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【计算机基础PPT】第一章-计算机基础知识


计算机 基础知识

1.1 计算机概述

一、什么是计算机 计算机是一种能对各种信息进行存储和高速 处理的工具或电子机器。 对上述定义要强调两点: ①计算机不仅是一个计算工具,而且还是一 个信息处理机。 ②计算机不同于其它任何机器,它能存储程 序,并按程序的引导自动存取和处理数据,输出 人们所期望的信息。
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1.1 计算机概述

二、计算机的发展史 1.电子计算机的诞生 1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家莫 克利和工程师埃克特为首的数十人共同开发了世 界上第一台通用数字电子计算机(ENIAC)。

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1.1 计算机概述

Electronic Numerical Integrator And Calculator 简称ENIAC,译为电子数字积分机和计算机
电子管:18000只 电阻:70000个 电容:10000只 继电器:1500个 耗电:140kW/h 占地:170m2 重量:30吨 速度:5000次/秒
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1.1 计算机概述

ENIAC的主要任务是分析炮弹轨迹。 当ENIAC公开展出时,一条炮弹的轨道用20s 就能算出来,比炮弹本身的飞行速度还快。

1949:EDSAC(英国剑桥大学) 1951:EDVAC(美国宾夕法尼亚大学)
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1.1 计算机概述
第一代 1946-1958 电子管 第二代 1959-1964 晶体管 第四代 1971-现在 大规模和超大 集成电路 规模集成电路 半导体存储器 半导体存储器 磁盘、磁带 磁盘、光盘 百万-几百万 几百万-几亿 操作系统 分时处理 实时处理 网络操作系统 实时控制 各行各业 IBM 360 VAX-II PDP-II IBM PC/Apple
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2.计算机的发展阶段
代别 电子器件 存储器 第三代 1965-1970

水银延迟线 磁芯、磁鼓 磁鼓、磁芯 磁盘、磁带 运算速度 5000-几万 几十万-百万 汇编语言 处理方式 机器语言 算法语言 应用领域 科学计算 数据处理 ENIAC IBM 7090 典型机种 EDVAC CDC 6600

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1.1 计算机概述
第五代计算机(新一代计算机) 创新:基本元器件

采用生物工程技术产生的蛋白质分子制成生物芯 生物计算机 片,其运算过程是蛋白质分子与周围物理化学介 质的相互作用过程。 采用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的 量子计算机 状态,利用激光脉冲来改变分子的状态,使信息 沿着聚合物移动,从而进行运算。 采用光学技术,由光器件构成的计算机。在光器 件方面研制的基本部件有:用于进行图像处理的 光计算机 快速傅立叶变换部件,用于进行信息处理的光乘 法、加法运算器。
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1.1 计算机概述

3.计算机的发展趋势
巨型化是指具有高速运算、大存储容量和功能 巨型化 强大的计算机系统,如:ILLIAC-IV、银河机、 (功能巨型化) 深超-21C(1.5万亿次/秒)。 微型化 微型化包括台式微型机、笔记本电脑、掌上电 (体积微型化) 脑。摩尔定律:集成电路→翻一番/18个月 网络化是指利用通信技术和计算机技术,把分 网络化 散在不同地点的计算机互连起来,按照网络协 (资源网络化) 议相互通信,以达到所有用户都可共享数据、 软硬件资源的目的。如:Internet。 智能化 智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维 (处理智能化) 能力,如:专家系统和机器人。
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1.1 计算机概述

三、计算机的分类 1.按计算机用途分类 通用计算机:为了能够解决各种问题,具有 较强的通用性而设计的计算机。 它具有一定的运算速度和存储容量,带有通 用的外设,配备各种系统软件和应用软件。 专用计算机:为了解决一个或一类特定问题 而专门设计的计算机。 其软硬件的配置依据解决问题的需要而定。
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1.1 计算机概述

2.按处理对象分类 数字式电子计算机:处理非连续变化的数据, 这些数据在时间上是离散的。 其基本运算部件是数字逻辑电路。 模拟式电子计算机:处理连续变化的数据, 这些数据在时间上是连续的。 其基本运算部件是由运算放大器构成的微分 器、积分器和通用函数运算器等组成。 混合式电子计算机:可处理数字量和模拟量
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1.1 计算机概述

