計(jì)算機(jī)組成原理簡(jiǎn)明教程ppt課件匯總(完整版)

1、計(jì)算機(jī)組成原理簡(jiǎn)明教程第一章 概述第二章 計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示第三章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器第四章 存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)系統(tǒng)第五章 指令系統(tǒng) 第六章 中央處理器 第七章 總線系統(tǒng)第八章 輸入輸出系統(tǒng)第九章 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 第十章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及進(jìn)展目錄一、課程性質(zhì)與任務(wù)（課程在專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中的地位與課程教學(xué)目標(biāo)）“計(jì)算機(jī)組成原理”屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，必修課。面向應(yīng)用、突出實(shí)踐、偏向硬件和理論。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)教學(xué)中的一門核心課程，是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程所要必修的主干課。通過教學(xué)，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的各主要部分（運(yùn)算期、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備）的構(gòu)成及工作原理有一個(gè)深刻的、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也

2、有一個(gè)較為深入的了解。主要講解簡(jiǎn)單、單臺(tái)計(jì)算機(jī)的完整組成原理和內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，包括運(yùn)算器部件、控制器部件、存儲(chǔ)器子系統(tǒng)、輸入/輸出子系統(tǒng)與輸入/輸出系統(tǒng)設(shè)備，圍繞各自的功能、組成、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、使用等知識(shí)進(jìn)行介紹；此外，該課程的工程性、實(shí)踐性、技術(shù)性比較強(qiáng)，還強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力、開創(chuàng)與創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能，這些要求更多的是通過作業(yè)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)完成，要求學(xué)生有意識(shí)地主動(dòng)加強(qiáng)這些方面的練習(xí)與鍛煉。二、課程的基本要求（課程教學(xué)應(yīng)使學(xué)生達(dá)到的基本要求）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述、計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示、運(yùn)算方法和運(yùn)算器、指令系統(tǒng)、隨機(jī)邏輯和微程序控制原理、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)外設(shè)簡(jiǎn)介，要求學(xué)生掌握計(jì)算

3、機(jī)的組成和工作原理。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)的組成原理及工作原理，以建立整機(jī)概念。本課程設(shè)有實(shí)驗(yàn)，以加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。三、課程與其他課程的聯(lián)系與分工先修課：數(shù)字電路、模擬電路、匯編語言程序設(shè)計(jì)后續(xù)課：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、微型原理，關(guān)系密切的還有操作系統(tǒng)等課程。四、課程總學(xué)時(shí)中各環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)分配（講授、實(shí)驗(yàn)、上機(jī)、實(shí)踐等）授課學(xué)時(shí)（參考）：72，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)（參考）：18教學(xué)大綱第1章 概述教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)過程教學(xué)目標(biāo)了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史了解計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域了解計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)掌握計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)第一章 概 述什么是計(jì)算

4、機(jī)？計(jì)算機(jī)（Computer）是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息，進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的快速工具。 1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用 計(jì)算機(jī)從總體上來說分為兩大類: 模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)。各自主要特點(diǎn)：模擬計(jì)算機(jī)由模擬運(yùn)算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運(yùn)算過程也是連續(xù)的數(shù)字計(jì)算機(jī)則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運(yùn)算，運(yùn)算模式是離散式的。數(shù)字計(jì)算機(jī)與模擬計(jì)算計(jì)的主要區(qū)別比較內(nèi)容數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓、電流等計(jì)算方式數(shù)字計(jì)算電量組合和測(cè)量值控制方式程序控制模擬信號(hào)組合控制精度、抗干擾性高、好

5、低、差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大小、幾乎無邏輯判斷能力強(qiáng)無1、第一代計(jì)算機(jī) （1）1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC50年代末 （2）主要特征：電子管作為電子器件 （3）軟件處于初始階段，使用機(jī)器語言與符號(hào)語言編制程序 （4）特點(diǎn)：體積大，運(yùn)算速度低，存儲(chǔ)容量小，主要用于科學(xué)計(jì)算。1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 （1/5）2、第二代計(jì)算機(jī) （1）50年代末60年代初 （2）主要特征：晶體管作為電子器件 （3）軟件開始使用計(jì)算機(jī)高級(jí)語言 （4）特點(diǎn)：體積減小，重量輕、壽命長(zhǎng)、耗電少、 運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量比較大等優(yōu)點(diǎn)。不僅 用于科學(xué)計(jì)算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理， 并逐漸用于工業(yè)控制。1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

6、 （2/5）3、第三代計(jì)算機(jī) （1）60年代中期70年代初期 （2）主要特征：中、小規(guī)模集成電路作為電子器件 （3）操作系統(tǒng)出現(xiàn) （4）特點(diǎn)：體積與功耗都得到進(jìn)一步減小，可靠性和運(yùn)算速度進(jìn)一步提高。不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于文字處理、企業(yè)管理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域， 出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)管理、交通管理、情報(bào)檢索等領(lǐng)域。1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 （3/5）4、第四代計(jì)算機(jī) （1）1971年到1990年。 （2）主要特征：用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路（LSI，VLSI）作為電子器件 （3）特點(diǎn)：軟件越來越豐富，并且功能強(qiáng)大 （4）代表產(chǎn)品：IBM PC8088802868038680486Pe

7、ntium1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 （4/5）5、第五代計(jì)算機(jī) （1）1990至今 （2）主要特征：用甚大規(guī)模集成電路（ULSI）作為電子器件 （3）主要標(biāo)志：一是單片集成電路規(guī)模達(dá)100萬晶體管以上；二是超標(biāo)量技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用。 未來的計(jì)算機(jī)以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，未來的計(jì)算機(jī)將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 （5/5）1.1.2 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)是由硬件和軟件組成的復(fù)雜設(shè)備計(jì)算機(jī)以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)由程序控制其操作過程計(jì)算機(jī)以離散的數(shù)字量形式進(jìn)行工作計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算操作是算術(shù)和邏輯運(yùn)算，運(yùn)算速度和計(jì)算精度極高1.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)

