信息處理技術員教程—

全國計算機技術與軟件專業技術資格（水平）考試辦公室學時：72主講教師：劉愛國電話Q：709412000信息處理技術員教程—

全國計算機技術與軟件專業技術資格（水平1第一章計算機硬件基礎計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技術員考試的一個重點。考試大綱中涉及本章的考點如下：（1）數據運算（2）數據表示（3）主板的結構（4）CPU的組成（5）存儲器（6）常用I/O設備第一章計算機硬件基礎計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技21.1計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數值計算、數據處理和實施控制等功能的電子設備。1946年，世界上第一臺計算機ENIAC誕生在美國，經過60多年的發展，計算機的運算能力、外形結構及應用領域等都發生了極大的變化。它的誕生、發展和應用徹底改變了人類社會的生產、生活學習和娛樂方式。1.1計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數值計31.1.1計算機的組成部件一個完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統組成。1、馮·諾依曼提出的設計思路。主要內容如下：(1)計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。(2)計算機內部采用二進制數來表示程序和數據。(3)采用“存儲程序并順序執行”的原理。1.1.1計算機的組成部件一個完整的計算機系統由硬件系統和4圖

計算機系統的基本組成

計算機的系統結構

控制器

只讀存儲器（ROM）

隨機讀寫存儲器（RAM）硬件系統計算機系統主機外部設備軟件系統系統軟件（操作系統、語言處理程序、數據庫管理程序、診斷維護程序等）

應用軟件（各種MIS系統、Office、Photoshop等）中央處理器內存儲器運算器輸入設備（鍵盤、鼠標、掃描儀、其他）輸出設備（顯示器、打印機、繪圖儀等）外存儲器（硬盤、軟盤、光盤）圖計算機系統的基本組成計算機的系統結構52、計算機的硬件系統組成計算機的基本部件有運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備，它們通過總線互連，就構成了計算機的硬件系統。中央處理器（CPU）是運算器和控制器的合稱，是硬件的核心，主要廠家Intel和AMD。1、CPU。主要工作時執行指令，按照指令的要求對數據進行運算和處理，這部分工作由運算器和控制器分工合作完成。運算器：由算術邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成。控制器負責對指令進行譯碼，產生一系列控制信號，指揮和協調計算機的各個部件有序工作。包括部件如下：①指令寄存器（IR）②指令譯碼器（ID）③程序計數器（PC）④微操作信號發生器2、計算機的硬件系統組成計算機的基本部件有運算器、存儲器、控62、主存儲器

簡稱主存，用于存放當前執行的程序和需要使用的數據，存儲速度快，CPU可直接訪問。存儲體地址譯碼器地址寄存器數據緩沖寄存器讀/寫控制電路地址譯碼器地址寄存器數據緩沖寄存器存儲體讀/寫控制電路主存儲器結構示意圖2、主存儲器

簡稱主存，用于存放當前執行的程序和需要使用的數7外存儲器也稱為輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機保存信息，但CPU不可以直接訪問。常見的外存儲器包括軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、移動硬盤以及U盤等。外存儲器也稱為輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機8高速緩存存儲器Cache它是位于CPU和主存儲器之間，容量較小但存取速度很高的存儲器，用于保存主存儲器中一部分內容的副本。當主機讀/寫數據時，首先訪問Cache，只有在Cache中不含所需數據時，CPU才會訪問主存，從而很好地解決了CPU和主存儲器的速度不匹配問題。高速緩存存儲器Cache它是位于CPU和主存儲器之間，容量9外部設備也稱外圍設備，簡稱外設，主要包括輸入設備和輸出設備。常用外部設備包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、繪圖儀及掃描儀等。總線：連接計算機中各部件的數據通路。總線包括數據總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。外部設備也稱外圍設備，簡稱外設，主要包括輸入設備和輸出設備。103.計算機的軟件系統系統軟件應用軟件3.計算機的軟件系統系統軟件111.1.2計算機的應用科學計算自動控制信息處理計算機輔助設計/輔助制造（CAD/CAM）輔助教學和醫療人工智能1.1.2計算機的應用科學計算121.1.3計算機的分類目前計算機種類非常多，按照用途可以分為通用計算機和專用計算機。按照運算速度可分為巨型機、大型機、小型機、工作站和微型計算機。按照所處理的數據類型可分為模擬計算機、數字計算機和混合計算機等。1.1.3計算機的分類目前計算機種類非常多，按照用途可以分為131.2數據運算二進制是計算機功能得以實現的數字基礎，任何計算機應用中的數據在機器內部都表示為“0”和“1”組成的二進制代碼串，數據處理最終都將轉換為二進制基本運算。1.2數據運算二進制是計算機功能得以實現的數字基礎，任何計141.2.1數制及其轉換1、進位計數制數制：用一組固定的數字符號和一套統一的規則來表示數目的方法。常用的進制有：2進制，8進制，10進制，16進制。基數：某進制所允許使用的基本數字符號。2，8，10，16。位權(數的值不僅取決于數碼的大小還取決于它所在的位置）：基數的i次方。如：132.5＝1×102＋3×101＋2×100＋5×的10-1基數：10位權：102，101，100，10-11.2.1數制及其轉換1、進位計數制152、不同數制之間的轉換一、R進制轉十進制方法：按權展開求和。1、二進制轉換為十進制101B＝1×22＋0×21＋1×20＝5D10101B=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20=21D111.11B=1×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2=7.75D2、不同數制之間的轉換一、R進制轉十進制162、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×81＋2×80＝(122)103、十六進制轉化為十進制(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)102、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×817二、十進制轉N進制方法: 將十進制數整數和小數分開轉換,再將結果合并。 整數部分：除以基數逆向取余法. 小數部分：乘以基數順向取整法.二、十進制轉N進制方法:181、十進制轉換為二進制十進制整數轉換：除以2逆向取余10D=1010B1、十進制轉換為二進制19十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×20.250×20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10＝（1010.001）2（0.125）10＝（0.001）2十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×20(172)8＝1×82＋7×81＋2×80＝(122)10八進制 (172)8 172O172Q(336)8＝？2、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×81＋2×80八進21(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)10十六進制 (5C)16 5CH(A2)16＝？ (FF)16＝？3、十六進制轉化為十進制(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)122方法: 將十進制數整數和小數分開轉換,再將結果合并。 整數部分：整除（基數）逆向取余法. 小數部分：乘基（數）順向取整法.二、十進制轉R進制(P11)方法:二、十進制轉R進制(P11)231、十進制轉換為二進制十進制整數轉換：除以2逆向取余10D=1010B

