計算機基礎(chǔ)（第2版）課件 第1章 計算機基礎(chǔ)知識

第1章計算機基礎(chǔ)知識1計算機基礎(chǔ)知識1.1計算機概述1.2計算機中數(shù)據(jù)的表示與運算1.3計算機系統(tǒng)組成1.4計算機的基本工作原理1.5計算機的主要技術(shù)指標(biāo)1.1計算機概述

計算機的誕生計算機的發(fā)展階段

計算機的特點計算機的應(yīng)用

計算機的發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)1.1.1計算機的誕生

1.1.1計算機的誕生馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容包括三點：一是計算機基本硬件系統(tǒng)由五大功能部件構(gòu)成，即運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備；二是計算機內(nèi)部采用二進制進行數(shù)據(jù)的存儲和運算：三是計算機中的數(shù)據(jù)和指令均存放在計算機的存儲器中，由計算機自動控制執(zhí)行。根據(jù)馮?諾依曼提出的改進方案，科學(xué)家們研制出人類第一臺具有存儲程序功能的計算機——EDVAC（Electmnic

Discrete

Variable

Automatic

Computer），即離散變量自動電子計算機。EDVAC完全符合馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容，是世界上第一臺真正意義上的現(xiàn)代計算機。人類用于計算的工具從自己的手指到找尋的樹枝、石塊，從算盤、算尺再到電子計算機，這是一個由低級到高級，由簡單到復(fù)雜的過程，這個過程經(jīng)歷了上萬年。而電子計算機自從1946

年誕生以來僅走過了幾十年，就由每秒計算幾干次發(fā)展到幾百億次，由單一的數(shù)學(xué)計算發(fā)展到應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)城。由此可見，計算機科學(xué)與技術(shù)已成為本供紀(jì)發(fā)展最快的一門學(xué)科。1.1.2計算機的發(fā)展階段標(biāo)志時間性能指標(biāo)第一代電子管計算機20世紀(jì)40年代中到50年代后期體積龐大、運算速度低（一般每秒幾千次到幾萬次），成本高、可靠性差，內(nèi)存容量小。這個時期的計算機主要用于科學(xué)計算，從事軍事和科學(xué)研究方面的工作。第二代晶體管計算機20世紀(jì)50年代后期到60年代計算機的運行速度已提高到每秒幾十萬次。體積已大大減小，可靠性和內(nèi)存容量也較大的提高。第三代集成電路計算機20世紀(jì)60年代中期到70年代計算機的運行速度也提高到每秒幾十萬次到幾百萬次，可靠性和存儲容量進一步提高，外部設(shè)備種類繁多，計算機和通信密切結(jié)合起來。廣泛地應(yīng)用到科學(xué)計算，數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理、工業(yè)控制等領(lǐng)域。第四代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機20世紀(jì)70年代初期至今計算機的發(fā)展進入了以計算機網(wǎng)絡(luò)為特征的時代。

計算機的運行速度可達(dá)到每秒上千萬次到萬億次。

計算機的存儲容量和可靠性又有了很大提高。1.1.2計算機的發(fā)展階段目前新一代計算機正處在設(shè)想和研制階段。新一代計算機是把信息采集、存儲處理、通信和人工智能結(jié)合在一起的計算機系統(tǒng)，也就是說，新一代計算機由處理數(shù)據(jù)信息為主，轉(zhuǎn)向處理知識信息為主，如獲取、表達(dá)、存儲及應(yīng)用知識等，并有推理、聯(lián)想和學(xué)習(xí)（如理解能力、適應(yīng)能力、思維能力等）等人工智能方面的能力。能幫助人類開拓未知的領(lǐng)域和獲取新的知識。1.1.3

計算機的特點

計算速度快計算機的運算速度（也稱處理速度）用MIPS來衡量。現(xiàn)代的計算機運算速度在幾十MIPS以上，巨型計算機的速度可達(dá)到千萬個

MIPS。計算機如此高的運算速度是其他任何計算工具無法比擬的，它使得過去需要幾年甚至幾十年才能完成的復(fù)雜運算任務(wù)，現(xiàn)在只需幾天、兒小時，甚至更短的時間就可完成。這正是計算機被廣泛使用的主要原因之一。

計算精度高一般來說，現(xiàn)在的計算機有幾十位有效數(shù)字，而且理論上還可更高。因力數(shù)在計算機內(nèi)部是用二進制數(shù)編碼的，數(shù)的精度主要由這個數(shù)的二進制碼的位數(shù)決定，可以通過增加數(shù)的二進制位數(shù)來提高精度，位數(shù)越多精度就越高。1.1.3

