《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》課件第1章

1.1微機(jī)系統(tǒng)概述

1.1.1微機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)層次

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從局部到全局存在三個(gè)層次，即微處理器—微機(jī)—微機(jī)系統(tǒng)。三個(gè)層次的微機(jī)系統(tǒng)有不同內(nèi)涵，具有不同的組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模。

1.微處理器

微處理器(MPU)也叫微處理機(jī)，它本身并不是計(jì)算機(jī)，但它是微機(jī)的核心部件。微處理器包括算術(shù)邏輯部件(ALU)、控制部件(CU)和寄存器組(Registers)三個(gè)基本部分，通常由一片或幾片LSI、VLSI器件組成。

2.微型計(jì)算機(jī)

微型計(jì)算機(jī)是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲(chǔ)器(ROM和RAM)、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成的，具有獨(dú)立運(yùn)算的功能。有的微機(jī)則是將這些組成部分做在一個(gè)印制電路板上或集成在一個(gè)超大規(guī)模芯片上，稱之為單板計(jì)算機(jī)或單片機(jī)(國際標(biāo)準(zhǔn)叫法是微控制器(MCU))。

3.微機(jī)系統(tǒng)

微機(jī)系統(tǒng)是以微機(jī)為核心，再配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源、輔助電路和控制微機(jī)工作的軟件而構(gòu)成的完整的計(jì)算系統(tǒng)。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件用來支持應(yīng)用軟件的開發(fā)與運(yùn)行，它包括操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用程序和各種語言處理程序等；應(yīng)用軟件是用來為用戶解決具體應(yīng)用問題的程序及有關(guān)的文檔和資料。微機(jī)系統(tǒng)是完整的計(jì)算系統(tǒng)，是能夠正常獨(dú)立工作的一般意義上的“電腦”，屬于通用計(jì)算機(jī)范疇。1.1.2微機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)是構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)的“硬”設(shè)備，軟件系統(tǒng)則是運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上的程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

計(jì)算機(jī)的組織構(gòu)成千差萬別，但從體系結(jié)構(gòu)與組成角度看，都是馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的。計(jì)算機(jī)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分，并有機(jī)地結(jié)合在一起。計(jì)算機(jī)的初始設(shè)計(jì)是以運(yùn)算器為核心構(gòu)造的，現(xiàn)在已演化成以存儲(chǔ)器為核心的結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱微機(jī))是微型化的計(jì)算機(jī)。圖1.1計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.2所示。

圖1.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成微機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)一致，作為一種普及型機(jī)型，微機(jī)在構(gòu)成上有微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、I/O設(shè)備總線和外設(shè)等，如圖1.3所示。

圖1.3微機(jī)的基本構(gòu)成1.1.3微機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)與術(shù)語

1.主頻

數(shù)字電路是微處理器和外圍芯片的基礎(chǔ)，其工作需要時(shí)鐘頻率信號(hào)作為數(shù)據(jù)傳遞和處理的時(shí)間和時(shí)序控制信號(hào)。微處理器時(shí)鐘信號(hào)的頻率又稱為微機(jī)的主振頻率(簡(jiǎn)稱主頻)。一般來說，微處理器的主頻越高，其處理速度越快，因此不斷提高主振頻率是處理器性能發(fā)展的物理手段和途徑之一。主振頻率一般用MHz或GHz來表示。

2.字長

字長是微處理器內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制的位數(shù)，與微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度、寄存器位數(shù)、算術(shù)/邏輯運(yùn)算一次處理的位數(shù)相一致，代表著微機(jī)處理能力和處理的精度，一般用“位”來表示。如16位機(jī)，處理器字長的位數(shù)為16，稱為1個(gè)字(Word)，其信息內(nèi)部表示、加工處理和傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)為16。

3.存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是微機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)部件能夠存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量的衡量指標(biāo)，一般用位來表示，其中8位(bit)二進(jìn)制代碼稱為1個(gè)字節(jié)(Byte)。字節(jié)是存儲(chǔ)容量的基本衡量單位，1個(gè)字節(jié)記為1B，1024B記為1KB，1024KB記為1MB，1024MB記為1GB，1024GB記為1TB，1024TB記為1PB，另外還有EB、ZB、YB、NB、DB等衡量單位。

4.系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是連接微機(jī)各個(gè)功能部件的公共通道部件，其性能對(duì)微機(jī)系統(tǒng)性能起關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)寬度和傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率是其主要指標(biāo)，決定著總線的吞吐率?？偩€的傳輸位數(shù)越多，工作的時(shí)鐘頻率越高，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)吞吐率就越高，微機(jī)的整體性能也就越好?？偩€通常傳遞地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息等。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。微機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA、EISA、VESA、PCI等。

5.外圍配置

微機(jī)的外圍設(shè)備及其接口電路是微機(jī)與用戶交互的主要設(shè)備，為用戶使用計(jì)算機(jī)提供方便，在微機(jī)系統(tǒng)中具有重要的地位。外圍設(shè)備的功能直接影響微機(jī)的可用性。常用外圍設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、音箱、硬盤、光驅(qū)、打印機(jī)、網(wǎng)卡以及各種接口電路等。1.1.4微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展與分類

計(jì)算機(jī)發(fā)展史是人類生產(chǎn)力進(jìn)步的歷史。20世紀(jì)40年代以前計(jì)算機(jī)器漫長的積累和不斷發(fā)展的過程，大體可劃分為算盤時(shí)代、機(jī)械時(shí)代和機(jī)電時(shí)代?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的歷史從1943年英國數(shù)學(xué)家圖靈領(lǐng)導(dǎo)制造出的一臺(tái)名叫“巨人”(Colossus)的電子計(jì)算機(jī)(它專門用于譯碼，由于英國政府的保密制度，人們對(duì)它的成就了解甚少)和哈佛大學(xué)研制的Mark-I開始，以賓夕法尼亞大學(xué)于1946年研制成功的第一臺(tái)高速、通用電子計(jì)算機(jī)ENIAC為標(biāo)志，電子計(jì)算機(jī)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的嶄新階段。從真空管和電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)、集成電路計(jì)算機(jī)到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(VLSI)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從人工機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械到電子器械的飛躍。由初步的計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)思、初步的程序控制理論、電子管技術(shù)、晶體管技術(shù)到集成電路技術(shù)的產(chǎn)生和突破，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了少年時(shí)期的瘋長，進(jìn)入到了青年時(shí)期?？恐祟愔腔鄣牟赣?，下一輪的飛速成長將使計(jì)算機(jī)變成眾多學(xué)科交叉結(jié)合而成的“精靈”。

