第1章计算机系统基础

1、大学计算机基础主讲教师 张丽 rina-第1章 计算机基础知识1.1 计算机的发展及应用 计算机的发展 微型计算机的发展 我国计算机的发展 计算机的特点 计算机的应用 计算机的发展趋势1.1.1 计算机的发展 1642，法国数学家布莱斯帕斯卡，手摇式机械计算机人类的计算工具迈向自动化 1946年2月，美国宾夕法尼亚大学，物理学家约翰莫克利，工程师普雷斯伯埃克特， ENIAC世界上第一台电子计算机世界上第一台计算机ENIAC 5000次加法次加法/秒秒 体重体重30吨吨 占地占地170m2 18800只电子管只电子管 1500个继电器个继电器 功率功率150KW计算机的发展时代年份电路特点第一代

2、19461957电子管磁鼓、磁带第二代19581964晶体管磁芯、磁盘第三代19651970集成电路终端访问第四代1971至今大、超大规模集成电路个人计算机1.1.2 微型计算机的发展500 (mlps)1975197519751975197510M (transistors)197519801985199019951M100K10K250.11.0400480386802868080808680486Pentlum ProoossorMicro 2000每每18个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒摩尔定律微型计算机的发展时代年

3、份处理器特点第一代197119724位或8位Intel4004,intel8008指令系统简单，运算功能差，速度较慢，机器或汇编语言，价格低第二代197319778位Intel公司8080，Motorola公司M6800，Zilog公司Z80NMOS工艺，集成度提高1-4倍，运算速度提高10-15倍，指令系统比较完善，具有系统结构及中断等控制功能，寻址能力增强，BASIC,FOTRAN等高级语言第三代1978198116位Intel 8086支持数据处理和科学计算第四代1982至今32位Intel公司80386Zilog公司Z8000集成度高，处理器性能高（2002.11，Pentium IV

4、,3.06GHz主频）1.1.3 我国计算机的发展 （第一代）1958，第一台小型电子管通用计算机103机 （第二代）1965，第一台大型晶体管计算机109乙机 （第三代）1974，集成电路小型计算机DSJ-1301.1.3 我国计算机的发展 （第四代）1983，运算速度每秒上亿巨型机银河-I1992，银河-II1999，神威I，国家气象中心投入运行2001，我国第一款通用CPU-“龙芯”芯片2002，曙光公司采用“龙芯-1”CPU的“龙腾服务器”2004.6.21，超级计算机“曙光4000A”全球排名第十2008.11，曙光5000A也即“魔方”全球排名第十2010.11，“天河一号”全球超

5、级计算机前500强排名第一2013.6，“天河二号”全球超级计算机前500强排名第一2013年，联想在第四季度仍是全球最大的PC厂商1.1.4 计算机的特点 工作自动化 运算速度快 计算精度高 具有较强的记忆能力 具有逻辑思维和判断能力 通用性强1.1.5 计算机的应用 科学计算 数据处理 过程控制 计算机辅助系统 人工智能 家庭应用1.1.6 计算机的发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化 多媒体化 虚拟现实1.2 计算机中数的表示 数制 不同数制之间的转换 数值数据的表示非数值数据的表示1.2.1 数制数制数的进位制十进制 二进制 八进制 十六进制 七进制 六十进制计算机内采用二进制1.

6、容易实现两个基数：0和1，电平值的高低1.2.1 数制2.运算规则简单0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（有进位）计算机中减法、乘法、除法运算都用加法规则和移位规则实现1.2.1 数制3.易于应用逻辑代数逻辑代数的真（True）和假（False）正好与二进制的取值1和0对应，可以用逻辑代数分析逻辑电路1.2.2 不同数制间的转换 每个位置上的数据所表示的数值等于该数每个位置上的数据所表示的数值等于该数符乘以该位置上的位权值符乘以该位置上的位权值例：例：666.66 = 610261016100610-1610-2例：例：(101101.11) 2 = 125024123122021

