第2章+计算机硬件基础

大学计算机基础第3版姓名：胡睿时间：2015年度第二章计算机硬件基础目录

2.1理解0和12.2计算机中的数制及其运算2.3数据的存储与表示2.4数据压缩123452.5计算机硬件组成2.1.1《易经》中的0和12.1.2电路中的0和12.1理解0和12.1.3计算机中的0和12.1.1《易经》中的0和1易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。01阴阳语义符号化表达

语义符号化：是指将现实世界的语义用符号表达，进而进行基于符号的计算的一种思维，将符号赋予不同语义，则能计算不同的现实世界问题。易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。语义符号化表达表达成了符号，也就能够进行计算易经通过阴/阳的演变(即0/1的运算)体现了变化中的规律(即蕴含的语义关系及转换关系)例如：二十四节气的演变规律例如：生命规律的演变规律冬至一阳生夏至一阴生2.1.2电路中的0和1串联电路中的逻辑“与”关系逻辑“与”运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）0（熄灭）0（断开）1（闭合）0（熄灭）1（闭合）0（断开）0（熄灭）1（闭合）1（闭合）1（发亮）2.1.2电路中的0和1并联电路中的逻辑“或”关系逻辑或运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）0（熄灭）0（断开）1（闭合）1（发亮）1（闭合）0（断开）1（发亮）1（闭合）1（闭合）1（发亮）2.1.3计算机中的0和1计算机为什么采用二进制？可编码任意信息算术运算规则简单

适合逻辑运算

实现技术(电子元器件)简单

2.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术运算2.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术运算2.2.1数制的概念（1）基数是一个计数制系统允许使用的基本数字符号（数符）的个数。例如十进制的数符分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，所以十进制的基数为10。依次类推，二进制、八进制、十六进制的基数分别是2、8、16。（2）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。（3）进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值型信息的表示方法。2.2.1数制的概念2.2.2计算机中常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术运算2.2.2常用数制二进制：1)二进制只有两个数码：0和1;2)二进制运算法则：逢二进1，借1当二

如：0+0=0;0+1=1；1+0=1;1+1=10;0-0=0；1-1=0；1-0=1；2.2.2常用数制二进制不方便之处：与十进制相比，一个数值的数码位数长，识认比较困难。例如：1024的二进制表示：10000000000另外，二进制与十进制转换也不是很方便，因此引出八进制、十六进制等2.2.2常用数制八进制：1)八进制有八个数码：0-7;2)八进制运算法则：逢八进1，借1当八

如：7+1=10；2+5=7；11-5=4；十六进制：1)十六进制有十六个数码：0-9,A，B，C，D，E，F

2)十六进制运算法则：逢十六进1，借1当十六

如：9+1=A；6+8=E；D-9=4；2.2.2常用数制任意进制----r进制

r进制的一位数表示有r个数码：0,1,…r-1r进制数位i的权值：rir进制表示数值：逢r进1，借1当r；高数位的1相当于低数位的r。

r称为计数制的基值，即“r进制”2.2.2常用数制方法一：后缀脚标数字表计数制

(dn-1dn-2……d2d1d0.d-1d-2……d-m)r其中，r为计数制的数字或汉字形式例如(365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)8,(596.12)16方法二：利用后缀表示各种进位计数制后缀B(binary):二进制数；后缀O(octal):八进制数；后缀H(hex):十六进制数,后缀D(decimal):十进制数。例如365.2D,11011.01B,3460.32O,596.12H各种进位计数制的表示方法2.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术运算2.2.3各种数制的转换二、八、十、十六进制数之间的相互转换十六进制八进制二进制十进制2.2.3各种数制的转换二、八、十六进制数转换为十进制方法：按权展开，相加求和。先写成该进制数的按权展开式，然后按照十进制数的规则计算展开式的各项值，最后计算各项的和，即可得到对应的十进制数。2.2.3各种数制的转换例１：将二进制数110.11转换成十进制数(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2

