計算機(jī)導(dǎo)論 第1章 計算機(jī)工作原理

計算機(jī)引論

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

數(shù)制（數(shù)值數(shù)據(jù)）

?采用數(shù)制表示數(shù)值數(shù)據(jù)需要考慮以下問題:

。數(shù)字符號的選用——進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

。小數(shù)點位置的表示——定點與浮點表示

。正號與負(fù)號的表示以及運(yùn)算的簡化——機(jī)器數(shù)

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

▼十進(jìn)制數(shù)(Decimal)：

。符號。?9

。逢十進(jìn)一

?；鶖?shù)為10,第i位的位權(quán)為10i(整數(shù)部分最低位為第

。位)

(19.6875)10=1X101+9X10。+6乂10-1+8X10-2

+7X10-3+5X10-4

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

▼二進(jìn)制數(shù)(Binary)：

。符號。?1

。逢二進(jìn)一

。基數(shù)為2,第i位的位權(quán)為2(整數(shù)部分最低位為第0

位)

(1001.101)k1X23+1X20+1X2-1+1X2-3

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

十八進(jìn)制數(shù)(Octal)

▼十六進(jìn)制數(shù)(Hexadecimal)

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)：按十進(jìn)制數(shù)的規(guī)

貝IJ,把二進(jìn)制數(shù)的各位數(shù)按位權(quán)展開相加。

1

(1001.101)2=1X23+1X2°+1X2-+1X2-3

=8+1+0.5+0.125=(9.625)10

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)（除2取余

法）：首先用2連續(xù)除該十進(jìn)制整數(shù)及得到的

商，并列出余數(shù)，直至商為0,然后把先后得

到的余數(shù)從低位到高位排列。

21低位

(19)IO=(1OO11)221_9_1

2|40

2|20

2L__

c1高位

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

/十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)（乘2取整法）：首先用

2連續(xù)乘該十進(jìn)制小數(shù)及得到的積的小數(shù)，并列出積的

整數(shù)，直至積的小數(shù)為0,然后把先后得到的積的整數(shù)

按從高位到低位排列。

0.6875

(O.6875)io=(0.1011)2-X―

一1.3751高位

義2

0550

義2

If1

義2

1低位

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?十進(jìn)制與八進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

?十進(jìn)制與十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?課堂練習(xí)

(1111.11)2=(15.75)10

(13.25)10=(1101.01)2

(0.6)10=(0.100110011001...)2

注：十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)的終止可由小數(shù)部分

等于?；蜣D(zhuǎn)換精度確定。

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?二進(jìn)制數(shù)與八進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換：

。一位八進(jìn)制數(shù)＜=＞三位二進(jìn)制數(shù)(8=23)

(63.54)8=(110011.101100)2

(011110100.101110)2=(364.56)8

第1章計算機(jī)工作原理

進(jìn)位制數(shù)及其相互轉(zhuǎn)換

?二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換：

。一位十六進(jìn)制數(shù)＜=＞四位二進(jìn)制數(shù)(16=24)

(D8.C4)[6:(11011000.11000100)2

(01101110.10101000)2=(6E.A8)16

第1章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

?計算機(jī)采用的存儲單位

。8bit=lByte

。21OB=1O24B=1KB

。22OB=1O24KB=1MB

Q23OB=1O24MB=1GB

。24OB=1O24GB=1TB

第i章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

?定點表示：小數(shù)點位置固定不變（定點整

數(shù)）。

?浮點表示：小數(shù)點位置隨著階的變化而左右浮

動（浮點實數(shù)）。

第1章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

/定點整數(shù)：小數(shù)點位置固定在數(shù)值位之后。

設(shè)字長為8位，從高位到低位依次是：符號1位，數(shù)值7

位，小數(shù)點位置隱式地固定在數(shù)值位之后。所能表示

的十進(jìn)制數(shù)值范圍為土(27-1)。

(-19)10=(-10011)2

符號|數(shù)值小數(shù)點

76543210

1(-)0010011

第1章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

/浮點實數(shù)：采用記階表示。

2+2

(-34.62)10=(-3462X10-)10=(-0.3462X10)10

(-10.01)=(-1001X210)=(-0.1001X2+10)

9L乙9L?