逆向取余注：除到商為零停止5…022…121…002…11021、十進制轉換為二進制逆向取余注：除到商為零停止5…022…24十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×20.250×20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10＝（1010.001）2（0.125）10＝（0.001）2十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×25練習題將下列十進制轉為二進制，精確到4位小數(54)10

＝(110110)2(15.73)10 ＝(1111.1011)2練習題將下列十進制轉為二進制，精確到4位小數262、十進制轉換成八進制整數部分：除8逆向取余264D＝？3、十進制轉換成十六進制

整數部分：除16逆向取余

287D＝？ 171D=?（71）10=()2|8|162、十進制轉換成八進制3、十進制轉換成十六進制（71）10=27三、二進制與八進制的轉換二進制八進制00000011010201131004101511061117三、二進制與八進制的轉換二進制八進制00000011010281、二進制－>八進制(三位一組法)111101001B=111101001B=751Q10110B=010110B=26Q11000.11=011000.110B=30.6Q2、八進制－>二進制(擴展三位法)345Q=011100101B=11100101B632Q=110011010B=110011010B1、二進制－>八進制(三位一組法)2、八進制－>二進制(29四、二進制與十六進制的轉換二進制十六進制二進制十六進制00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F四、二進制與十六進制的轉換二進制十六進制二進制十六進制000301、二進制－>十六進制(四位一組法)111001B=00111001B=39H1111000111B=001111000111B=3C7H2、十六進制－>二進制(擴展四位法)2CH=00101100B=101100B62DH=011000101101B=11000101101B典型錯誤 1D2H=0011101010B=11101010B1、二進制－>十六進制(四位一組法)2、十六進制－>二進制31計算機中數據存儲單位1.位：一個二進制位，一個“1”，或者一個“0”。最小單位，英文名bit2.字節：八位為一個字節。英文名Byte，簡寫為B,1Byte=8bit千字節KB1KB=1024Byte=210Byte兆字節MB1MB=1024KB吉字節GB1GB=1024MB計算機中數據存儲單位1.位：一個二進制位，一個“1”，或者一32三、帶符號數在計算機內部的表示（P13)

在計算機中，對于n位二進制數將其最高位作為符號位，0表示正數，1表示負數如：帶符號數（有符號數）01101101正數11000110負數11101101負數01101101正數10001111負數01110001正數數的符號位連同該數值本身一起作為一個數稱為機器數，機器數的二進制編碼有原碼、反碼、補碼三種。三、帶符號數在計算機內部的表示（P13)在計算機中33原碼、反碼、補碼(P13-14)1、原碼符號位除外（0正1負），數值部分為該數絕對值的二進制用1個字節表示（12）原碼=00001100（-12）原碼=10001100用2個字節表示（12）原碼=0000000000001100（-12）原碼=1000000000001100原碼、反碼、補碼(P13-14)1、原碼34原碼、反碼、補碼2、反碼正數的反碼與原碼相同，負數的反碼符號位不變，其余數位取反。（12）反碼=00001100（-12）反碼=111100113、補碼正數的補碼與原碼相同，負數的補碼等于反碼加1（12）補碼=00001100（-12）補碼=11110100原碼、反碼、補碼2、反碼35原碼、反碼、補碼正數：原碼，反碼，補碼都相同負數：原碼，符號位除外，數值部分為該數絕對 值的二進制 反碼=原碼除符號位外求反補碼=反碼+1例1：十進制數－5在微機內的存儲形式是（D）A．00000101B．10000101 C．11111010D．11111011例2：用一個字節表示十進制數-15的補碼是11110001原碼、反碼、補碼正數：原碼，反碼，補碼都相同111100036數值數據編碼非數值數據編碼定點數浮點數西文字符中文字符聲音圖像視頻整數小數有符號整數無符號整數計算機中數據的存儲與編碼數值數據編碼非數值數據編碼定點數浮點數西文字符中文字符聲音圖37數值數據編碼（1）定點數的表示定點整數的小數點位置約定在最低位后面有符號整數： 最高位為符號位，0為正；1為負無符號整數： 都是數值位，沒有符號位。例： 00100011 100011118位有符號整數 35 －15(原碼）8位無符號整數 35 143下列數值能用8位二進制表示的是A.257 B.300 C.200 D.29定點小數的小數點約定在最高數值位的前面，符號位的后面。數值數據編碼（1）定點數的表示38浮點數由階碼和尾數兩部分組成：階符階碼數符尾數階碼部分尾數部分（2）浮點數(實數）的表示(P15)例1：二個字節存放一個整數，如：+11136例2：四個字節存放一個實數，如：－1×10600101011