值得一提的是，我國古代技術(shù)文明也為計(jì)算機(jī)的誕生起到了間接的推動(dòng)作用。公元前12世紀(jì)，伏羲八卦的計(jì)數(shù)方式(陰爻、陽爻)直接關(guān)聯(lián)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制基本計(jì)算方法。伏羲八卦演化成的《周易》一書，是古人認(rèn)識(shí)自然世界和人類社會(huì)的經(jīng)典著作。另外，流傳久遠(yuǎn)且廣泛的算盤，也是一種構(gòu)思奇妙的手動(dòng)計(jì)算裝置。現(xiàn)在普遍使用的微機(jī)是20世紀(jì)70年代隨著微處理器誕生而出現(xiàn)的。40多年來，集成電路技術(shù)伴隨著摩爾定律(1965年由Intel公司創(chuàng)始人GordonMoore預(yù)言的定律)而發(fā)展。摩爾定律指出未來10年中，每18個(gè)月處理器芯片上的晶體管數(shù)量都會(huì)翻一番。實(shí)際情況是在持續(xù)40多年的歷史中，半導(dǎo)體工業(yè)不僅實(shí)現(xiàn)了每18個(gè)月晶體管數(shù)目加倍，計(jì)算機(jī)技術(shù)的其他方面也都應(yīng)驗(yàn)著相同的發(fā)展規(guī)律，如磁盤容量、存儲(chǔ)器容量、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)的普及等，也都呈現(xiàn)了類似的指數(shù)增長的情況。當(dāng)前微處理器和微機(jī)得到了迅速發(fā)展，幾乎每?jī)赡晡⑻幚砥鞯男阅芎图啥染吞岣咭槐?，?～5年微機(jī)就要更新?lián)Q代一次。微處理器(MPU)是構(gòu)成微機(jī)的核心部件，統(tǒng)稱中央處理單元或中央處理器(CPU)，簡(jiǎn)稱處理器。根據(jù)微處理器的處理能力和特性，按照發(fā)展的時(shí)間順序排列，微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)歷史階段。

1．第一階段(1971—1972年)

第一階段主要是4位和低檔8位微處理器。其代表產(chǎn)品是美國Intel公司的4004和4040微處理器芯片，以及8008等，字長為4位，集成度為2300管/片，時(shí)鐘頻率為1MHz。

2．第二階段(1973—1977年)

第二階段主要是中高檔8位微處理器。MPU采用Intel公司的8080/8085、Motorola公司的MC6800、美國Zilog公司的Z80等產(chǎn)品，字長為8位，地址線為16條，集成度達(dá)1萬管/片，時(shí)鐘頻率為2M～4MHz，運(yùn)算速度比第一代微處理器提高了10倍。

3．第三階段(1978—1984年)

第三階段主要是16位微處理器。以Intel8086/8088、Z8000和MC68000微處理器為代表構(gòu)成的微機(jī)，字長為16位，地址線為20條，集成度為2萬～6萬管/片，時(shí)鐘頻率為4M～8MHz。后期的Intel80286和MC68010，字長為16位，地址線為24條，集成度為13萬管/片，時(shí)鐘頻率高達(dá)6M～25MHz，微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)一步得到完善和優(yōu)化。其中，8088即8086加上外部8位數(shù)據(jù)總線，屬于準(zhǔn)16位機(jī)型。

4．第四階段(1985—1992年)

第四階段為32位微處理器時(shí)代。以Intel80386和MC68020微處理器為代表構(gòu)成的微機(jī)，字長為32位，地址線為32條，集成度為15萬～50萬管/片，時(shí)鐘頻率高達(dá)16M～40MHz。后來推出的Intel80486等產(chǎn)品，制造工藝和集成度、時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高。浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)(相當(dāng)于80387)集成到i486處理器芯片，協(xié)處理器完成浮點(diǎn)運(yùn)算功能，增加了平面尋址模式，在結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用等方面有了大幅度的進(jìn)步，代表了小型機(jī)的微型化水平。

5．第五階段(1993—1999年)

隨著高檔32位微處理器時(shí)代的到來,Intel公司的Pentium機(jī)時(shí)代開始。因?yàn)镮ntel無法獲得CPU編號(hào)的商標(biāo)保護(hù)，所以改變了沿用數(shù)字命名的慣例，創(chuàng)造了“Pentium”這個(gè)詞，漢譯名為“奔騰”，稱為P5，即公司的第五代機(jī)。同時(shí)的代表產(chǎn)品還有AMD、Cyrix的同檔次微處理器。這一時(shí)期的微處理器集成度高達(dá)350萬管/片，時(shí)鐘頻率為50M～166MHz，采用了許多大型機(jī)上的一些技術(shù)，如超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水線技術(shù)、大容量二級(jí)緩存技術(shù)等。1995年，Intel公司向世界宣布了它的第六代機(jī)PentiumPro(高能奔騰)。1997年和1999年，Intel先后發(fā)布了PentiumⅡ(奔騰2代)、PentiumⅢ(奔騰3代)和Pentium4(奔騰4代)，統(tǒng)稱為P6，其微處理器集成度達(dá)1000萬管/片，時(shí)鐘頻率為1GHz。

6．第六階段(2000年以后)

Intel公司推出的第一個(gè)非P6核心的全新32位微處理器的PentiumⅣ，采用20級(jí)分支預(yù)測(cè)/恢復(fù)的超級(jí)管道技術(shù)，算術(shù)邏輯單元(ALU)能運(yùn)行到處理器核心頻率的2倍，具備亂序執(zhí)行等從大型計(jì)算機(jī)下移的技術(shù)。在這個(gè)階段，AMD、Intel、HP、IBM等各大計(jì)算機(jī)業(yè)內(nèi)公司研制成功字長為64位的微處理器芯片，采用0.18～0.25μm技術(shù)的制作工藝，工作頻率達(dá)1GHz以上，以Intel推出的64位微處理器芯片Itanium為代表的芯片為標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，以64位技術(shù)為核心的“64位微機(jī)時(shí)代”已經(jīng)到來。近年來不斷推出雙核甚至多核處理器，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP(對(duì)稱多處理器)集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程，從而利用線程級(jí)并行性提高系統(tǒng)性能。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化處理器核，利于優(yōu)化設(shè)計(jì)并獲得較高主頻，縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)間，發(fā)展前景非?？春?。除了采用多核處理器滿足人們對(duì)并行處理的需求外，圖形處理器(GPU)也逐漸成熟和普及。

微處理器的發(fā)展日新月異，也僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)起步短短幾十年的初步成就。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍和更美好的未來前景已初露端倪，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等已進(jìn)入人們的視野，其不但具有基本的信息處理和計(jì)算能力，而且具有知識(shí)處理和一定的智能，如識(shí)別、學(xué)習(xí)、聯(lián)想、推理、理解和解釋等能力。這類計(jì)算機(jī)產(chǎn)品將使計(jì)算機(jī)專業(yè)人士有所作為。1.1.5微機(jī)的基本特點(diǎn)

1.開放性

微機(jī)的普及和發(fā)展得益于WinTel戰(zhàn)略聯(lián)盟針對(duì)計(jì)算機(jī)個(gè)人化的“啟蒙運(yùn)動(dòng)”掀起者蘋果公司而制定的發(fā)展策略，開放的PC架構(gòu)成為了個(gè)人電腦消費(fèi)領(lǐng)域新的標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)開放性架構(gòu)大潮中最大的受益者是英特爾(Intel)公司。通過向PC生產(chǎn)廠商提供其最核心的零件—CPU，英特爾公司取得了巨大的成功。英特爾公司給自己研制的CPU定下了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即新的CPU對(duì)老的CPU環(huán)境下的軟件必須百分之百地兼容，即使是最原始的CPU8086/8088環(huán)境下的軟件采用如今最先進(jìn)一代的CPUDothan也照跑不誤，這就是英特爾系列CPU一個(gè)最顯著的特點(diǎn)。而從8086延續(xù)下來的這個(gè)架構(gòu)則被稱為X86架構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的英特爾已經(jīng)成為了一個(gè)年收益達(dá)到300億美元的世界上最大的CPU制造商。開放性保障了其產(chǎn)品較長的社會(huì)壽命，廣泛的用戶以及穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。

