计算机基本原理.docx

1、计算机基本原理目录计算 2什么是“计算” 2什么是“计算机” 2计算机”名称的起源 2计算机简史 3手工计算器 3机械计算器运行的“自动化” 3机械计算器小结 4如何“飞跃”机械计算器 4图灵机 5图灵机的组成 5图灵机的运算法则 6如何实现图灵机 6进制 6进制的转换方法 7现代计算机的数据表示-二进制 7二进制的真正价值 8布尔电路小结 9冯诺依曼结构 9现代计算机 10现代计算机的发展历史 11小型机 12大型机 12巨型机 12存储程序原理 14 程序和指令 14计算机执行指令的主要步骤 18执行指令示例 19本讲小结 21计算什么是“计算” 新华词典 2001 修订版 计数；通过已知

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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 +

9、 +k-m*10- m 基数为10，系数/数字 ki 0 , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 例：46. 37 (10)=4*101+6*100+3*101+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 ki 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2/8/1

10、6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-二进制例：将十进制数264转换成二进制数余数2 264 0 低位2 132 02 66 0 2 33 12 16 02 8 02 4 0 高位2 2 02 1 1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

11、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：AB逻辑加逻辑乘异或同或000001011010101010111101 关于0和1的代数系统，用基础的逻辑符号系统描述

12、物体和概念 逻辑运算：没有进位，按位运算 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

13、“推导”，给出参考实现，解决一系列系统实现的关键技术问 冯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 - Purpose Electronic Digital Computer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

14、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

15、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Apple II电脑，是第一款配备鼠标的商用

16、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IBM PC微型计算机一些主流的微处理器芯片： Intel AMDApple II1977年的Jobs 2007 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

17、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） 世界排名第一冯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（Instr

18、uction）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ADD A, 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-处理-输出

19、+ 存储 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、CD ROM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

20、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）冯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3 CPU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