二進(jìn)?J數(shù)階符、/階數(shù)

N=±aX2^

尾/%君'數(shù)

其中，階數(shù)為二進(jìn)制正整數(shù)，尾數(shù)為二進(jìn)制正小數(shù)。

第1章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

設(shè)字長為8位，從高位到低位依次是：階符1位，階數(shù)2

位，尾符1位，尾數(shù)4位，小數(shù)點位置隱式地表示在尾

數(shù)位之前，尾數(shù)隨著階的變化而變化，因此小數(shù)點位

置也隨著階的變化而左右浮動。所能表示的數(shù)值范圍

由階數(shù)位數(shù)決定，數(shù)值精度由尾數(shù)位數(shù)決定。

(-10.01)產(chǎn)(-0.1001X2+10),

階符階數(shù)尾符尾數(shù)

76543210

0(+)101(-)1001

?小數(shù)點

第1章計算機(jī)工作原理

定點和浮點表示

?規(guī)范化浮點數(shù)：尾數(shù)第一位為1的浮點數(shù)。

(-10.01)k(-0.1001X2+”

二(-0.01001X2+15

+100

=(-0.001001X2)2

其中，(-O.1OO1X2+IO)2為規(guī)范化浮點數(shù)的記階

表示法O

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

?二進(jìn)制數(shù)X轉(zhuǎn)換為原碼［X］原的方法是：

。當(dāng)X為正數(shù)時，［X］原的符號彳立為0,數(shù)值位不變;

。當(dāng)x為負(fù)數(shù)時，［x］原的符號位為1,數(shù)值位不變。

-原碼［X］原轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)X的方法是：

。當(dāng)［X］原的符號位為0B寸，X為正數(shù)，數(shù)值位不變;

Q當(dāng)［x］原的符號位為1B寸，x為負(fù)數(shù)，數(shù)值位不變。

設(shè)字長為8彳立

x=+10011［x］原=00010011

x=-10011［x］^=10010011

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

▼二進(jìn)制數(shù)X轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼［X］補(bǔ)的方法是:

。當(dāng)X為正數(shù)時，［X］補(bǔ)是符號位為0,數(shù)值位不變。

。當(dāng)x為負(fù)數(shù)時，［x］補(bǔ)是符號位為1,數(shù)值位為取反加1。

■補(bǔ)碼［X］補(bǔ)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)X的方法是：

3當(dāng)［x］補(bǔ)的符號位為0B寸，x為正數(shù)，數(shù)值位不變。

。當(dāng)［X］補(bǔ)的符號位為1B寸，X為負(fù)數(shù)，數(shù)值位為取反加1。

設(shè)字長為8彳立

x=+10011［x］補(bǔ)=00010011

x=-10011［X］補(bǔ)=n101101

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

?補(bǔ)碼加法運(yùn)算的特點：

。［x+yh、=［x］補(bǔ)+［y］補(bǔ)，即二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算可以轉(zhuǎn)

換為補(bǔ)碼的加法運(yùn)算；

。在補(bǔ)碼的加法運(yùn)算中，符號位直接參加運(yùn)算。

?二進(jìn)制數(shù)的乘法可以用移位與加法實現(xiàn)，除法

可以用移位與減法實現(xiàn)，減法可以用加法實

現(xiàn)，而加法可以用補(bǔ)碼加法簡化運(yùn)算，所以在

計算機(jī)中只需加法器。

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

▼求1010011+100101=(+1010011)+(+0100101),

設(shè)字長為8位。

+101001101010011

++100101+00100101

+111100001111000

真值補(bǔ)碼

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

▼求nono-nnooi=（+oiiono）+（-niiooi）,設(shè)

長度為8位。

-111100100110110

-+110110+10000111

-100001110111101

真值補(bǔ)碼

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

求-1000011-100001=(-1000011)+(-0100001),設(shè)

