第一章计算机基本知识

1

绪论2计算机发展简史

1.早期的计算工具东方的创造：算筹、算盘西方的灵感：机械式计算工具机械-电动式计算机31642法帕斯卡机械加法器Pascaline1670德莱布尼兹改进Pascaline，加入乘法、除法和平方根运算，并提出二进制计算德概念，使高速自动运算成为可能1822英巴贝奇设计差分机利用机器编制数表1834完成分析机设计方案，可以做数值运算和逻辑运算1888美霍勒瑞斯机电式穿孔卡系统－制表机，将机械设计原理与信息自动比较和分析方法结合起来的统计分析机1896创办制表机公司，1911年组建计算机制表记录公司，1924年改为国际商用机器公司，IBM1938德朱斯第一台二进制计算机Z-1，Z-3第一台通用程序控制的机电计算机1944美艾肯通用型机电计算机MARK-I,1947年MARK-II4计算机发展简史

2.电子计算机的诞生

1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利和电气工程师埃克特研制成功了世界上第一台通用电子数字计算机(ENIAC)。5ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)电子数值积分计算机电子管:18800只电阻:70000个电容:10000只继电器:1500个耗电:140kW/h占地:170m2重量:30吨速度:5000次/秒6计算机发展简史3、存贮程序式计算机—

冯·诺依曼机 （EDSACElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)

美籍匈牙利人冯·偌依曼（JohnVonNeumann）教授于1946年6月提出了“存贮程序”的设想：将组成解题程序的一条条指令，象数据一样采用二进制编码方式事先存入计算机中，运行时只须顺序取出这些指令，经译码后执行相应的操作即可。从而可以实现真正的全自动运算。

1949.5第一台EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer离散变量自动电子计算机)

诞生在英国剑桥大学。7图灵(Turing)与现代计算机的设计思想①1946年6月发表“电子计算机装置逻辑

结构初探”论文②采用电子元件的计算机应使用二进制③程序应保存在存储器中(存储程序)④EDVAC(离散变量自动电子计算机)①1936年提出“理想计算机”，论文题目是论可计算数及其在判定问题的应用②加、减和比较运算能完成许多数学计算③通用图灵机是现代通用数字计算机的数学模型，它把程序和数据都以数码形式存储，属“存储程序”型计算机冯·诺依曼(VonNeumann)与计算机结构理论8计算机发展简史4、电子计算机的发展阶段9计算机发展简史

5.计算机的发展趋势⑴巨型化(功能巨型化)

巨型化是指具有高速运算、大存储容量和功能强大的巨型计算机系统,百亿次每秒。如ILLIAC-IV、银河机。⑵微型化(体积微型化)

包括台式微机、笔记本电脑、掌上电脑。⑶网络化(资源网络化)

网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分散在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以使所有用户10

均可共享软件、硬件和数据资源的目的。如，Internet。

⑷智能化(处理智能化)

智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力。如专家系统和智能机器人，“深蓝”战胜卡斯帕罗夫。

6.未来第五代计算机的展望（基本元件创新）

⑴神经网络计算机：神经元⑵生物计算机：生物芯片⑶光子计算机：光子代替电子 ⑷超导计算机：超导元件和电路组成11计算机发展简史7、微型计算机的发展阶段（属第四代计算机） 由集成电路构成的中央处理器，称作微处理器。第一代微型机(1971年,4位)，Intel4004第二代微型机(1972--1977年,8位,6m)，Intel8080,Motorola6800,Zilog80第三代微型机(1978--1983年,16位,4m)，Intel8086/80286,M68000,Z8000第四代微型机(1984--,32位,2m)，Intel80386/80486,M68020,HP-32,MAC-32第五代微型机(1993--现在,64位)，Pentium12第1章

计算机基础知识13

1.1计算机概述

1.1.1什么是计算机计算机是一种能对各种信息进行存储和高速处理的工具或电子机器。提高人类脑力劳动的效能对上述定义要强调两点： ①计算机不仅是一个计算工具，而且还是一个信息处理机。 ②计算机不同于其它任何机器，它能存储程序，并按程序的引导自动存取和处理数据。141.1.2计算机的分类

1.按处理对象分类

(1)数字：处理非连续变化的数据，输入、存储、处理和输出的数据均为数字量。运算精度高、存储量大、通用性强。

(2)模拟：连续变化的数据，基本部件为运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。速度快，精度不高，通用性差，用于解微分方程霍自控系统设计中的参数模拟。

(3)混和信号的处理：结构复杂，设计困难。

2.按计算机用途分类⑴通用计算机：它是为了能解决多种类型问题，具有较强的通用性而设计的计算机⑵专用计算机：它是为了解决一个特定的问题而专门设计的计算机。15

3.按计算机性能分类⑴巨型机(GiantComputer)

速度达万亿次每秒，用于复杂的科学计算及军事等专用领域。⑵大型机(Large-ScaleComputer)

它是指运算速度在每秒100万次～几千万次的计算机,如IBM,DEC,日立等都是大型机厂商。⑶中型机(Medium-ScaleComputer)⑷小型机(Minicomputer)DECPDP-11,VAX-II,DJS-130⑸微型机(Microcomputer)IBMPC/XT/AT,386,486,Pentium16171819深超-21C峰值速度达15000亿次/秒(1.5TeraFlops)。根据国际上标准测试程序LINPACK测试值为830.1Gflops采用集群式的超级计算机结构由128个计算节点组成，每个计算节点为双CPU的SMP服务器节点之间用三种互联网络互相连接支持LINUX和WINDOWS