10000000數值位符號位0000011011111111 11111111 111111111階符階碼數符尾數浮點數由階碼和尾數兩部分組成：階符階碼數符尾數階碼部分尾數部39非數值數據編碼1、ASCII碼最基本、最常用的非數值數據是由字符（漢字字符和西文字符）組成的。西文字符普遍采用ASCII碼表示（P14)ASCII碼是美國標準信息交換碼(AmericanstandardcodeforInformationInterchange),是微型計算機中表示字符的常用編碼。標準的ASCII碼是用一個字節表示的，最高位置為“0”，用7位二進制數編碼，總共可以表示128個字符。ASCII碼的新版本是把原來的7位碼擴展成8位碼，因此它可以表示256個字符。教材P207和下頁列出了ASCII編碼表。其中，每個字符的列標題為其編碼的高三位，行標題為其編碼的低四位：非數值數據編碼1、ASCII碼40信息處理技術員教程-計算機硬件基礎41若干重要字符的編碼為：NUL（空）（0000000）2=

（0）10=（0）16回車（CR）（0001101）2=

（13）10=（0D）16空格（SP）（0100000）2=

（32）10=（20）16數字0（0110000）2=（48）10=（30）16數字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若干重要字符的編碼為：NUL（空）（0000000）2421、定點加減運算二進制數補碼的運算補碼的運算規則是：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X－Y]補=[X]補+[－Y]補已知[Y]補，求[－Y]補的方法是將[Y]補各位按位取反(包括符號位在內)末位加1。現舉例說明以上兩個公式的正確性。1.2.3算術運算1、定點加減運算1.2.3算術運算43【例1-18】設 X1=+0001100X2=－0001100 Y1=+0000101Y2=－0000101則 [X1]補=00001100 [X2]補=11110100[Y1]補=00000101 [Y2]補=11111011【例1-18】設 X1=+000110044①計算X1+Y1。+0001100X1 00001100 [X1]補+)+0000101Y1 +)00000101 [Y1]補+0010001X1+Y1 00010001 [X1]補+[Y1]補因為：[X1+Y1]補=[+0010001]補=00010001=[X1]補+[Y1]補所以：[X1+Y1]補=[X1]補+[Y1]補①計算X1+Y1。+000110045②計算X1－Y1。+0001100 X1 00001100 [X1]補－)+0000101 Y1 +)11111011 [－Y1]補

+0000111 X1－Y1100000111 [X1]補+[－Y1]補自然丟失因為：[X1－Y1]補=[+0000111]補=00000111=[X1]補+[－Y1]補所以：[X1－Y1]補=[X1]補+[－Y1]補②計算X1－Y1。+0001100 X1 46③計算X2+Y2。－0001100 X2 11110100 [X2]補+)－0000101 Y2 +)11111011 [Y2]補 －0010001 X2+Y2 11101111 [X2]補+[Y2]補自然丟失因為：[X2+Y2]補=[－0010001]補=11101111=[X2]補+[Y2]補所以：[X2+Y2]補=[X2]補+[Y2]補③計算X2+Y2。自然丟失因為：47④計算X2-Y2。－0001100 X2 11110100 [X2]補－)－0000101 Y2 +) 00000101 [－Y2]補

