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计算机原理讲义
计算机原理
第一章绪论
第一节计算机的发展概述
一、产生
计算机又称电脑,则一种能够自动、高速、精确地完成各种信息存储、数据处理、数值计算、过程控制和数据传输的电子设备。
通常,它是以电子元器件为基本器件、以数字形式进行数据加工的设备,人们又称它为电子计算机(DigitalElectronicComputer)。
世界上第一台数字计算机是1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生的,并取名为埃尼阿克(ENIAC,ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)。
它共用了18800个真空电子管及1500多个继电器,有30个操作台,占地面积170平方米,重量达30多吨,耗电量为150kw/时,加法运算速度每秒5000次,内存仅有20个寄存器,不能存放程序,仅靠插板编制程序。
而当今广泛使用的Pentium处理器在一个小小的集成电路上集成了300多万个晶体管,面积不到5cm×5cm,时钟频率已远远超过100MHz,总功耗小于15W。
二、特点
与其它电子设备或工具相比,计算机具有如下特点:
1.运行速度快2.运算精度高3.具有记忆功能4.具有逻辑判断功能5.高度自动化
另还有(具有数据传输和通信能力)
三、分类
1.按信息分类
(1)数字计算机:
以“0”或“1”数字代码的数据形式来表示要处理的信息。
(2)模拟计算机:
对模拟变量进行操作的计算机,要处理的信息是以模拟量来表示的,如电压量或电流量。
一般用于模拟数据的处理。
(3)混合计算机:
利用模拟表示和数字表示这两种表示方式进行数据处理的电子计算机,既能处理数字量又能处理模拟量,并具有二者之间相互转换的能力。
常用于炼钢、化工、模拟飞行等方面。
2.按用途分
(1)通用计算机:
为了解决多方面的问题而设计的计算机。
(2)专用计算机:
为了处理某些特殊问题而设计的计算机。
3.按规模或性能分
巨型、大型、中型、中小型、小型、微型
4.按元器件分
电子管(1946~1958)、晶体管(1959~1964)、集成电路(1965~1971)、大规模(LSI)或超大规模集成(VLSI)电路(1971~)
其中,微型计算机从1971年问世经历了五个发展阶段:
4—8位低档处理器(71~73年)/8位中高档处理器(74~77年)/16位微处理器(78~84年)/32位微处理器(85~92年)/80586微处理器(93年~)
四、应用
1.科学计算
2.信息处理(信息管理)
数据处理的对象不是数值数据而是各种业务数据。
数据处理的内容主要不是数值运算,而是数据检索、分类、统计等工作。
3.过程控制4.计算机辅助设计与教学5.网络应用
6.人工智能(AI)主要是利用计算机对人进行智能模拟,进行逻辑判断,完成一部分人类智能担任的工作。
五、计算机的发展趋势
巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化
六、计算机中常用的基本术语
1.计算机硬件(Hardware):
指那些由电子元器件和机械装置组成的“硬”设备。
计算机的指挥/控制中心
进行算术运算和逻辑判断
存储器是计算机的记忆部件
用来存放数据/程序和计算结果。
分内/外存储器。
用于向计算机输入程序和数据,并数据从人类习惯的形式转换成二进制代码放入内存
将计算机处理信息的结果,由二进制代码转换成人类习惯的形式从内存中输出。
2.软件:
是指计算机上的各种程序、数据和文档。
作用:
是用户与计算机硬件之间的桥梁。
软件系统:
由系统软件(SystemSoftware)和应用软件(ApplicationSoftware)构成。
系统软件:
指构成操作系统的程序及相关程序的集合。
作用:
在硬件基础上,通过对计算机各种资源的控制和管理,为用户提供各种可能的计算机应用手段和应用方式。
应用软件:
指为解决计算机用户的特定问题而编制的软件。
作用:
在系统软件基础上,运用系统软件提供的手段和方法,完成用户实际要做的工作。
