計算機導論 課件 張玨 單元1 計算機基礎知識;單元2 計算機硬件基礎

1單元

1計算機基礎知識

計算機是一種用于高速計算的電子設備，既可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲功能，是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。電子計算機是20世紀最先進的科學技術發(fā)明之一，對人類的生產活動和社會活動產生了極其重要的影響，并以強大的生命力飛速發(fā)展。1．計算機與微型計算機有區(qū)別嗎？2．微型計算機與電腦是一回事嗎？3．區(qū)分計算機的硬件系統與軟件系統22概述1.1計算機中數據的表示與編碼1.21.3目錄計算機多媒體基礎計算機微型計算機計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速運算大量數值和處理數據的智能電子設備，是一種存儲和處理數據的工具。按照計算機規(guī)模，并考慮其運算速度、存儲能力等因素，將計算機分為：①巨型計算機；②大型計算機；③小型計算機；④微型計算機。微型計算機是以微處理器（Microprocessor）為基礎，由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。人們日常工作、生活中常用的計算機，是實現辦公自動化、提高工作效率必不可少的工具。微型計算機簡稱：微型機、微機。微型計算機的俗稱如下：①個人計算機或PC（PersonalComputer）；②微機或電腦。1．計算機與微型計算機有區(qū)別嗎？2．微型計算機與電腦是一回事嗎？“電腦”是微型計算機的俗稱。由于具有體積小、價格低、功能全和可靠性高等特點，目前，電腦在政府機關、企事業(yè)單位、學校、商場、超市、銀行等場合的行政管理、人事管理、財務管理、生產管理、物資管理等諸多方面起著重要的作用。本書中所說的“計算機”，若沒有特別說明，都是指微型計算機，其具備人腦的某些功能，因此也俗稱為“電腦”。由于習慣叫法，本書許多場合也將其稱為電腦，等同于微型計算機。3硬件系統軟件系統硬件系統是指看得到、摸得著的物理設備，即由機械、電子元件構成的具有輸入、存儲、計算、控制和輸出功能的實物部件。軟件系統廣義上是指系統中的程序以及開發(fā)、使用和維護程序所需的所有文件的集合，用來管理和控制硬件設備。硬件系統主要由主機和外部設備組成，其中主機從外觀上看是一個整體，是由多個獨立部分組合而成的，這些部件安裝在主機內部，它們相互配合完成主機的工作。軟件系統分為系統軟件和應用軟件兩類。系統軟件是支持應用軟件開發(fā)和運行的軟件。應用軟件是指計算機用戶為某一特定應用而開發(fā)的軟件。3．區(qū)分計算機的硬件系統與軟件系統？41.

1概述

計算機從誕生到現在不過半個多世紀，但是它的發(fā)展速度是驚人的，它把人類的計算速度提高了很多倍。計算機的發(fā)展先后經歷了以電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路為主要器件的4個發(fā)展時期。預計在不久的將來，將誕生以超導器件、電子仿真、集成光路等技術支撐的第5代計算機。1.1.1計算機的概念

計算機是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速運算大量數值和處理數據的智能電子設備。計算機是一種存儲和處理數據的工具，如今已被廣泛應用于日常生活、教育文化、工農業(yè)生產、商貿流通、科學研究、軍事技術、金融證券等各個領域，計算機技術的高速發(fā)展極大地推動了經濟的增長乃至整個社會的進步。微型計算機是實現辦公自動化、提高工作效率必不可少的工具。51.1.2計算機的發(fā)展簡史計算機發(fā)展簡史1946年，世界首臺通用電子數字計算機“埃尼阿克”于美國賓夕法尼亞大學研制成功，開啟計算機發(fā)展新紀元。計算機發(fā)展分4代：第1代（1946-1959年）：電子管計算機，邏輯元件為真空電子管，內存外存多樣，軟件從機器語言到匯編語言，特點是體積大等，應用于軍事與科學計算，代表IBM650。第2代（1959-1965年）：晶體管計算機，邏輯元件換為晶體管，內存磁芯外存磁盤，軟件有操作系統與高級語言，性能提升，應用拓展，代表CDC6600。第3代（1965-1971年）：集成電路計算機，邏輯元件為中、小規(guī)模集成電路，內存半導體存儲器，軟件更完善，通用化等發(fā)展，應用領域更廣，代表IBM360。第4代（1971年至今）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機，邏輯元件先進，內存改進，體系結構發(fā)展，軟件豐富，廣泛應用于多領域，1971年Intel4004芯片與微處理器誕生推動微型計算機發(fā)展。6第五代計算機展望與現狀20世紀80年代起，多國計劃研制第5代計算機，目標是打破傳統體系結構，實現智能化，具備類人思維與多種能力，如理解語言文字圖形等，靠語音指令操作，是智能計算機系統。但因多種因素制約，目標未完全達成，目前仍主要使用第4代計算機，不過相關基礎性研究促進了人工智能理論與智能機器人技術發(fā)展。71.1.3計算機的發(fā)展趨勢發(fā)展方向多極化：不同類型計算機各有應用，如個人追求便攜，企業(yè)等重運算能力。巨型化：速度快、存儲大、功能強，用于科研等領域，是科技工業(yè)水平標志。微型化：筆記本、PDA等大量涌現，性能多樣且價格低。網絡化：連接各地計算機成網絡，實現資源共享，全球普及。智能化：模擬人類感覺思維，包括多領域研究，智能機器人已部分應用。多媒體化：融合多種媒體技術，改善人機界面。8未來新一代計算機預測量子計算機：遵循量子力學，存儲與運算遠超普通計算機。神經網絡計算機：模仿人腦構建，并行處理，信息處理能力強且可重組防泄密。生物計算機：利用分子計算，體積小耗能低但提取信息難。光計算機：光子代替電子，信息傳輸佳，運算快耗能低。納米計算機：用納米技術，納米管元件性能優(yōu)可代硅芯片。91.1.4計算機與現代計算機特點運算速度快：大型計算機達每秒萬億次，微型計算機每秒億次以上，可解決復雜科學計算，如衛(wèi)星軌道、水壩計算、天氣預報等。計算精度高：有十幾位到幾十位有效數字，精度遠超普通計算工具，對導彈精準打擊等至關重要。存儲容量大：存儲器可存大量數據與程序信息。邏輯運算與判斷能力強：能進行比較判斷，自動決定后續(xù)步驟，可求解復雜問題、進行過程控制與數據處理，人工智能還將提升其推理等能力。自動控制能力強：憑借存儲記憶與邏輯判斷能力，依程序自動連續(xù)工作，無需人工干預?？煽啃愿撸弘娮悠骷煽啃蕴嵘O計結構優(yōu)化使其更可靠。101.1.5計算機的分類個人計算機：適合個人使用，涵蓋臺式、筆記本、平板等。工作站是高端通用微型機，單用戶使用，圖形與并行任務處理能力強，配高分辨率屏、大容量內存外存。服務器：網絡高性能計算機，偵聽并響應客戶端服務請求。運算、運行、吞吐能力強，處理、穩(wěn)定、可靠等性能優(yōu)于個人計算機。大型計算機：體積大、價格高，可同時服務多用戶?？煽啃?、安全性、兼容性優(yōu)，數據輸入輸出高效，用于金融交易、人口普查等關鍵數據處理。超級計算機：功能最強、運算最快、存儲最大。組件類似個人計算機但規(guī)模更大，速度與容量優(yōu)勢顯著，如“神威?太湖之光”。嵌入式計算機：嵌入產品執(zhí)行特定功能，如汽車中的微處理器用于控制防抱死、點火、多媒體播放等。移動設備：具備計算機特性，如iPhone等。平板設備因操作系統等因素分屬移動設備或個人計算機。智能手表等新興可穿戴設備也應運而生。111.1.6計算機應用領域計算機被廣泛應用于工作、生活等各個領域，其應用領域可以概括為以下幾個方面科學計算數據處理過程控制輔助設計（CAD）輔助制造（CAM）12輔助教學（CAI）人工智能（AI）網絡通信多媒體應用電子商務1.1.7計算機硬件系統基本組成13計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個基本部分組成（五大部件）運算器、控制器和內存合稱為計算機主機。運算器、控制器集成在大規(guī)模集成電路塊上，稱為中央處理器（CPU），微型計算機的CPU即微處理器，是核心。圖1-1計算機硬件系統的基本組成1.1.8計算機的基本工作原理以計算“6+4”為例說明微型計算機的工作原理。如果我們用心算，其計算過程描述如下。①將數字“6”通過眼睛存入“大腦”。②將運算符“+”通過眼睛存入“大腦”。③將數字“4”通過眼睛存入“大腦”。④大腦完成“6+4”的計算，將最終結果“10”暫存“大腦”。⑤將最終計算結果“10”通過“嘴”說出來，通過“手”寫在紙上。整個計算過程可簡述為“數據存儲”→“數據運算”→“結果輸出”3個階段。1415馮?諾依曼機基本特點計算機組成：由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5部分組成。運算器執(zhí)行算術和邏輯運算，如計算“6+4”；控制器指揮協調各部件；存儲器存儲程序與數據；輸入設備（如鍵盤）輸入信息；輸出設備（如顯示器）輸出結果。存儲程序方式：程序和數據存于存儲器，指令可像數據一樣送運算器運算，程序能修改。例如，可修改加法程序為乘法程序。數據表示：數據以二進制數表示，如“6”在二進制中為“0110”，“4”為“0100”，便于計算機處理與存儲。指令結構：指令由操作碼和地址碼組成。操作碼確定操作類型（如加法對應特定操作碼），地址碼指定操作數或指令存儲位置。指令存儲與執(zhí)行：指令在存儲器按順序存放，指令計數器指明執(zhí)行指令地址，通常順序遞增，也可依運算結果或外界條件改變，如根據條件判斷決定是否跳過某些指令。16圖1-2微型計算機工作原理1.

