第1章计算机系统基础

第一章计算机系统基础主讲：史敏军《计算机基础》主要内容1、计算机的发展2、计算机的类型3、计算机的基本工作原理及结构4、计算机硬件系统组成5、计算机软件系统6、数据在计算机中的表示与存储

一、计算机的发展计算机技术发展的历史是人类文明史的一个缩影。早期计算工具早期计算机现代计算机微型计算机未来计算机1、早期计算工具算盘算筹结绳2、早期计算机机械加法器差分机继电器计算机1642年1822年1941年3、现代计算机世界上第一台数字电子计算机ENIAC（爱尼亚克）在美国的宾夕法尼亚大学研制成功。莫克利（JohnW.Mauchly）埃克特（J.PresperEckert）

★ENIACABC阿塔纳索夫-贝瑞爱尼阿克EDSAC（爱德沙克）1949年，英国，电子延迟存储计算机，宣告萌芽时期结束。EDVAC（爱德瓦克）1952年，美国，冯.诺依曼的“程序存储”设想首次体现。时代年份电子器件特点第一代1946~1953电子管穿孔卡片、磁带；机器语言和汇编语言第二代1954~1963晶体管磁芯存储器(王安)、磁鼓、磁盘、出现高级程序设计语言第三代1964~1970中小规模集成电路大型化，集中式计算，远程终端第四代1971~至今大、超大规模集成电路超大型化，计算机化，嵌入式，图形用户界面，多媒体，网络通信，网格计算、运算速度达百、千万亿次。现代计算机发展的4个阶段★2010年11月，我国研制的“天河一号”排名世界第一。采用6144个处理器，峰值计算速度达到了2570万亿次/秒。国防科学技术大学研制4、微型计算机发展1975年美国爱德华.罗伯茨发明第一台微型计算机(牛郎星)Altair88001981年美国IBM推出第一台16位个人计算机IBMPC51501985年中国的第一台微型计算机长城0520

研制成功苹果公司的AppleII微机（1977年）CPU：6502系列，主频4MHz

内存：64KB可扩展至128KB

外存：2个5.25‘软驱

视频：80x25行字符输出12个人计算机IBMPC5150（1981年）CPU：Intel8088，工作频率4.77MHz内存：16KB外存：160KB5.25”软盘显示器：11.5”单色操作系统：MS-DOS1.0价格：3045美元。13摩尔定理（Intel戈登.摩尔）晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒MIPS每18个月芯片能力增长一倍。现代计算机发展的问题体积限制芯片发热速度限制并行能力5、未来计算机的发展超导计算机量子计算机光子计算机生物计算机神经网络计算机二、计算机类型按计算能力分：巨型机、大型机、中型机、小型机、计算机（微机、笔记本、掌上电脑等）三、计算机的基本原理与结构1、冯.诺依曼计算机原理JohnvonNeumann冯

诺依曼“自动存储执行”冯.诺依曼思想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。指令是对计算机进行程序控制的最小单位。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注意：(1)所有指令的集合称为计算机的指令系统。(2)不同的计算机指令系统不同。2、指令和指令系统

冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。

执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加1

（例：指令070740H的执行过程）指令执行过程PC+1……………内存储器程序计数器PC（0100H）操作码地址码译码器操作控制线路累加器算术、逻辑运算部件运算器控制器指令寄存器…………程序区数据区07地址内容0100H070740H0101H0740H数据自动加10740程序计数器PC（0101H）1)早期的计算机系统结构

