第1章计算机系统的基础知识.ppt

计算机导论 2016年9月 11月 主讲 林忠华计算机学院 计算机科学与技术专业2016级 前言 谈谈你报计算机类专业的想法 谈谈你对计算机的认识 谈谈对计算机的工作原理认识 为什么要学 计算机导论 这门课 如何学好 计算机导论 这门课 课程的作用 从学科整体出发 综述性地 深入浅出地介绍计算机学科的有关知识与技能 起导向的作用是从事计算机信息学科学习学生的 导游图 是对整个计算机学科有一个鸟瞰式的纵览 学习目的 理解计算机会 自动计算 的基本原理掌握计算机的最基本的知识上机能掌握计算机的基本操作知道计算机领域的主要方向和发展趋势明白计算机专业所开各课程的意义和作用弄清各门课程间的联系 课程的学习方法 重视学科的科学思想 方法的把握 从宏观入手把握问题 不纠缠于个别细节 从学科体系上把握整个知识体系 重视实践和动手能力的培养 和计算机专业技能课训练紧密结合提高计算机的操作能力 计算机专业的特点 计算机应用方向很多 潮流也很新 许多人这学一点 那个学一点 结果个个都不精通 总觉得是在原地打转 作为计算机的学生要做到面广且专 即对计算机的每一个领域都要了解 专业知识要专 对一个方向的专业知识要精通 教学形式和考核办法 教学形式幻灯片 教材 以及与计算机相关的读物 考核办法总成绩 开卷考试 70 平时成绩 30 阅读参考书 计算机计算机科学概论 第八版 ComputerScience anoverview 美 J GlennBrookshear著 王保江等译 人民邮电出版社 2003年9月 黄荣胜等编计算机科学与技术方法论北京人民邮电出版社2002年王玉龙等编计算机导论电子工业出版社2012年 计算机科学导论 第2版 美国 FirouzMosharraf著 刘艺译 机械工业出版社 2009 计算机科学概论 第10版 美 J GlennBrookshear著 刘艺等译 人民邮电出版社 2009 ENIAC是世界公认的第一台通用电子数字计算机 1946年2月由美国宾州大学的莫克莱和埃克特研制 18000多个电子管 1500多个继电器 占地170平方米 重量30吨 计算速度5千次 秒 每次至多只能存储20个十进制数 弱点 存储容量小 尚未采用 程序存储 方式 电子管太多 第一台数字电子计算机P1 上一页 返回 下一页 图灵对现代计算机贡献 建立了图灵机的理论模型 发展了可计算性理论 提出了定义机器智能的图灵测试 冯 诺依曼贡献 建立现代计算机基本结构 即冯 诺依曼结构 整个系统是由五大基本部件组成 即由运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备组成 采用二进制 使用机器语言 指令通过操作码来完成简单的操作 采用存储程序的思想 对计算进行集中的顺序控制 冯 诺依曼 图灵 现代计算机发展的杰出人物P1 上一页 返回 下一页 所谓现代计算机是指采用先进的电子技术来代替陈旧落后的机械或继电器技术 以构成计算机硬件的逻辑元件为标志 大致经历了从电子管 晶体管 中小规模集成电子路到大规模超大规模集电路计算机等四个发展阶段 1 1 2计算机的发展P2 上一页 返回 下一页 课堂交互 现代计算机与微型机划分的标准有什么不同 现代计算机 电子器件不同微型机 微处理器的位数 上一页 返回 下一页 特点采用电子管作为逻辑开关元件 存储器使用水银延迟线 静电存储管 磁鼓等 外部设备采用纸带 卡片 磁带等 使用机器语言 50年代中期开始使用汇编语言 但没有操作系统体积庞大 笨重 耗电多 可靠性差 速度慢 维护困难典型机器ENIAC EDVAC UNIVAC IBM701 IBM650应用科学计算 1 第一代电子计算机 上一页 返回 下一页 特点使用半导体晶体管作为逻辑开关元件 使用磁芯作为主存储器 辅助存储器采用磁盘和磁带 输入输出方式有了很大改进 开始使用操作系统 有了各种计算机高级语言 体积减小 重量减轻 耗电量减少 速度加快 可靠性增强 典型机器IBM的7090 7094 7040 7044应用数据处理 工业控制 科学计算 2 第二代电子计算机 上一页 返回 下一页 特点使用中 