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第1章计算机系统基础知识本章主要包括计算机系统的组成、计算机的类型、计算机中数据的表示和运算、CPU、存储器等基础知识。1.1计算机系统的基本组成计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，计算机硬件是计算机系统中看得见、摸得着的物理装置，计算机软件是程序、数据和相关文档的集合。计算机系统的组成如图1-1所示。运算器主机rpL控制器1.内存储器（主存储器）r输入设备外部设备输出设备r系统软件应用软件I外存储器（辅助存储器）图1-1计算机系统的组成示意图1.计算机系统的硬件组成基本的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。随着器件技术和微电子技术的发展，运算器、控制器等部件已被集成在一起，统称为中央处理单元（CentraIPmCeSSingUniI,CPU）,>CPU是硬件系统的核心，用于数据的加工处理，能完成各种算术、逻辑运算及控制功能。运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术和逻辑运算。控制器的主要功能则是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令的功能。存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器（MainMemory,MM,简称内存、主存)和外部存储器(简称外存)。内存速度快、容量小，一般用来临时存放计算机运行时所需的程序、数据及中间结果。外存容量大、速度慢，可用于长期保存信息。寄存器是CPU中的记忆设备，用来临时存放指令、数据及运算结果。与内存储器相比，寄存器的速度要快得多。习惯上将CPU和主存储器的有机组合称为主机。输入/输出(IZo)设备位于主机之外，是计算机系统与外界交换信息的装置。所谓输入和输出，都是相对于主机而言的。输入设备的作用是把转换成二进制形式的信息输入到计算机的存储器中，输出设备的作用是把运算结果按照人们所要求的形式输出到外部设备或存储介质上。2.计算机软件计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序和相关文档的集合。如果计算机系统中仅有硬件系统，则只具备了计算的基础，并不能真正运算，只有将解决问题的步骤编制成程序并加我到计算机内存开始运行，才能完成运算。软件系统是计算机系统中的重要组成部分，通常可将软件分为系统软件和应用软件两大类。3.计算机的类型和应用领域计算机技术的发展异常迅速，现在的计算机使用的关键元器件基本上都是超大规模集成电路。(1)按照体积和工作能力，计算机分为巨型机、大型机、小型机和微型机。微型机有多种形式,如台式机(DeSktop)、膝上型计算机(Laptop)或笔记本式计算机(Notebook)、工作站(Workstation)、掌上型计算机和个人数字助理(PerSOnalDigitalAssistant,PDA)等。(2)按照功能是否专一，计算机分为通用计算机和专用(嵌入式)计算机。(3)按照CPU的指令系统架构，计算机分为复杂指令系统计算机(COmPIeXlnStrUCtiOnSetCornPU【er,CISC)和精简指令系统计算机(RedUCedInstructionSetGmputer,RISC)0(4)按体系结构及指令处理方式，计算机分为单指令流单数据流计算机(SingIeInStrUCtiOnSingleData.SISD)、单指令流多数据流计算机(SingIelnStrUCtiOnMUItiPlCData,SlMD)、多指令流单数据流计算机(MUltiPleInstructionSingleData,MISD)和多指令流多数据流计算机(MultipleInstructionMultipleData,MIMD)0概括来讲，计算机的应用领域大致可分为数值计算、数据(或信息)处理、实时控制(或过程控制)、人工智能、计算机辅助设计(CbmPUterAidedDesign,CAD)、计算机辅助教学(COmPUIerAidedInstruction,CAI)和计算辅助管理(COmPUIerAidedManufacturing,CAM)等。1.2计算机中数据的表示及运算1.2.1计算机中数据的表示计算机最主要的功能是处理数值、文字、声音、图形图像等信息。在计算机内部，各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂多样的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。例如，用10个阿拉伯数码表示数字，用26个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。1.进位计数制及其转换在采用进位计数的数字系统中，如果只用/个基本符号表示数值，则称其为进制（RadiX-rNUmberSyStem）,r称为该数制的基数（RadiX）O不同数制的共同特点如下。（1）每一种数制都有固定的符号集。例如，十进制数制的基本符号有十个：0,I,2,，9。二进制数制的基本符号有两个：0和1。（2）每一种数制都使用位置表示法。即处于不同位置的数符所代表的值不同，与它所在位置的权值有关。例如，十进制数1234.55可表示为1234.55=IXlO3+2×102+3×10,+4X10°+5X10_,+5×102可以看出，各种进位计数制中权的值恰好是基数的某次寤。因此，对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式。计算机中常用的几种进位数制如表1-1所示。