多总线设计，南北桥结构2)目前的计算机系统结构

以CPU为核心的控制中心分层结构，

3)微机系统的“1-3-5-7”规则3、微型计算机系统结构5、非冯·诺依曼计算机结构非冯·诺依曼结构：是由数据而不是由指令来驱动程序执行数据流计算机归约计算机基于面向对象程序设计语言的计算机智能计算机四、计算机硬件系统组成主要是指“冯·诺依曼”结构的五大部件。包括CPU、内存、外存、输入输出设备。1、计算机系统组成计算机硬件工作原理台式电脑苹果系列台式微机30苹果台式电脑机箱内部平板微机321、CPU中央处理器Intel酷睿i72600K（盒）(Corei72600K)英特尔公司CPU产品酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本微机。至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。34Cpu参数CPU主频：即CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）。频率的标准计量单位是Hz（赫）。制作工艺：生产CPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。精度越高，生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。缓存(cache)：集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。核心数量：单芯片多处理器，将多个处理器集中到一块芯片上。字长：cpu一次能处理的二进制位数。2、主板主板，又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。Cpu插座内存插槽北桥芯片南桥芯片PCI-E插槽微机线路连接39主板参数北桥芯片：（NorthBridge）是主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，也称为主桥（HostBridge）。一般来说。北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型（SDRAM，DDRSDRAM以及RDRAM等等）和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持，整合型芯片组的北桥芯片还集成了显示核心。南桥芯片：相比北桥芯片来讲，南桥芯片主要负责和IDE设备、PCI设备、声音设备、网络设备以及其他的I/O设备的沟通，南桥芯片到目前为止还只能见到传统的BGA封装模式一种。Cpu类型：支持的cpu的型号。内存类型：支持的内存类型。集成性：看是否整合显卡、声卡、网卡。3、内存内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存（Memory）也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。内存是由内存芯片、电路板、金手指等部分组成的。注意：1.地址：存储单元的一个编号，数据的存取须通过该编号完成。2.存储容量：内存单元的总数，通常一个单元为一个字节，1024个单元为1KB，1024×1024个单元为1兆节，记为1MB。通常为256MB。内存容量实质上指RAM的容量（因为ROM可存储容量为0)。3.RAM：随机存储器，可读写，断电后数据丢失。4.ROM：只读存储器，不可写，预先存入数据，断电后数据不丢失。

短暂地保留数据、其特点是速度快。分为随机存取存储器（RAM,静态SRAM和动态DRAM）、只读存储器（ROM）、高速缓冲存储器（Cache)。内存地址

RAM在实际存储的时候被分成为许多等长的存储单元，在微机中一般按照字节存储，即按字节来分存储单元。比如，如果有内存１kB，则被分为1024个存储单元。每个存储单元将被赋予一个编号即内存地址。FFFFH0002H0001H0000H

注意区分内存地址和内存地址中的内容。内存参数频率：它代表着该内存所能达到的最高工作频率。内存主频是以MHz（兆赫）为单位来计量的。内存主频越高在一定程度上代表着内存所能达到的速度越快。内存主频决定着该内存最高能在什么样的频率正常工作。内存类型：DDR3、DDR2、DDR、SDRAM外存是一种长期保留数据的装置，属外部设备。既是输入设备，又是输出设备，主要用于和内存储器交换信息。有硬盘、软盘、光盘、U盘、移动硬盘。CPU、内存、外存间的关系：CPU外存内存交换数据交换数据不能直接交换外存和内存的比较：速度较内存慢、容量一般较内存大，且价格比内存便宜。软盘容量为1.44M，常见硬盘达GB级以上，光盘容量有500~600MB，有可擦写光盘。闪存采用半导体快闪存储器为存储介质。如：U盘，固态硬盘（SSD），存储卡等SD存储卡U盘48硬盘机械硬盘和电子硬盘（SSD）49五、计算机软件系统

一种用来管理计算机系统软硬件资源、提高计算机工作效率的系统软件。5大功能：

1.进程与处理器(CPU)管理2.作业管理3.存储管理4.设备管理

5.文件管理

单用户操作系统：DOS多用户多任务：windowsXP/2000/98网络操作系统：Unix,netware,WindowsNT,Linux1、系统软件

系统软件主要有：操作系统、语言处理程序（如VB、C、VFP等）、工具软件等1.操作系统(OS,OperatingSystem)机器语言

以二进制的指令码编程，最早的一种编程工具。

特点：机器容易接受、执行程序效率高，但编程复杂，极易出错，可移值性差，现在已不采用。汇编语言

二进制指令的简单符号化。如加法指令用ADD表示等。 特点：比机器语言编程进了一大步，且机器也易于接受，执行效率较高，但编程仍然复杂，较易出错，目前主要用于计算机控制方面的编程。（Z80、Intel8088、Intel80486汇编语言等）

2.程序设计语言和语言处理程序（1）程序设计语言编写程序的工具，经历了3个阶段：源程序：由高级语言或汇编语言编写的程序。目标程序：由源程序翻译成的机器语言程序。可执行程序：由机器语言组成的程序。高级语言

