信息处理技术员教程-计算机硬件基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,信息处理技术员教程,全国计算机技术与软件专业技术资格（水平）考试办公室,第一章 计算机硬件基础,计算机硬件基础知识历来都是信息处理技术员考试的一个重点。,考试大纲中涉及本章的考点如下：,（,1,）数据运算,（,2,）数据表示,（,3,）主板的结构,（,4,）,CPU,的组成,（,5,）存储器,（,6,）常用,I/O,设备,1.1 计算机概述,计算机是一种能自动、高速、正确地完成数值计算、数据处理和实施控制等功能的电子设备。,1946,年，世界上第一台计算机,ENIAC,诞生在美国，经过,60,多年的发展，计算机的运算能力、外形结构及应用领域等都发生了极大的变化。,它的诞生、发展和应用彻底改变了人类社会的生产、生活学习和娱乐方式。,1.1.1 计算机的组成部件,一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。,1,、 冯,诺依曼提出的设计思路。主要内容如下：,(1),计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成。,(2),计算机内部采用二进制数来表示程序和数据。,(3),采用“存储程序并顺序执行”的原理。,图,计算机系统的基本组成,计算机的系统结构,控制器,只读存储器（,ROM）,随机读写存储器（,RAM,）,硬件系统,计算机系统,主机,外部设备,软件系统,系统软件（,操作系统、语言处理程序、数据,库管理程序、诊断维护程序等）,应用软件（各种MIS系统、,Office、Photoshop,等）,中央处理器,内存储器,运算器,输入设备（键盘、鼠标、扫描仪、其他）,输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）,外存储器（硬盘、软盘、光盘）,2、计算机的硬件系统,组成计算机的基本部件有,运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备，它们通过总线互连，就构成了计算机的硬件系统。,中央处理器（,CPU,）是运算器和控制器的合称，是硬件的核心，主要厂家,Intel,和,AMD,。,1,、,CPU,。主要工作时执行指令，按照指令的要求对数据进行运算和处理，这部分工作由运算器和控制器分工合作完成。,运算器：由算术逻辑部件（,ALU,）、寄存器组以及一些控制电路组成。,控制器负责对指令进行译码，产生一系列控制信号，指挥和协调计算机的各个部件有序工作。包括部件如下：,指令寄存器（,IR,）,指令译码器（,ID,）,程序计数器（,PC,）,微操作信号发生器,2,、主存储器,简称主存，用于存放当前执行的程序和需要使用的数据，存储速度快，,CPU,可直接访问。,存储体,地址译码器,地址寄存器,数据缓冲寄存器,读,/,写控制电路,地,址,译,码,器,地,址,寄,存,器,数,据,缓,冲,寄,存,器,存储体,读,/,写控制电路,主存储器结构示意图,外存储器,也称为辅助存储器，其特点是存储容量大、成本低，可脱机保存信息，但,CPU,不可以直接访问。,常见的外存储器包括软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、移动硬盘以及,U,盘等。,高速缓存存储器 Cache,它是位于,CPU,和主存储器之间，容量较小但存取速度很高的存储器，用于保存主存储器中一部分内容的副本。当主机读,/,写数据时，首先访问,Cache,，只有在,Cache,中不含所需数据时，,CPU,才会访问主存，从而很好地解决了,CPU,和主存储器的速度不匹配问题。,外部设备,也称外围设备，简称外设，主要包括输入设备和输出设备。常用外部设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪及扫描仪等。,总线：连接计算机中各部件的数据通路。,总线包括数据总线,(DB),、地址总线,(AB),和控制总线,(CB),。,3.计算机的软件系统,系统软件,应用软件,1.1.2计算机的应用,科学计算,自动控制,信息处理,计算机辅助设计,/,辅助制造（,CAD/CAM,）,辅助教学和医疗,人工智能,1.1.3计算机的分类,目前计算机种类非常多，按照用途可以分为通用计算机和专用计算机。按照运算速度可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机。按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机等。