计算机系统概述

计算机系统概述2024/3/231第1页，课件共59页，创作于2023年2月计算机概述计算机的发展微型计算机的发展计算机的特点计算机的分类计算机的应用2024/3/232第2页，课件共59页，创作于2023年2月1.1.1计算机的发展1、计算机的诞生

1946年2月，世界上第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学问世，取名为ENIAC（电子数字积分计算机）。它为专门用于军事领域的弹道曲线计算而设计的。2024/3/233第3页，课件共59页，创作于2023年2月2、计算机的发展历程在计算机的发展过程中，逻辑元件（电子器件）的发展起到了决定性作用，它是计算机换代的主要标志。人们依据计算机所采用的电子器件，将分成四代。第一代——电子管计算机（1946~1957年）第二代——晶体管计算机（1958~1964年）第三代——小规模、中规模集成电路计算机（1965~1970年）

第四代——大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）新一代计算机(第五代)：新型智能化计算机(尚未研制出)2024/3/234第4页，课件共59页，创作于2023年2月2024/3/235第5页，课件共59页，创作于2023年2月

未来新型计算机1．光计算机光计算机用激光器发出的光束代替电子进行计算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。优点：运算速度极高（理论上可达每秒千亿次以上，其信息处理速度比电子计算机要快数百万倍）信息传输中畸变和失真小耗电极低超大规模的信息存储容量（一枚五分硬币大小的枚镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍）。2024/3/236第6页，课件共59页，创作于2023年2月2024/3/237第7页，课件共59页，创作于2023年2月2．生物计算机生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。优点：体积小，功效高。（在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多）生物计算机具有永久性和很高的可靠性。（内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复）生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍。能量消耗小，仅相当于普通计算机的十亿分之一。存储信息的空间小，仅占百亿亿分之一。2024/3/238第8页，课件共59页，创作于2023年2月2024/3/239第9页，课件共59页，创作于2023年2月3．量子计算机量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。优点：高效率缺点：能量消耗大，产生热量大，寿命短。主要用途是例如像测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。2007年第一台商业化的量子计算机在加拿大计算机公司D-Wave产生。2024/3/2310第10页，课件共59页，创作于2023年2月2024/3/2311第11页，课件共59页，创作于2023年2月1.1.2微型计算机的发展微型计算机是日常生活中接触最多的计算机，它属于第四代计算机。其发展历程主要以微处理器的更新换代为主要标志进行划分。微处理器（MicroProcessorUnit，MPU）又称中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU），是大规模和超大规模集成电路的产物。通常把微型计算机按微处理器的集成度分成五代产品。2024/3/2312第12页，课件共59页，创作于2023年2月2024/3/2313第13页，课件共59页，创作于2023年2月1.1.3计算机的特点(1)处理速度快，处理能力强(2)计算精度高(3)具有存储容量大的记忆功能(4)可靠性高(5)自动化程度高(6)具有逻辑判断功能(7)适用范围广，通用性强2024/3/2314第14页，课件共59页，创作于2023年2月1.1.4计算机的分类1、按用途分类（1）通用计算机（2）专用计算机2、按规模分类（1）巨型机（2）大型机

（3）服务器：网络环境中对外提供服务的计算机系统（4）工作站:介于PC与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强（5）微型机：桌面型计算机、笔记本电脑、平板电脑速度最快、处理能力最强（每秒35万亿次浮点运算，峰值40万亿次）中国：曙光5000A2024/3/2315第15页，课件共59页，创作于2023年2月1.1.5计算机的应用1. 科学计算

又称为数值计算，是计算机的传统应用领域，也是计算机最重要的应用之一。在科学技术和工程设计中存在着大量的各类数值计算问题。2. 数据处理

数据处理又称信息处理，是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、加工、分析和传送的过程。据统计，信息处理是计算机应用最广泛的领域之一，例如：人口统计、企业管理、邮政业务、票据订购、情报检索、图书管理、医疗管理等。

