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1、1第二章 计算机硬件基础2目目 录录 2.1 理解0和12.2 计算机中的数制及其运算2.3 数据的存储与表示2.4 数据压缩123452.5 计算机硬件组成32.1.1易经中的0和12.1.2电路中的0和12.1理解0和12.1.3计算机中的0和142.1.1易经中的0和1易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。01阴阴阳阳5语义符号化表达u语义符号化：是指将现实世界的语义用符号表达，进而进行基于符号的计算的一种思维，将符号赋予不同语义，则能计算不同的现实世界问题。u易经通过阴/阳来使用0和1，起始即把0和1赋
2、予了语义，并注意了阴阳的位置与组合关系。期望通过这些内容反映一些规律性的内容。6语义符号化表达表达成了符号，也就能够进行计算易经通过阴/阳的演变(即0/1的运算)体现了变化中的规律(即蕴含的语义关系及转换关系)u例如：二十四节气的演变规律u例如：生命规律的演变规律冬至一阳生夏至一阴生72.1.2电路中的0和1串联电路中的逻辑“与”关系逻辑“与”运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）0（熄灭）0（断开）1（闭合）0（熄灭）1（闭合）0（断开）0（熄灭）1（闭合）1（闭合）1（发亮）82.1.2电路中的0和1并联电路中的逻辑“或”关系逻辑或运算关系表开关A开关B灯泡F0（断开）0（断开）
3、0（熄灭）0（断开）1（闭合）1（发亮）1（闭合）0（断开）1（发亮）1（闭合）1（闭合）1（发亮）92.1.3计算机中的0和1计算机为什么采用二进制？l可编码任意信息l算术运算规则简单l适合逻辑运算l实现技术(电子元器件)简单102.2.1数制的概念2.2.2常用数制2.2计算机中的数制及其运算2.2.3各种数制的转换2.2.4二进制数的算术逻辑运算112.2.1数制的概念（1）基数是一个计数制系统允许使用的基本数字符号（数符）的个数。例如十进制的数符分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，所以十进制的基数为10。依次类推，二进制、八进制、十六进制的基数分别是2、8、16。（2）权是以
4、基数为底的幂，表示处于该位的数字所代表的值的大小。在一个数字当中，处在不同位置上的相同数字所表示的值也是不同的。一个数字在某个位置上的值等于该数字与这个位置上的因子的乘积，而该因子的值是由所在位置相对于小数点的距离来确定，这个因子就是位权。（3）进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值型信息的表示方法。122.2.2常用数制u二进制：1)二进制只有两个数码：0和1;2)二进制数位i的权值：2i;3)二进制表示数值：逢二进1，借1当二；高数位的1相当于低数位的2。4)二称为计数制的基值，即“二进制”7 6 5 4 3 2 1 0.-1-21 1 1 1 0 1 0 1.0 1（）21
5、32.2.2常用数制二进制不方便之处：与十进制相比，一个数值的数码位数长，识认比较困难。例如：245的二进制表示：11110101另外，二进制与十进制转换也不是很方便，因此引出八进制、十六进制等142.2.2常用数制任意进制-r进制lr进制的一位数表示有r个数码：0,1,r-1lr进制数位i的权值：rilr进制表示数值：逢r进1，借1当r；高数位的1相当于低数位的r。lr称为计数制的基值，即“r进制”152.2.2常用数制方法一：后缀脚标数字表计数制 (dn-1dn-2d2d1d0.d-1d-2d-m)r其中，r为计数制的数字或汉字形式例如(365.2)10,（11011.01)2,（3460
6、.32)8,(596.12)16方法二：利用后缀表示各种进位计数制后缀B(binary):二进制数；后缀O(octal):八进制数；后缀H(hex):十六进制数,后缀D(decimal):十进制数。例如365.2D,11011.01B,3460.32O,596.12H各种进位计数制的表示方法162.2.3各种数制的转换r进制数值的大小及其与十进制的转换(F5.4)16=F161+5160+416-1=(245.25)10172.2.3各种数制的转换(7 5 3.3 7)8=7 5 3.3 7 O=782+581+380+38-1+78-2 =(491.484375)10(7 5 3.3 7)1
