信息學計算機基礎知識

信息學競賽基礎教程

第1章計算機基礎知識

當今時代，計算機的應用已滲透到社會生活的各個方面。功能

如此強大的計算機是怎么發(fā)展起來的？它的基本工作原理是什

么？本章用以下內(nèi)容回答了這一問題。

?了解計算機的發(fā)展、分類及應用

?掌握計算機系統(tǒng)的組成與工作原理，學習計算機軟硬件基

本知識

?對計算機硬件的各部分有較深入的了解

?掌握數(shù)制轉化及運算，了解數(shù)據(jù)在計算機中的表示

?掌握系統(tǒng)軟件和應用軟件的概念

本章索引

1.1計算機的發(fā)展、分類及由用

1.2計算機系統(tǒng)的養(yǎng)成與T作原理

1.3計算機硬件

1.4講侑計數(shù)制及其轉換

1.5數(shù)據(jù)在計算機中的表示

1.6計算機軟件

1.7問與答

1.1計算機的發(fā)展、分類及應用

計算機也是人類不斷追求計算速度的產(chǎn)物。

?早的計算工具是中國唐代發(fā)明的算盤，這是迄今還在使用的世界

上第一種手動計數(shù)器。

?1622年英國數(shù)學家設計了計算尺，

?1642年法國人發(fā)明了世界上第一個加法器，

?1673年，德國發(fā)明了計算器，

這些都是手動的或機械式的計算工具。

LL1計算機的發(fā)展

查爾斯?巴貝奇

電子計算機的直系祖先，他設計了差分機和分析機。分析機的結構、

設計思想蘊涵著現(xiàn)代計算機的結構和設計思想，是現(xiàn)代計算機的雛型,

被公認為計算機之父。

艾蘭?圖靈

計算機科學奠基人，建立圖靈機模型并奠定了可計算理論的基礎，提

出圖靈測試，闡述了機器智能的概念。圖靈機的概念是現(xiàn)代可計算性

理論的基礎美國計算學會設立的“圖靈獎”，號稱計算機界的諾貝爾獎

馮?諾依曼

確立了現(xiàn)代計算機體系結構，提出了“存儲程序”和“程序控制”的

計算機工作原理。

第一臺計算機ENIAC

(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)

ENIAC即電子數(shù)字積分計算機。

該機于1946年2月誕生于美國賓夕法尼

亞大學。它體重30噸，運算速度5000

次加法/秒，占地170M2,共計18800只

電子管和1500個繼電器，耗電150KW

價值40萬美元

發(fā)展，一般根據(jù)計算機采用的物理器件，將計算機劃分為四

代。

1.第一代計算機（1946年—1958年）

2.第二代計算機（58年―64年）

3.第三代計算機（64年―70年）

4.第四代計算機（71年一現(xiàn)在）

1.第一代計算機（1946年-1958年）

第一代計算機采用的物理器件

是電子管。內(nèi)存采用延遲線或

磁芯，外存為紙帶、卡片或磁

帶，工作速度幾千~幾萬次/

秒，軟件采用機器語言或匯編

語言編寫，主要應用于科學計

算。代表機型ENIAC。

2.第二代計算機（58年―64年）

第二代計算機采用的物理器

件是晶體管，內(nèi)存為磁芯，

外存是磁帶或磁盤，工作速

度幾十萬次/秒，軟件用高.

級語言編寫，應用于科學計

算及工業(yè)控制，代表機型

IBM700系列。

3.第三代計算機（64年―70年）

第三代計算機采用的物理器

件是中小規(guī)模集成電路，內(nèi)

存為磁芯和半導體存儲器，

外存是磁帶或磁盤，工作速

度幾十萬一幾千萬次/秒，

軟件用高級語言編寫，應用

于計算、管理及控制，代表

機型舊MSystem/360

4.第四代計算機（71年一現(xiàn)在）

第四代計算機采用的物理器件

為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路

,內(nèi)存為半導體存儲器，外存

為磁盤或光盤，工作速度幾百

萬一上億次/秒，出現(xiàn)了操作

系統(tǒng)，軟件分為系統(tǒng)軟件和應

用軟件。隨著計算機的不斷發(fā)

展，計算機在網(wǎng)絡、多媒體技

術中得到廣泛應用。

計算機在我國的發(fā)展

我國自1956年開始研制計算機

?1958年研制出第一臺電子管計算機

?1964年研制出第一臺晶體管計算機

?1971年研制出集成電路計算機

?1985年研制出第一臺舊MPC兼容微型機

?2001年研制出我國第一款通用CPU—“龍芯”芯片

?2002年推出了完全自主知識產(chǎn)權的“龍騰”服務器

?我國是世界上少數(shù)幾個能設計、制造計算機的國

?家之一。

1.1.2計算機的分類

坊昭1+篁相耳手里可分為.

數(shù)營式電子言算機、模擬式電子計算機和混合式電子計

算機，

按照計算機的用途分：通用計算機和專用計算機。

常用的分類法是根據(jù)計算機的字長、運算速度、存儲容量等

綜合性能指標將計算機分為：

高性能計算機

中型機、小型機

微型計算機、工作站、服務器、

嵌入式計算機。

LL3未來新型計算機

?1.光子計算機

利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。

?2.生物計算機

罐里里白野子隹力與罷盡犍I感即生物芯片構成，存儲能

方巨大而自以疲的南式萊傳瑤信息。

?3.神經(jīng)網(wǎng)絡計算機

里藜據(jù)單笈德擬腦您押維無三不利用神經(jīng)元結點的分布

式存信和精苴美聯(lián)4菜模擬人施活動。

?4.量子計算機

要集警辱辱黑篇到原子進行運算的計算機,這種多現(xiàn)

LL4計算機在信息社會中的應用

計算機已廣泛應用于社會的各個領域，改變著我們的學

習、工作和生活方式，不管你做什么工作，都會用到計

算機。如:工商、醫(yī)藥、教育、政府等。

計算機的應用主要有：

數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理、電子商務、過程控制、

CAD/CAM/CIMS.虛擬實現(xiàn)、人工智能。

1.2計算機系統(tǒng)的組成與工作原理

1.2.1計算機系統(tǒng)硬

件

計王機

系

計算機是一臺能存算

統(tǒng)

