计算机基础内容提要:本章主要介绍了计算机的发展计算机的.docx
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1、第1章计算机基础内容提要:本章主要介绍了计算机的发展、计算机的基本结构、计算机的编码和个人计算机的组成部分,着重介绍了计算机的数字编码在计算机中的表示形式及运算。1.1 计算机中的编码1.1.1 数字编码由于二进制有很多优点,所以计算机中的数用二进制表示,但人们与计算机打交道时仍然习惯于用十进制,在输入时计算机自动将十进制转换为二进制,而在输出时将二进制转换为十进制。为便于机器识别与转换,计算机中的十进制数的每一位用二进制编码表示,这就是所谓的十进制数的二进制编码,简称二一h进制编码(BCD)。二一十进制编码的方法很多,最常用的是8421 BCD码。8421 BCD码有十个不同的数字符号,逢十
2、进位,每位BCD码用四位二进制表示。例如:83.123对应8421 BCD 码是10000011.000100100011同理,11110010010.00100101 BCD码对应的十进制数十792.25。表IT BCD码表标准BCD码寝示法十进制数标准BCD通二进制政0OOOOOOOO1OOO1OOO12OO1OOO1O3OO11OO114O1OOO1OO5O1OIO1O16011()O11O7O111Olli81OOO1OOO910()1IOOl10OOO1 OOOO1O1O11OOO1()0011O1115OOO1 O1O1111163Olio OO11min94iOOl ()1001
3、O1111O1.1.2 字符编码字母、数字、符号等各种字符也必须按照特定的规则用二进制编码才能在计算机中表示。字符编码的方式很多,世界上最普遍采用的一种字符编码是ASII码(美国信息交换标准码)。ASCII码用7位二进制编码,它有128种组合,可以表示128种字符。包括09,十个阿拉伯数字字符,大、小写英文字母(72个),常用标点符号和各种控制字符,参见附录1。在计算机中用一个字节表示一个ASCII码字符,最高位置为0。例如,0011000000111001(即30H39H)是数字09的ASCII码,而0100000:01011010(即41H5AH)是大写英文字母AZ的ASCII码。详见下表
4、。表1-2 ASCH字符表34567891012131415位 765 - 1 4321000001010Oil100101no1110000NULDLESP0PP0001SOHDC111AQaq0010STXDC2M2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfV0111BELETB7Gwgw1000BSCAN(8HXhX1001HTEM)9IYiy1010LFSUBJZjz1011VTESC+)K1k1100FFFSNtn1111SIUS/?0I0DEL列012345671.1.3 汉字编码用计算机处
5、理汉字,每个汉字必须用代码表示。键盘输入汉字是输入汉字的外部码。外部码必须转换为内部码才能在计算机内进行存储和处理。为了将汉字以点阵的形式输出,还要将内部码转换为字型码。不同的汉字处理系统之间交换信息采用交换码。(1)外部码汉字主要是从键盘输入,每个汉字对应一个外部码,外部码是计算机输入汉字的代码,是代表某一个汉字的一组键盘符号。外部码也叫输入码。汉字的输入方式不同,同一个汉字的外部码可能不一样。目前已有数百种汉字外部码的编码方案,大致可以归纳为四种类型:数字吗、音码、形码和音形码。数字吗是将汉字按照某种规律排序,然后赋予它们数字编号,这个数字编号就作为汉字的编码。常见的数字码,如区位码等,这
6、种编码方式无重码,可以找到其他编码方式难于找到的汉字,但难于记忆,要有手册备查。音码是以汉语拼音作为汉字的编码,只要学过汉语拼音,一般不需要经过专门训练就可以掌握,但是,用拼音方法输入汉字同音字很多,需要选字,影像输入速度,不知道读音的汉字也无法输入。形码是一个汉字拆成若干偏旁、部首、字根,或者拆成若干笔画,使偏旁、部首、字根或笔画与键盘对应编码,按字型敲键输入汉字。形码输入汉字重码率低、速度快,只要能看到的字行就可以拆分输入,但必须要经过专门训练,并且需要记忆大量的编码规律和汉字拆分原则。最常见的形码方案有五笔字型码等。音形码是拼音和字型相结合的一种汉字编码方案,如自然码、钱码等。(2)内部
