計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息表示

大學計算機基礎(chǔ)計算中心2013年9月計算機硬件系統(tǒng)2第2章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息表示計算機軟件系統(tǒng)3微型計算機的組成4計算機的信息表示與存儲1計算機的信息表示與存儲1計算機硬件系統(tǒng)2第2章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息表示計算機軟件系統(tǒng)3微型計算機的組成4計算機的語言——二進制在馮·諾依曼型計算機中，所有的信息都是采用二進制編碼。包括：數(shù)據(jù)、指令；圖形、聲音、視頻等。二進制系統(tǒng)僅有兩個數(shù)——0和1二進制表示信息的優(yōu)點： 易于物理實現(xiàn) 二進制數(shù)運算簡單 機器可靠性高 通用性強計算機的信息表示與存儲計算機中的信息單位位（bit）度量數(shù)據(jù)的最小單位，表示1位二進制數(shù)字。b7b6b5b4b3b2b1b0K（千）字節(jié) 1KB=1024BM（兆）字節(jié) 1MB=1024KBG（吉）字節(jié) 1GB=1024MBT（太）字節(jié) 1TB=1024GB計算機的信息表示與存儲字節(jié)（Byte）信息組織和存儲的基本單位，也是計算機體系結(jié)構(gòu)的基本單位。簡寫為B。1B=8bit計算機中的信息單位K（千）字節(jié)(Kilobyte)

1KB=1024BM（兆）字節(jié)(Megabyte)

1MB=1024KBG（吉）字節(jié)(Gigabyte)

1GB=1024MBT（太）字節(jié)(Terabyte)

1TB=1024GBP（拍）字節(jié)(Petabyte)

1PB=1024TBE（艾）字節(jié)(Exabyte)

1EB=1024PBZ（Z）字節(jié)(Zettabyte)

1ZB=1024EBY（Y）字節(jié)(Yottabyte)

1YB=1024ZB計算機的信息表示與存儲字節(jié)（Byte）計算機中的信息單位字（word）在計算機中作為一個整體被存取、傳送、處理的二進制數(shù)串叫做一個字或單元。每個字中二進制位數(shù)的長度，稱為字長。一個字由若干個字節(jié)組成，不同的計算機系統(tǒng)的字長是不同的，常見的有8位、16位、32位、64位等，字長越長，計算機一次處理的信息位就越多，精度就越高，字長是計算機性能的一個重要指標。計算機的信息表示與存儲進位計數(shù)制的概念思考十進制數(shù)的特點：一個十進制數(shù)的每一位可以出現(xiàn)哪些符號？兩個十進制數(shù)進行加法運算的時候如何進位，那減法運算呢？R進制：采用R個基本符號；遵循“逢R進一，退一當R”?；鶖?shù)：一種計數(shù)制允許選用基本數(shù)字符號的個數(shù)。如：十進制基數(shù)為10。計算機的信息表示與存儲十進制 基數(shù)10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二進制 基數(shù)2，可使用0,1八進制 基數(shù)8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六進制 計算機科學中常用的數(shù)制計算機的信息表示與存儲思考：計算機能不能直接讀懂十、八、十六進制數(shù)？

基數(shù)16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F數(shù)制的書寫規(guī)則采用括號外面加下標。如：(1011)2：表示二進制數(shù)1011。(9981)10：表示十進制數(shù)9981。采用字母后綴：B：表示二進制數(shù)，如：101B。O：表示八進制數(shù)，如：101O。D：表示十進制數(shù)，可省略，如：101D或101。H：表示十六進制數(shù)，如：101H。計算機的信息表示與存儲各數(shù)制中數(shù)的對照表思考：十進制數(shù)15，是個兩位數(shù)。那么將它表示成二、八、十六進制，值為多少，分別是幾位數(shù)？計算機的信息表示與存儲進制的加減運算——逢R進1，借1當R二進制 運算法則：“逢2進1，借1當2”。例如：計算機的信息表示與存儲進制的加減運算——逢R進1，借1當R八進制 “逢8進1，借1當8”。十六進制 “逢16進1，借1當16”計算機的信息表示與存儲不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換思考：(10010101)2=(？)10=(？)8=(？)16計算機的信息表示與存儲二進制八進制十進制十六進制位權(quán)數(shù)制中每一固定位置對應的單位值稱為“權(quán)”。=1×102+5×101+3×100+2×10-1+9×10-2153.29b2b1b0．

