文科計算機基礎-01-計算機基本原理(四)

大學計算機應用基礎

計算機基本原理

北京大學信息科學技術學院

劉18哲

@4

計算發(fā)展簡史

Peking

2University

什么是“計算”

□新華詞典2001修訂版

A計數(shù)；通過已知數(shù)求出未知數(shù)；籌劃；打算；算計

□美國傳統(tǒng)詞典

＞用數(shù)學方法（尤其是數(shù)字的方法）決定或測定

＞利用計算機決定或測定

＞確定數(shù)量或數(shù)字

這些定義的共性:

1）基于數(shù)學，尤其是數(shù)字相關的數(shù)學

2）從已知（輸入）推導出未知（輸出）

什么是“計算機”

□顧名思義，“計算機”就是執(zhí)行計算的“機器”

A能夠基于數(shù)學，尤其是數(shù)字相關的數(shù)學，從已知(輸入)

推導出未知(輸出)的機器

□“計算機”名稱的起源

>1646年正式出現(xiàn)“computer”這一英文單詞

?當時是指專門從事計算工作的人

?而用來計算的機器在1940年以前稱為“計算器

(calculator)”或“制表機(tabulator)”

>直到1940年發(fā)明第一臺電子計算設備,“計算機”這一名

詞才正式具備今天的內(nèi)涵

Peking

University

4

計算機簡史

口計算機前世羅

A手工計算器，1200年~1600年馬

A機械計算器，1600年~1930年系

A計算機原型，1937年~1946年是

□現(xiàn)代計算機一

A真空管計算機，1946年人

?晶體管計算機，1950年代后期建

?集成電路計算機，1965年成

A超大規(guī)模集成電路，1970年代早期的

O產(chǎn).

“京，Uiuversity

5

手工計算器

口進行數(shù)字計算的工具

＞需手工實施運算法則

A體現(xiàn)了計算機的核心：

按照

運算法則算盤，1200年

操縱數(shù)字

一步一步

執(zhí)行計算

Napier乘除器移動計算尺，1621年

贏產(chǎn),t

Umversity

機械計算器

口帕斯卡

A12歲獨自發(fā)現(xiàn)了“三角形的內(nèi)角和等于180度”

>16歲參加巴黎數(shù)學家和物理學家小組

>17歲時寫成《圓錐截線論》震驚數(shù)學家笛卡兒

A18歲時開始設計計算機，幫助父親計算稅率稅款

>19歲第三個模型在1642年研制成功

■帕斯卡加法器(1642)

?是一種系列齒輪組成的裝置，依靠發(fā)

條轉動，用專用的鐵筆撥動轉輪以輸

入數(shù)字。

?開始只能夠做6位加法和減法

Peking

University

機械計算器

口機械計算機能夠自動實施運算法則

＞手工計算器需遵循運算法則進行大量手工操作，無法滿足工業(yè)革命的需要

德國科學家，當時在圖賓根

(Tubingen)大學任教授。

他廣泛涉獵天文學、數(shù)學和

測量學等諸多領域。

?契克卡德計算機可以進行6位

數(shù)加減法，或許設置了某種

“溢出”響鈴裝置

?機器上部附加一套圓柱型“納

皮爾算籌”，因此也能進行乘

除運算

1623年，德國Schickard計算器(六

位數(shù)加減)第一臺機械計算器

%Peking

University

8

機械計算器

□萊布尼茨

A改進了帕斯卡的機械計算器（40年時間?。?/p>

?發(fā)明了萊布尼茨轉輪，成為后續(xù)很多機械計算器的基礎,

可以完成較為復雜的四則運算

1673年，德國Leibniz四則運算器（改

進Pasca功口減法器）

但是，萊布尼茨對計算技術的貢獻遠關朝常3y

9

機械計算器

口八卦與二進制

＞萊布尼茨第一個提出了二進制的思想!

?其靈感來自于中國的八卦!

