第1章计算机系统基础精选文档.ppt

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1、第1章计算机系统基础本讲稿第一页，共五十四页第1章 计算机系统基础本讲稿第二页，共五十四页1.1 计算机的发展和展望 近代计算机 计算机的发展简史 微处理器的发展 未来计算机的发展趋势本讲稿第三页，共五十四页1.1.1 近代计算机 巴比奇和差分机 分析机现代通用数字机的雏型 模拟机的研制 图灵和理想计算机 电子计算机的诞生本讲稿第四页，共五十四页世界上第一台计算机ENIAC 5000次加法次加法/秒秒 体重体重28吨吨 占地占地170m2 18800只电子管只电子管 1500个继电器个继电器 功率功率150KW本讲稿第五页，共五十四页人类追求的计算工具1642 Blaise Pascal加法器

2、加法器加法器加法器Charles Charles BabbageBabbage1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机MARK IMARK IENIACENIAC算盘算盘算盘算盘本讲稿第六页，共五十四页摩尔定理晶晶体体管管数数500 (mlps)1975197519751975197510M (transistors)197519801985199019951M100K10K250.11.0400480386802868080808680486Pentlum ProoossorMicro 2000每每18个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍单单位位时时间间执执行行的

3、的指指令令数数百百万万条条/每每秒秒本讲稿第七页，共五十四页1.1.2 计算机的发展简史时代年份电路特点第一代19461953电子管磁鼓、磁带第二代19541964晶体管磁芯、磁盘第三代19651970集成电路终端访问第四代1971至今大、超大规模集成电路个人计算机本讲稿第八页，共五十四页1.1.3 微处理器的发展0.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,300微处理器集成度发展示意图微处理器集成度发展示意图本讲稿第九页，共五十四页1.1.4 未来计算机的发展趋势 超导计算机 量子计算机 光子计算机 生物计算机 神经计算机本讲稿

4、第十页，共五十四页1.2 计算机的特点、分类和应用 计算机的特点 计算机的分类 计算机的应用本讲稿第十一页，共五十四页1.2.1 计算机的特点 运算速度快 计算精度高 具有“记忆”和逻辑判断能力 具有自动运行能力 可靠性高本讲稿第十二页，共五十四页1.2.2 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 微型机 服务器 工作站本讲稿第十三页，共五十四页1.2.3 计算机的应用 数值计算 信息处理 实时控制 计算机辅助设计 人工智能 办公自动化 通信与网络 电子商务 计算机进入家庭本讲稿第十四页，共五十四页1.3 计算机与信息技术 数据与信息 信息技术概述 计算机与信息处理本讲稿第十五页，共五十四页1.

5、3.1 数据与信息 数据 信息 数据和信息的关系本讲稿第十六页，共五十四页1.3.2 信息技术概述 信息技术的概念 现代信息技术的内容 现代信息技术的发展趋势本讲稿第十七页，共五十四页1.3.3 计算机与信息处理 计算机在信息处理中的作用 信息高速公路本讲稿第十八页，共五十四页1.4 计算机系统的组成及基本工作原理计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器控制器内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)外存储器硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备显示器、打印机、绘图仪软件系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序应用软件文字处理软件信息管理软件图

6、形软件辅助设计软件各种程序包本讲稿第十九页，共五十四页1.4.1 计算机硬件系统的组成 计算机系统硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成。输输入入设设备备输输出出设设备备存储器存储器控制器控制器运算器运算器数据流指令流计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成本讲稿第二十页，共五十四页 CPUCPU包括运算器和控制器，是包括运算器和控制器，是计算机的运算和控制中心。算机的运算和控制中心。单CPUCPU及多及多CPUCPU 控制器控制器组成：程序成：程序计数器数器(PC)、指令寄存器、指令寄存器、译码器、操作控器、操作控制部件等制部件等 控控制制器器的的主主要要任任务是是从从内内存存

7、储器器中中读取取指指令令，经过译码分分析，再向各部件析，再向各部件发出出执行指令的控制信号行指令的控制信号 取指取指分析分析执行行 自自动执行程序中的指令行程序中的指令 运算器由运算器由ALU(算算术逻辑单元元)、累加器及若干通用寄存器、累加器及若干通用寄存器组成，成，主要完成各种算主要完成各种算术运算和运算和逻辑运算运算21本讲稿第二十一页，共五十四页1.4.2 指令和指令系统 指令：是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码与操作数组成 指令系统：即一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令和其他指令 指令执行过程本讲稿第二十二页，共五十四页1