2.兼容性

兼容性伴隨開放性致使眾多計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商紛紛選擇與IBM合作，推出PC及其兼容機(jī)，形成了個(gè)人電腦消費(fèi)領(lǐng)域新的標(biāo)準(zhǔn)。完全符合計(jì)算機(jī)發(fā)展潮流的開放性架構(gòu)，使IBMPC獲得了比Apple電腦更多的青睞，隨之而來的是IBM取得了自其加入計(jì)算機(jī)行業(yè)以來的最大成功。IBMPC及其兼容機(jī)個(gè)人化、價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單和適應(yīng)性極強(qiáng)等幾個(gè)特點(diǎn)，使PC逐漸進(jìn)入了人們的日常生活。與此同時(shí)，微軟的MS-DOS操作系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)性、良好的可維護(hù)性和大量豐富的開發(fā)資源則越來越吸引程序員們來到PC平臺(tái)上開發(fā)軟件和游戲，這為個(gè)人電腦的發(fā)展打下了深厚的軟件基礎(chǔ)。

3.方便性

芯片集成度和封裝技術(shù)、可編程門陣列器件、電路板工藝等的進(jìn)步，使微機(jī)硬件的體積、重量、功耗等大大縮減，同時(shí)微機(jī)軟件在可維護(hù)性與可操作性方面的進(jìn)步，良好的編程手段和“傻瓜式”軟件的應(yīng)用，使微機(jī)成為人人可以使用的設(shè)備。

4.可靠性

大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展是微機(jī)出現(xiàn)與升級(jí)換代的最主要因素之一。集成電路把幾千、幾萬甚至幾千萬的電子分立元件集成在一個(gè)小小的硅片上，大大減少了電路的體積、連線、焊點(diǎn)、插接、功率等，從而減少了不可靠因素，提高了可靠性。目前的微處理器與外圍系列芯片的平均無故障時(shí)間可達(dá)幾千萬小時(shí)。隨著大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展與應(yīng)用，微機(jī)硬件電路制作從模塊化到高度集成，只用很少幾塊電路板和配件構(gòu)成的微機(jī)其可靠性就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的期望。

5.價(jià)格低

微機(jī)的普及推廣與微處理器及配套的芯片的大批量生產(chǎn)形成的價(jià)格優(yōu)勢(shì)互為因果，芯片集成度的提高也進(jìn)一步促進(jìn)微機(jī)成本不斷下降，可靠性和方便性更為突出。1.1.6微機(jī)的應(yīng)用

1.科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算強(qiáng)度大、計(jì)算復(fù)雜，多為數(shù)據(jù)量不大的數(shù)值計(jì)算。這是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的最早領(lǐng)域，也是發(fā)展比較成熟的領(lǐng)域。隨著智能計(jì)算、并行計(jì)算、新算法的提出，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展空間越來越大，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

2.信息處理

信息處理是指對(duì)信息進(jìn)行的有效采集、加工、處理、利用等，具有數(shù)據(jù)量大、計(jì)算簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是當(dāng)今應(yīng)用計(jì)算機(jī)最廣泛的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域涉及的行業(yè)范圍很廣，如銀行、企業(yè)、財(cái)務(wù)、辦公、鐵路售票、教學(xué)、地理等系統(tǒng)信息的處理。信息處理系統(tǒng)主要完成信息的輸入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)和輸出等功能。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和廣泛應(yīng)用，微機(jī)成為人們進(jìn)行信息處理的首選工具。

3.自動(dòng)控制系統(tǒng)

通過計(jì)算機(jī)對(duì)某一過程進(jìn)行的自動(dòng)操作，不需要人工干預(yù)就能按人預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)和預(yù)定狀態(tài)進(jìn)行過程控制。過程控制的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、傳輸、檢測(cè)、處理和判斷等，并按最佳結(jié)果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。自動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等的生產(chǎn)中。惡劣、高強(qiáng)度、無人的環(huán)境以及高速場(chǎng)合等都是自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。它可以大大提高控制的實(shí)時(shí)性、智能性和準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。作為專門用途的微機(jī)——微控制器/嵌入式芯片在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛。

4.輔助系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的又一主要領(lǐng)域，通常包含計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助工藝(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助軟件工程(CASE)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)等。該系統(tǒng)廣泛用于各種設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、教育等領(lǐng)域，提高了工作效率以及質(zhì)量和效果，節(jié)省人力、物力和財(cái)力。這也是微機(jī)對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)最突出的貢獻(xiàn)。

5.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)硬件資源十分昂貴的時(shí)期，基于硬件資源共享的動(dòng)機(jī)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)得以誕生。近年來隨著微機(jī)的普及和通信技術(shù)的發(fā)展，Internet的發(fā)展速度和規(guī)模達(dá)到了驚人的程度，全球入網(wǎng)量每6個(gè)月翻一番。全球網(wǎng)絡(luò)化促進(jìn)了微機(jī)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的應(yīng)用，并迅速改變著人們工作、生活、娛樂的各個(gè)方面。基于網(wǎng)絡(luò)的微機(jī)應(yīng)用，涉及電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教育、敏捷制造、虛擬圖書館、虛擬娛樂等多個(gè)領(lǐng)域。

6.人工智能

人工智能(AI)是一門模擬人類智能的技術(shù)，是研究如何使計(jì)算機(jī)去做過去只有人才能做的智能工作。人工智能幾十年的發(fā)展歷程跌宕起伏，但始終是計(jì)算機(jī)的主要領(lǐng)域。它包括傳統(tǒng)人工智能、神經(jīng)計(jì)算、演化計(jì)算和模糊計(jì)算(FC)等。人工智能模擬人腦進(jìn)行思維、推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想和決策，使計(jì)算機(jī)具有一定的“思維能力”，廣泛用于機(jī)器人、語言翻譯、機(jī)器博弈、定理證明、專家系統(tǒng)、智能識(shí)別和控制等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的聽、看、感知、理解、動(dòng)作等人類所具備的能力。如今，人類在人工智能領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成就，如《數(shù)學(xué)原理》中全部350多條定理的證明、“四色定理”的證明、世界級(jí)數(shù)學(xué)難題的演化計(jì)算、游戲中的智能路徑選擇、計(jì)算機(jī)棋手、圖形圖像識(shí)別、機(jī)器人、無人駕駛等等。