表1-1计算机中常用的进位数制的表示进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进-逢十进一逢十六进基数r=2r=8r=10r=16数k0,10,1,2,，70,1,2,，90,1,2,，9,A,B,，F权2,'8，10,6形式表示符BODH1）十进制计数法在十进制计数制中，尸10,基本符号为O,1,2,，9o无论多大的数，都是用这10个符号的组合来表示，故称为十进制计数法。2)二进制计数法在二进制计数制中，r=2,基本符号为0和1.二进制数中的一个0或1称为1位(bit)。二进制数转换成十进制数的方法是：将二进制数的每一位数乘以它的权，然后相加，即可求得对应的十进制数值。【例1-1把二进制数100110.101转换成相应的十进制数。(100110.101)2=1×25+0×24+0×23÷1×22+1×2i+O×2o+l×2-'+0×2'2+l×23=32+0+0+4+2+0+0.5+0+0.125=38.625将十进制数转换成二进制数时，整数部分和小数部分分别转换，然后再合并。十进制整数转换为二进制整数的方法是"除2取余"；十进制小数转换为二进制小数的方法是“乘2取整”。十进制数转换成二进制数还有一种简便的方法：把一个十进制数写成按二进制数权的大小展开的多项式，按权值从高到低依次取各项的系数就可得到相应的二进制数。【例1，2】把十进制数175.71875转换为相应的二进制数。(175.71875)l0=27+25+23+22+2,+20+2l+2"3+24+2-5=10101111.1011123)八进制计数法八进制计数制中的基本符号为0,1,2,，7。十进制数转换为八进制数的方法是：对于十进制整数采用"除8取余”的方法转换为八进制整数:对于十进制小数则采用“乘8取整”的方法转换为八进制小数。二进制数转换成八进制数的方法是：从小数点起，把二进制数每三位分成一组，然后写出每一组的等值八进制数，顺序排列起来就得到所要求的八进制数。依照同样的思想，将一位八进制数用三位二进制数表示，就可以直接将八进制数转换成二进制数。二进制与八进制数之间的对应关系如表1-2所示。表1-2二进制、八进制和十六进制数之间的对应关系二进制八进制二进制十六进制二进制十六进制00000000010008001100011100190102001021010A0113001131011B100401004HOOC101501015HOlD11()601106HlOEIll7Olll7IlllF【例1-3把二进制数.10111转换为相应的八进制数。（10101111.10111）2=257.5684）十六进制计数法在十六进制计数制中，片16,基本符号为0,1,2,，9,A,B,，Fo十进制数可以转换为十六进制数的方法是：十进制数的整数部分"除16取余”，十进制数的小数部分“乘16取整”。由于一位十六进制数可以用4位二进制数来表示，困此二进制数与十六进制数的相互转换就比较容易。二进制数转换成十六进制数的方法是：从小数点开始，每4位二进制数为一组，将每一组用相应的十六进制数符来表示，即可得到正确的十六进制数。二进制与十六进制数之问的对应关系如表1-2所示。【例14】把二进制数.10111转换为相应的十六进制数。（IOK）1111.10111）2=AF.B8l62.二进制运算规则（1）加法：二进制加法的进位规则是“逢二进一”。（HO=O1+0=10+1=11+1=0（有进位）（2）减法：二进制减法的借位规则是"借一当二”。0-0=01-0=11-1=00-1=1（有借位）（3）乘法：0×0=0l×0=00×l=01X1=13.机器数和码制各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是采用二进制计数制，数的符号用0、1表示，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为数的真值。机器数有无符号数和带符号数之分。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位。对于无符号数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。对于带符号数，机器数的最高位是表示正、负的符号位，其余位则表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数：若约定小数点的位置在机器数的最高数值位之前（符号位之后），则是纯小数。为了便于运算，带符号的机器数可采用原码、反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。1）原码表示法数值X的原码记为1XI原，如果机器字长为"（即采用个二进制位表示数据），则最高位是符号位，O表示正号，1表示负号，其余的，.1位表示数值的绝对值。数值零的原码表示有两种形式：+0原=，-0原=。【例15】若机器字长等于8,则+lw=HI原=+127原=-127原=+45原=-45原=+0.5原=0-0.5r=0（其中0是小数点的位置）2）反码表示法数值X的反码记作X反，如果机器字长为"，则最高位是符号位，0表示正号，1表示负号，正数的反码与原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反。数值0的反码表示有两种形式：+0反=，-0反=。【例1-6】若机器字长等于8,则+1反=-1反=+127反=-127反=+45反=-45反=+05反=0-05反二。（其中0是小数点的位置）3）补码表示法数值X的补码记作X饼，如果机器字长为"，则最高位为符号位，0表示正号，1表示负号，正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末尾加1。在补码表示中，0有唯一的编码：+0朴=,-0朴=。【例1-7】若机器字长"等于8,则+Hh=-IUb=+127扑