一种接近人类语言的计算机程序设计语言。

特点：编程容易，程序设计能力较强，可移植性好，是目前广泛采用的一种编程语言，如BASIC、FORTRAN、C、FoxPro、VB、VC、VF、Java语言等。编写的程序分为3类：源程序、目标程序、可执行程序包括汇编程序、编译程序、解释程序：汇编程序：将汇编语言源程序翻译成目标语言程序。编译程序：将源程序一次性翻译成目标语言程序。如Fortran、Pascal、C。解释程序：对源程序逐条解释，解释一条，执行一条，直至执行完整个程序。无目标程序生成。如Basic.将高级语言编写的源程序翻译成机器程序有两种方式：编译和解释（2）语言处理程序

(3)数据库管理系统

应用软件是针对某一具体应用目的而编制的软件。

如：财务软件、工资管理软件、文字处理软件、CAD软件以及各种游戏软件等。分专用和通用型。特点：运行于操作系统之上，通过一些编程工具开发实现。分类：办公自动化软件、多媒体应用、辅助设计、企业应用、网络应用、安全防护、系统工具、娱乐休闲等。(4)网络服务1.5.2应用软件自然界的信息是丰富多彩的，有数值、文字、声音、图形、图像、视频等，但是计算机本质上只能处理二进制的“0”和“1”，因此必须将各种信息转换成为计算机能够接受和处理的二进制数据，这种转换往往由外部设备和计算机自动进行。六、数据在计算机中的表示与存储1、数值数据的表示二进制数据只有“0”和“1”两个符号，其进位基数为2。加法运算的基本规则是“逢二进一”，减法运算的基本规则是“借一当二”，其他规则都可以由此推出。1.二进制数据的表示1）进制转换一、数制数制是使用一组固定的数字符号及规则来表示数目的方法。现实生活中，有许多数据是通过不同的数制来表示的。例如：表示时间使用60进制数，表示年份使用12进制数，表示数量使用十进制数等。二进制数、八进制数、十六进制数是表示数量的另外几种数制。数制的三要素是：数位、基数和位权计算机是处理信息的工具，数字计算机能够处理的都是数字化的信息，所有其他类型的数据都需要通过专用设备转换成二进制数据，处理完毕后，计算机再将它们转换成人们所易于识别的数据形式。十制制数十进制数是以10为基数，以0、1、2、3、4、5、6、7、8、9作数字符号，按逢十进一规则来计数。十进制数整数部分各数位的位权是：10i-1（i为整数部分的位数），小数部分各数位的位权是：10-j（j为小数部分的位数），如图所示。999.9910210110010-110-2数各数位的位权二进制数二进制数是以2为基数，以0、1作数字符号，按逢二进一规则来计数。二进制数整数部分各数位的位权是：2i-1（i为整数部分的位数），小数部分各数位的位权是：2-j（j为小数部分的位数），如图所示。101.112221202-12-2数各数位的位权八进制数八进制数是以8为基数，以0、1、2、3、4、5、6、7作数字符号，按逢十进一规则来计数。八进制数整数部分各数位的位权是：8i-1（i为整数部分的位数），小数部分各数位的位权是：8-j（j为小数部分的位数），如图所示。456.778281808-18-2数各数位的位权十六进制数十六进制数是以16为基数，以0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F作数字符号，按逢十六进一规则来计数。十六进制数整数部分各数位的位权是：16i-1（i为整数部分的位数），小数部分各数位的位权是：16-j（j为小数部分的位数），如图所示。178.FA16216116016-116-2数各数位的位权各进制数的书写形式各进制数主要以两种书写形式来区别：1.下标法用（）括住数字，在括号右下角标注进制数下标。(101)10表示十进制数，(101)8表示八进制数，(101)2表示二进制数，(101)16表示十六进制数。2.后缀法用进制数的简称加在数的后面。101D表示十进制数，101O表示八进制数，101B表示二进制数，101H表示十六进制数。十进制数可以省略下标或后缀。二、各种数制之间的转换1.非十进制数转换为十进制数非十进制数转换为十进制数只需要将非十进制数各位按位权展开求和即可。【例1】分别将(1010.1)2、(1010.1)8

