第2章+計算機(jī)硬件基礎(chǔ)

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)第3版姓名：胡睿時間：2015年度第二章計算機(jī)硬件基礎(chǔ)目錄

2.1理解0和12.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.4數(shù)據(jù)壓縮123452.5計算機(jī)硬件組成2.1.1《易經(jīng)》中的0和12.1.2電路中的0和12.1理解0和12.1.3計算機(jī)中的0和12.1.1《易經(jīng)》中的0和1易經(jīng)通過陰/陽來使用0和1，起始即把0和1賦予了語義，并注意了陰陽的位置與組合關(guān)系。期望通過這些內(nèi)容反映一些規(guī)律性的內(nèi)容。01陰陽語義符號化表達(dá)

語義符號化：是指將現(xiàn)實世界的語義用符號表達(dá)，進(jìn)而進(jìn)行基于符號的計算的一種思維，將符號賦予不同語義，則能計算不同的現(xiàn)實世界問題。易經(jīng)通過陰/陽來使用0和1，起始即把0和1賦予了語義，并注意了陰陽的位置與組合關(guān)系。期望通過這些內(nèi)容反映一些規(guī)律性的內(nèi)容。語義符號化表達(dá)表達(dá)成了符號，也就能夠進(jìn)行計算易經(jīng)通過陰/陽的演變(即0/1的運(yùn)算)體現(xiàn)了變化中的規(guī)律(即蘊(yùn)含的語義關(guān)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系)例如：二十四節(jié)氣的演變規(guī)律例如：生命規(guī)律的演變規(guī)律冬至一陽生夏至一陰生2.1.2電路中的0和1串聯(lián)電路中的邏輯“與”關(guān)系邏輯“與”運(yùn)算關(guān)系表開關(guān)A開關(guān)B燈泡F0（斷開）0（斷開）0（熄滅）0（斷開）1（閉合）0（熄滅）1（閉合）0（斷開）0（熄滅）1（閉合）1（閉合）1（發(fā)亮）2.1.2電路中的0和1并聯(lián)電路中的邏輯“或”關(guān)系邏輯或運(yùn)算關(guān)系表開關(guān)A開關(guān)B燈泡F0（斷開）0（斷開）0（熄滅）0（斷開）1（閉合）1（發(fā)亮）1（閉合）0（斷開）1（發(fā)亮）1（閉合）1（閉合）1（發(fā)亮）2.1.3計算機(jī)中的0和1計算機(jī)為什么采用二進(jìn)制？可編碼任意信息算術(shù)運(yùn)算規(guī)則簡單

適合邏輯運(yùn)算

實現(xiàn)技術(shù)(電子元器件)簡單

2.2.1數(shù)制的概念2.2.2常用數(shù)制2.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.2.1數(shù)制的概念2.2.2常用數(shù)制2.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.2.1數(shù)制的概念（1）基數(shù)是一個計數(shù)制系統(tǒng)允許使用的基本數(shù)字符號（數(shù)符）的個數(shù)。例如十進(jìn)制的數(shù)符分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，所以十進(jìn)制的基數(shù)為10。依次類推，二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制的基數(shù)分別是2、8、16。（2）權(quán)是以基數(shù)為底的冪，表示處于該位的數(shù)字所代表的值的大小。在一個數(shù)字當(dāng)中，處在不同位置上的相同數(shù)字所表示的值也是不同的。一個數(shù)字在某個位置上的值等于該數(shù)字與這個位置上的因子的乘積，而該因子的值是由所在位置相對于小數(shù)點的距離來確定，這個因子就是位權(quán)。（3）進(jìn)位制：用數(shù)碼和帶有權(quán)值的數(shù)位來表示有大小關(guān)系的數(shù)值型信息的表示方法。2.2.1數(shù)制的概念2.2.2計算機(jī)中常用數(shù)制2.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.2.2常用數(shù)制二進(jìn)制：1)二進(jìn)制只有兩個數(shù)碼：0和1;2)二進(jìn)制運(yùn)算法則：逢二進(jìn)1，借1當(dāng)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常用數(shù)制二進(jìn)制不方便之處：與十進(jìn)制相比，一個數(shù)值的數(shù)碼位數(shù)長，識認(rèn)比較困難。例如：1024的二進(jìn)制表示：10000000000另外，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換也不是很方便，因此引出八進(jìn)制、十六進(jìn)制等2.2.2常用數(shù)制八進(jìn)制：1)八進(jìn)制有八個數(shù)碼：0-7;2)八進(jìn)制運(yùn)算法則：逢八進(jìn)1，借1當(dāng)八