2概述計算機中數據的表示與編碼數據表示的演變：最初用于數值計算，僅處理數字信息。如今涵蓋數字、文字、圖像、聲音和視頻等多種形式。但內部仍以數字形式存儲與處理。數字化編碼：定義：用少量基本符號依規(guī)則編譯信息，使其易于計算機識別。要素：基本符號種類，如二進制的“0”和“1”。組合規(guī)則。計算機內部編碼：采用二進制符號進行信息編碼，為計算機處理各類信息奠定基礎171.2.1數制及其轉換1.計數制基本概念定義：用固定符號與統一規(guī)則表示數值的方法，生活中有多種進制，如十進制（10角為1元）、二進制（計算機常用）等。計算機：采用二進制，雖易于表示與存儲，但不便閱讀、書寫與記憶，常轉換為十進制、八進制、十六進制便于操作。2.數位、基數和位權要素（1）數位

指數碼符號在數中的位置，如十進制的個位、十位等。（2）基數

定義：某種計數制中每個數位上可使用的數碼符號個數。示例：二進制基數為2（數碼0、1），十進制基數為10（數碼0-9），且N進制數逢N進1。（3）位權

定義：多位數中每個數位上數碼符號所代表數值大小等于該數碼乘以固定數值，此固定數值即位權。示例：二進制整數第1位位權為20，第2位為21……；十進制小數點左邊第1位位權為100

等，一般N進制整數第i位位權為N

i-1，小數第j

位位權為N

-j。183.不同計數制對比及轉換（1）十進制：數碼符號：0-9十個數字。示例：“1011”可表示1×1000＋0×100＋1×10＋1×1＝1×103＋0×102＋1×101＋1×100，基數為10，逢10

進1。（2）八進制：數碼符號：0-7八個數字。示例：

(1011)8＝1×83＋0×82＋1×81＋1×80＝(521)10，基數為8，逢8

進1。（3）十六進制：數碼符號：0-9、A-F十六個符號。示例：

(1011)16＝1×163＋0×162＋1×161＋1×160＝(4113)10，基數為16，逢16進1。（4）二進制：數碼符號：0、1兩個數字。示例：

(1101)2＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝8＋4＋0＋1＝(13)10，基數為2，逢2

進1。1920二進制十進制八進制十六進制00000000001111001022200113330100444010155501106660111777100081081001911910101012A10111113B11001214C11011315D11101416E11111517F表1-14位二進制數與其他數制數的對照（1）十進制轉二進制（整數）方法：“除以2取余法”示例：將(25)??轉換為二進制25÷2=12余112÷2=6余06÷2=3余03÷2=1余11÷2=0余1從末位讀起余數為11001，所以(25)10＝(11001)2十進制整數轉換成八進制整數的方法是“除以8取余法”，十進制整數轉換成十六進制整數的方法是“除以16取余法”21數制轉換方法（2）十進制轉換成二進制（小數）方法：“乘2取整法”示例：(0.6875)??轉二進制0.6875×2=1.3750，整數=10.3750×2=0.7500，整數=00.7500×2=1.5000，整數=10.5000×2=1.0000，整數=1從末位讀起余數為11001，所以(25)10＝(11001)2十進制小數轉換成八進制小數的方法是“乘8取整法”，十進制小數轉換成十六進制小數的方法是“乘16取整法”22數制轉換方法（3）二進制數轉十進制數方法：將二進制數按權展開求和。示例：

(10110011.101)?轉十進制數整數部分：1×2?=1280×2?=01×2?=321×2?=160×23=00×22=01×21=21×2?=123數制轉換方法

小數部分：1×2?1=0.50×2?2=01×2?3=0.125

同理，非十進制數轉換成十進制數的方法是把各個非十進制數按權展開求和即可。例如，把二進制數（或八進制數或十六進制數）寫成2（或8或16）的各次冪之和的形式，然后計算其結果即可。（4）二進制數轉八進制數轉換原理：因81=23，八進制數1位對應二進制數3位。轉換方法：以小數點為界，整數部分從右向左、小數部分從左向右以3位為一組，不足3位用0補足（整數左側補0，小數右側補0）。示例：將(10110101110.11011)?轉換為八進制。分組：010110101110.110110轉換：↓↓↓↓↓↓

