思考題：在電子時代前，有可能制造成功自動工作的計算機嗎？自動工作的計算機有兩個條件：一是具有內(nèi)動力，二是要按照程序存儲控制方式工作。從第一個條件看，顯然不能使用蒸汽機、內(nèi)燃機作為內(nèi)動力，否則機器就太龐大了，因此，計算機的內(nèi)動力只有到了電氣時代以后才能可能。從第二個條件看，為了存儲程序（當然要存儲計算使用的數(shù)據(jù)），就需要相應(yīng)的存儲技術(shù)。從現(xiàn)在看，在電氣時代可以用于存儲的技術(shù)有紙帶穿孔技術(shù)，磁芯存儲技術(shù)。但是紙帶穿孔技術(shù)如果不與光、電技術(shù)結(jié)合，就得使用笨重的機械杠來測試有孔與無孔，其速度和可計算規(guī)模是非常低下的。而光電技術(shù)只有到了電子時代才可能使用。所以在電子時代之前，雖然有可能知道成功自動工作的計算機，但是由于體積過于龐大，其計算規(guī)模會受到很大限制。`第一章概論計算機（Computer）：

1、

概念： 計算機是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息，進行算術(shù)和邏輯運算的快速工具。

（1）

以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)：電子數(shù)字計算機

（DigitalComputer）（2）

不需要人的直接干預(yù)：自動化（存儲程序為基礎(chǔ)）（3）

數(shù)字化信息：二進制（計算機能夠具有邏輯判斷和處理能力的基礎(chǔ)）（4）

算邏運算：基本運算操作是算術(shù)和邏輯運算（5）

快速工具：（A）

電子器件（B）

存儲程序2、

層次：

（1）內(nèi)部特征：

（A）

高速高集成度開關(guān)元件（B）

數(shù)字化信息編碼（C）

邏輯判斷和處理能力（D）

存儲程序（2）外部特征：（A）

快速性（由（1）中（A）（D）決定）

（B）準確性（由（1）中（B）（D）決定）（C）邏輯性（由（1）中（A）（C）（D）決定）（D）

通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）決定）

3、特征：

1.1.1計算機的發(fā)展概況1、第一代計算機（1）

1946年第一臺計算機ENIAC~~50年代末（2）

主要特征：電子管作為電子器件（3）

軟件處于初始階段，使用機器語言與符號語言編制程序（4）

特點：體積大，運算速度低，存儲容量小，主要用于科學(xué)計算。

1.1計算機的發(fā)展、應(yīng)用和分類

邏輯器件使用電子管，用穿孔卡片機作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設(shè)備，用磁鼓或磁帶作為外存儲器，使用機器語言編程。其代表機型有：ENIAC、IBM650(小型機)、IBM709(大型機)等。1.1.1計算機的發(fā)展概況2、第二代計算機（1）

50年代末~~60年代初（2）

主要特征：晶體管作為電子器件（3）

軟件方面開始使用計算機高級語言（4）

特點：體積減小，重量輕、壽命長、耗電少、運算速度快、存儲容量比較大等優(yōu)點。不僅用于科學(xué)計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)理，并逐漸用于工業(yè)控制。

1.1計算機的發(fā)展、應(yīng)用和分類

使用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲器采用了磁芯體，引入了變址寄存器和浮點運算硬件，利用I/O處理機提高了輸入輸出能力。在軟件方面配置了子程序庫和批處理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高級程序設(shè)計語言及相應(yīng)的編譯程序，降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性。其代表機型有：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。1.1.1計算機的發(fā)展概況

3、第三代計算機（1）

60年代中期~~70年代初期（2）

主要特征：中、小規(guī)模集成電路作為電子器件（3）

操作系統(tǒng)的出現(xiàn)（4）

特點：體積與功耗都得到了進一步的減小，可靠性和運算速度進一步提高。不僅用于科學(xué)計算，還用于文字處理、企業(yè)管理、自動控制等領(lǐng)域，出現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)，可用于生產(chǎn)管理、交通管理、情報檢索等領(lǐng)域。

1.1計算機的發(fā)展、應(yīng)用和分類

用半導(dǎo)體、小規(guī)模集成電路(IntegratedCircuit——IC)作為元器件代替晶體管等分立元件，用半導(dǎo)體存儲器代替磁芯存儲器，使用微程序設(shè)計技術(shù)簡化處理機的結(jié)構(gòu)，這使得計算機的體積和耗電量顯著減小，而計算速度和存儲存量卻有較大提高，可靠性也大大加強。在軟件方面則廣泛地引入多道程序、并行處理、虛擬存儲系統(tǒng)和功能完備的操作系統(tǒng)，同時還提供了大量的面向用戶的應(yīng)用程序。計算機開始定向標準化、模塊化、系列化，此時，計算機的應(yīng)用進入到許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。其代表機器有：IBM360系列、富士通F230系列等。1.1.1計算機的發(fā)展概況

4、第四代計算機（1）70年代初~~今（2）主要特征：大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路作為電子器件（3）軟件越來越豐富，并且功能強大（4）特點：計算機在各種性能上都得到了大幅度提高。

1971年以來，作為第四代計算機重要產(chǎn)品的微型計算機得到了飛速的發(fā)展，對計算機的普及起到了決定性的作用。以微機為例，IBMPC8088—80286—80386—80486—Pentium

1.1計算機的發(fā)展、應(yīng)用和分類

大規(guī)模集成電路使計算機發(fā)生了巨大的變化，半導(dǎo)體存儲器的集成度越來越高。Intel公司推出了微處理器，誕生了微型計算機，使計算機的存儲容量、運算速度、可靠性、性能價格比等方面都比上一代計算機有較大突破。計算機也沿著兩個方向飛速向前發(fā)展。一方面，利用大規(guī)模集成電路制造多種邏輯芯片，組裝出大型、巨型計算機。另一方面，利用大規(guī)模集成電路技術(shù)，將運算器、控制器等部件集成在一個很小的集成電路芯片上，從而出現(xiàn)了微處理器。完善的系統(tǒng)軟件、豐富的系統(tǒng)開發(fā)工具和商品化的應(yīng)用程序的大量涌現(xiàn)，以及通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，使得計算機進入了一個大發(fā)展的階段。1.1.1計算機的發(fā)展概況

5、未來的計算機 以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，未來的計算機將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。

1.1計算機的發(fā)展、應(yīng)用和分類

1、科學(xué)計算2、過程檢測與控制利用計算機對工業(yè)生產(chǎn)過程中的某些信號自動進行檢測，并把檢測到的數(shù)據(jù)存入到計算機，再根據(jù)需要對這些數(shù)據(jù)進行處理。這樣的系統(tǒng)稱為計算機檢測系統(tǒng)。但一般來說，實際的工業(yè)生產(chǎn)過程是一個連續(xù)的過程，往往既需要用計算機進行檢測，又需要用計算機進行控制。3、信息管理信息管理是目前計算機應(yīng)用最廣泛的一個領(lǐng)域。所謂信息管理，是指利用計算機來加工、管理與操作任何形式的數(shù)據(jù)資料，如企業(yè)管理、物資管理、報表統(tǒng)計、帳目計算、信息情報檢索等。4、計算機輔助系統(tǒng)計算機用于輔助設(shè)計、輔助制造、輔助教學(xué)等方面，統(tǒng)稱為計算機輔助系統(tǒng)。