小规模集成电路作为逻辑开关元件 开始使用半导体存储器 辅存仍以磁盘 磁带为主 外部设备种类和品种增加 开始走向系列化 通用化和标准化 操作系统进一步完善 高级语言数量增多 计算机的体积 重量进一步减小 运算速度和可靠性进一步提高典型机器IBM370系列 IBM360系列 富士通F230系列等 应用系统模拟 系统设计 大型科学计算 科技工程各领域 3 第三代电子计算机 上一页 返回 下一页 特点使用大规模 超大规模集成电路作为逻辑开关元件 主存采用半导体存储器 辅存采用大容量的软 硬磁盘 并开始引入光盘 外部设备有了很大发展 开始采用光字符阅读器 OCR 扫描仪 激光打印机和各种绘图仪 操作系统不断发展和完善 数据库管理系统进一步发展 计算机的体积 重量 功耗进一步减小 运算速度 存储容量 可靠性等大幅度提高 典型机器IBM的4300系列 3080系列 3090系列 以及IBM9000系列应用事务处理 智能模拟 普及到社会生活各个方面 4 第四代电子计算机 上一页 返回 下一页 人工智能 AI 是研究如何用人工的方法和技术来模仿 延伸和扩展人的智能 以实现某些 机器思维 或脑力劳动自动化的一门学科 第五代计算机系统 FGCS 就是智能计算机系统 智能计算机由以下几个部分组成 知识库 KB KnowledgeBank 知识库计算机 KBM KnowledgeBankMachine 知识库管理系统 KBMS 问题求解和推理机智能接口系统应用系统 5 人工智能和第五代电子计算机 上一页 返回 下一页 巨型机 Supercomputer 又称超级计算机 它的价格昂贵 功能强大 多用于战略武器 空间技术 石油勘探 天气预报 社会模拟等 它从技术上朝两个方向发展 开发高性能器件 缩短时钟周期 提高单机性能采用多处理器结构 提高机器性能 用于尖端领域 代表国家的计算机科学水平 典型巨型计算机 如美国的ILLIAC IV型计算机 每秒1 5亿次 CRAY 1型计算机 每秒1亿次 银河 系列计算机和 曙光一号 并行计算机等 标志着我国是世界上少数几个能独立研制出巨型机的国家之一 巨型机 上一页 返回 下一页 运算速度可达5000亿次的 神威 计算机 上一页 返回 下一页 微型计算机的发展P2 3 微型计算机的分代是以微处理器的位数为依据的 共分四代 第一代微型计算机第二代微型计算机第三代微型计算机第四代微型计算机 上一页 返回 下一页 特点字长 4位 8位芯片集成度 晶体管数目 片 1200 2000时钟频率 0 5 0 8MHz基本指令执行时间 10 15 S地址总线 4 8条CPU举例 4004 1 第一代微型计算机 上一页 返回 下一页 特点字长 8位芯片集成度 晶体管数目 片 5000 9000时钟频率 1 2 5MHz基本指令执行时间 1 2 S地址总线 16条微处理器 CPU 举例Intel8080 Intel8085 M6800 Z 80 8080 2 第二代微型计算机 上一页 返回 下一页 特点字长 16位芯片集成度 晶体管数目 片 2万 7万时钟频率 5 10MHz基本指令执行时间 0 4 0 75 S地址总线 20 24条微处理器 CPU 举例 Intel8086 Intel8088 Intel80286 M68000 3 第三代微型计算机 上一页 返回 下一页 特点字长 32 64位芯片集成度 晶体管数目 片 10万以上时钟频率 25 150MHz基本指令执行时间 0 125 S地址总线 24 32条微处理器 CPU 举例Intel80386 Intel80486 奔腾系列等 4 第四代微型计算机 上一页 返回 下一页 笔记本电脑 体积更小 重量更轻的便携式微型机单片计算机 微型计算机的主要部件集成在一块芯片上 也称单片微型计算机 简称单片机 单片机的发展历史可分为三个阶段 初级单片机阶段 1976 1978 高性能单片机阶段 1978年以后 16位单片机推出阶段 1982年以后 其他微型计算机 上一页 返回 下一页 教学目的掌握计算机系统的组成成分及各组成成分的功能了解计算机的工作过程 教学重点计算机硬件组成及各部分功能 1 2计算机的基本组成及工作原理 教学引入 