第1章 进制转换计算机概述

计算机文化基础（第4版）内容提要信息的表示与存储计算机组成与工作原理PC机的硬件配置计算机概述存储程序原理冯·诺依曼型计算机的基本结构1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(VonNeumann)提出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含3个要点：⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。⑵将指令和数据存放在存储器中。⑶计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”，就是通常所说的“顺序存储程序”概念。我们把按照这一原理设计的计算机称为“冯·诺依曼型计算机”。计算机组成与工作原理计算机的工作原理运算（处理）存储（记录）控制（协调）程序和指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。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。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）PC+1计算机指令系统•指令的分类–操作类指令–控制转移类指令•复杂指令系统计算机CISC•精简指令系统RISC微机计算机系统硬件系统软件系统主机外设微处理器（CPU）内存储器（内存）控制器运算器随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）外存储器（外存）输入设备（Input）输出设备（Output）软盘硬盘光盘键盘鼠标扫描仪显示器、投影机打印机绘图仪系统软件应用软件操作系统语言处理程序数据库管理系统网络通信管理程序应用软件包用户程序总线系统微型计算机系统结构框图内（主）存储器运算器控制器CPU主机输入设备输出设备外（辅助）存储器图1.2.2硬件系统中五大功能部件说明：表示控制流表示数据流计算机硬件基本组成（外）存储器（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总线结构•所谓总线，是指微型计算机各部件之间传送信息的通道。•CPU内部的总线为内部总线，连接微型计算机系统各部件的总线称为外部总线。总线结构图RAMROMI/O接口I/O接口CPU数据总线控制总线地址总线总线•微型计算机的系统总线从功能上分为地址总线、数据总线和控制总线。•1．地址总线•地址总线是单向的。地址总线的位数决定了CPU的寻址能力，也决定了微型机的最大内存容量。•2．数据总线•数据总线用于传输数据。数据总线的传输方向是双向的，是CPU与存储器、CPU与I/O接口之间的双向传输。•3．控制总线•控制总线是CPU对外围芯片和I/O接口的控制以及这些接口芯片对CPU的应答、请求等信号组成的总线。程序的自动执行•存储程序工作原理：为解决某个问题，需事先编制好程序，程序输入到计算机中，存储在内存储器中，在运行时，控制器按地址顺序取出存放在内存储器中的指令，然后分析指令，执行指令的功能。信息的表示与存储•计算机内部是一个二进制数字世界•计算机的数字系统•信息存储单位•非数值信息的表示•信息的内部表示与外部显示计算机内部的二进制数字世界•二进制编码系统的优点–易于物理实现–二进制数运算简单–机器可靠性高–通用性强1．数制定义用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数目的方法称为数制。数制有进位计数制与非进位计数制之分，目前一般使用进位计数制。计算机中常使用二进制、十进制、八进制、十六进制等。计算机的数制系统2．十进制数十进制数的数码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个，进数规则为逢十进一，借一当十。3．二进制数二进制数的数码为0、1共2个，进数规则为逢二进一，借一当二。4．八进制数八进制数的数码为0、1、2、3、4、5、6、7共8个，进数规则为逢八进一，借一当八。十六进制数的数码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共16个，其中数码A、B、C、D、E、F分别代表十进制数中的10、11、12、13、14、15，进数规则为逢十六进一，借一当十六。5．十六进制数1．十进制数、二进制数、八进制数和十六进制数的对应关系如表所示。数制换算十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F711177161000020108100010817100012111将一个十进制数转换为二进制、八进制、十六进制数时，其整数部分和小数部分分别用“除R取余法”和“乘R取整法”转换，然后将结果加小数点三部分合在一起（R为某进制的基数）。转换规则如下：整数部分：用除R取余法转换。将十进制的整数部分除以R，得到一个商数和余数；再将这个商数除以R，又得到一个商数和余数；反复执行这个过程，直到商为0为止。将每次所得的余数从后往前读（先得的余数为低位，后得的余数为高位）即为等值的二进制数。2．十进制数换算成二进制、八进制、十六进制数•小数部分：用乘R取整法转换。将小数部分乘以R，记下乘积的整数部分，再用余下的纯小数部分乘以R，记下乘积的整数部分；不断重复此过程，直至乘积小数部分为0或已满足要求的精度为止。将所得各乘积的整数部分顺序排列（先得的整数为高位，后得的整数为低位）即可。2．十进制数换算成二进制、八进制、十六进制数例：将（35.6875）10转换为二进制数。①用除2取余法将整数部分(35)10转换为二进制整数：235…………余数为1低位217…………余数为128…………余数为024…………余数为022…………余数为021…………余数为1高位0故：(35)10=(100011)2验证：1×25+0×24+0×23+0×22+1×21+1×20=32+2+1=35②用乘2取整法将小数部分(0.6875)10转换为二进制形式：0.6875×21.3750……整数部分为1高位0.3750×20.7500……整数部分为00.7500×21.5000……整数部分为10.5000×21.0000……整数部分为1低位即：(0.6875)10=(0.1011)2③整数部分与小数部分合并，可得：(35.6875)10=(100011.1011)2注意：在上例中，将十进制小数转换成为二进制小数的过程中，乘积小数部分变成“0”，表明转换结束。