1.1.2計算機的應(yīng)用領(lǐng)域

計算機按其復(fù)雜程度的不同，可適用于各種行業(yè)，從儀器儀表和家電的智能化，到科學(xué)計算、自動控制、數(shù)據(jù)和事務(wù)處理、輔助設(shè)計、辦公自動化、生產(chǎn)自動化、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、人工智能、計算機模擬、計算機輔助教育等各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。（1）辦公自動化：簡稱為OA（OfficeAutomation）。它是計算機、通信與自動化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，也是當前最為廣泛的一類應(yīng)用。

（2）生產(chǎn)自動化：包括計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造和計算機集成制造系統(tǒng)等，它們是計算機在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域特別是制造業(yè)中的典型應(yīng)用，不僅提高了自動化水平，而且使傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)發(fā)生了革命性的變化。

1.1.2計算機的應(yīng)用領(lǐng)域

（3）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用：數(shù)據(jù)庫是在計算機存儲設(shè)備中按照某種關(guān)聯(lián)方式存放的一批數(shù)據(jù)。借助數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS，可對其中的數(shù)據(jù)實施控制、管理和使用。（4）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：計算機網(wǎng)絡(luò)就是利用通信設(shè)備和線路等與不同的計算機系統(tǒng)互連起來，并在網(wǎng)絡(luò)軟件支持下實現(xiàn)資源共享和傳遞信息。通常有局域網(wǎng)（LAN）、廣域網(wǎng)（WAN）、城市網(wǎng)（CAN）和因特網(wǎng)（Internet）。（5）人工智能：人工智能研究方向中最具有代表性的兩個領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機器人。（6）計算機仿真：計算機仿真是使用仿真軟件在計算機上進行必要的模擬試驗，從而大大減少投資、避免風(fēng)險。（7）遠程教育：遠程教育是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一種教學(xué)環(huán)境。它以現(xiàn)代化的信息技術(shù)為手段，以適合遠程傳輸和交互式學(xué)習(xí)的教學(xué)資源為教材構(gòu)成開放式教育網(wǎng)絡(luò)。

1、

根據(jù)計算機的應(yīng)用范圍分： （1）

專用計算機：為特定應(yīng)用問題而設(shè)計的計算機，具有經(jīng)濟、有效和快速等特點，但它的使用面較窄。 （2）

通用計算機：通用計算機使用面廣，通用性強，操作相對簡單。

2、根據(jù)計算機的規(guī)模分： （1）

巨型機 （2）

大型機 （3）

中型機 （4）

小型機 （5）

微型機 發(fā)展方向：巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化1.1.3計算機的分類

計算機系統(tǒng)是由計算機硬件和計算機軟件組成的。 計算機硬件（Hardware）是指構(gòu)成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電路（電子元件）、機械等物理部件組成。

1.2計算機硬件

1、馮·諾依曼原理的基本思想：

采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成；

“存儲程序”和“程序控制”（簡稱存儲程序控制）；

指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。

計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。

1.2.1計算機的組成部件

1.2.1計算機的組成部件

2、基本組成它由5大組成部件，如圖1.1所示。（1）

存儲器存儲器包括主存儲器、輔助存儲器和高速緩沖存儲器，是賦予計算機記憶功能的部件。存儲系統(tǒng)的特性已經(jīng)成為影響整個系統(tǒng)最大吞吐量的決定因素。

（A）

基本功能：讀和寫（a）對象：數(shù)據(jù)和指令（b）單元：存儲單元—地址（B）

分類：（a）內(nèi)存（主存）分為ROM和RAM

（b）外存（輔存）磁盤硬盤

1.2.1計算機的組成部件主存儲器按照存取限制分為RAM（randomaccessmemory），隨機存儲器和ROM（readonlymemory），只讀存儲器兩種，前者可以讀寫，后者只能讀不能寫。半導(dǎo)體RAM元件分為靜態(tài)和動態(tài)兩種，SRAM（staticRAM）和DRAM（dynamicRAM）他們的區(qū)別是：前者是利用開關(guān)特性進行記憶，只要電源有電，總能保持一個狀態(tài)。后者除了電源有電外還要動態(tài)每隔一個周期進行刷新，否則信息丟失。ROM是一種在機器運行過程中，只能讀出不能寫入的信息無源存儲器，他是一種非易失性器件，它所存儲的信息用特殊方式寫入，一般用于存儲固定信息。ROM分為以下幾類ROM、PROM、EPROMROM指MROM（MOSROM，掩膜只讀存儲器）采用一次制成，可靠性高，集成度高，成本低，靈活性差等特點。

（1）

存儲器PROM（programmableROM）可編程的ROM，可以完成一次程序的寫入。EPROM(erasableprogrammableROM),可擦除可編程ROM，是一種可改寫的ROM，目前使用最多。主存儲器的性能指標

1每位成本

2容量

3存取速度

4信息可靠保存性非易失性和可更改性

5可靠性輔助存儲器是主存儲器的后援存儲設(shè)備，用以存放當前暫時不用的程序或者數(shù)據(jù)。輔助存儲器的要求是：容量大，成本低，可以脫機保存。目前有磁讀寫和光讀寫兩類。包括磁盤磁帶光盤等。硬盤存儲器的主要性能指標

1記錄密度和硬盤容量

2主軸轉(zhuǎn)速

3尋道時間

4平均存取時間

5緩沖存儲區(qū)大小

6數(shù)據(jù)傳輸率

7誤碼率

硬盤的接口標準IDE（電子集成驅(qū)動器）多用于家用電腦SCSI（小型計算機系統(tǒng)接口）不是硬盤專用，應(yīng)用廣，多任務(wù)，cpu占用低，價格高。用于中端或高端服務(wù)器。光纖通道支持熱插拔，遠程連接，連接設(shè)備數(shù)量大，價格貴，用于高端服務(wù)器上。SATA串口硬盤，結(jié)構(gòu)簡單，支持熱插拔。目前應(yīng)用最為廣泛。磁帶存儲器容量大價格便宜順序存取，訪問速度慢。光盤存儲器特點記錄密度高，容量大非接觸方式讀寫沒有磨損可靠性高長期保存（60-100年）成本低，易于復(fù)制存儲密度大，體積小，讀取時間低于磁盤光盤存儲器的類型只讀型只寫一次型可擦寫光盤閃速存儲器具有速度快，抗震，節(jié)能，輕便特點，一般用作U盤。Cache高速緩沖存儲器，她存取速度高，一般用SRAM元件制成，速度與cpu相當。但是價格昂貴，所以它的容量小。

