第一章計算機基本知識

工程類課程重視練習經驗很重要不要鉆牛角尖授課內容有側重考查方式閉卷考試卷面成績70％，平時成績30％（作業(yè)和實驗）作業(yè)和實驗的重要性，平時成績對最終成績的影響第一章

計算機基本知識緒論計算機的發(fā)展概況微型計算機中信息的表示及運算基礎幾個重要的數(shù)字邏輯電路微機基本結構1·1緒論計算機之父--馮·諾依曼

研究的專業(yè)是：1、數(shù)學 2、物理3、化學 4、經濟5、電子

1·1緒論在經濟學方面，馮·諾依曼有突破性成就，被譽為“博弈論之父”。在物理領域，馮·諾依曼在30年代撰寫的《量子力學的數(shù)學基礎》已經被證明對原子物理學的發(fā)展有極其重要的價值。在化學方面也有相當?shù)脑煸?，曾獲蘇黎世高等技術學院化學系大學學位。他無愧是上世紀最偉大的全才之一。

1·1緒論

1946年2月15日世界第一臺電子計算機問世

1946年世界上第一臺電子計算機由美國賓夕法尼亞大學研制成功。盡管它重達30噸，占地170平方米，耗電140千瓦，用了18800多個電子管，每秒鐘僅能做5000次加法.

運作了九年之久。吃電很兇，據(jù)傳ENIAC每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每15分鐘就可能燒掉一支真空管，操作人員須花15分鐘以上的時間才能找出壞掉的管子，使用上極不方便。曾有人調侃道：“只要那部機器可以連續(xù)運轉五天，而沒有一只真空管燒掉，發(fā)明人就要額手稱慶了”。1·1緒論這臺計算機有五個基本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器和控制器，奠定了當代電子數(shù)字計算機體系結構的基礎。

工作特點是程序控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字編碼——電子計算機工作的基礎幾個概念CPU幾個概念計算機主機幾個概念CPU=控制器＋運算器計算機主機＝CPU＋存儲器計算機硬件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)字長：CPU并行處理二進制的數(shù)據(jù)位數(shù)。8位機、16位機、32位機和64位機。1·2計算機的發(fā)展概況

微型化─便攜式、低功耗巨型化─尖端科技領域的信息處理，需要超大容量、高速度智能化─模擬人類大腦思維和交流方式，多種處理能力系列化、標準化─便于各種計算機硬、軟件兼容和升級網絡化─網絡計算機和信息高速公路多機系統(tǒng)─大型設備、生產流水線集中管理(獨立控制、 故障分散、資源共享)1·2計算機的發(fā)展概況

一、計算機的發(fā)展概況

第一代：電子管計算機時代（1947~1957）第二代：晶體管計算機時代（1958~1964）第三代：集成電路計算機時代（1964～1972）第四代：超大規(guī)模集成電路（VLSI）計算機時代（1972年~）。第五代：智能計算機（1981年~）。二、微處理器及微型計算機的發(fā)展概況

第一代微處理器是以Intel公司1971年推出的4004，4040為代表的四位微處理機。

第二代微處理機（1973年~1977年），典型代表有：Intel公司的8080、8085；Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80。第三代微處理機第三代微機是以16位機為代表，基本上是在第二代微機的基礎上發(fā)展起來的。其中Intel公司的8088。8086是在8085的基礎發(fā)展起來的；M68000是Motorola公司在M6800的基礎發(fā)展起來的；第四代微處理機以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU為代表，

第五代微處理機的發(fā)展更加迅猛，1993年3月被命名為PENTIUM的微處理機面世，98年PENTIUM2又被推向市場。INTELCPU發(fā)展歷史Intel第一塊CPU4004,4位主理器,主頻108kHz,運算速度0.06MIPs(MillionInstructionsPerSecond,每秒百萬條指令),集成晶體管2,300個,10微米制造工藝,最大尋址內存640bytes,生產曰期1971年11月.

8085,8位主理器,主頻5M,運算速度0.37MIPs,集成晶體管6,500個,3微米制造工藝,最大尋址內存64KB,生產曰期1976年

8086,16位主理器,主頻4.77/8/10MHZ,運算速度0.75MIPs,集成晶體管29,000個,3微米制造工藝,最大尋址內存1MB,生產曰期1978年6月.