7.數(shù)據(jù)管理

人們一直孜孜不倦地追求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和效率。然而，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度盡管有百萬倍甚至上億倍的提升，但是在機(jī)器翻譯和天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然不盡如人意，這顯然不是計(jì)算機(jī)性能不夠好。如今，多年積累的海量數(shù)據(jù)將成為未來計(jì)算的核心，就像PC時(shí)代Intel芯片是核心一樣，數(shù)據(jù)將成為新一代計(jì)算的核心。未來世界將承載在數(shù)據(jù)之上，以有效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)駕馭和使用積累下來的海量而繁雜的數(shù)據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的社會(huì)化媒體公司如谷歌、雅虎、Facebook,其服務(wù)所產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”需要一種全新的解決方案。如果利用得當(dāng)，則現(xiàn)代化對(duì)于數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值的沖擊，大數(shù)據(jù)將源源不斷地產(chǎn)生新的用途和應(yīng)用。簡(jiǎn)單的模型加上海量的數(shù)據(jù)比精巧的模型加上少量的數(shù)據(jù)更有效。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并從中提取洞察、理解和表達(dá)的能力，如Google公司的機(jī)器自動(dòng)翻譯系統(tǒng)和語音輸入，基于海量的語料庫而不是好的算法。Google翻譯采用“統(tǒng)計(jì)式”翻譯算法，統(tǒng)計(jì)、分析某一單詞在語言環(huán)境中被運(yùn)用的概率和位置，尋找出詞匯的排列規(guī)則；采用“類比式”算法，通過分析數(shù)億翻譯作品，遇到新的語句時(shí)，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中搜索與之最相似的語句進(jìn)行翻譯。又如，基于海量數(shù)據(jù)的Facebook數(shù)據(jù)管理團(tuán)隊(duì)，通過數(shù)據(jù)的分析建立的商業(yè)智能系統(tǒng)成為其成功的基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)更可能被稱為“多層結(jié)構(gòu)”，因?yàn)樗梢园谋咀址?、所有類型的文件、音頻和視頻文件、元數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁、電子郵件、社交媒體供稿、表格數(shù)據(jù)等等。容量?jī)H僅是界定大數(shù)據(jù)定義的關(guān)鍵要素之一，而對(duì)于大數(shù)據(jù)的定義至少有三個(gè)要素，其他兩個(gè)分別是種類和傳輸速度。一般來說，專家們普遍認(rèn)為PB級(jí)的數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)的起點(diǎn)，盡管這一指標(biāo)仍然是一個(gè)變化中的目標(biāo)。因此，容量這一要素是非常重要的，種類則是指許多不同的數(shù)據(jù)和文件類型，它對(duì)于管理和更深入地分析數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，但不適合傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。這方面的例子包括各種聲音和電影文件、圖像、文檔、地理定位數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)日志和文本字符串。速度是有關(guān)數(shù)據(jù)的變化率，以及其如何快速地被使用，以創(chuàng)造真正的價(jià)值。傳統(tǒng)技術(shù)尤其不適合于高速數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和使用，因此，采用新的方法是必要的。如果有問題的數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和聚合速度非?？?，就必須使用快速的方式來揭示其相關(guān)的模式和問題。發(fā)現(xiàn)問題的速度越快，就越有利于從大數(shù)據(jù)分析中獲得更多的機(jī)會(huì)。大數(shù)據(jù)的技術(shù)，如世界上使用排名第一的Web服務(wù)器軟件Apache的Hadoop工具，是為大數(shù)據(jù)工作的開源軟件框架；NoSQL，除了SQL或類似SQL接口外，還對(duì)相關(guān)類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供特定領(lǐng)域的訪問和查詢技術(shù)，包括關(guān)鍵值存儲(chǔ)、面向文檔的數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫、大表結(jié)構(gòu)和緩存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)主要應(yīng)用于谷歌、雅虎、Facebook、騰訊、百度、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通這樣的互聯(lián)網(wǎng)或通信運(yùn)營巨頭。用戶將逐步了解大數(shù)據(jù)并不僅僅指處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，行業(yè)對(duì)大數(shù)據(jù)處理的需求也會(huì)增加，包括數(shù)據(jù)流監(jiān)測(cè)和分析。數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)智能分析和應(yīng)用等無不基于海量數(shù)據(jù)管理，尤其是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)密集型計(jì)算將是未來最具吸引力的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。1.1.7計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

1.計(jì)算學(xué)科常識(shí)

計(jì)算學(xué)科(通常也稱做計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù))作為現(xiàn)代技術(shù)的標(biāo)志，已成為世界各國經(jīng)濟(jì)增長的主要?jiǎng)恿?，是現(xiàn)代科學(xué)體系的主要基石之一(計(jì)算機(jī)科學(xué)與量子力學(xué)、相對(duì)論、宇宙大爆炸模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、板塊構(gòu)造理論，這六大科學(xué)理論的突破，共同確立了現(xiàn)代科學(xué)體系的基本結(jié)構(gòu))。但如何認(rèn)識(shí)這門學(xué)科，它究竟屬于理科還是工科，屬于科學(xué)還是工程的范疇，這是困擾國內(nèi)外計(jì)算機(jī)科學(xué)界很長一段時(shí)間且爭(zhēng)論不休的問題。

計(jì)算學(xué)科誕生于20世紀(jì)40年代初，它的理論基礎(chǔ)在這之前就已經(jīng)建立起來了。美國普渡大學(xué)于1962年開設(shè)了最早的計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)位課程。在計(jì)算機(jī)產(chǎn)生之初及隨后的一二十年時(shí)間里，計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)值計(jì)算。20世紀(jì)70、80年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并開始滲透到大多數(shù)科學(xué)領(lǐng)域。這時(shí)人們普遍爭(zhēng)論的問題是：計(jì)算是否能作為一門學(xué)科？它是科學(xué)還是工程？它屬于理科還是工科？或者只是一門技術(shù)、一個(gè)計(jì)算商品的研制者或銷售者？1985年春，ACM(美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì))和IEEE-CS(國際電子電氣工程師學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)分會(huì))組成聯(lián)合攻關(guān)小組，開始了對(duì)“計(jì)算作為一門學(xué)科”的存在性證明。1989年1月，該小組提交了《計(jì)算作為一門學(xué)科》(Computingasadiscipline)的報(bào)告。該報(bào)告第一次給出了計(jì)算學(xué)科一個(gè)透徹的定義，回答了計(jì)算學(xué)科中長期以來一直爭(zhēng)論的一些問題，完成了計(jì)算學(xué)科的“存在性”證明，還提出了未來計(jì)算科學(xué)教育必須解決的兩個(gè)重大問題-——整個(gè)學(xué)科核心課程詳細(xì)設(shè)計(jì)及整個(gè)學(xué)科綜述性導(dǎo)引課程的構(gòu)建。1991年，在這份報(bào)告的基礎(chǔ)上又提交了關(guān)于計(jì)算學(xué)科的教學(xué)計(jì)劃CC1991(ComputingCurricula1991)。2001年12月，提交了最終的CC2001報(bào)告。