2、基本組成

（2）

運算器（A）

主要功能：對二進制數(shù)碼進行算術(shù)（+-*/）和邏輯（與或非）運算

（B）

組成：

（a）ALU（ArithmeticLogicUnit）：核心為并行加法器（b）通用寄存器組（c）多路開關(guān)或數(shù)據(jù)鎖存器：控制數(shù)據(jù)輸入（d）輸出移位開關(guān)：控制數(shù)據(jù)輸出（e）與其他部件間信息傳送的總線及控制數(shù)據(jù)傳送的接收器和發(fā)送器

（C）

精度和速度是運算器重要的性能指標。

1.2.1計算機的組成部件

1.2.1計算機的組成部件

運算器基本邏輯框圖總線發(fā)送器輸出移位開關(guān)接收器ALU多路開關(guān)多路開關(guān)通用寄存器

2、基本組成

（3）

控制器

（A）

功能：讀取指令、翻譯指令代碼、并向計算機各部分發(fā)出控制信號，以便執(zhí)行指令。當一條指令執(zhí)行完以后，控制器會自動地去取下一條將要執(zhí)行的指令，重復(fù)上述過程直到整個程序執(zhí)行完畢。（定序、定時、操作控制）（B）

組成：（a）指令部件

IR（指令寄存器）、ID、PC（指令計數(shù)器）、PSW、地址形成部件

（b）時序部件（c）微操作控制線路（d）中斷控制邏輯1.2.1計算機的組成部件

2、基本組成

（4）輸入設(shè)備輸入設(shè)備能將數(shù)據(jù)和程序變換成計算機內(nèi)部所能識別和接受的信息方式，并順序地把它們送入存儲器中。輸入設(shè)備由許多種類，例如鍵盤、鼠標、掃描儀、光電輸入機等。

（5）輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果以人們能接受的或其它機器能接受的形式送出。輸出設(shè)備同樣由許多種類，例如顯示器、打印機、繪圖儀等。1.2.1計算機的組成部件

在計算機的5大部件中，運算器和控制器是信息處理的中心部件，所以它們合稱為“中央處理單元”（CPU：CentralProcessingUnit）。存儲器、運算器和控制器在信息處理操作中起主要作用，是計算機硬件的主體部分，通常被稱為“主機”。而輸入（Input）設(shè)備和輸出（Output）設(shè)備統(tǒng)稱為“外部設(shè)備”，簡稱為外設(shè)或I/O設(shè)備。

1.2.1計算機的組成部件

1．存儲程序原理把事先編制好的由計算機指令組成的程序存放到存儲器內(nèi)，計算機在運算時依次取出指令，根據(jù)指令的功能進行相應(yīng)的運算，這就是存儲程序原理。2．程序的自動執(zhí)行程序在執(zhí)行前先裝入內(nèi)存儲器，CPU負責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，分析識別指令，最后執(zhí)行指令，從而完成一條指令的執(zhí)行周期。程序的執(zhí)行流程：取指令—分析指令—執(zhí)行指令。3、工作原理

（1）

程序的執(zhí)行：（A）

編寫程序（B）

翻譯成機器指令（C）

將程序和數(shù)據(jù)寫入存儲器（D）

將第一條指令地址放入PC

（E）

執(zhí)行所有指令（F）

結(jié)束3、工作原理

（2）

指令的執(zhí)行：三個階段：取指令、分析指令、執(zhí)行指令（A）開始時，將第一條指令地址=》PC

（B）（PC）=》MAR（主存的地址寄存器），發(fā)“讀”命令，使（MDR主存的數(shù)據(jù)寄存器）=》IR

（C）翻譯IR的操作性質(zhì)（D）取操作數(shù)（E）將操作數(shù)運算器，運行（F）送結(jié)果（a）R

（b）內(nèi)存

（G）（PC）+1=》PC3、工作原理

一、總線1、概念：

總線（Bus）就是計算機中用于傳送信息的公用通道，是為多個部件服務(wù)的一組信息傳送連接線。分時和共享是總線的兩個基本特性。共享：多個部件連接在同一組總線上，各個部件相互之間交換信息都通過這組總線傳達。分時：是指同一個時刻總線只能在一對部件之間傳送信息，系統(tǒng)中多個部件不能同時傳送信息。1.2.2計算機的總線結(jié)構(gòu)2、總線的工作原理總線的通信控制方式同步通信和異步通信同步通信中，各個部件通過總線進行數(shù)據(jù)的傳送，用一個公共的時鐘信號進行同步控制，時鐘信號通常由CPU發(fā)出，并發(fā)送到每一個設(shè)備，經(jīng)過固定的時間，本次傳送周期結(jié)束，并開始進行下一個周期。優(yōu)點是模塊間的配合簡單，并且采用公共時鐘，每個部件什么時間發(fā)送或者接收信息統(tǒng)一，具有較高的傳輸效率。缺點是缺乏靈活性。異步通信也稱問答方式，這種方式?jīng)]有公共時鐘，沒有固定的標準。采用“請求”和“應(yīng)答”方式進行控制。異步應(yīng)答主要分為全互鎖、半互鎖、不互鎖。3、總線的組成總線基本上包括三個部分（1）傳輸線總線是信號的集合，這些總線可以分為以下幾種類型。地址線：決定直接尋址范圍數(shù)據(jù)線：決定同時并行傳輸數(shù)據(jù)的寬度控制、時序、中斷信號線：決定總線功能的強弱，適應(yīng)性好壞電源線：決定電源電壓種類，地址分布以及其他的用法。備用線：用戶進行性能擴展，滿足特殊需要。（2）邏輯接口總線于各個部件并不是直接相連的，通常需要一些三態(tài)門和緩沖器作為接口。（3）總線控制器總線要為多個部件共享，實現(xiàn)他們的通信需要一個總線控制器，進行合理的分配和管理。

4、分類：（1）按照傳送信息的屬性來分：

數(shù)據(jù)總線（DB：DataBus）——用于在各部件之間傳送數(shù)據(jù)信息。

地址總線（AB：AddressBus）——用于傳送各部件相互訪問用的地址信息。

控制總線（CB：ControlBus）——用于傳送控制各部件操作的控制信息。（2）按信息傳送的方向區(qū)分：單向總線和雙向總線。（3）按連接對象和完成的功能分：

I/OBUS和MEMORYBUS

存儲總線——用于CPU與主存儲器的信息交換，I/O總線——用于外設(shè)與主機的信息交換。5、按總線連接方式，計算機組成結(jié)構(gòu)分為三類A、單總線結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)把各功能部件都連接在單總線（SingleBus）上，所有部件間的信息交換都經(jīng)由單總線進行，如圖1.2。（1）Unified-Bus：一元化總線：PDP-11（2）Single-Bus：單總線：IBM-PCB、雙總線結(jié)構(gòu)（1）兩種總線：存儲總線——用于CPU與主存儲器的信息交換，I/O總線——用于外設(shè)與主機的信息交換。（2）三種形式：

（A）

以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)