長度為8位。

-100001110111101

+-100001+11011111

-1100100110011100

真值補(bǔ)碼

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

▼求1000101+1100111=(+1000101)+(+1100111),

設(shè)長度為8位。

+100010101000101

++1100111

+10101100

真值

注：字長不夠，產(chǎn)生溢出,結(jié)果錯誤。

第1章計算機(jī)工作原理

機(jī)器數(shù)

課堂練習(xí)：

求10110011+111001

求H0011-11101

0101100110110011

+000111001+1100011

01110110010010110

補(bǔ)碼補(bǔ)碼

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

編碼（非數(shù)值數(shù)據(jù)）

字符編碼

?ASCII碼（美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼）：用7位

0、1符號表示字符。

A：01000001

0：00110000

32的二進(jìn)制表示格式：00100000

32的ASCII碼（文本）表示格式：

0011001100110010

第1章計算機(jī)工作原理

圖像編碼

一位圖：用像素點表ZF圖像。

像素點

Q當(dāng)圖像為曼目圖像時，可用1個位表示一個像素點，用1表示

黑色、0表小白色。

。當(dāng)圖像為彩色圖像時，用2個位表示一個像素點，則可表示4

種顏色；用8個位（1個字節(jié)）表示一個像素點，則可表示28種

顏色；用24個位（3個字節(jié)）表示一個像素點，則可表示224種

顏色。

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

馮?諾依曼型計算機(jī)

?馮?諾依曼型計算機(jī)

。包括中央處理器（運(yùn)算器、控制器）、存儲器（內(nèi)

存儲器、外存儲器）、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備；

。符號0和1表示數(shù)據(jù)；

。存儲程序：程序存儲在內(nèi)存儲器中，中央處理器按

照存儲的程序有條不紊地執(zhí)行。

第1章計算機(jī)工作原理

計算機(jī)基本硬件組成

內(nèi)

外

部

輸入設(shè)備裝

設(shè)

裕

備

儲

輸出設(shè)備接<><^>中央處理器

器

口

外（輔助）存儲器］>

k_）

Y

外部設(shè)備主機(jī)

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

邏輯代數(shù)

?邏輯代數(shù)：<{T,F},A,V,n>

。邏輯值:T（真）、F（假）

。邏輯運(yùn)算：八（邏輯與）、V（邏輯或）、1（邏輯非）

A（合?。?（邏輯乘）AND&&

V（析?。?（邏輯加）ORII

-1（否定）—NOTi

第1章計算機(jī)工作原理

邏輯代數(shù)

-邏輯變量：取值只能為邏輯值的變量。

▼邏輯表達(dá)式：由邏輯變量或者邏輯變量與邏輯運(yùn)算構(gòu)

成。

+真值表：邏輯表達(dá)式的所有可能取值情況的羅列。

ABIAAABAVB

FFTFF

FTTFT

TFFFT

TTFTT

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

數(shù)字電路

一數(shù)字電路的工作信號是數(shù)字信號，只有兩個數(shù)

字符號：1和0。

trm十口

電路I^J數(shù)字1邏輯T

狀態(tài)低0值F

第1章計算機(jī)工作原理

數(shù)字電路

?門電路：實現(xiàn)邏輯運(yùn)算的電路。

。與門

?；蜷T

。非門

第1章計算機(jī)工作原理

非門

/MOS晶體管：由G的高低電位控制D、S接通或者斷開

的電子開關(guān)。

。當(dāng)G為高電位時，D與S之間導(dǎo)通

Q當(dāng)G為低電位時，D與S之間截止

D（漏極）

G（柵極）

S（源極）

第1章計算機(jī)工作原理

非門

V

A

第i章計算機(jī)工作原理

觸發(fā)器

▼觸發(fā)器：可以接收并保持所接收的I或0的電路。

第1章計算機(jī)工作原理

觸發(fā)器

?功能表：（約定Q=l、=0為觸發(fā)器的1,Q=0、=l

為觸發(fā)器的0。X為競爭現(xiàn)象，出現(xiàn)震蕩，輸出不確

定。）

RS前次Q前次Q當(dāng)前Q當(dāng)前Q狀態(tài)

