清华大学出社第二章计算机基础知识

2.1计算机的组成结构

完整的计算机系统包括两大部分，即硬件系统和软件系统。硬件系统计算机的物质基础，没有硬件就没有计算机。如CPU、存储设备、输入/输出设备等软件系统软件是计算机的灵魂，没有软件计算机就不会发挥其作用。如操作系统、OFFICE应用系统等现在是1页\一共有71页\编辑于星期三计算机系统的组成

计算机系统计算机硬件中央处理器（CPU）运算器、控制器、寄存器存储器内存随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）外存软盘、硬盘、光盘、U盘输入设备键盘、鼠标、扫描仪输出设备显示器、打印机、投影仪计算机软件系统软件操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、服务程序应用软件应用软件包、用户程序现在是2页\一共有71页\编辑于星期三主机外设输入设备输出设备外存设备网络设备2.1.1计算机硬件系统的组成

现在是3页\一共有71页\编辑于星期三冯.诺依曼体系结构

冯.诺依曼确立了至今仍然沿用的计算机体系结构，提出了存储的概念，将数据和指令一起存储。这个概念被誉为“计算机发展史上的一个里程碑”，标志着现代电子计算机时代的真正开始。现在是4页\一共有71页\编辑于星期三

计算机内信息（数据和控制信息）用二进制表示“逢二进一”：1+0=1，1+1=10，0+0=0特点：可行性、简易性、逻辑性、可靠性、不直观计算机硬件由五大部分组成

控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备计算机的工作原理：存储程序的工作原理

将程序（指令序列）和数据事先存放在存储器中，运行时顺序取出指令一条条地执行冯.诺依曼计算机的特征现在是5页\一共有71页\编辑于星期三计算机硬件系统的组成现在是6页\一共有71页\编辑于星期三CPUCPU又叫中央处理器，是计算机核心部件主要由运算器和控制器组成中央处理器控制器运算器控制整个计算机所有部件的工作执行算术运算和逻辑运算现在是7页\一共有71页\编辑于星期三存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合可读写其中的数据通常分为内存储器和外存储器每个记忆单元由8位二进制位组成位,字节,字,字长存储器字节BYTE76543210位Bit现在是8页\一共有71页\编辑于星期三位、字节、字位(Bit)：是计算机中最小的数据单位字节(Byte)：1个字节由8个二进制位组成，是计算机中用来表示存储空间大小的最基本的容量单位存储空间容量的单位除用字节(简记为B)表示外，还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)及十亿字节(GB)等表示

1KB＝210Ｂ＝1024Ｂ1MB＝210KB＝1024KB＝220Ｂ1GB＝210MB＝1024MB＝230B1TB＝1024GB＝240Ｂ字(Word)：字由若干字节构成(一般为字节的整数倍)，如16位、32位、64位等。现在是9页\一共有71页\编辑于星期三内存储器的访问过程111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:写数据1000000010000000存储器的访问过程：向[0001]单元写数据现在是10页\一共有71页\编辑于星期三内存（主存）随机存储器（RAM）：可读出或写入数据，掉电后数据无法保存内存中存放的是正在执行的程序和正在使用的数据程序运行时，若从内存中取出的是数据，则送运算器计算，若取出的是指令，则送控制器翻译，并执行该指令内存与外存现在是11页\一共有71页\编辑于星期三外存:存放的是大量的没有使用的程序和数据内存与硬盘的区别内存中存放的是当前正在运行的程序和数据硬盘中存放的是大量的没有使用的程序和数据硬盘容量大，速度慢、可长期保存数据、价格低内存容量小，速度快、数据易失、价格高与CPU直接打交道的是内存内存与外存现在是12页\一共有71页\编辑于星期三外部设备输入设备把数据和程序转换成计算机中用以表示二进制的电信号，输入到计算机的内存中键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等输出设备把运算处理结果按照人们所要求的形式输出显示器、打印机、绘图仪等现在是13页\一共有71页\编辑于星期三IEEE（InstituteofelectricalandelectronicEngineers美国电气及电子工程师协会组织）在1983年明确给软件下了一个定义：软件是计算机程序、方法、规则、相关的文档以及在计算机上运行时所必须的数据。通常把软件系统分为系统软件和应用软件。2.1.2计算机软件系统