7、12012-112-2=32 + 0 + 8 + 4 + 0 +1 + 0.5 + 0.25=(45.75)101.2.2 不同数制之间的转换 二、八、十六进制转换为十进制 对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数按权展开求和如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.2.2 不同数制之间的转换 十进制数换为r进制数 十进制整数转换为r进制 规则：采用除以r取余数，直到商为零时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。除2取余，余数倒排 十进制小数转换为r进制 规则：采用乘以r取整数，直到乘积为0时结

8、束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位。乘2取整，整数正排十进制整数转为二进制整数1101例1：(13)10 = ( )21 363102222余数余数1011二进制数低低位二进制数高高位十进制小数转成二进制小数(0.6875)10 = ( )20. 6 8 7 52 3 7 5 01.27 5 020.5 01.20 1.整数整数1011二进制数高高位二进制数低低位例例2：二进制与八进制、十六进制之间的相互转换二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(1) 二进制数转换成八进制数：以小数点为分界点，左右三位一节，不足三位以零补足三位。例例:(101101.01) 2=(101,101.010

9、)=(55.2)8(2)八进制数转换成二进制数：将每位八进制数码以三位二进制数表示。例例:(76.42) 8=(111110.100010)2=(111110.10001)2二进制与八进制、十六进制之间的相互转换二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(3)二进制数转换成十六进制数：以小数点为分界点，左右每四位一节，不足四位以零补足四位。(1111011011.100101011)2 = (11,1101,1011.1001,0101,1000)2 = (3DB.958)16(4)十六进制数转换成二进制数：将每位十六进制数码以四位二进制数表示。例例:(A3B.C) 16 = (101000111

10、011.1100)2= (101000111011.11)21.2.3数据数据的表示 数据是指所有能输入到计算机中并被计算机识别、存储和加工处理的符号的总称数值型数据：128，(32.56)8；非数值型数据：“学生”、。1.2.3数值数据的表示1. 计算机中数的有关概念计算机中数的有关概念 数的长度数的长度1字节（byte)=8比特（bit） 在计算机中，数的长度按比特（bit)来计算。但因存储容量常以“字节”为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。1.2.3数值数据的表示 小数点的表示方法小数点的表示方法 在计算机中表示数值型数据，其小数点的位置总是隐含的。

11、 数的符号数的符号 一般用数的最高位（左边第一位）来表示数的正负号，并约定以“0”表示正，以“1”表示负。1.2.3数值数据的表示 数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。 定点整数定点整数格式：2. 定点数表示方法定点数表示方法dndn-1 dn-2d0数值部分(尾数)符号位小数点位置1.2.3数值数据的表示 定点小数定点小数范围：-2n-1 (2n-1) 和 1 (1 2-(n-1)格式：符号位dndn-3dn-2dn-1d0数值部分(尾数)小数点位置1.2.3数值数据的表示3. 浮点数的表示方法浮点数的表示方法格式： 阶码是指数部分的值，表示幂次，其基数通常取2Em Em

12、-1dn-1dnE0d0数符小数点位置尾数阶码(E)阶符1.2.3数值数据的表示例如：例如： 256.5 的浮点格式的浮点格式(32位位)为：为：00001001010000000010000000000000所以 （256.5)10 = (0.1000000001)229阶码阶码:7:7位位数符数符尾数：尾数：2323位位阶阶符符32位浮点数的范围最大正数：(1223)2127最小正数：212128 2129最大负数：212128 2129最小负数：(1223)2127也即： 2129|X| (1223)2127 原码原码 原码就是用最高位表示数的正、负号，0表示正，1表示负，而数值部分用最

13、高位以后的若干位来表示。例例：二进制数 + 1000110的原码表示为：01000110二进制数 1000110的原码表示为：110001101.2.3 数值数据的表示4. 带符号数的表示方法带符号数的表示方法数值数据的表示 反码反码 原码变反码的规则为：正数的反码与原码相同；负数的反码是将它的原码除符号位外逐位取反。二进制数 1000110的反码表示为：10111001例例：二进制数 + 1000110的反码表示为：01000110数值数据的表示 补码补码 补码的取码原则是：正数的补码和其原码相同；负数的补码是它的原码除符号位外逐位取反（即0变1，1变0），最后在末位加1。例例：二进制数 +