7、码汉字内部码也称汉字内码或汉字机内码。在不同的汉字输入方案中,统一汉字的外部码不同。但同一汉字的内部码是惟一的。内部码通常使用其在汉字字库中的物理位置标示,可以用汉字在汉字字库中的符号或者用汉字在汉字字库的存储位置标示。汉字在计算机中至少要用两个字节表示(有用三字节、四字节表示的),在微型计算机中常用的是两字节汉字内码两字节汉字内码,就是汉字的国标码(用两个7位编码)的两个字节的最高位都改为“1”形成的。例如汉字“啊”,国标码为例10000,01000001,即30H,21H;内部码为10110000,10100001,即BOH, A1H在计算机中通常处理的是以ASCII码表示的字符,一个字符
8、在机器内以一个字节的二进制编码表示。实际上ASCII码只需7位,故在计算机内的字符编码的最高位是“0”。由此可见,以字节的最高位是0还是1。很容易区分是ASCII字符还是汉字。(3)交换码计算机之间或计算机与终端之间交换信息的时,要求其间传送的汉字代码信息要完全一致。为此,国家根据汉字的常用程度定出了一级和二级汉字字符集,并规定了编码,这就是国标GB2312-80信息交换用汉字编码字符集基本集,GB2312-80中的汉字的编码即国标码。该标准编码字符集共收录汉字和图形符号7445个,其中包括:一般符号202个,包括间隙符、标点、运算符、单位符号和制表符等。 符号60个,包括1.20.(20个)
9、,(1)(20)(20个),(10个)和(一)(十)(10个) 数字22个,包括。9和IXII。 英文字母52个,大、小写各26个。日文假名169个,其中平假名83个,片假名86个。希腊字母48个,其中大、小写各24个。俄文字母66个,其中大、小写各33个。汉字拼音符号26个。汉字注音字母37个。汉字6763个。这些汉字分为两级,第一级汉字3755个,第二级汉字3008个。这个字符集中的任何一个图形、符号及汉字都是用两个7位的字节表示(在计算机中当然用两个8位字节,每个字节的最高位为1来表示)。其中汉字占6763个。第一级汉字3755个,按汉语拼音字母顺序排列,同音字以笔画顺序为序;第二级汉字
10、3008个,按照部首顺序排列。GB2312-80中,7445个字符和汉字分布在87个区中,每区最多94个字符。分布情况如下:19区图形字符10-15区空间未用16-55区一级汉字5687区二级汉字在GB2312-80标准中,对每个图形字符或汉字给出了两种汉子代码。一种是用两个字节二进制数给出的国标码(即内部码中所用到的);另一种是四位十进制区位码,其中高2位是某种字符或者汉字所在的区号,低2位是在区中的位置号。例如“啊”字的国标码是3021H,区位码是1601Ho(4)输出码汉字输出码又称汉字字型码或汉字发生器的编码。众所周知,汉字无论字形有多少变化,也无论笔划有多有少,都可以写在一个方块中;
11、一个方块可以看做m行n列的矩阵,称为点阵。一个m行n列的点阵共有mXn个点。例如16X 16点阵的汉字,共有256个点。每个点可以是黑点或者非黑点,凡是笔划经过的点用黑点,于是利用点阵描绘出了汉字字形,汉字的点阵字形在计算机中称为字模。在计算中用一组二进制数字表示点阵,用二进制数1表示点阵中的黑点,用二进制数0表示点阵中的非黑点。一个16X16点阵的汉字可以用16X16=256位的二进制数来表示,这种用二进制数来表示汉字点阵的方法称为点阵的数字化。汉字字形经过点阵的数字化后转换成一串数字,称为汉字的输出码。图1T汉字“中”的16X16点阵字模同一汉字的输出码,即字型码,因选择点阵的不同而不同。
12、一个字节包含8和二进位,所以16X 16点阵汉字需要2X 16=32个字节表示;24X 24点阵汉字需要3X24=72个字节表示;32X32点阵汉字需要4X32=128个字节表示。点阵的行列数越多,所描绘的汉字越精细,但占用的存储空间越多。16X16点阵基本能表示GB2312-80中的所有简体汉字。24X24点阵则能表示宋体、楷体、黑体等多字体的汉字。这两种点阵是比较常见的点阵,前一种一般用于显示,而后一种一般用于打印。除此之外,还有32义32、40X40、48X48,64X64、48X72、96X96和108X 108等点阵,这些主要用于印刷。1.2计算机的发展与分类1.2.1 计算机的发展
