第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、1第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)2第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)了解發(fā)展歷史了解分類及應(yīng)用掌握結(jié)構(gòu)及基本工作原理理解并掌握數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示與運(yùn)算了解目前計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境學(xué)習(xí)任務(wù)任務(wù)31.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來(lái)新型計(jì)算機(jī) 41.1 發(fā)展史計(jì)算機(jī)史前史算盤時(shí)代機(jī)械時(shí)代機(jī)電時(shí)代 巴貝奇發(fā)明的差分機(jī)巴貝奇發(fā)明的差分機(jī)(1822(1822年年) ) 51.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來(lái)新型計(jì)算機(jī) 61.1 發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展(1) 1、1946年2月，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺(tái)大型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)

2、ENIAC(愛(ài)尼亞克)。 1800018000個(gè)電子管個(gè)電子管15001500個(gè)繼電器個(gè)繼電器 重重3030噸噸占地面積約占地面積約170m170m2 2 7第1代19461957 電子管電子管19581964 晶體管晶體管第2代19651971中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路第3代1972超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路第4代2、計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的四個(gè)時(shí)代1.1 發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展(2) 81.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來(lái)新型計(jì)算機(jī) 91.1 發(fā)展史微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展101.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)

3、展 未來(lái)新型計(jì)算機(jī) 111.1 發(fā)展史未來(lái)的新型計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)神經(jīng)計(jì)算機(jī)神經(jīng)計(jì)算機(jī)新型計(jì)算機(jī)新型計(jì)算機(jī)本節(jié)結(jié)束，請(qǐng)點(diǎn)擊 返回121.2 計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 131.2.1 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)處理速度高 。運(yùn)算精度高。記憶能力強(qiáng)。具有邏輯判斷能力。具有友好的人機(jī)交互界面。計(jì)算機(jī)有哪些特點(diǎn)？著重理解其原因。141.2 計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 151.2

4、.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(1)按計(jì)算能力進(jìn)行分類，劃分為巨型計(jì)算機(jī)，大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微機(jī) 。按目前計(jì)算機(jī)的市場(chǎng)分布情況，大致可以分為：大型計(jì)算機(jī)、微機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和工作站。16平板微機(jī)平板微機(jī)(2002(2002年年) ) 機(jī)柜式和刀片式機(jī)柜式和刀片式PCPC服務(wù)器服務(wù)器(2005(2005年年) )1.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(2)微型計(jì)算機(jī)的類型17蘋果蘋果iMaciMac微機(jī)微機(jī)(2005(2005年年) )掌上微機(jī)掌上微機(jī)PDA(PDA(個(gè)人數(shù)字助理個(gè)人數(shù)字助理) ) 1.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(3)181.2 計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的

5、分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 191.2.3 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)人工智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用本節(jié)結(jié)束，請(qǐng)點(diǎn)擊 返回201.3 計(jì)算機(jī)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的基本工作原理計(jì)算機(jī)的基本工作原理 21引入：人是如何處理事務(wù)的呢？引入：人是如何處理事務(wù)的呢？接收信息接收信息完成結(jié)果完成結(jié)果計(jì)算計(jì)算控制眼睛、手控制眼睛、手記憶數(shù)據(jù)記憶數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)也是模仿人來(lái)處理事務(wù)的。計(jì)算機(jī)也是模仿人來(lái)處理事務(wù)的。1.3.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)221.3.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1馮諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型2采用

6、二進(jìn)制采用二進(jìn)制形式表示數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和指令據(jù)和指令3存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序23 1.3.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型 控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備著重理解各部分的功能！24運(yùn)算器與控制器(1)運(yùn)算器也稱算術(shù)邏輯單元(ALU)，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件?？刂破髦饕脕?lái)控制程序和數(shù)據(jù)的輸入/輸出，以及各個(gè)部件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。25運(yùn)算器與控制器(2)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，往往將運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)集成電路芯片內(nèi)，這個(gè)芯片稱為CPU(中央控制單元)。CPU性能的高低，往往決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的高低?？刂破鰿PU 運(yùn)算器運(yùn)算器26 內(nèi)存地址內(nèi)存地址存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器主要功能是存放運(yùn)

