第2章

計算機組成原理和工作原理

知識點：軟、硬件的組成信息表示方法程序指令數據編碼

本章主要介紹了計算機的組成和工作原理，其中包括計算機的硬件軟件組成，信息表示方法的基本知識和指令系統等內容。通過本章的學習，相信讀者可以對計算機的組成有個初步的認識，并了解計算機的工作原理。2.1計算機軟硬件的組成計算機系統是由硬件系統和軟件系統組成的，如圖:2.1.1計算機硬件的概念2.1.2計算機硬件組成1．微型計算機的總線結構根據所傳遞的信息的不同，總線分為三種：（1）數據總線DB（DataBus）（2）地址總線AB（AddressBus）（3）控制總線CB（ControlBus）2．外設接口（1）串行接口（2）并行接口（3）通用串行總線USB（UniversalSerialBus）3．PC機的硬件配置（1）主板（2）中央處理器（CPU-centralprocessingunit核心器件-微處理器）（3）內存儲器（4）外存儲器

(5)輸入/輸出設備2.1.3計算機軟件的概念計算機軟件系統指在計算機硬件設備上運行的程序及相關文檔和數據。軟件是微機的靈魂，用來擴大計算機系統的功能和提高計算機系統的效率，通常承擔著計算機運行服務的全部技術支持。沒有安裝軟件的微機稱為“裸機”，無法完成任何工作。

軟件系統由系統軟件和應用軟件兩大部分構成:1．計算機系統軟件系統軟件通常負責管理，控制和維護計算機的各種軟硬件資源，并為用戶提供一個友好的操作界面，以及服務于一般目的的上機環境。系統軟件指：操作系統、語言處理系統，以及數據庫管理系統等。1）操作系統操作系統主要完成以下四個方面的工作：對存儲進行管理和調度對CPU進行管理和調度對輸入/輸出設備進行管理對文件系統及數據庫進行管理2）實用軟件2．計算機應用軟件應用程序軟件是用各種高級語言編寫出來的，一組有特定應用目的的程序組，用來執行各項特定的功能。3．操作系統平臺與實用軟件或應用軟件之間的關系用戶使用電腦時可能會發現，某某軟件僅用于DOS平臺，某某軟件可通知于Windows9X或WindowsXP等，這是什么意思呢？操作系統是系統軟件中最基礎的部分，它是用戶和裸機之間的接口。因此，又稱操作系統為平臺軟件。2.2計算機內的信息表示2.2.1數字化信息編碼1．數字化信息編碼的概念信息必須經過數字化編碼才能被處理。所謂編碼，是指采用約定的基本符號，按照一定的組合規則，表示出復雜多樣的信息，從而建立起信息與編碼之間的對應關系。信息送入計算機后以編碼的形式進行處理，從計算機輸出后又還原成原來的形式。2．計算機中的常用名詞1）位位是二進制數位（BinaryDigit）的縮寫，記為bit。例:（10101101）2占有8位。

2）字節（B）字節是在信息技術和數碼技術中用于表示信息的基本儲存單位或數量單位。對二進制數據進行儲存時，以八位二進制代碼作為一個單元存放在一起，稱為一個字節，記為byte。即1B=8bit。字節可以表示數字或字符。計算機存儲量的大小是由字節來衡量的。例:（10101101）2占有1個字節。3）字一條指令或一個數據信息稱為一個字（Word）。字是計算機存儲、傳輸、處理數據的信息單位。通常一組二進制數位叫做一個“字”。字是若干個字節的組合，1Word=nByte。4）字長

CPU中每個字所包含的二進制代碼位數的多少叫做一個“字長”。5）容量指存儲器所能存儲的字節數。容量是衡量計算機存儲能力常用的一個名詞。常用的容量單位有B、KB（千字節）、MB（兆字節）、GB（吉字節）、TB。1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB1K字節記為1KB，1M字節記為1MB，1G字節記為1GB，1T字節記為1TB。思考：962934272bit等于多少MB？1962934272bit=（1962934272÷8）B=245366784B

=（245366784÷210）KB=239616KB

=（239616÷210）MB=234MB2.2.2計算機中信息的表示方法1．計算機中數據的表示方法沒有涉及符號的數據稱為無符號數，除此之外，還有帶符號的數，通常用“+”和“-”來表示，但計算機中只有“1”和“0”兩個數字，所以一般規定，“0”表示正數，“1”表示負數。像這樣連符號也數碼化了的二進制數，稱為“機器數”，原來帶有“＋”、“－”號的二進制數稱為“真值”。例：十進制數＋75－75二進制數（真值）機器數＋1001011－10010110100101111001011符號絕對值計算機中符號數的表示方法有三種：原碼、反碼和補碼。

