计算机导论教案

word文档可自由复制编辑《计算机导论》教案第一章绪论学习目的和要求：1.讨论学习计算机的目的和方法2.了解计算机发展的历史与人类向信息化迈进的必然性3.理解计算机的冯•诺依曼模型4.知道计算机的特点与分类5.知道计算机的主要技术指标6.掌握计算机存储容量单位及其换算7.初步了解计算机的体系结构8.知道计算机的应用与信息化社会的关系9.熟悉计算机发展的趋势和自身发展面临的挑战学习重点：计算机的冯•诺依曼模型计算机的主要技术指标计算机存储容量单位及其换算计算机的体系结构学习难点：计算机的主要技术指标计算机的体系结构学时：4学习内容：课后记录课堂讨论围绕以下问题，组织学生分组讨论，然后让每组代表阐述他们的看法和思想。1.谈谈你报计算机专业的想法。讨论目的：让学生明确大学学习目标，培养学习能力。可主要围绕以下内容进行讨论：计算机专业是计算机硬件与软件相结合、面向系统、侧重应用的宽口径专业。通过基础教学与专业训练，培养基础知识扎实、知识面宽、工程实践能力强，具有开拓创新意识，在计算机科学与技术领域从事科学研究、教育、开发和应用的高级人才。

计算机专业开设的主要课程有：电子技术、离散数学、程序设计、数据结构、操作系统、计算机组成原理、微机系统、计算机系统结构、编译原理、计算机网络、数据库系统、软件工程、人工智能、计算机图形学、数字图像处理、计算机通讯原理、多媒体信息处理技术、数字信号处理、计算机控制、网络计算、算法设计与分析、信息安全、应用密码学基础、信息对抗、移动计算、数论与有限域基础、人机界面设计、面向对象程序设计等。2.谈谈你对计算机的认识。讨论目的：知道计算机的功能，组成。可围绕以下内容进行讨论：计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。由硬件和软件组成，两者是不可分割的。人们把没有安装任何软件的计算机称为裸机。随着科技的发展，现在新出现一些新型的计算机有：生物计算机、光子计算机、量子计算机等。计算机的主要功能：科学计算，实时控制，计算机辅助系统，人工智能，信息高速公路。计算机组成：计算机系统由硬件系统和软件系统组成。硬件由控制器，运算器，存储器，输入设备和输出设备组成。软件系统分为系统软件和应用软件。3.为什么要学《计算机导论》这门课？讨论目的：了解《计算机导论》的学习意义和学习内容。可围绕以下内容展开讨论：学习计算机的意义和学习内容:用统一的思想认识计算机学科的本质，并对计算机学科的系统化和科学化进行阐述。其内容主要包括计算机的基础知识、计算机体系结构、操作系统、网络计算、程序设计与算法分析、信息系统、软件工程、图形学和可视化计算、智能系统、离散结构等专业知识点以及与信息技术有关的社会人文知识。了解计算机科学与技术方法论产生的背景、定义、内容和意义；了解计算学科的历史，计算学科的定义、根本问题；了解计算学科中的抽象、理论和设计三个过程及其内在联系；掌握计算学科各主领域的基本内容及其相应的课程设置、计算学科中的核心概念、数学方法、系统科学方法、社会和职业问题等内容，为读者正确认知计算学科提供方法，为今后深入学习计算机课程作铺垫。4.如何学好《计算机导论》这门课？讨论目的：掌握良好的学习方法，养成良好的学习方式。可围绕以下内容展开讨论：制定学习计划，提高学习效率，注意学习效果，及时调整学习计划，学习时要善于总结。5.怎样通过《计算机导论》来规划大学的学习生活？讨论目的：通过《计算机导论》的学习，知道大学生活的学习内容，从而可以规划未来的学习生活。可围绕以下内容展开讨论：大一：专业学习，校园生活；大二：考证，社会实践，职业规划；大三：考证，实习，求职。§1.1什么是计算机1.1.1数据和信息数据：是反映客观世界事物属性的原始记录，形式可以是数字、文字（文本）、图象/图形、音频信号、视频信号等。它分为存储数据和组织数据。存储数据：在计算机内部是以0、1两种状态来保存数据的。组织数据：按照一定的形式来保存数据的方法（数据结构）。数据在未经组织和完成必要的计算以前是无结构的事实，意思是不清楚的。通过处理数据而引出的信息才是有意义的。1.1.2数据处理计算机是处理数据的机器。数据流入机器称为输入，信息从机器流出称为输出。计算机能处理数据。通常，计算机中的数据“处理”包含过滤和综合过程，以便看出数据的基础结构。计算机把数据处理为信息如图1-1：数据数据处理（计算机）信息输入输出图1-1计算机数据处理1.1.3存储程序的概念存储程序是把计算机和计算器区别开来，使计算机在无人干预的情况下工作。把这个思想结合计算机的定义，则计算机就是在存储程序控制下把数据处理为信息的机器。如图1-2：数据数据计算机程序信息输入输出图1-2存储程序下的计算机数据处理§1.2计算机组成及工作原理1.2.1计算机系统的部件计算机由若干基本部件组成，包括输入设备，输出设备，运算器，控制器和存储器五大部分。输入设备提供数据，键盘是最常用的输入设备；数据存放在存储器内，存储器内还保存程序；在程序的控制下计算机的处理器处理数据，把结果再存放在存储器内；最后结果送入输出设备输出。计算机系统部件组成如图1-3：图1-3计算机系统组成1.2.2计算机是如何工作的由于计算机是受存储程序控制的，因此使用计算机的第一步是把程序从输入设备输入到主存储器中，如果需要从键盘输入数据，输入的数据也被放在主存储器中，之后处理器就开始执行指令，加工数据，把结果送回主存储器，最后向输出设备输出结果。主存储器的内容经常改变，当一组数据被处理完后，可以再读入新的数据并处理这些数据，得到新的结果。程序能被更新。当一个程序运行完后，另一个新的程序可以占据它在主存储器中的位置，让处理器去处理不同的数据。§1.3计算机发展简史1.3.1第一台电子计算机——ENIAC的诞生“二次”大战催生了计算机，图灵等一批数学家构造出了自动计算模型，从理论上作了准备，社会发展和战争的需求——美国人口普查、弹道计算进一步催生了计算机。世界上第一台计算机概貌名称：ENIAC（计算机始祖）时间：1946年2月地点：美国（宾夕法尼亚大学）背景：解决弹道计算问题基本数据：占地170M2，采用18000个电子管，运算速度5000次/秒。1.3.2计算机的发展过程计算机经过四代历史，分别是第一代（1946－1959）电子管，第二代（1959－1965）晶体管，第三代（1965－1975）集成电路，第四代（1975－）超大规模集成电路。计算机硬件的发展历史如表1-1：表1-1计算机硬件发展历史：

标志时间性能特点重要意义第一代代电子管20世纪40年代中到50年代后期体积庞大，运算速度每秒5千次左右，存储容量小，功耗大，可靠性低奠定了计算机的基础二二代代晶体管20世纪50年代后期到60年代中期体积大大缩小，功耗大大降低，运算速度提高，存储容量提高，可靠性提高奠定了集成电路发展的基础第三代代中小规模集成电路20世纪60年代中期到70年代初期体积大大缩小，功耗大大降低，运算速度提高，存储容量提高，可靠性提高

