1.2计算机系统及其工作原理

1、第,1,章,计算机系统概论,1.2 计算机系统及其工作原理,1.2.1 数据在计算机中的表示,在计算机内部，所有的数据或信息都要表示成计算机能识别的二进制代码的方式，才能进行存储、传输和处理。,二进制在物理上容易实现。 二进制运算规则简单。 采用二进制逻辑性强。,计算机内部采用二进制原因,基数 是最大进位数(进制数)，例如:十进制基数为10; 六十进制(时间)的基数为60等 数符 每个数位上的值。 例如: 234 百位数符为2，十位数符3，个位数符4。 位数 数符的个数。例如: 十进制数 234 的位数为3；二进制数 11010011 的位数为 8。,1.数制的基本概念,十进制数（Decima

2、l） 特点：数值用09表示，逢十进一。,十进制通式为：,s10=a n10 n-1 +. . . +a1100 +a -1 10 -1+ . . . +a -m 10 -m,其中：“10”为十进制数的基数,整数部分，n为整数部分位数,小数部分，m为小数部分位数,2.计算机的数制,（2） 二进制数(Binary) 特点 ：0 或 1， 逢二进一。,二进制数的通式为： s2 = an 2 n-1 +. . . +a120 + a-12-1 +a-m2-m,例如：,11,10,111,100 而不等于12,2.计算机的数制,（3） 八进制(Octal) 特点：数字为07，逢八进一。,八进制数的通式为

3、： s8 = an8 n-1 + . . . + a18 0 + a-18-1+a-m8-m,例如： 71,10 而不等于8,2.计算机的数制,十六进制数的通式为： S16=an16 n-1 + . . . + a1160 + a-116-1+. . . + a-m16-m,例如：91,（4）十六进制(Hexadecimal) 特点：每位可取数字09和英文字母A（10）、 B(11）、C(12）、D(13）、E(14）、F(15)的任意一个，逢十六进一。,A 而不等于10,F1,10,2.计算机的数制,十进制（D) 二进制(B) 八进制(O) 十六进制(H),0 0 0 0 1 01 1 1

4、2 10 2 2 3 11 3 3 4 100 4 4 5 101 5 5 6 110 6 6 7 111 7 7 8 1000 10 8 9 1001 11 9 10 1010 12 A 11 1011 13 B,2.计算机的数制,二进制数、八进制数、十六进制数与十进制数对照表,例1： 将二进制整数(1010101)2转换成十进制整数。 （1010101)2 =,126025124023 122 0 21120,= 641641,=(85)10,3.二进制与十进制间的转换,（1）二进制数转换成十进制数,例2：将二进制小数(11010.101)2转换成十进制数 （11010.101)2=,12

5、4123+121 + 12-112-3,= 16820.5+0.125 = (26.625)10,（1）二进制数转换成十进制数,（a） 纯整数部分的转换：“除2倒取余”,故：(307)10(100110011)2,2,2,余1,例1：将(307)10转换为二进制数。,1,5,3,低位,高位,（2）十进制数转换成二进制数,例2： 将(0.8125)10转换为二进制数。 0.8125,故：(0.8125)10(0.1101)2,(b) 纯小数部分的转换： “乘2顺取整”, 2,低位,高位,（2）十进制数转换成二进制数,解： 因为：(307)10(100110011)2,例3：将(307.8125)

6、10转换为二进制数。,(0.8125)10(0.1101)2,故：(307.8125)10(100110011.1101)2,注意：十进制数转换成二进制数时，常将整数和纯小数部分分开转换为相应的二进制，然后再将二进制数的整数和小数部分连接起来。,（2）十进制数转换成二进制数,注意：并非所有的十进制小数都能用有限位的二进制小数来表示。,故取近似值：（0.63)10(0.1010)2,小数部分乘2会无限循环下去,例:将(0.63)10转换为二进制。,（2）十进制数转换成二进制数,4.编码,计算机处理的信息除了数字之外还需要处理字母、符号等，例如键盘输入及打印机、CRT输出的信息大部分是字符。因此，

