《计算机硬件》PPT课件.ppt
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1、第2章 计算机硬件佛山科学技术学院信息中心2008年9月主要内容2.1 信息的表示及存储2.2 计算机的体系结构2.3 内存储器2.4 中央处理器(微处理器)2.5 存储设备2.6 输入和输出设备2.7微型计算机的引导过程2.1 信息的表示及存储数制与数制转换数制与数制转换进位计数制 十进制数:由09十个数字组成,基数是10,逢十进一 二进制数:由0和1两个数字组成,基数是2,逢二进一 八进制数:由07八个数字组成,基数是八,逢八进一 十六进制数:由09以及A、B、C、D、E、F十六个数字组成,基数是16,逢十六进一。计算机中使用二进制的原因:可行性 可靠性 简易性:求和:0+0=0;0+1=
2、1+0=1;1+1=10 求积:0*0=0;0*1=1*0=0;1*1=1 逻辑性:0代表“假”;1代表“真”数制转换不同数制的相互转换不同数制的相互转换 基本原则:把整数与小数部分分别进行转换,然后再组合。1.二进制数、八进制数、十六进制数与十进制数之间的转换二、八、十六进制数转换成十进制数十进制数 转换成二、八、十六进制数十进制小数的转换 2.二进制、八进制和十六进制数之间的转换基本方法:掌握十进制数015所对应的 二进制、八进制和十六进制数每3位二进制数对应1位八进制数每4位二进制数对应1位十六进制数二进制数、八进制数和十六进制数之间的对应关系 二进制数 八进制数 十六进制数 十进制数0
3、000 00 0 00001 01 1 10010 02 2 2 0011 03 3 3 0100 04 4 40101 05 5 5 0110 06 6 60111 07 7 71000 10 8 81001 11 9 91010 12 A 101011 13 B 11 1100 14 C 121101 15 D 131110 16 E 141111 17 F 15 10000 20 10 162.1.2 数据存储的组织形式 位(Bit):每一个能代表0和1的电子线路称为一个二进制位,是数据的最小单位。字节(Byte):简写为B,通常每8个二进制位组成一个字节。字节的容量一般用KB、MB、G
4、B、TB来表示,它们之间的换算关系如下:1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB字(Word):在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数字串叫做一个字或单元,每个字中二进制位数的长度,称为字长。一个字由若干个字节组成,不同的计算机系统的字长是不同的,常见的有8位、16位、32位、64位等,字长越长,存放数的范围越大,精度越高。2.1.3 计算机中字符的表示计算机中字符的表示在计算机中以二进制代码的形式来表示每一个字符ASCII 码 美国标准信息交换码 每个符号由7位二进制数表示,共可定义128种符号,常用一个字节(8位)表示。基本ASCII码:最
5、高位为0 扩展ASCII码:最高位为1 (汉字内码)学会查找ASCII码,了解字母、数字在ASCII码表中的规律汉字输入码 汉字输人码,又称“外部码”,简称“外码”,指用户从键盘上输入代表汉字的编码。它由拉丁字母(如汉语拼音)、数字或特殊符号(如王码五笔字型的笔画部件)构成,千变万化。各种输入方案,就是以不同的符号系统来代表汉字进行输入的,所以,输入码是不统一的,区位码、五笔字型码、仓颉码、拼音码、智能ABC、微软拼音等都是其中的代表。汉字机内码汉字机内码 汉字机内码又称“汉字ASCII码”、“机内码”,简称“内码”,由扩充ASCII码组成,指计算机内部存储、处理加工和传输汉字时所用的由0和1
