[計算機硬件及網絡]第01章 計算機基本知識ppt課件

1、n工程類課程工程類課程n注重練習注重練習n閱歷很重要閱歷很重要n調查方式調查方式n閉卷考試閉卷考試n卷面成果卷面成果70，平常成果，平常成果30出勤、作業(yè)出勤、作業(yè)和實驗和實驗n出勤和實驗的重要性，平常成果對最終成果的出勤和實驗的重要性，平常成果對最終成果的影響影響第一章第一章 計算機根本知識計算機根本知識n 緒論緒論n計算機的開展概略計算機的開展概略n微型計算機中信息的表示及運算根底微型計算機中信息的表示及運算根底11 緒緒 論論 一、一、 計算機的開展計算機的開展 1946年年2月月15日日 世界第一臺電子計算世界第一臺電子計算機機ENIAC問世問世 1946年世界上第一臺電年世界上第一臺

2、電子計算機由美國賓夕法尼亞大學研制勝子計算機由美國賓夕法尼亞大學研制勝利。它重達利。它重達30噸，占地噸，占地170平方米，耗平方米，耗電電140千瓦，用了千瓦，用了18800多個電子管，多個電子管，每秒鐘僅能做每秒鐘僅能做5000次加法次加法. 運作了九年之久。吃電很兇，運作了九年之久。吃電很兇， 據傳據傳ENIAC每次一開機，整個費城西區(qū)的電每次一開機，整個費城西區(qū)的電燈都為之黯然失色。燈都為之黯然失色。 另外，真空管的損另外，真空管的損耗率相當高，幾乎每耗率相當高，幾乎每15分鐘就能夠燒掉分鐘就能夠燒掉一支真空管，操作人員須花一支真空管，操作人員須花15分鐘以上分鐘以上的時間才干找出壞掉

3、的管子，運用上極的時間才干找出壞掉的管子，運用上極不方便。不方便。二、微型計算機的組成二、微型計算機的組成 這臺計算機有五個根本部件：輸入器、輸出器、這臺計算機有五個根本部件：輸入器、輸出器、運算器、存儲器和控制器，奠定了當代電子數字計運算器、存儲器和控制器，奠定了當代電子數字計算機體系構造的根底。算機體系構造的根底。 幾個概念nCPU=控制器運算器控制器運算器n計算機主機計算機主機CPU存儲器存儲器n計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)n計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)n計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)n字長：字長：CPU并行處置二進制的數據位數。并行處置二進制的數據位數。8位位n 機、機、16位機、位機、32位機

4、和位機和64位機。位機。12 計算機的開展概略 n微型化微型化 便攜式、低功耗便攜式、低功耗n巨型化巨型化 尖端科技領域的信息處置，需求超大容量、高尖端科技領域的信息處置，需求超大容量、高速度速度n智能化智能化 模擬人類大腦思想和交流方式，多種處置才干模擬人類大腦思想和交流方式，多種處置才干n系列化、規(guī)范化系列化、規(guī)范化 便于各種計算機硬、軟件兼容和晉級便于各種計算機硬、軟件兼容和晉級n網絡化網絡化 網絡計算機和信息高速公路網絡計算機和信息高速公路n多機系統(tǒng)多機系統(tǒng) 大型設備、消費流水線集中管理大型設備、消費流水線集中管理( (獨立控制、獨立控制、 缺點分散、資源共享缺點分散、資源共享) )1

5、、日本富士通、日本富士通 研發(fā)出的研發(fā)出的 K計算機，每秒計算機，每秒8,162萬億次運萬億次運算，高于天河一號的算，高于天河一號的3倍。倍。 672個計算機柜組成，個計算機柜組成，6萬個萬個 CPU 每個都有每個都有8個核個核 最快的超級計算機截止到最快的超級計算機截止到 2021.6 2. 中國國防科技大學研發(fā)的中國國防科技大學研發(fā)的 天河一號，每秒天河一號，每秒2570萬億次運算萬億次運算該工程的一大創(chuàng)新是和的結合技術。是用來讀取圖像和視該工程的一大創(chuàng)新是和的結合技術。是用來讀取圖像和視頻?，F為國家超算天津中心業(yè)務主機，在石油勘探、氣候預告、高端配備研制、頻。現為國家超算天津中心業(yè)務主機