－0000111 X2-Y2 11111001 [X2]補+[－Y2]補因為：[X2-Y2]補=[－0000111]補=11111001=[X2]補+[－Y2]補所以：[X2-Y2]補=[X2]補+[－Y2]補④計算X2-Y2。48由此可看出，計算機引入了補碼編碼后，帶來了以下幾個優點：(1)減法轉化成了加法，這樣大大簡化了運算器硬件電路的設計，加減法可用同一硬件電路進行處理。(2)運算時，符號位與數值位同等對待，都按二進制數參加運算，符號位產生的進位丟掉不管，其結果是正確的。這大大簡化了運算規則。由此可看出，計算機引入了補碼編碼后，帶來了以下49運用以上兩個公式時，要注意以下兩點：(1)公式成立有個前提條件，就是運算結果不能超出機器數所能表示的范圍，否則運算結果不正確，按“溢出”處理。例如，設機器字長為8位，則－128≤N≤+127，計算(+64)+(+65)。+64 01000000+)+65 +) 01000001+129 10000001—→－127運用以上兩個公式時，要注意以下兩點：50顯然這個結果是錯誤的。究其原因是：(+64)+(+65)=+129＞+127，超出了字長為8位所能表示的最大值，產生了“溢出”，所以結果值出錯。再如，計算(－125)+(－10)。－125 10000011+)－10 +) 11110110－135 101111001—→+121顯然，計算結果也是錯誤的。其原因是：(－125)+(－10)=－135＜－128，超出了字長為8位所能表示的最小值，產生了“溢出”，所以結果出錯。顯然這個結果是錯誤的。究其原因是：(+64)+51(2)采用補碼運算后，結果也是補碼，欲得運算結果的真值，還需進行轉換。(2)采用補碼運算后，結果也是補碼，欲得運522、浮點加減運算完成加減運算，需要包括下述步驟：(1)零操作數檢查(2)“對階”操作(3)尾數相加減(4)尾數規格化(5)舍入處理3、浮點乘除運算2、浮點加減運算完成加減運算，需要包括下述步驟：531)“與”運算(AND)“與”運算又稱邏輯乘，用符號·或∧表示。其運算規則為0·0=00·1=01·0=01·1=1當兩個邏輯變量取值均為1時，它們“與”的結果才為1。1.2.4邏輯運算1)“與”運算(AND)1.2.4邏輯運算542)“或”運算(OR)“或”運算又稱邏輯加，用符號+或∨表示。其運算規則為0+0=00+1=11+0=11+1=1當兩個邏輯變量的取值只要一個為1，它們“或”的結果就會為1。2)“或”運算(OR)553)“非”運算(NOT)“非”運算用符號—來表示。其運算規則為1=00=13)“非”運算(NOT)564)“異或”運算(XOR)“異或”運算用符號⊕或∨來表示。其運算規則為0⊕0=00⊕1=11⊕0=11⊕1=0當兩個邏輯變量取值不相同時，它們“異或”的結果才為1。要注意的是，一個邏輯數據用一位基2碼表示，這樣，8個邏輯數據用8位基2碼表示，這8位基2碼可存放在一個字節中。反過來說，一個32位的字就可以表示32個邏輯數據。4)“異或”運算(XOR)571.2.5字符編碼1、字符的表示2、漢字的表示（1）國標碼（2）區位碼（3）機內碼1.2.5字符編碼1、字符的表示581.3指令系統指令是指示計算機執行某種操作的命令，一臺計算機所有指令的集合構成該機器的指令系統。1.3.1計算機指令每條指令都包含兩個基本部分：操作碼，表示指令執行什么功能；地址碼，表示參與操作的數據的地址。操作碼地址碼1.3指令系統指令是指示計算機執行某種操作的命令，一臺計算591.3.2指令執行控制在CPU中，一條指令的運行包括取指、分析和執行3個步驟。(1)取指(2)分析（指令譯碼）(3)執行常用的指令執行方式包括下述3種。（1）順序執行方式（2）超前執行方式（3）流水線方式1.3.2指令執行控制在CPU中，一條指令的運行包括取指、601.4存儲體系存儲介質是指用來制作存儲信息的物質。存儲器按存儲介質分類可分為半導體存儲器、磁存儲器和光存儲器。該存儲體系存在下述兩個存儲層次。（1）Cache-主存存儲層次（2）主存-輔存存儲層次CPUCache主存輔存輔助硬件輔助硬件1.4存儲體系存儲介質是指用來制作存儲信息的物質。存儲器按611.4.1主存儲器1、主存記憶元件主存儲器按照存取限制可以分為RAM(隨機存儲器)和ROM(只讀存儲器)兩種。前者既可以在線存(寫)又可以在線取(讀)，后者只能在線取(讀)。(1)RAM:SRAM,DRAM.(2)ROM:PROM,EPROM,EEPROM.1.4.1主存儲器1、主存記憶元件622、主存儲器組成主存儲器主要由存儲體、地址譯碼驅動電路、讀/寫電路和時序控制電路等組成。3、主存工作模式(1)SDRAM(2)DDRSDRAM(3)RDRAM(4)XDRDRAM2、主存儲器組成634、主存儲器的主要性能指標（1）每位成本（2）容量（3）存取速度①訪問時間Ta②存取周期Tm③主存帶寬Bm（4）信息的可靠保存性、非易失性和可更改性（5）可靠性4、主存儲器的主要性能指標（1）每位成本641.4.2輔助存儲器1、磁表面存儲器磁盤、磁帶都是磁表面存儲器，其信息存儲于涂覆在載體表面，厚度為0.024~5um左右的磁層上。磁記錄格式規定了一連串的二進制數字數據與磁層存儲元的相應磁化翻轉形式互相轉換的規則，常用的有下面幾種。(1)歸零制(RZ)(2)不歸零制(NRZ)(3)調相制(PE或PM)(4)調頻制(FM或FD)1.4.2輔助存儲器1、磁表面存儲器65評價硬盤性能好壞，主要參照下述指標1、記錄密度2、硬盤容量3、主軸轉速4、尋道時間5、平均存取時間6、緩沖存儲區大小7、數據傳輸率8、誤碼率評價硬盤性能好壞，主要參照下述指標1、記錄密度662、磁盤陣列RAID3、光盤存儲器特點：（1）記錄密度高、存儲容量大。（2）采用非接觸方式讀/寫，沒有磨損，可靠性高（3）可長期保存信息（4）成本低廉，易于大量復制（5）存儲密度高，體積小，能自由更換盤片（6）誤碼率在10-10~10-17以下（7）存取時間為100~500MS，數據存取速度比磁盤略低，基本速度為150MBPS2、磁盤陣列RAID671.4.3高速緩沖存儲器（1）直接映射方式（2）全相聯映射方式（3）組相聯映射方式Cache的更新策略，主要有如下方式。（1）寫直達法（2）寫回法（3）寫一次法1.4.3高速緩沖存儲器（1）直接映射方式681.5常用I/O接口與設備在計算機系統中，接口是指CPU與內存和外部設備之間、兩種外部設備間或兩種機器之間連接的邏輯部件。1.5常用I/O接口與設備在計算機系統中，接口是指CPU與內691.5.1I/O接口管理1、接口的功能（1）數據轉換（2）數據緩沖與時序配合（3）提供外部設備和接口的狀態（4）實現主機與外部設備之間的通信聯絡控制（5）電平匹配和負載匹配（6）程序中斷1.5.1I/O接口管理1、接口的功能702、接口的組成（1）數據緩沖寄存器（2）控制寄存器（3）狀態寄存器（4）內部定時與控制邏輯2、接口的組成（1）數據緩沖寄存器713、接口的分類（1）按照數據傳輸寬度分類①并行接口②串行接口（2）按操作的節拍分類①同步接口②異步接口（3）按信息傳送的控制方式分類：程序控制I/O接口和程序中斷I/O接口和直接存儲器存取DMA接口。3、接口的分類（1）按照數據傳輸寬度分類721.5.2輸入設備輸入設備用于外界將數據、程序輸入到計算機內存，供計算機處理。主要包括鍵盤、鼠標、筆輸入設備、掃描儀、數碼相機、聲音輸入設備及視頻輸入設備等。1.5.2輸入設備輸入設備用于外界將數據、程序輸入到計算機731.5.3輸出設備輸出設備用于將計算機處理后的結果信息，轉換成外界能夠識別和使用的數字、文字、圖形、圖像、聲音及電壓等信息形式。主要包括顯示器、打印機、繪圖儀、聲音輸出設備和視頻輸出設備。1.5.3輸出設備輸出設備用于將計算機處理后的結果信息，轉換741.6系統性能指標1.6.1可靠性相關概念可靠性用平均無故障時間（MTTF）來衡量，即計算機系統平均能夠正常運行多長時間，才發生一次故障。1.6系統性能指標1.6.1可靠性相關概念751.6.2可靠性計算1、串行系統2、并行系統3、混聯系統1.6.2可靠性計算1、串行系統761.6.3容錯所謂容錯是指在故障存在情況下計算機系統不失效，仍然能夠正常工作的特性，確切地說是容故障，而不是容錯誤。在一定程度上容忍故障的技術稱為容錯技術，也稱為故障掩蓋技術，采用容錯技術的系統稱為容錯系統。1、硬件冗余2、軟件冗余1.6.3容錯所謂容錯是指在故障存在情況下計算機系統不失效77信息處理技術員教程—