2656.66結果：(10110101110.11011)?=(2656.66)?24數制轉換方法（5）八進制數轉二進制數轉換方法：以小數點為界，向左或向右將每1位八進制數用3位二進制數取代，然后連在一起。示例：將(6237.431)?轉換為二進制替換：6237.431↓↓↓↓↓↓↓110010011111.10001100125數制轉換方法（6）二進制數轉十六進制數轉換方法：以小數點為界，整數部分從右向左、小數部分從左向右以4位為一組，不足4位用0補足（整數左側補0，小數右側補0），每組對應轉換為一位十六進制數示例1：將二進制數(101001010111.110110101)?轉換。分組：101001010111.110110101000轉換：↓↓↓↓↓↓A57.DA8結果：(101001010111.110110101)?=(A57.DA8)??26數制轉換方法示例2：將二進制數(100101101011111)?轉換。分組：0100101101011111轉換：↓↓↓↓4B5F結果：(100101101011111)?=(4B5F)??（7）十六進制數轉二進制數轉換方法：以小數點為界，向左或向右將每1

位十六進制數轉換為4

位二進制數，然后將其對應連在一起。示例：將十六進制數(3AB.11)??轉換。替換：3AB.11↓↓↓↓↓

001110101011.00010001結果：(3AB.11)??=(1110101011.00010001)?27數制轉換方法1.2.2數據單位1.位（bit）是數據容量最小單位，英文縮寫為BinaryDigit。在二進制數里，每個數位僅有“0”和“1”兩個數字符號，即“數位”或“位”。2.字節(jié)（Byte）計算機存儲數據基本單位，8個二進制位構成1字節(jié)，符號為B。是信息組織和存儲基礎，可容納1個英文字符，1個漢字需2字節(jié)存儲空間。1024字節(jié)為1千字節(jié)（KB）。3.字長計算機一次可并行處理的位數，是重要性能指標，影響計算能力與精度。字長越長，數據處理速度越快。計算機處理數據時，一次存取、傳送、處理的數據長度為“字”（Word），字中二進制位數即字長。字可為1字節(jié)或多字節(jié)，常用字長有8位、16位、32位、64位等，如8字節(jié)組成的字，字長64位，相應計算機為64位計算機。四、存儲容量常用單位包括KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、BB、NB、DB等。284.存儲容量的常用單位1B=8bit千字節(jié)（KB）：1024個字節(jié)為1KB，即1KB=1024B=21?B。兆字節(jié)（MB）：1024KB為1MB，即1MB=1024KB=22?B。吉字節(jié)（GB）：1024MB為1GB，即1GB=1024MB=23?B。太字節(jié)（TB）：1024GB為1TB，即1TB=1024GB=2??B。拍字節(jié)（PB）：1024TB為1PB，即1PB=1024TB=2??B。艾字節(jié)（EB）：1024PB為1EB，即1EB=1024PB=2??B。澤字節(jié)（ZB）：1024EB為1ZB，即1ZB=1024EB=2??B。堯字節(jié)（YB）：1024ZB為1YB，即1YB=1024ZB=2??B。珀字節(jié)（BB）：1024YB為1BB，即1BB=1024YB=2??B。諾字節(jié)（NB）：1024BB為1NB，即1NB=1024BB=21??B。刀字節(jié)（DB）：1024NB為1DB，即1DB=1024NB=211?B。295.數據傳輸單位計算機（含網絡）中最小傳輸單位是bit/s（位每秒）。常見數據傳輸單位有：B/s（字節(jié)每秒，即Byte/s）。KB/s（千字節(jié)每秒）。MB/s（兆字節(jié)每秒）。GB/s（吉字節(jié)每秒）。1.2.3計算機中數值型數據的表示方法

計算機內數值型數據分整數、實數兩大類，以二進制形式存儲運算，數正負用字節(jié)最高位（符號位）表示，“0”為正，“1”為負，可表示為N=S?2E，E是階碼，S是尾數。1.整數的表示（1）整數定義無小數部分的整型數字，如123、4、－56、0等。（2）分類及表示無符號整數：不區(qū)分正負的正整數，所有二進制位表數大小，1字節(jié)表示時取值范圍0～255（28－1）。有符號整數：最高位表正負，其他位表數大小。1字節(jié)表示時取值范圍-128～+127（

－27～27－1

），最大正整數01111111（最高位為符號位），即最大為127，數值＞|127|會“溢出”，計算機地址常用無符號整數表示。301.實數表示（1）實數定義帶有整數部分和小數部分的數字，如1.23、3.4、0.56等。（2）浮點數表示實數一般用浮點數表示，小數點位置不固定。如：57.625＝(0.57625)×102；－1984.045＝(－0.1984045)×104；0.00456＝(0.456)×10-2其中括號內的尾數部分是一個純小數，階碼部分用來指出實數中小數點的位置。二進制實數同理，如110.101可表示為110.101＝1.10101×2+10＝11010.1×2-10＝0.110101×2+11在計算機中，浮點數由指數（階碼）和尾數兩部分組成，階碼指示尾數小數點移動位數，尾數表有效數字，尾數符號和階碼符號各占一位，階碼值隨浮點數大小定，尾數位數依精度要求定。311.2.4計算機中字符型數據的表示方法計算機大量工作是處理非數值型數據，如語言文字、邏輯語言、視頻圖像等。需合適方法用計算機表示這些信息。編碼定義：人和計算機間信息轉換系統，用少量符號表達復雜信息。字符編碼：用二進制表示字母、數字、專門符號，按組合原則處理字符型數據。輸入時自動轉二進制存，輸出時轉回可識別格式。常用編碼方式：ASCII、BCD碼、Unicode、UTF-8等。321.ASCII編碼重要性：字符是普遍非數值型數據，用于編程等與計算機交流。需對字符、數字、標點等按規(guī)則二進制編碼，保證每個字母唯一編碼。版本及構成：7位版：標準字符集7位編碼，組合成128個字符（2?=128）。含34個控制字符、10個數字、52個英文字母、32個標點及運算符號。8位版：實際用8位表示字符，最高位“0”。例如，數字0的ASCII為48，字母A為65，空格為32。十六進制表示時，數字0為30H，字母A為41H。擴展ASCII：將7位標準集擴為8位,即00000000至11111111（0～FF，0～255），擴展位是10000000至11111111（80～FF，128～255），可表達256個字符。332.BCD碼二進制編碼的十進制（BinaryCodedDecimal，BCD）碼是用若干個二進制數表示一個十進制數的編碼，BCD碼有多種編碼方法，使用較廣泛的BCD碼是8421碼。表1-2所示為十進制數0～19的8421碼34十進制數8421碼十進制數8421碼000001000010000100011100010001200101200010010300111300010011401001400010100501011500010101601101600010110701111700010111810001800011000910011900011001表1-2

