计算机的基础知识.ppt

第一章计算机的基础知识,计算机与软件学院赵涓涓阎宏印林福平,计算机硬件技术基础,第一章计算机的基础知识,本章主要内容1.1计算机发展概述1.2微型计算机系统的组成1.3微机硬件系统结构基础1.4微机的工作原理与程序执行过程1.5计算机的运算基础,计算机硬件技术基础,1.1计算机发展概述,从微电子器件的发展看电子计算机的发展史电子管特点：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、可靠性差。半导体晶体管特点：体积小、功耗低、可靠性高。包括双极型晶体管和场效应晶体管。集成电路芯片(IC:IntegratedCircuits)特点：速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高等。,计算机硬件技术基础,IC集成度分类：SSI（小规模集成电路）晶体管数100个以下MSI（中规模集成电路）晶体管数1003000个LSI（大规模集成电路）晶体管数3000105个VLSI（超大规模集成电路）晶体管数105108个ULSI（甚大规模集成电路）晶体管数以上目前的P4集成度超过108,从微电子器件的发展看电子计算机的发展史,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展简史,1.电子管计算机（1946-1957）体积大、耗电量大、可靠性差存储量小，使用磁鼓作为外存穿孔卡片作为输入、输出没有系统软件，后期使用汇编语言编程典型代表：1946年ENIAC1946年美国高级研究院IAS计算机1953年IBM（InternationalBusinessMachines)701,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展简史,运算速度为每秒5000次十进制加法运算或者400次乘法运算至多只能存20个10位的十进制数，无程序存储器。,第一台电子数字计算机1946年，ENIAC，美国宾夕法尼亚大学18800个电子管、1500个继电器，重达30吨，占地170平方米。耗电150千瓦。,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展简史,2.晶体管计算机（1958-1964）体积减小、重量减轻、能耗降低、成本下降，可靠性和运算速度得到提高磁芯存储器，存储量从几千提高到10万单元以上开始有了操作系统的雏形典型代表：1959年UnivacLARC1962年IBM7030,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展简史,3.中、小规模集成电路集成电路计算机（1965-1971）使用MSI,SSI取代了晶体管，功耗、体积、价格等进一步下降。半导体存储器取代磁芯存储器，存储容量和存取速度有了很大的提高出现了分时操作系统高级语言的应用：Basic,Pascal等典型代表：IBM360，370TI公司的ASCDEC的PDP-8系列,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展,第3代计算机的的著名代表,1964年，第一个采用集成电路的通用计算机系列IBM360系统研制成功，该系列有大、中、小型，共6个型号。,计算机硬件技术基础,1.1.1计算机的发展简史,4.大、超大规模集成电路计算机（1971至今）使用LSI,VISI使得计算机的功耗、体积、价格等大幅度下降，可靠性和运算速度进一步提高。半导体存储器集成度越来越高、容量越来越大、并不断向大容量、高集成度、高速度发展。操作系统进一步完善。计算机与通信技术相结合。计算机进入了几乎所有的行业。典型代表：IBM3090VFCray的巨型机CrayX-MPDEC的VAX9000,计算机硬件技术基础,计算机之父,1.计算机是由五大部件组成。2.计算机中程序与数据的存储一律采用二进制。3.存储程序，自动执行,美籍匈牙利数学家冯诺依曼,1.1.1计算机的发展简史,计算机硬件技术基础,1.1.2计算机的分类,模拟式计算机数字式计算机混合式计算机,按处理数据方式分类：,计算机硬件技术基础,1.1.2计算机的分类,超级计算机大型计算机小型计算机微型计算机或个人计算机便携式计算机（笔记本计算机）,按计算机外形大小分类：,计算机硬件技术基础,1.1.3计算机的应用,科学计算计算机控制测量和测试信息处理计算机辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）、辅助教学人工智能（AI）计算机模拟,计算机硬件技术基础,1.1.3计算机的应用,科学计算业务处理人类生活,计算机的发展解决了哪些问题：,计算机硬件技术基础,以Intel公司生产的80 x86为例：,1.1.4微处理器的简史与现状,计算机硬件技术基础,1.1.5微型计算机的分类,单片机单板机个人计算机多用户系统微型计算机网络,计算机硬件技术基础,1.1.6微型计算机硬件技术发展的特点与趋势,微型计算机硬件技术发展的特点（摩尔定律）微型计算机硬件技术发展的趋势芯片技术宽带网络环境：多媒体技术、通信技术计算机软件与硬件结合更紧密笔记本计算机比例上升,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,微处理器简称P或MP，是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理器部件，又简称微处理机。