計算機系統概述.ppt

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2019/12/3,1,計 算 機 概 述,2019/12/3,2,計算機概述,計算機的發(fā)展 微型計算機的發(fā)展 計算機的特點 計算機的分類 計算機的應用,2019/12/3,3,1.1.1 計算機的發(fā)展,1、計算機的誕生 1946年2月，世界上第一臺 電子計算機在美國賓夕法尼亞大 學問世，取名為ENIAC（電子 數字積分計算機）。它為專門用 于軍事領域的彈道曲線計算而設 計的。,2019/12/3,4,2、計算機的發(fā)展歷程 在計算機的發(fā)展過程中，邏輯元件（電子器件）的發(fā)展起 到了決定性作用，它是計算機換代的主要標志。人們依據計算 機所采用的電子器件，將分成四代。 第一代——電子管計算機（1946~1957年） 第二代——晶體管計算機（1958~1964年） 第三代——小規(guī)模、中規(guī)模集成電路計算機（1965~1970年） 第四代——大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機（1971年至今） 新一代計算機(第五代)：新型智能化計算機(尚未研制出),2019/12/3,5,2019/12/3,6,未來新型計算機,1．光計算機 光計算機用激光器發(fā)出的光束代替電子進行計算和存儲：它以不同波長的光代表不同的數據，以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數據從一個芯片傳送到另一個芯片。 優(yōu)點： 運算速度極高（理論上可達每秒千億次以上，其信息處理速度比電子計算機要快數百萬倍） 信息傳輸中畸變和失真小 耗電極低 超大規(guī)模的信息存儲容量（一枚五分硬幣大小的枚鏡，它的信息通過能力竟是全世界現有電話電纜通道的許多倍）。,2019/12/3,7,,2019/12/3,8,2．生物計算機 生物計算機又稱仿生計算機，是以生物芯片取代在半導體硅片上集成效以萬計的晶體管制成的計算機。它的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。 優(yōu)點： 體積小，功效高。（在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多） 生物計算機具有永久性和很高的可靠性。（內部芯片出現故障時，不需要人工修理，能自我修復） 生物計算機芯片本身還具有并行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍。 能量消耗小，僅相當于普通計算機的十億分之一。 存儲信息的空間小，僅占百億億分之一。,2019/12/3,9,2019/12/3,10,3．量子計算機 量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。 優(yōu)點：高效率 缺點：能量消耗大，產生熱量大，壽命短。 主要用途是例如像測量星體精確坐標、快速計算不規(guī)則立體圖形體積、精確控制機器人等需要大規(guī)模、高精度的高速浮點運算的工作。 2007年第一臺商業(yè)化的量子計算機在加拿大計算機公司D-Wave 產生。,2019/12/3,11,2019/12/3,12,1.1.2 微型計算機的發(fā)展,微型計算機是日常生活中接觸最多的計算機，它屬于第四 代計算機。其發(fā)展歷程主要以微處理器的更新換代為主要標志 進行劃分。微處理器（Micro Processor Unit，MPU）又稱中央 處理器（Central Processing Unit，CPU），是大規(guī)模和超大規(guī) 模集成電路的產物。 通常把微型計算機按微處理器的集成度分成五代產品。