＞將二進制的思想寫信給喜歡數(shù)學的康熙皇帝,希望后者能

皈依基督教…冏一

新111

弛11O

1O1

M:

愚1OO

察O11

城O1O

印OO1

照OOO

10

機械計算器

口機械計算器運行的“自動化”

A1823年，英國Babbage設計實現(xiàn)了功能強大的差分機，但

極其復雜，意味著更強大的機械計算器必須自動化

4000多個零件

把函數(shù)表的復雜算式轉化為

差分運算，用簡單的加法代

替平方運算。

“可處理3個不同的5位數(shù)，計

算精度達到6位小數(shù)。

瀛產(chǎn).t

“二#University

機械計算器

口機械計算器運行的“自動化”

A1834年，英國人Babbage設計的分析機（蒸汽驅動）

?存儲數(shù)據(jù)的倉庫：每個齒輪可貯存10個數(shù)，齒輪組成的

陣列總共能夠儲存1000個50位數(shù)

?執(zhí)行運算的作坊：基本原理與帕斯卡的轉輪相似，用齒

輪間的嚙合、旋轉、平移等方式進行數(shù)字運算

?運算控制器：以自動編織機穿孔卡中的。和1來控制運算

操作的順序，如，第一步運算結果若是“1”，就接著做

乘法，若是”0"就進行除法運算

?數(shù)據(jù)傳輸部件：在倉庫和作坊之間不斷往返運輸數(shù)據(jù)

分析機最終沒能造出來，巴貝奇和阿達

（英國詩人拜倫的獨生女）失敗了！

因為看得太遠！分析機的設想超出了其

所處時代至少一個世紀暮看蹤跡,

%荒,Umversity

12

機械計算器的不斷發(fā)展

口統(tǒng)計學家霍列瑞斯(Hollerith)，涔逾J，。”，”'"'11.

?源自美國人口普查、蟒101也0曲曲0必

----------------——

?1880年的人口普查1887年才完成——

?1890年的可能需要到1900年才能完成

AHollerith制表機(電子穿孔卡片匯總)

應運而生，6個月即完成1890年人口普查

數(shù)據(jù)匯總，隨后兩年內(nèi)完成所有統(tǒng)計工

作

>1896年，Hollerith成立“計算制表記錄

公司”，1924年改名“國際商用機器公

司”

□1935年：IBM制造了IBM601穿孔卡片式計算

機，該計算機能夠在一秒鐘內(nèi)計算出乘法運

采用電氣元件的“計算機原型”

□1934年德國工程師楚澤(K.Zuse)開始

研制Z1、Z2、Z3三種型號的計算機

A采用二進制的運算方式

＞以繼電器為主要元件

□1941年Zuse完成了Z3的研制工作■

＞第一臺可編程的電子計算機。

A可處理7位指數(shù)、14位小數(shù)。(I

?使用了大量的真空管。

’■,■一

UlMur

＞每秒種能作3到4次加法運算fjrjjjjjji？QiODCVJ

A一次乘法需要3到5秒。

/////

機械計算器小結

口什么是計算：

＞機械計算機是利用機械執(zhí)行計算的機器

□1）基于數(shù)學，尤其是數(shù)字相關的數(shù)學

＞機械計算機均采用十進制計數(shù)及四則運算法則

?差分機將復雜的函數(shù)表運算轉化成加法

□2）從已知（輸入）推導出未知（輸出）

＞機械計算機的輸入和輸出均為有限位數(shù)的十進制數(shù)

A機械計算機大多手工輸入，也有穿孔卡片輸入

A機械計算機的運算/推導過程不變、速度有限

口機械的“物理性質(zhì)”決定了機械計算機“能力有限”

＞分析機偉大的設計最終無法采用機械來實現(xiàn)

Peking

15University

如何“飛躍”機械計算器

口什么是計算:

?分析機偉大的設計最終無法采用機械來實現(xiàn)

借鑒分析機的圖:計思路餐需屈實現(xiàn)!翔?

