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第一章 绪 论

第一章 绪 论. （一） 教学内容： 计算机的基本概念 计算机系统的组成原理与层次结构 计算机系统的工作过程 信息的数字化表示 数字计算机的特点与主要性能指标 计算机 的发展与应用. （二）考核内容和要求 掌握：存储程序工作方式，信息的数字化表示； 理解：计算机的特点，主要性能指标的含义 ， 硬件系统的典型 结构，软件系统的主要内容； 了解：硬软组成的层次结构关系。. §1 -1 基本概念. 从计算机的结构原理来看，目前的 绝大部分计算机是建立在“ 存储程序控制 ”原理概念基础上的，即所谓的“ 冯.诺依曼”型计算机 。.

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第一章 绪 论

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  1. 第一章 绪 论 （一） 教学内容： • 计算机的基本概念 • 计算机系统的组成原理与层次结构 • 计算机系统的工作过程 • 信息的数字化表示 • 数字计算机的特点与主要性能指标 • 计算机 的发展与应用

  2. （二）考核内容和要求 • 掌握：存储程序工作方式，信息的数字化表示； • 理解：计算机的特点，主要性能指标的含义，硬件系统的典型 结构，软件系统的主要内容； • 了解：硬软组成的层次结构关系。

  3. §1-1 基本概念 • 从计算机的结构原理来看，目前的 绝大部分计算机是建立在“存储程序控制”原理概念基础上的，即所谓的“冯.诺依曼”型计算机 。

  4. 冯.诺依曼”型计算机的逻辑结构的三层含义：冯.诺依曼”型计算机的逻辑结构的三层含义： • 计算机应包含运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件；

  5. 计算机内部采用二进制形式表示指令和数据； • 事先将编好的程序和始数据放入存储器中，计算机工作的时候能够自动高速地从存储器中提取指令并执行。

  6. “ 冯.诺依曼原理 ” 1946年 • 存储程序原理：在计算机开始工作前要把预先编好的程序和数据通过一定的方式送到有记忆功能的 部件------存储器中保存。然后，计算机才由控制器依据存储的程序来实现控制。

  7. 运算器 执行部件 是进行信息加工、进行算术运算和逻辑运算的场所，核心是算术逻单元(ALU)。 Arithmetic Logical Unit

  8. 控制器 是计算机的指挥控制中心，控制与协调整机各个部件有条不紊的自动工作。 三种实现方法：组合逻辑方法、可编程逻辑阵列方法和微程序控制方法。

  9. 存储器 是冯.诺依曼原理的 核心，用于存放程序和数据的部件。 内存储器（主存） 小 快 外存储器（辅存） 大 慢

  10. 中央处理器 存储系统结构 高速缓冲存储器 主存储器 外存储器

  11. Cache(高速缓冲存储器） • 用于解决CPU与内存之间的速度不匹配，有Cache后，相当于给CPU配备了相当于内存容量，具有Cache 速度的内存。

  12. 主存由若干个存储单元组成，每个单元可存放若干个二进制位信息（一般是字节的偶数倍）。全部存储单元统一编号，称为地址。主存由若干个存储单元组成，每个单元可存放若干个二进制位信息（一般是字节的偶数倍）。全部存储单元统一编号，称为地址。 • 地址与存储单元一一对应，CPU按单元地址来访问每一个单元。

  13. 指令数码化以后。就可以和数据 一样放入存储器，存储器的任何位置既可以放数据也可以放指令，不过一般将指令和数据分开存放。 • 将指令序列存放在存储器中称为存储程序，而把控制器依据存储的程序来控制整机协调地完成计算任务叫做程序控制。