7、计算机中的字符也必须采用二进制编码的形式。,ASCII码（美国标准信息交换代码）,西文信息是由字母、数字、标点符号及一些特殊符号组成的,它们统称为字符。,对每个字符集的编码方法多种多样，目前使用最广泛的字符集编码是：,西文信息在计算机内的表示,其中： 可打印字符95个，在键盘上有相应键位如字母、数字等； 控制字符33个, 在传输、打印或显示输出 时起控制作用。 00H-1FH 、DEL,ASCII码是7位编码，从0000000到1111111, 共128种编码，可用来表示128个不同的字符编码，即可用来表示128个不同的字符。,用一个字节存放一个ASCII码，高位为0。,西文信息在计算机内的表

8、示,汉字是记录汉语（国语，华语）的文字，属于 表意文字，它用符号直接表达词或词素。 汉字的特点： 数量大（我国汉字自古至今累计已超过7万字,国家语委颁布的“现代汉语通用字表”包含7000汉字） 多个国家和地区使用：港台地区，日、韩、朝、新、马等 字形复杂，同音字多，异体字多。,中文信息在计算机内的表示,我国汉字编码的国家标准： GB2312-80（6763个常用简体汉字） GBK-95 GB18030-2000,中文信息在计算机内的表示,信息交换用汉字编码字符集(GB231280)。,GB2312国标字符集有6763个常用汉字 由三部分组成：,字母、数字和各种符号(拉丁字母、俄文、日文平假名、

9、日文片假名、希腊字母、汉语拼音等，统称GB2312图形符号) ； 一级常用汉字，共3755个，按汉语 拼音排列； 二级常用汉字，共3008个，按偏旁部首排列。,中文信息在计算机内的表示,2. GB2312-80字符集是一个二维代码表，94行、94列, 汉字在代码表中的位置用它所处的行号、列号表示：,1995年颁布，全称汉字内码扩展规范,总计23940个码位，共收入21003个汉字和883图形符号 与GB2312字符集及其内码保持向下兼容，见下图 双字节编码，首字节的最高位必为“1”（81-FEH），第2字节的最高位不一定是“1”(40-FEH)； 简体和繁体汉字在同一个字符集中； 包含了中、日

10、、韩认同的全部CJK汉字；,GBK汉字内码扩充规范（ GBK- 95）,采用单字节、双字节和四字节三种方式对字符编码。 单字节部分使用0 x00至0 x80码位。 双字节部分采用两个八位二进制位串表示一个字符，其首字节 码位从0 x81至0 xFE，尾字节码位分别是0 x40至0 x7E和0 x80至0 xFE。 四字节部分采用GB11383未采用的0 x30到0 x39作为对双字节编码扩充的后缀，这样扩充的四字节编码，其范围为0 x81308130到0 xFE39FE39。,GB18030-2000编码,输入方法不同，内码相同 1. 编码方式有四种： 流水码（电报码、国际码、区位码） 音码（

11、全拼、双拼） 形码（五笔字型码、大众码） 音形码（自然码、智能ABC） 不同的编码方式有不同的输入码 2. 非编码方式，日益增多,汉字输入,1.2.2 计算机系统的组成,硬件,软件,输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪、触摸屏、光笔等 输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等 存储器 外存软盘、硬盘、光盘、磁带等 内存RAM，ROM，Cache等 运算器 控制器,操作系统：MS-DOS，Windows等 系统软件 语言处理系统：C，BASIC，Java等 数据库管理系统：Access等 各种字处理软件：Word,WPS等 应用软件 电子表格软件：Excel等 用户开发的各类软件：档案管理等,CPU,

12、主机,外设,计算机系统是由硬件系统和软件系统组成,硬件：计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体。,主机、显示器、键盘、鼠标、板卡等,这些我们能看见的东西都是硬件,1.2.3 计算机硬件基本结构 与工作原理,计算机硬件系统组成,计算机发展史,计算机体系结构,美籍匈牙利科学家 John von Neumann 冯诺伊曼,1949 EDSAC,数据指令用二进制 硬件由五部分组成 存储程序,ENIAC (1946),掌上电脑,至今，计算机的体系结构发生了很大的演变，但基本结构都是建立在冯诺依曼型计算机基础上。,这种体系结构的计算机硬件系统由五大部分组成： 输入设备、输出设备、存储器、运算器