3.按规模和处理能力分类(IEEE) 巨型机:超级计算机,功能最强,价格最贵。 小巨型机:与巨型机相比,价格大幅降低。 大型机:主机,具有很强的管理和处理数据 的能力,在大企业、银行等单位使用。 小型机:中小企业,VAX-II, DJS-2000。 工作站:高档微机,具有很强的图形处理能 力,应用于计算机辅助设计,Sun工作站。 个人计算机:IBM PC,Apple
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1.1 计算机概述

四、计算机的特点 1.运算速度快:每秒数万亿次,气象预报 2.计算精度高:理论上不受限制,圆周率 3.存储能力强:中等规模图书馆 4.具有逻辑判断能力:算术运算 逻辑运算 判断或比较 5.具有自动执行能力:无需人工干预
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1.1 计算机概述

五、计算机的应用领域 1.科学计算或数值计算 利用计算机来完成科学研究和工程技术中提 出的数学问题的计算。 实际问题→数学模型→计算量大。 2.数据处理或信息处理 指对数据进行收集、存储、整理、分类、统 计、加工、检索和传播等一系列活动的统称。 信息时代海量数据的管理和有效利用。
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1.1 计算机概述

3.过程控制或实时控制 利用计算机及时采集检测数据,按最优值迅 速地对控制对象进行自动调节或自动控制。 无人自动化工厂。 4.计算机辅助技术 计算机辅助设计:CAD 计算机辅助制造:CAM 计算机集成制造系统--CIMS 计算机辅助教学:CAI
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1.1 计算机概述

5.人工智能 利用计算机模拟或部分模拟人的智能活动, 如感知、判断、理解、学习、图像识别等。 实用技术:智能机器人、专家系统 6.通信网络 Internet→网上银行、网上订票 网上教学、网上医疗 网上税收、网上出版

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1.2 计算机运算基础

一、数制及其转换 1.什么是数制 数制是用一组固定的数码和一套统一的规则 来表示数目的方法。 非进位记数制:表示数值大小的数码与它在 数中的位置无关。典型的非进位记数制是罗马数 字,例如罗马数字中:Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,┄,Ⅹ 进位记数制:表示数值大小的数码与它在数 中的位置有关。例如,十进制数 123.45
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1.2 计算机运算基础

进位记数制的要素: ①基数:指各种进位记数制中允许选用基本 数码的个数。例如十进制的数码有: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9→基数是10 ②位权:每个数码所表示的数值等于该数码 乘以一个与数码所在位置相关的常数,这个常数 叫做权值。例如: 123.4=1×102+2×101+3×100 +4×10-1

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1.2 计算机运算基础
2.几种进位记数制
十进制 0,1,…,9 10 逢十进一 借一当十 i 10 Decimal
n-1 n-2

数制 数码个数 基数 规则 权 形式表示

二进制 0,1 2 逢二进一 借一当二 i 2 Binary
1

八进制 0,1,…,7 8 逢八进一 借一当八 i 8 Octal
0 -1

十六进制 0,1,…,9, A,B,C,D,E,F 16 逢十六进一 借一当十六 i 16 Hexadecimal
-m

注:①i 为整数 ②(N)R=an-1R +an-2R +…+a1R +a0R +a-1R +…+a-mR 其中:R 表示基数,a 表示某进制的数码

③几种进位计数制的对应关系
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1.2 计算机运算基础
几种进制数之间的对应关系
十进制
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

二进制
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

八进制
0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17

十六进制
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
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1.2 计算机运算基础

3.不同进制数的相互转换 ⑴二进制数与十进制数的互换 人→十进制,计算机→二进制 二进制数转换成十进制数 按权展开,然后求和,就可把二进制数转换 成十进制数。例如:

(101.1)2=1*22+0*21+1*20+1*2-1 =( ? )10
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1.2 计算机运算基础

十进制数转换成二进制数 十进制数有整数和小数两部分。 在转换时,整数部分采用除2取余法 小数部分采用乘2取整法 然后通过小数点将转换后的二进制数连接起 来即可。例如: (105.625)10=(?)2

