1.2 计算机基本结构和原理 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

了解计算机 基本工作原理、理解基本结构及其发展的趋势， 将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。 1.2 计算机基本结构和原理 了解计算机 基本工作原理、理解基本结构及其发展的趋势， 将有利于在计算机技术高速发展的形势下，跟上它前进的步伐。 计算机系统的基本组成：硬件和软件 硬件构成：中央处理单元、输入接口和设备、输 出接口和设备、以及存储器等 软件组成：程序、文件以及有关的文档资料 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.1 计算机基本结构 美籍匈牙利数学家 冯·诺依曼 总结： 1.计算机有5大组成部分 2.计算机内部直接用二进制进行运算 3.程序存储和程序控制原理 ENIAC的由来 世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰·莫克利（John Mauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（J – Presper Eckert）领导研制的取名为ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）的计算机。 1942年在宾夕法尼亚大学任教的莫克利提出了用电子管组成计算机的设想，这一方案得到了美国陆军弹道研究所高尔斯特丹（Goldstine）的关注。当时正值第二次世界大战之际，新武器研制中的弹道问题涉及许多复杂的计算，单靠手工计算已远远满足不了要求，急需自动计算的机器。于是在美国陆军部的资助下，1943年开始了ENIAC的研制，并于1946年完成。当时它的功能确实出类拔萃，例如它可以在一秒钟内进行5000次加法运算，3毫秒便可进行一次乘法运算，与手工计算相比速度要大大加快，60秒钟射程的弹道计算时间由原来的20分钟缩短到30秒。但它也明显存在着缺点。它体积庞大，机器中约有18800只电子管，1500个继电器，70000只电阻及其他各类电气元件，运行时耗电量很大。另外，它的存储容量很小，只能存20个字长为10位的十进位数，而且是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。 尽管如此，ENIAC的研制成功还是为以后计算机科学的发展提供了契机，而每克服它的一个缺点，都对计算机的发展带来很大影响，其中影响最大的要算是“程序存储”方式的采用。将程序存储方式的设想确立为体系的是美国数学家冯·诺依曼（Von Neumann)，其思想是：计算机中设置存储器，将符号化的计算步骤存放在存储器中，然后依次取出存储的内容进行译码，并按照译码结果进行计算，从而实现计算机工作的自动化。 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.1 计算机基本结构 1．基本组成 组成：存储器、运算器、控制器、输入设备与输出设备等五大部分 运算器、控制器制作在同一芯片内合称“中央处理器（CPU） 早期的以控制器、运算器为机器的中心 快速中央处理在等待慢速的外围设备 控制器的负担过重 现在计算机改成以主存储器为中心 系统的输入／输出与CPU的运算并行 多种输入和输出并行 为什么要改成以主 存储器为中心？ 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

☆ 计算机内部采用二进制编码 1.2.1 计算机基本结构 2．二进制编码 常用数制 进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和 原因：二值器件（如开/关）物理上容易实现 “是”和“否”二种状态的判断最为简单和稳定 便于算术和逻辑运算 运算规则简单 常用数制 进位计数制表示的数都是按权展开的多项式之和 例：88.8=8×101+8×100 +8×10-1 注意!! 二进制数字与二进制码的区别 进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制 规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一 基数 r=2 r=8 r=10 r=16 数符 0,l 0,1,…,7 0,1,…,9 0,1,…,9,A,B,C,D,E,F 权 2i 8i 10i 16i 形式表示 B O | Q D H 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

P18 表1-2-1数的不同进位制表示 十进制 二进制 十六进制 9 1001 1 10 1010 A 2 11 1011 B 3 12 1100 C 4 100 13 1101 D 5 101 14 1110 E 6 110 15 1111 F 7 111 16 10000 8 1000 17 10001 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

☆不同进制之间的转换 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

整数部分：除以基数取余数，直到商为0,余数从下到上排列 (1)十进制转换成其他进制 整数部分：除以基数取余数，直到商为0,余数从下到上排列 例 100 (D)=1100100 (B) 100 2 50 25 12 6 3 1 01 100 8 12 1 4 16 6 100(D)=144(O)=64(H)=1100100(B) 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

(2)其他进制转换成十进制 写成展开式计算即可 例 1100100 B=100D 1100100B =1×26+1×25+0×24+0×23+1×22+0×21×+0×20 =100D 例 A5EH =2654D A5EH =10×162+5×161+14×160=2654D 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

