第1章計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)

大學計算機

（第4版）“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材北京郵電大學出版社主編：蔣加伏數(shù)據(jù)表示與存儲軟件系統(tǒng)工作原理硬件系統(tǒng)計算機的產(chǎn)生與發(fā)展第1章計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)計算機的產(chǎn)生與發(fā)展

計算機的定義 現(xiàn)代計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展計算機的分類計算機的發(fā)展趁勢什么是計算機？計算機是一種處理信息的工具，它能自動、高速、精確地對信息進行存儲、傳送和加工處理。計算機的產(chǎn)生與發(fā)展1946年世界上第一臺電子數(shù)字積分計算機ENIAC在美國的賓夕法尼亞大學誕生。世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC共使用了18800個電子管，8000多個電阻電容，占地170平方米，功率150kw，重量達30噸，每秒鐘可進行5000次加法運算。它的問世，標志著計算機時代的到來。計算機的產(chǎn)生與發(fā)展世界上第一臺計算機ENIAC

現(xiàn)代計算機的發(fā)展電子管時代晶體管時代中小規(guī)模集成電路時代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代計算機發(fā)展的四個時代：計算機的產(chǎn)生與發(fā)展

第一代電子管計算機（1946年—1953年）

主要用于科學計算和軍事應用方面。第一代計算機使用的電子元件：真空管1940年代程式設(shè)計工作

第二代晶體管計算機（1954年—1963年）

計算機的應用擴展到數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制中。用晶體管制造的TX－0第二代計算機主要電子元件：晶體管第三代中小規(guī)模集成電路計算機（1964年—1970年）

計算機的應用開始廣泛應用于各個領(lǐng)域。第一個采用集成電路的通用電子

計算機系列IBM360系統(tǒng)集成電路

第四代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機（1971年至今）

計算機的應用更加廣泛，幾乎滲透到人類社會的各個領(lǐng)域。第四代計算機－個人計算機超大規(guī)模集成電路1975年，第一臺微機

Altair8800（牛郎星）微型計算機的發(fā)展微型計算機的發(fā)展4位微機

8位微機

32位微機（Intel80386、80486）

64位微機（Pentium、PentiumII）

16位微機（Intel8086、80286）

PentiumIII

PentiumIV計算機的產(chǎn)生與發(fā)展core英特爾公司CPU產(chǎn)品酷睿（Core）系列，主要用于臺式微機和筆記本微機。至強（Xeon）系列，主要面向PC服務器。凌動（Atom）系列，主要用于平板微機。計算機的分類按運算速度巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機計算機的產(chǎn)生與發(fā)展大型計算機微機嵌入式系統(tǒng)按目前市場分布計算機的發(fā)展趨勢微型化大型化計算機的產(chǎn)生與發(fā)展計算機的工作原理

計算機的基本工作原理指令和指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行過程工作原理計算機的基本工作原理工作原理

基于馮諾依曼模型設(shè)計的計算機的思想硬件核心由五部分組成采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令存儲程序I/O設(shè)備內(nèi)存儲器運算器控制器指令存取命令運算命令輸入/輸出命令計算機的基本工作原理程序+數(shù)據(jù)取數(shù)讀結(jié)果存數(shù)寫數(shù)據(jù)線：控制線：工作原理馮·諾依曼計算機模型：指令:

指令是計算機完成某一操作而發(fā)出的指示或命令。指令的格式如下：指令系統(tǒng)：一臺計算機所有指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)。操作碼操作數(shù)工作原理指令的執(zhí)行過程

取指令

將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存取到控制器中

指令譯碼對取的指令通過譯碼器進行分析判斷，判斷該指令要完成的操作指令執(zhí)行根據(jù)分析結(jié)果向各部件發(fā)出操作信息，執(zhí)行該指令相應的操作功能

結(jié)果寫回將處理結(jié)果寫回到內(nèi)存中計算機系統(tǒng)組成硬件系統(tǒng)的定義控制器運算器存儲器輸入/輸出設(shè)備總線和I/O接口計算機的主要性能指標硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計算機系統(tǒng)的各種物理設(shè)備的總稱。主機外部設(shè)備計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖運算器控制器內(nèi)存儲器外存儲器存儲器輸出設(shè)備硬件CPU硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備

計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：硬件系統(tǒng)

控制器是整個計算機的指揮系統(tǒng)，用于控制計算機各部件協(xié)調(diào)一致地工作。

運算器是計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算的部件，也叫算術(shù)邏輯單元。

存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，用于保存和記錄原始數(shù)據(jù)、運算步驟（指令）、中間結(jié)果及最終結(jié)果。存儲器可分為:主存儲器和輔助存儲器。硬件系統(tǒng)

