第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)主講教師張麗

rina-zl@163.com第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的發(fā)展微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1642，法國數(shù)學(xué)家布萊斯·帕斯卡，手搖式機(jī)械計(jì)算機(jī)——人類的計(jì)算工具邁向自動(dòng)化

1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)，物理學(xué)家約翰·莫克利，工程師普雷斯伯·?？颂兀珽NIAC——世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC

5000次加法/秒體重30噸占地170m2

18800只電子管

1500個(gè)繼電器功率150KW計(jì)算機(jī)的發(fā)展 時(shí)代年份電路特點(diǎn)第一代1946~1957電子管磁鼓、磁帶第二代1958~1964晶體管磁芯、磁盤第三代1965~1970集成電路終端訪問第四代1971至今大、超大規(guī)模集成電路個(gè)人計(jì)算機(jī)1.1.2微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展500(mlps)1975197519751975197510M(transistors)197519801985199019951M100K10K250.11.0400480386802868080808680486PentlumProoossorMicro2000每18個(gè)月芯片能力增長一倍單位時(shí)間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒摩爾定律微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 時(shí)代年份處理器特點(diǎn)第一代1971~19724位或8位Intel4004,intel8008指令系統(tǒng)簡單，運(yùn)算功能差，速度較慢，機(jī)器或匯編語言，價(jià)格低第二代1973~19778位Intel公司8080，Motorola公司M6800，Zilog公司Z80NMOS工藝，集成度提高1-4倍，運(yùn)算速度提高10-15倍，指令系統(tǒng)比較完善，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及中斷等控制功能，尋址能力增強(qiáng)，BASIC,FOTRAN等高級(jí)語言第三代1978~198116位Intel8086支持?jǐn)?shù)據(jù)處理和科學(xué)計(jì)算第四代1982至今32位Intel公司80386Zilog公司Z8000集成度高，處理器性能高（2002.11，PentiumIV,3.06GHz主頻）1.1.3我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展（第一代）1958，第一臺(tái)小型電子管通用計(jì)算機(jī)——103機(jī)（第二代）1965，第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)——109乙機(jī)（第三代）1974，集成電路小型計(jì)算機(jī)——DSJ-1301.1.3我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展（第四代）1983，運(yùn)算速度每秒上億巨型機(jī)——銀河-I1992，銀河-II1999，神威I，國家氣象中心投入運(yùn)行2001，我國第一款通用CPU-“龍芯”芯片2002，曙光公司采用“龍芯-1”CPU的“龍騰服務(wù)器”2004.6.21，超級(jí)計(jì)算機(jī)“曙光4000A”全球排名第十2008.11，曙光5000A也即“魔方”全球排名第十2010.11，“天河一號(hào)”全球超級(jí)計(jì)算機(jī)前500強(qiáng)排名第一2013.6，“天河二號(hào)”全球超級(jí)計(jì)算機(jī)前500強(qiáng)排名第一2013年，聯(lián)想在第四季度仍是全球最大的PC廠商1.1.4計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)工作自動(dòng)化運(yùn)算速度快計(jì)算精度高具有較強(qiáng)的記憶能力具有邏輯思維和判斷能力通用性強(qiáng)1.1.5計(jì)算機(jī)的應(yīng)用科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理過程控制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)人工智能家庭應(yīng)用1.1.6計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)巨型化微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化多媒體化虛擬現(xiàn)實(shí)1.2計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示

數(shù)制不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示1.2.1數(shù)制數(shù)制——數(shù)的進(jìn)位制十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制七進(jìn)制六十進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)采用二進(jìn)制1.容易實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基數(shù)：0和1，電平值的高低1.2.1數(shù)制2.運(yùn)算規(guī)則簡單0+0=00+1=11+0=11+1=0（有進(jìn)位）計(jì)算機(jī)中減法、乘法、除法運(yùn)算都用加法規(guī)則和移位規(guī)則實(shí)現(xiàn)1.2.1數(shù)制3.易于應(yīng)用邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)的真（True）和假（False）正好與二進(jìn)制的取值1和0對(duì)應(yīng)，可以用邏輯代數(shù)分析邏輯電路1.2.2不同數(shù)制間的轉(zhuǎn)換位權(quán)值的概念

每個(gè)位置上的數(shù)據(jù)所表示的數(shù)值等于該數(shù)符乘以該位置上的位權(quán)值例：666.66=

6×102＋6×101＋6×100＋6×10-1＋6×10-2例：(101101.11)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=32+0+8+4+0+1+0.5+0.25=(45.75)101.2.2不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

二、八、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制對(duì)任意一個(gè)二、八、十六進(jìn)制數(shù)，均可按照前述r進(jìn)制數(shù)的展開和式方便的轉(zhuǎn)成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)——按權(quán)展開求和如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.2.2不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

