计算机导论(全套课件466P)

1、计算机导论第1章 计算机基础知识本章导读： 本章从计算机的产生和发展出发，对计算机的特点和分类进行了阐述；重点介绍了计算机中常用的数制及其转换、带符号数的表示、字符编码和汉字编码的基本知识。要求读者了解微型计算机的发展历史、工作特点、分类、应用领域等相关知识；熟悉数制的基本概念、数制之间的相互转换。 本章主要知识点： （1）计算机的产生和发展 （2）计算机的特点和分类 （3）计算机系统的应用 （4）计算机中数制的基本概念、数制之间的相互转换 （5）常用的ASCII码、BCD码、汉字编码的相关概念和应用第1章 计算机基础知识 1.1 概述 1.2 面向过程程序设计1.1 概述1.1.1 近代计算

2、机的发展1.1.2 计算机的诞生1.1.3 计算机的发展1.1.4 计算机的特点和分类1.1.5 计算机的应用1.1 概述1642 Blaise Pascal加法器Charles Babbage1822 差分机1833 分析机MARK I电子计算机时代1.1.1 近代计算机的发展1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展 计算机的发明是以计算为基本原则，早先则是被定位为工业用产品。早在19世纪初叶，英国剑桥大学数学家、机械设计专家、经济学家和哲学家查尔斯巴贝基（Charles Babbage，1791-1871，见图1-1）发明了差分机（Difference Engine，见图1-2）即可计算等

3、式间的差距。而之后的分析机（Analytical Engine，见图1-3）则尝试用来执行多种类的运算，尽管这台机器在他有生之年并未完成，但其概念其实已经具备了现代电脑的特征，所以称巴贝基为计算机之父。 查尔斯巴贝基1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展 差分机分析机 英国著名诗人拜伦的女儿阿达拉芙拉斯伯爵夫人（Ada Augusta Lovelace，1815-1852）协助巴贝基完善了分析机的设计，指出它可以像提花机那样编程。她被誉为世界上第一位程序员。 1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展 巴贝基生于1791年的英国，当他在剑桥大学攻读博士时，即为了解决计算等式间的差异数，于181

4、2年首先设计出了一台名为差分机（Difference Engine）的机器，并于1822年制成了差分机样机。这是一台利用蒸汽为动力，以齿轮为基础所构成的机器，由于齿轮的数量过于庞大（约四千），以至于差分机所计算的成果并不精确。经历十年失败的尝试，1834年巴贝基在研制差分机的工作中，看到了制造一种新的、在性能上大大超过差分机的计算机的可能性，从而放弃了差分机转而构想出了名为分析机的自动运算机器，由于这台机器具备有“输入”、“运算”、“输出”及“储存”的四大现代计算机特征，最后因英国政府停止资助使这项计划，直到巴贝基逝世，亦未能最终实现他所设计的计算机。 1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展

5、 美国哈佛大学的霍华德艾肯（Howard Aiken，1900-1973）博士在图书馆里发现了巴贝基的论文，提出了用机电方式，而不是用纯机械方法来构造新的分析机。霍华德艾肯在IBM公司的资助下，于1944年研制成功了被称为计算机“史前史”里最后一台著名的Mark计算机，将巴贝基的梦想变为了现实。这也正是IBM走上计算机产业之路的开始。后来霍华德艾肯继续主持了Mark和Mark计算机的研制工作，但它们已经属于电子计算机的范畴。这里请注意,20世纪40年代曾经出现过两个被称为Mark的计算机，一个是这里所说的Mark，另一个是英国曼彻斯特大学以威廉斯管的发明人Williams（1911-1977）

6、和汤姆基尔蓬（Tom Kilbrn）为首的研究小组开发的Mark，其原型则被称为“婴儿机”（Baby Machine）。曼彻斯特大学在计算机发展史上也曾经起过重大的作用。1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展 英国数学家艾兰图灵（Alan Mathison Turing，l912-1954）是世界上公认的计算机科学奠基人，见图1-4。他的主要贡献有两个：一是建立图灵机（TuhngMaChine，TM）模型，奠定了可计算理论的基础；二是提出图灵测试，阐述了机器智能的概念。但在他生活的时代，却完全没有这些赞誉。他不过是一位古怪的数学家、超前的哲学家、神秘的密码破译专家而已，没有人会想到他的思维能