全國計算機技術與軟件專業技術資格（水平）考試辦公室學時：72主講教師：劉愛國電話Q：709412000信息處理技術員教程—

全國計算機技術與軟件專業技術資格（水平78第一章計算機硬件基礎計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技術員考試的一個重點。考試大綱中涉及本章的考點如下：（1）數據運算（2）數據表示（3）主板的結構（4）CPU的組成（5）存儲器（6）常用I/O設備第一章計算機硬件基礎計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技791.1計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數值計算、數據處理和實施控制等功能的電子設備。1946年，世界上第一臺計算機ENIAC誕生在美國，經過60多年的發展，計算機的運算能力、外形結構及應用領域等都發生了極大的變化。它的誕生、發展和應用徹底改變了人類社會的生產、生活學習和娛樂方式。1.1計算機概述計算機是一種能自動、高速、正確地完成數值計801.1.1計算機的組成部件一個完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統組成。1、馮·諾依曼提出的設計思路。主要內容如下：(1)計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。(2)計算機內部采用二進制數來表示程序和數據。(3)采用“存儲程序并順序執行”的原理。1.1.1計算機的組成部件一個完整的計算機系統由硬件系統和81圖

計算機系統的基本組成

計算機的系統結構

控制器

只讀存儲器（ROM）

隨機讀寫存儲器（RAM）硬件系統計算機系統主機外部設備軟件系統系統軟件（操作系統、語言處理程序、數據庫管理程序、診斷維護程序等）

應用軟件（各種MIS系統、Office、Photoshop等）中央處理器內存儲器運算器輸入設備（鍵盤、鼠標、掃描儀、其他）輸出設備（顯示器、打印機、繪圖儀等）外存儲器（硬盤、軟盤、光盤）圖計算機系統的基本組成計算機的系統結構822、計算機的硬件系統組成計算機的基本部件有運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備，它們通過總線互連，就構成了計算機的硬件系統。中央處理器（CPU）是運算器和控制器的合稱，是硬件的核心，主要廠家Intel和AMD。1、CPU。主要工作時執行指令，按照指令的要求對數據進行運算和處理，這部分工作由運算器和控制器分工合作完成。運算器：由算術邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成。控制器負責對指令進行譯碼，產生一系列控制信號，指揮和協調計算機的各個部件有序工作。包括部件如下：①指令寄存器（IR）②指令譯碼器（ID）③程序計數器（PC）④微操作信號發生器2、計算機的硬件系統組成計算機的基本部件有運算器、存儲器、控832、主存儲器

