第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

大學(xué)計(jì)算機(jī)

（第4版）“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材北京郵電大學(xué)出版社主編：蔣加伏數(shù)據(jù)表示與存儲(chǔ)軟件系統(tǒng)工作原理硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展

計(jì)算機(jī)的定義 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的分類(lèi)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趁勢(shì)什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種處理信息的工具，它能自動(dòng)、高速、精確地對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、傳送和加工處理。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展1946年世界上第一臺(tái)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)誕生。世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC共使用了18800個(gè)電子管，8000多個(gè)電阻電容，占地170平方米，功率150kw，重量達(dá)30噸，每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。它的問(wèn)世，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來(lái)。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展電子管時(shí)代晶體管時(shí)代中小規(guī)模集成電路時(shí)代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時(shí)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的四個(gè)時(shí)代：計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展

第一代電子管計(jì)算機(jī)（1946年—1953年）

主要用于科學(xué)計(jì)算和軍事應(yīng)用方面。第一代計(jì)算機(jī)使用的電子元件：真空管1940年代程式設(shè)計(jì)工作

第二代晶體管計(jì)算機(jī)（1954年—1963年）

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制中。用晶體管制造的TX－0第二代計(jì)算機(jī)主要電子元件：晶體管第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1964年—1970年）

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。第一個(gè)采用集成電路的通用電子

計(jì)算機(jī)系列IBM360系統(tǒng)集成電路

第四代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971年至今）

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，幾乎滲透到人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。第四代計(jì)算機(jī)－個(gè)人計(jì)算機(jī)超大規(guī)模集成電路1975年，第一臺(tái)微機(jī)

Altair8800（牛郎星）微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展4位微機(jī)

8位微機(jī)

32位微機(jī)（Intel80386、80486）

64位微機(jī)（Pentium、PentiumII）

16位微機(jī)（Intel8086、80286）

PentiumIII

PentiumIV計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展core英特爾公司CPU產(chǎn)品酷睿（Core）系列，主要用于臺(tái)式微機(jī)和筆記本微機(jī)。至強(qiáng)（Xeon）系列，主要面向PC服務(wù)器。凌動(dòng)（Atom）系列，主要用于平板微機(jī)。計(jì)算機(jī)的分類(lèi)按運(yùn)算速度巨型計(jì)算機(jī)大/中型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展大型計(jì)算機(jī)微機(jī)嵌入式系統(tǒng)按目前市場(chǎng)分布計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)微型化大型化計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的工作原理

計(jì)算機(jī)的基本工作原理指令和指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行過(guò)程工作原理計(jì)算機(jī)的基本工作原理工作原理

基于馮諾依曼模型設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)的思想硬件核心由五部分組成采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令存儲(chǔ)程序I/O設(shè)備內(nèi)存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器指令存取命令運(yùn)算命令輸入/輸出命令計(jì)算機(jī)的基本工作原理程序+數(shù)據(jù)取數(shù)讀結(jié)果存數(shù)寫(xiě)數(shù)據(jù)線：控制線：工作原理馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型：指令:

指令是計(jì)算機(jī)完成某一操作而發(fā)出的指示或命令。指令的格式如下：指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有指令的集合稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。操作碼操作數(shù)工作原理指令的執(zhí)行過(guò)程

取指令

將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存取到控制器中

指令譯碼對(duì)取的指令通過(guò)譯碼器進(jìn)行分析判斷，判斷該指令要完成的操作指令執(zhí)行根據(jù)分析結(jié)果向各部件發(fā)出操作信息，執(zhí)行該指令相應(yīng)的操作功能

結(jié)果寫(xiě)回將處理結(jié)果寫(xiě)回到內(nèi)存中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)的定義控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備總線和I/O接口計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種物理設(shè)備的總稱。主機(jī)外部設(shè)備計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備硬件CPU硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：硬件系統(tǒng)

控制器是整個(gè)計(jì)算機(jī)的指揮系統(tǒng)，用于控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)一致地工作。

運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件，也叫算術(shù)邏輯單元。

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中具有記憶能力的部件，用于保存和記錄原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算步驟（指令）、中間結(jié)果及最終結(jié)果。存儲(chǔ)器可分為:主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。硬件系統(tǒng)

主存儲(chǔ)器（主存、內(nèi)存）：是主機(jī)的一部分，特點(diǎn)是存取速度快、與CPU直接打交道，但存儲(chǔ)容量小，價(jià)格較貴。主要用于存放正在執(zhí)行的命令、程序或正在加工處理的數(shù)據(jù)。內(nèi)存又可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。輔助存儲(chǔ)器（輔存、外存）：屬于外部設(shè)備，特點(diǎn)是不能直接向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，存取速度慢，但存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜。主要用于存放暫時(shí)不用而以后有用的程序或數(shù)據(jù)。常用的有U盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)等。CPU、內(nèi)存、外存之間的關(guān)系CPU外存內(nèi)存交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)不能直接交換27硬件系統(tǒng)