现在 我们已经了解计算机的发展 那么计算机的内部有哪些部件组成 返回 1 2 1计算机的基本组成P7 上一页 返回 下一页 负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处理 实现记忆功能的部件用来存放计算程序及参与运算的各种数据 存储器 运算器 控制器 输入设备 实现计算程序和原始数据的输入 负责对程序规定的控制信息进行分析 控制并协调输入 输出操作或内存访问 1 2 1计算机的基本组成P7 输出设备 实现计算结果的输出 上一页 返回 下一页 结果数据 中央处理器 取数存数 输入设备 输出设备 外存储器 内存储器 运算器 控制器 程序数据 外设 主机 上一页 返回 下一页 上一页 返回 下一页 冯 诺依曼型计算机两大特征 程序存储采用二进制 微型计算机的组成框图P8 上一页 返回 下一页 教学目的学习计算机中数据信息的表示方式和各种表示方式之间的内在联系 二进制的定点与浮点表示及其原码反码补码表示 计算机中非数值数据的编码 使大家对数值数据的表示方式有所了解 教学重点不同进制数之间的转换二进制数的原码 反码及补码表示字符编码 1 3数制与编码 教学引入 计算机可以处理各种各样的数据 如文本 图像 声音 动画等 那么这些信息在计算机内部是如何保存的 返回 按值表示 要求在选定的进位制中正确地表示出数值 包括数字符号 小数点位置及正负符号等 表示数据信息的两种基本方法 1 上一页 返回 下一页 1 特点 10个有序的数字符号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 其中 十 为进位基数 Base Radix 逢十进一 的计数规则 小数点符号 2 表示法 并列表示法PositionalNotation多项式表示法PolynomialNotation 简称基数 R 十进制数 上一页 返回 下一页 例 十进制数12345 67809 多项式表示法 将并列式按 权 展开为按权展开式 称为多项式表示法 如下例 10410310210110010 110 210 310 410 5 如上所示 处在不同位置的数字具有不同的 权 并列计数法 也称位置表示法 万千百十个位位位位位 十百千万十万分分分分分位位位位位 并列表示法 12345 67809 1 104 2 103 3 102 4 101 5 100 6 10 1 7 10 2 8 10 3 0 10 4 9 10 5 上一页 返回 下一页 进位制数所谓 数制 即各种进位计数制 在R进制中 具有R个数字符号 它们是0 1 2 R 1 在R进制中 由低位向高位是按 逢R进一 的规则进行计数 R进制的基数 base 是R R进制数的第i位的权 weight 为 Ri 并约定整数最低位的位序号i 0 i n 2 1 0 1 2 小数点右移一位扩大 倍 左移一位缩小为原来的1 倍 1 3 1进位制数及其相互转换P12 上一页 返回 下一页 不同数制特点 进位计数制方式 每种数制使用数码个数R称为基数 进位计数制编码符合 逢R进位 规则 位权表示法 数制中每一固定位置对应的单位值称为权 处于不同位置数码代表的值与它所在位置权值有关 1 1 3 1进位制数及其相互转换 序 上一页 返回 下一页 进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制 规则 基数 数码 权 形式表示 逢二进一 R 2 0 1 2i B 逢八进一 R 8 0 1 2 7 8i Q 逢十进一 R 10 0 1 2 9 10i D 逢十六进一 R 16 0 1 9 A B C D E F 16i H 计算机中常用进制数的表示 上一页 返回 下一页 使用按权相加法 即将各位进制数码与它对应的权相乘 其积相加 和数即为与该R进制数相对应的十进制数 整数的转换 采用除R取余法 从最后一次除得余数读起 即从高位到低位 小数部分的转换 采用乘R取整法 将所得小数从第一次乘得整数读起 就是这个十进制小数所对应的R进制小数 R进制数 十进制数 十进制数 R进制数 不同数制之间的转换P13 