十六进制转化成二进制 每一个十六进制数对应二进制的四位 2C1D(H)=0010 1100 0001 1101(B) 2 C 1 D 二进制转化成十六进制 整数部分：从右向左进行分组 小数部分：从左向右进行分组 转化成十六进制四位一组，不足补零 00 11 0110 1110.1101 0100=36E.D4H 3 6 E D 4 64(H)=0110 0100(B) 6 4 后边补两个零0100 前边补两个零0011 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

☆不同进制数的转换与运算 利用WINDOWS操作系统中的 “计算器”程序完成转换. 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.1 计算机基本结构 3．程序和数据的存储 程序存储 和 程序控制 存储器基本存储单元 地址、地址总线和寻址能力 计算机存储器及其作用 1.2.1 计算机基本结构 　3．程序和数据的存储 程序存储 和 程序控制 存储器基本存储单元 地址、地址总线和寻址能力 计算机存储器及其作用 高速缓存 主存(内存）RAM ROM 辅存(外存) 关键字:位(bit) 字节(Byte) B KB MB GB TG 1KB=1024B= 210B 1MB=1024KB= 220B 1GB=1024MB= 230B 1TB=1024GB= 240B ★1024(210)进位 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

数据(指令、各类信息数据)是如何存放在存储器中的? 为什么要使用地址,并对其进行编码 (寻址)? 存储器中存放的内容,以二进制数据存放 一个存储单元 一个字节(8位) 地址1 1 地址2 地址3 地址4 地址5 地址… ……. 地址n 2000 2001 2002 2003 2004 45 A1 2A A6 ED XXXX 0F 存储单元的地址编码 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2 计算机基本结构 4．指令系统 操作码 操作数 指令 用来指挥硬件动作的命令 指令组成 操作码：指示要进行什么操作 指令 用来指挥硬件动作的命令 指令组成 操作码：指示要进行什么操作 操作数：指定操作对象 ，0-3个 跳转指令　　　　JMP 　　M1 加法指令　　　　ADD R1 R2 寻址方式 立即数 直接地址 间接地址 变址 指令集 操作码 操作数 操作的内容或所在的地址 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2 计算机基本结构 5．指令执行 由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕 1.2 计算机基本结构 5．指令执行 由起始地址开始，从存储器中取一条，执行一条，顺序地执行，直到程序（指令）执行完毕 程序计数器（PC）开始时存放起始地址；一般情况下，每执行一条指令，程序计数器加1 指令执行步骤： 取指令 指令译码 执行指令存 存操作结果 指令周期 CPU的时钟频率 指令译码 取指令 执行指令 存操作结果 图1-2-6 指令的执行 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.2 信息在计算机内部的表示 由于各种信息在计算机中必须以二进制编码形式来表示，因此，进入计算机的所有信息事先都应进行二进制编码。 本小节主要简介: 1.西文字符在计算机内的存储 2.汉字在计算机内的存储 3.图像信息在计算机内的存储 4.声音信息在计算机内的存储 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.2信息在计算机内部的表示 1.西文字符在计算机中的存储 西文字符的ASCII编码:7位(一个字节,最高位置0.) 128个代码(27) b6b5b4b3b2b1b0 低4位 高3位 000 001 010 011 100 101 110 111 0000 0001 0010 。 1111 DEL SP @A ` a 数字与 符号 大写英 文字母 小写英 文字母 控制符 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

单词 Student在计算机中的表示 字符 S t u d e n ASCII 01010011 51h 01110100 74h 01110101 75h d 01100100 64h e 01100101 65h n 01101110 67h 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

2.汉字在计算机中的存储 1.2.2 汉字的情况较西文复杂表现在: 一个字节(28)只有256个编码状态,不足以表示常用汉字的数量. 如果用双字节(28× 28＝65536(64K))倒是足够汉字编码用,但计算机如何将它与单字节的ASCII码区分,必须在编码技术上还要采用其他的一些措施(如字节的最高位置1等) 汉字在输入时仅仅用普通键盘显然是无能为力的,必须对输入另行编码(如:拼音,五笔等等)—输入码,很明显输入码还要转换成区位码(由区和位两个字节组成)我国于1981年就公布了《通信用汉字字符集(基本码)及交换码标准》(GB2312-80方案)为了避免区、位码分别与控制ASCII码冲突还需处理成机内码(两个字节的最高为置成 “1”.(参阅:教程P23图-2-10汉字信息在计算机内的表示. 汉字的显示(或打印)一般采用点阵编码的办法来解决.(输出码),每个点阵用一个二进制数表示; “1”表示黑, “0”表示为白.8位占一个字节,以16×16的点阵为例一个汉字使用的内存为(16×16/8=32byte)32个字节. 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