,1.2 数据运算,二进制是计算机功能得以实现的数字基础，任何计算机应用中的数据在机器内部都表示为“,0”,和“,1”,组成的二进制代码串，数据处理最终都将转换为二进制基本运算。,1.2.1 数制及其转换,1,、进位计数制,数制：用一组固定的数字符号和一套统一的规则来表示数目的方法,。常用的进制有：,2,进制，,8,进制，,10,进制，,16,进制。,基数：某进制所允许使用的基本数字符号。,2,，,8,，,10,，,16,。,位权,(,数的值不仅取决于数码的大小还取决于它所在的位置）：基数的,i,次方。如：,132.5,110,2,310,1,210,0,5,的,10,-1,基数：,10,位权：,10,2,，,10,1,，,10,0,，,10,-1,2、不同数制之间的转换,一、,R,进制转十进制,方法：按权展开求和。,1,、二进制转换为十进制,101B,1 2,2,0 2,1,1 2,0,5,D,10101B=12,4,+02,3,+12,2,+02,1,+12,0,=21D,111.11B=12,2,+12,1+,12,0,+12,-1,+12,-2,=7.75D,2,、八进制转化为十进制,(172),8,1 8,2,7 8,1,2 8,0,(122),10,3,、十六进制转化为十进制,(5C),16,516,1,1216,0,(92),10,二、十进制转,N,进制,方法,:,将十进制数整数和小数分开转换,再将结果合并。,整数部分： 除以基数逆向取余法,.,小数部分： 乘以基数顺向取整法,.,1,、十进制转换为二进制,十进制整数转换：除以,2,逆向取余,10D=1010B,十进制小数转换：乘,2,顺向取整, 2,0.125, 2,0.250, 2,0.500,1.,000,结束标志,0,.,0,0,1,取整,（,10.125,）,10,（,1010.001,）,2,（,0.125,）,10,（,0.001,）,2,(172),8,1 8,2,7 8,1,2 8,0,(122),10,八进制,(172),8,172 O 172 Q,(336),8,？,2,、八进制转化为十进制,(5C),16,516,1,1216,0,(92),10,十六进制,(5C),16,5C H,(A2),16,？,(FF),16,？,3,、十六进制转化为十进制,方法,:,将十进制数整数和小数分开转换,再将结果合并。,整数部分：整除（基数）逆向取余法,.,小数部分：乘基（数）顺向取整法,.,二、十进制转,R,进制,(P11),1,、十进制转换为二进制,十进制整数转换：除以,2,逆向取余,10D=1010B,逆向取余,注：除到商为零停止,5,0,2,2,1,2,1,0,0,2,1,10,2,十进制小数转换：乘,2,顺向取整, 2,0.125, 2,0.250, 2,0.500,1.,000,结束标志,0,.,0,0,1,取整,（,10.125,）,10,（,1010.001,）,2,（,0.125,）,10,（,0.001,）,2,练习题,将下列十进制转为二进制，精确到,4,位小数,(54),10,(,110110,),2,(15.73),10,(,1111.1011,),2,2,、十进制转换成八进制,整数部分：除,8,逆向取余,264D,？,3,、十进制转换成十六进制,整数部分：除,16,逆向取余,287D,？,171D=?,（,71,）,10,=( ),2|8|16,三、二进制与八进制的转换,1,、二进制,八进制,(,三位一组法,),111101001B=111 101 001B=751Q,10110B=,0,10 110B=26Q,11000.11=,0,11 000. 11,0,B=30.6Q,2,、八进制,二进制,(,扩展三位法,),345Q=,0,11 100 101B=11100101B,632Q=110 011 010B=110011010B,四、二进制与十六进制的转换,1,、二进制,十六进制,(,四位一组法,),111001B=,00,11 1001B=39H,1111000111B=,00,11 1100 0111B=3C7H,2,、十六进制,二进制,(,扩展四位法,),2CH=0010 1100B=101100B,62DH=0110 0010 1101B=11000101101B,典型错误,1D2H=001 1101 010B=11101010B,计算机中数据存储单位,1.,位：一个二进制位，一个“,1”,，或者一个“,0”,。最小单位，英文名,bit,2.,字节：八位为一个字节。英文名,Byte,，简写为,B ,1Byte=8bit,千字节,KB,1 KB = 1024Byte = 2,10,Byte,兆字节,MB 1 MB = 1024KB,吉字节,GB 1 GB = 1024MB,三、带符号数在计算机内部的表示（,P13),在计算机中，对于,n,位二进制数将其,最高位作为符号位，,0,表示正数，,1,表示负数,如：,带符号数（有符号数）,01101101,正数,11000110,负数,11101101,负数,01101101,正数,10001111,负数,01110001,正数,数的符号位连同该数值本身一起作为一个数称为机器数，机器数的二进制编码有原码、反码、补码三种。