2024/3/2316第16页，课件共59页，创作于2023年2月3. 过程控制

过程控制又称实时控制，是指将计算机对生产或其他过程中所采集到的数据按照一定的算法处理，然后反馈到执行机构去控制相应过程，是生产自动化的重要技术和手段。4. 计算机辅助系统（1）CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计）（2）CAM（ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造）（3）CBE（ComputerBasedEducation，计算机辅助教育）：包括CAI（ComputerAidedInstruction，计算机辅助教学）、

CAT（ComputerAidedTesting，计算机辅助测试）、

CMI（ComputerManagedInstruction，计算机辅助管理教学）等。2024/3/2317第17页，课件共59页，创作于2023年2月5. 人工智能

人工智能（AI——ArtificialIntelligence）是用计算机软、硬件系统模拟人的高级思维活动(如感知、推理、学习、理解等)的理论和技术。例如：语言识别、模式识别、图像识别、专家系统、机器人等。6. 多媒体及网络

2024/3/2318第18页，课件共59页，创作于2023年2月1.2计算机中的数制与编码1.2.1进位记数制度1.2.2计算机中常用的几种记数制1.2.3常用记数制之间的转换1.2.4计算机中数据的编码2024/3/2319第19页，课件共59页，创作于2023年2月1.2.1进位记数制度使用多位数码符号表示数值时，每一位数所使用的数码符号以及运算时从低位向高位借进位的规则，被称为进位记数制（或被称为记数制、数制、进制）。例如：在数学运算中使用十进制；在表示时间时使用六十进制（如60分钟为1小时）、十二进制（12个月为1年）和二十四进制（如24小时为1天）；2024/3/2320第20页，课件共59页，创作于2023年2月进制的基本要素：1. 数码表示一个数位所使用的数字符号被称为数码。例如，十进制中使用的0，1，2，3，…，9都是数码。2. 基数一种数制所使用的数码符号的个数称为该数制的基数。R进制的基数为R。例如，十进制允许使用0～9这十个数码，因此十进制的基数就为10。3. 位权某个数位的单位称为该数位的位权（例如，在十进制中，个位、十位、百位的单位分别为个、十、百，因此个位、十位、百位的位权分别为100、101、102）。2024/3/2321第21页，课件共59页，创作于2023年2月4. 借进位规则有关进行加法（或乘法）运算，达到多少值需向高位进位“1”，进行减法（或除法）运算，何时需从高位借“1”，借来的“1”在本位当成几的运算规则，称为借进位规则。同一种进制的所有数位都应遵从统一的借进位规则。这就是“逢基数进一，借一当基数”。例如，十进制的基数为十，因此它的借进位规则是“逢十进一，借一当十”2024/3/2322第22页，课件共59页，创作于2023年2月5. 按权展开式按权展开式可以表述如下：其中，(N)R——R进制数N；

R——基数；

Ri——第i位的位权，（i∈{Z},且n-1≥i≥-m）；

Ai——位权为Ri的数位上的数码符号，（Ai∈{0,1,…,R-1}）；

n——(N)R的整数位数，（n∈{0,Z}）；

m——(N)R的小数位数，（m∈{0,Z}）。2024/3/2323第23页，课件共59页，创作于2023年2月例1.1写出按权展开十进制数9876.54的表达式。9876.54=9×103＋8×102＋7×101＋6×100＋5×10－1＋4×10－2。例1.2写出按权展开二进制数111011.1010的多项式。（111011.1010）2=1×25＋1×24＋1×23＋0×22＋1×21＋1×20＋

1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＋0×2－42024/3/2324第24页，课件共59页，创作于2023年2月1.2.2计算机中常用的几种记数制1. 二进制（Binary，B）二进制数P一般简记为(P)2或PB。如：二进制数11011.11记为（11011.11）2或11011.11B。

二进制的基本特点是：基数R为2，即只含有两个数码：0、1；位权为2i（i=-m～n-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢二进一，借一当二。2024/3/2325第25页，课件共59页，创作于2023年2月

在计算机内部，所有数据、信息都是以二进制的形式编码表示的，这是因为二进制具有如下优点：（1）简单可行，容易实现。（2）运算规则简单。（3）运算速度快。（4）容易实现逻辑运算。缺点：数字冗长、书写繁复且容易出错、不便阅读。所以，在计算机技术文献的书写中，常用十六进制数表示。2024/3/2326第26页，课件共59页，创作于2023年2月2. 八进制（Octal，O）八进制数P一般简记为（P）8或PO。如八进制数17记为（17）8或17O。

