第1章 计算机系统基础

大学计算机基础

第1章计算机系统基础

1.1计算机的发展和展望

A近代计算机

A计算机的发展简史

A微处理器的发展

A未来计算机的发展趋势

1.1.1近代计算机

A巴比奇和差分机

A分析机——现代通用数字机的雏型

A模拟机的研制

A图灵和理想计算机

A电子计算机的诞生

世界上第一台计算机ENIAC

>5000次加法/秒

>体重28吨

＞占地170m2

>18800只电子管

>1500个继电器

>功率150KW

人类追求的计算

省内加法器

昇皿1642BlaisePascal1822差分机Charles

Babbage

1833分析机

ENIAC

摩尔定理

X975

-1980198519901995单

idOM位

时

晶

U2000间

执

体Pentium

5行

管Prooossor

1M80486的

数

1O指

03860

-令

802861数

.

10K086

.施J080

每18个月芯片能力增长一倍

1.1.2计算机的发展简史

1.1.3微处理器的发展

晶

体

管

数

目

2

300

10微米芯片4004奔腾4

微处理器集成度发展示意图

114未来计算机的发展趋势

»超导计算机

A量子计算机

A光子计算机

A生物计算机

A神经计算机

1.2计算机的特点、分类和应用

»计算机的特点

A计算机的分类

»计算机的应用

1.2.1计算机的特点

A运算速度快

A计算精度高

A具有“记忆”和逻辑判断能

力

A具有自动运行能力

A可靠性高

122计算机的分类

A巨型机

A大型机

A小型机

A微型机

A服务器

A工作站

1.2.3计算机的应用

A数值计算

A信息处理

A实时控制

A计算机辅助设计

A人工智能

A办公自动化

A通信与网络

A电子商务

»计算机进入家庭

1.3计算机与信息技术

A数据与信息

»信息技术概述

A计算机与信息处理

1.3.1数据与信息

A数据

A信^息

＞数据和信息的关系

1.3.2信息技术概述

»信息技术的概念

»现代信息技术的内容

A现代信息技术的发展趋势

1.3.3计算机与信息处理

A计算机在信息处理中的作用

A信息高速公路

1.4计算机系统的组成及基本工作原理

主机广央处理器(CPU)霍蠡

1内存储器J只读存储器(ROM)

硬件1I随机存储器(RAM)