儲程序和數(shù)據(jù)，并機外部設備

軟

能自動執(zhí)行程序的系

件

機器。統(tǒng)系統(tǒng)軟件

系

統(tǒng)

計算機系統(tǒng)由硬件應用軟件

系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組

成。

運算器

寄存器

CPU

控制器

主機

隨機存儲器(RAM)

硬件系統(tǒng)內(nèi)存只讀存儲器(ROM)

____高速緩沖存儲器(Cache)

輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀等

計

輸出設備：顯示器、打印機等

算

外部設備外存：軟、硬盤、光盤、閃存等

機

網(wǎng)絡設備：網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等

系

統(tǒng)操作系統(tǒng)：Windows>Unix>Linux

語言處理程序：C、Pascal、VB等

軟件美系統(tǒng)軟件

實用程序：診斷程序、排錯程序等

統(tǒng)

?應用軟件通用應用軟件：辦公軟件包等

專用應用軟件：各企業(yè)的管理系統(tǒng)

圖2-6計算機系統(tǒng)

1.2.2計算機工作原理

目前的計算機都采用馮?諾依曼(JohnvonNeuman)

對計算機結構的設計思想，即：

1,計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出

設備五個基本部分組成

中央處理器(CPU)

2.程序和數(shù)據(jù)在計算機

中用二進制數(shù)表示

3.計算機的工作過程是

由存儲程序控制的，即

存儲程序工作原理。

1.3計算機硬件

1.3.1CPU

CPU由控制器和運算器組成，是計算機的核心部件。

1.控制器:依次從存儲器中取指令、分析指令、向其他部件發(fā)出控

制信號，指揮各部件協(xié)同工作。

控制器主要由以下部分組成：

?程序計數(shù)器(PC):用來對程序中的指令進行計數(shù)。

?指令計數(shù)器(IP):用來存放取出的指令。

■指令譯碼器(ID):用來分析指令的操作要求。

?時序控制電路以：用來生成時序信號。

彳微操作控制電路等

2.運算器

?運算器部件是計算機五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件

?又稱算術邏輯單元(ArithmeticLogicUnit,ALU)

算術運算是指加、減、乘、除等基本運算；邏輯運算是指

邏輯判斷、關系比較,如與(AND)、或(OR)、非(NOT)等

這些運算都只是基本二進制運算。如下表：

iSSS?1

AANDBrAORNOTA/?

0/OrI*3?

I*3Or1"l*3<

1口0P03I*30*3<

043|>

1口1/I*3I*3

3.CPU的主要性能指標及產(chǎn)品領域

控制器和運算器做在一個芯片中，稱為CPU

(CentralProcessingUnit),即中央處理器。

CPU是整個微機系統(tǒng)的核心，它往往是各種檔次微機的

代名詞，我們所說的486,586其實就是指計算機中CPU

的等級。從CPU的性能指標中基本可以反映出計算機的

性能，因此它的性能指標十分重要。

CPU主要的性能指標有：

CPU的字長位寬X位CPU主頻

外頻倍頻超頻生產(chǎn)工藝

?目前CPU的主流產(chǎn)品有Pentium（奔騰）、

Cecleron（賽揚）、Itanium（安騰）、Xeon（至強）和

Banias（迅馳），著名的CPU生產(chǎn)公司有IBM、Apple

、Motorola.AMD、Cyrix等。有關CPU的更多資料

可訪I司

2006年,Apple公司生產(chǎn)了4核

的處理器，最大支持4塊硬盤,

最大存儲量達到3TB,圖像的

處理能力以及浮點運算能力都

有了顯著的提高

右圖為：MacProtower

1.3.2存儲系統(tǒng)

存儲器是計算機系統(tǒng)中的記憶部件，

分為內(nèi)存儲器和外存儲器

1.內(nèi)存儲器

當前計算機運行時所需要的程序和數(shù)據(jù)都必須存

放到內(nèi)存中，早期的內(nèi)存采用磁芯，目前多采用

半導體存儲器，與外存相比，其優(yōu)點是速度快，

但容量小、價格較貴。內(nèi)存的容量是衡量計算機

性能的主要指標之一。

內(nèi)存通常分為只讀存儲器(ReadOnlyMemory,ROM)

隨機存儲器(RandomAccessMemory,RAM)和高速緩

沖存儲器(Cache)3類。

?(1)只讀存儲器(ROM)

