计算PPT第02章.计算机基础
第2章 计算机基础专业基础课-计算思维导论第2章 计算机基础第2章 计算机基础第2章 计算机基础在上一章节中，我们初步了解了计算思维的存在形态和发展过程，揭示了计算思维的核心本质，即抽象和自动化，同时明确了我们在解决客观问题过程中需要养成简化、抽象的思维方式。如果计算思维可以辅助我们更好的了解事物的规律，找到解决问题的办法和途径，那实现自动化过程载体计算机又是一个怎样的原理和过程呢？在本章中，我们将进一步地来探讨自动化过程的主角计算机。作为计算思维重要的辅助工具，我们有必要了解它的基本组成部件，各部件的工作状态以及在计算思维过程中各自承担的作用。通过相对全面的了解计算机的组成及内部运行机制，可以更好地为我们掌握计算思维提供帮助。1234计算机的组成与冯诺依曼体系机器数与进制转换5计算机中的编码本章小结本章习题2.1 计算机的组成与冯诺依曼体系2.1 计算机的组成与冯诺依曼体系2.1.1 计算机的组成2.1.1 计算机的组成一个完整的计算机并非只是我们可以看的到、摸得着的那个冷冰冰的机器，而是必须有计算机软件的参与，所谓的“电脑”才能工作，才可以称得上真正意义的计算机，因此，计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分构成。所谓“硬件”是指计算机的实体部分，它是由各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物构成，我们常说的硬盘、内存、CPU等都属于计算机硬件。计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。2.1.1 计算机的组成而“软件”则是我们看不见摸不着的，由人们预先编写的、具有指定功能的程序构成，这些“软件”寄存在计算机的主存和辅存之中，关于主存和辅存我们将在之后的章节中介绍到。我们又把计算机软件分为两类：系统软件应用软件系统软件：是控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预的各种程序的集合，主要功能是调度，监控和维护计算机系统，负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作，比如操作系统即属于系统软件；应用软件：是和系统软件相对应的，是用户使用的各种程序设计语言编制的应用程序的集合，比如我们平时使用的Office软件、QQ聊天工具即属于应用软件。2.1.2 冯诺依曼体系2.1.2 冯诺依曼体系为了更加规范、清晰地描述计算机的基本机构和工作方式，美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出了著名的冯诺依曼原理，为计算机的产生和发展奠定了重要的理论意义。我们把冯诺依曼原理归结为以下三个方面内容：计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示；计算机的运行是以顺序运行程序为基础的，即把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器（内存），计算机执行程序时，将自动地、并且按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行；2.1.2 冯诺依曼体系计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。2.1.2 冯诺依曼体系冯诺依曼原理是现代计算机的基础，简单的来说，冯诺依曼体系结构构成的计算机，必须具有如下功能：u把需要的程序和数据送至计算机中，必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；u能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；u能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作，能够按照要求将处理结果输出给用户。关于运算器、控制器、存储器、输入/输出设备，我们将会在之后的章节介绍到。2.1.3 中央处理器2.1.3 中央处理器中央处理器（CPU，Central Processing Unit）相当于计算机的“大脑”，它由一块超大规模的集成电路构成，是一台计算机的运算核心和控制核心，在上一节提到的运算器和控制器都是CPU最核心的部分，不仅如此，CPU还包含少量存储单元以及时钟等。CPU的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。2.1.3 中央处理器运算器（Arithmetic Unit）是计算机的数据运算和处理中心：主要由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。控制器（Control Unit）是计算机的控制中心：它一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑以及中断控制逻辑等。控制器为计算机程序的正确执行和异常事件处理提供了保证，决定了计算机运行过程的自动化。2.1.3 中央处理器CPU是整个计算机系统的核心，系统的性能好坏很大程度上取决于CPU的性能。下面我们来简要介绍一下CPU的主要性能指标。主频：即CPU的时钟频率，单位是MHz（或GHz）。它反映CPU的运算和处理数据的速度，也就是通常主频越高，CPU的速度越快。外频：通常为系统总线的工作频率，单位和主频一样。外频决定CPU与主板同步的运行速度。工作电压：即CPU正常工作时的电压，单位是V。缓存：CPU缓存（Cache Memory）是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小的多但是交换速率却比内存要快得多。字长：即CPU在单位时间内一次处理二进制数的位数。此外，CPU的性能指标还包括倍频系数、前端总线频率等2.1.4 存储器2.1.4 存储器存储器（Memory）是计算机中存储程序和各种数据的部件，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。根据不同的界定方式，对存储器有不同的分类。2.1.4 存储器按存储介质分类，存储器可分为：u半导体存储器定义：所谓半导体存储器，是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器，比如计算机的内存储器。u磁存储器定义：磁存储器采用磁性材料作为存储介质，比如磁带、磁盘。u光存储器定义：光存储器是使用指用光学方法从光存储媒体上读取和存储数据的一种存储设备，比如只读光盘。