16塔涉University

圖靈機的提出

□OnComputableNumbers,1937

＞這篇奠基之作其實是回答德國大數(shù)學家DavidHilbert在世

界數(shù)學家大會上提出的“23個數(shù)學難題”中的一個問題:

“是否所有的數(shù)學問題在原則上都是可解的”

＞圖靈認為“有些數(shù)學問題是不可解的”

＞圖靈機只是在這篇論文的一個腳注中順便提出的

Endnotes

8.Itismostnaturaltoconstructfirstachoicemachine(§2)todothis.Butit

theneasytoconstructtherequiredautomaticmachine.Wecansupposethat

thechoicesarealwayschoicesbetweentwopossibilities0and1.Eachproof

willthenbedeterminedbyasequenceofchoicesz1,/2,zn(z1=0or1,72

=0or1,zn=0or1),andhencethenumber2〃+z-125+1+z225-2+...+

zn,completelydeterminestheproof.Theautomaticmachinecaniesout

successivelyproof1,proof2,proof3,....

尚弟i二ADZ1嗒

%今步University

什么是圖靈機

讀

寫

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

頭蟀

控制器

磁帶

|o|o|oI1I1I1|o|o|oI1I1|o|o|o

-J

口圖靈機的組成

條磁帶：雙向都可無限延長，被分為一個一個彼此獨

立的方格，每個方格上有數(shù)字

?一個磁頭：可以讀出或改寫磁帶方格數(shù)字，可在方格之

間左右移動

?一個控制器：包含有限個數(shù)的狀態(tài)，每個狀態(tài)值都可以

改變

Peking

18University

什么是圖靈機

讀

寫

磁

有限（q，q2,q§,q4.............）

頭蟀

控制器

磁帶

00011100011000

口圖靈機的運算法則

?重復執(zhí)行下列動作，直至遇到“停機”命令

>1）讀出磁頭指向的磁帶方格的內(nèi)容

>2）根據(jù)讀出值和控制器內(nèi)部狀態(tài)，執(zhí)行三種動作：改

寫方格內(nèi)容、移動磁頭、修改狀態(tài)

Peking

19University

圖靈機小結

□圖靈機組成：一條磁帶+一個磁頭+一個控制器

□圖靈機程序：磁帶內(nèi)容+控制器狀態(tài)+條件執(zhí)行動作

＞表現(xiàn)為〈當前狀態(tài)，當前符號，修改后符號，磁頭移動方向,下一

狀態(tài)〉五元組的集合

□圖靈機計算能力強大：Church-TuringThesis

A圖靈說：凡是可計算的函數(shù)都可以用圖靈機來計算

AChurch說：任何計算，如果存在一個有效過程，它就能被

圖靈機所實現(xiàn)

＞計算機程序就是某個可計算問題的一個有效過程

?只要時間足夠長（即允許足

夠的運算次數(shù)）和空間足夠

磁帶大（即磁帶足夠長），圖靈

0Io""011OOO機可替代目前的任何計算機

OPekbis

20潦*University

如何實現(xiàn)圖靈機

口圖靈機實現(xiàn)的主要指標：

A時間上要求運算速度；空間上要求磁帶容量

口圖靈機實現(xiàn)的關鍵因素：

A物理上：磁帶的方格數(shù)量和方格容量，磁頭讀寫速

率和移動速度，控制器判斷速率和狀態(tài)變換速率

A數(shù)學上：一般而言，進制越大，所需存儲空間越少,

運算次數(shù)越少

讀

寫

磁有限?只要時間足夠長（即允許足

(qi,q2,q3,q4...............)

頭

控制器i夠的運算次數(shù)）和空間足夠

磁帶—大（即磁帶足夠長），圖靈

0001110001100司機可替代司螂毋制計算機

J

212G&University

進制

□進制形式只是數(shù)值的表示形式

口任何十進制數(shù)X都可以表示為：

nrn

X=kn*1O+..+k0*10°+k_+.?,+k_m*1(r

基數(shù)為10,系數(shù)/數(shù)字kj€{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)

112

例：46.37(10)=4*10+6*10°+3*10■+7*10-

口任何二進制數(shù)B都可以表示為：

n-m

B=kn*2+...+k0*20+k_i*2T++k_m*2

基數(shù)為2,系數(shù)/數(shù)字kj€{0,1}

例:110110(2)=1*25+

1*24+0*23+1*22+1*21+0*2°=54(10)

Peking

22University

口進制的轉換方法進制

A如果兩個有理數(shù)相等，則兩數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分

定分別相等

□十進制數(shù)轉換成二/八/十六進制數(shù)