NT操作系统20176PublicSector

China/2003xSeriesClusterXeon2.4GHz-Gig-E/622

IBMIBMCluster

xSeriesClusterXeon-GigEGovernment

1255.99

2985.6221XinJiangOil

China/2003BladeCenterClusterXeon2.4GHz,Gig-Ethernet/448

IBMIBMCluster

xSeriesClusterXeon-GigEIndustry

Geophysics1040

2150.4195000317ShenzhenUniversity

China/2003

DeepSuper-21C,P4Xeon3.06/2.8GHz,Myrinet/256

Self-madeNOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-MyrinetAcademic

830.1

1500.16117200

32300365ShanDongHighPerformanceComputingCenter

China/2004NOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-InfinibandNOW-IntelPentium

NOWCluster-IntelPentium-InfinibandAcademic

749

1075.2141000

35000388LASG/InstituteofAtmosphericPhysics,CAS

China/2002DeepComp1800-P4Xeon2.4GHz-Myrinet/256

LenovoLegend

DeepComp1800Academic

735.8

1228114920

28000400DigitalChinaLtd.

China/2004SuperDome875MHz/HyperPlex/416

HPHPSPP

SuperDomeHyperPlexIndustry

713

1456

492HuapuInformationTechnology

China/2004SuperDome875MHz/HyperPlex/320

HPHPSPP

SuperDomeHyperPlexIndustry

Database638

1120211.1.3计算机的特点运算速度快计算精度高取决与机器字长存储功能强便于存储检索具有逻辑判断能力具有自动运行能力完成枯燥乏味的重复性劳动221.1.4计算机的应用领域科学计算—

数学计算如火箭运行轨迹、地质勘探、计算机仿真数据处理—

如对信息进行收集、存储、整理、查询和传播过程检测与控制—

实时采集检测数据，按最优方案对生产过程进行自动控制计算机辅助设计及辅助教学—

CAD、CAM、CAI人工智能—

机器人和专家系统网络功能—

计算机之间的通信、资源共享，广泛应用23

1.2计算机运算基础1.2.1数制及其转换

☻什么是进位计数制：⑴非进位计数制其特点是：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关。典型的非进位计数制是罗马数字，例如,罗马数字中:Ⅰ,Ⅱ,┄,Ⅹ⑵进位计数制其特点是：表示数值大小的数码与它在数中的位置有关。例如，十进制数123.45

⑶定义:用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数的方法称为数制。按照进位方式计数的数制叫做进位计数制。24

☻

任何进位计数制的要素：

①基数：它是指各种进位计数制中允许选用基本数码的个数。例，如十进制的数码有：

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

则十进制的基数为10。

②位权值：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值，也称为该位的位权。例如：

123.4=1×102+2×101+3×100

+4×10-1 ③进制：N进制必须是逢N进一。25例题：（进制与权）

⑴十进制数的特点是逢十进一：

(1010)10＝1×103＋0×102＋1×101＋0×100 ⑵二进制数的特点是逢二进一:(1010)2＝1×23＋0×22＋1×21＋0×20＝(10)10 ⑶八进制数的特点是逢八进一:(1010)8＝1×83＋0×82＋1×81＋0×80＝(520)10 ⑷十六进制数的特点是逢十六进一: (BAD)16＝11×162＋10×161＋13×160＝(2989)1026☻几种常用数制27八进制和十六进制是为了弥补二进制数字长过长而出现在计算机中的，它们主要用来描述存储单元的地址☻为什么要用八进制和十六进制？28☻各种常用数制的对应关系29总结：（数制的基本概念）对于N进制数，整数部分第i位的位权为

Ni-1对于N进制数，小数部分第j位的位权为

N-j基数位权30☻不同进制数之间的相互转换①二进制—>十进制▲方法：按权展开求和

例如：(101.1)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1=(5.5)10(或：101.1B=1×22+0×21+1×20+1×2-1=5.5D) ②十进制－>二进制 ▲方法:整数部分采用除2取余法 小数部分采用乘2取整法

(215.6875)10=(?)21.二进制与十进制数的互换313233练习一： (110001011)2=(?)10 (1011000100)2=(?)1034练习二： (1050.2625)10=(?)2

(357.113)10=(?)235①二进制—>八进制▲方法：三位并一位

以小数点为起点向左右两端，每三位一组，不足三位的分别在两端补0，每组二进制数合并为一位八进制数。

(1011100.00101011)2=(?)8(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8

或=(134.126)o

(

134.126)o ②八进制－>二进制 ▲方法:一位拆三位

(123.56)8=(?)2(

123.56)8(001,010,011.101,110)2

=(1010011.10111)22.二进制与八进制数的互换36①二进制—>十六进制▲方法：四位并一位

以小数点为起点向左右两端，每四位一组，不足四位的分别在两端补0，每组二进制数合并为一位十六进制数。

(1011100.00101011)2=(?)16 5C.2B (0101,1100.0010,1011)2=(5C.2B)16=(5C.2B)H ②十六进制－>二进制 ▲方法:一位拆四位

(1A2.DC)16=(?)2

(

1A2.DC)16(0001,1010,0010.1101,1100)2

=110100010.110111)23.二进制与十六进制数的互换37练习三： (11110001010110)2=(?)8

(3BF6.A1)16=(?)238练习四： (11110001010110)2=(?)16

(3746.21)8=(?)239使用特定的后缀字母，可以表示不同的数制：

十进制数D:512D或512二进制数B:1011B

八进制数Q:127Q十六进制数H:A8H4.计算机采用二进制的原因计算机采用的是二进制——它只有0和1两个数字符号, 运算规则是：逢2进1

在物理上很容易实现： 电路的导通或截止 磁性材料的正极或反极 在逻辑上容易判断： “真”与“假”，“有”与“无”二进制的特点——电路简单，可靠性高，运算简便，逻 辑性强405.