7、6=7 5 3.3 7 H=7162+5161+3160+316-1+716-2=(1875.2148)10(7 5 3.3 7)12=7122+5121+3120+312-1+712-2=(1071.2986)10同一个数串，由于进位制不同其所表达的数值大小也是不同的182.2.3各种数制的转换“除基取余”192.2.3各种数制的转换(139)10=()210001011(269)10=()8415(396)10=()1618C202.2.3各种数制的转换“乘基取整”212.2.3各种数制的转换例如：(0.525)10=(0.8666)16166 .4166 .40.525168 .4166
8、 .4222.2.3各种数制的转换232.2.3各种数制的转换 目标进制源进制十进制二进制八进制十六进制十进制整数部分，除基数倒取余数；小数部分，乘基数取整数二进制按权展开三位并一位四位并一位八进制一位拆三位以二进制为桥梁十六进制一位拆四位以二进制为桥梁242.2.4二进制数的算术运算u运算规则简单：逢二进一；借一当二。u想想十进制的算术运算口诀:1+1,1+2,1+3,1+9,2+1,确实复杂252.2.4二进制数的算术运算u算术运算按位计算并考虑进位和借位；u乘除法运算可转为多次加减法运算来进行；u有很多快速进行加减乘除运算的算法。例1:10111B+10011B=?10111+)1001
9、1010101101010B 例2:10111B10011B=?10111-)100110010000100B2626乘除运算例乘除运算例000010110100=00101100B000010110100=00000010B即：商=00000010B余数=11B272.2.4二进制数的逻辑运算n“与”运算(AND):当X和Y都为真时,XANDY也为真;否则均为假。n“或”运算(OR):当X和Y都为假时,XORY也为假;否则均为真。n“非”运算(NOT):当X为真时,NOTX为假;当X为假时,NOTX为真。n“异或”运算(XOR):当X和Y都为真或都为假时,XXORY为假;否则为真。“与”运算
10、：两把钥匙都有才能开门“或”运算：只要有任何一把钥匙便能开门282.3数据的存储与表示2.3.2原码、反码和补码2.3.3整数的存储2.3.4实数的存储292.3数据的存储与表示2.3.5字符编码2.3.6汉字编码2.3.7多媒体数据的表示302.3 数据的存储与表示312.3.2原码、反码和补码存储编码存储编码转换中间码转换中间码运算编码运算编码原码原码反码反码补码补码3232原码原码最高位为符号位，其余为真值部分。“0”表示正“1”表示负优点：真值和其原码表示之间的对应关系简单，容易理解；缺点：计算机中用原码进行加减运算比较困难0的表示不唯一。3333数数0 0的原码的原码8位数0的原码：
11、+0=0 0000000-0=1 0000000即：真值的原码可表示为两种形式，即+0和-0，所以数0的原码不唯一。342.3.2原码、反码和补码反码n正数的反码与其原码相同；n负数的反码是把除符号位外的其他位变反3535反码反码对一个机器数X：若X0X反=X原若X0X补=X反=X原若X0X补=X反+13939 例例 X=-52=-0110100X原=10110100X反=11001011X补=X反+1=1100110040400 0的补码：的补码：+0补=+0原=00000000-0补=-0反+1=11111111+1=100000000 对8位字长，进位被舍掉现代计算机中多采用补码现代计算
12、机中多采用补码412.3.3整数的存储u整数是没有小数部分的整型数字，可以当作小数点位置是固定的数字。存储整数一般采用定点表示法，小数点是假设的并不实际存储。u例如机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，故十进制数+32767的定点数表示如下所示：422.3.3整数的存储u无符号整数：不考虑符号的一连串二进制数字序列，比如一个任务的执行次数、内存单元的存储地址等，都可以用无符号整数表示。u有符号整数：负数可以用有符号整数来表示。有符号整数主要有两种方法，一种是前面所讲的二进制补码记数法，另外一种方法是余码记数法。432.3.4实数的存储实数是带有整数部分和小数部分的数字，小数部分的存