10——01挎收0

01——10接1攵1

00——11X

111010保;告1

110101保;選0

111100X

110011X

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

內(nèi)存儲器

事內(nèi)(主)存儲器：

。隨機(jī)存取存儲器(RandomAccessMemory,

RAM)：內(nèi)存主體，相對外存，它具有臨時存儲數(shù)

據(jù)，存儲容量小，存取速度快的特點。

Q只讀存儲器(ReadOnlyMemory,ROM)：只讀不

寫，存儲基本輸入輸出系統(tǒng)等計算機(jī)系統(tǒng)管理程

序，引導(dǎo)計算機(jī)啟動。

。高速緩沖存儲器(Cache)：存儲內(nèi)存數(shù)據(jù)副本，

虛擬提高內(nèi)存存取速度。

第1章計算機(jī)工作原理

內(nèi)存儲器

00000000

地

>00000001

址

電00000010

》00000011

路>

11111111

A

讀/寫控制電路

第1章計算機(jī)工作原理

內(nèi)存儲器

▼在傕體/電惹干史存里不構(gòu)或，每仝內(nèi)存黑兀由若干

存植元件構(gòu)成，每個存儲元件可以存襦I位符號1或0。

一內(nèi)存地址：內(nèi)存單元的編號。

?內(nèi)存容量：可以存儲的數(shù)據(jù)量。

,內(nèi)存操作（訪問）：

。讀操作（取數(shù)據(jù)）：從某個內(nèi)存單元中取出某個數(shù)據(jù)。等價

于復(fù)制。

。寫操作（存數(shù)據(jù)）：把某個數(shù)據(jù)存入某個內(nèi)存單元中。

?總線：計算機(jī)各個部件之間傳送信息的通路。

。數(shù)據(jù)總線

。地址總線

?？刂瓶偩€

第1章計算機(jī)工作原理

內(nèi)存儲器

?課堂練習(xí)：

設(shè)內(nèi)存單元為1B,內(nèi)存容量為256MB,則內(nèi)存

地址至少為多少位？

。n位內(nèi)存地址可以識別2n個內(nèi)存單元

Q256MB=256MX1B=228X1B

。內(nèi)存地址至少為28位

第1章計算機(jī)工作原理

-數(shù)制與編碼

。數(shù)制

。編碼

一計算機(jī)硬件組成與工作原理

。邏輯代數(shù)