,2019/12/3,13,2019/12/3,14,1.1.3 計算機的特點,(1) 處理速度快，處理能力強 (2) 計算精度高 (3) 具有存儲容量大的記憶功能 (4) 可靠性高 (5) 自動化程度高 (6) 具有邏輯判斷功能 (7) 適用范圍廣，通用性強,2019/12/3,15,1.1.4 計算機的分類,1、按用途分類 （1）通用計算機 （2）專用計算機 2、按規(guī)模分類 （1）巨型機 （2）大型機 （3）服務器：網絡環(huán)境中對外提供服務的計算機系統 （4）工作站:介于PC與小型機之間高檔微機系統 高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強 （5）微型機：桌面型計算機 、筆記本電腦、 平板電腦,,速度最快、處理能力最強（每秒35萬億次浮點運算，峰值40萬億次） 中國：曙光5000A,2019/12/3,16,1.1.5 計算機的應用,1. 科學計算 又稱為數值計算，是計算機的傳統應用領域，也是計算機最重要的應用之一。在科學技術和工程設計中存在著大量的各類數值計算問題。 2. 數據處理 數據處理又稱信息處理，是指用計算機對各種形式的信息（如文字、圖像、聲音等）收集、存儲、加工、分析和傳送的過程。據統計，信息處理是計算機應用最廣泛的領域之一，例如：人口統計、企業(yè)管理、郵政業(yè)務、票據訂購、情報檢索、圖書管理、醫(yī)療管理等。,2019/12/3,17,3. 過程控制 過程控制又稱實時控制，是指將計算機對生產或其他過程 中所采集到的數據按照一定的算法處理，然后反饋到執(zhí)行機構 去控制相應過程，是生產自動化的重要技術和手段。 4. 計算機輔助系統 （1）CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計） （2）CAM（Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造） （3）CBE（Computer Based Education，計算機輔助教育）：包括CAI（Computer Aided Instruction，計算機輔助教學）、 CAT（Computer Aided Testing，計算機輔助測試）、 CMI（Computer Managed Instruction，計算機輔助管理教 學）等。,2019/12/3,18,5. 人工智能 人工智能（AI——Artificial Intelligence）是用計算機軟、硬件系統模擬人的高級思維活動(如感知、推理、學習、理解等)的理論和技術。例如：語言識別、模式識別、圖像識別、專家系統、機器人等。 6. 多媒體及網絡,2019/12/3,19,1.2 計算機中的數制與編碼,1.2.1 進位記數制度 1.2.2 計算機中常用的幾種記數制 1.2.3 常用記數制之間的轉換 1.2.4 計算機中數據的編碼,2019/12/3,20,1.2.1 進位記數制度,使用多位數碼符號表示數值時，每一位數所使用的數碼符 號以及運算時從低位向高位借進位的規(guī)則，被稱為進位記數制 （或被稱為記數制、數制、進制）。 例如：在數學運算中使用十進制；在表示時間時使用六十 進制（如60分鐘為1小時）、十二進制（12個月為1年）和二十 四進制（如24小時為1天）；,2019/12/3,21,進制的基本要素： 1. 數碼 表示一個數位所使用的數字符號被稱為數碼。例如，十進制 中使用的0，1，2，3，…，9都是數碼。 2. 基數 一種數制所使用的數碼符號的個數稱為該數制的基數。R進 制的基數為R。例如，十進制允許使用0～9這十個數碼，因此 十進制的基數就為10。 3. 位權 某個數位的單位稱為該數位的位權（例如，在十進制中，個 位、十位、百位的單位分別為個、十、百，因此個位、十位、 百位的位權分別為100、101、102）。,2019/12/3,22,4. 借進位規(guī)則 有關進行加法（或乘法）運算，達到多少值需向高位進位 “1”，進行減法（或除法）運算，何時需從高位借“1”，借來的 “1”在本位當成幾的運算規(guī)則，稱為借進位規(guī)則。同一種進制的 所有數位都應遵從統一的借進位規(guī)則。這就是“逢基數進一， 借一當基數”。 例如，十進制的基數為十，因此它的借進位規(guī)則是“逢十進 一，借一當十”,2019/12/3,23,5. 