汉字的输出（字库） 字符编码 精密型 4848 288 提高型 3232 128 普及型 2424 72 简易型 1616 32 汉字点阵类型 点阵 占用字节数 　　汉字的“象形图案”外观呈现需要相应的点阵字形信息支持。我们把存放在存储器中的常用汉字和符号的字形的集合称作汉字字库。 字形码是指存放在字库中的汉字字形点阵码。不同的字体和效果有不同的字库，如宋体、黑体、楷体等。 点阵字形的点数越多，相应汉字的表达质量就越高。一般用于显示的字形码是16×16点阵的，每个汉字在字库中占16 ×16/8=32字节；一般用于打印的字形码是24 ×24点阵的，每个汉字占72个字节。 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

练习 有一个十六进制数为FFH，它的二进制数为多少？十进制数为多少？ 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

练习 某人输入了一串字符，内码分别为：3AH,4GH,2EH,4CH,D1H,C3H,B2H,F1H,4DH 问：共有几个汉字？几个西文？ 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

练习 有“A”，“a”，“9”，“空格”字符，从大到小排序的次序是？ “a”>“A”>“9”>“空格” 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

练习 汉字以16×16点阵形式在屏幕上单色显示时，每个汉字占用多少字节？ 16×16/8 ●●●●●●●●●●●●●●●● 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

声音 (声波) 电波 利用时间分隔和电信号强弱量化成二进制代码 1.2.2 3.图像信息在计算机中的存储 图像信息在计算机中存储的方式与汉字的输出码相似.图像信息一般由构成图像各部分的颜色及色阶(深浅)等信息组成,图像被分割得越细,越能完整地表示图像所包含的信息.因此,图像的分割是图像处理效果的关键. 目前通常采用三种颜色(红、绿、蓝)三基色来调色,每种颜色用一个字节来进行编码(28)可以表示256个深浅不同的等级(色阶)那么可以组成的色彩组合可达256×256×256种.将规定好的颜色信息以二进制编码存放在对应的内存单元中即可.(一个点可视为一个像素,每个像素和内存单元都有对应关系)不同的对应关系形成不同的文件存储格式.(参阅教程P23图1-2-12) 4.声音信息在计算机中的存储 声音 (声波) 电波 利用时间分隔和电信号强弱量化成二进制代码 (采样与量化 在多媒体部分再作较详细介绍) 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.3 存储器及其管理 1．存储器器件的变革 存储器器件的基本要求 存储器器件变革 能表示两个状态（电路、磁性体、光器件 ） 1.2.3 存储器及其管理 1．存储器器件的变革 存储器器件的基本要求 能表示两个状态（电路、磁性体、光器件 ） 能保持状态的稳定 （磁性体最佳） 在控制条件下可以实现状态转换 存储器器件变革 电子器件 20世纪40年代，速度快，容量小，不能停电 磁芯存储器 20世纪50年代 半导体存储器 20世纪60年代 、速度快、体积小、耗电省 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

