计算机系统组成与计算机工作原理

第1章计算机与社会信息化

教学目的和要求：本章介绍计算机基础知识，主要内容有计算机的发展和应用领域、计算机硬件系统和软件系统的组成及各主要部件的功能、计算机编码和数制。通过学习，了解计算机的发展和应用领域；了解计算机硬件系统的基本配置、主要性能指标、硬件和软件系统的组成；理解和掌握数制转换和数据编码的概念和方法。1第1章计算机与社会信息化1.1计算机发展简介1.2信息技术概述1.3计算机系统组成1.4计算机硬件组成1.5计算机软件分类1.6计算机工作原理及主要技术指标1.7数制及其运算1.8文字信息编码形式21.1.1计算机的发展历程英国数学家乔治·布尔（GeorgeBoole，1815-1864）创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础；英国科学家图灵（AlanTuring,1912-1954）首次提出逻辑机模型

—图灵机。建立算法理论和提出图灵测试——即智能机器；第一台电子数值积分计算机（1946）——ENIAC3456美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（JohnVonNeumann,1903-1957）提出EDVAC计算机方案。7三个基本原则:①

计算机基本结构：计算机硬件应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本功能。②

采用二进制数：二进制数便于硬件实现，又有简单的运算规则。③

存储程序控制：存储程序实现自动计算。这3个基本原则确定了冯·诺依曼型计算机基本结构8计算机经历了四代发展历程:第一代（1946年～1958年）为电子管计算机；第二代（1958年～1964年）为晶体管计算机；第三代（1964年～1970年）为中小规模集成电路计算机；第四代（1971年～