13、和控制器。,诺依曼型计算机的基本结构图,1.2.3 计算机硬件基本结构 与工作原理,从存储器中取被乘数25、乘数3,在运算器中得乘积75,存放乘积75,从存储器中取被减数86、减数75,在运算器中得结果11,存放最后结果,从键盘输入，到存储器中,输出最后结果,计算机的基本工作过程,运算过程中控制器和运算器的作用,控制器,存储器,寄存器,运算器,运算器工作过程,控制器,加法器9,RAM,寄存器2,寄存器7,结果,运算器是如何得到数据呢？ 它怎么知道要操作的是逻辑运算还是算术运算呢？,控制器工作过程,RAM,控制器,指令指针M1,指令寄存器 两数相加,控制器,控制器是计算机的神经中枢。控制器产生各

14、种控制信号，控制计算机各部件协调工作，以指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序。,计算机硬件基本结构,计算机硬件基本结构,运算器,运算器又称算术逻辑单元ALU，是进行算术运算和逻辑运算的部件。,存储器,内部存储器 访问速度快 暂时性 价高,存储器是计算机的记忆装置，用来存放程序和原始数据。,外部存储器 访问速度慢 永久性 价低,计算机硬件基本结构,输 入 设 备,存储器,中央处理器（CPU: Central Processing Unit）,存储器,按与主机的关系来分,内存储器（内存、主存）,内存按读写功能又分为：,随机存储器（RAM:Random Access Memory） 只读存储器（RO

15、M:Read Only Memory）,外存储器（外存、辅助存储器）,存储器分类,内存储器（主存）的作用,设在计算机主机中，存放当前运行的程序和数据，直接与CPU交换信息。,随机存储器（RAM）,RAM：既能读出也能写入，存放用户程序和数据， 只能在电源电压正常时才能工作，其中的 信息可以随时改写，断电后，里面的信息 会丢失。,ROM：是只能读出而不能写入的存储器，通常存 放固定不变不需修改的程序。比如计算机 启动的引导程序、启动后的检测程序、系 统的基本输入/输出程序等重要信息。断电 后，其中的信息不丢失。,只读存储器（ROM）,位、字节和字符,字节 ( Byte ): 相邻的8位（bit）

16、二进制数 1 Byte = 8 bit (千字节)： 1KB=210B=1024Bytes1000B (兆字节)： 1MB=210KB=1024KB=220B (千兆字节)： 1GB=210MB=1024MB=230B,位、字节和字符,256兆内存的存储容量为： 256MB=256*210KB=16*1024*1024Byte=268435456Byte 约256000000Byte 内存的读写速度： 纳秒级（1s103ms106um109nm） 十亿分之一秒,内存的容量与速度,外存储器（辅助存储器）,设在计算机主机外部，存放当前暂时不用的信息，等需要时才调入内存。,外存储器,磁盘存储原理,软

17、盘,目前主要使用3.5英寸软盘，简称3寸盘,软盘写保护,软盘组织结构,软盘容量计算,磁道0，扇区1,容量计算：,512Byte*扇区数*磁道数*盘面数,3.5软盘容量 =512*18*80*2=1474560byte/1024=1440KB约为1.44MB,软盘使用注意,软盘驱动器,硬盘,1973年，IBM推出第一台采用“温彻斯特(Winchester)”技术的硬盘：密封、固定、高速旋转镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。磁头悬浮在高速旋转盘片上方(0.01m），不与盘片接触。,硬盘驱动器,目前，15张盘片，一个盘片称为一个单碟,硬盘的组织结构,硬盘组织结构,磁道（3003000条）、扇区（通常63

18、个）、柱面（相同编号的磁道）、磁头,硬盘容量,磁头数柱面数（磁道数）每磁道扇区数扇区容量,目前，20GB80GB,IDE接口,硬盘接口标准：,IDE(也称ATA) ATA-1、ATA-2、 ATA-3、ATA-4(Ultra ATA)SCSI SCSI接口的硬盘较贵，传输速度更快，CPU占用率低，需购买SCSI卡，适用于服务器。,硬盘主要性能指标,（1）容量（单位 GB） （2）转速 硬盘内电机主轴的转动速度（每分钟盘片旋转次数），目前ATA（IDE）硬盘的主轴转速一般为 54007200rpm，主流硬盘的转速为 7200RPM。至于SCSI硬盘的主轴转速一般可达720010 ,000RPM。