計算機的特點

記憶能力強計算機的存儲器類似于人的大腦，可以“記憶”（存儲）大量的數(shù)據(jù)和計算機程序而不丟失，在計算的同時，還可把中間結(jié)果存儲起來，供以后使用。

高度自動化計算機的內(nèi)部操作都是按事先編寫并存入計算機的程序自動進行的，一般程序編制好，輸人計算機后，計算機就可以白動完成程序指定的一系列操作，而不需要人工干預(yù)。1.1.3

計算機的特點

具有一定的邏輯判斷能力計算機在程序的執(zhí)行過程中，會根據(jù)上一步的執(zhí)行結(jié)果，運用邏輯判斷方法自動確定下一步的執(zhí)行命令，正是因為計算機具有這種邏輯判斷能力，使得計算機不僅能解決數(shù)值計算問題，而且能解決非數(shù)值計算問題，比如信息檢索、圖像識別等。

可靠性高由于采用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，現(xiàn)在的計算機具有非常高的可靠性。現(xiàn)代計算機不僅可以用于數(shù)值計算，還可以用于數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制、輔助設(shè)計、輔助制造和辦公自動化，具有很強的通用性。

1.1.4

計算機的應(yīng)用科學(xué)計算（數(shù)值計算）科學(xué)計算也稱數(shù)值計算。計算機最開始是為解決科學(xué)礦究和工程設(shè)計中遇到的大量數(shù)學(xué)問題而研制的計算工具。在這些大量的數(shù)學(xué)問題中絕大多數(shù)都是一些數(shù)值運算，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)值計算在現(xiàn)代科學(xué)研究中的地位不斷提高，在尖端科學(xué)領(lǐng)域中，顯得尤為重要。例如，人造衛(wèi)星軌跡的計算，房屋抗震強度的計算，火箭、宇宙飛船的研究設(shè)計都離不開計算機的精確計算。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人類社會的各領(lǐng)域中，計算機的應(yīng)用都取得了許多重大突破，就連每天收聽、收看的天氣預(yù)報都離不開計算機的科學(xué)計算。1.1.4

計算機的應(yīng)用數(shù)據(jù)處理（信息處理）在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，會得到大量的原始數(shù)據(jù)，其中包話大量圖片、文字、聲音等信息處理就是對數(shù)據(jù)進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸、制表等操作。目前計算機的信息處理應(yīng)用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務(wù)管理、圖書資料管理、商業(yè)數(shù)據(jù)交流、情報檢索，經(jīng)濟管理等。

信息處理已成為當(dāng)代計算機的主要任務(wù)，是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，全世界計算機用于數(shù)據(jù)處理的工作量占全部計算應(yīng)用的80%以上。大大提高了工作效率，提高了管理水平。1.1.4

計算機的應(yīng)用自動控制自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工不預(yù)，能按人預(yù)定的目標(biāo)和狀態(tài)進行過程控制。所謂過程控制是指對操作數(shù)據(jù)進行實時采集、檢測、處理和判斷，按最佳值進行調(diào)節(jié)的過程。目前被廣泛用于操作復(fù)雜的鋼鐵企業(yè)、石油化工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等生產(chǎn)中。使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準(zhǔn)確性，提高勞動效凈，產(chǎn)品質(zhì)量，降低或本，縮短生產(chǎn)周期。

計算機自動控制還在國防和航空航天領(lǐng)域中起決定性作用，例如，無人駕駛飛機、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船等飛行器的控制，都是靠計算機實現(xiàn)的?？梢哉f計算機是現(xiàn)代國防和航空航天領(lǐng)域的神經(jīng)中樞。1.1.4

計算機的應(yīng)用計算機輔助設(shè)計和輔助教學(xué)

計算機輔助設(shè)計（ComputerAided

Design,CAD）是指借助計算機的幫助，人們可以自動或半自動地完成各類工程設(shè)計工作。目前CAD技術(shù)已應(yīng)用于飛機設(shè)計、船舶設(shè)計、建筑設(shè)計、機械設(shè)計、大規(guī)模集成電路設(shè)計等。在京九鐵路的勘測設(shè)計中，使用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)繪制一張圖紙僅需幾小時，而過去人工完成同樣工作則要一周甚至更長時間?？梢姴捎糜嬎銠C輔助設(shè)計，可縮短設(shè)計時間，提高工作效率，節(jié)省人力、物力和財力，更重要的是提高了設(shè)計質(zhì)量。CAD已得到各國工程技術(shù)人員的高度重視。有些國家已把CAD和計算機輔助制造（Computer

