1、第1章 计算机基础知识,1-2,一、什么是计算机计算机是一种能对各种信息进行存储和高速处理的工具或电子机器。对上述定义要强调两点：计算机不仅是一个计算工具，而且还是一个信息处理机。计算机不同于其它任何机器，它能存储程序，并按程序的引导自动存取和处理数据，输出人们所期望的信息。,1.1 计算机概述,1-3,二、计算机的发展史1.电子计算机的诞生1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利和工程师埃克特为首的数十人共同开发了世界上第一台通用数字电子计算机(ENIAC)。,1.1 计算机概述,1-4,Electronic Numerical Integrator And Calculator简称
2、ENIAC，译为电子数字积分机和计算机,电子管:18000只 电阻:70000个 电容:10000只 继电器:1500个 耗电:140kW/h 占地:170m2 重量:30吨 速度:5000次/秒,1.1 计算机概述,1-5,ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。当ENIAC公开展出时，一条炮弹的轨道用20s 就能算出来，比炮弹本身的飞行速度还快。,1949：EDSAC(英国剑桥大学) 1951：EDVAC(美国宾夕法尼亚大学),1.1 计算机概述,1-6,2.计算机的发展阶段,1.1 计算机概述,1-7,第五代计算机(新一代计算机) 创新：基本元器件,1.1 计算机概述,1-8,3.计算机的发
3、展趋势,1.1 计算机概述,1-9,三、计算机的分类1.按计算机用途分类通用计算机：为了能够解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。它具有一定的运算速度和存储容量，带有通用的外设，配备各种系统软件和应用软件。专用计算机：为了解决一个或一类特定问题而专门设计的计算机。其软硬件的配置依据解决问题的需要而定。,1.1 计算机概述,1-10,2.按处理对象分类数字式电子计算机：处理非连续变化的数据，这些数据在时间上是离散的。其基本运算部件是数字逻辑电路。模拟式电子计算机：处理连续变化的数据，这些数据在时间上是连续的。其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器和通用函数运算器等组成。混合式电
4、子计算机：可处理数字量和模拟量,1.1 计算机概述,1-11,3.按规模和处理能力分类(IEEE)巨型机：超级计算机,功能最强,价格最贵。小巨型机：与巨型机相比，价格大幅降低。大型机：主机，具有很强的管理和处理数据的能力，在大企业、银行等单位使用。小型机：中小企业，VAX-II, DJS-2000。工作站：高档微机，具有很强的图形处理能力，应用于计算机辅助设计，Sun工作站。个人计算机：IBM PC，Apple,1.1 计算机概述,1-12,四、计算机的特点1.运算速度快：每秒数万亿次，气象预报2.计算精度高：理论上不受限制，圆周率3.存储能力强：中等规模图书馆4.具有逻辑判断能力：算术运算逻
5、辑运算判断或比较5.具有自动执行能力：无需人工干预,1.1 计算机概述,1-13,五、计算机的应用领域1.科学计算或数值计算利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。实际问题数学模型计算量大。2.数据处理或信息处理指对数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、检索和传播等一系列活动的统称。信息时代海量数据的管理和有效利用。,1.1 计算机概述,1-14,3.过程控制或实时控制利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。无人自动化工厂。4.计算机辅助技术计算机辅助设计：CAD计算机辅助制造：CAM计算机集成制造系统-CIMS计算机辅助教学：CAI
6、,1.1 计算机概述,1-15,5.人工智能利用计算机模拟或部分模拟人的智能活动，如感知、判断、理解、学习、图像识别等。实用技术：智能机器人、专家系统6.通信网络Internet网上银行、网上订票网上教学、网上医疗网上税收、网上出版,1.1 计算机概述,1-16,一、数制及其转换1.什么是数制数制是用一组固定的数码和一套统一的规则来表示数目的方法。非进位记数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关。典型的非进位记数制是罗马数字，例如罗马数字中:,进位记数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置有关。例如，十进制数 123.45,1.2 计算机运算基础,1-17,进位记数制的要素：基数：指各种进