13、自1946年世界上第一台电子计算机问世以来,计算机技术得到了突飞猛记得发展。短短40多年的时间,已经历了四代的更替:电子计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模、超大规模集成电路计算机。20世纪80年代初日本和美国又分别宣布了第五代非冯诺依曼”计算机和第六代“神经”计算机的研制计划。计算机按其性能、价格和体积的不同,一般分为5大类:巨型机、大型机、中型机、小型机和微型计算机。微型计算机是20世纪70年代初研制成功的。一方面由于军事、空间及自动化技术的发展需要体积小、功耗低、可靠性高的计算机,另一方面,大规模集成电路技术的不断发展也为微型计算机的产生打下了坚实的物质基础。微处理器是微型计算机
14、的核心芯片,通常简称为UP或MP (MicroProcessor),它是将计算机中的运算器和控制器集成在一片硅片上制成的集成电路。这样的芯片也被称为中央处理单元,简称为 CPU (Central Processing Unit)微型计算机简称为UC或MC (Micro Computer),它是有微处理器、适量内存和I/O接口电路组成的计算机。30多年来,微处理器和微型计算机获得了极快的发展,几乎每两年微处理器的集成度翻一番,每24年更新换代一次,现已进入第六代。第一代(19711973年)4位或低档8位微处理器1971年美国Intel公司研制成功的4004是集成度为2000个晶体管、片的4位微
15、处理。1972年Intel公司推出低档8位的8008也属于第一代微处理器产品。第一代微处理器的指令系统比较简单,运算能力差、速度慢(基本指令的执行时间为1020 us),但价格低廉。软件主要使用机器语言及简单的汇编语言。第二代(19741978年)中高档8位微处理器微处理器问世后,众多公司纷纷研制微处理器,逐步形成以Intel公司、Motorola公司、Zilog公司产品为代表的三大系列微处理器。1973年到1975年,中档微处理器以Intel 8080、Motorola的MC6800为代表。1976年到1978年,出现高档8位微处理器,典型产品位 Intel 8085、 Z80和 MC680
16、9第二代微处理器比第一代有了较多改进,集成度提高4倍,运算速度提高1015倍,指令系统相对比较完善,已具有典型的计算机体系结构以及中断、存储器直接存取(DMA)功能。软件除汇编语言外,还可以使用BASIC、FORTRAN以及PL/M等高级语言。后期开始配上操作系统,如CP/M(Control ProgramMonitor)操纵系统,他运用于以8080A/8085A、Z80、 MC6502为CPU,带有磁盘及各种外设的微型计算机系统。第三代(19781981年)16位微处理器1977年左右,超大规模集成电路工艺研制成功,一片硅片上可集成一万个以上的晶体管,16Kb和64Kb半导体存储器也已出现。
17、微处理器及微型计算机从第二代发展到第三代。三大公司陆续推出16位微处理器芯片,如Intel 8086的集成度为29000晶体管/片,Z8000为17500晶体管/片,MC68000为68000晶体管/片。这些微处理器的基本指令执行时间约为0.15ns。以各项性能指标看,比第二代微处理器提高了很多,己达到或超过原来中、低档小型机的水平。用这些芯片组成的微型计算机有丰富的指令系统、多级中断系统、多处理机系统、段式存储器管理以及硬件乘除运算等。除此以外,还配备了功能较强的系统软件。为方便原8位机用户,Intel公司很快推出8088,其指令系统完全与8086兼容,内部结构仍为16位,但外部数据总线是8