b-1b-210:基數(shù)；10-1是b-1位的位權(quán)R進制按權(quán)展開式的一般形式為：N=dn-1bn-1+dn-2bn-2+…+d1b1+d0b0+d-1b-1+…+d-mb-m十進制數(shù)153.29的按權(quán)展開式，如下：式中：n——

整數(shù)部分的總位數(shù)；m——

小數(shù)部分的總位數(shù)；d下標

——

該位的數(shù)碼；b——

基數(shù)。b上標

——

位權(quán)。“二”、“八”、“十六”轉(zhuǎn)“十”進制方法：按權(quán)展開，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寫出按權(quán)展開式按十進制規(guī)則計算求和2:進制的基數(shù)；23=8是b3位的權(quán)值計算機的信息表示與存儲例1：將(101.1)2轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

(101.1)2＝1×22+0×21+1×20+1×2-1

＝4+0+1+1/2＝(5.5)10例2：將(113.6)8轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

(113.6)8＝1×82+1×81+3×80+6×8-1

＝64+8+3+6/8＝(75.75)10例3：將(2B.C)16轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)。

(2B.C)16＝2×161+11×160+12×16-1

＝32+11+12/16＝(43.75)10“二”、“八”、“十六”轉(zhuǎn)“十”進制計算機的信息表示與存儲“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制方法：整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換，兩部分再求和。整數(shù)部分：除以基數(shù)，取余數(shù)；當商為零時，余數(shù)倒排序。小數(shù)部分：乘以基數(shù)，取整數(shù)；當小數(shù)部分為零時，整數(shù)順排序。計算機的信息表示與存儲“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制例1：將(48.375)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。解：整數(shù)部分、小數(shù)部分分別進行。整數(shù)部分轉(zhuǎn)換過程如下：整數(shù)部分結(jié)果：(48)10=(110000)2

計算機的信息表示與存儲2482242122623210b0=0b1=0b2=0b3=0b4=1b5=1先計算出的數(shù)靠近小數(shù)點。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換過程如下：0.375×2=0.75 b-1=00.75×2=1.5 b-2=10.5×2=1.0 b-3=1小數(shù)部分結(jié)果：(0.375)10=(0.011)2“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制計算機的信息表示與存儲整數(shù)部分結(jié)果： (48)10=(110000)2小數(shù)部分結(jié)果： (0.375)10=(0.011)2整數(shù)部分+小數(shù)部分：

(48.375)10=(110000.011)2“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制例2：將(47.39)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。解：整數(shù)部分、小數(shù)部分分別進行。整數(shù)部分轉(zhuǎn)換過程如下：整數(shù)部分結(jié)果：(47)10=(101111)2

計算機的信息表示與存儲小數(shù)部分轉(zhuǎn)換過程如下：0.39×2=0.78b-1=00.78×2=1.56b-2=10.56×2=1.12b-3=1小數(shù)部分結(jié)果：(0.39)10≈(0.011)2小數(shù)部分轉(zhuǎn)換時，乘2的過程一直繼續(xù)下去，直到達到小數(shù)部分為零或者達到所需要的位數(shù)（例如本例中取了3位）。“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制計算機的信息表示與存儲小數(shù)部分不一定精確整數(shù)部分結(jié)果：