十進制數0～19的8421碼

8421碼是將十進制數0～9中的每個數分別用4位二進制數表示，從左至右每一位對應的位權分別是8、4、2、1，這種編碼方法比較直觀、簡便。對于多位數，只需將它的每一位數字按表1-2中所列的對應關系用8421碼直接列出即可。例如，十進制數1209.56轉換成BCD碼的結果如下。(1209.56)10＝(0001001000001001.01010110)BCDBCD碼與二進制數之間的轉換不是直接的，要先將8421碼表示的數轉換成十進制數，再將十進制數轉換成二進制數。例如：(100100100011.0101)BCD＝(923.5)10＝(1110011011.1)2353.Unicode亂碼現象：存在多種編碼方式，用錯誤編碼解讀文本文件會出現亂碼，如電子郵件常因發(fā)收信人編碼不同而亂碼。統一碼設想：若有一種編碼涵蓋世界所有符號，每個符號有唯一編碼，亂碼問題可解決，這就是Unicode。Unicode的發(fā)展歷程起源：曾有ISO的ISO10646項目與Unicode協會的Unicode項目分別試圖獨立設計。合并：1991年前后，雙方認識到不需兩個不兼容字符集，開始合并成果，從Unicode2.0起采用與ISO10646-1相同字庫和字碼。現狀：兩個項目仍存在，分別公布標準，且Unicode協會和相關組織同意保持碼表兼容并共同調整未來擴展。36

(2)Unicode的特點編碼集合：是很大的編碼集合，目前字符分17組編排（0x0000至0x10FFFF），每組是平面，每平面有碼位65536個，共1114112個。跨語言支持：克服傳統編碼局限，幾乎支持所有語言編碼，為每種語言每個字符設統一且唯一二進制編碼，滿足跨語言、跨平臺文本處理要求，如U+0041表示英文A，U+4E00表示漢字“一”。(3)與ASCII關系擴展自ASCII：使用16位編碼（可擴展到32位），每個字符占2個字節(jié)，兼容ASCII，前128個Unicode同ASCII字節(jié)值，部分等同7位ASCII。編碼位置變化：ASCII中，英文字符單字節(jié)，中文雙字節(jié)；Unicode中，英、中文都占雙字節(jié)，英文編碼從單字節(jié)變雙字節(jié)只需高字節(jié)填0。編碼擴展性：可對每個字符進行16位值編碼設置，能表示幾萬個字符，如Unicode2.0含38885個字符，UTF-16可組合出更多字符，對中文，UTF-16已含GB18030-2000所有漢字。374.UTF-8定義：UTF-8（UnicodeTransformationFormat8-bit）是基于Unicode標準的可變長度字符編碼，由肯?湯普森于1992年創(chuàng)建，又稱萬國碼。兼容性：其編碼字節(jié)與ASCII兼容，處理ASCII字符的軟件只需少許或無需修改就能繼續(xù)使用，所以在很多應用中被優(yōu)先采用，如電子郵件、網頁等存儲或傳送文字的應用。與其他UTF實現方式對比UTF-16和UTF-32：UTF-8是Unicode在互聯網上廣泛使用的實現方式，而UTF-16（字符用2個字節(jié)或4個字節(jié)表示）和UTF-32（字符用4個字節(jié)表示）在互聯網上基本不用。(2)UTF-8編碼規(guī)則單字節(jié)符號：對于單字節(jié)的符號，字節(jié)的第1位設為0，后面7位為該符號的Unicode，所以英文字母的UTF-8編碼和ASCII相同。多字節(jié)符號（n>1）：對于n字節(jié)的符號，第1個字節(jié)的前n位都設為1，第（n+1）位設為0，后面字節(jié)的前兩位一律設為10，剩下未提及的二進制位則全部為該符號的Unicode。UTF-8最多可用到6個字節(jié)來表示一個符號，會根據不同符號變化字節(jié)長度。381.2.5計算機中漢字的表示方法

漢字也是字符，與西文字符相比，漢字數量大，字形復雜，同音字多，這就給漢字在計算機內部的存儲、傳輸、交換、輸入、輸出等帶來了一系列的問題。為了能直接使用西文標準鍵盤輸入漢字，必須為漢字設計相應的編碼，以滿足計算機處理漢字的需求。（1）國標漢字字符集頒布情況：1981年我國國家標準局頒布《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，代號GB2312—80，簡稱國標漢字字符集，是漢字信息處理的代碼依據。收錄內容：共收錄6763個常用漢字和682個非漢字字符（圖形、符號），其中一級漢字3755個按漢語拼音順序排列，二級漢字3008個按偏旁部首順序排列。39（2）區(qū)位碼編碼表構成：GB2312—80規(guī)定國標漢字與符號組成94×94矩陣，每行是“區(qū)”（區(qū)號1～94），每列是“位”（位號1～94），形成漢字字符編碼表，每個漢字或符號有由區(qū)號和位號組成的4位區(qū)位碼。輸入特點：用區(qū)位碼輸入漢字需先查表找對應區(qū)位碼，優(yōu)點是無重碼且輸入碼與內部編碼轉換方便。分區(qū)情況：第1區(qū)至第9區(qū)為字符。

第16區(qū)至第55區(qū)為一級漢字。

第56區(qū)至第87區(qū)為二級漢字。

第10區(qū)至第15區(qū)以及第88區(qū)至第94區(qū)為空區(qū)，用于擴展?jié)h字和擴展字符。區(qū)位碼組成：漢字區(qū)位碼由區(qū)號和位號共2個字節(jié)組成，區(qū)位碼高字節(jié)＝區(qū)號，區(qū)位碼低字節(jié)＝位號，區(qū)號和位號有效范圍：十進制1～94，十六進制1～5E，二進制00000001～01011110。示例：“中”區(qū)號54、位號48，區(qū)位碼為54—48；“國”區(qū)號25、位號90，區(qū)位碼為25—90。40（3）漢字國標碼漢字國標碼由2個字節(jié)組成，即國標碼低字節(jié)和國標碼高字節(jié)。它與區(qū)位碼密切相關，為了與ASCII對應，將區(qū)位碼表示成十六進制數后，給區(qū)位碼的區(qū)號和位號分別加上十進制的32（十六進制的20H），從而得到國標碼。國標碼與區(qū)位碼的換算關系公式：國標碼高字節(jié)＝區(qū)位碼高字節(jié)+20H

國標碼低字節(jié)＝區(qū)位碼低字節(jié)+20H41示例：漢字“中”已知“中”的區(qū)位碼十進制數為54—48，十六進制數為3630H。計算國標碼：國標碼高字節(jié)：國標碼高字節(jié)＝區(qū)位碼高字節(jié)+20H

＝36H+20H

＝56H國標碼低字節(jié)：國標碼低字節(jié)＝區(qū)位碼低字節(jié)+20H

＝30H+20H

＝50H所以漢字“中”的國標碼為5650H，二進制數為0101011001010000。（4）漢字機內碼漢字機內碼是計算機系統內部對漢字進行存儲、處理、傳輸統一使用的代碼，也叫漢字內碼。一般用2個字節(jié)存放，組成雙字節(jié)字符集（DBCS），用于區(qū)分漢字與英文字符，避免混亂。英文字符機內碼用1個字節(jié)存ASCII，占低7位，最高位為“0”。為與英文字符兼容且不與標準ASCII沖突，漢字機內碼是變形的國標碼，即將國標碼2個字節(jié)的最高位均置為“1”，相當于在國標碼高字節(jié)和低字節(jié)均加上十進制的128（十六進制的80H或二進制的10000000）。國標碼與機內碼關系公式：機內碼高字節(jié)＝國標碼高字節(jié)+80H；機內碼低字節(jié)＝國標碼低字節(jié)+80H。42示例：漢字“中”：已知“中”的國標碼為十六進制的5650H（二進制的0101011001010000）。機內碼高字節(jié)計算：機內碼高字節(jié)＝國標碼高字節(jié)+80H

