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备课笔记(计算机原理).doc
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《计算机原理》电子教案
钟晓
第一章 绪论
1.1 计算机的分类和应用
1.1.1 计算机的分类
计算机分类:
l 模拟:处理在时间和数值上连续的量
l 数字:处理离散的量
数字计算机分类:
l 专用计算机:如工控机、DSP、IOP 等
l 通用计算机:GPP
通用机分类:
巨型机(Super-Computer)、大型机(Mainframe)、中型机(Medium-size Computer)、小型机
(minicomputer)、微型机(microcomputer)、单片机(Single-Chip Computer)
1.1.2 计算机的应用
l 科学计算
传统方式:工作量大、人工处理慢
l 自动控制:数控机床、流水线控制
l 测量和测试:提高精度、在恶劣条件下的测量
l 信息处理:
l 教育、卫生:计算机辅助教学(CAI)、多媒体教室、CT(Computerized tomography)
l 家电
l 人工智能
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1.2 计算机的硬件
1.2.1 数字计算机的硬件组成
五大组成部分:运算器、控制器、存储器、输入/输出设备。
概念:存储单元、地址、存储容量、外存储器、内存储器、指令、程序、指令的组成、存储程序、
程序控制、指令系统、指令周期、执行周期、CPU、主机、数据字、指令字、数据流、指令流、适
配器。
冯·诺依曼体系结构:
(1) 采用二进制形式表示数据和指令
数据和指令在代码的外形上并无区别.都是由 0 和 1 组成的代码序列,只是各自约定的含义
不同而已。采用二进制、使信息数字化容易实现,可以用二值逻辑工具进行处理。程序信息本身
也可以作为被处理的对象,进行加工处理,例如对照程序进行编译,就是将源程序当作被加工处
理的对象。
(2) 采用存储程序方式
这是诺依曼思想的核心内容。如前所述,它意味着事先编制程序,事先将程序(包含指令和数
据)存入主存储器中,计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。
这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序,计算机功能的扩展在很大程
度上体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。
诺依曼机的这种工作方式,可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列,依次读取
指令;根据指令所含的控制信息,调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中,始终以控制信
息流为驱动工作的因素,而数据信息流则是被动地被调用处理。为了控制指令序列的执行顺序,
我们设置一个程序(指令)计数器 PC(Program Counter),让它存放当前指令所在的存储单元的地址。
如果程序现在是顺序执行的,每取出一条指令后 PC 内容加 l,指示下一条指令该从何处取得。如
果程序将转移到某处,就将转移后的地址送入 PC,以便按新地址读取后继指令。所以,PC 就像一
个指针,一直指示着程序的执行进程,也就是指示控制流的形成。虽然程序及数据都采用二进制
代码,仍可按照 PC 的内容作为地址读取指令,再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多
数情况下程序是顺序执行的,所以大多数指令需要依次地紧挨着存放,除了个别即将使用的数据
可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。
(3) 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统,并规定了这
五部分的基本功能。
上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想,并开创了程序设计的新时代。到目前为止,绝
大多数计算机仍沿用这一体制,称为诺依曼机体制。学习计算机工作原理也就从诺依曼概念入门。
传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制,即使有关数据巳经准备好,也必须
逐条执行指令序列;而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理:因此,近年来人们在谋求突
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破传统诺依曼体制的束缚,这种努力被称为非诺依曼化。对所谓非诺依曼化的探讨仍在争议中,
一般认为它表现在以下三个方面的努力。
l 在诺依曼体制范畴内,对传统诺依曼机进行改造,如采用多个处理部件形成流水处理,
