第1章计算机系统基础

大学计算机基础主讲教师张丽

rina-zl@163.com第1章计算机基础知识1.1计算机的发展及应用

计算机的发展微型计算机的发展我国计算机的发展计算机的特点计算机的应用

计算机的发展趋势1.1.1计算机的发展

1642，法国数学家布莱斯·帕斯卡，手摇式机械计算机——人类的计算工具迈向自动化

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学，物理学家约翰·莫克利，工程师普雷斯伯·埃克特，ENIAC——世界上第一台电子计算机世界上第一台计算机ENIAC

5000次加法/秒体重30吨占地170m2

18800只电子管

1500个继电器功率150KW计算机的发展 时代年份电路特点第一代1946~1957电子管磁鼓、磁带第二代1958~1964晶体管磁芯、磁盘第三代1965~1970集成电路终端访问第四代1971至今大、超大规模集成电路个人计算机1.1.2微型计算机的发展500(mlps)1975197519751975197510M(transistors)197519801985199019951M100K10K250.11.0400480386802868080808680486PentlumProoossorMicro2000每18个月芯片能力增长一倍单位时间执行的指令数百万条/每秒摩尔定律微型计算机的发展 时代年份处理器特点第一代1971~19724位或8位Intel4004,intel8008指令系统简单，运算功能差，速度较慢，机器或汇编语言，价格低第二代1973~19778位Intel公司8080，Motorola公司M6800，Zilog公司Z80NMOS工艺，集成度提高1-4倍，运算速度提高10-15倍，指令系统比较完善，具有系统结构及中断等控制功能，寻址能力增强，BASIC,FOTRAN等高级语言第三代1978~198116位Intel8086支持数据处理和科学计算第四代1982至今32位Intel公司80386Zilog公司Z8000集成度高，处理器性能高（2002.11，PentiumIV,3.06GHz主频）1.1.3我国计算机的发展（第一代）1958，第一台小型电子管通用计算机——103机（第二代）1965，第一台大型晶体管计算机——109乙机（第三代）1974，集成电路小型计算机——DSJ-1301.1.3我国计算机的发展（第四代）1983，运算速度每秒上亿巨型机——银河-I1992，银河-II1999，神威I，国家气象中心投入运行2001，我国第一款通用CPU-“龙芯”芯片2002，曙光公司采用“龙芯-1”CPU的“龙腾服务器”2004.6.21，超级计算机“曙光4000A”全球排名第十2008.11，曙光5000A也即“魔方”全球排名第十2010.11，“天河一号”全球超级计算机前500强排名第一2013.6，“天河二号”全球超级计算机前500强排名第一2013年，联想在第四季度仍是全球最大的PC厂商1.1.4计算机的特点工作自动化运算速度快计算精度高具有较强的记忆能力具有逻辑思维和判断能力通用性强1.1.5计算机的应用科学计算数据处理过程控制计算机辅助系统人工智能家庭应用1.1.6计算机的发展趋势巨型化微型化网络化智能化多媒体化虚拟现实1.2计算机中数的表示

数制不同数制之间的转换

数值数据的表示非数值数据的表示1.2.1数制数制——数的进位制十进制二进制八进制十六进制七进制六十进制计算机内采用二进制1.容易实现两个基数：0和1，电平值的高低1.2.1数制2.运算规则简单0+0=00+1=11+0=11+1=0（有进位）计算机中减法、乘法、除法运算都用加法规则和移位规则实现1.2.1数制3.易于应用逻辑代数逻辑代数的真（True）和假（False）正好与二进制的取值1和0对应，可以用逻辑代数分析逻辑电路1.2.2不同数制间的转换位权值的概念

每个位置上的数据所表示的数值等于该数符乘以该位置上的位权值例：666.66=

6×102＋6×101＋6×100＋6×10-1＋6×10-2例：(101101.11)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2=32+0+8+4+0+1+0.5+0.25=(45.75)101.2.2不同数制之间的转换

二、八、十六进制转换为十进制对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数——按权展开求和如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.2.2不同数制之间的转换

十进制数换为r进制数十进制整数转换为r进制规则：采用除以r取余数，直到商为零时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。——除2取余，余数倒排十进制小数转换为r进制规则：采用乘以r取整数，直到乘积为0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位。——乘2取整，整数正排十进制整数转为二进制整数1101例1：(13)10=()21363102222余数1011二进制数低位二进制数高位十进制小数转成二进制小数(0.6875)10=()20.68752×37501.2×7502×0.501.2×0

1.整数1011二进制数高位二进制数低位例2：二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(1)二进制数转换成八进制数：以小数点为分界点，左右三位一节，不足三位以零补足三位。例:

(101101.01)2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八进制数转换成二进制数：将每位八进制数码以三位二进制数表示。例:

(76.42)8=(111110.100010)2=(111110.10001)2二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(3)二进制数转换成十六进制数：以小数点为分界点，左右每四位一节，不足四位以零补足四位。(1111011011.100101011)2=(11,1101,1011.1001,0101,1000)2=(3DB.958)16(4)十六进制数转换成二进制数：将每位十六进制数码以四位二进制数表示。例:

