计算机基础第一章教案

参考书：大学计算机基础 冯博琴著计算机导论 黄国兴著第一章计算机基础知识1一、什么是计算机计算机是一种能对各种信息进行存储和高速处理的工具或电子机器。对上述定义要强调两点：①计算机不仅是一个计算工具，而且还是一个信息处理机。②计算机不同于其它任何机器，它能存储程序，并按程序的引导自动存取和处理数据，输出人们所期望的信息。1.1计算机概述2二、计算机的发展史

1.电子计算机的诞生

1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利和工程师埃克特为首的数十人共同开发了世界上第一台通用数字电子计算机(ENIAC)。3ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator简称ENIAC，译为电子数字积分与计算机电子管:18000只电阻:70000个电容:10000只继电器:1500个耗电:140kW/h占地:170m2重量:30吨速度:5000次/秒4

ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。当ENIAC公开展出时，一条炮弹的轨道用20s就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。

1949：EDSAC电子延迟储存自动计算机(英国剑桥大学,维克教授) 1951：EDVAC离散变量自动电子计算机(美国宾夕法尼亚大学)世界上首次实现存储程序计算机第一台现代意义的通用计算机,首次使用二进制5

08年1月，英国发布了该国最大的超级计算机—HECToR

，在全球位列第17名。它造价1.13亿英镑，运算速度为每秒100万亿次。相当于1.2万台台式电脑满负荷运转；它的存储能力同样令人赞叹不已，相当于3200台160GB的硬盘。

08年6月美国IBM公司展示了迄今全球运算速度最快的超级计算机—走鹃，运算速度首次超过每秒1000万亿次。走鹃造价1亿多美元，占地557平方米，重226.8吨，包括6948个双核计算机芯片。62.计算机的发展阶段代别第一代1946-1958第二代1959-1964第三代1965-1970第四代1971-现在电子器件电子管晶体管集成电路大规模和超大规模集成电路存储器水银延迟线磁鼓、磁芯磁芯、磁鼓磁盘、磁带半导体存储器磁盘、磁带半导体存储器磁盘、光盘运算速度5000-几万几十万-百万百万-几百万几百万-几亿处理方式机器语言汇编语言算法语言操作系统实时处理分时处理网络操作系统应用领域科学计算数据处理实时控制各行各业典型机种ENIACEDVACIBM7090CDC6600IBM360PDP-IIVAX-IIIBMPC/Apple7第五代计算机(新一代计算机)创新：基本元器件生物计算机采用蛋白质分子制成的生物芯片，速度将快10万倍，能耗10亿分之一，具有自组织、自调节、自修复和再生能力。量子计算机采用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。光计算机采用光学技术，由光器件构成的计算机。光子代替电子，速度将快1000倍以上，大存储量，极强的抗干扰能力。83.计算机的发展趋势巨型化(功能巨型化)巨型化是指具有高速运算、大存储容量和功能强大的计算机系统，如：走鹃(1000万亿次/秒)，曙光4000A(11万亿次/秒)。微型化(体积微型化)微型化包括台式微型机、笔记本电脑、掌上电脑。摩尔定律：集成电路→翻一番/18个月网络化(资源网络化)网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分散在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享数据、软硬件资源的目的。如：Internet。智能化(处理智能化)智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，如：专家系统和机器人。9摩尔定律的由来： 摩尔定律的“始作俑者”是戈顿·摩尔，大名鼎鼎的芯片制造厂商Intel公司的创始人之一。 1965年4月19日，摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。摩尔应这家杂志的要求对未来十年间半导体元件工业的发展趋势作出预言。据他推算，到1975年，在面积仅为四分之一平方英寸的单块硅芯片上，将有可能密集65000个元件。 1975年；摩尔在国际电信联盟IEEE的学术年会上提交了一篇论文，对“密度每年回一番”的增长率进行了重新审定和修正，把“每年翻一番”改为“每两年翻一番”。功能提升一倍，价格下降一倍。摩尔定律到底准不准？

