计算机基础知识李敏 刘欣亮主编第1章 计算机系统基础1.1 计算机的发展和展望 近代计算机 计算机的发展简史 微处理器的发展 未来计算机的发展趋势1.1.1 近代计算机 巴比奇和差分机 分析机现代通用数字机的雏型 模拟机的研制 图灵和理想计算机 电子计算机的诞生世界上第一台计算机ENIAC 5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW人类追求的计算工具1642 Blaise Pascal加法器加法器 Charles Charles BabbageBabbage1822 差分机1833 分析机MARK IMARK I ENIACENIAC算盘算盘摩尔定理晶 体 管 数500 (mlps)1975197519751975197510M (transistors)197519801985199019951M100K10K250.11.0400480386 802868080808680486Pentlum ProoossorMicro 2000每18个月芯片能力增长一倍单 位 时 间 执 行 的 指 令 数百万条/每秒1.1.2 计算机的发展简史时代年份电路特点第一代19461953电子管磁鼓、磁带第二代19541964晶体管磁芯、磁盘第三代19651970集成电路终端访问第四代1971至今大、超大规模集成电 路个人计算机1.1.3 微处理器的发展0.18微米芯片10微米芯片晶 体 管 数 目4004奔腾4420,000,0002,300微处理器集成度发展示意图1.1.4 未来计算机的发展趋势 超导计算机 量子计算机 光子计算机 生物计算机 神经计算机1.2 计算机的特点、分类和应用 计算机的特点 计算机的分类 计算机的应用1.2.1 计算机的特点 运算速度快 计算精度高 具有“记忆”和逻辑判断能力 具有自动运行能力 可靠性高1.2.2 计算机的分类 巨型机 大型机 小型机 微型机 服务器 工作站1.2.3 计算机的应用 数值计算 信息处理 实时控制 计算机辅助设计 人工智能 办公自动化 通信与网络 电子商务 计算机进入家庭1.3 计算机与信息技术 数据与信息 信息技术概述 计算机与信息处理1.3.1 数据与信息 数据 信息 数据和信息的关系1.3.2 信息技术概述 信息技术的概念 现代信息技术的内容 现代信息技术的发展趋势1.3.3 计算机与信息处理 计算机在信息处理中的作用 信息高速公路1.4 计算机系统的组成及基本工作原理计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器 控制器内存储器只读存储器(ROM) 随机存储器(RAM)外存储器硬盘、软盘、光盘外部设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪 输出设备显示器、打印机、绘图仪软件系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序应用软件文字处理软件信息管理软件图形软件辅助设计软件 各种程序包1.4.1 计算机硬件系统的组成计算机系统硬件由运算器、控制器、 存储器、输入设备和输出设备构成。输入设备输出设备存储器控制器运算器数据流 指令流计算机硬件的基本组成1.4.2 指令和指令系统 指令：是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码与操作数组成 指令系统：即一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令和其他指令 指令执行过程1.4.2指令和指令系统指令执行过程 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 1.4.3 计算机系统的基本工作原理计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利 科学家冯诺依曼于1946年首先提出的 采用二进制的形式表示数据和指令 采用存储程序方式 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成冯诺依曼理论要点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 加以分析和执行，直至完成全部指 令任务为止程序+数据操作命令处理结果反馈信号响应信号请求信号响应信号请求信号运算器(内)存储器控制器输入 设备输出 设备冯诺依曼结构框图1.5 进位计数制及其相互转换 进位计数制 不同进位计数制间的相互转换1.5.1 进位计数制位权值的概念位权值的概念每个位置上的数据所表示的数值等于该数符乘以该位置上的位权值例：666.66 = 610261016100610-1610-2例：(101101.11) 2 = 125124123122021 12012-112-2 32 + 0 + 8 + 4 + 0 +1 + 0.5 + 0.25 (45.75)101.5.2 不同数制之间的转换 二、八、十六进制转换为十进制对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.5.2 不同数制之间的转换 十进制数换为r进制数 十进制整数转换为r进制规则：采用除以r取余数，直到商为零时结束。所得余数序列，先余为低位，后余 为高位。 