A整數(shù)轉換用“除2/8/16取余法”

?小數(shù)轉換用“乘2/8/16取整法”

□二/八/十六進制數(shù)轉換成十進制數(shù)

＞把二/八/十六進制數(shù)寫成2/8/16的各次幕之和的形式,

然后計算其結果

津Peking

23University

,例：將十郵弱融鯉虢盛示“二進制

余數(shù)

212640|低位

211320

2[660

2L33_1

2U0

2180

214_0昌)位

220

2CL1

即(264)io=(100001000)2

十進制整數(shù)轉換為二進制整數(shù)采用”除2取余，逆序排列”法。具體做法是：用2

去除十進制整數(shù)，可以得到一個商和余數(shù)；再用2去除商，又會得到一個商和

余數(shù)，如此進行，直到商為一時為止，然后把先得到的雋魏作為二進制數(shù)的低

但有效位，后得到的余數(shù)作為二進制數(shù)的高位有效位，俵期覷鬻恭

進制

口對圖靈機實現(xiàn)而言，二進制應該是最不理想的

A進制越小，表示同一個數(shù)值所需數(shù)字越多，存儲

空間使用越多

二進制與八進制的對照：

000^0010^2100T4110^6

001^1011^3101^5111^7

二進制與十六進制的對照:

0000300100T41000T8llOO^C

00019101019510019911019D

0010920110^61010^AlllO^E

0011930111^71011今B1111-?F

*常用A,B,C,D,E,F作為“數(shù)字”葡謔。魏5

二密卡University

二進制算術運算(與十進制類似)

加法:0+0=0,0+1=1,1+1=10(進位)減法:0-00,1?1=0,0-1=1(借位)

例：(1101)2……(13)10例：(1101)2……(13)10

+十011)2……(11)1。?(10Cl)2……(lDio

(11000)2……(24)1。(0010)2……(2泉

乘法:0X0=0,0X1=0,1X1=1除法：1=1二1,0:1二1

例：(1101)2.......(13)100：0,1+0無意義

口對圖靈機實現(xiàn)的運算速度要求而言，二進制也是最

不理想的

A不同進制的算術運算法則基本相同

A因此，進制越小，對于同一數(shù)值，需要運算的數(shù)

