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计算机基本原理计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去，直至遇到停止指令。程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。编辑本段计算机系统架构计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯诺依曼（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，这一结构又称冯诺依曼结构，其特点是：1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。2）存储单元是定长的线性组织。3）存储空间的单元是直接寻址的。4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。5）对计算进行集中的顺序控制。6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。7）采用二进制形式表示数据和指令。8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。编辑本段计算机指令计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令。其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令。整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。按照冯诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在后续的内容中将会着重介绍。编辑本段计算机硬件简介硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。现代计算机还包括中央处理器和总线设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。中央处理器CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。控制器控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令指针寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指纹操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。运算器运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。存储器存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。 RAM RAM是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。 ROM ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内可以反复更改。 特殊固态存储器 包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。 此外，描述内、外存储容量的常用单位有： 位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。 字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte=8bit。 千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB=1024Byte。 兆字节（MBMega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB=1024KB。 吉字节（GB、Giga Byte）：目前市场流行的微机的硬盘已经达到430GB、640GB、810GB、1TB等规格。1GB=1024MB。 太字节（TB、Tera byte）：1TB=1024GB。最新有了PB这个概念，1PB=1024TB。输入输出设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。 输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。总线总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。编辑本段主要技术指标CPU类型CPU类型是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。字长字长是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，字长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。时钟频率和机器周期时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。运算速度是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）存取速度是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而边连续两次或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。内、外存储器容量是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、软盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，目前这种现象已有所改善。