第1章计算机系统基础

1、1第一章 计算机系统基础2第一章 计算机系统基础了解发展历史了解分类及应用掌握结构及基本工作原理理解并掌握数据在计算机中的表示与运算了解目前计算机的应用环境学习任务任务31.1 计算机的发展历史 计算机史前史 现代计算机的发展 微型计算机的发展 未来新型计算机 41.1 发展史计算机史前史算盘时代机械时代机电时代 巴贝奇发明的差分机巴贝奇发明的差分机(1822(1822年年) ) 51.1 计算机的发展历史 计算机史前史 现代计算机的发展 微型计算机的发展 未来新型计算机 61.1 发展史现代计算机的发展(1) 1、1946年2月，美国宾夕法尼亚大学研制成功了世界上第一台大型通用数字电子计算机

2、ENIAC(爱尼亚克)。 1800018000个电子管个电子管15001500个继电器个继电器 重重3030吨吨占地面积约占地面积约170m170m2 2 7第1代19461957 电子管电子管19581964 晶体管晶体管第2代19651971中小规模集成电路中小规模集成电路第3代1972超大规模集成电路超大规模集成电路第4代2、计算机发展进程中的四个时代1.1 发展史现代计算机的发展(2) 81.1 计算机的发展历史 计算机史前史 现代计算机的发展 微型计算机的发展 未来新型计算机 91.1 发展史微型计算机的发展101.1 计算机的发展历史 计算机史前史 现代计算机的发展 微型计算机的发

3、展 未来新型计算机 111.1 发展史未来的新型计算机超导计算机超导计算机量子计算机量子计算机光子计算机光子计算机超导计算机超导计算机神经计算机神经计算机新型计算机新型计算机本节结束，请点击 返回121.2 计算机的分类及应用 计算机的特点计算机的特点 计算机的分类计算机的分类 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域 131.2.1 计算机的特点处理速度高 。运算精度高。记忆能力强。具有逻辑判断能力。具有友好的人机交互界面。计算机有哪些特点？着重理解其原因。141.2 计算机的分类及应用 计算机的特点计算机的特点 计算机的分类计算机的分类 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域 151.2

4、.2 计算机系统的分类(1)按计算能力进行分类，划分为巨型计算机，大型机、中型机、小型机、微机 。按目前计算机的市场分布情况，大致可以分为：大型计算机、微机、嵌入式系统和工作站。16平板微机平板微机(2002(2002年年) ) 机柜式和刀片式机柜式和刀片式PCPC服务器服务器(2005(2005年年) )1.2.2 计算机系统的分类(2)微型计算机的类型17苹果苹果iMaciMac微机微机(2005(2005年年) )掌上微机掌上微机PDA(PDA(个人数字助理个人数字助理) ) 1.2.2 计算机系统的分类(3)181.2 计算机的分类及应用 计算机的特点计算机的特点 计算机的分类计算机的

5、分类 计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域 191.2.3 计算机的主要应用领域 科学计算数据处理自动控制计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)人工智能网络应用本节结束，请点击 返回201.3 计算机的基本工作原理及结构计算机的基本结构计算机的基本结构 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理 21引入：人是如何处理事务的呢？引入：人是如何处理事务的呢？接收信息接收信息完成结果完成结果计算计算控制眼睛、手控制眼睛、手记忆数据记忆数据计算机也是模仿人来处理事务的。计算机也是模仿人来处理事务的。1.3.1 计算机的基本结构221.3.1 计算机的基本结构1冯诺伊曼计算机结构模型2采用

6、二进制采用二进制形式表示数形式表示数据和指令据和指令3存储程序存储程序23 1.3.1 计算机的基本结构 冯诺伊曼计算机结构模型 控制器运算器存储器输入设备输出设备着重理解各部分的功能！24运算器与控制器(1)运算器也称算术逻辑单元(ALU)，是计算机进行算术运算和逻辑运算的部件。控制器主要用来控制程序和数据的输入/输出，以及各个部件之间的协调运行。25运算器与控制器(2)在现代计算机中，往往将运算器和控制器集成在一个集成电路芯片内，这个芯片称为CPU(中央控制单元)。CPU性能的高低，往往决定了一台计算机性能的高低。控制器CPU 运算器运算器26 内存地址内存地址存储器存储器主要功能是存放运

7、行中的程序和数据。注：在冯诺伊曼计算机模型中，存储器是指内存单元。对存储器的基本操作是数据的写入或读出，这个过程称为“内存访问”。CPU如何找到对应的存储单元进行访问呢？27输入和输出设备输入设备输入设备用来将现实世界中的数据输入到计算机，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。输出设备输出设备将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的形式。常见的输出设备有：显示器、打印机、硬盘、音箱、网卡等。 28输入设备输入设备输出设备输出设备运算器运算器( (内内) )存储器存储器控制器控制器程序程序+ +数据数据反反馈馈信信号号响应响应信号信号地地址址指指令令取取数数

8、存存数数操操作作指指令令响应响应信号信号请求信号请求信号请求信号请求信号处理结果处理结果各部分的协作流程29 在计算机中采用二进制，使信息数字化容易实现，并在计算机中采用二进制，使信息数字化容易实现，并可以用二值逻辑元件进行表示和处理。可以用二值逻辑元件进行表示和处理。 思考：我们日常生活中的进制思考：我们日常生活中的进制 最常用的十进制 星期：七进制 小时：24进制，分钟：60进制，秒：60进制 月：12进制1.3.1 计算机的基本结构 采用二进制形式表示数据和指令 为什么要用二进制呢？为什么要用二进制呢？30 1.3.1 计算机的基本结构 存储程序 存储程序意味着事先将编制好的程序(包含指