二进制数的算术运算：加法：

0011+）0+）1+）0+）1011101101101110011110141减法：

0110-）0-）1-）0-）100111110000110010110101110111010142乘法：

0011×）0×）1×）0×）10001

43

除法：

0÷1=01÷1=144

2.字节(Byte)

字节是信息处理的基本单位，一个字节由八位二进制数组成，即1Byte=8bit。计算机存储器容量大小是以字节数来度量的，所以字节也常被成为存储单位，常用的单位有KB、MB、GB和TB。1.2.2数据的存储单位1.位(bit)

位是计算机存储信息的最小单位，表示一位二进制数据，“1”或“0”两种状态。45

1KB=1024B＝210B(千字节) 1MB=1024×1024B=220B(兆字节) 1GB=1024×1024×1024B=230B(吉字节

) 1TB=1024×1024×1024×1024B＝240B(太字节)

3.字(Word)

字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节组成，字长越长，计算机的性能越强。

常用的字长有8位、16位、32位、64位、128位。2.字节(Byte)461.2.3计算机中数的表示1.机器数与真值在计算机中，数值型数据是用二进制数来表示的。数值型数据有正、负之分，通常人们在数字前面冠以“+”或“-”符号来表示数的正负，而在计算机内部“+”号和“-”号也需要数码化，用一位二进制表示。一般规定：用“0”表示“+”号，用“1”表示“-”号。因此，数值型数据的最高位用来表示数值的正负，这一位称为符号位。在计算机内部数字和正负号都用二进制数码表示，两者结合在一起构成数值型数据的机内表示形式。把这种连同数字和符号组合在一起的二进制数称为机器数，由机器数所表示的实际值称为真值。471.2.3计算机中数的表示例如：(+45)10＝(+101101)2＝(00101101)机器数；

(-45)10

＝(-101101)2＝(10101101)机器数；

在计算机中，机器数可以用不同的码制来表示。常用的码制有：原码表示法、反码表示法和补码表示法。下面以整数为例介绍原码、反码和补码。481.2.3计算机中数的表示2.原码、反码和补码⑴原码原码：用符号位和数值位两部分表示一个带符号数，设字长为n位，最高位为符号位，正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，其余n-1位数值部分用二进制形式表示。数X的原码记为[X]原。例如:若机器字长为8位，(+1011101)2,(-1011101)2

的原码分别为:0101110111011101。原码表示法对加、减法来说运算比较复杂，不能用它直接对两个同号数相减或两个异号数相加。为计算机中方便进行加减法而引入反码和补码。491.2.3计算机中数的表示⑵反码反码：正数的反码与原码相同;负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，即0变1，1变0。数X的反码记为[X]反。例如:若机器字长为8位，+1011101-1011101

的原码分别为:

(01011101)原

(11011101)原

其反码分别为(01011101)反

(10100010)反。零的反码表示有两种，即：

[+0]反＝00000000[-0]反＝11111111可以验证，任何一个数的反码的反码即是原码本身。通常反码作为求补过程的中间形式。501.2.3计算机中数的表示⑶补码补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，最末位加1，即求反加1。数X的补码记为[X]补。例:若机器字长为8位，+1011101，-1011101的原码分别为:

(01011101)(11011101)

其补码分别为（01011101）补（10100011）补零的补码表示是惟一的，即：

[+0]补＝00000000[-0]补＝00000000511.2.3计算机中数的表示[例1-2]假设字长为8，求十进制数+78和-78的补码。

(78)10＝(1001110)2[+78]原＝01001110[+78]补＝01001110[-78]原＝11001110[-78]补＝10110010可以验证，任何一个数的补码的补码即是原码本身。引入补码后，加减法运算都可以用加法来实现，也就是说减法变为加法来运算，并且两数“和”的补码等于两数的补码之“和”。即

[X＋Y]补＝[X]补＋[Y]补

[X－Y]补＝[X＋(-Y)]补＝[X]补＋[-Y]补在计算机中加减法运算基本上都采用统一化成补码的加法运算，其符号位也参与运算。52练习五写出二进制数1010的原码、补码和反码写出二进制数-1010的原码、补码和反码已知[X]补=11100，求X(真值)[1010]原

=01010

[1010]补

=01010[1010]反

=01010[-1010]原

=11010

[-1010]补

=10110[-1010]反

=10101X=-0100正数的原码、补码和反码均相同负数的原码符号位为1，其余各位不变；反码的符号位为1，其余各位0变1，1变0；补码的符号位为1，其余各位0变1，1变0，并在最末位加1X的补码的补码，即为X真值531.2.3计算机中数的表示3.定点数与浮点数⑴定点数定点小数：指小数点隐含固定在最高数值位的左边，符号位右边，参与运算的数是纯小数，其绝对值小于1。

符号位数值部分·

小数点位置图1-1定点小数的格式定点整数：指小数点隐含固定在整个数值的最右端，符号位右边所有的位数表示的是一个纯整数。

·

小数点位置图1-2定点整数的格式符号位数值部分54定点数的表示方法:任意定点数X=

X1X2…Xn

在定点机中的表示形式若X表示纯小数,则小数点位于X0

和X1

之间,数的表示范围为0

|x|

1-2-n若X表示纯整数,则小数点位于Xn的右边,此时数的表示范围为0

|x|

2n-1X0X1X2…Xn-1Xn符号位尾数55⑵浮点数任意浮点数N=RE*M在计算机中的表示形式M为尾数,是纯小数,尾数通常用规格化形式表示Ms是尾数的符号位,也就是浮点数N的符号位E为阶码,通常为整数,其最高位E0为阶符,表示正阶或负阶R为阶的基数,为一常数(2、8、16等),R不需要表示出来数符阶码MsE0E1E2…EnM1M2…Mm尾数

