第1章__計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)

1、1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)任務(wù)任務(wù) 了解發(fā)展歷史 了解分類及應(yīng)用 掌握結(jié)構(gòu)及基本工作原理 理解并掌握數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示與運(yùn)算 了解目前計(jì)算機(jī)的應(yīng)用環(huán)境3 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來新型計(jì)算機(jī) 4發(fā)展史計(jì)算機(jī)史前史 算盤時代巴貝奇發(fā)明的差分機(jī)巴貝奇發(fā)明的差分機(jī)(1822(1822年年) ) 機(jī)械時代 機(jī)電時代5計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來新型計(jì)算機(jī) 6發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展(1) 1、1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功了世界上第一臺大型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ENIAC(愛尼亞克)。 180

2、0018000個電子管個電子管15001500個繼電器個繼電器 重重3030噸噸占地面積約占地面積約170m170m2 2 7第1代19461957 19461957 電子管電子管19581964 19581964 晶體管晶體管第2代1965197119651971中小規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路第3代19721972超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路第4代2、計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的四個時代發(fā)展史現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展(2) 8計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展 未來新型計(jì)算機(jī) 9發(fā)展史微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展10計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)史前史 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

3、未來新型計(jì)算機(jī) 11發(fā)展史未來的新型計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)神經(jīng)計(jì)算機(jī)神經(jīng)計(jì)算機(jī)新型計(jì)算機(jī)本節(jié)結(jié)束，請點(diǎn)擊 返回12計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 13計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 處理速度高 。 運(yùn)算精度高。 記憶能力強(qiáng)。 具有邏輯判斷能力。 具有友好的人機(jī)交互界面。計(jì)算機(jī)有哪些特點(diǎn)？著重理解其原因。14計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 15計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(1) 按計(jì)算能力進(jìn)行分類，劃分為巨型計(jì)算機(jī)，大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微機(jī) 。 按目前計(jì)算機(jī)的市場分布情況，大致可以分

4、為：大型計(jì)算機(jī)、微機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和工作站。16平板微機(jī)平板微機(jī)(2002(2002年年) ) 機(jī)柜式和刀片式機(jī)柜式和刀片式PCPC服務(wù)器服務(wù)器(2005(2005年年) )計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(2)微型計(jì)算機(jī)的類型17蘋果蘋果iMaciMac微機(jī)微機(jī)(2005(2005年年) )掌上微機(jī)掌上微機(jī)PDA(PDA(個人數(shù)字助理個人數(shù)字助理) ) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(3)18計(jì)算機(jī)的分類及應(yīng)用 計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)的分類 計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 19計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 科學(xué)計(jì)算 數(shù)據(jù)處理 自動控制 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM) 人工智能 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用本節(jié)結(jié)束，請點(diǎn)擊 返回20計(jì)算機(jī)的基本工

5、作原理及結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 21引入：人是如何處理事務(wù)的呢？接收信息接收信息完成結(jié)果完成結(jié)果計(jì)算計(jì)算控制眼睛、手控制眼睛、手記憶數(shù)據(jù)記憶數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)也是模仿人來處理事務(wù)的。計(jì)算機(jī)也是模仿人來處理事務(wù)的。計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)22計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1馮諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型2采用二進(jìn)制采用二進(jìn)制形式表示數(shù)形式表示數(shù)據(jù)和指令據(jù)和指令3存儲程序存儲程序23計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型 控制器 運(yùn)算器 存儲器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備著重理解各部分的功能！24運(yùn)算器與控制器(1) 運(yùn)算器 也稱算術(shù)邏輯單元(ALU)，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件。 控制器 主要用來控制程序和數(shù)

6、據(jù)的輸入/輸出，以及各個部件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。25運(yùn)算器與控制器(2)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，往往將運(yùn)算器和控制器集成在一個集成電路芯片內(nèi)，這個芯片稱為CPU(中央控制單元)。CPU性能的高低，往往決定了一臺計(jì)算機(jī)性能的高低?？刂破鰿PU 運(yùn)算器26 內(nèi)存地址存儲器 存儲器 主要功能是存放運(yùn)行中的程序和數(shù)據(jù)。 注：在馮諾伊曼計(jì)算機(jī)模型中，存儲器是指內(nèi)存單元。對存儲器的基本操作是數(shù)據(jù)的寫入或讀出，這個過程稱為“內(nèi)存訪問”。CPU如何找到對應(yīng)的存儲單元進(jìn)行訪問呢？27輸入和輸出設(shè)備 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 用來將現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，并且轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)熟悉的二進(jìn)制碼。 常見的輸入設(shè)備有：鍵盤、鼠標(biāo)、數(shù)碼相