第四代大规模和超大规模集成电路20世纪70年代初期至今体积大大缩小，功耗大大降低，运算速度提高，存储容量提高，可靠性提高一个部件可以制造在一个芯片上，可实现计算机的组装1.3.3我国计算机事业的发展现状1958年开始仿制电子管计算机，发展迅速，前途光明。如巨型机：YH-3（130亿次/秒），微机：同方，方正，联想，长城。但是我国电子计算机的制造水平较低，有待我们的奋发努力。自主芯片刚起步，软件开发等级低。§1.4计算机的特点与分类1.4.1计算机的特点（1）计算速度快计算机的运算速度（也称处理速度）用MIPS来衡量。现代的计算机运算速度在几十MIPS以上，巨型计算机的速度可达到千万个MIPS。计算机如此高的运算速度是其他任何计算工具无法比拟的，它使得过去需要几年甚至几十年才能完成的复杂运算任务，现在只需几天、几小时、甚至更短的时间就可完成。这正是计算机被广泛使用的主要原因之一。（2）计算精度高一般来说，现在的计算机有几十位有效数字，而且理论上还可更高。因为数在计算机内部是用二进制数编码的，数的精度主要由这个数的二进制码的位数决定，可以通过增加数的二进制位数来提高精度，位数越多精度就越高。（3）记忆能力强计算机的存储器类似于人的大脑，可以“记忆”（存储）大量的数据和计算机程序而不丢失，在计算的同时，还可把中间结果存储起来，供以后使用。（4）高度自动化计算机的内部操作都是按事先编写并存入计算机的程序自动进行的。一般程序编制好，输入计算机后，计算机就可以自动完成程序指定的一系列操作，而不需要人工干预。（5）具有一定的逻辑判断能力计算机在程序的执行过程中，会根据上一步的执行结果，运用逻辑判断方法自动确定下一步的执行命令。正是因为计算机具有这种逻辑判断能力，使得计算机不仅能解决数值计算问题，而且能解决非数值计算问题，比如信息检索、图像识别等。（6）可靠性高由于采用了大规模和超大规模集成电路，现在的计算机具有非常高的可靠性。现代计算机不仅可以用于数值计算，还可以用于数据处理、工业控制、辅助设计、辅助制造和办公自动化等，具有很强的通用性。1.4.2计算机的分类计算机发展到今天，已是琳琅满目、种类繁多，并表现出各自不同的特点。可以从不同的角度对计算机进行分类。按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式不同分为数字计算机（digitalcomputer）、模拟计算机（analoguecomputer）和混合计算机。数字计算机所处理数据都是以0和1表示的二进制数字，是不连续的离散数字，具有运算速度快、准确、存储量大等优点，因此适宜科学计算、信息处理、过程控制和人工智能等，具有最广泛的用途。模拟计算机所处理的数据是连续的，称为模拟量。模拟量以电信号的幅值来模拟数值或某物理量的大小，如电压、电流、温度等都是模拟量。模拟计算机解题速度快，适于解高阶微分方程，在模拟计算和控制系统中应用较多。混合计算机则是集数字计算机和模拟计算机的优点于一身。按计算机的用途不同分为通用计算机（generalpurposecomputer）和专用计算机（specialpurposecomputer）。通用计算机广泛适用于一般科学运算、学术研究、工程设计和数据处理等，具有功能多、配置全、用途广、通用性强的特点，市场上销售的计算机多属于通用计算机。专用计算机是为适应某种特殊需要而设计的计算机，通常增强了某些特定功能，忽略一些次要要求，所以专用计算机能高速度、高效率地解决特定问题，具有功能单纯、使用面窄甚至专机专用的特点。模拟计算机通常都是专用计算机，在军事控制系统中被广泛地使用，如飞机的自动驾驶仪和坦克上的兵器控制计算机。本书内容主要介绍通用数字计算机，平常所用的绝大多数计算机都是该类计算机。计算机按其运算速度快慢、存储数据量的大小、功能的强弱，以及软硬件的配套规模等不同又分为巨型机、大中型机、小型机、微型机、工作站与服务器等。1.4.3计算机的主要技术指标（1）字长：即计算机一次存取传递或加工数据的长度，刻划了计算机的计算机精度和处理能力，字长越长，精度越高，（并行）处理越强，当然价格也越贵，目前以16位、32位、64位、128位，微机以64位为主流，小型机64位，大中型机则从32位到128位都有。（2）主存容量：指主存（内存）储器所能存的二进制总量，反映了计算机容纳数据量的能力，主存越大，与外存交换数据的次数就越少，处理速度也就越快。（3）运算速度：简称为MIPS，单位为：百万条数/S(执行+、-次数)，不过购机中一般很少讲，可以通过时钟频率来间接估计。（4）时钟周期（频率）（主频）：单位（Hz）是指CPU在单位时间（S）内发出的脉冲数，（5）性能价格比：不要肓目要求性能越高越好，要根据实际应用情况，做到满足需要，又具有性能好、价格适当的计算机，也只有性能价格比好的产品才有市场竞争力。1.4.4计算机存储单位换算存储容量是指存储器有多少个存储单元。我们知道最基本的存储单元是位(bit)，可以放一个“0”或“1”。但一般我们现在讲的都是以字节B(Byte)或机器字长(Word)，更多是指字节B作单位，存储容量单位的表示和换算关系如下：1B＝1字节＝8位（bit）1KB＝1024B＝210B1MB＝1024KB＝220B＝1024×1024B1GB＝1024MB＝230B＝1024×1024×1024B1TB＝1024GB＝240B＝1024×1024×1024×1024B1PB＝1024TB＝250B＝1024×1024×1024×1024×1024B1EB＝1024PB＝260B＝1024×1024×1024×1024×1024×1024B软磁盘3.5寸的容量为1.44MB；硬盘现在的容量非常大几十个GB甚至几百个GB的都有；一张光盘的容量可达600～700MB，DVD光盘容量可达4.7G,甚至更高，光盘存储容量大，携带方便且更容易保存，是一种很好的存储介质。§1.5计算机的应用计算机的应用主要有科学计算、数据处理、实时控制、计算机辅助系统、人工智能和信息高速公路等方面。1.5.1科学计算科学计算，也叫数值计算，是电子计算机最早的主要应用领域。从基本学科到尖端学科，从军事技术到工程设计的方方面面都需要计算机进行高精度、极复杂的计算。目前，在整个计算机应用中，数值计算所占比例不足计算机应用的10%。1.5.2数据处理数据处理，也称非数值计算，是指大量的数据进行加工处理(如分析、合并、分类、统计等）形成有用的信息(如企业事业管理、情报检索、办公自动化）。这类问题的特点是数据量大、运算方法相对简单。现在，计算机80%的应用是从事这样或那样的非数值计算的。1.5.3实时控制实时控制，指用计算机及时采集控制对象的实际变化的各种参数，进行实时的计算，按最佳方案实时发出控制信号。现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而对实现生产过程自动化控制的要求也日益提高。计算机过程控制已在冶金、化工、纺织、机械、航天等部门得到广泛的应用。1.5.4计算机辅助系统计算机辅助系统主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助教学。计算机辅助设计即CAD，指的是用计算机帮助各类设计人员进行设计工作。计算机辅助制造即CAM，是指用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。计算机辅助教学即CAE，包括计算机辅助教育学即CAI、计算机辅助测试即CAT和计算机管理教学即CMI。1.5.5人工智能人工智能(ArtificialIntelligence)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。1.5.6信息高速公路计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。§1.6计算机发展的趋势及面临的挑战1.6.1计算机发展的趋势（1）微型化微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。（2）高速化高速化是指计算机的运算速度高、存储容量大、功能强。目前正在研制的计算机其运算速度可达每秒百亿次。（3）网络化网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。