是指小数点位置不固定，根据需要而浮动的数，它既有整数部分又有小数部分56浮点数的标准格式

(IEEE754)32位浮点数的标准格式如下：64位浮点数的标准格式如下：MsEMb31b30b23b22b0MsEMb63b62b52b51b0182311152

571.2.3计算机中数的表示

⑵浮点数当计算机中参与运算的数超出了浮点数的表示范围时称为溢出。如果一个数的阶码大于计算机所能表示的最大阶码，则称为上溢。反之，若小于最小阶码，则称为下溢。上溢时计算机将停止运算，转溢出中断处理程序进行溢出处理，下溢时计算机将该数作为机器零来处理.581.2.4计算机中的信息编码

1.ASCII码

ASCII码是AmericanStandardCodeforInformationInterchange,即美国标准信息交换代码的简称,它被国际标准化组织ISO采纳为国际通用的信息交换标准代码,称为ISO646。

ASCII码是用七位二进制表示一个字符,它可表示128个不同的字符，即0000000→111111159ASCII码表(7位)高三位b6b5b4低四位b3b2b1b060一个字节中ASCII编码位的使用编码位奇偶校验位[例]将China五个字符的ASCII码查出并存放在内存中。61字符数据的表示西文字符的编码与表示美国标准信息交换码—ASCII码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)汉字的编码与表示国标码GB2312–80,其中包含一级汉字3755个,二级汉字3008个,图形符号682个大字符集ISO/IEC10646.1,它对世界各国使用的诸多文字统一编码,其中收入中国汉字17000个b0b1b2b3b4b5b6b7816

622.汉字编码☻各种汉字编码的关系

汉字编码转换需要各自的转换程序来实现。

交换码(国标码)

字形码

机内码显示汉字打印汉字流水编码字音编码字形编码汉字库汉字输入法汉字交换码汉字机内码汉字字形码

正是由于国标码的存在，才使得用户可以使用不同的汉字输入法。63汉字编码GB2312包含汉字7445个,用9494码表描述;每一行为一个区;每一列为一位;每个汉字用其区码和位码的编号来描述;一级汉字按拼音排列;二级汉字按部首排列.b0b0b7b7256256010194(位)(区)94区位码表内码—汉字在计算机中存储或操作时使用的编码输出码—字形信息库,供显示、打印用输入码—用户从键盘输入汉字时使用的编码64

国标码与机内码机内码区位码汉字在计算机中用机内码存储机内码采用16进制,区码+A0H,或国标码高位+80H位码+A0H,或国标码低位+80H“啊”的内码B0A1“深”的内码C9EE国标码采用16进制,区码+20H位码+20H“啊”的区位码3021“深”的区位码496E国标码ASCII01H21HA1H01H21HA1H65

以16*16点阵为例,把一个方块横向和纵向都分为16格。若用1表示黑点,用0表示白点,则一个16*16的点阵汉字可用256位二进制数来表示，存储时占用32B。汉字“宝”的16*16点阵的数字化信息可用下列一串十六进制数表示。02H00H01H04H7FHFEH40H04H80H08H00H00H3FHF8H01H00H01H00H1FHF0H01H00H01H40H01H20H01H20H7FHFCH00H00H

所有不同字体、字号的汉字字形码的集合构成汉字库。661.3.1逻辑代数基础

2.基本逻辑运算

逻辑代数的基本运算有与、或、非三种。

下图给出了三个指示灯的控制电路。在图(a)电路中，只有当两个开关同时闭合时，指示灯才会亮；在图(b)电路中，只要有任何一个开关闭合，指示灯就亮；而在图(c)电路中，开关断开时灯亮，开关闭合时灯反而不亮。(a)(b)(c)67与运算A∧B=C(A∩B=C,A×B=C,A·B=C)K1K2ABC=A∧B000010100111A∧B真值表6768或运算A∨B=C(A∪B=C,A+B=C)ABC=A∨B000011101111A∨B真值表K1K26869非运算C=

A(C=A)

真值表AC=

A011069

701.4图灵机与冯·诺依曼机☻计算模型可计算理论起源于对数学基础问题的研究,从20世纪30年代开始，为了讨论所有问题是否都有求解的算法，数学家从不同角度提出了几种不同的算法精确化定义。例如：

A.Church于1935年提出了λ-转换演算

K.Godel于1936年定义了递归函数

A.Turing于1936年提出了图灵机；71图灵(Alan.Turing,1912-1954)1936年发表论文“论可计算数及其在判定问题中的应用”,论述一种“图灵机”,从理论上证明了通用计算机存在的可能性1950年发表论文“机器能思考吗”,首次提出检验机器智能的“图灵试验”,奠定了人工智能的基础通用图灵机是现代通用数字计算机的数学模型┄bb10100010bb┄状态q1读写头控制指令721.4.1图灵机 ☻图灵机的特征①图灵机由一条两端可无限延长的带子、一个读写头以及一组控制读写头工作的命令组成。┄bb10100010bb┄状态q1读写头控制器

读写头可以沿带子方向左右移动，并可以在每个方格上进行读写。73

②写在带子上的符号为一个有穷字母表：{S0,S1,S2,¨¨,Sp}

可以认为这个有穷字母表仅有S0,S1两个字符，其中S0可以看作是0，S1看作是1。③机器的控制状态为：{q1,q2,¨,qm}。将图灵机初始状态设为q1,结束状态为qw。一个给定机器的程序认为是机器内五元组(qiSjSkR(LN)ql)的指令集，它定义了机器在特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。74