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1.2 计算机运算基础

⑵二进制数与八进制数的互换 二进制数转换成八进制数 三位并一位:以小数点为基准,整数部分从 右到左,小数部分从左到右,每三位一组,不足 三位添0补足,然后把每组的三位二进制数按权展 开后相加,得到相应的一位八进制数码,再按权 的顺序连接即得相应的八进制数。 例如:(1011100.00101011)2=(?)8 (001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8 1 3 4 . 1 2 6
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1.2 计算机运算基础

八进制数转换成二进制数 一位拆三位:将每一位八进制数写成对应 的三位二进制数,然后按权连接即可。 例如: (123.67)8=(?)2 1 2 3 . 6 7 (八进制) 001,010,011.110111 (二进制) (123.67)8=(1010011.110111)2

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1.2 计算机运算基础

⑶二进制数与十六进制数的互换 二进制数转换成十六进制数 四位并一位:以小数点为基准,整数部分从 右到左,小数部分从左到右,每四位一组,不足 四位添0补足,然后把每组的四位二进制数按权展 开后相加,得到相应的一位十六进制数码,再按 权的顺序连接即得相应的十六进制数。 例如:(1011110.00011)2=(?)16 (0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16 5 E . 1 8
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1.2 计算机运算基础
十六进制数转换成二进制数

一位拆四位:把一位十六进制数写成对应的 四位二进制数,然后按权连接即可。 例如:(123.EF)16=(?)2 1 2 3 . E F (十六进制) 0001,0010,0011.1110,1111 (二进制) (123.EF)16=(100100011.11101111) 十进制数:512D或512 二进制数:1011B 八进制数:127Q 十六进制数:A8H
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1.2 计算机运算基础
4.计算机为什么采用二进制

电路简单:计算机是由逻辑电路组成,而逻 辑电路通常只有两个状态。 可靠性高:两个状态表示的二进制两个数码, 数字传输和处理不容易出错。 运算简单:二进制运算法则简单。 逻辑性强:计算机工作原理是建立在逻辑运 算基础上的,逻辑代数是逻辑运算的理论依据。
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1.2 计算机运算基础

二、数据的存储单位 1.位(bit,b) 位是计算机存储数据的最小单位,一个二进 制位只能表示两种状态,如0、1。 2.字节(Byte,B) 字节是数据处理的基本单位,一个字节是由 八位二进制数组成。1Byte=8bit 01000001 存储器容量大小的单位:KB、MB、GB。
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1.2 计算机运算基础

1KB=210=1024B 1MB=210×210=1024×1024=1048576B 1GB=210×210×210=1024×1024×1024 =1073741824B 3.字(Word) 字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传 送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节 组成。字长越长,计算机性能越强。 常用的字长:8位、16位、32位、64位等。
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1.2 计算机运算基础

三、计算机中数的表示 1.机器数与真值 数值型数据(符号+数字)→数码化 规定:+→0,-→1 例如:(+68)10=(01000100)2 (-68)10=(11000100)2 机器数:将符号和数字组合的二进制数 真值:由机器数所表示的实际值大小
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1.2 计算机运算基础
2.原码、反码和补码 ⑴原码 规定:用符号位和数值位表示一个带符号数 正数符号→0,负数符号→1 例如:求二进制数+10011,-10011的原码。 [+10011]原=00010011 [-10011]原=10010011 又如:求十进制数+65,-66的原码。
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1.2 计算机运算基础
零的原码形式有两种: [+0]原=00000000 [-0]原=10000000 原码表示数的范围: 8位:-127~+127 16位:-32767~+32767 用原码表示一个数,与真值之间转换方便。 对乘除法比较合适,但对加减法容易出错。
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1.2 计算机运算基础

⑵反码 规定:正数的反码与原码相同,负数的反码 是对该数的原码除符号位外各位取反。 例如:求二进制数+10011,-10011的反码。 [+10011]反=00010011 [-10011]反=11101100 零的反码形式有两种: 任意数的反 [+0]反=00000000 码的反码即 是原码本身 [-0]反=11111111
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1.2 计算机运算基础

⑶补码 规定:正数的补码与原码相同,负数的补码 是对该数的原码除符号位外各位取反,末位加1. 例如:求二进制数+10011,-10011的反码。 [+10011]补=00010011 [-10011]补=11101101 零的原码形式有两种: 任意数的补 [+0]补=00000000 码的补码即 是原码本身 [-0]补=00000000
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1.2 计算机运算基础
补码表示数的范围: 8位:-128~+127 16位:-32768~+32767 引入补码后,减法运算可转换为加法运算。 [X+Y]补=[X]补+[Y]补 [X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补 例如:用补码计算十进制数 33-65=? 目前计算机中加减法基本采用补码运算。
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1.2 计算机运算基础