（B）

以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)（C）采用通道或輸入輸出處理機IOP來處理輸入輸出工作的雙總線結(jié)構(gòu)。C、多總線結(jié)構(gòu)在高速外設(shè)與主存儲器之間可以增設(shè)直接存儲器訪問（DMA：DirectMemoryAccess）方式的高速I/O總線（DMA總線），從而形成多總線結(jié)構(gòu)，如圖1.4。單總線外設(shè)存儲器CPU圖1.2單總線的組成結(jié)構(gòu)（a）以CPU為中心存儲總線I/O總線外設(shè)存儲器CPU（c）采用通道形式（b）以存儲器為中心存儲總線I/O總線I/O總線外設(shè)存儲器CPU存儲總線外設(shè)外設(shè)CPU圖1.3雙總線的組成結(jié)構(gòu)存儲器通道存儲總線DMA總線I/O總線存儲器CPU圖1.4多總線的組成結(jié)構(gòu)外設(shè)外設(shè)ISA總線微通道結(jié)構(gòu)MCA和EISAPCI（外部部件互聯(lián)總線）一般有以連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機等AGP總線一種為了提高視頻帶寬而設(shè)計的總線規(guī)范。接口標準（設(shè)備總線）USB（通用串行總線）目前已經(jīng)推出3.0標準。使用USB接口可以連接不同設(shè)備,支持熱插拔，即插即用。6、幾種系統(tǒng)總線標準

1、軟件（Software）： 是指能使計算機工作的程序和程序運行時所需要的數(shù)據(jù)，以及與這些程序和數(shù)據(jù)有關(guān)的文字說明和圖表資料，其中文字說明和圖表資料又稱為文檔。程序+數(shù)據(jù)+文檔1.3計算機軟件

2、分類：（1）

系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是指管理、監(jiān)控和維護計算機資源（包括硬件和軟件）的軟件。（A）

操作系統(tǒng)

DOS、WINDOWS、UNIX、XENIX

通常，操作系統(tǒng)具有五個方面的功能：存儲管理、處理機管理、設(shè)備管理、文件管理和作業(yè)管理。 （B）語言處理程序 機器語言、匯編語言和高級語言（編譯、解釋）三類。（C）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫和管理數(shù)據(jù)庫的軟件構(gòu)成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。（D）服務(wù)程序

（2）

應(yīng)用軟件1.3計算機軟件1.4.1軟件與硬件的邏輯等價

1、含義：（1）

任何一個由軟件所完成的操作也可以直接由硬件來實現(xiàn)（2）

任何一條由硬件所執(zhí)行的指令也能用軟件來完成

2、固件（Firmware）： 固件是一種界于傳統(tǒng)的軟件和硬件之間的實體，功能上類似軟件，但形態(tài)上又是硬件。 微程序是計算機硬件和軟件相結(jié)合的重要形式。1.4計算機系統(tǒng)硬件和軟件的結(jié)合

1.4.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)第5層編譯程序高級語言層第4層匯編程序匯編語言層第3層操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)層第2層微程序機器語言層第1層微指令直接由硬件執(zhí)行微程序設(shè)計層

1、系列機： 一組計算機若是屬同一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但在性能上由低檔到高檔形成一個系列，就組成一個計算機系列（family）。這一系列計算機（系列機）中的每個機型都具有：相同的基本指令系統(tǒng)，相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，相同的基本輸入輸出操作，支持相同的基本系統(tǒng)軟件等。1.4.3系列機與兼容性2、兼容性：（1）

軟件兼容是指一個軟件不經(jīng)修改就能在不同機型上正確運行。（2）

軟件兼容存在以下兩種情況：

軟件的向上兼容性——這是指某檔機原開發(fā)的軟件可以不加修改便能在它的高檔機上正確運行使用。

軟件的向下兼容性——這是指某檔機的軟件可以不加修改便能在它的低檔機上正確運行使用。在這種情況下，軟件向上兼容是不成問題的。（3）

兼容（Compatible）是一個廣泛的概念，包括軟件兼容、硬件兼容、系統(tǒng)兼容等等。1.4.3系列機與兼容性

主頻——主頻很大程度上決定了計算機的運行速度，它的單位是兆赫茲（MHz）。

字長——字長決定了計算機的運算精度、指令字長度、存儲單元長度等，可以是8/16/32/64位。

運算速度——（1）早期方法是每秒執(zhí)行加法指令的次數(shù)，（2）現(xiàn)在通常用等效速度。等效速度由各種指令平均執(zhí)行時間以及對應(yīng)的執(zhí)令運行比例計算得出，即用加權(quán)平均法求得。它的單位是每秒百萬指令（MIPS）。對比：Mflops

存儲容量——字數(shù)*字長

1024（210）簡稱為1K（千），1024K（220）為1M（兆），1024M（230）為1G（千兆）。1.5計算機的性能指標第2章編碼與運算基礎(chǔ)學(xué)習(xí)目的：

掌握二進制編碼的方法、運算規(guī)則及在計算機中的實現(xiàn)方法，了解冗余碼的編碼原理。主要內(nèi)容：

基于二進制的各種數(shù)據(jù)的編碼；數(shù)值運算規(guī)則；基本邏輯電路；用于檢錯和糾錯的冗余碼的編碼原理。預(yù)備知識22=424=1628=256210=1024220=10485761K=210=1024（Kilo）1M=1024K=220

（Mega）1G=1024M=230（Giga）1個二進制位：bit（比特）8個二進制位：Byte（字節(jié)）1Byte=8bit2個字節(jié)：Word（字）1Word=2Byte=16bit為什么用二進制計算機中為什么采用二進制？

計算機中，數(shù)是用物理器件的狀態(tài)表示的，二進制只有兩種狀態(tài)（0，1），容易用電路表示。電位的高低，脈沖的有無，電路的通斷等都可表示。二進制運算規(guī)則簡單，容易用數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)。二進制可方便的表示邏輯值，進行邏輯運算。

2.1計算機中的數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

通常，計算機中的數(shù)據(jù)分為兩類：（1）數(shù)：用來直接表示量的多少，有大小之分，能夠進行加減等運算。（2）碼：通常指代碼或編碼，在計算機中用來描述某種信息。

2.1.1數(shù)制的基本概念

1．數(shù)的表示

任何一種數(shù)制表示的數(shù)都可以寫成按位權(quán)展開的多項式之和。

N＝dn－1bn－1＋dn－2bn－2＋dn－3bn－3＋……d－mb－m式中：n——整數(shù)的總位數(shù)。

m——小數(shù)的總位數(shù)。

d下標——表示該位的數(shù)碼。

b——表示進位制的基數(shù)。

b上標——表示該位的位權(quán)。2．計算機中常用的進位計數(shù)制計數(shù)制基數(shù)數(shù)碼進位關(guān)系二進制20、1逢二進一八進制80、1、2、3、4、5、6、7逢八進一十進制100、1、2、3、4、5、6、7、8、9逢十進一十六進制160、1、2、3、4、5、6、7、8、9A、B、C、D、E、F逢十六進一3．計數(shù)制的書寫規(guī)則（1）在數(shù)字后面加寫相應(yīng)的英文字母作為標識。如：二進制數(shù)的100可寫成100B