）为大规模、超大规模集成电路计算机。以元件作为划分标准。9101112计计算算机分分类按计算算机运运算速速度、、字长长、存存储容容量、、软件件配置置及用用途等等多项项性能能指标标划分分：1.高性能能计算算机指目前前运算算速度度最快快、处处理能能力最最强的的计算算机。。2.微型计计算机机个人计计算机机（PC——PersonalComputer））。3.工作站站介于微微计算算机与与小型型计算算机之之间的的高档档微机机系统统134.服务器器高性能能计算算机，，用于于网络络管理理、运运行应应用程程序、、处理理网络络工作作站成成员的的信息息请求求等5.嵌入式式计算算机计算机机作为为一个个信息息处理理部件件，嵌嵌入到到其他他设备备中，，使其其成为为智能能化和和自动动化程程度更更高的的设备备14计计算算机的的主要要应用用领域域1.科学计计算（ScientificComputing）2.数据处处理（DataProcessing））3.过程控控制（ProcedureControl））4.计算机机辅助助系统统（Computer-AidedSystem））5.人工智智能（ArtificialIntelligence））6.信息高高速公公路（InformationSuper-Highway））7.多媒体体技术术（Multimedia）15线框图图实体图图应用举举例：：计算算机辅辅助设设计与与制造造（CAD/CAM）16应用举举例：：生物物仿真真模拟拟17应用举举例：：室外外建筑筑效果果图18应用举例：医学学里的的应用用用AVS对焦焦点区区域的的图象象进行行分析析处理理19应用举举例：：油气气工业业20应用举举例：：天气预预报Bosnia上上空九九小时时天气气预报报图FSL用AVS实现现的天天气图图LAPS用用AVS实实现的的三维维局地地气象象预报报实时时图21计计算算机发发展的的趋势势1.人工智智能进进一步步发展展自动装装置使使用微微电脑脑内核核，带带有““眼睛睛”——摄摄像机机，用用以完完成特特定工工作。。2.计算机机与通通信相相结合合计算机机应用用进入入网络络时代代———信息技技术。计算算机与与通信信网络络相互互协调调、相相互补补充，，融于于一体体。3.未来新型计计算机将由磁、光光或DNA来制造，，即所谓磁磁计算机、、光子计算算机、生物物计算机和和量子计算算机。221.2信信息技术术概述信息技术以以计算机技技术、通信信技术、控控制技术为为核心1.2.1信息息与数据数据是信息的载体和表表示形式信息是数据表达的内涵涵或解释1.信息客观存在的的事物及其其运动状态态的表征2.信息的基本本特征①普遍性②寄载性③共享性④时效性⑤可识别性⑥可加工性3.数据数据是信息息的载体。。4.信息数字化化将现实世界界中的信息息转换为计计算机能识识别、存储储和处理的的形式231.2.2现代代信息技术术信息技术是是利用信息息科学的原原理和方法法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术术。1.2.3信息息技术的发发展趋势①多学科结合合②智能化③多媒体化④高速度、网网络化1.2.4信息息化社会信息化社会会是以信息息活动为社社会发展的的基本活动动。信息化水平平是衡量一一个国家或或地区国际际竞争力、、现代化程程度、综合合国力和经经济成长能能力的重要要标志。241.3计算机系统统组成251.4计计算算机硬件组组成冯•诺诺依曼计算算机结构运算器存储储器器控制制器器输入设备输出设备执行指令协调控制存储程序、数据、结果输入程序、数据输出结果26计算机系统的的硬件逻辑组成冯.诺依曼思思想：程序与数据一一样存放放在内存存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器中央处理器27中中央处理理器（CPU为控制器和运运算器的总称称）1.运算器器计算机用来进进行算术、逻逻辑运算的部部件：①算术逻辑运算算单元ALU执行算数和逻逻辑运算的装装置,核心是是加法器②内部总线运算器和控制制器之间的公公共信息通道道③寄存器组暂存操作数和和中间结果有：累加、暂存、标志、通用等28中中央处理理器（CPU为控控制器和运算算器的总称））2.控制器器控制、协调计计算机各部件件自动连续地地执行指令，，控制整个计算算机有条不紊紊地工作。