如：7+1=10；2+5=7；11-5=4；十六進(jìn)制：1)十六進(jìn)制有十六個數(shù)碼：0-9,A，B，C，D，E，F(xiàn)

2)十六進(jìn)制運(yùn)算法則：逢十六進(jìn)1，借1當(dāng)十六

如：9+1=A；6+8=E；D-9=4；2.2.2常用數(shù)制任意進(jìn)制----r進(jìn)制

r進(jìn)制的一位數(shù)表示有r個數(shù)碼：0,1,…r-1r進(jìn)制數(shù)位i的權(quán)值：rir進(jìn)制表示數(shù)值：逢r進(jìn)1，借1當(dāng)r；高數(shù)位的1相當(dāng)于低數(shù)位的r。

r稱為計數(shù)制的基值，即“r進(jìn)制”2.2.2常用數(shù)制方法一：后綴腳標(biāo)數(shù)字表計數(shù)制

(dn-1dn-2……d2d1d0.d-1d-2……d-m)r其中，r為計數(shù)制的數(shù)字或漢字形式例如(365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)8,(596.12)16方法二：利用后綴表示各種進(jìn)位計數(shù)制后綴B(binary):二進(jìn)制數(shù)；后綴O(octal):八進(jìn)制數(shù)；后綴H(hex):十六進(jìn)制數(shù),后綴D(decimal):十進(jìn)制數(shù)。例如365.2D,11011.01B,3460.32O,596.12H各種進(jìn)位計數(shù)制的表示方法2.2.1數(shù)制的概念2.2.2常用數(shù)制2.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換二、八、十、十六進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換十六進(jìn)制八進(jìn)制二進(jìn)制十進(jìn)制2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制方法：按權(quán)展開，相加求和。先寫成該進(jìn)制數(shù)的按權(quán)展開式，然后按照十進(jìn)制數(shù)的規(guī)則計算展開式的各項值，最后計算各項的和，即可得到對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換例１：將二進(jìn)制數(shù)110.11轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)(110.11)2=1×22+1×21+0×20+1×2-1+1×2-2

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

=(6.75)10二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制練習(xí)：將(101.1)2轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。(101.1)2＝1×22+0×21+1×20+1×2-1

＝4+0+1+1/2=(5.5)102.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換例2：將八進(jìn)制數(shù)136.4轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)(136.4)8=1×82+3×81+6×80

+4×8-1=64+24+6+4/8=(94.5)10

八進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制練習(xí)：將(113.6)8轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。(113.6)8＝1×82+1×81+3×80+6×8-1

＝64+8+3+6/8=(75.75)102.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換例３：將十六進(jìn)制數(shù)35.A轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

(35.A)16=3×161+5×160+10×16-1=48+5+10/16=(53.625)10十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制練習(xí)：將(2B.C)16轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)

(2B.C)16＝2×161+11×160+12×16-1

＝32+11+12/16=(43.75)162.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換“除R取余”2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換(139)10=()210001011(269)10=()8415(396)10=()1618C2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換“乘R取整”2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換例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練習(xí)：（35.875）10=（）2100011.111*十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為其他進(jìn)制小數(shù)部分不一定精確2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換