6、，在石油勘探、氣候預告、高端配備研制、生物醫(yī)藥、動漫設計領域得到嘗試性運用。生物醫(yī)藥、動漫設計領域得到嘗試性運用。 最快的超級計算機截止到最快的超級計算機截止到 2021.612 計算機的開展概略計算機的開展概略 n一、計算機的開展概略一、計算機的開展概略 n第一代：電子管計算機時代第一代：電子管計算機時代1947195719471957n第二代：晶體管計算機時代第二代：晶體管計算機時代1958196419581964n第三代：集成電路計算機時代第三代：集成電路計算機時代1964196419721972n第四代：超大規(guī)模集成電路第四代：超大規(guī)模集成電路VLSIVLSI計計算機時代算機時代n 1

7、9721972年年 。n第五代：智能計算機第五代：智能計算機19811981年年 。二、微處置器及微型計算機的開展概略二、微處置器及微型計算機的開展概略 第一代微處置器是以Intel公司1971年推出的4004，4040為代表的四位微處置機。 第二代微處置機1973年1977年，典型代表有：Intel 公司的8080、8085；Motorola公司的M6800以及Zlog公司的Z80。 第三代微處置機 第三代微機是以16位機為代表，根本上是在第二代微機的根底上開展起來的。其中Intel公司的8088。8086是在8085的根底開展起來的；M68000是Motorola公司在M6800 的根底開

8、展起來的； 第四代微處置機 以Intel公司1984年10月推出的80386CPU和1989年4月推出的80486CPU為代表。 第五代微處置機的開展更加迅猛，1993年3月被命名為PENTIUM的微處置機面世，98年PENTIUM 2又被推向市場。nIntel第一塊第一塊CPU 4004,4位主理器位主理器,主頻主頻108kHz,運算運算速度速度0.06MIPs(Million Instructions Per Second, 每秒百萬條指令每秒百萬條指令),集成晶體管集成晶體管2,300個個,10微米制造工微米制造工藝藝,最大尋址內存最大尋址內存640 bytes,消費曰期消費曰期1971

9、年年11月月.n8086,16位主理器位主理器,主頻主頻4.77/8/10MHZ,運運算速度算速度0.75MIPs,集成晶體管集成晶體管29,000個個,3微微米制造工藝米制造工藝,最大尋址內存最大尋址內存1MB,消費曰期消費曰期1978年年6月月.n80486DX,DX2,DX4,3280486DX,DX2,DX4,32位主理器位主理器, ,主頻主頻25/33/50/66/75/100MHZ,25/33/50/66/75/100MHZ,總線頻率總線頻率33/50/66MHZ,33/50/66MHZ,運算速度運算速度2060MIPs,2060MIPs,集成集成晶體管晶體管1.2M1.2M個個,

10、1,1微米制造工藝微米制造工藝,168,168針針PGA,PGA,最大尋址內存最大尋址內存4GB,4GB,緩存緩存8/16/32/64KB,8/16/32/64KB,消消費曰期費曰期19891989年年4 4月月n80486DX,DX2,DX4,3280486DX,DX2,DX4,32位主理器位主理器, ,主頻主頻25/33/50/66/75/100MHZ,25/33/50/66/75/100MHZ,總線頻率總線頻率33/50/66MHZ,33/50/66MHZ,運算速度運算速度2060MIPs,2060MIPs,集成晶體管集成晶體管1.2M1.2M個個,1,1微米制造工藝微米制造工藝,168