1975年，在一种新出现的电荷器件存储器芯片中，的的确确含有将近65000个元件，与十年前摩尔的预言的确惊人地一致！另据Intel公司公布的统计结果，单个芯片上的晶体管数目，从1971年4004处理器上的2300个，增长到1997年PentiumII处理器上的7.5百万个，26年内增加了3200倍，与摩尔定律相当接近实际。1965年，摩尔的实验室也只能将50只元件集成在一个芯片上，摩尔的预测听起来好像是科幻小说。但事实证明，摩尔的预预言是准确的，目前最先进的集成电路已含有17亿个晶体管。摩尔定律的前景：

摩尔定律问世40年多了，半导体芯片制造工艺水平以一种令人目眩的速度提高着。处理器芯片的主频已高达2G，2011年将含有10亿个晶体管；存储器的容量的提升速度也十分惊人地验证了摩尔预测的精准。但是，摩尔定律不可能无止境地持续！一旦芯片上线条的宽度达到10纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，材料的物理和化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。10三、计算机的分类

1.按计算机用途分类

通用计算机：为了能够解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。它具有一定的运算速度和存储容量，带有通用的外设，配备各种系统软件和应用软件。

专用计算机：为了解决一个或一类特定问题而专门设计的计算机。其软硬件的配置依据解决问题的需要而定。11

2.按处理对象分类

数字式电子计算机：处理非连续变化的数据，这些数据在时间上是离散的。其基本运算部件是数字逻辑电路。 三大优点：存储、精度、逻辑处理。

模拟式电子计算机：处理连续变化的数据，这些数据在时间上是连续的。其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器和通用函数运算器等组成。

混合式电子计算机：可处理数字量和模拟量12

3.按规模和处理能力分类(IEEE)

巨型机：超级计算机,功能最强,价格最贵。

小巨型机：与巨型机相比，价格大幅降低。

大型机：主机，具有很强的管理和处理数据的能力，在大企业、银行等单位使用。

小型机：中小企业，VAX-II,DJS-2000。

工作站：高档微机，具有很强的图形处理能力，应用于计算机辅助设计，Sun工作站。

个人计算机：IBMPC，Apple13四、计算机的特点

1.运算速度快：每秒数万亿次，气象预报

2.计算精度高：理论上不受限制，圆周率

3.存储能力强：中等规模图书馆

4.具有逻辑判断能力：算术运算逻辑运算判断或比较

5.具有自动执行能力：无需人工干预14五、计算机的应用领域

1.科学计算或数值计算利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。实际问题→数学模型→计算量大。

2.数据处理或信息处理指对数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、检索和传播等一系列活动的统称。信息时代海量数据的管理和有效利用。153.过程控制或实时控制利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。无人自动化工厂。

4.计算机辅助技术计算机辅助设计：CAD

计算机辅助制造：CAM

计算机集成制造系统--CIMS

计算机辅助教学：CAI165.人工智能利用计算机模拟或部分模拟人的智能活动，如感知、判断、理解、学习、图像识别等。实用技术：智能机器人、专家系统

6.通信网络

Internet→网上银行、网上订票网上教学、网上医疗网上税收、网上出版17一、数制及其转换

1.什么是数制

数制是用一组固定的数码和一套统一的规则来表示数目的方法。

非进位记数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关。典型的非进位记数制是罗马数字，例如罗马数字中:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,┄,Ⅹ

进位记数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置有关。例如，十进制数123.451.2计算机运算基础18

进位记数制的要素：

①基数：指各种进位记数制中允许选用基本数码的个数。例如十进制的数码有：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9→基数是10

②位权：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值，或曰位权。例如：

123.4＝1×102+2×101+3×100

+4×10-119

2.几种进位记数制20几种进制数之间的对应关系十进制二进制八进制十六进制012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110123456710111213141516170123456789ABCDEF21