?只讀存儲器是指只能從存儲器中讀數(shù)據(jù)，而不能往里

寫數(shù)據(jù)。ROM中的信息一般是由設計者和制造商事先

寫好固化在里面的，用戶無法修改。即使斷電或死機

,ROM中的信息也不會丟失。因此，ROM一般用來

檢查計算機系統(tǒng)的配置情況并提供基本的輸入輸出系

統(tǒng)程序(BasicInput-OutputSystem,BIOS)。

?通常所說的計算機內(nèi)存容量均指RAM存儲器容量，即

計算機的主存。CPU可對隨機存儲器進行讀、寫操作

RAM有兩個主要特點

1.RAM中的數(shù)據(jù)可以多次使用（多次讀出），向

存儲器寫入新數(shù)據(jù)時，存儲器中原有的內(nèi)容被覆蓋

（更新）；

2.關機或斷電后，RAM中的信息將全部消失，所

以RAM是計算機處理數(shù)據(jù)的臨時存儲區(qū)，要想長期

保存數(shù)據(jù)，必須將數(shù)據(jù)保存到外存中。

微型計算機中的內(nèi)存基本上以內(nèi)存條的形式進行組織，

用戶可根據(jù)需要隨時增加內(nèi)存，方便擴展。常見的內(nèi)存

條有64MB、128MB、256MB、512MB、1GB等多種

類型。

下圖為一512M的內(nèi)存條。

翹|DDRII533MHz

NB512MB

WWW.KEYRAM.COM

（3）高速緩沖存儲器（Cache）

Cache是指在CPU與內(nèi)存之間設置一級或兩級高速小容量存

儲器稱為高速緩沖存儲器，Cache的基本工作原理是基于

程序訪問的局部性，即把正在執(zhí)行的指令地址附近的一部分

指令或數(shù)據(jù)從主存調(diào)入Cache,當CPU進行存儲器存取時首

先檢查所需的數(shù)據(jù)是否在Cache中，如在（稱為命中）則直

接存取Cache中的數(shù)據(jù)而不必訪問主存；信息不在Cache中

時，則需存取主存儲器。

主存儲器

2.主存儲器的技術指標

?(1)存儲容量存取時間、存儲周期

存儲器帶寬反映了主

?(2)存取時間存的速度指標，存儲

器的可靠性反映了存

?(3)存取周期儲器的性能穩(wěn)定性指

標；而性價比則反映

?(4)存儲器帶寬了存儲器的綜合性能

?(5)存儲器的可靠性

?(6)性能價格比

3.外存儲器

外存儲器也稱輔存，其主要作用是長期存放計算機工作

所需要的系統(tǒng)文件、應用程序、文檔和數(shù)據(jù)等。常用的

外存儲器有：

(1)磁介質存儲器

(2)光介質存儲器

(3)移動存儲器

(1)磁介質存儲器

磁表面存儲器主要包括硬盤、軟盤和磁帶等。

磁道

扇區(qū)

磁表面存儲器工作原理

①軟盤：軟盤用柔軟的聚酯材料制成圓形底片，在表面

涂上磁性材料，封裝在一個方形的護套內(nèi)，構成一個

整體，軟盤要放在軟盤驅動器中才能讀寫。

左圖為容量為3.5英寸軟盤

磁盤的容量為面數(shù)(side)、磁道數(shù)/面、

扇區(qū)數(shù)/磁道、字節(jié)數(shù)/扇區(qū)的乘積，如

3.5英寸軟盤的容量：

2(面)*80(道)*18(扇區(qū))*512(字節(jié))

=1474560(Bytes)=1440(KB)=

1.44(MB)

②硬盤：硬盤存儲器由電動機和硬盤組成，一般放在主

機箱內(nèi)。硬盤是由若干涂有磁性材料的鋁合金盤片構

成。

硬盤是立體的軟盤,

所以用立體的磁道

（柱面數(shù)）來代替軟

盤中的平面磁道。

每一扇區(qū)的容量也

是512B,硬盤的容

量=512*磁頭數(shù)*柱

面數(shù)*每道扇區(qū)數(shù)。

硬盤性能指標一般有存儲容量、速度、訪問時間及平均無故

障時間等。使用硬盤前必須做3件事，即硬盤的低級格式化、

硬盤分區(qū)和高級格式化。

硬盤的低級格式化

即硬盤的初始化，其主要目的是對一個新硬盤劃分磁道和扇區(qū)，并在每

個扇區(qū)的地址域上記錄地址信息。

硬盤分區(qū)