＝56H+80H

＝D6H機內碼低字節(jié)計算：機內碼低字節(jié)＝國標碼低字節(jié)+80H

＝50H+80H

＝D0H所以“中”的機內碼為D6D0H（二進制的1101011011010000）。對比“中”的國標碼和機內碼，國標碼兩字節(jié)最高位為“0”，機內碼兩字節(jié)最高位為“1”43區(qū)位碼、國標碼、機內碼對應關系公式：國標碼＝區(qū)位碼+2020H；機內碼＝國標碼+8080H；機內碼＝區(qū)位碼+A0A0H。示例：漢字“啊”：已知“啊”的區(qū)位碼為十進制的16—01（十六進制的1001H），國標碼為3021H，機內碼為B0A1H，符合上述對應關系公式。44（5）漢字字形碼每個漢字字形需預先存于計算機內，國標漢字字符集所有字符形狀描述信息集合為字形信息庫，簡稱字庫。字庫常分點陣字庫和矢量字庫，目前多以點陣方式產生漢字字形，其代碼即點陣表示的漢字字形碼（字模）。點陣越多，輸出字體越好看，但占用存儲空間越大。漢字字形點陣有多種，如16×16點陣、24×24點陣、32×32點陣、64×64點陣、128×128點陣等。點陣中每個點信息用一位二進制數表示，“1”表黑點，“0”表空白。不同點陣顯示所需字節(jié)數不同。顯示16×16點陣需32個字節(jié)（16×16÷8=32）。顯示24×24點陣需72個字節(jié)（24×24÷8=72）。顯示128×128點陣需2048個字節(jié)（128×128÷8=2048）。字庫存儲各漢字字形點陣代碼，不同字體（宋體、仿宋、楷體、黑體等）對應不同字庫。輸出漢字時，計算機先到字庫找對應字形描述信息，再輸出字形。45（6）漢字輸入編碼漢字輸入通常有鍵盤輸入、語音輸入、手寫輸入等方法，這些方法都有一定的優(yōu)缺點。鍵盤輸入方式：將每個漢字用一個或幾個英文鍵表示，這種表示方法稱為漢字的“輸入編碼”。漢字輸入編碼的種類如下。①數字編碼：如電報碼、區(qū)位碼等。特點是無重碼，但難于記憶，不易推廣。②字音編碼：如拼音碼等。特點是簡單易學，但重碼多。③字形編碼：如五筆字型、表形碼等。特點是重碼少，輸入快，但不易掌握。④音形編碼：如自然碼、快速碼等。特點是規(guī)則簡單，重碼少，但不易掌握。漢字的整個處理過程如圖1-3所示。46圖1-3漢字的整個處理過程1.2.6計算機中的靜態(tài)圖像

靜態(tài)圖像是計算機大量使用的主要信息形式，其表示方式主要有位圖和矢量圖。因圖像數據信息量大且有規(guī)律，一般采用壓縮算法表示，圖像數字化后還常壓縮，常見圖像文件擴展名有bmp、gif、jpg等。1.位圖（1）位圖概念：經“數字化”后的視覺圖像，也叫光柵圖、點陣圖像等，保存為點陣存儲方式，圖像分成像素矩陣，像素大小取決于分辨率。（2）像素表示：像素是構成數碼圖像基本單位，如黑白圖像可用1位模式表示像素（0表黑色、1表白色），8位可表256種顏色。（3）數據壓縮為縮小圖像文件內存占用空間，有兩類數據壓縮方案：無損壓縮：壓縮后信息表達質量不變，僅文件內存占用減小。有損壓縮：在影響信息表達質量前提下，加大壓縮效率，減小文件內存占用。47（4）分辨率與應用以每英寸像素數（ppi）表示分辨率，分辨率越高圖像越清晰，位圖適用于照片等需精細細節(jié)圖像，但放大會失真。2.矢量圖（1）矢量圖概念用數學方法描述與存儲的圖像，也叫面向對象圖像等，不存儲位模式，將圖像分解成曲線和直線組合，用數學公式表示。（2）圖形表示由矢量數學對象定義線條組成，如用圓心坐標和半徑可表示圓，可描述關鍵特征如直線、圓等要素及更復雜特征。（3）優(yōu)點與應用主要優(yōu)點是放大不會失真，適用于表示文字、商標等規(guī)則圖形，顯示或打印時輸入尺寸，系統依公式重畫圖形，調整時重估繪圖公式，可避免屏幕抖動。481.2.7計算機中動態(tài)數據及編碼計算機使用的數據種類含靜態(tài)與動態(tài)數據，動態(tài)數據按表達形式分音頻數據和視頻數據兩類。自然界聲音是模擬信息，可通過模數轉換（ADC）數字化；視頻由多幅連續(xù)變換圖像構成，播放每秒需傳輸處理25幅以上圖像，且數字化后存儲空間大，需壓縮。1.音頻數據編碼音頻編碼方式分非壓縮編碼和壓縮編碼兩類，壓縮編碼又有有損壓縮、無損壓縮兩種?；疽纛l編碼是脈沖編碼調制（PCM）。MP3（MPEGAudioLayer3）是普及的音頻壓縮編碼格式，屬MPEG-1衍生方案，可實現12∶1壓縮比且音質基本可接受。2.視頻數據編碼視頻是單幅圖像在時間上連續(xù)表示，單幅圖像稱為幀，是典型動態(tài)數據。動態(tài)視頻壓縮基于單幅圖像壓縮并結合幀與幀之間相關性進一步壓縮。較有影響的視頻編碼標準由運動圖像專家組（MPEG）制定，主要有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7及MPEG-21等。491.2.8計算機中二進制數的基本運算計算機中的數值數據都采用二進制數，二進制數計算是計算機采用的計算形式。計算機可以進行兩種二進制數運算：算術運算和邏輯運算。由于二進制數只有0、1兩個數字符號，運算規(guī)則非常簡單，因此易于實現，可靠性好。二進制數的0、1既可以表示數值，進行算術運算；也可以表示邏輯假和邏輯真兩種狀態(tài)，進行邏輯運算，邏輯運算是沒有進位的運算。1.二進制數的原碼、反碼與補碼（1）原碼:是計算機中二進制數定點表示法，最高位為符號位，正數為0，負數為1（0有+0和-0兩種表示），其余位表數值大小。（2）反碼:正數反碼與原碼相同，負數反碼是在原碼基礎上，符號位不變，其余數位按位取反。（3）補碼:正數補碼與原碼相同，負數補碼是在反碼基礎上末位加1，即原碼除符號位外取反后加1。示例（4位二進制數）見表1-3。5051表1-3二進制數的原碼、反碼與補碼示例原碼反碼補碼000101100001100111101111001001010010101011011110001101000011101111001101