总结 ①一个正数的原码、反码和补码的表示形式 相同,符号位置0,其它位是数的真值。
负数的原码 符号位→1 其余位是该数的绝对值 负数的反码 符号位→1 其余各位逐位取反 负数的补码 符号位→1 其余各位逐位取反,末位加1

②真值零的表示:
[+0]原=0.00…0 [+0]反=0.00…0 [+0]补=00…0 [-0]原=1.00…0 [-0]反=1.11…1 [-0]补=00…0 不唯一 不唯一 唯一
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1.2 计算机运算基础
3.定点数与浮点数 ⑴定点数 定点数是小数点位置固定的数。 根据小数点隐含固定位置不同,可分为: 定点小数: 符号位 数值部分
·小数点位置
数值部分 定点整数: 符号位 例如:-1011011的补码表示为 1 0 1 0 0 1 0 1
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·小数点位置

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1.2 计算机运算基础

⑵浮点数 浮点数是小数点位置不固定,根据需要而浮 动的数。它既有整数部分又有小数部分。
31 30 24 23 22 0

阶符

阶码
阶码部分

尾符

尾数
尾数部分

阶码:补码定点整数,表示该数小数点位置 尾数:补码定点小数,表示数据的有效位数 数的范围:-1×2127~(1-2-23)×2127
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1.2 计算机运算基础

四、计算机中信息编码 1.ASCII码 American Standard Code for Information Interchange (ASCII,美国标准信息交换码)。 国际通用的信息交换标准代码(ISO 646)。 ASCII码是对数字、字母、通用符号和控制 符号等字符进行编码。 ASCII码:7位→128种 0000000→1111111
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1.2 计算机运算基础
高三位 b6b5b4

ASCII码表(7位)
001 DLE DC1 DC2 DC3 DC4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US 010 SP ! “ # $ % & ? ( ) * + , . / 011 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ? 100 @ A B C D E F G H I J K L M N O 101 P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _ 110 、 a b c d e f g h i j k l m n o 111 p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL
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低四位 b 3 b 2 b 1b0

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

000 NUL SOH STX ETX EOT ENQ ACK BEL BS HT LF VT FF CR SO SI

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1.2 计算机运算基础
ASCII码的字符集: ①10个数字:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 ②52个大、小写字母 ③25个特殊字符 比较大小:0<…<9<A<…<Z<a<…<z [例]将China五个字 1000011 字符 C 符的ASCII码查出并 1101000 字符 h 存放在内存中。 1101001 字符 i
1101110 1100001 字符 n 字符 a
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1.2 计算机运算基础

2.汉字编码 汉字处理技术:汉字输入、汉字输出、计算 机内部的编码问题。 根据汉字处理过程中的不同要求,有多种编 码形式。
输入设备

汉字 输入码

汉字 交换码

汉字 机内码
汉字库

汉字 字形码

输出设备

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1.2 计算机运算基础
⑴汉字输入码 作用:让用户直接使用标准键盘输入汉字。 特点:规则简单,重码率低,击键次数少。 分类:数字编码→电报码、区位码等 字音编码→全拼、双拼等 字形编码→五笔字型、郑码等 混合编码→自然码、智能ABC等

1-42

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1.2 计算机运算基础

⑵汉字交换码 在汉字信息处理系统与通信处理系统之间进 行汉字信息交换时所使用的编码。 设计汉字交换码编码体系要考虑: ☆被编码的汉字个数尽量多; ☆编码的长度尽可能短; ☆编码具有唯一性; 按照国家标准GB/T☆码制的转换要方便。 2312-1980编码的汉
字交换码→国标码.
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1.2 计算机运算基础
国家标准GB/T 2312-1980: 信息交换用汉字编码字符集--基本集 一级汉字3755个(按拼音排序) 图形字符 二级汉字 3008 个 ( 按部首排序 ) (7445个) 字母、数字和特殊图形记号等 国标码规定:一个汉字采用两个字节来表示
0XXX XXXX
第一字节

