计算机基础(计算机导论).

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1、第第1 1章章 计算机系统的基础知识计算机系统的基础知识 计算机导论计算机导论 ( ( 第第2 2版版) ) 第1章 计算机系统的基础知识 本章将简要介绍学习计算机所必须具备的基础知识，包括计算 机的组成、计算机中资料的表示、计算机 可实现的运算和实现这些 运算所需要的基本逻辑电路及部件。掌握了这些基础知识，将为学 习计算机系统的构成及其工作原理奠定基础。 1.1 计算机的发展概述 1.2 计算机的基本组成及工作原理 1.3 数字与编码 1.4 运算基础 1.5逻辑代数及逻辑电路 1.1 计算机的发展概述 1.1.1 计算机的产生 1.1.2 计算机的发展 1.1.3 计算机科学与技术的研究领

2、域 1.1.1 计算机的产生 1.图灵机 对计算机的产生作出杰出贡献的另一位科学家是英 国剑桥大学的图灵（Alan Turing，19121954）。早在 1936年，图灵为了解决一个纯数学的基础理论问题，发 表了著名的“理想计算机”论文，在该文中提出了现代通 用数字计算机的数学模型，后人把它称为“图灵机”。冯 诺依曼在世时，曾不止一次地说过：“现代计算机的设计 思想来源于图灵”，且从未说过程序存储型计算机的设计 思想是由他本人提出的。 2.世界第一台通用电子数字计算机 ENIAC 世界公认的第一台通用电子数字计算机是美 国宾夕法尼亚大学莫尔学院电工系莫克利（John Mauchly）和埃克特

3、（J.Presper Eckert）领导的科 研小组建造的，取名为ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Culculator），直译名 为“电子数值积分和计算器”。该计算机由18 000 多个电子管、1 500多个继电器等组成，占地170 平方米，重量30吨，投资超过48万美元，该机器 字长为10位十进制数，计算速度为5 000次/秒， 每次至多只能存储20个字长为10位的十进制数。 3.计算工具的历史回顾 计算机（Computer）作为一种计算工具，可追 溯到中国古代。早在春秋战国时代（公元前770年 至公元前221年）我们的祖先已使用竹子制作的

4、算 筹完成计数，唐代时已出现早期的算盘，宋代时 已有算盘口诀的记载。17世纪后，随着西方产业 革命的到来，推动了计算工具的进一步发展，在 欧洲出现了能实现加、减、乘、除运算的机械式 计算机。1944年，美国物理学家艾肯（Howard Aiken）领导完成了第一台机电式通用计算机，主 要组件采用继电器，是一台可编程序的自动计算 机。 1.1.2 计算机系统发展 1.计算机硬件系统 四代计算机的发展概述 特 征 年 代 特征 项 目 第一代 19461957 第二代 19571964 第三代 19641972 第四代 1972至今 逻辑元件 电子管 晶体管中小规模集成电路 大规模与超大规模 集成电

5、路 存储器延迟线，磁鼓，磁芯磁芯，磁带，磁盘磁芯，磁盘，磁带 半导体，磁盘，光 盘 典型机器 举 例 IBM701 IBM650 IBM7090 IBM7094 IBM370（大型） IBM360（中型） PDP11 （小型） ILLIACIV 巨型 IBM3033 大型 VAX11 小型 80486 微型 8098 单片机 软 件 机器语言 汇编语言 高级语言 管理程序 结构化程序设计 操作系统 数据库，软件工程 程序设计自动化 应 用科学计算 数据处理 工业控制 科学计算 系统模拟，系统设 计大型科学计算 科技工程各个领域 事务处理，智能模 拟，大型科学计算 ，普及到社会生活 各个方面 年

6、 代 微型机发展的5个阶段 巨型计算机 计算机网络 人工智能与第五代计算机 2.计算机软件系统 软件工程环境的大发展 面向对象技术成为焦点 人工智能的成果引入传统软件工程中 软件开发多范型化 3. 计算机应用的发展趋势 计算机的应用层次走向综合化、智能化。 计算机应用向系统网络化、信息传输高速化、世界时空整体化 、人类活动协同化等方向发展。 计算机应用向多样化、大众化的方向发展。 由于能源短缺、资源有限、环保意识增强、消费层次增高，所 以计算机应用产品正向微、小、薄、低能耗、低污染、可再生等 为标志的缩微化、绿色化的方向发展。 计算机的软硬件技术应用产品的高新化导致计算机应用产品日 益向商品化

7、的方向发展。 计算机在工业过程自动化中的应用向集成化（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System；CIPS：Computer Integrated Product System）方向发展，计算机在改造传统产业中的应用向高 效化的方向发展。 1.1.3 计算机科学与技术的研究领域 算法及其复杂性问题 硬件元器件及系统结构问题 程序设计技术及软件工程问题 与计算机系统应用领域的相关问题 1.2计算机的基本组成及工作原理 (P7) 1.2.1 计算机的基本组成 1.2.2计算机的基本工作原理 1.2.1 计算机的基本组成 为模拟人的计算过程，计算机由五

