1、計(jì)算機(jī)組成原理,主講：張凱 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 20072008學(xué)年度,任課教師,張凱 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 主講計(jì)算機(jī)組成原理匯編語言計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)Auto-CAD技術(shù)多媒體課件制作 聯(lián)系地址：教師樓一棟105室 手機(jī)：Email: 教學(xué)資源網(wǎng)站：80/zk,有關(guān)本門課程的介紹,計(jì)算機(jī)組成原理這門課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的核心課程，在升本考試、自學(xué)考試，甚至研究生入學(xué)考試中都是必考科目，它聯(lián)系的范圍非常廣泛，涉及到電子電路，匯編語言，程序設(shè)計(jì)，單片機(jī)接口技術(shù)等方面，是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)課程。 湛江師范學(xué)院校本部招收專科升本科的入學(xué)

2、考試明確規(guī)定組成原理為考試科目。,有關(guān)教材的介紹,該教材就是校本部招收本科生的考試教材，根據(jù)我五年來的分析和觀察，80的考點(diǎn)都能估中，另有20%的考點(diǎn)不在本書中，上課的時(shí)候會(huì)補(bǔ)充進(jìn)來，希望大家注意上課的時(shí)候老師的板書，做好相關(guān)的筆記。 該教材每章后的練習(xí)題比較好，難度適中，符合教學(xué)大綱的要求。希望同學(xué)們能自己主動(dòng)地在上課之前動(dòng)手做一做，上課時(shí)再聽老師講解。,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述,重點(diǎn)與考點(diǎn)：1、馮-諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（原理、組成、特點(diǎn)）2、進(jìn)制運(yùn)算與轉(zhuǎn)換（二進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制、模運(yùn)算）3、機(jī)器數(shù)與編碼（原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼、特別是求Y的補(bǔ)碼運(yùn)算）,第二章 存儲(chǔ)系統(tǒng),重點(diǎn)與

3、考點(diǎn)： 1、分級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（三級(jí)存儲(chǔ)體系機(jī)構(gòu)、局部訪問性原理、虛擬存儲(chǔ)器）2、主存儲(chǔ)器3、Cache存儲(chǔ)器4、輔助存儲(chǔ)器中的運(yùn)算（密度、容量、尋址時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸率）5、硬盤的尋址,第三章 輸入輸出及其控制,重點(diǎn)與考點(diǎn)：1、外部設(shè)備的基本工作原理（打印機(jī)和顯示器的工作原理）2、四種傳輸控制方式（直接傳送控制、中斷控制、DMA控制、通道控制）3、接口技術(shù)（多端口傳輸技術(shù)）,第四章 總線系統(tǒng),重點(diǎn)與考點(diǎn)：1、總線的分類（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）2、幾種系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)（ISA總線、EISA總線、PCI總線、AGP）3、幾種設(shè)備總線標(biāo)準(zhǔn)（串口、IDE、SCSI、USB、IEEE1394）,第五章

4、CPU處理器,重點(diǎn)與考點(diǎn)： 1、 匯編語言基礎(chǔ)知識(shí)（14個(gè)16位的寄存器、尋址方式、匯編語言的元素、匯編語言程序設(shè)計(jì)）2、微程序控制器（微程序控制器的組成、原理結(jié)構(gòu)圖、各組成部分的特點(diǎn)）,第一章:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述,Neumann計(jì)算機(jī)體系的確立 Neumann計(jì)算機(jī)的工作過程 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)中進(jìn)制運(yùn)算與轉(zhuǎn)換 機(jī)器數(shù)與編碼,一、Neumann計(jì)算機(jī)體系確立,人類使用工具的進(jìn)步機(jī)械工具棍子、機(jī)器（四肢）測試工具各種儀器聲納（五官）計(jì)算工具手指石頭貝殼算盤、計(jì)算機(jī)（大腦）。思考：“電腦”會(huì)取代人類統(tǒng)治世界嗎？ 計(jì)算器的發(fā)展手工時(shí)代機(jī)械時(shí)代電子時(shí)代,接上頁,Neumann體系結(jié)構(gòu)原理美