硬盤初始化后，還不能使用，還必須對硬盤進行分區(qū)，對硬盤分區(qū)的主

要目的是建立系統(tǒng)使用的硬盤區(qū)域。

硬盤的高級格式化

硬盤高級格式化的主要作用有兩點：其一是寫入操作系統(tǒng)，使硬盤具有

系統(tǒng)啟動盤的作用，其二是對指定的硬盤分區(qū)進行初始化。

光盤的存儲(Opticaldisk)是利用激光束在被記錄的

圓盤表面存儲信息，并根據(jù)激光束的反射讀出信息。

主要由光盤、光驅動器(即CD-ROM驅動器)組成，光

盤的最大優(yōu)點是存儲容量大、價格低、壽命長、可靠性

高，特別適合存儲大量信息。

主要有三種類型的光盤存儲器：

只讀光盤CD-ROM

寫一次光盤WORM

可擦寫光盤EOD

只讀光盤CD?ROM

與ROM類似，即光盤中的數(shù)據(jù)是預先寫入的，用戶只

能讀，不能寫，一般CD-ROM的存儲容量為650MB

一次性寫光盤WORM

這種光盤允許用戶寫一次，一旦寫入后，不得修改，只

能讀出

可擦寫光盤EOD

可擦寫光盤EOD存儲功能與磁盤相似，用戶可多次對其

進行讀/寫操作。

(3)移動存儲器

〈Flash存儲設備:通常叫做優(yōu)盤或閃存，利用Flash閃存芯片為存

儲介質，采用USB接口，讀寫速度可達到ns級,可擦寫100萬

次以上，數(shù)據(jù)至少可保存100年，優(yōu)盤無機械裝置，可承受3

米高自由落體的震動，還具有防磁、防潮、耐高低溫等特性

2.移動硬盤:直接由臺式電腦或者由筆記本電腦硬盤改裝而成的

便攜式的大容量存儲系統(tǒng)，主要指采用電腦標準接口

(USB/IEE1394)的硬盤，有很好的性價比。

4.存儲器的層次結構

為了充分發(fā)揮各種存儲設備的特點，將其有機地組織

起來，這就構成了具有層次結構的存儲系統(tǒng)。

速度快

/CPU\

/寄存器,容量小

L1級

高速緩存

L2級

高速緩存

主存儲器速度慢

容量大

外部存楮器（磁盤、光盤、磁帶等）

5.虛擬存儲器

任何一個程序都要調(diào)入內(nèi)存才能執(zhí)行，計算機的內(nèi)存有

限，新軟件的規(guī)模越來越大，怎樣才能讓較小的內(nèi)存運

行更大的程序呢？“虛擬存儲技術”為解決這個問題應

、-

15

而生。該項技術就是將主存和一部分外存空間共同構成

一個整體，這樣就能為用戶提供一個比實際內(nèi)存物理地

址大得多的“虛擬存儲器”，簡稱“虛存”o

虛擬存儲器的主存與外存的基本信息傳送單

位采用三種不同的方案：頁、段或段頁式。

（1）頁式虛擬存儲器

頁式虛擬存儲器把虛擬地址空間劃分成一個個固定大〃'的塊，每

塊稱為一頁（Page）,把主存儲器的地址空間也按虛擬地址空間

同樣的大小劃分為頁。頁是一種邏輯上的劃分，它可以由系統(tǒng)管

理軟件任意指定。一個程序執(zhí)行時，首先被調(diào)入虛存（外存的某

一特殊空間），然后就完全由內(nèi)存管理程序進行管理和調(diào)度。

系統(tǒng)會根據(jù)一定的算法，將實際虛擬地址空間—物理內(nèi)存，

執(zhí)行到的那段程序代碼調(diào)入實存

（稱為頁進）。如果實存已滿，

系統(tǒng)會設法騰出一些實存空間，

必要時還需將實存中的一些信息

送回虛存，（頁出），然后再將

當前要執(zhí)行的代碼調(diào)入實存。

(2)段式虛擬存儲器

?段充分利用程序的模塊化性質，程序員在編寫程序時

一般按照程序的內(nèi)容和函數(shù)關系把程序分成段，每段

都有自己的名字，并且希望能夠按照名稱或序號來訪

問程序段。主存按段分配的存儲管理方式稱為段式管

理，采用段式虛擬存儲器的優(yōu)點是段的邏輯獨立性使

它易于編譯、管理、修改和保護，也便于多道程序共

享，但因為段的長度各不相同，段的起點和終點不定

,給主存空間分配帶來麻煩，容易在段間留下零碎空

間，造成浪費。

(3)段頁式虛擬存儲器

?為了同時能夠獲得段式虛擬存儲器在程序模塊化方面

的優(yōu)點和頁式虛擬存儲器在管理主存和輔存物理空間

方面的優(yōu)點，把兩種虛擬存儲器結合起來就成為段頁

式虛擬存儲器。其基本思想是對用戶原來編寫程序的

虛擬存儲空間采用分段的方法管理，而對主存儲器的

物理空間采用分頁的方法管理。段頁式管理的缺點是

需要多次查表，計算虛地址與實地址的關系，速度較

慢。目前計算機采用段頁式存儲管理的較多。

1.3.3輸入/輸出設備

1.輸入設備

輸入設備的基本功能是將數(shù)據(jù)、程序等轉換成計算機能

接受的二進制碼，并將它們送入內(nèi)存。常用的輸入設備

有鍵盤、鼠標、手寫板、軌跡球、掃描儀、光筆、觸摸

屏、讀卡器、讀碼機、數(shù)字化儀、游戲操作桿等。

鼠標觸摸屏手寫筆

2.輸出設備

輸出設備是將計算機處理的結果轉換成人們能夠識別的

數(shù)字、字符、圖象、聲音等形式，然后顯示、打印或播

放出來，常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等

顯環(huán)器打印機繪圖儀

1.3.4主板、總線與接口

1.主板(Mainboard或Motherboard)

主板是計算機系統(tǒng)中最大的一塊電路板，幾乎所有的計算機部件

都通過它組織起來，主板上的部件主要有一個CPU插座；北橋芯

片、南橋芯片、BIOS芯片等三大芯片；前端系統(tǒng)總線FSB、內(nèi)存

總線、圖形總線AGP、數(shù)據(jù)交換總線HUB、外設總線PCI等五大

總線；軟驅接DFDD、通用串行設備接DUSB、集成驅動電子設

備接DIDE等七大接口。H

中

o

sa

-s-

COC/o

6s

■,d

S

2.總線

為了簡化硬件電路設計，讓所有的外部設備都共用一組

線路，再對不同的外部設備配置以適當?shù)慕涌陔娐罚?/p>

CPU同樣能與各種部件和各外部設備相連接，而且大大

簡化了系統(tǒng)結構，這組共用的連接線路稱為總線.

外部設備外部設備

微存儲器I/O接口?I/O接口

處

理

器

系統(tǒng)總線

3.接口

不同的計算機外部設備都有自己獨特的系統(tǒng)結構、控制軟件、控

制信號等，計算機要與它們連接在一起協(xié)調(diào)工作，必須對設備的

連接有一定的規(guī)范或約定，這種約定就是接口協(xié)議，實現(xiàn)接口協(xié)

議的硬件設備就是接口電路，簡稱接口。輸入/輸出接口是處理

機與外部世界進行聯(lián)系的界面，實際上，現(xiàn)代處理機內(nèi)部的許多

例外事件也通過輸入/輸出接口進行處理。接口的主要功能有：

■處理機與外部設備之間的通信聯(lián)絡

?數(shù)據(jù)緩沖

?接受處理機的命令，提供外部設備的狀態(tài)

?數(shù)據(jù)格式的變換

常見的接口有以下幾種：

串行接口

所謂串行是指每一個字都是在設備與接口之間一位一位地進行傳

送的，串行接口有專門的設備名COM1、COM2等，串行接口也

稱為異步通信適配器接口(RS?232?C),鼠標和調(diào)制解調(diào)器連接

在串行接口上。

并行接□

每一次都是將一個字節(jié)或一個字的所有位同時進行傳送，并行接

口設備名為LPT1、LPT2,打印機接在并行接口上。

USB(UniversalSerinalBus)通用串行總線接口

USB接口為外設提供電源，能同時連接127個外部設備，可同時

支持高速和低速設備的訪問。與串口和并口一樣，該接口也要在

軟件控制下才能正常工作，Windows支持通用串行總線接口。

IEEE1394接口

?這是一種連接外部設備的機外總線標準，按串行方式通信，

IEEE1394接口標準允許把計算機、計算機外部設備（如硬盤

、打印機、掃描儀）、各種家電（如數(shù)碼照相機、DVD播放機

、視頻電話等）非常簡單地連接在一起。IEEE1394和USB者B

可以連接外部設備，按串行方式通信，不同之處是IEEE1394

速度更快，USB價格更便宜。

硬盤接口

?自前微機中使用最廣泛的硬盤接口標準是IDE和SCSI標準。

?IDE（IntegratedDeviceElectronics,集成設備電子部件）接

口標準的最大特點是把控制器集成到硬盤驅動器內(nèi)。這樣消除

了驅動器和控制器之間數(shù)據(jù)丟失的問題，

?SCSI（SmallComputerSystemInterface,小型計算機系統(tǒng)接

□）,早期在小型機上使用，現(xiàn)在也在PC機上使用，是一個多

任務接口，在同一個SCSI控制下的多臺外設可以并行工作，同

步數(shù)據(jù)傳送速率達到了20Mb/s。

L4進位計數(shù)制及其轉換

?由于計算機的物理器件只有兩種狀態(tài)，實際在計算機

中存儲的是“0”和“1”二進制代碼，處理的也是二進

制代碼。那么二進制與在實際生活中人們熟悉的十進

缶k十二進制（一打）等進制的特點是什么？這些進

制是怎樣進行換算的？計算機怎樣用二進制來表示數(shù)