8、大部分组成如图1-1 所示 实现计 算结果 的输出 实现 计算 程序 和原 始数 据的 输入 实现对整个运算过程的有 规律的控制 用来实现算术、逻辑等各种运算 用来存 放计算 程序及 参与运 算的各 种数据 5大部分的功能概述如下： 运算器用来实现算术、逻辑等各种运算 存储器用来存放计算程序及参与运算的各种数据 控制器实现对整个运算过程的有规律的控制 输入设备实现计算程序和原始数据的输入 输出设备实现计算结果的输出 此外，还配有输入/输出接口（I/O接口）及外存储器 随着大规模集成电路（LSI）及超大规模集成电路 发展，将计算机各组成部分集成在一片或多片的集成电 路芯片中。出现了微型计算机，其

9、组成如图 1-2 所示： 图中微处理器（CPU）包括运算器、控制器， 存储器由存储器条组成，I/O接口由各接口芯片组成 ，总线则将这些芯片连接成一台计算机。 直到目前为止，计算机尚未摆脱冯诺依曼结构， 其主要特征是： 1) 程序存储（Program Storage）。具体地说，在上 述计算机中，要实现机器的自动计算，必须先根 据题目的要求，编制出求解该问题的计算程序（ Computational Program），并通过输入设备将该 程序存入计算机的存储器中，称为“程序存储”。 2) 采用二进制（Binary）。计算机只能存储并识别 二进制代码表示的计算程序和数据，称为“采用二 进制”。 1.

10、2.2 计算机的基本 工作原理 以计算 5+4=? 为例。 1) 按题目要编程： 表1-3 计算5+4的程 序（文字形式 ） 计算步骤解题命令 1 从存储器中取出5到运算器的0 号寄存器中 2 从存储器中取出4到运算器的1 号寄存器中 3 在运算器中将1号和2号寄存器 中的数据相加，得和9 4将结果9存入存储器中 5从输出设备将结果9打印输出 6 停机 表1-4 表1-3 的改写形式 指令顺序 指令内容 执行的操作 操作数 1 取数5 2取数 4 3加法 5，4 4 存数 9 5打印 9 6 停机 表1-5 指令操作码表 操作名称 操作码 取数 0100 加法0010 存数0101 打印100

11、0 停机 1111 表1-6 操作数的存放单元 数的存放地址存放的数 0001 0101（5 ） 0010 0100（4 ） 0011 计算结果 表1-7 用二进制表示的计算程序 指令地址 指令内容 所完成的操作 （用符号表示） 操作码地址码 010101000001R0（D1） 011001000110R1（D2） 011100100001 R0（R0）+（R1 ） 100001011100D3（R0） 100110000011打印机（D3） 10101111 停机 2）将程序及原始数据输入存储器 3）自动计算过程 Flash 动画演示 1.3 数制与编码 1.3.1进位制数及其相互转换 1

12、.3.2二进制数的定点及浮点表示 1.3.3二进制数的原码、反码、补码表示 1.3.4编码 计算机中数是怎样表示的？ （1）按“值”表示，解决三个问题： 数字符号的选择：引入进位计数制的概念 小数点位置的表示：引入数的定点及浮点表示 正负号的表示：正负符号数值化,引入机器数的概念 （2）按“形”表示，解决如何编码？ 举例：今天气温零上十五点六度 数字符号 按值表示为 1 5 6 正负号 小数点位置 按形表示为 （ASCII码） 0101011，0110001，0110101，0101110，0110110 1.3.1 进位制数及其相互转换 1. 进位制数 定义：按进位方式进行计数的制度，称为进

13、位计数制 进位制数的两要素： （1）基数：表示一个进位制的基本特征数 （2）位权：在一个进位制数中，同一个数字符号处于 不同数位时所表示的不同值 举例 （1）十进制、二进制、八进制、十六进制的基数与位见表1.8 进位制 十 进 制二 进 制八 进 制十六进制 特 点 （1）具有10 个数字符号0， 1，2，9 （2）按“逢十 进一”的规则计 数 （3）基数为 10,第i位权为10i （1）具有2个数 字符号0，1 （2）按“逢二进 一”的规则计数 （3）基数为2， 第i位权为2i （1）具有8个 数字符号0，1， ，7 （2）按“逢八进 一”的规则计数 （3）基数为8, 第i位权为8i （1）

14、具有16个数字符 号0，1，9，A，B ，F （2）按“逢十六进一” 的规则计数 （3）基数为16，第i位 权为16i 举 例 （1994.34）10 =1103+9102+ 9101+4100+3 10- 1 +410-2 （1011.101）2=1 23+022+121+1 20+1 2-1+0 2-2+12-3 （1753.204）8=1 83+782+5 81+380+2 8-1+0 8-2+48-3 （19A5.EBC）16 =1163+9162+A161+5 160+E16- 1 +B16- 2+C16-3 表示方法（1994.34）10 =1994.34D （1011.101）2 =1011.101B （1753.204）8 =1753.204Q （19A5.EBC）16 =19A5.EBCH 项 目 （2）二进制数的位权 1 1 1 1 1 1 1 1 20 2 -4 21 2 -3 22 2 -2 23 2 -1 ( 3 ) 计算机中 常用的权值 2进位制数的相互转换 (1)二进制转