ch1 计算机基础

1、第1 章 计算机系统,1.1 计算机发展与分类 1.2 计算机系统的应用 1.3 计算机系统的组成与结构 1.4 微型计算机系统与性能指标 1.5 计算机中数据的表示及转换,目录,电子计算机是一种能够自动、高速地进行算术和逻辑运算的电子设备 电子计算机能够模仿人的运算、判断、记忆等某些思维能力，故称为“电脑” 电子计算机是二十世纪科学技术发展的最伟大的发明创造之一,电子计算机,纵观计算机的发展历史，其演变与发展大体分为三个阶段： 近代计算机阶段、电子计算机阶段和微型计算机阶段。 1近代计算机阶段 近代计算机的发展经历了大约120年的历史，其中最主要的代表人物是英国数学家查尔斯巴贝奇。19世纪2

2、0年代，巴贝奇提出了自动计算机的概念，于1822年完成了第一台差分机。1834年成功设计了一台分析机。分析机的重要贡献在于它具有计算机的五个基本部分：输入装置、处理装置、存储装置、控制装置以及输出装置。 20世纪初，美国哈佛大学数学教授霍华德艾肯在读了巴贝奇的文章后，提出用机电方式而不是用纯机械方法来构造新的“分析机”，并命名为Mark I，1944年由IBM公司制造的电磁式计算机Mark I投入运行。,计算机发展,计算机发展,2电子计算机阶段(现代计算机阶段) 第一台电子计算机（ENIAC）诞生于1946年,18000多个电子管； 1500多个继电器； 功耗150千瓦； 占地1800多平方英

3、尺； 重量约30吨； 有二层楼高； 存储容量17000多个单元。, 计算机发展的四代（按物理器件划分）,微型计算机的发展,图1.5 Intel 8008 图1.6 Intel 8086 图1.7 Intel 80386 图1.8 Intel P4,我国计算机的发展 1958年，中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机103机(八一型)，标志着我国第一台电子计算机的诞生。1964年我国第一台自行设计的大型通用数字电子管计算机119机研制成功。 1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙之后推出109丙机，该机为两弹试验发挥了重要作用。 国防科技大学研制成功的基于中小

4、规模集成电路的银河-I巨型机，是我国高速计算机研制的一个重要里程碑。 基于超大规模集成电路的第四代计算机有 1985年，电子工业部计算机管理局研制成功与IBM PC机兼容的长城0520CH微机。 1992至1997年，国防科大先后研究成功银河-II通用并行巨型机 1993至2004年，曙光公司先后推出系列计算机和服务器，计算能力最强的为曙光4000A 计算机发展的趋势 巨、微、网、智,计算机发展,6未来计算机 神经网络计算机 近10年来，日、美、西欧等国家大力投入对人工神经网络（Artificial Natural Network,简称ANN）的研究，并取得很大发展。人脑是由数千亿个脑细胞（神

5、经元）组成的网络系统。神经网络计算机，就是用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，从而模拟人脑活动的一种巨型信息处理系统。它应具有智能特性，能模拟人的逻辑思维、记忆、推理、设计、分析、决策等智能活动，人、机之间有自然通信能力。 生物计算机 1994年11月美国首次公布对生物计算机的研究成果，生物计算机使用生物芯片，生物芯片是由生物工程技术产生的蛋白分子为主要原材料的芯片。生物芯片具有巨大的存储能力，更能易于模拟人类大脑的功能。 研究中的量子计算机 光子计算机 模糊计算机系统 高速超导计算机 超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机。所谓超导，是指有些物质在接近绝对零度（相当于-269摄氏度）时，

6、电流流动是无阻力的。,计算机发展, 运算方式 数字式 模拟式 混合式, 应用 通用 专用, 规模和功能 巨型机 大型机 中型机 小型机 工作站 微型机 笔记本机, 元件 电子管 晶体管 集成电路,计算机分类, 运算速度快 计算精度高 存储容量大 工作自动化 判断能力强,计算机特点,计算机应用, 数值计算（科学计算） 数据处理（信息处理） 过程控制（实时控制） 辅助设计（CAD、CAI） 人工智能 网络应用,微型计算机也称为PC（Personal Computer)，即个人计算机，又简称微机 微型计算机属于第四代电子计算机 微型计算机诞生于1981年8月12日 特点： 功能齐全 可靠性高 体积小