Aided

Manufacturing）、計算機輔助測試（Computer

Aided

Test）及計算機輔助工程（Computer

Aided

Engineering）組成一個集成系統(tǒng)，使設(shè)計、制造、測試和管理有機地組成為一體，形成高度的自動化系統(tǒng)，因此，產(chǎn)生了自動化生產(chǎn)線和“無人工廠”。

計算機輔助教學(xué)（Computer

Aided

Instruction,CAl）是指用計算機來輔助完成教學(xué)計劃或模擬某個實驗過程。計算機可按不同要求，分別提供所需教材內(nèi)容，還可以個別教學(xué)，及吋指出該學(xué)生在學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的錯誤，根據(jù)計算機對該生的測試成績決定該生的學(xué)習(xí)從一個階段進入另一個階段。CAI

不僅能減輕教師的負(fù)擔(dān)，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)現(xiàn)代化高質(zhì)量人才提供了有效方法。1.1.4

計算機的應(yīng)用人工智能方面的研究和應(yīng)用人工智能（ArtifieialIntelligence,AI）人工智能是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術(shù)和應(yīng)用。人工智能是計算機應(yīng)用的一個新的領(lǐng)域，這方面的研究和應(yīng)用正處于發(fā)展階段，在醫(yī)療診斷、定理證明、語言翻譯、機器人等方面，已有了顯著的成效。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行思維學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和決策，使計算機具有一定“思維能力”。我國已開發(fā)成功一些中醫(yī)專家診斷系統(tǒng)，可以模擬名醫(yī)給患者診病開方。機器人是計算機人工智能的典型例子，機器人的核心是計算機。第一代機器人是機械手；第二代機器人對外界信息能夠反饋，有一定的觸覺、視覺、聽覺；第三代機器人是智能機器人，具有感知和理解周圍環(huán)境，使用語言、推理、規(guī)劃和操縱工具的技能，模仿人完成某些動作。機器人不怕疲勞，精確度高，適應(yīng)力強，現(xiàn)已開始用于搬運、噴漆、焊接、裝配等工作中。機器人還能代替人在危險工作中進行繁重的勞動，如在有放射線、污染有毒、高溫、低溫、高壓、水下等環(huán)境中工作。1.1.4

計算機的應(yīng)用多媒體技術(shù)應(yīng)用隨著電子技術(shù)特別是通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起米，構(gòu)成一種全新的概念——多媒體（Multimedia）。在醫(yī)療、教育、商業(yè)、銀行、保險、行政管理、軍事、工業(yè)、廣播和出版等領(lǐng)域中，多媒體的應(yīng)用發(fā)展很快。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機的應(yīng)用會進一步深入社會的各行各業(yè)，通過高速信息網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的查詢、高速通信服務(wù)（電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳輸）、電子教育、電子娛樂、電子購物（通過網(wǎng)絡(luò)選看商品、辦理購物手續(xù)、質(zhì)量投訴等）、遠(yuǎn)程醫(yī)療和會診、交通信息管理等。計算機的應(yīng)用將推動信息社會更快地向前發(fā)展。1.1.5

計算機發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)1.計算機發(fā)展的趨勢

（1）微型化微型計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設(shè)備中，同時也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實現(xiàn)“智能化”。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更優(yōu)的性能價格比受到人們的歡迎。（2）高速化高速化是指計算機的運算速度高、存儲容量大、功能強。目前正在研制的計算機其運算速度可達(dá)每秒百億次。1.1.5

計算機發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)1.計算機發(fā)展的趨勢

（3）網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化是計算機發(fā)展的又一個重要趨勢。從單機走向聯(lián)網(wǎng)是計算機應(yīng)用發(fā)展的必然結(jié)果。所謂計算機網(wǎng)絡(luò)化，是指用現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)把分布在不同地點的計算機互聯(lián)起來，組成一個規(guī)模大、功能強、可以互相通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化的目的是使網(wǎng)絡(luò)中的軟件、硬件和數(shù)據(jù)等資源能被網(wǎng)絡(luò)上的用戶共享。目前，大到世界范圍的通信網(wǎng)，小到實驗室內(nèi)部的局域網(wǎng)已經(jīng)很普及，互聯(lián)網(wǎng)（Internet）已經(jīng)連接包括我國在內(nèi)的150多個國家和地區(qū)，由于計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了多種資源的共享和處理，提高了資源的使用效率，因而深受廣大用戶的歡迎，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。1.1.5