主要功能有：：①取指令——自动形成指令令地址②分析指令——分解成微操作作③执行指令——执行微操作命命令④改变指令执行行顺序——根据判断结果果⑤输入/输出控控制——主机与入/出出设备间⑥中断处理——非预期服务29控制器由以下下部件组成：：①程序计数器（（PC）——下条指令地址址②指令寄存器（IP）——暂存③指令译码器（（ID）——分析指令，分解成微操作作④时序控制电路路——发出命令⑤微操作控制电电路——实际执行命令令30存存储器用于存储程序序和数据的部部件。两种基本操作作：①读操作②写操作31存储容量：——是存储器器的重要性能指标标。存储容量单位：bit(位);Byte(字节)；KB（千字节节）MB（兆字节）；；GB（千兆字字节）；它们之间的换算关系为：1字节（Byte）＝8个二进进制位（bits）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B＝1024KB1GB＝230B＝1024MB32……位字，字长位、字节、字字及字长字节（8位））数据存储的组织形式33⒈主存储器（内存）分类：随机存储器（RAM）SRAM——静态——用用于CacheDRAM——动态——用用于内存条用于CMOS只读存储器（ROM）———BIOSPROM———只能写1次EPROM——可可多次擦写342．辅助（外）存储设备外部长久存储储区域。常用用辅助存储器器有:磁盘存储器———硬盘、软盘;光盘;U盘;磁带磁鼓35硬磁盘磁盘信息存储储格式记录面=磁头数磁道：4096柱面：所有记录面上上同一编号的的磁道扇区：每个扇区容量量为512字节0磁道柱面扇区读/写磁头硬盘片磁盘工作原理理3637硬盘的存储容容量=磁头数×柱柱面数×扇区区数×扇区容容量例：若已知磁头数数为16，柱柱面数为4096，扇区区数为63，，扇区容量512字节，，则：硬盘容量=16×4096×63××512＝2.1GB38输输入输出出设备输入输出（I/O）系统统的主要功能能是对指定外外部设备进行行输入输出操操作。输入设备向主机输入程程序、原始数数据和操作命命令等信息的的设备。键盘、鼠标、、光笔、图形形输入板、触触摸屏、数字字化扫描仪、、图像摄像仪仪、光学字符符阅读器、声声音识别器等等都是输入设设备。2.输出设设备将计算算机处处理后后的信信息，，转换换成人人们能能识别别的形形式打印机机、显显示器器、、绘图图仪、、音音箱等等391.5计计算算机软软件分分类软件：：是计算算机完完成一一定任任务所所需的的程序、数据和资料，分为为两大类类：系统软软件和应用软软件。系系统统软件件包括4类：操作系系统语言处处理系系统数据库库系统统服务程程序40操作系系统（（OS）为了合合理方方便地地利用计算机机系统统而对对其资源进行管管理的的软件件。操作系系统管管理的的资源有有4类：①进程管管理②存储管管理③设备管管理④文件管管理412.语语言言处理理系统统通过计计算机机语言言可以以编写写程序序，控控制计计算机机完成成预定定任务务。计算机机语言言分为为3大类：机器语语言汇编语语言高级语语言423.数数据据库管管理系系统管理数数据库库的软软件，，主要要面向向解决决数据据处理理的非数值值计算算问题。。4.服服务务程序序完成一一些与与管理理计算算机系系统资资源及及文件件有关关的任任务。。43应应用用软件件针对某某一应用目目的而开发发的软软件。。分为二大类类：通用应应用软软件专用应应用软软件通用应用软软件支支持最最基本本的应应用，，广泛泛地应应用于于几乎乎所有有专业业领域域。44计算机系系统的层层次结构构用户系统应用程序操作系统机器语言硬件系统451.6计计算算机工作作原理及及主要技技术指标标计算机工工作过程程是执行程序的过程。程序：为一系列列指令的有序集集合。46计算机的的工作过过程(1)计算机的的工作过过程就是是执行程程序的过过程输入设备备输出设备备内存储器器中央处理理器程序执行结果果地址/指令/数据控制命令令控制命令令471.计算算机的指令系统统指令：是使计算算机完成成某个操操作所发发出的命命令；指令系统统：一台计算算机有许许多作用用不同的的指令；；所有指令集合合称为该计计算机的的指令系统统；48指令和程序程序：按一定顺顺序组织织在一起起的指令令序列。。机器指令令：硬件能够直接识别别并执行的指令。。49一条机器器指令由由两部分分组成：：操作码和操作数。①操作作码：指明该该指令要要完成的的操作类型型或性质，如取数数、做加加法或输输出数据据等。②操作作数：指明操操作对象象的内容或所在单元元地址。指令格式式：说明指令令的功能能说明指令令操作的的对象指令码目标操作数源操作数50指令是能能被计算算机识别别并执行行的的二二进制代代码，完完成一种种操作操作码