  14. 输入设备 • 将人熟悉的信息变换成机器内部能够识别的二进制信息； • 输出设备 • 把计算机处理信息的结果变换成人或其他机器能够识别的信息形式。

  15. 输入设备 存储器 输出设备 运算器 控制器 计算机的基本组成结构（冯.诺依曼体系）

  16. 为何计算机中采用二进制？ • 二进制的0和1两个数码，在电子电路中很容易用电压的高低和脉冲的有无来表示和实现 • 二进制数的运算规律简单，易于电路实现； • 逻辑判断方便，0和1正好与逻辑“真”、“假”对应，为计算机实现逻辑运算和 程序中逻辑判断提供了便利条件。

  17. 指令和数据都放在内存中，如何区分？ • 一般来讲，取指周期中从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制器；而执行周期中从内存读出的或送入内存的信息流是数据流，它由内存流向运算器或者由运算器流向内存。

  18. §1-2 层次结构 • 一个完整的计算机系统包含硬件和软件两大部分。 • 硬件通常指设备实体；（上一节所述） • 软件通常泛指程序和文件； • 系统软件 • 应用软件

  19. 计算机软件系统的三个层次： • 操作系统层 • 操作系统，如DOS，WINDOWS，UNIX，LINUX • 实用工具层 • 语言处理程序，如VB，VC++，MASM • 系统服务程序，如装入，连接，转换程序等 • 标准程序库等 • 应用程序层

  20. 现代计算机是一个复杂的硬件、软件结合的整体。上面讲到的软件的三个层次面向用户的是应用软件，面向机器（硬件）的是操作系统。现代计算机是一个复杂的硬件、软件结合的整体。上面讲到的软件的三个层次面向用户的是应用软件，面向机器（硬件）的是操作系统。 • 用户通过使用操作系统来控制调用系统的硬件和软件，一切程序最终都需要由硬件来实现。

  21. 高级语言程序设计级 编译程序 汇编程序 操作系统 微程序 硬件支持执行 汇编语言程序设计级 操作系统级 机器语言设计级 微程序设计级 计算机系统的层次 结构示意图

  22. §1-3 性能指标 • 冯.诺依曼”机特征是描述计算机内部的工作方式及组成的特征，而计算机的外部特征如何？ • 快速性 自动 连续高速，先进的半导体部件实现高速运算和高速存储； • 通用性 任何复杂的任务分解成为大量的基本运算和逻辑操作； • 逻辑性 具有逻辑判断能力组合运算； • 准确性 数字化编码可以保证运算和控制的准确度。

  23. 基本字长 指参与运算的操作数的基本位数；决定通用寄存器、加法器和数据总线等部件的宽度。 • 位(bit) 字节(bity) 字(word) • 主存容量 主存储器所能够存储的全部信息总量。 • 1K=1024B 1M=1024K 1G=1024M

  24. 运算速度 通常用以下两种方法衡量 • 每秒百万次整数运算MIPS和每秒百万次浮点运算MFLOPS作为运算速度的单位； • 对于相同类型的计算机，通常以它们的时钟频率来比较运算速度。

  25. 外围设备配置 数量以及I/O能力 • 系统软件配置 支持丰富的应用 • 寻址能力 AB的宽度 • 集成度 制造工艺水平

  26. 计算机的发展与应用 • 第一代 电子管 • 第二代 晶体管 • 第三代 集成电路 • 第四代 大规模集成电路 • 第五代 超大规模集成电路 • 。。。。。。

  27. 第二章 计算机中的信息表示 • 掌握：数制及其转换，码制及其转换，定、浮点数表示方法及标准格式，常见寻址方式I/O编址方法；

  28. 理解：指令的基本格式 地址结构； • 了解：ASCII码，指令 分类。

  29. §2-1数制与转换 数据信息分为：数值数据和非数值数据； 表示数值数据的三要素：小数点、进位计数制和符号；

  30. 数制中所使用的数码的个数称为“基数” r • 某数制的数中每一位所具有的值称为“权” ，如第i位的权为ri

  31. 进位计数制 人用符号计数的科学方法 • 二进制 • 八进制 • 十进制 • 十六进制 • 二—十进制

  32. 数制 数码 进位方法 基数 二 0，1 逢2进1 2 八 0～7 逢8进1 8 十 0～9 逢10进1 10 十六 0～9,逢16进1 16 A ～F

  33. 二—十进制（BCD码） • 用4位二进制数表示十进制数中的每1位。 • 8421码 4位二进制数的权从高到低依次为8，4，2，1 （92）10 （10010010）BCD • 2421/5211 • 余3码 • 格雷码