,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,微型计算机简称C或MC，是指以微处理器为核心，配上存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机，又称主机或微电脑。,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,微型计算机系统简称CS或MCS，是指以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源和辅助功能电路（统称硬件）以及指挥微型计算机工作的操作系统软件所构成的系统。,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者的含义及关系：,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,微型计算机系统的基本组成,硬件系统：构成计算机的物理设备,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,硬件系统：微型计算机硬件的组成及其连接如下图所示,微型计算机系统的基本组成,计算机硬件技术基础,1.2微型计算机系统的组成,计算机硬件和系统软件、应用软件的关系，如图所示：,微型计算机系统的基本组成,计算机硬件技术基础,硬件系统,计算机硬件（Hardware)是指计算机中的电子线路和物理装置的总称.计算机硬件系统五大功能部件包括：运算器、控制器存储器（高速缓存主存储器虚拟存储器）输入设备、输出设备这些设备和部件通过总线和接口连结在一起，构成一台完整的计算机,计算机硬件技术基础,硬件系统,计算机五大基本部件：,CPU=运算器+控制器+寄存器CentralProcessingUnit,控制器（CU)计算机的控制中心，控制和同步其他各个部件。运算器(ALU)执行全部的算术和逻辑运算。存储器(Memory)计算机的主要记忆部件，以字节为单位的、线性编址的二进制记忆部件。输入输出设备(I/O)通过接口电路连接到总线的计算机外部设备。,计算机硬件技术基础,软件系统,计算机软件（Software)是计算机程序及其相关技术文档资料的总称。,计算机硬件技术基础,软件分类,系统软件（Systemsoftware）编程软件（Programmingsoftware）应用软件（Applicationsoftware）,计算机硬件技术基础,系统软件,设备驱动程序操作系统服务器通用工具视窗系统,计算机硬件技术基础,编程软件,编译器调试器解释器连接器文本编辑器,计算机硬件技术基础,应用软件,商业软件计算机辅助设计数据库决策软件教育软件图像编辑工业自动化数学软件医疗软件,计算机硬件技术基础,应用软件（续）,分子模拟软件量子化学和固体物理软件仿真软件电子表格远程通讯视频游戏文字处理,计算机硬件技术基础,计算机系统的层次结构,裸机(Baremachine)：没有安装任何软件的计算机硬件系统,计算机硬件技术基础,1.3微机硬件系统结构基础,微机硬件系统结构，是指按照总体布局的设计要求，将各部件构成某个系统的连接方式。下图是一个典型的微机硬件系统结构：,计算机硬件技术基础,1.3.1总线结构简介,系统总线是一组用来传送信息的公共导线及控制电路，所有的信息都通过总线传送。根据所传送信息的内容和作用不同，可将系统总线分为3种：数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。在总线结构中，通过总线实现微处理器、存储器和所有I/O设备之间的信息交换。采用总线结构时，系统中各部件均挂在总线上，可以使微机系统的结构简单，易于维护，并具有更大的灵活性和更好的可扩展性。,计算机硬件技术基础,1.3.2微处理器模型的组成,运算器又称算术逻辑单元（ALU），用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作。,运算器,控制器,控制器是根据指令功能转化为控制信号的部件。主要组成部分有：指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、可编程逻辑阵列（PLA）。,计算机硬件技术基础,1.3.2微处理器模型的组成,内部寄存器包括若干个功能不同的寄存器或寄存器组：（1）累加器（A）（2）数据寄存器（DR）（3）程序计数器（PC）（4）地址寄存器（AR）（5）标志寄存器（FR）,内部寄存器,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,基本概念,存储器是微机中的存储和记忆部件，用来存放数据（包括原始数据、中间结果、最终结果）和程序。这些数据和程序在计算机内部都是用0、1二进制代码来表示的。