=4+2+0+1/2+1/4

=(6.75)10二进制转十进制练习：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)102.2.3各种数制的转换例2：将八进制数136.4转换成十进制数(136.4)8=1×82+3×81+6×80

+4×8-1=64+24+6+4/8=(94.5)10

八进制转十进制练习：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)102.2.3各种数制的转换例３：将十六进制数35.A转换成十进制数

(35.A)16=3×161+5×160+10×16-1=48+5+10/16=(53.625)10十六进制转十进制练习：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)162.2.3各种数制的转换“除R取余”2.2.3各种数制的转换(139)10=()210001011(269)10=()8415(396)10=()1618C2.2.3各种数制的转换“乘R取整”2.2.3各种数制的转换例1：(0.625)10=(0.101)2210

200.5

0.625210.25

0.81×2=1.62

10.62×2=1.24

10.24×2=0.48

00.48×2=0.96

00.96×2=1.92

1例2：(0.81)10≈(0.11001)2练习：（35.875）10=（）2100011.111*十进制转化为其他进制小数部分不一定精确2.2.3各种数制的转换2.2.3各种数制的转换

目标进制源进制十进制二进制八进制十六进制十进制

整数部分，除基数倒取余数；小数部分，乘基数取整数二进制按权展开

三位并一位四位并一位八进制一位拆三位

以二进制为桥梁十六进制一位拆四位以二进制为桥梁

2.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术运算2.2.4二进制数的算术运算运算规则简单：逢二进一；借一当二。例1:10111B+10011B=?10111+)10011010101101010B例2:10111B－10011B=?10111-)100110010000100B2.2.4二进制数的逻辑运算“与”运算(AND):当X和Y都为真时,XANDY也为真;否则均为假。“或”运算(OR):当X和Y都为假时,XORY也为假;否则均为真。“非”运算(NOT):当X为真时,NOTX为假;当X为假时,NOTX为真。“异或”运算(XOR):当X和Y都为真或都为假时,XXORY为假;否则为真。“与”运算：两把钥匙都有才能开门“或”运算：只要有任何一把钥匙便能开门2.3数据的存储与表示2.3.2原码、反码和补码2.3.3整数的存储2.3.4实数的存储2.3数据的存储与表示2.3.5字符编码2.3.6汉字编码2.3.7多媒体数据的表示2.3数据的存储与表示2.3.2

原码、反码和补码2.3.2原码、反码和补码原码正数的原码是真值的符号位取0；负数的原码是真值的符号位取12.3.2原码、反码和补码反码正数的反码与其原码相同；负数的反码是把除符号位外的各位按位取反2.3.2原码、反码和补码正数的补码与原码相同负数的补码为该数的反码加1补码补码是数据在计算机中参与计算的编码形式补码的补码即是原码2.3.2原码、反码和补码存储编码转换中间码运算编码原码反码补码0111011010100101011101101101101001110110110110112.3数据的存储与表示2.3.3

整数的存储2.3.3整数的存储整数是没有小数部分的整型数字，可以当作小数点位置是固定的数字。存储整数一般采用定点表示法，小数点是假设的并不实际存储。例如机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，故十进制数+32767的定点数表示如下所示：2.3.3整数的存储无符号整数：不考虑符号的一连串二进制数字序列，比如一个任务的执行次数、内存单元的存储地址等，都可以用无符号整数表示。有符号整数：负数可以用有符号整数来表示。有符号整数主要有两种方法，一种是前面所讲的二进制补码记数法，另外一种方法是余码记数法。2.3数据的存储与表示2.3.4

实数的存储2.3.4实数的存储实数是带有整数部分和小数部分的数字，小数部分的存储要指明其小数点的位置。小数点在计算机中通常有两种表示方式，即定点数和浮点数。2.3.4实数的存储浮点数的表示定点数的表示2.3数据的存储与表示2.3.5