7、位记数制中允许选用基本数码的个数。例如十进制的数码有：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9基数是10位权：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值。例如：123.41102+2101+3100 +410-1,1.2 计算机运算基础,1-18,2.几种进位记数制,几种进位计数制的对应关系,1.2 计算机运算基础,1-19,几种进制数之间的对应关系,1.2 计算机运算基础,1-20,3.不同进制数的相互转换二进制数与十进制数的互换人十进制，计算机二进制二进制数转换成十进制数按权展开，然后求和，就可把二进制数转换成十进制数。例如：(101.1)21*22+0
8、*21+1*20+1*2-1( ? )10,1.2 计算机运算基础,1-21,十进制数转换成二进制数十进制数有整数和小数两部分。在转换时，整数部分采用除2取余法小数部分采用乘2取整法然后通过小数点将转换后的二进制数连接起来即可。例如：(105.625)10=(?)2,1.2 计算机运算基础,1-22,二进制数与八进制数的互换二进制数转换成八进制数三位并一位：以小数点为基准，整数部分从右到左，小数部分从左到右，每三位一组，不足三位添0补足,然后把每组的三位二进制数按权展开后相加，得到相应的一位八进制数码，再按权的顺序连接即得相应的八进制数。例如：(1011100.00101011)2=(?)8(
9、001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8 1 3 4 . 1 2 6,1.2 计算机运算基础,1-23,八进制数转换成二进制数一位拆三位：将每一位八进制数写成对应的三位二进制数，然后按权连接即可。例如： (123.67)8=(?)21 2 3 . 6 7 (八进制)001,010,011.110111 (二进制)(123.67)8=(1010011.110111)2,1.2 计算机运算基础,1-24,二进制数与十六进制数的互换二进制数转换成十六进制数四位并一位：以小数点为基准，整数部分从右到左，小数部分从左到右，每四位一组，不足四位添0补足,然后把每组的四位二进
10、制数按权展开后相加，得到相应的一位十六进制数码，再按权的顺序连接即得相应的十六进制数。 例如：(1011110.00011)2=(?)16 (0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16 5 E . 1 8,1.2 计算机运算基础,1-25,十六进制数转换成二进制数一位拆四位：把一位十六进制数写成对应的四位二进制数，然后按权连接即可。例如：(123.EF)16=(?)2 1 2 3 . E F (十六进制) 0001,0010,0011.1110,1111 (二进制)(123.EF)16=(100100011.11101111)十进制数:512D或512 二进制数:1011B
11、八进制数:127Q 十六进制数:A8H,1.2 计算机运算基础,1-26,4.计算机为什么采用二进制电路简单：计算机是由逻辑电路组成，而逻辑电路通常只有两个状态。可靠性高：两个状态表示的二进制两个数码，数字传输和处理不容易出错。运算简单：二进制运算法则简单。逻辑性强：计算机工作原理是建立在逻辑运算基础上的，逻辑代数是逻辑运算的理论依据。,1.2 计算机运算基础,1-27,二、数据的存储单位1.位(bit，b)位是计算机存储数据的最小单位，一个二进制位只能表示两种状态，如0、1。2.字节(Byte，B)字节是数据处理的基本单位，一个字节是由八位二进制数组成。1Byte=8bit 01000001
12、存储器容量大小的单位：KB、MB、GB。,1.2 计算机运算基础,1-28,1KB2101024B1MB210210102410241048576B1GB210210210102410241024 1073741824B3.字(Word)字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节组成。字长越长，计算机性能越强。常用的字长：8位、16位、32位、64位等。,1.2 计算机运算基础,1-29,三、计算机中数的表示1.机器数与真值数值型数据(符号数字)数码化规定：0，1例如：(+68)10(01000100)2(-68)10(11000100)2机器数：将符号
