第1章 計算機技術(shù)概述

第1章計算機技術(shù)概述思考：還有哪些領(lǐng)域不用計算機？1.1計算機的發(fā)展歷史1.2計算機組成和工作原理1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.1計算機的發(fā)展歷史阿蘭?麥席森?圖靈計算機科學(xué)之父人工智能之父現(xiàn)代電子計算機之父約翰?馮?諾依曼計算機狂人蘋果教父史蒂夫?喬布斯1.1計算機的發(fā)展歷史（1946年～1958年）（1959年～1964年）第1代：電子管計算機時代第2代：晶體管計算機時代第3代：集成電路計算機時代（1965年～1970年）第4代：大規(guī)模集成電路計算機時代（1971年～至今）趨勢：第五代計算機是把信息采集、存儲、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計算機系統(tǒng)。1.2計算機組成和工作原理1.2.1基本組成1.計算機有5大組成部分2.計算機內(nèi)部直接用二進制進行運算3.程序存儲和程序控制原理美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼1.2計算機組成和工作原理1.2.2二進制編碼原因：1）二值器件（如開/關(guān)）物理上容易實現(xiàn)；

2）“是”和“否”二種狀態(tài)的判斷最為簡單和穩(wěn)定

3）便于算術(shù)和邏輯運算、運算規(guī)則簡單

十進制二進制十六進制規(guī)則逢十進一逢二進一逢十六進一基數(shù)10216數(shù)符0,1,…,90,10,1,…,9,A,B,…,F位權(quán)10i2i16i表示DBH常用進制1.2計算機組成和工作原理1.2.2二進制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換①十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成其他進制數(shù)——采用“除以基數(shù)逆序取余”法237218292422210……余1……余0……余1……余0……余0……余1高位低位16101416631630……余6……余15(F)……余3高位低位將十進制數(shù)37轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)將十進制數(shù)1014轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)1.2計算機組成和工作原理1.2.2二進制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換②其他進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)——采用“按權(quán)展開累加”法將二進制數(shù)1110101B轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)將十六進制數(shù)57CAH轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)1110101B＝1×26＋1×25＋1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＝64＋32＋16＋0＋4＋0＋1

＝11757CAH＝5×163＋7×162＋12×161＋10×160

＝5×4096＋7×256＋12×16＋10×1

＝224741.2計算機組成和工作原理1.2.2二進制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換③二進制數(shù)和十六進制數(shù)間的互換——采用“8421”法將二進制數(shù)11010011101B轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)將十六進制數(shù)A2C7H轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)因為23=8、22=4、21=2、20=1，二進制數(shù)1111B=15，而十六進制數(shù)FH=15，因此4位二進制數(shù)正好對應(yīng)1位十六進制數(shù)。01101001110169DA

2

C

710100010110001111.2計算機組成和工作原理1.2.2二進制編碼提示

數(shù)制轉(zhuǎn)換也可以采用Windows自帶的“計算器”程序來實現(xiàn)1.2計算機組成和工作原理1.2.3存儲程序

計算機是利用“存儲器”（內(nèi)存）來存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。地址101000101地址210100001地址300101010地址410100110地址………地址n00001111存儲單元的地址編碼數(shù)據(jù)（指令、各類信息數(shù)據(jù)）是如何存放在存儲器中的？按地址去尋找、訪問存儲單元里的內(nèi)容一個存儲單元即一個字節(jié)(8位)1.2計算機組成和工作原理1.2.3存儲程序存儲器按其存取信息的方式可分為兩類：隨機存取存儲器：地址按線性排列，CPU按地址在極短的時間內(nèi)找到該存儲單元的位置。順序存取存儲器：只能按順序存取，對各個單元的存取時間不同，總體速度比較慢。1.2計算機組成和工作原理1.2.4指令系統(tǒng)