8、用領(lǐng)域1、科學(xué)計(jì)算2、過程檢測(cè)與控制計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中的某些信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，再根據(jù)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3、信息管理是指利用計(jì)算機(jī)來加工、管理與操作任何形式的數(shù)據(jù)資料，如企業(yè)管理、物資管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、信息情報(bào)檢索等。4、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)用于輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助教學(xué)等方面，統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件組成。計(jì)算機(jī)硬件（Hardware）是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機(jī)械等物理部件組成。計(jì)算機(jī)軟件（Software）主要是一系列按照特定順序組織的

9、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)和指令的集合。1983年，IEEE對(duì)軟件給出了一個(gè)較為全面的定義：軟件是計(jì)算機(jī)程序、方法、規(guī)范及其相應(yīng)的文檔以及在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行是所必須的數(shù)據(jù)。軟件是相對(duì)于機(jī)器硬件而言的。1.2.1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)1、存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器是用來存放數(shù)據(jù)和程序的部件。2、運(yùn)算器：對(duì)信息進(jìn)行運(yùn)算處理的部件。主要功能是對(duì)二進(jìn)制數(shù)碼進(jìn)行算術(shù)（加減乘除）和邏輯（與或非）運(yùn)算。3、控制器：整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制核心。主要功能是讀取指令、翻譯指令、并向計(jì)算機(jī)各部分發(fā)出控制信號(hào)，以便執(zhí)行指令。4、輸入設(shè)備：將數(shù)據(jù)和程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和接受的信息，并順序地把它們送入存儲(chǔ)器中。輸入設(shè)備有許多種，例如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光電輸

10、入機(jī)等。5、輸出設(shè)備：輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果以人們能接受的或其它機(jī)器能接受的形式送出。輸出設(shè)備有許多種類，例如顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。1.2.1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)流控制流運(yùn)算器外存儲(chǔ)器輸出設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)器輸入設(shè)備控制器1. 運(yùn)算器算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算采用二進(jìn)制數(shù)（容易實(shí)現(xiàn)）位數(shù)越多，計(jì)算精度越高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度：8位、16位、32位或64位2. 存儲(chǔ)器功能：保存或“記憶”數(shù)據(jù)和運(yùn)算過程存儲(chǔ)的是0或1表示的二進(jìn)制代碼主存采用半導(dǎo)體器件來作為存儲(chǔ)器一個(gè)半導(dǎo)體觸發(fā)器記憶一個(gè)二進(jìn)制位存儲(chǔ)單元： 在存儲(chǔ)器中保存一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)的n個(gè)觸發(fā)器，組成一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器地址：存儲(chǔ)器是由許多存儲(chǔ)單元組成

11、，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，稱為地址存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內(nèi)存儲(chǔ)器（主存）和外存儲(chǔ)器(輔存）表示參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元取運(yùn)算的結(jié)果應(yīng)存到哪個(gè)單元3. 控制器控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地進(jìn)行工作指令有兩部分：操作的性質(zhì)和操作的地址操作碼地址碼指出指令所進(jìn)行的操作加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等 指令操作碼加法減法乘法除法取數(shù)存數(shù)打印停機(jī)001010011100101110111000電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想存儲(chǔ)程序，程序控制“存儲(chǔ)程序”，是把指令以代碼的形式事先輸入到計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同 一裝置存儲(chǔ)執(zhí)行運(yùn)算的命令，這些指令按一定的規(guī)

12、則組成程序“程序控制”，是當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，程序就會(huì)控制計(jì)算機(jī)按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動(dòng)完成預(yù)定的信息處理任務(wù)馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成；將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)從存儲(chǔ)器取出指令加以執(zhí)行，自動(dòng)完成計(jì)算任務(wù)。這就是“存儲(chǔ)程序”和“程序控制”（簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)程序控制）的概念；指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件組成，規(guī)定了5部分的基本功能馮諾依曼計(jì)算機(jī)的基本思想控制器的基本任務(wù) 按照計(jì)算程序所排的指令

13、序列，先從存儲(chǔ)器取出一條指令放到控制器中，對(duì)該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作。接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依次類推取指令的一段時(shí)間叫做取指周期執(zhí)行指令的一段時(shí)間叫做執(zhí)行周期執(zhí)行完成指令的時(shí)間，稱為指令周期指令字和數(shù)據(jù)字，指令流和數(shù)據(jù)流 某字為一條指令，則稱為指令字某字代表要處理的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)字在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流，它流向控制器而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運(yùn)算器時(shí)間上：在取指周期中，CPU從內(nèi)存讀出的信息一定是指令；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ菙?shù)據(jù)?？臻g上：指令一定流向控制器

14、；而數(shù)據(jù)則是在內(nèi)存（或寄存器）與運(yùn)算器之間流動(dòng)1.2.1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)總線（Bus）：是計(jì)算機(jī)中用于傳送信息的公用通道，是為多個(gè)部件服務(wù)的一組信息傳送連接線?？偩€的分類： （1）按傳送信息的屬性分： 數(shù)據(jù)總線（DB）在各部件之間傳送數(shù)據(jù)信息 地址總線（AB）傳送各部件相互訪問的地址信息 控制總線（CB）傳送控制各部件操作的控制信息（2）按信息傳送的方向分： 單向總線 雙向總線（3）按連接對(duì)象和完成的功能分： I/O BUS 用于外設(shè)與主機(jī)的信息交換。 MEMORY BUS用于CPU與主存儲(chǔ)器的信息交換按總線連接方式，計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)分為三類1、單總線結(jié)構(gòu) ：把各功能部件連接在單總線上，所有部

15、件間的信息交換都經(jīng)由單總線進(jìn)行。 （1）Unified-Bus：一元化總線：PDP-11（2）Single-Bus：?jiǎn)慰偩€：IBM-PC2、雙總線結(jié)構(gòu)（1）兩種總線：存儲(chǔ)總線和I/O總線（2）三種形式： （A）以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu) （B）以存儲(chǔ)器為中心的雙總線結(jié)構(gòu) （C）采用通道或輸入輸出處理機(jī)處理輸入輸出3、多總線結(jié)構(gòu)： 在高速外設(shè)與主存儲(chǔ)器之間可以增設(shè)直接存儲(chǔ)器訪問方式的高速I/O總線（DMA總線）。1.2.1 計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng) 第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個(gè)繼電器耗電150KWTop500 (2007)IBM