7、行中的程序和數(shù)據(jù)。注：在馮諾伊曼計(jì)算機(jī)模型中，存儲(chǔ)器是指內(nèi)存單元。對(duì)存儲(chǔ)器的基本操作是數(shù)據(jù)的寫入或讀出，這個(gè)過(guò)程稱為“內(nèi)存訪問(wèn)”。CPU如何找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問(wèn)呢？27輸入和輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備用來(lái)將現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，并且轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)熟悉的二進(jìn)制碼。常見(jiàn)的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備。輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成為用戶熟悉的形式。常見(jiàn)的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、硬盤、音箱、網(wǎng)卡等。 28輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器( (內(nèi)內(nèi)) )存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器控制器控制器程序程序+ +數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反反饋饋信信號(hào)號(hào)響應(yīng)響應(yīng)信號(hào)信號(hào)地地址址指指令令取取數(shù)數(shù)

8、存存數(shù)數(shù)操操作作指指令令響應(yīng)響應(yīng)信號(hào)信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)請(qǐng)求信號(hào)處理結(jié)果處理結(jié)果各部分的協(xié)作流程29 在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，使信息數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，并在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，使信息數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，并可以用二值邏輯元件進(jìn)行表示和處理?？梢杂枚颠壿嬙M(jìn)行表示和處理。 思考：我們?nèi)粘Ｉ钪械倪M(jìn)制思考：我們?nèi)粘Ｉ钪械倪M(jìn)制 最常用的十進(jìn)制 星期：七進(jìn)制 小時(shí)：24進(jìn)制，分鐘：60進(jìn)制，秒：60進(jìn)制 月：12進(jìn)制1.3.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 為什么要用二進(jìn)制呢？為什么要用二進(jìn)制呢？30 1.3.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)程序 存儲(chǔ)程序意味著事先將編制好的程序(包含指

9、令和數(shù)據(jù))存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)就能自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令并執(zhí)行?！爸噶钪噶睢笔鞘裁茨厥鞘裁茨? ?311.3 計(jì)算機(jī)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的基本工作原理計(jì)算機(jī)的基本工作原理 321.3.2 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 指令和程序 指令指令是能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，它規(guī)定了計(jì)算機(jī)能完成的某一種操作。 指令通常由兩個(gè)部分組成：操作碼 操作數(shù) 程序由一系列指令組成，這些指令在內(nèi)存中是有序存放的，而指令號(hào)表明了它的執(zhí)行順序。 程序、指令、指令號(hào)是什么呢是什么呢? ?331.3.2 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指一臺(tái)計(jì)

10、算機(jī)的所有指令的集合。指令系統(tǒng)都應(yīng)具有以下功能的指令： 數(shù)據(jù)傳送指令 數(shù)據(jù)處理指令 程序控制指令 輸入/輸出指令 其他指令 341.3.2 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 計(jì)算機(jī)的工作原理(1) 計(jì)算機(jī)中一條指令的執(zhí)行過(guò)程取指令取指令譯碼譯碼分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令351.3.2 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 計(jì)算機(jī)的工作原理(2)本節(jié)結(jié)束，請(qǐng)點(diǎn)擊 返回361.4 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)371.4.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)在電子元件中容易實(shí)現(xiàn)、容易運(yùn)算 計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的是什么數(shù)據(jù)?為什么?381.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

11、(1)十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制常用進(jìn)制有哪些?各種進(jìn)制數(shù)如何區(qū)別？B B表示二進(jìn)制數(shù)制；OO表示八進(jìn)制數(shù)制；D D或不帶字母表示十進(jìn)制數(shù)制；H H表示十六進(jìn)制數(shù)制。 391.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(2)r進(jìn)制數(shù)的展開(kāi)和式ana1a0a-1a-m(r)anrna1ra0a-1r-1a-mr-m其中r r為基數(shù)，整數(shù)為n n1 1位，小數(shù)為mm位 401.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(3)二、八、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制 展開(kāi)和式！ 怎樣轉(zhuǎn)換？(1101.01)212312202112002-112-28410.2513.25(237.4)828238178048-11282470

12、.5159.5(A05.C)1610162016151601216-125605 0.752 565.75411.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(4)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二、八、十六進(jìn)制怎樣轉(zhuǎn)換？ 十進(jìn)制整數(shù) r r進(jìn)制數(shù)：除以 r r取余數(shù)，直到商為0 0時(shí)結(jié)束。所得余數(shù)序列，先余為低位，后余為高位。 十進(jìn)制小數(shù) r r進(jìn)制數(shù)：乘以 r r取整數(shù)，直到余數(shù)為0 0時(shí)結(jié)束。所得整數(shù)序列，先整為高位，后整為低位 。421.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(5)實(shí)例：求(11.375)10()2。 整數(shù)轉(zhuǎn)換除2 2取余，小數(shù)轉(zhuǎn)換乘2 2取整。將轉(zhuǎn)換后的整數(shù)與小數(shù)相拼，有：(11.375)10(101