《計(jì)算作為一門學(xué)科》報(bào)告及CC1991、CC2001一起解決了三個(gè)重大問題。第一個(gè)重大問題(計(jì)算作為一門學(xué)科的存在性證明)的解決對(duì)學(xué)科本身的發(fā)展至關(guān)重要。如果在眾多分支領(lǐng)域都取得了重大成果并已得到了廣泛應(yīng)用的“計(jì)算”，連作為一門學(xué)科的地位都不清楚，那么它的發(fā)展勢(shì)必會(huì)受到很大的限制。第二個(gè)重大問題(整個(gè)學(xué)科核心課程詳細(xì)設(shè)計(jì))的解決將為高校制訂計(jì)算機(jī)教學(xué)計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。確定一個(gè)公認(rèn)的本科生應(yīng)該掌握的核心內(nèi)容，將避免教學(xué)計(jì)劃設(shè)計(jì)中的隨意性，從而為我們科學(xué)地制訂教學(xué)計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。第三個(gè)重大問題(整個(gè)學(xué)科綜述性導(dǎo)引課程的構(gòu)建)的解決將使人們對(duì)整個(gè)學(xué)科的認(rèn)知科學(xué)化、系統(tǒng)化和邏輯化。如果人們對(duì)計(jì)算學(xué)科的認(rèn)知能建立在公理化的基礎(chǔ)之上，則該學(xué)科可被認(rèn)為是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的和成熟的，從而有助于它的發(fā)展。計(jì)算學(xué)科的基本原理已納入理論、抽象和設(shè)計(jì)這三個(gè)具有科學(xué)技術(shù)方法意義的過程中。這三個(gè)過程要解決的都是計(jì)算過程中的“能行性”和“有效性”問題，學(xué)科的各分支領(lǐng)域正是通過這三個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)它們各自的目標(biāo)。計(jì)算問題的本質(zhì)即“能行性”，也是數(shù)學(xué)問題的“算法化”。算法也稱為能行性方法或能行性過程。英國科學(xué)家圖靈用形式化方法揭示了這一本質(zhì)——計(jì)算就是計(jì)算者(人或機(jī)器)對(duì)一條兩端可無限延長的紙帶上的一串0和1執(zhí)行指令，一步一步地改變紙帶上的0和1，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個(gè)滿足預(yù)先規(guī)定的符號(hào)串的變換過程。ACM和IEEE-CS聯(lián)合攻關(guān)小組的報(bào)告如是定義計(jì)算學(xué)科：計(jì)算學(xué)科是對(duì)描述和變換信息的算法過程，包括對(duì)其理論、分析、設(shè)計(jì)、效率、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等進(jìn)行的系統(tǒng)研究。計(jì)算學(xué)科的研究包括從算法與可計(jì)算性的研究到根據(jù)可計(jì)算硬件和軟件的實(shí)際問題的研究，涉及理論研究、實(shí)驗(yàn)方法和工程設(shè)計(jì)。

2．計(jì)算學(xué)科的根本問題

《計(jì)算作為一門學(xué)科》的報(bào)告對(duì)學(xué)科的根本問題進(jìn)行了概括，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行，這是對(duì)根本問題“能行性”的討論。在計(jì)算學(xué)科極為寬廣的領(lǐng)域內(nèi)，其根本任務(wù)就是進(jìn)行計(jì)算，實(shí)質(zhì)就是字符串的變換，而“能行性”這一根本問題決定了計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象是離散的而非連續(xù)的。以離散型變量為研究對(duì)象的離散數(shù)學(xué)成為學(xué)科的第一個(gè)領(lǐng)域——離散結(jié)構(gòu)，它包括集合論、數(shù)理邏輯、近世代數(shù)、圖論及組合數(shù)學(xué)等內(nèi)容，并以抽象和理論的學(xué)科形態(tài)為計(jì)算學(xué)科領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具?？傊?jì)算學(xué)科研究計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用以及如何進(jìn)行信息的獲取、表示、存儲(chǔ)、處理、控制等的理論、方法、原則和技術(shù)，包含科學(xué)、工程、技術(shù)，注重理論和抽象，研究現(xiàn)象揭示規(guī)律，進(jìn)行抽象和設(shè)計(jì)，理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息的處理方法和技術(shù)手段等。

計(jì)算學(xué)科作為一門新興學(xué)科，是以數(shù)學(xué)和電子科學(xué)為基礎(chǔ)的，理論和實(shí)踐相結(jié)合。學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力來自于科學(xué)理論和工程技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，具有自身發(fā)展的深度和廣度，尤其是應(yīng)用需求的牽引推動(dòng)了學(xué)科持續(xù)高速的發(fā)展，并且具有很強(qiáng)的開放性、包容性和吸納性。其應(yīng)用的廣泛及與其他學(xué)科的滲透，呈現(xiàn)出多學(xué)科的交叉和融合?？鐚W(xué)科、跨方向的創(chuàng)新與應(yīng)用形成計(jì)算學(xué)科發(fā)展的新形態(tài)，同時(shí)還具有促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展的作用。

3．計(jì)算學(xué)科的學(xué)科形態(tài)(過程)

計(jì)算學(xué)科的確立，反映了人們對(duì)計(jì)算的認(rèn)識(shí)從感性到理論，再由理論回到實(shí)踐的科學(xué)思維方法。其認(rèn)知領(lǐng)域的三個(gè)最基本最原始的概念，即三個(gè)學(xué)科形態(tài)：抽象、理論和設(shè)計(jì)。它提供了定義計(jì)算學(xué)科的條件，是構(gòu)成學(xué)科方法論的第一個(gè)方面。這三個(gè)學(xué)科形態(tài)源于人們認(rèn)識(shí)客觀事物的規(guī)律，反映了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感性認(rèn)識(shí)、依靠數(shù)學(xué)的理性認(rèn)識(shí)以及完成工程設(shè)計(jì)的全過程，是從事該領(lǐng)域工作的文化方式。從研究過程、發(fā)展過程和實(shí)現(xiàn)過程來看，三個(gè)學(xué)科形態(tài)都有各自的步驟和內(nèi)容。抽象形態(tài)包括形成假設(shè)、建造模型、進(jìn)行預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)和對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；理論形態(tài)則包含定義和公理(對(duì)對(duì)象特征的研究和表述)、定理(假設(shè)對(duì)象間的基本性質(zhì)和可能關(guān)系)、證明(確定關(guān)系是否為真)以及結(jié)論；設(shè)計(jì)形態(tài)包括需求分析、建立規(guī)格說明、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)的測(cè)試與分析。

三個(gè)學(xué)科形態(tài)在研究過程中都有相應(yīng)的作用和內(nèi)在的聯(lián)系。一般是在理論指導(dǎo)下，運(yùn)用抽象工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后形成計(jì)算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)和文檔資料。三個(gè)學(xué)科形態(tài)(過程)錯(cuò)綜纏繞，也可側(cè)重深入、獨(dú)立開展工作。

4．計(jì)算學(xué)科的分支與領(lǐng)域知識(shí)

早期的計(jì)算學(xué)科代表著兩個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)分支，即計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程，俗稱軟件和硬件。計(jì)算學(xué)科的知識(shí)發(fā)展演化與時(shí)俱進(jìn)，經(jīng)過近些年的積累和飛速發(fā)展，學(xué)科本身發(fā)生了巨大變化，其范疇拓寬，并涵蓋了許多其他學(xué)科范圍，已是軟件和硬件所不能同日而語的了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程的單一范疇。ACM和IEEE-CS的報(bào)告CC2001和CC2004把計(jì)算學(xué)科分為計(jì)算機(jī)科學(xué)(CS)、計(jì)算機(jī)工程(CE)、軟件工程(SE)、信息技術(shù)(IT)、信息系統(tǒng)(IS)，并為未來預(yù)留了一定的發(fā)展空間。新的專業(yè)分支具有不同的內(nèi)涵和知識(shí)側(cè)重的領(lǐng)域，需要不同的知識(shí)和技能背景，更主要的還在于不同的思維方式和工作模式。