7、機(jī)等設(shè)備。 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換成為用戶熟悉的形式。 常見的輸出設(shè)備有：顯示器、打印機(jī)、硬盤、音箱、網(wǎng)卡等。 28輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備運(yùn)算器運(yùn)算器( (內(nèi)內(nèi)) )存儲器存儲器控制器控制器程序程序+ +數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反反饋饋信信號號響應(yīng)響應(yīng)信號信號地地址址指指令令取取數(shù)數(shù)存存數(shù)數(shù)操操作作指指令令響應(yīng)響應(yīng)信號信號請求信號請求信號請求信號請求信號處理結(jié)果處理結(jié)果各部分的協(xié)作流程29 在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，使信息數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，并在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，使信息數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，并可以用二值邏輯元件進(jìn)行表示和處理?？梢杂枚颠壿嬙M(jìn)行表示和處理。 思考：我們?nèi)粘Ｉ钪械倪M(jìn)制 最常

8、用的十進(jìn)制 星期：七進(jìn)制 小時：24進(jìn)制，分鐘：60進(jìn)制，秒：60進(jìn)制 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令 為什么要用二進(jìn)制呢？為什么要用二進(jìn)制呢？30計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 存儲程序 存儲程序意味著事先將編制好的程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入計(jì)算機(jī)存儲器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行?！爸噶钪噶睢笔鞘裁茨厥鞘裁茨? ?31計(jì)算機(jī)的基本工作原理及結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)的基本工作原理 32計(jì)算機(jī)的基本工作原理 指令和程序 指令 指令是能被計(jì)算機(jī)識別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，它規(guī)定了計(jì)算機(jī)能完成的某一種操作。 指令通常由兩個部分組成：操作碼 操作數(shù) 程序由一

9、系列指令組成，這些指令在內(nèi)存中是有序存放的，而指令號表明了它的執(zhí)行順序。 程序、指令、指令號是什么呢是什么呢? ?33計(jì)算機(jī)的基本工作原理 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指一臺計(jì)算機(jī)的所有指令的集合。 指令系統(tǒng)都應(yīng)具有以下功能的指令： 數(shù)據(jù)傳送指令 數(shù)據(jù)處理指令 程序控制指令 輸入/輸出指令 其他指令34計(jì)算機(jī)的基本工作原理 計(jì)算機(jī)的工作原理(1) 計(jì)算機(jī)中一條指令的執(zhí)行過程取指令取指令譯碼譯碼分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令35計(jì)算機(jī)的基本工作原理 計(jì)算機(jī)的工作原理(2)本節(jié)結(jié)束，請點(diǎn)擊 返回36數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)37數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

10、二進(jìn)制數(shù) 二進(jìn)制數(shù)在電子元件中容易實(shí)現(xiàn)、容易運(yùn)算 計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的是什么數(shù)據(jù)?為什么?38數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(1)十進(jìn)制；二進(jìn)制；八進(jìn)制；十六進(jìn)制常用進(jìn)制有哪些?各種進(jìn)制數(shù)如何區(qū)別？B B表示二進(jìn)制數(shù)制；OO表示八進(jìn)制數(shù)制；D D或不帶字母表示十進(jìn)制數(shù)制；H H表示十六進(jìn)制數(shù)制。 39數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(2) r進(jìn)制數(shù)的展開和式a an naa1 1a a0 0a a-1 -1aa-m-m(r r)a an nr rn na a1 1r ra a0 0a a-1 -1r r-1 -1a a-m-mr r-m-m其中r r為基數(shù)，整數(shù)為n n1 1位，小數(shù)為mm位 40數(shù)值數(shù)

11、據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(3) 二、八、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制 展開和式！ 怎樣轉(zhuǎn)換？(1101.01)212312202112002-112-28410.2513.25(237.4)828238178048-11282470.5159.5(A05.C)1610162016151601216-1256050.752 565.7541數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(4) 十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二、八、十六進(jìn)制怎樣轉(zhuǎn)換？十進(jìn)制整數(shù) r r進(jìn)制數(shù)：除以 r r取余數(shù)，直到商為0 0時結(jié)束。所得余數(shù)序列，先余為低位，后余為高位。十進(jìn)制小數(shù) r r進(jìn)制數(shù)：乘以 r r取整數(shù)，直到余數(shù)為0 0時結(jié)束。所得整數(shù)序列，先整為

