计算机的工作模型

1计算机的工作模型1946年出现第一台数字电子计算机ENIAC一台计算机由两方面构成：硬件：计算机的物理构成，即构成计算机的元器件和设备。软件：计算机程序以及相关的文档。硬件为软件提供了“表演”的舞台。从某种意义上讲，一台计算机的性能主要由硬件决定，而它的功能则主要是由软件来提供。2硬件概述硬件是指构成计算机的元器件和设备。计算机元器件的发展经历了：电子管晶体管集成电路超大规模集成电路计算机的计算能力与早期的计算机相比已有了很大的提高。3冯•诺依曼体系结构目前，大部分计算机基本上采用的还是传统的冯•诺依曼（vonNeumann）体系结构，即存储程序式结构。由五个单元构成：存储单元算术/逻辑运算单元控制单元输入单元输出单元4外存外设（Devices）内存（Memory）中央处理器（CPU）冯•诺依曼计算机的硬件组成总线执行计算机指令。包含控制器、运算器以及寄存器存储运行中的计算机程序和正在使用的数据，由存储单元构成输入/输出和外部存储永久性存储程序和数据键盘、显示器、打印机、鼠标器等软盘、硬盘、光盘、闪存盘等输入/输出5冯•诺依曼计算机的工作过程待执行的程序从外存装入到内存中；CPU从内存中逐条地取程序中的指令执行；程序执行中所需要的数据从外设中获得；程序执行中产生的临时结果保存在内存中；程序的执行结果通过外设输出。6冯•诺依曼计算机的本质通过不断地改变程序的状态来实现计算，程序的状态由存储单元中的数据构成，状态的转换是由指令来实现。7CPU能执行的指令算术指令实现加、减、乘、除等运算。比较指令比较两个操作数的大小。数据传输指令实现CPU的寄存器、内存以及外设之间的数据传输。流程控制指令用于确定下一条指令的内存地址，包括顺序、转移、循环以及子程序调用/返回等指令。8冯•诺依曼计算机的瓶颈瓶颈：高速设备等待低速设备。CPU与内存内存与外存解决方案：利用程序运行和对数据存取（访问）所具有的局部性原则和高速缓存（cache）技术内存高速缓存（memorycache）磁盘高速缓存（diskcache）9软件概述计算机硬件只是提供了执行存储在内存中指令的能力，而执行的指令（软件）是需要人来提供的。计算机软件是计算机系统中的程序以及有关的文档。程序：计算任务的处理对象（数据）与处理规则（算法）的描述，由计算机执行；文档：便于人理解程序所需的资料说明，供程序开发与维护使用。10软件的分类系统软件居于计算机系统中最靠近硬件的一级，它与具体的应用领域无关，其它软件一般要通过系统软件发挥作用，如操作系统就属于系统软件。支撑软件支持软件开发与维护的软件，一般由软件开发人员使用，如软件开发环境VC++6.0就是典型的支撑软件。应用软件用于特定领域的专用软件，如：人口普查软件、财务软件等。11各类软件及硬件之间的关系硬件系统软件支撑软件应用软件12虚拟机由硬件构成的计算机常常被称为“裸机”。在“裸机”之上，每加上一层软件就得到了一个比它功能更强的计算机－－“虚拟机”。例如，硬件加上操作系统就构成了最基本的虚拟机。硬件构成的裸机只能识别用机器语言表示的指令，在它上面加上了C++的编译程序，则这个虚拟机就能执行由C++语言所表示的指令（语句）了。13计算机中的信息表示在计算机中，任何信息都是用一系列的“0”和“1”来表示的，它们对应着电器设备的两个稳定状态：开关的开/关、电压的高/低、电流的有/无。计算机中的信息包括：指令、数据和地址。一个“0”或“1”称为一个二进制位（bit）8个二进制位称为一个字节（Byte）1024个Byte称为一千字节（KiloByte，KB）1024个KB称为一兆字节（MegaByte，MB）1024个MB称为一吉字节（GigaByte，GB）1024个GB称为一太字节（TeraByte，TB）在内存与外存中，通常把字节作为基本存储单位来组织信息。（内存：512MB、1GB、2GB等，硬盘：80GB、160GB等）14数的二进制表示一个数可以用不同的进制来表示。常用的进制有：10进制（0～9，逢十进一）2进制（0～1，逢二进一）（计算机中采用）8进制（0～7，逢八进一）16进制（0～9、A～F，逢十六进一）例如，对于十进制数：292进制表示为：111018进制表示为：3516进制表示为：1D再例如，各种进制数的运算：（35）8＋（315）8（72）8（1D）16＋（11D）16（3A）16（11101）2＋（111111011）2（111010）215十进制与二进制之间的转换（整数）二进制转成十进制（29）(11101)2=1×24+1×23+1×22+0×21+1×20=29(35)8=3×81+5×80=29(1D)16=1×161+13×160=29十进制（29）转成二进制2141207231211290218358302916113(D)161029（2进制）（8进制）（16进制）16十进制与二进制之间的转换（小数）×21.6251.250.5×2×20.8125×21.0二进制转成十进制(0.1101)2=1×2-1+1×2-2+0×2-3+1×2-4=0.8125十进制转成二进制乘以2取整数位，直到乘积为整，例如，(0.8125)10转成二进制：17R进制→十进制各位数字与它的权相乘，其积相加。例如:(11111111.11)2=1*27+1*26+1*25+1*24+1*23+1*22+1*21+1*20+1*2-1+1*2-2=(255.75)10(3506.2)8=3*83+5*82+0*81+6*80+2*8-1=(1862.25)10(0.2A)16=2*16-1+10*16-2=(0.1640625)1018十进制→R进制十进制整数转换成R进制的整数“除R取余”十进制小数转换成R进制的小数“乘R取整”19二进制与八、十六进制之间的转换每位八进制数相当于三位二进制数每位十六进制数相当于四位二进制数(1011010.10)2=(001011010.100)2=(132.4)8(1011010.10)2=(01011010.1000)2=(5A.8)16(F7)16＝(11110111)220十进制数的另一种二进制表示－－BCD码BCD（BinaryCodedDecimal）码是十进制数的另一种二进制编码形式。它有利于用二进制来精确表示十进制数。BCD码有多种形式，常用的是8421码，每一位十进数码用四位二进数码表示，不允许出现1010～1111六种组合。（小数点以其它方式表示！）00000501011000010000100016011011000100012001070111120001001030011810001230001001000114010091001123.4000100100011.0100BCD码常采用压缩形式存贮：一个字节存放二位BCD码。21二进制数的编码表示:原码符号──绝对值表示的编码例如：X=+0101011[X]原=00101011X=-0101011[X]原=10101011符号位缺点：零的表示不唯一：[+0]原=000...0[-0]原=100...0进行四则运算时，符号位需单独处理，且运算规则复杂。22二进制数的编码表示:反码正数的反码与原码表示相同。负数的反码与原码有如下关系：符号位相同(仍用1表示)，其余各位取反(0变1，1变0)。例如：X=-1100110[X]原=11100110[X]反=10011001X=+0000000[X]原=00000000[X]反=00000000反码中零的表示也不唯一X=-0000000[X]原=10000000[X]反=11111111反码只是求补码的中间码23二进制数的编码表示:补码计算机中的补码表示法负数的补码由该数反码的末位加1求得对补码再求补即得到原码补码运算规则符号位可作为数值参加运算减法运算可转换为加法运算：加上一个负数等于加上该数的补码补码运算的结果仍为补码运算结果溢出：负数之和得正数，或正数之和得负数