13、和数字组合的二进制数真值：由机器数所表示的实际值大小,1.2 计算机运算基础,1-30,2.原码、反码和补码原码规定：用符号位和数值位表示一个带符号数正数符号0，负数符号1例如：求二进制数+10011，-10011的原码。+10011原00010011-10011原10010011又如：求十进制数+65，-66的原码。,1.2 计算机运算基础,1-31,零的原码形式有两种：+0原00000000-0原10000000原码表示数的范围：8位：-127+12716位：-32767+32767用原码表示一个数，与真值之间转换方便。对乘除法比较合适，但对加减法容易出错。,1.2 计算机运算基础,1-3
14、2,反码规定：正数的反码与原码相同，负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反。例如：求二进制数+10011，-10011的反码。+10011反00010011-10011反11101100零的反码形式有两种：+0反00000000-0反11111111,1.2 计算机运算基础,任意数的反码的反码即是原码本身,1-33,补码规定：正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，末位加1.例如：求二进制数+10011，-10011的反码。+10011补00010011-10011补11101101零的原码形式有两种：+0补00000000-0补00000000,1.2 计算机运
15、算基础,任意数的补码的补码即是原码本身,1-34,补码表示数的范围：8位：-128+12716位：-32768+32767引入补码后，减法运算可转换为加法运算。X+Y补X补+Y补X-Y补X+(-Y)补X补+-Y补例如：用补码计算十进制数 33-65?目前计算机中加减法基本采用补码运算。,1.2 计算机运算基础,1-35,总结一个正数的原码、反码和补码的表示形式相同，符号位置0，其它位是数的真值。,真值零的表示：,1.2 计算机运算基础,1-36,3.定点数与浮点数定点数定点数是小数点位置固定的数。根据小数点隐含固定位置不同，可分为：定点小数：定点整数：例如：-1011011的补码表示为,1.2
16、 计算机运算基础,1-37,浮点数浮点数是小数点位置不固定，根据需要而浮动的数。它既有整数部分又有小数部分。,1.2 计算机运算基础,阶码：补码定点整数，表示该数小数点位置 尾数：补码定点小数，表示数据的有效位数 数的范围：-12127(1-2-23)2127,1-38,四、计算机中信息编码1.ASCII码American Standard Code for Information Interchange (ASCII，美国标准信息交换码)。国际通用的信息交换标准代码(ISO 646)。ASCII码是对数字、字母、通用符号和控制符号等字符进行编码。ASCII码：7位128种 000000011
17、11111,1.2 计算机运算基础,1-39,ASCII码表(7位),高三位 b6b5b4,低四位 b3b2b1b0,1.2 计算机运算基础,1-40,例将China五个字 符的ASCII码查出并 存放在内存中。,1.2 计算机运算基础,ASCII码的字符集：10个数字：0,1,2,3,4,5,6,7,8,952个大、小写字母25个特殊字符比较大小：09AZaz,1-41,2.汉字编码汉字处理技术：汉字输入、汉字输出、计算机内部的编码问题。根据汉字处理过程中的不同要求，有多种编码形式。,1.2 计算机运算基础,1-42,汉字输入码作用：让用户直接使用标准键盘输入汉字。特点：规则简单，重码率低，
18、击键次数少。分类：数字编码电报码、区位码等字音编码全拼、双拼等字形编码五笔字型、郑码等混合编码自然码、智能ABC等,1.2 计算机运算基础,1-43,汉字交换码在汉字信息处理系统与通信处理系统之间进行汉字信息交换时所使用的编码。设计汉字交换码编码体系要考虑：被编码的汉字个数尽量多；编码的长度尽可能短；编码具有唯一性；码制的转换要方便。,1.2 计算机运算基础,按照国家标准GB/T- 2312-1980编码的汉 字交换码国标码.,1-44,国家标准GB/T 2312-1980：信息交换用汉字编码字符集-基本集一级汉字3755个(按拼音排序)二级汉字3008个(按部首排序)字母、数字和特殊图形记号