原碼一個二進制數同時包含符號和數值兩部分，用最高位（左邊第一位）表示數值的符號位，其余位表示數值的絕對值，這種表示帶符號數的方法為原碼表示法。例1：十進制數+17其原碼為00010001

十進制數-17其原碼為10010001

反碼是另一種表示有符號數的方法。對于正數，其反碼與原碼相同；對于負數，在求反碼的時候，保持原碼的符號位不變，其余各位按位取反，即“1”都換成“0”，“0”都換成“1”。例2：十進制數+17的原碼為00010001，反碼為00010001。十進制數-17的原碼為10010001，反碼為11101110。

補碼表示帶符號數的最直接的方法。對于正數，其補碼與原碼相同；對于負數，其補碼為反碼最低位加1。例3：十進制數+17的原碼為00010001，反碼為00010001，補碼為00010001。十進制數-17的原碼為10010001，反碼為11101110。補碼為11101111。在補碼表示中，零有惟一的編碼：[+0]補=[-0]補＝000000002．計算機中字符的編碼通常把字母、標點符號、特殊符號以及數字符號，通稱為“字符”。字符首先要轉換成二進制編碼形式（如ASCII碼）后，計算機才能對其處理。1）ASCII碼

ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformation），也稱為美國標準信息交換碼，是一種用來表示字母，符號的七位二進制碼。

ASCII碼是用七位二進制表示一個字符，由于從0000000到1111111共有128種編碼，可用來表示128個不同的字符。其中包括10個數字、26個小寫字母、26個大寫字母、運算符號、標點符號以及控制符號等。表2-2基本ASCII碼字符集2）BCD碼：（Binary-CodedDecimal）在日常生活中，人們習慣于十進制，而計算機只認識二進制，所以在計算機執行輸入與輸出操作時，使用了一種稱之為BCD（BinaryCodedDecimal——二進制編碼的十進制數)的編碼方法，將十進制數轉換成計算機能識別的二進制數，或將二進制數轉換成人們習慣的十進制。例：01100101如果將其看成為一個二進制數，則對應的十進制數為：（01100101）2

＝0×27＋1×26＋1×25＋0×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＝0＋64＋32＋0＋0＋4＋0＋1＝（101）10但如果將其理解為一組BCD碼的二進制數，則對應的十進制數為：（0110

0101）2

65＝(65)102.3數制及其特點計算機中的數據、信息都是以二進制形式編碼表示的。而人們習慣于用十進制數來表示數據。所以，必須熟悉計算機中數據的表示方式，并掌握二進制、十進制、八進制、十六進制之間的相互轉換。2.3.1進位計數制的特點所謂進位計數制就是把一組特定的數字符號按先后順序排列起來，由低位向高位進位計數的方法。在進位計數制中包含兩個基本要素：“基數”和“權”。1）基數一個計數制系統允許使用的基本數字符號（數符）的個數。例：十進制的基數為10，數符分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，二進制的基數是2，數符分別是0，1。2）權權也稱“位權”，是以基數為底的冪，表示處于該位的數字所代表的值的大小。在一個數字當中，處在不同位置上的相同數字所表示的值也是不同的。一個數字在某個位置上的值等于該數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點的距離來確定，這個因子就是位權。以十進數為例：個位“位權”為1（100），十位“位權”為10（101），百位“位權”為100（102），依此類推：n位“位權”為10n-1。小數以后的則為10-1