（4）智能化智能化使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，使计算机成为智能计算机。这也是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括模式识别、图像识别、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等。目前，已研制出多种具有人的部分智能的机器人。(5)多媒体化多媒体是当前计算机领域中最引人注目的高新技术之一。多媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机。这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机联系，并集成为一个具有人机交互性的系统。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着人类接受和处理信息的最自然的方式发展。1.6.2新一代计算机的设想目前我们正处在第五、六代计算机发展的阶段。新一代计算机的研制不光是技术上的问题，还要考虑设计思想，设计理念的更新改进。对新一代计算机的要求有一些共同点：（1）新一代计算机必须是高速化和智能化的。（2）具有问题求解和推理能力。（3）具有知识库管理功能。（4）具有智能接口和智能程序设计功能。1.6.3计算机发展面临的挑战（1）集成化与运算速度的挑战集成化实现了计算机的微型化，低功耗，但作为物理状态，在一个小小的硅片上所能集成的元件、电路是有限的。高速运算下的芯片温度将升高，变的不稳定，这构成了芯片发展的瓶颈。（2）智能化的出路在何方计算机就运算速度，记忆能力方面比人脑强，但在逻辑推理，图像识别方面则差的太多，因此当前所有计算机的动作都是根据人们制定的程序对人们给出的数据进行相应的操作。（3）网络化与安全化的挑战网络给人们带来了无限的好处，但随之而来的黑客横行，网上犯罪，病毒肆虐。特别是电子银行，电子商务出现后，如何保证安全已是刻不容缓的问题。所以网络安全已成为当今计算机技术中的热门问题，网络安全、信息安全已引起社会的高度重视。本章任务1、查阅资料：请你通过互联网或者书籍文献查找“信息科学”相关内容。2、思考题：P151-73、知识拓展（1）计算机发展中各个阶段的主要特点是什么？（2）简述计算机的主要用途？（3）谈谈你对计算机发展的趋势和自身发展面临的挑战的认识。《计算机导论》教案第二章计算机基本原理简介学习目的和要求：1.了解自动计算和图灵机原理2.理解计算机中数字系统及其表示3.熟悉计算机运算、存储和控制功能的逻辑实现4.理解冯·诺依曼原理与存储程序式计算机的基本结构5.知道计算机指令系统6.了解计算机软件系统学习重点：1.计算机中数字系统及其表示2.冯·诺依曼原理及存储程序式计算机的基本结构3.计算机软件系统学习难点：1.计算机中数字系统及其表示学时：学习内容：10课后记录课堂讨论：围绕以下问题，组织学生分组讨论，然后让每组代表阐述他们的看法或思想。1.谈谈你对计算机系统的认识。讨论目的：熟悉计算机系统组成。可围绕以下内容展开讨论：计算机系统由硬件系统和软件系统组成。硬件由控制器，运算器，存储器，输入设备和输出设备组成。软件系统分为系统软件和应用软件。并可对以上组成部分展开讨论，围绕各部分功能，组成等展开。2.谈谈你对计算机硬件性价比的认识。讨论目的：熟悉计算机硬件组成，了解主要硬件的性能指标，为购买合适的计算机奠定基础。可围绕以下内容展开讨论：主板的性能指标，CPU的性能指标，内存的性能指标，显示器的性能指标。上网查询或实际调研相应产品的价格，得到各部件的性价比，结合各部件的兼容性，组装一台适合自己的计算机。3.谈谈对计算机工作原理的认识讨论目的：熟悉计算机的工作过程和原理，为后续课程的开设奠定基础。可围绕以下内容展开讨论：计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存贮器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去，直至遇到停止指令4.对比一下冯·诺依曼原理前后计算机的区别。讨论目的：了解存储程序的概念及意义。可围绕以下内容讨论：计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。冯·诺依曼结构（JohnvonNeumann）也就是存储程序奠定了现代计算机的基本结构，其特点是：1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。2）存储单元是定长的线性组织。3）存储空间的单元是直接寻址的。4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。5）对计算进行集中的顺序控制。6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。7）采用二进制形式表示数据和指令。8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。5.总结一下操作系统功能，并举例说明。讨论目的：熟悉操作系统功能。可围绕以下内容展开讨论：操作系统主要功能有：CPU管理，存储管理，设备管理，文件管理。§2.1自动计算和图灵机2.1.1计算模型计算模型:计算模型是刻划计算这一概念的一种抽象的形式系统或数学系统。算法：算法是对计算过程步骤（状态）的一种刻划，是计算方法的一种可行实现方式。凡是能用算法解决的问题，也一定能用这些计算模型解决；反之计算模型解决不了的问题，任何算法也解决不了。计算模型之间在能力上是等价的。2.1.2图灵机图灵机就是一个计算模型。它更接近普通人计算的思想方法，又因其好用而被现代计算机的研究开发者所采纳为计算机的计算模型。可形式化地描述为：图灵机是一个五元组：{K,∑,δ,s,H}；K是一个有穷个状态的集合；∑是字母表，即符号的集合：{0,1，*}；δ是转移函数，即控制器的规则集合；s∈K,是初始状态；H∈K,是停机状态。工作过程:从开始状态启动，每次动作都由控制器根据图灵机所处的当前状态和读写头所对准的符号决定下一步动作。其中每一步包含三件事：（1）各符号写到读写头当前对准的那个小格内，取代原来的符号（2）读写头向左或向右转动一格，或不动（3）根据控制器的命令用某个状态取代当前的状态，使图灵机进入一个新的状态。当图灵机进入一个结束状态就停机，计算任务完成，带上的内容即为输出结果。图灵机在理论上的意义是证明了世界上有些问题不可能找到算法（NP问题）。另外，图灵机简洁的构造和运行隐含了存储程序的思想，深刻的揭示了现代通用电子计算机最核心的内容。例1设计一台可以计算“x+1”的图灵机。设计的图灵机如下：状态集合K:{start,add,carry,noncarry,overflow,return,halt}字母表∑：{0,1,*}初始状态s：start停机状态H：halt规则集合δ：见表2-1表2-1“x+1”的图灵机转换规则§2.2计算机中数字系统及其表示2.2.1计算机中的数字系统（1）二进制数的进制：人们为了计数的方便和计算，创造了各种“权值”（即逢“几”进一）的记数方法，这些方法就称为数的进制。p进制：N=anpn+an-1pn-1+···+a1p1+a0p0+a-1p-1+a-2p-2+···+a-mp-m，其中p为正整数，ai是0，1，2，…，（p-1）这p个数中的任一个，m、n是正整数。二进制数：当符号“0”和符号“1”分别表示数字0和数字1时，就可以构造逢二进一的二进制计数系统。