16、Blue Gene摩爾定律早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（Gordon Moore）在一篇很短的論文里斷言：每18個(gè)月，集成電路的性能將提高一倍，而其價(jià)格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠(yuǎn)的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。什么是微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)（Microcomputer）采用微處理器為核心構(gòu)造的計(jì)算機(jī)微處理器（Microprocessor）一塊大規(guī)模集成電路芯片微型機(jī)的運(yùn)算和控制核心中央處理單元（CPU：Central Processing Unit）相對(duì)來說，微機(jī)性能、價(jià)格、體積較小工作學(xué)習(xí)中使用的個(gè)人微機(jī)生產(chǎn)

17、生活中運(yùn)用的各種智能化電子設(shè)備微處理器的基本性能指標(biāo)字長(zhǎng)微處理器每個(gè)時(shí)間單位處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)例如一次進(jìn)行運(yùn)算、傳輸?shù)奈粩?shù)時(shí)鐘頻率微處理器的處理速度反映微處理器的基本時(shí)間單位集成度表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達(dá)通用微處理器4位微處理器1971年，Intel 4004，第一個(gè)微處理器8位微處理器M6800、Z80和Intel 8080/8085Apple公司蘋果機(jī)16位微處理器Intel 8086/8088 16位個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC：Personal Computer）32位微處理器80386，80486，PentiumPentium 432位PC機(jī)，APPLE公司的

18、Macintosh機(jī)64位微處理器專用微處理器 單片機(jī)（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列愛特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM內(nèi)核）Microchip Technology公司的PIC系列數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）專注于數(shù)字信號(hào)的高速處理美國(guó)德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品主要應(yīng)用于通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用形式：嵌入式系統(tǒng)IP級(jí)結(jié)構(gòu)，芯片級(jí)結(jié)構(gòu)，模塊級(jí)結(jié)構(gòu)808616位結(jié)構(gòu)的微處理器：數(shù)據(jù)總線為16位主存容量1MB：地址總線為20位時(shí)鐘頻率5MHz（IBM PC使用4.7

19、7MHz）準(zhǔn)16位微處理器8088：外部數(shù)據(jù)總線為8位IBM PC和PC/XT機(jī)使用Intel 8088 CPU處理器總線（Bus）微處理器的對(duì)外引腳（Pin）數(shù)據(jù)、地址和控制三組信號(hào)電源和地線處理器總線數(shù)據(jù)總線（DB：Data Bus）處理器與存儲(chǔ)器或外設(shè)交換信息的通道個(gè)數(shù)（條數(shù)）是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù) 地址總線（AB：Address Bus）指定存儲(chǔ)器或外設(shè)的具體單元個(gè)數(shù)反映訪問的主存儲(chǔ)器容量或外設(shè)范圍控制總線（CB：Control Bus）控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作一個(gè)信號(hào)兩種狀態(tài)（高或低）兩種編碼（1或0）N：2N地址就是號(hào)碼8028616位數(shù)據(jù)總線，24位地址總線（16MB主存

20、）實(shí)方式（Real Mode）與8086工作方式一樣保護(hù)方式（Protected Mode）提供存儲(chǔ)管理、保護(hù)機(jī)制和多任務(wù)管理的硬件支持IBM PC/AT機(jī)使用Intel 80286 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：2328038632位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存虛擬8086方式（Virtual 8086 Mode）保護(hù)方式下的8086工作方式系統(tǒng)管理方式（System Management Mode）低功耗節(jié)能狀態(tài)英特爾32位結(jié)構(gòu)：IA-32（Intel Architectu

21、re-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列804868048680386803878KB Cache浮點(diǎn)處理單元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387高速緩沖存儲(chǔ)器Cache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲(chǔ)器用于提高整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存取速度復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC融合精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC的技術(shù)特點(diǎn)，例如：指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個(gè)步驟在多個(gè)部件中獨(dú)立地進(jìn)行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時(shí)進(jìn)行Pentium俗稱的80586微處理器，奔騰微處理器32位結(jié)構(gòu)，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是64位超標(biāo)量（Super

22、scalar）技術(shù)具有可以并行工作的2條整數(shù)處理流水線，可以達(dá)到每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行2條指令雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼高速緩沖存儲(chǔ)器8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器Pentium Pro原稱P6，中文名稱為“高能奔騰”兩個(gè)芯片組成CPU一級(jí)（L1）Cache（8KB代碼和8KB數(shù)據(jù)）二級(jí)（L2）Cache（256KB或512KB）擴(kuò)展的超標(biāo)量技術(shù)12級(jí)指令流水線能同時(shí)執(zhí)行3條指令動(dòng)態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流分析和推測(cè)執(zhí)行Pentium II多媒體擴(kuò)展指令（MMX指令）MMX（MutliMedia eXtension）整數(shù)運(yùn)算多媒體指令對(duì)圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進(jìn)行優(yōu)化提升微機(jī)對(duì)多媒體的處理能力Pe

23、ntium MMX（多能奔騰）：MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器Pentium II：MMX指令應(yīng)用于Pentium ProPentium III數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展指令（SSE指令）SSE（Streaming SIMD Extensions）浮點(diǎn)單精度多媒體運(yùn)算指令提高浮點(diǎn)3D數(shù)據(jù)的處理能力。SSE指令類似于AMD公司發(fā)布的3D Now!指令Pentium III：SSE指令應(yīng)用于Pentium II 單指令多數(shù)據(jù)SIMDSingle Instruction Multiple Data表示一條指令具有同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)的能力Pentium 4NetBurst的微結(jié)構(gòu)（Microarchite

24、cture） 指令級(jí)并行ILP（Instruction-Level Parallel）進(jìn)一步發(fā)掘指令之間可以同時(shí)執(zhí)行的能力超線程HT（Hyper Threading）線程級(jí)并行TLP（Thread-Level Parallel）發(fā)掘程序中的并行性一個(gè)物理處理器形成兩個(gè)邏輯處理器SSE2指令增強(qiáng)浮點(diǎn)雙精度多媒體運(yùn)算能力SSE3指令增強(qiáng)和完善MMX，SSE和SSE2指令I(lǐng)ntel 80 x86微處理器Celeron（賽揚(yáng)）微處理器面向低端（低價(jià)位）PC機(jī)Xeon（至強(qiáng)）微處理器面向高端服務(wù)器、工作站AMD微處理器AMD公司生產(chǎn)的IA-32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手雙核微處理器單