9、令和数据)存入计算机存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。“指令指令”是什么呢是什么呢? ?311.3 计算机的基本工作原理及结构计算机的基本结构计算机的基本结构 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理 321.3.2 计算机的基本工作原理 指令和程序 指令指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。 指令通常由两个部分组成：操作码 操作数 程序由一系列指令组成，这些指令在内存中是有序存放的，而指令号表明了它的执行顺序。 程序、指令、指令号是什么呢是什么呢? ?331.3.2 计算机的基本工作原理 指令系统指令系统是指一台计

10、算机的所有指令的集合。指令系统都应具有以下功能的指令： 数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入/输出指令 其他指令 341.3.2 计算机的基本工作原理 计算机的工作原理(1) 计算机中一条指令的执行过程取指令取指令译码译码分析指令分析指令执行指令执行指令351.3.2 计算机的基本工作原理 计算机的工作原理(2)本节结束，请点击 返回361.4 数据在计算机中的表示和运算数值数据的表示字符数据的表示多媒体数据的表示计算机的运算基础371.4.1 数值数据的表示二进制数二进制数在电子元件中容易实现、容易运算 计算机内部使用的是什么数据?为什么?381.4.1数值数据的表示 数制及其转换

11、(1)十进制二进制八进制十六进制常用进制有哪些?各种进制数如何区别？B B表示二进制数制；OO表示八进制数制；D D或不带字母表示十进制数制；H H表示十六进制数制。 391.4.1数值数据的表示 数制及其转换(2)r进制数的展开和式ana1a0a-1a-m(r)anrna1ra0a-1r-1a-mr-m其中r r为基数，整数为n n1 1位，小数为mm位 401.4.1数值数据的表示 数制及其转换(3)二、八、十六进制转换为十进制 展开和式！ 怎样转换？(1101.01)212312202112002-112-28410.2513.25(237.4)828238178048-11282470

12、.5159.5(A05.C)1610162016151601216-125605 0.752 565.75411.4.1数值数据的表示 数制及其转换(4)十进制转换为二、八、十六进制怎样转换？ 十进制整数 r r进制数：除以 r r取余数，直到商为0 0时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。 十进制小数 r r进制数：乘以 r r取整数，直到余数为0 0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位 。421.4.1数值数据的表示 数制及其转换(5)实例：求(11.375)10()2。 整数转换除2 2取余，小数转换乘2 2取整。将转换后的整数与小数相拼，有：(11.375)10(101

13、1.011)2。 431.4.1数值数据的表示 数制及其转换(6)实例：求(93.437 5)10()8 。 将转换后的整数与小数相拼，有：(93.4375)10(135.34)8 。 441.4.1数值数据的表示 数制及其转换(7)二进制与八、十六进制间的转换 二进制与八进制转换表二进制与八进制转换表1位八进制数位八进制数012345673位二进制数位二进制数000001010011100101110111 二进制与十六进制转换表二进制与十六进制转换表1位十六进制数位十六进制数012345674位二进制数位二进制数000000010010001101000101011001111位十六进制数

14、位十六进制数89ABCDEF4位二进制数位二进制数10001001101010111100110111101111451.4.1数值数据的表示 数值数据的表示(1) 计算机中数的相关概念 数的长度 :在计算机中，数的长度按“比特”(bitbit，二进制位英文binary digitbinary digit的缩写)来计算。但因存储容量常以“字节”(bytebyte，等于8 8bitbit)为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。 数的符号:一般总是用数的最高位(左边第一位)来表示数的正负号，并约定以“0”“0”表示正，以“1”“1”表示负 小数点的表示方法 :在计算机中并不用某个二进制位来

15、表示小数点，而是隐含规定小数点的位置 461.4.1数值数据的表示 数值数据的表示(2)数的定点表示方法 定点整数 ：小数点的位置约定在最低数值位的后面，用于表示整数 定点小数：小数点的位置约定在数符位和数值部分的最高位之间，用以表示小于1的纯小数。471.4.1数值数据的表示 数值数据的表示(3)浮点数的表示（1）为什么使用浮点数表示？浮点格式如何？浮点数的组成？ 浮点数的思想来源于数学中的指数表示形式：NMRC 481.4.1数值数据的表示 数值数据的表示(4)浮点数的表示（2） 对于一个R进制数，只要确定M与C的值(|M|1 )，就可以确定该数的值，即NMRC的值就惟一确定了 实例：0.

16、110112011在机内的表示形式 1 0 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 0 1 11 1 1 0 1 1 0 01 1 1 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0阶码部分阶码部分 尾数部分尾数部分 491.4.1数值数据的表示 数值数据的表示(5)BCD码为什么使用BCD码？有何优点？ 可以快速进行十进制数据与二进制数据的转换 采用“逢十进组”的原则亦容易实现 以4 4位二进制数表示1 1位十进制数。例如：123100001 0010 0011BCD 501.4 数据在计算机中的表

17、示和运算数值数据的表示字符数据的表示多媒体数据的表示计算机的运算基础511.4.2 字符数据的表示英文字符的表示 ASCII码、EBCDIC码和Unicode码 中文字符的表示 GB2312-80，即“国标码” 521.4 数据在计算机中的表示和运算数值数据的表示字符数据的表示多媒体数据的表示计算机的运算基础53声音：用波形文件、MIDIMIDI音乐文件或压缩音频文件方式表示图像：主要有位图编码和矢量编码两种方式；视频：由一系列“帧”组成， 1.4.3 多媒体数据的表示多媒体数据、字符数据、数值数据在计算机中用什么形式存储和处理？541.4 数据在计算机中的表示和运算数值数据的表示字符数据的表示多媒体数据的表示计算机的运算基础55运算种类： 算术运算：加、减、乘、除。 逻辑运算：与、