7、 价格低 使用方便 发展趋势： 宽字长 提高集成度，降低功耗，减少电磁污染 提高时钟频率 支持多媒体和网络,微型计算机,微型计算机的改进主要取决于其核心微处理器的发展 微处理器的发展从芯片的集成度、字长和使用材料等方面评价可分为4位，8位，16位，32位四个阶段（四代）,微处理器的发展,计算机系统组成, 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成, 计算机硬件 组成计算机的机械的、电子的、磁性的设备和装置,计算机硬件结构,CPU的基本部分: 运算器、Cache和控制器。,运算器由算术逻辑单元ALU、累加器AC、数据缓冲寄存器DR和标志寄存器F组成，它是计算机的数据加工处理部件。下面以计

8、算A+B为例，说明运算器各部分的操作步骤。 从主存储器M取出第一个加数A，经双向数据总线DB、数据缓冲寄存器DR、算术逻辑部件ALU，送到累加器AC暂存； 从主存M取出另一个加数B，经双向数据总线DB送入数据缓冲寄存器DR暂存； 在控制信号作用下，将数A和数B分别从AC和DR中取出送ALU进行加法运算，相加到的结果写回累加器AC，并将反映运算结果的诸如零、负、进位、溢出等标志状态写入标志寄存器F； 将AC中两数相加之和经DR和数据总线DB送到主存储器存放。,运算器,计算机运算就是运行一系列的指令，所谓指令就是计算机执行某种操作的命令。每一条指令就是一道命令。指令由操作码和地址码两部分组成，,C

9、PU中的控制部分由指令计数器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID及相应的操作控制部件组成。它产生的各类控制信号使计算机各部件得以协调地工作，是计算机的指令执行部件。控制器的主要工作原理及各部件功能如下： 取指令。根据指令计数器IP的内容（指令地址），经地址寄存器AR从主存储器中取出一条待执行指令，送入指令寄存器IR；同时，使IP的内容指向下一条待执行指令的地址（一般通过IP内容加1来实现）； 分析指令。也称指令译码，由译码器ID对存于指令寄存器IR中的指令进行分析，并根据指令的要求产生相应的操作命令。若参与操作的数据在主存储器中，则还需要形成相应的操作数地址； 执行指令。根据分析指令过程中获取

10、的操作命令和操作数地址形成相应的操作控制信号，通过运算器、主存储器及I/O设备执行，以实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理和下一条指令地址的形成； 重复以上步骤，再取指令、分析指令、执行指令，如此循环，直到遇到停机指令或受到外来干预为止。,控制器,计算机完成一条指令的过程分为两个步骤：取指令和执行指令。执行一条指令的时间称为机器周期。机器周期又可分为取指令周期和执行指令周期。,一个典型的CPU组成部件可归纳如下： 用于保存CPU运行时所需各类数据信息或运行状态信息的6个主要寄存器：AC、DR、AR、IP、IR、F； 对寄存器中的数据进行加工处理的算术逻辑单元ALU； 用于产生各种操作控

11、制信号，以便在各寄存器之间建立数据通路的指令译码器ID和操作控制逻辑； 用于对各种操作控制信号进行时间控制，以使各部件协调工作的时序产生器。,CPU组成部件,存储设备, 用来存储程序和数据等信息的设备统称为存储设备, 位（bit）：一位二进制数。是计算机的最小存储单位 字节（B：byte）：八个二进制位。是计算机的基本存储单位 1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB，1PB=1024TB 字（Word）：在计算机中作为一个整体进行传输、运算的一个二进制数码串 字长（Word Size）：一个计算机字中包含的二进制数的位数,存储单位,磁盘规格,硬盘容