十六進制數(shù)100可寫成100H（2）在括號外面加數(shù)字下標。如：（1011）2表示二進制數(shù)的1011

（2DF2）16表示十六進制數(shù)的2DF2

2.1.2數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換（1）十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)采用基數(shù)2連續(xù)去除該十進制整數(shù)，直至商等于“0”為止，然后逆序排列余數(shù)。（2）十進制小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進制小數(shù)連續(xù)用基數(shù)2去乘以該十進制小數(shù)，直至乘積的小數(shù)部分等于“0”，然后順序排列每次乘積的整數(shù)部分。（3）十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制整數(shù)或十六進制整數(shù)采用基數(shù)8或基數(shù)16連續(xù)去除該十進制整數(shù)，直至商等于“0”為止，然后逆序排列所得到的余數(shù)。（4）十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制小數(shù)或十六進制小數(shù)連續(xù)用基數(shù)8或基數(shù)16去乘以該十進制小數(shù)，直至乘積的小數(shù)部分等于“0”，然后順序排列每次乘積的整數(shù)部分。（5）二、八、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)用其各位所對應(yīng)的系數(shù)，按“位權(quán)展開求和”的方法就可以得到。其基數(shù)分別為2、8、16。（6）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)從小數(shù)點開始分別向左或向右，將每3位二進制數(shù)分成1組，不足3位數(shù)的補0，然后將每組用1位八進制數(shù)表示即可。（7）八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)將每位八進制數(shù)用3位二進制數(shù)表示即可。（8）二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)從小數(shù)點開始分別向左或向右，將每4位二進制數(shù)分成1組，不足4位的補0，然后將每組用一位十六進制數(shù)表示即可。（9）十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)將每位十六進制數(shù)用4位二進制數(shù)表示即可。

【例2.1】將十進制整數(shù)（105）10轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)，采用“除2倒取余”的方法，過程如下：2︳105

2︳52

余數(shù)為12︳26

余數(shù)為02︳13

余數(shù)為02︳6

余數(shù)為12︳3

余數(shù)為02︳1

余數(shù)為10 余數(shù)為1

所以，（105）10＝（1101001）2【例2.2】將十進制小數(shù)（0.8125）10轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)，采用“乘2順取整”的方法，過程如下：0.8125×2＝1.625 取整數(shù)位10.625×2＝1.25取整數(shù)位10.25×2＝0.5 取整數(shù)位00.5×2＝1.0 取整數(shù)位1

所以，（0.8125）10＝（0.1101）2如果出現(xiàn)乘積的小數(shù)部分一直不為“0”，則可以根據(jù)精度的要求截取一定的位數(shù)即可。

【例2.3】將十進制整數(shù)（2347）10轉(zhuǎn)換為十六進制整數(shù)，采用“除16倒取余”的方法，過程如下：16︳2347

16︳146

余數(shù)為11（十六進制數(shù)為B）

16︳9

余數(shù)為20余數(shù)為9

所以，（2347）10＝（92B）16 一個數(shù)的表示方法，也就是它們在計算機中的組成格式和編碼規(guī)則。 當一個數(shù)送入計算機進行運算處理時，首先將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，同時還要解決以下幾個問題：

1．怎樣表示數(shù)的符號

2．怎樣確定小數(shù)點的位置2.2計算機中數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

2.2.1基本概念

在計算機內(nèi)部表示二進制數(shù)的方法稱為數(shù)值編碼，把一個數(shù)及其符號在機器中的表示加以數(shù)值化，稱為機器數(shù)。機器數(shù)所代表的數(shù)稱為數(shù)的真值。表示一個機器數(shù)，應(yīng)考慮以下三個因素：

1．機器數(shù)的范圍字長為8位，無符號整數(shù)的最大值是（11111111）B=（255）D，此時機器數(shù)的范圍是0~255。字長為16位，無符號整數(shù)的最大值是（1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D

此時機器數(shù)的范圍是0~65535。

2．機器數(shù)的符號

在算術(shù)運算中，數(shù)據(jù)是有正有負的，將這類數(shù)據(jù)稱為帶符號數(shù)。為了在計算機中正確地表示帶符號數(shù)，通常規(guī)定每個字長的最高位為符號位，并用0表示正數(shù)，用1表示負數(shù)。

3．機器數(shù)中小數(shù)點的位置

在機器中，小數(shù)點的位置通常有兩種約定：一種規(guī)定小數(shù)點的位置固定不變，這時的機器數(shù)稱為“定點數(shù)”。另一種規(guī)定小數(shù)點的位置可以浮動，這時的機器數(shù)稱為“浮點數(shù)”。2.2.2計算機中的數(shù)1．原碼

正數(shù)的符號位為0，負數(shù)的符號位為1，其它位按照一般的方法來表示數(shù)的絕對值。用這樣的表示方法得到的就是數(shù)的原碼?！纠?.13】當機器字長為8位二進制數(shù)時：

X＝＋1011011 [X]原碼＝01011011Y＝－1011011 [Y]原碼＝11011011[＋1]原碼＝00000001[－1]原碼＝10000001[＋127]原碼＝01111111[－127]原碼＝11111111

原碼表示的整數(shù)范圍是：－（2n-1－1）~＋（2n-1－1），其中n為機器字長。則：8位二進制原碼表示的整數(shù)范圍是－127~＋12716位二進制原碼表示的整數(shù)范圍是－32767~＋32767

2．反碼

對于一個帶符號的數(shù)來說，正數(shù)的反碼與其原碼相同，負數(shù)的反碼為其原碼除符號位以外的各位按位取反?！纠?.14】當機器字長為8位二進制數(shù)時：

X＝＋1011011[X]原碼＝01011011[X]反碼＝01011011Y＝－1011011[Y]原碼＝11011011[Y]反碼＝10100100[＋1]反碼＝00000001 [－1]反碼＝11111110[＋127]反碼＝01111111 [－127]反碼＝10000000

負數(shù)的反碼與負數(shù)的原碼有很大的區(qū)別，反碼通常用作求補碼過程中的中間形式。反碼表示的整數(shù)范圍與原碼相同。

3．補碼

正數(shù)的補碼與其原碼相同，負數(shù)的補碼為其反碼在最低位加1。【例2.15】（1）X＝＋1011011（2）Y＝－1011011（1）根據(jù)定義有：[X]原碼＝01011011[X]補碼＝01011011（2）根據(jù)定義有：[Y]原碼＝11011011[Y]反碼＝10100100 [Y]補碼＝10100101

補碼表示的整數(shù)范圍是－2n-1~＋（2n-1－1），其中n為機器字長。則：8位二進制補碼表示的整數(shù)范圍是－128~＋12716位二進制補碼表示的整數(shù)范圍是－32768~＋32767