字越多，運算速度越慢

A但電子計算機采用二進制！為什么？

26弋篇^University

二進制的真正價值

□布爾代數(shù)（邏輯代數(shù),1847年）

＞關于。和1的代數(shù)系統(tǒng)，用基礎的邏輯符號系

統(tǒng)描述物體和概念

A邏輯運算：沒有進位，按位運算

非，求反：一單操作數(shù)運算：1=00=1

與，邏輯乘：?或，邏輯加：+11010=00101

異或：?同或：

O1100111001

AB邏輯加邏輯乘異或同或?01101++1101

0000010100111101

011010

1010101100111001

111101十01101。01101

1010001011

27

二進制的真正價值

□布爾代數(shù)（邏輯代數(shù),1847年）

＞關于。和1的代數(shù)系統(tǒng)，用基礎的邏輯符號系

統(tǒng)描述物體和概念

A邏輯運算：沒有進位，按位運算

□開關電路實現(xiàn)電子化布爾代數(shù)運算

A1938年香農(nóng)在MlT的碩士論文《繼電器與開關

電路的符號分析》

A首次用布爾代數(shù)進行開關電路分析，并證明

布爾代數(shù)的邏輯運算，可以通過繼電器電路

來實現(xiàn)，進而明確地給出了實現(xiàn)加，減，乘」

除等運算的電子電路的設計方法

津Peking

28University

布爾電路小結

□布爾代數(shù)提出二進制的邏輯運算，基于邏輯運算可以

實現(xiàn)算術運算

口開關電路可以實現(xiàn)布爾代數(shù)的邏輯運算，進而實現(xiàn)算

術運算

口進制僅僅是數(shù)值的表現(xiàn)形式，可以互換，因此，布爾

電路可以實現(xiàn)通用的數(shù)值運算

□由于“電子”的快和小，使得布爾電路實現(xiàn)的計算快、

單位存儲容量大，滿足圖靈機實現(xiàn)對運算速度和存儲

空間的需要

□馮諾依曼結構：明確上述“推導”，給出參考實現(xiàn)，

解決一系列系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術問題

Peking

29University

現(xiàn)代計算機之父一馮?諾依曼

約翰.馮.諾依曼

-^g!-卡"Goe

JohnVonNeumann國乳+月代桃

1903?1957

1945年，馮?諾依曼發(fā)表了著名的“關于EDVAC的

報告草案”。報告提出的體系結構一直延用至今，即

馮?諾伊曼結構。

個尷University

眸誓馮?諾依曼結構

口五大模塊：借鑒分析機，給出圖靈機各個部分的電子實現(xiàn)方式

口二進制：明確采用二進制作為各個部件工作和交互的基礎

口存儲程序原理：程序與數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存，極大簡化實現(xiàn)

數(shù)據(jù)流典

輸

備

片笛SB

控制器

Peking

31University

現(xiàn)代計算機

□全名：“通用電子數(shù)字計算機”

>GeneraI一PurposeDigitalComputer

?通用：計算機是一種通用信息處理設備，只要有合適的軟

件，它能適用于各種專門用途。

>：是計算機硬件實現(xiàn)的物理基礎，計算機的運行最終

都通過電子電路中的電流、電位等實現(xiàn)

A數(shù)字化：是計算機的信息表示方式。一切信息，無論原本

是數(shù)值、文字、圖形、聲音等，在計算機里都統(tǒng)一到二進

制的數(shù)字化表示上。數(shù)字化是計算機的一種基本特征，是

通用性的重要基礎。

?計算機：這是一種做計算的機器。

Peking

University

計算機數(shù)據(jù)的單位

口位（Bit）：最小的數(shù)據(jù)單位

＞即二進制的一個數(shù)位

□字節(jié)（Byte,簡寫為B）：最常用的數(shù)據(jù)單位

A1個字節(jié)由8個二進制數(shù)位組成

1KB=1O24B=210B1KB=1024字節(jié)，的意思是“千”

iyfB=1024KB=210KB=220B=1024X1024B1MB=1024KB字節(jié)，“M”讀“兆”。

1GB=1O24MB=21OMB=230B=1024X1024KB1GB=1024MB字節(jié)，“G”讀“吉”。

1TB=1O24GB=21OGB=240B=1024X1024\ffi1TB=1024GB字節(jié)，T讀“太”。

Peking

33University

從ENIAC到EDVAC

□ENIAC的缺點

>ENIAC還不是存儲程序式的計算機

>編程是通過手工插接線的方式進行的

□EDVAC(ElectronicDiscrete

VariableAutomaticComputer)

□電子離散變量自動計算機

A1945年3月，計算技術的先驅馮?諾伊曼

(JohnvonNeumann)來至ij莫爾學院

Mauchly和Eckert進行1了兩天討論，投I

定了存儲程序式的電子計算機的方案。方

案經(jīng)馮?諾伊曼整理后于1945年6月發(fā)JohnvonNeumann

表—存儲程序控制原理

>EDVAC于1952年制造完成

>EDVAC是世界上第一臺存儲程序計算機

>是所有現(xiàn)代計算機的原型和范本

計算機發(fā)展階段和應用模式

口早期的計算機

＞手工計算器

＞機械計算器

＞計算機原型

□現(xiàn)代計算機

＞電子管計算機

＞晶體管計算機

A集成電路計算機

?超大規(guī)模集成電路

?未來的第五代

第一代計算機

口時間：20世紀40、50年代

□主要特點

A使用真空管存儲數(shù)據(jù)

?真空管是一種控制真空中電子流

動的電子裝置

?被設置為兩個狀態(tài)以表示0或1

?響應比機械快，但體積大、耗能

高、易燒壞

?ENIAC有18000個真空管，第一年

運行就替換了19000個口

口只能使用0/1進行編程

>111000000100101100110-

□只在少量軍事領域或科學計算

中應用Peking

University

第二代計算機

□始于20世紀50年代后期

□主要特點

A使用晶體管存儲數(shù)據(jù)