3.不同进制数的相互转换

⑴二进制数与十进制数的互换

人→十进制，计算机→二进制

①二进制—>十进制

▲方法：按权展开求和

例如：(101.1)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1=(5.5)10也可以写作： 101.1B=1×22+0×21+1×20+1×2-1=5.5D22

②十进制－>二进制 十进制数有整数和小数两部分。

▲方法:整数部分采用除2取余法 小数部分采用乘2取整法然后通过小数点将转换后的二进制数连接起来即可。例如：

(215.6875)10=(?)2232425练习一：

(110001011)2=(?)10 (1011000100)2=(?)1026练习二：

(1050.2625)10=(?)2

(357.113)10=(?)227

⑵二进制数与八进制数的互换

①二进制—>八进制

▲方法：三位并一位 以小数点为基准向左右两端，每三位一组，不足三位添0补足； 每组三位二进制合并成一位八进制数码。例如：(1011100.00101011)2=(?)8(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8

134.12628

②八进制－>二进制

▲方法:一位拆三位 将每一位八进制数写成对应的三位二进制数。例如：(123.67)8=(?)2123.67(八进制)001,010,011.110111(二进制)(123.67)8=(1010011.110111)229

⑶二进制数与十六进制数的互换

①二进制—>十六进制

▲方法：四位并一位 以小数点为基准向左右两端，每四位一组，不足四位添0补足； 每组四位二进制合并成一位十六进制数。 例如：(1011110.00011)2=(?)16(0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16

5E.1830

②十六进制－>二进制

▲方法:一位拆四位 将每一位十六进制数写成对应的四位二进制数。例如：(123.EF)16=(?)2123.EF(十六进制)0001,0010,0011.1110,1111(二进制)(123.EF)16=(100100011.11101111)使用特定的后缀字母，可以表示不同的数制：

十进制数D:512D或512二进制数B:1011B

八进制数Q:127Q十六进制数H:A8H31练习三：

(11110001010110)2=(?)8

(3BF6.A1)16=(?)232练习四：

(11110001010110)2=(?)16

(3746.21)8=(?)233

4.计算机为什么采用二进制

在物理上很容易实现： 电路的导通或截止 磁性材料的正极或反极

在逻辑上容易判断：

“真”与“假”

“有”与“无”

二进制的特点：电路简单、可靠性高 运算简便、逻辑性强34二、数据的存储单位

1.位(bit，b)

位是计算机存储数据的最小单位，一个二进制位只能表示两种状态：0和1。

2.字节(Byte，B)

字节是数据处理的基本单位，一个字节是由八位二进制数组成。1Byte=8bit如：01000001 计算机存储器容量大小是以字节数来度量的，所以字节也常被成为存储单位， 如：KB、MB、GB和TB。35

1KB=1024B＝210B 1MB=1024×1024B=220B 1GB=1024×1024×1024B=230B 1TB=1024×1024×1024×1024B＝240B

3.字(Word)

字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节组成。字长越长，计算机性能越强。

常用的字长：8位、16位、32位、64位等。36三、计算机中数的表示

☻机器数与真值

数值型数据有正、负之分，通常人们在数字前面冠以“+”“-”符号来表示数的正负，而在计算机内部“+”号和“-”号也需要用一位二进制表示。

一般规定：用数值型数据的最高位表示数值的正负符号，称为符号位，“0”表示“+”，“1”表示“-”号。

把这种连同数字和符号组合在一起的二进制数称为机器数，机器数所表示的实际值称为真值。37数据在计算机中的表示方式：即：+7701001101机器数01001101+77

