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)

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展和展望

A近代計(jì)算機(jī)

A計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

A微處理器的發(fā)展

A未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

1.1.1近代計(jì)算機(jī)

A巴比奇和差分機(jī)

A分析機(jī)——現(xiàn)代通用數(shù)字機(jī)的雛型

A模擬機(jī)的研制

A圖靈和理想計(jì)算機(jī)

A電子計(jì)算機(jī)的誕生

世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC

>5000次加法/秒

>體重28噸

＞占地170m2

>18800只電子管

>1500個(gè)繼電器

>功率150KW

人類追求的計(jì)算

省內(nèi)加法器

昇皿1642BlaisePascal1822差分機(jī)Charles

Babbage

1833分析機(jī)

ENIAC

摩爾定理

X975

-1980198519901995單

idOM位

時(shí)

晶

U2000間

執(zhí)

體Pentium

5行

管Prooossor

1M80486的

數(shù)

1O指

03860

-令

802861數(shù)

.

10K086

.施J080

每18個(gè)月芯片能力增長(zhǎng)一倍

1.1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史

1.1.3微處理器的發(fā)展

晶

體

管

數(shù)

目

2

300

10微米芯片4004奔騰4

微處理器集成度發(fā)展示意圖

114未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

?超導(dǎo)計(jì)算機(jī)

A量子計(jì)算機(jī)

A光子計(jì)算機(jī)

A生物計(jì)算機(jī)

A神經(jīng)計(jì)算機(jī)

1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用

?計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

A計(jì)算機(jī)的分類

?計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

1.2.1計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

A運(yùn)算速度快

A計(jì)算精度高

A具有“記憶”和邏輯判斷能

力

A具有自動(dòng)運(yùn)行能力

A可靠性高

122計(jì)算機(jī)的分類

A巨型機(jī)

A大型機(jī)

A小型機(jī)

A微型機(jī)

A服務(wù)器

A工作站

1.2.3計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

A數(shù)值計(jì)算

A信息處理

A實(shí)時(shí)控制

A計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

A人工智能

A辦公自動(dòng)化

A通信與網(wǎng)絡(luò)

A電子商務(wù)

?計(jì)算機(jī)進(jìn)入家庭

1.3計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)

A數(shù)據(jù)與信息

?信息技術(shù)概述

A計(jì)算機(jī)與信息處理

1.3.1數(shù)據(jù)與信息

A數(shù)據(jù)

A信^息

＞數(shù)據(jù)和信息的關(guān)系

1.3.2信息技術(shù)概述

?信息技術(shù)的概念

?現(xiàn)代信息技術(shù)的內(nèi)容

A現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.3.3計(jì)算機(jī)與信息處理

A計(jì)算機(jī)在信息處理中的作用

A信息高速公路

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及基本工作原理

主機(jī)廣央處理器(CPU)霍蠡

1內(nèi)存儲(chǔ)器J只讀存儲(chǔ)器(ROM)

硬件1I隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)

計(jì)［輸入設(shè)備——鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀

算I外部設(shè)備輸出設(shè)備一顯示器、打印機(jī)、繪圖儀

機(jī)

1外存儲(chǔ)器——硬盤、軟盤、光盤

系

統(tǒng)［操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理系統(tǒng)

r系統(tǒng)軟件I數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序

軟件《

［文字處理軟件信息管理軟件

〔應(yīng)用軟件《圖形軟件輔助設(shè)計(jì)軟件

務(wù)種程序包

1.4.1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)備五個(gè)部分構(gòu)

成。

數(shù)據(jù)流

存儲(chǔ)器

指令流

輸輸

入出

設(shè)運(yùn)算器

設(shè)

備備

T控制器

計(jì)算機(jī)硬件的基本組成

1.4.2指令和指令系統(tǒng)

A指令：是能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)

制代碼，由操作碼與操作數(shù)組成。

?指令系統(tǒng)：即一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有指令的集

合，包括數(shù)據(jù)傳送指令、數(shù)據(jù)處理指令、

程序控制指令、輸入、輸出指令和其他

指令。

?指令執(zhí)行過(guò)程

1.4.2指令和指令系統(tǒng)

指令執(zhí)行過(guò)程

A馮氏原理：人們預(yù)先編好程序，利用輸

入設(shè)備把程序輸入內(nèi)存，計(jì)算機(jī)在控制

器控制下，從內(nèi)存中逐條取出程序交運(yùn)

算器執(zhí)行。把結(jié)果回送入內(nèi)存、或由輸

出設(shè)備輸出。

A執(zhí)行步驟：取指令、分析指令、執(zhí)行指

令、程序計(jì)數(shù)器加1

1.4.3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。

A采用二進(jìn)制的形式表示數(shù)據(jù)和指令

A采用存儲(chǔ)程序方式

A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)

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(lái)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JohnvonNeumann

條指令，并加以分析和執(zhí)行，直馮?諾依曼

至完成全部指令任務(wù)為止。

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)框圖

操

反

作

饋

命

信

令

號(hào)

輸

入

出

諸

冏

器

設(shè)

備

備

■-

請(qǐng)

響

響

請(qǐng)

應(yīng)

求

應(yīng)

求

信

信

信

信

口

號(hào)

號(hào)

號(hào)