在計算機中，數值一律采用補碼形式存儲，通過使用補碼，可以將符號位和其他位統一處理，此外計算機中用加法的運算規(guī)則來實現減法運算。2.二進制數的算術運算（1）加法根據“逢2進1”規(guī)則，二進制數的加法法則為：0+0=0；0+1=1+0=1；1+1=10（進位為1）；1+1+1=11（進位為1）二進制數加法運算過程如圖。（2）減法根據“借1當2”的規(guī)則，二進制數的減法法則為：0-0=0；1-1=0；1-0=1；0-1=1（借位為1）二進制數的減法運算過程如圖522.二進制數的算術運算（3）乘法二進制數的乘法與十進制數的乘法相同，二進制數的乘法法則為：0×0=0；0×1=1×0=0；1×1=1。二進制數乘法運算過程如圖。（4）除法二進制數的除法與十進制數的除法類似，從被除數的最高位開始，將被除數（或中間余數）與除數相比較，若被除數（或中間余數）大于除數，則用被除數（或中間余數）減去除數，商為1（移入商的末位），并得相減之后的中間余數，否則商為0（移入商的末位）再將被除數的下一位移入，補充到中間余數的末位，重復以上過程，直到被除數的末位參與完畢，就可得到所要求的各位商和最終的余數，注意，也會存在無法除盡的情況。533.二進制數的邏輯運算（1）邏輯“或”運算又稱邏輯加法，可用多種符號表示，規(guī)則：0+0=0；0+1=1；1+1=1；1+0=1。只要有一個變量為1，結果就為1；僅當兩變量都為0時，結果為0，注意與算術加法區(qū)別。（2）邏輯“與”運算又稱邏輯乘法，常用多種符號表示，規(guī)則：0×0=0；0×1=0；1×0=0；1×1=1。只要有一個變量為0，結果就為0；僅當兩變量都為1時，結果為1。（3）邏輯“非”運算用多種符號表示，將原邏輯變量狀態(tài)求反，給定邏輯變量為0時，結果為1；為1時，結果為0。（4）邏輯“異或”運算常用多種符號表示，規(guī)則：0^0=0；0^1=1；1^0=1；1^1=0。兩變量值相同，結果為0；不同，結果為1，且無進位。多位邏輯變量時，對應位按上述規(guī)則運算，邏輯運算按位進行，無進位或借位關系。541.

3計算機多媒體基礎“媒體”一詞源于英文Medium，它是用于傳輸和表示各種信息的手段。媒體可分為五大類：感覺媒體、表示媒體、表現媒體、存儲媒體和傳輸媒體。在計算機領域里，媒體主要是傳輸和存儲信息的載體，傳輸和存儲的信息包括文本、圖像、動畫、音頻、視頻等，載體包括硬盤、光盤、U盤等。551.3.1多媒體概述多媒體（Multimedia）是多種媒體綜合，包括文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等形式，是組合兩種或兩種以上媒體的人機交互式信息交流和傳播媒體。多媒體信息常見類型：文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻1.3.2多媒體關鍵技術多媒體技術是指利用計算機對文字、數據、圖形、圖像、動畫、聲音等多種媒體信息進行綜合處理和管理，使用戶可以通過多種感官與計算機進行實時信息交互的技術，又稱為計算機多媒體技術。多媒體壓縮技術多媒體存儲技術多媒體數據庫技術虛擬現實技術流媒體技術56超媒體技術多媒體信息檢索技術人機交互技術多媒體通信技術智能多媒體技術1.3.3多媒體技術的主要特性多媒體技術除信息載體的多樣化以外，還具有以下主要特性（1）集成性采用了數字信號，可以綜合處理文字、聲音、圖形、動畫、圖像、視頻等多種信息，并將這些不同類型的信息有機地結合在一起。（2）交互性信息以超媒體結構組織起來，可以方便實現人機交互。換言之，人可以按照自己的思維習慣，按照自己的意愿主動地選擇和接收信息，擬定觀看內容的路徑。易于操作、十分友好的界面，使人機交互更直觀、更方便、更親切、更人性化。（3）易擴展性可方便與各種外部設備連接，實現數據交換、監(jiān)視控制等多種功能。此外，采用數字化信息有效地解決了數據在處理傳輸過程中的失真問題。57操作訓練58【操作訓練1-1】區(qū)分漢字的不同編碼1．寫出漢字“一”的區(qū)位碼、國標碼、機內碼2．寫出漢字“大”的區(qū)位碼、國標碼、機內碼【操作訓練1-2】二進制數的邏輯運算有兩個變量，取值分別為X=00FFH，Y=5555H，求Z1=X&Y；Z2=X|Y；Z3=!X；Z4=X^Y的值?！静僮饔柧?-3】使用“計算器”進行數制轉換59【操作訓練1-1】區(qū)分漢字的不同編碼1．寫出漢字“一”的區(qū)位碼、國標碼、機內碼（1）漢字“一”的區(qū)位碼十進制為50—27，十六進制為321B，使用321BH表示。（2）漢字“一”國標碼計算如下。321B+2020=523B。（3）漢字“一”機內碼計算如下。方法1：321B+A0A0=D2BB。方法2：523B+8080=D2BB。2．寫出漢字“大”的區(qū)位碼、國標碼、機內碼（1）漢字“大”的區(qū)位碼十進制為20—83，十六進制為1453，使用1453H表示。（2）漢字“大”國標碼計算如下。1453+2020=3473。60（3）漢字“大”機內碼計算如下。方法1：1453+A0A0=B4F3。方法2：3473+8080=B4F3?！静僮饔柧?-2】二進制數的邏輯運算有兩個變量，取值分別為X=00FFH，Y=5555H，求Z1=X&Y；Z2=X|Y；Z3=!X；Z4=X^Y的值。由于X=0000000011111111，Y=0101010101010101，則：Z1=0000000001010101=0055H；Z2=0101010111111111=55FFH；Z3=1111111100000000=FF00H；Z4=0101010110101010=55AAH。61【操作訓練1-3】使用“計算器”進行數制轉換使用Windows自帶的“計算器”進行數制的轉換。單擊“開始”按鈕，在打開的“開始”菜單中選擇“計算器”選項，打開“計算器”程序窗口?！坝嬎闫鳌蹦J為“標準”型。在“計算器”程序窗口單擊按鈕，在打開的下拉菜單中選擇“程序員”選項，如圖1-4所示，切換到“程序員”模式，默認選擇的進制是十進制。在“計算器”主界面的左上角單擊選擇“HEX”選項，即切換為“十六進制”，然后輸入十六進制數“FF”，也可以在“計算器”界面中單擊數字鍵“F”來實現輸入，計算器界面中會自動將數轉換為DEC（十進制）255，OCT（八進制）377，BIN（二進制）11111111，如圖1-5所示。62