符号位真值机器数/真值38 例如：用8位二进制码表示±45

(+45)10＝(+101101)2＝(00101101)机器数 (-45)10＝(-101101)2＝(10101101)机器数

在计算机中，机器数可以用不同的码制来表示。 常用的码制有：

原码表示法

反码表示法

补码表示法39

☻

原码、反码和补码：

⑴原码：

规定：对于n位字长的数值，最高位为符号位，正数用0表示，负数用1表示；其余n-1位数值部分用二进制形式表示。

数X的原码记为[X]原。

例如:字长8位， [+10111]原＝00010111 [-10111]原＝10010111 原码中，零表示方法有两种：

[+0]原＝00000000 [-0]原＝1000000040例，假设字长为8，求十进制数+78和-78的原码。 因为(78)10＝(1001110)2

所以[+78]原＝01001110 [-78]原＝11001110

原码的优缺点： ①简单直观、与真值转换方便。 ②对乘除法符号位的判断方便。 ③对加、减法运算比较复杂，不能直接对两个同号数相减或两个异号数相加。p15为计算机中方便进行加减法而引入反码和补码。41⑵

反码

规定：正数的反码与原码相同;负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，即0变1，1变0。

数X的反码记为[X]反。 例如:若机器字长为8位，

[+10111]反＝00010111

[-10111]反＝11101000

反码中，零的表示方法有两种：

[+0]反＝00000000 [-0]反＝11111111 可以验证，任何一个数的反码的反码即是原码本身。 通常,反码作为求补码过程的中间形式。42⑶

补码

规定：正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，最末位加1，即求反加1。

数X的补码记为[X]补 例:若机器字长为8位，

[+10111]补＝00010111

[-10111]补＝11101001

补码中，零的表示方法是惟一的：

[+0]补＝00000000 [-0]补＝00000000思考：为什么要引入反码和补码？431011001011001101带符号的机器数-77

原码反码补码 例:设字长为8位，求－77的补码。10110011

可以验证，任何一个数的补码的补码即是原码本身。44对于n位二进制数：原码和反码：±(2n-1-1)

8位：-127～-0，+0～+127共256个值

16位：-32767～-0，+0～+32767补码：-2n-1～+2n-1-1

8位：-128～+127共256个值 16位：-32768～+32767讨论原码、反码和补码的表示范围：提问：-128在补码中如何表示？45 引入补码后，加减法运算都可以用加法来实现，也就是说减法变为加法来运算。

[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

[X－Y]补＝[X＋(-Y)]补＝[X]补＋[-Y]补 例：用补码计算十进制数33-65＝? 在计算机中，加减法运算基本上都采用统一化成补码的加法运算，其符号位也参与运算。46练习：①写出二进制数1010的原码、反码和补码②写出二进制数-1010的原码、反码和补码③已知[X]补=11100，求X(真值)

[1010]原

=

01010

[1010]反

=01010[1010]补

=01010

[-1010]原

=11010

[-1010]反

=

10101[-1010]补

=10110

X的真值为

-0100正数的原码、补码和反码均相同负数的原码符号位为1，其余位不变负数反码符号位为1，其余位取反负数补码符号位为1，其余位取反后+1X补码的补码，即为X的真值！47

总结 ①一个正数的原码、反码和补码的表示形式相同，符号位置0，其它位是数的真值。

②一个负数的原码、反码和补码的表示形式为：负数的原码符号位→1其余位是该数的绝对值负数的反码符号位→1其余各位逐位取反负数的补码符号位→1其余各位逐位取反，末位加1[+0]原＝000…0[-0]原＝100…0不唯一[+0]反＝000…0[-0]反＝111…1不唯一[+0]补＝00…0[-0]补＝00…0唯一

③真值零的表示：48 ☻

定点数与浮点数：

⑴定点数 定点数是小数点位置固定的数。

根据小数点隐含固定位置不同，可分为：

定点小数：纯小数，其绝对值小于1。

定点整数：纯整数。符号位数值部分符号位数值部分

·小数点位置

·小数点位置49

⑵浮点数浮点数是小数点位置不固定，根据需要而浮动。它既有整数部分又有小数部分。阶符阶码尾符尾数31302423220阶码部分尾数部分阶码：补码定点整数，表示该数小数点位置尾数：补码定点小数，表示数据的有效位数数的取值范围：-1×2127～(1-2-23)×212750练习五：1、一个数的反码为00001111，求真值。2、一个数的补码为10001111，求真值。3、(-66)10的补码是多少？4、写出27-112的补码运算过程。5、(3865.475)10的浮点存储形式是____?6、(-3865.475)10的浮点存储形式是____?51四、计算机中信息编码