十進(jìn)制數(shù)換為r進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為r進(jìn)制規(guī)則：采用除以r取余數(shù)，直到商為零時(shí)結(jié)束。所得余數(shù)序列，先余為低位，后余為高位?！?取余，余數(shù)倒排十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為r進(jìn)制規(guī)則：采用乘以r取整數(shù)，直到乘積為0時(shí)結(jié)束。所得整數(shù)序列，先整為高位，后整為低位。——乘2取整，整數(shù)正排十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制整數(shù)1101例1：(13)10=()21363102222余數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)低位二進(jìn)制數(shù)高位十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制小數(shù)(0.6875)10=()20.68752×37501.2×7502×0.501.2×0

1.整數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)高位二進(jìn)制數(shù)低位例2：二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換(1)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)：以小數(shù)點(diǎn)為分界點(diǎn)，左右三位一節(jié)，不足三位以零補(bǔ)足三位。例:

(101101.01)2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將每位八進(jìn)制數(shù)碼以三位二進(jìn)制數(shù)表示。例:

(76.42)8=(111110.100010)2=(111110.10001)2二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換(3)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)：以小數(shù)點(diǎn)為分界點(diǎn)，左右每四位一節(jié)，不足四位以零補(bǔ)足四位。(1111011011.100101011)2=(11,1101,1011.1001,0101,1000)2=(3DB.958)16(4)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將每位十六進(jìn)制數(shù)碼以四位二進(jìn)制數(shù)表示。例:

(A3B.C)16=(101000111011.1100)2=(101000111011.11)21.2.3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的表示

數(shù)據(jù)是指所有能輸入到計(jì)算機(jī)中并被計(jì)算機(jī)識(shí)別、存儲(chǔ)和加工處理的符號(hào)的總稱①數(shù)值型數(shù)據(jù)：128，(32.56)8；②非數(shù)值型數(shù)據(jù)：“學(xué)生”、。1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示1.計(jì)算機(jī)中數(shù)的有關(guān)概念

數(shù)的長度1字節(jié)（byte)=8比特（bit）

在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的長度按比特（bit)來計(jì)算。但因存儲(chǔ)容量常以“字節(jié)”為計(jì)量單位，所以數(shù)據(jù)長度也常以字節(jié)為單位計(jì)算。1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

小數(shù)點(diǎn)的表示方法

在計(jì)算機(jī)中表示數(shù)值型數(shù)據(jù)，其小數(shù)點(diǎn)的位置總是隱含的。

數(shù)的符號(hào)

一般用數(shù)的最高位（左邊第一位）來表示數(shù)的正負(fù)號(hào)，并約定以“0”表示正，以“1”表示負(fù)。1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

數(shù)的定點(diǎn)表示：將計(jì)算機(jī)中的小數(shù)點(diǎn)的位置視為是固定不變的。

定點(diǎn)整數(shù)格式：2.定點(diǎn)數(shù)表示方法dndn-1dn-2d0數(shù)值部分(尾數(shù))符號(hào)位小數(shù)點(diǎn)位置1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

定點(diǎn)小數(shù)范圍：-2n-1～

(2n-1)和–1～(1–2-(n-1))格式：符號(hào)位dndn-3dn-2dn-1d0數(shù)值部分(尾數(shù))小數(shù)點(diǎn)位置1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示3.浮點(diǎn)數(shù)的表示方法格式：

階碼是指數(shù)部分的值，表示冪次，其基數(shù)通常取2EmEm-1dn-1dnE0d0數(shù)符小數(shù)點(diǎn)位置尾數(shù)階碼(E)階符1.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示例如：256.5的浮點(diǎn)格式(32位)為：00001001010000000010000000000000所以（256.5)10=(0.1000000001)2×29階碼:7位數(shù)符尾數(shù)：23位階符32位浮點(diǎn)數(shù)的范圍最大正數(shù)：(1－2－23)×2127最小正數(shù)：2－1×2－128＝2－129最大負(fù)數(shù)：－2－1×2－128＝－2－129最小負(fù)數(shù)：－(1－2－23)×2127也即：2－129≤|X|≤(1－2－23)×2127

原碼

原碼就是用最高位表示數(shù)的正、負(fù)號(hào)，0表示正，1表示負(fù)，而數(shù)值部分用最高位以后的若干位來表示。例：二進(jìn)制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù)－1000110的原碼表示為：110001101.2.3數(shù)值數(shù)據(jù)的表示4.帶符號(hào)數(shù)的表示方法數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

反碼

原碼變反碼的規(guī)則為：正數(shù)的反碼與原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是將它的原碼除符號(hào)位外逐位取反。二進(jìn)制數(shù)－1000110的反碼表示為：10111001例：二進(jìn)制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