编辑本段计算机的演变早期的计算机我们先从最早的计算机讲起，人们在最初设计计算机时采用这样一个模型：人们通过输入设备把需要处理的信息输入计算机，计算机通过中央处理器把信息加工后，再通过输出设备把处理后的结果告诉人们。其实这个模型很简单，举个简单的例子，你要处理的信息是1+1，你把这个信息输入到计算机中后，计算机的内部进行处理，再把处理后的结果告诉你。早期计算机的输入设备十分落后，根本没有现在的键盘和鼠标，那时候计算机还是一个大家伙，最早的计算机有两层楼那么高。人们只能通过扳动计算机庞大的面板上无数的开关来向计算机输入信息，而计算机把这些信息处理之后，输出设备也相当简陋，就是计算机面板上无数的信号灯。所以那时的计算机根本无法处理像现在这样各种各样的信息，它实际上只能进行数字运算。当时人们使用计算机也真是够累的。但在当时，就算是这种计算机也是极为先进的了，因为它把人们从繁重的手工计算中解脱出来，而且极大地提高了计算速度。有内部存储器随着人们对计算机的使用，人们发现上述模型的计算机能力有限，在处理大量数据时就越发显得力不从心。为此人们对计算机模型进行了改进，提出了这种模型：就是在中央处理器旁边加了一个内部存储器。这个模型的好处在于。先打个比方说，如果老师让你心算一道简单题，你肯定毫不费劲就算出来了，可是如果老师让你算20个三位数相乘，你心算起来肯定很费力，但如果给你一张草稿纸的话，你也能很快算出来。可能你会问这和计算机有什么关系？其实计算机也是一样，一个没有内部存储器的计算机如果让它进行一个很复杂的计算，它可能根本就没有办法算出来，因为它的存储能力有限，无法记住很多的中间的结果，但如果给它一些内部存储器当“草稿纸”的话，计算机就可以把一些中间结果临时存储到内部存储器上，然后在需要的时候再把它取出来，进行下一步的运算，如此往复，计算机就可以完成很多很复杂的计算。纸带机随着时代的发展，人们越来越感到计算机输入和输出方式的落后，改进这两方面势在必行。在输入方面，为了不再每次扳动成百上千的开头，人们发明了纸带机。纸带机的工作原理是这样的，纸带的每一行都标明了26个字母、10个数字和一些运算符号，如果这行的字母A上面打了一个孔，说明这里要输入的是字母A，同理，下面的行由此类推。这样一个长长的纸带就可以代表很多的信息，人们把这个纸带放入纸带机，纸带机还要把纸带上的信息翻译给计算机，因为计算机是看不懂这个纸带的。这样虽然比较麻烦，但这个进步确实在很大程度上促进了计算机的发展。在发明纸带的同时，人们也对输出系统进行了改进，用打印机代替了计算机面板上无数的信号灯。打印机的作用正好和纸带机相反，它负责把计算机输出的信息翻译成人能看懂的语言，打印在纸上，这样人们就能很方便地看到输出的信息，再也不用看那成百上千的信号灯了。有键盘和显示器不过人们没有满足，他们继续对输入和输出系统进行改进。后来人们发明了键盘和显示器。这两项发明使得当时的计算机和我们现在使用的计算机有些类似了，而且在此之前经过长时间的改进，计算机的体积也大大地缩小了。键盘和显示器的好处在于人们可以直接向计算机输入信息，而计算机也可以及时把处理结果显示在屏幕上。有外部存储器可是随着人们的使用，逐渐又发现了不如意之处。因为人们要向计算机输入的信息越来越多，往往要输入很长时间后，才让计算机开始处理，而在输入过程中，如果停电，那前面输入的内容就白费了，等来电后，还要全部重新输入。就算不停电，如果人们上次输入了一部分信息，计算机处理理了，也输出了结果；人们下一次再需要计算机处理这部分信息的时候，还要重新输入。对这种重复劳动的厌倦导致了计算机新的模型的产生。这回的模型是这样的：这回增加了一个外部存储器。外部存储器的“外部”是相对于内部存储器来说的，在中央处理器处理信息时，它并不直接和外部存储器打交道，处理过程中的信息都临时存放在内部存储器中，在信息处理结束后，处理的结果也存放在内部存储器中。可是如果这时突然停电，那些结果还会丢失的。内部存储器（或简称内存）中的信息是靠电力来维持的，一旦电力消失，内存中的数据就会全部消失。也正因为如此，人们才在计算机模型中加入了外部存储器，把内存中的处理结果再存储到外部存储器中，这样停电后数据也不会丢失了。外部存储器与内存的区别在于：它们的存储机制是不一样的，外部存储器是把数据存储到磁性介质上，所以不依赖于是否有电。这个磁性介质就好比家里的歌曲磁带，磁带上的歌曲不管有没有电都是存在的。当时人们也是考虑到了磁带这种好处，所以在计算机的外部存储器中也采用了类似磁带的装置，比较常用的一种叫磁盘。磁盘本来是圆的，不过装在一个方的盒子里，这样做的目的是为了防止磁盘表面划伤，导致数据丢失。有了磁盘之后，人们使用计算机就方便多了，不但可以把数据处理结果存放在磁盘中，还可以把很多输入到计算机中的数据存储到磁盘中，这样这些数据可以反复使用，避免了重复劳动。有文件系统可是不久之后，人们又发现了另一个问题，人们要存储到磁盘上的内容越来越多，众多的信息存储在一起，很不方便。这样就导致了文件的产生。这和我们日常生活中的文件有些相似。我们日常生活中的文件是由一些相关信息组成，计算机的文件也是一样。人们把信息分类整理成文件存储到磁盘上，这样，磁盘上就有了文件1、文件2。有操作系统可是在使用过程中，人们又渐渐发现，由人工来管理越来越多的文件是一件很痛苦的事情。为了解决这个问题，人们就开发了一种软件叫操作系统。其实操作系统就是替我们管理计算机的一种软件，在操作系统出现之前，只有专业人士才懂得怎样使用计算机，而在操作系统出现之后，不管你是否是计算机专业毕业，只要经过简单的培训，你都能很容易地掌握计算机。有了操作系统之后，我们就不直接和计算机的硬件打交道，不直接对这些硬件发号施令，我们把要的事情告诉操作系统，操作系统再把要作的事情安排给计算机去作，等计算机做完之后，操作系统再把结果告诉我们，这样就省事多了。在操作系统出现之前，人们通过键盘给计算机下达的命令都是特别专业的术语，而有了操作系统之后，人们和计算机之间的对话就可以使用一些很容易懂的语言，而不用去死记硬背那些专业术语了。操作系统不但能在计算机和人之间传递信息，而且还负责管理计算机的内部设备和外部设备。