1.ASCII码

AmericanStandardCodeforInformationInterchange(ASCII，美国标准信息交换码)。

国际通用的信息交换标准代码(ISO646)。

ASCII码是对数字、字母、通用符号和控制符号等字符进行编码。

ASCII码：7位→128种编码组合0000000→111111152ASCII码表(7位)高三位b6b5b4低四位b3b2b1b0ASCII码的字符集：①10个数字：0～9②52个大、小写字母③25个特殊字符比较大小： 0<…<9<A<…<Z<a<…<z53[例]将China五个字符的ASCII码查出并存放在内存中。

一个字节中，ASCII编码位的使用编码位奇偶校验位542.汉字编码

汉字处理技术：汉字输入、汉字输出、汉字在计算机内部的编码问题。汉字的处理过程：汉字输入码汉字交换码汉字机内码汉字字形码输入设备输出设备汉字库55

⑴汉字输入码

作用：让用户直接使用标准键盘输入汉字。

特点：规则简单，重码率低，击键次数少。

分类：数字编码→电报码、区位码等字音编码→全拼、双拼等字形编码→五笔字型、郑码等混合编码→自然码、智能ABC等56

⑵汉字交换码

在汉字信息处理系统与通信处理系统之间进行汉字信息交换时所使用的编码。

设计汉字交换码编码体系要考虑：☆被编码的汉字个数尽量多；☆编码的长度尽可能短；☆编码具有唯一性；☆码制的转换要方便。按照国家标准GB/T-2312-1980编码的汉

字交换码→国标码.57

国家标准GB/T2312-1980：信息交换用汉字编码字符集--基本集一级汉字3755个(按拼音排序)

二级汉字3008个(按部首排序)

字母、数字和特殊图形记号等

国标码规定：一个汉字采用两个字节来表示图形字符(7445个)0XXXXXXX0XXXXXXX第一字节第二字节例如：啊→区位码→1601国标码＝区位码+3232→483358

⑶汉字机内码汉字机内码是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。目前我国使用的内码是国标码高位置1。汉字机内码＝汉字国标码＋8080H

例如：啊→机内码＝3021H+8080H＝B0A1H01XXXXXXX国标码机内码01XXXXXXX59

又如：“中国”→汉字机内码＝？汉字区位码汉字国标码汉字机内码中54488680=5650HD6D0H国259057122=397AHB9FAH

通过Debug查看汉字机内码：60

⑷汉字字形码字形码是一种用点阵表示汉字字形的编码，它主要用于汉字输出(打印、显示等)时产生的汉字字形。

点阵大小类型：16×16、24×24

32×32、48×48以上

汉字库：一个汉字系统所允许使用的全部汉字的汉字字形编码的集合。610000001000000000－02H00H0000000100000100－01H04H0111111111111110－7FHFEH0100000000000100－40H04H1000000000001000－80H08H0011111111111000－3FHF8H……

例如：把一个方块横向和纵向都分为16格。若用1表示黑点，用0表示白点，则16×16的点阵汉字可用256位二进制数来表示，占用32B。

汉字“宝”的16×16点阵数字化信息：02H00H01H04H7FHFEH40H04H80H08H00H00H3FHF8H01H00H01H00H1FHF0H01H00H01H40H01H20H01H20H7FHFCH00H