19、,硬盘主要性能指标,（3）平均等待时间 数据所在扇区转到磁头下的平均时间，约3ms6ms （4）平均寻道时间 把磁头移动到数据所在磁道（柱面）所需要的平均时间，约5ms10ms。 （5）平均访问时间 硬盘找到数据所在扇区所需要的平均时间。 （3）（4） 注意：不少广告中用平均寻道时间代替此项,（5）数据传输速率 外部传输速率:也称接口传输速率，主机向硬盘缓冲读写数据的速度； 内部传输速率：硬盘在盘片上读写数据的速度，是评价硬盘整体性能的决定性因素。,硬盘主要性能指标,移动存储器,闪存盘（8MB2GB）,移动硬盘(10GB60GB),光盘组织结构,CD-ROM,光盘盘片和光盘驱动器,光盘盘片,容

20、量650MB,光盘盘片,数据传输速率： 以第一代CD-ROM的传送速率（每秒150KB）为单位，如：52x（52倍速）,光驱性能指标：,光盘,分类 只读光盘：CD-ROM(Compact Disk-Read Only Memory) 只写一次光盘：CD-R(CD-Recordable) 可改写型光盘：CD-RW(CD-Rewritable),只写一次,可擦写,光盘,DVDDigital Versatile Disk,单面单层：4.7G（7张CD-ROM） 单面双层：8.5G 双面单层：9.4G 双面双层：17G,DVD定义了四种格式：,磁带(访问速度以s计算),顺序存储的介质： 通常作为后备存

21、储设备，用于资料、文件的备份。,HP SureStore DAT8eU 8GB*外置式DDS-2磁带机,磁带,返回,内存的存取速度,外存的存取速度,外存特点： 比内存慢、容量大、价格低 内存的特点：存取速度快、容量小、价格高,内外存存取速度比较,外存可以长久地存储信息，“永久性存储设备”,输入设备和输出设备,是人和计算机交往的桥梁，我们通常把它们合在一起称为：输入/输出设备或I/O（Input/Output）设备。,把I/O设备和外存统称为计算机的外部设备（简称外设）。,存 储 器,输入（Input）设备,输入设备,作用： 把信息转变成计算机能接收的电信号送入计算机 输入内容： 数字和文字、位

22、置和命令、图形、声音、视频、温度、压力,信息,电信号,常用的输入设备,键盘、写字板、鼠标、触摸屏、扫描仪、数码相机、麦克风、MIDI乐器、摄像机、传感器,扫描仪,键盘(101,104，107键盘),人体工学键盘,常用的输入设备,鼠标,机械鼠标：,常用的输入设备,收集外部光的变化，通过光的变化判断 鼠标的移动方向,常用的输入设备,鼠标,光电鼠标：,笔输入设备（手写笔）,需要专门的手写汉字识别软件支持,工作原理：电磁感应式、电容式触控板（手指、笔）,基板,手写笔,压力感应笔（签名识别、绘画）,手写笔,SONY DSC-P71 数码相机 320万像素16兆存储卡,SONY DSC-F717 500万

23、像素 32兆 6990,数码相机,条形码阅读器,磁卡读入机，IC卡.,其他输入设备,输出（Output）设备,存 储 器,作用： 把计算机处理好的结果，转变成人所要求的并且可识别的形式(文本、声音、动画、图像)表达出来。,输出设备,常用输出设备,计算机显示系统通常由两部分组成： 监视器（Monitor） CRT（阴极射线管） LCD（Liquid Crystal Display） 显示控制器（显示卡、图形卡、视频卡） 有的集成在主板上,显示器,常用的输出设备,显示器、打印机、绘图仪、音箱,LCD,显示器,球面、平面直角、纯平显示器,显示器（监视器）主要性能参数,1）显示屏尺寸 （对角线英寸数）

24、,1英寸2.54cm,一般可视尺寸小于标识尺寸,可视尺寸15.7英寸,整屏可显示像素的多少 640480；800 600；1024 768； 1280 960 ；1800 1440；,3）刷新速率,所显示的图像每秒钟更新的次数。刷新频率越高，图像稳定性越好。85Hz以上。,4）像素的颜色数目,一个像素可以显示多少种颜色，由表示这个像素的二进位位数决定。（真彩色24位）,显示器（监视器）主要性能参数,2）显示器的分辨率,打印机,按印字方法可以分为： 击打式和非击打式 常用： 针式打印机、喷墨打印机、激光打印机,优点：可以打印穿孔纸、多层纸、成本低 缺点：速度慢、打印效果普通、噪声大,针式打印机,