14、 1000110的补码表示为：01000110二进制数 1000110的补码表示为：10111010原码、补码的几个例子原码、补码的几个例子十进制十进制 原原 码码 补补 码码 87 -87 127-127 0 -0 010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000 采用补码来表示正、负整数时，+0 和 0 的取码是完全相同的，而原码对+0和 0 的取码是不相同的。1.2.4 非数值数据的表示 西文字符的ASCII编码 汉字字符的编码汉字字符的编码 G

15、B2312编码局部表 GB2312编码总体布局汉字的各种编码及其关系 汉字机内码 汉字输入码 汉字字形码 国标GB180302000用户用户键盘键盘转换程序转换程序存储器存储器汉字库及程序汉字库及程序显示器显示器/打印机打印机输入汉字输入汉字输入编码输入编码机机内内码码机内码机内码输出输出字形编码字形编码输入码、机内码、字形码之间的关系 汉字交换码1.3 计算机系统的组成计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器控制器内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)外存储器硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备显示器、打印机、绘图仪软件系统软件操作系统语言处理系统数

16、据库管理系统系统服务程序应用软件文字处理软件信息管理软件图形软件辅助设计软件各种程序包1.3.1 计算机硬件系统的组成 计算机系统硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成。输入设备输入设备输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器存储器存储器数据流指令流计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成1.3.2 计算机软件系统 系统软件：控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。系统软件主要指面向硬件或者开发者所设立的软件，它是支持应用软件运行的，是计算机工作时必须配置的那部分软件。 应用软件：用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。1.3.3 计算机系

17、统的基本工作原理 计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯诺依曼于1946年首先提出的 采用二进制的形式表示数据和指令 采用存储程序方式 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成冯诺依曼理论要点John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼存储程序工作原理 计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号运算器运算器(内内)存储器

18、存储器控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备冯诺依曼结构框图1.4 微型计算机系统 微型计算机在计算机中占有很重要的地位，微型计算机有人称其为个人计算机或PC（Personal Computer），由于体积小、设计先进、软件丰富、价格低廉、功能齐全等优点受到广大计算机用户的青睐。1.4.1微型计算机性能指标1、字长 字长是计算机CPU能够同时处理的二进制数的位数，它是计算机设计时规定的。目前常用的计算机字长为32或64位。2、主频率 计算机的时钟频率成为主频率，也称主频。是指单位时间内CPU能够执行指令的次数，以Hz（赫兹）为单位。如：pentium IV 2.0GHz.1.4.1微型计

19、算机性能指标3、内存（主存）容量 即内部存储器容量，内存越大，计算机的处理能力越强。目前常用内存为1GB、2GB、4GB。4、外部设备 光驱、打印机、扫描仪等5、软件配置 在硬件一定的情况下，软件功能越强，计算机性能发挥越完善。1.4.2 微型计算机的组织结构 从外观看，一台微机由主机和外部设备组成。在主机箱内有主板（包括CPU和内存、总线扩展槽）、外存、输入输出接口电路等，如下图所示： 微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总线组成。 微 处 理 器 CPU 主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等软、硬盘驱动器ABDBCB微型机的系统结构

20、图如下：总线（BUS）总线（BUS） 定义：是指计算机系统中能够为多个部件共享的一组公共信息传输线路。 按功能和传输信息的种类可以分为： 数据总线 地址总线 控制总线 性能表征： 总线宽度 总线频率CPU 插卡式slot 针脚式Socket 中央处理器中央处理器CPU 执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，是一个大规模集成电路芯片。CPU可分为：CPU 微处理器微处理器MPU 它将CPU、时钟脉冲发生器和系统控制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独立器件。CPUCPUCPU的基本结构：的基本结构： 运算器与内部控制器 控制逻辑单元 CPU内部总线CPUCPU的性能指标：的性能