(47)10=(101111)2

小數(shù)部分結(jié)果：

(0.39)10≈(0.011)2整數(shù)部分+小數(shù)部分：

(47.39)10

=(101111.011)2“十”轉(zhuǎn)“二”、“八”、“十六”進制計算機的信息表示與存儲“二”轉(zhuǎn)“八”進制方法：“三位合一”。先分組：以小數(shù)點為界，整數(shù)部分從右向左，每三位為一組，最后不足三位時，用零從左邊補齊三位；小數(shù)部分從左向右，每三位為一組，最后不足三位時，用零從右邊補齊三位。再轉(zhuǎn)換：每一組二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成相應的一位八進制數(shù)。計算機的信息表示與存儲“二”轉(zhuǎn)“八”進制例：將二進制數(shù)(1110111.11)2轉(zhuǎn)化成八進制數(shù)。二進制和八進制對照表計算機的信息表示與存儲101421“八”轉(zhuǎn)“二”進制方法：“一位分三”。將八進制數(shù)的每一位數(shù)碼轉(zhuǎn)換成三位二進制數(shù)即可。例：將八進制數(shù)(34.57)8轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)。計算機的信息表示與存儲101421“二”轉(zhuǎn)“十六”進制方法：“四位合一”。先分組：以小數(shù)點為界，整數(shù)部分從右向左，每四位為一組，最后不足四位時，用零從左邊補齊四位；小數(shù)部分從左向右，每四位為一組，最后不足四位時，用零從右邊補齊四位。再轉(zhuǎn)換：每一組二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成相應的一位十六進制數(shù)。計算機的信息表示與存儲例：將(1110111.11)2轉(zhuǎn)化成十六進制數(shù)。二進制和十六進制對照表“二”轉(zhuǎn)“十六”進制10118421計算機的信息表示與存儲“十六”轉(zhuǎn)“二”進制方法：“一位分四”。將十六進制數(shù)的每一位數(shù)碼轉(zhuǎn)換成四位二進制數(shù)即可。例：將(AB.C)16轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)。10118421計算機的信息表示與存儲邏輯運算概述以上判讀的結(jié)果只能是“真”或“假”其一。邏輯數(shù)據(jù)：只有兩個值——真、假。二進制數(shù)也只有2個數(shù)值：0、1。因此可以用1來表示真，用0來表示假。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。 ——假計算機的信息表示與存儲條件a條件b條件a非運算結(jié)果與運算結(jié)果或運算結(jié)果真真假真真真假假假真假真真假真假假真假假二進制的邏輯運算計算機的信息表示與存儲二進制的邏輯運算規(guī)則邏輯運算的符號： 與：AND，或：OR，非：NOT邏輯運算規(guī)則：與運算： 0AND0=0，0AND1=0，