目標(biāo)進(jìn)制源進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制十進(jìn)制

整數(shù)部分，除基數(shù)倒取余數(shù)；小數(shù)部分，乘基數(shù)取整數(shù)二進(jìn)制按權(quán)展開

三位并一位四位并一位八進(jìn)制一位拆三位

以二進(jìn)制為橋梁十六進(jìn)制一位拆四位以二進(jìn)制為橋梁

2.2.1數(shù)制的概念2.2.2常用數(shù)制2.2計算機(jī)中的數(shù)制及其運(yùn)算2.2.3各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算2.2.4二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算運(yùn)算規(guī)則簡單：逢二進(jìn)一；借一當(dāng)二。例1:10111B+10011B=?10111+)10011010101101010B例2:10111B－10011B=?10111-)100110010000100B2.2.4二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算“與”運(yùn)算(AND):當(dāng)X和Y都為真時,XANDY也為真;否則均為假。“或”運(yùn)算(OR):當(dāng)X和Y都為假時,XORY也為假;否則均為真。“非”運(yùn)算(NOT):當(dāng)X為真時,NOTX為假;當(dāng)X為假時,NOTX為真。“異或”運(yùn)算(XOR):當(dāng)X和Y都為真或都為假時,XXORY為假;否則為真。“與”運(yùn)算：兩把鑰匙都有才能開門“或”運(yùn)算：只要有任何一把鑰匙便能開門2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.2原碼、反碼和補(bǔ)碼2.3.3整數(shù)的存儲2.3.4實數(shù)的存儲2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.5字符編碼2.3.6漢字編碼2.3.7多媒體數(shù)據(jù)的表示2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.2

原碼、反碼和補(bǔ)碼2.3.2原碼、反碼和補(bǔ)碼原碼正數(shù)的原碼是真值的符號位取0；負(fù)數(shù)的原碼是真值的符號位取12.3.2原碼、反碼和補(bǔ)碼反碼正數(shù)的反碼與其原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是把除符號位外的各位按位取反2.3.2原碼、反碼和補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為該數(shù)的反碼加1補(bǔ)碼補(bǔ)碼是數(shù)據(jù)在計算機(jī)中參與計算的編碼形式補(bǔ)碼的補(bǔ)碼即是原碼2.3.2原碼、反碼和補(bǔ)碼存儲編碼轉(zhuǎn)換中間碼運(yùn)算編碼原碼反碼補(bǔ)碼0111011010100101011101101101101001110110110110112.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.3

整數(shù)的存儲2.3.3整數(shù)的存儲整數(shù)是沒有小數(shù)部分的整型數(shù)字，可以當(dāng)作小數(shù)點位置是固定的數(shù)字。存儲整數(shù)一般采用定點表示法，小數(shù)點是假設(shè)的并不實際存儲。例如機(jī)器字長為16位，符號位占1位，數(shù)值部分占15位，故十進(jìn)制數(shù)+32767的定點數(shù)表示如下所示：2.3.3整數(shù)的存儲無符號整數(shù)：不考慮符號的一連串二進(jìn)制數(shù)字序列，比如一個任務(wù)的執(zhí)行次數(shù)、內(nèi)存單元的存儲地址等，都可以用無符號整數(shù)表示。有符號整數(shù)：負(fù)數(shù)可以用有符號整數(shù)來表示。有符號整數(shù)主要有兩種方法，一種是前面所講的二進(jìn)制補(bǔ)碼記數(shù)法，另外一種方法是余碼記數(shù)法。2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.4

實數(shù)的存儲2.3.4實數(shù)的存儲實數(shù)是帶有整數(shù)部分和小數(shù)部分的數(shù)字，小數(shù)部分的存儲要指明其小數(shù)點的位置。小數(shù)點在計算機(jī)中通常有兩種表示方式，即定點數(shù)和浮點數(shù)。2.3.4實數(shù)的存儲浮點數(shù)的表示定點數(shù)的表示2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.5

字符編碼2.3.5字符編碼ASCII碼(美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)b7b6b5b4b3b2b1b0ASCII編碼位Computer01000011011011110110110101110000011101010111010001100101011100102.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.6

漢字編碼2.3.6漢字編碼漢字編碼是指將漢字轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼的過程漢字處理過程:通過漢字外碼輸入,以漢字內(nèi)碼存儲,以漢字字形碼輸出計算機(jī)內(nèi)部由外到內(nèi)由內(nèi)到外2.3.5字符編碼字型碼機(jī)內(nèi)碼國標(biāo)碼輸入碼2.3.6漢字編碼大國標(biāo)碼漢字輸入碼漢字“大”如何輸入、存儲和顯示的？輸入“大”拼音輸入：“da”字形輸入：“dddd”輸入計算機(jī)后，一個漢字對應(yīng)唯一的編碼2.3.6漢字編碼機(jī)內(nèi)碼漢字交換碼是為了在不同漢字系統(tǒng)之間準(zhǔn)確無誤的交換漢字信息而制定的統(tǒng)一編碼漢字字形碼在計算機(jī)中顯示“大”對漢字的形狀進(jìn)行的編碼:點陣表示法和矢量表示法。2.3數(shù)據(jù)的存儲與表示2.3.7

