计算机基本原理文档格式.docx
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什么是“计算”
∙新华词典2001修订版计数；
通过已知数求出未知数；
筹划；
打算；
算计
∙美国传统词典用数学方法（尤其是数字的方法）决定或测定；
利用计算机决定或测定；
确定数量或数字
∙拉丁词源：
Com-算；
pute估计
∙辞海、计算机专家、数学家、哲学家…
什么是“计算机”
顾名思义，“计算机”就是执行计算的“机器”，能够基于数学，尤其是数字相关的数学，从已知（输入）推导出未知（输出）的机器
计算机”名称的起源
1646年正式出现“computer”这一英文单词，当时是指专门从事计算工作的人而用来计算的机器在1940年以前称为“计算器（calculator）”或（tabulator）”直到1940年发明第一台电子计算设备，“计算机”这一名词才正式具备今天的内涵
计算机是20世纪伟大的技术发明之一，已经成为现代科学技术转化为现实生产力的基础
计算机简史
计算机前世
∙手工计算器，1200年~1600年
∙机械计算器，1600年~1930年
∙计算机原型，1937年~1946年
现代计算机
∙真空管计算机，1946年
∙晶体管计算机，1950年代后期
∙集成电路计算机，1965年
∙超大规模集成电路，1970年代早期
手工计算器
进行数字计算的工具，需手工实施运算法则，体现了计算机的核心：
按照运算法则操纵数字一步一步执行计算
机械计算机能够自动实施运算法则
手工计算器需要运算法则进行大量手工操作，无法满足工业革命的需求
第一台机械计算器，1623年德国Schickard计算器
机械计算器运行的“自动化”
1823年，英国Babbage设计实现了功能强大的差分机，但极其复杂，意味着更强大的机械计算器必须自动化
4000多个零件；
把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算。
；
可处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。
1834年，英国人Babbage设计的分析机（蒸汽驱动）
∙存储数据的仓库：
每个齿轮可贮存10个数，齿轮组成的阵列总共能够储存1000个50位数
∙执行运算的作坊：
基本原理与帕斯卡的转轮相似，用齿轮间的啮合、旋转、平移等方式进行数字运算
∙运算控制器：
以自动编织机穿孔卡中的0和1来控制运算操作的顺序，如，第一步运算结果若是"
1"
，就接着做乘法，若是"
0"
就进行除法运算
∙数据传输部件：
在仓库和作坊之间不断往返运输数据
分析机终没能造出来，巴贝奇和阿达（英国诗人拜伦的独生女）失败了！
因为看得太远！
分析机的设想超出了其所处时代至少一个世纪！
机械计算器小结
什么是计算：
机械计算机是利用机械执行计算的机器
∙1）基于数学，尤其是数字相关的数学
∙机械计算机均采用十进制计数及四则运算法则
差分机将复杂的函数表运算转化成加法
∙2）从已知（输入）推导出未知（输出）
机械计算机的输入和输出均为有限位数的十进制数
机械计算机大多手工输入，也有穿孔卡片输入
机械计算机的运算/推导过程不变、速度有限
机械的“物理性质”决定了机械计算机“能力有限”
分析机伟大的设计终无法采用机械来实现
如何“飞跃”机械计算器
机械计算机是利用机械执行计算的机器产生电子计算机——产生了电子计算机
1）基于数学，尤其是数字相关的数学
∙机械计算机均采用十进制计数及四则运算法则。
——新的数学基础必须发明更新的运算法则，以适应更通用广泛的计算要求。
差分机将复杂的函数表运算转化成加法以支持更通用/宽泛的计算需求
2）从已知（输入）推导出未知（输出）
机械计算机大多手工输入，也有穿孔卡片输入机械计算机的运算/推导过程不变、速度有限
——新的物理基础必须采用新的物理设备，以支持更多等大的数据，可变更快的运算。
变、更快的运算
∙机械的“物理性质”决定了机械计算机“能力有限”，分析机伟大的设计终无法采用机械来实现
——借鉴分析机的设计思路，寻找新的实现手段
图灵机
图灵机的组成
∙一条磁带：
双向都可无限延长，被分为一个一个彼此独立的方格，每个方格上有数字
∙一个磁头：
可以读出或改写磁带方格数字，可在方格之间左右移动
∙一个控制器：
包含有限个数的状态，每个状态值都可以改变
图灵机的运算法则
重复执行下列动作，直至遇到“停机”命令
1）读出磁头指向的磁带方格的内容
2）根据读出值和控制器内部状态，执行三种动作：
改写方格内容、移动磁头、修改状态
图灵机小结
图灵机组成：
一条磁带+一个磁头+一个控制器
图灵机程序：
磁带内容+控制器状态+条件执行动作
表现为<
当前状态,当前符号,修改后符号,磁头移动方向,下一状态>
五元组的集合
图灵机计算能力强大：
图灵说：
凡是可计算的函数都可以用图灵机来计算
Church说：
任何计算，如果存在一个有效过程，它就能被图灵机所实现
计算机程序就是某个可计算问题的一个有效过程
如何实现图灵机
图灵机实现的主要指标：