25、芯片多處理器SMP技術(shù)Intel的Pentium D：?jiǎn)涡酒pPentium 4核心64位微處理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微處理器Intel的EM64T（擴(kuò)展64位技術(shù)）： IA-32的64位擴(kuò)展微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1. 微處理器2. 存儲(chǔ)器3. I/O接口和I/O設(shè)備4. 系統(tǒng)總線控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB微處理器I/O設(shè)備I/O接口存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線BUS微處理器微機(jī)的核心、控制中心，中央處理器CPU大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成控制器運(yùn)算器（整數(shù)運(yùn)算器）寄存器（高速存儲(chǔ)單元）高性能微處理器內(nèi)部還有浮點(diǎn)處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運(yùn)算單元存儲(chǔ)管理單元、代碼保護(hù)機(jī)制Cache存儲(chǔ)

26、器存儲(chǔ)器（Memory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器（Register）高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）主板上的主存儲(chǔ)器以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（主存、內(nèi)存）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組成RAM部分?jǐn)嚯姾笮畔G失相對(duì)造價(jià)高、速度快、但容量小輔助存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲(chǔ)器等構(gòu)成相對(duì)造價(jià)低、容量大、信息可長(zhǎng)期保存，但速度慢RAM和ROMI/O接口和I/O設(shè)備I/O設(shè)備（Peripheral）：用戶與微機(jī)交互輸入（Input）設(shè)備，如標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備：鍵盤輸出（Output）設(shè)備，如標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備：顯示器I/O接口（Interface）：外設(shè)和主機(jī)間的橋梁完成信

27、號(hào)變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡(luò)控制等工作較簡(jiǎn)單的I/O接口電路與主板一體較復(fù)雜的I/O接口電路制成獨(dú)立的電路板（接口卡Card）系統(tǒng)總線總線（Bus）：傳遞信息的一組公用導(dǎo)線、信息通道系統(tǒng)總線（System Bus）：微機(jī)系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線：?jiǎn)蜗蜉敵鲋鞔鎲卧騃/O端口的地址信息數(shù)據(jù)總線：讀（Read）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器；寫（Write）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設(shè)）控制總線：有些控制信號(hào)或狀態(tài)信號(hào)輸出；有些請(qǐng)求或聯(lián)絡(luò)信號(hào)輸入微機(jī)系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，總線連接使得微機(jī)組合靈活、擴(kuò)展方便個(gè)人微機(jī)8位時(shí)代：Apple-II機(jī)，中華學(xué)習(xí)機(jī)16位時(shí)代：IBM PC系列機(jī)1981年，IBM P

28、C機(jī)：Intel 8088，DOS1982年，IBM PC/XT（Expanded Technology）1984年，IBM PC/AT（Advanced Technology）IBM PC/XT/AT機(jī)的兼容微機(jī)32位時(shí)代：32位PC機(jī)IA-32或其兼容微處理器Windows或Linux64位時(shí)代：計(jì)算機(jī)是由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。都是由元件構(gòu)成的有形物體，因而稱為硬件或硬設(shè)備。硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際物理裝置的總稱計(jì)算程序，因?yàn)樗菬o形的東西，稱為軟件或軟設(shè)備。軟件是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴(kuò)充和完善。兩

29、者相互依存，相互促進(jìn)。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件（Software）：指能使計(jì)算機(jī)工作的程序和程序運(yùn)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，以及與這些程序和數(shù)據(jù)有關(guān)的文字說明和圖表資料，其中文字說明和圖表資料又稱為文檔。軟件的分類：（1）系統(tǒng)軟件：指管理、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源的軟件。 操作系統(tǒng)：DOS、WINDOWS、UNIX、LINUX 語言處理程序：機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫的軟件 服務(wù)程序：例如編輯程序、診斷程序、排錯(cuò)程序等 （2）應(yīng)用軟件：除了系統(tǒng)軟件以外的所有軟件，是用戶利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件為解決各種實(shí)際問題而編制的計(jì)

30、算機(jī)程序。 1.2.2 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)軟件程序+數(shù)據(jù)+文檔計(jì)算機(jī)軟件程序數(shù)據(jù)文檔軟件分類操作系統(tǒng) 語言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件診斷、排錯(cuò)程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件目的程序早期計(jì)算機(jī)中，人們直接用機(jī)器語言編寫程序，計(jì)算機(jī)完全可以“識(shí)別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序用機(jī)器語言編寫程序很繁瑣，又耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，容易出錯(cuò)，出錯(cuò)后尋找錯(cuò)誤也相當(dāng)費(fèi)事，大大限制了計(jì)算機(jī)的使用匯編程序?yàn)榱司帉懗绦蚍奖惴g和提高機(jī)器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語言借助于匯編程序，計(jì)算機(jī)本身自動(dòng)地把符號(hào)語言表示的程序（稱為匯編源

31、程序）翻譯成用機(jī)器語言表示的目的程序用約定的文字、符號(hào)和數(shù)字（助記符）按規(guī)定 的格式來表示各種不同的指令高級(jí)語言為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言（高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言）算法語言是指按實(shí)際需要規(guī)定好的一套基本符號(hào)以及由這套基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機(jī)器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計(jì)算機(jī)編譯程序用程序設(shè)計(jì)語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機(jī)器直接識(shí)別和執(zhí)行，必須給計(jì)算機(jī)配備一個(gè)即懂算法語言又懂機(jī)器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機(jī)器語言通常采用下面兩種方法

32、：編譯系統(tǒng)： 用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機(jī)器語言形式的目的程序，然后在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行解釋系統(tǒng) ：逐個(gè)解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計(jì)算結(jié)果軟件與硬件的邏輯等價(jià)性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢(shì)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件界限已經(jīng)變得模糊了任何操作可以由軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成對(duì)于某一功能采用硬件方案還是軟件方案，取決于器件價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)容量、變更周期等軟件的特點(diǎn) 易于實(shí)現(xiàn)各種邏輯和運(yùn)算功能，但是常受到速度指標(biāo)和軟件容量的制約；硬件的特點(diǎn) 可以高速實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算功能，但是難以實(shí)現(xiàn)