19、等国标码规定：一个汉字采用两个字节来表示,1.2 计算机运算基础,图形字符 (7445个),例如：啊区位码1601国标码区位码+32324833,1-45,汉字机内码汉字机内码是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。目前我国使用的内码是国标码高位置1。,1.2 计算机运算基础,汉字机内码汉字国标码8080H例如：啊机内码3021H+8080HB0A1H,1-46,又如：“中国”汉字机内码？,通过Debug查看汉字机内码：,1.2 计算机运算基础,1-47,汉字字形码字形码是一种用点阵表示汉字字形的编码，它主要用于汉字输出(打印、显示等)时产生的汉字字形。点阵大小类型：1616、
20、24243232、4848以上汉字库：一个汉字系统所允许使用的全部汉字的汉字字形编码的集合。,1.2 计算机运算基础,1-48,例如：把一个方块横向和纵向都分为16格。若用1表示黑点，用0表示白点，则1616的点阵汉字可用256位二进制数来表示，占用32B。汉字“宝”的1616点阵数字化信息：,02H 00H 01H 04H 7FH FEH 40H 04H 80H 08H 00H 00H 3FH F8H 01H 00H 01H 00H 1FH F0H 01H 00H 01H 40H 01H 20H 01H 20H 7FH FCH 00H 00H,1.2 计算机运算基础,1-49,1.3 逻辑代
21、数与逻辑电路,一、逻辑代数基础1.逻辑变量和逻辑函数逻辑变量：这种具有逻辑属性的变量。逻辑函数：随逻辑变量的变化而改变。表示方法：逻辑表达式、真值表、卡诺图,A 取值：0、1 B 取值：0、1 Y 取值：0、1,1-50,1.3 逻辑代数与逻辑电路,2.基本逻辑运算与运算：Y=AB或运算：Y=A+B非运算：Y=A,1-51,1.3 逻辑代数与逻辑电路,3.逻辑代数的基本定律,1-52,二、基本逻辑电路1.与门电路实现逻辑乘法功能的电路逻辑表达式是：F=AB当A=B=1F=1，否则F=02.或门电路实现逻辑加法功能的电路逻辑表达式是：F=A+B当A=B=0F=0，否则F=1,1.3 逻辑代数与逻
22、辑电路,1-53,3.非门电路实现逻辑取反功能的电路逻辑表达式是：F=A当A=0F=1；当A=1F=04.与非门电路由与门、非门组合的电路逻辑表达式是：F=AB当A=B=1F=0，否则F=1,1.3 逻辑代数与逻辑电路,1-54,1.3 逻辑代数与逻辑电路,5.异或门电路由与门、或门、非门组合的逻辑电路逻辑表达式是：F=AB+AB当A=B=0或1F=0，否则F=1,与、或、非门电路的不同组合，就可设计复杂的数字逻辑电路。如： 实现数制转换的译码器； 执行算术运算的加法器。,1-55,1.3 逻辑代数与逻辑电路,三、逻辑电路举例 例分析逻辑电路，写出逻辑表达式和真值表。,1-56,1.3 逻辑代
23、数与逻辑电路,解写出逻辑表达式列出真值表,1-57,1.3 逻辑代数与逻辑电路,例设计半加器。 解输入Ai、Bi；输出和Si、进位Ci绘出真值表写出逻辑表达式Si=AiBi+AiBiCi=AiBi画出逻辑电路图,1-58,1.4 图灵机与冯诺依曼机,一、图灵机1.直观描述图灵机的计算装置：一条两端可无限延长的带子，一个读写头，一组控制指令。,读写头可以沿带子方向左右移动，并可以在每个方格上进行读写。,1-59,1.4 图灵机与冯诺依曼机,带子上的符号为一个有穷字母表： S0,S1,S2,Sp通常仅有S0、S1两个字符，其中： S00，S11这可加深对布尔值、二进制机器的理解。机器的控制状态：
24、q1,q2,qn图灵机的初始状态设为q1,结束状态设为qn,1-60,1.4 图灵机与冯诺依曼机,五元组指令集合： (qiSjSkR(LN)qn)qi表示机器目前所处的状态； Sj表示机器从方格中读入的符号； Sk表示机器用来代替Sj写入方格的符号； R,L,N表示右移一格,左移一格,不移动； qn表示下一步机器的状态。一个给定机器的程序是机器内的五元组形式的指令集，它定义了机器在特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。,1-61,1.4 图灵机与冯诺依曼机,2.工作原理机器从给定带子上的某起点出发，其动作完全由其初始状态值及机内五元组指令集来决定。计算结果是从机器停止时带子上的信息得到。指