簡稱主存，用于存放當前執行的程序和需要使用的數據，存儲速度快，CPU可直接訪問。存儲體地址譯碼器地址寄存器數據緩沖寄存器讀/寫控制電路地址譯碼器地址寄存器數據緩沖寄存器存儲體讀/寫控制電路主存儲器結構示意圖2、主存儲器

簡稱主存，用于存放當前執行的程序和需要使用的數84外存儲器也稱為輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機保存信息，但CPU不可以直接訪問。常見的外存儲器包括軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、移動硬盤以及U盤等。外存儲器也稱為輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機85高速緩存存儲器Cache它是位于CPU和主存儲器之間，容量較小但存取速度很高的存儲器，用于保存主存儲器中一部分內容的副本。當主機讀/寫數據時，首先訪問Cache，只有在Cache中不含所需數據時，CPU才會訪問主存，從而很好地解決了CPU和主存儲器的速度不匹配問題。高速緩存存儲器Cache它是位于CPU和主存儲器之間，容量86外部設備也稱外圍設備，簡稱外設，主要包括輸入設備和輸出設備。常用外部設備包括鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、繪圖儀及掃描儀等。總線：連接計算機中各部件的數據通路。總線包括數據總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)。外部設備也稱外圍設備，簡稱外設，主要包括輸入設備和輸出設備。873.計算機的軟件系統系統軟件應用軟件3.計算機的軟件系統系統軟件881.1.2計算機的應用科學計算自動控制信息處理計算機輔助設計/輔助制造（CAD/CAM）輔助教學和醫療人工智能1.1.2計算機的應用科學計算891.1.3計算機的分類目前計算機種類非常多，按照用途可以分為通用計算機和專用計算機。按照運算速度可分為巨型機、大型機、小型機、工作站和微型計算機。按照所處理的數據類型可分為模擬計算機、數字計算機和混合計算機等。1.1.3計算機的分類目前計算機種類非常多，按照用途可以分為901.2數據運算二進制是計算機功能得以實現的數字基礎，任何計算機應用中的數據在機器內部都表示為“0”和“1”組成的二進制代碼串，數據處理最終都將轉換為二進制基本運算。1.2數據運算二進制是計算機功能得以實現的數字基礎，任何計911.2.1數制及其轉換1、進位計數制數制：用一組固定的數字符號和一套統一的規則來表示數目的方法。常用的進制有：2進制，8進制，10進制，16進制。基數：某進制所允許使用的基本數字符號。2，8，10，16。位權(數的值不僅取決于數碼的大小還取決于它所在的位置）：基數的i次方。如：132.5＝1×102＋3×101＋2×100＋5×的10-1基數：10位權：102，101，100，10-11.2.1數制及其轉換1、進位計數制922、不同數制之間的轉換一、R進制轉十進制方法：按權展開求和。1、二進制轉換為十進制101B＝1×22＋0×21＋1×20＝5D10101B=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20=21D111.11B=1×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2=7.75D2、不同數制之間的轉換一、R進制轉十進制932、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×81＋2×80＝(122)103、十六進制轉化為十進制(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)102、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×894二、十進制轉N進制方法: 將十進制數整數和小數分開轉換,再將結果合并。 整數部分：除以基數逆向取余法. 小數部分：乘以基數順向取整法.二、十進制轉N進制方法:951、十進制轉換為二進制十進制整數轉換：除以2逆向取余10D=1010B1、十進制轉換為二進制96十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×20.250×20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10＝（1010.001）2（0.125）10＝（0.001）2十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×97(172)8＝1×82＋7×81＋2×80＝(122)10八進制 (172)8 172O172Q(336)8＝？2、八進制轉化為十進制(172)8＝1×82＋7×81＋2×80八進98(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)10十六進制 (5C)16 5CH(A2)16＝？ (FF)16＝？3、十六進制轉化為十進制(5C)16＝5×161＋12×160＝(92)199方法: 將十進制數整數和小數分開轉換,再將結果合并。 整數部分：整除（基數）逆向取余法. 小數部分：乘基（數）順向取整法.二、十進制轉R進制(P11)方法:二、十進制轉R進制(P11)1001、十進制轉換為二進制十進制整數轉換：除以2逆向取余10D=1010B

逆向取余注：除到商為零停止5…022…121…002…11021、十進制轉換為二進制逆向取余注：除到商為零停止5…022…101十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×20.250×20.5001.000結束標志0.001取整（10.125）10＝（1010.001）2（0.125）10＝（0.001）2十進制小數轉換：乘2順向取整×20.125×102練習題將下列十進制轉為二進制，精確到4位小數(54)10

＝(110110)2(15.73)10 ＝(1111.1011)2練習題將下列十進制轉為二進制，精確到4位小數1032、十進制轉換成八進制整數部分：除8逆向取余264D＝？3、十進制轉換成十六進制