0XXX XXXX
第二字节

例如:啊→区位码→1601 国标码=区位码+3232→4833
1-44

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1.2 计算机运算基础

⑶汉字机内码 汉字机内码是在设备和信息处理系统内部存 储、处理、传输汉字用的代码。 目前我国使用的内码是国标码高位置1。
国标码 机内码 0 1 XXX XXXX 0 1 XXX XXXX

汉字机内码=汉字国标码+8080H 例如:啊→机内码=3021H+8080H =B0A1H
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1.2 计算机运算基础
又如:“中国”→汉字机内码=?
汉字 中 国 区位码 5448 2590 汉字国标码 8680=5650H 57122=397AH 汉字机内码 D6D0H B9FAH

通过Debug查看汉字机内码:

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1.2 计算机运算基础

⑷汉字字形码 字形码是一种用点阵表示汉字字形的编码, 它主要用于汉字输出(打印、显示等)时产生的汉 字字形。 点阵大小类型:16×16、24×24 32×32、48×48以上 汉字库:一个汉字系统所允许使用的全部汉 字的汉字字形编码的集合。

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1.2 计算机运算基础

例如:把一个方块横向和纵向都分为16格。 若用1表示黑点,用0表示白点,则16×16的点阵 汉字可用256位二进制数来表示,占用32B。 汉字“宝”的16×16点阵数字化信息:
02H 40H 3FH 1FH 01H 00H 00H 04H F8H F0H 20H 00H 01H 80H 01H 01H 01H 04H 08H 00H 00H 20H 7FH 00H 01H 01H 7FH FEH 00H 00H 40H FCH

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1.3 逻辑代数与逻辑电路

一、逻辑代数基础 1.逻辑变量和逻辑函数 逻辑变量:这种具有逻辑属性的变量。 逻辑函数:随逻辑变量的变化而改变。 表示方法:逻辑表达式、真值表、卡诺图
A B

Y=f(A,B)

Y

A 取值:0、1 B 取值:0、1 Y 取值:0、1
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1.3 逻辑代数与逻辑电路
2.基本逻辑运算 与运算:Y=A· B 或运算:Y=A+B 非运算:Y=A
A 0 1 Y=A 1 0 A B 0 0 1 1 0 1 0 1 Y=A· B 0 0 0 1 Y=A+B 0 1 1 1

A B 0 0 1 1 0 1 0 1

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1.3 逻辑代数与逻辑电路
3.逻辑代数的基本定律
0-1律 自等律 A·0=0 A·1=A A+1=1 A+0=A

重叠律 互补律 交换律 结合律 分配律 吸收律

A·A=A A·A=0 A·B=B·A
A·(B·C)=(A·B)·C

A+A=A A+A=1 A+B=B+A
A+(B+C)=(A+B)+C

A·(B+C)=A·B+A·C A+B·C=(A+B)·(A+C)

A·(A+B)=A

A+AB=A

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1.3 逻辑代数与逻辑电路

二、基本逻辑电路 1.与门电路 实现逻辑乘法功能的电路 逻辑表达式是:F=A· B 当A=B=1→F=1,否则F=0 2.或门电路 实现逻辑加法功能的电路 逻辑表达式是:F=A+B 当A=B=0→F=0,否则F=1
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1.3 逻辑代数与逻辑电路
3.非门电路 实现逻辑取反功能的电路 逻辑表达式是:F=A 当A=0→F=1;当A=1→F=0 4.与非门电路 由与门、非门组合的电路 逻辑表达式是:F=A· B 当A=B=1→F=0,否则F=1
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计算机 基础知识

1.3 逻辑代数与逻辑电路
5.异或门电路 由与门、或门、非门组合的逻辑电路 逻辑表达式是:F=A· B+A· B 当A=B=0或1→F=0,否则F=1 与、或、非门电路的不同组合,就 可设计复杂的数字逻辑电路。如: ①实现数制转换的译码器; ②执行算术运算的加法器。
1-54

