大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的分類、性能指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成及原理數(shù)制、碼制和編碼第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)1945年馮提出了正確的關(guān)于計(jì)算機(jī)組成與工作方式的建議，主要思想為：二進(jìn)制代碼表示數(shù)據(jù)和指令：電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高、邏輯運(yùn)算簡(jiǎn)單；存儲(chǔ)程序工作方式：事先編制程序，然后將程序存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令加以執(zhí)行；計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備等五大部件構(gòu)成。1.1

計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展一、馮·諾依曼原理（Von

Neumann）第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

ENIAC美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)1946年2月ENIAC(Electronic

Numerical

Integrator

AndComputer)–18000電子管–30噸–170平方米–

150kw–5000次/秒馮·諾依曼第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)

ENIAC二、計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程及趨勢(shì)計(jì)算機(jī)代起始年主要器件主存儲(chǔ)器軟件應(yīng)用范圍第一代1946年電子管磁芯、磁鼓匯編語言科學(xué)計(jì)算第二代1958年晶體管磁芯、磁帶程序設(shè)計(jì)語言管理程序科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理第三代1965年中小規(guī)模集成電路磁芯、磁盤操作系統(tǒng)高級(jí)語言逐步廣泛應(yīng)用第四代1971年大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路半導(dǎo)體磁盤數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)軟件社會(huì)各方面1、電子計(jì)算機(jī)發(fā)展過程2、計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不但具有集處理文字、圖形、圖像、聲音為一體的多媒體功能，而且也進(jìn)入到了以網(wǎng)絡(luò)化為特征的時(shí)代，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)為：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。目前，正處于超大規(guī)模集成電路全面發(fā)展和計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用階段，據(jù)專家預(yù)計(jì)，新一代的計(jì)算機(jī)（第五代）應(yīng)是“智能化”計(jì)算機(jī)，它應(yīng)當(dāng)具有像人一樣的能看、能聽、能思考的能力。我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程(詳見教材)。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的分類、性能指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成及原理數(shù)制、碼制和編碼第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)1、按處理方式分類，可以把計(jì)算機(jī)分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)以及數(shù)字模擬混合計(jì)算機(jī)。2、按計(jì)算機(jī)的功能分類，一般可分為專用計(jì)算與通用計(jì)算機(jī)。3、按照計(jì)算機(jī)規(guī)模、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)能力等因素劃分，通常將計(jì)算機(jī)分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)等幾類。4、按照工作模式分類，可將其分為服務(wù)器和工作站兩類。1.2分類、性能指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域一、計(jì)算機(jī)分類位（Bit）

二進(jìn)制數(shù)碼只有0和1，其中無論0還是1是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的最小單位，一個(gè)二進(jìn)位只能表示為2種狀態(tài)。字節(jié)（Byte）

字節(jié)是計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的基本單位，即以字節(jié)為單位解釋信息，簡(jiǎn)寫為“B”。每個(gè)字節(jié)包含8位二進(jìn)制數(shù)。1K=1024，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB字長(zhǎng)

CPU在單位時(shí)間內(nèi)一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)稱為字長(zhǎng)。即數(shù)據(jù)總線上一次可同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。常用的字長(zhǎng)有8位、16位、32位、64位等。也就是說的8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)、64位機(jī)。地址在微型計(jì)算機(jī)中，整個(gè)內(nèi)存被分成一個(gè)個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)由一個(gè)唯一的地址來標(biāo)識(shí)。CPU能夠訪問內(nèi)存的最大尋址范圍與CPU的地址線的根數(shù)有關(guān)。如CPU的地址線有32根，則尋址范圍為0～232-1二、有關(guān)存儲(chǔ)器的幾個(gè)概念三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)1、運(yùn)算速度運(yùn)算速度是衡量計(jì)算機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常所說的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度（平均運(yùn)算速度），是指每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)，用“百萬條指令／秒”（mips，Million Instruction