程序是指按某种顺序排列的使计算机能完成某种任务的指令集合。
程序设计是指设计、书写及检查、调试程序的过程。
操作系统(DOS、Windows)
语言处理软件(QBASIC、C++)
系统软件数据库管理系统(FoxPro、Access)
服务程序
计算机软件系统
应用软件包
应用软件
用户程序
根据软件在计算机运行中所起的作用。
可以将它们划分成几个层面,如下图所示。
3.位、字节(存储单位)
位:
计算机中最小的数据单位是一个二进制位,简称位,一个二进制位可表示两种状态,位越多,所表示的状态就越多。
字节:
衡量计算机所容纳信息量多少的基本单位,用来表示存储空间大小。
BitByteKBMBGBTB
字位 字节 千字节兆字节吉字节 太字节
1bit8bits1024B1024KB1024MB1024GB
4.字、字长(运算单位)
字:
存储、处理数据的一个运算单位。
字长:
每个字所含的二进制个数或字节的数量,即CPU能同时处理的数据宽度;字长是在设计机器时规定的,字长越长,在相同时间内能传送更多的信息;字长越长,计算机有更大的寻址空间;字长越长,计算机系统支持的指令数量地越多,功能也就越强。
5.运算速度:
每秒钟能执行定点加法指令的条数称为计算机的平均运算速度。
以单字长定点加法指令的平均执行时间来计算,单位是MIPS(每秒钟能执行定点加法运算的次数);
以单字长浮点加法指令和平均执行速度来衡量,单位是MFLOPS。
第二节计算机系统的基本组成
一、组成
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分,计算机硬件是指有形的物理设备,它是计算机系统中实际物理装置的总称,也称硬件设备,它是系统的基础和核心。
计算机系统的基本组成:
计算机硬件(裸机)包括外设及主机、计算机软件包括系统软件、支撑软件、应用软件。
计算机系统组成如图2.1所示。
二、计算机的工作原理
自1954年冯·诺依曼提出,计算机已经历了四代,但目前的计算机体系依然采用冯·诺依曼思想,即存储程序和程序控制式工作原理,其思想是:
程序和数据均存放在外存中,当用户启动存放在计算机内的程序后,由位于存储器内的程序去自动地控制计算机的运行。
目标程序 工作过程:
取指令、分析指令、执行指令
三、硬件系统
计算机无论其规模大小、性能高低,其硬件都由中央处理器(又称CPU)、存储器、输入设备、输出设备组成,而CPU一般由运算器和控制器组成。
而CPU、主存、和总线又构成了计算机的主机,输入/输出设备和辅助存储器则统称为外部设备(或外围设备),简称外设。
计算机硬件组成如图2.2所示
计算机硬件组成如图2.2
表示数据流表示控制流
1.中央处理器
又称CPU、MPU、μP,是计算机中能够按照各种指令的要求完成对数据进行运算处理的部件。
它主要有控制器、运算器以及多个用于暂存运算结果的寄存器组成。
将处理器的所有组成部分集成在一块半导体芯片上,则称为微处理器,一般用微处理器芯片的型号来表示计算机的性能,如Intel公司的486、PentiumII、PentiumMMX、PentiumIII、PentiumIV等都是计算机中广泛使用的微处理器、
2.存储器
存储器是计算机的记忆部件,它主要是用来按指定的地址写入或读出信息,存储器是存放计算机的操作步骤、初始数据、中间结果和最终结果,即用存放数据和程序的部件。
存储器可分为内存储器(又称主存储器)和外存储器(也称辅助存储器)。
1).主存
能随时与CPU直接相连且能直接与CPU交换数据的存储器称为主存储器,主存一般装在主机箱内。
主存是计算机中的工作存储器,用来存放当前正在运行的程序和数据,计算机工作时,所执行的指令及操作也是从主存中取出的,处理的结果也存放在主存中。
主存由半导体器件构成,整个主存被分成许多存储单元,且每个存储单元从0开始依自然数编号,此编号即称为地址,每个存储单元存放一串二进制代码,通常字节是主存储器中信息的基本编址单位,即一个存储单元存放一个字节,主存的容量则为最大地址加1个字节。
2).辅助存储器:
计算机中具有较大存储容量的是辅助存储器,通常为540MB~50GB,甚至更大,其主要采用磁表面存储器和光盘存储器来组成,前者可分为磁盘和磁带,磁盘又分为硬磁盘(即硬盘)和软磁盘(常称为软盘),其中软磁盘容量小存取速度慢,但携带方便;硬盘的存储容量大、存取速度较软盘快,是目前计算机系统中的主要外存储设备;光盘是利用激光技术来进行信息存取的一种存储设备,目前以只读方式工作的4.75英寸光盘(又称CD-ROM)其存储容量一般为650MB左右,其优点是容易携带,成本便宜。
但所有的外存储介质必须借助于相应的驱动设备才可以进行信息的存取,而该部分的设备分别为硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器。
计算机系统中一般采用一个层次式的存储体系结构,用以保证其性能/价格比的优化,通常存取速度越快的存储器成本越高,因此,一台计算机的存储体系主要有寄存器(CPU内部的小容量存储设备)、Cache、主存、辅存、海量存储器五部分组成,而这五部分又以寄存器的存取速度最快,海量存储器的存储容量为最大。
3).输入/输出设备(简称I/O设备)
输入是把外部信息送入计算机系统的过程。
输入设备则是能向计算机系统输入信息的设备,常见的有键盘、鼠标、扫描仪。
输出则是从计算机系统送出信息的过程,输出设备则是能从计算机系统输送出人可以直接识别的信息的设备,常见的有显示器、打印机、绘图仪等。
输入/输出设备是计算机中运算速度最慢的部件。
二、计算机软件
1.软件的概念及作用(P2页)
2.软件的分类及常见的软件
可分为:
系统软件和应用软件。
系统软件泛指那些为整个计算机系统所配置的、不依赖于特定应用的通用软件。
常见的有操作系统(如DOS、WINDOWS9X、UNIX、LINUX等)、语言处理程序、数据库管理系统、实用程序与工具软件等。
操作系统负责帮助用户管理计算机中的所有软、硬件资源,对相应的软硬件资源进行统一的控制、管理和调度等工作,其目标是提高系统的利用率,并为其它应用软件的应用提供一个友好的操作平台,其主要功能有处理器管理、存储管理、文件管理、作业管理。
应用软件则指用于解决各种不同具体应用问题的专门软件,常见的有通用应用软件有文字处理软件(如WPS、Word等)、电子表格处理软件(如Excel等)、绘图软件(如Photoshop、AutoCAD等)、网络通讯软件(如Foxmail、CC-mail、OutlookExpress等)、简报软件(如Powerpoint、Showpartner等)
4.程序设计语言及其语言处理程序
计算机语言的种类非常的多,总的来说计算机语言可以分成机器语言、汇编语言和高级语言三大类。
人们要控制计算机一定要通过计算机语言向计算机发出命令即指令,而计算机程序则是计算机要执行的指令集合。
1).机器语言
机器语言是计算机所能识别的唯一语言,它是仅由0和1构成的指令代码组成,它控制计算机的每一个步骤、每一次动作,但通常人们不采用机器语言,因为它非常难于记忆、识别和学习,效率低。
2).汇编语言
汇编语言是一种符号语言,其实质和机器语言是相同的,都是直接对硬件操作,只不过指令采用了英文缩写的标识符,更容易识别和记忆,它同样需要编程者将每一步具体的操作用命令的形式写出来。
汇编程序通常由三部分组成:
指令、伪指令和宏指令。
3).高级语言
和汇编语言相比,高级语言不但将许多相关的机器指令合成为单条指令,并且去掉了与具体操作有关但与完成工作无关的细节,例如使用堆栈、寄存器等,这样就大大简化了程序中的指令。
同时,由于省略了很多细节,编程者也就不需要有太多的专业知识。
高级语言主要是相对于汇编语言而言,它并不是特指某一种具体的语言,而是包括了很多编程语言,如FORTRAN、COBOL、PASCAL以及目前流行的VisualBasic、C/C++、FoxPro、Delphi等,这些语言的语法、命令格式都各不相同。
4).语言处理程序
用高级语言所编制的程序不能直接被计算机识别,必须经过转换才能被计算机执行,这就是语言处理程序的功能,那么,按转换方式不同可将它们分为两类:
(1)解释类:
执行方式类似于我们日常生活中的“同声翻译”,应用程序源代码一边由相应语言的解释器“翻译”成目标代码(机器语言),一边执行,因此效率比较低,而且不能生成可独立执行的可执行文件,应用程序不能脱离其解释器,但这种方式比较灵活,可以动态地调整、修改应用程序,典型的解释型的高级语言有QBASIC.