。數(shù)字電路

。內(nèi)存儲器

。中央處理器

。外部設(shè)備

第1章計算機(jī)工作原理

中央處理器

?程序：人們編寫的計算機(jī)可以識別的如何處理

問題的步驟集合。

?機(jī)器指令：編碼表示的計算機(jī)可以直接識別和

處理的基本操作。

▼指令系統(tǒng)：計算機(jī)的機(jī)器指令集合。

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

?基本操作（機(jī)器指令）包含：

。功能信息：要執(zhí)行什么操作（操作碼）

。數(shù)據(jù)信息：操作的數(shù)據(jù)來自何處，操作的結(jié)果去向

何處（操作數(shù)）

設(shè)兩個加數(shù)分別存于地址為X和Y的內(nèi)存單元

中，兩個加數(shù)相加，將和存于地址為Z的內(nèi)存

單元中。

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

?抽取基本操作

。方案一：直接作為基本操作

?功能信息：相加

，數(shù)據(jù)信息：兩個加數(shù)分別來自地址為X和Y的內(nèi)存單元，和存于

地址為Z的內(nèi)存單元。

相加加數(shù)1加數(shù)2和

操作碼操作數(shù)（內(nèi)存地址）

XYZ

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

9方案二：分解為更小的基本操作（引入寄存器）

?①取數(shù)操作：從地址為X的內(nèi)存單元中取出加數(shù)1,存于地址為A的寄存

器中；

?②加法操作：地址為A的寄存器中的加數(shù)1與地址為Y的內(nèi)存單元中的加

數(shù)2相加，和存于地址為A的寄存器中；

?③存數(shù)操作：從地址為A的寄存器中取出和，存于地址為Z的內(nèi)存單元

中O

相加加數(shù)1加數(shù)2和

內(nèi)存地址

寄存器地址（相同）

AY

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

▼編碼機(jī)器指令（采用方案二）

設(shè)：功能不同的基本操作（機(jī)器指令）的數(shù)目為16,寄存器的數(shù)

目為4,內(nèi)存單元的數(shù)目為1K

則：操作碼的編碼長度至少為4位，寄存器地址至少為2位，內(nèi)存

地址至少為10位，機(jī)器指令長度至少為16位。

。機(jī)器指令格式

1514131211109876543210

操作碼更存器地址內(nèi)存地址

操作數(shù)

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

。機(jī)器指令

操作碼含義

0000結(jié)束操作（結(jié)束程序運(yùn)行）

0001取數(shù)操作（內(nèi)存單元一＞寄存器）

0010存數(shù)操作（奇存器一＞內(nèi)存單兀）

0011加法操作（寄存器+內(nèi)存單元一＞寄存器）

??????

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

▼機(jī)器指令形式的程序(X=0000100000,

Y-0000100001,Z=0000100010,A=00)

0001000000100000

0011000000100001

0010000000100010

0000000000000000

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

?機(jī)器指令功能：

。數(shù)據(jù)處理類

?算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位

。數(shù)據(jù)傳送類

一取數(shù)、存數(shù)、輸入、輸出...

Q程序控制類

一轉(zhuǎn)移……

。CPU狀態(tài)管理類

一結(jié)束……

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

?機(jī)器指令格式:

0三地址

0二地址

。單地址

。零地址

第1章計算機(jī)工作原理

指令系統(tǒng)

一機(jī)器指令尋址方式：

。立即尋址方式：形式地址的數(shù)值為數(shù)據(jù)。

3直接尋址方式：形式地址的數(shù)值為數(shù)據(jù)的有效地址。

。間接尋址方式：形式地址的數(shù)值為數(shù)據(jù)的有效地址的地址，

即根據(jù)形式地址找到一個內(nèi)存單元，這個內(nèi)存單元中存儲了

數(shù)據(jù)的有效地址。

。相對尋址方式：程序計數(shù)器的數(shù)值與形式地址的數(shù)值的和為

操作數(shù)的有效地址。

。變址尋址方式：變址寄存器的數(shù)值與形式地址的數(shù)值的和為

操作數(shù)的有效地址。

第1章計算機(jī)工作原理

中央處理器

中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)：有

條不紊地執(zhí)行機(jī)器指令形式的程序。

其它指令

第1章計算機(jī)工作原理

中央處理器

第1章計算機(jī)工作原理

中央處理器

內(nèi)存地址內(nèi)存單元

??????

00000000100001000000100000

00000001000011000000100001

》程序

00000001100010000000100010

00000010000000000000000000

??????

000010000000000101

000010000100000111上數(shù)據(jù)

000010001000001100

??????

第1章計算機(jī)工作原理

中央處理器

▼上述程序的執(zhí)行過程：

。用戶發(fā)出運(yùn)行上述程序的命令，將程序首地址

(0000000010)賦予程序計數(shù)器，CPU開始執(zhí)行程

序。

。①根據(jù)程序計數(shù)器中的地址(0000000010),從內(nèi)

存單元(0000000010>0000000011)中取出第一條

機(jī)器指令(0001000000100000)賦予指令寄存

器；指令譯碼器分析指令的操作碼(0001)；根據(jù)

分析結(jié)果，控制部件發(fā)出控制信號，執(zhí)行：從內(nèi)存

單元(0000100000)中取出數(shù)據(jù)(00000101)賦予

通用寄存器(