整數部分：除16逆向取余

287D＝？ 171D=?（71）10=()2|8|162、十進制轉換成八進制3、十進制轉換成十六進制（71）10=104三、二進制與八進制的轉換二進制八進制00000011010201131004101511061117三、二進制與八進制的轉換二進制八進制000000110101051、二進制－>八進制(三位一組法)111101001B=111101001B=751Q10110B=010110B=26Q11000.11=011000.110B=30.6Q2、八進制－>二進制(擴展三位法)345Q=011100101B=11100101B632Q=110011010B=110011010B1、二進制－>八進制(三位一組法)2、八進制－>二進制(106四、二進制與十六進制的轉換二進制十六進制二進制十六進制00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F四、二進制與十六進制的轉換二進制十六進制二進制十六進制0001071、二進制－>十六進制(四位一組法)111001B=00111001B=39H1111000111B=001111000111B=3C7H2、十六進制－>二進制(擴展四位法)2CH=00101100B=101100B62DH=011000101101B=11000101101B典型錯誤 1D2H=0011101010B=11101010B1、二進制－>十六進制(四位一組法)2、十六進制－>二進制108計算機中數據存儲單位1.位：一個二進制位，一個“1”，或者一個“0”。最小單位，英文名bit2.字節：八位為一個字節。英文名Byte，簡寫為B,1Byte=8bit千字節KB1KB=1024Byte=210Byte兆字節MB1MB=1024KB吉字節GB1GB=1024MB計算機中數據存儲單位1.位：一個二進制位，一個“1”，或者一109三、帶符號數在計算機內部的表示（P13)

在計算機中，對于n位二進制數將其最高位作為符號位，0表示正數，1表示負數如：帶符號數（有符號數）01101101正數11000110負數11101101負數01101101正數10001111負數01110001正數數的符號位連同該數值本身一起作為一個數稱為機器數，機器數的二進制編碼有原碼、反碼、補碼三種。三、帶符號數在計算機內部的表示（P13)在計算機中110原碼、反碼、補碼(P13-14)1、原碼符號位除外（0正1負），數值部分為該數絕對值的二進制用1個字節表示（12）原碼=00001100（-12）原碼=10001100用2個字節表示（12）原碼=0000000000001100（-12）原碼=1000000000001100原碼、反碼、補碼(P13-14)1、原碼111原碼、反碼、補碼2、反碼正數的反碼與原碼相同，負數的反碼符號位不變，其余數位取反。（12）反碼=00001100（-12）反碼=111100113、補碼正數的補碼與原碼相同，負數的補碼等于反碼加1（12）補碼=00001100（-12）補碼=11110100原碼、反碼、補碼2、反碼112原碼、反碼、補碼正數：原碼，反碼，補碼都相同負數：原碼，符號位除外，數值部分為該數絕對 值的二進制 反碼=原碼除符號位外求反補碼=反碼+1例1：十進制數－5在微機內的存儲形式是（D）A．00000101B．10000101 C．11111010D．11111011例2：用一個字節表示十進制數-15的補碼是11110001原碼、反碼、補碼正數：原碼，反碼，補碼都相同1111000113數值數據編碼非數值數據編碼定點數浮點數西文字符中文字符聲音圖像視頻整數小數有符號整數無符號整數計算機中數據的存儲與編碼數值數據編碼非數值數據編碼定點數浮點數西文字符中文字符聲音圖114數值數據編碼（1）定點數的表示定點整數的小數點位置約定在最低位后面有符號整數： 最高位為符號位，0為正；1為負無符號整數： 都是數值位，沒有符號位。例： 00100011 100011118位有符號整數 35 －15(原碼）8位無符號整數 35 143下列數值能用8位二進制表示的是A.257 B.300 C.200 D.29定點小數的小數點約定在最高數值位的前面，符號位的后面。數值數據編碼（1）定點數的表示115浮點數由階碼和尾數兩部分組成：階符階碼數符尾數階碼部分尾數部分（2）浮點數(實數）的表示(P15)例1：二個字節存放一個整數，如：+11136例2：四個字節存放一個實數，如：－1×10600101011

10000000數值位符號位0000011011111111 11111111 111111111階符階碼數符尾數浮點數由階碼和尾數兩部分組成：階符階碼數符尾數階碼部分尾數部116非數值數據編碼1、ASCII碼最基本、最常用的非數值數據是由字符（漢字字符和西文字符）組成的。西文字符普遍采用ASCII碼表示（P14)ASCII碼是美國標準信息交換碼(AmericanstandardcodeforInformationInterchange),是微型計算機中表示字符的常用編碼。標準的ASCII碼是用一個字節表示的，最高位置為“0”，用7位二進制數編碼，總共可以表示128個字符。ASCII碼的新版本是把原來的7位碼擴展成8位碼，因此它可以表示256個字符。教材P207和下頁列出了ASCII編碼表。其中，每個字符的列標題為其編碼的高三位，行標題為其編碼的低四位：非數值數據編碼1、ASCII碼117信息處理技術員教程-計算機硬件基礎118若干重要字符的編碼為：NUL（空）（0000000）2=

