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第二章计算系统的基本思维 内容提要 2 1理解0和1的思维2 2图灵机与冯 诺依曼计算机2 3现代计算机 2 1理解0和1的思维 用机器实现自动化计算要解决的几个问题 数据 和 计算规则 的机器表示 数据与计算规则的 自动存储 计算规则的 自动执行 数据 和 计算规则 的符号化现实世界的任何事物 若要由计算系统进行计算 首先要将其语义符号化 进而进行基于符号的计算 将符号赋予不同语义 则能计算不同的问题 2 1理解0和1的思维 为什么选择二进制符号体系简单 二进制只有2个符号0 1 对应着自然界截然相反的两种状态 真 假 黑 白 正 负 高 低 通 断 最重要的是二进制运算系统容易实现 数字电路 触发器 运算器等 2 1理解0和1的思维 1 二进制与算术运算 数值信息的0 1表示二进制数制逢2进1 借1当2 第i位的权值为2i 29282726252423222120 2 12 22 32 42 5 数位的权 1011110001 01011 2 二进制数 1x29 0 x28 1x27 1x26 1x25 1x24 0 x23 0 x22 0 x21 1x20 0 x2 1 1x2 2 0 x2 3 1x2 4 1x2 5 753 37 10 2 1理解0和1的思维 十进制数转换成二进制数 整数部分 除2取余小数部分 乘2取整八进制 十六进制与二进制间的转换 二进制数的符号二进制数的符号用0 1表示 0正 1负 机器数的概念 由于位数的限制 机器数只能表示一定范围的数 超出此范围会 溢出 2 1理解0和1的思维 2 1理解0和1的思维 逻辑运算 0 假 1 真 基本的逻辑运算 或 与 非 异或 或运算 OR 双目运算符 全假时为假 其它为真 与运算 AND 双目运算符 全真时为真 其它为假 非运算 NOT 单目运算符 真变假 假变真 异或运算 XOR 双目运算符 不同为真 相同为假 2 1理解0和1的思维 数值运算二进制加法运算规则二进制减法运算规则 0101 0 0 1 10110 2 1理解0和1的思维 二进制乘 除法运算规则用加法规则构造减法 乘法和除法减去一个数等于加上该数的补码 乘法可理解为左移相加 除法则为右移相减 结论 加法是计算机内的基本运算 有对应硬件实体 2 1理解0和1的思维 小数点表示 定点数与浮点数 2 1理解0和1的思维 信息的度量单位信息的度量单位是什么 信息的基本度量单位bit比特 1位二进制位 Byte字节 8位二进制位 1KB 210字节1MB 210KB1GB 210MB1TB 210GB 220MB1PB 210TB 230MB1EB 210PB 240MB 2 1理解0和1的思维 2 编码与符号运算 0 1与非数值信息编码的概念1位二进制位有两种取值 0或1 可用来表示两种信息 如男 女 真 假 黑 白等 当信息种类多于两种怎么办 使用多位二进制表示有限信息集合 如3位二进制包含如下编码 000 001 010 011 100 101 110 111 2 1理解0和1的思维 可以为这些编码指派不同的含义000001010011100101110111专业1专业2专业3专业4专业5专业6专业7专业8单位1单位2单位3单位4单位5单位6单位7单位8编码 编码是以若干位数码或符号的不同组合来表示非数值性信息的方法 它是人为地将若干位数码或符号的每一种组合指定一种唯一的含义 2 1理解0和1的思维 编码的三个主要特征唯一性 每一种组合都有确定的唯一性的含义公共性 所有相关者都认同 遵守 使用这种编码易于记忆 便于识认性 有一定规律 2 1理解0和1的思维 ASCII码 英文字母符号的编码ASCII码是英文字母与符号的0 1型编码方法 是用7位二进制位0和1的不同组合表示10个数字 52个英文字母及一些特殊符号的编码方法 是信息交换标准编码 ASCII码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange B7B6B5B4B3B2B1B00 xxxxxxx 00110001 01001110 1 N 2 1理解0和1的思维 完整的ASCII码表 2 1理解0和1的思维 ASCII编码的规律 每8位为一个字符 最高位为030H 39H 0 9 41H 5AH A Z 61H 7AH a z 0AH 换行符号LF0DH 回车符号CR 2 1理解0和1的思维 汉字的编码英文是拼写文字 只需要对基本字母编码 汉字是图形文字 必须对每个汉字编码 汉字有近50000个 8位二进制位不够 用16位 汉字机内码 汉字在计算机内部采用汉字内码存储 汉字内码为两字节 且最高位均为1 区别于ASCII码 以汉字 大 为例 其机内码为 B4F3H二进制 