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1.3 逻辑代数与逻辑电路

三、逻辑电路举例 [例]分析逻辑电路,写出逻辑表达式和真值表。

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1.3 逻辑代数与逻辑电路

[解]⑴写出逻辑表达式 ⑵列出真值表
A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 F0 1 0 0 0 0 0 0 0 F1 0 1 0 0 0 0 0 0 F2 0 0 1 0 0 0 0 0 F3 0 0 0 1 0 0 0 0 F4 0 0 0 0 1 0 0 0 F5 0 0 0 0 0 1 0 0 F6 0 0 0 0 0 0 1 0 F7 0 0 0 0 0 0 0 1
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1.3 逻辑代数与逻辑电路

[例]设计半加器。 [解]⑴输入Ai、Bi;输出和Si、进位Ci ⑵绘出真值表 Ai Bi Si Ci 0 0 0 0 ⑶写出逻辑表达式 0 1 1 0 Si=Ai· Bi+Ai· Bi 1 0 1 0 1 1 0 1 Ci=Ai· Bi ⑷画出逻辑电路图

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计算机 基础知识

1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

一、图灵机 1.直观描述 ①图灵机的计算装置:一条两端可无限延长 的带子,一个读写头,一组控制指令。
┄ b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b
读写头 状态 q1 控制指令

┄ 读写头可以沿带子 方向左右移动,并 可以在每个方格上 进行读写。
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机
②带子上的符号为一个有穷字母表: {S0,S1,S2,¨¨,Sp} 通常仅有S0、S1两个字符,其中: S 0 → 0 , S 1→ 1 这可加深对布尔值、二进制机器的理解。 ③机器的控制状态: {q1,q2,¨,qn} 图灵机的初始状态设为q1,结束状态设为qn
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

④五元组指令集合: (qiSjSkR(LN)qn) qi表示机器目前所处的状态; Sj表示机器从方格中读入的符号; Sk表示机器用来代替Sj写入方格的符号; R,L,N表示右移一格,左移一格,不移动; qn表示下一步机器的状态。 一个给定机器的程序是机器内的五元组形式 的指令集,它定义了机器在特定状态下读入一个 特定字符时所采取的动作。
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

2.工作原理 机器从给定带子上的某起点出发,其动作完 全由其初始状态值及机内五元组指令集来决定。 计算结果是从机器停止时带子上的信息得到。 指令死循环:q1S2S2Rq3 q3S3S3Lq1 指令二义性:q3S2S2Rq4 q3S2S4Lq6
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

3.应用实例 [例]假设:b表示空格 q1表示机器的初始状态 q4表示机器的结束状态 如果带子上的输入信息为10100010,读写头 位对准最右边第一个为0的方格,且状态为q1。 按照以下五元组指令集执行后,输出正确的 计算结果是什么?
1-62

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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机
… b 1 0 1 0 0 0 1 1 b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b
q2 q2 q2 q2 q2 q2 q2 q2 q1 q4

指令集 q101Lq2 q110Lq3 q1bbNq4 q200Lq2 q211Lq2 q2bbNq4 q301Lq2 q310Lq3 q3bbNq4



计算函数是:S(x)=x+1
… b b 1 1 0 0 0 1 0 1 b b
q1



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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机
[例]图灵机Mz:其中Q={q1,q2,qf} 五元组指令集为:q110Rq1 q100Lq2 q201Nqf 求Mz对任何一串“1”的作用是什么?
… b b 1 1 1 1 1 1 0 0 b b
q1



仅留下最后一个“1”
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

二、冯· 诺依曼型计算机 重要思想:存储程序、二进制 1.冯· 诺依曼机的特征 ⑴计算机应由运算器、控制器、存储器、输 入设备和输出设备五大部件组成; ⑵计算机中采用二进制来表示指令和数据; ⑶采用存储程序方式,计算机能自动逐条取 出指令并执行程序。
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1.4 图灵机与冯· 诺依曼机

2.冯· 诺依曼机工作原理 先将程序(一组指令)和数据存入计算机,启 动程序就能按 照程序指定的 逻辑顺序把指 令读取并逐条 执行,自动完 成指令规定的 操作。
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1.5 计算机结构及工作原理

一、计算机的硬件结构 以运算器为中心的存储程序式计算机模型。
控制器
程序或数据
结果

输入设备

运算器

输出设备

存储器 数据传送线 控制信号线

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1.5 计算机结构及工作原理

1.运算器 运算器是对数据进行加工处理的部件。 在控制器的操纵下,它与内存交换数据,负 责算术运算、逻辑运算和移位运算等。 2.控制器 控制器负责对指令进行分析和判断,发出控 制信号,使计算机各部件协调工作,确保系统的 自动运行。 运算器+控制器=中央处理单元(CPU)
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1.5 计算机结构及工作原理