80486DX,DX2,DX4,32位主理器,主頻25/33/50/66/75/100MHZ,總線頻率33/50/66MHZ,運算速度20~60MIPs,集成晶體管1.2M個,1微米制造工藝,168針PGA,最大尋址內存4GB,緩存8/16/32/64KB,生產曰期1989年4月

Celeron一代,主頻266/300MHZ(266/300MHzw/oL2cache,Covington芯心(Klamathbased),300A/333/366/400/433/466/500/533MHzw/128kBL2cache,Mendocino核心(Deschutes-based),總線頻率66MHz,0.25微米制造工藝,生產曰期1998年4月)

Pentium4(478針),至今分為三種核心:Willamette核心(主頻1.5G起,FSB400MHZ,0.18微米制造工藝),Northwood核心(主頻1.6G~3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工藝,二級緩存512K),Prescott核心(主頻2.8G起,FSB800MHZ,0.09微米制造工藝,1M二級緩存,13條全新指令集SSE3),生產曰期2001年7月.

多核CPU是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內核)。通過劃分任務，線程應用能夠充分利用多個執(zhí)行內核，并可在特定的時間內執(zhí)行更多任務。2006年7月18日，英特爾雙核安騰2處理器發(fā)布，集成了17.2億個晶體管，同樣采用了90nm制程技術生產。

●45nm究竟有多小?2千多顆45nm晶體管加起來才相當于人類一根毛發(fā)的寬度，連看不到的細菌，原來它的直徑也有2,000nm，因此，肉眼要看到45nm晶體管，必須需要非常先進的顯微鏡工具才能達成。更大的緩存、更高的頻率、超級流水線、分支預測、亂序執(zhí)行超線程技術多核技術低功耗微型計算機組成結構微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機（主機）微處理器(CPU)軟件外圍設備運算器控制器存儲器(內存)RAMROM外部設備輔助設備輸入設備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀…)輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀、…)輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應用軟件(科學計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路單片機簡介單片機即單片機微型計算機，是將計算機主機(CPU、 內存和I/O接口)集成在一小塊硅片上的微型機。單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。實現(xiàn)單片機應用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高)。主要應用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能儀器儀表、通訊設備、家用電器等。特別適合于嵌入式微型機應用系統(tǒng)。三、計算機編程語言的發(fā)展概況

機器語言

機器語言就是0，1碼語言，是計算機唯一能理解并直接執(zhí)行的語言。匯編語言

用一些助記符號代替用0，1碼描述的某種機器的指令系統(tǒng)，匯編語言就是在此基礎上完善起來的。高級語言

BASIC，PASCAL，C語言等等。用高級語言編寫的程序稱源程序，它們必須通過編譯或解釋，連接等步驟才能被計算機處理。面向對象語言

C++，Java等編程語言是面向對象的語言。1.3 微型計算機中信息的表示及運算基礎（一）十進制ND有十個數(shù)碼：0～9，逢十進一。 例1234.5=1×103+2×102+3×101+4×100+5×10-1加權展開式以10稱為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，10i為權。 一般表達式：ND=dn-1×10n-1+dn-2×10n-2+…+d0×100+d-1×10-1+…一、數(shù)的表示（二）二進制NB兩個數(shù)碼：0、1,逢二進一。 例1101.101=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+1×2-3

加權展開式以2為基數(shù)，各位系數(shù)為0、1，2i為權。 一般表達式：

NB=bn-1×2n-1+bn-2×2n-2+…+b0×20+b-1×2-1+…（三）十六進制NH十六個數(shù)碼0～9、A～F，逢十六進一。 例：DFC.8=13×162+15×161+12×160+8×16-1

展開式以十六為基數(shù)，各位系數(shù)為0～9，A～F，16i為權。 一般表達式： NH=hn-1×16n-1+hn-2×16n-2+…+h0×160+h-1×16-1+…二、不同進位計數(shù)制之間的轉換（一）一個R進制的數(shù)轉換成十進制數(shù)的方法：