00H62总结机内码：机内码：计算机内表示字符的编码

1、西文字符

西文字符的机内码就是ASCII码。

2、中文字符

国标码为：(区位码)16＋2020H 机内码为：国标码+8080H

即：(区位码)16+A0A0H

3、举例

“啊”字的区位码为1601D，

转换为十六进制表示应为1001H（区码16转为10H，位码01转为01H）。

于是，“啊”字的机内码为：1001H+A0A0H=B0A1H63练习1．数制中使用的数码个数被称为

。 A．基数B．尾数C．阶码D．位权2．执行下列二进制数算术加运算10101010+00101010其结果是

。

A．11010100B．11010010C．10101010D．001010103．下列各种数制的数中，最小的数是

。A．（101100）2B．（54）8

C．（44）10D．（2A）164．每个汉字的机内码需要用____________个字节来表示。5．标准ASCII码是用____________位二进制进行编码。AAD2764练习6.十进制数77.25转换为二进制数是______。

A.10111011.1

B.1001101.01

C.11010101.01

D.10001110.117.如果（52）x=（2A)16

，则x为______。A.2B.8C.10D.168.假设某计算机的字长为8位，则十进制数（-66）10的反码表示为______。A.01000010B.11000010C.10111101D.101111109.在下面关于字符之间大小关系的说法中，正确的是_______。A.6>b>BB.6>B>bC.b>B>6D.B>b>6BBCC65练习10.在内存若汉字以GB2312的内码表示，已知存储6个字节的字符串，其十六进制内容依次为：6AH、B1H、D2H、53H、C8H、B4H，这个字符串中有________个汉字。A.0B.1C.2D.311.汉字“办”的区位码是1676，其机内码是______。A.4908HB.B188HC.B1D8HD.B0ECH12.一个汉字字形采用32×32点阵时，其字形码要占______.A.32BB.72BC.128BD.288BCDC66练习13．微机内存容量的基本单位是（）A．字符B．字节C．二进制位D．扇区14．汉字系统中的汉字字库里存放的是汉字的（）A．机内码B．输入码C．字形码D．国标码BC671.3逻辑代数与逻辑电路一、逻辑代数基础

1.逻辑变量和逻辑函数

逻辑变量：这种具有逻辑属性的变量。

逻辑函数：随逻辑变量的变化而改变。

表示方法：逻辑表达式、真值表、卡诺图Y=f(A,B)YAB逻辑变量和函数的值，只有“0”和“1”两个值，也叫做逻辑0，逻辑1。68☻基本逻辑运算：

逻辑变量之间的运算称为逻辑运算

逻辑运算是位运算，位与位之间没有联系

逻辑运算有三种基本运算——或、与、非

“或”——逻辑加

“与”——逻辑乘

“非”——逻辑否定（“半加”——异或运算）69或运算——逻辑加法或运算法则：A+B=C 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1例如：10100001+10011011=?101000011001101110111011ABY=A+B00011011011170与运算——逻辑乘法与运算法则：A·B=C 0·0=0 0·1=0 1·0=0 1·1=1例如：10100001·10011011=?100000011001101110100001ABY=A·B00011011000171非运算——逻辑否定非运算法则：

=1（非0等于1）

=0（非1等于0） 例如：1001=0110AY=A011072半加运算——逻辑异或半加运算法则：

00＝0 01＝1 10＝1 11＝0例如：1010000110011011=?

变量相异

“1”变量相同

“0”001110101001101110100001ABY=AB000110110110Y=AB=A·B+A·B733.逻辑代数的基本定律0-1律A·0＝0A+1＝1自等律A·1＝AA+0＝A重叠律A·A＝AA+A＝A互补律A·A＝0A+A＝1交换律A·B＝B·AA+B＝B+A结合律A·(B·C)＝(A·B)·CA+(B+C)＝(A+B)+C分配律A·(B+C)＝A·B＋A·CA＋B·C＝(A+B)·(A+C)吸收律A·(A+B)＝AA+AB＝A74二、基本逻辑电路

