第1章计算机系统基础

大学计算机

（第4版）“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材北京邮电大学出版社主编：蒋加伏数据表示与存储软件系统工作原理硬件系统计算机的产生与发展第1章计算机系统基础计算机的产生与发展

计算机的定义 现代计算机的发展微型计算机的发展计算机的分类计算机的发展趁势什么是计算机？计算机是一种处理信息的工具，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送和加工处理。计算机的产生与发展1946年世界上第一台电子数字积分计算机ENIAC在美国的宾夕法尼亚大学诞生。世界上第一台电子数字计算机ENIAC共使用了18800个电子管，8000多个电阻电容，占地170平方米，功率150kw，重量达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。它的问世，标志着计算机时代的到来。计算机的产生与发展世界上第一台计算机ENIAC

现代计算机的发展电子管时代晶体管时代中小规模集成电路时代大规模和超大规模集成电路时代计算机发展的四个时代：计算机的产生与发展

第一代电子管计算机（1946年—1953年）

主要用于科学计算和军事应用方面。第一代计算机使用的电子元件：真空管1940年代程式设计工作

第二代晶体管计算机（1954年—1963年）

计算机的应用扩展到数据处理和工业控制中。用晶体管制造的TX－0第二代计算机主要电子元件：晶体管第三代中小规模集成电路计算机（1964年—1970年）

计算机的应用开始广泛应用于各个领域。第一个采用集成电路的通用电子

计算机系列IBM360系统集成电路

第四代大规模和超大规模集成电路计算机（1971年至今）

计算机的应用更加广泛，几乎渗透到人类社会的各个领域。第四代计算机－个人计算机超大规模集成电路1975年，第一台微机

Altair8800（牛郎星）微型计算机的发展微型计算机的发展4位微机

8位微机

32位微机（Intel80386、80486）

64位微机（Pentium、PentiumII）

16位微机（Intel8086、80286）

PentiumIII

PentiumIV计算机的产生与发展core英特尔公司CPU产品酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本微机。至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。计算机的分类按运算速度巨型计算机大/中型计算机小型计算机微型计算机计算机的产生与发展大型计算机微机嵌入式系统按目前市场分布计算机的发展趋势微型化大型化计算机的产生与发展计算机的工作原理

计算机的基本工作原理指令和指令系统指令的执行过程工作原理计算机的基本工作原理工作原理

基于冯诺依曼模型设计的计算机的思想硬件核心由五部分组成采用二进制形式表示数据和指令存储程序I/O设备内存储器运算器控制器指令存取命令运算命令输入/输出命令计算机的基本工作原理程序+数据取数读结果存数写数据线：控制线：工作原理冯·诺依曼计算机模型：指令:

指令是计算机完成某一操作而发出的指示或命令。指令的格式如下：指令系统：一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统。操作码操作数工作原理指令的执行过程

取指令

将要执行的指令从内存取到控制器中

指令译码对取的指令通过译码器进行分析判断，判断该指令要完成的操作指令执行根据分析结果向各部件发出操作信息，执行该指令相应的操作功能

结果写回将处理结果写回到内存中计算机系统组成硬件系统的定义控制器运算器存储器输入/输出设备总线和I/O接口计算机的主要性能指标硬件系统硬件系统计算机系统组成

硬件系统软件系统计算机系统硬件系统

硬件系统是指构成计算机系统的各种物理设备的总称。主机外部设备计算机硬件系统结构图运算器控制器内存储器外存储器存储器输出设备硬件CPU硬件系统输入设备

计算机硬件系统结构图如下：硬件系统

控制器是整个计算机的指挥系统，用于控制计算机各部件协调一致地工作。

运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件，也叫算术逻辑单元。

存储器是计算机中具有记忆能力的部件，用于保存和记录原始数据、运算步骤（指令）、中间结果及最终结果。存储器可分为:主存储器和辅助存储器。硬件系统

主存储器（主存、内存）：是主机的一部分，特点是存取速度快、与CPU直接打交道，但存储容量小，价格较贵。主要用于存放正在执行的命令、程序或正在加工处理的数据。内存又可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。辅助存储器（辅存、外存）：属于外部设备，特点是不能直接向CPU提供指令和数据，存取速度慢，但存储容量大，价格便宜。主要用于存放暂时不用而以后有用的程序或数据。常用的有U盘、硬盘、光盘等。CPU、内存、外存之间的关系CPU外存内存交换数据交换数据不能直接交换27硬件系统

输入设备的功能是将数据、程序等用户信息变换为计算机能识别和处理的信息形式，然后存入存储器。输出设备的主要功能是将计算机中的二进制信息变换为计算机用户所需要并能识别的信息形式。主机箱立式机箱硬件系统机箱内部构造主机箱内的部件主板CPU内存储器显示卡声卡硬盘光盘驱动器硬件系统输入设备

常用的输入设备有键盘、鼠标等。

（1）键盘

101键键盘示意图(2)鼠标

鼠标的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠标，在Windows及网络中使用频率相当高，可以代替键盘的大部分功能。鼠标分为机械式、光学式和光学机械式三种，对鼠标的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这四种不同的操作可以实现不同的功能。

输出设备

（1）显示器：显示器是最常用的输出设备,主要有CRT和LCD两种类型的显示器。显示器的主要技术参数：屏幕尺寸、点距、显示分辨率、刷新频率。输出设备

（2）打印机：打印机也是计算机中最常用的输出设备。按输出方式可分为击打式和非击打式，击打式以针式打印机为主要代表，非击打式以激光打印机和喷墨打印机为主流。总线和I/O接口