7、燃起信息时代的烈焰。为纪念图灵对计算机科学的贡献，美国计算机学会ACM在1966年创立了“图灵奖”，每年颁发给在计算机科学领域的领先研究人员，号称计算机业界和学术界的诺贝尔奖。图灵图灵与图灵机为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。1.1 概述1.1.1 近代计算机的发展 另一个也被称为计算机之父的是美籍匈牙利数学家冯诺依曼（Von Neumann），他和他的同事们研制了世界上第二台电子计算机EDVAC，对后来的计算

8、机在体系结构和工作原理上具有重大影响。在EDVAC中采用了“存储程序”的概念，以此概念为基础的各类计算机统称为冯诺依曼机。50多年来，虽然计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面与当时的计算机有很大差别，但基本结构没有变，都属于冯诺依曼计算机。但是，冯诺依曼自己也承认，他的关于计算机“存储程序”的想法都来自图灵。 冯诺依曼冯诺依曼计算机John von Neumann冯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

9、和执行，直至完成全部指令任务为止。1.1 概述1.1.2 计算机的诞生 1939年保加利亚裔美国人、依阿华大学教授阿塔诺索夫（John Vincent Atanasoff，1903-1995）因进行数学物理研究需要大量计算，而当时使用的模拟计算机速度慢、精度低，从而决心设计电子管数字计算机。在研究生克里福特伯瑞（Clifford E.Berry，1918-1963）的协助下，于1941年制作了一台雏形计算机ABC（Atanasoff-Berry Computer），被誉为世界上第一台电子计算机。 1.1 概述1.1.2 计算机的诞生 美国宾州大学的物理学教授约翰莫奇莱（John Mauchly

10、，1907- 1980），曾经观摩过ABC计算机，1042年他写了一份备忘录，建议制造电子计算机来完成弹道表的计算。1943年4月美国陆军阿伯丁弹道实验室与宾州大学摩尔学院签订合同，开始研制ENIAC。在埃克特（J.Preper Eckert，l919-1995）、戈德斯坦（Herman H.GoldStine，l913-）等人的共同努力下，1945年秋制成ENIAC，并于1946年2月15日公诸于世，见图1-6。 ENIAC1.1 概述1.1.2 计算机的诞生 1947年莫奇莱和埃克特离开宾州大学，创立了自己的计算机公司，生产UNIVAC计算机，见图1-7。1951年6月14日UNIVAC交

11、付美国人口统计局使用。舆论界通常认为这标志着人类进人了计算机时代。原因有二：一是UNIVAC首次作为商品出售，它先后生产了近50台，而ENIAC只有一台自用；二是UNIVAC用于公众领域的数据处理，不像ENIAC只用于军事目的。特别是UNIVAC曾在大选中，预告艾森豪威尔当选，这使西方舆论大为轰动。因此，人们认为1951年UNIVAC迎来计算机时代，而与其说莫奇莱和埃克特发明了电子计算机，不如说他们奠定了计算机工业的基础。 UNIVAC第一代（19461956）电子管5千4万（次/秒）第二代（19571964）晶体管几十万百万（次/秒）第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）第四

12、代（197190年代）集成电路几百万几亿（次/秒）1964年911机1966年112机1.1.3 计算机的发展1.1 概述1.1 概述1.1.3 计算机的发展1第一代（1946年1958年）：电子管阶段 基本特征采用电子管作为计算机的逻辑元器件，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅数KB。其数据表示主要是定点数，使用机器语言或汇编语言编写程序。第一代电子计算机体积庞大，造价昂贵，用于军事和科学研究工作。其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。电子管1.1 概述1.1.3 计算机的发展2第二代（1959年1964年）：晶体管阶段 基本特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元器件，

13、由于电子技术的发展，运算速度达每秒几十万次，内存容量增至几十KB。与此同时，计算机软件技术也有了较大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM 7094、CDC 7600。 晶体管1.1 概述1.1.3 计算机的发展3第三代（1965年1970年）：集成电路阶段 基本特征是采用小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，随着固体物理技术的发展，集成电路工艺己可以在几平方毫米的单晶硅集成电路片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。它的运

14、算速度每秒可达几十万次到几百万次，体积越来越小，价格越来越低，软件越来越完善，在监控程序的基础上发展形成了操作系统。其代表机型有IBM360。集成电路1.1 概述1.1.3 计算机的发展4第四代（1971年现在）：大规模/超大规模集成电路阶段 基本特征是采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，20世纪70年代以来，集成电路制作工艺取得了迅猛的发展，在硅半导体上可集成更多的电子元器件，半导体存储器代替了磁芯存储器，目前，计算机的速度最高可以达到每秒几百万亿次浮点运算。操作系统不断完善，高级程序设计语言功能更加完善，人们的生活与计算机应用息息相关。超大规模集成电路计算机的商用化