日常生活中采用的十进制计数是一种权计数法。所谓权，就是不同的位置代表不同的含义。例如，十进制数345的含义可用3×100+4×10+5×1表示。因十进制数345中数字3位置的权值为100，数字4位置的权值为10，数字5位置的权值为1，所以十进制数345可表示为3×100+4×10+5×1。也可以用相似的方法表示二进制数。因二进制数1001中从左至右的权值分别为8、4、2、1，所以二进制数1001可表示为1×23+0×22+0×21+1×20。至此，我们知道，人类习惯于十进制数，而计算机内部存储只能采用二进制数，这就存在十进制数和二进制数之间的相互转换问题。因十进制数和二进制数只是数值的两种不同表示方法，并不表示其本质的改变。因此，十进制数和二进制数之间必然可以相互转换。为区别十进制数和二进制数，在下面的讨论中，我们在数字后面用下标形式标出其进位制。如(101)10表示该数是十进制数，(101)2表示该数是二进制数。（2）二进制与逻辑运算二进制运算加法：0+0=0；0+1=1；1+0=0；1+1=10（逢二进一）减法：0-0=0；1-0=1；0-1=1（借一当二）；1-1=0乘法：0×0=0；0×1=0；1×0=0；1×1=1除法：0÷1=0；1÷1=1逻辑运算逻辑运算最基本的运算：与（∩）、或（∪）、非（￣）、异或（⊕）。逻辑运算真值表如表2-1：表2-1逻辑运算真值表AB非AA与ＢＡ或ＢＡ异或B001000011011100011110110（3）不同进制之间的转换二进制数向十进制数的转换进制数转换为十进制数的方法是：用十进制计数制把二进制数各位置的数按权展开后相加。例2求(1001.101)2的十进制数值。解：(1001.101)2＝1×23+0×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3＝8+1+0.5+0.125＝(9.625)10十进制数向二进制数的转换十进制整数转换为二进制整数的方法是：首先不断地对前次得到的商除2并列出其余数，然后把所得余数按从后向前的次序排列。该方法简称除2取余法。十进制小数转换为二进制小数的方法是：首先不断地对前次得到的积的小数部分乘2，并列出该次得到的整数数值，然后按从前向后的次序排列。该方法简称乘2取整法。例2求11.375=()2解对整数部分用除2取余：对小数部分用乘2取整：商余数整数部分小数部分11/2=510.375×2=0.75=0+0.755/2=210.75×2=1.5=1+0.52/2=100.5×2=1.0=1+0(结束)1/2=01将转换后的整数与小数相拼，有：11.375=(1011.011)2。在十进制小数转换为二进制小数过程中，有时会出现乘积的小数部分总不等于0的情况，如(0.4435)10就不能在10步内使乘积的小数部分等于0；甚至还会出现循环小数的情况，如(0.6)10=(0.100110011001…)2。在上述两种情况下，乘2过程的结束由所要求的转换精度确定。要说明的是，十进制整数转换为二进制整数后，该二进制整数要比相应的十进制整数位数长很多，但十进制小数转换为二进制小数后，该二进制小数却并不比相应的十进制小数位数长。这是因为小数是分数的比值的结果，无论是十进制小数还是二进制小数，其小数数值都只是自身分数的比值的结果。例如，(0.5)10=(5/10)10=(1/2)10=(1/10)2=(0.1)2。二进制数向八进制数的转换：以小数点为基准，分别向左、右进行“三位并一位”，不足补零。例3：（11101.110100）2＝（35.64）8八进制数向二进制数的转换：以小数点为基准，分别向左、右进行“一位转换为三位”。例4(45.61)8转换为二进制转换为二进制表示解：45.61↓↓↓↓100101.110001∴（45.61）8=（100101.110001）2二进制数向十六进制数的转换：以小数点为基准，分别向左、右进行“四位并一位”，不足补零。其中转换为十进制的10，11，12，13，14，15分别用Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ表示。（11001101.01011000）2转换为十六进制表示解：11001101.01011000↓↓↓↓CD.58∴(11001101.01011)2=（CD.58）16十六进制数向二进制数的转换：十六→二：以小数点为基准，分别向左、右进行“一位转换为四位”。例６（ＡＣ８.53）16转换为二进制表示解：AC8.53↓↓↓↓↓101011001000.01010011∴(AC8.53)16=(101011001000.01010011)2（4）计算机中常用进制的运算a)二进制的加法二进制的加法与十进制的加法是相似的，不同之处是各位相加结果“逢二进一”。例7：求10110B+11110B10110+)11110110100b)二进制的减法二进制减法的作法和其加法相似，在减法中是“借一当二”。不过在计算机中不是这样做，这种“借”在机器上实现起来很麻烦。我们后面会介绍，计算机真正是如何计算的，事实上它只会做“加法”。例8求11010B-01001B解：11010-）0100110001c)二进制的乘法：二进制的乘法通常与十进制乘法一样，因为只有0、1所以计算很简单。例9求1110B×1001B解：1110×)100111101110×)1001000011100000+)1110+)1110111111011111102.1.2计算机中数据的表示（1）定点数表示定点数：计算机在运算过程中，数据中小数点的位置固定不变，其中小数点的位置由计算机设计者在机器的结构中指定一个不变的位置。常用的定点数：定点整数和定点小数。a)定点整数符号位数值位符号位数值位.假想小数点如果参加运算的数是小数，在送入计算机以前，乘以一个比例因子，将其放大为整数。b)定点小数定点小数表示的数都是小数，而小数点在最左边符号位与数值位之间。其格式为：符号位符号位数值位.假想小数点如果参加运算的数是大于等于1的数，在送入计算机以前，除以一个比例因子，将其缩小为小于1的数。定点数的优点：计算简单方便，但需要对参加运算的数进行比例因子的计算，增加了额外的计算量。(2)浮点数表示浮点数的统一格式：N=±M·RE,其中E：指数，阶码；M：有效数字或尾数；R:基数。例10101101.0101B＝1011010101×2-4＝1011010.101×2-1＝10110101.01×2-2＝101101010.1×2-3＝0.1011010101×26＝0.1011010101×20110存储格式：阶符阶符阶码尾符·尾数浮点机器数有两种：阶码和尾数采用相同的码制。阶码和尾数采用不同的码制。注：规格化浮点数有以下要求：①尾数是纯小数，且小数点后面是1不是0；②阶码为整数（正整数或负整数）(3)计算机中的原码、反码和补码a)原码：一个二进制数，最高位表示数的符号（0正，1负），其余各位表示数值本身。整数的原码公式:X0≤X﹤1[X]原=1-X-1﹤X≤0一般方法：对于最左边的符号，如果是正数，则原码的符号位为0，如果是负数，则原码的符号位为1，然后其余数值位不变写到符号右边。原码的特点：①数的原码与真值之间的关系较简单，与真值的转换方便②适于作乘除运算③在机器中进行加减法运算时比较复杂b)反码：X0≤X﹤1[X]反=（2－2-n）＋X-1﹤X≤0一般方法：对于最左边的符号，如果是正数，则反码的符号位为0，其余数值位不变;如果是负数，则反码的符号位为1，然后其余数值位按位取反。反码的特点：进行加减运算时，若在最高位有进位，则要在最低位＋1，此时要多进行一次加法运算，增加了复杂性，又影响了速度，因此很少使用。