(2)编译类:
编译是指在源程序被执行之前,先将程序源代码“翻译”成目标代码(机器语言),然后将目标代码再交给计算机执行,此类目标程序可以脱离其语言环境独立执行,使用比较方便、效率较高。
但应用程序一旦需要修改,必须先修改源代码,再重新编译生成新的目标文件(*.OBJ)后才能执行,只有目标文件而没有源代码,修改很不方便。
现在大多数的编程语言都是编译型的,例如Basic、C、TurboC、QuickBASIC、VisualC++、VisualFoxpro、Delphi等。
机器语言:
0或1组成的代码,可认为是目标程序,难学、难编、易出错、不易读、可移植差
汇编语言:
难编、易出错、通用性差(依赖于具体的机器),源程序汇编后才可被执行。
高级语言:
又称算法语言,面向过程并独立于硬件的通用语言,源程序编译或解释后才可被执行;
例题分析
选择题
1.微型计算机的运算器、控制器及内存储器的总称是____。
A)CPUB)ALUC)MPUD)主机
【答案】D
【解题指导】CPU是中央处理器的简称,包括MPU和ALU;MPU是微处理器的简称;ALU是算术逻辑单元的简称;CPU和内存储器的总称为主机,它是微型机核心部分。
2.“联想486微机”中的“486”指____。
A)CPU的型号B)CPU的速度 C)内存的容量D)运算器的速度
【答案】A
【解题指导】CPU的品质直接决定了微机的档次,在奔腾出现之前,微机名称中直接使用微机中的CPU型号,486机表示了它们使用的CPU芯片为80486。
3.在微型计算机中,微处理器的主要功能是进行____。
A)算术逻辑运算及全机的控制 B)逻辑运算 C)算术逻辑运算 D)算术运算
【答案】A【解题指导】微处理器是计算机一切活动的核心,主要功能是实现算术逻辑运算及全机的控制。
4.微机唯一能够直接识别和处理的语言是____。
A)甚高级语言B)高级语言 C)汇编语言D)机器语言
【答案】D
【解题指导】计算机语言分为机器语言、汇编语言、高级语言和甚高级语言4代。
甚高级语言是第四代语言,这是一种面向问题的语言,数据库语言属于这种语言。
高级语言是面向过程的语言,属于第三代语言,包括Pascal、C、BASIC语言等。
汇编语言是一种用字母和符号表示的面向机器的语言,是第二代语言。
机器语言是以二进制代码表示的面向机器的语言,是第一代语言,也是微机唯一能够直接识别和处理的语言。
5.BASIC语言解释程序属于____。
A)应用软件B)系统软件 C)编译程序的一种 D)汇编程序的一种
【答案】B
【解题指导】编译程序将源程序翻译成目标程序,然后计算机才能执行,每种高级语言应配有相应的编译程序。
用汇编语言编写的源程序要经过汇编程序汇编成用机器语言表示的目标程序之后,计算机才能执行。
BASIC语言解释程序是将用BASIC语言编写的源程序逐条解释并执行,不产生目标程序。
以上3种程序均属于系统软件范畴。
6.操作系统的主要功能是____。
A)控制和管理计算机系统软硬件资源 B)对汇编语言、高级语言和甚高级语言程序进行翻译
C)管理用各种语言编写的源程序 D)管理数据库文件
【答案】A
【解题指导】操作系统是用户与计算机之间的接口,用户通过操作系统来控制和管理计算机系统的软硬件资源。
对汇编语言、高级语言和甚高级语言程序进行翻译的程序称为语言处理程序;管理数据库文件使用的是数据库管理系统。
7.在微机中的“DOS”,从软件归类来看,应属于____。
A)应用软件B)编辑系统C)工具软件D)编辑软件
【答案】D
【解题指导】软件分为系统软件和应用软件两大部分。
本题中的工具软件和编辑软件应属于系统软件。
“DOS”是磁盘操作系统的简称,用来管理微机的硬件和软件资源,属于系统软件。
第二章数制、数制的转换及运算
第一节数制及转换
一、数制及常用数制:
基数:
我们称某进制数所使用的数字符号的个数为基数。
常用的数制:
十进制数、二进制数、八进制数、十六进制数;
十进制数的基数为10,即逢十进一,常用符号D表示;
二进制数的基数为2,即逢二进一,常用符号B表示;
八进制数的基数为8,即逢八进一,常用符号O表示;
十六进制数的基数为16,即逢十六进一,常用符号H表示;
二、数制之间的转换:
在计算机内部,一切信息(包括数值、字符、指令等)的存取、处理和传送都是采用二进制的形式。
二进制在计算机中是以器件的物理状态来表示的,这些器件具有两种不同的稳定状态且能相互转换,既简单又可靠,但书写较复杂,因此,通常又用八进制或十六进制来表示。
表1.1常用数制的表示及前16个自然数
十进制数
二进制数
八进制数
十六进制数
基数10
2
8
16
标志符D
B
O
H
0
0
0
0
1
1
1
1
2
10
2
2
3
11
3
3
4
100
4
4
5
101
5
5
6
110
6
6
7
111
7
7
8
1000
10
8
9
1001
11
9
10
1010
12
A
11
1011
13
B
12
1100
14
C
13
1101
15
D
14
1110
16
E
15
1111
17
F
16
10000
20
10
1.十进制数与二进制数之间的转换
(1)十进制数转换成二进制数
