第一章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)§1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生§1.2微處理器發(fā)展概述§1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)§1.4計(jì)算機(jī)數(shù)制及算術(shù)運(yùn)算§1.5計(jì)算機(jī)數(shù)字電路

1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1936年，英國(guó)數(shù)學(xué)家A.M.Turing（圖靈）提出圖靈機(jī)模型1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1945年數(shù)學(xué)家馮?諾伊曼第一次提出了“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)的概念，即“馮?諾伊曼機(jī)器”結(jié)果存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序數(shù)據(jù)1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1946年2月美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電工學(xué)院成功研制了ENIAC(ElectronicNumericalIntegeratorandCalculator)電子計(jì)算機(jī)。1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1958年，中國(guó)研制成功第一臺(tái)小型電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)103型機(jī)1.1計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1965年，中國(guó)第一臺(tái)晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)109乙機(jī)在中科院計(jì)算所研制完成。1.2微處理器發(fā)展概述1.2.14位微處理器1.2.28位微處理器1.2.316位微處理器1.2.432位微處理器1.2.564位微處理器1.2微處理器發(fā)展概述微處理器4004，這是世界上第一個(gè)可用于微型計(jì)算機(jī)的4位處理器。45條指令運(yùn)行速度108KHz集成2300只晶體管1.2.14位微處理器1.2微處理器發(fā)展概述微處理器8008，指令集奠定Intel公司X86系列微處理器指令集的基礎(chǔ)。

處理8比特?cái)?shù)據(jù)運(yùn)行速度200KHz集成3500只晶體管1.2.28位微處理器1.2微處理器發(fā)展概述1978年Intel公司推出的8086芯片是第一個(gè)16位微處理器。20條地址線運(yùn)行速度4.77MHz~10MHz集成4萬(wàn)只晶體管1.2.316位微處理器1.2微處理器發(fā)展概述1985年Intel公司推出的80386DX為32位微處理器，32位數(shù)據(jù)總線和32位地址總線。

定址4G內(nèi)存運(yùn)行速度40MHz集成27.5萬(wàn)只晶體管1.2.432位微處理器浮點(diǎn)運(yùn)算高速緩存1.2微處理器發(fā)展概述計(jì)算機(jī)架構(gòu)主要是具有64位寬的整數(shù)型寄存器，運(yùn)行的是64位數(shù)據(jù)指令集。

全新架構(gòu)

64位尋址能力不會(huì)比32位處理器快一倍1.2.564位微處理器兼容32位高速緩存1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1微型計(jì)算機(jī)的硬件組成1.3.2微型計(jì)算機(jī)的軟件組成1.3.3智能可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般的計(jì)算機(jī)主要由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口四部分組成。1.3.1微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入/輸出接口存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器取指令讀寫(xiě)結(jié)果取存I/O命令操作命令運(yùn)算結(jié)果外圍設(shè)備程序數(shù)據(jù)程序數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1微型計(jì)算機(jī)的硬件組成運(yùn)算器：又稱算術(shù)邏輯單元ALU，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，包括算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。輸入/輸出接口：原始數(shù)據(jù)、程序等通過(guò)輸入接口送到存儲(chǔ)器，而計(jì)算結(jié)果、控制信號(hào)等通過(guò)輸出接口送出到外圍設(shè)備例如磁盤(pán)、U盤(pán)等?？刂破鳎贺?fù)責(zé)從存儲(chǔ)器中取出指令、控制信號(hào)等。存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和運(yùn)算結(jié)果。1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.1微型計(jì)算機(jī)的硬件組成內(nèi)存儲(chǔ)器

主機(jī)

只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)外存儲(chǔ)器

(硬盤(pán)、U盤(pán)、光盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等)輸入設(shè)備(鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、攝像頭、光筆、掃描儀等)輸出設(shè)備(顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等)其他(網(wǎng)卡、聲卡、顯卡、視頻采集卡、電視卡等)硬件外部設(shè)備控制器運(yùn)算器寄存器微處理器典型微型計(jì)算機(jī)組成硬件調(diào)制解調(diào)器內(nèi)存條電源箱