主存儲器（主存、內(nèi)存）：是主機的一部分，特點是存取速度快、與CPU直接打交道，但存儲容量小，價格較貴。主要用于存放正在執(zhí)行的命令、程序或正在加工處理的數(shù)據(jù)。內(nèi)存又可分為隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。輔助存儲器（輔存、外存）：屬于外部設(shè)備，特點是不能直接向CPU提供指令和數(shù)據(jù)，存取速度慢，但存儲容量大，價格便宜。主要用于存放暫時不用而以后有用的程序或數(shù)據(jù)。常用的有U盤、硬盤、光盤等。CPU、內(nèi)存、外存之間的關(guān)系CPU外存內(nèi)存交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)不能直接交換27硬件系統(tǒng)

輸入設(shè)備的功能是將數(shù)據(jù)、程序等用戶信息變換為計算機能識別和處理的信息形式，然后存入存儲器。輸出設(shè)備的主要功能是將計算機中的二進制信息變換為計算機用戶所需要并能識別的信息形式。主機箱立式機箱硬件系統(tǒng)機箱內(nèi)部構(gòu)造主機箱內(nèi)的部件主板CPU內(nèi)存儲器顯示卡聲卡硬盤光盤驅(qū)動器硬件系統(tǒng)輸入設(shè)備

常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標等。

（1）鍵盤

101鍵鍵盤示意圖(2)鼠標

鼠標的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠標，在Windows及網(wǎng)絡(luò)中使用頻率相當高，可以代替鍵盤的大部分功能。鼠標分為機械式、光學式和光學機械式三種，對鼠標的操作可分為左擊、右擊、雙擊及拖動，這四種不同的操作可以實現(xiàn)不同的功能。

輸出設(shè)備

（1）顯示器：顯示器是最常用的輸出設(shè)備,主要有CRT和LCD兩種類型的顯示器。顯示器的主要技術(shù)參數(shù)：屏幕尺寸、點距、顯示分辨率、刷新頻率。輸出設(shè)備

（2）打印機：打印機也是計算機中最常用的輸出設(shè)備。按輸出方式可分為擊打式和非擊打式，擊打式以針式打印機為主要代表，非擊打式以激光打印機和噴墨打印機為主流?？偩€和I/O接口

總線是指計算機系統(tǒng)中能夠為多個部件共享的公共信息通道。地址總線（AddressBUS:AB）數(shù)據(jù)總線（DataBUS:DB）控制總線（ControlBUS:CB）計算機總線結(jié)構(gòu)示意圖：

微處理器CPU

主存儲器外存接口輸入輸出接口其他I/O口各種外設(shè)鍵盤、顯示器等硬盤驅(qū)動器AB地址DB數(shù)據(jù)CB控制總線和I/O接口

接口是指計算機系統(tǒng)中，在兩個硬件設(shè)備之間起連接作用的邏輯電路。主機與外部設(shè)備之間的接口稱為輸入/輸出接口，簡稱I/O接口。接口功能：在各個組成部件之間進行數(shù)據(jù)交換。接口分類：并行接口和串行接口。計算機的主要技術(shù)指標

外圍設(shè)備的配置指令系統(tǒng)的功能系統(tǒng)軟件的配置情況診斷能力與容錯能力內(nèi)存容量CPU字長時鐘頻率其它硬件系統(tǒng)性能指標

兼容性指標軟件兼容性

硬件兼容性

軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的定義 系統(tǒng)軟件應用軟件…數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)語言處理程序操作系統(tǒng)用戶程序應用軟件包工具軟件…系統(tǒng)軟件應用軟件什么是軟件？軟件系統(tǒng)軟件是指使計算機運行所需的程序和有關(guān)的文檔。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是用于計算機的管理、維護、監(jiān)控、運行的軟件。系統(tǒng)軟件通常包括：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、程序設(shè)計語言及語言處理程序等。

程序設(shè)計語言和語言處理程序

為了完成某項特定任務用計算機語言編寫的一組指令序列就稱之為程序。第一代語言——機器語言第二代語言——匯編語言第三代語言——高級語言高級語言源程序執(zhí)行結(jié)果解釋并執(zhí)行機器語言目標程序執(zhí)行結(jié)果編譯運行編譯程序（事先裝入計算機）解釋程序（事先裝入計算機）高級語言源程序編譯過程示意圖解釋過程示意圖

用匯編語言和各種高級語言編寫出來的程序稱為源程序，源程序不能被計算機直接執(zhí)行，必須把它們翻譯成機器語言程序，機器才能識別及執(zhí)行，翻譯程序稱為語言處理程序。

應用軟件

應用軟件是用高級語言編寫出來的具有特定功能的為解決某一具體問題而開發(fā)的程序。用戶不再編寫程序就可以直接使用。例如：Word、Excel、MIS等。應用軟件是面向用戶的最高層程序。