1011010011110011 2 1理解0和1的思维 大 b7b6b5b4b3b2b1b0 b7b6b5b4b3b2b1b0 用0和1编码汉字 每个汉字在计算机内部由2个字节表示 00110100 01110111 国标码 10110100 11110111 机内码 2 1理解0和1的思维 汉字输入码 是用键盘上的字母符号编码每一汉字的编码 它使人们通过键入字母符号代替键入汉字 输入码有若干 拼音码 字型码 区位码 型 拼音码 xing 双拼码 x 其中 x 表声母x 而 表韵母ing 五笔字型码 gajf 其中 g表字根 a表开下的草字头 j表右侧立刀 f表下面土字 2 1理解0和1的思维 汉字字形码 是用0和1编码无亮点和有亮点像素 形成汉字字形的一种编码 依据字形码通过显示器或打印机输出汉字 2 1理解0和1的思维 汉字处理过程 通过汉字外码输入 以汉字内码存储和处理 以汉字字形码输出 大 oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o11ooooooooooo1oo 大 da 2 1理解0和1的思维 还有哪些标准编码 扩展ASCII码 8位0 1型编码 最高位为0时为标准ASCII码 最高位为1时为扩展ASCII码 Unicode 是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案 采用数字0 0 x10FFFF来映射所有的字符 最多可以容纳个字符 具体实现时 再将前述唯一确定的码位按照不同的编码方案映射为相应的编码 有UTF 8 UTF 16 UTF 32等几种编码方案 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 用机器实现自动化计算要解决的几个问题 数据 和 计算规则 的机器表示 数据与计算规则的 自动存储 计算规则的 自动执行 本节讨论后2个问题数据与计算规则的 自动存储 计算规则的 自动执行 即计算机器的基本原理 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 1 图灵机模型英国人图灵于上世纪30年代提出了图灵机模型 直观形象地说明了通用计算机器的工作原理 建立了指令 程序及通用机器执行程序的理论模型 计算机界于1966年设立了最高荣誉奖 图灵奖 后来 冯 诺依曼根据这个模型设计出第一台实用的电子计算机器 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 图灵机的基本思想数据 指令 程序及程序 指令自动执行的基本思想 输入数据被制成一串0和1的纸带 送入机器中 如011 机器可对输入纸带执行的基本动作包括 翻转0为1 或 翻转1为0 前移一位 停止 等 对基本动作的控制 指令 机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作 指令也可以用0和1来表示 01表示 翻转0为1 当输入为1时不变 10表示 翻转1为0 当输入0时不变 11表示 前移一位 00表示 停止 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成 如 1011100 机器能够读取程序并按程序中指令的顺序读取指令 读一条指令执行一条指令 由此实现自动计算 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 2 冯 诺依曼计算机冯 诺伊曼计算机的基本思想 存储程序与程序控制存储程序 将指令和数据以同等地位预先存于存储器中 可按地址寻访 程序控制 机器从存储器中读取指令和数据 实现连续 自动执行 注意 指令和数据均采用二进制表示 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 冯 诺伊曼计算机的基本构成分为五大部件 运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 运算器 负责进行逻辑运算和算术运算 控制器 负责读取 分析和执行指令 存储器 存储指令和数据 输入设备 负责将指令和数据输入计算机 输出设备 将计算结果显示或打印出来 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 以运算器为中心的结构 早期结构 大家都争夺控制权 各部件之间不能实现并行工作 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 以存储器为中心的结构 目前结构 各部件之间可实现并行工作 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 