1、計算機基礎知識李敏 劉欣亮主編第1章 計算機系統(tǒng)基礎1.1 計算機的發(fā)展和展望 近代計算機 計算機的發(fā)展簡史 微處理器的發(fā)展 未來計算機的發(fā)展趨勢1.1.1 近代計算機 巴比奇和差分機 分析機現(xiàn)代通用數(shù)字機的雛型 模擬機的研制 圖靈和理想計算機 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人類追求的計算工具1642 Blaise Pascal加法器Charles Babbage1822 差分機1833 分析機MARK IENIAC算盤摩爾定理晶體管數(shù)500 (mlps)197519751975

2、1975197510M (transistors)197519801985199019951M100K10K25400480386802868080808680486Pentlum ProoossorMicro 2000每18個月芯片能力增長一倍單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒1.1.2 計算機的發(fā)展簡史時代年份電路特點第一代19461953電子管磁鼓、磁帶第二代19541964晶體管磁芯、磁盤第三代19651970集成電路終端訪問第四代1971至今大、超大規(guī)模集成電路個人計算機1.1.3 微處理器的發(fā)展0.18微米芯片10微米芯片晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,300微處理

3、器集成度發(fā)展示意圖1.1.4 未來計算機的發(fā)展趨勢 超導計算機 量子計算機 光子計算機 生物計算機 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 計算機的分類 計算機的應用1.2.1 計算機的特點 運算速度快 計算精度高 具有“記憶”和邏輯判斷能力 具有自動運行能力 可靠性高1.2.2 計算機的分類 巨型機 大型機 小型機 微型機 服務器 工作站1.2.3 計算機的應用 數(shù)值計算 信息處理 實時控制 計算機輔助設計 人工智能 辦公自動化 通信與網(wǎng)絡 電子商務 計算機進入家庭1.3 計算機與信息技術 數(shù)據(jù)與信息 信息技術概述 計算機與信息處理1.3.1 數(shù)據(jù)與信息 數(shù)據(jù) 信息 數(shù)據(jù)和

4、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 現(xiàn)代信息技術的發(fā)展趨勢1.3.3 計算機與信息處理 計算機在信息處理中的作用 信息高速公路1.4 計算機系統(tǒng)的組成及基本工作原理計算機系統(tǒng)硬件主機中央處理器(CPU)運算器控制器內(nèi)存儲器只讀存儲器(ROM)隨機存儲器(RAM)外存儲器硬盤、軟盤、光盤外部設備輸入設備鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀輸出設備顯示器、打印機、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)服務程序應用軟件文字處理軟件信息管理軟件圖形軟件輔助設計軟件各種程序包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

5、設備構成。輸入設備輸出設備存儲器控制器運算器數(shù)據(jù)流指令流計算機硬件的基本組成1.4.2 指令和指令系統(tǒng) 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)行過程指令和指令系統(tǒng)指令執(zhí)行過程 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 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

6、諾依曼于1946年首先提出的 采用二進制的形式表示數(shù)據(jù)和指令 采用存儲程序方式 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John von Neumann馮諾依曼存儲程序工作原理 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條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務為止程序+數(shù)據(jù)操作命令處理結(jié)果反饋信號響應信號請求信號響應信號請求信號運算器(內(nèi))存儲器控制器輸入設備輸出設備馮諾依曼結(jié)構框圖1.5 進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換 進位計數(shù)

7、制 不同進位計數(shù)制間的相互轉(zhuǎn)換1.5.1 進位計數(shù)制位權值的概念 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值例：666.66 = 610261016100610-1610-2例：(101101.11) 2 = 12512412312202112012-112-2(45.75)101.5.2 不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 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：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.5.2 不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換 十進制數(shù)換為r進制數(shù) 十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為

8、r進制 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。 十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為r進制 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)1101例1：(13)10 = ( )21 363102222余數(shù)1011二進制數(shù)低位二進制數(shù)高位十進制小數(shù)轉(zhuǎn)成二進制小數(shù)(0.6875)10 = ( )20. 6 8 7 52 3 7 5 01.27 5 020.5 01.20 1.整數(shù)1011二進制數(shù)高位二進制數(shù)低位例2：二進制與八進制、十六進制之間的相互轉(zhuǎn)換(1) 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)，

9、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 = (11,1101,1011.1001,0101,1000)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.

10、C) 16 22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數(shù)值型數(shù)據(jù)：128，(32.56)8；非數(shù)值型數(shù)據(jù)：“學生”、。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示1. 計算機中數(shù)的有關概念 數(shù)的長度1字節(jié)（byte)=8比特（bit） 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。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 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。 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“0”表示正，以“1”表示負。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

11、 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。 定點整數(shù)格式：2. 定點數(shù)表示方法dndn-1dn-2d0數(shù)值部分(尾數(shù))符號位小數(shù)點位置數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 定點小數(shù)范圍：-2n-1 (2n-1) 和 1 (1 2-(n-1)格式：符號位dndn-3dn-2dn-1d0數(shù)值部分(尾數(shù))小數(shù)點位置數(shù)值數(shù)據(jù)的表示3. 浮點數(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)點位置尾數(shù)階碼(E)階符數(shù)值數(shù)據(jù)的表示例如： 256.5 的浮點格式(32位)為：00001001所以 （256.5)10 = (0.1000000001)229階碼:

12、7位數(shù)符尾數(shù)：23位階符32位浮點數(shù)的范圍最大正數(shù)：(1223)2127最小正數(shù)：212128 2129最大負數(shù)：212128 2129最小負數(shù)：(1223)2127也即： 2129|X| (1223)2127 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) 1000110的原碼表示為：11000110數(shù)值數(shù)據(jù)的表示4. 帶符號數(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；負數(shù)的反碼是將它的原碼除符號位外逐位取反。二進制數(shù) 1000110的反碼

13、表示為：10111001例：二進制數(shù) + 1000110的反碼表示為：01000110數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 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) 1000110的補碼表示為：10111010原碼、補碼的幾個例子十進制 原 碼 補 碼 87 -87 127-127 0 -0 010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000

14、000000000 采用補碼來表示正、負整數(shù)時，+0 和 0 的取碼是完全相同的，而原碼對+0和 0 的取碼是不相同的。補碼的加減法公式 X + Y 補 = X 補 + Y 補 X Y 補 = X 補 + Y 補 X 補 補= X 原例題例： 設 X=44 Y=59 求X +Y = ？ XY = ？由 X 補 = 0101100 Y 補= 00111011 -Y 補=11000101 -Y 原=10111011故 X + Y 補 = X 補 + Y 補= 01100111得X + Y = + 1100111 = ( + 103)10由 X Y 補 = X 補 + Y 補=11110001 X

15、Y 原 = XY 補求補=10001111得XY = -0001111 = (- 15)10數(shù)值編碼 十進制數(shù)與8421BCD編碼表1011 00010000000100100011010001010110011101234567100010011010 00001100 00100001 0100十進制數(shù)8421BCD碼8421BCD碼 8 91011121314十進制數(shù)150001 01010001 00111.6.2 字符數(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系 漢字機內(nèi)碼 漢字輸入碼 漢字字形碼 國標GB180302000用戶鍵盤轉(zhuǎn)換程序存儲器漢字庫及程序顯示器/打印機輸入漢字輸入編碼機內(nèi)碼機內(nèi)碼輸出字形編碼輸入碼、機內(nèi)碼、字形碼之間的關系 漢字交換碼1.7 計算機的運算 算術運算：加、減、乘、除 邏輯運算：與、或、非 數(shù)據(jù)比較：大于、小于、等于、不等于、大于等