五元组元素的含义如下：

☆qi表示机器目前所处的状态；

☆Sj表示机器从方格中读入的符号；

☆Sk表示机器用来代替Sj写入方格的符号

☆R、L、N分别表示右移一格、左移一格、不移动；

☆ql表示下一步机器的状态。☻图灵机的工作原理

计算结果是从机器停止时带子上的信息得到的。注意避免指令死循环和二义性。

机器从给定带子上的某起始点出发，其动作完全由其初始状态及机内五元组来决定。75

☻实例设b表示空格,q1表示机器的初始状态,q4表示机器的结束状态，如果带子上的输入信息为10100010，读入头位对准最右边第一个为0的方格，状态为q1。按照以下规则执行后，输出正确的计算结果。76q101Lq2q110Lq3q1bbNq4q200Lq2q211Lq2q2bbNq4q301Lq2q310Lq3q3bbNq4┄bb10100010bb┄q1命令计算是函数：S(x)=x+177冯•诺依曼(JohnVonNeumann,1903-1957)数学家,生于匈牙利,普林斯顿大学教授是宾夕法尼亚大学莫尔电子计算机研制小组的顾问1946年提出EDVAC设计方案,至今仍被认为是现代电脑科学发展的里程碑式的文献EDVAC—ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer五大部件—运算、控制、存储器、输入、输出采用二进制运算计算机依次执行指令英国剑桥大学威尔克斯(M.Wilkes)教授1949年率先研制出“内储程序式”计算机EDSAC(ElectronicDelayStorageAutomaticCalculator)1.4.2冯·诺依曼的设计思想称这种具有“存储程序”设计思想的计算机为冯·诺依曼结构计算机。781.5计算机结构及工作原理计算机的基本组成：硬件系统+软件系统

硬件系统——各功能部件的集合，是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。（中央处理器、存储器、I/O设备）。 软件系统——各种程序与有关数据的集合。有了软件，用户可以不必了解计算机本身就能使用计算机，因此软件是用户和计算机的接口。 （系统软件、应用软件）79△计算机硬件有五大功能部件：

运算器(ArithmeticLogicUnit，简称ALU)

控制器(Controller)

存储器(Memory)

输入设备(InputDevice)

输出设备(OutputDevice)中央处理器CentralProcessingUnit,简称CPU内存储器外存储器1.5.1计算机的硬件结构80△计算机硬件结构的重要特点：

——总线(Bus)结构

总线结构将信号线分成三大类：

数据总线（DateBus）

地址总线（AddressBus）

控制总线（ControlBus）

（便于计算机部件的模块化生产）81微型计算机总线化硬件结构82

⑴

运算器(ArithmeticLogicUnit--ALU)——

算术逻辑单元。 进行数据运算和处理的部件，包括算术运算和逻辑运算。运算器的主要技术指标是运算速度，其单位是MIPS(百万条指令每秒)⑵

控制器(Controller)——

计算机的指令系统。 控制器是计算机的指挥中心，负责对指令进行分析、判断，发布控制命令。计算机系统的各个部件都是在控制器的控制下协调工作的。83

⑶

存储器

(Memory)

计算机的记忆或暂存部件，用来存放大量程序和数据。可分为内部和外部存储器两大类。 内存特点：存取速度快、存储容量小;可与各部件交换数据

外存特点：存取速度慢、存储容量大。只能与内存交换数据注：内存在断电后数据会丢失，外存则不会。

⑷输入设备(InputDevice)

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式存放的内存中。常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描仪、触摸屏、光笔、磁盘机等。84

⑸输出设备(OutputDevice)

输出设备是用来将处理结果转变为人们或现场所能接受的形式。

常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、磁盘机等。

中央处理器(CPU)=运算器+控制器

主机=CPU+内部存储器

外部设备=输入设备+输出设备85工作原理：冯诺依曼的“存储程序”原理 ⑴输入命令：在控制器输入命令的作用下，把需要的原始数据,通过输入设备送入计算机的存储器。 ⑵译码：在取指令命令的作用下把程序指令逐条取入控制器。控制器对指令进行译码。 ⑶发布执行命令：向存储器和运算器发出存数、取数和运算命令，并把计算结果存放在存储器内。 ⑷输出数据：在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。1.5.2计算机的工作原理86数据传送线(数据流)控制信号线(控制流)存储器输入设备输出设备运算器控制器结果用户输入输入命令①取指令②输出命令④存/取数③运算③87

指令是计算机硬件可执行的、完成一个基本操作所发出的命令。一台计算机的基本指令的集合称为该计算机的指令系统。一条指令是用一串二进制代码表示，它可分成两部分：

☻指令和程序的概念：

操作码操作数

程序是指用户根据某一问题的解决步骤，选用一条条指令进行有序排列的集合。88

计算机执行指令可分为两个阶段：一是将要执行的指令从内存取到CPU中；二是CPU对该指令进行分析译码，再向各部件发出完成该操作的控制信号。例如：要求计算简单算题5+4=?☻指令的执行过程：89计算程序文字简写形式指令操作码表操作数存放单元90用二进制表示的计算程序存储单元地址存储单元内容00010010001101000101011001111000┋54计算结果取数指令加法指令存数指令打印输出指令存储器布局91按(内存)地址存取数据与程序000100000010001100010101100000011001000100100011001100010100000101100001000011010000000100100011数据或程序内存地址921.5.3计算机系统的层次结构☻