字符编码2.3.5字符编码ASCII码(美国标准信息交换码)(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)b7b6b5b4b3b2b1b0ASCII编码位Computer01000011011011110110110101110000011101010111010001100101011100102.3数据的存储与表示2.3.6

汉字编码2.3.6汉字编码汉字编码是指将汉字转换成二进制代码的过程汉字处理过程:通过汉字外码输入,以汉字内码存储,以汉字字形码输出计算机内部由外到内由内到外2.3.5字符编码字型码机内码国标码输入码2.3.6汉字编码大国标码汉字输入码汉字“大”如何输入、存储和显示的？输入“大”拼音输入：“da”字形输入：“dddd”输入计算机后，一个汉字对应唯一的编码2.3.6汉字编码机内码汉字交换码是为了在不同汉字系统之间准确无误的交换汉字信息而制定的统一编码汉字字形码在计算机中显示“大”对汉字的形状进行的编码:点阵表示法和矢量表示法。2.3数据的存储与表示2.3.7

多媒体数据的表示2.3.7多媒体数据的表示图像按编码方式可分为：位图图像：由静态的像素点组成，直接按像素点位置画出，例如BMP,JPG,GIF…矢量图像：由若干特定点的位置和相关数学公式计算动态画出，例如wmf,emf,dwg2.3.7多媒体数据的表示位图图像编码：由于位图图像的存储量大(水平像素数目×垂直像素数目×每像素位数)，通常都需要进行压缩存储，不同的压缩采用了不同的图像编码。水平像素点数垂直像素点数像素点的位数单色图像黑白(1位)灰度图像

黑白之间灰度(8位)彩色图像

16色(4位)256色(8位)24位真彩色32位真彩色2.3.7多媒体数据的表示声音2.3.7多媒体数据的表示视频数字化过程扫描采样量化编码模拟视频信号数字视频信号视频是连续的图像图像是离散的视频2.4数据的压缩2.4.1普通数据的压缩2.4.2图像的压缩2.4数据的压缩2.4.1

普通数据的压缩2.4.1普通数据的压缩数据压缩可分成两种类型：无损压缩和有损压缩无损数据压缩是对文件的数据存储方式进行优化，压缩后信息不受损失，对压缩后的数据进行还原，得到的数据与原始数据完全相同。有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，重构后的数据与原来的数据有所不同，但不影响人对原始资料表达的信息的理解。有损压缩适用于重构信号不一定非要和原始信号完全相同的场合。2.4数据的压缩2.4.2

图像的压缩2.4.2图像的压缩图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。2.4.2图像的压缩图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无损数据压缩无损压缩：即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像，信息没有损失。有损压缩：压缩后的数据无法完全恢复原来的图像，信息有一定损失。2.5.1计算机硬件结构2.5.2处理器2.5计算机的硬件组成2.5.3存储器2.5.4输入输出设备2.5计算机硬件2.5.1

计算机硬件结构2.5.1计算机硬件结构存储器输入设备输出设备运算器控制器冯·诺依曼体系2.5.1计算机硬件结构2.5.1计算机硬件结构主板（华硕M5G）2.5.1计算机硬件结构主板与外部设备的接口2.5.1计算机硬件结构存储器输入设备输出设备运算器控制器微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；各部件通过总线连接。总线2.5计算机硬件2.5.2

处理器2.5.2处理器CPU是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。运算器:主要是完成各种算术运算和逻辑运算。控制器:用来协调和指挥整个计算机系统的操作。2.5.2处理器400480088086Core2P4P3P2Pentium80486803862.5.2处理器2002年9月，“龙芯”1号研制成功2005年4月,64位CPU——“龙芯“2号推出2008年，龙芯3号多核处理器推出狗剩1号MZD110我国自主研发的CPU2.5.2处理器字长：64位机，一次能处理8个字节CPU主频：工作频率或时钟频率