?晶體管由貝爾實驗室于1947年發(fā)明

?功能與真空管類似，但更小、更便宜、功耗更少、更可靠

＞產(chǎn)生操作系統(tǒng)

?標準化的硬件資源管理

?但不可移植

＞產(chǎn)生高級編程語言

?Fortran,CoboI

口開始應用于商業(yè)領域

第三代計算機

口始于1965年

□主要特點

A使用集成電路

?集成電路可將成千上萬的真空管或

晶體管壓在一個單獨的微型芯片上

CourtesyTexasInstruments

?1958年由德州儀器公司發(fā)明JackSt.ClairKilby

>操作系統(tǒng)可移植杰克基爾比

>C語言產(chǎn)生

口開始向更多個人用戶應用發(fā)展

益常涉University

第四代計算機

□始于20世紀70年代

口主要特點

＞使用能大規(guī)模集成電路

A更快、更小、更便宜

□第一塊微處理器是1971年制造的Intel4004

?2400個晶體管，計算能力與ENIAC相當

?但尺寸只有3毫米x2毫米

?而ENIAC尺寸為30米長，3米高

口計算機發(fā)展出現(xiàn)瓶頸

?硬件、軟件全方位地出現(xiàn)瓶頸

＞第5代計算機正在醞釀中

量子計算機、生物計算機

廣泛應用于個人計算

現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷史

第一代第二代第三代第四代

1946-19551956-19631964-19711972至今

主要元器件電子管晶體管中小規(guī)模集成大規(guī)模、超大規(guī)

電路模集成電路

運算速度幾千次至幾幾萬次至幾幾十萬次至幾幾百萬次至上億

（每秒）萬次十萬次百萬次次

支撐軟件機器語言和FORTRAN.系列化計算機i現(xiàn)代操作系統(tǒng)、

匯編語言COBOL等高級產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡軟

語言件等

應用國防和科學+數(shù)值計算、+文字、圖形圖社會生活各個領

計算數(shù)據(jù)處理像處理域

O產(chǎn).

40“京，Uiuversity

現(xiàn)代計算機的分類

口計算機可根據(jù)綜合性能指標進行分類，性能指標通常包

括體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數(shù)

