计算机基本工作原理

计算机系统概述

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机通过执行程序而运行，计算机工作时软硬件协同工作，二者缺一不可。

硬件（hardware）是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。一个计算机硬件系统，从功能级角度而言包五大功能部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上只能运行机器语言程序，使用很不方便，效率也低。

软件（software）是指使计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。软件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机。

软件屏蔽了下层的具体计算机硬件，形成一台抽象的逻辑计算机（也称虚拟机），它在用户和计算机（硬件）之间架起了桥梁。

软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机制造者提供的使用和管理计算机的软件，它包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序等。应用软件是计算机用户用计算机及其提供的各种系统软件开发的解决各种实际问题的软件。

一、要求掌握的知识要点。

(1) 掌握十进制数、二进制数、十六进制数、八进制数以及它们之间的相互转换方法。

(2) 掌握二进制数的算术运算及逻辑运算的法则，数据在计算机中的表示方法。

(3) 掌握bcd码、ascii码及汉字编码的概念。

(4) 熟悉**处理单元cpu的组成及内部主要部件的功能。

二、知识点概述。

(一) 计算机中数据的表示。

计算机最主要的功能是处理信息，如处理数值、文字、声音、图形和图像等。在计算机内部，各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理，因此，掌握信息编码的概念与处理技术是至关重要的。所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂、多样的信息。

基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。例如，用10个阿拉伯数码表示数字，用26个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。

1．进位计数制。

在采用进位计数的数字系统中，如果只用r个基本符号(例如，o，1，2，…，r一1)表示数值，则称其为基r数制(radix-r number system)，r称为该数制的基(radix)。对于不同的数制，它们的共同特点是：

·每一种数制都有固定的符号集。例如，对于十进制数制，其符号有10个：0，1，2，…，9；对于二进制数制，其符号有两个：o和1。

·都使用位置表示法。即处于不同位置的数符所代表的值不同，且与它所在位置的权值有关。例如，十进制数1234.55可表示为。

可以看出，各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂。因此，对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式之和，即任意一个r进制数n可表示为。

式中：di是该数制采用的基本数符；ri是权；r是基数，不同的基数表示不同的进制数。表1-1所示的是计算机中常用的几种进制数。

表1-1 计算机中常用的几种进制数的表示。

进位制二进制八进制十进制十六进制

规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一

基数 r = 2 r = 8 r = 10 r = 16

数符 o,1 o,1,2,…,7 o,1,2,…,9 o,l,2,…,9,a,b,…,f

权 2i 8i 10i 16i

形式表示 b o d h

2．算术逻辑运算。

(1) 二进制加法。二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，二进制加法的规则是“逢二进一”，即。

o + 0 = 0 1 + 0 = 1 0 + 1 = 1 1 + 1 = 0 (有进位)

(2) 二进制减法。在二进制减法中，当不够减时需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一当二”，其运算法则如下：

0 - 0 = 0 1 - 0 = 1 1 - 1 = 0 0 - 1 = 1 (有借位)

(3) 二进制乘法。二进制乘法与十进制乘法是一样的，但因为二进制数只由0和1构成，因此，二进制乘法更简单，其运算法则如下：

o×o = o 1×o = 0 o × 1 = 0 1 × 1 = 1

(4) 二进制除法。二进制除法是二进制乘法的逆运算，其运算方法与十进制除法是一样的。

(5) 二进制与运算又称逻辑乘，其运算法则如下：

o∧0 = o o∧1 = 0 1∧ o = 0 1∧1 = 1

(6) 二进制或又称逻辑加，其运算法则如下：

0∨o = 0 0∨1 = 1 1∨0 = 1 1∨1 = 1

(7) 二进制异或的运算法则如下：

o o = 0 0 1 = 1 1 0 = 1 1 1 = 0

3．机器数和码制。

各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是数的符号用o、1表示，如“0”表示正号，“1”表示负号，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为该数的真值。

机器数有无符号数和带符号数两种。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位。对于无符号数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。

对于带符号数，机器数的最高位是表示正、负的符号位，其余二进制位表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高数值位之前(符号位之后)，则是纯小数。

为了便于运算，带符号的机器数可采用原码、反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。

4．汉字编码。

汉字处理包括汉字的编码输入、汉字的存储和汉字的输出等环节。也就是说计算机处理汉字，首先必须先将汉字**化，即对汉字进行编码。

1) 输入码。

(1) 数字编码。数字编码就是用数字串代表一个汉字的输入，常用的是国标区位码。国际区位码将国家标准局公布的6763个两级汉字分成94个区，每个区94位，实际上是把汉字表示成二维数组，区位和位码各两位十进制数字，因此，输入一个汉字需要按键四次。

例如，“中”字位于第54区48位，区位码为5448：

(2) 拼音码。拼音码是以汉语读音为基础的输入方法。由于汉字同音字太多，输入重码率很高，因此，按拼音输入后还必须进行同音字选择，影响了输入速度。

(3) 字形编码。字形编码是以汉字的形状确定的编码。汉字总数虽多，但都是由一笔一划组成，全部汉字的部件和笔划是有限的，因此，把汉字的笔划部件用字母或数字进行编码，按笔划书写的顺序依次输入，就能表示一个汉字。

五笔字形、表形码等便是这种编码法。五笔字形编码是最有影响的编码方法。

2) 内部码。

汉字内部码(简称汉字内码)是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的**。在西文计算机中，没有交换码和内码之分。汉字数量多。

用一个字节无法区分，采用国家标准局gb2312-80中规定的汉字国标码，两个字节存放一个汉字的内码，每个字节的最高位置“1”，作为汉字机内码。由于两个字节各用7位，因此可表示16 384个可区别的机内码。以汉字“大”为例，国标码为3473h，两个字节的高位置“1”，得到的机内码为b4f3h。

为了统一地表示世界各国的文字，2023年国际标准化组织公布了“通用多八位编码字符集”的国际标准iso／iec 10646，简称ucs(universal code set)。ucs包含了中、日、韩等国的文字，这一标准为包括汉字在内的各种正在使用的文字规定了统一的编码方案。

3) 字形码。

汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点阵表示字形时，汉字字形码指的就是这个汉字字形点阵的**。字形码也称字模码，是用点阵表示的汉字字形码，它是汉字的输出方式。

根据输出汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为16×16点阵，高精度型汉字为24×24点阵、32×32点阵、48×48点阵等等。

(二) **处理机(cpu)

1．cpu的组成。

前面已经提到，cpu主要由运算器、控制器组成。构成cpu的框图如图1-2所示。

1) 运算器。

运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术运算和逻辑运算，完成对数据的加工与处理。不同的计算机，运算器的结构也不同，但最基本的结构都是由算术／逻辑运算单元(alu)、累加器(acc)、寄存器组、多路转换器和数据总线等逻辑部件组成的。

2) 控制器。

计算机能执行的基本操作叫做指令，一台计算机的所有指令组成指令系统。指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指明操作的类型，地址码则指明操作数及运算结果存放的地址。

图1-2 cpu主要组成部件框图。

控制器的主要功能是从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出指令经指令寄存器送往指令译码器，经过对指令的分析发出相应的控制和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。

控制器是由程序计数器(简称pc)、指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器组成，如图1-3所示。

图1-3 控制器组成框图。

(1) 程序计数器。当程序顺序执行时，每取出一条指令，pc内容自动增加一个值，指向下一条要取的指令。当程序出现转移时，则将转移地址送入pc，然后由pc指向新的程序地址。

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