、10-2

、10-3

。（321）10=3×102+2×101+1×100

（101）2=1×22+0×21+1×20不論哪種進位計數制處于該位的數字所代表的值的大小，它們都有共同的計數規則和方法。其共同的規則和方法如下：1．計數規則——逢N進一N是指數制中所使用的數碼符號的總個數，稱為基數。例：十進制數使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十個數碼計數，基數N=10，故“逢十進一”；二進制數只使用0、1兩個數碼計數，基數N=2，故“逢二進一”；八進制數只使用0、1、2、3、4、5、6、7八個數碼計數，基數N=8，故“逢八進一”；十六進制數需使用0、1、2…9、A、B、C、D、E、F共16個數碼計數，基數N=16，因此應采用“逢十六進一”。2．計數方法——位權表示法在進位計數制中，數碼所處的位置不同，它所代表的值也就不相等。對每一個數位賦予的位值，在數學上叫做“權”（即位權）。某一位數碼所代表的值等于該數碼與該位的“位權”值的乘積。位權的值等于基數的若干次冪。例4：(286)10中，2的位權是100；8的位權是10；6的位權是1(247)8中，2的位權是64；4的位權是8，7的位權是1任何一個數都可以按位權展開式表示。例5：（710）8=7*82+1*81+0*80位權展開式又稱“乘權求和”。2.3.2常用計數制的表示方法日常生活中常見的進位計數制有十進制、七進制、十二進制、六十進制；不常見的有二進制、八進制和十六進制。1．十進制日常生活中最常見的是十進制數，基數為10，數符為0~9的計數系統。計數規則：（1）由數符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9構成（2）逢十進一2．二進制二進制數只有兩個代碼“0”和“1”，所有的數據都由它們的組合來實現。二進制數據在進行運算時，遵守“逢二進一，借一當二”的原則。計數規則：（1）由數符0、1構成（2）逢二進一3．八進制八進制數基數是8，數符為0~7的計數系統。計數規則：（1）由數符0、1、2、3、4、5、6、7構成（2）逢八進一4．十六進制十六進制數采用0~9和A、B、C、D、E、F六個英文字母一起構成十六個代碼。計數規則：（1）由數符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9,A,B,C,D,E,F構成（2）逢十六進一在數字后加字母B表示二進制數，加字母O表示八進制數，加字母D表示十進制數，加字母H表示十六進制數。例6：1011B為二進制數1011，也記為（1011）21357O為八進制數1357，也記為（1357）82049D為十進制數2049，也記為（2049）103FB9H為十六進制數3FB9，也記為（3FB9）16表2-4計算機中常用進制數的表示進位制二進制八進制十進制十六進制規則逢二進一逢八進一逢十進一逢十六進一基數r=2r=8r=10r=16數符0,10,1,…,70,1,…,90,1,…,9,A,B,C,D,E,F位權2i8i10i16i下標BODH結論：各種進位計數制中的“位權”的值恰好是基數的某次冪。例7：（101）D=1×102＋0×101＋1×100（101）B=1×22

＋0×21＋1×20=4+0+1=（5）D（101）O=1×82

＋0×81＋1×80=64+0+1=（65）D（101）H=1×162＋0×161+1×160=256+0+1=（257）D2.3.2計算機中內部采用的是二進制的原因1．容易表示二進制在物理上最容易實現，可以使用任何具有兩個不同穩定狀態的元件來表示。如:晶體管的導通與截止、電流的有無、電平的高低。2．運算簡單二進制的編碼及運算規則都比較簡單。“1”和“0”與“真”和“假”對應，易于邏輯判斷。傳輸和處理時不容易出錯，可保障計算機的高可靠性。2.4不同數制之間的轉換2.4.1數制之間的轉換1．二、八、十六進制數→十進制數把二進制數、八進制數、十六進制數轉換為十進制數，通常采用按權展開相加的方法，即把二進制數（或八進制數、十六進制數）寫成2（或8、16）的各次冪之和的形式，然后按十進制計算結果。例8：把二進制數（1011.101）2轉換成十進制數。解析：（1011.101）2

＝1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋1×2-1＋0×2-2＋1×2-3＝8＋0＋2＋1＋0.5＋0＋0.125＝（11.625）10

把八進制數（153.24）8轉換成十進制數。解析：（153.24）8

＝1×82＋5×81＋3×80＋2×8-1＋4×8-2

＝（107.3125）10把十六進制數（3AF.4）16轉換成十進制數。解析：（2AF.4）16

＝2×162＋10×161＋15×160＋4×16-1

＝（667.25）102．十進制數→二進制數為了將一個既有整數部分又有小數部分的十進制數轉換成二進制數，可以將其整數部分和小數部分分別轉換，然后再組合起來。1）十進制整數→二進制整數例9將十進制數69轉換成二進制數。解析：將十進制數69轉換成二進制數的過程如下：

2|69

低位

2|34………余數為12|17………余數為02|8………余數為1 倒

2|4………余數為0 排

2|2………余數為02|1………余數為00………余數為1，商為0，結束 高位

因此，(69)10=(1000101)2。2）十進制小數→二進制小數例10將十進制小數0.6875轉換成二進制小數。解析：將十進制小數0.6875轉換成二進制小數的過程如下：（以下這樣排列對）。0.6875×21.3750 整數部分為1 高位0.3750 余下的小數部分×20.7500 整數部分為00.7500 余下的小數部分 順×2

排1.5000 整數部分為10.5000 余下的小數部分×21.0000 整數部分為1 低位因此，（0.6875）10=（0.1011）2所以，（69.6875）10=（1000101.1011）2