按權展開式 按權展開式可以表述如下：,其中，(N)R——R進制數N； R——基數； Ri——第i位的位權，（i∈{Z},且n-1≥i≥-m）； Ai——位權為Ri的數位上的數碼符號，（Ai∈{0,1,…,R-1}）； n——(N)R的整數位數，（n∈{0,Z}）； m——(N)R的小數位數，（m∈{0,Z}）。,2019/12/3,24,例1.1 寫出按權展開十進制數9876.54的表達式。 9876.54=9103＋8102＋7101＋6100＋510－1＋410－2。 例1.2 寫出按權展開二進制數111011.1010的多項式。 （111011.1010）2=125＋124＋123＋022＋121＋120＋ 12－1＋02－2＋12－3＋02－4,2019/12/3,25,1.2.2 計算機中常用的幾種記數制,1. 二進制（Binary，B） 二進制數P一般簡記為(P)2或PB。如：二進制數11011.11記 為（11011.11）2或11011.11B。 二進制的基本特點是： 基數R為2，即只含有兩個數碼：0、1； 位權為2i（i=-m～n-1，m和n為自然數）； 借進位規(guī)則：逢二進一，借一當二。,2019/12/3,26,在計算機內部，所有數據、信息都是以二進制的形式編碼表 示的，這是因為二進制具有如下優(yōu)點： （1）簡單可行，容易實現。 （2）運算規(guī)則簡單。 （3）運算速度快。 （4）容易實現邏輯運算。 缺點：數字冗長、書寫繁復且容易出錯、不便閱讀。所以， 在計算機技術文獻的書寫中，常用十六進制數表示。,2019/12/3,27,2. 八進制（Octal，O） 八進制數P一般簡記為（P）8或PO。如八進制數17記為 （17）8或17O。 八進制的基本特點是： 基數R為8，即有八個基本數碼：0、1、2、3、4、5、6、7； 位權為8i（i=-m～n-1，m和n為自然數）； 借進位規(guī)則：逢8進1，借1當8。,2019/12/3,28,3. 十進制（Decimal，D） 十進制數P一般簡記為（P）10或PD，也可省略記為P。如十 進制數123，簡記為（123）10或123D或123。 十進制的基本特點是： 基數R為10，即有十個基本數碼：0、1、2、3、4、5、6、 7、8、9； 位權為10i（i=-m～n-1，m和n為自然數）； 借進位規(guī)則：逢十進一，借一當十。,2019/12/3,29,4. 十六進制（Hexadecimal，H） 十六進制數P一般簡記為（P）16或PH。如十六進制數1F，記 為（1F）16或1FH。 十六進制的基本特點是： 基數R為16，即有16個基本數碼，符號為：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。注意使用字母A、B、C、D、E、F分別表示十進制數10、11、12、13、14、15，以示區(qū)別； 位權為16i（i=-m～n-1，m和n為自然數）； 借進位規(guī)則：逢16進1，借1當16。,2019/12/3,30,表1.3 常用數制基本要素和表示方法,2019/12/3,31,表1.4 常用數制之間的對照關系,2019/12/3,32,1.2.3 常用記數制之間的轉換,1. R（R=2、8、16）進制數轉換為十進制 轉換規(guī)則：將R進制數轉換為十進制數一般使用按權展開多 項式的形式，然后計算求和得到對應的十進制數據。可簡述為 口訣：“利用按權展開式展開”。 例1.8 把（1100101.101)2轉換成十進制數。 解：(1100101.101)2=126+125+024+023+122+021+ 120+12-1 +02-2+12-3 =64+32+0+0+4+0+1+0+0.5+0.125=（101.625)10 例1.10 把（19BF.8)16轉換成十進制數。 解：（19BF.8)16=1163＋9162＋B161＋F160＋ 816-1=4096＋2304＋176＋15＋0.5=（6 591.5)10,2019/12/3,33,2. 