圖1-4在下拉菜單中選擇“程序員”選項

圖1-5輸入的十六進制數FF自動轉換為其他進制數

63單元

2計算機硬件基礎

計算機硬件系統指構成計算機系統的電子線路和電子元件等物理設備的總稱。硬件是構成計算機的物質基礎，是計算機系統的核心。計算機硬件是我們看得見、摸得著的實際物理設備，它包括計算機的主機和外部設備，主要由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大功能部件組成，這五大部件相互配合，協同工作。1．認識與區(qū)分各式各樣的計算機2．認識計算機硬件系統的外觀組成6464計算機的體系結構2.1微型計算機主機的基本組成2.22.3目錄計算機輸入/輸出設備微型計算機硬件接口與端口微型計算機的主要性能指標2.42.5臺式計算機筆記本計算機臺式計算機分為主機和外部設備兩大部分，外部設備主要包括顯示器、鍵盤、鼠標、音箱、攝像頭、光驅，還包括U盤、打印機、掃描儀等。臺式計算機的主要優(yōu)點是用途廣、價格低、耐用、升級性能好。筆記本計算機（LaptopComputer）又稱手提計算機或膝上型計算機，是一種小型、可攜帶的個人計算機。筆記本計算機把主機和外部設備集成在一起，其主要優(yōu)點有體積小、重量輕、攜帶方便。1．認識與區(qū)分各式各樣的計算機根據用途和性能的不同，計算機可以分為臺式計算機、筆記本計算機、平板計算機、一體計算機等多種類型。6566平板計算機一體計算機平板計算機（TabletPersonalComputer，TabletPC）是一種小型、攜帶方便的個人計算機。平板計算機以觸摸屏作為基本的輸入設備，允許用戶通過觸控而不是使用傳統的鍵盤或鼠標來進行作業(yè)。平板計算機是一款無須翻蓋、沒有鍵盤、小到足以放在手掌中，且功能完整的個人計算機。一體計算機（All-In-One，AIO）把主機集成到顯示器中，與臺式計算機相比有著連線少、體積小、集成度更高的優(yōu)勢，價格并無明顯變化，可塑性則更強，廠商可以設計出極具個性的產品。一體計算機可以說是與筆記本計算機和臺式計算機融合的一種新型計算機，可以用來看電視、上網、辦公。計算機硬件系統的外觀組成主機：計算機的主體與“總管”。顯示器：輸出設備。鍵盤：輸入設備。鼠標：輸入設備。音箱：播放聲音的設備。2．認識計算機硬件系統的外觀組成根據用途和性能的不同，計算機可以分為臺式計算機、筆記本計算機、平板計算機、一體計算機等多種類型。672.

1計算機的體系結構計算機體系結構是指根據屬性和功能不同而劃分的計算機理論組成部分以及計算機基本工作原理、理論的總稱。其中計算機理論組成部分并不只與某一個實際硬件掛鉤，例如，存儲部分就包括寄存器、內存、硬盤等。計算機體系結構也是程序員所看到的計算機的屬性，即計算機的邏輯結構和功能特征，包括其各個硬件和軟件之間的相互關系。2.1.1馮·諾依曼結構與哈佛結構1.馮·諾依曼結構現代計算機基本結構形式為馮?諾依曼結構。數學家馮·諾依曼提出了計算機制造的基本原則，并提出了計算機由5個部分組成的思想?；驹瓌t:二進制數表示、采用程序存儲思想、采用順序執(zhí)行組成部分:運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備結構特點：程序存儲、共享數據、順序執(zhí)行CPU從存儲器取出指令和數據進行相應的計算68

馮·諾依曼結構也稱普林斯頓結構，是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數據的寬度相同，如英特爾公司的8086CPU可以處理16位寬的程序指令和數據。根據馮·諾依曼結構組成的計算機必須具有如下功能：把需要的程序和數據送至計算機中具有長期記憶程序、數據、中間結果及最終運算結果的能力能夠完成各種算術運算、邏輯運算和數據傳送等數據加工處理任務能夠根據需要控制程序走向，并能根據指令控制計算機的各部件協調操作能夠按照要求將處理結果輸出給用戶69702.哈佛結構哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構，它的主要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。工作流程：CPU先于程序指令存儲器讀取指令內容，解碼得數據地址，再從數據存儲器讀取數據以進行后續(xù)操作。數據寬度特性：指令與數據存儲分離，二者可具不同數據寬度，如PIC16芯片程序指令14位寬，數據8位寬。執(zhí)行效率優(yōu)勢：因指令和數據分開組織存儲，執(zhí)行時可提前讀取下一條指令，微處理器執(zhí)行效率較高。應用實例：眾多CPU和微控制器采用，如PIC系列、MC68系列、Z8系列、AVR系列、ARM9-ARM11、英特爾51單片機等。713．兩種結構的區(qū)別（1）存儲器結構不同馮·諾依曼結構是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。哈佛結構使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存。（2）總線不同馮·諾依曼結構沒有總線，CPU與存儲器直接關聯。哈佛結構使用獨立的兩條總線，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑。（3）執(zhí)行效率不同馮·諾依曼結構的程序指令和數據指令執(zhí)行時不可以預先讀取下一條指令，需要依次讀取，執(zhí)行效率較低。哈佛結構的程序指令和數據指令執(zhí)行時可以預先讀取下一條指令，具有較高的執(zhí)行效率。2.1.2計算機體系結構的發(fā)展1.馮·諾依曼結構的局限性存儲器依賴：指令和數據存于同一存儲器，依賴存儲器件，器件發(fā)展受阻則系統發(fā)展受限。執(zhí)行串行：指令按順序存放，執(zhí)行是串行的，拖慢系統工作速度。語義間隔：存儲器線性編址，與高級語言按名調用變量存在語義間隔，消除間隔是難題。應用局限：為算術和邏輯運算而生，非數值處理領域發(fā)展慢，需架構突破。錯誤處理不足：控制驅動方式下，指令或數據有誤時，計算機不會主動完善程序。2．現代計算機對馮·諾依曼結構的改進多處理部件：將單處理部件串行執(zhí)行改為多處理部件，流水處理，靠時間重疊提效率。并行算法結構：用多處理器構成系統，形成多指令流、多數據流的并行算法結構。改變驅動方式：設計數據流驅動的數據流計算機（如神經網絡計算機），數據備好相關指

令可并行執(zhí)行。跳出電子范疇：以光子、生物分子、量子等其他物質作信息載體和執(zhí)行部件。723.現代計算機體系架構的改變現代計算機體系架構有很大變化，是算法優(yōu)化的基礎與動力，主要體現在多核帶來的線程級并行（TLP）、單指令多數據流（SIMD）指令帶來的數據級并行（DLP）以及存儲結構這3方面。(1)線程級并行（TLP）：利用現代處理器多核特性，實現多條程序流并行執(zhí)行，涵蓋多線程操作系統模型、并行模式及編程技術。僅并行模式和算法相關，是將任務劃分成可并行執(zhí)行的子任務，數據處理領域可天然按數據劃分后整合結果。(2)數據級并行（DLP）：與線程級并行按數據劃分任務不同，現代處理器有單指令多數據指令，單指令可同時處理多條數據。例如SSE提供128位寬寄存器，能用一條SIMD指令同時比較4個32位單精度浮點數，像雙調排序算法可借SIMD并行處理能力提升性能。今后CPU的SIMD指令寬度會進一步增加，GPU以支持更高密度數據處理聞名，設計SIMD敏感算法至關重要。73(3)存儲結構：依據現代計算機體系架構特點設計存儲器敏感算法來提升執(zhí)行性能很關鍵。高端計算機上內存不再是大問題，512GB以上內存常見，使內存數據庫成為可能，消除磁盤I/O開銷。瓶頸問題：內存速率跟不上處理器速率，多核架構下為保證內存共享不出錯，硬件用存儲仲裁器串行電路，降低內存吞吐率。解決部件：處理器引入轉譯后備緩沖（TLB）和高速緩存（Cache）來應對此問題。742.

