（本科）第1章 计算机系统基础ppt课件.pptx

课程主讲人：（本科）第1章 计算机系统基础ppt课件西安工程大学计算科学学院计算机应用系西安工程大学计算科学学院计算机应用系第1章 计算机系统基础 19451945年冯提出了正确的关于计算机组成与工作方式的年冯提出了正确的关于计算机组成与工作方式的建议，主要思想为：建议，主要思想为：（1 1）二进制代码表示数据和指令：电路实现简单、可）二进制代码表示数据和指令：电路实现简单、可靠性高、逻辑运算简单；靠性高、逻辑运算简单；（2 2）存储程序工作方式：事先编制程序，然后将程序）存储程序工作方式：事先编制程序，然后将程序存储于计算机的存储器中，计算机在运行时将自动地、存储于计算机的存储器中，计算机在运行时将自动地、连续地从存储器中依次取出指令加以执行；连续地从存储器中依次取出指令加以执行；（3 3）计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输）计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备等五大部件构成。入设备及输出设备等五大部件构成。美国宾夕法尼亚大学美国宾夕法尼亚大学19461946年年2 2月月ENIAC ENIAC (Electronic Numerical Integrator And (Electronic Numerical Integrator And Computer)Computer)1800018000电子管电子管3030吨吨170170平方米平方米150kw150kw50005000次次/ /秒秒冯冯诺依曼诺依曼计算机代起始年主要器件主存储器软 件应用范围第一代1946年电子管磁芯、磁鼓汇编语言科学计算第二代1958年晶体管磁芯、磁带程序设计语言管理程序科学计算数据处理第三代1965年中小规模集成电路磁芯、磁盘操作系统高级语言逐步广泛应用第四代1971年大规模集成电路超大规模集成电路半导体磁盘数据库网络软件社会各方面 现代计算机不但具有集处理文字、图形、现代计算机不但具有集处理文字、图形、图像、声音为一体的多媒体功能，而且也进入图像、声音为一体的多媒体功能，而且也进入到了以网络化为特征的时代，现代计算机的发到了以网络化为特征的时代，现代计算机的发展趋势为：展趋势为：巨型化、微型化、网络化和智能化巨型化、微型化、网络化和智能化。目前，正处于超大规模集成电路全面发展和。目前，正处于超大规模集成电路全面发展和计算机广泛应用阶段，据专家预计，新一代的计算机广泛应用阶段，据专家预计，新一代的计算机（第五代）应是计算机（第五代）应是“智能化智能化”计算机，它计算机，它应当具有像人一样的能看、能听、能思考的能应当具有像人一样的能看、能听、能思考的能力。力。 我国计算机的发展历程我国计算机的发展历程 ( (详见教材详见教材) )。1 1、按、按处理方式处理方式分类，可以把计算机分为模拟计算机、分类，可以把计算机分为模拟计算机、数字计算机以及数字模拟混合计算机。数字计算机以及数字模拟混合计算机。2 2、按、按计算机的功能计算机的功能分类，一般可分为专用计算与通分类，一般可分为专用计算与通用计算机。用计算机。3 3、按照、按照计算机规模、运算速度、存储能力计算机规模、运算速度、存储能力等因素划等因素划分，通常将计算机分为巨型机、大型机、小型机分，通常将计算机分为巨型机、大型机、小型机和微型机等几类。和微型机等几类。4 4、按照、按照工作模式工作模式分类，可将其分为服务器和工作站分类，可将其分为服务器和工作站两类。两类。位（位（BitBit） 二进制数码只有二进制数码只有0 0和和1 1，其中无论，其中无论0 0还是还是1 1是计算机存储是计算机存储的最小单位，一个二进位只能表示为的最小单位，一个二进位只能表示为2 2种状态。种状态。字节（字节（ByteByte）字节是计算机处理数据的基本单位，即以字节为字节是计算机处理数据的基本单位，即以字节为单位解释信息，简写为单位解释信息，简写为“B B”。每个字节包含。每个字节包含8 8位二进制数。位二进制数。 1K=10241K=1024，1KB=1024B1KB=1024B，1MB=1024KB1MB=1024KB，1GB=1024MB1GB=1024MB，1TB=1024GB1TB=1024GB 字长字长 CPUCPU在单位时间内一次处理的二进制数的位数称为字长。即在单位时间内一次处理的二进制数的位数称为字长。即数据总线上一次可同时传送的数据的位数。常用的字长有数据总线上一次可同时传送的数据的位数。常用的字长有8 8位、位、1616位、位、3232位、位、6464位等。也就是说的位等。也就是说的8 8位机、位机、1616位机、位机、3232位机、位机、6464位机。位机。