八进制的基本特点是：基数R为8，即有八个基本数码：0、1、2、3、4、5、6、7；位权为8i（i=-m～n-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢8进1，借1当8。2024/3/2327第27页，课件共59页，创作于2023年2月3. 十进制（Decimal，D）十进制数P一般简记为（P）10或PD，也可省略记为P。如十进制数123，简记为（123）10或123D或123。

十进制的基本特点是：基数R为10，即有十个基本数码：0、1、2、3、4、5、6、

7、8、9；位权为10i（i=-m～n-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢十进一，借一当十。2024/3/2328第28页，课件共59页，创作于2023年2月4. 十六进制（Hexadecimal，H）十六进制数P一般简记为（P）16或PH。如十六进制数1F，记为（1F）16或1FH。

十六进制的基本特点是：基数R为16，即有16个基本数码，符号为：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。注意使用字母A、B、C、D、E、F分别表示十进制数10、11、12、13、14、15，以示区别；位权为16i（i=-m～n-1，m和n为自然数）；借进位规则：逢16进1，借1当16。2024/3/2329第29页，课件共59页，创作于2023年2月表1.3常用数制基本要素和表示方法2024/3/2330第30页，课件共59页，创作于2023年2月表1.4常用数制之间的对照关系2024/3/2331第31页，课件共59页，创作于2023年2月1.2.3常用记数制之间的转换1. R（R=2、8、16）进制数转换为十进制转换规则：将R进制数转换为十进制数一般使用按权展开多项式的形式，然后计算求和得到对应的十进制数据。可简述为口诀：“利用按权展开式展开”。例1.8把（1100101.101)2转换成十进制数。解：(1100101.101)2=1×26+1×25+0×24+0×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=64+32+0+0+4+0+1+0+0.5+0.125=（101.625)10例1.10把（19BF.8)16转换成十进制数。解：（19BF.8)16=1×163＋9×162＋B×161＋F×160＋

8×16-1=4096＋2304＋176＋15＋0.5=（6591.5)102024/3/2332第32页，课件共59页，创作于2023年2月2. 十进制数转换为R（R=2、8、16）进制数

将一个十进制数转换为R（R=2、8、16）进制数时，十进制数的整数部分和小数部分的转换方法各不同，其整数部分和小数部分分别用“除R取余法”和“乘R取整法”转换，然后将结果与小数点共三部分合在一起。转换规则如下：2024/3/2333第33页，课件共59页，创作于2023年2月

整数部分：用“除R取余法”转换。将十进制的整数部分除以R，得到一个商数和余数；再将这个商除以R，又得到一个商和余数；反复执行这个过程，直到商为0为止。将每次所得的余数从后往前读（先得的余数为低位，后得的余数为高位）即为等值的二进制数。这种转换方法可简述为口诀：“除基取余，倒序排列”。

小数部分：用“乘R取整法”转换。将小数部分乘以R，记下乘积的整数部分，再用余下的纯小数部分乘以R，记下乘积的整数部分；不断重复此过程，直至乘积小数部分为0或已满足要求的精度为止。将所得各乘积的整数部分顺序排列（先得的整数为高位，后得的整数为低位）即可。这种转换方法可简述为口诀：“乘基取整，顺序排列”。2024/3/2334第34页，课件共59页，创作于2023年2月例1.11把十进制整数(35.6875)10转换成二进制数。解：转换过程如下：第一步：用除2取余法将整数部分(35)10转换为二进制整数；即：（35)10=（100011)2。2024/3/2335第35页，课件共59页，创作于2023年2月第二步：用乘2取整法将小数部分(0.6875)10转换为二进制形式；

0.6875×2=1.3750…………取整数部分1高位

0.3750×2=0.7500…………取整数部分00.7500×2=1.5000…………取整数部分10.5000×2=1.0000…………取整数部分1低位即：（0.6875)10=（0.1011)2。第三步：将整数部分与小数部分合并，可得：