當運算結(jié)果超出這個范圍時，就不能正確表示數(shù)了，此時稱為溢出。

4．補碼與真值之間的轉(zhuǎn)換

正數(shù)補碼的真值等于補碼的本身；負數(shù)補碼轉(zhuǎn)換為其真值時，將負數(shù)補碼按位求反，末位加1，即可得到該負數(shù)補碼對應(yīng)的真值的絕對值?！纠?.16】[X]補碼＝01011001B，[X]補碼＝11011001B，分別求其真值X。（1）[X]補碼代表的數(shù)是正數(shù)，其真值：

X＝＋1011001B

＝＋（1×26＋1×24＋1×23＋1×20）＝＋（64＋16＋8＋1）＝＋（89）D（2）[X]補碼代表的數(shù)是負數(shù)，則真值：

X＝－（[1011001]求反＋1）B

＝－（0100110＋1）B

＝－（0100111）B

＝－（1×25＋1×22＋1×21＋1×20）＝－（32＋4＋2＋1）＝－（39）D三種碼制的比較相同點：解決數(shù)值數(shù)據(jù)的符號在機器中的表示。最高位都表示符號位。不同點：原碼的符號位和數(shù)值位必須分開進行運算。原碼和反碼的零各自都有兩種表示方法。當需要擴展代碼字長時，采用的處理方法各不相同。原碼和反碼能表示的正數(shù)和負數(shù)的范圍相對于零是對稱的，而補碼的負數(shù)表示范圍比正數(shù)表示范圍要寬。機器數(shù)的表示法

正數(shù)負數(shù)范圍（n位）正0負0原碼0數(shù)值1絕對值-（２ｎ-１－１）～+（２ｎ-１－

１）0000000010000000反碼0數(shù)值1按位取反-（２ｎ-１－１）～+（２ｎ-１－１）0000000011111111補碼0數(shù)值1按位取反+1-（２ｎ-１）～+（２ｎ-１－１）0000000000000000關(guān)于－0的問題

[—0]原=10000000B[—0]補=00000000B[—128]補=10000000B

關(guān)于－0的問題例：—6411000000+—64+11000000—128110000000=[—128]補符號位進位丟掉

—12810000000+127+01111111

—111111111=[—1]補碼

關(guān)于—0的問題若誤認為[—0]補=10000000B運算會出錯

—010000000+1+00000001+110000001=[—127]補≠+1可將[—0]補=[—0]反+1=11111111+1=00000000

練習(xí)題：把下列十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成8位二進制數(shù)：

84,114，0.375,0.6875,0.8將下列各式用二進制進行計算：

93.5-42.75將下列十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)：

7E8F，EF，8C在一個8位二進制的機器中，補碼表示整數(shù)的范圍是從____到_____，這兩個數(shù)在機器中的補碼表示為_____到______。數(shù)0的補碼為_______。對于二進制碼1000000，若其值為0，則它是用____表示的，若其值為_____128,則它是用______表示的，若其值為-127，則它是用____表示的。若其值為-0，則它是用____表示的。把下列個數(shù)轉(zhuǎn)換成8位二進制數(shù)的原碼反碼補碼

+1、-1、+2、-2、+4、-4、+8、-8、+19、-19、+75、-56、+37-482.2.3定點數(shù)和浮點數(shù)表示

1．定點數(shù)

由于定點位置不同，一般又分為兩種情況。對于整數(shù)，小數(shù)點約定在最低位的右邊，稱為定點整數(shù)。對于純小數(shù)，小數(shù)點約定在符號位之后，稱為定點小數(shù)。

2．浮點數(shù)

如果要處理的數(shù)既有整數(shù)部分，又有小數(shù)部分，則采用定點數(shù)會遇到麻煩。為此可以采用浮點數(shù)，即小數(shù)點的位置不固定。

數(shù)據(jù)的表示常用的有兩種：定點表示法和浮點表示法。 任何一個二進制數(shù)N都可以表示為N=2E·S

其中E是一個二進制整數(shù)，稱為數(shù)N的階碼，2為階碼的基數(shù)，S是二進制小數(shù)，稱為數(shù)N的尾數(shù)。E和S可正可負。尾數(shù)S表示數(shù)N的全部有效數(shù)據(jù)，階碼E指明該數(shù)的小數(shù)點位置，表示數(shù)據(jù)的大小范圍。例如：一個十進制數(shù)可以表示為：

N=3.14159=0.0314159*102同樣一個二進制數(shù)可以表示為：

N=0.0011B=0.110B*2-1=0.0011B*21定點數(shù)和浮點數(shù)（1）

階碼E保持不變（2）

若E=0，小數(shù)點固定在最高位之前，則該數(shù)是一個純小數(shù)或定點小數(shù)。例如N=20·0.110101001=0.110101001（3）若取E=n(n為尾數(shù)的位數(shù))，則把小數(shù)點定在尾數(shù)最末位之后，這時表示一個純整數(shù)(定點整數(shù))。例如

N=27·0.1011010=01011010定點數(shù)表示法1．

浮點數(shù)的格式

通常，階碼位數(shù)m與尾數(shù)位數(shù)n之間有如下關(guān)系：2m-1≥n

即表示階碼的值應(yīng)保證實際的小數(shù)點可以在整個尾數(shù)的位格中移動。浮點數(shù)表示法圖2.1浮點數(shù)的表示形式階碼階符尾數(shù)尾符2．

規(guī)格化浮點數(shù) 所謂浮點數(shù)的規(guī)格化，就是通過移動尾數(shù)，使尾數(shù)S的最高位數(shù)字為1。即S滿足1/2≤|S|<1時，這個浮點數(shù)就是規(guī)格化的數(shù)，否則就不是。在字長一定的情況下，規(guī)格化的浮點數(shù)精度最高。定點數(shù)和浮點數(shù)1．兩種表示法所表示的數(shù)據(jù)范圍不同（1）定點表示法，8位小數(shù)，則能表示的數(shù)據(jù)范圍（絕對值）為：

0.0000001~0.1111111（2-7~1-2-7）（2）浮點表示法，2位階碼，1位階符，4位尾數(shù)，1位尾符，則能表示的數(shù)據(jù)范圍（絕對值）為：