補(bǔ)碼

補(bǔ)碼的取碼原則是：正數(shù)的補(bǔ)碼和其原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是它的原碼除符號(hào)位外逐位取反（即0變1，1變0），最后在末位加1。例：二進(jìn)制數(shù)+1000110的補(bǔ)碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù)－1000110的補(bǔ)碼表示為：10111010原碼、補(bǔ)碼的幾個(gè)例子十進(jìn)制原碼補(bǔ)碼87-87127-1270-0

010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000

采用補(bǔ)碼來表示正、負(fù)整數(shù)時(shí)，+0和－0的取碼是完全相同的，而原碼對(duì)+0和－0的取碼是不相同的。1.2.4非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

西文字符的ASCII編碼

漢字字符的編碼漢字字符的編碼GB2312編碼局部表

GB2312編碼總體布局漢字的各種編碼及其關(guān)系

漢字機(jī)內(nèi)碼

漢字輸入碼

漢字字形碼

國標(biāo)GB18030－2000用戶鍵盤轉(zhuǎn)換程序存儲(chǔ)器漢字庫及程序顯示器/打印機(jī)輸入漢字輸入編碼機(jī)內(nèi)碼機(jī)內(nèi)碼輸出字形編碼輸入碼、機(jī)內(nèi)碼、字形碼之間的關(guān)系

漢字交換碼1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件主機(jī)中央處理器(CPU)運(yùn)算器控制器內(nèi)存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)外存儲(chǔ)器——硬盤、軟盤、光盤外部設(shè)備輸入設(shè)備——鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀輸出設(shè)備——顯示器、打印機(jī)、繪圖儀軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序應(yīng)用軟件文字處理軟件信息管理軟件圖形軟件輔助設(shè)計(jì)軟件各種程序包1.3.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備構(gòu)成。輸入設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)流指令流計(jì)算機(jī)硬件的基本組成1.3.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件：控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件的開發(fā)和運(yùn)行的軟件。系統(tǒng)軟件主要指面向硬件或者開發(fā)者所設(shè)立的軟件，它是支持應(yīng)用軟件運(yùn)行的，是計(jì)算機(jī)工作時(shí)必須配置的那部分軟件。應(yīng)用軟件：用戶為解決各種實(shí)際問題而編制的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序及其有關(guān)資料。1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理

計(jì)算機(jī)的基本工作原理是由美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼于1946年首先提出的采用二進(jìn)制的形式表示數(shù)據(jù)和指令采用存儲(chǔ)程序方式計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備5大部件組成馮·諾依曼理論要點(diǎn)JohnvonNeumann馮

諾依曼存儲(chǔ)程序工作原理計(jì)算機(jī)的兩個(gè)基本能力：一是能夠存儲(chǔ)程序，二是能夠自動(dòng)地執(zhí)行程序

計(jì)算機(jī)是利用“存儲(chǔ)器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲(chǔ)器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反饋信號(hào)響應(yīng)信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)響應(yīng)信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)運(yùn)算器(內(nèi))存儲(chǔ)器控制器輸入設(shè)備

輸出設(shè)備

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)框圖1.4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)在計(jì)算機(jī)中占有很重要的地位，微型計(jì)算機(jī)有人稱其為個(gè)人計(jì)算機(jī)或PC（PersonalComputer），由于體積小、設(shè)計(jì)先進(jìn)、軟件豐富、價(jià)格低廉、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)受到廣大計(jì)算機(jī)用戶的青睞。1.4.1微型計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)1、字長

字長是計(jì)算機(jī)CPU能夠同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，它是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的。目前常用的計(jì)算機(jī)字長為32或64位。2、主頻率

計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率成為主頻率，也稱主頻。是指單位時(shí)間內(nèi)CPU能夠執(zhí)行指令的次數(shù)，以Hz（赫茲）為單位。如：pentiumIV2.0GHz.1.4.1微型計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)3、內(nèi)存（主存）容量

即內(nèi)部存儲(chǔ)器容量，內(nèi)存越大，計(jì)算機(jī)的處理能力越強(qiáng)。目前常用內(nèi)存為1GB、2GB、4GB。4、外部設(shè)備

光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀等5、軟件配置

在硬件一定的情況下，軟件功能越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)性能發(fā)揮越完善。1.4.2微型計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)

從外觀看，一臺(tái)微機(jī)由主機(jī)和外部設(shè)備組成。在主機(jī)箱內(nèi)有主板（包括CPU和內(nèi)存、總線擴(kuò)展槽）、外存、輸入輸出接口電路等，如下圖所示：微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由微處理器、存儲(chǔ)器、各種輸入/輸出接口電路以及系統(tǒng)總線組成。

微處