計算機發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)1.計算機發(fā)展的趨勢

（4）智能化智能化使計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力，使計算機成為智能計算機。這也是目前正在研制的新一代計算機要實現(xiàn)的日標(biāo)。智能化的研究包括模式識別、圖像識別、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設(shè)計、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)系統(tǒng)和智能機器人等。目前，已研制出多種具有人的部分智能的機器人。（5）多媒體化多媒體是當(dāng)前計算機領(lǐng)域中最引人注目的高新技術(shù)之一。多媒體計算機就是利用計算機技術(shù)，通信技術(shù)和大眾傳播技術(shù)，來綜合處理多種媒體信息的計算機。這些信息包括文本、視頻圖像、圖形、聲音、文字等。多媒體技術(shù)使多種信息建立了有機聯(lián)系，并集成為一個具有人機交互性的系統(tǒng)。多媒體計算機將真正改善人機界面，使計算機朝著人類接受和處理信息的最自然的方式發(fā)展。1.1.5

計算機發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)2.新一代計算機的設(shè)想目前我們正處在第五、六代計算機發(fā)展的階段。新一代計算機的研制不光是技術(shù)上的問題，還要考慮設(shè)計思想、設(shè)計理念的更新改進。對新一代計算機的要求有一些共同點。（1）新一代計算機必須是高速化和智能化的。（2）具有問題求解和推理能力。（3）具有知識庫管理功能。（4）具有智能接口和智能程序設(shè)計功能。1.1.5

計算機發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)2.計算機發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)（1）集成化與運算速度的挑戰(zhàn)集成化實現(xiàn)了計算機的微型化，低功耗，但作為物理狀態(tài)，在一個小小的硅片上所能集成的元件、電路是有限的。高速運算下的芯片溫度將升高，變得不穩(wěn)定，這構(gòu)成了芯片發(fā)展的瓶頸。（2）智能化的出路在何方計算機就運算速度，記憶能力方面比人腦強，但在邏輯推理，圖像識別方面則差得太多，因此，當(dāng)前所有計算機的動作都是根據(jù)人們制定的程序?qū)θ藗兘o出的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的操作。（3）網(wǎng)絡(luò)化與安全化的挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)給人們帶來了無限的好處，但隨之而來的是黑客橫行、網(wǎng)上犯罪、病毒肆虐。特別是電子銀行，電子商務(wù)出現(xiàn)后，如何保證安全已是刻不容緩的問題。所以網(wǎng)絡(luò)安全已成為當(dāng)今計算機技術(shù)中的熱門問題，網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全已引起社會的高度重視。1.2

計算機中數(shù)據(jù)的表示與運算

數(shù)據(jù)與信息數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

計算機中數(shù)據(jù)的存儲單位1.2.1

數(shù)據(jù)與信息計算機內(nèi)部采用二進制來保存數(shù)據(jù)和信息。無論是指令還是數(shù)據(jù)，若想存入計算機，都必須采用二進制數(shù)編碼形式，即使是圖形、圖像、聲音等信息，也必須轉(zhuǎn)換成二進制才能存入計算機中。為什么在計算機中必須使用二進制數(shù)，而不使用人們習(xí)慣的小進制數(shù)？原因在于以下幾點。1.易于物理實現(xiàn)因為具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件很多，例如，電路的導(dǎo)通與截止、電壓的高與低、磁性材料的正向極化與反向極化等。它們恰好對應(yīng)表示1和0兩個符號。2.機器可靠性高由于電壓的商低、電流的有無等都是一種躍變，兩種狀態(tài)分明，所以0和1兩個數(shù)的傳輸和處理抗干擾性強，不易出錯，鑒別信息的可靠性好。3.運算規(guī)則簡單二進制數(shù)的運算法則比較簡單，例如，二進制數(shù)的四則運算法則分別只有三條。由于二進制數(shù)運算法則少，使計算機運算器的硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，控制也就簡單多了。雖然在計算機內(nèi)部都使用二進制數(shù)來表示各種信息，但計算機仍采用人們熟悉和便于閱談的形式與外部聯(lián)系，如十進制、八進制、十六進制數(shù)據(jù)、文字和圖形信息等，由計算機系統(tǒng)將各種形式的信息轉(zhuǎn)化為二進制的形式并儲存在計算機的內(nèi)部。1.2.2

數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示數(shù)制，但稱計數(shù)制，是指用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。數(shù)制可分為非進位計數(shù)制和進位計數(shù)制兩種。非進位計數(shù)制的數(shù)碼表示的數(shù)值大小與它在數(shù)中的位置無關(guān)；而進位計數(shù)制的數(shù)碼所表示的數(shù)值大小則與它在數(shù)中所處的位置有關(guān)。而我們在這里討論的數(shù)制指的都是進位計數(shù)制。

進制是進位計數(shù)制的簡稱，是日前世界上使用量廣泛的一種計數(shù)方法，它有基數(shù)和位權(quán)兩個要素。各進制之間的對照情況如表所示。1.2.2