上一页 返回 下一页 分析 使用按权相加法 即将各位进制数码与它对应的权相乘 其积相加 和数即为与该R进制数相对应的十进制数 1100101 101 2 1 26 1 25 0 24 0 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 64 32 0 0 4 0 1 0 5 0 125 101 625 10 即 1100101 101 2 101 625 10 例1 求 1100101 101 2的等值十进制数 上一页 返回 下一页 33 解 先求 66 10等值二进制数余数266 即 66 10 1000010 2 再求小数部分积的整数部分0 625 2 1 2501 0 250 2 0 50000 500 2 1 0001 即 0 625 10 0 101 2 所以 66 625 10 1000010 101 2 注意 十进制小数不一定都能转换成完全等值的二进制小数 所以有时要取近似值 有换算误差存在 0 16 8 4 2 1 0 1 0 0 0 0 1 例2 求 66 625 10等值二进制数 分析 将此数分成整数和小数两部分分别转换 然后再拼接起来 上一页 返回 下一页 二进制 八进制 十六进制间转换 二进制数 八进制数 三位并一位 以小数点为基准 整数部分从右至左 每三位一组 最高位不足三位时 添0补足三位 小数部分从左至右 每三位一组最低有效位不足三位时 添0补足三位 各组三位二进制数按22 21 20权展开后相加 得到一个八进制数 八进制数 二进制数 一位拆三位 把一位八进制写成对应的三位二进制 然后按权连接即可 二进制数 十六进制数 四位并一位 以小数点为基准 整数部分从右至左 每四位一组 最高位不足四位时 添0补足四位 小数部分从左至右 每四位一组最低有效位不足四位时 添0补足四位 各组四位二进制数按23 22 21 20权展开后相加 得到一个十六进制数 十六进制数 二进制数 一位拆四位 把一位十六进制写成对应的四位二进制 然后按权连接即可 上一页 返回 下一页 解 001010111011 0010111001273 134 即 1010111011 0010111 2 1273 134 8 例3 将 1010111011 0010111 2转换为八进制数 分析 按照 三位并一位 的原则 对二进制数进行处理 例4 将 2754 41 8转换成二进制数 分析 按照 一位拆三位 的原则 对八进制数进行处理 解 2754 41010111101100 100001 即 2754 41 8 10111101100 100001 2 上一页 返回 下一页 解 001011010101 011101002D5 74 即 1011010101 011101 2 2D5 74 16 例5 将 1011010101 011101 2转换成十六进制数 分析 按照 四位并一位 的原则 对二进制数进行处理 例6 将 5A0B 0C 16转换成二进制数 分析 按照 一位拆四位 的原则 对十六进制数进行处理 解 5A0B 0C0101101000001011 00001100 即 5A0B 0C 16 101101000001011 000011 2 上一页 返回 下一页 2 二进制数的定点表示P15 概念 指计算机中的小数点位置固定不变的数的表示方式 功能 分类 定点整数 小数点固定在数的最低位之后 设字长为 位 能表示的数值范围为 00000000 01111111即0 7 定点小数 小数点固定在数的最高位之前 设字长为 位 能表示的范围为 0 0000000 0 1111111即0 1 7 上一页 返回 下一页 浮点表示法 指计算机中的小数点位置不是固定的 或者说是 浮动 的数的表示方式 通过阶码和尾数表示 N 2 E S E称为阶码 它是一个二进制正整数 E前的 为阶码的符号 称为阶符 Ef S称为尾数 它是一个二进制正小数 S前的 为尾数的符号 称为尾符 Sf 是阶码E的底数 二进制数的浮点表示P16 上一页 返回 下一页 阶码 尾数 阶符 尾符 例 二进制数 101 1和 10 11的浮点表示形式为 