它替人们管理日益增多的文件，使人们能很方便地找到和使用这些文件；它替人们管理磁盘，随时报告磁盘的使用情况；它替计算机管理内存，使计算机能更高效而安全地工作；它还负责管理各种外部设备，如打印机等，有了它的管理，这些外设就能有效地为用户服务了。也正因为操作系统这么重要，所以人们也在不断地改进它，使它的使用更加方面，功能更加强大。对于咱们现在使用的微机来说，操作系统主要经历了DOS、Windows 3.X、Windows95和Windows98这几个发展阶段。在DOS阶段，人们和计算机打交道，还是主要靠输入命令，“你输入什么命令，计算机就做什么，如果你不输入，计算机就什么也不做”。在这一阶段，人们还是需要记住很多命令和它们的用法，如果忘记了或不知道，那就没有办法了。所以说，这时的计算机还是不太好用，操作系统也处于发展的初级阶段。Windows的出现在很大程度上弥补了这个不足，人们在使用Windows时，不必记住什么命令，只需要用鼠标指指点点就能完成很多工作。编辑本段计算机的软件系统应用软件上面说的是硬件的工作原理，那么在软件上，我们又是如何使用计算机的呢？在前面我们讲过，我们可以通过操作系统给计算机布置工作，操作系统也可以把计算机的工作结果告诉我们。可是操作系统的功能也不是无限的，实际上计算机的很多功能是靠多种应用软件来实现的。操作系统一般只负责管理好计算机，使它能正常工作。而众多的应用软件才充分发挥了计算机的作用。但这些应用软件都是建立在操作系统上的，一般情况下，某一种软件都是为特定的操作系统而设计的，因为这些软件不能直接和计算机交换信息，需要通过操作系统来传递信息。硬件和软件的结合这就是所谓的“硬”、“软”结合。硬件就是我们能看见的这些东西：主机、显示器、键盘、鼠标等，而软件是我们看不见的，存在于计算机内部的。打个比方，硬件就好比人类躯体，而软件就好比人类的思想，没有躯体，思想是无法存在的，但没有思想的躯体也只是一个植物人。一个正常人要完成一项工作，都是躯体在思想的支配下完成的。电脑和这相类似，没有主机等硬件，软件是无法存在的；而一个没有软件的计算机也只是一堆废铁。操作系统对文件的管理还有一个重要的概念没有讲，就是操作系统是如何管理文件的呢？其实也很简单，文件都有自己的名字，叫文件名，用来区分不同的文件的。计算机中的文件有很多，成千上万，光用名字来区分也不利于查找，所以计算机中又有了文件夹的概念，把不同类型的文件存储在不同的文件夹中，查找起来就快多了，也不会太乱。文件多了，可以分别存储在不同的文件夹中，而当文件夹多了之后，再把一些相关的文件夹存储在更在的文件夹中，这样管理文件是比较科学的。计算机系统概述计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机通过执行程序而 运行，计算 机工作时软硬件协同工作，二者缺一不可。硬件（Hardware）是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的 有形实体。一个计算机硬件系统，从功能级角度而言包五大功能部件：运算 器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。硬件是计算机能够运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算 精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为裸机。在裸机上只能运行机器语言程 序，使用很不方便，效率也低。软件（Software）是指使计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。软 件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解 机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机。软件屏蔽了下层的具体计算机硬件，形成一台抽象的逻辑计算机（也称虚拟机），它在用户和计算机（硬件）之间架起了桥梁。软件通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机制造者提供的使用和 管理计算机的软件，它包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序等。应用软件是计 算机用户用计算机及其提供的各种系统软件开发的解决各种实际问题的软件。一、要求掌握的知识要点(1) 掌握十进制数、二进制数、十六进制数、八进制数以及它们之间的相互转换方法。(2) 掌握二进制数的算术运算及逻辑运算的法则，数据在计算机中的表示方法。(3) 掌握BCD码、ASCII码及汉字编码的概念。(4) 熟悉中央处理单元CPU的组成及内部主要部件的功能。二、知识点概述(一) 计算机中数据的表示计算机最主要的功能是处理信息，如处理数值、文字、声音、图形和图像等。在计算机内部，各种信息都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理，因此，掌握信息编码的概念与处理技术是至关重要的。所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂、多样的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。例如，用10个阿拉伯数码表示数字，用26个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。1进位计数制在采用进位计数的数字系统中，如果只用r个基本符号(例如，O，1，2，r一1)表示数值，则称其为基r数制(Radix-r Number System)，r称为该数制的基(Radix)。对于不同的数制，它们的共同特点是：每一种数制都有固定的符号集。例如，对于十进制数制，其符号有10个：0，1，2，9；对于二进制数制，其符号有两个：O和1。都使用位置表示法。即处于不同位置的数符所代表的值不同，且与它所在位置的权值有关。例如，十进制数1234.55可表示为1234.55 = 1103 + 2102 + 3101 + 4100 + 510-1 + 510-2可以看出，各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂。因此，对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式之和，即任意一个r进制数N可表示为式中：Di是该数制采用的基本数符；ri是权；r是基数，不同的基数表示不同的进制数。表1-1所示的是计算机中常用的几种进制数。表1-1计算机中常用的几种进制数的表示进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一基数 r = 2r = 8r = 10r = 16数符 O,1O,1,2,7O,1,2,9O,l,2,9,A,B,F权 2i 8i 10i 16i形式表示 B ODH2算术逻辑运算(1) 二进制加法。二进制加法与十进制加法相类似，所不同的是，二进制加法的规则是“逢二进一”，即O + 0 = 01 + 0 = 10 + 1 = 11 + 1 = 0 (有进位)(2) 二进制减法。在二进制减法中，当不够减时需要借位，高位的1等于下一位的2，即“借一当二”，其运算法则如下：0 - 0 = 01 - 0 = 11 - 1 = 00 - 1 = 1 (有借位)(3) 二进制乘法。二进制乘法与十进制乘法是一样的，但因为二进制数只由0和1构成，因此，二进制乘法更简单，其运算法则如下：OO = O1O = 0O 1 = 01 1 = 1(4) 二进制除法。二进制除法是二进制乘法的逆运算，其运算方法与十进制除法是一样的。(5) 二进制与运算又称逻辑乘，其运算法则如下：O0 = OO1 = 01 O = 011 = 1(6) 二进制或又称逻辑加，其运算法则如下：0O = 001 = 110 = 111 = 1(7) 二进制异或的运算法则如下：O O = 00 1 = 11 0 = 11 1 = 03机器数和码制各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是数的符号用O、1表示，如“0”表示正号，“1”表示负号，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为该数的真值。机器数有无符号数和带符号数两种。无符号数表示正数，在机器数中没有符号位。对于无符号数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。对于带符号数，机器数的最高位是表示正、负的符号位，其余二进制位表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高数值位之前(符号位之后)，则是纯小数。为了便于运算，带符号的机器数可采用原码、反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。4汉字编码汉字处理包括汉字的编码输入、汉字的存储和汉字的输出等环节。也就是说计算机处理汉字，首先必须先将汉字代码化，即对汉字进行编码。1) 输入码(1) 数字编码。数字编码就是用数字串代表一个汉字的输入，常用的是国标区位码。国际区位码将国家标准局公布的6763个两级汉字分成94个区，每个区94位，实际上是把汉字表示成二维数组，区位和位码各两位十进制数字，因此，输入一个汉字需要按键四次。例如，“中”字位于第54区48位，区位码为5448：(2) 拼音码。拼音码是以汉语读音为基础的输入方法。由于汉字同音字太多，输入重码率很高，因此，按拼音输入后还必须进行同音字选择，影响了输入速度。(3) 字形编码。字形编码是以汉字的形状确定的编码。汉字总数虽多，但都是由一笔一划组成，全部汉字的部件和笔划是有限的，因此，把汉字的笔划部件用字母或数字进行编码，按笔划书写的顺序依次输入，就能表示一个汉字。五笔字形、表形码等便是这种编码法。五笔字形编码是最有影响的编码方法。2) 内部码汉字内部码(简称汉字内码)是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式，是在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。在西文计算机中，没有交换码和内码之分。汉字数量多。用一个字节无法区分，采用国家标准局GB2312-80中规定的汉字国标码，两个字节存放一个汉字的内码，每个字节的最高位置“1”，作为汉字机内码。由于两个字节各用7位，因此可表示16 384个可区别的机内码。以汉字“大”为例，国标码为3473H，两个字节的高位置“1”，得到的机内码为B4F3H。为了统一地表示世界各国的文字，1993年国际标准化组织公布了“通用多八位编码字符集”的国际标准ISOIEC 10646，简称UCS(Universal Code Set)。UCS包含了中、日、韩等国的文字，这一标准为包括汉字在内的各种正在使用的文字规定了统一的编码方案。3) 字形码汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。用点阵表示字形时，汉字字形码指的就是这个汉字字形点阵的代码。字形码也称字模码，是用点阵表示的汉字字形码，它是汉字的输出方式。根据输出汉字的要求不同，点阵的多少也不同。简易型汉字为1616点阵，高精度型汉字为2424点阵、3232点阵、4848点阵等等。(二) 中央处理机(CPU)1CPU的组成前面已经提到，CPU主要由运算器、控制器组成。构成CPU的框图如图1-2所示。1) 运算器运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术运算和逻辑运算，完成对数据的加工与处理。不同的计算机，运算器的结构也不同，但最基本的结构都是由算术逻辑运算单元(ALU)、累加器(ACC)、寄存器组、多路转换器和数据总线等逻辑部件组成的。2) 控制器计算机能执行的基本操作叫做指令，一台计算机的所有指令组成指令系统。指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指明操作的类型，地址码则指明操作数及运算结果存放的地址。