15、计算机的第一个商业顾客烤面包卖茶点的利昂（lyons）ENIACEDSAC改进 lyons参与部分投资进入社会，开启办公自动化理念Lyons复制EDSACLEO (Lyons Electronic Office)LEO充当会计师Altair 8800 计算机发展微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。CRAY- 计算机发展巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、 “银

16、河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000” 、“曙光200I”和“曙光3000”银河 计算机发展网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。 计算机发展智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人” 计算机世界中的中国1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组

17、长 闵大可电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人 钱三强1958年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的107计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）1977年研制成功中国第一台微机DJS050 计算机世界中的日本辉煌：打败Intel的芯片巨人，迫使Intel 于1985年另辟战场（微处理器）笔记本电脑的领军人物失误：第五代计算机（智能计算机）的开发者高清晰度模拟电视 计算机世界中的印度硅谷慧谷世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印

18、度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一。 计算机文化与道德计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无比有力的知识工具”。真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。1.1 概述1.1.4 计算机的特点和分类1计算机的特点（1）运算速度快。（2）计算精度高。（3）具有记忆和逻辑判断功能。（4）能自动运行且支持人机交互。1.1 概述1.1.4 计算机的特点和分类 2计算机的分类 根据计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置等多方面的综合性能指标，计算机可以分为：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器、网

19、络计算机等。上述分类标准不是一成不变的，只能适应某一个时期。 （1）巨型机。 （2）大型机。 （3）小型机。 （4）微型计算机。 （5）工作站。 （6）服务器。 （7）网络计算机。 1.1 概述1.1.5 计算机的应用 1科学计算 2事务处理 3过程控制 4辅助工程 5人工智能 6网络应用1.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换1.2.2 计算机中的数值数据的表示1.2.3 计算机常用的编码1.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换 计算机中不同计数制的基数、数码、进位关系和表示方法计数制基数数码 进位关系 表示方法二进制 20、1 逢二进一 1010B或

20、（1010）2八进制 807 逢八进一 247Q或（247）8十进制 1009 逢十进一 598D或（598）10十六进 16 0-9、A-F 逢十六进一 7C2F H或（7C2F）161.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.1】将十进制整数（103）10转换为二进制整数。按照转换规律，采用“除2倒取余”的方法，过程如下：2 103 2 51 余数为12 25 余数为12 12 余数为12 6 余数为02 3 余数为02 1 余数为10 余数为1所以，（103）10（1100111）21.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.2】将十进制小

21、数（0.8125）10转换为二进制小数。按照转换规律，采用“乘2顺取整”的方法，过程如下：0.812521.625 取整数位10.62521.25 取整数位1 0.2520.5 取整数位00.521.0 取整数位1所以，（0.8125）10（0.1101）2若出现乘积的小数部分一直不为“0”，则可以根据计算精度的要求截取一定的位数即可。 1.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.3】将十进制整数（1685）10转换为八进制整数。按照转换规律，采用“除8倒取余”的方法，过程如下：8 1685 8 210 余数为58 26 余数为28 3 余数为20 余数为3所以，（16

22、85）10（3225）81.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.4】将十进制整数（2347）10转换为十六进制整数。按照转换规律，采用“除16倒取余”的方法，过程如下：16 2347 16 146 余数为11（十六进制数为B）16 9 余数为20 余数为9所以，（2347）10（92B）161.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.5】将十进制小数（0.7125）10转换为八进制小数。按照转换规律，采用“乘8顺取整”的方法，过程如下：0.712585.7 取整数位50.785.6 取整数位5 0.684.8 取整数位40.886.4 取整数

23、位6若数据的计算精度取小数点后4位数，则其后的数可以不再计算。所以，（0.7125）10（0.5546）81.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.6】 将十进制小数（0.8129）10转换为十六进制小数。按照转换规律，采用“乘16顺取整”的方法，过程如下：0.81291613.0064 取整数位13（十六进制数为D）0.0064160.1024 取整数位0 0.1024161.6384取整数位10.63841610.2144取整数位10（十六进制数为A）取数据的计算精度为小数点后4位数。所以,（0.8129）10 （0.D01A）161.2 计算机中的信息表示1.2