中央處理器主板光驅(qū)軟驅(qū)硬盤(pán)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU存儲(chǔ)器PIO(I/O接口電路)I/O設(shè)備地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線I/O總線控制總線時(shí)鐘微機(jī)硬件組成示意圖1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU：運(yùn)行指令，計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：存放程序和數(shù)據(jù)外設(shè)接口：在系統(tǒng)與外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)鐘：產(chǎn)生系統(tǒng)中各部件間相互協(xié)調(diào)工作所需的脈沖信號(hào)外圍設(shè)備：完成系統(tǒng)的輸入和輸出系統(tǒng)總線：為AB、DB、CB的總稱。1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線的位數(shù)（也稱為寬度）與微處理器的位數(shù)相對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)總線是雙向的。地址總線（AB）：地址總線的位數(shù)決定了CPU可以直接尋址的內(nèi)存范圍。如：16位微型機(jī)的AB為20位，決定它的最大內(nèi)存容量為220=1M字節(jié)。地址總線是單向的。控制總線（CB）：控制總線用來(lái)傳輸控制信號(hào)，是雙向的。1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)微型機(jī)按結(jié)構(gòu)分類：?jiǎn)伟鍣C(jī)：將CPU，存儲(chǔ)器，接口電路，鍵盤(pán)，顯示屏等設(shè)計(jì)在一塊電路板上。例如：Z80單板機(jī)。單片機(jī)：將CPU，存儲(chǔ)器，接口電路等集成在一片芯片里。 例如：MCS-48(Intel8048),MCS-51(Intel8051)多板機(jī)：即臺(tái)式微機(jī)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)字長(zhǎng)：運(yùn)算部件直接能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)處理能力越強(qiáng)，精度越高，指令功能越強(qiáng)，可尋址的空間也越大。地址線：決定可以直接尋址的存儲(chǔ)空間范圍。速度：進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或者處理信息快慢的程度。主頻有稱為時(shí)鐘脈沖，微處理器工作的時(shí)鐘頻率，很大程度上決定處理器的運(yùn)行速度。運(yùn)行速度還取決于內(nèi)存控制、圖形加速器、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的性能。指令系統(tǒng)：所能執(zhí)行的全部指令。存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)容量以字節(jié)為單位。一個(gè)字節(jié)由8位二進(jìn)制數(shù)組成。1KB=1024B,1MB=1024KB=1048576B。兼容性：指程序兼容微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.2微型計(jì)算機(jī)的軟件組成分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件：用來(lái)擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的功能、提高計(jì)算機(jī)的工作效率、方便用戶使用計(jì)算機(jī)的軟件。例如，操作系統(tǒng)軟件。應(yīng)用軟件：為了解決某類應(yīng)用問(wèn)題而專門(mén)研制的軟件。例如，圖像處理軟件。1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3智能可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成智能可穿戴計(jì)算機(jī)可以通過(guò)眼鏡、頭盔、手表、腰帶、腕帶、鞋墊等形式呈現(xiàn)。1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3智能可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成智能可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3.3智能可穿戴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（1）SystemonChip體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)（2）多端口及高性能I/O結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)（3）無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（4）嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)（5）智能感知人機(jī)交互技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)數(shù)制及算術(shù)運(yùn)算1.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換1.4.2算術(shù)運(yùn)算1.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換1、十進(jìn)制數(shù)：基數(shù)是10，有10個(gè)不同的數(shù)學(xué)符號(hào)，即0~92、二進(jìn)制數(shù)：基數(shù)是2，有2個(gè)不同的數(shù)學(xué)符號(hào)，即0和13、八進(jìn)制：基數(shù)是8，有8個(gè)不同的數(shù)學(xué)符號(hào)4、十六進(jìn)制：基數(shù)是16，有16個(gè)不同的數(shù)學(xué)符號(hào)，即：0，1，2~9，A，B，C，D，E，F(xiàn)某一進(jìn)制數(shù)的大小由系數(shù)項(xiàng)和權(quán)的乘積決定。例：（123.45）10=

1×102+2×101+3×100+4×10-1+5×10-2（10101.11）2=

1×24+1×22+1×20+1×2-1+1×2-2（375.4）8=

3×82+7×81+5×80+4×8-11.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換1、二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)2、十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)例：258229···余0最低位

214···余127···余023···余121···余10···余1最高位即得到（58）10=（111010）21.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)采用乘法例：0.6250.250.50×2×2×2 1.250 0.501.00整數(shù)部分為101

最高位 最低位 即得到（0.625）10=（0.101）21.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換3、八進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換因?yàn)?3=8，所以每一位八進(jìn)制數(shù)可以用一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)表示。0~7之間的數(shù)表示成3位二進(jìn)制數(shù)為：

000，001，010，011···，111；1.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換4、十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換因?yàn)?4=16，所以每一位十六進(jìn)制數(shù)可以用一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)表示。0~9之間的數(shù)表示成4位二進(jìn)制數(shù)為：

0000，0001，0010，0011···，1001；A~F的表示為：

1010，1011，1100，1101，1110，1111；1.4.1數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換例：（10100111000001.0110）2

=（24701.3）8

=（29C1.6）16（2AC.7B）16

=（001010101100.01111011）2機(jī)器數(shù)與真值實(shí)際運(yùn)算中，數(shù)是有正負(fù)的，計(jì)算機(jī)中數(shù)也有正負(fù)，通常用一個(gè)數(shù)的最高位表示符號(hào)，如果字長(zhǎng)為8位，分別為D7~~D0，那么D7為符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)；D6~D0為數(shù)值位。 如：11010111B=-87

這樣，在計(jì)算機(jī)中，連同符號(hào)一起數(shù)碼化的數(shù)，就稱為機(jī)器數(shù)，如上例中的11010111；而使用正負(fù)號(hào)加其絕對(duì)值的表示方法，稱為該數(shù)的真值，如上例中的-87和-1010111B。1.4.2算術(shù)運(yùn)算（1）原碼[X]原=0X1X2…