Per

Second）來描述。機(jī)器的主頻越高，運(yùn)算速度就越快，主頻單位為：兆赫茲（MHz）2、存儲(chǔ)容量3、總線的傳輸速率在總線上每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)MB/S,即每秒處理多少兆字節(jié)，傳輸速率越高，總線的信息傳輸速度就越快。4、字長(zhǎng)字長(zhǎng)是CPU一次可以處理的二進(jìn)制位數(shù)，字長(zhǎng)主要

影響計(jì)算機(jī)的處理精度和速度，字長(zhǎng)有8位、16位、

32位和64位等之分。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，表示一次讀寫和處理的數(shù)的范圍越大，處理數(shù)據(jù)的速度越快，計(jì)算精度就越高。6、外設(shè)配置和軟件配備7、可靠性四、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，按其應(yīng)用特點(diǎn)可分為：1、科學(xué)計(jì)算；2、軍事；3、信息處理；4、過程控制；5、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)；6、多媒體技術(shù)；7、計(jì)算機(jī)通信和人工智能。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的分類、性能指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成及原理數(shù)制、碼制和編碼第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成及原理一、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成硬件(Hardware):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)際裝置的總稱。它可以是電子的、電的、磁的、機(jī)械的、光的元件或由它們組成的計(jì)算機(jī)部件或計(jì)算機(jī)。軟件(Software):軟件是相對(duì)于硬件而言的，是使硬件充分發(fā)揮其功能的所有程序的總和。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中央處理器CPU運(yùn)算器控制器外存設(shè)備：磁帶、軟盤、硬盤、光盤等主機(jī)隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）內(nèi)存只讀存儲(chǔ)器（ROM）硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)器、光筆、掃描儀等輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等外部設(shè)備通信設(shè)備：網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件：各種應(yīng)用程序圖1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)五大硬件部件關(guān)系圖微型計(jì)算機(jī)的硬件組成SDRAM內(nèi)存條DDR內(nèi)存條CPU中央處理器硬盤二、計(jì)算機(jī)的工作原理計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行指令的過程。指令通過計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備并在操作系統(tǒng)的控制下送入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器，然后由CPU按照其在內(nèi)存中的存放地址，取出并執(zhí)行，執(zhí)行的結(jié)果再由輸出設(shè)備輸出。指令的執(zhí)行過程分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)過程。取指令：按照程序計(jì)數(shù)器的地址，從內(nèi)存中取出指令，并送往指令寄存器。每執(zhí)行完一條指令后，PC（程序計(jì)數(shù)器）“加1”就獲得下一條指令的地址，然后開始取下一條指令，接著分析指令和執(zhí)行指令，一直到所有的指令執(zhí)行完，從而保證程序的自動(dòng)連續(xù)的執(zhí)行。分析指令：對(duì)指令寄存器存放的指令進(jìn)行分析，由譯碼器對(duì)操作碼進(jìn)行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)。執(zhí)行指令：指令的操作碼指明了該指令要完成的操作類型或性質(zhì)，由操作控制線路發(fā)出完成該操作所須的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)的分類、性能指標(biāo)及應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要組成及原理數(shù)制、碼制和編碼第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)一、數(shù)制及其表示方法十進(jìn)制數(shù)：基數(shù)：十每一位 0、1、2、3、4、5、6、7、8、10-1（逢十進(jìn)一）。位權(quán)：10i某一位數(shù)的大小=數(shù)×位權(quán)4

0

9

4千百十個(gè)

103102101100每一位十種數(shù)碼的狀態(tài)(0~9)本位值的大小=數(shù)×本位權(quán)如：千位=4×103=40001.4

數(shù)制、碼制和編碼二個(gè)要素也適用于二、八、十六進(jìn)制二進(jìn)制數(shù):基數(shù)2位權(quán)2i八進(jìn)制數(shù):基數(shù)8位權(quán)8i十六進(jìn)制數(shù):基數(shù)16位權(quán)16i數(shù)制的表示方法第一種方法：（數(shù)值）R，其中R為進(jìn)制的類型。第二種方法：數(shù)值后跟一特定大寫英文字母，十