多媒體數(shù)據(jù)的表示2.3.7多媒體數(shù)據(jù)的表示圖像按編碼方式可分為：位圖圖像：由靜態(tài)的像素點組成，直接按像素點位置畫出，例如BMP,JPG,GIF…矢量圖像：由若干特定點的位置和相關(guān)數(shù)學(xué)公式計算動態(tài)畫出，例如wmf,emf,dwg2.3.7多媒體數(shù)據(jù)的表示位圖圖像編碼：由于位圖圖像的存儲量大(水平像素數(shù)目×垂直像素數(shù)目×每像素位數(shù))，通常都需要進(jìn)行壓縮存儲，不同的壓縮采用了不同的圖像編碼。水平像素點數(shù)垂直像素點數(shù)像素點的位數(shù)單色圖像黑白(1位)灰度圖像

黑白之間灰度(8位)彩色圖像

16色(4位)256色(8位)24位真彩色32位真彩色2.3.7多媒體數(shù)據(jù)的表示聲音2.3.7多媒體數(shù)據(jù)的表示視頻數(shù)字化過程掃描采樣量化編碼模擬視頻信號數(shù)字視頻信號視頻是連續(xù)的圖像圖像是離散的視頻2.4數(shù)據(jù)的壓縮2.4.1普通數(shù)據(jù)的壓縮2.4.2圖像的壓縮2.4數(shù)據(jù)的壓縮2.4.1

普通數(shù)據(jù)的壓縮2.4.1普通數(shù)據(jù)的壓縮數(shù)據(jù)壓縮可分成兩種類型：無損壓縮和有損壓縮無損數(shù)據(jù)壓縮是對文件的數(shù)據(jù)存儲方式進(jìn)行優(yōu)化，壓縮后信息不受損失，對壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，得到的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全相同。有損壓縮是指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來的數(shù)據(jù)有所不同，但不影響人對原始資料表達(dá)的信息的理解。有損壓縮適用于重構(gòu)信號不一定非要和原始信號完全相同的場合。2.4數(shù)據(jù)的壓縮2.4.2

圖像的壓縮2.4.2圖像的壓縮圖像數(shù)據(jù)的冗余主要表現(xiàn)為：圖像中相鄰像素間的相關(guān)性引起的空間冗余；圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時間冗余；不同彩色平面或頻譜帶的相關(guān)性引起的頻譜冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是通過去除這些數(shù)據(jù)冗余來減少表示數(shù)據(jù)所需的比特數(shù)。2.4.2圖像的壓縮圖像壓縮可以是有損數(shù)據(jù)壓縮也可以是無損數(shù)據(jù)壓縮無損壓縮：即從壓縮后的數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)原來的圖像，信息沒有損失。有損壓縮：壓縮后的數(shù)據(jù)無法完全恢復(fù)原來的圖像，信息有一定損失。2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.5.2處理器2.5計算機(jī)的硬件組成2.5.3存儲器2.5.4輸入輸出設(shè)備2.5計算機(jī)硬件2.5.1

計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器馮·諾依曼體系2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主板（華碩M5G）2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主板與外部設(shè)備的接口2.5.1計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器微機(jī)的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成；輸入/輸出設(shè)備通過I/O接口與系統(tǒng)相連；各部件通過總線連接。總線2.5計算機(jī)硬件2.5.2

處理器2.5.2處理器CPU是計算機(jī)的大腦，計算機(jī)的運(yùn)算、控制都是由它來處理的。運(yùn)算器:主要是完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破?用來協(xié)調(diào)和指揮整個計算機(jī)系統(tǒng)的操作。2.5.2處理器400480088086Core2P4P3P2Pentium80486803862.5.2處理器2002年9月，“龍芯”1號研制成功2005年4月,64位CPU——“龍芯“2號推出2008年，龍芯3號多核處理器推出狗剩1號MZD110我國自主研發(fā)的CPU2.5.2處理器字長：64位機(jī)，一次能處理8個字節(jié)CPU主頻：工作頻率或時鐘頻率