微型计算机基础概论
- 一、前言
- 二、微型计算机系统
- 计算机的发展历程
- 1.电子管计算机时代（1946~1956年）
- 2.晶体管计算机时代（1957~1964年）
- 3.中小规模集成电路计算机时代 （1965~1970年）
- 4.大、超大规模集成电路计算机时代 （1971年至今）
- 计算机系统组成
- 硬件系统
- 主机系统
- 微处理器（CPU）
- 存储器
- 内存储器
- 输入/输出接口
- 总线
- 外部设备
- 软件系统
- 系统软件
- 应用软件
- 三、微型计算机的一般工作过程
- 1. 计算机中指令的执行过程
- 顺序执行
- 并行流水线工作方式
- 四、计算机中的数制与编码
- 十进制表示法
- 二进制表示法
- 十六进制表示法
- 八进制表示法
- 非十进制数到十进制数的转换
- 十进制数到非十进制数的转换
- 二进制数与非十进制数的转换
- 二进制数与十六进制数的转换
- 二进制数与八进制数的转换
- 五、计算机中数的表示与运算
- 浮点数
- 无符号数
- 有符号数
- 原码
- 反码
- 补码
- 例题
- 设 X=+66，Y=-51，求X+Y=？
- 设 X=+51，Y=+66，求X-Y=？
一、前言
计算机技术是20世纪发展最快的技术之一。虽然我们一直在用它，但是你知道其中的具体原理吗？你知道一台计算机是怎么工作的吗？
读完这篇文章，也许就能给你带来启发。
二、微型计算机系统
计算机的发展历程
1.电子管计算机时代（1946~1956年）
电子计算机的主要特点是使用电子管作为逻辑元件。
它的五个基本部分为运算器，控制器，存储器，输入器和输出 器。运算器和控制器采用电子管，存储器采用电子管和延迟线，这一代计算机的一切操作，包括输入，输出在内，都由中央处理机集中控制。这种计算机主要用于科学技术方面的计算。
2.晶体管计算机时代（1957~1964年）
在20世纪50年代之前，计算机都采用电子管作元件。电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多， 可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。
于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小，重量轻，寿命长，效率高，发热少，功耗低等优点。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机的设想也就更容易实现了。 用晶体管制造的计算机标志着计算机发展进入了第二代。
3.中小规模集成电路计算机时代 （1965~1970年）
集成电路的发明和应用标志着计算机进入了第三代，由于采用集成电路，计算速度提高到几十万次，甚至上千万次，内存容量达几百K，结构实现了积木化，磁芯存储器被大规模集成 电路的半导体存储器取代。
因而一台大型机就成为一个计算中心。 计算机开始普及到商业管理领域，自动控制行业和科学单位等。
4.大、超大规模集成电路计算机时代 （1971年至今）
进入20世纪60年代后，微电子技术发展迅猛。
在1967 年和1977年，分别出现了大规模集成电路和超大规模集成 电路，并立即在电子计算机上得到了应用。由大规模和超 大规模集成电路组装成的计算机，就被称为第四、五代电 子计算机（微型计算机）。
计算机的发展趋势是向“两极”分化：
- 一极是微型机向更微型化、网络化、高 性能、多用途方向发展。
- 另一极则是巨型机向更巨型化、超高速、 并行处理、智能化方向发展。
计算机系统组成
硬件系统
硬件系统又分为主机系统和外部设备。
主机系统
微处理器（CPU）
微处理器简称CPU，是计算机的核心。
主要组成为运算器、控制器、寄存器。
存储器
计算机中的记忆装置。用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。
存储器又分为内存储器和外存储器：
内存储器
- 内存按单元组织，每单元都有一个唯一的地址
- 每个内存单元中存放 1Byte数据
- 内存单元个数称为内存容量
存放的数据量用字节表示，每8位0或1称为 1字节 （Byte）
这就像抽屉和抽屉里的文件，每个抽屉有对应的地址，每个抽屉里的文件和地址很类似，这一点需要注意区分。
另外，内存储器按工作方式可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）
输入/输出接口