輸入設(shè)備的功能是將數(shù)據(jù)、程序等用戶信息變換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別和處理的信息形式，然后存入存儲(chǔ)器。輸出設(shè)備的主要功能是將計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制信息變換為計(jì)算機(jī)用戶所需要并能識(shí)別的信息形式。主機(jī)箱立式機(jī)箱硬件系統(tǒng)機(jī)箱內(nèi)部構(gòu)造主機(jī)箱內(nèi)的部件主板CPU內(nèi)存儲(chǔ)器顯示卡聲卡硬盤(pán)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備

常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等。

（1）鍵盤(pán)

101鍵鍵盤(pán)示意圖(2)鼠標(biāo)

鼠標(biāo)的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠標(biāo)，在Windows及網(wǎng)絡(luò)中使用頻率相當(dāng)高，可以代替鍵盤(pán)的大部分功能。鼠標(biāo)分為機(jī)械式、光學(xué)式和光學(xué)機(jī)械式三種，對(duì)鼠標(biāo)的操作可分為左擊、右擊、雙擊及拖動(dòng)，這四種不同的操作可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

輸出設(shè)備

（1）顯示器：顯示器是最常用的輸出設(shè)備,主要有CRT和LCD兩種類(lèi)型的顯示器。顯示器的主要技術(shù)參數(shù)：屏幕尺寸、點(diǎn)距、顯示分辨率、刷新頻率。輸出設(shè)備

（2）打印機(jī)：打印機(jī)也是計(jì)算機(jī)中最常用的輸出設(shè)備。按輸出方式可分為擊打式和非擊打式，擊打式以針式打印機(jī)為主要代表，非擊打式以激光打印機(jī)和噴墨打印機(jī)為主流?？偩€和I/O接口

總線是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中能夠?yàn)槎鄠€(gè)部件共享的公共信息通道。地址總線（AddressBUS:AB）數(shù)據(jù)總線（DataBUS:DB）控制總線（ControlBUS:CB）計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)示意圖：

微處理器CPU

主存儲(chǔ)器外存接口輸入輸出接口其他I/O口各種外設(shè)鍵盤(pán)、顯示器等硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器AB地址DB數(shù)據(jù)CB控制總線和I/O接口

接口是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，在兩個(gè)硬件設(shè)備之間起連接作用的邏輯電路。主機(jī)與外部設(shè)備之間的接口稱為輸入/輸出接口，簡(jiǎn)稱I/O接口。接口功能：在各個(gè)組成部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。接口分類(lèi)：并行接口和串行接口。計(jì)算機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

外圍設(shè)備的配置指令系統(tǒng)的功能系統(tǒng)軟件的配置情況診斷能力與容錯(cuò)能力內(nèi)存容量CPU字長(zhǎng)時(shí)鐘頻率其它硬件系統(tǒng)性能指標(biāo)

兼容性指標(biāo)軟件兼容性

硬件兼容性

軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的定義 系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件…數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)用戶程序應(yīng)用軟件包工具軟件…系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件什么是軟件？軟件系統(tǒng)軟件是指使計(jì)算機(jī)運(yùn)行所需的程序和有關(guān)的文檔。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是用于計(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)、監(jiān)控、運(yùn)行的軟件。系統(tǒng)軟件通常包括：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及語(yǔ)言處理程序等。

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和語(yǔ)言處理程序

為了完成某項(xiàng)特定任務(wù)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)的一組指令序列就稱之為程序。第一代語(yǔ)言——機(jī)器語(yǔ)言第二代語(yǔ)言——匯編語(yǔ)言第三代語(yǔ)言——高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言源程序執(zhí)行結(jié)果解釋并執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序執(zhí)行結(jié)果編譯運(yùn)行編譯程序（事先裝入計(jì)算機(jī)）解釋程序（事先裝入計(jì)算機(jī)）高級(jí)語(yǔ)言源程序編譯過(guò)程示意圖解釋過(guò)程示意圖

用匯編語(yǔ)言和各種高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)出來(lái)的程序稱為源程序，源程序不能被計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行，必須把它們翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，機(jī)器才能識(shí)別及執(zhí)行，翻譯程序稱為語(yǔ)言處理程序。

應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)出來(lái)的具有特定功能的為解決某一具體問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的程序。用戶不再編寫(xiě)程序就可以直接使用。例如：Word、Excel、MIS等。應(yīng)用軟件是面向用戶的最高層程序。

數(shù)據(jù)的表示與存儲(chǔ)