2.1.4 存储器按存取方式分类，存储器可分为：u随机存储器定义：随机存储器是任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关。u顺序存储器定义：顺序存储器则只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。2.1.4 存储器按读写功能分类，存储器可分为：u只读存储器（ROM）定义：只读存储器的存储内容是固定不变的，它是只能读出而不能写入的存储器。u随机读写存储器（RAM）定义：随机读写存储器则是既能读出又能写入的存储器。2.1.4 存储器按其作用分类，存储器可分为：u主存储器定义：主存储器又称为主存、内存，它用于存放系统正在执行的程序以及处理的数据，它可以与CPU直接进行数据的交换。u辅存储器定义：辅存储器又称为辅存、外存，它用来存放暂时不执行的程序或数据，作长期保存信息之用，它不可与CPU直接进行数据的交换。2.1.4 存储器u缓冲存储器定义：缓冲存储器简称缓存（Cache），当CPU要读取一个数据时，首先从CPU缓存中查找，找到就立即读取并送给CPU处理；没有找到，就从速率相对较慢的内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，可使之后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。u闪速存储器定义：闪速存储器简称闪存（Flash Memory），它是一种非易失性的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位的，因此其亦具备快速擦除和重写的功能。2.1.5 输入/输出设备2.1.5 输入/输出设备输入/输出（I/O,Input/Output）设备又称为外部设备，简称为外设。其包括输入设备和输出设备两个部分。输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。输出设备则指计算机硬件系统的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。2.1.5 输入/输出设备常见的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、传真机等。2.1.5 输入/输出设备常见的输出设备有显示器、音箱、打印机等。2.2 机器数与进制转换2.2 机器数与进制转换2.2.1 机器数与数制2.2.1 机器数与数制机器数是将符号“数字化”的数，是数字在计算机中的二进制表示形式。机器数有两个特点：一是符号数字化。二是其数的大小受机器字长的限制。根据冯诺依曼体系，计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示，所谓“二进制”，就是“逢二进一”，在我们人类生活中，我们最常用的便是十进制，也就是“逢十进一”。为了更加清晰地了解二进制，我们先研究一下十进制有什么样的特点。2.2.1 机器数与数制首先，我们来了解两个概念：基数：基数是数制所使用数码的个数。例如，十进制的基数为10。位权：位权是数制中某一位上的1所表示数值的大小（所处位置的权值）。例如，十进制的123.4，按照从左到右的顺序，百位上的1的位权是100，十位上的2的位权是10，个位上的3的位权是1，十分位4的位权是0.1。这样，我们可以将一个十进制数按权展开得到的多项式，例如十进制数字123.4，我们可以将其描述为：(123.4)10=110221013100410-1我们发现，位权是基数的整数幂。2.2.1 机器数与数制依此类推，各个进制他们的基数、位权以及记数符号如表2-1所示。表2-1 各个进制他们的基数、位权以及记数符号基数位权记数符号十进制1010i0、1、2、9二进制22i0、1八进制88i0、1、2、7十六进制1616i09、A、B、C、D、E、FR进制RRi不同的进制可能有不同的记数符号2.2.1 机器数与数制由于二进制表示数字容易实现（只有0和1），此外二进制运算规则简单（逢二进一），另外二进制编码在物理上最容易实现（自然界中具有两个固定状态的物理量很多。例如：电流的有无、电压的高低、开关、二极管的导通与截止等），因此计算机采用二进制作为数制。当然，为了表示方便，一个二进制数位数太长，容易出错，所以有时也采用八进制和十六进制数来表示。2.2.2 数制转换2.2.2 数制转换1.二进制数转换为十进制数一个二进制数转换为十进制数规则是按“权”展开，然后求和。【例2.1】将二进制数(1101.101)2转换为十进制。(1101.101)2=123+122+021+120+12-1+02-2+12-3=(13.625)102.十进制数转换为二进制数一个十进制数转换为二进制数，我们可以分为整数和小数（若包含小数部分）两个部分进行。（1）整数部分转换：除二取余，直到商为零为止，从低到高读数。2.2.2 数制转换【例2.2】将十进制数(13)10转换为二进制。根据(13)10除二取余，并不断对所得的商进行除二取余，直到商为零，最后将每次的余数逆序读取，得到：(13)10=(1101)22.2.2 数制转换（2）小数部分转换：乘二取整，直到小数部分为零或给定的精度为止，从高到低读数。【例2.3】将十进制数(0.625)10转换为二进制数。根据(0.625)10乘二取整，并不断对所得的积的小数部分进行乘二取整，直到积的小数部分为零，最后将每次的取出的整数顺序读取，得到：(0.625)10=(0.101)22.2.2 数制转换通过上述两个例子，分别对(13)10和(0.625)10进行相应的二进制转换，我们发现，一个由整数部分和小数部分组合成的十进制数，正是分别将其的整数部分和小数部分转换为二进制数，然后将结果相加，即：(13.625)10=(1101.101)2与前面介绍的二进制数转换为十进制数的结果吻合。以此类推，十进制转化为其他进制，整数部分转化方法仍为除R取余法；小数部分的转化方法仍为乘R取整法。2.2.2 数制转换3.二进制/八进制相互转换与二进制/十六进制相互转换u由于8=23，所以二进制数转换为八进制数采用方法是“三合一法”。整数部分：自右向左，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。小数部分：自左向右，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。u同样的，由于16=24，所以二进制数转换为十六进制数采用方法是“四合一法”。整数部分：自右向左，四个一组，不够补零，每组对应一个十六进制数码。小数部分：自左向右，四