24、.1 计算机中的数制机器转换【例1.7】将二进制数（1011001.101）2 转换为十进制数。采用按位权展开求和的方法，过程如下：（1011001.101）2126124123120121123 6416810.50.125 （89.625）10【例1.8】将八进制数（1476.52）8转换为十进制数，过程如下：（1476.52）8 183482781680581282 5122565660.6250.03125 （830.65625）101.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.9】将十六进制数（2D7.A）16 转换为十进制数，过程如下：（2D7.A）16 21

25、6213161716010161 51220870.625 （727.625）10【例1.10】将八进制数（3157.462）8转换为二进制数，采用“一分为三”的方法。 3 1 5 7 4 6 2 011 001 101 111 100 110 010所以，（3157.462）8（11001101111.100110010）21.2 计算机中的信息表示1.2.1 计算机中的数制机器转换【例1.11】将二进制数（10011010110.10101011）2转换为八进制数，采用“三合一”的方法。 010 011 010 110101 010 110 2 3 2 6 5 2 6所以，（1001101

26、0110.10101011）2（2326.526）8【例1.12】将十六进制数（72A3.C69）16转换为二进制数，每位十六进制数用4位二进制数表示，过程如下： 7 2 A 3 C 6 9 0111 0010 1001 00111100 0110 1001所以，（72A3.C69）16（111001010010011.110001101001）21.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示1基本概念 在计算机内部表示二进制数的方法通常称为数值编码，把一个数及其符号在机器中的表示加以数值化，这样的数称为机器数。机器数所代表的数称为该机器数的真值。要完整地表示一个机器数，应考虑

27、三个因素：机器数的范围；机器数的符号；机器数中小数点的位置。（1）机器数的范围：由计算机的CPU字长来决定。当使用8位寄存器时，字长为8位，所以一个无符号整数的最大值是：（11111111）B=（255）D，此时机器数的范围是0255。当使用16位寄存器时，字长为16位，所以一个无符号整数的最大值是：（1111111111111111）B=（FFFF）H=（65535）D，此时机器数的范围是065535。1.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示 （2）机器数的符号：在算术运算中，数据是有正有负的，称之为带符号数。为了在计算机中正确地表示带符号数，通常规定每个字长的最高位为

28、符号位，并用“0”表示正数，用“1”表示负数。例如：字长为8位二进制时，D7为符号位，其余D6D0为数值位；字长为16位二进制数时，D15为符号位，其余D14D0为数值位。 （3）机器数中小数点的位置：在机器中，小数点的位置通常有两种约定，一种规定小数点的位置固定不变，这时的机器数称为“定点数”；另一种规定小数点的位置可以浮动，这时的机器数称为“浮点数”。 1.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示2带符号数的原码、反码、补码表示（1）原码：规定正数的符号位为0，负数的符号位为1，其它位按照一般的方法来表示数的绝对值。用这样的表示方法得到的就是数的原码。例如：当机器字长为8

29、位二进制数时： X1011011 X原码01011011 Y1011011 Y原码11011011原码表示的整数范围是(2n-11) (2n-11)，其中n为机器字长。通常：8位二进制原码表示的整数范围是127127， 16位二进制原码表示的整数范围是3276732767。 1.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示（2）反码：对于一个带符号的数来说，正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位以外的各位按位取反。例如：当机器字长为8位二进制数时： X1011011 X原码01011011 X反码01011011 Y1011011 Y原码11011011 Y反码101

30、00100负数的反码与负数的原码有很大的区别，反码通常用作求补码过程中的中间形式。反码表示的整数范围与原码相同。1.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示（3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。例如：X1011011 X原码01011011 X补码01011011 Y1011011 Y原码11011011 Y反码10100100 Y补码10100101补码表示的整数范围是2n-1（2n-11），其中n为机器字长。则：8位二进制补码表示的整数范围是128127，16位二进制补码表示的整数范围是3276832767。（4）补码与真值之间的转换：给定机

31、器数的真值可以通过补码的定义来完成真值到补码的转换，若已知某数的补码求其真值，计算方法如下：正数补码的真值等于补码的本身；负数补码转换为其真值时，将补码按位求反末位加1，即可得到该负数补码对应的真值。1.2 计算机中的信息表示1.2.2 计算机中的数值数据的表示【例1.14】 给定 X补码01011001B，求真值X；给定X补码11011010B，求真值X。（1）由于X补码代表的数是正数，则其真值：X1011001B（126124123120）（641681）（89）D（2）由于X补码代表的数是负数，则其真值：X（1011010求反1）B（01001011）B（0100110）B（125122