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1.2.3 存储器及其管理 1．存储器器件的变革 DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小 SRAM：集成度低、成本高、功耗较大 1.2.3 存储器及其管理 1．存储器器件的变革 目前常用内存半导体存储器类型 DRAM：电容充放电、结构简单、容量大、功耗小 SRAM：集成度低、成本高、功耗较大 不同模式的DRAM 快速页模式（FPM，Fast Page Mode） 扩充数据输出（EDO ，Extended Data Out） 错误校验与纠正（ECC ，Error Checking and Correcting） BEDO（Burst EDO） 同步动态RAM （SDRAM ，Synchronous Dynamic RAM） RDRAM（Rambus DRAM）和DDR RAM（Double Date Rate RAM） 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.3 存储器及其管理 2．现代信息存储技术 (1)直接连接存储技术 磁盘、磁带、光存储器 (2)移动存储设备 目前大致分为3类： 1.2.3 存储器及其管理 2．现代信息存储技术 (1)直接连接存储技术 磁盘、磁带、光存储器 (2)移动存储设备 目前大致分为3类： 闪存卡： 低功耗、高可靠性、高存储密度、高读写速度 Compact Flash (CF)卡 Smart Media (SM)卡 Multi Media Card(MMC) Scan Disk(SD) 优盘 ： 通用USB接口 移动硬盘：USB接口 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.3 存储器及其管理 3.存贮器的层次结构 对存储器的要求：容量、速度（一下子找到） 计算机内存储器的层次结构形式： Cache 1.2.3 存储器及其管理 3.存贮器的层次结构 对存储器的要求：容量、速度（一下子找到） 计算机内存储器的层次结构形式： Cache Memory disk 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.3 存储器及其管理 高速缓冲存储器技术 目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾 多级高速缓存 Cache的“命中率”的问题 1.2.3 存储器及其管理 高速缓冲存储器技术 目的：解决快速CPU和低速内存之间的矛盾 多级高速缓存 第一级Cache：在CPU的芯片内外部连线用内部连线替代提高对Cache的存取速度，容量小 第二级Cache：在片外，安装在主板上，容量为256K字节或512K字节 Cache的“命中率”的问题 各级缓存和内存间内容保持一致的问题 同步更新内存内容 滞后更新内容的方法 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.3 存储器及其管理 虚拟存储技术 目的：扩大内存容量 方法： 得失：增加内存容量、降低运行速度 1.2.3 存储器及其管理 虚拟存储技术 目的：扩大内存容量 方法： 暂时不用的内存数据存入外存 —虚拟内存 需要时从外存调入内存运行 得失：增加内存容量、降低运行速度 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 1．计算机中的内部总线 微处理器 总线是各模块之间数据信息交换的公共通道 类型：数据总线、地址总线、控制总线 1.2.4 总线、外设和接口 1．计算机中的内部总线 总线是各模块之间数据信息交换的公共通道 类型：数据总线、地址总线、控制总线 总线的管理：申请、等待、判定、交用 AB地址总线 DB数据总线 CB控制总线 输入设备 输出设备 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 接口 微处理器 CPU 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机 输入设备：键盘和鼠标 输出设备：显示器和打印机 1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机 输入设备：键盘和鼠标 输出设备：显示器和打印机 其他设备： 绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、 数码照相机、声卡、音响等等 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (1)磁盘、光盘、驱动器和接口 软盘：3.5英寸 1.44MB 基本已淘汰 1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (1)磁盘、光盘、驱动器和接口 软盘：3.5英寸 1.44MB 基本已淘汰 硬盘：高速、大容量，已达 160GB以上 常用接口标准： 改进型IDE（ Integrated Drive Electric）接口 SCSI（Small Computer System Interface）接口 光盘： CD-ROM、CD-R（WORM）、CD-RW（E-R/W） 数字化视频光盘 DVD 常用接口标准：IDE 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (2)显示器、显示卡、键盘和鼠标 显示器 显示卡 必须与显示器相配合 1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (2)显示器、显示卡、键盘和鼠标 显示器 参数：尺寸、分辨率、材料类型 显示卡 必须与显示器相配合 总线类型：ISA、VISA、PCI 显卡和AGP显卡 容量 128、512MB 决定显示器的分辨率和颜色数 二维、三维加速显示卡 显示内存容量 128、512MB 决定显示器的分辨率和颜色数 键盘：101/102键 、Windows 、无线键盘 鼠标：机械、光电、无线遥控 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (3)打印机和扫描仪 打印机： 扫描仪 手持式扫描仪 点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机 1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (3)打印机和扫描仪 打印机： 点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印机 性能指标：打印分辨率dps、打印速度ppm 扫描仪 性能指标：扫描仪的分辨率、色彩位数 、 扫描幅面 、扫描速度 手持式扫描仪 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (4)其他设备和接口 声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音 调制解调器：电话线上网 网卡 1.2.4 总线、外设和接口 2．外部设备 (4)其他设备和接口 声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音 技术指标：采样位数、最高采样频率、采用数字信号处理器（DSP）、波表（Wave Table）合成、Internet连接的功能 调制解调器：电话线上网 技术指标：速率、差错控制标准 、数据压缩标准 、传真（FAX）功能、兼容性 网卡 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

PCI总线 : 不直连微处理器，通过PC桥连接 (2) PCMCIA总线系统 1.2.4 总线、外设和接口 3．个人计算机的扩展总线 (1)PCI总线系统 PCI总线 : 不直连微处理器，通过PC桥连接 (2) PCMCIA总线系统 适用于笔记本 小、薄、轻环境下的总线系统 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.4 总线、外设和接口 4．从RS232到USB RS232C：通用的串行端口 USB：通用串行总线（Universal Serial Bus）由Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范 使所有的低速设备都可以连接到统一接口上 支持功能传递，可以相互连接成串 USB接口本身就提供动力来源 具有即插即用功能 以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设 最大数据传输速率为12Mbps USB 2.0的数据传输速率可达到480Mbps IEEE 1394： 另一个用于高速传输数据的串行接口标准 数据传输速率可达到400Mbps。 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

1.2.5 微电子技术及其展望 大规模集成电路 微米工艺 摩尔定律：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番，而价格保持不变或下降 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理

知识拓展 提高计算机工作性能的方法 2018/9/20 第一章第二节计算机基本结构和原理