數(shù)據(jù)的表示與存儲

數(shù)制

計算機編碼

數(shù)據(jù)存儲的組織形式數(shù)據(jù)的表示與存儲常用數(shù)制的數(shù)字符號和基數(shù)數(shù)制十進制二進制八進制十六進制數(shù)字符號0~90,10~70~9,A,B,C,D,E,F基數(shù)102816數(shù)制及其轉(zhuǎn)換基數(shù)：數(shù)制中所使用的數(shù)字符號的個數(shù)稱為“基數(shù)”,通常用R來表示。1.數(shù)制A～F10～15

數(shù)制

書寫格式二進制（10110.01）210110.01B八進制（235.7）8235.7O、235.7Q十進制（563.45）10563.45D十六進制（3DA.5）163DA.5H注意：沒有任何標記默認的是十進制。2.數(shù)制間的轉(zhuǎn)換十進制非十進制非十進制十進制二、八、十六進制之間的轉(zhuǎn)換方法：按權(quán)展開求和法。非十進制十進制權(quán)：數(shù)制中每一位所具有的值稱為“權(quán)”。同一數(shù)字出現(xiàn)在不同的數(shù)位所代表的值是不一樣的。567.89=5×102+6×101+7×100+8×10-1+9×10-2權(quán)用Ri（i=…3,2,1,0,-1,-2,-3…）按權(quán)展開：每個數(shù)位上的數(shù)字乘以相應的權(quán)值相加。

(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1示例：(1011.1)2=（）1011.5

=

8+0+2+1+0.5=(11.5)10

(1011.1)8=1×83+0×82+1×81+1×80+1×8-1

(1011.1)16=1×163+0×162+1×161+1×160+1×16-1十進制非十進制整數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法:除R取余法，即除以基數(shù)取余數(shù)，直到商為0為止，所得余數(shù)由下而上排列。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換方法:乘R取整法，即乘以基數(shù)取整數(shù)，當積為0或達到所要求的精度時，所得整數(shù)由上而下排列。示例：（75.625）10=（）21001011.10175222222237189421011100010.625×2

1.2501

×2

×2

0.500

1.01

（75）10=（1001011）2（0.625）10=（0.101）2注意：在小數(shù)的轉(zhuǎn)換過程中，小數(shù)可能是無限位，此時轉(zhuǎn)換到指定的精度時結(jié)束。注意：十進制轉(zhuǎn)換成十六進制的時候，余數(shù)和整數(shù)中出現(xiàn)10～15要用A～F來表示。（75.625）10=（113.5

）8=（4B.A）16758889103110.625×8

5.0005

75161640B40.625×16

10.000A

二進制十六進制

二進制八進制二、八、十六進制之間的轉(zhuǎn)換一位拆三位一位拆四位三位并一位四位并一位100110110111.0101示例:(100110110111.0101)2=()8004662744667.24

4

6

6

7.2

4100110110010111100注意：分組時，以小數(shù)點為中心，向前、向后分組，前后不夠的話補0。按權(quán)展開求和注意：拆分時，把一位八制數(shù)分解成權(quán)值相加，哪一位對應有權(quán)值，哪一位就為“1”。222120000110110111.0100

1 B 7.4(110110111.010)2=(1B7.4)16

1

B7.4

000110110111.0100

注意:

八進制十六進制二或十進制課堂練習

1.(1101.1)2=（）102.(93.4375)10=（）83.(3A9.4)16=()213.5135.341110101001.01

(1101.1)2=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1=13.59388811105310.4375×8

3.50003

×8

4.04

3

A9.4

001110101001.0100

數(shù)值型數(shù)據(jù)字符型數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在計算機中的表示BCD碼：用4位二進制數(shù)表示一位十進制數(shù)。623.48=(011000100011.01001000)BCDBCD碼注意:BCD碼中首尾的“0”不能去掉。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符數(shù)據(jù)的表示1.英文字符的表示ASCII碼：ASCII碼占一個字節(jié)，最高位為0，低7位二進制給出了128個編碼，可以表示128個不同的字符。其中95個字符可以顯示，包括大小寫英文字母、數(shù)字、運算符號、標點符號等。另外的33個字符是不可顯示的，它們是控制碼。如“A”的ASCII碼是01000001B，十進制表示為65。0000010100111001011101110000NULDLESP0@P′p0001SOHDC1！1AQaq0010STXDC2”2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB’7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；K[k{1100FFFS，<L\l|1101CRGS–=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIVS/？O↓oDELb6b5b4b3b2b1b0ASCII碼表2.中文字符的表示漢字國標碼（交換碼）：用2個連續(xù)字節(jié)即16