32、121）（3242）（38）D1.2 计算机中的信息表示1.2.3 计算机常用的编码1美国信息交换标准代码（ASCII码） ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码是美国信息交换标准代码的简称，用于给西文字符编码，包括英文字母的大小写、数字、专用字符、控制字符等。这种编码由7位二进制数组合而成，可以表示128种字符， ASCII码是7位二进制编码，而计算机的基本存储单位是字节（byte），一个字节包含8个二进制位（bit）。因此，ASCII码的机内码要在最高位补一个0。在存储、处理和传送信息时，最高位常用作奇偶校验位，

33、用来检验代码在存储和传送过程中是否发生错误。奇校验时，每个代码的二进制形式中应有奇数个1；偶校验时，每个代码的二进制形式中应有偶数个1。 1.2 计算机中的信息表示1.2.3 计算机常用的编码2二十进制编码BCD码 BCD（Binary-Coded Decimal）码又称为“二十进制编码”，专门解决用二进制数表示十进数的问题。“二十进制编码”最常用的是8421编码，其方法是用4位二进制数表示1位十进制数，自左至右每一位对应的位权是8、4、2、1。由于4位二进制数有00001111共16种状态，而十进制数09只取00001001的10种状态，其余6种不用。通常，BCD码有两种形式，即压缩BCD码

34、和非压缩BCD码。（1）压缩BCD码：压缩BCD码的每一位数采用4位二进制数来表示，即一个字节表示两位十进制数。例如：十进制数59D，采用压缩BCD码表示为二进制数是01011001B。（2）非压缩BCD码：非压缩BCD码的每一位数采用8位二进制数来表示，即一个字节表示1位十进制数。而且只用每个字节的低4位来表示09，高4位为0。例如：十进制数87D，采用非压缩BCD码表示为二进制数是00001000 00000111B。 1.2 计算机中的信息表示1.2.3 计算机常用的编码3汉字编码 具有汉字信息处理能力的计算机系统，除了配备必要的汉字设备和接口外，还应该装配有支持汉字信息输入、输出和处理

35、的操作系统。计算机处理汉字信息的前提条件是对每个汉字进行编码，这些编码统称为汉字代码。目前计算机中常用的几种汉字代码有：（1）汉字输入码：用于外部输入汉字，也称为外码。它位于人机界面上，面向用户，其编码原则是简单易记、操作方便、有利于提高输入速度。目前使用较多的有顺序码将汉字按一定顺序排好，然后逐个赋予1个号码作为该汉字的编码，例如区位码；音码根据汉字的读音进行编码，例如拼音码；形码根据汉字的字形进行编码，例如五笔字型；音形码根据汉字的读音和字形进行编码，例如双拼码。1.2 计算机中的信息表示1.2.3 计算机常用的编码（2）汉字机内码：是汉字处理系统内部存储、处理汉字而使用的编码，简称内码。

36、内码与国家标准GB2312-80汉字字符集有简明的一一对应关系。（3）汉字交换码：是汉字信息处理系统之间或通信系统之间传输信息时，对每个汉字所规定的统一编码。我国已指定了汉字交换码的国家标准“信息交换用汉字编码字符集基本集”，代号GB2321-80，又称“国标码”。第2章 微型计算机系统的组成本章导读： 重点阐述了微机的中央处理器、存储器、输入/输出设备的类型、发展和主要性能指标。 重点内容： 计算机软、硬件系统构成、中央处理器的类型、性能和指标 、存储器的类型、性能和指标输入/输出设备的类型、性能和指标。 第2章 微型计算机系统的组成 2.1 概述 2.2 中央处理器CPU 2.3 存储器2

37、.4 总线与输入/输出 接口电路2.5 输入/输出设备2.1 概述2.1.1 硬件系统 微型计算机的硬件系统主要由CPU、存储器、系统总线、接口电路及I/O设备等部件组成。 2.1 概述2.1.1 硬件系统（外）存储器（内）存储器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地 址控制流运算器光盘驱动器软盘驱动器主机箱显示器键盘鼠标微型计算机工作原理运算（处理） 存储（记录） 控制（协调）计算机的语言二进制进制的概念“逢R进一，借一当R”十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2 ，可使用0,1八进制R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16