1.与门电路实现逻辑乘法功能的电路逻辑表达式是：F=A·B

当A=B=1→F=1，否则F=0

2.或门电路实现逻辑加法功能的电路逻辑表达式是：F=A+B

当A=B=0→F=0，否则F=175

3.非门电路实现逻辑取反功能的电路逻辑表达式是：F=A

当A=0→F=1；当A=1→F=0

4.与非门电路由与门、非门组合的电路逻辑表达式是：F=A·B当A=B=1→F=0，否则F=1765.异或门电路由与门、或门、非门组合的逻辑电路逻辑表达式是：F=A·B+A·B当A=B=0或1→F=0，否则F=1 与、或、非门电路的不同组合，可设计复杂的数字逻辑电路。如： ①实现数制转换的译码器； ②执行算术运算的加法器。77三、逻辑电路举例[例]分析逻辑电路，写出逻辑表达式和真值表。78[解]⑴写出逻辑表达式⑵列出真值表ABCF0F1F2F3F4F5F6F7000001010011100101110111100000000100000000100000000100000000100000000100000000100000000179[例]设计半加器。[解]⑴输入Ai、Bi； 输出和Si、进位Ci⑵绘出真值表⑶写出逻辑表达式

Si=Ai·Bi+Ai·Bi

Ci=Ai·Bi⑷画出逻辑电路图AiBiSi

Ci000110110010100180一、图灵机

1.直观描述1.4图灵机与冯·诺依曼机81 ①一条两端可无限延长的带子，一个读写头，若干个内部控制状态，一组对读写头控制的程序指令。┄bb10100010bb┄状态q1读写头控制指令读写头可以沿带子方向左右移动，并可以在每个方格上进行读写。82②带子上的符号为一个有穷字母表：{S0,S1,S2,¨¨,Sp}

通常仅有S0、S1两个字符，其中： S0→0，S1→1③若干个内部状态： {q1,q2,¨,qn}初始状态设为q1,结束状态设为qn83④控制指令——五元组指令集合： (qiSjSkR(LN)qn)

qi表示机器目前所处的状态；

Sj表示机器从方格中读入的符号；

Sk表示机器用来代替Sj写入方格的符号；

R,L,N表示右移一格,左移一格,不移动；

qn表示下一步机器的状态。

84

2.工作原理 ①读写头在纸带上读出一个方格的信息 ②根据当前的内部状态对程序进行查表 ③得出一个输出动作，即往纸带上写0或1 ④移动读写头到另一个方格 ⑤得到下一时刻的内部状态。 机器从给定带子上的某起点出发，其动作完全由其初始状态值及机内五元组程序指令来决定，机器停止时，带子上的信息就是计算得到的结果。85

3.应用实例

[例]假设：b表示空格q1表示机器的初始状态q4表示机器的结束状态如果带子上的输入信息为10100010，读写头位对准最右边第一个为0的方格，且状态为q1。按照以下五元组指令集执行后，输出正确的计算结果是什么？86指令集q101Lq2q110Lq3q1bbNq4q200Lq2q211Lq2q2bbNq4q301Lq2q310Lq3q3bbNq4计算函数是：S(x)=x+1bb10100010bb……q1bb11000101bb……q11q21q20q20q20q21q20q21q2bq40q31q21q20q20q20q21q21q2bq4图灵机就是这么简单！不可思议吧？87指令死循环：q1S1S1Rq2q2S0S0Lq1小虫的比喻：……输入输出黑色前移白色后移输入输出黑色前移白色涂黑输入当前状态输出下一状态黑色饥饿涂白吃饱黑色吃饱后移饥饿白色饥饿涂黑饥饿白色吃饱前移吃饱指令二义性：q3S0S1Rq4q3S0S2Lq6黑色图灵机模型－信息处理的根本：输入集合、输出集合、内部状态、固定的程序88