时间上要求运算速度；
空间上要求磁带容量
图灵机实现的关键因素：
∙物理上：
磁带的方格数量和方格容量，磁头读写速率和移动速度，控制器判断速率和状态变换速率
∙数学上：
一般而言，进制越大，所需存储空间越少，运算次数越少
∙只要时间足够长（即允许足够的运算次数）和空间足够大（即磁带足够长），图灵机可替代目前的任何计算机
进制
进制形式只是数值的表示形式
任何十进制数X都可以表示为：
X=kn*10n++k0*100+k-1*10-1++k-m*10-m基数为10，系数/数字kiϵ{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}例：
46.37（10）=4*101+6*100+3*10–1+7*10-2
任何二进制数B都可以表示为：
B=kn*2n++k0*20+k-1*2-1++k-m*2-m
基数为2，系数/数字kiϵ{0,1}
例：
110110
（2）=1*25+
1*24+0*23+1*22+1*21+0*20=54（10）
进制的转换方法
如果两个有理数相等，则两数的整数部分和小数部分一定分别相等
十进制数转换成二/八/十六进制数
整数转换用“除2/8/16取余法”
小数转换用“乘2/8/16取整法”
二/八/十六进制数转换成十进制数
把二/八/十六进制数写成2/8/16的各次幂之和的形式，然后计算其结果
现代计算机的数据表示--二进制
将十进制数264转换成二进制数余数
22640低位
21320
2660
2331
2160
280
240高位
220
211
即（264）10=（100001000）2
十进制整数转换为二进制整数采用"
除2取余，逆序排列"
法。
具体做法是：
用2去除十进制整数，可以得到一个商和余数；
再用2去除商，又会得到一个商和余数，如此进行，直到商为一时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低
20位有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，依次排列起来
∙进制越小，表示同一个数值所需数字越多，存储空间使用越多
∙不同进制运算法则基本相同，进制越小，对于同一数值，需要运算的数字越多，速度越慢。
对图灵机实现而言，二进制应该是最不理想的，对图灵机的运算速度要求而言，二进制也是最不理想的。
那么，为什么要用二进制呢？
二进制的真正价值
布尔代数（逻辑代数,1847年）
关于0和1的代数系统，用基础的逻辑符号系统描述物体和概念
逻辑运算：
没有进位，按位运算
非，求反：
￣单操作数运算：
￣1＝0￣0＝1与，逻辑乘：
•或，逻辑加：
+
异或：
⊕同或：
⊙
A
B
逻辑加
逻辑乘
异或
同或
1
∙关于0和1的代数系统，用基础的逻辑符号系统描述物体和概念
∙逻辑运算：
∙开关电路实现电子化布尔代数运算
1938年香农在MIT的硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现，进而明确地给出了实现加，减，乘，除等运算的电子电路的设计方法。
布尔电路小结
布尔代数提出二进制的逻辑运算，基于逻辑运算可以实现算术运算
开关电路可以实现布尔代数的逻辑运算，进而实现算术运算
进制仅仅是数值的表现形式，可以互换，因此，布尔电路可以实现通用的数值运算
由于“电子”的快和小，使得布尔电路实现的计算快、单位存储容量大，满足图灵机实现对运算速度和存储空间的需要
冯诺依曼结构：
明确上述“推导”，给出参考实现，解决一系列系统实现的关键技术问
诺依曼结构
五大模块：
借鉴分析机，给出图灵机各个部分的电子实现方式
二进制：
明确采用二进制作为各个部件工作和交互的基础
现代计算机
全名：
“通用电子数字计算机”
General-PurposeElectronicDigitalComputer
通用：
计算机是一种通用信息处理设备，只要有合适的软件，它能适用于各种专门用途。
电子：
是计算机硬件实现的物理基础，计算机的运行终都通过电子电路中的电流、电位等实现
数字化：
是计算机的信息表示方式。
一切信息，无论原本是数值、文字、图形、声音等，在计算机里都统一到二进制的数字化表示上。
数字化是计算机的一种基本特征，是通用性的重要基础。
计算机：
这是一种做计算的机器。
计算机数据的单位
位（Bit）：
小的数据单位，即二进制的一个数位
字节（Byte，简写为B）：
常用的数据单位。
1个字节由8个二进制数位组成
现代计算机的发展历史
计算机可根据综合性能指标进行分类，性能指标通常包括体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等等。
按照性能从弱到强，包括如下几类
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
包括：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备
单片机可以直接嵌入设备当中，例如：