33、復(fù)雜功能或計(jì)算，受到控制復(fù)雜性指標(biāo)的制約。1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（1/3）硬件和軟件的邏輯等價(jià) 1、含義： （1）任何一個(gè)由軟件完成的操作可以由硬件實(shí)現(xiàn) （2）任何一條由硬件執(zhí)行的指令能用軟件完成2、固件（Firmware）：是一種界于傳統(tǒng)的軟件和硬件之間的實(shí)體，功能上類似軟件，但形態(tài)上又是硬件。微程序是計(jì)算機(jī)硬件和軟件相結(jié)合的重要形式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第5層編譯程序高級(jí)語言層第4層匯編程序匯編語言層第3層操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)層第2層微程序機(jī)器語言層第1層微指令直接由硬件執(zhí)行微程序設(shè)計(jì)層1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（2/3）1、系列機(jī)：一組同屬一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在性能上由低檔到高檔形

34、成一個(gè)系列的計(jì)算機(jī)，組成一個(gè)計(jì)算機(jī)系列（family）。系列機(jī)中的每個(gè)機(jī)型都具有：相同的基本指令系統(tǒng)，相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相同的基本輸入輸出操作，支持相同的基本系統(tǒng)軟件等。2、兼容性：包括軟件兼容、硬件兼容、系統(tǒng)兼容等。 （1）軟件兼容是指一個(gè)軟件不經(jīng)修改就能在不同機(jī)型上正確運(yùn)行。 （2）軟件兼容存在以下兩種情況： 軟件的向上兼容性指某檔機(jī)原開發(fā)的軟件可以不加修改便能在它的高檔機(jī)上正確運(yùn)行使用。 軟件的向下兼容性指某檔機(jī)的軟件可以不加修改便能在它的低檔機(jī)上正確運(yùn)行使用。1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（3/3）系列機(jī)和兼容機(jī)系列機(jī)描述在一個(gè)廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列

35、不同型號(hào)的機(jī)器IBM PC系列機(jī)兼容機(jī)描述不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)IBM PC/AT兼容機(jī)軟件兼容軟件兼容：同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器，結(jié)果一樣，運(yùn)行時(shí)間不同。當(dāng)前機(jī)器時(shí)間機(jī)器檔次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer architecture）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件與硬件的界面指令系統(tǒng)程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性外特性 計(jì)算機(jī)組成(Computer organization）組織計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer implementation）計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，組成，實(shí)現(xiàn)是三個(gè)完

36、全不同的概念，相互間有著十分密切的依賴關(guān)系和相互的影響。廣義的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即包括經(jīng)典的指令集結(jié)構(gòu)，也包括計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)是否設(shè)置乘方/開方指令邏輯設(shè)計(jì)1(硬聯(lián)電路)實(shí)現(xiàn)方案1(V1,$1,T1)邏輯設(shè)計(jì)3(微程序)邏輯設(shè)計(jì)2(ROM查表)實(shí)現(xiàn)方案2(V2,$2,T2)實(shí)現(xiàn)方案3(V3,$3,T3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是否計(jì)算機(jī)的分類根據(jù)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍，將計(jì)算機(jī)分為專用計(jì)算機(jī)：為特定應(yīng)用問題而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，具有經(jīng)濟(jì)、有效和快速等特點(diǎn)，但它的使用面較窄通用計(jì)算機(jī)：使用面廣，通用性強(qiáng)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，是我們

37、經(jīng)常使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)計(jì)算機(jī)的規(guī)模，將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)：主要用于科學(xué)計(jì)算，運(yùn)算速度最快、性能極高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴。 大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)：體積小、功耗低、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作1.3 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) （1/3）主頻很大程度上決定計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度，單位兆赫茲。字長(zhǎng)決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度、指令字長(zhǎng)度、存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度等，可以是8/16/32/64位。運(yùn)算速度早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的次數(shù)用等效速度衡量。等效速度由各種指令平均執(zhí)行時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的執(zhí)令運(yùn)行比例計(jì)算得出。單位是每秒百萬指令利用“標(biāo)準(zhǔn)程序”在不同的機(jī)器上運(yùn)行得到的實(shí)測(cè)速度。存儲(chǔ)容量字?jǐn)?shù)字長(zhǎng) 1K：1024B（210）

38、 1M：1024K（220） 1G：1024M（230） 1T：1024G（240） 1P：1024T（250） 1.3 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) （2/3）可靠性常用平均無故障時(shí)間（MTBF）衡量。平均無故障時(shí)間(MTBF）是指兩次故障之間能正常工作時(shí)間的平均值。假設(shè)表示單位時(shí)間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例即失效率，則MTBF=1/。例如=0.02%/h，則MTBF=1/=5000h可維護(hù)性可用平均修復(fù)時(shí)間（MTRF）表示，指從故障發(fā)生到機(jī)器修復(fù)平均所需要的時(shí)間。 MTBRMean Time Between Repairs（字典縮略） MTTRMean Time To Repair（微軟計(jì)算機(jī)辭典

39、）可用性是指計(jì)算機(jī)的使用效率。 A=MTBF/(MTBF+MTRF) 可靠性R、可維護(hù)性S和可用性A，稱為RAS技術(shù)兼容性指設(shè)備或程序可以用于多種系統(tǒng)中的性能。1.3 計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo) （3/3）1.4 多媒體技術(shù) 多媒體技術(shù)的特點(diǎn) 媒體也稱信息的表現(xiàn)形式或傳播形式，是信息的載體。信息化社會(huì)中，信息可以用文字、聲音、圖形、圖象等媒體表示，它包含信息的存儲(chǔ)和信息的傳遞兩個(gè)方面。信息可以以多種媒體的形式傳輸，多媒體技術(shù)是指能夠同時(shí)獲取、處理 、編輯、存儲(chǔ)和展示兩個(gè)以上不同信息類型媒體的技術(shù)。多媒體系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 1、視頻和音頻數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮技術(shù)。 2、專用芯片研制。3、研制大容量存儲(chǔ)器。4、適