38、 ，可使用0,9,A,B,C,D,E,F二进制概念128瓦32瓦64瓦16瓦8瓦4瓦1瓦2瓦11111000信息复制的精确性运算规则简单电子线路制造计算机成为可能程序和指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）：最常用的基本单位K 字节1K = 1024 byteM（兆）字节1M = 1024 KG（吉） 字节1G = 1024 M T（太）字节1T = 1024 Gb7

39、b6 b5 b4 b3 b2 b1 b01 0 0 1 0 1 0 1=27+ 24+ 22+ 202.1 概述2.1.2 软件系统 软件是提高计算机使用效率、扩大计算机功能的程序总称，它由各种程序和数据组成。软件系统由系统软件和应用软件组成。 在硬件基础上的系统软件是对硬件功能的扩充与完善，而操作系统是配置在硬件上的第一层软件，它是对硬件功能的第一次扩充，从而构成了一个比硬件裸机功能更强大、使用更方便的虚拟计算机。所有系统实用程序以及更上层的应用程序都在操作系统虚拟机上运行，他们受操作系统的统一管理和控制。硬件和软件的整体称为计算机系统资源，其系统构成示意图见图2-2。 2.1 概述2.1.

40、2 软件系统计算机系统的组成硬件系统软件系统主机外部设备系统软件应用软件中央处理器内存储器输入设备输出设备外存储器操作系统语言处理系统系统服务程序数据库管理系统文字处理软件表格处理软件辅助设计软件实时控制软件运算器控制器只读存储器随机存储器2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 1、CPU主要性能指标（1）CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据处理能力的重要指标。（2）CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自身工作频率。 2.2 中央处

41、理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 （3）CPU外频。CPU的外频也是指CPU从主板上获得的工作频率。它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的基准时钟频率，也就是主板的工作频率。（4）CPU倍频系数 CPU主频、外频和倍频系数关系如下： CPU主频 = CPU外频 倍频系数（5）前端总线频率。前端总线（FSB：Front Side Bus）指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通道，因此也可以称为是CPU的外部总线。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术（1）CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指CPU内部数据总线宽度或位数。它

42、是CPU数据处理能力的重要指标。（2）CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自身工作频率。 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术（4）指令与数据分开。经典奔腾有两个高速缓存，一个用于缓存指令，一个用于缓存数据，这种把指令与数据分开存取结构称为哈佛结构（5）固化常用指令。奔腾把常用指令，例如把MOV、ADD、INC、DEC、PUSH等指令改用硬件实现，而不用微代码操作，使指令的运行速度进一步加快。（6）增强的32位数据总线。（7）采用PCI局部总线。（8）错误检测及

43、功能冗余校验技术。（9）能源效率技术。（10）支持多重处理。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位处理器、8位处理器、16位处理器、32位处理器以及64位处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的，甚至可以说英特尔的发展史就是CPU的发展史。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展几种CPU的外观图如下所示。 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展几种CPU的

44、外观图如下所示。 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展几种CPU的外观图如下所示。 2.2 中央处理器CPU2.2.2 CPU的基本组成1、控制单元 控制单元（Contral Unit）是硬件系统的控制部件。它能自动、逐条地从内存储器中取出指令，将指令翻译（转换）成控制信号（电脉冲），并按时间顺序和节拍，发往其他部件，指挥各部件有条不紊地协同工作。2运算单元 运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）又称为算术逻辑单元，是负责处理数据的部件。它既能进行加、减、乘、除等算术运算，又能进行与、或、非、比较等逻辑运算。可以把它比做数据

45、的加工厂。2.2 中央处理器CPU2.2.2 CPU的基本组成3、摩尔定律 在芯片制造技术中，有一条摩尔定律（Moores Law），即每十八个月集成电路的密度翻一番，表示它的功能要翻一番。摩尔是英特尔公司的创始人之一，20多年来，该定律在业界一直正确，带动着微机不停地更新换代，总的趋势是CPU字长“位”数不断增多，速度指标“主频”不断加快，功能不断增强，而价格又不断下降。计算机第一定律摩尔定律单位时间执行的指令数百万条/每秒每18个月芯片能力增长一倍。晶体管数2.3 存储器2.3.1 存储器的分类1、按存储介质分类（1）半导体存储器（2）磁表面存储器（3）光存储器2、按存储器的读写功能分类（