5、籍科學(xué)家馮諾依曼提出以二進(jìn)制原理和程序存儲(chǔ)控制原理為核心的通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)原理。 二進(jìn)制原理1）通常所見的是十進(jìn)制原理。2）二進(jìn)制在計(jì)算機(jī)中運(yùn)用是因?yàn)殡娮釉骷挥虚_（高電平）和關(guān)（低電平）兩種狀態(tài)，所以可以用1和0來表示。,接上頁,程序存儲(chǔ)控制原理基本思想：計(jì)算機(jī)要完成自動(dòng)解題任務(wù)，必須把事先設(shè)計(jì)的，用以描述計(jì)算機(jī)解題過程的程序和數(shù)據(jù)記住，然后再按照程序規(guī)定的步驟控制計(jì)算機(jī)的工作過程。 注意：這兩個(gè)基本原理是第一章非常重要的知識(shí)點(diǎn)。,正確評(píng)價(jià)馮諾依曼的貢獻(xiàn) （John Louis von Neumann 1903-1957）,馮諾依曼是大名鼎鼎、成就卓著的科學(xué)家。在現(xiàn)代數(shù)學(xué)、量子物

6、理學(xué)、邏輯學(xué)、氣象學(xué)、軍事學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、決策論、博弈論以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科做出了重大貢獻(xiàn)。,計(jì)算機(jī)的五大功能和特點(diǎn),1、計(jì)算機(jī)的五大功能 1)輸入輸出（I/O）功能 2)記憶功能 3)計(jì)算功能 4)邏輯判斷功能 5)自我控制能力 2、Neumann計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)計(jì)算過程自動(dòng)化，有記憶功能，速度快，精確度高。,Neumann計(jì)算機(jī)的基本組成P20,I/O設(shè)備包括：打印機(jī)、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、掃描儀、光電筆、觸摸屏、條形碼閱讀器等。 中央處理部件（CPU）包括：運(yùn)算器、控制器、寄存器 存儲(chǔ)器包括：內(nèi)存儲(chǔ)器小快貴，半導(dǎo)體器件 外存儲(chǔ)器大慢便宜，磁材料器件特點(diǎn)：1）可擦寫可覆蓋；2）線性地址3）容量、價(jià)格、存取

7、速度是三大指標(biāo)。,接上頁,Neumann計(jì)算機(jī)以CPU為中心的體系結(jié)構(gòu),輸入設(shè)備,控制器,運(yùn)算器,存儲(chǔ)器,輸出設(shè)備,CPU,特別提醒（重點(diǎn)）,問： Neumann計(jì)算機(jī)的基本組成？答： Neumann計(jì)算機(jī)由五大部分組成，分別是運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲(chǔ)器。 問： Neumann計(jì)算機(jī)的基本組成及各組成部分的基本特點(diǎn)？并畫出其原理圖。答：組成（略）；運(yùn)算器是用來分析和處理數(shù)據(jù)的；控制器是用來協(xié)調(diào)控制軟硬件資源的；輸入輸出設(shè)備是用來輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果的；存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的。,二、Neumann計(jì)算機(jī)工作過程,什么叫程序？什么叫指令？P24 a + | b | = 程序流程

8、圖的繪制，是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)功夫，但大多初學(xué)者偷懶，不愿畫圖，不能做好編程前重要的一個(gè)準(zhǔn)備工作。,a + b 當(dāng)b = 0時(shí),a b 當(dāng)b 0 時(shí),程序設(shè)計(jì)流程圖,a + |b| = ? 的流程圖 P30,流程圖的繪制是計(jì)算機(jī)編程的前期準(zhǔn)備工作,注意：1、流程圖的繪制方法。2、流程圖中的圖形各表示什么意義。,開始,Aa,Bb,B=0,yes,no,a - b,a + b,結(jié)束,輸出,存數(shù),表明已知條件,表明判斷條件,三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成,計(jì)算機(jī)的軟件和硬件硬件就是看得見摸得著的實(shí)體人的軀體軟件就是摸不著，但必不可少，對(duì)硬件起支撐作用的部分。人的靈魂 所以，一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括兩個(gè)部分