據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等等。按照性

能從弱到強,包括如下幾類

A單片機

＞微型計算機

＞小型機

?大型機

?巨型機

&Peking

41University

現(xiàn)代計算機的分類

口單片機

＞單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。包括：CPU、內(nèi)存、

內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、

定時器，實時時鐘等外圍設備

A單片機可以直接嵌入設備當中，例如：手機、電話、攝像機、計算器、電

飯煲、電冰箱等家用電器、超聲診斷等醫(yī)療設備、電子玩具、掌上電腦以

及鼠標等電腦配件中都配有1-2部單片機

＞單片機的特點是：功耗低、體積小、專用化

42University

現(xiàn)代計算機的分類

□微型計算機

>以微處理器（micro-processor）為中央處理單元組成的個人計算機。主

要有桌面電腦（即臺式機Desktop）、筆記本電腦（Laptop）、個人數(shù)字

助理（PDA）、平板電腦等

>微型計算機的特點是：方便個人使用、通用性強、價格相對低、省電

>1971年，美國Intel公司成功地在一塊芯片上實現(xiàn)了中央處理器的功能，

制成了第一片4位微處理器，并由它組裝成第一臺微型計算機

?1977年，美國蘋果公司推出了AppleII電腦，是第一款配備鼠標的商用計

算機，也是歷史上銷量最好的電腦（700萬臺）

?1981年，美國IBM公司采用Intel微處理器芯片，推出IBMPC微型計算機

>一些主流的微處理器芯片：IntelAMD

431977年的Jobs

現(xiàn)代計算機的分類

□小型機

＞為多用戶執(zhí)行任務,在中小企業(yè)廣泛應用，用于工業(yè)自動控制、

數(shù)據(jù)采集、分析計算、企業(yè)管理等領域

口大型機

A通用，有極強的綜合處理能力，主要應用于大銀行、政府部

門、大型制造廠家等

現(xiàn)代計算機的分類

口巨型機

＞包含幾千到幾萬個處理器，運算速度最快、性能最高、技術最復雜，常用

于解決科技領域中某些帶有挑戰(zhàn)性的問題，應用于核武器、反導彈武器、

空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等

＞巨型機的研制屬于國家高科技領域和尖端技術研究，是國家科技發(fā)展水平

和綜合國力的重要標志

NEC巨型機IBM的ASCI白色：CPU由8000多我國研發(fā)天河一號每秒鐘1206

運算速度25.9萬億/秒個處理器組成，內(nèi)存6T(6萬萬億次的峰值速度，和每秒

億)字節(jié)，硬盤160T字節(jié)，用563.1萬能次ck實測性能,

于模擬核爆炸(1TB=1O3GB)

451-1

眸暮再看馮?諾依曼結構

口五大模塊：借鑒分析機，給出圖靈機各個部分的電子實現(xiàn)方式

口二進制：明確采用二進制作為各個部件工作和交互的基礎

口存儲程序原理：程序與數(shù)據(jù)一樣存放在內(nèi)存，極大簡化實現(xiàn)

數(shù)據(jù)流典

輸

備

片笛SB

控制器

46所有的現(xiàn)代計算機都遵循馮?諾依蔓露野ity

現(xiàn)代計算機的典型內(nèi)部結構

輸入設備

西驛Peking

W常University

馮?諾依曼結構基本原理

口存儲程序原理

＞將數(shù)據(jù)以及用來處理數(shù)據(jù)的一系列程序指令同時存入計算機

中，讓計算機自動地按程序的指令進行一系列操作

A什么是程序（Program）?

A程序（Program）是為解決某一問題而選用的一條條有序指令

的集合開始

CPU從內(nèi)存中讀取一條指令

I

CPU執(zhí)行該指令

I

程序執(zhí)行完？

I是

收Peking

48結束程序執(zhí)行University

馮?諾依曼計算機工作原理

口程序和指令

A煲令(Instruction)是計算機能識別并能執(zhí)行的基本操作命

＞指令構成:操作碼地址碼

A操作碼指明該指令要完成的操作，如加、減、乘、除。

＞地址碼是指參加運算的數(shù)據(jù)所在的地址

ADDA,[6]