11、,168針針PGA,PGA,最大尋址內存最大尋址內存4GB,4GB,緩存緩存8/16/32/64KB,8/16/32/64KB,消費曰期消費曰期19891989年年4 4月月nPentium 4 (478Pentium 4 (478針針),),至今分為三種中心至今分為三種中心:Willamette:Willamette中心中心( (主頻主頻1.5G1.5G起起,FSB400MHZ,0.18,FSB400MHZ,0.18微米制造工微米制造工藝藝 ) , N o r t h w o o d) , N o r t h w o o d 中 心中 心 ( ( 主 頻主 頻1.6G3.0G,FSB533M

12、HZ,0.131.6G3.0G,FSB533MHZ,0.13微米制造工藝微米制造工藝, , 二級緩二級緩存存 5 1 2 K ) , P r e s c o t t5 1 2 K ) , P r e s c o t t 中 心中 心 ( ( 主 頻主 頻 2 . 8 G2 . 8 G起起,FSB800MHZ,0.09,FSB800MHZ,0.09微米制造工藝微米制造工藝,1M,1M二級緩存二級緩存,13,13條條全新指令集全新指令集SSE3),SSE3),消費曰期消費曰期20012001年年7 7月月. .n更大的緩存、更高的頻率、 n超級流水線、分支預測、亂序執(zhí)行n超線程技術 微型計算機組成

13、構造微型計算機組成構造微型計算機系統(tǒng)硬件微型計算機主機微處置器微處置器 (CPU)軟件外圍設備運算器控制器存儲器存儲器 (內存內存)RAMROM外部設備輔助設備 輸入設備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀) 輸出設備(顯示器、打印機、繪圖儀、) 輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入輸入/ /輸出接口輸出接口(PIO(PIO、SIOSIO、CTCCTC、ADCADC、DAC)DAC) (I/O (I/O接口接口) ) 總線 (AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，缺點診斷,監(jiān)控程序)運用軟件(科學計算，工業(yè)控制，數據處置)程序設計言語(機器言語、匯編言語、高級言語)電源電路時鐘電路單片機簡

14、介單片機簡介n單片機即單片機微型計算機，是將計算機主機單片機即單片機微型計算機，是將計算機主機(CPU、 內內存和存和I/O接口接口)集成在一小塊硅片上的微型機。集成在一小塊硅片上的微型機。n單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。實現單單片機開發(fā)系統(tǒng)有單片單板機和仿真器。實現單片機運用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。片機運用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)。n單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。具有單片機為工業(yè)測控而設計，又稱微控制器。具有三高優(yōu)勢三高優(yōu)勢(集成度高、可靠性高、性價比高集成度高、可靠性高、性價比高)。n主要運用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能主要運用于工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能儀器儀表、通訊設備

15、、家用電器等。儀器儀表、通訊設備、家用電器等。 特別適宜于特別適宜于嵌入式微型機運用系統(tǒng)。嵌入式微型機運用系統(tǒng)。n三、計算機編程言語的開展概略三、計算機編程言語的開展概略 n機器言語機器言語 機器言語就是機器言語就是0 0，1 1碼言語，碼言語，是計算機獨一能了解并直接執(zhí)行的言語。是計算機獨一能了解并直接執(zhí)行的言語。n匯編言語匯編言語 用一些助記符號替代用用一些助記符號替代用0 0，1 1碼描畫的某種機器的指令系統(tǒng)，匯編言碼描畫的某種機器的指令系統(tǒng)，匯編言語就是在此根底上完善起來的。語就是在此根底上完善起來的。n高級言語高級言語 BASICBASIC，PASCALPASCAL，C C言語等等。