手机、电话、摄像机、计算器、电饭煲、电冰箱等家用电器、超声诊断等医疗设备、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机
单片机的特点是：
功耗低、体积小、专用化
微型计算机
以微处理器（micro-processor）为中央处理单元组成的个人计算机。
主要有桌面电脑（即台式机Desktop）、笔记本电脑（Laptop）、个人数字助理（PDA）、平板电脑等
微型计算机的特点是：
方便个人使用、通用性强、价格相对低、省电
1971年，美国Intel公司成功地在一块芯片上实现了中央处理器的功能，制成了第一片4位微处理器，并由它组装成第一台微型计算机
1977年，美国苹果公司推出了AppleII电脑，是第一款配备鼠标的商用计算机，也是历史上销量好的电脑（700万台）
1981年，美国IBM公司采用Intel微处理器芯片，推出IBMPC微型计算机
一些主流的微处理器芯片：
IntelAMD
AppleII
1977年的Jobs2007年的Jobs
小型机
为多用户执行任务,在中小企业广泛应用,用于工业自动控制、数据采集、分析计算、企业管理等领域
大型机
通用，有极强的综合处理能力，主要应用于大银行、政府部门、大型制造厂家等
巨型机
包含几千到几万个处理器，运算速度快、性能高、技术复杂，常用于解决科技领域中某些带有挑战性的问题，应用于核武器、反导弹武器、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等
巨型机的研制属于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志
巨型机IBM的ASCI白色：
CPU由8000我国研发天河一号每秒钟1206运算速度25.9万亿/秒多个处理器组成，内存6T（6万亿次的峰值速度，和每秒万亿）字节，硬盘160T字节，563.1万亿次的Linpack实测性能，用于模拟核爆炸（1TB=103GB）世界排名第一
诺依曼结构基本原理
存储程序原理
将数据以及用来处理数据的一系列程序指令同时存入计算机中，让计算机自动地按程序的指令进行一系列操作
什么是程序（Program）？
程序（Program）是为解决某一问题而选用的一条条有序指令的集合。
程序和指令
指令（Instruction）是计算机能识别并能执行的基本操作命令。
指令构成：
操作码地址码
操作码指明该指令要完成的操作，如加、减、乘、除。
地址码是指参加运算的数据所在的地址
ADDA,[6]
该指令表示将寄存器A中的内容和存储器中的[6]号存储单元的内容相加，再将结果放回到寄存器A中
输入->
处理->
输出+存储
∙将各种信息变为计算机能识别的相应的数字序列——输入输入设备
∙将这些数字序列按程序指定的处理方式进行运算——处理中央处理器（控制器+运算器）
∙将处理结果按一定的方式输出——输出输出设备
∙存放有关的数据以便进行处理——存储存储设备
换言之，计算机是一种能接受输入、处理数据、存储数据并产生输出的自动化装置
输入设备主要功能
输入设备用于从计算机外部将数据、命令输入到计算机的内部，供计算机处理。
常用的输入设备有键盘、鼠标器、磁盘存储器外存储器驱动器、磁带机、光笔、CDROM驱动器、
控制器的主要功能
控制器负责从存储器中逐条取出指令、分析指令，并按指令要求发出相应的控制信号指挥各执行部件工作。
运算器的主要功能
运算器是计算机中进行算术运算和逻辑运算的单元。
存储器的主要功能
存储器的主要功能是用来存放各类程序和数据信息。
常见的存储设备包括内存、硬盘、U盘、闪盘、迅盘等
输出设备的主要功能
输出设备用以将计算机处理后的结果信息，转换成人们能够识别和使用的数字、文字、图形、声音、电压等信息形式。
常用的输出设备有显示器、磁盘驱动器、打印机、绘图仪、音响设备和投影仪等设备
计算机执行指令的主要步骤
取指•控制器将指令的地址送往存储器，存储器按给定的地址读出指令内容，送回控制器
译码•控制器分析指令的操作性质，向部件发出指令所需要的控制信号CPU内部有关
执行•控制器从作数，命令运算器进行指令规定的运算CPU内部通用寄存器或存储器取出操
回写•控制器将运算结果写入通用寄存器或存储器
执行指令示例
假设：
通用寄存器A的内容为”3”，存储单元[6]的内容为”2”则：
该指令执行完成后，通用寄存器A的内容为”2+3”的结果”5”
存储器的组织形式
地址：
每个存储单元对应的序号
内容：
存储单元中存放的二进制信息（指令或数据）
诺依曼计算机知识点一览
1冯·
诺依曼结构的主要特点
2计算机执行指令的主要步骤
3CPU和存储器的基本结构
本讲小结
计算机发展简史
在从机械计算到现代电子计算机的发展过程中，图灵机奠定理论基础，布尔电路提供物理基础，二进制作为数据运算的技术手段，冯·
诺依曼结构最终形成了现代计算机的
请听下一讲--《计算机系统结构之硬件》
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