碼地址碼

該指令表示將寄存器A中的內(nèi)容和存儲器中的［6］號存儲單元

的內(nèi)容相加，再將結果放回到寄存器艘±Peking

49?窸占University

馮?諾依曼計算機工作原理

口輸入-＞處理-＞輸出+存儲

＞將各種信息變?yōu)橛嬎銠C能識別的相應的數(shù)字序列一輸入

＞將這些數(shù)字序列按程序指定的處理方式進行運算一一處理

＞將處理結果按一定的方式輸出一輸出

＞存放有關的數(shù)據(jù)以便進行處理——存儲

?換言之，計算機是一種能接受輸入、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并

產(chǎn)生輸出的自動化裝置

Peking

50University

馮?諾依曼計算機工作原理

口輸入-＞處理-＞輸出+存儲

?將各種信息變?yōu)橛嬎銠C能識別的相應的數(shù)字序列一輸入分

輸入設備

＞將這些數(shù)字序列按程序指定的處理方式進行運算~一處理今

中央處理器（控制器+運算器）

?將處理結果按一定的方式輸出一輸出今輸出設備

＞存放有關的數(shù)據(jù)以便進行處理——存儲）存儲設備

A換言之，計算機是一種能接受輸入、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并

產(chǎn)生輸出的自動化裝置

Peking

51University

馮?諾依曼計算機工作原理

口輸入設備主要功能

輸入設備用于從計算機外部將數(shù)據(jù)、命

令輸入到計算機的內(nèi)部，供計算機處理。

常用的輸入設備有鍵盤、鼠標器、磁盤

驅動器、磁帶機、光筆、CDROM驅動器、

掃描儀、數(shù)字化儀、攝像機、觸摸屏

運算器

控制器

Peking

University

馮?諾依曼計算機工作原理

口控制器的主要功能

控制器負責從存儲器中逐條取

出指令、分析指令，并按指令

要求發(fā)出相應的控制信號指揮

各執(zhí)行部件工作

&Peking

53University

馮?諾依曼計算機工作原理

口運算器的主要功能

存儲器

」外在催黑

運算器是計算機中進行算術運

算和邏輯運算的單元

運算器

控制器

&Peking

54University

馮?諾依曼計算機工作原理

口存儲器的主要功能

存儲器的主要功能是用來存放各

—………類程序和數(shù)據(jù)信息。常見的存儲

存儲器設備包括內(nèi)存、硬盤、u盤、閃

外盤、迅盤等

輸

出

內(nèi)存儲器設

備

運算器

控制器

天，Peking

55University

馮?諾依曼計算機工作原理

口輸出設備的主要功能

輸出設備用以將計算機處理后的結果信

息，轉換成人們能夠識別和使用的數(shù)字、

文字、圖形、聲音、電壓等信息形式。

常用的輸出設備有顯示器、磁盤驅動器、一

打印機、繪圖儀、音響設備和投影儀等輸

控制器

56卷亨簿舞sity

“馮?諾依曼結構”的主要特點（續(xù)）

「計算機應由運算器、］「指令和數(shù)據(jù)均以二/

控制器、存儲器、輸制代碼形式不加區(qū)別

入設備和輸出設備共地存放在存儲器中，

5個部分組成運算器存放位置由存儲器的

地址指定

數(shù)

輸入設備.存儲器輸出

程序和結果輸

數(shù)據(jù)輸?shù)厣絖___

址計算機在工作時，

控制器能夠自動地從存儲

器中取出指令加以

執(zhí)行

Peking

University

黎!計算機執(zhí)行指令的重點：CPU和存儲器

I輸出設備

輸入設備

Peking

University

計算機執(zhí)行指令的主要步驟

?控制器將指令的地址送往存儲器，存儲器按給

取指定的地址讀出指令內(nèi)容，送回控制器

譯碼?控制器分析指令的操作性質(zhì)，向CPU內(nèi)部有關

部件發(fā)出指令所需要的控制信號

?控制器從CPU內(nèi)部通用寄存器或存儲器取出操

執(zhí)行作數(shù)，命令運算器進行指令規(guī)定的運算

University

執(zhí)行指令示例

口指令格式：ADDA,[6]指令本身也是以二進制

口指令功能：的形式存放在存儲器中

CPU中存儲器中

通用寄存器A地址為6的存儲單元=運算結果

的內(nèi)容,I的內(nèi)容J

+y

t更新

假設：

通用寄存器A的內(nèi)容為〃3〃，存儲單元[6]的內(nèi)容為〃2〃

則：

該指令執(zhí)行完成后，通用寄存器A的內(nèi)容為〃2+3〃的結果〃5〃

O對1唱-

%公,Umversitty

存儲器的組織形式

地址：每個存儲單元對內(nèi)容：存儲單元中存放的

應的序號I二進制信息（指令或數(shù)據(jù)）

存儲器地址存儲器內(nèi)容

00001100

00100010

00000000

01101101

*存儲器通常按字節(jié)為單元進行劃分

Peking

此部密講更律壁曾蛙俊林老師

羊干在萱和羊壬三白々米

大于1T導少兒.程序計數(shù)器pc：

3一條指令的位置

計算機（餐館）

指令寄存器IR：

保存當前指令的

存儲器（倉庫）

二進制編碼1

、一XI口口

地址2

控制器

地址1二啊CPU

牙房）

他址

地址0AAB

數(shù)據(jù)通用寄存器（臨時盤）

（指令（任務單）

取指譯碼執(zhí)行回寫第一步

取回指令后更新

程序計數(shù)器PC

AB

通用寄存器（臨時盤）

Peking，-

瑞浮University

取指譯碼執(zhí)行回寫第二步

程序計數(shù)器

操作：加法ADDA,[6]PC

源操作數(shù)：存儲器地址6、通用寄存器A①取操作數(shù)[6]

目的操作數(shù)：通用寄存器A②取操作數(shù)A

③執(zhí)行加法

存儲器