進(jìn)制數(shù)用表示符D(或者可省略)，二進(jìn)制數(shù)用表示符B，八進(jìn)制數(shù)用表示符Q，十六進(jìn)制數(shù)用表示符H。例：十進(jìn)制數(shù)423，

表示為（423）10

或423D或423二進(jìn)制數(shù)1001，

表示為（1001）2

或1001B八進(jìn)制數(shù)237，

表示為（237）8

或237Q十六進(jìn)制數(shù)5FE，表示為（5FE）16

或5FEH推廣一般形式（任意十進(jìn)制）：N=±[an-110

n-1+an-2

10n-2+……+a0100+a-110-1+……

+a-m10-m]=

±[

a

i

10i](i=

-m~n-1)對(duì)于任意進(jìn)制:

N=

±[a

i

R

i]R—基數(shù)，Ri

—位權(quán)，逢R進(jìn)位例:二進(jìn)制數(shù)B=10011101B=1

27+1

24+1

23+122+120

=（157）10二、數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行運(yùn)算和處理均是按二進(jìn)制數(shù)處理的，而二進(jìn)制數(shù)寫起來麻煩，書寫時(shí)又以八進(jìn)制或十六

進(jìn)制表示，日常生活中又常用十進(jìn)制，因此就有數(shù)

制之間轉(zhuǎn)換問題：1、R進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法：各位按權(quán)展開相加。例：17Q

=1×81+7×80=151100B=1×23+1×22+0×21+0×20=122CH

=2×161+12×160=442、十進(jìn)制數(shù)向R進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法：整數(shù)部分和小數(shù)部分要分開處理：整數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法：除以R取余數(shù)，直到商為0，余數(shù)自下而上排列。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法：乘以R取整數(shù)，直到積為0或達(dá)到精度的要求，整數(shù)自上而下排列。除2取余乘2取整3、二進(jìn)制數(shù)向八進(jìn)制、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法：以小數(shù)點(diǎn)為基準(zhǔn)向左和向右每三位（四位）劃為一組，不足三位（四位）補(bǔ)零。然后將每組轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的一位八進(jìn)制（十六進(jìn)制）數(shù)碼，把得到的八進(jìn)制（十六進(jìn)制）數(shù)碼拼起來即可。（說明：八進(jìn)制為每3位一組，十六進(jìn)制為每4位一組）4、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)向二進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法：按“一位拆三位”，可以將八進(jìn)制數(shù)向二進(jìn)制轉(zhuǎn)換；

按“一位拆四位”，可以將十六進(jìn)制數(shù)向二進(jìn)制轉(zhuǎn)換。三、碼制碼制解決的是符號(hào)位如何數(shù)值化的問題。了解常見的機(jī)器碼編碼方案：原碼：數(shù)X的原碼記作[X]原反碼：數(shù)X的反碼記作[X]反補(bǔ)碼：數(shù)X的補(bǔ)碼記作[X]補(bǔ)定點(diǎn)整數(shù)-原碼定義：對(duì)于一個(gè)二進(jìn)制數(shù)而言，若用最高位表示數(shù)的符號(hào)（常以0表示正數(shù)，以1表示負(fù)數(shù)），其余各位表示數(shù)值的本身，則稱為該二進(jìn)制數(shù)的原碼表示法。設(shè)某二進(jìn)制數(shù)為X=+Xn-2Xn-3...X1X0B，即為正數(shù)則：[X]原=Xn-2Xn-3...X1X0B=X注意：[+0]原=00...00B（共n位）=0設(shè)某二進(jìn)制數(shù)為X=-Xn-2Xn-3...X1X0B，即為負(fù)數(shù)則：[X]原=1Xn-2Xn-3...X1X0B=