以运算器为中心结构工作举例 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 过程描述 1 启动控制器工作 2 发送第1条指令地址 3 取出指令并分析指令 4 执行指令 发送操作数x所在地址 5 执行指令 取出操作数x 10 执行指令 通知运算器计算a乘x 11 继续后续指令的取指 执行 6 发送下一条指令地址 7 取出指令并分析指令 8 执行指令 发送操作数a所在地址 9 执行指令 取出操作数a 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 计算机的基本部件CPU 中央处理单元 CentralProcessUnit 将运算器和控制器集成在一块芯片上 形成微处理器 CPU 主存储器 I O设备及总线成为现代计算机的四大核心部件 在现代计算机中 一个微处理器 芯片 可能包含多个CPU 即多核 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 3 存储器 可按地址自动存取信息的部件存储器的概念结构图 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 存储器由存储矩阵 地址译码器 输入 出缓冲器组成 存储矩阵 由若干存储单元构成 每个存储单元通常可存储8位二进制数据 即每个存储单元为一个字节 地址译码器 每个存储单元由一条地址线 Wi 控制其读写 当其有效时 对应存储单元的内容可读出或写入 否则不可访问 每个存储单元的地址编码 由地址编码线An 1 A0决定 每个地址编码An 1 A0译出其对应的地址线Wi n位地址编码可控制2n个存储单元 即存储容量为2n 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 输入 输出缓冲器 暂存将要写入或已经读出的数据 并决定是进行写入还是读出操作 三态控制线 读 写 高阻 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 4 机器指令与机器级程序与算法若要由计算系统自动求解问题 就要用计算系统所具有的设施及可理解和执行的规则来编写算法和程序 算法 求解问题的操作规则及步骤 机器级算法必须精炼 哪怕节省一步都是重要改进 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 机器指令 算法需要用CPU可理解和执行的指令来编写 机器指令是CPU可直接分析并执行的指令 一般由0 1编码表示 机器指令通常分为操作码和地址码 机器级程序 8 32 2 3 6 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 5 机器级程序的存储与执行机器如何理解和执行程序 运算器和控制器运算器 运算部件和寄存器 基本的运算部件只能进行简单的二进制算术 逻辑运算和移位操作 控制器 指令寄存器IR 程序计数器PC 时钟与节拍发生器 信号发生器 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 指令的执行运算器和控制器不同的指令 对应着一组不同的电信号 这些电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输 一条指令占用一个或多个机器周期 一个机器周期又分为多个节拍 最小的时间间隔单位 时钟周期计算机的主频 时钟周期 2 2图灵机与冯 诺依曼计算机 时钟周期 节拍与机器周期 第一节拍 将PC中的地址发往存储器 由信号发生器发出一信号通知存储器工作 第二节拍 存储器进行译码 找到对应存储单元 通过输出缓冲器输出内容 信号发生器发出一信号IR接收该内容 第三节拍 指令码000001控制产生信号 PC加1指向下一条指令地址 同时将指令中的地址码发往存储器 第四节拍 存储器进行译码 找到对应存储单元 通过输出缓冲器输出内容 同时指令码发出控制信号使寄存器R0接收 程序中指令的逐条执行 2 3现代计算机 1 现代计算机的构成现代计算机系统由硬件 软件 数据和网络构成 2 3现代计算机 计算机硬件由主机和外部设备两大部分构成主机核心部件 CPU 存储器 主电路板与接口电路板 外部设备 输入 输出设备输入设备 鼠标 键盘 麦克风等 输出设备 显示器 打印机 音箱等 输入 输出设备 触摸屏 外部存储器 硬盘 光盘 U盘 2 3现代计算机 计算机软件各种软件研制的目的 扩大计算机的功能 方便使用或专为解决某类问题 系统软件 应用软件 系统软件 管理 控制 维护计算机 编辑 制作程序 维护计算机的工具软件 操作系统 编程环境 数据库系统等 