c)补码：X0≤X﹤1[X]补=2＋X-1﹤X≤0一般方法：对于最左边的符号，如果是正数，补码的符号位为0，其余数值位不变;如果是负数，则补码的符号位为1，然后其余数值位按位取反后加1。例11求-1011的补码，存入8位得存储单元中。解：（1)补齐8位：00001011（2)从最右边的0到第一个1（包括1）外所有的位取反,得：11110101补码的特点：①无溢出的情况下，补码的运算简单，能获得正确结果。②与原码相比较，补码在正数轴方向上表示数的范围与原码相同，但在负数轴方向上补码表示范围比原码增大了一个单位。d)三种码制的比较①相同点：解决数值数据的符号在机器中的表示。最高位都表示符号位。②不同点：原码的符号位和数值位必须分开进行运算。原码和反码的零各自都有两种表示方法。当需要扩展代码字长时，采用的处理方法各不相同。原码和反码能表示的正数和负数的范围相对于零是对称的，而补码的负数表示范围比正数表示范围要宽。2.1.3计算机中的编码和十进制数四则运算一样，二进制数四则运算也有加、减、乘、除。要在计算机中实现二进制数四则运算，计算机中就应该有加法装置、减法装置、乘法装置和除法装置。我们知道，乘法运算可以用若干次加法运算实现，除法运算可以用若干次减法运算实现。这样，为简化计算机硬件设计的复杂性，硬件就可以不包含乘法装置和除法装置。常用的计算机编码有：BCD码：是一种二－十进制的编码，使用四位二进制数表示一位十进制数。十进制数与BCD码之间的转换：可按位（或四位二进制数组）直接进行。ASCII(AmericanStandardsCommitteeofIformation)码:是由美国信息交换标准委员会制定的、国际上使用最广泛的字符编码方案。ASCII码的编码方案：采用7位二进制数表示一个字符，把7位二进制数分为高三位（b7b6b5）和低四位（b4b3b2b1）。7位ASCII编码表：如表2-2所示（见教材P32），利用该表可以查找数字、运算符、标点符号以及控制符等字符与ASCII码之间的对应关系。表2-2ASCII字符ＢＣＤ码特点:BCD码是计算机中十进制数的表示方法,二——十进制码用4位二进制码表示1位十进制数.最常用的是8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数,自左至右每一位对应的位权是8、4、2、1。压缩BCD码每一位十进制数用4位二进制数来表示，即一个字节表示2位十进制数。例:压缩BCD码(10001001)BCD，表示十进制数89。非压缩BCD码每一位十进制数用8位二进制数来表示，即一个字节表示1位十进制数。且只用每个字节的低4位来表示0～9，高4位为0。例：十进制数89，用非压缩BCD码表示为：(0000100000001001)BCD。汉字编码体系（１）汉字输入码：由输入设备产生的汉字编码，如区位码、国标码、拼音码、新全拼、新双拼、五笔字型码、简码、表形码、自然码、智能ABC汉字输入码等。（２）汉字内码：用于计算机内部存储和处理的汉字编码，通常由该汉字的国标码的两个字节（最高位置“1”）形成。（３）汉字字形码：确定一个汉字字形点阵的编码，用于汉字显示和打印输出。保留在存储介质中的全部汉字字形码称为字库。（４）汉字交换码：用于在不同的汉字信息处理系统之间或与其他计算机系统之间进行信息交换。（５）汉字地址码：表示汉字字形信息在汉字库中的地址，用于在汉字库中查找汉字字形信息的汉字地址码等。§2.3计算机运算、存储和控制功能的实现2.3.1逻辑运算与逻辑电路在逻辑代数中的变量称逻辑变量，用字母Ａ、Ｂ、Ｃ……来表示。逻辑变量只能有两种取值：真和假。常把真记作“1”，假记作“0”。这里的“1”和“0”并不表示数值的大小，而是表示完全对立的两种状态。在逻辑问题的研究中，涉及到问题产生的条件和结果。表示条件的逻辑变量称输入变量，表示结果的逻辑变量称输出变量。将输入变量和输出变量通过逻辑运算符连接起来的式子称逻辑函数，常用Ｆ、Ｌ表示。基本的逻辑运算有“与”运算、“或”运算、“非”运算。逻辑与运算和与门电路逻辑运算Ｆ与逻辑变量Ａ、Ｂ的逻辑与运算表达式是：Ｆ＝Ａ∧Ｂ,式中“∧”为与运算符。在逻辑电路中，把能实现与运算的基本单元叫与门，它是逻辑电路中最基本的一种门电路。二极管构成的与门电路及逻辑符号如图2-1：图2-1逻辑与运算及符号将逻辑运算的结果列成表格称为真值表，真值表可以很好地反映逻辑门运算的结果。逻辑与的真值表如表2-3：表2-3逻辑与的真值表ABＡ∧Ｂ000010100111逻辑或运算和或门电路逻辑函数Ｆ与逻辑变量Ａ、Ｂ的逻辑运算表达式是：Ｆ＝Ａ∨Ｂ，式中“∨”为或运算符。在逻辑电路中，把能实现或运算的基本单元叫或门。二极管构成的或门电路及逻辑符号如图2-2：图2-2逻辑或运算及符号逻辑或的真值表如表2-4：表2-4逻辑或的真值表ABＡ∨Ｂ000010100111逻辑非运算和非门符号对逻辑变量Ａ进行逻辑非运算的表达式是：Ｆ＝，这里的“￣”是非运算符。在逻辑电路中，把实现非运算的基本单元叫非门。三极管构成的非门电路及逻辑符号如图2-3：图2-3逻辑非运算及符号逻辑非的真值表如表2-5：表2-5逻辑非的真值表A01011010逻辑函数与复合门电路（1）与非门与非门电路符号表示如图2-4：图2-4与非门电路符号与非门逻辑运算真值表如表2-6：表2-6与非门真值表AB000010100111（2）或非门或非门电路符号如图2-5：图2-5或非门电路符号或非门逻辑运算真值表如表2-7：表2-7或非门真值表AB000011101111（3）与或非门与或非门电路符号如图2-6：图2-6与或非门电路符号与或非门逻辑运算真值表如表2-8：表2-8与或非门真值表ABCD0000100011100101001100100101011011010111010001100111010110110110001101011100111102.2.2计算机中算术运算实现数的加法两个二进制相加，每一步都得出一个和数和一个进位数，这个进位数必须传给下一步，以后每步都要处理三个输入数字：待相加的两个数以及前一步得来的进位数。加法真值表如表2-9：表2-9全加器真值表输入输出AiBiCi+1SiCi0000111100110011010101010110100100010111一位的全加器可由若干个与非门和非门组成，逻辑电路如图2-7：图2-7一位全加器电路图数的减法减法可通过补码转换成加法，而求补码就是“取反加1”。所以求A-B就是在全加器上对B的输入端用非门把B的每一位变成反码，再用反码与A相加，用初始进位形式将补加1加到最低有效位上。§2.4冯·诺依曼原理与存储程序式计算机的基本结构2.4.1冯·诺依曼与冯·诺依曼原理约翰·冯·诺依曼（JohnVonNouma，1903－1957），美藉匈牙利人，1903年12月28日生于匈牙利的布达佩斯，冯·诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性工作，并作出了重大贡献。冯·诺依曼1945发表了一个全新的"存储程序通用电子计算机方案"EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticCompUter的缩写）。广泛而具体地介绍了制造电子计算机和程序设计的新思想。这份报告是计算机发展史上一个划时代的文献，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了。EDVAC方案明确奠定了计算机由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系。他根据电子元件双稳工作的特点，建议在电子计算机中采用二进制。