100...00B

+

Xn-2Xn-3...X1X0B

=

2n-1

-

X注意：[-0]原=10...00B（共n位）數(shù)的表示范圍：-2n-1+1≤X≤2n-1-1如: N1=+

10110110

1011011N2=-1011011 為真值1

1011011 為機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)與真值連同符號(hào)位在一起作為一個(gè)數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)的數(shù)值稱為的真值(帶正負(fù)號(hào)的數(shù))。則原碼表示的定義是：x2n-1

–

x

=

2n-1

+

|x|0

≤

x

≤

2n-1-1-2n-1+1

≤

x

≤

0原[x]

=定點(diǎn)整數(shù)-反碼定義：正數(shù)反碼與原碼相同。負(fù)數(shù)反碼等于其原碼符號(hào)位不變其余位取反。設(shè)某二進(jìn)制數(shù)為X=+Xn-2Xn-3...X1X0B，即為正數(shù)則：[X]反

=

[X]原

=

0Xn-2Xn-3...X1X0B

=

X注意：[+0]反=[+0]原=00...00B（共n位）=0設(shè)某二進(jìn)制數(shù)為X

=

-

Xn-2Xn-3...X1X0B

，即為負(fù)數(shù)則：[X]反+

|X|

=

2n

–1

所以[X]反

=

2n

–1

+

X注意：[-0]反

=

11...11B（共n位）反碼數(shù)的表示范圍:-2n-1+1≤X≤2n-1-1x(2n

–1)

+

x0

≤

x

≤

2n-1-1-2n-1+1

≤

x

≤

0[x]反=反碼表示的定義是：對(duì)時(shí):

（假設(shè)對(duì)為1時(shí)）一是將時(shí)針退10-9=1；一是將時(shí)針向前撥

10+3=1。這兩種方法都能對(duì)準(zhǔn)到1時(shí)。結(jié)論：負(fù)數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí),

可以把減法轉(zhuǎn)化為加法。由此可以看出，減9和加3是等價(jià)的，就是說3是(-9)對(duì)

12的補(bǔ)碼。可以用數(shù)學(xué)公式表示：-9＝+3

（mod

12）定點(diǎn)整數(shù)-補(bǔ)碼模的概念（計(jì)算機(jī)-表對(duì)比）一個(gè)字長(zhǎng)為n位的定點(diǎn)整數(shù)的溢出量為2n，即 以2n為模。定點(diǎn)整數(shù)-補(bǔ)碼定義：假定某機(jī)器的字長(zhǎng)為n位，那么它的模就是

2n，它是一個(gè)n+1位數(shù)100...0B,由于計(jì)算機(jī)只能表示n位數(shù)，因此數(shù)2n在計(jì)算機(jī)中只能以n個(gè)零表示，而該數(shù)最左邊的1自動(dòng)丟失。由以上例子及討論所得：[X]補(bǔ)＝

2n

＋

X對(duì)于正數(shù)X，[X]補(bǔ)對(duì)于負(fù)數(shù)X，[X]補(bǔ)

對(duì)于＋0：[＋0]補(bǔ)對(duì)于－0：[－0]補(bǔ)＝

[X]原

＝

[X]反

=

X＝

2n＋X

＝0－|X|＝

2n＋0

＝

0

+

0

＝0＝

2n＋（－0）＝

0－0

＝

0總結(jié)：已經(jīng)解決了正負(fù)零問題（歸一化）。數(shù)的表示范圍：-2n-1≤X≤2n-1-1x2n

+

x

=

2n

–

|x|0

≤

x

≤

2n-1-1-2n-1

≤

x

≤

0[x]補(bǔ)=補(bǔ)碼表示的定義是：補(bǔ)碼的運(yùn)算-公式公式1

[X]補(bǔ)

=

[X]反

+

1引入：首尾一法公式2

[X+