12、量 = 磁头数 柱面数 扇区数 512B,鼠标,输入设备,数码照相机,键盘,扫描仪, 可以输入数据程序和命令的设备统称为输入设备,数码摄像机,键 盘,鼠标器,输入设备,打印机,输出设备,CRT显示器,LCD液晶显示器, 可以输出程序、数据、图形、图像、声音的设备统称为输出设备, 中央处理器（CPU） 内存储器 磁盘驱动器 输入/输出接口设备 电源,微型机主机箱,总线, 总线 是计算机中传输信息的公共通道 总线结构 是指构成计算机的各部件均通过专门的接口电路连接在系统的总线上，通过总线进行数据信息的传送, 按照总线上传输信息的不同，总线可分为： 数据总线（DB） 地址总线（AB） 控制总线（CB

13、）,流水线和并行处理技术,计算机自诞生到现在，人们追求的目标之一是很高的处理速度，因此并行处理技术便成为计算机发展的主流。 早期的计算机基于冯诺依曼的体系结构，采用的是串行处理。这种计算机的主要特征是：计算机的各个操作只能串行地完成，即任何时候只能进行一个操作。而并行处理则使得以上各个操作能同时进行，从而大大提高了计算机的速度。 流水线技术 让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。 并行处理技术 一般的计算机中只有一个CPU，即单处理机。具有2个以上CPU的计算机系统，通常称做多处理器系统。多处理器计算机可以同时执行多条指令，即指令的并

14、行执行。 超标量流水技术 超标量流水技术是流水线技术和并行处理技术的综合应用。既采用流水线技术，又采用并行处理技术，这种并行技术带来的高速效益是最好的。 能够执行并行处理的计算机称为并行计算机或者非冯诺依曼计算机。, 软件（Software）是方便用户使用计算机和充分发挥计算机效率，以及解决各类具体应用问题的各种程序、文档、数据的总称 系统软件一般是用来管理、维护计算机及协调计算机内部更有效地工作的软件，主要包括操作系统、语言处理程序和一些服务性程序 应用软件一般是为了某个应用开发的软件 ，如文字处理软件、查毒软件、财会软件、人事管理、情报资料管理软件等,计算机软件,操作系统（OS）, 定义：

15、对计算机系统的各种(软、硬件)资源进行管理和控制的程序 目标： 方便用户操作计算机 充分发挥计算机效率 功能： 进程管理（CPU管理） 存储管理 设备管理 文件管理 作业管理 分类： 计算机上使用的操作系统种类很多，主要有以下几种： 批处理操作系统。 分时操作系统。 实时操作系统。 网络操作系统。 分布式操作系统。,程序设计及其语言, 程序是计算机进行信息处理时对处理对象（数据或信息）和处理规则（动作或步骤）的描述 程序设计是设计、编制和调试程序的方法与过程 计算机语言是人们根据描述实际问题的需要而设计的语言，用于人和计算机之间进行信息交换,机器语言(低级语言)：用二进制代码编写并使计算机直接

16、认识的语言。执行程序效率高，但编程复杂，易出错，可移值性差。 汇编语言(初级语言)：是用英文缩写和数字等助记符号来代表机器指令的符号式语言。它与机器密切相关，因机而异。比机器语言编程进了一步，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。,语言的发展,算法语言(高级语言)：是用人们习惯用的自然语言(英语、汉语等)和数学语言、又能为计算机接受的语言。其特点是编程容易，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以及C语言等。 高级语言处理程序（翻译程序） 用高级语言编写的源程序，必须由一个承担翻译工作的处理

17、程序-编译程序，把高级语言源程序翻译成机器能懂得的目标程序。 编译有两种方式：解释方式和编译方式,语言的发展,解释方式,编译方式,编译方式,计算机的硬件和软件是相辅相成的两部分 硬件是计算机系统的基础 软件是硬件功能的扩充与完善,硬件与软件,目前，电子计算机的基本工作原理是采用美籍匈牙利数学家冯诺依曼于1945年所提出的“储存程序”和“程序控制”,计算机工作原理,微型机性能指标, 字长 指计算机CPU能同时直接处理的数据的二进制位数。字长直接影响到计算机的性能、使用功能、用途及应用领域 时钟速度 简称主频，指计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数。主频在很大程度上决定着计算机的运行速度。单位是兆