、(1010.1)16

转换为十进制数

(1010.1)2=1×23+0×22+1×21+0×20+1×2-1=10.5(1010.1)8=1×83+0×82+1×81+0×80+1×8-1=520.125(1010.1)16=1×163+0×162+1×161+0×160+1×16-1=4112.06252.十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数分整数部分和小数部分分别处理。整数部分：除2取余，直至商为0；将取出的余数序列倒序排列，得到二进制整数小数部分：乘2取整，直至小数部分为0或取得相应的有效位数；将取出的整数序列顺序排列，得到二进制小数【例2】将43.625转换为二进制数整数部分432余数2122222110520110101小数部分因此：43＝101011B，0.625＝0.101B；将整数与小数合并得：43.625＝101011.101B0.6252×1.2500.250.50.5022××1.0取整1013.十进制数转换为八进制数十进制数转换为八进制数分整数部分和小数部分分别处理。以下只说明整数部分的转换。整数部分：除8取余，直至商为0；将取出的余数序列倒序排列，得到八进制整数【例3】将278转换为八进制数整数部分2788余数348840624因此：278＝426O4.十进制数转换为十六进制数十进制数转换为十六进制数分整数部分和小数部分分别处理。以下只说明整数部分的转换。整数部分：除16取余，直至商为0；将取出的余数序列倒序排列，得到十六进制整数。【例4】将941转换为十六进制数整数部分94116余数5816163013103因此：941＝3ADH5.二进制数与八进制数的相互转换二进制数转换为八进制数，只需以小数点为界，整数部分从小数点开始向左每三位一组，不足三位在左边以0补足三位，小数部分从小数点开始向右每三位一组，不足三位在右边以0补足三位，然后将每组二进制转为相应的八进制数。八进制数转换为二进制数，只需将每位八进制数转换为相应的三位二进制数即可。【例5】将1011010101.0011B转换为八进制数，将127.6O转换为二进制数001011010101.001100132514127.6001010111110因此：1011010101B＝1325.14O127.6O=1010111.11B6.二进制数与十六进制数的相互转换二进制数转换为十六进制数，只需以小数点为界，整数部分从小数点开始向左每四位一组，不足四位在左边以0补足四位，小数部分从小数点开始向右每四位一组，不足四位在右边以0补足四位，然后将每组二进制转为相应的十六进制数。十六进制数转换为二进制数，只需将每位十六进制数转换为相应的四位二进制数即可。【例6】将1011010101.0011B转换为十六进制数，将315.F4H转换为二进制数001011010101.00113D250101315.F40001001111110100因此：1011010101B＝2D5.3H315.F4=1100010101.111101B三、二进制数的运算1.算术运算二进制数的算术运算有加法运算和减法运算，运算规则为：加法运算规则：0＋0＝00＋1＝11＋0＝11＋1＝10（进一位）减法运算规则：1﹣0＝11﹣1＝00﹣0＝00﹣1＝1（借一位）【例7】二进制数的算术运算10001111B＋1010B=10011001B算式为：10001111

＋101010011001100001B－1111B=10010B算式为：100001

－

111110010四、信息的存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）B：最常用的基本单位(８位二进制组成一个字节)K字节 1K=1024byteM（兆）字节 1M=1024KG（吉）

字节 1G=1024M

T（太）字节 1T=1024Gb7b6b5b4b3b2b1b010010101=27+24+22+20=149字（Word）：由若干个字节组成一个字（可以是一条指令或一个数据）字符编码是规定如何使用二进制数来表示字母、数字及专门符号。

1.西文数据的信息化(ASCII码)：是美国标准信息交换码，是计算机中表示字符的常用编码。

ASCII码采用7位二进制数来表示一个字符，可表示的字符有128个，其中包括：空格、数字、大小英文字母及控制字符。

ASCII码在内存中按1个字节存储，最高位补0。每个ASCII码字符可按其二进制码值比较大小。2）计算机中的数据编码

扩展ascii

码国标码：国家标准信息交换用汉字编码。国标码采用双字节的编码方式。1981年GB2312-80国标码收入6763个汉字，682个西文字符、图符，构成94行×94列的矩阵。（每一行为“区”，每一列为“位”：国标区位码）机内码“啊”：