接口是CPU与外部设备间的桥梁。
主要功能：
- 数据缓冲寄存
- 信号电平或类型的转换
- 实现主机与外设间的运行匹配
总线
总线是一组导线和相关的控制、驱动电路的集合、是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的通道。
外部设备
外部设备即所有可以通过输入输出接口与计算机进行信息交换的电子设备
软件系统
计算机的软件系统是指计算机在运行的各种程序、数据及相关的文档资料。
计算机系统软件能保证计算机按照用户的意愿正常运行，为满足用户使用计算机的各种需求，帮助用户管理计算机和维护资源执行用户命令、控制系统调度等任务。
计算机软件系统通常被分为系统软件和应用软件两大类。虽然各自的用途不同，但他们的共同点是都存储在计算机存储器中，以某种格式编码书写的程序或数据。
系统软件
系统软件是指担负控制和协调计算机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的一类计算机软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序、数据库系统和网络管理系统。
应用软件
应用软件是指为特定领域开发、并为特定目的服务的一类软件。应用软件是直接面向用户需要的，它们可以直接帮助用户提高工作质量和效率，甚至可以帮助用户解决某些难题。
三、微型计算机的一般工作过程
计算机的工作就是按照一定的顺序，一条条地执行指令。
1. 计算机中指令的执行过程
指令是由人向计算机发出的、能够为计算机所识别的命令。程序是指令的序列，计算机的工作是逐条执行由指令构成的程序。
指令的执行流程：
这里有两种执行方式：
- 顺序执行：
一条指令执行完了再执行下一条指令。 - 并行执行：
同时执行两条或多条指令。
顺序执行
最有代表性的就是冯·诺依曼结构：
并行流水线工作方式
最具有代表性的是哈佛结构：
四、计算机中的数制与编码
人类最习惯的计数制是十进制，而计算机由具有两种状态的开关器件组成，可以用0 和1分别表示两种不同的状态，即用二进制表示。
计算机中采用二进制，因为计算机硬件唯一能够识别的是二进制数。任何其它计数制和各种信息要让计算机处理，都需要借助软件转换为二进制。
但是，二进制的计算量很大，因此我们经常采用八进制、十进制或是十六进制来存储数据。
十进制表示法
以10为底，逢10进位
- 共有0-9十个数字符号，用D（decimal）表示
二进制表示法
以2为底，逢2进位
- 共有0、1两个数字符号，用B（binary）表示
十六进制表示法
以16为底，逢16进位
- 有0-9及A-F共16个数字符号，用H（hex）表示
八进制表示法
以8为底，逢8进位
- 有0-7共8个数字符号，用O（octal）表示
非十进制数到十进制数的转换
按相应的权表达式展开：
十进制数到非十进制数的转换
对二进制的转换：
对整数：除2取余；
对小数：乘2取整。对十六进制的转换：
对整数：除16取余；
对小数：乘16取整。对八进制的转换：
对整数：除8取余；
对小数：乘8取整。
例1：将十进制数13.125转换为二进制数。
整数部分：
小数部分：
例2：将十进制数301.6875转换为十六进制
整数部分：
小数部分：
二进制数与非十进制数的转换
二进制数与十六进制数的转换
用4位二进制数表示1位十六进制数
- 整数部分，从小数点向左组，每4位一组，不够4位的 高位补0。
- 小数部分，从小数点向右分组，不够4位的 在低位补0。
二进制数与八进制数的转换
用3位二进制数表示1位八进制数
- 整数部分，从小数点向左组，每3位一组，不够3位的 高位补0。
- 小数部分，从小数点向右分组，不够3位的 在低位补0。
浮点数
浮点数是指小数点的位置可以左右移动的数据。此类数实际上是用指数形式表示。
无符号数
无符号数即没有正负之分的数。
无符号数的运算方法：
有符号数
用最高位表示符号，其余是数值 。（0表示正数 ；1表示负数）
符号数的表示方法：
- 原码
- 反码
- 补码
原码
最高位为符号位（用“0”表示正，用“1”表示负）， 其余为真值部分。
反码
对一个机器数X：
若X>0 ，则
若X<0， 则 对应原码的符号位不变，其余 数值部分按位求反。
0的反码：
数0的反码也不是唯一的。
补码
- 若X>0， 则
- 若X<0， 则
即负数的补码等于对其原码的符号位不变其余位求反后再加一。
0的补码：
例题
设 X=+66，Y=-51，求X+Y=？
设 X=+51，Y=+66，求X-Y=？