16、言語等等。用高級言語編寫的程序稱源程序，它們用高級言語編寫的程序稱源程序，它們必需經過編譯或解釋，銜接等步驟才干必需經過編譯或解釋，銜接等步驟才干被計算機處置。被計算機處置。 n面向對象言語面向對象言語 C+C+，JavaJava等編程言語是等編程言語是面向對象的言語。面向對象的言語。表達式表達式進位原則進位原則組成數碼組成數碼第第i位權位權標識符標識符十進制十進制逢十進一逢十進一0 09 910iD二進制二進制逢二進一逢二進一0 0和和1 12iB八進制八進制逢八進一逢八進一0 07 78iQ十六進十六進制制逢十六進逢十六進一一0 09,A9,AF F16iH按進位的方法進展計數，稱為進位計

17、數制; 常見的計數制有：十進制；二進制；八進制; 十六進制。1.3.1 進位計數制進位計數制1.3微型計算機中信息的表示及運算根底n任何一個任何一個P進制數進制數S都可以表示為：都可以表示為：n n-1n S=(SiPi)n i=-mn 其中：其中：P為計數制基數，為計數制基數，Si表示第表示第i位的數位的數碼碼n一、二進制與十進制之間的相互轉換一、二進制與十進制之間的相互轉換n 將二進制數按權相加即可。例如：將二進制數按權相加即可。例如： n1.3.2 數制之間的轉換數制之間的轉換:10110.1012 1*24+0*23+1*22+1*21+0*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3(2

18、2.625)10起始位從起始位從0 0開場開場n二、二進制與十六進制數之間的轉換二、二進制與十六進制數之間的轉換n24=16 ，四位二進制數對應一位十六進，四位二進制數對應一位十六進制數。制數。n舉例：舉例：n3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 3AF.2H = 0011 1010 1111.0010 1110101111.001B 1110101111.001B n1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 1111101.11B = 0111 1101.1100 = 7D.CH 三、十進制數轉換成二、十六進制數n整數、小數分別轉換整數、小

19、數分別轉換 n1.整數轉換法整數轉換法n“除基取余：十進制整數不斷除以轉換進制基數，直至除基取余：十進制整數不斷除以轉換進制基數，直至商為商為0。每除一次取一個余數，從低位排向高位。舉例：。每除一次取一個余數，從低位排向高位。舉例：例：39轉換成二進制數39 =100111B2 39 1 b0 2 19 1 b1 2 9 1 b2 2 4 0 b3 2 2 0 b4 2 1 1 b5 0 例：208轉換成十六進制數 208 = D0H16 208 余 016 13 余 13 = DH 0n2. 小數轉換法n“乘基取整：用轉換進制的基數乘以小數部分，直至小數為0或到達轉換精度要求的位數。每乘一次

20、取一次整數，從最高位排到最低位。舉例：1. 0.625轉換成二進制數0.625 2 = 1.250 1 (b-1)0.25 2 = 0.5 0 0 (b-2)0.5 2= 1.01 (b-3)0.625 = 0.101B2. 0.625轉換成十六進制數 0.625 16 = 10.0 0.625 = 0.AH1.3.3 帶符號數的表示方法帶符號數的表示方法 機器中，數的符號用機器中，數的符號用“0 0、“1 1 表示。表示。 最高位作符號位，最高位作符號位，“0 0表示表示“+ +，“1 1表示表示“- -。n機器數：機器中數的表示方式。機器數：機器中數的表示方式。n真值：真值： 機器數所代表

21、的實踐數值。機器數所代表的實踐數值。n舉例舉例:一個一個8位機器數與它的真值對應關系如下：位機器數與它的真值對應關系如下：n 真值：真值：X1=+84=+1010100B X2=-84= -1010100B n 機器數：機器數：X1機機= 01010100 X2機機= 11010100一機器數與真值一機器數與真值n最高位為符號位，0表示 “+，1表示“。n數值位與真值數值位一樣。n例 8位原碼機器數：n 真值： x1 = +1010100B x2 = 1010100B n 機器數：x1原 = 01010100 x2原 = 11010100n原碼表示簡單直觀,但0的表示不獨一，加減運算復雜。1、