18、赫兹（Hz） 运算速度 指计算机每秒钟能执行的指令数，常用的单位有MIPS 内存容量 指内存储器能够存储的信息总字节数 存储周期 指存储器连续完成一次读或写信息所需的最短时间 连接因特网的能力和多媒体的操作能力 兼容性 可靠性 可维护性 可接外设的最大数目 汉字处理能力,二进制的必要性,在计算机内，所有信息都是以二进制数的形式存储、运算和传输的,二进制只有0和1两个数字,采用逢二进一基本运算规则。 采用二进制的优点: 可行性：在电路上容易实现 简易性：运算规则简单 逻辑性：正好与逻辑推理中的“真”和“假”相符，能用作逻辑运算,十进制概念, 用十个不同的数字表示：0,1,2,3,4,5,6,7,

19、8,9 在进行运算时，遵守“逢十进一”的原则。 相同数字所在位置不同，表示的数值不同。 如: 333=3 102 + 3 101 + 3 100 300 30 3 任何十进制数可表示成以10为底的多项式降幂形式. 如: 13586 = 1x104 + 3x103 + 5x102 + 8x101 + 6x100 十进制数的基数是10,各位的权值整数部分分别为: 100, 101, 102, 103, 104, 105,二进制概念, 二进制 用二个不同的数字表示：0,1 在进行运算时，遵守“逢二进一”的原则。 相同数字所在位置不同，表示的数值不同。 任何二进制数可表示成以2为底的多项式降幂形式.

20、如: (10110)2 = 124 + 023 + 122 + 121 + 020 二进制数的基数是2,各位的权值整数部分分别为: 20, 21, 22, 23, 24, 25,十六进制概念, 十六进制 用十六个不同的数字表示：09,A,B,C,D,E,F 在进行运算时，遵守“逢十六进一”的原则。 相同数字所在位置不同，表示的数值不同。 任何十六进制数可表示成以16为底的多项式降幂形式. 如: (1DF3)16 = 1163 + 13162 + 15161 + 3160 十六进制数的基数是16,各位的权值整数部分分别为: 160, 161, 162, 163, 164, 165,J 进制概念,

21、 J 进制 用J个不同的数字表示 在进行运算时，遵守“逢J进一”的原则。 相同数字所在位置不同，表示的数值不同。 任何J进制数可表示成以J为底的多项式降幂形式. 如: (anan-1an-2a2a1a0)J = anJn + an-1Jn-1+ +a2J2 +a1J1+a0J0 J进制数的基数是J,各位的权值整数部分分别为: J0, J1, J2, J3, J4, J5,J 进制十进制, 加权系数法： J进制数要转换成十进制数非常简单，只需将每一位数字乘以 它的权Jn，再以十进制的方法相加就可以得到它的十进制值（注意，整数部分最低位的权为J0，从右向左，每移一位，幂次加1）。 【例1】 (10

22、110111)2=127+025+124+023+122+121+120 =128+32+16+4+2+1=(183)10 【例2】(10110.011)2 =124+023+122+121+020+02-1+12-2+12-3=(22.375)10,J 进制十进制,【例3】 (1A76)16=1163+10162+7161+6160 =4096+2560+112+6=(6774)10 【例4】(731)8 =782+381+180 =448+24+1=(473)10 【例5】(2小时30分钟)60(是多少分钟？) =2601+30600=120+30=(150)10(分钟) 【例6】(3天又

23、过3小时)24(是多少小时？) =3241+3240=72+3=(75)10(小时),十进制二进制,除2取余法,13,2,2,2,2,6,1,3,0,1,1,1,0,转换结果： 1310=11012,十N转换, 整数部分“除基取余”法 小数部分“乘基取整”法,149D=10010101B,0.6875D=0.1011B,二进制算术运算,加法 000 011 101 110（向高位进位）,减法 000 101 110 011（向高位借位）,二进制逻辑运算,用0表示逻辑真，1表示逻辑假 逻辑非运算：直接求反即可,用上横线、NOT表示 如：L1=1 0 1 1 0 1 则 L1= 0 1 0 0 1