46、1）只读存储器ROM（2）随机存储器RAM2.3 存储器2.3.1 存储器的分类3、按信息的可保存性分类（1）非永久性记忆的存储器。（2）永久性记忆的存储器4按在微机系统中的作用分类（1）主存储器（2）辅助存储器（3）高速缓冲存储器2.3 存储器2.3.2 存储器的基本性能指标1、存储容量存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。存储容量通常以字节（B）为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）等表示。其换算关系为：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB2

47、.3 存储器2.3.2 存储器的基本性能指标2、存取速度 存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。 （1）存取时间。存取时间是指启动一次存储器操作到完成该操作所用的时。 （2）存取周期。存取周期是指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。通常存取周期略大于存取时间，其差别与存储器的物理实现细节有关。3、价格存储器的价格常用每位的价格来衡量。2.3 存储器 2.3.3 存储系统的层次结构 所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计

48、算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图2-10所示。2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线 总线：计算机系统中传输信息的公共通道。按位置可将总线分为以下三类： （1）片内总线：片内总线是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。 （2）系统总线：也称内总线，用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接，系统总线有时也称为板级总线。目前这类总线已基本上实现了标准化，例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总线等。在微型计算机主板上

49、的各种扩展插槽都属于内总线。2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线（3）外部总线 这是微型计算机之间或微型计算机与外部设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的互连。外部总线也称为通信总线。其种类比较多，通常与特定的设备有关，例如：RS-232C总线、RS-458总线、USB总线等。 图2-11所示即为常见的微型计算机总线层次的典型结构。2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线1ISA（Industry Standary Architecture）总线（1）数据宽度：16位（2）工作频率：8MHZ（3）数据传输率：8Mb/S（

50、4）寻址空间：1M2PCI（Peripheral Component Interconnect）总线（1）数据宽度：32位，可扩展到64位（2）工作频率：33MHZ（3）数据传输率：133Mb/S2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线3、AGP（Advanced Graphics Port）总线 AGP是Intel公司配合Pentium处理器开发的总线标准，它是一种可自由扩展的图形总线结构。（1）数据宽度：32位（2）工作频率：33MHZ或133MHZ（3）数据传输率：266Mb/S或533Mb/S4、通用串行总线USB（Univer

51、sal Serial Bus）总线 通用串行总线是一种新型的输入/输出总线接口。USB接口为外部设备提供电源， USB设备可以起集线器作用，通过集线器可同时连接127台输入/输出设备。最大数据传输率为12Mb/S。2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线5、IEEE l394总线 IEEE l394是一种连接外部设备的机外总线，按串行方式通信。这种接口标准允许把计算机、计算机外部设备（如硬盘、打印机、扫描仪）、各种家电（如数码相机、DVD播放机、视频电话等）非常简单地连接在一起。2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口

52、电路1、硬盘接口 目前在微机中使用最广泛的硬盘接口标准是IDE和SCSI标准。（1）IDE由Compaq开发并由Western Digital公司生产的硬盘控制器接口。它的最大特点是把控制器集成到硬盘驱动器内。（2）EIDE（Enhanced IDE）接口标准。EIDE是Western Digital为取代IDE而开发的接口标准。采用EIDE接口的微机系统中，己直接将EIDE接口集成在主板上，不再需要单独的适配卡。2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口电路（3）SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）接口标准。SCSI由

53、美国国家标准协会（ANSI）1986年6月公布的接口标准（称为SCSI-1），1990年又推出了SCSI-2标准。可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，如硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和磁带驱动器等。2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口电路2、RS-232-C接口 RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般的通

54、信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。最大通信距离为15m。串行接口目前最普遍的用途是连接鼠标和调制解调器，常被称为异步通信适配器接口，串行端口插座分为9针或25针两种。串行接口被赋予专门的设备名COMl和COM2。2.5 输入/输出设备2.5.1 输入设备1、键盘 微型机的键盘是从英文打字机演变而来的。键盘是微型计算机不可缺少的输入设备，如图2-12所示。任何一台微机首先必须具备一个标准的通用键盘，在这个键盘上应有26个英文字母键，“0”到“9”十个阿拉伯数字键和其他一些功能键。2.5 输入/输出设备2.5.1 输入设备2鼠标 由于Windows操作系统的盛行，因此