8、.4.2指令和指令系统指令执行过程 冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出 执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加1 本讲稿第二十三页，共五十四页1.4.3 计算机系统的基本工作原理 计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯诺依曼于1946年首先提出的 采用二进制的形式表示数据和指令 采用存储程序方式 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成本讲稿第二十四页，共五十四页冯诺依曼理论要点John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼存储程序工作原理

9、计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止本讲稿第二十五页，共五十四页程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号运算器运算器(内内)存储器存储器控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备冯诺依曼结构框图本讲稿第二十六页，共五十四页1.5 进位计数制及其相互转换 进位计数制 不同进位计数制间的相互转换本讲稿第二十七页，共五十四页1.5.1 进位计数制位权值的概念位权值的概念 每个位置上的数据所

10、表示的数值等于该数符每个位置上的数据所表示的数值等于该数符乘以该位置上的位权值乘以该位置上的位权值例：例：666.66=610261016100610-1610-2例：例：(101101.11)2 =12502412312202112012-112-2=32+0+8+4+0+1+0.5+0.25=(45.75)10本讲稿第二十八页，共五十四页1.5.2 不同数制之间的转换 二、八、十六进制转换为十进制 对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数如(1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-2本讲稿第二十九页，共五十

11、四页1.5.2 不同数制之间的转换 十进制数换为r进制数 十进制整数转换为r进制 规则：采用除以r取余数，直到商为零时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。十进制小数转换为r进制 规则：采用乘以r取整数，直到余数为0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位。本讲稿第三十页，共五十四页十进制整数转为二进制整数1101例1：(13)10=()21 363102222余数余数1011二进制数低低位二进制数高高位本讲稿第三十一页，共五十四页十进制小数转成二进制小数(0.6875)10=()20.6 8 7 52 3 7 5 01.27 5 020.5 01.20 1.整数整数1011二进制数

12、高高位二进制数低低位例例2：本讲稿第三十二页，共五十四页二进制与八进制、十六进制之间的相互转换二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(1)二进制数转换成八进制数：以小数点为分界点，左右三位一节，不足三位以零补足三位。例例:(101101.01)2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八进制数转换成二进制数：将每位八进制数码以三位二进制数表示。例例:(76.42)8=(111110.100010)2=(111110.10001)2本讲稿第三十三页，共五十四页二进制与八进制、十六进制之间的相互转换二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(3)二进制数转换成十六进制数：以小数点为分界点，左

13、右每四位一节，不足四位以零补足四位。(1111011011.100101011)2=(11,1101,1011.1001,0101,1000)2=(3DB.958)16(4)十六进制数转换成二进制数：将每位十六进制数码以四位二进制数表示。例例:(A3B.C)16=(101000111011.1100)2=(101000111011.11)2本讲稿第三十四页，共五十四页1.6数据在计算机中的表示 数据是指所有能输入到计算机中并被计算机识别、存储和加工处理的符号的总称数值型数据：128，(32.56)8；非数值型数据：“学生”、“0730-8845139”。本讲稿第三十五页，共五十四页1.6.1数

14、值数据的表示1.计算机中数的有关概念计算机中数的有关概念 数的长度数的长度1字节（byte)=8比特（bit）在计算机中，数的长度按比特（bit)来计算。但因存储容量常以“字节”为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。本讲稿第三十六页，共五十四页1.6.1数值数据的表示 小数点的表示方法小数点的表示方法 在计算机中表示数值型数据，其小数点的位置总是隐含的。数的符号数的符号 一般用数的最高位（左边第一位）来表示数的正负号，并约定以“0”表示正，以“1”表示负。本讲稿第三十七页，共五十四页1.6.1数值数据的表示 数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。定点整数定点整数格式：