硬软件组成的层次结构硬件操作系统各种语言处理程序各种应用程序或软件用户程序

内层是外层的支持环境,外层可不必了解内层细节,只需根据约定使用。系统软件应用软件93

☻

语言功能的层次结构汇编语言虚拟机高级语言虚拟机专用语言虚拟机实际机器(机器语言物理机)941.5.4计算机系统的性能指标

1.字长

字长是计算机CPU能直接处理二进制数据的位数，它决定了系统数据总线的位数。字长越长，运算精度越高，处理速度越快,但价格也越高。微型机的字长一般为8位、16位、32位、64位不等。

2.运算速度

运算速度是用每秒能执行多少条指令来表示。运算速度的计算方法有以下三种：

⑴每秒执行定点加法指令的条数;

⑵每秒执行机器指令的条数;⑶执行定点加、减、乘、除指令和浮点加、减、乘、除指令的平均时间。95

影响运算速度有下列三个主要因素：CPU的主频指计算机的时钟频率字长

字长越长,运算精度越高,处理速度越快。指令系统的合理性较高运行效率的指令系统963.内存贮器的指标存取速度 内存储器完成一次读（取）或写（存）操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。内存容量 内存容量是指计算机系统所配置的主存总字节数（Byte），这部分内存CPU可以直接访问。PC的内存储器已由286机配置的1MB，发展到现在配置128MB以上，以满足复杂程序对大容量内存的需要。I/O的速度974.外部设备的配置主机允许配置的外设数量和实际配置的具体外设，常常是衡量一台计算机综合性能的重要技术指标。5.软件的配置主要是指该计算机配有的操作系统、高级语言、应用程序等等。丰富的软件可以充分发挥计算机的效率，方便用户的使用。另外，还要考虑计算机的可靠性、可维护性、兼容性、外部设备和软件的配置以及汉字处理等方面。98第2章

计算机硬件系统99微处理器CPU键盘鼠标器显示器打印机内存通信线路通信接口外存接口硬盘光驱软驱输入接口输出接口2.1计算机硬件概述2.1.1计算机硬件组成（五大功能部件）

CPU、存储器、输入设备、输出设备、通信设备2.1.2微机的硬件结构（总线结构）

组成结构1002.2中央处理器

2.2.1CPU的内部结构

CPU由运算器、控制器和寄存器组成，它们决定了微机的档次。Intel-CPU的主要性能指标。控制器寄存器运算器存储器中央处理器CPU的结构及其与内存的关系101CPU由三部分组成：1、运算器 计算逻辑单元(ArithmeticLogicUnit)是计算机的运算器。完成逻辑和算数运算。2、寄存器 在CPU内部的，由控制器控制，用于临时存放运算过程的中间数据和地址的存储位置。它们比内存速度更快、存储容量更小。3、控制器 协调和控制CPU的所有操作。1022.2.2CPU的性能指标

1、主频、外频、倍频

主频：CPU的工作时钟频率

外频：系统总线的工作频率

倍频：上述两者之间相差的倍数 主频＝外频×倍频

例，IntelPentium4/3.06GHz处理器的外频为133， 倍频是23，则，

133MHz×23＝3059MHz≈3.06GHz

1032、地址总线宽度——CPU的寻址能力。即可访问的内存地 址空间是多少。

例如，32位地址总线，232＝4,294,967,296最多可访问的内存空间为4GB。3、数据总线宽度——CPU与内存和I/O设备间一次数据传 输的信息量。

例如，Pentium以上计算机的数据总线为64位，即CPU一次可同时处理8个字节长度的数据。4、工作电压——CPU的功耗和发热程度。

一般CPU的工作电压1.5～3v之间。5、制造工艺——

电路的集成能力1042.3存储系统2.3.1存储器概述

☻存贮器的基本概念 存储器由半导体器件或磁性材料为介质，存放二进制数“0”或者“1”。 存储单位<-1bit； 存储单元<-1字节； 存取时间：一次读/写所需的时间； 存储周期：二次读/写之间所需的时间；

105

☻存储器的分类

按存取方式分类：

1.随机存储器（RAM)

可随机存取任一单位的数据，且存取时间基本固定。

2.顺序存储器（SAM） 只能按照某种顺序来存取数据，其存取时间和数据存储单元的物理位置有关。通常比随机存取的速度慢。

3.只读存储器（ROM） 只能读出、不能写入。106

按功能和存取速度分类：

1.寄存器型存储器 由多个寄存器组成，字长与机器的字长相同，速度可与CPU匹配，容量很小。

2.高速缓冲存储器（Cache） 高速小容量存储器，用于存放CPU近期要执行的指令和数据。

3.主存储器（内存） 用于存放CPU运行期间较常用的大量程序和数据。其速度相对上述的慢，容量相对大。

4.外部存储器 速度慢，容量大，永久存储。

外存->内存->缓存->寄存器107☻存储器的性能指标

1.存储容量

2.存取时间

3.数据传输速率 主要用于衡量外存与内存之间交换数据的速度。 硬盘的传输速率为：1.25～10MB/s1082.3.2半导体存贮器

高速缓冲存储器(Cache):

采用双极型半导体芯片，以便与CPU的速度相接近。速度快、电路复杂、容量小。

RAM->Cache->CPU执行CPU内部Cache,一级Cache,容量小CPU外部Cache,二级Cache,容量大Cache

从PentiumPro开始，一级和二级Cache都集成在CPU芯片中。109随机存储器：（RandomAccessMemory）特点：可以读出，也可以写入； 读出时并不损坏原有存储的内容；写入时才修改原来所存储的内容；

断电后，存储内容立即消失，即具有易失性。分类：动态(DynamicRAM)存储器 静态(StaticRAM)存储器110只读存储器：（RealOnlyMemory）