0.0001*2-11～0.1111*211例如：將十進制數(shù)7.5表示成二進制浮點規(guī)格化的數(shù)（階符1位，階碼2位，數(shù)符1位，位數(shù)4位）7.5=111.1B階碼與位數(shù)均用原碼表示則表示為0.1111*2011在機器里可以寫成01101111定點數(shù)表示法和浮點數(shù)表示法的比較2．運算規(guī)則的復(fù)雜性不同定點數(shù)：較簡單；浮點數(shù)：較復(fù)雜。4．規(guī)格化浮點數(shù)的精度遠遠大于定點數(shù)。當字長一定時，浮點表示法能表示的數(shù)的范圍比定點數(shù)大，而且階碼部分占的位數(shù)越多，能表示的數(shù)的范圍就越大，但是由于浮點數(shù)的階碼部分占用了一些位數(shù)，使尾數(shù)部分的有效位數(shù)減少，數(shù)的精度下降。定點數(shù)和浮點數(shù) 計算機進行算術(shù)運算的特點：(1)所有數(shù)據(jù)都是用二進制數(shù)位形式來表示的。(2)在機器內(nèi)部，數(shù)是以編碼形式即機器數(shù)來表示的。(3)機器運算規(guī)模有限，因而機器運算就要解決運算方法、數(shù)據(jù)表示格式及數(shù)據(jù)長度的選取、規(guī)定等問題。(4)用計算機進行運算時，都要把復(fù)雜的運算，簡化為一系列的、最基本的運算才能實現(xiàn)。計算機可以實現(xiàn)的基本運算有算術(shù)運算(加、減、乘、除等)和邏輯運算(與、或、異或等)。原碼加減是指：操作數(shù)與運算結(jié)果均為原碼表示，運算時操作數(shù)進行加減，符號單獨處理。我們將兩個操作數(shù)的加減操作可以歸納為四類：（+A）+（+B）=（+A）—（—B）（—A）+（—B）=（—A）—（+B）（+A）+（—B）=（+A）—（+B）（—A）+（+B）=（—A）—（—B）前兩類是同號相加或者異號相減，他們需要做的操作是絕對值相加，結(jié)果符號位取被加（減）數(shù)的數(shù)符。后兩類是異號相加或者同號相減，他們需要的實際操作是絕對值相減，按是否夠減決定結(jié)果符號。3.1.1原碼加減運算規(guī)則

減法的實現(xiàn)可采用將負數(shù)變反相加方法實現(xiàn)，規(guī)則如下：若實際操作為兩異號數(shù)相加，則正數(shù)取其原碼，負數(shù)取其反碼，然后兩數(shù)相加，若有最高位進位產(chǎn)生則末位加1，結(jié)果為正，相加后若最高位無進位產(chǎn)生，則結(jié)果變反，數(shù)符為負。例如9+3=121001+0011=1100，結(jié)果為01100（-9）+（-3）=-121001+0011=1100結(jié)果為111003.1.1原碼加減運算規(guī)則9-3=61001+1100(-3變反)=10101（有進位）+1=0110結(jié)果為001103-9=-60011+0110（-9變反）=1001（無進位）=0110（結(jié)果變反）結(jié)果為10110原碼加減運算總結(jié)：（1）

符號位單獨處理（2）

絕對值加或減（3）

合并（符號和數(shù)值）3.1.1原碼加減運算規(guī)則（1）公式：

[X+Y]補=[X]補+[Y]補

[X-Y]補=[X]補+[-Y]補由[Y]補求[-Y]補稱為對[Y]補求補或者變補，將[Y]補連同符號位一起變反加1（不論[Y]補為正或者負）例3.4X=0.001010Y=-0.100011求[X-Y]補解[X]補=0.001010[-Y]補=0.100011

則[X-Y]補

=[X]補+[-Y]補

=0.001010+0.100011=0.101101（2）變形補碼：

[X+Y]

變補=[X]

變補+[Y]

變補

[X-Y]

變補=[X]

變補+[-Y]

變補3.1.2補碼加減運算規(guī)則例3.5X=0.1011Y=0.0011求[X+Y]補解[X]變補

=00.1011[Y]變補

=00.0011[X+Y]變補

=00.1011+00.0011=00.1110

所以[X+Y]補

=0.1110例3.6X=0.1011Y=0.1001求[X+Y]補解:[X]變補

=00.1011[Y]變補

=00.1001[X+Y]變補

=00.1011+00.1001=01.0100

運算結(jié)果的兩符號位是01，不相同，發(fā)生溢出，因第一符號位是0，代表正數(shù)，所以稱這種溢出為“正溢出”。3.1.2補碼加減運算規(guī)則例3.7X=-0.1101Y=-0.1010求[X+Y]補解[X]變補

=11.0011[Y]變補

=11.0110[X+Y]變補

=11.0011+11.0110=10.1001(mod4)

結(jié)果的兩符號位是10，不相同，發(fā)生溢出，因第一符號位是1，代表負數(shù)，所以稱這種溢出為“負溢出”。（3）判斷溢出的原則：當兩符號位不同時，溢出；當兩符號位相同時，正確。練習(xí)

[X]補=11101011，[Y]補=01001010，則[X-Y]補=_____A.10100001B.11011111C.10100000D溢出3.1.2補碼加減運算規(guī)則基本邏輯運算，符號，邏輯門與門或門非門，反相器復(fù)合邏輯運算、符號與邏輯門與非(NAND)或非(NOR)=1異或(XOR)=同或(XNOR)Z=X⊙Y此外,還有與-或-非門(AND-OR-INVERTER)

1、基本公式交換律：A+B=B+AA·B=B·A結(jié)合律：A+B+C=A+(

B+C)

A·B·C=A·(B·C

)

分配律：A+BC=(A+B)(A+C)A(B+C)=AB+AC

A·1=AA·0=0A+0=AA+1=10、1律：A·A=0A+A=1互補律：

2.1.1邏輯代數(shù)的基本定律和恒等式重疊律：A+A=AA·A=A反演律：AB=A+B

A+B=A·B吸收律

2、基本公式的證明例

證明，列出等式、右邊的函數(shù)值的真值表(真值表證明法)01·1=001+1=0001111·0=101+0=0011010·1=100+1=0100110·0=110+0=11100A+BA+BABAB1一位加法器——全加器運算器是計算機中直接執(zhí)行各種操作的裝置，其核心部件就是加法電路。觀察0.111+0.011中對應(yīng)的第i位相加的過程看出，加法運算時某一位相加需要五個變量。輸入：被加數(shù)Xi、加數(shù)Yi、低位進位Ci-1輸出：本位進位Ci

本位全和Si因此一個全加器應(yīng)有5個端口：3個輸入端，2個輸出端。

0.111被加數(shù)

0.011加數(shù)

1.11進位

1.010和3.1.4二進制加法/減法器3.1.4二進制加法/減法器Ci-1XiYiZiCi輸出輸入0110100001101000100010100010111010111111表3.1全加器真值表則邏輯表達式為：Si=~Xi~YiCi--1+~XiYi~Ci--1+Xi~Yi~Ci--1+XiYiCi--1Ci=~XiYiCi--1+Xi~YiCi--1+XiYi~Ci--1+XiYiCi--1化簡：Si=~Xi~YiCi--1+~XiYi~Ci--1+Xi~Yi~Ci--1+XiYiCi--1=~Ci--1(~XiYi+Xi~Yi)+Ci--1(~Xi~Yi+XiYi)=~Ci--1(XiYi)+Ci--1(~(XiYi))=XiYiCi--13.1.4二進制加法/減法器Ci=~XiYiCi--1+Xi~YiCi--1+XiYi~Ci--1+XiYiCi--1=(~XiYi