  34. N展开式 其中， 为任意一个数码， 为权，i,m,n为整数，

  35. 十进 十六进 十进 十六进 • 0 0 8 8 • 1 1 9 9 • 2 2 10 A • 3 3 11 B • 4 4 12 C • 5 5 13 D • 6 6 14 E • 7 7 15 F

  36. 二进 十进 二进 十进 • 0000 0 1000 8 • 0001 1 1001 9 • 0010 2 1010 10 • 0011 3 1011 11 • 0100 4 1100 12 • 0101 5 1101 13 • 0110 6 1110 14 • 0111 7 1111 15

  37. 数制间转换 原则:整数变整数,小数变小数; • 十进 二进 • 整数部分:除2取余倒排,直到商为0 ; • 小数部分:乘2取整,直到小数位为0 ; • 例: (13.8125)10

  38. (13.8125)10 • 首先，转换整数部分13 2 13 2 6 1 2 3 0 2 1 1 0 1 结果：1101

  39. 然后，转换小数部分 0.8125 0.8125＊2=1.625 1 0.625*2 =1.25 1 0.25*2 =0.5 0 0.5*2 =1.0 1 小数结果：0.1101 综合结果为 (13.8125)10 (1101.1101)2

  40. 二进,八进,十六进 十进 • 按N展开式求和 • 例: (11001.101)2 (27451.12)8 (2AD.1C)16 (11001.101)2＝１＊２４＋１＊２３＋０＊２２＋０＊２１ ＋１＊２０＋１＊２－１＋０＊２－２＋１＊２－３

  41. (27451.12)8 ＝２＊８４＋７＊８３＋４＊８２＋５＊８１ ＋１＊８０＋１＊８－１＋２＊８－２ (2AD.1C)16 ＝２＊１６２＋１０＊１６１＋１３＊１６０ ＋１＊１６－１＋１２＊１６－２

  42. 二进 十六进 • 以小数点为中心分界 • 每4位分为一段,不足补0 • 每一段用相应的十六进制数取代 • 例: (1101110.01011)2 • 注:如果转换为八进制,则每3位分一段即可然后每一段用相应的八进制数取代.

  43. (1101110.01011)2 (?) 16 (0 1 1 0 1 1 1 0 . 0 1 0 1 1 0 0 0 ) 2 =(6 E . 5 8)16

  44. (1101110.01011)2 (?) 8 (001101110.010110)2= (156.2 6)8

  45. 二进制数的运算 • 算术运算 • 加 + • 减 - • 乘 * • 逻辑运算（对位进行） • 与 AND • 或 OR • 非 NOT • 异或 XOR

  46. §2-２　机器码 • 真值，即一般书写的数。 • 机器数：在计算机中把符号位和数值一起数码化来表示相应的真值，此编码称为机器码。有原码、反码、补码等方法。

  47. 下面的介绍使用以下假设： • 设X为真值； • 编码结果为N+1位； • 符号数码化为“1”代表负 “0”代表正

  48. 数据的格式：定点、浮点 • 定点数表示范围有限，硬件要求简单； • 浮点数表示范围大，硬件要求复杂。

  49. 定点数表示法 • 约定机器中所有数据的小数点位置固定不变。 • 其中xn为符号位。 • 纯小数，小数点在xn与xn-1之间； • 纯整数，小数点在x0之后；

  50. 纯小数表示范围： • 0<= x <=1-2 -n • 纯整数表示范围： • 0<= x <=2n-1

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