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1、第一章问题 1：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等； 问题 2：如何对以上设备分类？输入输出设备：显示器，键盘，鼠标，音箱中央处理设备：CPU （集处理和控制于一身）存储设备：硬盘、内存接口转换卡：显卡、声卡部件连接线：总线问题 3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。无论按哪一种方法分类，各类计算机之间的主要区别是运算速度、存储容量及机器体积等。使用范围通用计算机：能 解决各种问题 ，具有较强的通用性。适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等广泛
2、用途。但是牺牲了效率、速度和经济性。专用计算机：只能适应 某种特殊应用的需求 ，具有运行效率高、速度快、精度高等特点。一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机的自动控制、导弹的导航系统等。但是它的适应性很差。按系统结构分类Michael Flynn 分类法：按指令流与数据流的多倍性分，有 单指令流单数据流 (SISD)、 单指令流多数据流 (SIMD)、 多指令流单数据流(MISD)、 多指令流多数据流 (MIMD)四种。SISD：每个指令部件每次仅译码一条指令，而且在执行时仅为操作部件提供一份数据。SIMD:一种采用一个控制器来控制多个处理器，同时对一组数据中的每一个分别执行相同的操作从而实现空
3、间上的并行性的技术。冯氏分类法：用最大并行度进行分类。有 字串位串（ WSBS） 、字串位并（ WSBP） 、字并位串（ WPBS） 、字并位并（ WPBP） 四种。计算机的特点：1. 运算速度快2. 计算精度高3. 记忆能力强4. 有逻辑推理和判断能力5. 自动化程度高6. 通用性强1937 年， Turing 提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序(算法) ，实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。Turing 机的特点：1. 通用计算机：并不是保存所有问题的结果。2. 存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。3. 有限速度：计算
4、机执行程序的时间是有限的。4. 是现代计算机的鼻祖。摩尔定律：在相等面积(制作成本) 上，CPU 上的晶体管数量以每 18个月（或到 24 个月）倍增,速度倍增，价格减半（每过 10 年计算机系统性能将会增加 100 倍，通讯带宽也会提高 100 倍，而花费的资金不会增加） 。计算机的性能指标吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量。响应时间：从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。处理机字长（机器字长）处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如 32、64 位；与 CPU 的寄存器位
5、数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度越高，数据处理的速度也越快。机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性（不一定完全一样） 。总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。主存储器容量主存储器所能存储二进制数据的位数。 单位：字节 1 字节（ B）=8 位 换算关系：1K=2 10 1M=220 1G=230 1T=240主存储器带宽单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，用字节数/秒表示。主频/时钟周期CPU 主时钟的频率 主频；其倒数为 CPU 的时钟周期(T 周期)。CPU 的运算速度CPU 执行时间： CPU 执行一段程序所占用的 CPU 时间；CPI：执行一条指令所需的平均时
6、钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；针对标量机（执行一条指令，只得到一个运算结果）MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。针对向量机（执行一条向量指令，通常可得到多个运算结果）其他的性能指标：主存储器的读写速度、IO 的数据传送率、带宽的均衡性计算机的发展1. 巨型化2. 微型化3. 多媒体化4. 网络化5. 智能化冯诺依曼（Von Neumann ）体系结构1946 年由美籍匈牙利数学家冯 诺依曼提出计算机的体系结构发生了许多变化，但二进制、程序存储和程序控制机制，依然是普遍遵循的原则。1. 采用二进制表示数据和指令。2. 指令由操作码和地址码组
7、成。3. 采用存储程序并按地址顺序执行的机制，即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定任务，是冯 诺依曼机的核心设计思想。4. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，以运算器为中心。现代计算机的特点1. 将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为 CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。补充：主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于 I/O 设备；2. 以存储器为中心：是为了减轻 CPU 的数据传送负担，提高系统的整体性能；运算器运算
8、器的功能运算器是计算机中进行数据加工的部件，功能包括：1、执行数值数据的算术加减乘除等运算 ，执行逻辑数据的 与或非等逻辑运算，由一个被称为 ALU 的部件完成2、暂时存放参加运算的数据和中间结果，由多个通用寄存器完成3、运算器通常也是数据传输的通路运算器的特点1. 采用二进制数据进行运算；2. 运算器一次可以处理的数据位数称为机器字长；3. 机器字长一般为 8、 16、32、64 位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；4. 运算器主要由 ALU（算术逻辑单元）和各类通用寄存器构成。存储器存储器的功能保存所有的程序和数据。存储器的特点1. 二进制形式保存程序和数据；2. 存储器是按存储单元组