操作数

数据传送送指令数据处理理指令程序控制制指令输入输出出指令其它指令令ifgoto………＋－××÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机机的硬件件进行管管理等指令结构分类操作码要完成的的操作类类型或性性质操作数操作的内内容或所所在的地地址512.计算算机工作作原理计算机执执行指令令一般分分为两个阶段段：第一阶段称为为取指周期期，第二阶段称为为执行周期期。指令执行行的一般般过程取指令分析指令令读读取取操作数数执行指令令存放结果果52计算机的的工作过过程(2)指令存取命令令运算命令令输入/输输出命令令原始数据据命令/程程序取数读结果存数写I/O设设备内存储器器运算器控制器数据线：：控制线：：53计算机执执行程序的方式有两种执行方式式：顺序执行：一一条指令令执行完完了再执执行下一一条指令令。并行执行：同同时执行行两条或或多条指指令。543．计算算机主要要技术指指标①字长———一次并并行处理理的二进进制数的的位数；；②主频———CPU的时钟钟频率；；③运算速度度——每每秒执行行指令的的次数（（MIPS）；；④存储容量量；⑤存储周期期——一一次完整整存取的的操作时时间；551.7数数制制及其运运算计算机中中采用具具有两个不同同稳态的电子器器件表示示数，这这就是二进制数数。为书写写和表示示方便，，引进八进制和十六进制制数。进进位计计数制在进位计计数制中中有基数、位位权和数位3个要素素。基数—某个计计数制中中所包含含的数码码个数；数位--指数数码在一一个数中中所处位置；位权--由位置决定的值；（位权用用基数R的i次次幂Ri表示）。。56十进制计计数制十进制数数的基数是10。数码有有0—9共10个数字字符号（（用D表示示）。数码处于于不同位位置代表表不同数数值———取决于于位权。因此，301.6876可写写成权展开表示示式：301.6876＝3×102＋0×101＋1×100＋6×10－1＋8×10－2＋7×10－3＋6×10－4572.R进制计计数制任意R进进制计数数制同样样有基数R、位权Ri和按权展开开的表示式。R可以是任任意正整整数。任意一个R进制数N可以表示为：N=An-1×Rn-1+An-2×Rn-2+…+A1×R1+A0×R0+A-1×R-1+…+A-m×R-m=58进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数R=2R=8R=10R=16基本符号0，10,1,2,…,70,1,2,…,90,1,…,9,A,B,…,F权2i8i10i16i形式表示BODH常用的各各种进制制数的表表示59不不同进进制间的的转换各种进制制数之间间存在一一定的转换规则则。R进制数(非十进制）转换为十进制数规则：利用按权展开开方法，可以将将任一进进制数转转换成十十进制数数。方法：只要将各各位数码与对应的的位权乘积进行相加，和数就是对应应的十进制数数。60【例1.7.1】将二进制数转转换为十进制数。。（1101.1011）B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＋1×2－4＝（13.6875））D【例1.7.2】将八进制数转转换为十进制数。。（455.54）o＝4×82＋5×81＋5×80＋5×8-1＋4×8-2＝256＋40＋5＋＋0.625＋＋0.0625＝（301.6875）D】】将十六进制数转转换为十进制数。。（12D.B））H＝1×162＋2×161＋13×160＋11×16－1＝（301.6875）D612.十进制数转转换为R进制数（非十进制）规则：将此数分分成整数与小数两部分分别转换换，然后再再将结果果拼接起来即可可。方法：整数部分转换换步骤：：采用““除R取余法”。即将十制制制整数数不断除R取余数，直到商为0。余数从右到左排列，首次取得的余数在最右。62②小数部分转换步步骤：采用用“乘R取整法”。即将十进制制小数不断断乘以R取整数，直到小数部分为为0或达到所求的的精度为止（小数部分分可能永远远不会得到到0）；所得的整数从小数点自左往右排列，取有有效精度，，首次取得得的整数放在最左。63】】将(301.6876)D转换成二进制数。①整数部部分2|3012|150余数为1最低位2|75余数为02|37余数为12|18余数为12|9余数为02|4余数为12|2余数为02|1余数为00余数为1最高位64】】将(301.6876)D转换成二进制数。②小数部部分0.6876×2＝1.3752整数为1最高位0.3752×2＝0.7504整数为00.7504×2＝＝1.5008整数为10.5008×2＝＝1.0016整数为1最低位因此(301)D＝(100101101)B(0.6876)D≈(0.1011)B转换结果：：（301.6876）D≈(100101101.1011)B653.二进进制、八进进制、十六六进制数（非十）间的相互转转换二进制、八八进制和十十六进制之之间存在特殊关系：81＝23一位八进制数对对应三位二进制数；；161＝24一位十六进制数数对应四位二进制数因此转换方方法比较容容易（表1.7.2）。66一位八进制数二进制一位十六进制数二进制0000000001001100012010200103011300114100401005101501016110601107111701118100091001A1010B1011C1100D1101E1110F111167八进制和十六进制转换成成二进制每一位八进制数对应应三位二进制数。（（1分3）(7123.14)O=(.001100)B712314每一位十六进制数对应应四位二进制数。（（1分4）(2C1D.A1)H=(.10100001)B2C1DA168二进制转换成成八进制和十六进制转换成八进制时三位二进制一组。（3合1）转换成十六进制时四位二进制一组。（4合1）分组方法：从小数点向两边三（四）位位一组，位数不足整数前补0，小数数后补0。(1101101110.110101)B=(001101101110.11010100)B=(36E.D4)H(1101101110.110101)B=(001101101110.110101)B=(1556.65)O69例：将二进制数数100101101.1011转换成十六六进制数：：（000100101101.1011）B＝（12D.B））H12D.B即：整数高位补零又如将二进进制数100101101.1011转换成八八进制数：：（100101101.101100）B＝（455.54）O455.54即：小数低位补零701.7.3数值值表示及运运算机器数的概概念计算机内部部,表示数数的正、负的符号必须数数码化。将一个带符号数在机器中的表示形式式称为机器数;而在机器外部由正负号表表示的数称称为真值数。若一个数占占16位:规定最高位为符号位，用0表示“＋”号；用1表示“－”号，其余位表示示数值。例如：真值数为：-000000011000001称为数符71数据在计算算机中的表表示方式2、真值数：+100110101001101+77符号位值机器数/真值数3、机器数1、自然数722.定点点数和浮点数定点整数隐含小数点位置定点数——固定隐含位置浮点数——不固定隐含位置定点小数在定点数中中,小数点点位置一旦旦固定,就就不再改变变。定点数中又又有定点整数和定点小数之分。732.定点点数和浮点数定点小数：小数点位位置固定在在数值最高位前面，用来表示示小于1的纯小数定点整数：小数点位位置固定在在数值最低位后面，用来表示示整数。1000001100000000数值部分小数点位置数符74定点整数的表示范围：：272625242322212010000000128272625242322212011000000符号64-（27-1）≤N≤≤（27-1）即-127≤≤N≤12775任何浮点数都可表示为：：N=±S×10±jj:N的阶码J前面的±：阶符S：N的的尾数；S前面的±：数符二进制浮点数数的规范化：：尾数的最高位位为1。例如：110.001的的规范化格式式为：0.110001××2+11阶符阶码数符尾数76机器数、定点点数和浮点数数都是用数据第一位表示数的符号，用其后各位位表示数的绝绝对值。这种种方法简单易易懂，称为“原码”编码方式。3.原码、、反码和补码码77①原码：最高位存放数数的符号（0为正，1为为负）。数数值部分用剩剩余的位以二二进制形式表表示。例如：X＝＋1010011[X]原＝01010011X＝－1010011[X]原＝11010011②反码：正数的反码是原码码本身；负数的反码表示为为该数对应的正数按位取反（包括符号位位）。例如：正数[+0000100]的反码=00000100负数[-0000100]的反反码=1111101178③补补码：正数的补码码表示与原码码相同同；负数的补码码等于其相应应反码码加1（在最最低位位加1）例如：：正数[＋0000100]补＝00000100负数[-0000100]补＝[－－0000100]反＋1＝11111011＋1＝1111110079机器数数可以有有三种表表示法法：原码反码补码80101100101100110110110011在计算算机内部数据是是以补码形式出出现带符号的机器数-77原码反码补码数据在在计算算机中中的表表示方方式81补码运运算主主要优优点是是:对负数数处理理后将减法法转化化为加加法。不论求求和或或求差差，也也不管管参加加运算算的数数正与与负，，运算时时一律只只做加加法,大大大简化化运算算。82二进制制加法法运算算规则则0011+0+1+0+1（加法）01110