+Xi~Yi)Ci--1+XiYi(~Ci--1+Ci--1)=(XiYi)Ci--1+XiYi=XiYi+(XiYi)Ci--13.1.4二進制加法/減法器3.1.4二進制加法/減法器=1=1&&>=1XiYiCiCi-1Si練習(xí)畫出下列函數(shù)的真值表f（A,B,C）=AB+~BCf（A,B,C）=A+~B+C用三種基本門組成下面邏輯電路（1）異或（2）同或（3）與非（4）或非利用基本性質(zhì)證明（1）A~B+B~C+C~A=~AB+~BC+~CA（2）A+BC=(A+C)(A+B)（3）~（A+B+C）A=01.1操作系統(tǒng)概念1.1.1什么是操作系統(tǒng)任何一個計算機系統(tǒng)都是由兩部分組成：計算機硬件和計算機軟件。計算機硬件通常是由中央處理機（運算器和控制器）、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等部件組成。計算機軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件如操作系統(tǒng)、多種語言處理程序(匯編和編譯程序等)、連接裝配程序、系統(tǒng)實用程序、多種工具軟件等;應(yīng)用軟件為多種應(yīng)用目的而編制的程序。沒有任何軟件支持的計算機稱為裸機，它僅僅構(gòu)成了計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實際呈現(xiàn)在用戶面前的計算機系統(tǒng)是經(jīng)過若干層軟件改造的計算機。圖1.1展示了這種情形。圖1.1操作系統(tǒng)與硬件軟件的關(guān)系因此，引入操作系統(tǒng)的目的可從三方面來考察:(1)從系統(tǒng)管理人員的觀點來看：引入操作系統(tǒng)是為了合理地組織計算機工作流程，管理和分配計算機系統(tǒng)硬件及軟件資源，使之能為多個用戶高效率地共享。因此，操作系統(tǒng)是計算機資源的管理者(2)從用戶的觀點來看：引入操作系統(tǒng)是為了給用戶使用計算機提供一個良好的界面，以使用戶無需了解許多有關(guān)硬件和系統(tǒng)軟件的細節(jié)，就能方便靈活地使用計算機。(3)從發(fā)展的觀點看：引入操作系統(tǒng)是為了給計算機系統(tǒng)的功能擴展提供支撐平臺，使之在追加新的服務(wù)和功能時更加容易和不影響原有的服務(wù)與功能。綜上所述，我們可以非形式地把操作系統(tǒng)定義為:操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，它是這樣一些程序模塊的集合——它們管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，以便有效地利用這些資源為用戶提供一個功能強大、使用方便和可擴展的工作環(huán)境，從而在計算機與其用戶之間起到接口的作用。1.2操作系統(tǒng)的歷史1946年—50年代末：第一代，電子管時代，無操作系統(tǒng)。50年代末—60年代中期：第二代，晶體管時代，批處理系統(tǒng)。60年代中期—70年代中期：第三代，集成電路時代，多道程序設(shè)計。70年代中期至今：第四代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，分時系統(tǒng)。現(xiàn)代計算機正向著巨型、微型、并行、分布、網(wǎng)絡(luò)化和智能化幾個方面發(fā)展著。1.2.1手工操作階段

在第一代計算機時期，構(gòu)成計算機的主要元器件是電子管，計算機運算速度慢，沒有操作系統(tǒng)，甚至沒有任何軟件。用戶直接用機器語言編制程序，并在上機時獨占全部計算機資源。1.2.2早期批處理(batchprocessing)解決的途徑有兩個：配備專門的計算機操作員進行批處理每一批作業(yè)將有專門編制的監(jiān)督程序(monitor)自動依次處理。早期的批處理可分為兩種方式。1.聯(lián)機批處理慢速的輸入輸出(I/O)設(shè)備是和主機直接相連。作業(yè)的執(zhí)行過程為:(1)用戶提交作業(yè)：作業(yè)程序、數(shù)據(jù)，用作業(yè)控制語言編寫的作業(yè)說明書;(2)作業(yè)被作成穿孔紙帶或卡片;(3)操作員有選擇地把若干作業(yè)合成一批，通過輸入設(shè)備(紙帶輸入機或讀卡機)把它們存入磁帶;(4)監(jiān)督程序讀入一個作業(yè)(若系統(tǒng)資源能滿足該作業(yè)要求);(5)從磁帶調(diào)入?yún)R編程序或編譯程序，將用戶作業(yè)源程序翻譯成目標代碼;(6)連接裝配程序把編譯后的目標代碼及所需的子程序裝配成一個可執(zhí)行程序;(7)啟動執(zhí)行;(8)執(zhí)行完畢，由善后處理程序輸出計算結(jié)果;(9)再讀入一個作業(yè)，重復(fù)(5)—(9)各步；(10)一批作業(yè)完成，返回到(3)，處理下一批作業(yè)。這種聯(lián)機批處理方式解決了作業(yè)自動轉(zhuǎn)接，從而減少作業(yè)建立和人工操作時間。但是在作業(yè)的輸入和執(zhí)行結(jié)果的輸出過程中，主機CPU仍處在停止等待狀態(tài)，這樣慢速的輸入輸出設(shè)備和快速主機之間仍處于串行工作，CPU的時間仍有很大的浪費。2.脫機批處理這種方式的顯著特征是增加一臺不與主機直接相連而專門用于與輸入輸出設(shè)備打交道的衛(wèi)星機。如圖1.2所示。衛(wèi)星機的功能是：(1)輸入設(shè)備通過它把作業(yè)輸入到輸入磁帶；(2)輸出磁帶將作業(yè)執(zhí)行結(jié)果輸出到輸出設(shè)備。這樣，主機不是直接與慢速的輸入輸出設(shè)備打交道，而是與速度相對較快的磁帶機發(fā)生關(guān)系。主機與衛(wèi)星機可以并行工作，二者分工明確，以充分發(fā)揮主機的高速度計算能力。因此脫機批處理和早期聯(lián)機批處理相比大大提高了系統(tǒng)的處理能力。圖1.2早期脫機批處理模型批處理出現(xiàn)于20世紀50年代末到60年代初。它的出現(xiàn)促使了軟件的發(fā)展。再有重要的是監(jiān)督程序，它管理作業(yè)的運行——負責(zé)裝入和運行各種系統(tǒng)處理程序，如匯編程序、編譯程序、連接裝配程序、程序庫(如輸入輸出標準程序等);完成作業(yè)的自動過渡，同時也出現(xiàn)程序覆蓋等程序設(shè)計技術(shù)。批處理仍有些缺點：磁帶需人工拆裝，既麻煩又易出錯；而另一個更重要的問題是系統(tǒng)的保護。讓我們來回憶一下在監(jiān)督程序管理下的解題過程，如圖1.3所示。圖1.3監(jiān)督程序管理下的解題過程在進行批處理過程中，監(jiān)督程序、系統(tǒng)程序和用戶程序之間存在著一種調(diào)用關(guān)系，任何一個環(huán)節(jié)出問題，整個系統(tǒng)都會停頓;用戶程序也