3.存储器 存储器是存放大量程序和数据的部件。 分类:内部存储器、外部存储器 特点:内存→存取速度快、存储容量小 外存→存取速度慢、存储容量大 4.输入设备 输入设备是用来接受用户输入的原始数据和 程序,并将它们转变为计算机能识别的形式存放 的内存中。
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1.5 计算机结构及工作原理

常用的输入设备有:键 盘、鼠标器 扫描仪、麦克风 5.输出设备 输出设备是将计算机处理过的信息以人们所 能接受的形式表示出来。 常用的输出设备有:显示器、打印机 绘图仪、音箱等 运算器+控制器+内存储器=主机 输入设备+输出设备=外部设备
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1.5 计算机结构及工作原理

二、计算机的工作原理 1.指令和程序 指令:能被计算机识别的命令。它是硬件可 执行的、完成一个基本操作所发出的命令。 指令格式: 操作码 地址码或数据 指令系统:计算机能识别所有指令的集合。 程序:指用户根据某一问题的解决步骤,选 用一组指令进行有序排列的集合。
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1.5 计算机结构及工作原理
2.计算机的工作过程 举例说明:计算 7+2=?
文字描述的计算程序
计算步骤 1 2 3 4 5 6 解题命令 从存储器中取出7到运算器的0号寄存器中 从存储器中取出2到运算器的1号寄存器中 将0号和1号寄存器中的数据相加,得和9 将计算结果9存入存储器中 在输出设备中打印计算结果9 停机
1-72

计算程序的简写形式
指令顺序 1 操作码 取数 操作数 7

2
3 4 5 6

取数
加法 存数 打印 停机

2
7,2 9 9

指令操作码表
操作名称 取数 加法 存数 操作码 0100 0101 1010

操作数存放单元
数的操作地址 0001 0010 0011 存放的数 0111(7) 0010(2) 计算结果

打印
停机

1000
1111

用二进制表示的计算程序
指令地址 0101 操作码 0100 地址码 0001 所完成的操作 R0←(D1)

0110
0111 1000 1001 1010

0100
0101 1010 1000 1111

0010
0001 0011 0011

R1←(D2)
R0←(R0)+(R1) D3←(R0) 打印机←(D3) 停机

存储器布局
单元地址 存储单元内容 0001 00000111 0010 00000010 0011 0100 0101 01000001 0110 01000010 0111 01010001 1000 10100011 1001 10000011 1010 1111 1011 ┇

7 2 计算结果
取数指令 取数指令 加法指令 存数指令 打印指令 停机指令

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1.5 计算机结构及工作原理
用户程序 各种应用程序 各种语言处理程序 操作系统 计算机硬件

三、计算机的层次结构

操作系统向下控制硬件,向上支持其他软 件。即操作系统把用户与物理机器隔开,凡是 对机器的操作一律转化为操作系统的调用。
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1.5 计算机结构及工作原理

四、计算机的性能指标 1.字长 字长是计算机CPU能直接处理二进制数据的 位数,它决定了系统数据总线的位数。 字长位数越多,计算精度越高,但硬件成本 也越高。目前计算机字长一般分为8位、16位、 32位、64位不等。 2.运算速度 与主频、执行具体指令、内存速度等有关。
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1.5 计算机结构及工作原理
时间频率:计算机时钟频率(主频)。 指令执行速度MIPS:百万条指令/秒 MIPS=指令条数/(执行时间×106) 指令通常指加减运算等短指令。 核心程序法:
基准程序

整数测试程序-Dhrystone 浮点测试程序-Linpack Whetstone基准测试程序 SPEC基准测试程序
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1.5 计算机结构及工作原理

3.存储容量 存储器容量:主存容量、辅存容量。存储容 量越大,存放的信息就越多,处理能力就越强。 4.外部设备配置 外部设备配置是指主机所配置的外部设备的 数量以及各种设备的性能指标。 5.软件配置 另外,还要考虑计算机的可靠性、可维护性、 兼容性、安全性和性能价格比等。
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