为了计量信息的长度方便，一般将8位二进制代码作为一个字节，再用两个字节组成一个字来标识16位数据的长度。,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,假定存储器由256个单元组成，每个单元存储8为二进制信息，即字长为8位，器结构简图如下图所示：,存储器组成,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,从存储器读出信息的操作过程如下图所示：,读写操作过程,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,假定CPU要读出存储器04H单元的内容10010111即97H，则：（1）CPU的地址寄存器AR先给出地址04H并将它放到地址总线上，经地址译码器选中04H单元；（2）CPU发出“读”控制信号给存储器，指示它准备把被寻址的04H单元中的内容97H放到数据总线上；（3）在读控制信号的作用下，存储器将04H单元中的内容97H放到数据总线上，经它送至数据寄存器DR，然后由CPU取走该内容作为所需要的信息使用。,读写操作过程,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,往存储器写入信息的操作过程如下图所示：,读写操作过程,计算机硬件技术基础,1.3.3存储器概述,假定CPU要把数据寄存器DR中的内容00100110即26H写入存储器08H单元，则：（1）CPU的地址寄存器AR先把地址08H放到地址总线上，经地址译码器选中08H单元；（2）CPU把数据寄存器中的内容26H放到数据总线上；（3）CPU向存储器发送“写”控制信号，在该信号的控制下，将内容26H写入被寻址的08H单元,读写操作过程,计算机硬件技术基础,1.3.4输入输出I/O接口概述,连接外设和主机的逻辑控制电路数据寄存器命令寄存器状态寄存器地址译码器控制逻辑显卡、声卡、网卡、扫描卡等,计算机硬件技术基础,1.4微机工作原理与程序执行过程,计算机硬件技术基础,1.4微机工作原理与程序执行过程,计算机硬件技术基础,1.4微机工作原理与程序执行过程,现有的微型计算机基本上都是遵循冯诺依曼计算机工作的原理，即所谓的“存储程序”的工作原理。其基本要点如下：(1)在机内采用二进制的形式表示计算机中的指令和数据；(2)把人们编好的程序和原始数据预先输入计算机的主存储器中保存起来；当计算机工作时。它的控制器能够连续、自动、高速地从存储器中逐一取出指令并且执行。(3)由运算器、控制器、存储器、输入输出设备5大基本部件组成计算机系统，并对各部分的基本功能做了规定。,微机的工作原理,1.4微机工作原理与程序执行过程,微机的工作过程就是执行程序的过程，而程序由指令序列组成，所以微机的工作过程也就是逐条取指令和执行指令的过程。如下图所示：,程序执行过程,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,取指阶段都是由一系列相同的操作组成的，所以取指阶段的时间总是相同的，它称为公操作。执指阶段将由不同的时间顺序组成，它取决于被执行指令的类型，因此，执指阶段的时间从一条指令到下一条指令变化相当大。,1.4微机工作原理与程序执行过程,1.4微机的工作原理与程序执行过程,程序执行过程,应当指出的是，指令通常包括操作码和操作数2部分。操作码表示计算机执行什么具体操作；操作数表示参加操作的数的本身或操作数所在的地址，也称为地址码。因此，在执行一条指令时，就可能要处理不等字节数目的代码信息，包括操作码、操作数或操作数的地址,程序执行过程,3+2=？的程序,如下：MOVA,3ADDA,2HLT,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,以上三条指令及其说明如下：,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,整个程序是3条指令5个字节。由于微处理器和存储器均用一个字节存放处理信息，因此，当把这段程序存入存储器时，共需要占5个存储单元。假设把他们存放在存储器的最前面5个单元里，则该程序将占有从00H到04H这5个单元，如下图所示。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,开始执行程序时，必须先给程序计数器PC赋以第1条指令的首地址，如00H，然后进入第1条指令的取指阶段，其具体操作过程如图所示：,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,在上图中:（1）首先把PC的内容00H送到地址寄存器AR。（2）一旦PC的内容可靠的送入AR后，PC自动加1，即由00H变为01H。注意此时AR的内容没有变化。（3）把地址寄存器AR的内容00H放到地址总线上，并送至存储器，经地址译码器译码，选中相应的00H单元。（4）在选中一个指定的存储器地址单元后，CPU立即发出读命令。（5）在读命令控制下，把所选中的00H单元中的内容即第1条指令的操作码B0H读到数据总线DB上。（6）把读出的指令操作码B0H经数据总线先送到数据寄存器DR。