第1章 計算機系統(tǒng)基礎

大學計算機基礎

第1章計算機系統(tǒng)基礎

1.1計算機的發(fā)展和展望

A近代計算機

A計算機的發(fā)展簡史

A微處理器的發(fā)展

A未來計算機的發(fā)展趨勢

1.1.1近代計算機

A巴比奇和差分機

A分析機——現(xiàn)代通用數(shù)字機的雛型

A模擬機的研制

A圖靈和理想計算機

A電子計算機的誕生

世界上第一臺計算機ENIAC

>5000次加法/秒

>體重28噸

＞占地170m2

>18800只電子管

>1500個繼電器

>功率150KW

人類追求的計算

省內(nèi)加法器

昇皿1642BlaisePascal1822差分機Charles

Babbage

1833分析機

ENIAC

摩爾定理

X975

-1980198519901995單

idOM位

時

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個月芯片能力增長一倍

1.1.2計算機的發(fā)展簡史

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未來計算機的發(fā)展趨勢

?超導計算機

A量子計算機

A光子計算機

A生物計算機

A神經(jīng)計算機

1.2計算機的特點、分類和應用

?計算機的特點

A計算機的分類

?計算機的應用

1.2.1計算機的特點

A運算速度快

A計算精度高

A具有“記憶”和邏輯判斷能

力

A具有自動運行能力

A可靠性高

122計算機的分類

A巨型機

A大型機

A小型機

A微型機

A服務器

A工作站

1.2.3計算機的應用

A數(shù)值計算

A信息處理

A實時控制

A計算機輔助設計

A人工智能

A辦公自動化

A通信與網(wǎng)絡

A電子商務

?計算機進入家庭

1.3計算機與信息技術

A數(shù)據(jù)與信息

?信息技術概述

A計算機與信息處理

1.3.1數(shù)據(jù)與信息

A數(shù)據(jù)

A信^息

＞數(shù)據(jù)和信息的關系

1.3.2信息技術概述

?信息技術的概念

?現(xiàn)代信息技術的內(nèi)容

A現(xiàn)代信息技術的發(fā)展趨勢

1.3.3計算機與信息處理

A計算機在信息處理中的作用

A信息高速公路

1.4計算機系統(tǒng)的組成及基本工作原理

主機廣央處理器(CPU)霍蠡

1內(nèi)存儲器J只讀存儲器(ROM)

硬件1I隨機存儲器(RAM)

計［輸入設備——鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀

算I外部設備輸出設備一顯示器、打印機、繪圖儀

機

1外存儲器——硬盤、軟盤、光盤

系

統(tǒng)［操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)

r系統(tǒng)軟件I數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)系統(tǒng)服務程序

軟件《

［文字處理軟件信息管理軟件

〔應用軟件《圖形軟件輔助設計軟件

務種程序包

1.4.1計算機硬件系統(tǒng)的組成

計算機系統(tǒng)硬件由運算器、控制器、

存儲器、輸入設備和輸出設備五個部分構(gòu)

成。

數(shù)據(jù)流

存儲器

指令流

輸輸

入出

設運算器

設

備備

T控制器

計算機硬件的基本組成

1.4.2指令和指令系統(tǒng)

A指令：是能被計算機識別并執(zhí)行的二進

制代碼，由操作碼與操作數(shù)組成。

?指令系統(tǒng)：即一臺計算機所有指令的集

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)行過程

1.4.2指令和指令系統(tǒng)

指令執(zhí)行過程

A馮氏原理：人們預先編好程序，利用輸

入設備把程序輸入內(nèi)存，計算機在控制

器控制下，從內(nèi)存中逐條取出程序交運

算器執(zhí)行。把結(jié)果回送入內(nèi)存、或由輸

出設備輸出。

A執(zhí)行步驟：取指令、分析指令、執(zhí)行指

令、程序計數(shù)器加1

1.4.3計算機系統(tǒng)的基本工作原理

計算機的基本工作原理是由美籍匈牙利

科學家馮?諾依曼于1946年首先提出的。

A采用二進制的形式表示數(shù)據(jù)和指令

A采用存儲程序方式

A計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入

設備、輸出設備5大部件組成

馮?諾依曼理論要點

存儲程序工作原理

計算機的兩個基本能力：一

是能夠存儲程序，二是能夠自動

地執(zhí)行程序。

計算機是利用“存儲器”

（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為止。

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)框圖

操

反

作

饋

命

信

令

號

輸

入

出

諸

冏

器

設

備

備

■-

請

響

響

請

應

求

應

求

信

信

信

信

口

號

號

號

控制器

1.5進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換

A進位計數(shù)制

A不同進位計數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換

151進位計數(shù)制

位權(quán)值的概念

每個位置上的數(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、十六進制轉(zhuǎn)換為十進制

?對任意一個二、八、十六進制數(shù)，均可

按照前述r進制數(shù)的展開和式方便的轉(zhuǎn)成

相應的十進制數(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

2.十進制數(shù)換為r進制數(shù)