數(shù)制

計(jì)算機(jī)編碼

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的組織形式數(shù)據(jù)的表示與存儲(chǔ)常用數(shù)制的數(shù)字符號(hào)和基數(shù)數(shù)制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)字符號(hào)0~90,10~70~9,A,B,C,D,E,F基數(shù)102816數(shù)制及其轉(zhuǎn)換基數(shù)：數(shù)制中所使用的數(shù)字符號(hào)的個(gè)數(shù)稱為“基數(shù)”,通常用R來(lái)表示。1.數(shù)制A～F10～15

數(shù)制

書(shū)寫(xiě)格式二進(jìn)制（10110.01）210110.01B八進(jìn)制（235.7）8235.7O、235.7Q十進(jìn)制（563.45）10563.45D十六進(jìn)制（3DA.5）163DA.5H注意：沒(méi)有任何標(biāo)記默認(rèn)的是十進(jìn)制。2.數(shù)制間的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制非十進(jìn)制非十進(jìn)制十進(jìn)制二、八、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換方法：按權(quán)展開(kāi)求和法。非十進(jìn)制十進(jìn)制權(quán)：數(shù)制中每一位所具有的值稱為“權(quán)”。同一數(shù)字出現(xiàn)在不同的數(shù)位所代表的值是不一樣的。567.89=5×102+6×101+7×100+8×10-1+9×10-2權(quán)用Ri（i=…3,2,1,0,-1,-2,-3…）按權(quán)展開(kāi)：每個(gè)數(shù)位上的數(shù)字乘以相應(yīng)的權(quán)值相加。

(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1示例：(1011.1)2=（）1011.5

=

8+0+2+1+0.5=(11.5)10

(1011.1)8=1×83+0×82+1×81+1×80+1×8-1

(1011.1)16=1×163+0×162+1×161+1×160+1×16-1十進(jìn)制非十進(jìn)制整數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法:除R取余法，即除以基數(shù)取余數(shù)，直到商為0為止，所得余數(shù)由下而上排列。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法:乘R取整法，即乘以基數(shù)取整數(shù)，當(dāng)積為0或達(dá)到所要求的精度時(shí)，所得整數(shù)由上而下排列。示例：（75.625）10=（）21001011.10175222222237189421011100010.625×2

1.2501

×2

×2

0.500

1.01

（75）10=（1001011）2（0.625）10=（0.101）2注意：在小數(shù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，小數(shù)可能是無(wú)限位，此時(shí)轉(zhuǎn)換到指定的精度時(shí)結(jié)束。注意：十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制的時(shí)候，余數(shù)和整數(shù)中出現(xiàn)10～15要用A～F來(lái)表示。（75.625）10=（113.5

）8=（4B.A）16758889103110.625×8

5.0005

75161640B40.625×16

10.000A

二進(jìn)制十六進(jìn)制

二進(jìn)制八進(jìn)制二、八、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換一位拆三位一位拆四位三位并一位四位并一位100110110111.0101示例:(100110110111.0101)2=()8004662744667.24

4

6

6

7.2

4100110110010111100注意：分組時(shí)，以小數(shù)點(diǎn)為中心，向前、向后分組，前后不夠的話補(bǔ)0。按權(quán)展開(kāi)求和注意：拆分時(shí)，把一位八制數(shù)分解成權(quán)值相加，哪一位對(duì)應(yīng)有權(quán)值，哪一位就為“1”。222120000110110111.0100

1 B 7.4(110110111.010)2=(1B7.4)16

1

B7.4

000110110111.0100

注意:

八進(jìn)制十六進(jìn)制二或十進(jìn)制課堂練習(xí)

1.(1101.1)2=（）102.(93.4375)10=（）83.(3A9.4)16=()213.5135.341110101001.01

(1101.1)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1=13.59388811105310.4375×8

3.50003

×8

4.04

3

A9.4

001110101001.0100

數(shù)值型數(shù)據(jù)字符型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示BCD碼：用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)。623.48=(011000100011.01001000)BCDBCD碼注意:BCD碼中首尾的“0”不能去掉。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示1.英文字符的表示ASCII碼：ASCII碼占一個(gè)字節(jié)，最高位為0，低7位二進(jìn)制給出了128個(gè)編碼，可以表示128個(gè)不同的字符。其中95個(gè)字符可以顯示，包括大小寫(xiě)英文字母、數(shù)字、運(yùn)算符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等。另外的33個(gè)字符是不可顯示的，它們是控制碼。如“A”的ASCII碼是01000001B，十進(jìn)制表示為65。0000010100111001011101110000NULDLESP0@P′p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2”2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB’7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；K[k{1100FFFS，<L\l|1101CRGS–=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIVS/？O↓oDELb6b5b4b3b2b1b0ASCII碼表2.中文字符的表示漢字國(guó)標(biāo)碼（交換碼）：用2個(gè)連續(xù)字節(jié)即16