（0）10=（0）16回車（CR）（0001101）2=

（13）10=（0D）16空格（SP）（0100000）2=

（32）10=（20）16數字0（0110000）2=（48）10=（30）16數字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若干重要字符的編碼為：NUL（空）（0000000）21191、定點加減運算二進制數補碼的運算補碼的運算規則是：[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X－Y]補=[X]補+[－Y]補已知[Y]補，求[－Y]補的方法是將[Y]補各位按位取反(包括符號位在內)末位加1。現舉例說明以上兩個公式的正確性。1.2.3算術運算1、定點加減運算1.2.3算術運算120【例1-18】設 X1=+0001100X2=－0001100 Y1=+0000101Y2=－0000101則 [X1]補=00001100 [X2]補=11110100[Y1]補=00000101 [Y2]補=11111011【例1-18】設 X1=+0001100121①計算X1+Y1。+0001100X1 00001100 [X1]補+)+0000101Y1 +)00000101 [Y1]補+0010001X1+Y1 00010001 [X1]補+[Y1]補因為：[X1+Y1]補=[+0010001]補=00010001=[X1]補+[Y1]補所以：[X1+Y1]補=[X1]補+[Y1]補①計算X1+Y1。+0001100122②計算X1－Y1。+0001100 X1 00001100 [X1]補－)+0000101 Y1 +)11111011 [－Y1]補

+0000111 X1－Y1100000111 [X1]補+[－Y1]補自然丟失因為：[X1－Y1]補=[+0000111]補=00000111=[X1]補+[－Y1]補所以：[X1－Y1]補=[X1]補+[－Y1]補②計算X1－Y1。+0001100 X1 123③計算X2+Y2。－0001100 X2 11110100 [X2]補+)－0000101 Y2 +)11111011 [Y2]補 －0010001 X2+Y2 11101111 [X2]補+[Y2]補自然丟失因為：[X2+Y2]補=[－0010001]補=11101111=[X2]補+[Y2]補所以：[X2+Y2]補=[X2]補+[Y2]補③計算X2+Y2。自然丟失因為：124④計算X2-Y2。－0001100 X2 11110100 [X2]補－)－0000101 Y2 +) 00000101 [－Y2]補

－0000111 X2-Y2 11111001 [X2]補+[－Y2]補因為：[X2-Y2]補=[－0000111]補=11111001=[X2]補+[－Y2]補所以：[X2-Y2]補=[X2]補+[－Y2]補④計算X2-Y2。125由此可看出，計算機引入了補碼編碼后，帶來了以下幾個優點：(1)減法轉化成了加法，這樣大大簡化了運算器硬件電路的設計，加減法可用同一硬件電路進行處理。(2)運算時，符號位與數值位同等對待，都按二進制數參加運算，符號位產生的進位丟掉不管，其結果是正確的。這大大簡化了運算規則。由此可看出，計算機引入了補碼編碼后，帶來了以下126運用以上兩個公式時，要注意以下兩點：(1)公式成立有個前提條件，就是運算結果不能超出機器數所能表示的范圍，否則運算結果不正確，按“溢出”處理。例如，設機器字長為8位，則－128≤N≤+127，計算(+64)+(+65)。+64 01000000+)+65 +) 01000001+129 10000001—→－127運用以上兩個公式時，要注意以下兩點：127顯然這個結果是錯誤的。究其原因是：(+64)+(+65)=+129＞+127，超出了字長為8位所能表示的最大值，產生了“溢出”，所以結果值出錯。再如，計算(－125)+(－10)。－125 10000011+)－10 +) 11110110－135 101111001—→+121顯然，計算結果也是錯誤的。其原因是：(－125)+(－10)=－135＜－128，超出了字長為8位所能表示的最小值，產生了“溢出”，所以結果出錯。顯然這個結果是錯誤的。究其原因是：(+64)+128(2)采用補碼運算后，結果也是補碼，欲得運算結果的真值，還需進行轉換。(2)采用補碼運算后，結果也是補碼，欲得運1292、浮點加減運算完成加減運算，需要包括下述步驟：(1)零操作數檢查(2)“對階”操作(3)尾數相加減(4)尾數規格化(5)舍入處理3、浮點乘除運算2、浮點加減運算完成加減運算，需要包括下述步驟：1301)“與”運算(AND)“與”運算又稱邏輯乘，用符號·或∧表示。其運算規則為0·0=00·1=01·0=01·1=1當兩個邏輯變量取值均為1時，它們“與”的結果才為1。1.2.4邏輯運算1)“與”運算(AND)1.2.4邏輯運算1312)“或”運算(OR)“或”運算又稱邏輯加，用符號+或∨表示。其運算規則為0+0=00+1=11+0=11+1=1當兩個邏輯變量的取值只要一個為1，它們“或”的結果就會為1。2)“或”運算(OR)1323)“非”運算(NOT)“非”運算用符號—來表示。其運算規則為1=00=13)“非”運算(NOT)1334)“異或”運算(XOR)“異或”運算用符號⊕或∨來表示。其運算規則為0⊕0=00⊕1=11⊕0=11⊕1=0當兩個邏輯變量取值不相同時，它們“異或”的結果才為1。要注意的是，一個邏輯數據用一位基2碼表示，這樣，8個邏輯數據用8位基2碼表示，這8位基2碼可存放在一個字節中。反過