18、位。并以8088为CPU组成了 IBM PC PC/XT等16位机。由于其性能价格比高,很快占领了世界市场。与此同时,Intel公司在8086基础上研制出性能更优越的16位微处理器芯片80286,以80286为CPU组成IBM PC/AT高档16位机。以上介绍的是16位微型计算机发展的一条途径,即在原8位机的基础上发展而来。另一条途径是将已流行的16位小型计算机微型化,例如美国DEC公司将PDP-11/20微型化为 LS-11,将中档PDPT1/34微型化为LSI-23,又如NOVA机微型化为MicroNOVA等等。第四代(1985年后)32位高档位处理器1985年,Intel公司退出了32位
19、微处理器芯片80386。80386有两种结构:80386sx和80386DX.这两种的关系类似于8088和8086的关系。80386sx内部结构为32位,外部数据总线为16位,采用80287作协处理器,指令系统与80286兼容。80386DX内部结构、外部数据总线皆为32位,采用80387作为协处理器。1990年,Intel公司在80386基础上研制出新一代32位微处理器芯片80486。它相当于把80386/80387及8KB (23X210Byte)高速缓冲存储器集成在一块芯片上,性能比80386大大提高。第五代(1993年后)64位高档微处理器1993年3月,Intel公司推出64位微处理
20、器芯片Pentium (80586, P5),它的外部数据总线为64位,地址总线为32位,内存寻址空间为232B=4GB,工作频率为66MHz,以它为 CPU的Pentium机是一种64位高档微机。IBNR Apple和Motorola三公司合作生产的Power PC芯片是又一种优异的64位微处理器芯片,以它为CPU的微型计算机型号为Macintosho 第六代(1995年后)64位高档微处理器1995年,Intel公司推出第六代微处理器PentiumPro (P6)。它采用了0.6um工艺,集成了550万只晶体管。它有数据线64位,地址线36位,寻找范围为236B=64GB。工作频率达200
21、MHzo随后,Intel公司陆续推出了 P6的系列产品:PentiumII, PentiumllL Pentium W等。这些产品采用了多项先进技术,如:RISC技术,超级流水线技术、超标量结构技术(每个时钟周期可启动并执行多条指令)、MMX技术、动态分支预测技术、超顺序执行技术、双独立总线DIB技术;一级高速缓冲存储器(L1)采用双cache结构(独立的指令cache 和数据cache)、二级高速缓冲处理器(L2)达256KB或512KB;支持多微处理器。第六代微处理器性能优异,适应当前多媒体、网络、通信等多方面的要求。随着科学技术的发展,将会不断的对微处理器提出新的要求,新型、新概念的微处
22、理器定会层出不穷。微型计算机的特点和应用范围特点:1 .体积小、重量轻、价格低廉2 .简单灵活、可靠性高、使用环境要求不高3 .功耗低微型机的应用范围:1 .科学计算2 .数据处理3 .办公自动化4 .过程控制5 .辅助系统6 .仿真1.2.2计算机的分类如今,微处理器的品种类以百计,用不同的微处理器为核心组装成的微计算机种类更加繁多,将它进行分类,对用户的设计和选用将会极为有益。按CPU的字长来分微处理器(Microprocessor)是集成在一片大规模集成电路芯片上的中央处理器,又称MPU,简称MP。它具有一般CPU的功能,它的体积远远小于一般CPU,还具有功耗低,价和可靠性高的优点。按M
23、PU处理数据的位数来看,微处理器可分为4位,8位,16位和32位MPU。32位微处理器是当今较先进最流行的微处理器,它所构成的微型计算机也是当今世界最流行的较先进的微型计算机。按微计算机利用的形态分类(1)单片微计算机在一个片子上包括有CPU、RAM, ROM、以及I/O接口电路的完整计算机功能的电路。因集成度的关系,其RAM ROM容量有限,I/O电路也不多,所以用于一些专用的小系统中。如Intel公司的MCS-48, MCS-51, MCS-98等是应用广泛的单片微机。(2)微计算机的套件这种套件可由生产厂家提供,或者由设计者从市场上购买微处理器片子和可以与之相配的存储器片、I/O接口电路
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