现在是14页\一共有71页\编辑于星期三系统软件管理、控制和维护计算机软、硬件系统的软件为计算机系统与用户之间提供良好界面支持应用软件的开发和运行主要包括：操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、各类服务程序系统软件现在是15页\一共有71页\编辑于星期三系统软件的分类操作系统统管计算机的所有资源，如处理器、存储器、输入/输出设备等硬件设施管理其他系统软件和应用软件确保整个计算机系统有效地运转，并为用户提供良好的使用环境DOS、WINDOWS、UNIX现在是16页\一共有71页\编辑于星期三系统软件的分类语言处理系统第一代语言：机器语言这种由0和1组成的指令，称为“机器指令”机器语言编的特点：难学、难记、难写，依赖于机器，可移植性差，易出错现在是17页\一共有71页\编辑于星期三第二代语言：汇编语言用符号代替二进制，与机器语言一一对应，较直观，不易出错，不能通用汇编语言程序汇编程序系统软件机器语言目标程序结果汇编执行现在是18页\一共有71页\编辑于星期三第三代语言:高级语言不依赖于具体的计算机、只关心程序的实现方法必须将源程序翻译成机器语言程序才能执行在一台计算机上能运行某种高级语言程序的条件：此计算机上必须配有该语言的编译系统特点：简单、直观、不易出错，不依赖机器，可移植性强算法语言源程序编译程序系统软件机器语言目标程序结果编译执行现在是19页\一共有71页\编辑于星期三第四代语言:4GL自然语言编程使用自然语言编程易学、开发速度快，易维护，易调现在是20页\一共有71页\编辑于星期三服务程序通常包括监控管理程序，调试程序，故障检查和诊断程序、连接编译程序等

数据库管理程序（DBMS）用于管理数据库中数据的软件对数据库运行描述，管理，查询，操作及维护系统软件的分类现在是21页\一共有71页\编辑于星期三应用软件是针对某个应用领域中的具体问题而编制的程序，具有很强的实用性和专业性，应用领域广泛，大体可分为以下几类：病毒防治软件：SCAN、KILL、KV系列文字处理软件WPS、Word图像处理软件：PowerPoint、Photoshop、3DS通讯软件：E-mail、ExpressOutlook、IE应用软件现在是22页\一共有71页\编辑于星期三应用程序用层次的观点看到的计算机软件开发工具…用户操作系统硬件现在是23页\一共有71页\编辑于星期三计算机内部，所有信息都必须转换成二进制的形式，才能提供给计算机进行处理。计算机使用二进制的原因：可行性：二进制只有０和1两种状态，这在技术（物理）上很容易实现

简易性：二进制运算非常简单逻辑性：与逻辑命题两个值“真”与“假”相对应，为计算机现实逻辑判断提供了方便可靠性：二进制传输和处理时抗干扰能力强，不容易出错2.3信息在计算机内的表示

现在是24页\一共有71页\编辑于星期三2.3.1数制的概念

进位计数制:就是按进位的方法进行计数，它包括三要素：数位、基数、位权。常用进位计数制：16进制、10进制、8进制、2进制

现在是25页\一共有71页\编辑于星期三数位数位是指数码在数中的位置例如十进制数：1234.561234.56千百十个十百位位位位分分位位3210-1-2现在是26页\一共有71页\编辑于星期三基数某种计数制中，每个数位上所能使用的数码的个数，称为这种计数制的基数。 1、十进制的基数基数为10，数码为0，1，2，…，9十个

2、二进制的基数基数为2，数码为0，1两个

3、十六进制的基数基数为16，数码为0—9，A，…，F十六个4、八进制的基数基数为8，数码为0，1，…，7八个进制表示符号B：二进制O：八进制D：十进制H：十六进制现在是27页\一共有71页\编辑于星期三位权位权是指在进位计数制中，为了确定一个数位的实际数值必须乘上的因子。十进制数123.45中的位权