总线是指计算机系统中能够为多个部件共享的公共信息通道。地址总线（AddressBUS:AB）数据总线（DataBUS:DB）控制总线（ControlBUS:CB）计算机总线结构示意图：

微处理器CPU

主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等硬盘驱动器AB地址DB数据CB控制总线和I/O接口

接口是指计算机系统中，在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。主机与外部设备之间的接口称为输入/输出接口，简称I/O接口。接口功能：在各个组成部件之间进行数据交换。接口分类：并行接口和串行接口。计算机的主要技术指标

外围设备的配置指令系统的功能系统软件的配置情况诊断能力与容错能力内存容量CPU字长时钟频率其它硬件系统性能指标

兼容性指标软件兼容性

硬件兼容性

软件系统软件系统

软件系统的定义 系统软件应用软件…数据库管理系统语言处理程序操作系统用户程序应用软件包工具软件…系统软件应用软件什么是软件？软件系统软件是指使计算机运行所需的程序和有关的文档。系统软件系统软件是用于计算机的管理、维护、监控、运行的软件。系统软件通常包括：操作系统、数据库管理系统、程序设计语言及语言处理程序等。

程序设计语言和语言处理程序

为了完成某项特定任务用计算机语言编写的一组指令序列就称之为程序。第一代语言——机器语言第二代语言——汇编语言第三代语言——高级语言高级语言源程序执行结果解释并执行机器语言目标程序执行结果编译运行编译程序（事先装入计算机）解释程序（事先装入计算机）高级语言源程序编译过程示意图解释过程示意图

用汇编语言和各种高级语言编写出来的程序称为源程序，源程序不能被计算机直接执行，必须把它们翻译成机器语言程序，机器才能识别及执行，翻译程序称为语言处理程序。

应用软件

应用软件是用高级语言编写出来的具有特定功能的为解决某一具体问题而开发的程序。用户不再编写程序就可以直接使用。例如：Word、Excel、MIS等。应用软件是面向用户的最高层程序。

数据的表示与存储

数制

计算机编码

数据存储的组织形式数据的表示与存储常用数制的数字符号和基数数制十进制二进制八进制十六进制数字符号0~90,10~70~9,A,B,C,D,E,F基数102816数制及其转换基数：数制中所使用的数字符号的个数称为“基数”,通常用R来表示。1.数制A～F10～15

数制

书写格式二进制（10110.01）210110.01B八进制（235.7）8235.7O、235.7Q十进制（563.45）10563.45D十六进制（3DA.5）163DA.5H注意：没有任何标记默认的是十进制。2.数制间的转换十进制非十进制非十进制十进制二、八、十六进制之间的转换方法：按权展开求和法。非十进制十进制权：数制中每一位所具有的值称为“权”。同一数字出现在不同的数位所代表的值是不一样的。567.89=5×102+6×101+7×100+8×10-1+9×10-2权用Ri（i=…3,2,1,0,-1,-2,-3…）按权展开：每个数位上的数字乘以相应的权值相加。

(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1示例：(1011.1)2=（）1011.5

=

8+0+2+1+0.5=(11.5)10

(1011.1)8=1×83+0×82+1×81+1×80+1×8-1

(1011.1)16=1×163+0×162+1×161+1×160+1×16-1十进制非十进制整数部分转换方法:除R取余法，即除以基数取余数，直到商为0为止，所得余数由下而上排列。小数部分转换方法:乘R取整法，即乘以基数取整数，当积为0或达到所要求的精度时，所得整数由上而下排列。示例：（75.625）10=（）21001011.10175222222237189421011100010.625×2

1.2501

×2

×2

0.500

1.01

（75）10=（1001011）2（0.625）10=（0.101）2注意：在小数的转换过程中，小数可能是无限位，此时转换到指定的精度时结束。注意：十进制转换成十六进制的时候，余数和整数中出现10～15要用A～F来表示。（75.625）10=（113.5

）8=（4B.A）16758889103110.625×8

5.0005

75161640B40.625×16

10.000A

二进制十六进制

二进制八进制二、八、十六进制之间的转换一位拆三位一位拆四位三位并一位四位并一位100110110111.0101示例:(100110110111.0101)2=()8004662744667.24

4

6

6

7.2

4100110110010111100注意：分组时，以小数点为中心，向前、向后分组，前后不够的话补0。按权展开求和注意：拆分时，把一位八制数分解成权值相加，哪一位对应有权值，哪一位就为“1”。222120000110110111.0100

1 B 7.4(110110111.010)2=(1B7.4)16

1

B7.4

000110110111.0100

注意:

八进制十六进制二或十进制课堂练习

1.(1101.1)2=（）102.(93.4375)10=（）83.(3A9.4)16=()213.5135.341110101001.01

(1101.1)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1=13.59388811105310.4375×8

3.50003

×8

4.04

3

A9.4

001110101001.0100

数值型数据字符型数据数据在计算机中的表示BCD码：用4位二进制数表示一位十进制数。623.48=(011000100011.01001000)BCDBCD码注意:BCD码中首尾的“0”不能去掉。数值数据的表示字符数据的表示1.英文字符的表示ASCII码：ASCII码占一个字节，最高位为0，低7位二进制给出了128个编码，可以表示128个不同的字符。其中95个字符可以显示，包括大小写英文字母、数字、运算符号、标点符号等。另外的33个字符是不可显示的，它们是控制码。如“A”的ASCII码是01000001B，十进制表示为65。0000010100111001011101110000NULDLESP0@P′p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2”2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB’7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；K[k{1100FFFS，<L\l|1101CRGS–=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIVS/？O↓oDELb6b5b4b3b2b1b0ASCII码表2.中文字符的表示汉字国标码（交换码）：用2个连续字节即16