上一页 返回 下一页 真值 一个数的正号用十表示 负号用 一 表示 即为该数的真值 例如 十进制数 13 5 二进制的真值为 1101 1 十进制数 13 5 二进制的真值为 1101 1 机器数 以0表示正数的符号 以1表示负数的符号 并且每一位的数值也用0和1表示之后 这样的数叫机器数 有时也叫做机器码 符号化好处 可以方便的存储 在做乘法或除法时 把数的符号位按位相加后 就得到结果的符号位 其规则是正数乘正数 符号按位相加得0 正数乘负数 符号按位相加得1 负数乘负数 符号按位相加得0 3 二进制的原码 反码及补码表示P17 数符 尾数 数值的绝对值 符号 数码化 最高位 0 表示 1 表示 机器数的分类原码 反码 补码 上一页 返回 下一页 原码是一种机器数 数的原码表示是在机器中用符号位的0和1表示数的正号和负号 而其余位表示数的本身 对于正数 X Xn 2Xn 3 X0 则原码为 X 原 0Xn 2Xn 3 X0对于负数 X Xn 2Xn 3 X0 则原码为 X 原 1Xn 2Xn 3 X0原码表示法的特点 优点 简单易懂 与真值的转换方便 缺点 异号相加时机器首先应判断数的符号 然后比较两数的绝对值 增加了机器的复杂程度 符号位 尾数部分 真值 原码表示法 上一页 返回 下一页 表示方法对于正数其反码与原码相同 对于X Xn 2Xn 3 X0 则反码为 X 反 0Xn 2Xn 3 X0对于负的二进制数 符号位不变 数值各位取反 即0变为 l变为0 对于X Xn 2Xn 3 X0 则反码为 X 反 1特点 在计算机中容易实现 如触发器 一边表示原码 另一边表示反码 正数 尾数部分与真值形式相同 负数 尾数为真值数值部分按位取反 反码表示法 上一页 返回 下一页 表示方法对于正数其补码与原码相同 对于X Xn 2Xn 3 X0 则补码为 X 补 0Xn 2Xn 3 X0对于负数 除了符号位之外数值各位取反 末尾位加1 对于X Xn 2Xn 3 X0 则补码为 X 补 1 1特点 负数用补码表示时 可把减法转化成加法 可以用加法器实现减法 简便 经济 正数 尾数部分与真值形式相同 负数 尾数为真值数值部分按位取反加1 补码表示法 上一页 返回 下一页 符号 S0 1数值位不变 原码 反码和补码间关系 x真值 x 原 x 反 x 补 S不变 数值位 不变 S 0 变反 S 1 S不变 数值位 不变 S 0 变反后加1 S 1 注 S表示符号位 记住规律 上一页 返回 下一页 例7 已知计算机字长为8位 试写出二进制 101010和 101010的机器中表示的原码 反码和补码 解 设该机器采用定点整数表示 则其真值形式为 X 0101010Y 0101010 原 反 补 00101010 Y 原 10101010 Y 反 11010101 Y 补 11010110 原码 反码 补码应用举例 上一页 返回 下一页 例8 已知 X 补 101101 求真值X解 先由 X 补求出 X 反 则得 X 反 X 补 1 101101 1 101100 X 反的符号位为1 故其所对应的真值为负 且数值为 X 反的各位取反 即 X 反 101100X 10011 原码 反码 补码应用举例 上一页 返回 下一页 K kilobyte 字节1KB 210B 1024ByteM megabyte 字节1MB 220B 1024KBG gigabyte 字节1GB 230B 1024MBT terabyte 字节1TB 240B 1024GB b7b6b5b4b3b2b1b0 10010101 27 24 22 20 149 信息的存储单位 上一页 返回 下一页 什么是编码 所谓编码 code 是指按一定规则组合而成二进制数码序列来表示数字符或其他符号 计算机中常用的编码有十进制编码 BCD码 可靠性编码 校验码 字符编码 操作编码及汉字编码等 4 数据的编码表示P18 上一页 返回 下一页 用四位二进制代码对一位十进制数进行编码 它既具有二进制码的形式 四位二进制码 又有十进制数的特点 每四位二进制码是一位十进制数 例1 931 10 BCD解 931 10 100100110001 