1AND0=0，1AND1=1或運算： 0OR0=0，0OR1=1，

1OR0=1，1OR1=1，非運算： NOT0=1，NOT1=0計算機的信息表示與存儲二進制的邏輯運算按位進行邏輯運算。舉例計算機的信息表示與存儲數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)值有大小及符號（正數(shù)，負數(shù)）。數(shù)在計算機的表示統(tǒng)稱為機器數(shù)。計算機中數(shù)的符號怎么表示呢？——將符號數(shù)值化01正數(shù)負數(shù)數(shù)符有符號數(shù)：最高位為數(shù)符。無符號數(shù)：無數(shù)符，每位都表示數(shù)值。計算機的信息表示與存儲數(shù)的表示范圍 1個字節(jié)可表示無符號數(shù)的范圍：0—25500000000111111110000000111111111100000000+1個字節(jié)能表示256嗎？溢出：運算結(jié)果超出表示數(shù)的范圍。溢出時，機器產(chǎn)生錯誤結(jié)果。計算機的信息表示與存儲028-1思考：1個字節(jié)可表示有符號數(shù)的范圍是多少？編碼的作用計算機只“認識”兩個字——“0”和“1”。計算機在進行數(shù)字計算、處理字母符號、漢字、圖形、圖像、聲音都必須按一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成二進制。這個規(guī)則就是編碼。計算機的信息表示與存儲字符輸入時由機器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進制編碼；輸出時由機器自動轉(zhuǎn)換成對應符號。信息內(nèi)部表示與外部顯示的關(guān)系外部信息先轉(zhuǎn)換成二進制編碼后才能被計算機處理。信息表示方式的轉(zhuǎn)換由計算機的輸入輸出設備來完成。計算機的信息表示與存儲十進制數(shù)8421編碼十進制數(shù)8421編碼01234567000000010010001101000101011001118910111213141510001001000100000001000100010010000100110001010000010101十進制數(shù)的二進制編碼——BCD碼用4位二進制數(shù)碼來表示1位十進制數(shù)。8421碼是常用的一種BCD編碼。01118421計算機的信息表示與存儲西文字符的編碼——ASCII碼每一個字符有一個唯一的編碼。AmericanStandardCodeForInformationInterchange（美國標準信息交換碼）每個字符占1B，用7位，最高位不用，一般為0。ASCII碼中，常用字符128個，編碼從0到127，包含控制字符和普通字符。計算機的信息表示與存儲字符ASCII碼值空格32048A65a97ASCII碼表計算機的信息表示與存儲漢字的編碼計算機處理漢字信息的前提條件是對每個漢字進行編碼，稱漢字編碼。歸納起來可分為以下四類：漢字輸入碼、漢字交換碼、漢字內(nèi)碼和漢字字形碼。通過漢字輸入碼將漢字信息輸入到計算機內(nèi)部，再用漢字交換碼和漢字內(nèi)碼對漢字信息進行加工、轉(zhuǎn)換、處理，最后使用漢字字形碼將漢字從顯示器上顯示出來或用打印機打印出來。計算機的信息表示與存儲漢字的編碼輸入設備輸入管理模塊輸入字典輸入碼機內(nèi)碼內(nèi)部處理漢字字庫內(nèi)存通信機內(nèi)碼國標碼地址碼字形碼字形碼漢字漢字輸出設備國標碼漢字輸入碼是為從計算機外部輸入漢字而編制的漢字編碼，也稱漢字外部碼，簡稱外碼。編碼方法有百種之多，可歸并為下列幾種：順序碼，如區(qū)位碼；音碼，如微軟拼音和智能ABC輸入法；形碼，如五筆字型；音形碼。為提高輸入速度，輸入方法逐步智能化是目前的發(fā)展趨勢。例如，基于模式識別的語音識別輸入、手寫板輸入或掃描輸入等。計算機的信息表示與存儲漢字交換碼和漢字內(nèi)碼——占2B漢字交換碼是指在不同漢字信息系統(tǒng)之間進行漢字交換時所使用的編碼。我國1980年制定的“中華人民共和國國家標準信息交換漢字編碼”(代號GB2312－80)中規(guī)定的漢字交換碼為標準漢字編碼，簡稱GB2312－80編碼或國標碼。漢字內(nèi)碼是漢字在信息處理系統(tǒng)內(nèi)部最基本的表現(xiàn)形式，是信息處理系統(tǒng)內(nèi)部存儲、處理、傳輸漢字而使用的編碼，簡稱內(nèi)碼。計算機的信息表示與存儲漢字字形碼漢字字形碼是表示漢字字形信息的編碼，在顯示或打印時使用。點陣方式矢量方式點陣：漢字字形點陣的代碼16×16,24×24,32×32,48×48矢量：存儲的是描述漢字字形的輪廓特征。=16×16bit=256bit=32B思考:存儲右邊的這個漢字需要多少字節(jié)？