21、指标： CPU执行指令的速度即CPU每秒所能执行的指令条数 CPU的字长即CPU一次所能处理的数据的二进制位数 指令本身的功能强弱及复杂程度内存储器内存储器的分类 静态随机存取存储器（SRAM） 动态随机存取存储器 （DRAM） 只读存储器（ROM）主板 主板是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有CPU插槽/插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、时钟和CMOS主板BIOS、软/硬盘、串口、并口等外设接口、控制芯片等。 扩展插槽扩展插槽内存插槽内存插槽主板1.4.3 微型计算机操作系统DOSWindowsUNIXLinuxOS/21.5 计算机常用的外部设备 微型计算机在计算机中占有很

22、重要的地位，微型计算机有人称其为个人计算机或PC（Personal Computer），由于体积小、设计先进、软件丰富、价格低廉、功能齐全等优点受到广大计算机用户的青睐。输入设备： 键盘 鼠标 扫描仪输出设备：显示器 打印机 绘图仪1.5.1 键盘键盘是计算机常用的输入设备，供用户向计算机输入命令、程序和数据。 按键的数量分类：键、键、键、105键、106键、108键等。 按制造工艺分类：机械式、电容式、薄膜式、电阻式等。1.5.2 鼠标 主要用于视窗界面的操作环境中，通过在桌面上移动鼠标器带动光标移动来实现各种需要的操作无线光电鼠标器鼠标的使用鼠标的特点： 快捷、准确、直观的屏幕定位和选择能

23、力双击双击动作动作指向指向单击单击拖曳拖曳移动鼠标，将鼠标指针移到屏幕的一个特定位置或指定对象移动鼠标，将鼠标指针移到屏幕的一个特定位置或指定对象操作方法操作方法（将鼠标指向目标物）快速按一下鼠标左按键（将鼠标指向目标物）快速按一下鼠标左按键（将鼠标指向目标物）快速地连续按两下鼠标左按键（将鼠标指向目标物）快速地连续按两下鼠标左按键（鼠标指向目标物后）按下鼠标左键不放，并移动鼠标（鼠标指向目标物后）按下鼠标左键不放，并移动鼠标 鼠标的形状取决于它所在的位置，以及和其他屏幕元素的相互关系1.5.3 显示器 能及时显示计算机的提示信息和程序的运行结果，是向用户提供信息的重要设备。主要由显示监视器和

24、显示适配器两部分组成：显示器的分类显示器的分类 按颜色按颜色：显示器有单色、彩色显示器之分。 按器件按器件：有阴极射线管显示器、液晶、发光二极管、等离子体、荧光等平板型显示器。显示器的主要技术参数 屏幕尺寸屏幕尺寸：主要有14英寸、15英寸、17英寸、20英寸等规格 点距点距：屏幕上荧光点间的距离。现有的规格0.20,0.25,0.26,0.28,0.31,0.39(毫米)等 显示分辨率显示分辨率：通常写成(水平点数)(垂直点数)的形式，目前1024 768较普及 刷新频率刷新频率：每分钟屏幕画面更新的次数， 一般是75Hz200Hz1.5.4 磁盘 磁盘是计算机的存储设备。1.硬盘 由多个硬

25、磁盘片通过盘片组叠加构成，它将几个盘片固定在一个转动轴上，并用 金属外壳将其封闭。硬盘按柱面、磁头号和扇区格式组织信息，数据在硬盘上的位置是通过柱面号、磁头号和扇区号来确定的。 面数面数(side)：一个盘片有一个盘片有2个面个面 磁道磁道(track) 以盘片中心为圆心的一组同心圆。数据存储在软盘片的磁道内，磁道数一般为40或80，编号从0开始，即039或079，编号从外到内。 扇区扇区(sector) 将各个磁道分成的若干个扇形的区域 扇区是磁盘的基本存储单位，一个扇区称为一个记录，计算机在读、写数据时总是以一个或几个完整的扇区为单位 扇区的编号从1开始。每个磁道上的扇区数为8、9、15或18。每个扇区存储512个字节 硬盘上的信息是写在各磁道的扇区内的，存放在硬盘上的信息可通过它所在的柱面号、磁头号和扇区号唯一地确定位置 存储密度存储密度有道密度和位密度两种 道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数(TPI) 位密度：位密度：每一磁道内的单位长度所