计［输入设备——键盘、鼠标、光笔、扫描仪

算I外部设备输出设备一显示器、打印机、绘图仪

机

1外存储器——硬盘、软盘、光盘

系

统［操作系统语言处理系统

r系统软件I数据库管理系统系统服务程序

软件《

［文字处理软件信息管理软件

〔应用软件《图形软件辅助设计软件

务种程序包

1.4.1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五个部分构

成。

数据流

存储器

指令流

输输

入出

设运算器

设

备备

T控制器

计算机硬件的基本组成

1.4.2指令和指令系统

A指令：是能被计算机识别并执行的二进

制代码，由操作码与操作数组成。

»指令系统：即一台计算机所有指令的集

合，包括数据传送指令、数据处理指令、

程序控制指令、输入、输出指令和其他

指令。

»指令执行过程

1.4.2指令和指令系统

指令执行过程

A冯氏原理：人们预先编好程序，利用输

入设备把程序输入内存，计算机在控制

器控制下，从内存中逐条取出程序交运

算器执行。把结果回送入内存、或由输

出设备输出。

A执行步骤：取指令、分析指令、执行指

令、程序计数器加1

1.4.3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。

A采用二进制的形式表示数据和指令

A采用存储程序方式

A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

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JohnvonNeumann

条指令，并加以分析和执行，直冯•诺依曼

至完成全部指令任务为止。

冯・诺依曼结构框图

操

反

作

馈

命

信

令

号

输

入

出

诸

冏

器

设

备

备

■-

请

响

响

请

应

求

应

求

信

信

信

信

口

号

号

号

控制器

1.5进位计数制及其相互转换

A进位计数制

A不同进位计数制间的相互转换

151进位计数制

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

彳列：666.66=6X102+6X101+6X100+6X10“+6X10-2

5432

例：(101101.11)2=1X2+1X2+1X2+1X2+

0X21+1X20+1X2-1+1X2-2

32+0+8+4+0+1+0.5+0.25

(45.75)io

1.5.2不同数制之间的转换

1.二、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

»如：

321

(1101.01)2=1X2+1X2+0X2+1X20+0

X21+1X2-2

1.5.2不同数制之间的转换

2.十进制数换为r进制数

A(1)十进制整数转换为r进制

A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。

A(2)十进制小数转换为r进制

A规则：采用乘以r取整数，直到余数为0时

结束。所得整数序列，先整为高位，后整

为低位。

十进制整数转为二进制整数

十进制小数转成二进制小数

例2：(O.6875)io=0

0.6875

X2整数

1.37501二进制数高位

X2

0.7500

X2

1.501

X2二进制数低位

1.01

二进制与八进制、十六进制之间的相互转换

⑴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=(11,1101,1011.10019010191000)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)2

1.6数据在计算机中的表示

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"、"0730-

8845139”。

1.6.1数值数据的表示

1.计算机中数的有关概念

①数的长度

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字节(byte)=8比特(bit)

1.6.1数值数据的表示

②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"O'’表示正，以“1”表示负。

③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。

1.6.1数值数据的表示

2.定点数表示方法

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。

①定点整数

格式：dndn-1dn-2.............dO

x

付替昌节侍位数值部分（尾数）<l数纨占''、位位置直

161数值数据的表示

②定点小数

格式：Idn|dn-lldn-2|dn-3l..........IdO

['JJ'

符节位小数点位置数值部分（尾数）

范围：-2宜〜(2-1)和—1〜(1—2-(-1))

1.6.1数值数据的表示

3.浮点数的表示方法

格式:RHH

Em-1dn-1n

V

|'7'、，K-----7-

阶符阶码(E)数符上湍尾数

阶码是指数部分的值，表示塞次，其

基数通常取2。

1.6.1数值数据的表示

例如：256.5的浮点格式（32位）为:

00001001010000000010000000000000

t----kt-------------

阶阶码:7位数符尾数：23位

符

9

所以(256.5)]o=(0.1000000001)2X2

32位浮点数的范围

最大正数：(1—2-23)X2127

最小正数：2Tx2T28=2-129

最大负数：一2一1X2T28=-2T29

最小负数：一(1—2-23)X2127

也即：2~129<|X|<(1—2-23)X2127

数值数据的表示

4.带符号数的表示方法

(1)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

二进制数一1000110的原码表示为：11000110

数值数据的表示

(2)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。

例：二进制数+1000110的反码表示为：01000110

二进制数一1000110的反码表示为：10111001

数值数据的表示

(3)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

二进制数一1000110的补码表示为：10111010

原码、补码的几个例子

十进制原码补码

870101011101010111

-871101011110101001

1270111111101111111

-1271111111110000001

00000000000000000

-01000000000000000

米用补码来表不正、负整数时，+0

和一0的取码是完全相同的，而原码对+0

和一0的取码是不相同的。

补码的加减法公式

[X+Y—X]补+[Y]补

[X-Y]#=[X]#+[-Y]#

[[X]补]补=[x]原

例题

例：设X=44Y=59求X+Y=?X—Y=?

由[Xh=0101100[Y]补=00111011

[-Y]补=11000101[-Y]原=10111011

故

[X+Y]#=[X]#+[Y]#=01100111

得

X+Y=+llOOlll=(+lO3)lo

由[X—丫]补=[乂]补+[—Y]补=11110001

[X—Y^=[[X—Y]补]求补=10001111

得X—Y=-0001111=(-15)10

数值编码

十进制数与8421BCD编码表

十进制数8421BCD码十进制数8421BCD码

o000081000

1000191001

200101010100000

300111110110001

401001211000010

501011300010011

601101400010100

701111500010101

1.6.2字符数据的表示

（1）西文字符的ASCII编码

（2）汉字字符的编码

低7位代码01-94

启用符号（）

010010010010010010010010194

2

000100100()1101000101ono0HI1000序号、罗马数字（72）

3GB1900图彩字符集（3》

离7位代码X0405060708

0102034日文平暇名（83）

15日文片假名（）

011000016啊阿埃挨哎唉哀皑86

16

011000117薄保悒宝他报第一级汉字（3755）

011001028病并玻蓑j播板钵波

56

散

011001