(35.6875)10=(100011.1011)22024/3/2336第36页，课件共59页，创作于2023年2月例1.12把十进制小数0.624转换成二进制小数，要求精确到小数点后6位。解：转换过程如下：

0.624×2=1.248…………取整数部分1高位

0.248×2=0.496…………取整数部分00.496×2=0.992…………取整数部分00.992×2=1.984…………取整数部分10.984×2=1.968…………取整数部分10.968×2=1.936…………取整数部分1低位

……上述转换过程无限，但根据要求只要转换6步。最后结果为：（0.624)10≈（0.100111)22024/3/2337第37页，课件共59页，创作于2023年2月3. 八进制数、十六进制数转换为二进制数转换规则：将每位八进制（或十六进制）数码用相应的三位（或四位）二进制数来代替，再删除整数部分首部的零和小数部分尾部的零即可。这种转换方法可简述为口诀：“逐位转换，一位拆三位（或四位）”。2024/3/2338第38页，课件共59页，创作于2023年2月表1.5八进制基本数码与二进制数的对应关系表表1.6十六进制基本数码与二进制数的对应关系表2024/3/2339第39页，课件共59页，创作于2023年2月例1.16把十六进制数1C2.A4转换成二进制数。解：所以，（1C2.A4)16=（111000010.101001)22024/3/2340第40页，课件共59页，创作于2023年2月4. 二进制数转换为八进制数、十六进制数

转换规则：以小数点为中心，分别向前、后每三（或四）位一组，不足三（或四）位时以“0”补足（最高（左）位和最低（右）位的两组如不足三（或四）位，则用0分别补最左边和最右边凑成三（或四）位），并将每组二进制数转换为相应的八（或十六）进制数即可。这种转换方法可简述为口诀：“三（或四）位合一位，分组转换”。2024/3/2341第41页，课件共59页，创作于2023年2月例1.18把二进制数11010111100.11011转换成十六进制数。解：所以，（11010111100.11011)2=（6BC.D8)162024/3/2342第42页，课件共59页，创作于2023年2月5. 八进制数与十六进制数的互换

八进制数与十六进制数之间不存在直接的转换方法。利用它们与二进制数的转换比较简单的特点，可以先将八进制数（或十六进制数）转换成二进制数，然后再将二进制数转换成十六进制（或八进制数），这种转换方法可简述为口诀：“以二进制为桥”。例1.19八进制数1325.72转换成十六进制数。解：（1325.72)8=（1011010101.11101)2=（2D5.E8)162024/3/2343第43页，课件共59页，创作于2023年2月小结表1.7常用进制间的转换方法2024/3/2344第44页，课件共59页，创作于2023年2月1.2.4计算机中数据的编码

由于计算机只能识别二进制形式的符号，这就要求人们在使用计算机处理实际问题之前必须将各种信息，包括数值信息（数值数据）和非数值信息（大小写英文字母、标点符号、汉字、声音、图像等）转换成二进制数。另一方面为了保证计算机各部件之间和计算机与计算机之间能正确地传输和识别信息，还要求采用统一的编码方法（或称为编码规则）。有关数值数据在计算机内部的具体表示方法本节不予讨论，主要讨论字符和汉字的编码。在此之前，先要了解计算机中数据的单位。2024/3/2345第45页，课件共59页，创作于2023年2月1.数据的单位（1）位（bit）：计算机中最小的不可分割的数据单位是二进制的一个数位称为比特位，简称位。用英文bit表示。（2）字节（Byte)：相邻8个比特位组成一个字节，用B表示（英文为Byte）。字节是计算机中用来表示存储容量大小的基本单位。另外容量的表示还常使用KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（十亿字节）、TB（兆兆字节）等。它们之间有如下的换算关系：

1B=8bits1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB请问：1GB=?B2024/3/2346第46页，课件共59页，创作于2023年2月（3）字：在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数位叫做一个字，每个字中二进制位数的长度，称为字长。不同的计算机系统的字长是不同的，常见的有8位、16位、32位、64位等。字长表示了计算机的性能，字长越长，精度越高、存储容量越大、运算速度越高、功能越强。2024/3/2347第47页，课件共59页，创作于2023年2月2.字符的编码