,原码、反码、补码,(P13-14),1,、 原码,符号位除外（,0,正,1,负），数值部分为该数绝对值的二进制,用,1,个字节表示,（,12,）原码,= 0000 1100,（,-12,）原码,= 1000 1100,用,2,个字节表示,（,12,）原码,= 00000000 00001100,（,-12,）原码,= 10000000 00001100,原码、反码、补码,2,、反码,正数的反码与原码相同，负数的反码符号位不变，其余数位取反。,（,12,）反码,= 0000 1100,（,-12,）反码,= 1111 0011,3,、补码,正数的补码与原码相同，负数的补码等于反码加,1,（,12,）补码,=0000 1100,（,-12,）补码,=1111 0100,原码、反码、补码,正数：原码，反码，补码都相同,负数：原码，,符号位除外，数值部分为该数绝对 值的二进制,反码,=,原码除符号位外求反,补码,=,反码,+1,例,1,：十进制数,5,在微机内的存储形式是（,D,）,A,00000101 B,10000101,C,11111010 D,11111011,例,2,：用一个字节表示十进制数,-15,的补码是,1111 0001,数值数据编码,非数值数据编码,定点数,浮点数,西文字符,中文字符,声音,图像,视频,整数,小数,有符号整数,无符号整数,计算机中,数据,的存储与编码,数值数据编码,（,1,）定点数的表示,定点整数的小数点位置约定在最低位后面,有符号整数,：,最高位为符号位，,0,为正；,1,为负,无符号整数,：,都是数值位，没有符号位。,例：,0010001110001111,8,位有符号整数,35,15(,原码）,8,位,无符号整数,35 143,下列数值能用,8,位二进制表示的是,A. 257 B. 300 C. 200 D. 29,定点小数的小数点约定在最高数值位的前面，符号位的后面,。,浮点数由阶码和尾数两部分组成：,阶符,阶码,数符,尾数,阶码部分,尾数部分,（,2,）浮点数,(,实数）的表示,(P15),例,1,：二个字节存放一个整数，如：,+11136,例,2,：四个字节存放一个实数，如：,110,6,0,0101011,10000000,数值位,符号位,0,0000110,11111111 1111111111111111,1,阶符,阶码,数符,尾数,非数值数据编码,1,、,ASCII,码,最基本、最常用的非数值数据是由字符（汉字字符和西文字符）组成的。西文字符普遍采用,ASCII,码表示（,P14,),ASCII,码是美国标准信息交换码,(American standard code for Information Interchange),是微型计算机中表示字符的常用编码。,标准的,ASCII,码是用一个字节表示的，最高位置为“,0”,，用,7,位二进制数编码，总共可以表示,128,个字符。,ASCII,码的新版本是把原来的,7,位码扩展成,8,位码，因此它可以表示,256,个字符。,教材,P207,和下页列出了,ASCII,编码表。其中，每个字符的列标题为其编码的高三位，行标题为其编码的低四位：,若干重要字符的编码为：,NUL,（空） （,000 0000,）,2,=,（,0,）,10,=,（,0,）,16,回车（,CR,） （,000 1101,）,2,=,（,13,）,10,=,（,0,D,）,16,空格（,SP,） （,010 0000,）,2,=,（,32,）,10,=,（,20,）,16,数字,0,（,011 0000,）,2,=,（,48,）,10,=,（,30,）,16,数字,9,（,57,）,10,=,（,39,）,16,字母,A,（,65,）,10,=,（,41,）,16,字母,Z,（,90,）,10,=,（,5A,）,16,字母,a,（,97,）,10,=,（,61,）,16,字母,z,（,122,）,10,=,（,7A,）,16,1,、定点加减运算,二进制数补码的运算,补码的运算规则是：,X+Y,补,= X,补,+ Y,补,X,Y,补,= X,补,+ ,Y,补,已知,Y,补,，求,Y,补,的方法是将,Y,补,各位按位取反,(,包括符号位在内,),末位加,1,。,现举例说明以上两个公式的正确性。,1.2.3,算术运算,【例,1-18,】 设,X1= + 0001100 X2 =,0001100,Y1 = + 0000101 Y2 =,0000101,则,X1,补,= 00001100X2,补,= 11110100,Y1,补,= 00000101Y2,补,= 11111011,计算,X1 + Y1,。