計算機的信息表示與存儲計算機硬件系統(tǒng)2第2章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與信息表示計算機軟件系統(tǒng)3微型計算機的組成4計算機的信息表示與存儲1計算機系統(tǒng)的構(gòu)成硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外部設備輸入設備輸出設備計算機硬件系統(tǒng)中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器系統(tǒng)軟件應用軟件RAMROM運算器控制器指令和程序指令是能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，它規(guī)定了計算機能完成的某一種操作。是對計算機進行程序控制的最小單位。PC+1程序是為完成一項特定任務而用某種語言編寫的一組指令序列。指令系統(tǒng)是一臺計算機的所有指令的集合。計算機硬件系統(tǒng)機器指令格式操作碼操作數(shù)機器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）內(nèi)存儲器中央處理器（CPU）控制器輸入設備輸出設備數(shù)據(jù)流地址控制流運算器計算機硬件基本組成計算機硬件系統(tǒng)馮·諾依曼計算機——5大基本部件運算器：對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件?？刂破鳎弘娮佑嬎銠C的指揮部，負責協(xié)調(diào)指揮各部件的工作。存儲器：計算機記憶或暫存數(shù)據(jù)的部件。輸入設備：輸入是指利用某種設備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的編碼的過程，所使用的設備稱為輸入設備。輸出設備：用來輸出處理結(jié)果的設備。計算機硬件系統(tǒng)奠定現(xiàn)代計算機發(fā)展的重要人物和思想馮·諾依曼：美籍匈牙利數(shù)學家，提出了著名的“存儲程序”設計思想。存儲程序工作原理計算機的兩個基本能力：一是能夠存儲程序，二是能夠自動地執(zhí)行程序。計算機的發(fā)展簡史1949EDSACJohnVonNouma計算機的工作原理計算機的兩個基本能力：存儲程序自動執(zhí)行程序運算（處理）存儲（記錄）控制（協(xié)調(diào)）計算機硬件系統(tǒng)執(zhí)行步驟：第一步：輸入指令（將數(shù)據(jù)和程序輸入到存儲器中）第二步：取數(shù)指令（從存儲器取數(shù)2）第三步：取數(shù)指令（從存儲器取數(shù)3）第四步：加法指令（執(zhí)行2+3的運算）第五步：存數(shù)指令（將計算結(jié)果5送到存儲器保存）第六步：輸出指令（輸出計算結(jié)果）計算機硬件系統(tǒng)計算2+3=？停機指令停止執(zhí)行執(zhí)行指令解釋指令從存儲器取出指令YN計算機硬件系統(tǒng)指令執(zhí)行過程簡圖中央處理器（CPU）運算器的任務是對信息進行加工處理。功能：主要完成各種算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破魇怯嬎銠C的指揮控制中心。功能：讀取指令，分析指令，并作出相應的控制?？刂破靼凑沼嬎銠C的工作節(jié)拍（主頻）產(chǎn)生各種控制信號，以指揮整個計算機有條不紊地自動執(zhí)行程序。運算器控制器計算機硬件系統(tǒng)存儲器存儲器是計算機的記憶裝置。我記住了！計算機硬件系統(tǒng)訪問速度快*暫時性價高容量小外存儲器訪問速度慢永久性價低容量大內(nèi)存儲器內(nèi)部存儲器（主存）外部存儲器（輔存）內(nèi)存儲器ROM(ReadOnlyMemory)：只能讀出信息，不能寫入新的信息；存放在ROM中的信息能長期保存而不受停電的影響，關(guān)機后再開機，又可從中讀出信息。其中常存放一些不能改寫的管理機器本身的監(jiān)控程序和其他服務程序。RAM(RandomAccessMemory)：可讀可寫，關(guān)機后RAM中的信息自動消失。一般用來存儲計算機運行的程序、數(shù)據(jù)以及支持用戶程序運行的系統(tǒng)程序。注意：計算機內(nèi)存容量是指RAM的大小。計算機硬件系統(tǒng)外存儲器存儲容量大，便于計算機之間的數(shù)據(jù)交換。斷電后，數(shù)據(jù)不丟失。常見的外存儲器有：硬盤：固定在機箱內(nèi)，容量大。優(yōu)盤：USB接口，體積小，攜帶方便。光盤：方便存儲永久性數(shù)據(jù)。軟盤：基本被淘汰，容量小，1.44MB，易損壞。計算機硬件系統(tǒng)磁盤存儲器常用的幾個術(shù)語磁道：