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第1章计算机系统概论电子计算机是一种能够自动、高速、精确地对各种信息进行处理和存储的电子设备，从总体上可以分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机。1．1计算机发展简史[填空]计算机最初是作为一种计算工具而问世的。早在计算机问世之前，就有各种各样的计算工具。纵观计算工具的发展历史，人类的计算工具已经经过了算筹、算盘、计算尺、手摇计算机、电动计算机、真空管计算机、晶体管计算机、大规模集成电路计算机，正在向生物计算、光计算、量子计算等方向探索。[单选、填空]ENIAC是个划时代的创举，是世界上第一台电子数字计算机，成为现代数字计算机的始祖。1．2计算机系统[单选、填空]一个完整的计算机系统包括硬件和软件两大部分。硬件是指计算机的所有器件或装置的总称，它们是“看得见、摸得着的有形设备。软件是相对硬件而言的，是指在计算机硬件上运行的各种程序以及有关文档资料，例如操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、数据库管理系统、专用软件包、各种维护使用手册、程序流程图和说明等，是无形的东西。’。硬件是计算机系统的物质基础，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从谈起，也就无法计算、处理某一方面的问题。同样，软件是计算机系统的灵魂，是硬件功能的完善与扩充。没有软件，计算机“仍是个“死东西，根本无法工作。因此，计算机的硬件与软件是相互渗透、相互依存、互相配合、相互促进的关系，二者缺一不可。所以计算机系统性能的好坏取决于软、硬件功能的总和。[简答]冯·诺依曼思想体制主要包括：(1)采用二进制数字代码形式表示各种信息。(2)采用存储程序控制工作方式。(3)计算机硬件由五大部件组成。计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，其组成框图如图1—1所示。图中，空心箭头代表数据信号流向，实心箭头代表控制信号流向。[填空]运算器是对信息进行运算和处理的部件。在计算机中的运算有两类：算术运算和逻辑运算。运算器主要由算术逻辑运算部件(ALU)和用来暂存数据或存放运算结果的一系列寄存器组成。[单选、填空]通常，人们把运算器和控制器统称为中央处理机(CPU)，而把CPU和内部存储器一起称为主机。主机内的存储器称为内部存储器或简称内存，位于主机之外的存储器称为外部存储器或简称外存。外存和输入、输出设备一起又统称为外部设备或简称外设。[单选、填空]总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线[简答]计算机系统的层次结构如下：(1)数字逻辑层。最底层是由逻辑门组成的逻辑电路，称为数字逻辑层。(2)微程序设计层。这是一个实在的硬件层，它是机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行该应用程序。对于非微程序控制的计算机，此层合并人数字逻辑层。(3)机器语言层。又称为一般机器层，它是微程序解释机器指令系统。(4)操作系统层。它由操作系统程序实现，而操作系统由机器指令和广义指令组成。所谓广义指令，是操作系统定义和解释的软件指令。(5)汇编语言层。它给程序员提供一种符号形式的语言，以减少程序员利用机器语言编写程序的复杂性。这一层由汇编程序支持或执行。(6)高级语言层。这一层由各种高级语言编译程序支持。高级语言层上运行的程序是用比汇编语言更高级、更接近人类自然语言的高级语言所编写的。高级语言程序员在这一级上不需要了解计算机硬件、编译及操作系统等内容。1·3计算机系统的技术指标[填空、简答]计算机系统的技术指标如下．(1)字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。字长通常是字节的整倍数：它与计算机的功能和用途有很大的关系。字长不但决定着寄存器、加法器、数据总线等部件的位数，直接影响着硬件的代价，而且还决定了计算机的运算精度。