报告提到了二进制的优点，并预言，二进制的采用将大大简化机器的逻辑线路。现在使用的计算机，其基本工作原理是存储程序和程序控制，它是由世界著名数学家冯·诺依曼提出的。冯·诺依曼被称为“计算机之父”。1）冯·诺依曼原理：将计算机分为5个部分，分别是运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备。数据以二进制编码表示，并采用二进制运算。存储程序原理。2）冯·诺依曼机的特点（1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成。（2）指令和数据存放于存储器内，并可按地址寻访。（3）指令和数据均用二进制码表示。（4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置。（5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据通过运算器。2.4.2计算机的系统组成计算机系统有硬件系统和软件系统组成。其组成如图2-8：图2-8计算机系统计算机系统主要功能部件介绍：运算器运算器主要完成加、减、乘、除运算和逻辑加、逻辑乘、逻辑异或运算及逻辑比较运算的逻辑部件。主要有以下4部分组成：（1）算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticandLogicUnit）ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与、或、非、异或）以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。通常ALU由两个输入端和一个输出端。整数单元有时也称为IEU（IntegerExecutionUnit）。我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。（2）浮点运算单元FPU（FloatingPointUnit）FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。（3）通用寄存器组通用寄存器组是一组最快的存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。对于80x86指令集只支持8个通用寄存器的缺点，Intel最新CPU采用了一种叫做“寄存器重命名”的技术，这种技术使80x86CPU的寄存器可以突破8个的限制，达到32个甚至更多。（4）专用寄存器专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。存储器主要功能是存放程序和数据，程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。存储器是由存储体、地址译码器、读写控制电路、地址总线和数据总线组成。能由中央处理器直接随机存取指令和数据的存储器称为主存储器，磁盘、磁带、光盘等大容量存储器称为外存储器（或辅助存储器）。由主存储器、外部存储器和相应的软件，组成计算机的存储系统。存储器的容量衡量存储器性能的重要指标之一，以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数，就得到了存储器的容量。1KB等于1024字节。1MB等于1024×1024字节。1GB等于1024×1024×1024字节。1TB等于1024×1024×1024×1024字节存储器的分类存储器存储器内存（主存）：存放将执行的程序（指令）和程序执行所需的数据。目前内存主要由半导体器件构成。相对外存来说，价格贵、容量小。外存（辅存）：存放备用数据或程序。如软盘、硬盘、CD-ROM等，属于外部设备。相对价格低，容量大。主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，它被用来存储正在被CPU使用的程序和数据。RAM可分为动态（DynamicRAM）和静态（StaticRAM）两大类。动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的，由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确。静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，没有电容造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是高密度，低成本，高耗电量；SRAM的特点是高速度，低密度，高成本。ROM为只读存储器（ReadOnlyMemory）的缩写。它只能读出原有的内容，而不能写入新内容，原有内容由厂家一次性写入，并永久保存下来，当然是非易失的。ROM的用途很广。（a）与微程序设计相结合。（b）与操作系统、高级语言相结合（c）与应用软件相结合。（d）无磁盘网络工作站。控制器控制器是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR(InstructionRegister)、程序计数器PC(ProgramCounter)和操作控制器0C(OperationController)三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。（1）指令寄存器指令寄存器：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器。指令内包含有确定操作类型的操作码和指出操作数来源或去向的地址。指令长度随不同计算机而异，指令寄存器的长度也随之而异。计算机的所有操作都是通过分析存放在指令寄存器中的指令后再执行的。指令寄存器的输人端接收来自存储器的指令，指令寄存器的输出端分为两部分。操作码部分送到译码电路进行分析，指出本指令该执行何种类型的操作；地址部分送到地址加法器生成有效地址后再送到存储器，作为取数或存数的地址。存储器可以指主存、高速缓存或寄存器栈等用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR）中，然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。（2）程序计数器：程序计数器：指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器，又称指令计数器。它兼有指令地址寄存器和计数器的功能。当一条指令执行完毕的时候，程序计数器作为指令地址寄存器，其内容必须已经改变成下一条指令的地址，从而使程序得以持续运行。为此可采取以下两种办法：第一种办法是在指令中包含了下一条指令的地址。在指令执行过程中将这个地址送人指令地址寄存器即可达到程序持续运行的目的。这个方法适用于早期以磁鼓、延迟线等串行装置作为主存储器的计算机。根据本条指令的执行时间恰当地决定下一条指令的地址就可以缩短读取下一条指令的等待时间，从而收到提高程序运行速度的效果。第二种办法是顺序执行指令。一个程序由若干个程序段组成，每个程序段的指令可以设计成顺序地存放在存储器之中，所以只要指令地址寄存器兼有计数功能，在执行指令的过程中进行计数，自动加一个增量，就可以形成下一条指令的地址，从而达到顺序执行指令的目的。这个办法适用于以随机存储器作为主存储器的计算机。当程序的运行需要从一个程序段转向另一个程序段时，可以利用转移指令来实现。