在系统主板上装有ROM-BIOS，它是固化在ROM芯片中的系统引导程序,完成系统加电自检。ROM：只能读出原有内容，不能再写入新内容； 原存储的内容由厂家一次性输入；用来存放专用的固定的程序和数据。PROM：存储内容不会丢失和被替代； 原存储的内容由用户一次性输入； 用来存放用户编写的程序和数据。111EPROM：具有PROM的特点； 存储的内容可通过紫外线擦除器擦除，再重新写入。E2PROM：具有EPROM的特点； 采用电擦除器，擦除和编程更加方便；总之：无论那种只读存储器(ROM)上的信息，都具有永久保存的优点，不会因断电而丢失。1122.3.3磁表面存储器

硬盘、软盘、磁带等都属于磁表面存储器。 ☻存储原理： 磁表面存储器的读写过程是电、磁的交换过程。 NSNSSNNS运动方向磁头表面磁层载体L113 ☻硬盘存储器 硬盘存储器是由若干个同样大小的、涂有磁性材料的铝合金圆盘片环绕一个共同的轴心组成。每个盘片上下两面各有一个读写磁头，磁头传动装置将磁头快速准确地移到指定的磁道。硬盘驱动器采用温彻斯特技术：把磁头、盘片及执行机构都密封在一个容器内，并能高速旋转。

硬盘的特点是存储容量大、存取速度快、可靠性高、每兆字节成本低等。114

硬盘的存储格式： 硬盘存储格式是按柱面、磁道和扇区来划分的,柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂直形成的同心圆柱。

硬盘容量=柱面数×磁道数×扇区数×512B

硬盘使用前需要做：低级格式化、分区、高级格式化。

硬盘的技术指标：

⑴存储容量 ⑵数据传输速率（内部和外部） 平均寻道时间 硬盘主轴转速 ⑶硬盘高速缓存115☻软盘驱动器软盘是一种两面涂有磁性物质的塑料盘片，其特点是体积小、价格便宜、携带方便，但容量小、易损坏。

⑴软盘的分类

5.25英寸，存储容量为360KB

5.25英寸，存储容量为1.2MB

3.5英寸，存储容量为720KB

3.5英寸，存储容量为1.44MB⑵软盘的结构

软盘由起保护作用的塑料封套和盘片组成，其结构包括塑料外壳、快门、盘片、写保护、标签、金属环等。116⑶软盘的存储格式软盘存储信息是按磁道和扇区来存储的。软盘容量=磁面数×磁道数/面×扇区数/磁道×字节数/扇区

1.44M28018512⑷软驱的性能指标磁道扇区117☻光盘存储器(CD-ROM,DVD-ROM)

光盘是用激光方式进行读写信息的盘片。

⑴光盘的特点：容量大、速度快、价格低廉、不易损坏。

⑵光盘的分类：CD-ROM只读型光盘CD-WORM一次写入型光盘CD-R可记录型光盘CD-ETOM可擦写型光盘光盘存储器

⑶光盘的性能指标：

①存储容量：CD盘为650MB，DVD盘为4.7~17GB。 ②数据传输率：1倍速＝150KB/s，记为1X。 常见的光驱有36X、40X、48X等。 目前，CD-ROM最大传输率为52X，DVD为16X。③读取时间：CD-ROM的读取时间一般为200~400毫秒。

DVD是计算机的数字视盘驱动器，随着其物理格式的兼容和价格的下降,DVD将取代CD-ROM.118☻可移动存储器 ⑴移动U盘

U盘也叫闪存(即闪速存储器，FlashMemory)，一种软盘的替代品，通过USB接口与主机相连。

U盘可擦写次数在100万次以上，数据至少可保存10年，存储速度比软盘快15倍以上。

U盘的特点： 容量大(64MB～1GB，可望达2GB以上)

可靠性远高于软盘 工作不需要外接电源，可热插拔，体积较小，易于携带。还有很好的抗震防潮、耐高低温等特点。119 ⑵可移动硬盘 可移动盘是一种采用USB接口的硬盘。

可移动盘的特点： 容量大(20GB~80GB)

传输速度为400Mb/s，低于普通硬盘，高于软盘。1202.4输入设备 ☻概述

输入设备是把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到内存中的设备。

输入设备有以下几类： ①字符输入类：键盘

②指点输入类：鼠标器、光笔、触摸屏

③扫描输入类：扫描仪、条形码

④语音输入类：IBMViaVoice121

☻

键盘 键盘以电缆或微波方式与主机相连。 键盘上的键位按规定排列，按其用途可分为四个区域。即主键盘、功能键区、全屏幕操作键区和小键盘区。 每个按键都有一个相应的位置编码。当用户按下某个键时，键盘内的单片机根据其位置，将该键的键盘位置码转变为ASCII码，经由主机将按键字符显示在显示器上。 键盘的物理结构有三种形式：机械式键盘、薄膜式键盘和无线键盘。 122

☻鼠标器 鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标器来完成。 常用的鼠标器有以下两种：

⑴机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来定位。定位精度差，便宜，不耐用。

⑵光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置来定位坐标点。贵些。 鼠标器有两个键(左,右)或三个键(左,中,右)