十进制小数转换为r进制规则：采用乘以r取整数，直到余数为0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整 为低位。十进制整数转为二进制整数1101例1：(13)10 = ( )21 363102222余数101 1二进制数低位二进制数高位十进制小数转成二进制小数(0.6875)10 = ( )20. 6 8 7 5 23 7 5 01. 2 7 5 0 20.5 01. 20 1.整数1011二进制数高位二进制数低位例2：二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(1) 二进制数转换成八进制数：以小数点为分界点，左右三位一节，不足三位以零补足三位。例: (101101.01) 2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八进制数转换成二进制数：将每位八进制数码以三位二进制数表示。例: (76.42) 8=(111110.100010)2=(111110.10001)2二进制与八进制、十六进制之间的相互转换(3)二进制数转换成十六进制数：以小数点为分 界点，左右每四位一节，不足四位以零补足四 位。 (1111011011.100101011)2 = (11,1101,1011.1001,0101,1000)2= (3DB.958)16(4)十六进制数转换成二进制数：将每位十六进 制数码以四位二进制数表示。例: (A3B.C) 16 = (101000111011.1100)2= (101000111011.11)21.6数据在计算机中的表示数据是指所有能输入到计算机中并被计算机识别、存储和加工处理的符号的总称数值型数据：128，(32.56)8；非数值型数据：“学生”、“0730-8845139”。1.6.1数值数据的表示1. 计算机中数的有关概念 数的长度1字节（byte)=8比特（bit）在计算机中，数的长度按比特（bit)来计算。但因存储容量常以“字节”为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。1.6.1数值数据的表示 小数点的表示方法在计算机中表示数值型数据，其小数点的位置总是隐含的。 数的符号一般用数的最高位（左边第一位）来表示数的正负号，并约定以“0”表示正，以“1”表示负。1.6.1数值数据的表示数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。 定点整数格式：2. 定点数表示方法dndn-1 dn-2d0数值部分(尾数)符号位小数点位置1.6.1数值数据的表示 定点小数范围：-2n-1 (2n-1) 和 1 (1 2-(n- 1)格式：符号位dndn-3dn-2dn-1d0数值部分(尾数)小数点位置1.6.1数值数据的表示3. 浮点数的表示方法格式：阶码是指数部分的值，表示幂次，其基数通常取2Em Em-1dn-1dnE0d0数符小数 点位置尾数阶码(E)阶符1.6.1数值数据的表示例如： 256.5 的浮点格式(32位)为：00001001010000000010000000000000所以 （256.5)10 = (0.1000000001)229阶码:7位数符尾数：23位阶 符32位浮点数的范围最大正数：(1223)2127最小正数：212128 2129最大负数：212128 2129最小负数：(1223)2127也即： 2129|X| (1223)2127 原码原码就是用最高位表示数的正、负号，0表示正，1表示负，而数值部分用最高位以后的若干位来表示。例：二进制数 + 1000110的原码表示为：01000110二进制数 1000110的原码表示为：11000110数值数据的表示 4. 带符号数的表示方法数值数据的表示 反码原码变反码的规则为：正数的反码与原码相同；负数的反码是将它的原码除符号位外逐位取反。二进制数 1000110的反码表示为：10111001例：二进制数 + 1000110的反码表示为：01000110数值数据的表示 补码补码的取码原则是：正数的补码和其原码相同；负数的补码是它的原码除符号位外逐位取反（即0变1，1变0），最后在末位加1。例：二进制数 + 1000110的补码表示为：01000110二进制数 1000110的补码表示为：10111010原码、补码的几个例子十进制 原 码 补 码87 -87127-1270-0 01010111010101111101011110101001 0111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000采用补码来表示正、负整数时，+0 和 0 的取码是完全相同的，而原码对+0和 0 的取码是不相同的。补码的加减法公式 X + Y 补 = X 补 + Y 补 X Y 补 = X 补 + Y 补 X 补 补= X 原例题例： 设 X=44 Y=59 求X +Y = ？ XY = ？由 X 补 = 0101100 Y 补= 00111011 -Y 补=11000101 -Y 原=10111011故 X + Y 补 = X 补 + Y 补= 01100111得X + Y = + 1100111 = ( + 103)10由 X Y 补 = X 补 + Y 补=11110001 X Y 原 = XY 补求补=10001111得 X