1)計(jì)算機(jī)科學(xué)

計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)領(lǐng)域側(cè)重理論與算法，在于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，其根本問題即“什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算”。該領(lǐng)域知識(shí)具體包括離散結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、算法與復(fù)雜性、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與組織、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、程序設(shè)計(jì)語言、人機(jī)交互、圖形學(xué)與可視化計(jì)算、智能系統(tǒng)、信息管理、軟件工程、社會(huì)和職業(yè)問題、數(shù)值科學(xué)計(jì)算。

2)計(jì)算機(jī)工程

計(jì)算機(jī)工程知識(shí)領(lǐng)域側(cè)重技術(shù)與工程實(shí)現(xiàn)，具體包括離散結(jié)構(gòu)、概率與統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程、電路與信號(hào)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)字邏輯、數(shù)字信號(hào)處理、電子學(xué)、嵌入式系統(tǒng)、VLSI設(shè)計(jì)與構(gòu)造、算法與復(fù)雜性、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、軟件工程、社會(huì)和職業(yè)問題。與計(jì)算機(jī)科學(xué)有不同的側(cè)重，但又相互交叉。計(jì)算機(jī)工程反映現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)、建造、實(shí)現(xiàn)的科學(xué)與技術(shù)。它以計(jì)算、數(shù)學(xué)及工程理論與原理為基礎(chǔ)，基于計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圍繞應(yīng)用需求，解決硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及其他過程中的技術(shù)問題；在目標(biāo)和約束之間折中處理，在軟硬件解決問題中進(jìn)行設(shè)計(jì)和取舍；關(guān)注計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的正常運(yùn)行和維護(hù)，其根本問題即“如何低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算”。

3)軟件工程

軟件工程的定義是“以系統(tǒng)的、學(xué)科的、定量的途徑，把工程應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)營和維護(hù)；同時(shí)開展其過程中的方法、途徑的研究”。這體現(xiàn)了軟件工程領(lǐng)域的兩大研究和應(yīng)用方向——工程學(xué)和方法學(xué)，其重點(diǎn)在于構(gòu)建系統(tǒng)。面向軟件工程教育和行業(yè)教育的從業(yè)要求分別形成兩個(gè)知識(shí)體系，即IEEE-CS/ACM的CC2004公布的SEEK和IEEE的SWEBOK-2004。其中SEEK包含的知識(shí)體系是計(jì)算的本質(zhì)、數(shù)學(xué)與工程基礎(chǔ)、職業(yè)訓(xùn)練、軟件建模與分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件驗(yàn)證、軟件進(jìn)化、軟件過程、軟件質(zhì)量、軟件管理、系統(tǒng)與應(yīng)用專題；SWEBOK-2004包含的知識(shí)體系有軟件需求、軟件設(shè)計(jì)、軟件構(gòu)造、軟件測(cè)試、軟件維護(hù)、軟件配置管理、軟件工程管理、軟件工程過程、軟件質(zhì)量、軟件工程工具和方法及相關(guān)學(xué)科知識(shí)。

4)信息技術(shù)

信息技術(shù)以計(jì)算機(jī)硬件和體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，覆蓋了組織與系統(tǒng)、應(yīng)用技術(shù)、軟件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)施等內(nèi)容，與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)性強(qiáng)。其根本問題是如何有效地利用系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)服務(wù)。它涉及信息的分類、獲取、存儲(chǔ)、處理、傳輸、再生和輸出等，拓展到Web的數(shù)字技術(shù)、信息應(yīng)用等。信息技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科新增加的專業(yè)分支。

5)信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)屬于管理學(xué)學(xué)科。它涉及計(jì)算機(jī)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)，側(cè)重工程實(shí)施和系統(tǒng)構(gòu)建，涵蓋信息技術(shù)、組織管理、系統(tǒng)理論和開發(fā)。其包含的知識(shí)體系有計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語言、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試、系統(tǒng)操作與維護(hù)、信息系統(tǒng)管理、商務(wù)分析、項(xiàng)目管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、應(yīng)用計(jì)劃及系統(tǒng)開發(fā)方法以及開發(fā)工具、技術(shù)、途徑等內(nèi)容。

5.學(xué)科的核心概念和典型方法

計(jì)算學(xué)科的核心概念蘊(yùn)含了學(xué)科的基本思想，是學(xué)科方法論的第二個(gè)方面。學(xué)科涉及的重要概念是問題求解中考慮的要點(diǎn)，是學(xué)科的重要思想、原則、方法、技術(shù)過程的集中體現(xiàn)。計(jì)算機(jī)專業(yè)工作中使用這些概念有助于在學(xué)科的深層次統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，能否對(duì)學(xué)科核心概念深入理解和正確拓展也是計(jì)算機(jī)專業(yè)工作人員的重要標(biāo)志之一。這些體現(xiàn)學(xué)科基本思想的12個(gè)重要概念分別是綁定、問題復(fù)雜性、概念和形式模型、一致性和完備性、效率、演化、抽象層次、按空間排序、按時(shí)間排序、重用、安全性、折中與決策。作為學(xué)科方法論的第三個(gè)方面是典型的學(xué)科方法，包括數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)科學(xué)方法，即以數(shù)學(xué)為工具進(jìn)行的科學(xué)研究方法，包括問題的描述和變換，如公理化方法、構(gòu)造性方法、內(nèi)涵與外延法、模型化與具體化方法等，以及以抽象思維對(duì)應(yīng)問題整體的抽象級(jí)別，并進(jìn)行系統(tǒng)的整體優(yōu)化，如系統(tǒng)分析方法、黑箱法、功能模擬方法、信息分析方法、分治法、自頂向下、自底向上、模塊法和逐步求精等。學(xué)科的能力除了交流、獲取知識(shí)、分析信息的基本能力，還包括程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、系統(tǒng)分析、開發(fā)與應(yīng)用能力以及計(jì)算思維能力。學(xué)科不但強(qiáng)調(diào)以信息的獲取、存儲(chǔ)、處理等為主，更強(qiáng)調(diào)與人類社會(huì)、健康、藝術(shù)、生物、能源、材料等領(lǐng)域的聯(lián)系。作為一門獨(dú)立的學(xué)科的同時(shí)，也是一種典型的通用技術(shù)，并與各種學(xué)科建立廣泛的橫向關(guān)系，形成技術(shù)的多樣性、開放性和個(gè)性化局面。

6.計(jì)算機(jī)專業(yè)職位

現(xiàn)今，人們中的大多數(shù)已能夠熟練使用計(jì)算機(jī)，但作為計(jì)算機(jī)專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生，其專業(yè)素質(zhì)、工作領(lǐng)域和職位有一定的內(nèi)在要求。與計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用或使用有著本質(zhì)的區(qū)別。歸納起來，計(jì)算機(jī)的專業(yè)職位大體可分為計(jì)算機(jī)硬件、軟件編程、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、信息系統(tǒng)、技術(shù)支持/服務(wù)、數(shù)字媒體/娛樂、人才培養(yǎng)八大類，具體如表1.1所示。表1.1計(jì)算機(jī)專業(yè)職位 1.2微機(jī)中的硬件邏輯