25、令死循环：q1S2S2Rq3q3S3S3Lq1指令二义性：q3S2S2Rq4q3S2S4Lq6,1-62,1.4 图灵机与冯诺依曼机,3.应用实例例假设：b表示空格q1表示机器的初始状态q4表示机器的结束状态如果带子上的输入信息为10100010，读写头位对准最右边第一个为0的方格，且状态为q1。按照以下五元组指令集执行后，输出正确的计算结果是什么？,1-63,1.4 图灵机与冯诺依曼机,指令集 q101Lq2 q110Lq3 q1bbNq4 q200Lq2 q211Lq2 q2bbNq4 q301Lq2 q310Lq3 q3bbNq4,计算函数是：S(x)=x+1,1-64,1.4 图灵机与
26、冯诺依曼机,例图灵机Mz：其中Q=q1,q2,qf五元组指令集为：q110Rq1q100Lq2q201Nqf求Mz对任何一串“1”的作用是什么？,仅留下最后一个“1”,1-65,1.4 图灵机与冯诺依曼机,二、冯诺依曼型计算机重要思想：存储程序、二进制1.冯诺依曼机的特征计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成；计算机中采用二进制来表示指令和数据；采用存储程序方式，计算机能自动逐条取出指令并执行程序。,1-66,1.4 图灵机与冯诺依曼机,2.冯诺依曼机工作原理先将程序(一组指令)和数据存入计算机，启动程序就能按 照程序指定的 逻辑顺序把指 令读取并逐条 执行，自动完
27、成指令规定的 操作。,1-67,1.5 计算机结构及工作原理,一、计算机的硬件结构以运算器为中心的存储程序式计算机模型。,1-68,1.5 计算机结构及工作原理,1.运算器运算器是对数据进行加工处理的部件。在控制器的操纵下，它与内存交换数据，负责算术运算、逻辑运算和移位运算等。2.控制器控制器负责对指令进行分析和判断，发出控制信号，使计算机各部件协调工作，确保系统的自动运行。,运算器控制器中央处理单元(CPU),1-69,3.存储器存储器是存放大量程序和数据的部件。分类：内部存储器、外部存储器特点：内存存取速度快、存储容量小外存存取速度慢、存储容量大4.输入设备输入设备是用来接受用户输入的原始
28、数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式存放的内存中。,1.5 计算机结构及工作原理,1-70,常用的输入设备有：键 盘、鼠标器 扫描仪、麦克风5.输出设备输出设备是将计算机处理过的信息以人们所能接受的形式表示出来。常用的输出设备有：显示器、打印机 绘图仪、音箱等,1.5 计算机结构及工作原理,运算器控制器内存储器主机 输入设备输出设备外部设备,1-71,1.5 计算机结构及工作原理,二、计算机的工作原理1.指令和程序指令：能被计算机识别的命令。它是硬件可执行的、完成一个基本操作所发出的命令。指令格式：,指令系统：计算机能识别所有指令的集合。程序：指用户根据某一问题的解决步骤，选用一组指令
29、进行有序排列的集合。,1-72,1.5 计算机结构及工作原理,2.计算机的工作过程举例说明：计算 7+2=? 文字描述的计算程序,计算程序的简写形式,指令操作码表,操作数存放单元,用二进制表示的计算程序,存储器布局,1-75,1.5 计算机结构及工作原理,三、计算机的层次结构,操作系统向下控制硬件，向上支持其他软件。即操作系统把用户与物理机器隔开，凡是对机器的操作一律转化为操作系统的调用。,1-76,1.5 计算机结构及工作原理,四、计算机的性能指标1.字长字长是计算机CPU能直接处理二进制数据的位数，它决定了系统数据总线的位数。字长位数越多，计算精度越高，但硬件成本也越高。目前计算机字长一般
30、分为8位、16位、32位、64位不等。2.运算速度与主频、执行具体指令、内存速度等有关。,1-77,时间频率：计算机时钟频率(主频)。指令执行速度MIPS：百万条指令/秒 MIPS指令条数/(执行时间106)指令通常指加减运算等短指令。核心程序法：,1.5 计算机结构及工作原理,整数测试程序-Dhrystone 浮点测试程序-Linpack Whetstone基准测试程序 SPEC基准测试程序,基准程序,1-78,3.存储容量存储器容量：主存容量、辅存容量。存储容量越大，存放的信息就越多，处理能力就越强。4.外部设备配置外部设备配置是指主机所配置的外部设备的数量以及各种设备的性能指标。5.软件配置另外，还要考虑计算机的可靠性、可维护性、兼容性、安全性和性能价格比等。,1.5 计算机结构及工作原理,