13、储要指明其小数点的位置。小数点在计算机中通常有两种表示方式，即定点数和浮点数。定点数是指数字中的小数点位置固定不变。小数点在符号位之后表示一个纯小数。如，表示-15：小小数数点点符符号号位位数值部分数值部分44数值部分小数点符号位小数点位置固定在数字的最后，表示纯整数，下图表示的数为15。浮点数表示小数点在数中的位置是浮动的，浮点表示范围比定点数大，浮点表示法包括阶码和尾数两个部分。假设机器字长为32位，阶码位，尾数占24位。阶符阶码数值数符尾数数值452.3.4实数的存储浮点数的表示定点数的表示462.3.5字符编码ASCIIASCII码码码码 (美国标准信息交换码美国标准信息交换码)(A
14、American merican S Standard tandard C Code for ode for I Informatnformation ion I Interchange)nterchange)b7b6b5b4b3b2b1b0ASCII编码位ComputerComputer0 01000011 0 01101111 0 01101101 0 01110000 0 01110101 0 01110100 0 01100101 011100102.3.6汉字编码汉字编码是指将汉字转换成二进制代码的过程汉字处理过程:通过汉字外码输入,以汉字内码存储,以汉字字形码输出外码输入码：是用来
15、将汉字输入到计算机中的一组键盘符号。机内码在微机内部的二进制代码。用于计算机之间或与终端之间信息交换时的汉字代码.由连续的两个字节组成.如国标码、BIG5等。字形码以点阵形式表示一个汉字。汉字的输出码，输出汉字采用图形方式，每个汉字在同样大小的方块中，用点阵表示。482.3.6汉字编码大国标码国标码汉字输入码汉字输入码汉字“大”如何输入、存储和显示的？输入“大”拼音输入：“da”字形输入：“dddd”输入计算机后，一个汉字对应唯一的编码492.3.6汉字编码机内码机内码汉字交换码是为了在不同汉字系统之间准确无误的交换汉字信息而制定的统一编码 汉字字形码汉字字形码在计算机中显示“大”对汉字的形状
16、进行的编码5050汉字信息处理代码转换过程汉字信息处理代码转换过程显示输出显示输出打印输出打印输出机内码向字形码转换机内码向字形码转换机内码机内码输入码向机内码转换输入码向机内码转换字符代码化（输入）字符代码化（输入）512.3.5字符编码字型码字型码机内码机内码输入码输入码“大”国标码：01101000 01110011机内码：11101000 11110011国标码国标码522.3.7多媒体数据的表示图像按编码方式可分为：u位图图像：由静态的像素点组成，直接按像素点位置画出，例如BMP,JPG,GIFu矢量图像：由若干特定点的位置和相关数学公式计算动态画出，例如wmf,emf,dwg532
17、.3.7多媒体数据的表示位图图像编码：由于位图图像的存储量大(水平像素数目垂直像素数目每像素位数)，通常都需要进行压缩存储，不同的压缩采用了不同的图像编码。水平像素点数垂直像素点数像素点的位数单色图像黑白(1位)灰度图像黑白之间灰度(8位)彩色图像16色(4位)256色(8位)24位真彩色32位真彩色542.3.7多媒体数据的表示声音552.3.7多媒体数据的表示视频数字化过程扫描采样量化编码模拟视频信号数字视频信号视频是是连续的的图像像图像是离散的像是离散的视频562.4数据的压缩2.4.1普通数据的压缩2.4.2图像的压缩572.4.1普通数据的压缩数据压缩可分成两种类型：无损压缩和有损压
18、缩u无损数据压缩是对文件的数据存储方式进行优化，压缩后信息不受损失，对压缩后的数据进行还原，得到的数据与原始数据完全相同。u有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，重构后的数据与原来的数据有所不同，但不影响人对原始资料表达的信息的理解。有损压缩适用于重构信号不一定非要和原始信号完全相同的场合。582.4.2图像的压缩图像数据的冗余主要表现为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数。592.4.2图像的压缩u图像压缩可以是有损数据压缩也可以是无