,+ 0001100 X1 0 0001100X1,补,+) + 0000101 Y1 +) 0 0000101Y1,补,+ 0010001 X1+Y1 0 0010001X1,补,+Y1,补,因为：,X1+Y1,补,= +0010001,补,= 0 0010001 = X1,补,+ Y1,补,所以：,X1+Y1,补,= X1,补,+ Y1,补,计算,X1,Y1,。,+ 0001100X10 0001100X1,补,) + 0000101Y1 +) 1 1111011,Y1,补,+ 0000111X1,Y1 10 0000111X1,补,+,Y1,补,自然丢失,因为：,X1,Y1,补,= +0000111,补,= 0 0000111 = X1,补,+ ,Y1,补,所以：,X1,Y1,补,= X1,补,+ ,Y1,补,计算,X2 + Y2,。,0001100 X2 1 1110100 X2,补,+),0000101 Y2+) 1 1111011 Y2,补,0010001 X2+Y2 1 1101111 X2,补,+Y2,补,自然丢失,因为：,X2+ Y2,补,= ,0010001,补,= 1 1101111 = X2,补,+ Y2,补,所以：,X2 + Y2,补,= X2,补,+ Y2,补,计算,X2 - Y2,。,0001100X21 1110100X2,补,),0000101Y2 +)0 0000101,Y2,补,0000111X2 - Y2 1 1111001X2,补,+,Y2,补,因为：,X2 - Y2,补,= ,0000111,补,= 1 1111001 = X2,补,+ ,Y2,补,所以：,X2 - Y2,补,= X2,补,+ ,Y2,补,由此可看出，计算机引入了补码编码后，带来了以下几个优点：,(1),减法转化成了加法，这样大大简化了运算器硬件电路的设计，加减法可用同一硬件电路进行处理。,(2),运算时，符号位与数值位同等对待，都按二进制数参加运算，符号位产生的进位丢掉不管，其结果是正确的。这大大简化了运算规则。,运用以上两个公式时，要注意以下两点：,(1),公式成立有个前提条件，就是运算结果不能超出机器数所能表示的范围，否则运算结果不正确，按“溢出”处理。,例如，设机器字长为,8,位，则,128N+127,，计算,(+64)+(+65),。,+ 640 1000000,+) + 65+)0 1000001,+1291 0000001,127,显然这个结果是错误的。究其原因是：,(+64)+(+65)= +129,+127,，超出了字长为,8,位所能表示的最大值，产生了“溢出”，所以结果值出错。,再如，计算,(,125)+(,10),。,1251 0000011,+),10+)1 1110110,135 10 1111001+121,显然，计算结果也是错误的。其原因是：,(,125)+(,10)=,135,128,，超出了字长为,8,位所能表示的最小值，产生了“溢出”，所以结果出错。,(2),采用补码运算后，结果也是补码，欲得运算结果的真值，还需进行转换。,2、浮点加减运算,完成加减运算，需要包括下述步骤：,(1),零操作数检查,(2) “,对阶”操作,(3),尾数相加减,(4),尾数规格化,(5),舍入处理,3,、浮点乘除运算,1) “,与”运算,(AND),“,与”运算又称逻辑乘，用符号,或,表示。其运算规则为,00 = 0,01 = 0,10 = 0,11 = 1,当两个逻辑变量取值均为,1,时，它们“与”的结果才为,1,。,1.2.4,逻辑运算,2) “,或”运算,(OR),“,或”运算又称逻辑加，用符号,+,或,表示。其运算规则为,0 + 0 = 0,0 + 1 = 1,1 + 0 = 1,1 + 1 = 1,当两个逻辑变量的取值只要一个为,1,，它们“或”的结果就会为,1,。,3) “,非”运算,(NOT),“,非”运算用符号,来表示。其运算规则为,1=0,0=1,4) “,异或”运算,(XOR),“,异或”运算用符号,或,来表示。其运算规则为,00 = 0,01 = 1,10 = 1,11 = 0,当两个逻辑变量取值不相同时，它们“异或”的结果才为,1,。,要注意的是，一个逻辑数据用一位基,2,码表示，这样，,8,个逻辑数据用,8,位基,2,码表示，这,8,位基,2,码可存放在一个字节中。反过来说，一个,32,位的字就可以表示,32,个逻辑数据。,1.2.5 字符编码,1,、字符的表示,2,、汉字的表示,（,1,）国标码,（,2,）区位码,（,3,）机内码,1.3 指令系统,指令是指示计算机执行某种操作的命令，一台计算机所有指令的集合构成该机器的指令系统。