6、符号组成的代码。输入码被接受后就由汉字操作系统的“输入码转换模块”转换为机内码,与所采用的键盘输入法(汉字输入码)无关。我国目前使用的是单双四字节混合编码英文与阿拉伯数字等采用一个字节编码;国家标准GB231280信息交换用汉字编码字符集基本集中的6763个汉字和中文标点符号的二进制编码采用2个字节(每个字节的最高位置0)对应一个汉字编码,称为“国标码”,而把每个字节的最高位都置1,作为对应的汉字的机内码(也称汉字的ASCII码或变形的国标码);信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充部分中的汉字,采用4个字节来表示(32位二进制码)。汉字字模和汉字字库汉字字模和汉字字库字形存储码 也称汉字字形码
7、,是指存放在字库中的汉字字形点阵码。不同的字体和表达能力有不同的字库,如黑体、仿宋体、楷体等是不同的字体,点阵的点数越多时一个字的表达质量也越高,一个2424点阵汉字需要的存储空间2424/8=72字节只有在中文操作系统环境下才能处理汉字,操作系统中有实现各种汉字代码间转换的模块,在不同场合下调用不同的转换模块工作。汉字字库 一个汉字的点阵字形信息叫做该字的字形。字形也称字模(沿用铅字印刷中的名词)汉字字库容量的大小一个具有8192个汉字的2424点阵汉字需要的存储空间2424/88192=576KB字节矢量字库 矢量字库保存的是对每一个汉字的描述信息,比如一个笔划的起始、终止坐标,半径、弧度
8、等等。点阵汉字2.1.4 计算机中整数和实数的表示计算机中整数和实数的表示实际使用的二进制数可分为二进制整数和二进制实数两种,在计算机内部,分别用定点数和浮点数表示二进制整数和二进制实数整数(定点数)的表示定点数是指小数点的位置固定不变。在计算机中,通常用定点数表示二进制整数,因此定点数的小数点位置通常固定在数值的最后。整数可以分为无符号整数和有符号整数两类。不带符号的整数(unsigned integer)一定是正整数,其取值范围根据二进制位数的不同而不同,8位:0255(28-1),最小值是0000 0000(全0),最大值是1111 1111(全1)。带符号的整数(signed inte
9、ger),既可表示正整数,又可表示负整数。使用最高位(最左面的一位)作为符号位,“0”表示“”(正数),“1”表示“”(负数),其余各位表示数的绝对值,取值范围:8位:-127+127(-27+1+27-1)定点数一个8位长度的定点数表示格式见图。其中,小数点的位置是隐含表示的,实际表示中不需要专门表示出小数点;符号位为0表示该数为正数,符号位为1表示该数为负数。带符号整数的表示方法称为“原码”表示法,其优点是简单、直观,缺点是减法运算较繁,不便于CPU的运算处理,有+0(00000000)和-0(100000000)之分。补码表示法:在计算机中,负数使用补码表示,符号位也是“1”,但绝对值部
10、分却是原码的每一位取反后再在末位加“1”。例如:-43的原码为10101011,将其绝对值部分每一位取反后为:11010100,然后再在末位加“1”得到-43的补码:11010101。实数(浮点数)的表示实数(浮点数)的表示 任何一个十进制实数都可以有以下不同的表示形式:-34.62=-346210-2=-0.3462102=-3.462101 同样,二进制实数也可以用上述方法表示,例如:-10.01=-1001 2-10=-0.1001210=-1.00121(注意:此式中的指数是二进制),上述表示法称作记阶表示法。记阶表示法如图所示。在记阶表示法中,数由五部分组成:尾符、尾数、阶符、阶数、
11、基数。N=数符尾数2阶符阶数尾数尾数的位数决定数的精度数的精度阶数阶数的位数决定数的范围数的范围浮点数在上图中,基数2是固定不变的,当我们已经确定一个实数是二进制实数时,就可以省去该基数。所以,在计算机内部表示二进制实数时,可由尾符、尾数、阶符、阶数四部分组成。由于这样的表示法中小数点的位置是浮动的,所以这样表示的二进制数也称作浮点数。在计算机内部具体表示一个浮点数时,必须指定该浮点数的小数点位置,通常是把所有尾数都看成小数。这样,计算机内部浮点数的表示格式就如下图所示。其中,阶符和尾符都是0表示正数,1表示负数。根据该图的浮点数格式,二进制数-0.1001210在计算机中的浮点数形式就是 0