（7）取指阶段的最后一步是指令译码。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,经过对操作码B0H译码后，CPU就知道这是一条把下一单元中的操作数取入累加器A的双字节指令MOVA,n，所以执行第1条指令就必须把指令第2字节中的操作数03H取出来。取指令第2字节的过程如图所示。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,在上图中:（1）把PC自动加1后的内容01H送到地址寄存器AR。（2）当PC的内容可靠的送入AR后，PC自动加1，即由01H变为02H。注意此时AR的内容没有变化。（3）地址寄存器AR通过地址总线把地址01H送到存储器的地址译码器，经地址译码器译码，选中相应的01H单元。（4）选中指定的存储器地址单元后，CPU发出读命令。（5）在读命令控制下，把所选中的01H单元中的内容03H读到数据总线DB上。（6）通过DB把读出的内容送到数据寄存器DR。（7）因CPU根据该条指令具有的字节数已知这时读出的是操作数，其指令要求把它送到累加器A，故由数据寄存器DR取出的内容就通过内部数据总线送到累加器A。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,于是，第1次执行指令阶段，操作数03H被取入累加器A中，并进入第2条指令的取指阶段。取第2条指令的过程如图所示。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,取第2条指令的第2字节及执行过程如图所示,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,在上图中:（1）把PC的内容03H送到地址寄存器AR。（2）当把PC的内容03H送到地址寄存器AR后，PC自动加1。（3）AR通过地址总线把地址03H送到地址译码器，经译码，选中相应的03H单元。（4）选中指定的存储器地址单元后，CPU发出读命令。（5）在读命令控制下，把所选中的03H单元中的内容02H读到数据总线DB上。（6）通过DB把读出的内容送到数据寄存器DR。（7）因在对指令译码时，CPU已知读出的数据02H为操作数，且要将它与已暂存于A中的内容03H相加，故数据有DR通过内部数据总线送至ALU的另一输入端I2。（8）A中的内容送ALU的输入端I1，并且执行加法操作。（9）把相加的结果05H由ALU得输出端O又送到累加器A中。,1.4微机工作原理与程序执行过程,程序执行过程,至此，第2条之类的执行阶段结束。因为A中存入和05H，而将原有的内容03H冲掉，于是就转入第3条指令的取指阶段。程序中最后一条指令是HLT。可用类似上面的取指过程把它取出。当把HLT指令的操作码F4H取入数据寄存器DR后，因为是取指阶段，故CPU将操作码F4H送指令寄存器IR，再送指令译码器ID；经过译码，CPU已知是暂停指令，于是控制器停止产生各种控制指令，使得计算机停止全部操作。和5已经存放在累加器中了。,1.4微机工作原理与程序执行过程,二进制数的算术运算二进制加法：0+0=0；1+0=1；0+1=1，1+1=0；进位1二进制减法：0-0=0；1-1=0；1-0=1；0-1=1，借位1二进制乘法：00=0；01=0；10=0；11=1二进制除法：采用试探法，每位的商，非1即0二进制数的逻辑运算与运算：00=0；01=0；10=0；11=1；或运算：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=1；非运算：非0为1；非1为0；异或运算：00=0；01=1；10=1；11=0；,二进制数的运算,1.5计算机的运算基础,下图中给出了各种数制之间的转换综合示意图,数制转换综合表示法,1.5计算机的运算基础,二进制编码的十进制（二-十进制或BCD码）在计算机中十进制数是用二进制编码表示的。8421BCD码有10个不同的数字符号，由于它逢十进位，所以是十进制；同时他的每一位是用4位二进制编码表示，所以称为二进制编码的十进制。,二进制编码（代码）,1.5计算机的运算基础,字母与字符的编码目前在微机、通信设备和仪器仪表中广泛使用的代码是ASC。7位ASC代码表示27=128种不同的字符，其中包括数码（0-9）、英文大小写字母、标点和控制的附加字符。7位ASC代码是有左3位一组和右4位一组两部分组成的，下图表示这两组的安排和号码的顺序，位6是最高位，位0是最低位。,二进制编码（代码）,1.5计算机的运算基础,字母与字符的编码下图表示7位ASC代码：,二进制编码（代码）,1.5计算机的运算基础,字母与字符的编码下图表示7位ASC代码：,二进制编码（代码）,1.5计算机的运算基础,定点表示定点数,数的定点和浮点表示,定点小数：,定点整数：,符号位,隐含小数位（+0.5),符号位,隐含小数位（-3),1.5计算机的运算基础,浮点表示浮点数,数的定点和浮点表示,如：0.27E-2+0.27*10-2,1.5计算机的运算基础,机器数与真值把一个数在机器中的二进制数表示形式称为“机器数”，把它对应的实际值称为机器数的“真值”。机器