1.2.1數(shù)字電路的基本邏輯

微機(jī)是以數(shù)字電路及其邏輯為基礎(chǔ)構(gòu)成的。邏輯電路有三種基本的門電路，即非門、或門、與門，如圖1.4所示。圖1.4基本邏輯門電路三種基本門電路可以組合形成更復(fù)雜的邏輯電路，如或非門、與非門、異或門、異或非門、同或門，以及緩沖器、譯碼器、比較器、加法器等。邏輯電路的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是布爾代數(shù)，也叫邏輯代數(shù)，其邏輯值只能是0或1，其一般表達(dá)式如下：

Y?=?f(A，B，C，D)

其中，A、B、C、D為變量，取0或1；Y為邏輯輸出結(jié)果，取0或1；f為函數(shù)關(guān)系，基本的函數(shù)關(guān)系是“非”運(yùn)算、“或”運(yùn)算、“與”運(yùn)算。1.2.2微機(jī)的基本電路部件

任何復(fù)雜電路都是由若干簡(jiǎn)單電路構(gòu)成的。微機(jī)的基本電路部件有觸發(fā)器、寄存器、三態(tài)門電路、加法器等。

1．觸發(fā)器

觸發(fā)器由晶體管元件構(gòu)成，具有記憶功能，是計(jì)算機(jī)中最常用的基本元件。

1)

R-S觸發(fā)器

R-S觸發(fā)器是由2個(gè)與非門對(duì)稱構(gòu)成的，其電路符號(hào)如圖1.5所示，邏輯功能如表1.2所示。表1.2R-S觸發(fā)器邏輯功能圖1.5R-S觸發(fā)器電路符號(hào)

2)

D觸發(fā)器

D觸發(fā)器的電路符號(hào)如圖1.6所示。在時(shí)鐘信號(hào)CLK上升邊沿觸發(fā)作用下，輸入端D的信號(hào)可以建立起來并在輸出端Q輸出顯示。是反相輸出端，信號(hào)PR是預(yù)置端，CLR是清除端。圖1.6D觸發(fā)器電路符號(hào)

3)

J-K觸發(fā)器

J-K觸發(fā)器的電路符號(hào)如圖1.7所示。在時(shí)鐘信號(hào)CLK上升邊沿觸發(fā)作用下，根據(jù)J、K端的不同組合，Q端輸出不同的動(dòng)作狀態(tài)，其功能如表1.3所示。圖1.7J-K觸發(fā)器電路符號(hào)表1.3J-K觸發(fā)器邏輯功能

2．寄存器

由觸發(fā)器可構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)和功能的寄存器，一個(gè)觸發(fā)器提供1位二進(jìn)制信息功能，常用的寄存器有緩沖寄存器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、累加寄存器等。

1)緩沖寄存器

緩沖寄存器用于暫存數(shù)據(jù)，在外界時(shí)鐘節(jié)拍作用下，把輸入數(shù)據(jù)暫存起來并輸出，起到穩(wěn)定數(shù)據(jù)信號(hào)的作用。可用若干個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成若干位的緩沖寄存器。但往往為了使輸入數(shù)據(jù)可控，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)增加控制電路和控制信號(hào)，如裝入控制LOAD信號(hào)，如圖1.8所示。圖1.8緩沖寄存器

2)移位寄存器

移位寄存器由D觸發(fā)器構(gòu)成。移位寄存器在時(shí)鐘信號(hào)作用下可實(shí)現(xiàn)左移、右移功能。圖1.9是具有右移功能的移位寄存器。一般的移位寄存器具有可控制功能，可實(shí)現(xiàn)各種不同的移位操作，如裝入、左移、右移、循環(huán)等。圖1.94位移位寄存器

3)計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是由若干個(gè)觸發(fā)器組成具有計(jì)數(shù)功能的寄存器，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并加1的功能，如程序計(jì)數(shù)器、同步計(jì)數(shù)器、循環(huán)計(jì)數(shù)器、環(huán)形計(jì)數(shù)器等。用4個(gè)J-K觸發(fā)器組成的循環(huán)計(jì)數(shù)器如圖1.10所示，實(shí)現(xiàn)在CLK作用下從0000到1111，再到0000的循環(huán)計(jì)數(shù)功能。它在計(jì)算機(jī)環(huán)形脈沖的產(chǎn)生、基本計(jì)數(shù)等功能中有廣泛的應(yīng)用。圖1.104位循環(huán)計(jì)數(shù)器

4)累加寄存器

累加寄存器也叫累加器(ACC)，用于運(yùn)算器的輸入，不具備加法功能，但它可以實(shí)現(xiàn)基本的移位操作，在微機(jī)中有重要作用。

3．三態(tài)門電路

三態(tài)門電路可實(shí)現(xiàn)可控的方向選擇傳輸，還具有緩沖或鎖存功能，如圖1.11所示。圖1.11數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜龖B(tài)控制

4．加法器

1)?1位二進(jìn)制加法器

該加法器包括本位的2個(gè)加數(shù)Ai和Bi以及低位向本位的進(jìn)位Ci，輸出得到進(jìn)位位Ci+1和本位的結(jié)果Si。其真值表如表1.4所示。表1.41位二進(jìn)制加法器的真值表圖1.121位加法器

2)多位二進(jìn)制加法器

把1位加法器串接起來，可形成n位二進(jìn)制加法器，經(jīng)過改進(jìn)，還可以增加方式控制進(jìn)行減運(yùn)算、溢出檢測(cè)等，其電路如圖1.13所示。圖1.13n位加法器電路 1.3計(jì)算機(jī)中的基本編碼

1.3.1常用數(shù)制

1．十進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)有0～9共10個(gè)數(shù)字符號(hào)(也稱數(shù)碼)，后綴為D或不加后綴。無論數(shù)的大小，都可以用這10個(gè)數(shù)碼的組合來表示。任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)都可以用權(quán)展開式表示為

其中：Di是D的第i位的數(shù)碼，可以是0～9中的任何一個(gè)；n和m均為正整數(shù)，n表示整數(shù)部分的位數(shù)，m表示小數(shù)部分的位數(shù)；10為基數(shù)；10i表示第i位的權(quán)。表1.5各種進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系1.3.2常用數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

任何進(jìn)制的數(shù)都可寫成“按權(quán)展開式”的形式。對(duì)于N位整數(shù)位、n位小數(shù)位的m進(jìn)制的數(shù)，按權(quán)展開式如下：

任意進(jìn)制的數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的數(shù)時(shí)，只需“按權(quán)展開”計(jì)算結(jié)果即可。

1.非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的方法是按權(quán)表達(dá)式展開再求和，即可得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。

2.十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進(jìn)制數(shù)

1)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)

整數(shù)部分：除2取余，直至商為0。第一次得到的余數(shù)是二進(jìn)制的最低位，最后一次得到的余數(shù)是二進(jìn)制的最高位。將得到的余數(shù)逆序書寫，即可得到轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分。