12、 10 1 1001。用记阶表示法表示数时,相同的数可以有许多种不同的形式。例如:-0.1001210=-0.01001211=-0.0010012100=规格化的形式:尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1,从而惟一地规定了小数点的位置。2.2 计算机的体系结构2.2.1 冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构冯诺依曼理论的主要内容是:计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中,存放位置由地址确定。控制器根据存放在存储器中的指令序列(程序)进行工作,并由一个程序计数器控制指令的执行。控制器具有判断能力,能根据计算结果选择不同的工
13、作流程。计算机必须具备五大基本组成部件,包括:输入数据和程序的输入设备;记忆程序和数据的存储器;完成数据加工处理的运算器;控制程序执行的控制器;输出处理结果的输出设备。微型计算机系统的内部构造微型计算机系统的内部构造内部构造内部构造在主机箱里,我们看到的大致构造如下:1、主电源 2、电源线路 3、主板 4、多媒体集成板及插槽 5、CPU及CPU风扇 6、数据传送线 7、内存条及内存条插槽 8、多媒体显卡 9、硬盘及硬盘保护卡10、网卡11、软驱及光驱2.2.3 集成电路集成电路集成电路计算机内部的大部分电子部件都是集成电路。集成电路(Intergrated circuit,IC)是一种微型电子
14、器件或部件(如图2-2所示)。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,这样,整个电路的体积大大缩小,且引出线和焊接点的数目也大为减少,从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。集成电路具有体积小、重量轻、引出线和焊接点少、寿命长、可靠性高、性能好等优点,同时成本低,便于大规模生产。主板主板主板主板在微型计算机中,主板上包含了处理器、内存条和处理基本输入输出的芯片插槽,如图所示。蚀刻在主板上的电
15、路就像电线一样,为计算机芯片之间传递数据提供了通道。另外,主板还有一些扩展槽用于连接外围设备。CPU插座 内存插槽 板卡扩展槽 主板芯片组 BIOS系统 时钟发生器 I/O接口 IDE(Integrated Device Electronics,一种硬盘传输接口)接口和软驱接口 电源模块 数据传输数据传输计算机内部用于在各个元件之间传送信号的通路称为系统总线。系统总线分为三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus),其中,数据总线传送表示数据的信号;地址总线传送数据的地址,计算机依赖这个地址来寻找需要处理
16、的数据;控制总线用来传送控制信号和时序信号。2.3 内存储器内存储器 计算机必须能够存储数据,以便处理数据。依照数据被使用的方式不同,计算机通常在不只一个地方储存数据。简单来说,对于正等着被处理的数据,计算机把它们放到一个地方;当数据不需要立即处理时,计算机又把它们放到另一个地方。内存是计算机中存放正等待处理数据的地方;外存则是数据不需要处理时长期保存数据的地方。在计算机中,内存直接与CPU相连接,是计算机中的工作存储器,它用来存放正在运行的程序(包括操作系统)和需要立即处理的数据。CPU工作时,它所执行的指令及处理的数据都是从内存中取出的,产生的结果也存放在内存中。有三种主要类型的内存:随机
17、访问存储器、只读存储器、CMOS存储器。2.3.1 随机访问存储器随机访问存储器随机访问存储器(Random Access Memory,RAM)是临时存放数据、应用程序指令和操作系统的区域。RAM是计算机处理器的“等待室”,它存放了等待处理的原始数据以及处理这些数据的程序指令。另外,RAM还存放了处理的结果,直到这些数据能被磁盘或磁带更长久地存储。除了数据和应用软件指令外,RAM中还存放了操作系统指令,这些指令控制着计算机系统的基本功能。每次启动计算机时,这些指令就被装进RAM中,一直到关机才消失。计算机需要多少RAM?2.3.2 只读存储器 只读存储器(Read-Only Memory,R
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