40、用于多媒體技術(shù)的軟件的研制與開發(fā)。 本章小結(jié)計(jì)算機(jī)從開始出現(xiàn)到目前經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的過程。按計(jì)算機(jī)所使用的微電子器件的發(fā)展可以將電子計(jì)算機(jī)分成五代。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)組成。計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入輸出設(shè)備及總線系統(tǒng)組成。而總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線，其結(jié)構(gòu)有單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)及多總線結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是計(jì)算機(jī)不同于一般電子設(shè)備的本質(zhì)所在。計(jì)算機(jī)的軟件一般分為系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序兩大類。計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)有：主頻、字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量、可靠性、兼容性等。按照計(jì)算機(jī)的規(guī)?？煞譃?/p>

41、巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)、單板機(jī)、單片機(jī)等。 第2章計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示 計(jì)算機(jī)組成原理簡(jiǎn)明教程 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)過程DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第73頁教學(xué)目標(biāo)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中表示方法及編碼形式掌握進(jìn)位計(jì)數(shù)制以及數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換掌握數(shù)與字符的表示方法及校驗(yàn)方法DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第74頁教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)位計(jì)數(shù)制和數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)帶符號(hào)數(shù)的表示方法字符編碼數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第75頁教學(xué)過程2.1 數(shù)據(jù)、信息和媒體2.2 進(jìn)位計(jì)數(shù)制2.3 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)2.4 帶符號(hào)數(shù)的表示方法2.5

42、 十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示2.6 字符編碼2.7 數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼 DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第76頁2.1 數(shù)據(jù)、信息和媒體 (1/4)數(shù)據(jù)：是對(duì)事實(shí)、概念或指令的一種特殊表達(dá)形式，可以用人工方式或自動(dòng)化裝置進(jìn)行通信、翻譯轉(zhuǎn)換或加工處理。 數(shù)值型數(shù)據(jù)：具有特定值的一類數(shù)據(jù)，可用來表示數(shù)量的多少，可比較其大小。非數(shù)值型數(shù)據(jù)：包括字符數(shù)據(jù)、邏輯數(shù)據(jù)、圖畫、聲音和活動(dòng)圖像數(shù)據(jù)等。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第77頁2.1 數(shù)據(jù)、信息和媒體 (2/4)信息：對(duì)人有用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能影響到人們的行為和決策。 信息處理：通過數(shù)據(jù)的采集和輸入，有效地把數(shù)據(jù)組織到計(jì)算機(jī)中，

43、由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理加工（如：存儲(chǔ)、建庫、轉(zhuǎn)換、合并、分類、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、匯總、傳送等操作），最后向人們提供有用的信息的全過程。 DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第78頁2.1 數(shù)據(jù)、信息和媒體 (3/4)媒體：承載信息的載體。與計(jì)算機(jī)信息處理有關(guān)的媒體：感覺媒體：能使人聽覺、視覺、嗅覺、味覺和觸覺器官直接產(chǎn)生感覺的一類媒體，如聲音、文字、圖畫、氣味等，它們是人類使用信息的有效形式。表示媒體：為了使計(jì)算機(jī)有效地加工、處理、傳輸感覺媒體而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用的特殊表示形式，即聲、文、圖、活動(dòng)圖像的二進(jìn)制編碼表示。存儲(chǔ)媒體：用于存放表示媒體以便計(jì)算機(jī)隨時(shí)加工處理的物理實(shí)體，

44、如磁盤、光盤、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器等。表現(xiàn)媒體：用于把感覺媒體轉(zhuǎn)換成表示媒體進(jìn)而轉(zhuǎn)換為感覺媒體的物理設(shè)備，如計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備。傳輸媒體：用來將表示媒體從一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳遞到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的通信載體，如同軸電纜、光纖、電話線等。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第79頁2.1 數(shù)據(jù)、信息和媒體 (4/4)數(shù)字化編碼：用少量最簡(jiǎn)單的基本符號(hào)，對(duì)大量復(fù)雜多樣的信息進(jìn)行一定規(guī)律的組合。一切信息編碼的兩大要素 基本符號(hào)的種類組合規(guī)則DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第80頁計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用的二進(jìn)制表示方式的原因 二進(jìn)制只有兩個(gè)數(shù)碼“0”和“1”，易于用物理器件表示。這些物理狀態(tài)都是不

45、同的質(zhì)的變化，形象鮮明、易于區(qū)別，并且數(shù)的存儲(chǔ)、傳送和處理可靠性高。運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單，操作實(shí)現(xiàn)容易。二進(jìn)制加、減、乘、除運(yùn)算，可以歸結(jié)為加、減、移位三種操作。理論和實(shí)踐證明，采用R= e =2.71828進(jìn)制時(shí)，存儲(chǔ)設(shè)備最省，取3比取2更節(jié)省設(shè)備，但二進(jìn)制比三進(jìn)制易于表示。二進(jìn)制中的“1”和“0”與邏輯命題中的“真”、“假”相對(duì)應(yīng)，為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和程序中的邏輯判斷創(chuàng)造了良好條件。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第81頁2.2 進(jìn)位計(jì)數(shù)制2.2.1 進(jìn)位基數(shù)和位的權(quán)數(shù)2.2.2 二進(jìn)制數(shù)制2.2.3 八進(jìn)制數(shù)制2.2.4 十六進(jìn)制數(shù)制2.2.5 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換DATE y

46、yyy年M月d日|2022年4月23日第82頁2.2.1 進(jìn)位基數(shù)和位的權(quán)數(shù)基數(shù)：計(jì)數(shù)制中用到的數(shù)碼的個(gè)數(shù)，用R表示。位權(quán)：以基數(shù)為底的指數(shù)，指數(shù)的冪是數(shù)位的序號(hào)。對(duì)一個(gè)數(shù)S，其基數(shù)為R，則：DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第83頁計(jì)算機(jī)常用各種進(jìn)制數(shù)的表示進(jìn)位制二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制規(guī)則逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十進(jìn)一逢十六進(jìn)一基數(shù)R=2R=8R=10R=16基本符號(hào)0,10,1,2,70,1,2,90,1,.,9,A,.,F權(quán)2i8i10i16i形式表示BODHDATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第84頁2.2.5 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)