24、 0 逻辑加(或)运算：按位求或，只有二者全为假时结果为假， 否则为真，用、U表示 如 1100 U 1010=1110 逻辑乘(与)运算：只有二者全为真时结果为真，否则为假， 用 、表示,16以内的十二进制,20=1 21=2 22=4 23=8 24=16 25=32 26=64 27=128 28=256 29=512 210=1024,二十六进制转换,由于16=24，所以在将二进制数转换成十六进制数时，从最右侧开始，每四位二进制数划为一组，用一位十六进制数代替，也称为“以四换一”；十六进制数转换成二进制数时正好相反，一位十六进制数用四位二进制数来替换，也称“以一换四”。,1,二十六进制

25、举例,二八进制转换,由于8=23，所以在将二进制数转换成八进制数时，从最右侧开始，每三位二进制数划为一组，用一个八进制数代替，也称为“以三换一”；八进制数转换成二进制数时正好相反，一位八进制数用三位二进制数来替换，也称“以一换三”。,二八进制举例,乘2取整法,0.375,2,0.750,0,1.500,2,2,0.500,1,1.000,1,转换结果： 0.37510=0.0112,二进制十进制小数,J进制十进制小数举例,J进制十进制小数举例,数的常用进制,二、十、八、十六进制之间可以互相转换,综合举例,例1： 下列各种进制的数中最小的数是_ 。 A. (101001)2 B. (52)8 C

26、. (2B)16 D. (46)10 例2：下列一组数据中的最大数是_ A. (227)8 B. (1FF)16 C. (1010001)2 D. (789)10 例3：二进制中右起第10位相当于2的_次方。 A. 9 B. 10 C. 11 D. 8,数的符号表示,原码：最高位表示数的符号，用“0”或“1”的编码来表示该数的正或负，其余位就是该二进制数的绝对值。 例如：X原=01001011 即表示的数为 X=+1001011 X原=11001011 即表示的数为 X=-1001011 反码：负数除符号位外，均取反 负数的反码是将该数的符号位取1，其余各位取其反值(1变0，0变1)。 补码：

27、负数在其反码的最低位加1 （1）负数的补码等于它的反码加1; （2）正0和负0的补码是唯一的，都是000。 注：正数的原码、反码和补码一致,小 数 点 表 示,定点表示法：小数点位置固定，通常采用纯小数或纯整数 浮点表示法：小数点位置浮动,数 尾 码 阶 阶符 尾符,数 尾 码 阶 阶符 尾符,纯小数如图1-6所示，纯整数如图1-7所示。,图1-8 计算机中浮点数的表示,名词,计算机中常用的名词,字节 在对二进制数据进行存储时，以八位二进制代码为一个单元存放在一起，称为一个字节，记为Byte。字节是计算机中基本存储单位。 一个英文字符占1个字符，一个汉字占2个字符 比字节大的存储单位有：千字节

28、(KB)，兆字节(MB),吉字节(GB)，太字节(TB)。 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB,位 计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一位，记为bit。位是计算机中最小的信息单位。,字 一条指令或一个数据信息，称为一个字。字是计算机进行信息交换、处理、存储的基本单元。,字长 CPU中每个字所包含的二进制代码的位数，称为字长。字长是衡量计算机性能的一个重要指标。 按字长的不同，计算机可划分为8位机，16位机，32位机，64位机等。如： 8088-8位机 8086-16位机 80286-16位机 80386,8048632位

29、机 Pentium-64位机,名词,指令 指挥计算机执行某种基本操作的命令称为指令。一条指令规定一种操作，由一系列有序指令组成的集合称为程序。指令由操作码和地址码组成。,名词,二十进制BCD码,十进制数和BCD码对照表,二十进制BCD（Binary-Coded Decimal）码是指每位十进制数用4位二进制编码来表示，又称8421码。,注意：BCD码并不是二进制数，例: (11)10=(00010001)BCD, 而(00010001)2=(17)10,ASC II 码,微机采用的字符编码是ASCII码，英文是： American Standard Code For Information I