值、文字等信息？這是本節(jié)要討論的問題。

L4.1進位計數(shù)制

任何進位計數(shù)制都有兩個要素：基數(shù)和位權值。

基數(shù)是每一種計數(shù)制中數(shù)符的個數(shù)，按基數(shù)進位、借位

二進制有二個數(shù)符（0、1）,逢二進一、借一當二；十

進制有十個數(shù)符、逢十進一、借一當十；r進制有r個數(shù)

符，逢r進一、借一當r,見下表：

進制財個數(shù)進位值；

十進制D「10個，15」

二進制B，」0和1*-12個2(

八進制0>'0~7小8個小8d

十六進制一0~9和16個小16*5

R進制川R個小R個3RQ

一個數(shù)的每個位置都有一個位權值，如：十進制

(1999)10=1x103+9x102+9x101+9x100，從左到右

每個數(shù)符的位權值為103、102、101.100,二進制

(1010)2=1x23+0x22+1x21+0x20,從左到右每個數(shù)

符的位權值為23、22、21、20o對于任何一個r進制數(shù)

N可表示為

...?-i

工"4aiXr1+&X/+a-iXr1+，,，+a-.Xr^=Z的

i一冊

用二進制表示一個大數(shù)時比較冗長，如十進制的99用二

進制表示為01100011(1x26+1x25+1x21+1x20)

為了閱讀和書寫的方便，又引入了八進制和十六進制。

142各數(shù)制間的轉換

r進制轉十進☆制?，神制*十六進制，

制一按權展開‘0^03g

I*31?I*31k

2Q1"2。22

r進制數(shù)轉換為

3QIIP32

十進制，只要一

100347

將各位數(shù)碼乘：5Q101435川52

以各自的權值6r110Q62-6^

累加即可。:7"111Q7T

8Q1000*7102frp

?十進制數(shù)轉換為r進制數(shù)時，將整數(shù)部分和小數(shù)部分分

開轉換，然后再合成起來即可。

?整數(shù)部分轉換成r進制整數(shù)時，采用除r取余法，即十

進制數(shù)不斷除以r取余數(shù)，直到商為0,首次取得的余

數(shù)是離小數(shù)點最近的低位。

?小數(shù)部分轉換成r進制小數(shù)時，采用乘r取整法，即十

進制數(shù)不斷乘以r取整數(shù)，直到小數(shù)部分為?；蜻_到所

求的精度為止，首次取得的整數(shù)是離小數(shù)點最近的高

位。

1.5數(shù)據(jù)在計算機中的表示

計算機只能處理二進制數(shù)據(jù)，所以任何形式的數(shù)據(jù)（數(shù)

字、文字、圖形、聲音等）都必須轉換成二進制，計算

機才能處理。本節(jié)討論計算機中數(shù)值及中西文的表示形

式。

151數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示形式

數(shù)值必須變成二進制代碼才能存儲到計算機，符號位也

必須變成。或1才能存儲，計算機中正號用“0”表示，負

號用“1”表示，在計算機中使用的連同符號一起數(shù)碼化

了的數(shù)稱為機器數(shù)，而它真正表示的數(shù)值叫真值。

為了改進符號數(shù)的運算方法和簡化硬件結構，人們研

究了二進制機器數(shù)的幾種表示法，原碼、反碼和補碼:

?1.原碼:

?原碼是數(shù)值化的符號位加上數(shù)的絕對值，

如：

?X=(+91)10=(+1011011)2,[X]|B=01011011

?X=(-91)10=(-1011011)2,[X]|^=11011011

?一字節(jié)(8bit)原碼表示的整數(shù)范圍是-127~+127,采

用原碼表示法簡單易懂，但它的運算復雜，如，當兩

數(shù)相加時，同號則數(shù)值相加，異號則相減，相減時還

要判斷絕對值的大小，然后用大數(shù)減小數(shù)，最后還要

給結果選擇符號。如果符號位和數(shù)值一樣參加運算，

運算就簡單了，為此提出了反碼、補碼表示法

2.反碼

?反碼很少使用，它的主要作用是求補碼的中間碼。正數(shù)

的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼是把負數(shù)的原碼除符號

位之外的各位按位取反（0變1,1變0）即可，如

X=+1011011X=-1011011

［兇原=01011011［X］原=11011011

［兇反=01011011［X］反=10100100

正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼是先求負數(shù)的反碼

再把反碼的最低位加1,如：

[X]原=11011011

[X]反=10100100

[X]補=10100101

負數(shù)用補碼表示時，可以把減法轉換為加法，符號位同

數(shù)值一起參加運算,如:

[X+Y]=[X]+[Y],[X-Y]=[X]+[-Y]

?可見用補碼參與運算最為方便，因為補碼的符號位無

需單獨處理，就如同數(shù)字一樣參與運算，運算結果的

符號位有效。

4.定點數(shù)和浮點數(shù)

?當計算機需要處理實型數(shù)據(jù)時，就出現(xiàn)了如何表示小

數(shù)點的問題，系統(tǒng)并不是像處理符號那樣，用一位二

進制數(shù)表示小數(shù)點，它采用的定點數(shù)和浮點數(shù)方法，

都是隱含設定小數(shù)點的辦法。

?定點數(shù)就是小數(shù)點位置隱含固定在某一位置上

?浮點數(shù)就是小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置是可變的

(1)定點數(shù)

固定小數(shù)點的位置有以下兩種：小數(shù)點在最低位之后稱

為定點整數(shù)，定點整數(shù)是純整數(shù)。默認小數(shù)點在符號位

之后稱為定點小數(shù)，定點小數(shù)是純小數(shù)，即所有數(shù)均小

于1。

符號位口數(shù)值部分二t3符號位小數(shù)值部分二

。一小數(shù)點位置士

--小數(shù)點位置:1

(2)浮點數(shù)

為了表示很大或很小的數(shù)，采用“浮點數(shù)”或稱“科學表示法

9

浮點數(shù)由兩部分組成見下圖，即階碼和尾數(shù)，其中階碼用二進

制定點整數(shù)表示，階碼的長度決定數(shù)的范圍；尾數(shù)用二進制定

點小數(shù)表示，尾數(shù)的長度決定數(shù)的精度；底數(shù)(基數(shù))r=2

是

隱含的。由于階碼可取不同的數(shù)值，這樣小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位

置就1514-1211100

階符階碼數(shù)符尾數(shù)

2.5.2西文字符編碼

?西文字符(字母、數(shù)字、各種符號)采用ACSH碼

(AmericanStandardCodeforInformation

Interchange,美國信息交換標準代碼)進行編碼。

ACSH碼用7位二進制編碼(最高位第8位為0),共128

個常用字符.