十進制數轉換為R（R=2、8、16）進制數 將一個十進制數轉換為R（R=2、8、16）進制數時，十進制 數的整數部分和小數部分的轉換方法各不同，其整數部分和小 數部分分別用“除R取余法”和“乘R取整法”轉換，然后將結果與 小數點共三部分合在一起。轉換規(guī)則如下：,2019/12/3,34,整數部分：用“除R取余法”轉換。將十進制的整數部分除以 R，得到一個商數和余數；再將這個商除以R，又得到一個商和 余數；反復執(zhí)行這個過程，直到商為0為止。將每次所得的余 數從后往前讀（先得的余數為低位，后得的余數為高位）即為 等值的二進制數。這種轉換方法可簡述為口訣：“除基取余， 倒序排列”。 小數部分：用“乘R取整法”轉換。將小數部分乘以R，記下 乘積的整數部分，再用余下的純小數部分乘以R，記下乘積的 整數部分；不斷重復此過程，直至乘積小數部分為0或已滿足 要求的精度為止。將所得各乘積的整數部分順序排列（先得的 整數為高位，后得的整數為低位）即可。這種轉換方法可簡述 為口訣：“乘基取整，順序排列”。,2019/12/3,35,例1.11 把十進制整數(35.6875)10轉換成二進制數。 解：轉換過程如下： 第一步：用除2取余法將整數部分(35)10轉換為二進制整數；,即：（35)10=（100011)2。,2019/12/3,36,第二步：用乘2取整法將小數部分(0.6875) 10轉換為二進制形式； 0. 68752=1.3750 ………… 取整數部分1 高位 0. 37502=0. 7500 ………… 取整數部分0 0. 75002=1. 5000 ………… 取整數部分1 0. 50002= 1. 0000 ………… 取整數部分1 低位 即：（0.6875)10=（0.1011)2。 第三步：將整數部分與小數部分合并，可得： (35.6875)10 = (100011.1011)2,,2019/12/3,37,例1.12 把十進制小數0.624轉換成二進制小數，要求精確到小數點后6位。 解：轉換過程如下： 0.6242=1.248 …………取整數部分1 高位 0.2482=0.496 …………取整數部分0 0.4962=0.992 …………取整數部分0 0.9922=1.984 …………取整數部分1 0.9842=1.968 …………取整數部分1 0.9682=1.936 …………取整數部分1 低位 …… 上述轉換過程無限，但根據要求只要轉換6步。最后結果為： （0.624)10≈（0.100111)2,,2019/12/3,38,3. 八進制數、十六進制數轉換為二進制數 轉換規(guī)則：將每位八進制（或十六進制）數碼用相應的三位 （或四位）二進制數來代替，再刪除整數部分首部的零和小數 部分尾部的零即可。這種轉換方法可簡述為口訣：“逐位轉 換，一位拆三位（或四位）”。,2019/12/3,39,表1.5 八進制基本數碼與二進制數的對應關系表,表1.6 十六進制基本數碼與二進制數的對應關系表,2019/12/3,40,例1.16 把十六進制數1C2.A4轉換成二進制數。 解：,所以，（1C2.A4)16=（111000010.101001)2,2019/12/3,41,4. 二進制數轉換為八進制數、十六進制數 轉換規(guī)則：以小數點為中心，分別向前、后每三（或四）位 一組，不足三（或四）位時以“0”補足（最高（左）位和最低 （右）位的兩組如不足三（或四）位，則用0分別補最左邊和 最右邊湊成三（或四）位），并將每組二進制數轉換為相應的 八（或十六）進制數即可。這種轉換方法可簡述為口訣：“三 （或四）位合一位，分組轉換”。,2019/12/3,42,例1.18 把二進制數11010111100.11011轉換成十六進制數。 解：,所以，（11010111100.11011)2=（6BC.D8)16,2019/12/3,43,5. 八進制數與十六進制數的互換 八進制數與十六進制數之間不存在直接的轉換方法。利用它 們與二進制數的轉換比較簡單的特點，可以先將八進制數（或 十六進制數）轉換成二進制數，然后再將二進制數轉換成十六 進制（或八進制數），這種轉換方法可簡述為口訣：“以二進 制為橋”。 例1.19 八進制數1325.72轉換成十六進制數。 