9、：硬件部分與軟件部分。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如下頁所示：,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖,硬件部分與軟件部分,計(jì)算機(jī)系統(tǒng),硬件部分,軟件部分,外設(shè),主機(jī),系統(tǒng)軟件,用戶服務(wù)軟件,系統(tǒng)維護(hù)軟件,總線與硬件體系結(jié)構(gòu),總線（BUS），計(jì)算機(jī)各部件之間的連接線路，主要體現(xiàn)在主板、內(nèi)存、顯卡等各類板卡上，當(dāng)前的計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)主要分為三類：,數(shù)據(jù)總線 DB,地址總線 AB,控制總線 CB,CPU,內(nèi)存條,網(wǎng)卡,顯卡,總線,總線,IBMPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu),CPU是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部件，CPU的發(fā)展帶動(dòng)著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 IBM公司，著名的美國計(jì)算機(jī)產(chǎn)商，在業(yè)界有“藍(lán)色巨人”之稱，其生產(chǎn)的機(jī)器通常是一系列的。 Inter

10、公司，主要以生產(chǎn)CPU著稱，此外還有AMD、VIA、“中國芯” 等CPU芯片。 Inter 8086/8088 (8位機(jī))學(xué)習(xí)機(jī)，游戲機(jī)Inter 80286 (16位機(jī))對(duì)8086的改進(jìn)Inter 80386/486/586 (32位機(jī))Pentium奔騰,接上頁,主板：提供計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的接口 軟件：,操作系統(tǒng),MS-DOS UC-DOS CC-DOS,WINDOWS系列,UNIX LINUX,用戶服務(wù),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件,事務(wù)處理軟件,程序設(shè)計(jì)軟件,系統(tǒng)維護(hù),殺毒軟件,PCTools,計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo),CPU字長精確度 主頻率運(yùn)算速度 主存容量處理問題的能力 軟硬件配置與性價(jià)比經(jīng)濟(jì)效益 RA

11、SIS特性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能 兼容性通用性 說明：以上是計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)以及與之相關(guān)的特點(diǎn)。,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與趨勢,電子元器件的進(jìn)步電子管晶體管中小規(guī)模的集成電路大規(guī)模超大規(guī)模的集成電路 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展以CPU為中心的體系結(jié)構(gòu) 向 以存儲(chǔ)器為中心的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展。 高效率、開放性、多媒體、智能化、網(wǎng)絡(luò)化簡稱為“高、開、多、智、網(wǎng)”。,接上頁,以CPU為中心的體系結(jié)構(gòu) 以存儲(chǔ)器為中心的體系結(jié)構(gòu),CPU,I/O,主存儲(chǔ)器,I/O,輸入設(shè)備,控制器,運(yùn)算器,存儲(chǔ)器,輸出設(shè)備,CPU,存儲(chǔ)器,練習(xí)與思考,對(duì)于計(jì)算機(jī)你了解多少？你打算如何來學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程？ 在大學(xué)期間，你希望對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)掌握了哪些方面的

12、知識(shí)，你最感興趣的是哪個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)工程、硬件維護(hù)維修、軟件編程、電子商務(wù)或其它？ 將來畢業(yè)走出學(xué)校，你志向從事哪個(gè)方面的工作？,信息表示與運(yùn)算基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)中的進(jìn)制表示,二進(jìn)制,十進(jìn)制,八進(jìn)制,十六進(jìn)制,由0、1組成，逢二進(jìn)一,后綴為 B,由0、1、9組成，逢十進(jìn)一,后綴為 D,由0、1、7組成，逢八進(jìn)一,后綴為 Q 或O,后綴為 D,由0、1、9、ABCDEF組成，逢十六進(jìn)一,計(jì)算機(jī)中的基數(shù)與位權(quán),基數(shù) 就是指該進(jìn)制由多少個(gè)數(shù)組成 位權(quán) 就是指該進(jìn)制的 i 次方,二進(jìn)制 基數(shù)為2 ，位權(quán)為 2的i 次方,十進(jìn)制 基數(shù)為10，位權(quán)為10的i次方,八進(jìn)制 基數(shù)為8， 位權(quán)為8的i次方,十六進(jìn)制 基

13、數(shù)為16，位權(quán)為16的i次方,常規(guī)的二進(jìn)制規(guī)律,二進(jìn)制通常從右向左數(shù)為第0位，第一位，以此類推到第N位，有N+1位 和位權(quán)有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，以小數(shù)點(diǎn)分界1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 10.5 0.25 0.125 0.0625,第0位 2,第1位 2,二進(jìn)制與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換,二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制101.11101 B = ? D4+0+1+0.5+0.25+0.125+0+0.03125=5.90625 十進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制29.375 D ？ B29.375 D 11101.011 B,例子,29,2,14,1,2,7,0,2,1,3,2,1,1,29D = 1110