小數(shù)部分：乘2取整，小數(shù)部分連續(xù)用2乘，每次得到一個(gè)整數(shù)和一個(gè)小數(shù)，整數(shù)保留，小數(shù)繼續(xù)乘2，直到小數(shù)部分為零或達(dá)到所要求的精度為止。第一次取得的整數(shù)為二進(jìn)制的最高位，最后一次得到的整數(shù)是二進(jìn)制的最低位。將得到的整數(shù)正序書寫即可得到轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)的小數(shù)部分。

【例1.6】

把十進(jìn)制數(shù)175.625轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

解

對(duì)整數(shù)部分175和小數(shù)部分0.625分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

【例1.7】

把十進(jìn)制數(shù)1192.9032轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。

解對(duì)整數(shù)部分1192和小數(shù)部分0.9032分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

所以1192.9032?=?4A8.E738H

3.二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

二進(jìn)制的4位數(shù)與十六進(jìn)制的1位數(shù)對(duì)應(yīng)，因?yàn)?4=16，即可用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十六進(jìn)制數(shù)，所以二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的方法是：以小數(shù)點(diǎn)為界，向左(整數(shù)部分)每4位為一組，高位不足4位時(shí)補(bǔ)0，向右(小數(shù)部分)每4位為一組，低位不足4位時(shí)補(bǔ)0，然后分別用一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)表示每一組中的4位二進(jìn)制數(shù)。

十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的方法為：直接將每一位十六進(jìn)制數(shù)寫成其對(duì)應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)。1.3.3微機(jī)信息與數(shù)的編碼

1.二進(jìn)制數(shù)編碼的十進(jìn)制數(shù)

用4位二進(jìn)制代碼對(duì)十進(jìn)制數(shù)字符號(hào)進(jìn)行編碼，形成二—十編碼，或稱BCD(BinaryCodedDecimal)碼。它既有二進(jìn)制的形式，又有十進(jìn)制的特點(diǎn)。BCD碼有8421碼、2421碼和余3碼等，較常用的是8421BCD碼。

8421BCD碼(簡(jiǎn)稱BCD碼)是最常用的一種權(quán)碼，其4位二進(jìn)制碼從高位至低位的權(quán)依次為23、22、21、20，即8、4、2、1，故稱為8421碼。因?yàn)?421碼編碼的0～9與用4位二進(jìn)制數(shù)表示的0～9完全一樣，所以8421碼是一種人機(jī)聯(lián)系時(shí)廣泛使用的中間形式。十進(jìn)制數(shù)與8421BCD碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1.6所示。表1.6十進(jìn)制數(shù)與8421BCD碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系壓縮BCD碼是用4位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，這種方式下，一個(gè)字節(jié)就表示2位十進(jìn)制數(shù)。例如，一個(gè)字節(jié)中以壓縮BCD碼的形式存放著10000101，就表示十進(jìn)制數(shù)85，即(10000101)BCD=85；非壓縮BCD碼是用8位二進(jìn)制碼表示一位十進(jìn)制數(shù)，即一個(gè)字節(jié)存放一個(gè)BCD碼，低4位為有效的BCD，高4位為全0。例如，85用非壓縮BCD碼存放就要占用兩個(gè)字節(jié)，0000100000000101，即85=(0000100000000101)BCD。

2.字符的編碼

目前微型機(jī)中普遍采用的字符編碼是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)。它是用7位二進(jìn)制碼對(duì)128個(gè)字符和符號(hào)進(jìn)行編碼，其中有96個(gè)可打印字符，包括常用的字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等，另外還有32個(gè)控制字符。雖然標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼是7位編碼，但由于計(jì)算機(jī)基本處理單位為字節(jié)(1Byte?=?8bit)，所以一般仍以一個(gè)字節(jié)來存放一個(gè)ASCII字符。每一個(gè)字節(jié)中多余出來的一位(最高位D7位)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部通常保持為0(在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可用作奇偶校驗(yàn)位)。ASCII編碼表參見書后的附錄B。計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)，所以在一個(gè)字節(jié)中存放ASCII碼時(shí)，低7位對(duì)應(yīng)字符的ASCII碼，最高位D7位常用作奇偶校驗(yàn)位，在數(shù)據(jù)傳輸過程中用來判斷數(shù)據(jù)的傳輸是否正確。例如A的ASCII碼是41H(1000001B)，以奇校驗(yàn)傳送則為C1H(11000001B)，若以偶校驗(yàn)傳送，則為41H。 1.4帶符號(hào)數(shù)的表示及運(yùn)算

1.4.1有符號(hào)數(shù)的表示

一個(gè)數(shù)及其符號(hào)位用機(jī)器中的一組二進(jìn)制數(shù)形式表示，稱為“機(jī)器數(shù)”。機(jī)器數(shù)所代表的數(shù)值大小稱為該機(jī)器數(shù)的“真值”。例如：

機(jī)器數(shù)00101011的真值為：十進(jìn)制的+43或二進(jìn)制的+0101011

機(jī)器數(shù)10101011的真值為：十進(jìn)制的－43或二進(jìn)制的－0101011

計(jì)算機(jī)中的有符號(hào)數(shù)的表示方法有三種：原碼、反碼和補(bǔ)碼。它們都是由二進(jìn)制數(shù)的最高位作為符號(hào)位。

1.原碼

真值X的原碼記為?[X]原。最高位為符號(hào)位，用“0”表示正，用“1”表示負(fù)；其余位為數(shù)值本身，數(shù)值部分用二進(jìn)制形式表示，稱為該數(shù)的原碼。

【例1.10】

已知真值X=+81，Y=－81，求[X]原和[Y]原。

解

X?=?+81為正數(shù)，則

[X]原=0

1010001B

Y?=－81為負(fù)數(shù)，則

[Y]原=1

1010001B原碼表示方法的特點(diǎn)：

(1)8位二進(jìn)制原碼表示數(shù)的范圍為－127～+127，16位二進(jìn)制原碼表示數(shù)的范圍為－32?767～+32?767。

(2)真值和其原碼表示之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系直接。

(3)0的表示不唯一：

[+0]原=0?0000000B

[－0]原=1?0000000B

采用原碼表示法時(shí)，編程簡(jiǎn)單，便于理解，但是不便于運(yùn)算。

2.反碼

真值X的反碼記為[X]反。正數(shù)的反碼與其原碼相同，[X]反=[X]原，即符號(hào)位用0表示正，其余位為數(shù)值本身。負(fù)數(shù)的反碼是在原碼基礎(chǔ)上，符號(hào)位不變(仍為1)，數(shù)值部分按位取反。

【例1.11】

已知真值X=+81，Y=－81，求[X]反和[Y]反。

解

X?=?+81為正數(shù)，則

[X]反=[X]原=?01010001B

Y=－81為負(fù)數(shù)，則

[Y]反=10101110B

【例1.12】

已知真值X=?+127，Y=－127，求[X]反和

[Y]反。

解

X?=?+127為正數(shù)，則

[X]反=[X]原=?0?1111111B

Y=－127為負(fù)數(shù)，則

[Y]反=10000000B

反碼表示方法的特點(diǎn)：

(1)正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼符號(hào)位為1，數(shù)值部分按位取反。

(2)?8位二進(jìn)制反碼表示數(shù)的范圍為－127～+127，16位二進(jìn)制反碼表示數(shù)的范圍為－32?767～+32?767。

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