实际上将十进制小数转换成二进制、八进制、十六进制小数过程中小数部分可能始终不为零，因此只能限定取若干位为止。将十进制数转换为八进制、十六进制数的规则和方法与之相同，只是R（基数）的取值不同。3.二进制数与八进制、十六进制数间的转换因为23=8，24=16，所以，一位十六进制数可由四位二进制数来表示一位八进制数可由三位二进制数来表示。作反向转换：三位二进制数可用一位八进制数表示四位二进制数可用一位十六进制数来表示二进制数转换为八进制、十六进制数转换原则：以小数点为中心，分别向前、后每三（或四）位一组，不足三（或四）位时以“0”补足，并将每组二进制数转换为相应的八（或十六）进制数即可。例：将二进制数11010111100.11011转换为八进制数和十六进制数。(11010111100.11011)2=(011010111100.110110)2=(3274.66)8(11010111100.11011)2=(011010111100.11011000)2=(6BC.D8)16八进制、十六进制数转换为二进制数转换原则：将每位八进制（或十六进制）数码用相应的三位（或四位）二进制数来代替，再去掉整数首部的零和小数尾部的零即可。例：将八进制数214.74和十六进制数1C2.A4转换为二进制数。(214.74)8=(010001100.111100)2=(10001100.1111)2(1C2.A4)16=(000111000010.10100100)2=(111000010.101001)2非数值信息的表示--数据编码规定用什么样的二进制码来表示字母、数字以及专门符号。有两种字符编码方式：ASCII码和BCD码。1．BCD码（EBCDIC）BCD码：二～十进制编码采用若干位二进制数码表示一位十进制数的编码方案。BCD码的编码方案很多，8421码是最常用的一种。2．ASCII码目前，国际上使用的字母、数字和符号的信息编码系统是采用美国标准信息交换码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），简称为ASCII码。它有7位码版本和8位码版本两种。3．中文信息编码汉字在计算机中也采用二进制的信息编码。常用：“国家标准信息交换用汉字编码”（GB2312），是一种二字节码，即用两个七位二进制数编码表示一个汉字：“巧”39H41H01110011000001第一字节第二字节信息的内部表示与外部显示信息转换输入输出信息转换二进制数据PC机的硬件配置•CPU•存储器系统•输入、输出设备及相关配置是计算机中最关键的部件，它由控制器、运算器、寄存器组和辅助部件组成。运算器：用来进行算术运算和逻辑运算的元件。控制器：从存储器中取出指令、分析指令、确定指令类型并对指令进行译码，负责向其他各部件发出控制信号。寄存器：用来存放当前运算所需的各种操作数、地址信息、中间结果等内容。1.微处理器——CPU几种类型的CPU（奔腾、奔腾Ⅱ、Cyrix686、K6-2）Intel处理器的发展•第一代微处理器：1971年Intel公司制成的4位微处理器4004、4040和早期的8位微处理器8008。•第二代微处理器：以Intel公司1973年12月研制成功的8080为标志。•第三代微处理器：1978年制造的8086和1979年研制的8088，1983年又制造了全16位的80286。•第四代微处理器：•1985年Intel公司制造出32位字长的微处理器80386；•1989年4月又研制成功80486；•1993年3月Intel公司制造出Pentium（奔腾）微处理器；•1995年11月，推出了PentiumPro，接着又推出了含有MMX（多媒体扩展指令集）功能的Pentium处理器P55C；•1999年11月推出PⅢ微处理器；•2000年11月，Intel推出更新的微处理器芯片P4，存储器是计算机的记忆部件，负责存储程序和数据。主存储器（内存）辅助存储器（外存）随机存储器RAM只读存储器ROMROM存放固定不变的程序、数据和系统软件；其中的信息只能读出不能写入；断电后信息不会丢失。RAM是一种读写存储器，其内容可以随时根据需要读出或写入；断电后信息丢失。2.内部存储器存储器内存常见的几种内存条位：是计算机中存储数据的最小单位。指二进制数中的一个位数，其值为“0”或“1”，其英文名为“bit”。字节：是计算机存储容量的基本单位，计算机存储容量的大小是用字节的多少来衡量的。其英文名为“byte”，通常用“B”表示。字节经常使用的单位还有KB（千字节）、MB（兆字节）和GB（千兆字节）等，它们与字节的关系是：关于存储的几个重要概念1B=8bit1KB=210B=1024B1MB=210×1KB=210×210B=1024KB1GB=210×1MB=210×210×210B=1024MB1TB=1024GB1PB=1024TB字：是计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，其英文名为“Word”。字长：是计算机CPU一次处理数据的实际位数，是衡量计算机性能的一个重要指标。字长越长，一次可处理的数据二进制位越多，运算能力就越强，计算精度就越高。外部存储器包括软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等几大类。3外部存储器1．软盘存储器3.5寸磁盘外形3.5寸磁盘内部结构示意图2．硬盘存储器光盘（OpticalDisk）是利用激光进行读写信息的圆盘。3．光盘存储器光盘驱动器DVD外形光盘库磁带机4．其他外部存储设备4输入设备1．键盘小数字键控制键功能键状态显示灯编辑键主键盘和打字键104键盘键名功能Shift又称上档键，利用此键来输入上档字符CapsLock大写字母锁定键，利用此键来输入大写字母空格键位于键盘最下面