25、喷墨打印机（非击打式）,优点：价格便宜、噪音较小、图形质量高 缺点：墨水成本高、消耗快、打印速度较慢,激光打印机（非击打式）,优点： 分辨率高、打印效果精美细致、趋于智能化 缺点：价格高,基本字长： 字长是指计算机能处理的二进制数据的位数，直接涉及到计算机的功能、用途和应用范围、领域。基本字长越长，计算精度越高。 一般微机字长有8位、16位，高档微机为32位、64位。其它机型多为32位、64位。根据字长，计算机有16位机、32位机等。 运算速度： 描述计算机CPU工作快慢的性能指标，通常运算速度用每秒钟能执行多少条指令来表示，单位一般用MIPS（百万条指令秒）。目前，高档微机的运算速度可达几百

26、万次秒，巨型机可达几百万亿次秒。,计算机的基本性能指标,主存容量： 描述计算机存储各种信息的能力,以字节作为度量单位。 外围设备的配置： 允许外设种类、最大数量的I/O处理能力等。 系统总线的传输速率 系统总线的传输速率直接影响到计算机输入输出的性能，它以MB/s为单位。,计算机的基本性能指标,软件的配置情况： 功能强的操作系统、丰富的语言支持、及所需的应用软件等。 可靠性、可维护性： 如诊断程序、杀毒程序等，使得便于维护计算机软硬资源 。,计算机的基本性能指标,1. 软件,1.2.4 计算机的软件系统,是指使计算机运行所需的各种程序、数据及其有关文档的集合。 程序 + 数据 + 文档 功能：

27、 用户与计算机硬件的桥梁。,2.软件的分类,操作系统与其他系统软件,各种应用软件,用户,计算机硬件 (裸机),软件系统,2.软件的分类,支持程序人员（计算机用户）能方便地使用和管理计算机的软件。 功能 为整个计算机系统进行调度、管理、监视和服务，为用户使用计算机提供方便。 如：操作系统、汇编程序、高级语言编译程序、故障诊断程序、数据库管理程序、控制程序等。,-系统软件,2.软件的分类,-应用软件,用于解决各种具体应用问题的专门软件,包括通用应用软件和定制应用软件。 如：工资管理程序、图书检索程序、 人口普查程序、文字处理软件、 AutoCAD、表格软件等。,软件系统的分类,裸机,操作,系 统,

28、应 用 软 件,用户,语言处理程序,DBMS,Tools,网络与通信软件,应 用 软 件,层次构成,3.系统软件,操作系统 计算机语言及语言处理程序 数据库系统 实用程序,支撑软件,是直接运行在裸机上的最基本的系统软件；是在所有的计算机上都必须配置的系统软件。只有在操作系统的支撑下，整个计算机系统才能正常运行。,1）操作系统(Operating System),管理系统中的各种资源,I)重要作用,为用户提供各种服务界面,对各个任务使用资源的请求作出仲裁，承担系统资源管理的任务，在各个程序之间调度分配，避免冲突，保证用户程序正常有序运行。,处理器管理（任务管理） 存储管理 文件管理 设备管理,I

29、I)操作系统类型,1、批处理系统 2、分时系统-时间片轮法 3、实时系统 实时控制系统 实时信息处理系统 4、单用户操作系统 5、网络操作系统 6、分布式操作系统,2) WINDOWS 操作系统 Windows 9X（图形界面、单用户多任务）:,1) MS-DOS（字符用户界面、单用户单任务）,1990年,III)常用操作系统,3)UNIX操作系统（多用户/分时/网络操作系统）,Windows NT (New Technology)(网络操作系统) Windows 2000(Win NT5.0) Professional/Server/Advanced Server Windows XP、Wi

30、ndows NET Windows CE,1970年第一版问世，国际上使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一。,4)其他：Linux（开放性/多用户分时/网络）、OS/2,III)常用操作系统,I）计算机语言 三个发展阶段：机器语言 汇编语言 高级语言,2）计算机语言及语言处理程序,1)机器语言： 第一代语言，由 0、1 代码组成，机器能直接执行的语言 2)汇编语言： 第二代语言，也称符号语言，便于识别记忆，用助记符表示一条机器指令。（例：0000010000001010 ADD AL,10-AL的内容加10，和值放在AL中） 3)高级语言: 第三代语言，算法语言，与人们日常熟悉的自然语言和数学语言更接近。,0000010000001010,ADD AL, 10,I=I+10,I