左键：确定键；右键：功能键；中间键：滑动键。

1232.5输出设备 2.5.1概述 计算机将处理的数据转换为用户需要的形式，通过输出设备进行显示、打印或者存储。

输出设备可分为四大类： ①显示器：字符方式,图形方式

②打印机：击打式,非击打式

③绘图仪：平板式,滚筒式

④语音输出系统：语音输出,音乐输出124

2.5.2显示设备 显示器用于显示程序或数据以及程序的运行结果等。 显示设备由显示器和显卡组成：

⑴显卡：

显卡，即图形加速卡，是工作在CPU和显示器之间的通信控制接口电路。它将主机中的数字信号转换成图像信号并在显示器上显示出来。不同的显示器有不同的显卡。125

☻显示卡的基本结构：

显示芯片——显卡的核心芯片

显示内存(VRAM)——存储显示数据的内存芯片，它的大小直接影响到显示卡可以显示的颜色多少和可以支持的最高分辨率。

RAMDAC(RandomAccessMemoryDAC)——RAM数模转换器。将PC机内的数字信号代码转换成显示器所用的模拟电信号。

VGABIOS——视频图形卡基本输入、输出系统总线接口等部件组成。

☻显示卡的工作过程：从最初简单的显示功能到如今疯狂的3D速度，显卡的面貌可谓沧海变桑田。显示芯片显示内存RAMDAC126

☻显示卡的分类:

按图形处理原理分:普通显卡、2D和3D加速卡。 按总线类型分:ISA显示卡、EISA显示卡、VESA显示卡、PCI显示卡和AGP显示卡。

☻显示卡的主要性能指标:

①分辨率(解析度)：

显示器的分辨率由图象元素(简称象素)来度量。

分辨率＝水平方向象素的数目×垂直方向象素的数目 例如：标准VGA的分辨率是

640×480。

常用显示器的分辨率有：640×480，800×600，1024×768，1280×1024等。127

②颜色数：

256色(8bit)：在解析度1024x768的显示屏上，RAMDAC需要读取显存资料1024×768×1＝786432Bytes以形成一个完整的画面。 真彩色1677万色(24bit)，RAMDAC就需要读取1024×768×3＝2359296Bytes

③刷新频率：

刷新频率是指图像在显示器上更新的速度，单位是Hz(赫兹)。RAMDAC的转换速率决定了刷新频率的高低。 刷新率越高，屏幕图像的闪烁感越小，稳定性越高，眼睛不易感到疲劳。所以刷新频率应大于75Hz。128

⑵显示器：

☻显示器的分类：

阴极射线显示器件(CRT)——台式微机

液晶显示器件(LCD)——便携微机、台式微机

发光二极管显示器件(LED)——单板机

☻显示器的性能指标：

⑴点距：点距是指某一荧光点与其上下左右同一颜色荧光点之间的最近距离，点距越小，图象越清晰。

比如：0.28，0.25，0.21mm。

⑵分辨率： ⑶刷新频率：

⑷辐射和环保：显示器电磁辐射量有标准。129

⑸扫描方式:它分为隔行扫描和逐行扫描。 国际VESA协会认为，逐行扫描方式的垂直刷新频率达到75Hz才能实现无闪烁，最近又提出了逐行扫描的最佳无闪烁标准是垂直刷新频率为85Hz。

例，在1024×768的分辨率下达到85Hz的刷新率，RAMDAC的传输速率至少是：

1024×768×85×1.344（折算系数）/106＝90MHz。

☻

CRT显示器

工作原理：

CRT(CathodeRayTube阴极射线管)的工作原理等同于普通电视机的工作原理，在高压电子枪射出电子束的作用，使荧光屏被激活，产生色彩图像。130

☻液晶显示器 液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是一种数字显示技术。与传统的CRT显示器相比，LCD显示器具有占用空间小、重量轻、低功耗、低辐射和无闪烁等优点。

工作原理： 液晶是一种具有透光特性的物质，同时具备固体与液体的某些特征且因所加电压不同透光度也不同。 黑白图像：加电时让光线通过，不加电时则阻止光线通过。 彩色图像：在液晶材料与光源之间加入RGB三色滤光片，晶体在电压作用下产生不同的透光度，经过RGB滤光片，屏幕就会形成各种色彩的文字和图像信号。131

液晶显示器的性能指标： ⑴可视角度

水平可视角度(140度以上)

垂直可视角度(120度以上) ⑵响应时间 液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由亮转暗或由暗转亮所需的时间。拖影或残影的现象是因为响应时间较大造成的 ⑶亮度 亮度的度量单位为cd/m2，每平方米的烛光数量。一台液晶显示器最好拥有200cd/m2以上的亮度值。

132⑷对比度 对比度是体现液晶显示器色阶的参数，对比度越高，还原的画面层次感就越好。 目前市场上的LCD液晶显示器的对比度普遍在150:1到400:1，一般200:1的产品就可以满足普通用户的要求。⑸显示颜色

LCD的色度层次丰富，256色～真彩色。类型LCD显示器CRT显示器优缺点体积小、重量轻外形庞大、笨重辐射极低辐射较高功耗低、发热量小功耗大、发热量大不存在聚焦、高压稳定性问题存在聚焦、高压稳定性问题信号反应速度慢信号反应速度快色彩表现力一般色彩表现力强可视角度一般不受可视角度限制133

2.5.3打印机

打印机是由微型计算机、精密机械和电气装置构成的机电一体化的高科技产品，它是各种类型的计算机系统中能实现硬拷贝的输出设备。

打印机的类型可分为：热敏打印机打印机击打式打印机非击打式打印机激光打印机喷墨打印机串式打印机行式打印机134

打印机的技术指标：打印速度：用CPS(字符/秒)或LPM(行/分)来度量。印字质量：用分辨率即DPI(印点/英寸)或DMPP(印点/毫米) 来衡量。打印噪声：没有统一标准,有些国家规定55dB。打印机寿命：一般用无故障能完善打印的字符数或印点数 表示。135

喷墨打印机:

喷墨打印机具