14、1 B 除2取余,0.375,2,0.75,2,2,1.5,0,1,1,1.0,1,0.375D = 0.011 B 乘2取整,0,.,二進(jìn)制的運(yùn)算法則,加法1110 101 000 減法110 101 乘法 除法,1）常規(guī)去乘除,2）利用移位去乘除，在匯編語言中講,八/十六進(jìn)制與二/十進(jìn)制互換,八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制規(guī)律：一位八進(jìn)制對(duì)應(yīng)3位二進(jìn)制如：八進(jìn)制的5 對(duì)應(yīng) 二進(jìn)制 101 八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制規(guī)律：利用八進(jìn)制的位權(quán)來計(jì)算如：八進(jìn)制56 十進(jìn)制 6*85*864046 十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制規(guī)律：一位十六進(jìn)制對(duì)應(yīng)4位二進(jìn)制如：十六進(jìn)制的5 對(duì)應(yīng) 二進(jìn)制 0101,接上頁,十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制

15、同樣的道理，也是利用位權(quán)來轉(zhuǎn)換如：十六進(jìn)制 56 十進(jìn)制 6*165*1668086 計(jì)算機(jī)中的進(jìn)制轉(zhuǎn)換最最簡單的方法你知道嗎？,二十進(jìn)制碼 BCD碼,原理：用四位二進(jìn)制來表示一位十進(jìn)制數(shù)如：3579 D 0011 0101 0111 1001 B 0011 0101 0111 1001 B 舉個(gè)例子4687 D = ? B,模運(yùn)算（MOD）,與常規(guī)的加減乘除的區(qū)別 在運(yùn)算上的區(qū)別（難點(diǎn)）參考P12規(guī)律：1）運(yùn)算時(shí)不考慮進(jìn)位和借位；2）實(shí)際上得到的結(jié)果為各列數(shù)相加后除以2得到的余數(shù)。,模2運(yùn)算,模2運(yùn)算：只看該列1的個(gè)數(shù)，是奇數(shù)個(gè)1，結(jié)果為1，是偶數(shù)個(gè)1，結(jié)果為0； 實(shí)際上是奇數(shù)個(gè)1相加除以2

16、到的余數(shù)為1；偶數(shù)個(gè)1相加得到的結(jié)果為0。 規(guī)律：1）運(yùn)算時(shí)不考慮進(jìn)位和借位；2）實(shí)際上得到的結(jié)果為各列數(shù)相加后除以2得到的余數(shù)。,接上頁,模2加,1110,1011,0101,模2減,1110,1011,0101,不考慮進(jìn)位,不考慮借位,模2乘,模2除,101,110,110,000,110,11110,10000,101,101,101,010,000,100,101,01,余數(shù),10000/101=10101,商,機(jī)器數(shù),有符號(hào)數(shù)與無符號(hào)數(shù)的區(qū)別無符號(hào)數(shù)1111B15有符號(hào)數(shù)1111B7 無符號(hào)數(shù)=有符號(hào)數(shù)，但相同位數(shù)的情況下，二者表示的數(shù)的范圍大小是相同的。注意：有符號(hào)數(shù)中 0和0是有

17、區(qū)別的。 真值與機(jī)器數(shù)（原碼）真值 機(jī)器數(shù)1011 010111011 11011,用0 正號(hào) ,用1 負(fù)號(hào) ,接上頁,兩個(gè)數(shù)加法運(yùn)算出現(xiàn)的情況正數(shù)正數(shù)符號(hào)位不變正數(shù)負(fù)數(shù)符號(hào)位取決于負(fù)數(shù)的絕對(duì)值負(fù)數(shù)負(fù)數(shù)符號(hào)位肯定為兩位問題出現(xiàn)了。在計(jì)算機(jī)中，只能有1位符號(hào)位 為了解決以上出現(xiàn)的問題，在計(jì)算機(jī)中引入了反碼和補(bǔ)碼的概念。,反碼,正數(shù)的反碼令X1011 【X】原01011則【X】反 【X】原01011 負(fù)數(shù)的反碼令X1011 【X】原11011 則【X】反10100 說明：負(fù)數(shù)的反碼，是保持符號(hào)位不變，其它數(shù)值部分按位取反。,反碼的運(yùn)算,令X0.1101，Y0.0001，求X+Y？ 【X】原1.11