15、2.定点数表示方法定点数表示方法dndn-1 dn-2d0数值部分(尾数)符号位小数点位置本讲稿第三十八页，共五十四页1.6.1数值数据的表示 定点小数定点小数范围：|(2n-1)-1|格式：符号位dndn-3dn-2dn-1d0数值部分(尾数)小数点位置本讲稿第三十九页，共五十四页1.6.1数值数据的表示3.浮点数的表示方法浮点数的表示方法格式：阶码是指数部分的值，表示幂次，其基数通常取2Em Em-1dn-1dnE0d0数符小数点位置尾数阶码(E)阶符本讲稿第四十页，共五十四页1.6.1数值数据的表示例如：例如：256.5 的浮点格式的浮点格式(32位位)为：为：0000100101000

16、0000010000000000000所以 （256.5)10=(0.1000000001)229阶码阶码:7:7位位数符数符尾数：尾数：2323位位阶阶符符本讲稿第四十一页，共五十四页 原码原码 原码就是用最高位表示数的正、负号，0表示正，1表示负，而数值部分用最高位以后的若干位来表示。例例：二进制数 +1000110的原码表示为：01000110二进制数 1000110的原码表示为：11000110数值数据的表示4.带符号数的表示方法带符号数的表示方法本讲稿第四十二页，共五十四页数值数据的表示 反码反码 原码变反码的规则为：正数的反码与原码相同；负数的反码是将它的原码除符号位外逐位取反。二

17、进制数 1000110的反码表示为：10111001例例：二进制数 +1000110的反码表示为：01000110本讲稿第四十三页，共五十四页数值数据的表示 补码补码 补码的取码原则是：正数的补码和其原码相同；负数的补码是它的原码除符号位外逐位取反（即0变1，1变0），最后在末位加1。例例：二进制数 +1000110的补码表示为：01000110二进制数 1000110的补码表示为：10111010本讲稿第四十四页，共五十四页原码、补码的几个例子原码、补码的几个例子十进制十进制 原原 码码 补补 码码 87 -87 127-127 0 -0 01010111010101111101011110

18、1010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000 采用补码来表示正、负整数时，+0 和 0 的取码是完全相同的，而原码对+0和 0 的取码是不相同的。本讲稿第四十五页，共五十四页补码的加减法公式补码的加减法公式 X+Y 补=X 补+Y 补 X Y 补=X 补+Y 补 X 补 补=X 原本讲稿第四十六页，共五十四页例题例例：设 X=44 Y=59 求X+Y=？XY=？由 X 补=0101100 Y 补=00111011-Y 补=11000101-Y 原=10111011故 X+Y 补=X 补+Y 补=01

19、100111得X+Y=+1100111=(+103)10由 X Y 补=X 补+Y 补=11110001 X Y 原=XY 补求补=10001111得XY=-0001111=(-15)10本讲稿第四十七页，共五十四页数值编码 十进制数与8421BCD编码表1011 00010000000100100011010001010110011101234567100010011010 00001100 00100001 0100十进制数8421BCD码8421BCD码 8 91011121314十进制数150001 01010001 0011本讲稿第四十八页，共五十四页1.6.2 字符数据的表示 西文

20、字符的ASCII编码 汉字字符的编码本讲稿第四十九页，共五十四页汉字字符的编码 GB2312编码局部表 GB2312编码总体布局本讲稿第五十页，共五十四页汉字的各种编码及其关系 汉字机内码 汉字输入码 汉字字形码 国标GB180302000用户用户键盘键盘转换程序转换程序存储器存储器汉字库及程序汉字库及程序显示器显示器/打印机打印机输入汉字输入汉字输入编码输入编码机机内内码码机内码机内码输出输出字形编码字形编码输入码、机内码、字形码之间的关系 汉字交换码本讲稿第五十一页，共五十四页1.7 计算机的运算 算术运算：加、减、乘、除 逻辑运算：与、或、非 数据比较：大于、小于、等于、不等于、大于等于、小于等于 数据传送：输入、输出、赋值本讲稿第五十二页，共五十四页1.7.1 二进制的算术运算 加法 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（进位）减法 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1(借位）乘法 0 x0=0 1x0=0 0 x1=0 1x1=1 除法 与十进制类似本讲稿第五十三页，共五十四页1.7.2 二进制数的逻辑运算 逻辑“与”运算 0 x1=0 1x0=0 0 x0=0 1x1=1 逻辑“或”运算 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 逻辑“非”运算 Not 0=1 Not 1=0本讲稿第五十四页，共五十四页