,1.3.1,计算机指令,每条指令都包含两个基本部分：操作码，表示指令执行什么功能；地址码，表示参与操作的数据的地址。,操作码 地址码,1.3.2 指令执行控制,在,CPU,中，一条指令的运行包括取指、分析和执行,3,个步骤。,(1),取指,(2),分析（指令译码）,(3),执行,常用的指令执行方式包括下述,3,种。,（,1,）顺序执行方式（,2,）超前执行方式,（,3,）流水线方式,1.4 存储体系,存储介质是指用来制作存储信息的物质。存储器按存储介质分类可分为半导体存储器、磁存储器和光存储器。,该存储体系存在下述两个存储层次。,（,1,）,Cache-,主存存储层次,（,2,）主存,-,辅存存储层次,CPU,Cache,主存,辅存,辅助硬件,辅助硬件,1.4.1 主存储器,1,、主存记忆元件,主存储器按照存取限制可以分为,RAM(,随机存储器,),和,ROM(,只读存储器,),两种。前者既可以在线存,(,写,),又可以在线取,(,读,),，后者只能在线取,(,读,),。,(1)RAM:SRAM,DRAM.,(2)ROM:PROM,EPROM,EEPROM.,2,、主存储器组成,主存储器主要由存储体、地址译码驱动电路、读,/,写电路和时序控制电路等组成。,3,、主存工作模式,(1)SDRAM,(2)DDR SDRAM,(3)RDRAM,(4)XDR DRAM,4、主存储器的主要性能指标,（,1,）每位成本,（,2,）容量,（,3,）存取速度,访问时间,Ta,存取周期,Tm,主存带宽,Bm,（,4,）信息的可靠保存性、非易失性和可更改性,（,5,）可靠性,1.4.2,辅助存储器,1,、磁表面存储器,磁盘、磁带都是磁表面存储器，其信息存储于涂覆在载体表面，厚度为,0.0245um,左右的磁层上。,磁记录格式规定了一连串的二进制数字数据与磁层存储元的相应磁化翻转形式互相转换的规则，常用的有下面几种。,(1),归零制,(RZ),(2),不归零制,(NRZ),(3),调相制,(PE,或,PM),(4),调频制,(FM,或,FD),评价硬盘性能好坏，主要参照下述指标,1,、记录密度,2,、硬盘容量,3,、主轴转速,4,、寻道时间,5,、平均存取时间,6,、缓冲存储区大小,7,、数据传输率,8,、误码率,2,、磁盘阵列,RAID,3,、光盘存储器,特点：,（,1,）记录密度高、存储容量大。,（,2,）采用非接触方式读,/,写，没有磨损，可靠性高,（,3,）可长期保存信息,（,4,）成本低廉，易于大量复制,（,5,）存储密度高，体积小，能自由更换盘片,（,6,）误码率在,10,-10,10,-17,以下,（,7,）存取时间为,100500MS,，数据存取速度比磁盘略低，基本速度为,150MBPS,1.4.3高速缓冲存储器,（,1,）直接映射方式,（,2,）全相联映射方式,（,3,）组相联映射方式,Cache,的更新策略，主要有如下方式。,（,1,）写直达法,（,2,）写回法,（,3,）写一次法,1.5常用I/O接口与设备,在计算机系统中，接口是指,CPU,与内存和外部设备之间、两种外部设备间或两种机器之间连接的逻辑部件。,1.5.1 I/O接口管理,1,、接口的功能,（,1,）数据转换,（,2,）数据缓冲与时序配合,（,3,）提供外部设备和接口的状态,（,4,）实现主机与外部设备之间的通信联络控制,（,5,）电平匹配和负载匹配,（,6,）程序中断,2、接口的组成,（,1,）数据缓冲寄存器,（,2,）控制寄存器,（,3,）状态寄存器,（,4,）内部定时与控制逻辑,3、接口的分类,（,1,）按照数据传输宽度分类,并行接口,串行接口,（,2,）按操作的节拍分类,同步接口,异步接口,（,3,）按信息传送的控制方式分类：程序控制,I/O,接口和程序中断,I/O,接口和直接存储器存取,DMA,接口。,1.5.2 输入设备,输入设备用于外界将数据、程序输入到计算机内存，供计算机处理。主要包括键盘、鼠标、笔输入设备、扫描仪、数码相机、声音输入设备及视频输入设备等。,1.5.3输出设备,输出设备用于将计算机处理后的结果信息，转换成外界能够识别和使用的数字、文字、图形、图像、声音及电压等信息形式。,主要包括显示器、打印机、绘图仪、声音输出设备和视频输出设备。,1.6 系统性能指标,1.6.1,可靠性相关概念,可靠性用平均无故障时间（,MTTF,）来衡量，即计算机系统平均能够正常运行多长时间，才发生一次故障。,1.6.2 可靠性计算,1,、串行系统,2,、并行系统,3,、混联系统,1.6.3 容错,所谓容错是指在故障存在情况下计算机系统不失效，仍然能够正常工作的特性，确切地说是容故障，而不是容错误。在一定程度上容忍故障的技术称为容错技术，也称为故障掩盖技术，采用容错技术的系统称为容错系统。,1,、硬件冗余,2,、软件冗余,