依靠时间上的重叠提高处理效率;又如组成阵列机结构,形成单指令流多数据流,提高处理速度。
这些方向已比较成熟,成为标准结构。
l 用多个诺依曼机组成多机系统,支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。
l 从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如,采用数据流驱动工作方式的数据流
计算机,只要数据已经准备好,有关的指令就可并行池执行。这是真正非诺依曼化的计算机,它
为并行处理开辟了新的前景,但由于控制的复杂性,仍处于实验探索之中。
1.2.2 计算机系统结构的过去和未来
发展:电子管→晶体管→集成电路→大规模、超大规模集成电路
趋势:
l 由于计算机网络和分布式计算机系统能为信息处理提供廉价的服务,因此计算机系统
的进一步发展,“三网合一”,将进入以通信为中心的体系结构。
l 计算机智能化将进一步发展,各种知识库及人工智能技术将进一步普及,人们将用自
然语言和机器对话。计算机从数值计算为主过渡到知识推理为主,从而使计算机进入知识处理阶
段。
l 随着大规模集成电路的发展,不仅用多处理机技术来实现大型机系统功能,而且会出
现计算机的动态结构,即所谓模块化计算机系统结构。
l 多媒体技术将有重大突破和发展,并在微处理机、计算机网络及通信等方面引起一次
巨大变革。
1.3 计算机的软件
计算机硬件是载体,软件是灵魂。
1.3.1 软件的组成及分类
分类:系统程序、应用程序
1.3.2 软件的发展演变
手编程序(目的程序)→汇编程序→算法语言(高级语言)
高级语言及机器语言的转换:编译系统、解释系统
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操作系统、数据库
1.4 计算机系统的层次结构
1.4.1 多级组成的计算机系统
图 1.6 五个级别:第一级微程序设计级、第二级是一般机器级、第三级是操作系统级、第四级是
汇编语言级、第五级是高级语言级。
1.4.2 软件及硬件的逻辑等价性
补充:计算机的性能指标
l 基本字长
基本字长是指参及运算的数的基本位数,它标志着计算精度。位数越多,精度越高,但硬件成本
也越高,因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。
l 主存容量
主存储器是 CPU 可以直接访问的存储器,需要执行的程序及需要处理的数据就放在主存之中。主
存容量大则可以运行比较复杂的程序,并可存入大量信息,可利用更完善的软件支撑环境。所以,
计算机处理能力的大小在很大程度上取决于主存容量的大小。
l 外存容量
外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储器容量。由于操作系统、编译程序及众多的软
件资源往往存放在外存之中,需用时再调入主存运行。在批处理、多道程序方式中,也常将各用
户待执行的程序、数据以作业形式先放在外存中,再陆续调入主存运行。所以,联机外存容量也
是一项重要指标,一般以字节数表示。
l 运算速度
同一台计算机,执行不同的运算所需时间可能不同,因而对运算速度的描述常采用不同方法。常
用的有 CPU 时钟频率、每秒平均执行指令数(ips)、单独注明时间等。
l 所配置的外围设备及其性能指标
外围设备配置也是影响整个系统性能的重要因素,所以在系统技术说明中常给出允许配置情况及
实际配置情况。
l 系统软件配置情况
作为一种硬件系统,允许配置的系统软件原则上是可以不断扩充的,但实际购买的某个系统究竟
已配置哪些软件,则表明它的当前功能。
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第二章 运算方法和运算器
2.1 数据及文字的表示方法
2.1.1 数据格式
在选择计算机的数的表示方式时,应当全面考虑以下几个因素:
l 要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数):决定表示方式
l 可能遇到的数值范围:确定存储、处理能力
l 数值精确度:处理能力相关
l 数据存储和处理所需要的硬件代价:造价高低
两种常用格式:
l 定点格式:定点格式容许的数值范围有限,但要求的处理硬件比较简单;
l 浮点格式:容许的数值范围很大,但要求的处理硬件比较复杂。
1) 定点数表示法
定点指小数点的位置固定,为了处理方便,一般分为定点纯整数和纯小数。
2) 浮点数表示法
由于所需表示的数值取值范围相差十分悬殊,给存储和计算带来诸多不便,因此出现了浮点运算
法。
浮点表示法,即小数点的位置是浮动的。其思想来源于科学计数法。
IEEE754 的浮点数(比较特殊)
浮点数的规格化:主要解决同一浮点数表示形式的不唯一性问题。规定 ,否则尾数要进行左移或
右移。
机器零的概念:尾数为 0 或是阶码值小于所能表示的最小数。
3) 十进制数串的表示方法
由于人们对十进制比较熟悉,因此在计算机中要增加对十进制运算的支持。
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