解：（1325.72)8=（1011010101.11101)2=（2D5.E8)16,2019/12/3,44,小結,表1.7 常用進制間的轉換方法,2019/12/3,45,1.2.4 計算機中數據的編碼,由于計算機只能識別二進制形式的符號，這就要求人們在使 用計算機處理實際問題之前必須將各種信息，包括數值信息 （數值數據）和非數值信息（大小寫英文字母、標點符號、漢 字、聲音、圖像等）轉換成二進制數。另一方面為了保證計算 機各部件之間和計算機與計算機之間能正確地傳輸和識別信 息，還要求采用統一的編碼方法（或稱為編碼規(guī)則）。 有關數值數據在計算機內部的具體表示方法本節(jié)不予討論，主要討論字符和漢字的編碼。在此之前，先要了解計算機中數據的單位。,2019/12/3,46,1. 數據的單位,（1）位（bit）：計算機中最小的不可分割的數據單位是二 進制的一個數位稱為比特位，簡稱位。用英文bit表示。 （2）字節(jié)（Byte)：相鄰8個比特位組成一個字節(jié)，用B表示 （英文為Byte）。字節(jié)是計算機中用來表示存儲容量大小的基 本單位。另外容量的表示還常使用KB（千字節(jié)）、MB（兆字 節(jié)）、GB（十億字節(jié)）、TB（兆兆字節(jié)）等。它們之間有如 下的換算關系： 1 B=8 bits 1 KB=210 B=1 024 B 1 MB=220 B=1 024 KB 1 GB=230 B=1 024 MB 1 TB=240 B=1 024 GB,請問：1GB= ? B,2019/12/3,47,（3）字 ：在計算機中作為一個整體被存取、傳送、處理的二 進制數位叫做一個字，每個字中二進制位數的長度，稱為字 長。不同的計算機系統的字長是不同的，常見的有8位、16 位、32位、64位等。字長表示了計算機的性能，字長越長，精 度越高、存儲容量越大、運算速度越高、功能越強。,2019/12/3,48,2. 字符的編碼,計算機中的信息都是用二進制編碼表示的，用以表示字符的 二進制編碼稱為字符編碼。計算機中用得最多的符號數據是字 符（大小寫英文字母、阿拉伯數字、運算符、標點符號等）。 最常用的字符編碼是ASCII（American Standard Code for information Interchange）碼，ASCII碼是使用最多、最普遍且符合國際標準的美國標準信息交換碼。國際通用的7位ASCII碼稱ISO—646標準，用7位二進制數 b6b5b4b3b2b1b0表示一個字符的編碼，其編碼范圍為 0000000B～1111111B，共有27=128個不同的編碼值，相應可以 表示128個不同字符。7位ASCII碼表如表1.8所示。,2019/12/3,49,表1.18 ASCII字符編碼表,2019/12/3,50,3. 漢字的編碼,為了用計算機處理漢字，同樣也需要對漢字進行編碼。由 于漢字是單個的方塊字，字型復雜，數目繁多，讀音多變，同 音、同型字很多，即使是最常用的漢字也有2000余個之多。因 此給計算機的漢字輸入、存儲和處理都帶來了極大的困難。 計算機要處理漢字信息，必須解決漢字的輸入、漢字的存 儲和表示以及漢字的顯示等問題。漢字編碼是為了解決這些問 題的需要。計算機對漢字信息的處理過程實際上是各種漢字編 碼間的轉換過程。這些編碼主要包括：漢字信息交換碼、漢字 輸入碼、漢字內碼、漢字字形碼及漢字地址碼等。,2019/12/3,51,(1)漢字信息交換碼 漢字信息交換碼是用于漢字信息處理系統之間或者通信系統 之間進行信息交換的漢字代碼，簡稱交換碼，也叫國標碼。其 中收集了682個非漢字圖形字符（如：序號、數字、羅馬數 字、英文字母、日文假名、俄文字母、漢語注音等）和6763個 漢字的代碼。漢字代碼中分為兩級：一級為較常用的漢字，共 3755個；二級為不太常用的漢字，共3008個。 由于一個字節(jié)只能表示256種編碼，漢字的數量大（國標共7445個），顯然一個字節(jié)不可能表示漢字的國標碼，因此，每個漢字（包括非漢字圖形字符）國標碼采用2個字節(jié)來表示。