Xn-1(

X≥0)1X1X2…

Xn-1(

X≤0)0表示正，1表示負(fù)，與真值轉(zhuǎn)換方便n位原碼的表示范圍：-(2n-1-1)～+(2n-1-1) n=8時(shí)，范圍為-127~+127存在問(wèn)題：◆兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加或兩個(gè)同號(hào)數(shù)相減時(shí) 需要作減法，計(jì)算不方便。1.4.2算術(shù)運(yùn)算(2)反碼0表示正，1表示負(fù)，反碼負(fù)數(shù)的數(shù)值位為它的正數(shù)按位取反（-0）10=10000000——原碼表示（-0）10=11111111——反碼表示n位反碼的表示范圍：-(2n-1-1)～+(2n-1-1) n=8時(shí)，范圍為-127~+127[X]反=0X1X2…

Xn-1(

X≥0)1X1X2…

Xn-1(

X≤0)1.4.2算術(shù)運(yùn)算(3)補(bǔ)碼0表示正，1表示負(fù)，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示為它的反碼在最后位加1。在計(jì)算機(jī)里把負(fù)數(shù)變?yōu)檠a(bǔ)碼，是為了把減法變成加補(bǔ)碼來(lái)進(jìn)行。（-87）10=11010111——原碼表示（-87）10=10101000——反碼表示（-87）10=10101001——補(bǔ)碼表示n位補(bǔ)碼的表示范圍：-2n-1～+(2n-1-1) n=8時(shí)，范圍為-128~+127，[-128]補(bǔ)=10000000[X]補(bǔ)=0X1X2…

Xn-1(

X≥0)1X1X2…

Xn-1+1

(

X≤0)1.4.2算術(shù)運(yùn)算幾點(diǎn)結(jié)論：原碼、反碼、補(bǔ)碼最高位都是符號(hào)位正數(shù)的原碼、反碼、補(bǔ)碼相同原碼、反碼、補(bǔ)碼的表示范圍不同編程時(shí)不涉及碼制，由硬件自動(dòng)完成采用不同的碼制，運(yùn)算器和控制器的結(jié)構(gòu)不同1.4.2算術(shù)運(yùn)算無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍：8位二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)：0~25516位二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)：0~65535（216-1）32位二進(jìn)制無(wú)符號(hào)數(shù)：0~232-11.4.2算術(shù)運(yùn)算微機(jī)中所能表示的數(shù)值類型（1）無(wú)符號(hào)二進(jìn)制數(shù)

字節(jié)、字、雙字 （2）帶符號(hào)的二進(jìn)制定點(diǎn)整數(shù)

整數(shù)、短整數(shù)、長(zhǎng)整數(shù)（3）帶符號(hào)的二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)

單精度、雙精度、擴(kuò)展精度1.4.2算術(shù)運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算0+0=00+1=11+0=11+1=0（有進(jìn)位）0×0=0 0×1=01×0=0 1×1=11.4.2算術(shù)運(yùn)算編碼位數(shù)的擴(kuò)展補(bǔ)碼：短整數(shù)補(bǔ)碼可以擴(kuò)展成長(zhǎng)整數(shù)補(bǔ)碼，擴(kuò)展時(shí)按符號(hào)為進(jìn)行擴(kuò)展。例如：[X]補(bǔ)=0101，擴(kuò)展成8位后表示為00000101[X]補(bǔ)=1101，擴(kuò)展成8位后表示為11111101原碼：短整數(shù)原碼可以擴(kuò)展成長(zhǎng)整數(shù)原碼，擴(kuò)展時(shí)符號(hào)位不變，其余位以0來(lái)擴(kuò)充。例如：[X]原=0101，擴(kuò)展成8位后表示為00000101[X]原=1101，擴(kuò)展成8位后表示為100001011.4.2算術(shù)運(yùn)算1.5計(jì)算機(jī)數(shù)字電路1.5.1邏輯代數(shù)1.5.2門(mén)電路1.5.3典型邏輯器件什么是邏輯代數(shù)？1.5.1邏輯代數(shù)

邏輯代數(shù)是由邏輯變量集、常量“0”、“1”及“與”、“或”、“非”等運(yùn)算符號(hào)所構(gòu)成的代數(shù)系統(tǒng)。1.邏輯“與”運(yùn)算1.5.1邏輯代數(shù)

邏輯“與”運(yùn)算又稱為邏輯乘運(yùn)算，運(yùn)算符號(hào)有╳、?、∧和AND等幾種表達(dá)形式。例題，設(shè)A=(10101001)2，B=(11000011)2，求Y=A╳B。10101001╳

1100001110000001所以，Y=(10000001)2。2.邏輯“或”運(yùn)算1.5.1邏輯代數(shù)

邏輯“或”運(yùn)算又稱為邏輯加法，“或”運(yùn)算產(chǎn)生兩個(gè)邏輯變量的邏輯和，運(yùn)算符號(hào)有＋、∨和OR等幾種