9、织的，读写存储单元必须给出单元地址；存储器的分类外存（辅助存储器） 磁盘存储器、光盘存储器； CPU 不可直接访问；内存（主存储器） 半导体存储器； CPU 直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。两个与主存相关的寄存器 MAR(存储器地址寄存器)：接收由 CPU 送来的地址信息； MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器的相关概念存储元：用于保存一位 0/1 二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从 0 开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。控制器控制器的
10、功能根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。1. 解释并执行指令；2. 控制指令的执行顺序；3. 负责指令执行过程中，操作数的寻址；4. 根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。指令的形式 操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等； 地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间指令按顺序执行的控制部件：指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加 1（1 条指令的字节数 ） ；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；相关概念数据字：该
11、字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。PC:程序计数器，其位数与 MAR 相同。IR:指令寄存器，其位数与 MDR 相同。适配器与输入输出设备输入设备：将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备。输出设备：把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。适配器：保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。系统总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩
12、大计算机的功能及用途。包括:1. 服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；2. 语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；3. 操作系统；4. 数据库管理系统；应用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序计算机系统的层次结构微程序级(硬件 )、机器指令级 (与硬件紧密相关)、操作系统级、汇编语言级、高级语言级。计算机系统的硬件性能指标包括机器字长、存储器容量、运算速度和配置外设等。计算机的绝大部分操作或指令都可以用软件或硬件来实现，所实现的功能在逻辑上是等价的。某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。第二章数字化编码有两个要素
13、：选用少量简单的基本符号和一定的组合规则，用以表示大量复杂多样的信息。数据的类型按数制分十进制：在微机中直接运算困难；二进制：占存储空间少，硬件上易于实现，易于运算；十六进制：方便观察和使用；二-十进制：4 位二进制数表示 1 位十进制数，转换简单。按数据格式分真值：没有经过编码的直观数据表示方式，其值可带正负号，任何数制均可机器数：符号化编码后的数值(包括正负号的表示)，一般位数固定(8、16、32)，不能随便忽略任何位置上的 0 或 1；按数据的表示范围分定点数：小数点位置固定，数据表示范围小；浮点数：小数点位置不固定，数据表示范围较大。按能否表示负数分无符号数：所有位均表示数值，直接用二
14、进制数表示；有符号数：有正负之分，最高位为符号位，其余位表示数值。按编码不同又可分为原码、反码、补码、移码进位计数制两大要素基数 R：允许使用的基本数码个数。主要特点是逢 R 进 1 。权 Wi：也称位权，指某一位 i 上数码的权重值，与数码所处的位置i 有关。 Wi R i。计算机采用二进制表示数据电路简单、工作可靠、简化运算、逻辑性强表示十进制的编码BCD 码：使用 4 位二进制编码来表示 1 位十进制数字， 4 位二进制共 16 个编码，选用其中的 10 个来表示数字 09 。不同的选择构成不同的 BCD 码 。有权码：编码的每一位都有固定的权值，加权求和就是该十进制数。如 8421 码
15、、2421 码等。无权码：编码的每一位并没有固定的权，主要包括格雷码、余 3 码等。定点数：小数点固定在某一位置的数据；纯小数：有符号位：0 |x|1-2-n 无符号位：0x 1-2-n-1 表示范围：0.00= 0 |x| 1-2-n = 0.11小数点的位置是机器约定好的，并没有实际保存纯整数有符号数 x=xsxn-1 x1 x0 |x|2n-1 无符号数 x=xnxn-1 x1x0 0x2n+1-1定点机特点1. 所能表示的数据范围小2. 运算精度较低3. 运算简单，速度快原码由原码求补码的简便原则(负数) 除符号位以外,其余各位按位取反，末位加 1； 从最低位开始，遇到的第一个 1 以
16、前的各位保持不变，之后各位取反。求相反数的补码连符号位一起各位求反，末位加 1反码不带符号位求反。移码阶符（阶码的符号位）阶码 数符（N整个数的符号）尾数常用来表示浮点数，用定点整数形式的移码，把真值平移 2n 个单位。与补码符号位相反。 可以比较直观地判断两个数据的大小；浮点数运算时，容易进行对阶操作； 表示浮点数阶码时，容易判断是否下溢；当阶码为全 0 时，浮点数下溢。阶码是在机器中表示一个浮点数时需要给出指数，这个指数用整数形式表示。原码，补码 原、补码的编码完全相同正数移码 补码和移码的符号位相反，数值位相同原码 符号位为 1，数值部分与真值的绝对值相同补码 符号位为 1，数值部分与原码各位相反，且末位加 1负数移码 符号位与补码相反，数值位与补码相同浮点数规格化规格化要求（定义）