123.4510210110010-110-2十六进制数12A.BC中的位权

12A.BC16216116016-116-2二进制数101.01中的位权

101.012221202-12-22的各幂次方23=824=1625=3226=6428=25629=512210=1024现在是28页\一共有71页\编辑于星期三16进制十六进制中，数值用0，1，…，9，A，…，F表示，基数为16，是逢十六进一的计数制，各数位的权是以16为底的幂。【例1】十六进制数56EA可以表示为：

(56EA)16=5×163+6×162+14×161+10×160=(22250)10【例2】十六进制数26.25可以表示为：

(26.25)16=2×161+6×160+2×16-1+5×16-2=(38.144531)10现在是29页\一共有71页\编辑于星期三2进制二进制计数制中，数值用0，1表示，基数为2，是逢2进一的计数制，各数位的权是以2为底的幂。【例1】二进制数1101可以表示为：

(1101)2=1×23+1×22+0×21+1×20=(13)10现在是30页\一共有71页\编辑于星期三按权展开式对于任意一个n位整数和m位小数的r进制数k=(an-1…a1a0.a-1a-2…a-m)r，均可按权展开为：二进制与十进制之间的特殊转换值：2n=100…0B2n-1=11…1Bn个n个现在是31页\一共有71页\编辑于星期三2.3.2不同进位制间的转换

r进制转化成十进制——方法是直接按权展开：例：10101(B)=1*24+1*22+1*20=21101.11(B)=1*22+1*20+1*2-1+1*2-2=5.75101(O)=1*82+1*80=6571(O)=781+1*80=5101A(H)=1*163+1*161+10*160=4106现在是32页\一共有71页\编辑于星期三十进制转化成r进制整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从下到上排列。小数部分：乘以r取整数，整数从上到下排列。例：13.8125(D)=1101.1101(B)现在是33页\一共有71页\编辑于星期三十进制转化成r进制100(D)=144(O)八进制100812818044110016604616十六进制100(D)=64(H)现在是34页\一共有71页\编辑于星期三不同进制间的转换

105(D)=0.3125(D)=0.3128(D)=105.3125(D)=1101001(B)0.0101(B)1101001.0101(B)0.0101(B)现在是35页\一共有71页\编辑于星期三二进制、八进制、十六进制数间的相互转换

64(H)=0110

0100(B)

64144(O)=001

100

100(B)144001

101

101

110.110

101(B)=1556.65(O)1556650011

0110

1110.1101

0100(B)=36E.D4(H)36ED4一位八进制数对应三位二进制数一位十六进制数对应四位二进制数二进制转化成八(十六)进制)整数部分：从右向左按三(四)位进行分组小数部分：从左向右按三(四)位进行分组不足补零（特别注意！！）现在是36页\一共有71页\编辑于星期三二进制、八进制、十六进制数间的关系

八进制对应二进制十六进制对应二进制十六进制对应二进制0000000008100010011000191001201020010A1010301130011B1011410040100C1100510150101D1101611060110E1110711170111F1111现在是37页\一共有71页\编辑于星期三345(O)=124(H)=ABC(H)=1101001010(B)=1101001010(B)=11100101(B)1512(O)100100100(B)34A(H)不同进制间的转换

现在是38页\一共有71页\编辑于星期三2.3.3数在计算机中的表示

现在是39页\一共有71页\编辑于星期三用带“+”和“–”号表示的数称为真值，数值有大小及符号数在计算机中的表示称为机器数（二进制数）机器数的符号数值化把数的二进制代码的最高位定义为符号位“0”表示正数，“1”表示负数小数计算机中通常只表示整数和纯小数小数点约定在一个固定的位置上，不占用一个数位数值N1=+1001011N2=-1001101N1=01001011N2=11001101现在是40页\一共有71页\编辑于星期三数值机器数的表示范围受字长和数据类型的限制若表示一个整数，字长为8位，最大值为127，若数值超过127，就要“溢出”（因为最高位为符号位，所以8位二进制整数最大为：

X1111111=127）为表示较大的或较小的数，计算机采用浮点数来表示现在是41页\一共有71页\编辑于星期三符号位“0”表示正、“1”表示负

定点整数纯整数

符号数的机器数表示

10101100S小数点无符号位S小数点

定点小数纯小数

现在是42页\一共有71页\编辑于星期三浮点数表示阶码数符阶符尾数1100110011N=数符尾数2阶符阶码例：110.011(B)=+0.110011×2+11尾数的位数决定数的精度阶码的位数决定数的范围