(A3B.C)16=(101000111011.1100)2=(101000111011.11)21.2.3数据数据的表示

数据是指所有能输入到计算机中并被计算机识别、存储和加工处理的符号的总称①数值型数据：128，(32.56)8；②非数值型数据：“学生”、。1.2.3数值数据的表示1.计算机中数的有关概念

数的长度1字节（byte)=8比特（bit）

在计算机中，数的长度按比特（bit)来计算。但因存储容量常以“字节”为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。1.2.3数值数据的表示

小数点的表示方法

在计算机中表示数值型数据，其小数点的位置总是隐含的。

数的符号

一般用数的最高位（左边第一位）来表示数的正负号，并约定以“0”表示正，以“1”表示负。1.2.3数值数据的表示

数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。

定点整数格式：2.定点数表示方法dndn-1dn-2d0数值部分(尾数)符号位小数点位置1.2.3数值数据的表示

定点小数范围：-2n-1～

(2n-1)和–1～(1–2-(n-1))格式：符号位dndn-3dn-2dn-1d0数值部分(尾数)小数点位置1.2.3数值数据的表示3.浮点数的表示方法格式：

阶码是指数部分的值，表示幂次，其基数通常取2EmEm-1dn-1dnE0d0数符小数点位置尾数阶码(E)阶符1.2.3数值数据的表示例如：256.5的浮点格式(32位)为：00001001010000000010000000000000所以（256.5)10=(0.1000000001)2×29阶码:7位数符尾数：23位阶符32位浮点数的范围最大正数：(1－2－23)×2127最小正数：2－1×2－128＝2－129最大负数：－2－1×2－128＝－2－129最小负数：－(1－2－23)×2127也即：2－129≤|X|≤(1－2－23)×2127

原码

原码就是用最高位表示数的正、负号，0表示正，1表示负，而数值部分用最高位以后的若干位来表示。例：二进制数+1000110的原码表示为：01000110二进制数－1000110的原码表示为：110001101.2.3数值数据的表示4.带符号数的表示方法数值数据的表示

反码

原码变反码的规则为：正数的反码与原码相同；负数的反码是将它的原码除符号位外逐位取反。二进制数－1000110的反码表示为：10111001例：二进制数+1000110的反码表示为：01000110数值数据的表示

补码

补码的取码原则是：正数的补码和其原码相同；负数的补码是它的原码除符号位外逐位取反（即0变1，1变0），最后在末位加1。例：二进制数+1000110的补码表示为：01000110二进制数－1000110的补码表示为：10111010原码、补码的几个例子十进制原码补码87-87127-1270-0

010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000

采用补码来表示正、负整数时，+0和－0的取码是完全相同的，而原码对+0和－0的取码是不相同的。1.2.4非数值数据的表示

西文字符的ASCII编码

汉字字符的编码汉字字符的编码GB2312编码局部表

GB2312编码总体布局汉字的各种编码及其关系

汉字机内码

汉字输入码

汉字字形码

国标GB18030－2000用户键盘转换程序存储器汉字库及程序显示器/打印机输入汉字输入编码机内码机内码输出字形编码输入码、机内码、字形码之间的关系

汉字交换码1.3计算机系统的组成计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器控制器内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)外存储器——硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备——键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备——显示器、打印机、绘图仪软件系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序应用软件文字处理软件信息管理软件图形软件辅助设计软件各种程序包1.3.1计算机硬件系统的组成

计算机系统硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成。输入设备输出设备运算器控制器存储器数据流指令流计算机硬件的基本组成1.3.2计算机软件系统

系统软件：控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。系统软件主要指面向硬件或者开发者所设立的软件，它是支持应用软件运行的，是计算机工作时必须配置的那部分软件。应用软件：用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。1.3.3计算机系统的基本工作原理

计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼于1946年首先提出的采用二进制的形式表示数据和指令采用存储程序方式计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成冯·诺依曼理论要点JohnvonNeumann冯

诺依曼存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序

计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号运算器(内)存储器控制器输入设备

输出设备

冯·诺依曼结构框图1.4微型计算机系统微型计算机在计算机中占有很重要的地位，微型计算机有人称其为个人计算机或PC（PersonalComputer），由于体积小、设计先进、软件丰富、价格低廉、功能齐全等优点受到广大计算机用户的青睐。1.4.1微型计算机性能指标1、字长

字长是计算机CPU能够同时处理的二进制数的位数，它是计算机设计时规定的。目前常用的计算机字长为32或64位。2、主频率

计算机的时钟频率成为主频率，也称主频。是指单位时间内CPU能够执行指令的次数，以Hz（赫兹）为单位。如：pentiumIV2.0GHz.1.4.1微型计算机性能指标3、内存（主存）容量

即内部存储器容量，内存越大，计算机的处理能力越强。目前常用内存为1GB、2GB、4GB。4、外部设备

光驱、打印机、扫描仪等5、软件配置

在硬件一定的情况下，软件功能越强，计算机性能发挥越完善。1.4.2微型计算机的组织结构

从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机箱内有主板（包括CPU和内存、总线扩展槽）、外存、输入输出接口电路等，如下图所示：微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总线组成。

微处