计算机中的信息都是用二进制编码表示的，用以表示字符的二进制编码称为字符编码。计算机中用得最多的符号数据是字符（大小写英文字母、阿拉伯数字、运算符、标点符号等）。最常用的字符编码是ASCII（AmericanStandardCodeforinformationInterchange）码，ASCII码是使用最多、最普遍且符合国际标准的美国标准信息交换码。国际通用的7位ASCII码称ISO—646标准，用7位二进制数b6b5b4b3b2b1b0表示一个字符的编码，其编码范围为0000000B～1111111B，共有27=128个不同的编码值，相应可以表示128个不同字符。7位ASCII码表如表1.8所示。2024/3/2348第48页，课件共59页，创作于2023年2月表1.18ASCII字符编码表2024/3/2349第49页，课件共59页，创作于2023年2月3.汉字的编码

为了用计算机处理汉字，同样也需要对汉字进行编码。由于汉字是单个的方块字，字型复杂，数目繁多，读音多变，同音、同型字很多，即使是最常用的汉字也有2000余个之多。因此给计算机的汉字输入、存储和处理都带来了极大的困难。计算机要处理汉字信息，必须解决汉字的输入、汉字的存储和表示以及汉字的显示等问题。汉字编码是为了解决这些问题的需要。计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程。这些编码主要包括：汉字信息交换码、汉字输入码、汉字内码、汉字字形码及汉字地址码等。2024/3/2350第50页，课件共59页，创作于2023年2月(1)汉字信息交换码

汉字信息交换码是用于汉字信息处理系统之间或者通信系统之间进行信息交换的汉字代码，简称交换码，也叫国标码。其中收集了682个非汉字图形字符（如：序号、数字、罗马数字、英文字母、日文假名、俄文字母、汉语注音等）和6763个汉字的代码。汉字代码中分为两级：一级为较常用的汉字，共3755个；二级为不太常用的汉字，共3008个。由于一个字节只能表示256种编码，汉字的数量大（国标共7445个），显然一个字节不可能表示汉字的国标码，因此，每个汉字（包括非汉字图形字符）国标码采用2个字节来表示。例如，

“中”字的国标码为：0101011001010000B（5650H）

“国”字的国标码为：0011100101111010B（397AH）2024/3/2351第51页，课件共59页，创作于2023年2月(2)汉字内码

汉字内码又称汉字机内码，是指在计算机系统内部使用的汉字编码，供设备和汉字信息处理系统内部存储、处理、传输使用。目前，对应于国标码，一个汉字的内码也用2个字节存储，为了区分汉字和英文字母，规定英文字母机内码最高位为“0”，汉字机内码两个字节的最高位均置为“1”，以免产生歧义。例如，

“中”字的机内码为：1101011011010000B

“国”字的机内码为：1011100111111010B2024/3/2352第52页，课件共59页，创作于2023年2月(3)汉字输入码

为将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码，也叫外码。目前汉字主要是经标准键盘输入计算机的，所以汉字输入码都由键盘上的字符或数字组合而成。例如用全拼输入法输入“国”字，就要键入代码“guo”，再选字。常见汉字输入码的编码方案可分为4种类型：①音码：又称字音编码，是根据汉字的发音进行编码，如全拼、双拼、微软拼音等。②形码：又称字形编码，是根据汉字的字形结构进行编码，如五笔字型、郑码、表形码、太极码、三角码等。③音形码：又称字音字形编码或混合码，是指以拼音为主，辅以字形、字义进行编码，如自然码、全息码等。④数码：又称数字编码或顺序编码，是指用数字串表示汉字的编码，如区位码、电报码。2024/3/2353第53页，课件共59页，创作于2023年2月(4)汉字字形码

经过计算机处理的汉字信息，如果要显示或打印出来阅读，则必须将汉字内码转换成人们可读的方块字。每个汉字的字形信息是预先存放在计算机内的，常称汉字库。汉字内码与汉字字形一一对应。描述汉字字形的方法有许多，常用的是点