字长越长：计算机的运算精度就越高。(2)内存容量。一个内存所能存储的全部信息量称为内存容量。它可以以字长为单位来计算，也可以以字节为单位来计算。在以字节为单位时，约定以8位二进制位为一个字节(Byte，缩写为B)。(2)运算速度。它是用每秒能执行的指令条数来表示的，单位一般用MIPS(每秒百万条指令)表示。第2章数字逻辑基础2．1逻辑代数与逻辑门[简答]逻辑代数与普通代数的区别如下：逻辑代数和普通代数一样用字母代表变量，称为逻辑变量。和普通代数不同的是，逻辑变量的取值只有两种：”1”和”0”，这里的”1和”0”，不再像普通代数那样具有数值大小的含义，而是表示所研究问题的两个相互对立的逻辑状态。在逻辑关系中，最基本的逻辑关系只有“与、“或’’和“非三种，因此逻辑代数中变量的运算也只有“与、“或’’和“非”三种基本逻辑运算，而其他任何复杂的逻辑运算都可以用这三种基本逻辑运算来实现。1．逻辑“与关系若假设在表2—1中，用“1表示开关闭合或灯亮，用“0表示开关断开或灯灭，便可以得到反映开关状态与灯亮/灭之间因果关系的数学表达形式——逻辑真值表，简称真值表，如表2—2所示。由表2-2可知，逻辑变量Y与逻辑变量A、B之间的关系是：只有当A与B都是“1”是，Y才为“1”；否则，Y为“0”。这一关系用逻辑表达式表示为：Y=A·B或Y=AB式中，“·表示逻辑变量A、B的“与运算，又称为逻辑乘。逻辑与运算的规律是：0·0==00·1==01．0==01．1==12．逻辑“或关系其逻辑表达式表示为：Y=A+B式中，“+表示逻辑变量A、B的“或”运算，又称为逻辑加。逻辑或运算的规律是：0+0=00+1=11+0=11+1=13．逻辑“非关系当决定一件事情的条件不具备时，这件事情才会发生，这样的逻辑关系称为逻辑“非’’关系。非就是相反，就是否定。当开关A闭合时，灯Y灭；而当开关A断开时，灯Y会亮。所以对灯Y亮这一事件来说，开关A闭合是一种“非的逻辑关系。其逻辑表达式表示为：Y=A̅式中，字母A上方的符号“一”表示逻辑变量A的“非”或“反’’运算。逻辑非运算的规律是：0̅=11̅=04．常用复合逻辑运算除了与、或、非这三种基本逻辑运算之外，经常用到的还有基于这三种基本运算构成的一些复合运算，它们是与非(先“与’’后“非’’)、或非(先“或”后“非”)、异或等运算。与非、或非和异或运算的逻辑表达式分别是：𝐴∙B̅̅̅̅̅̅、𝐴+𝐵̅̅̅̅̅̅̅̅、A⨁B5．逻辑代数的运算法则[计算]根据逻辑与、或、非的三种运算法则，可推导出逻辑运算的一些基本定律和法则，其中最常用的有以下几种：(1)关于变量与常量的关系A+0=AA+1=AA+A̅=1A∙0=AA+1=1A∙A̅=0(2)重复律A∙A=AA+A=A(3)吸收率A+A∙B=AA(A+B)=A(4)分配律A(B+C)=A·B+A·CA+B·C=(A+B)∗(A+C)(5)交换律A+B=B+AA·B=B·A(6)结合律(A+B)+C=A+(B+C)(A∙B)∙C=A∙(B∙C)(7)反演律𝐴∙𝐵∙𝐶…̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅=𝐴̅∙𝐵̅∙𝐶̅∙…𝐴+𝐵+𝐶…̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅=𝐴̅+𝐵̅+𝐶̅∙…2.2组合逻辑电路．[单选、填空]通常数字系统的逻辑电路可以分为两大类：组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路是指电路的输出状态只与当时输入状态有关，而与电路的以前状态无关，即输出与输入的关系具有即时性，不具备记忆功能。2.3常用时序电路[单选、填空]逻辑电路中的输出状态不但与当时的输入状态有关，而且还与电路以前的输入状态有关，这种逻辑电路称为时序逻辑电路。因此，时序逻辑电路中必须要有能够储存信息的记忆元件――触发器。触发器也是构成各种复杂时序逻辑电路中的基本部件。[单选、填空]触发器的种类很多，按时钟控制方式来分，有电位触发、边沿触发、主从触发等方式的触发器；按功能来分，有RS型、D型、JK型等触发器。