转移指令中包含了即将转去的程序段入口指令的地址。执行转移指令时将这个地址送人程序计数器(此时只作为指令地址寄存器，不计数)作为下一条指令的地址，从而达到转移程序段的目的。子程序的调用、中断和陷阱的处理等都用类似的方法。在随机存取存储器普及以后，第二种办法的整体运行效果大大地优于第一种办法，因而顺序执行指令已经成为主流计算机普遍采用的办法，程序计数器就成为中央处理器不可或缺的一个控制部件。（3）操作控制操作控制器的功能就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。I/O设备输入设备有键盘、鼠标、光笔、数字相机、数字摄像机、扫描仪等。输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。§2.5计算机指令系统2.5.1指令系统指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。计算机指令分为三种：微指令：微程序级的指令，一般用硬件实现。宏指令：若干条机器指令组成的软件指令。机器指令：介于微指令和宏指令之间，通常称为指令。指令系统：一台计算机能执行的所有指令的集合。2.5.2指令格式指令的格式：一条指令由操作码和地址码组成。操作码规定了该指令进行的操作种类；地址码给出了操作数、结果以及下一条指令的地址。指令的结构如下：操作码地址码操作码地址码操作码操作码：规定CPU执行什么操作。地址码地址码：指出源操作数从哪里取，结果送往什么地方以及下一条指令从哪里。2.5.3指令长度一个指令中包含的二进制位数称为指令的长度。计算机字长通常与主存单元的位数一致，表示计算机的运算精度。指令字长等于机器字长的指令叫单字长指令，指令字长等于半个机器字长的指令叫半字长指令。指令字长等于两个机器字长的指令叫双字长指令。2.5.4寻址方式指令的执行首先必须从内存中取出指令代码，如何根据指令系统即快又准的取出操作数，就涉及寻址问题。寻址方式一般可分为指令寻址方式和操作数寻址方式。（1）指令寻址方式指令寻址方式又分为顺序寻址方式和跳跃寻址方式。顺序寻址方式：指令地址在内存中按顺序安排，当执行一段程序时，通常是一条指令接一条指令的顺序执行。从存储器取出第一条指令，然后执行这条指令；接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令；接着再取出第三条指令…这种程序顺序执行的过程，我们称为指令的顺序寻址方式。为此，必须使用程序计数器（又称指令指针寄存器）PC来计数指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地址。当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取跳跃寻址方式。所谓跳跃，是指下条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。指令计数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指令地址。采用指令跳跃寻址方式，可以实现程序转移或构成循环程序，从而能缩短程序长度，或将某些程序作为公共程序引用。指令系统中的各种条件转移或无条件转移指令，就是为了实现指令的跳跃寻址而设置的。（2）操作数寻址方式操作数寻址方式是指形成操作数有效地址的方法。典型的寻址方式有立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，相对寻址等。2.5.5指令执行（1）取指令：即按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器中。（2）分析指令：即对指令寄存器中存放的指令进行分析，由操作码确定执行什么操作，由地址码确定操作数的地址。（3）执行指令：即根据分析的结果，由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。（4）上述步骤完成后，指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器。§2.6计算机软件系统简介2.6.1计算机软件及分类用一定的符号对计算机处理过程进行安排而编制的各种运行、管理和维护的程序、文档，我们统称为计算机软件。计算机软件分为两大类：系统软件和应用软件。（1）系统软件这类软件不需要用户的干预，就能处理技术上很复杂的、繁杂的、一般用户处理不了的事情。这类软件包括：操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、系统实用程序。（2）应用软件应用软件是由信息系统或计算机的使用者（称为最终用户，Endusers）来使用的那些软件。应用软件可分为两大类：通用应用软件：被广泛使用的软件；完成的是常见的任务。专用应用软件：只在特定领域或场合使用的软件；完成的是专门的任务。应用软件的共同特征：具有友好的界面，一般应是GUI。能有效地防止各种最终用户可能产生的使用错误。2.6.2操作系统操作系统具有以下功能：（1）CPU管理CPU是整个计算机系统中的核心硬件资源。它的性能和使用情况对整个计算机系统的性能有关键的影响。CPU是较为昂贵的资源，它的速度一般比其他硬件设备的工作速度要快得多，其他设备的正常运行往往也离不开CPU。因此，有效地管理CPU，充分利用CPU资源也是操作系统最重要的管理任务。在多道程序的环境中，CPU分配的主要对象是进程（或线程），操作系统通过选择一个合适的进程占有CPU来实现对CPU的管理，因此，对CPU的管理归根结底就是对进程的管理。操作系统有关进程方面的管理任务很多，主要有进程调度、进程控制、进程同步与互斥、进程通信、死锁的检测与处理等。（2）存储管理存储器可以说是一种最重要的系统资源，存储器对作业的重要程度就如同土地对于人类。一个作业要在CPU上运行，它的代码和数据就要全部或部分地驻在内存中。操作系统也要占据相当大的内存空间。在多道程序系统中，并发运行的程序都要占有自己的内存空间，因此内存空间总是一种紧张的系统资源。存储管理的任务是对要运行的作业分配内存空间，当一个作业运行结束时要收回其所占用的内存空间。为了使并发运行的作业相互之间不受干涉，不能有意或无意地存取自己作业空间之外的存储区，从而干扰、破坏其他作业的运行，操作系统要对每一个作业的内存空间和系统内存空间实施保护。在现代计算机系统中，并发运行的作业越来越多，单个作业也越来越大。尽管近年来计算机中的内存也在不断扩大，但是有限的内存还是不能满足系统中增长更快的并发作业对内存的需求。为了解决这个问题，让更多的作业在系统中并发运行，操作系统使用虚拟存储管理技术可向作业提供大于实际物理内存的存储空间。运行作业的一部分代码和数据可先装入内存，另一部分则驻在外存，当作业到达某个运行阶段需要访问这部分程序空间时，再将它们从外存调入内存。运行作业在内存部分和在外存部分的交换还要涉及地址变换技术。（3）设备管理计算机系统的外围设备种类繁多、控制复杂、价格昂贵，相对CPU来说，运转速度又比较慢，如何提高CPU和设备的并行性，充分利用各种设备资源，便于用户和程序对设备的操作和控制，长期以来一直是操作系统要解决的主要任务。计算机设备大致可分为字符块设备和字符设备两大类型。主机与字符块设备之间每次传输一个“块”大小的数据，块大小一般为512字节、1024字节、2048字节或4096字节等。主要的块设备有硬盘、软盘、磁带和光盘等。主机与字符设备之间每次传输一个字节，常见的字符设备是终端、屏幕、打印机、绘图仪、串行口、并行口和通信口等。