12、高位，后整為低位 。42數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(5) 實(shí)例：求(11.375)10()2。 整數(shù)轉(zhuǎn)換除2 2取余，小數(shù)轉(zhuǎn)換乘2 2取整。將轉(zhuǎn)換后的整數(shù)與小數(shù)相拼，有：(11.375)10(1011.011)2。 43數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(6) 實(shí)例：求(93.437 5)10()8 。 將轉(zhuǎn)換后的整數(shù)與小數(shù)相拼，有：(93.4375)10(135.34)8 。 44數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換(7) 二進(jìn)制與八、十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換 二進(jìn)制與八進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換 已小數(shù)點(diǎn)為中點(diǎn)，三位為一單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換。不足三位補(bǔ)零。 例例: :(101101.01) 2=(101,101.010)=(55.

13、2)8 二進(jìn)制與十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換 已小數(shù)點(diǎn)為中點(diǎn)，四位為一單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換。不足四位補(bǔ)零。 例例: :(1111011011.100101011)2 = (3DB.958)1645數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(1) 計(jì)算機(jī)中數(shù)的相關(guān)概念 數(shù)的長度 : 在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的長度按“比特”(bitbit)來計(jì)算。但因存儲容量常以“字節(jié)”(bytebyte，等于8 8bitbit)為計(jì)量單位，所以數(shù)據(jù)長度也常以字節(jié)為單位計(jì)算。 數(shù)的符號: 一般總是用數(shù)的最高位(左邊第一位)來表示數(shù)的正負(fù)號，并約定以“0”“0”表示正，以“1”“1”表示負(fù) 小數(shù)點(diǎn)的表示方法 : 在計(jì)算機(jī)中并不用某個二進(jìn)制位來表示小數(shù)點(diǎn)，而

14、是隱含規(guī)定小數(shù)點(diǎn)的位置 46數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(2) 數(shù)的定點(diǎn)表示方法 定點(diǎn)整數(shù) ：小數(shù)點(diǎn)的位置約定在最低數(shù)值位的后面，用于表示整數(shù) 定點(diǎn)小數(shù)：小數(shù)點(diǎn)的位置約定在數(shù)符位和數(shù)值部分的最高位之間，用以表示小于1的純小數(shù)。47數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(3) 浮點(diǎn)數(shù)的表示（1）為什么使用浮點(diǎn)數(shù)表示？浮點(diǎn)格式如何？浮點(diǎn)數(shù)的組成？浮點(diǎn)數(shù)的思想來源于數(shù)學(xué)中的指數(shù)表示形式：NMRC 48數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(4) 浮點(diǎn)數(shù)的表示（2） -對于一個R進(jìn)制數(shù)，只要確定M與C的值(|M|1 )，就可以確定該數(shù)的值，即NMRC的值就惟一確定了 -實(shí)例：0.110112011在機(jī)內(nèi)的表示形式

15、1 0 0 0 0 0 1 11 0 0 0 0 0 1 11 1 1 0 1 1 0 01 1 1 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0階碼部分階碼部分 尾數(shù)部分尾數(shù)部分 49數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(5) BCD碼為什么使用BCD碼？有何優(yōu)點(diǎn)？-可以快速進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換-采用“逢十進(jìn)組”的原則亦容易實(shí)現(xiàn) -以4 4位二進(jìn)制數(shù)表示1 1位十進(jìn)制數(shù)。例如：123100001 0010 0011BCD 50數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表

16、示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)51字符數(shù)據(jù)的表示 英文字符的表示ASCIIASCII碼、EBCDICEBCDIC碼和UnicodeUnicode碼 中文字符的表示 GB2312-80GB2312-80，即“國標(biāo)碼” 52數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)53 聲音：用波形文件、MIDIMIDI音樂文件或壓縮音頻文件方式表示 圖像：主要有位圖編碼和矢量編碼兩種方式； 視頻：由一系列“幀”組成， 多媒體數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)、字符數(shù)據(jù)、數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中用什么形式存儲和處理？54數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示和運(yùn)算數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示多媒體數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)的運(yùn)算基礎(chǔ)55 運(yùn)算種類： 算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除。 邏輯運(yùn)算：