第1章計算機系統基礎

大學計算機

（第4版）“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材北京郵電大學出版社主編：蔣加伏數據表示與存儲軟件系統工作原理硬件系統計算機的產生與發展第1章計算機系統基礎計算機的產生與發展

計算機的定義 現代計算機的發展微型計算機的發展計算機的分類計算機的發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。計算機的產生與發展1946年世界上第一臺電子數字積分計算機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。計算機的產生與發展世界上第一臺計算機ENIAC

現代計算機的發展電子管時代晶體管時代中小規模集成電路時代大規模和超大規模集成電路時代計算機發展的四個時代：計算機的產生與發展

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據處理和工業控制中。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域。第一個采用集成電路的通用電子

計算機系列IBM360系統集成電路

第四代大規模和超大規模集成電路計算機（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域。第四代計算機－個人計算機超大規模集成電路1975年，第一臺微機

Altair8800（牛郎星）微型計算機的發展微型計算機的發展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計算機的產生與發展core英特爾公司CPU產品酷睿（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生與發展大型計算機微機嵌入式系統按目前市場分布計算機的發展趨勢微型化大型化計算機的產生與發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指令的執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據和指令存儲程序I/O設備內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+數據取數讀結果存數寫數據線：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出的指示或命令。指令的格式如下：指令系統：一臺計算機所有指令的集合稱為該計算機的指令系統。操作碼操作數工作原理指令的執行過程

取指令

將要執行的指令從內存取到控制器中

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行根據分析結果向各部件發出操作信息，執行該指令相應的操作功能

結果寫回將處理結果寫回到內存中計算機系統組成硬件系統的定義控制器運算器存儲器輸入/輸出設備總線和I/O接口計算機的主要性能指標硬件系統硬件系統計算機系統組成

硬件系統軟件系統計算機系統硬件系統

硬件系統是指構成計算機系統的各種物理設備的總稱。主機外部設備計算機硬件系統結構圖運算器控制器內存儲器外存儲器存儲器輸出設備硬件CPU硬件系統輸入設備

計算機硬件系統結構圖如下：硬件系統

控制器是整個計算機的指揮系統，用于控制計算機各部件協調一致地工作。

運算器是計算機中執行各種算術和邏輯運算的部件，也叫算術邏輯單元。

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據、運算步驟（指令）、中間結果及最終結果。存儲器可分為:主存儲器和輔助存儲器。硬件系統

主存儲器（主存、內存）：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行的命令、程序或正在加工處理的數據。內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）：屬于外部設備，特點是不能直接向CPU提供指令和數據，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據。常用的有U盤、硬盤、光盤等。CPU、內存、外存之間的關系CPU外存內存交換數據交換數據不能直接交換27硬件系統

輸入設備的功能是將數據、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機箱內部構造主機箱內的部件主板CPU內存儲器顯示卡聲卡硬盤光盤驅動器硬件系統輸入設備

常用的輸入設備有鍵盤、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及網絡中使用頻率相當高，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不同的功能。

輸出設備

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

（2）打印機：打印機也是計算機中最常用的輸出設備。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。總線和I/O接口

總線是指計算機系統中能夠為多個部件共享的公共信息通道。地址總線（AddressBUS:AB）數據總線（DataBUS:DB）控制總線（ControlBUS:CB）計算機總線結構示意圖：

微處理器CPU

主存儲器外存接口輸入輸出接口其他I/O口各種外設鍵盤、顯示器等硬盤驅動器AB地址DB數據CB控制總線和I/O接口

接口是指計算機系統中，在兩個硬件設備之間起連接作用的邏輯電路。主機與外部設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據交換。接口分類：并行接口和串行接口。計算機的主要技術指標

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

兼容性指標軟件兼容性

硬件兼容性

軟件系統軟件系統

軟件系統的定義 系統軟件應用軟件…數據庫管理系統語言處理程序操作系統用戶程序應用軟件包工具軟件…系統軟件應用軟件什么是軟件？軟件系統軟件是指使計算機運行所需的程序和有關的文檔。系統軟件系統軟件是用于計算機的管理、維護、監控、運行的軟件。系統軟件通常包括：操作系統、數據庫管理系統、程序設計語言及語言處理程序等。

程序設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行結果解釋并執行機器語言目標程序執行結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行，必須把它們翻譯成機器語言程序，機器才能識別及執行，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。

數據的表示與存儲

數制

計算機編碼

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

數制

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.數制間的轉換十進制非十進制非十進制十進制二、八、十六進制之間的轉換方法：按權展開求和法。非十進制十進制權：數制中每一位所具有的值稱為“權”。同一數字出現在不同的數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權用Ri（i=…3,2,1,0,-1,-2,-3…）按權展開：每個數位上的數字乘以相應的權值相加。

(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部分轉換方法:除R取余法，即除以基數取余數，直到商為0為止，所得余數由下而上排列。小數部分轉換方法:乘R取整法，即乘以基數取整數，當積為0或達到所要求的精度時，所得整數由上而下排列。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：在小數的轉換過程中，小數可能是無限位，此時轉換到指定的精度時結束。注意：十進制轉換成十六進制的時候，余數和整數中出現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，以小數點為中心，向前、向后分組，前后不夠的話補0。按權展開求和注意：拆分時，把一位八制數分解成權值相加，哪一位對應有權值，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

數值型數據字符型數據數據在計算機中的表示BCD碼：用4位二進制數表示一位十進制數。623.48=(011000100011.01001000)BCDBCD碼注意:BCD碼中首尾的“0”不能去掉。數值數據的表示字符數據的表示1.英文字符的表示ASCII碼：ASCII碼占一個字節，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個連續字節即16