[练习]图灵机Mz：其中Q={q1,q2,qf}

五元组指令集为：q110Rq1q100Lq2q201Nqf

求Mz对任何一串“1”的作用是什么？bb11111100bb……q1仅留下最后一个“1”图灵机的意义在于：

①模拟了现代计算机的计算能力；

②蕴含了现代存储程序思想。89二、冯·诺依曼型计算机

重要思想：存储程序、二进制

1.冯·诺依曼机的特征⑴计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；⑵计算机中采用二进制来表示指令和数据；⑶采用存储程序方式，计算机能自动逐条取出指令并执行程序。902.冯·诺依曼机工作原理 先将程序(一组指令)和数据存入计算机，启动程序就能按照程序指定的逻辑顺序把指令读取并逐条执行，自动完成指令规定的操作。 因此，我们称这种具有“存储程序”设计思想的计算机为冯·诺依曼结构计算机

——冯·诺依曼机911.5计算机结构及工作原理计算机的基本组成：硬件系统+软件系统

硬件系统——各功能部件的集合，是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。（中央处理器、存储器、I/O设备）。

软件系统——各种程序与有关数据的集合。有了软件，用户可以不必了解计算机本身就能使用计算机，因此软件是用户和计算机的接口。（系统软件、应用软件）92△计算机硬件有五大功能部件：

运算器(ArithmeticLogicUnit，简称ALU)

控制器(Controller)

存储器(Memory)

输入设备(InputDevice)

输出设备(OutputDevice)中央处理器CentralProcessingUnit,简称CPU内存储器外存储器一、计算机的硬件结构以运算器为中心的存储程序式计算机模型。93△计算机硬件结构的重要特点：

——总线(Bus)结构

总线结构将信号线分成三大类：

数据总线（DateBus）

地址总线（AddressBus）

控制总线（ControlBus）

（便于计算机部件的模块化生产）94微型计算机总线化硬件结构95

1.运算器

运算器是对数据进行加工处理的部件。在控制器的操纵下，它与内存交换数据，负责算术运算、逻辑运算和移位运算等。

2.控制器

控制器负责对指令进行分析和判断，发出控制信号，使计算机各部件协调工作，确保系统的自动运行。96

3.存储器

存储器是存放大量程序和数据的部件。

分类：内部存储器、外部存储器

特点：内存→存取速度快、存储容量小外存→存取速度慢、存储容量大注：内存在断电后数据会丢失，外存则不会。

4.输入设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式存放的内存中。97常用的输入设备有：键盘、鼠标器

扫描仪、麦克风

5.输出设备

输出设备是将计算机处理过的信息以人们所能接受的形式表示出来。常用的输出设备有：显示器、打印机

绘图仪、音箱等 中央处理器(CPU)=运算器+控制器

主机=CPU+内部存储器

外部设备=输入设备+输出设备98工作原理：冯诺依曼的“存储程序”原理 ⑴

输入命令：控制器发布输入命令，把指令和数据通过输入设备送入计算机内存储器。

⑵译码：在取指令命令的作用下，把程序指令逐条取入控制器。控制器对指令进行译码。

⑶发布执行命令：向存储器和运算器发出存数、取数和运算命令，并把计算结果存放在存储器内。

⑷输出数据：在控制器发出的输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。二、计算机的工作原理99数据传送线(数据流)控制信号线(控制流)存储器输入设备输出设备运算器控制器结果用户输入输入命令①取指令②输出命令④存/取数③运算③1001.指令和程序

指令：能被计算机识别的命令。它是硬件可执行的、完成一个基本操作所发出的命令。

指令格式：

指令系统：计算机能识别所有指令的集合。

程序：指用户根据某一问题的解决步骤，选用一组指令进行有序排列的集合。操作码地址码或数据101

2.计算机的工作过程

举例说明：计算7+2=?文字描述的计算程序计算步骤解题命令1从存储器中取出7到运算器的0号寄存器中2从存储器中取出2到运算器的1号寄存器中3将