按權展開，先乘后加

舉例：

1011.1010B=1×23+1×21+1×20+1×2-1+1×2-3=11.625D

0DFC.8H=13×162+15×161+12×160+8×16-1=3580.5D

（二）二進制與十六進制數(shù)之間的轉換

24=16，四位二進制數(shù)對應一位十六進制數(shù)。舉例：3AF.2H

=0011

1010

1111.0010＝1110101111.001B 1111101.11B

=0111

1101.1100=7D.CH

（三）十進制數(shù)轉換成二、十六進制數(shù)整數(shù)、小數(shù)分別轉換

1.整數(shù)轉換法“除基取余”：十進制整數(shù)不斷除以轉換進制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個余數(shù)，從低位排向高位。舉例：例：39轉換成二進制數(shù)

39=100111B 2 391（b0） 2 191（b1）291（b2） 240（b3） 220（b4） 211（b5） 0例：208轉換成十六進制數(shù)

208=D0H16208余01613余13=DH 02. 小數(shù)轉換法“乘基取整”：用轉換進制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達到轉換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)，從最高位排到最低位。舉例：

1.0.625轉換成二進制數(shù)0.625×2=1.2501(b-1)0.25×2=0.500(b-2)0.5×2=1.0 1(b-3)0.625=0.101B2.0.625轉換成十六進制數(shù)0.625×16=10.0 0.625=0.AH三、帶符號數(shù)的表示方法◆機器中，數(shù)的符號用“0”、“1”表示。

◆最高位作符號位，“0”表示“+”，“1”表示“-”。機器數(shù)：機器中數(shù)的表示形式。真值：機器數(shù)所代表的實際數(shù)值。舉例:一個8位機器數(shù)與它的真值對應關系如下：真值： X1=+84=+1010100BX2=-84=

-1010100B機器數(shù)：[X1]機=01010100[X2]機=11010100（一）機器數(shù)與真值最高位為符號位，0表示“+”，1表示“－”。 數(shù)值位與真值數(shù)值位相同。

例8位原碼機器數(shù)：

真值：

x1=+1010100B

x2=-

1010100B

原碼：

[x1]原=01010100

[x2]原=11010100原碼表示簡單直觀,但0的表示不唯一，加減運算復雜。1、原碼(TrueForm)(二)原碼、反碼、補碼正數(shù)的反碼與原碼表示相同。 負數(shù)反碼符號位為1，數(shù)值位為原碼數(shù)值各位取反。

例8位反碼機器數(shù)：

x=+4：[x]原=00000100 [x]反=00000100

x=-4：[x]原=10000100[x]反=111110112、反碼（One’sComplement）3、補碼（Two’sComplement）正數(shù)的補碼表示與原碼相同。 負數(shù)補碼等于2n－abs（x）

例：求8位補碼機器數(shù)： x=+4 [x]原=[x]反=[x]補=

00000100 x=-4 [x]原=10000100 [x]反=11111011 [x]補=100000000－00000100=11111100補碼＝反碼加1。補碼表示的優(yōu)點： 0的表示唯一，加減運算方便。8位機器數(shù)表示的真值四、二進制編碼例：求十進制數(shù)876的BCD碼 876=100001110110BCD 876=36CH

=1101101100B1、BCD碼(BinaryCodedDecimal)二進制代碼表示的十進制數(shù)。 2、字符編碼

美國標準信息交換碼ASCII碼，用于計算 機與計算機、計算機與外設之間傳遞信息。3、漢字編碼

“國家標準信息交換用漢字編碼”（GB2312-80標準），簡稱國標碼。 用兩個七位二進制數(shù)編碼表示一個漢字 例如“巧”字的代碼是39H、41H漢字內碼例如“巧”字的代碼是0B9H、0C1H1·4運算基礎

一、二進制數(shù)的運算加法規(guī)則：“逢2進1” 減法規(guī)則：“借1當2” 乘法規(guī)則：“逢0出0，全1出1”1010x1011101010100000000+10100001101110｝中間數(shù)部分和 1010 y=001011 1010 y=y+1010=10100010110100 y=y+10100=1111000010 101000 y=11110000011010000 y=y+1010000=1101110中間數(shù)部分和二、二—十進制數(shù)的加、減運算BCD數(shù)的運算規(guī)則循十進制數(shù)的運算規(guī)則“逢10進1”。但計算機在進行這種運算時會出現(xiàn)潛在的錯誤。為了解決BCD數(shù)的運算問題，采取調整運算結果的措施：即“加六修正”和“減六修正”例：10001000(BCD)+01101001(BCD)=