同一功能的触发器可以由不同的触发方式来实现，因此在选用触发器时必须考虑触发方式。．[单选、填空]计算机中的许多部件都需要有能够暂时寄存数据的部件，而寄存器就是这样的部件，它具有接收信息、存放信息或传递信息的功能。寄存器主要由触发器和一些控制门构成。由于一个触发器只能存放1位二进制信息，那么存放n位二进制信息的寄存器就需要n个触发器来构成。[简答]74LS175的具体逻辑功能如下：(1)异步清零。当MR=0时，寄存器处于异步清零工作方式。这时，不管其他输人端的状态如何(包括时钟信号CLK)，寄存器Q3～Q0被直接清零。由于清零不受时钟信号CLK控制，因而称为异步清零。(2)同步并行置数。当MR=1时，在CLK上升沿作用下，数据输人端D3～D0的数据将被分别置人Q3～Q0。由于置数操作要与CLK上升沿同步，且D3～D0的数据同时置人寄存器，所以称为同步并行置数。(3)保持功能。当MR=1时，在CLK上升沿以外的时间，寄存器的内容保持不变，即各个输出端的状态与输人数据无关。[填空]移位寄存器不仅能够存储数据，而且具有移位的功能。按照数据移动的方向，可分为单向移位和双向移位两大类。[填空、简答]计算器的分类主要有下面几种：(1)按构成计数器的触发器的翻转次序分类，可分为异步计数器和同步计数器。．当计数脉冲CLK输入时，所有触发器同时都翻转的计数器称为同步计数器；当计数脉冲CLK输人时，各级触发器不同时翻转的计数器称为异步计数器。(2)按计数过程中计数器中数字的增减来分类，可分加法计数器、减法计数器和可逆计数器(加减计数器)。(3)按计数器中数字的编码方式来分类，可分为二进制计数器和十进制计数器。第3章计算机中的信息表示[填空]在计算机中，信息分为两大类：数据信息和控制(指令)信息。数据信息泛指计算机处理的对象，它们又可分为数值型数据和非数值型数据。(如文字、声音、图像等)；控制信息就是控制计算机工作的信息，计算机执行指令时，用指令产生的各种操作命令控制有关操作，所以指令序列属于控制信息。3.1数值型数据的表示[填空]所谓进位计数制，就是人们利用数字符号来计数的方法。凡是用数字符号排列，按由低位向高位进位计数的方法叫做进位计数制，简称计数制或进位制。进位计数制有很多种，计算机科学中常用的是二进制、十进制、十六进制。[填空]一个数无论采用何种进位制表示，都包含两个基本要素：基数和位权。(1)基数任何一种计数制允许选用的基本数字符号的个数叫做基数。例如，十进制中有0~9共十个符号，基数为10；二进制中只有0和1共两个符号，基数为2。(2)位权一个数字符号所表示的数值等于该数字乘以一个与它所在数位有关的常数，这个常数叫做“位权”，简称“权”。位权的大小是指以基数为底，数字符写所在位置的序号为指数的整数次幂。[简答]二进制数与其他数制相比，具有以下一些特点：(1)容易实现。(2)工作可靠。(3)运算简单。(4)便于逻辑运算与逻辑设计。[计算]无符号数是指整个机器字长，的全部二进制位均表示数值位(没有符号位)，相当于数的绝对值。对于机器字长为，n位的无符号数的表示范围是0~(2𝑛−1)，此时二进制的最高位也是数值位，其权值等于2—1。若字长为8位，则数的表示范围为0~255。带符号数的正号“＋”或负号“－”，计算机是无法识别的，因此在计算机中需要把数的正、负符号数码化。一般用数的最高位表示数的正负，通常约定“0”表示正号，“1”表示负号。[计算]十进制使用的数字符号为0~9共10个符号，各位的权是以10为底的幂；二进制使用的数字符号为0和1，各位的权是以2为底的幂。十六进制使用数字0、1、……、9，以及英文字母A、B、C、D、E、F，共16个符号，其中，A、B、C、D、E、F分别代表十进制数中的10、11、。12、13、14、15，各位的权是以16为底的幂。(1)十进制数转换为二进制数整数用“除2取余”，小数用“乘2取整’’的方法。例如：(14.35)10=(1110.01011)2(2)十六进制数转换为二进制数不论是十六进制的整数部分或小数部分，只要把每一位十六进制数用等值的四位二进制数代替即可。例如：(3AB.7E)16=(001110101011.01111110)2(3)二进制数转换为十六进制数整数部分由小数点向左每四位一组，小数部分由小数点向右