＋1×100（101）B=1×22

＋0×21＋1×20=4+0+1=（5）D（101）O=1×82

＋0×81＋1×80=64+0+1=（65）D（101）H=1×162＋0×161+1×160=256+0+1=（257）D2.3.2计算机中内部采用的是二进制的原因1．容易表示二进制在物理上最容易实现，可以使用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。如:晶体管的导通与截止、电流的有无、电平的高低。2．运算简单二进制的编码及运算规则都比较简单。“1”和“0”与“真”和“假”对应，易于逻辑判断。传输和处理时不容易出错，可保障计算机的高可靠性。2.4不同数制之间的转换2.4.1数制之间的转换1．二、八、十六进制数→十进制数把二进制数、八进制数、十六进制数转换为十进制数，通常采用按权展开相加的方法，即把二进制数（或八进制数、十六进制数）写成2（或8、16）的各次幂之和的形式，然后按十进制计算结果。例8：把二进制数（1011.101）2转换成十进制数。解析：（1011.101）2

＝1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋0×2-2＋1×2-3＝8＋0＋2＋1＋0.5＋0＋0.125＝（11.625）10

把八进制数（153.24）8转换成十进制数。解析：（153.24）8

＝1×82＋5×81＋3×80＋2×8-1＋4×8-2

＝（107.3125）10把十六进制数（3AF.4）16转换成十进制数。解析：（2AF.4）16

＝2×162＋10×161＋15×160＋4×16-1

＝（667.25）102．十进制数→二进制数为了将一个既有整数部分又有小数部分的十进制数转换成二进制数，可以将其整数部分和小数部分分别转换，然后再组合起来。1）十进制整数→二进制整数例9将十进制数69转换成二进制数。解析：将十进制数69转换成二进制数的过程如下：

2|69

低位

2|34………余数为12|17………余数为02|8………余数为1 倒

2|4………余数为0 排

2|2………余数为02|1………余数为00………余数为1，商为0，结束 高位

因此，(69)10=(1000101)2。2）十进制小数→二进制小数例10将十进制小数0.6875转换成二进制小数。解析：将十进制小数0.6875转换成二进制小数的过程如下：（以下这样排列对）。0.6875×21.3750 整数部分为1 高位0.3750 余下的小数部分×20.7500 整数部分为00.7500 余下的小数部分 顺×2

排1.5000 整数部分为10.5000 余下的小数部分×21.0000 整数部分为1 低位因此，（0.6875）10=（0.1011）2所以，（69.6875）10=（1000101.1011）2

3．十进制数→八/十六进制数1）十进制整数→八/十六进制整数十进制整数转换成八进制整数可采用“除8取余”法。十进制整数转换成十六进制整数可采用“除16取余”法。2）十进制小数→八/十六进制小数十进制小数转换成八进制小数可采用“乘8取整”法。十进制小数转换成十六进制小数可采用“乘16取整”法。上述运算过程较复杂，不提倡使用；推荐使用下述方法：十进制→二进制→八进制/十六进制或八进制/十六进制→二进制→十进制4．二进制数与八/十六进制数的转换1）二进制数→八/十六进制数方法：根据23=8，将二进制数从小数点分开，分别向左、向右每3位一组，不够3位时前、后分别补0，然后每组用1位八进制数码写出即可。例11（011,101.010）2=（35.2）8同理：根据24=16，将二进制数从小数点分开，分别向左、向右每4位一组，不够4位时前、后分别补0，然后每组用1位十六进制数码写出即可。

(0001,1101.0100)2=（1D.4）162）八/十六进制数→二进制数方法：根据23=8，按整数和小数，分别将每一位八进制数用3位二进制数码写出即可，前、后0可省略。例12（35.2）8=（11,101.01）2=（29.25）10同理：根据24=16，按整数和小数，分别将每一位十六进制数用4位二进制数码写出即可，前、后0可省略。（1D.4）16=（1,1101.01）2=（29.25）10表2-5常用计数制的表示方法十进制二进制八进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F161000020102.4.2二进制数的基本运算1．算术运算

1）加法运算二进制加法运算法则（3条）：①0＋0＝0②0＋1＝1＋0＝1③1＋1＝10（逢二进一）例:求（1011011）2

＋（1010.11）2

1011011

＋

）

1010.11

1100101.11则（1011011）2

＋（1010.11）2＝（1100101.11）22）减法运算二进制减法运算法则（3条）：①

0－0＝1－1＝0②0－1＝1（借一当二）③1－0＝1例:求（1010110）2

－（1101.11）21010110

－)

1101.11

1001000.01则（1010110）2

－（1101.11）2＝（1001000.01）23）乘法运算二进制乘法运算法则（3条）：①

0×0＝0②

0×1＝1×0＝0③1×1＝1例:求（1011.01）2×（101）2

1011.01

×)

101

101101

000000

＋)101101

11100001则（1011.01）2×（101）2＝（111000.01）24）除法运算二进制除法运算法则（3条）：①

0÷0＝0②

0÷1＝0③1÷1＝1例：求（100100.01）2÷（101）2

111.01

101

-)

101

1000

-)

101

110

-)

101

0101

-)

101

0则（100100.01）2÷（101）2＝（111.01）22．逻辑运算逻辑是指条件与结论之间的关系。因此，逻辑运算是指对因果关系进行分析的一种运算，运算结果并不表示数值大小，而是表示逻辑概念，即成立还是不成立。计算机的逻辑关系是一种二值逻辑，二值逻辑可以用二进制的1或0来表示，例如：1表示“成立”、“是”或“真”，0表示“不成立”、“否”或“假”等。若干位二进制数组成逻辑数据，位与位之间没有“权”的内在联系。在逻辑代数中有3种基本的逻辑关系：逻辑非、逻辑与、逻辑或。其他复杂的逻辑关系均可由这3种基本逻辑关系组合而成。1）与运算（逻辑乘法）当一个命题的结论取决于多种因素时，当且仅当所有因素都满足时结论才为真，否则就为假，这种因果关系称为与逻辑。用来表达和推演与逻辑关系的运算称为与运算，与运算符常用×、∧、∩或AND表示。与运算法则(4条)：①0∧0＝0②0∧1＝0③1∧0＝0④1∧1＝1两个二进制数进行与运算是按位进行的。例：求10111001∧11110011

10111001

∧)

11110011

10110001则10111001∧11110011＝101100012）或运算(逻辑加法)

当一个命题的结论取决于多种因素时，只要其中一个因素满足时结论就为真，当且仅当所有都不满足时才为假，这种因果关系称为或逻辑。用来表达和推演或逻辑关系的运算称为或运算，或运算符常用＋、∨、∪或OR表示。或运算法则(4条)：①0∨0＝0②0∨1＝1③1∨0＝1④1∨1＝1两个二进制数进行或运算是按位进行的。例：求10100001∨10011011

10100001

∨)

10011011

10111011则10100001∨10011011＝101110113）非运算（逻辑否定）非运算实现逻辑否定，即进行求反运算。非运算符常用NOT