控制器

1.5進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換

A進(jìn)位計(jì)數(shù)制

A不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換

151進(jìn)位計(jì)數(shù)制

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

彳列：666.66=6X102+6X101+6X100+6X10“+6X10-2

5432

例：(101101.11)2=1X2+1X2+1X2+1X2+

0X21+1X20+1X2-1+1X2-2

32+0+8+4+0+1+0.5+0.25

(45.75)io

1.5.2不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

1.二、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(kāi)和式方便的轉(zhuǎn)成

相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)

?如：

321

(1101.01)2=1X2+1X2+0X2+1X20+0

X21+1X2-2

1.5.2不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換

2.十進(jìn)制數(shù)換為r進(jìn)制數(shù)

A(1)十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為r進(jìn)制

A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。

A(2)十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換為r進(jìn)制

A規(guī)則：采用乘以r取整數(shù)，直到余數(shù)為0時(shí)

結(jié)束。所得整數(shù)序列，先整為高位，后整

為低位。

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)為二進(jìn)制整數(shù)

十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制小數(shù)

例2：(O.6875)io=0

0.6875

X2整數(shù)

1.37501二進(jìn)制數(shù)高位

X2

0.7500

X2

1.501

X2二進(jìn)制數(shù)低位

1.01

二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換

⑴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=(11,1101,1011.10019010191000)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)2

1.6數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示

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"、"0730-

8845139”。

1.6.1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

①數(shù)的長(zhǎng)度

在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的長(zhǎng)度按比特（bit）來(lái)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(zhǎng)度也常以字節(jié)為單位計(jì)算。

1字節(jié)(byte)=8比特(bit)

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

②數(shù)的符號(hào)

一般用數(shù)的最高位（左邊第一位）來(lái)表示數(shù)

的正負(fù)號(hào)，并約定以"O'’表示正，以“1”表示負(fù)。

③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。

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

2.定點(diǎn)數(shù)表示方法

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。

①定點(diǎn)整數(shù)

格式：dndn-1dn-2.............dO

x

付替昌節(jié)侍位數(shù)值部分（尾數(shù)）<l數(shù)紈占''、位位置直

161數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

②定點(diǎn)小數(shù)

格式：Idn|dn-lldn-2|dn-3l..........IdO

['JJ'

符節(jié)位小數(shù)點(diǎn)位置數(shù)值部分（尾數(shù)）

范圍：-2宜?(2-1)和—1?(1—2-(-1))

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

3.浮點(diǎn)數(shù)的表示方法

格式:RHH

Em-1dn-1n

V

|'7'、，K-----7-

階符階碼(E)數(shù)符上湍尾數(shù)

階碼是指數(shù)部分的值，表示塞次，其

基數(shù)通常取2。

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

例如：256.5的浮點(diǎn)格式（32位）為:

00001001010000000010000000000000

t----kt-------------

階階碼:7位數(shù)符尾數(shù)：23位

符

9

所以(256.5)]o=(0.1000000001)2X2

32位浮點(diǎn)數(shù)的范圍

最大正數(shù)：(1—2-23)X2127

最小正數(shù)：2Tx2T28=2-129

最大負(fù)數(shù)：一2一1X2T28=-2T29

最小負(fù)數(shù)：一(1—2-23)X2127

也即：2~129<|X|<(1—2-23)X2127

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

4.帶符號(hào)數(shù)的表示方法

(1)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(lái)表示。

例：二進(jìn)制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110

二進(jìn)制數(shù)一1000110的原碼表示為：11000110

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

(2)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。

例：二進(jìn)制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110

二進(jìn)制數(shù)一1000110的反碼表示為：10111001

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

(3)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)一1000110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

870101011101010111

-871101011110101001

1270111111101111111

-1271111111110000001

00000000000000000

-01000000000000000

米用補(bǔ)碼來(lái)表不正、負(fù)整數(shù)時(shí)，+0

和一0的取碼是完全相同的，而原碼對(duì)+0

和一0的取碼是不相同的。

補(bǔ)碼的加減法公式

[X+Y—X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

[X-Y]#=[X]#+[-Y]#

[[X]補(bǔ)]補(bǔ)=[x]原

例題

例：設(shè)X=44Y=59求X+Y=?X—Y=?

由[Xh=0101100[Y]補(bǔ)=00111011

[-Y]補(bǔ)=11000101[-Y]原=10111011

故

[X+Y]#=[X]#+[Y]#=01100111

得

X+Y=+llOOlll=(+lO3)lo

由[X—丫]補(bǔ)=[乂]補(bǔ)+[—Y]補(bǔ)=11110001

[X—Y^=[[X—Y]補(bǔ)]求補(bǔ)=10001111

得X—Y=-0001111=(-15)10

數(shù)值編碼

十進(jìn)制數(shù)與8421BCD編碼表

十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼

o000081000

1000191001

200101010100000

300111110110001

401001211000010

501011300010011

601101400010100

701111500010101

1.6.2字符數(shù)據(jù)的表示

（1）西文字符的ASCII編碼

（2）漢字字符的編碼

低7位代碼01-94

啟用符號(hào)（）

010010010010010010010010194

2

000100100()1101000101ono0HI1000序號(hào)、羅馬數(shù)字（72）

3GB1900圖彩字符集（3》

離7位代碼X0405060708

0102034日文平暇名（83）

15日文片假名（）

011000016啊阿埃挨哎唉哀皚86

16

011000117薄保悒寶他報(bào)第一級(jí)漢字（3755）

011001028病并玻蓑j播板缽波

56

散

011001