“存儲程序控制”原理：每個問題的解算步驟（程序）連同它所處理的數(shù)據(jù)都使用二進制表示，并預(yù)先存放在存儲器中。由于計算機只認識“機器語言”，所有通過輸入設(shè)備輸入的指令都首先由計算機“翻譯”成計算機能夠識別的機器指令，再根據(jù)指令的順序逐條執(zhí)行。指令：用來指揮硬件動作的命令指令組成：操作碼（指明計算機執(zhí)行何種操作）、地址碼（指明參與運算的數(shù)據(jù)在內(nèi)存或I/O設(shè)備的位置）指令系統(tǒng)：計算機系統(tǒng)中所有指令的集合。指令的執(zhí)行：取指令→分析指令→執(zhí)行指令→存操作結(jié)果1.2計算機組成和工作原理1.2.4指令系統(tǒng)每個計算機工作時，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)數(shù)據(jù)，按指令的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進行算術(shù)處理。程序在計算機中的執(zhí)行過程1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.1數(shù)據(jù)的存儲單位

B、KB、MB、GB、TB1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B★1024(210)進位在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以二進制形式存儲和運算的，數(shù)據(jù)的存儲單位有位、字節(jié)和字。位（bit）字節(jié)（byte）字（word）1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.2西文字符在計算機中的存儲

在計算機系統(tǒng)中，目前西文字符主要采用ASCII碼，它是美國標準信息交換碼，已被國際標準化組織（ISO）定為國際標準。ASCII碼有7位基本ASCII碼（詳見表1-2）和8位擴展ASCII碼兩種。

基本ASCII碼：只包含128個代碼，每個代碼用7位二進制來表示，占1個字節(jié)的低7位，最高位用0填充。字符ASCII十六進制表示S0101001151ht0111010074hu0111010175hd0110010064he0110010165hn0110111067ht0111010074h

單詞Student在計算機中的表示1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.3漢字在計算機中的存儲

在漢字的情況較西文復(fù)雜表現(xiàn)在:?一個字節(jié)(28)只有256個編碼狀態(tài),不足以表示常用漢字的數(shù)量。?如果用雙字節(jié)(28×28＝65536)，必須在編碼技術(shù)上采用其他的一些措施與單字節(jié)的ASCII碼區(qū)分(如字節(jié)的最高位置1等)

國標碼（GB2312-80）——在ASCII碼的基礎(chǔ)上，為6763個常用漢字和682個其他符號規(guī)定了2字節(jié)的代碼（每個字節(jié)的最高位是0）。

機內(nèi)碼——國標碼在計算機內(nèi)容易與ASCII碼產(chǎn)生混淆，因此將兩個字節(jié)的最高為置成“1”，形成機內(nèi)碼。

如：“巧”，國標碼是00111001B（39H）、01000001B（41H）

機內(nèi)碼是10111001B（B9H）、11000001B（C1H）

其他編碼：GBK、GB18030、BIG5、UCS、BMP、Unicode等。1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.3漢字在計算機中的存儲

輸入碼——為將漢字輸入到計算機而設(shè)計的編碼。輸出碼（字形碼）——為了漢字的顯示或打印而設(shè)計的編碼。漢字字形主要有點陣和矢量兩種表示方法。其中點陣字形是用一個排列成方陣的點的黑白來描述漢字例如，16×16漢字點陣有256個點，需要256位二進制位來表示一個漢字的字形碼，占用字節(jié)為：16*16/8=32B1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.4圖像信息在計算機中的

圖像信息是由構(gòu)成圖像各個部分的顏色、深淺等因素組成，圖像被分割得愈細，愈能完整地表示各部分信息內(nèi)容。

圖像分解為X行Y列，這樣該圖像就有了X*Y個“點”（稱為像素），用3個字節(jié)分別來表示每個點的“紅、綠、藍”（RGB）三原色的信息，每個字節(jié)有0-255的不同編碼，表示了某種顏色的深淺程度。1.3數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的表示1.3.5聲音信息在計算機中的存儲