30、nterchange（美国标准信息交换码），国际标准化组织认定为国际标准。 标准ASCII码和扩充ASCII码各有128个，均用8个二进制位标识，区别在于最高位为0，或为1, 7位ASCII码表,ASC II 码表, ASC码的规律： 从左到右，ASC值在增加； 从上到下，ASC值依次增加1； A的ASC值是65，a的ASC值是97 相同字母的小写字母与大写字母的ASC值相差32,ASC II 码,汉字输入码(外码) 汉字交换码(汉字国标码)，一级常用汉字3755个(按拼音字母顺序)，二级常用汉字3008个(按笔形顺序)，图形符号682个，共7445个 汉字内码：用两个字节表示，每个字节的最高

31、位为1； 汉字地址码： 汉字输出码(汉字字形码)：用于汉字信息的输出，主要有汉字点阵字形码、矢量汉字输出；,汉字信息的表示涉及到汉字信息的输入、表示、输出及交换等问题。,汉字的编码,例1: 用1616点阵存储一个汉字的字形码，需要用_个字节，在汉字处理系统中，一级字库有3755个汉字，那么将占用 _ 个字节的存储容量。 A. 256 B. 32 C. 4 D. 2 E. 37552 F. 375516 G. 375532 H. 37551616 例2: 800个2424点阵汉字字型库所需要的存储容量是_ A) 7.04KB B) 56.25KB C) 7200B D) 450KB,汉字的编码例

32、题,计算机病毒是一种干扰计算机系统正常工作和破坏程序、数据的人为编制的程序。,破坏性 破坏软件如：删除数据，破坏文件）和破坏硬件 隐藏性 病毒程序都较短小精悍、常常不易发现 潜伏性 不马上发作，在一段时间内不断再生和传播,传染性 通过软盘的交叉使用和网络连接传播 激发性 在一定的条件下，由外界的某个操作激活,计算机病毒特性,操作系统型： 此种病毒当系统引导时就被装入内存，同时获得系统控制权 外壳型： 此种病毒将其自身放置在合法程序的周围，当合法程序一运行，病毒就被激活 入侵型： 此种病毒将插进现有合法程序，成为它的一部分，破坏源程序 源码型： 在高级语言编写的源程序被编译前，病毒就拖入到源程序

33、中，经编译后，成为执行程序的合法部分，危害性极大,计算机病毒分类1,病毒按其入侵途径，分为：,病毒的分类2 病毒按其危害程度，分为良性病毒和恶性病毒； 病毒的分类3 病毒按其侵害的对象来分，可以分为引导型病毒、文件型病毒和混合型病毒等。,计算机病毒分类2，3,计算机病毒发作现象,机器的启动速度变慢 显示器上出现莫名其妙的信息 死机现象增多 程序或数据神秘消失 有些可执行文件不能正常运行 文件的大小发生变化 磁盘的重要区域被破坏 扬声器发出尖叫、蜂鸣或乐曲,确保不带有病毒的磁盘启动系统 禁止用户使用自带软盘启动系统 不非法使用非原版软件 禁止用户运行自带软盘上的程序 经常进行病毒检测 病毒检测与

34、清除 使用专门的病毒检测程序对磁盘进行检查，常见的杀病毒软件有KV3000、KILL、瑞星、金山毒霸、 Norton Anti-virus等。 注意：最彻底的杀毒方法是“磁盘格式化”,病毒防治与检测,1. 完整的计算机系统包括 。 （A）硬件系统和软件系统 （B）主机及外部设备 （C）系统硬件和系统软件 （D）主机板和CPU 2. 计算机系统软件应包括 。 （A）操作系统和编程软件 （B）程序和数据 （C）系统软件和应用软件 （D）数据库软件 3. 操作系统是一种 (1) ，它是 (2) 的界面，其主要功能是 (3) 。 (1) （A）应用软件 （B）系统软件 （C）通用软件 （D）工具软件 (2) （A）主机与外设 （B）软件和硬件 （C）用户与计算机 （D）高级语言与机器语言