（向高位进位）

0100111001100101+1+1

010011110110011083补码运运算：：已知：：X=11;Y=－3;求：X+Y=?求：[X+Y]补＝[X]补＋[Y]补[X]反＝00001011[Y]反＝1111110000001011+11111101=00001000[X]补＝00001011[Y]补＝11111101补码的的优点：数符也也当数数值参与运运算。。[Y]原＝10000011[X]原＝0000101184算算术术与逻逻辑运运算计算机机中数数据采采用二进制制编码码形式实实现算算术运运算和和逻辑辑运算算。1.二二进制制数算算术运运算二进制制数算算术运运算与与十进进制数数算术术运算算基本本相同同，也也包括括加、、减、、乘和和除四四则运运算，，但运运算更更简单单。852.二二进进制数数逻辑辑运算算逻辑数数据值用于判断某某个条条件成成立与与否，成立为1——真反之为0——假当要对对多个个条件件进行行判断断时，，则需需要用用逻辑运运算符符构成成逻辑辑表表达达式式，结果果还还为为逻逻辑辑值值。逻辑辑运运算算主主要要包包括括三种种基本本运运算算。。①逻辑辑与运算算：：通通常常用用““×”或或““∧”符符号号表表示示两两个个逻逻辑辑量量间间的的与关关系系。②逻辑辑或运算算：：通通常常用用““＋”或或““∨”符符号号表表示示两两个个逻逻辑辑量量间间的的或关关系系。③逻辑辑非运算算：：表表示示同同原原条条件件A含含义义相相反反，，用用A表示示86在逻逻辑辑运运算算中中，，将将逻逻辑辑量量的的各各种种可能能的的组组合合与对对应应运运算算结结果果列列成成表表格格，，称称为为真真值值表表，，它它是是全全面面描描述述逻逻辑辑运运算算关关系系的的工工具具之之一一。。一一般般在在真真值值表表中中可可用用1或T（True））表表示示真真，，用用0或F（False））表表示示假假。。逻辑辑运运算算真值值表表ABA×BA＋B0000101011100101111087西西文文字字符符编编码码采用用ASCⅡⅡ码码。即即美美国国国国家家信信息息交交换换标标准准字字符符码码。。用7位位二进进制制数数表示示一个个字字符符编码码1.8文文字字信信息息编编码码形形式式字符符必须须按按特特定定规规则则进进行行二进进制制编码码才能能进进行行存储储。88d6d5d4d3d2d1d0，0000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB‘7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS－=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIUS/?O←oDEL00000101001110010111011189中中文文字字符符编编码码汉字字编编码码包包括括三个个方面面：：输入入编编码码(外外码码)内码码字型型码码(字字模模)输入入码码指输输入入汉汉字字时时的的编编码码