“a”字符的ASCII碼為1100001,即十進制數(shù)(97)10;則“b”的編碼為(98)10。

“A”字符的ASCII碼為1000001,即十進制數(shù)(65)10;則“B”的編碼

為(66)10。

“0”數(shù)字字符的ASCII碼為0110000,即十進制數(shù)(48)10;則“1”的編碼為

(49)10o

“SP”空格字符的ASCII碼為0100000,即十進制數(shù)(32)10。

1.5.3中文信息編碼

?漢字種類繁多，編碼比較困難，而且對漢字的輸入、

內(nèi)部處理、輸出的要求不盡相同，因此要進行一系列

的漢字編碼及轉換，漢字信息處理中各編碼及流程如

下圖所示。其中虛線框內(nèi)的編碼對國標碼而言。

1.漢字輸入碼

?西文可以通過鍵盤直接輸入，漢字不可能通過鍵

盤直接輸入，只能通過計算機標準鍵盤上按鍵的不同

排列組合來對漢字輸入，所謂漢字輸入碼就是輸入漢

字時的編碼，目前常用的輸入法大致有音碼類和形碼

類以及音形混合類：

?音碼類:主要是以漢語拼音為基礎的編碼方案，如全拼

、雙拼、微軟拼音、自然碼和智能ABC等。優(yōu)點是

不用學習，與人們習慣一致，缺點是由于漢字同音字

較多，輸入重碼率很高，輸入速度較慢。

?形碼類:主要是按漢字的形狀，先把漢字拆分成部首，

然后進行合成，如五筆字型法、鄭碼輸入法等。

2.漢字國標碼（GB2312-80）

?全稱是“國家標準信息交換漢字編碼”（簡稱國標碼

,也稱交換碼）是計算機中漢字編碼的標準。在國標

碼表中有：一級漢字3755個（按漢語拼音排列）；二

級漢字3008個（按偏旁部首排列）；西文字符和圖形

符號682個，共7445個。

?為了編碼，將漢字分成若干個區(qū)，每個區(qū)94個漢字。

由區(qū)號和位號（區(qū)中的位置）構成了區(qū)位碼。區(qū)號和位

號各加32就構成了國標碼。

3.漢字機內(nèi)碼

?漢字機內(nèi)碼是指計算機內(nèi)部存儲、處理加工漢字時所

用的代碼。漢字在用不同的漢字輸入法時其輸入碼（

外碼）各不相同，但其內(nèi)碼是統(tǒng)一的。輸入碼通過鍵

盤輸入，接受后就由漢字操作系統(tǒng)的“輸入碼轉換模

塊”轉換為機內(nèi)碼，每個漢字的機內(nèi)碼用2個字節(jié)表

示。為了與ASCH碼相區(qū)別，將國標碼的每個字節(jié)的

最高位由0變?yōu)?,變換后的國標碼稱為漢字機內(nèi)碼。

1國標碼第一字節(jié)1國標同第二字節(jié)

可見漢字機內(nèi)碼的每個字節(jié)都大于128,而每個ASCII碼值均小于

128o

4.漢字字形碼

?漢字字形碼又稱漢字字摸，用于漢字輸出。漢字字形

碼通常有兩種表示方式：點陣和矢量表示方式。

漢字字形點陣的代碼就是點陣碼，點

陣規(guī)模越大，字型越清晰美觀，所占

存儲空間也越大，每個漢字字形碼占

用字節(jié)數(shù)為：點陣列數(shù)/8X行數(shù)，兩

級漢字大約占用256KB。

點陣碼的優(yōu)點是編碼、存儲方式簡單

、無需轉換直接輸出，但放大后產(chǎn)生

的效果差。

(5)其他漢字內(nèi)碼

?UCS碼：

通用多八位編碼字符集(UniversalCodeSet)

?Unicode碼

采用用雙字節(jié)編碼統(tǒng)一地表示世界上的主要文字

的另一國際標準，其字符集內(nèi)容與UCS的BMP相同

?GBK碼

由我國制定，等同于UCS的新的中文編碼擴展國

家標準。

?BIG5編碼

臺灣、香港地區(qū)普遍使用的一種繁體漢字的編碼

標準

1.6計算機軟件

1.6.1計算機軟件概述

軟件是由計算機程序、數(shù)據(jù)和有關的技術資料組成。程

序是指揮計算機工作的步驟；技術資料包括軟件和硬件

的技術說明、使用方法和操作手冊等和生軟件是計算

機的“靈魂”o

軟件系統(tǒng)分為兩大類,軟

系統(tǒng)軟件和應用軟件。

?系統(tǒng)軟件通常負責管理、控制和維護計算機的各種軟

硬件資源，并為用戶提供一個友好的操作界面和工作

平臺。常見的系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、語言處理程序

、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、支持軟件等。系統(tǒng)軟件通常要涉

及計算機硬件，所以編寫難度較大，一般由大的計算

機公司提供。

?應用軟件是專業(yè)人員為各種應用目的而開發(fā)的應用程

序，如辦公自動化軟件，專業(yè)軟件（如建筑類、財務

類）、科學計算軟件包、套裝軟件、游戲軟件、用戶

開發(fā)的系統(tǒng)等。應用軟件的編寫難度較小，可由具有

一定計算機知識的各行各業(yè)的人員編寫。

1.6.2計算機語言概述

?計算機語言（程序設計語言）是人與計算機交流的工

具，計算機語言就是計算機能懂的語言，計算機本身

只懂二進制形式的機器語言，計算機發(fā)展的初期，只

能通過機器語言編寫的程序來使用計算機，計算機使

用率極低。長期以來，編寫程序和執(zhí)行程序是利用計

算機解決問題的主要方法和手段。也就是說，你要使

用計算機就必須懂計算機語言、必須會編寫程序。隨

著計算技術的發(fā)展，計算機語言也不斷發(fā)展，各種軟

件也不斷涌現(xiàn)，才使計算機變得像今天這樣普及。

1.機器語言

?機器語言是由。和1二進制代碼按一定規(guī)則組成的、

能被機器直接理解和執(zhí)行的指令的集合。指令規(guī)定

了計算機能直接完成的某一種操作。一條指令通常

由兩個部分組成：

操作碼操作數(shù)