數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

二進制十進制八進制十六進制000000000011110010222001133301004440101555011166610007771.2.2

數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

二進制十進制八進制十六進制100081081001911910101012A10111113B11001214C11011315D11101416E11111517F1.2.3

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換用計算機處理十進制數(shù)，必須先把它轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)才能被計算機所接受，同理，計算結(jié)果應(yīng)將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成人們習(xí)慣的十進制數(shù)。這就產(chǎn)生了不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換問題。1.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成其他進制將一個十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)的方法可歸納為把被轉(zhuǎn)換的十進制整數(shù)反復(fù)除以2，直到商為0，所得的余數(shù)（從末位讀起）就是這個數(shù)的二進制表示。簡單地說，就是“除2取余法”。十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制整數(shù)的方法是“除8取余法”，十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制整數(shù)的方法是“除16取余法”。十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù)是將十進制小數(shù)連續(xù)乘以2，選取進位整數(shù)，直到滿足精度或小數(shù)部分得零為止，并將整數(shù)部分正排序，簡稱“乘2取整法”。十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制小數(shù)的方法是“乘8取整法”，十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制小數(shù)的方法是“乘16取整法”。1.2.3

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

2.非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制把二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法是，將二進制數(shù)按其權(quán)值展開后相加即可。同理，非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)的方法是，把各個非十進制數(shù)按權(quán)展開求和即可。如把二進制數(shù)（八進制數(shù)或十六進制數(shù)）寫成2（8或16）的各次冪之和的形式，然后再計算其結(jié)果。1.2.3

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

1.2.3

不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

1.2.4非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

1.2.4非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示2.中文字符（1）漢字輸入碼：由輸入設(shè)備產(chǎn)生的漢字編碼，如區(qū)位碼、國標(biāo)碼、拼音碼、新全拼、新雙拼、五筆字型碼、簡碼、表形碼、自然碼、智能ABC漢字輸入碼等。（2）漢字內(nèi)碼：用于計算機內(nèi)部存儲和處理的漢字編碼，通常由該漢字的國標(biāo)碼的兩個字節(jié)（最高位置“1”）形成。（3）漢字字形碼：確定一個漢字字形點陣的編碼，用于漢字顯示和打印輸出。保留在存儲介質(zhì)中的全部漢字字形碼稱為字庫。（4）漢字交換碼：用于在不同的漢字信息處理系統(tǒng)之間或與其他計算機系統(tǒng)之間進行信息交換。（5）漢字地址碼：表示漢字字形信息在漢字庫中的地址，用于在漢字庫中查找漢家字形信息的漢字地址碼等。1.2.4非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示3.其他形式數(shù)據(jù)在計算機中的表示在計算機中，所有數(shù)據(jù)均需轉(zhuǎn)換成二進制才能被計算機接收和處理，數(shù)偵數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)如此，其他形式的多媒體數(shù)據(jù)亦是如此。在計算機中，聲音往往用波形文件、MIDI音樂文件或壓縮音頻文件（MP3）方式表示；圖像的表示主要有位圖編碼和矢量編碼兩種方式；視頻則由一系列的“幀”組成，每幀實際上是一幅靜止的圖像，需要連續(xù)播放才會變成動畫。當(dāng)然，這些形式的多媒體數(shù)據(jù)其基本的組成單位也最終要被轉(zhuǎn)換成二進制的代碼形式。1.2.5計算機中數(shù)據(jù)的存儲單位

了解計算機中不同形式、不同類型數(shù)據(jù)的表示方法之后，還應(yīng)該知道計算機中存儲這些數(shù)據(jù)的度量單位，以及計算機中各常用度量單位之間的換算關(guān)系。

在計算機中存儲數(shù)據(jù)的主要度量單位有“位”（bit)和“字節(jié)”（Byte)。二進制中的一個0或1就被稱為一個一進制位，簡稱位，是計算機中存儲數(shù)據(jù)的最小單位。位通常用字母“b”來表示，也可以稱為“比特”。其實計算機的存儲容量一般還是用字節(jié)來表示，因為字節(jié)是計算機中存儲數(shù)據(jù)的基本單位。守節(jié)通常用字母“B"來表示。一個字節(jié)表示8個二進制位，例如，當(dāng)前的網(wǎng)速是1059b/s，則大致相當(dāng)于132B/S。但由于字節(jié)的存儲容量相對來說太小，這……度量單位在表示目前存儲器容量時會使數(shù)值過火，因此，一般會使用KB、MB、GB或TB等來表示。它們之間的換算關(guān)是20，也就是以1024為換算單位，即1KB=1024B,IMB=1024KB,1CB=1024MB·..1.3