BCD BCD码 二 十进制码 P18 上一页 返回 下一页 十进制数与BCD码的对照表 上一页 返回 下一页 课堂交互 问题 已知 1101 01 2 求其对应的BCD编码 上一页 返回 下一页 教学目的本讲主要介绍二进制与十进制的算术运算以及二进制的逻辑运算的基本知识 通过本讲的学习使大家对计算机中的基本运算方法有所了解 教学重点二进制补码运算二进制的逻辑运算 1 4运算基础 教学引入 1 1 21 1 101 1 1 返回 计算机中的基本运算算术运算 包括加 减 乘 除等四则运算 逻辑运算 包括逻辑乘 逻辑加 逻辑非及逻辑异或等运算运算规则 加法规则 0 0 00 1 1 0 11 1 0减法规则 0 0 01 0 11 1 00 1 1乘法规则 0 0 00 1 1 0 01 1 1除法规则0 1 01 1 1 0不能作除数 1 4 1二进制的四则运算P23 上一页 返回 下一页 例9 1010 2 0101 2 21010 01011111 10 515 二进制数的加法运算 上一页 返回 下一页 例10 1110 2 1001 2 21110 10010101 14 95 二进制数的减法运算 上一页 返回 下一页 例11 1100 2 1001 2 2被乘数1100 乘数10011100000000001100乘积1101100 12 9108 二进制数的乘法运算 上一页 返回 下一页 例12 1001011 2 101 2 2101 10010111011000101111101101101000 5 75 1 1 1 1 1 5 25 25 0 5 二进制数的除法运算 上一页 返回 下一页 二进制乘法可以由 加法 和 移位 两种操作实现 除法可以由 减法 和 移位 两种操作实现因此 运算器中只需进行加减法及左右移位操作便可实现四则运算 计算机中 加减法通常都用补码进行 数的乘除法运算的特点 上一页 返回 下一页 分析 运算公式 x 补 y 补 x y 补例16设x 0110110 y 1111001求 x y 解 在计算机中 真值x y表示为下列补码形式 x 补 0 0110110 y 补 1 0000111有 0 0110110 x 补 1 0000111 y 补1 0111101 x 补 y 补即 x y 补 x 补 y 补 1 0111101求得x y 1000011结果正确 例 二进制补码加法运算P24 上一页 返回 下一页 例17设x 1010011 y 0100101求x y 解 在计算机中 真值x y表示为下列补码形式 x 补 0 1010011 y 补 0 0100101有 0 1010011 x 补 0 0100101 y 补0 1111000 x 补 y 补即 x y 补 x 补 y 补 0 1111000求得x y 1111000结果正确 例 二进制补码加法运算 上一页 返回 下一页 例18设x 1000011 y 0100001求x y 解 在计算机中 真值x y表示为下列补码形式 x 补 1 0111101 y 补 1 1011111有 1 0111101 x 补 1 1011111 y 补11 0011100 x 补 y 补丢失即 x y 补 x 补 y 补 1 0011100求得x y 1100100结果正确 例 二进制补码加法运算 上一页 返回 下一页 注意书上错误 例19设x 1000101 y 1100111求 x y 解 在计算机中 真值x y表示为下列补码形式 x 补 0 1000101 y 补 0 1100111有 0 1000101 x 补 0 1100111 y 补1 0101100 x 补 y 补即 x y 补 x 补 y 补 1 0101100求得x y 1010100结果错误 思考 如何判断溢出现象 例 二进制补码加法运算 上一页 返回 下一页 例17设x 1010101 y 1100001求 x y 解 x 补 0 1010101 y 1100001 y 补 1 0011111有 0 1010101 x 补 1 0011111 y 补1 1110100 x 补 y 补即 x y 补 x