?操作碼指明要完成的操作類型或性質。

?操作數(shù)指明操作的內(nèi)容或所在的內(nèi)存單元地址，操

作數(shù)在大多數(shù)情況下是地址碼。地址碼是數(shù)據(jù)所在

的地址，可以是源操作數(shù)的存放地址，也可以是操

作結果的存放地址。

2.匯編語言

匯編語言就是將機器指令代碼用英文助記符表示，代替

機器語言中的指令和數(shù)據(jù)。

例如用ADD表示加、SUB表示減、JMP表示程序跳轉等

這樣在一定程度上克服了機器語言難讀難懂難改的缺點

匯編語言的編程質量高、占存儲空間小、執(zhí)行速度快，

故常用于過程控制等編程。缺點是仍面向機器，使用者

需具備專業(yè)知識。

3.局級語言

?高級語言接近自然語言（英語）和數(shù)學語言，是由表

達各種意義的詞和數(shù)學公式按照一定的語法規(guī)則來編

寫程序的語言。高級語言使程序員可以完全不用與計

算機的硬件打交道，可以不必了解機器的指令系統(tǒng)。

這樣，程序員就可以集中精力來解決問題本身而不必

受機器制約，因此編程效率高，簡單易學，各行各業(yè)

的人員都可以通過高級語言用計算機解決本專業(yè)的問

題，高級語言由于與具體機器無關，因此程序的通用

性強。

高級語言分類可分為三類。

?(1)面向過程的語言

?(2)面向問題的語言

?(3)面向對象的語言

(1)面向過程的語言

?面向過程的語言致力于用計算機能夠理解的

邏輯來描述需要解決的問題和解決問題的具

體方法、步驟。編程時，程序需要詳細描述

解題的過程和細節(jié)，即需要詳細地描述“怎

全羊做如FORTRAN、BASIC.PASCAL

、C等。

(2)面向問題的語言

?面向問題的語言又稱為第四代語言(4GLS)o這類

語言解題時，不必關心問題的求解算法和求解的過程

,只須指出要計算機做什么，以及數(shù)據(jù)的輸入和輸出

形式，就能得到所需結果。

?面向問題的語言是采用快速原型法開發(fā)應用軟件的強

大工具，能夠快速地構造應用系統(tǒng)，提高軟件開發(fā)效

率。

?面向過程的語言需要詳細地描述“怎樣做”，面向問

題的語言僅需要說明“做什么”O(jiān)它與數(shù)據(jù)庫的關系

非常密切，能夠對大型數(shù)據(jù)庫進行高效處理。

(3)面向對象的語言

?在20世紀80年代推出了面向對象的語言，它與以往

各種語言的根本不同點在于：它設計的出發(fā)點就是為

了能更直接地描述客觀世界中存在的事物(即對象)

以及它們之間的關系。

?面向對象語言將客觀事物看作具有屬性和行為的對象

,通過抽象找出同一類對象的共同屬性和行為，形成

類。通過類的繼承與多態(tài)性可以很方便地實現(xiàn)代碼重

用，這大大提高了程序的復用能力和程序開發(fā)效率。

?面向對象語言已是程序語言的主要研究方向之一。面

向對象的語言有C++、Java、VisualBasic等。

1.6.3語言處理程序

?除了機器語言可以被計算機直接理解并處理外

,匯編語言和高級語言都需要經(jīng)過語言處理程

序（或稱翻譯程序、編譯器）將其翻譯為機器

語言，然后才可被計算機處理。實現(xiàn)這個翻譯

過程的工具是語言處理程序，即翻譯程序。用

非機器語言寫的程序稱為源程序，通過翻譯程

序翻譯后的程序稱為目標程序。不同的程序設

計語言有各自的翻譯程序，互相不通用。

1.匯編程序

?匯編語言寫的程序，需要翻譯成機器語言，才能被

計算機執(zhí)行。匯編程序就是是將匯編語言編寫的程

序（源程序）翻譯成機器語言程序（目標程序）的

工具（翻譯官），如圖所示。

匯編程序

匯編語言源程序

1標程序

圖：匯編程序工作過程

?高級語言有兩種翻譯方式，解釋方式和編譯方式，相

應的翻譯工具也分別稱為解釋程序和編譯程序。

?(1)解釋方式：是由解釋程序將高級語言源程序翻

譯為機器語言的一種方式，解釋程序對源程序進行逐

句翻譯，翻譯為一個或多個機器語言指令，并立即執(zhí)

行。若解釋時發(fā)現(xiàn)錯誤，會立即停止，報錯并提醒用

戶更正代碼。解釋方式不生成目標程序。工作過程如

下圖所小。

解釋程序

高級語言源程序iT＞計算結果

數(shù)據(jù)