22、原碼、原碼(True Form)(二二)原碼、反碼、補碼原碼、反碼、補碼n正數的反碼與原碼表示一樣。正數的反碼與原碼表示一樣。 n 負數反碼符號位為負數反碼符號位為 1 1，數值位為原碼數值各位取，數值位為原碼數值各位取反。反。n例例 8 8位反碼機器數：位反碼機器數：n x= +4 x= +4： x x原原= 00000100= 00000100 xx反反= = 0000010000000100n x= -4x= -4： x x原原= 10000100 x= 10000100 x反反= = 11111011111110112、反碼、反碼Ones Complement3、補碼、補碼Twos C

23、omplementn正數的補碼表示與原碼一樣。正數的補碼表示與原碼一樣。 n 負數補碼等于負數補碼等于2n2nabsabsx x，n n是是x x的位數的位數例：求例：求 8位補碼機器數：位補碼機器數：x=+4 x原原=x反反=x補補= 00000100 x=-4 x原原 = 10000100 x反反 = 11111011 x補補 = 10000000000000100 = 11111100n補碼反碼加補碼反碼加1 1。n補碼表示的優(yōu)點：補碼表示的優(yōu)點：n0 0的表示獨一，加減運算方便。的表示獨一，加減運算方便。8位機器數表示的真值8 位機器數有符號數十六進制二進制無符號數原碼反碼補碼0001

24、7F80FEFF00000000000000010111111110000000111111101111111101127128254255+0+1+127- 0-126-127+0+1+127- 127- 1- 0+0+1+127-128- 2- 1三三 原碼和補碼的相互轉換原碼和補碼的相互轉換1 1 正數正數2 2 負數負數 原碼轉為補碼：符號位不變，其他位按位原碼轉為補碼：符號位不變，其他位按位 取反加取反加1。正數的原碼和補碼一樣正數的原碼和補碼一樣例例留意留意1 1、補碼中的、補碼中的-128-128無法用原碼表示。無法用原碼表示。2 2、補碼轉換為真值方法：連同符號位一同按、補碼轉

25、換為真值方法：連同符號位一同按位取反在最低位加位取反在最低位加1 1后，便可得到真值的絕對后，便可得到真值的絕對值。值。85的原碼的原碼: 010101018585補補=01010101=01010101-85-85補補=10101011=10101011 - 85 - 85的原碼的原碼: 11010101: 11010101( (四四) )補碼的加減運算補碼的加減運算1 1 規(guī)那規(guī)那么么例例1 1 自動喪失自動喪失將減數取補負然后相加將減數取補負然后相加(1) X(1) X補補+Y+Y補補=X+Y=X+Y補補求求-84-84和和-19-19的補碼之和的補碼之和1010110010101100

26、+ + 1 10011001-84-84-19-191110110111101101-84-84補補+-19+-19補補=-103=-103補補=10011001=10011001取負取負( (補補) )運算運算 將補碼連同符號位一同按位取反加將補碼連同符號位一同按位取反加1 1-84-84補補=10101100=101011008484補補=01010100=01010100(2) X(2) X補補-Y-Y補補= X= X補補+-Y+-Y補補= X-Y= X-Y補補例例2 2 求求8484和和4646的補碼之和的補碼之和0101010001010100+ + 10000010 84 84464600101110001011103 3 溢出溢出 假設符號一樣的數相加，產生的結果的假設符號一樣的數相加，產生的結果的符號符號 發(fā)生了變化。此時產生的結果不可用發(fā)生了變化。此時產生的結果不可用-126-126溢出產生的緣由：超出補碼表示的范圍。溢出產生的緣由：超出補碼表示的范圍。能夠發(fā)生的情況：同號相加，異號相減能夠發(fā)生的情況：同號相加，異號相減1.3.4 二進制編碼例：求十進