地址地址 在微型计算机中，整个内存被分成一个个字节，每个字节在微型计算机中，整个内存被分成一个个字节，每个字节由一个唯一的地址来标识。由一个唯一的地址来标识。CPUCPU能够访问内存的最大寻址范围与能够访问内存的最大寻址范围与CPUCPU的的地址线的根数有关。如地址线的根数有关。如CPUCPU的地址线有的地址线有3232根，则寻址范围为根，则寻址范围为0 02 23232-1-1 运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，用所能执行的指令条数，用“百万条指令秒百万条指令秒”（mipsmips，Million Instruction Per SecondMillion Instruction Per Second）来描述。机器的主频越来描述。机器的主频越高，运算速度就越快，主频单位为：高，运算速度就越快，主频单位为：兆赫兹（兆赫兹（MHzMHz） 在总线上每秒钟传输的最大字节数在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/S,MB/S,即每秒处理即每秒处理多少兆字节，传输速率越高，总线的信息传输速度就越多少兆字节，传输速率越高，总线的信息传输速度就越快。快。 字长是字长是CPUCPU一次可以处理的二进制位数，字长主一次可以处理的二进制位数，字长主要影响计算机的处理精度和速度，字长有要影响计算机的处理精度和速度，字长有8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位等之分。字长越长，表示一次读位等之分。字长越长，表示一次读写和处理的数的范围越大，处理数据的速度越快，写和处理的数的范围越大，处理数据的速度越快，计算精度就越高。计算精度就越高。计算机的应用领域，按其应用特点可分为：计算机的应用领域，按其应用特点可分为：1 1、科学计算；、科学计算；2 2、军事；、军事；3 3、信息处理；、信息处理；4 4、过程控制；、过程控制；5 5、计算机辅助系统；、计算机辅助系统；6 6、多媒体技术；、多媒体技术；7 7、计算机通信和人工智能。、计算机通信和人工智能。 : :计算机系统中的实际装置计算机系统中的实际装置的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或由它们组成的计算机部件或计算机。光的元件或由它们组成的计算机部件或计算机。 : :软件是相对于硬件而言软件是相对于硬件而言的，是使硬件充分发挥其功能的所有程序的总和。的，是使硬件充分发挥其功能的所有程序的总和。 外部设备硬件系统计算机系统软件系统中央处理器CPU运算器控制器内存随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）输入设备：键盘、鼠标器、光笔、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图仪等通信设备：网卡、调制解调器等外存设备：磁带、软盘、硬盘、光盘等系统软件：操作系统、程序设计语言、数据库管理系统、编译系统等应用软件：各种应用程序主机 计算机的工作过程就是计算机的工作过程就是执行指令的过程执行指令的过程。指令通过计算机的输。指令通过计算机的输入设备并在操作系统的控制下送入计算机的内存储器，然后由入设备并在操作系统的控制下送入计算机的内存储器，然后由CPUCPU按照其在内存中的存放地址，取出并执行，执行的结果再按照其在内存中的存放地址，取出并执行，执行的结果再由输出设备输出。指令的执行过程分为取指令、分析指令和执由输出设备输出。指令的执行过程分为取指令、分析指令和执行指令三个过程。行指令三个过程。 按照程序计数器的地址，从内存中取出指令，并送往按照程序计数器的地址，从内存中取出指令，并送往指令寄存器。每执行完一条指令后，指令寄存器。每执行完一条指令后，PCPC（程序计数器）（程序计数器）“加加1 1”就获得下一条指令的地址，然后开始取下一条指令，接着分析就获得下一条指令的地址，然后开始取下一条指令，接着分析指令和执行指令，一直到所有的指令执行完，从而保证程序的指令和执行指令，一直到所有的指令执行完，从而保证程序的自动连续的执行。自动连续的执行。 对指令寄存器存放的指令进行分析，由译码器对操对指令寄存器存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制信号。作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制信号。 指令的操作码指明了该指令要完成的操作类型或性指令的操作码指明了该指令要完成的操作类型或性质，由操作控制线路发出完成该操作所须的一系列控制信息，质，由操作控制线路发出完成该操作所须的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。