规格化的形式：尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。

定点整数（11）定点小数110.011(B)=1.10011×2+10=11001.1×2-10=0.110011×2+11现在是43页\一共有71页\编辑于星期三浮点数表示00001100110010000011011000000000阶码:7位数符尾数：23位阶符求-2310.75的32位浮点表示121100现在是44页\一共有71页\编辑于星期三机器数由数符和真值数两部分组成，数符不能参加运算，否则出错。如+7加上-5正确结果为+2，若直接用二进制数的加法运算，结果却为-12：00000111（+7机器数）+10000101（-5机器数）10001100（-12机器数）如果不直接相加，而要考虑符号位的处理，则运算会变得复杂。为了解决这类问题，在机器数中，引进原码、反码、补码的概念。带符号数的表示现在是45页\一共有71页\编辑于星期三79-38=4179+62=141如果在一个两位十进制加法器中，运算结果为：79+62=(1)41因此：79-38=（79+62）MOD100这里，62是-38的补码（mod100），100+(-38)=62利用补码的概念，减法运算变成了加法运算（计算机只有加法器，没有减法器）。原码、反码、补码的概念现在是46页\一共有71页\编辑于星期三原码、反码、补码的概念X补=X原(X>=0)X补=模+X(真值)(X<0)设机器字长为8位（则8位二进制树的模为100000000B），X=-1011011B，则有：X补=100000000B+（-1011011B）=10100101B现在是47页\一共有71页\编辑于星期三(3)补码（重点）0X1|X|0<=XX<=0+7：00000111+0：00000000

-7：10000111-0：10000000[X]原=+7：00000111+0：00000000

0X1|X|0<=XX<=00X1|X|+10<=XX<=0+7：00000111+0：00000000

-7：11111000-0：11111111

-7：11111001-0：00000000

(2)反码[X]反=[X]补=原码、反码、补码的概念假定一个数在机器中占用8位。(1)原码现在是48页\一共有71页\编辑于星期三+127-12701111111原11111111原求下列数的8位机器数

例：求-117的补码（用一字节表示）先求117的真值：-1110101-117的原码：11110101-117的反码：10001010-117的补码：反码+1=10001011现在是49页\一共有71页\编辑于星期三除数值数据外，计算机还要处理的就是字符，包括英文字符以及各种标点符号，运算符等，这些字符都要转换成二进制编码后才能在计算机内部进行处理。目前国际上通用的西文字符编码是ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange——美国国家信息交换代码）字符在计算机中的表示

现在是50页\一共有71页\编辑于星期三ACSII码——连续编码规则ACSII码总共有128个常用字符，用7位二进制编码，其中，32个控制字符；10个十进制数；26+26个英文大小写字母；34个专用符（见P40）例如：“a”字符的编码为1100001，十进制数是97换行0AH10回车0DH13空格 20H 32‘0’～‘9’30H～39H 48～57‘A’～‘Z’41H～5AH 65～90‘a’～‘z’61H～7AH 97～122西文字符

现在是51页\一共有71页\编辑于星期三汉字是一种象形文字，在计算机内部处理、存储很困难，因此必须进行代码化。汉字信息处理系统在处理汉字时，要进行一系列汉字代码的转换：汉字代码体系

现在是52页\一共有71页\编辑于星期三汉字编码

汉字输入码音码类：全拼、双拼、微软拼音、智能ABC等形码类：五笔字型法、郑码输入法等

汉字国标码(GB2312－80)每个汉字占两个字节一级汉字：3755个；二级汉字：3008个所有的国标汉字与符号组成一个94×94的矩阵，每一行称一个“区”，每一列称一个“位”，每个区94个汉字现在是53页\一共有71页\编辑于星期三汉字编码机内码机内码是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，一个汉字的机内码占两个字节，分别称为高位字节和低位字节。为区分ASCII码，规定汉字编码的两个字节最高位为1。汉字国标码汉字内码中(010101100