19、损数据压缩u无损压缩：即从压缩后的数据可以完全恢复原来的图像，信息没有损失。u有损压缩：压缩后的数据无法完全恢复原来的图像，信息有一定损失。602.5.1计算机硬件结构2.5.2处理器2.5计算机的硬件组成2.5.3存储器2.5.4输入输出设备612.5.1计算机硬件结构存储器输入设备输出设备运算器控制器冯冯 诺依曼体系诺依曼体系622.5.1计算机硬件结构632.5.1计算机硬件结构主板（华硕主板（华硕M5GM5G）642.5.1计算机硬件结构主板与外部设备的接口主板与外部设备的接口652.5.1计算机硬件结构存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器微机的硬件由C
20、PU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过I/O接口与系统相连；各部件通过总线连接。总线662.5.2处理器CPU是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来处理的。u运算器:主要是完成各种算术运算和逻辑运算。u控制器:用来协调和指挥整个计算机系统的操作。672.5.2处理器400480088086Core2P4P3P2Pentium8048680386682.5.2处理器2002年9月，“龙芯”1号研制成功2005年4月,64位CPU“龙芯“2号推出2008年，龙芯3号多核处理器推出狗剩狗剩1 1号号MZD110MZD110我国自主研发的CPU692.5.2处理器CPU的主要性能指
21、标：字长：64位机，一次能处理8个字节CPU主频：工作频率或时钟频率。主频的高低直接影响CPU的运算速度。指每秒能执行的指令条数。CPU外频：指CPU与周边设备进行数据传输的频率。在正常情况下，CPU总线频率与内存频率相同，两者之间数据交换速度跟着提高。地址总线宽度：CPU可以访问的物理地址空间。例如32位地址总线，可以直接访问4GB的物理空间。702.5 计算机硬件2.5.3 存储器计算机中的信息单位bit“0”/”1”1Kb(Kilobit)=1024 bits=210 bits1Mb(Megabit)=220 bits=1024Kb1Gb（Gigabit)=230 bits=1024Mb
22、1Tb(Tearbit)=240bits =1024GbByte1Byte=8 bit1KB=1024 Byte712.5.3存储器计算机存储器的三级存储结构存储器是计算机的记忆装置。RAMRAMROM ROM 硬盘等硬盘等Cache内存储器内存储器内存储器内存储器外存储器外存储器外存储器外存储器高速缓存高速缓存高速缓存高速缓存722.5.3存储器、半导体存储器半导体存储器、磁存储器磁存储器、光存储器光存储器732.5.3存储器按工作方式随机读写、只读、顺序读写、直接存取按信息保存易失性、非易失性按系统中的地位主存(内存)、辅存(外存)、高速缓存(Cache)742.5.3存储器主存储器简称主
23、存或内存。内存是CPU能够直接访问的存储器，所有的程序和数据只有被装入内存才能被执行和处理。76外存储器除计算机内存及缓存以外的存储器，CPU不能直接访问的存储器硬盘存储器硬盘存储器光盘存储器光盘存储器软盘存储器软盘存储器 移动存储器移动存储器77外存储器78磁盘结构及原理79硬盘容量=硬盘面数每面磁道数每磁道扇区数每扇区字节数例：若已知磁头数为16，柱面数为4096，扇区数为63，每扇区容量512字节，则：硬盘容量=164096635122.1GB802.5.4输入设备812.5.4输出设备823D打印快速成型技术中的一种。他是一种以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。83计算机硬件编码0和1二进制进制数计算机采用二进制不同进制数之间的转换编码数值编码、字符编码、汉字编码、多媒体数据表示总结