47、制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二、八、十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)和八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八、十六進(jìn)制數(shù)八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第85頁二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) （1/2） 例2-1 將(11011.11)2轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) 解： (11011.11) 2 =124+123+022+121+120+12-1+12-2 =(27.75)10DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第86頁二、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) （2/2）例2-2 將(732.6)8轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) 解：

48、(732.6)8 =782+381+280+68-1 =(474.75)10例2-3 將(A5C.B2)16轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) 解： (A5C.B2)16 =10162+5161+12160+1116-1+216-2 =(2652.6953125)10DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第87頁十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù) （1/3）任一十進(jìn)制數(shù)N，N=N整+N小。將這兩部分分開轉(zhuǎn)換整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換：采用“除2求余法”，轉(zhuǎn)換方法為：連續(xù)用2除，求得余數(shù)（1或0）分別為K0、K1、K2、，直到商為0，所有余數(shù)排列Kn-1Kn-2K2K1K0 即為所轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制整數(shù)部分。小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換：采用“乘2

49、取整法”。轉(zhuǎn)換方法為：連續(xù)用2乘，依次求得各整數(shù)位（0或1）K-1、K-2、K-m，直到乘積的小數(shù)部分為0。在小數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，出現(xiàn)Fi恒不為0時(shí)，可按精度要求確定二進(jìn)制小數(shù)的位數(shù)。 DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第88頁十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù) （2/3）例2-4 求(43)10的二進(jìn)制表示 解： 除以2 商Qi 余數(shù)Ki 43/221 K0=1 21/210 K1=1 10/2 5 K2=0 5/2 2 K3=1 2/2 1 K4=0 1/2 0 K5=1 (43)10=(101011)2DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第89頁十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù) （3/3

50、）例2-5 求(0.6875)20的二進(jìn)制值解： 乘以2小數(shù)Fi整數(shù)Ki 0.687520.3750K-1=1 0.375020.7500K-2=0 0.750020.5000K-3=1 0.500020.0000K-4=1 (0.6875)10=(0.1011)2DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第90頁十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，使用的方法與十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的方法基本相同，只是求整數(shù)部分時(shí)是用商除以8或16，取其余數(shù)；小數(shù)部分改用乘以8或16，取其整數(shù)即可。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第91頁二進(jìn)制數(shù)

51、與八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換 二進(jìn)制轉(zhuǎn)化成八(十六)進(jìn)制整數(shù)部分：從右向左按三(四)位分組，不足補(bǔ)零小數(shù)部分：從左向右按三(四)位分組，不足補(bǔ)零例2-9(001 011 010 110.101 011 100) 2= (1326.534.) 8 1 3 2 6 5 3 4例2-10(0101 1101.0101 1010) 2= (5D.5A) 16 5 D 5 ADATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第92頁八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換八(十六)進(jìn)制轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制一位八進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)三位二進(jìn)制數(shù)一位十六進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)四位二進(jìn)制數(shù)例2-11 (247.63)8= (010 100 1

52、11.110 011)2例2-12 (F5A.6B) 16= (1111 0101 1010 0110.0110 1011) 2DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第93頁2.3 定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的表示定點(diǎn)表示法浮點(diǎn)表示法任何一個(gè)二進(jìn)制數(shù)N都可以表示為N=2ES其中E是一個(gè)二進(jìn)制整數(shù)，稱為數(shù)N的階碼，2為階碼的基數(shù)，S是二進(jìn)制小數(shù)，稱為數(shù)N的尾數(shù)。E和S可正可負(fù)。尾數(shù)S表示數(shù)N的全部有效數(shù)據(jù)，階碼E指明該數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置，表示數(shù)據(jù)的大小范圍。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第94頁2.3.1 定點(diǎn)數(shù)表示法階碼E保持不變?nèi)鬍=0，小數(shù)點(diǎn)固定在最高位之前，則該數(shù)是一

53、個(gè)純小數(shù)或定點(diǎn)小數(shù)。例如 N=200.110101001=0.110101001若E=n (n為尾數(shù)的位數(shù))，則把小數(shù)點(diǎn)定在尾數(shù)最末位之后，表示一個(gè)純整數(shù)(定點(diǎn)整數(shù))。 例如 N=270.1011010=01011010DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第95頁定點(diǎn)數(shù)的表示方法定點(diǎn)表示：約定機(jī)器中所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置是固定不變的。通常將數(shù)據(jù)表示成純小數(shù)或純整數(shù)定點(diǎn)數(shù)xx0 x1x2xn 在定點(diǎn)機(jī)中表示如下(x0表示符號(hào)位，0代表正號(hào)，1代表負(fù)號(hào))定點(diǎn)整數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置定點(diǎn)小數(shù)的小數(shù)點(diǎn)位置定點(diǎn)數(shù)例例：X=+1010110.純整數(shù)：X = 01010110.正數(shù)，符號(hào)位取0Y= -

54、1101001.純整數(shù)：Y = 11101001. （原碼）負(fù)數(shù)，符號(hào)位取1X=+0.11011Y=-0.10101符號(hào)位取0純小數(shù)：X = 0.11011符號(hào)位取1純小數(shù)：X = 1.10101 （原碼）2.3.2 浮點(diǎn)數(shù)的表示 浮點(diǎn)數(shù)的格式階碼位數(shù)m與尾數(shù)位數(shù)n之間有如下關(guān)系：2m-1n即表示階碼的值應(yīng)保證實(shí)際的小數(shù)點(diǎn)可以在整個(gè)尾數(shù)的位格中移動(dòng)。浮點(diǎn)數(shù)的表示形式階碼階符尾數(shù)尾符DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第98頁階碼和尾數(shù)用定點(diǎn)小數(shù)表示，給出有效數(shù)字的位數(shù)決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示精度表達(dá)指數(shù)部分用整數(shù)形式表示，指明小數(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中的位置決定浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍DATE yyyy年

55、M月d日|2022年4月23日第99頁2.3.2 浮點(diǎn)數(shù)的表示規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)所謂浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化，就是通過移動(dòng)尾數(shù)，使尾數(shù)S的最高位數(shù)字為1。即S滿足1/2|S|1時(shí)，這個(gè)浮點(diǎn)數(shù)就是規(guī)格化的數(shù)，否則就不是。在字長(zhǎng)一定的情況下，規(guī)格化的浮點(diǎn)數(shù)精度最高。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第100頁2.3.3 定點(diǎn)數(shù)表示法和浮點(diǎn)數(shù)表示法的比較表示的數(shù)據(jù)范圍不同定點(diǎn)表示法，8位小數(shù)，能表示的數(shù)據(jù)范圍：0.00000010.1111111 （2-71-2-7）浮點(diǎn)表示法，2位階碼，1位階符，4位尾數(shù)，1位尾符，能表示的范圍：0.00012-11 0.1111211溢出情況不同定點(diǎn)表示法（小數(shù)

56、） 帶符號(hào)n+1位數(shù)時(shí)： 小于2-n時(shí)：當(dāng)0； 大于1-2-n時(shí)：溢出，停機(jī)。浮點(diǎn)表示法： 規(guī)格化后，從階碼上分析溢出： 階碼很小時(shí)，下溢：當(dāng)0；階碼超出最大值時(shí)，上溢：停機(jī)。運(yùn)算規(guī)則的復(fù)雜性不同定點(diǎn)數(shù)：較簡(jiǎn)單；浮點(diǎn)數(shù)：較復(fù)雜。精度不同規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定點(diǎn)數(shù)。DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第101頁2.3.4 計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示單位和機(jī)器字長(zhǎng) 數(shù)的表示單位：位（Bit）：表示數(shù)的最基本單位，對(duì)二進(jìn)制只有“0”和“1”字節(jié)（Byte）：8位二進(jìn)制數(shù)字（Word）：機(jī)器字長(zhǎng)：參加運(yùn)算的寄存器所含的二進(jìn)制位數(shù)，代表機(jī)器的精度固定長(zhǎng)度可變字長(zhǎng)DATE yyyy年M月d日|2

57、022年4月23日第102頁2.4 帶符號(hào)數(shù)的表示 一個(gè)數(shù)的表示方法，是它們?cè)谟?jì)算機(jī)中的組成格式和編碼規(guī)則。當(dāng)一個(gè)數(shù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理時(shí)，首先將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，同時(shí)還要解決以下幾個(gè)問題： 1怎樣表示數(shù)的符號(hào) 2怎樣確定小數(shù)點(diǎn)的位置DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第103頁2.4.1 機(jī)器數(shù)的原碼表示 （1/3）規(guī)則：機(jī)器數(shù)的最高一位表示符號(hào)，“0”表示正號(hào)；“1”表示負(fù)號(hào)，后面各位用數(shù)的絕對(duì)值表示。整數(shù)原碼的定義為：X原為機(jī)器數(shù)的原碼，X為真值，n為整數(shù)的位數(shù)。例2-13：求X=1011和Y=-1011的原碼解：X=1011時(shí)， 原 = 01011Y=-1011時(shí)， Y

58、原 = 24 - (-1011) = 11011DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第104頁2.4.1 機(jī)器數(shù)的原碼表示 （2/3）小數(shù)原碼的定義為：X原為機(jī)器數(shù)的原碼，X為真值。例2-14：求X=0.1011和Y=-0.1011的原碼解：X=0.1011時(shí)， 原 = 0.1011Y=-0.1011時(shí)， Y原 = 1 - (-0.1011) = 1.1011DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第105頁2.4.1 機(jī)器數(shù)的原碼表示 （3/3）性質(zhì)： 原碼最高位表示數(shù)的符號(hào)，0表示正號(hào)，1表示負(fù)號(hào)。 對(duì)定點(diǎn)小數(shù)，有： 0不唯一 定點(diǎn)小數(shù) +0原 = 0.00 -0原

59、 = 1.00 整數(shù) +0原 = 000 -0原 = 1000X1-1X0+2+10-11X原20X原X0負(fù)整數(shù) 0X-2n 整數(shù)X的補(bǔ)碼可以寫成：X補(bǔ) = 2n+1XS + X，DATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第109頁性質(zhì)整數(shù)的補(bǔ)碼與真值之間的關(guān)系 補(bǔ)碼與真值的關(guān)系設(shè)X補(bǔ)=XSXn-1Xn-2X1X0，X補(bǔ) = 2n+1XS + X，可以證明：X = X補(bǔ) - 2n+1XS = -2nXs + Xn-1Xn-2X1X0補(bǔ)碼的一項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算特性 X/2補(bǔ)是把X補(bǔ)中各位連同符號(hào)位一起都右移一位，符號(hào)位保持不變。2.4.2 機(jī)器數(shù)的補(bǔ)碼表示 （4/8）X0X2n-2nX0X補(bǔ)-2

60、n）2n+12n）02nX補(bǔ)2n+10X補(bǔ)2nDATE yyyy年M月d日|2022年4月23日第110頁2.4.2 機(jī)器數(shù)的補(bǔ)碼表示 （5/8）補(bǔ)碼的求法當(dāng)0X-2n時(shí)，數(shù)X的補(bǔ)碼是：符號(hào)位為1，數(shù)值位是其真值X的數(shù)值位取反加1。也可由X的原碼X原求得補(bǔ)碼X補(bǔ)：X補(bǔ)等于X原除符號(hào)位外求反加1。反過來可由X的補(bǔ)碼X補(bǔ)求得原碼X原：X原等于X補(bǔ)除符號(hào)位外求反加1。當(dāng)X為小數(shù)時(shí)，若X為負(fù)數(shù)，則X的補(bǔ)碼是：符號(hào)位為1，數(shù)值位是其真值X 的數(shù)值位取反末位加1。也可由X的原碼X原求得補(bǔ)碼X補(bǔ)：X補(bǔ)等于X原除符號(hào)位外求反末位加1。反過來可由X的補(bǔ)碼X補(bǔ)求得原碼X原：X原等于X補(bǔ)除符號(hào)位外求反末位加1。DA