计算机概述与数据表示和运算

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实现计算机与输入输出设备之 间的连接和数据传输控制。
输入输出系统的组成
包括输入设备、输出设备、接 口电路、控制电路和软件等部 分。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为 人们能够识别的形式，如显示 器、打印机等。
输入输出软件
提供用户与输入输出设备之间 的交互界面，以及管理输入输 出设备的驱动程序等。
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运算器的工作原理
运算器的工作原理可以概括为取指、译码、执行、写回四个阶段。在取指阶段，运算器从内存中读取 指令；在译码阶段，将指令翻译成相应的操作；在执行阶段，根据指令的要求进行相应的算术或逻辑 运算；在写回阶段，将运算结果写回到寄存器或内存中。
04
指令系统与寻址方式
指令格式与寻址方式概述
指令格式
指令集架构
01
定义了CPU可执行的指令集合、寄存器组、中断和异常处理机
制等。
微架构
02
实现指令集架构的物理设计，包括流水线设计、分支预测、乱
序执行等优化技术。
工作原理
03
取指、译码、执行、访存、写回，通过流水线技术提高指令执
行效率。
06
存储系统与输入输出系统
存储器的层次结构与主存储器
存储器的层次结构
时钟频率
CPU的工作频率，通常以GHz为单位，频率 越高性能越好。
缓存容量
CPU内置的临时存储器，用于存放频繁访问 的数据和指令，提高处理速度。
核心数量
一个CPU芯片上集成的处理器核心数量，多 核心可提升并行处理能力。
发展趋势
更高性能、更低功耗、更多核心、更大缓存、 集成更多功能。
CPU的内部结构与工作原理
Unicode编码
统一字符编码标准，采用16位二进 制数表示一个字符，可以表示世界上 几乎所有的字符。
UTF-8编码
一种变长字节表示的Unicode字符集 编码方式，可以用1到4个字节表示 一个字符。
字符串的表示
由零个或多个字符组成的有序字符序 列，通常以'0'作为结束标志。
03
运算方法与运算器
定点数的表示和运算
定点数的表示
定点数是小数点位置固定不变的数，其表 示方法主要有原码、反码和补码三种。在 计算机中，定点数通常使用补码表示，因 为补码具有运算简单、易于实现等优点。
定点数的运算
定点数的运算主要包括加减乘除四种 基本运算。在运算过程中，需要考虑 溢出、精度损失等问题，并采取相应 的处理措施。
浮点数的表示和运算
操作数所在内存单元的 地址通过寄存器间接给 出。
指令的执行过程与微操作控制
指令执行过程
取指、分析、执行。
微操作控制
通过微操作控制信号对微操作进行控制，微操作控制信号由微程序控 制器或硬连线控制器产生。
微程序控制器
将一条机器指令编写成一个微程序，每一个微程序包含若干条微指令， 每一条微指令对应一个或几个微操作。
计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统包括中央处理器、存储器、输入输出设 备等，是计算机的物理基础。
软件系统包括系统软件和应用软件，是计算机的 逻辑基础，用于管理和控制计算机的运行。
02
数据表示
数制与数制转换
二进制数
计算机内部使用的数制，每一位的权值是 2的幂，只有两个数字0和1。
虚拟存储器
02
03
虚拟存储器的实现
利用辅存来逻辑上扩充主存，使 得用户可以使用比实际主存容量 更大的存储空间。
依赖于操作系统的内存管理，采 用请求分页或请求分段等方式实 现。
输入输出系统的组成与工作原理
输入设备
将各种形式的信息转换为计算 机能够识别的二进制代码，如 键盘、鼠标等。
接口电路和控制电路
包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器，各层次之间速 度、容量和价格存在权衡。
主存储器的构成
一般由动态随机存取存储器（DRAM）构成，用于存放程序和 数据的副本。
主存储器的性能指标
包括存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽等。
辅助存储器与虚拟存储器
01
பைடு நூலகம்辅助存储器
以磁盘、固态硬盘（SSD）等作 为存储介质，用于永久保存大量 信息。
A 十进制数
日常生活中最常用的数制，每一位 的权值是10的幂。
B
C
D
数制转换方法
包括整数部分和小数部分的转换，通过乘 除法和取余取整操作实现不同数制间的转 换。
十六进制数
一种简化二进制表示的方法，用16个数字 0-9和字母A-F表示，每一位的权值是16 的幂。
数据的机器码表示
原码
符号位加上真值的绝对值，最 高位为符号位（0表示正，1表
指令由操作码和地址码两部分组成，操 作码指明操作的性质，地址码表示操作
数的地址或操作数本身。
指令字长
一个指令字中包含二进制代码的位数。
寻址方式
确定本条指令的数据地址以及下一条 要执行的指令地址的方法。
机器字长
计算机能直接处理的二进制数据的位 数。
指令的寻址过程与数据传送方式
立即寻址
直接寻址
间接寻址
计算机概述与数据表 示和运算
目录
• 计算机概述 • 数据表示 • 运算方法与运算器 • 指令系统与寻址方式 • 中央处理器 • 存储系统与输入输出系统
01
计算机概述
计算机的定义与发展
计算机是一种基于微处理器的智 能电子计算机器，具有高速运算、
存储和处理数据的能力。
计算机的发展经历了机械计算机、 电子管计算机、晶体管计算机、 集成电路计算机和超大规模集成
硬连线控制器
通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制器。
05
中央处理器
CPU的功能与组成
控制器
负责协调计算机各部件工作，包括取指令、分析 指令和执行指令。
运算器
执行算术运算和逻辑运算，如加减乘除、与或非 等。
寄存器组
包括通用寄存器、程序计数器等，用于暂存数据 和地址。
CPU的性能指标与发展趋势
示负）。
反码
正数的反码与其原码相同；负 数的反码是对其原码逐位取反 ，但符号位除外。
补码
正数的补码与其原码相同；负 数的补码是在其反码的末位加1 。
移码
补码符号位取反得到移码，用 于表示浮点数的阶码。
字符与字符串的表示
ASCII码
美国标准信息交换代码，用7位二进 制数表示一个字符，共128个编码。
寄存器寻址
寄存器间接寻址
操作数就在指令中，紧 跟在操作码后面，作为 指令一部分存放在内存 的代码段中，该操作数 为立即数，这种寻址方 式称为立即寻址方式。
存储单元的有效地址EA （即操作数的有效地址） 直接由指令给出。
操作数所在内存单元的 地址通过存储器间接给 出。
操作数包含在寄存器中 ，寄存器的名称由指令 指定。
浮点数的表示
浮点数是小数点位置可以变动的数，其表示方法类似于科学计数法。浮点数的表示范围比定点数更大，可以表示 非常大或非常小的数。
浮点数的运算
浮点数的运算同样包括加减乘除四种基本运算。在运算过程中，需要考虑精度损失、溢出、下溢等问题，并采取 相应的处理措施。
运算器的组成与工作原理
运算器的组成
运算器是计算机中执行算术和逻辑运算的部件，主要由算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、数据总线等部 分组成。
电路计算机等阶段。
随着技术的不断进步，计算机的 性能不断提高，应用领域也不断
扩展。
计算机的分类与应用
根据计算机的规模和处理能力，可分为巨型机、大型机、小型机、微型机和单片机 等。
根据计算机的用途，可分为通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域非常广泛，包括科学计算、数据处理、自动控制、计算机辅助设 计、人工智能等。