第4章计算机系统

第四章 计算机系统

第四章 计算机系统请点击小节看课件4.1 计算机的发展4.2 计算机的运算基础 4.3 计算机硬件 4.4 计算机软件 本章小结

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4.1 计算机的发展 — 产生 1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工具逻辑设计》论文 提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想

1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机

ENIAC 重28吨，耗电150kW 占地170平米 用电子管18800个 每秒5000次加法2

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4.1 计算机的发展 — 发展简史 第一代 第二代 电子管时代(1946-1958) 晶体管时代(1958-1965) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 变集中处理为分级处理，浮点运算，高级语言

第三代 第四代

中小规模集成电路时代(1965-1970)大规模集成电路时代(1971至今)

存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒

向大型机和微型机两个方向发展

现代计算机的发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化3

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4.1 计算机的发展 — 分类1 巨型机 几家公司生产，最快1.4万亿次，9千个CPU组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III

小巨型机 功能同巨型机相近，价格相对便宜 美国Convex公司的C系列机为其代表产品

大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用 代表产品有IBM360,370,4300等4

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4.1 计算机的发展 — 分类2 小型机 可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有IBM-AS/400,DEC-VAX系列

工作站 用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等 典型产品有SUN工作站等

微型机 个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉

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4.1 计算机的发展 — 应用领域 科学计算 密码破译，天气预报，地质勘探，卫星轨道计算

过程控制 机器人以及各种自动化装备，温度调节，阀门控制

辅助设计/分析/制造/教学 机械CAD,建筑CAD,CAE,CAM,CAI

数据处理 数据库管理，企业信息管理，统计汇总，办公自动化

智能模拟 人工智能，专家系统，自学习

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4.2 计算机的运算基础 — 系统原理1 冯.诺依曼机计算机结构的基本思想 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五部分组成 采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中， 由指令组成的程序可以修改 数据以二进制码表示 指令由操作码和地址码组成 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明 要执行的指

令所在的单元地址，一般按顺序递增7

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4.2 计算机的运算基础 — 系统原理2 冯.诺依曼计算机的工作原理可概述为： “存储程序” + “程序控制” 6+9 存储器 输 入 设 备 0110+1001 运算器ALU 控制器 CPU8

15 输 出 设 备

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法1 数字化信息编码的概念：

信息：用数值、文字、语音、图形和图像表示 在计算机内一切信息必须进行数字化编码(即

用二进制代码形式),才能在机内传送、存储和处理

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法2 数值的表示 一个数值各位数字表示的值不仅与该数字有关，且 与该数字所在的位置有关 例：数2343.43可以分解为： 2×103+3×102+4×101+3×100+4×10 -1+3×10 -2 位权 位权 位权 位权 位权 位权

基数：相邻位权之比

位权：基数的 i 次方

( i 为与位置对应的自然数)

每个数位上的数字所表示的值=该数字×位权10

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法3 K进制数转换为十进制数 位权展开法例：将下列数值转换为十进制数 (101.01)2 (205.4)8 (AF.8)16 解： (101.01)2= 1×22+0×21+1×20+0×2 -1+1×2-2 =(5.25)10 (205.4)8= 2×82+0×81+5×8 0+4×8 =(133. 5)10 (AF.8)16= 10×16 1 +15×160+8×16-1 –1

=(175. 5)1011

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法4 十进制数转换为K进制数，将整数部分与小数部分 分开来算 整数部分：除以K取余数，直到商为0,余数从 自下而上排列

小数部分：以小数部分乘以K取积的整数，并将其自上而下排列，直到小数部分为0或规定

精度为准

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法5 例：将(100.345)10 转换为二进制数2 2 2 2 2 2 2 100 50 25 12 6 3 1 0 0 1 0 0 1 1

低位

0.345 x 2 0.690 x 2

高位

1.380 x 2 0.760 x 21.520 x 2

0

高位

……

低位

整数部分

小数部分13

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法6 十六进制与二进制相互转换

法则：以小数点为界，每个八进制数对应三位二进制 数，每个十六进制数对应四位二进制数 注意：小数部分不足之处应补零

例：(2C1.D)16=(0010 1100 0001. 1101)2 2 C 1 D 例 ：(71.23)8=( 111 001 . 010 011)2 7 1 2 3 例：( 11 0110 1110 . 1101 01)2 = (36E.D4)16 3 6 E D 414

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法7 二进制数的简单运算--算术运算 加法：逢2进10+0=0 0-0=0 0 * 0=0 0÷1=0 0+1=1 1+0=1 1-0=1 1-1=0 0*1=0 1÷1=115

1+1=10 (进位) 0-1=1(借位) 1*1=1

减法：借1当2

乘法：加法+移位1*0=0

除法：减法+移位

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4.2 计算机的运算基础 — 数据表示方法8 二进制数的简单运算--逻辑运算 与运算：都是1时才为1,运算符：A∧B 、A×B

或运算：都是0时才为0,运算符：A∨B 、A+B 非运算：0变1,1变0,运算符：A 异或运算：相异为1, 相同为0,运算符：A∞B 例：设A=1101,B=1001, 求：A∧B 、 A∨B、A∞B、A。16