計算機系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)組成及各部分功能軟件系統(tǒng)組成1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能1.運算器

運算器是主要完成加、減、乘、除運算和邏輯加、邏輯乘、邏輯異或運算及邏輯比較

運算的邏輯部件。主要有以下4部分組成。

(1)算術(shù)邏輯運算單元ALU(Arithmclic

and

Logic

Unit)

ALU

主要完成對二進制數(shù)據(jù)的定點算術(shù)運算（加減乘除）、邏輯運算（與、或、非、異

或）以及移位操作。在某些CPU中還有專門用于處理移位操作的移位器。

ALU

通常有兩個輸入端和一個輸出端。監(jiān)數(shù)單元有時也稱為IEU（lmleger

Execuir

Unit)。我們通常所說的“CPU

是XX

位的“就是指A1L所能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

（2)浮點運算單元

FPU(Floating

Poini

Unit）

FPU

主嬰負(fù)責(zé)浮點運算和高精度整數(shù)運算。有些FPU還具有向量運算的功能，另外

-些則有專門的向量處理單元。

（3）通用寄存器組

通用寄存器組是一組最快的存儲器，用來保存多加運算的操作數(shù)和中間結(jié)果。對于80x86

指令集只支持8個通用寄存器的缺點，Imiec最新CPU采用了一種叫作“脊存器重命名”的技術(shù)，這種技術(shù)使80x86CPU的寄存器可以突破8個的限制，達(dá)到32個至更多。（4)專用寄存器

專用寄存器通常是一些狀態(tài)寄存器，不能通過程序改變，由CPU自己控制，表明某種狀態(tài)。1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能2.存儲器

存儲器的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)，程序是計算機操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計算機操作的對象。存儲器是由存儲體、地址譯碼器、讀寫控制電路、地加總線和數(shù)據(jù)總線細(xì)成。能由中央處理器直接隨機存取指令和數(shù)據(jù)的存儲器稱為主存儲器，贓盤、能帶，光盤等大容最存儲器稱為外存儲器（或輔助存儲器）。由主存儲器、外部存儲器和相應(yīng)的軟件，組成計算機的存儲系統(tǒng)。1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（1）存儲器的容量

衡量存儲器性能的重要指標(biāo)之一，以字或字節(jié)為單位來表示存儲器存儲單元的總效

就得到了存儲器的容量。

·IKB=1024字節(jié)

?1MB=1024×1024字節(jié)

·1CB=1024×1024×1024字節(jié)

新編大學(xué)計算機應(yīng)用基礎(chǔ)

?1PB=1024×1024×1024×1024字節(jié)1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（2）存儲器的分類

土存儲器又稱為內(nèi)存儲器或內(nèi)存，是指能夠通過指令中的地址直接訪向的存儲器，它被用來存儲正在被CPU使用的程序和數(shù)據(jù)。

RAM

可分為動態(tài)(Dynamic

RAM)和靜態(tài)(Stalic

RAM)兩大類。動態(tài)隨機存儲器

DRAM是用MOS電路和電容米作存儲元件的，由于電容會放電，所以需要定時充電以維持存儲內(nèi)容的正確。靜態(tài)隨機存儲器SRAM

是用雙極型電路或MOS電路的觸發(fā)器來作存儲元件的、沒有電容造成的刷新問題。只要有電源正常供電，觸發(fā)器就能穩(wěn)定地存儲數(shù)據(jù)。DRAM的特點是高密度，低成本，高耗電量；SRAM的特點是高速度，低密度，高成本。

ROM為只讀存儲器（Read

Only

Memorr）的縮寫。它只能讀出原有的內(nèi)容，而不能寫人浙內(nèi)容，原有內(nèi)容由廠家一次性寫人。并水久保存下來，當(dāng)然是非易尖的。1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能3.控制器

控制器是整個CPU的指揮控制中心，由指令寄存器IR(Instruction

Register）、程序計數(shù)器IC(Pregram

Counler)和操作控制器OC(Operation

Controller)三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（1)指令寄存器

指令寄存器：用以保存當(dāng)前執(zhí)行或即將執(zhí)行的指令的一種寄存器。指令內(nèi)包含有確定操作類型的操作鶴和指出操作數(shù)來源或去向的地址。指令長度隨不同計算機而異，指令寄存器的長度也隨之而異。計算機的所有操作都是通過分析存放在指令寄存器中的指令后再執(zhí)行的。指令寄存器的輸入端接收來自存儲器的指令，指令寄存器的輸出端分為兩部分。操作碼部分送到譯碼電路進行分析、指出不指令該執(zhí)行何種類型的操作；地址部分送到地址加法器生成有效地址后再送到存儲器，作為取數(shù)或存數(shù)的地址。存儲器可以指主存、高迷續(xù)存或當(dāng)存器錢等用來課存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時，先把它從內(nèi)存取到數(shù)據(jù)衍育器（DR)中、然后再傳送至