55、在和计算机沟通方式中，鼠标这类指向装置便有其重要的地位。鼠标能方便地将光标准确定位在要指定的屏幕位置，很方便地完成各种操作。因此，在Windows操作系统中鼠标是必不可少的输入设备。如图2-13所示。 鼠标分为机械式、光学式、光学机械式、光电式几种，对鼠标的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这四种不同的操作可以实现不同的功能。 鼠标器最常用接口有3种：串行口、专用鼠标器端口（PS/2）、USB接口。2.5 输入/输出设备2.5.1 输入设备3、扫描仪 扫描仪是计算机输入图片使用的主要设备，它内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信息转换成计算机图像数据，并传送给计算机，再由计算机进行图像处理、

56、编辑、存储、打印输出或传送给其他设备。 按色彩来分，扫描仪分成单色和彩色两种；按操作方式分，可分为手持式和台式扫描仪。 扫描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、扫描速度等。 扫描仪如图2-14所示底座顶盖透明玻璃2.5 输入/输出设备2.5.2 输出设备1、显示设备（1）CRT显示器 CRT显示器可以依显像管的颜色来分，如单色和彩色，彩色可以显示彩色，也可以显示单色。但是，在实际使用中，人们习惯于以显示器所连接主机的显示卡来分。如MDA单色显示器、CGA彩色显示器、EGA彩色显示器、VGA彩色显示器、TVGA彩色显示器等。 CRT显示器如图2-15所示。2.5.2 输出设备CRT显示器的主要技

57、术指标：（1）屏幕尺寸：指屏幕对角线长度，一般有14、15、17、19、20、21英寸等多个尺寸。（2）点距：指CRT（阴极射线管）上两个颜色相同的磷光点之间的距离，单位是mm（3）像素和分辨率：分辨率指屏幕上像素的数目，像素是指组成图像的最小单位，也即上面提到的发光点。比如，800600的分辨率是说在水平方向上有800个像素，在垂直方向有600个像素。为了控制像素的亮度和彩色深度，每个像素需要很多个二进制位来表示，如果要显示256种颜色，则每个像素至少需要8位（一个字节）来表示。2.5 输入/输出设备2.5 输入/输出设备2.5.2 输出设备（2）LCD（Liquid Crystal Dis

58、play，液晶显示器）。有低眩目的全平面屏幕，低功耗（和普通监视器的100W相比，只有5W）。有源阵列的LCD面板的色彩质量实际上超过了大多数CRT显示器。LCD显示器提供比同尺寸CRT显示器更大的可视图像，有4种基本的LCD选择：无源阵列单色、无源阵列彩色、有源阵列模拟彩色和最新的有源阵列数字彩色。 LCD显示器如图2-16所示。2.5.2 输出设备2、打印设备 打印机是微机的传统输出设备，它将微机中的数字信息以打印的方法转换为书面信息。按照打印机的工作原理，打印机分为击打式和非击打式两大类，其中击打式主要是针式打印机；非击打式种类较多，如激光打印机、喷墨打印机、热敏式打印机等，其中常见的打

59、印机有针打、喷墨打印机和激光打印机3类。（1）针式打印机见图2-17。2.5 输入/输出设备2.5 输入/输出设备 2.5.2 输出设备 针式打印机的主要技术指标：（1）打印机寿命：常用的有9针、24针的打印头，打印寿命一般为：2亿点/针。（2）打印速度：平均打印速度是评价打印机性能的一个重要指标，单位为字/秒。（3）打印宽度：常见的有132列和80列两种。（4）走纸速度：走纸速度影响打印平均速度，单位用英寸/秒表示。2.5 输入/输出设备 2.5.2 输出设备（2）喷墨打印机。见图2-18。是在针式打印机之后发展起来的，采用非打击的工作方式。比较突出的优点有体积小、操作简单方便、打印噪音低、

60、使用专用纸张时可以打出和照片相媲美的图片等。 2.5.2 输出设备 喷墨打印机的主要技术指标：（1）分辨率（DPI）：它本身表示在每英寸的范围内喷墨打印机可打印的点数（2）色彩调和能力：（3）打印速度。一般以每分钟平均打印的页数（PPM）来统计。2.5 输入/输出设备2.5.2 输出设备（3）激光打印机。见图2-19。是目前印字最好的一种打印机，属于非击打式打印机。它具有速度快、解析度高、无噪声等优点。激光打印机是采用电子成像技术进行打印的。 激光打印机的主要技术指标： 分辨率（DPI）：衡量激光打印机打印质量的一个最重要的标准。 打印速度：一般以每分钟平均打印的页数（PPM）来统计。2.5