13、1.011)2。 431.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(6)實(shí)例：求(93.437 5)10()8 。 將轉(zhuǎn)換后的整數(shù)與小數(shù)相拼，有：(93.4375)10(135.34)8 。 441.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(7)二進(jìn)制與八、十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換 二進(jìn)制與八進(jìn)制轉(zhuǎn)換表二進(jìn)制與八進(jìn)制轉(zhuǎn)換表1位八進(jìn)制數(shù)位八進(jìn)制數(shù)012345673位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)000001010011100101110111 二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換表二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換表1位十六進(jìn)制數(shù)位十六進(jìn)制數(shù)012345674位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)000000010010001101000101011001111位十六進(jìn)制數(shù)

14、位十六進(jìn)制數(shù)89ABCDEF4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)10001001101010111100110111101111451.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(1) 計(jì)算機(jī)中數(shù)的相關(guān)概念 數(shù)的長(zhǎng)度 :在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的長(zhǎng)度按“比特”(bitbit，二進(jìn)制位英文binary digitbinary digit的縮寫)來(lái)計(jì)算。但因存儲(chǔ)容量常以“字節(jié)”(bytebyte，等于8 8bitbit)為計(jì)量單位，所以數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也常以字節(jié)為單位計(jì)算。 數(shù)的符號(hào):一般總是用數(shù)的最高位(左邊第一位)來(lái)表示數(shù)的正負(fù)號(hào)，并約定以“0”“0”表示正，以“1”“1”表示負(fù) 小數(shù)點(diǎn)的表示方法 :在計(jì)算機(jī)中并不用某個(gè)二進(jìn)制位來(lái)

15、表示小數(shù)點(diǎn)，而是隱含規(guī)定小數(shù)點(diǎn)的位置 461.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(2)數(shù)的定點(diǎn)表示方法 定點(diǎn)整數(shù) ：小數(shù)點(diǎn)的位置約定在最低數(shù)值位的后面，用于表示整數(shù) 定點(diǎn)小數(shù)：小數(shù)點(diǎn)的位置約定在數(shù)符位和數(shù)值部分的最高位之間，用以表示小于1的純小數(shù)。471.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(3)浮點(diǎn)數(shù)的表示（1）為什么使用浮點(diǎn)數(shù)表示？浮點(diǎn)格式如何？浮點(diǎn)數(shù)的組成？ 浮點(diǎn)數(shù)的思想來(lái)源于數(shù)學(xué)中的指數(shù)表示形式：NMRC 481.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(4)浮點(diǎn)數(shù)的表示（2） 對(duì)于一個(gè)R進(jìn)制數(shù)，只要確定M與C的值(|M|1 )，就可以確定該數(shù)的值，即NMRC的值就惟一確定了 實(shí)例：0.

16、110112011在機(jī)內(nèi)的表示形式 1 0 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 0 1 11 1 1 0 1 1 0 01 1 1 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0階碼部分階碼部分 尾數(shù)部分尾數(shù)部分 491.4.1數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(5)BCD碼為什么使用BCD碼？有何優(yōu)點(diǎn)？ 可以快速進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換 采用“逢十進(jìn)組”的原則亦容易實(shí)現(xiàn) 以4 4位二進(jìn)制數(shù)表示1 1位十進(jìn)制數(shù)。例如：123100001 0010 0011BCD 501.4 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表

17、示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)511.4.2 字符數(shù)據(jù)的表示英文字符的表示 ASCII碼、EBCDIC碼和Unicode碼 中文字符的表示 GB2312-80，即“國(guó)標(biāo)碼” 521.4 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)53聲音：用波形文件、MIDIMIDI音樂(lè)文件或壓縮音頻文件方式表示圖像：主要有位圖編碼和矢量編碼兩種方式；視頻：由一系列“幀”組成， 1.4.3 多媒體數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)、字符數(shù)據(jù)、數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中用什么形式存儲(chǔ)和處理？541.4 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)55運(yùn)算種類： 算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除。 邏輯運(yùn)算：與、