L。指令劃分為操作碼和地扯碼字段，由二進制數(shù)字組成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試，以便識別所要求的操作。指令泳碼器就是做這項工作的。指今寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入，操作碼一經(jīng)譯碼后、即可向操作控制器發(fā)出具體操作的特定信導(dǎo)。1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（2）程序計數(shù)器

程序計數(shù)器：指明程序中下次要執(zhí)行的指令地址的一-種計數(shù)器，又稱指令計數(shù)器。它兼有指令地址寄存器和計數(shù)器的功能。當(dāng)一條指令執(zhí)行完畢的時候，程序計數(shù)器作為指令地址寄存器，其內(nèi)容必須已經(jīng)改變成下一.條指令的地址，從而使程序得以持續(xù)運行。為此可采取以下兩種辦法。

第一種辦法是在指令中包含了下一條指令的地址。在指令執(zhí)行過程中將這個地址送人指令地址寄存器即可達(dá)到程序持續(xù)運行的目的。這個方法適用于早期以磁鼓、延遲線等串行裝置作為主存儲器的計算機。根據(jù)本條指令的執(zhí)行時間恰當(dāng)?shù)貨Q定下一條指令的地址就可以縮短讀取下一條指令的等待時間，從而收到提高程序運行速度的效果。

第二種辦法是順序執(zhí)行指令。一個程序由若干個程序段組成，每個程序段的指令可以設(shè)計成順序地存放在存儲器之中，所以只要指令地址寄存器兼有計數(shù)功能，在執(zhí)行指令的過程中進行計數(shù)，自動加一個增量，就可以形成下一條指令的地址，從而達(dá)到順序執(zhí)行指令的目的。這個辦法適用于以隨機存儲器作為主存儲器的計算機。當(dāng)程序的運行需要從一個程序段轉(zhuǎn)向另一個程序段時，可以利用轉(zhuǎn)移指令來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)移指令中包含了即將轉(zhuǎn)去的程序段入口指令的地址。執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時將這個地址送人程序計數(shù)器（此時只作為指令地址寄存器，不計數(shù)）作為下一條指令的地址，從而達(dá)到轉(zhuǎn)移程序段的目的。子程序的調(diào)用、中斷和陷阱的處理等都用類似的方法。在隨機存取存儲器普及以后，第二種辦法的整體運行效果大大優(yōu)于第一種辦法，因而順序執(zhí)行指令已經(jīng)成為主流計算機普遍采用的辦法，程序計數(shù)器就成為中央處理器不可或缺的一個控制部件。

1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（3）操作控制

操作控制器的功能就是根據(jù)指令操作碼和時序信號，產(chǎn)生各種操作控制信號，以便正確地建立數(shù)據(jù)通路，從而完成取指令和執(zhí)行指令的控制。

1.3.1硬件系統(tǒng)組成及各部分功能（4）I／0設(shè)備

輸入／輸出設(shè)備簡稱I／O（Input／Output）設(shè)備。用戶通過輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果（如數(shù)字、字母、符號和圖形）顯示或打印出來。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀、數(shù)字化儀等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。也有···些設(shè)備既是輸入設(shè)備又是輸出設(shè)備，如耳麥和驅(qū)動器等。

1.3.2軟件系統(tǒng)的組成1．系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指負(fù)責(zé)管理、監(jiān)控和維護計算機硬件和軟件資源的一種軟件。系統(tǒng)軟件用于發(fā)揮和擴大計算機的功能和用途，提高計算機的工作效率，方便用戶使用。

（1）操作系統(tǒng)OS（Operating

System）

操作系統(tǒng)是最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。它負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)的全部軟件資源和硬件資源，合理地組織計算機各部分協(xié)調(diào)工作，為用戶提供操作和編程界面。

（2）語言編譯程序

人和計算機交流信息使用的語言稱為計算機語言或稱程序設(shè)計語言。

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Datubuse

Management

System，DBMS）的作用是對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的管理、使數(shù)據(jù)具有可共享、低冗余、易組織等特點。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是有效地進行數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)控制的工具。日前，計算機系統(tǒng)常用的小型單機版數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Access、Visual

FoxPro等，目前流行的應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要是Oracle、SQL

Server和DB2等，在信息化管理的企事業(yè)單位中都會使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的組織與管理。SQL