去完成该指令所要求的操作。 每一位每一位 0、1、2、3、4、5、6、7、8、10-1 （逢（逢 十十 进进 一）。一）。 某一位数的大小某一位数的大小 = 数数位权位权 4 0 9 4 每一位十种数码的状态每一位十种数码的状态(09) 千千 百百 十十 个个 本位值的大小本位值的大小=数数本位权本位权 103102101100 如：千位如：千位= 4103=4000 二进制数二进制数: 基数基数2 位权位权2i 八进制数八进制数: 基数基数8 位权位权8i 十六进制数十六进制数: 基数基数16 位权位权16i（数值）（数值）R R，其中，其中R R为进制的类型。为进制的类型。数值后跟一特定大写英文字母，十数值后跟一特定大写英文字母，十进制数用表示符进制数用表示符D(D(或者可省略或者可省略) )，二进制数用表示符，二进制数用表示符B B，八进制数用表示符八进制数用表示符Q Q，十六进制数用表示符，十六进制数用表示符H H 。例：例：十进制数十进制数423423， 表示为（表示为（423423）10 10 或或423423D D或或423423二进制数二进制数10011001， 表示为（表示为（10011001）2 2 或或10011001B B八进制数八进制数237237， 表示为（表示为（237237）8 8 或或237237Q Q十六进制数十六进制数5FE5FE，表示为（，表示为（5FE5FE）1616 或或5FE5FEH H N=an-1 10 n-1+an-2 10 n-2+a0 100 +a-1 10-1+ +a-m 10-m = a i 10i (i= -mn-1)对于任意进制对于任意进制: N= a i R iR 基数基数 ， Ri 位权，位权， 逢逢R进位进位例例: 二进制数二进制数 B=10011101 B=1 27+1 24+1 23+1 22+1 20 =（157）10 在计算机里进行运算和处理均是按二进制数处理的，在计算机里进行运算和处理均是按二进制数处理的，而二进制数写起来麻烦，书写时又以八进制或十六而二进制数写起来麻烦，书写时又以八进制或十六进制表示，日常生活中又常用十进制，因此就有数进制表示，日常生活中又常用十进制，因此就有数制之间转换问题：制之间转换问题： 各位按权展开相加。各位按权展开相加。例例 ： 17Q =181+780=15 1100B=123+122+021+020=12 2CH =2161+12160=44整数部分和小数部分要分开处理：整数部分和小数部分要分开处理：除以除以R R取余数，直到商为取余数，直到商为0 0，余数自下而上排列。余数自下而上排列。乘以乘以R R取整数，直到积为取整数，直到积为0 0或或达到精度的要求，整数自上而下排列。达到精度的要求，整数自上而下排列。方法：方法：以小数点为基准向左和向右每以小数点为基准向左和向右每三位（四位）三位（四位）划划为为一组一组，不足三位（四位）补零。然后将每组转换成，不足三位（四位）补零。然后将每组转换成对应的一位对应的一位八进制（十六进制）八进制（十六进制）数码，把得到的八进数码，把得到的八进制（十六进制）数码拼起来即可。制（十六进制）数码拼起来即可。（说明：八进制为每（说明：八进制为每3 3位一组，十六进制为每位一组，十六进制为每4 4位一组）位一组）方法：方法：按按“一位拆三位一位拆三位”，可以将八进制数向二进制转换；，可以将八进制数向二进制转换；按按“一位拆四位一位拆四位”，可以将十六进制数向二进制转换。，可以将十六进制数向二进制转换。码制解决的是符号位如何数值化的问题。码制解决的是符号位如何数值化的问题。了解常见的机器码了解常见的机器码： 1. 1. 原码：原码：数数X X的原码记作的原码记作 2. 2. 反码：反码：数数X X的的反码记作反码记作 3. 3. 补码：补码：数数X X的的补码记作补码记作 对于一个二进制数而言，若用最高位表示数的符号对于一个二进制数而言，若用最高位表示数的符号（常以（常以0 0表示正数，以表示正数，以1 1表示负数），其余各位表示数值的表示负数），其余各位表示数值的本身，则称为该二进制数的原码表示法。本身，则称为该二进制数的原码表示法。