3．十進制數→八/十六進制數1）十進制整數→八/十六進制整數十進制整數轉換成八進制整數可采用“除8取余”法。十進制整數轉換成十六進制整數可采用“除16取余”法。2）十進制小數→八/十六進制小數十進制小數轉換成八進制小數可采用“乘8取整”法。十進制小數轉換成十六進制小數可采用“乘16取整”法。上述運算過程較復雜，不提倡使用；推薦使用下述方法：十進制→二進制→八進制/十六進制或八進制/十六進制→二進制→十進制4．二進制數與八/十六進制數的轉換1）二進制數→八/十六進制數方法：根據23=8，將二進制數從小數點分開，分別向左、向右每3位一組，不夠3位時前、后分別補0，然后每組用1位八進制數碼寫出即可。例11（011,101.010）2=（35.2）8同理：根據24=16，將二進制數從小數點分開，分別向左、向右每4位一組，不夠4位時前、后分別補0，然后每組用1位十六進制數碼寫出即可。

(0001,1101.0100)2=（1D.4）162）八/十六進制數→二進制數方法：根據23=8，按整數和小數，分別將每一位八進制數用3位二進制數碼寫出即可，前、后0可省略。例12（35.2）8=（11,101.01）2=（29.25）10同理：根據24=16，按整數和小數，分別將每一位十六進制數用4位二進制數碼寫出即可，前、后0可省略。（1D.4）16=（1,1101.01）2=（29.25）10表2-5常用計數制的表示方法十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F161000020102.4.2二進制數的基本運算1．算術運算

1）加法運算二進制加法運算法則（3條）：①0＋0＝0②0＋1＝1＋0＝1③1＋1＝10（逢二進一）例:求（1011011）2

＋（1010.11）2

1011011

＋

）

1010.11

1100101.11則（1011011）2

＋（1010.11）2＝（1100101.11）22）減法運算二進制減法運算法則（3條）：①

0－0＝1－1＝0②0－1＝1（借一當二）③1－0＝1例:求（1010110）2

－（1101.11）21010110

－)

1101.11

1001000.01則（1010110）2

－（1101.11）2＝（1001000.01）23）乘法運算二進制乘法運算法則（3條）：①

0×0＝0②

0×1＝1×0＝0③1×1＝1例:求（1011.01）2×（101）2

1011.01

×)

101

101101

000000

＋)101101

11100001則（1011.01）2×（101）2＝（111000.01）24）除法運算二進制除法運算法則（3條）：①

0÷0＝0②

0÷1＝0③1÷1＝1例：求（100100.01）2÷（101）2

111.01

101

-)

101

1000

-)

101

110

-)

101

0101

-)

101

0則（100100.01）2÷（101）2＝（111.01）22．邏輯運算邏輯是指條件與結論之間的關系。因此，邏輯運算是指對因果關系進行分析的一種運算，運算結果并不表示數值大小，而是表示邏輯概念，即成立還是不成立。計算機的邏輯關系是一種二值邏輯，二值邏輯可以用二進制的1或0來表示，例如：1表示“成立”、“是”或“真”，0表示“不成立”、“否”或“假”等。若干位二進制數組成邏輯數據，位與位之間沒有“權”的內在聯系。在邏輯代數中有3種基本的邏輯關系：邏輯非、邏輯與、邏輯或。其他復雜的邏輯關系均可由這3種基本邏輯關系組合而成。1）與運算（邏輯乘法）當一個命題的結論取決于多種因素時，當且僅當所有因素都滿足時結論才為真，否則就為假，這種因果關系稱為與邏輯。用來表達和推演與邏輯關系的運算稱為與運算，與運算符常用×、∧、∩或AND表示。與運算法則(4條)：①0∧0＝0②0∧1＝0③1∧0＝0④1∧1＝1兩個二進制數進行與運算是按位進行的。例：求10111001∧11110011

10111001

∧)

11110011

10110001則10111001∧11110011＝101100012）或運算(邏輯加法)

當一個命題的結論取決于多種因素時，只要其中一個因素滿足時結論就為真，當且僅當所有都不滿足時才為假，這種因果關系稱為或邏輯。用來表達和推演或邏輯關系的運算稱為或運算，或運算符常用＋、∨、∪或OR表示。或運算法則(4條)：①0∨0＝0②0∨1＝1③1∨0＝1④1∨1＝1兩個二進制數進行或運算是按位進行的。例：求10100001∨10011011

10100001

∨)

10011011

10111011則10100001∨10011011＝101110113）非運算（邏輯否定）非運算實現邏輯否定，即進行求反運算。非運算符常用NOT