Serve在中小企業(yè)中應(yīng)用得很普遍，Oracle在大中型企業(yè)用得多，DB2目前在銀行和證券行業(yè)用得比較多。當(dāng)今數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于檔案管理、財務(wù)管理、圖書資料管理、倉庫管理、人事管理等數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

1.3.2軟件系統(tǒng)的組成2．應(yīng)用軟件

（1）通用軟件

通用軟件是為解決某一實際問題而開發(fā)的，這類問題是大多數(shù)用戶都要遇到的，例如，文字處理軟件、圖像處理軟件等。

（2）專用軟件

專用軟件是針對特殊用戶需求而開發(fā)研制的，如醫(yī)院中的病房監(jiān)控系統(tǒng)等。1.4

計算機的基本工作原理

指令與指令執(zhí)行過程指令系統(tǒng)操作系統(tǒng)描述計算機語言及其處理程序1.4.1指令與指令執(zhí)行過程指令是對計算機下達(dá)的指示和命令，由于計算機只能識別二進制，因此，指令是指能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，是對計算機進行程序控制的最小單位。指令由兩部分組成，一部分稱為操作碼，指明指令要完成的操作：另一部分稱為操作數(shù)，指參與運算的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)所處內(nèi)存中的地址。根據(jù)指令完成的功能不同，指令中間以有一個換作數(shù)、兩個操作數(shù)或只有操作碼而沒有操作數(shù)。1.4.1指令與指令執(zhí)行過程計算機執(zhí)行指令的過程一般分為以下四個步驟。

（1）取指令。將要執(zhí)行的指令由內(nèi)存中取出，放到CPU的指令寄存器中。

（2）分析指令。將放在指令寄存器中的指令送到指令譯碼器中進行分析。

（3）執(zhí)行指令。根據(jù)指令的譯碼結(jié)果判斷該指令要完成的操作，然后再向各個部件發(fā)出完成該操作的控制信號，以完成該指令下達(dá)的要求，執(zhí)行完該指令程序計數(shù)器加1，執(zhí)行一條指令所用的時間稱為指令周期。

（4）為下一次取指令做準(zhǔn)備。形成下一條指令的地址。以便達(dá)到馮?諾依曼所提出的程序自動執(zhí)行的要求。

通常人所編寫的程序由語句組成，而每一條語句又可分為多個指令。循環(huán)往復(fù)地逐一完成上述四個步驟就是一次自動執(zhí)行程序的過程。

綜上所述，在使用計算機解決實際問題時，首先應(yīng)編制相應(yīng)的程序、然后通過輸入設(shè)備將程序送入計算機的存儲設(shè)備。計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，也就是不斷執(zhí)行指令的過程。

1.4.2指令系統(tǒng)一條指令通常對應(yīng)一次最基本的操作，而計算機能夠辨別哪些指令和怎樣執(zhí)行這些指令，是由設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的。因此，對計算機的指令以及指令執(zhí)行的過程有

了解之后，還應(yīng)該對計算機的指令系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)。

一合計算機中所有指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)。不同類型計算機的指令系統(tǒng)是不同的，這些指令系統(tǒng)在設(shè)計CPU時，就已經(jīng)固化其中了，指令系統(tǒng)是表證一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅真接影響到機器的硬體結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。例如，“蘋果計算機”與常用的個人計算機就明顯具有相應(yīng)硬件與程序不兼容的問題，這是因為二者的指令系統(tǒng)不同。因此可以說，不同類型的計算機所執(zhí)行的基本操作是不同的，指令系統(tǒng)是一臺計算機功能具體而集中的體現(xiàn)。

1.4.3操作系統(tǒng)概述通過對前述內(nèi)容中操作系統(tǒng)基本概念的學(xué)習(xí)，可以了解到操作系統(tǒng)的功能是管理和維護計算機系統(tǒng)軟硬件資源，使計算機系統(tǒng)中的各部件能夠協(xié)調(diào)一致、高效地工作，并為計算機用戶提供一個良好操作環(huán)境的系統(tǒng)軟件，是系統(tǒng)軟件的核心組成。早期的計算機速度慢、仔儲容量小、外部設(shè)備少，程序的裝入、調(diào)試、控制、執(zhí)行等工作都需要由計算機操作員通過一排排的開關(guān)與按鈕來實現(xiàn)。在計算機的運算速度為每秒1萬次時，手工操作與程序運行時間的比為1:20，而當(dāng)運算速度達(dá)到每秒60萬次時，手工操作與程序運行時間比為3:1。當(dāng)計算機的運算速度不斷提高，則手工操作與程序運行時間的比例將相當(dāng)驚人，當(dāng)計算機的運行速度達(dá)到每秒幾百萬次時，計算機將不斷長時間地等待每個操作的完成