聲音是一種具有一定的振幅和頻率且隨時間變化的聲波，通過話筒等轉(zhuǎn)化裝置可將其變成相應(yīng)的電信號，但這種電信號是一種模擬信號，即連續(xù)變化的信號，不能由計算機直接處理。聲音的模擬信號采樣量化編碼聲音的數(shù)字信號1.4計算機系統(tǒng)的基本組成

主機軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)（Windows、Linux、UNIX等）系統(tǒng)服務(wù)程序（診斷程序等）程序設(shè)計語言和語言處理程序軟件應(yīng)用軟件（辦公軟件、輔助設(shè)計工具、網(wǎng)絡(luò)通信軟件等）外部設(shè)備輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標器、光筆、掃描儀等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機、繪圖儀、音箱等）外存儲器（硬盤、光盤、優(yōu)盤等）其他設(shè)備（聲卡、網(wǎng)卡、顯卡等）內(nèi)存儲器只讀存儲器（ROM）隨機存取存儲器（RAM）中央處理器（CPU）運算器控制器、寄存器等硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

1、中央處理器（CPU）中央處理器將運算器和控制器集成在同一個芯片中。它是一個由算術(shù)邏輯運算單元、控制器單元、寄存器組以及內(nèi)部系統(tǒng)總線等單元組成的大規(guī)模集成電路芯片。

CPU是整個微機的核心部件，主要任務(wù)是進行算術(shù)元算或邏輯運算，并組織、指揮和協(xié)調(diào)計算機各個部件的工作可以直接訪問內(nèi)存。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

2、存儲器

(1)內(nèi)存儲器是計算機各種信息存放和交換的中心，當前運行的程序和數(shù)據(jù)必須在內(nèi)存中。按存取方式，內(nèi)存可分為只讀存儲器（ROM）和隨機讀寫存儲器（RAM）。

計算機在使用存儲器時總是遇到兩個矛盾：容量不夠大；速度不夠快。

為了解決這兩個問題，可借助兩外兩類存儲器：外部存儲器和高速緩沖存儲器。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

2、存儲器

(2)外存儲器的特點是存儲容量大，信息能永久保存，但相對內(nèi)存儲器來說存儲速度慢。目前，常用的外存儲器主要有硬盤、光盤、可移動外存和網(wǎng)絡(luò)存儲。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

2、存儲器

(3)高速緩沖存儲器又稱“Cache”，介于計算機CPU和內(nèi)存之間，因此稱之為“緩沖存儲器”。它能跟得上CPU的運行速度，比內(nèi)存要快得多。

綜上所述，計算機的存儲器呈現(xiàn)出一種層次結(jié)構(gòu)的形式，即Cache—Memory—Disk三層結(jié)構(gòu)。最接近CPU的是內(nèi)層高速緩沖存儲器，中間層是內(nèi)存（包括ROM和RAM），外層是輔助存儲器。這樣的層次結(jié)構(gòu)既有利于解決速度問題，又有利于解決容量問題。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

3、輸入/輸出設(shè)備(1)輸入設(shè)備(2)輸入設(shè)備1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

4、其他設(shè)備聲卡是多媒體計算機必需的設(shè)備，它可以用來錄音和放音，帶有接揚聲器和麥克風的插口。調(diào)制解調(diào)器（Modem）是計算機通過普通電話線上網(wǎng)的設(shè)備。網(wǎng)卡，又稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是計算機連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成

5、常見接口并行接口，指采用并行傳輸方式來傳輸數(shù)據(jù)的接口標準，速度快但距離短。串行接口，是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，適用于遠距離通信。USB接口使用USB通用串行總線技術(shù)，為解決現(xiàn)行PC與周邊設(shè)備的通用連接而設(shè)計的。速度快，支持熱插拔，可獨立供電。PS/2接口是最常見的鼠標和鍵盤的專用接口，是一種6針的圓型接口。IEEE1394接口是蘋果公司開發(fā)的用于高速傳輸數(shù)據(jù)的串行接口標準。1.4計算機系統(tǒng)的基本組成1.4.1計算機硬件組成