设某二进制数为设某二进制数为X = + XX = + Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B B ，即为正数，即为正数则：则：XX原原 = X= Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B = XB = X注意：注意： = 00.00B= 00.00B（共（共n n位）位）= 0= 0设某二进制数为设某二进制数为X = - XX = - Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B B ，即为负数，即为负数则：则：XX原原 = 1X= 1Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B B= 100.00B + X= 100.00B + Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B = 2B = 2n-1 n-1 - X- X注意：注意：= 10.00B= 10.00B（共（共n n位）位）如如: N1=+ 1011011 N2= - 1011011 为为 0 1011011 1 1011011 为为连同符号位在一起作为一个数称为机器数连同符号位在一起作为一个数称为机器数。机器数的数值称为的真值机器数的数值称为的真值(带正负号的数带正负号的数)。则原码表示的定义是：则原码表示的定义是：正数反码与原码相同。负数反码等于其原码符号位不变正数反码与原码相同。负数反码等于其原码符号位不变其余位取反。其余位取反。(1)(1)设某二进制数为设某二进制数为X = + XX = + Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B B，即为正数，即为正数则：则：XX反反 = X= X原原 = 0X= 0Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B = XB = X注意：注意： = +0= +0原原 = 00.00B= 00.00B（共（共n n位）位）= 0= 0设某二进制数为设某二进制数为X = - XX = - Xn-2n-2X Xn-3n-3.X.X1 1X X0 0B B ，即为负数，即为负数则：则：XX反反+ |X| = 2+ |X| = 2n n 1 1 所以所以XX反反 = 2= 2n n 1 + X 1 + X注意：注意：= 11.11B= 11.11B（共（共n n位）位）反码表示的定义是：反码表示的定义是： （假设对为（假设对为1 1时）时） 一是将时针退一是将时针退 1010-9-9=1 =1 ； 一是将时针向前拨一是将时针向前拨 1010+3+3=1=1。 这两种方法都能对准到这两种方法都能对准到1 1时。时。由此可以看出，减由此可以看出，减9 9和加和加3 3是等价的，就是说是等价的，就是说3 3是是(-9)(-9)对对1212的补码。的补码。可以用数学公式表示：可以用数学公式表示：-9-9+3 +3 （mod 12mod 12） 假定某机器的字长为假定某机器的字长为n n位，那么它的模就是位，那么它的模就是2 2n n，它是一个，它是一个n+1n+1位数位数100.0B,100.0B,由于计算机只能由于计算机只能表示表示n n位数，因此数位数，因此数2 2n n在计算机中只能以在计算机中只能以n n个零表个零表示，而该数最左边的示，而该数最左边的1 1自动丢失。由以上例子及讨自动丢失。由以上例子及讨论所得：论所得：XX补补 2 2n n X X 对于正数对于正数X X，XX补补 XX原原 XX反反 = X= X 对于负数对于负数X X，XX补补 2 2n nX X 0 0|X|X| 对于对于0 0： 2 2n n0 0 0 + 0 0 + 0 0 0 对于对于0 0： 2 2n n（0 0） 0 00 0 0 0补码表示的定义是：补码表示的定义是：公式公式1 1 XX补补 = X= X反反 + 1+ 1 引入：首尾一法引入：首尾一法公式公式2 2 X+YX+Y补补 = X= X补补 + Y+ Y补补 公式公式3 3 X-YX-Y补补 = X= X补补 + -Y+ -Y补补 公式公式4 4 -Y-Y补补 = Y= Y补补 变补变补 变补：连同变补：连同YY补补的符号位一起，所有位取反，末尾加的符号位一起，所有位取反，末尾加1 1公式公式5 5 XX补补 补补 = X= X原原 X原 = 10001100B X反 = 11110011B X补 = 11110100B Y原 = 00000011B Y反 = 00000011B Y补 = 00000011B -Y补 = 11111101B（1）X+Y补 = X补 + Y补 = 11110100 B + 00000011B = 11110111 B X+Y原 = 10001001B ，所以 X+Y = -9 或：X+Y = -128+64+32+16+4+2+1 = -9（2）X-Y补 = X补 + -Y补 = 11110100B + 11111101B = 11110001B X-Y原 = 10001111B 所以 X+Y = -15 或：X-Y = -128+64+32+16+1 = -15谢 谢！西安工程大学计算科学学院计算机应用系西安工程大学计算科学学院计算机应用系