18、01 【Y】原1.0001 【X】反1.0010 【Y】反1.1110【Y】反1.1110 11.0000,1,1.0001,【X+Y】反=1.0001,【X+Y】原=1.1110,X + Y =0.1110,補(bǔ)碼,正數(shù)的補(bǔ)碼令X1011 【X】原01011則【X】補(bǔ) 【X】原 【X】反 01011 負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼令X1011 【X】原11011 【X】反10100 則【X】補(bǔ) 10101 說明：負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼，是保持符號(hào)位不變，其它數(shù)值部分按位取反，然后再末尾加1。,補(bǔ)碼的運(yùn)算,令X0.1101，Y0.0001，求X+Y？ 【X】原1.1101 【Y】原1.0001 【X】反1.0010 【Y】反1

19、.1110 【X】補(bǔ)1.0011 【Y】補(bǔ)1.1111則： 【X】補(bǔ)1.0011 【Y】補(bǔ)1.1111 11.0010,進(jìn)位舍去,【X+Y】補(bǔ)=1.0010,【X+Y】反=1.0001,X + Y = 0.1110,【X+Y】原=1.1110,求Y的補(bǔ)碼（非常重要）,已知X1100，Y1011，求XY？思路： XY X（Y）1）求出X的補(bǔ)碼2）求出Y的補(bǔ)碼把Y的補(bǔ)碼包括符號(hào)為在內(nèi)全部取反再在末尾加1Y的補(bǔ)碼 3）最后X的補(bǔ)碼（Y ）的補(bǔ)碼，還原成為真值XY？得到結(jié)果。,數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)檢測,奇偶校驗(yàn)碼（略） 海明碼（略） CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（重點(diǎn)）1）根據(jù)已知條件求CRC碼2）校驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

20、是否出錯(cuò) 以上?？?分的計(jì)算題（5分2分）,CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（步驟）,1）已知有效信息M(X)，可以表達(dá)為一個(gè)多項(xiàng)式 2）已知生成多項(xiàng)式G(X)，由G(X)的位數(shù)1求出K值。 3）用M(X)*X / G(X) 商余數(shù)R(X)注意：這里是模2除；余數(shù)的位數(shù)和K值一致 4）CRC碼 M(X)*X R(X) 差錯(cuò)校驗(yàn)5）CRC碼/G(X) ,K,K,0 數(shù)據(jù)傳輸正確,不為0 數(shù)據(jù)傳輸有誤,求CRC碼,例118 ：對(duì)4位有效信息1100作循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，選擇生成多項(xiàng)式G(X)為1011（K3）步驟一：M(X)1100步驟二：G(X)1011 K3步驟三： M(X)*X / G(X) 1100000

21、/1011 1110.010 R(X) 010 注意R(X) 的位數(shù)和K一致步驟四：CRC碼 M(X)*X R(X) 1100010 差錯(cuò)校驗(yàn) CRC碼/G(X)1100010/1011 1110.000 R(X)000，所以傳輸無錯(cuò)。,K,K,練習(xí),已知有效信息碼為1001，而G(X)生成多項(xiàng)式為X X 1，求有效信息的CRC碼？并檢測結(jié)構(gòu)是否有誤差？ 已知X=11001，Y10110，求XY？,3,補(bǔ)充的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn),移碼移碼是在補(bǔ)碼的基礎(chǔ)上，將符號(hào)位取反。如：X的補(bǔ)碼11010，則X的移碼01010 幾個(gè)典型數(shù)據(jù)的編碼P7 表格 12所示。127、127、0、0、1、1、128注意：1）原碼、反碼的0、0是不同的。2）補(bǔ)碼、移碼的0、0是相同的，但只有補(bǔ)碼的0、0唯一等于0。3）求8位二進(jìn)制數(shù)128的補(bǔ)碼采用 128 127 1的方法求。,ASCII碼,ASCII碼（美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼） 由