A(1)十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制

A規(guī)則：采用除以r取余數(shù)，直到商為零時

結(jié)束。所得余數(shù)序列，先余為低位，后余

為高位。

A(2)十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制

A規(guī)則：采用乘以r取整數(shù)，直到余數(shù)為0時

結(jié)束。所得整數(shù)序列，先整為高位，后整

為低位。

十進制整數(shù)轉(zhuǎn)為二進制整數(shù)

十進制小數(shù)轉(zhuǎn)成二進制小數(shù)

例2：(O.6875)io=0

0.6875

X2整數(shù)

1.37501二進制數(shù)高位

X2

0.7500

X2

1.501

X2二進制數(shù)低位

1.01

二進制與八進制、十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換

⑴二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)：以小數(shù)點為分界

點，左右三位一節(jié)，不足三位以零補足三位。

例：(101101.01)2=(101,101.010)=(55.2)8

(2)八進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：將每位八進制數(shù)

碼以三位二進制數(shù)表示。

例：(76.42)8=(111110.100010)2=(111110.10001)2

二進制與八進制、十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換

(3)二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)：以小數(shù)點為分

界點，左右每四位一節(jié)，不足四位以零補足四

位。

(1111011011.100101011)2=(11,1101,1011.10019010191000)2

=(3DB.958)16

(4)十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)：將每位十六進

制數(shù)碼以四位二進制數(shù)表示。

例：(A3B.C)16=(101000111011.1100)2

=(101000111011.11)2

1.6數(shù)據(jù)在計算機中的表示

數(shù)據(jù)是指所有能輸入到計算機中并被

計算機識別、存儲和加工處理的符號的總

稱。

①數(shù)值型數(shù)據(jù)：128,(32.56)8；

②非數(shù)值型數(shù)據(jù)：“學生"、"0730-

8845139”。

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

1.計算機中數(shù)的有關概念

①數(shù)的長度

在計算機中，數(shù)的長度按比特（bit）來計算。

但因存儲容量常以“字節(jié)”為計量單位，所以

數(shù)據(jù)長度也常以字節(jié)為單位計算。

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

一般用數(shù)的最高位（左邊第一位）來表示數(shù)

的正負號，并約定以"O'’表示正，以“1”表示負。

③小數(shù)點的表示方法

在計算機中表示數(shù)值型數(shù)據(jù)，其小數(shù)點的

位置總是隱含的。

1.6.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

2.定點數(shù)表示方法

數(shù)的定點表示：將計算機中的小數(shù)點

的位置視為是固定不變的。

①定點整數(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定點小數(shù)

格式：Idn|dn-lldn-2|dn-3l..........IdO

['JJ'

符節(jié)位小數(shù)點位置數(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

最大負數(shù)：一2一1X2T28=-2T29

最小負數(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、負號，0

表示正，1表示負，而數(shù)值部分用最高位以后

的若干位來表示。

例：二進制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110

二進制數(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；負數(shù)的反碼是將它的原碼除符號位外逐

位取反。

例：二進制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110

二進制數(shù)一1000110的反碼表示為：10111001

數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

(3)補碼

補碼的取碼原則是：正數(shù)的補碼和其原碼

相同；負數(shù)的補碼是它的原碼除符號位外逐位

取反(即0變1,1變0),最后在末位加1。

例：二進制數(shù)+1000110的補碼表示為:01000110

二進制數(shù)一1000110的補碼表示為：10111010

原碼、補碼的幾個例子

十進制原碼補碼

870101011101010111

-871101011110101001

1270111111101111111

-1271111111110000001

00000000000000000

-01000000000000000

米用補碼來表不正、負整數(shù)時，+0

和一0的取碼是完全相同的，而原碼對+0

和一0的取碼是不相同的。

補碼的加減法公式

[X+Y—X]補+[Y]補

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

[[X]補]補=[x]原

例題

例：設X=44Y=59求X+Y=?X—Y=?

由[Xh=0101100[Y]補=00111011

[-Y]補=11000101[-Y]原=10111011

故

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

得

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

由[X—丫]補=[乂]補+[—Y]補=11110001

[X—Y^=[[X—Y]補]求補=10001111

得X—Y=-0001111=(-15)10

數(shù)值編碼

十進制數(shù)與8421BCD編碼表

十進制數(shù)8421BCD碼十進制數(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（）

010010010010010010010010194

2

000100100()1101000101ono0HI1000序號、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薄保悒寶他報第一級漢字（3755）

011001028病并玻蓑j播板缽波

56

散

011001