应用软件 用于解决各类实际问题 2 3现代计算机 2 存储体系 不同性能资源的组合优化思维重要概念 程序必须装载进内存 才能被CPU执行 数据自动存储能力是衡量计算机的重要指标 存储容量越大越好 存取速度越快越好 保存时间越长越好 价格越低越好 2 3现代计算机 现代计算机的存储体系中包含了各种性能的存储器 寄存器 存取速度最快 与CPU同步 RAM 随机存储器 可按地址访问 内存 ROM 只读存储器 用来保存机器级程序 硬盘 采用磁性材料制作的大容量存储器 光盘 CD DVD U盘等 2 3现代计算机 内存 采用半导体材料制作 内存 RAM ROM地址 存储单元1 2 4或8个字节 2 3现代计算机 外存 外存 硬盘 软盘盘面 磁道 扇区一个扇区存放512个字节 2 3现代计算机 存储体系 不同性能资源的组合优化 内存与外存的区别 2 3现代计算机 3 为什么要有操作系统 硬件功能扩展的基本思维存储体系环境下 程序怎样被执行 2 3现代计算机 操作系统 控制和管理计算机系统各种资源 硬件资源 软件资源和信息资源 合理组织计算机系统工作流程 提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合 是最基本 最重要的系统软件 操作系统的作用 操作系统是用户与计算机硬件之间的接口 操作系统为用户提供了虚拟机 VirtualMachine 操作系统是计算机系统的资源管理者 2 3现代计算机 操作系统是一组 管理各种资源以便执行应用程序 的程序 磁盘管理 管理磁盘信息的读写 内存管理 管理内存空间的分配与回收 CPU管理 调度CPU去执行哪一个程序 2 3现代计算机 4 化整为零的基本思维 磁盘与文件系统磁盘与文件管理是存储体系的重要内容 是操作系统对硬件功能的重要扩展 文件与信息 信息被操作系统组织成文件 文件是操作系统管理信息的基本单位 使用者只需关心文件名和内容 其它交给操作系统 2 3现代计算机 用户 信息 程序 文件A 文件A 文件B 文件C 外存 硬盘 软盘 光盘 2 3现代计算机 磁盘信息的组织 磁盘簇块与扇区磁盘物理结构 盘面 磁道 扇区 簇块 操作系统将磁盘组织成簇块 若干连续的扇区 以簇块为单位与内存交换信息 文件中的信息按簇块大小被分割 然后写入磁盘中的簇块 2 3现代计算机 文件分配表 FAT 磁盘上记录文件存储的簇块之间衔接关系的信息区域 二维表格 磁盘上有多少簇块 文件分配表就有多少项 FAT表项的内容指出了该簇块的下一簇块的编号 2 3现代计算机 目录与文件夹是磁盘上记录文件名 文件大小 文件更新时间等文件属性的信息区域 相当于文件清单 对应每个文件名 目录中都会记录它在磁盘上存储的第一个磁盘簇块编号 2 3现代计算机 磁盘上的重要信息区域保留扇区区域 文件分配表区域 根目录区域 数据区域 上述信息区域的建立通过磁盘格式化完成 磁盘的第一个扇区被称为引导扇区 磁盘与文件管理体现的是一种化整为零的基本思维 2 3现代计算机 5 内存管理与处理机管理问题 在现代计算机及存储体系中 程序如何执行 情况1 单CPU运行单一程序 情况2 单CPU同时运行多个程序 情况3 多CPU运行单个程序 原则 程序必须装入内存 才能被CPU执行 2 3现代计算机 内存管理 内存空间管理内存空间分配内存与外存信息的自动交换内存空间回收 内存被分成不同的块 或页 一般而言 内存的一页和磁盘的一块相等或为其倍数 2 3现代计算机 程序与进程 以文件形式存储在磁盘上的程序文件称为 程序 可运行程序文件在操作系统的管理下被装入内存 形成 进程 进程除程序外 还包含描述信息 便于操作系统管理 内存储器 分工 操作系统对内存的管理与控制 使用哪一段内存 内存空间分配 内存回收 内存与外存信息的自动交换 内存空间管理 进程1 000001段内存 运算器 控制器 CPU 状态与管控 2 3现代计算机 处理机管理内存中待执行程序段落的地址送控制器的PC 程序计数器 内存中的多个程序 执行哪一个程序 程序执行切换中的状态 环境保护问题 单CPU分时调度 进程多CPU并行调度 线程 2 3现代计算机 任务与作业 任务 大粒度工作 一个应用程序的完整的执行 一个任务由多个进程来完成 作业 小粒度工作 不同作业由不同的进程来完成 2 3现代计算机 程序 进程 作业 2 3现代计算机 操作系统进程和应用程序进程操作系统的进程 为使应用程序顺利执行而做的辅助性管理性工作的进程 操作系统的进程也存储在内存中 也需要调度CPU来执行 CPU在操作系统进程和多个应用程序进程之间来回切换 应用程序的进程 应用程序本身的进程 2 3现代计算机 进程管理 2 3现代计算机 6 现代计算机工作过程计算机是怎样装载操作系统的 引导程序 基本输入输出部分 磁盘文件管理部分 命令解释器 ROMBIOS 用户键入命令 内部命令