整数部分采用除2取余的方法,将每次除以2所得的余数按先低后高的顺序排出来就是这个十进制数对应的二进制数的整数部分,直到商为0。
小数部分采用乘2取整的方法,将每次乘以2所得的整数部分取出来,从左到右排列即得该十进制数所对应的二进制数的小数部分,直到余下的小数部分为0或满足所需求的精度为止。
以此类推,十进制数与八进制数或十六制数的转换整数部分可以采用“除基取余”小数部分采用“乘基取整”的方法进行。
(2)二进制数转换成十进制数
用二进制数制的通用形式表示出来后进行相加即可。
1101.101B=1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3=8+4+0+1+0.5+0+0.125=13.625D
2.二进制数与八进制数之间的转换
(1)二进制、八进制、十六进制之间的关系
我们知道,在计算机内部,所有的信息都是以二进制的形式存储、处理和传送,但用户在书写时可以用八进制或十六进制表示,由于8和16都是2的整数次幂,即8=23,16=24,利用这点我们可以在三者之间进行转换是非常方便的。
一位八进制数正好相当于三位二进制数,一位十六进制数正好等于四位二进制数,所以要想把一个二进制转换成八进制或十六进制数,只要从小数点开始向前,每三位一组构成一位八进制数或每四位一组构成一位十六进制数,不够三位或四位时在最左边补0;从小数点向后,每三位一组构成一位八进制数或每四位一组构成一位十六进制数,不够三位或四位时,在最右边补0,这样便可以得到相应的八进制数或十六进制数。
(2)二进制数转换成八进制数
从小数点开始向前,每三位一组构成一位八进制数,不够三位时,在最左边补0。
从小数点开始向后,每三位一组构成一位八进制数,不够三位时,在最右边补0。
例3、11101101.10111B=?
O
(0)11101101.10111(0)B
=355.56O
=355.56O
(3)二进制数转换成十六进制
从小数点开始向前,每四位一组构成一位十六进制数,不够四位时,在最左边补0。
从小数点开始向后,每四位一组构成一位十六进制数,不够四位时,在最右边补0。
例4、11101101.10111B=?
H
11101101.10111(000)B
=ED.B8H
=ED.B8H
(4)八进制数转换成二进制
将一位八进制数用相应的三位二进制数表示。
例5、156.37O=?
B
156.37O
001101110.011111B
(5)十六进制数转换成二进制
同上,将一位十六进制数用相应的四位二进制数表示。
二进制数、八进制数、十六进制数之间的转换可借助于三者之间的关系进行,同样,二进制数、八进制数、十六进制数用位权法表示后求和,可以很方便地转换成十进制数。
在数制转换中,记住基数为2的一些基本乘幂值是十分有益的。
表1.2基数为2的乘幂值
次方
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
基数为2的值
4
8
16
32
64
128
256
512
1024
2048
4096
第二节计算机中数据的表示
一.计算机中的数据分类
数据按其属性是否具有度量多少的数量含义而分为数值型、字符型、逻辑型三大类。
1.数值型:
具有量的多少的含义,根据是不含有小数又分为整型和实型两类。
2.字符型:
无数量多少的含义,但无论哪一个字符均对应一个惟一的二进制编码,此编码或用于计算机内部处理或用于信息的输入输出。
常用的有ASCII码、汉字的各种编码。
3.逻辑数据:
为了使计算机具有逻辑判断能力,引入了逻辑数据,并使计算机能对它们进行逻辑运算,从而得出一个逻辑式的判断结果。
在计算机中用一位或一个字节表示,仅取“真“或“假“两个值,在计算机内部常用0表示假,1表示真。
二.计算机中数据的表示方法
1.数值型数据的表示
在计算机内部,要表示一个数值数据,将涉及数的正负号及小数点,根据是否考虑正负号,可将数值数据分为无符号数与有符号数,根据数据小数点是否固定可将其分为定点数和浮点数。
(1)带符号数的表示
在计算机内部,数的正负号用一位二进制数来表示,这个二进制位一般在数的最高位,又称为符号位,且用0代表正,用1代表负。
若用八位二进制位表示一个有符号的整数,其最高位为符号位,则表示数值的只有七个二进制位,可表示的最大整数为127,最小整数为-127。
符号:
0表示正,1表示负
数值:
随具体情况而定
(2)带小数的数的表示:
定点表示、浮点表示
在计算机内部,通常用两种方法来表示带小数点的数,即所谓的定点数和浮点数。
①定点数:
是小数点在数中的位置是固定不变的数,数的最高位为符号位,小数点可在符号位之后,也可在数的末尾。
缺点:
只有纯小数或整数才能用定点数表示;
②浮点数:
小数点在数中的位置是浮动的、不固定的数。
一般浮点数既有整数部分又有小数部分,通常对于任何一个二进行制数N,总可以表示成:
N=±2P×S
N、P、S均为二进制数,P为N的阶码,一般为定点整数,常用补码表示,阶码指明小数点在数据中的位置,它
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