2微型計算機主機的基本組成微型計算機的硬件系統是指計算機系統中看得見、摸得著的物理裝置，即機械器件、電子線路等設備。主機是計算機硬件系統的主體部分，在機箱中有主板、CPU、內存、硬盤、顯卡、聲卡、網卡、電源、散熱器、光驅等硬件設備，通過機箱將各個設備封裝起來，同時對主機內部的重要設備起到保護作用。1．主機在計算機硬件系統中，習慣上把內存與CPU合稱為主機。主機是整個計算機的中心，從外觀上看是一個整體，打開機箱后，其內部主要由多個獨立配件構成，基本的配件包括CPU、主板、內存、硬盤、電源、散熱器、電源線、數據線等設備，其中主板是主機內各硬件設備連接的平臺，計算機的各個設備都與主板直接或間接相連。7576主機的內部結構CPU硬盤CPU散熱器電源內存77主板2．CPUCPU被制作在一塊集成電路芯片上，也稱為微處理器。CPU作為計算機系統的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執(zhí)行單元。（1）CPU的基本組成計算機利用CPU處理數據，利用存儲器來存儲數據。CPU是微型計算機的核心，主要包括運算器和控制器兩大部分，控制著整個計算機系統的工作。計算機的性能主要取決于CPU的性能。運算器又稱為算術邏輯部件，是微型計算機的運算部件。操作時，控制器從存儲器取出數據，運算器進行算術運算或邏輯運算，并把處理后的結果送回存儲器?？刂破魇俏⑿陀嬎銠C的指揮控制中心。執(zhí)行程序時，控制器從內存中取出相應的指令數據，然后向其他功能部件發(fā)出指令所需的控制信號，完成相應的操作，再從內存中取出下一條指令執(zhí)行，如此循環(huán)，直到程序完成。評價微型計算機運算速度的指標是CPU的主頻，主頻是CPU的時鐘頻率，主頻的單位是GHz。主頻越高，微型計算機的運算速度越快。78（2）CPU的相關品牌目前，CPU的相關品牌主要有“龍芯”、英特爾、AMD，如圖2-1所示。79圖2-1CPU的品牌①“龍芯”?！褒埿尽毕盗行酒怯芍袊茖W院計算技術研究所設計研制的，采用MIPS體系結構，具有自主知識產權，產品包括龍芯1號、龍芯2號和龍芯3號3個系列，此外還包括龍芯7A1000橋片等。②英特爾。英特爾是美國一家以研制CPU為主的公司，是全球知名的個人計算機配件和CPU制造商。英特爾13代酷睿處理器的產品有i9、i7、i5、i3等。③AMD。美國超威半導體公司是一家專門為計算機、通信和消費電子行業(yè)設計和制造各種創(chuàng)新的微處理器（CPU、GPU、主板芯片組、電視卡芯片等），以及提供閃存和低功率處理器解決方案的公司。AMD致力為用戶（從企業(yè)、政府機構到個人消費者）提供基于標準的、以客戶為中心的解決方案。（3）CPU主要技術指標①核心數：在一個CPU芯片內封裝的物理內核的數量，核心數越高，CPU能夠同時并行處理的任務越多，速度越快。②超線程技術：利用特殊的硬件指令，把CPU內的一個物理內核模擬成兩個邏輯芯片來提升處理器執(zhí)行資源的利用率。使用這項技術，處理器的資源利用率理論上平均可以提升40%。其在英特爾的CPU中已經廣泛使用。80③主頻：CPU的時鐘頻率，是CPU內核電路的實際工作頻率，反映CPU的運算速率，單位是GHz。④外頻：是系統總線的工作頻率（系統時鐘頻率），反映CPU與周邊設備傳輸數據的頻率，單位是MHz。⑤倍頻：CPU主頻與外頻的倍數，即主頻=外頻×倍頻。⑥內部Cache：為了減少CPU等待內存或者低速設備的數據與指令所導致的時延，提高系統的性能，在CPU芯片內部都集成了一定容量的Cache，用于暫時存儲CPU運算時需要的部分指令和數據。（4）CPU插座CPU插座用來安裝CPU的接口，使CPU得以正常工作。CPU插座主要分為套接字（Socket）、插槽（Slot）兩類。（5）接口方式

接口方式有引腳式、卡式、觸點式、針腳式等，CPU接口方式不同，插孔數、體積、形狀都有變化，所以不能互相接插。813．主板主板是計算機穩(wěn)定運行的基礎，承載起計算機中的各種部件并使它們得以進行數據交換。CPU、內存、顯卡以及電源等都必須連接到主板上使用。主板又叫主機板（Mainboard）、系統板（Systemboard）或母板（Motherboard），它安裝在機箱內，是計算機最基本的也是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統，一般有基本輸入/輸出系統（BasicInput/OutputSystem，BIOS）芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關接口、指示燈插接件、擴充槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。4．存儲器存儲器是計算機中的記憶存儲部件。存儲器既能夠接收和保存數據，又能夠向其他部件提供數據。存儲器分為內部存儲器和外部存儲器兩大類。（1）內部存儲器（主存儲器）微型計算機的內部存儲器簡稱為內存，也稱主存，是計算機的重要部件之一。它是外部存儲器與CPU進行溝通的橋梁，計算機中所有程序都在內存中運行。內存性能的強弱影響計算機整體發(fā)揮的水平。82①內存的分類。廣義上半導體存儲器按工作原理分類，可分為只讀存儲器（Read-OnlyMemory，ROM）、隨機存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM），通常所說的內存一般是指RAM。ROM的特點：存儲的信息只能讀出（取出），不能改寫（存入），斷電后信息不會丟失。一般用來存放專用的或固定的程序和數據。RAM的特點：可以讀出，也可以改寫，又稱讀寫存儲器。讀取時不損壞原有存儲的內容，只有寫入時才修改原來所存儲的內容；斷電后，存儲的內容立即消失。內存通常是按字節(jié)為單位編址的，1個字節(jié)由8個二進制位組成。②內存的結構。內存主要由半導體元件構成，將多個半導體元件封裝在一起構成一個內存芯片，在實際使用中，一個內存芯片在容量上無法滿足計算機系統的需求，由若干個芯片組成的模塊做成的電路插件板，稱為內存條。目前廣泛使用的內存是雙倍數據速率同步動態(tài)隨機存儲器，簡稱為DDR，DDR有多種規(guī)格。不同規(guī)格的內存的缺口的位置不一樣，不同規(guī)格的內存的核心電壓不一樣，原則上不能混合使用，使用的內存的規(guī)格一般由CPU和主板的類型來決定。83③內存主要性能指標。a