例如， “中”字的國標碼為：01010110 01010000B（5650H） “國”字的國標碼為：00111001 01111010 B（397AH）,2019/12/3,52,(2)漢字內碼 漢字內碼又稱漢字機內碼，是指在計算機系統內部使用的 漢字編碼，供設備和漢字信息處理系統內部存儲、處理、傳輸 使用。目前，對應于國標碼，一個漢字的內碼也用2個字節(jié)存 儲，為了區(qū)分漢字和英文字母，規(guī)定英文字母機內碼最高位為 “0”，漢字機內碼兩個字節(jié)的最高位均置為“1”，以免產生歧 義。例如， “中”字的機內碼為：11010110 11010000B “國”字的機內碼為：10111001 11111010 B,2019/12/3,53,(3)漢字輸入碼 為將漢字輸入計算機而編制的代碼稱為漢字輸入碼，也叫 外碼。目前漢字主要是經標準鍵盤輸入計算機的，所以漢字輸 入碼都由鍵盤上的字符或數字組合而成。例如用全拼輸入法輸 入“國”字，就要鍵入代碼“guo”，再選字。 常見漢字輸入碼的編碼方案可分為4種類型： ①音碼：又稱字音編碼，是根據漢字的發(fā)音進行編碼，如全拼、雙拼、微軟拼音等。 ②形碼：又稱字形編碼，是根據漢字的字形結構進行編碼，如五筆字型、鄭碼、表形碼、太極碼、三角碼等。 ③音形碼：又稱字音字形編碼或混合碼，是指以拼音為主，輔以字形、字義進行編碼，如自然碼、全息碼等。 ④數碼：又稱數字編碼或順序編碼，是指用數字串表示漢字的編碼，如區(qū)位碼、電報碼。,2019/12/3,54,(4)漢字字形碼 經過計算機處理的漢字信息，如果要顯示或打印出來閱 讀，則必須將漢字內碼轉換成人們可讀的方塊字。每個漢字的 字形信息是預先存放在計算機內的，常稱漢字庫。漢字內碼與 漢字字形一一對應。描述漢字字形的方法有許多，常用的是點 陣漢字。例如：下圖是“上”字的1616點陣字形。,,提問：一個3232點陣的字形碼需要多少字節(jié)存儲空間？,2019/12/3,55,(5)漢字地址碼 漢字地址碼是指漢字庫（這里主要指整字形的點陣式字模 庫）中存儲漢字字形信息的邏輯地址碼。 (6)各種漢字代碼之間的關系,2019/12/3,56,1.3 計算機指令、程序和程序設計語言,1. 計算機指令 指令就是指揮計算機工作的命令，它告訴計算機每一步要做 什么操作、參與此項操作的數據來自何處、操作結果又將送往 哪里。 2. 程序 程序就是為解決某一問題而編制、設計的指令序列。 3. 程序設計語言 程序就是為解決某一問題而編制、設計的指令序列，這種指 令序列是要用某種計算機語言來設計和編制的，我們把用來編 制程序的計算機語言稱為程序設計語言。,2019/12/3,57,(1)機器語言 指令系統也稱機器語言。每條指令都對應一串二進制代碼。 機器語言是計算機唯一能直接識別并執(zhí)行的語言。 優(yōu)點：計算機能直接識別并執(zhí)行；程序占用內存少，執(zhí)行速度快；能充分發(fā)揮和利用計算機的硬件特性。 缺點：用機器語言編寫程序枯燥、繁瑣、費時、易出錯；機器語言本身難識記；設計的程序難懂、可讀性差、不通用。 (2)匯編語言 匯編語言稱作符號語言，即符號化了的機器語言。是一種用 符號表示的低級程序設計語言。 優(yōu)點：比機器語言易懂、易寫、易記；程序執(zhí)行效率高、占用內存少。 缺點：它仍然面向機器，因機器而異，不通用；因涉及到機器的硬件結構細節(jié)，較難掌握。,2019/12/3,58,(3)高級語言 是一種用表達各種意義的“詞”和“數學公式”按照一定的“語法 規(guī)則”編寫程序的語言，又稱高級程序設計語言或算法語言。 這里的“高級”，是指這種語言接近于人的思維的自然語言。 例如：Fortran、Pascal、C、Basic、Lisp、C＋＋、Visual C＋＋、Visual Basic、Visual Foxpro等。 優(yōu)點：易學易用、通用性強、可靠性好、易維護、程序設計效率高。,圖1.4 匯編過程,,2019/12/3,59,用高級語言寫的程序稱為高級語言源程序，它也要經過語言 處理程序把它轉換成目標程序，計算機才能執(zhí)行。轉換方式有 兩種： “編譯”方式：,“解釋”方式：,