圖：解釋方式的工作過程

編譯方式就是由編譯程序將高級語言翻譯為機器語言

的另一種方式，編譯方式如同“筆譯”，在紙上記錄

翻譯后的結果，編譯程序對整個源程序經(jīng)過編譯處理

,產(chǎn)生一個與源程序等價的目標程序；目標程序還可

能要用一些其他語言編寫的程序和程序庫中的標準子

程序，通過連接程序將目標程序和有關的程序庫組合

成一個完整的可執(zhí)行程序，見圖所示。

目:計宜結果

L7問與答

1.CPU中的流水線技術、超流水線技術、超標量是什么？

2.Cache中的L1高諫緩存和L2高諫緩存的又用是什么？

3.何謂T作申陳？

4.SRAM和DRAM是格什么？

5.C0MS是指什么？

LCPU中的流水線技術、超流水線技術、超標

量是什么？

答：流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。即在

CPU中由5―6個不同功能的電路單元組成一條指令處

理流水線，將一條指令分成5—6步由上述電路分別完

成,從而在一個CPU時鐘周期完成一條指令；超流水

線是指CPU中的流水線超過5-6步。如Pentium4的

流水線就長達20步；超標量是指在CPU中內(nèi)置多條流

水線來同時執(zhí)行多條指令。Pentium級以上的CPU均

具有超標量結構。

l.Cache中的LI高速緩存和L2高速緩存的區(qū)別

是什么？

答：L1稱一級高速緩存，內(nèi)置在CPU中，負責在CPU

內(nèi)部的寄存器與外部Cache之間的緩沖，由靜態(tài)RAM

組成，結構較復雜。由于CPU的管芯面積不能太大，

L1高速緩存的容量不能做得太大；L2高速緩存指CPU

外的高速緩存。主要用于彌補CPU內(nèi)部Cache的容量

過小，負責整個CPU與內(nèi)存之間的緩沖。在Socket架

構的主板上，外頻頻率、系統(tǒng)內(nèi)存和L2高速緩存總線

時鐘頻率相同。

3.何謂工作電壓?

答：工作電壓是指CPU正常工作時所需要的電壓，早期

CPU的工作電壓是5V。從PentiumCPU起CPU工作

電壓分為內(nèi)核電壓和I/。電壓兩種。內(nèi)核電壓由CPU

生產(chǎn)工藝定，I/O電壓通常在1.6V至l」3V。隨著CPU主

頻的提高和制造工藝的改進，CPU工作電壓有逐步下

降的趨勢，以解決發(fā)熱過高的問題。

4.SRAM和DRAM是指什么？

答：SRAM稱靜態(tài)RAM,速度快，價格高，只要不斷電

,數(shù)據(jù)就能保存，主要用來做高速緩存（Cache）

;DRAM稱動態(tài)RAM,就是通常所說的內(nèi)存。DRAM靠

MOS電路中的柵極電容來保存信息，由于電容會漏電

,DRAM需要設置刷新電路，每間隔一定時間對

DRAM進行刷新，以確保信息不丟失。DRAM比

SRAM集成度高，功耗低，價格低。

5.COMS是指什么？

答：COMS是互補金屬氧化物半導體的英文縮寫，是一

種大規(guī)模應用于集成電路芯片制造的材料。在計算機

中的CMOS是指主板上的一塊可讀寫RAM芯片，又稱

CMOSRAM,里面存放著當前計算機系統(tǒng)配置的具

體參數(shù)，如系統(tǒng)CPU、軟硬盤驅動器、顯示器、鍵盤

、日期、電源管理、密碼等的參數(shù)，由于CMOS可由

系統(tǒng)電源和主板上的后備電池供電，所以即使系統(tǒng)掉

電，CMOS中的信息也不會丟失。COMS中的參數(shù)不

正確，會引起系統(tǒng)性能降低、器件不能識別，導致系

統(tǒng)軟硬件故障。當開機時按特定鍵（一般按Del鍵）

就可以進入CMOS設置程序對系統(tǒng)進行設置。

習題

選擇題

1、世界上第一臺電子計算機誕生于

A1941年B1946年C1949年D1950年

2、世界上首次提出存儲程星計算機體系結構的是

A莫奇萊B艾侖?圖斐C喬治?布爾D馮?諾依曼

3、世界上第一臺電子數(shù)字計算機采用的主要邏輯部件是

A電子管B晶體管C繼電器D光電管

日

4、下列A敘他述界正上確第的福電子計算機ENIAC

__________________首次實現(xiàn)了“存儲程序”方案

B按照計算機的規(guī)模，人們把計算機的發(fā)展過程分為四小時代

C微型計算機最早出現(xiàn)于第三代計算機中

D馮?諾依曼提出的計算腿系結構奠定了現(xiàn)代計算機的結構理論基礎

5、「完整的計算機系統(tǒng)應包括

A系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件

B硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

C主機和外鉗設備

D主機、鍵盤、顯示器和輔助存儲器

6、微型計算機硬件系統(tǒng)的性能主要取決于

A微處理器B內(nèi)存儲器C顯示適配卡D硬磁盤存儲器

7

A16個二進制位B32個二進制位C64個二進D與微處理器芯

片的型號有關

8、計算機字長取決于哪種總線的寬度

A控制總線B數(shù)據(jù)總線C地址總線D通信總線

9、“PentiumII350''和"PentiumIII450”中的“350”和“450”的含

義是

A最大內(nèi)存容量B最大運算速度C最大運算精度DCPU的時鐘頻

率

10、微型計算機中，運算器的主要功能是進行

A邏輯運算B算術運算C算術運算和邏輯運算D復雜方程的求解

11、下列存儲器中，存取速度最快的是

A軟磁盤存儲器B硬磁盤存橫器C光盤存儲器D內(nèi)存儲器

12、下列打印機中，打印效果最佳的一種是

A點陣打印機B激光打印機C熱敏打印機D噴墨打印機

13、下列因素中，對微型計算機工作影響最小的是

A溫度B濕度C磁場D噪聲

14、CPU不能直接訪問的存儲器是

AROMBRAMCCacheDCD-ROM

15、微型計算機中；控制器的基本功能是

A存儲各種控制信息

B傳輸各種控制信號

C產(chǎn)生各種控制信息

D坤制系統(tǒng)備辯件F碓地執(zhí)行程序

二L6H初麻敘述中，,屬一RAM特__點__的__是_

A可隨機讀寫數(shù)據(jù)，且斷電后數(shù)據(jù)不會丟失

B可隨機讀寫數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)將全郡丟失

C只能順層讀寫數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)將甑分丟失

D只能順南讀寫數(shù)據(jù)，目斷電后數(shù)據(jù)將全部丟失

17、在微型計算機中，運算器和控制器合稱為

A邏輯密件B算術運算部件C微處理器D算術和邏輯部件

18、在微型計算機中，ROM是

A順南讀寫存儲器B隨機讀寫存儲器C只讀存儲器D高速緩沖存儲器

19、比算機網(wǎng)絡最突出的優(yōu)勢是

A信息流通B數(shù)據(jù)傳送C資源共享D降低費用