为了提高CPU与设备运行的并行程度，CPU与设备进行数据传输时一般经过通道、控制器和中断进行。时钟是一种较为特殊的I/O设备，一般也把它归为字符设备。设备管理的主要任务有设备的分配和回收、设备的控制和信息传输即设备驱动。由于系统要支持众多的各种各样的设备，而且各类设备的控制和信息传输操作差别极大，因此设备管理方面的系统代码在操作系统核心中占有相当大的部分。一般与各种设备密切相关的代码是由设备制造商或专门的软件生产商编制，以可装卸的形式植入操作系统的内核。设备管理还涉及以下两个部分。①虚拟设备管理，将一些独占的物理设备改造成共享的逻辑设备，以提高设备使用率和程序执行速度，也可将一台物理设备虚拟成多台同类逻辑设备。②缓冲管理，管理设备与CPU交换信息时所用到的缓冲，以解决CPU与I/O设备速度不匹配问题。（4）文件管理配置操作系统的很重要的目的就是为了方便用户使用计算机。操作系统内核通过系统调用向应用程序提供了很友好的接口，方便用户程序对文件和目录的操作，申请和释放内存，对各类设备进行I/O操作，以及对进程进行控制。此外，操作系统还提供了命令级的接口，向用户提供了几百条程序命令，使用户方便地与系统交互。这些程序有的通过系统调用或系统调用的组合完成更为复杂的功能，有的不必与系统的核心交互，它们都极大地丰富了操作系统的软件宝库，方便交互用户操作文件和设备，以及控制作业运行。本章任务1、查阅资料：请你通过互联网或者书籍文献查找“新一代计算机模型”相关内容。2、思考题：P711-73、撰写小论文：浅谈对冯·诺依曼计算机的认识与看法。作业4、知识扩展（1）什么是总线，PC总线有几种？（2）试简单叙述计算机采用二进制的原因。（3）为什么要引入数的反码与补码？《计算机导论》教案第三章微型计算机基础知识学习目的和要求：了解微型计算机系统的硬件构成知道微型计算机的工作过程熟悉微型机的组装与配置掌握计算机的操作与维护培养使用计算机及常用软件的基本技能学习重点：了解微型计算机系统的硬件构成掌握计算机的操作与维护使用计算机及常用软件的基本技能学习难点：掌握计算机的操作与维护学时：10学习内容：课后反馈§3.1微型计算机系统的构成微型计算机的硬件结构可分为主机和外部设备两大部分。若是由内部看，微型机由微处理器、主板、存储设备、机箱、电源和各种板卡组成。而外部设备除包括标准输出设备显示器和标准输出设备键盘外，还包括鼠标、打印机、绘图仪、摄像机、刻录机等多种可选的输入和输出设备。3.1.1微处理器微处理器英文名称是CentralProcessingUnit简称为CPU。主要包括运算器和控制器两部分，是电脑的核心部件，决定计算机的性能。一种CPU如图3-1：图3-1CPUCPU的主要性能指标：（1）主频主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。CPU的主频＝外频×倍频系数。很多人认为主频就决定着CPU的运行速度，这是片面的观点。至今，没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系，即使是两大处理器厂家Intel和AMD，在这点上也存在着很大的争议。我们从Intel的产品的发展趋势，可以看出Intel很注重加强自身主频的发展。像其他的处理器厂家，有人曾经拿过一快1G的全美达来做比较，它的运行效率相当于2G的Intel处理器。（2）字长电脑中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别：由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所以通常就将8位称为一个字节。字长的长度是不固定的，对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。（3）缓存缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32—256KB。L2Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能，原则是越大越好，现在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高达256-1MB，有的高达2MB或者3MB。L3Cache(三级缓存)，分为两种，早期的是外置，现在的都是内置的。而它的实际作用即是，L3缓存的应用可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对游戏都很有帮助。而在服务器领域增加L3缓存在性能方面仍然有显著的提升。比方具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效，故它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。（4）CPU内核和I/O工作电压从80586开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。3.1.2主板又叫系统板或是母板，主板是整个电脑的基板，是CPU、内存、显卡及各种扩展卡的载体。主板是否稳定关系着整个电脑是否稳定，主板的速度在一定程度上也制约着整机的速度。主板是计算机各部件的连接工具。主板如图3-2：图3-2主板主板的主要性能指标如下：（1）支持CPU的类型与频率范围CPU插座类型的不同是区分主板类型的主要标志之，尽管主板型号众多，但总的结构是很类似的，只是在诸如CPU插座等细节上有所不同，现在市面上主流的主板CPU插槽的不同分Socdet370,SocdetA,Socdet478,Slot1和SlotA等几类，它们分别与对应的CPU搭配。CPU只有在相应主板的支持下才能达到其额定频率，CPU主频等于其外频乘以倍频，CPU的外频由其自身决定，而由于技术的限制，主板支持的倍频是有限的，这样就使得其支持的CPU最高主频也受限制。另外，现在的一些高端产品，出于稳定性的考虑，也限制了其支持的CPU主频，比如现支持雷鸟的一些主板就是这样。因此，在选购主板时，一定要使其能足够支持所选的CPU，并且留有一定的升级空间。（2）对内存的支持内存插槽的类型表现了主板所支持的也即决定了所能采用的内存类型，插槽的线数与内存条的引脚数一一对应。内存插柄一般有2-4插槽，表现了其不同程度的扩展性。另外，对于用SDRAM内存的插槽而言，即使有四个插槽，DIMM3和DIMM4也共用一个通道。因此在插满内存条的时候，DIMM3和DIMM4要求必须是单面内存且容量相同，否则计算机将无法识别。因此，除非为将来的升级做打算。（3）对显示卡的支持主板上的AGP插槽是应用于显示卡的专用插槽。AGP是Intel公司为了提高受到PCI总线结构性能限制的高档PC机的图形处理能力而开发的一种标准，AGP不是一种总线，它是一种接口规范，可以使显示数据不经过PCI总路线，直接送入显示子系统。这样就能突破由于PCI总线形成的系统瓶颈，从而达到高性能3D图形的描绘功能。AGP标准可以让显卡通过专用的AGP接口调用系统主内存做到显示内存，从而大大提高了显示数据的传输速率，目前主板的AGP工作模式主要是AGP4X，其对应的传输速率为1064MB/S，随着显示性能的迅速提高，其功耗逐渐增大，并且对稳定性也有了更高的要求，两年前提出的AGPPRO插槽标准现在开始普及了起来，AGPPRO要求显示卡通过AGP插槽能得到独立的3.3V供电，并且通像DIMM槽一样的卡子获得更牢固的固定方式，从外观上看，AGPPRO插槽比传统的AGP槽在尾部长出一小段，并且有