图1-2CPU主要组成部件框图控制器的主要功能是从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出指令经指令寄存器送往指令译码器，经过对指令的分析发出相应的控制和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。控制器是由程序计数器(简称PC)、指令寄存器、指令译码器、状态条件寄存器、时序产生器、微操作信号发生器组成，如图1-3所示。图1-3控制器组成框图(1) 程序计数器。当程序顺序执行时，每取出一条指令，PC内容自动增加一个值，指向下一条要取的指令。当程序出现转移时，则将转移地址送入PC，然后由PC指向新的程序地址。(2) 指令寄存器(IR)。用于存放当前要执行的指令。(3) 指令译码器(ID)。用于对现行指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。(4) 时序产生器。用于产生时序脉冲和节拍电位去控制计算机有序的工作。(5) 状态条件寄存器。用于保存指令执行完成后产生的条件码。例如，运算是否有溢出，结果为正还是为负，是否有进位等。此外，状态条件寄存器还保存中断和系统工作状态等信息。(6) 微操作信号发生器。把指令提供的操作信号、时序产生器提供的时序信号以及由控制功能部件反馈的状态信号等综合成特定的操作序列，从而完成取指令的执行控制。控制器一般由指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、时序部件、微操作形成部件和程序状态字寄存器(PSW)构成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。执行指令有取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址四个步骤。2CPU的功能CPU的基本功能如下。(1) 程序控制。CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序，这是CPU的重要职能。(2) 操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。(3) 时间控制。CPU对各种操作进行时间上的控制，这就是时间控制。CPU对每条指令整个的执行时间要进行严格控制。同时。指令执行过程中的操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需进行严格控制。(4) 数据处理。CPU对数据以算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理，数据加工处理的结果为人们所利用。所以，对数据的加工处理是CPU最根本的任务。必须指出，在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。一般 来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件所执行 的指令也能够用软件来完成。软件和硬件之间的界线是经常变化的。今天的软件可能就是明天的硬件，反之亦然。计算机硬件系统组成从功能上来看，计算机的硬件系统由运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，五大部分由总线连接。 控制器和运算器合在一起被 称为中央处理器CPU(Central Processing Unit)。计算机基本工作原理冯诺依曼原理世界上第一台计算机基于冯诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。 到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。 根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。计算机指令与指令系统指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机硬件理解并执行。一条指令就是 计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。一台计算机所能执行的全部指令 的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统比较充分地说明了计算机对数据进行处理的 能力。不同种类的计算机，其指令系统的指令数目与格式也不同。指令系统越丰富完备，编 制程序就越方便灵活。指令系统是根据计算机使用要求设计的。一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，它通常应包括两方面的信息：操作码和地址码 。操作码用来表征该指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作；地址码指出参与操作的 数据在存储器中的地址。一般情况下，参与操作的源数据或操作后的结果数据都在存储器中 ，通过地址可访问该地址中的内容，即得到操作数。CPU访问存储器需要一定的时间，为了提高运算速度，有时也将参与运算的数据或中间结果 存放在CPU寄存器中或者直接存放在指令中。计算机的全名应该叫“通用电子数字计算机”（General-Purpose Electronic Digital Computer）。这个名称说明了计算机的许多性质。“通用”说明计算机不是一种专用设备，我们可以把它与电话做一个比较。电话只能作为一种通讯工具，别无他用。而计算机不仅可以作为计算根据，只要有合适的软件，它也可以作为通讯工具使用，还能有无穷无尽的其他用途。“电子”是计算机硬件实现的物理基础，计算机是非常复杂的电子设备，计算机的运行最终都是通过电子电路中的电流、电位等实现的。“数字”化是计算机一切处理工作的信息表示基础。在计算机里，一切信息都是采用数字化的形式表示的，无论它原本是什么。无论是数值、文字，还是图形、声音等等，在计算机里都统一到二进制的数字化表示上。数字化是计算机的一种基本特征，也是计算机通用性的一个重要基础。“计算机”意味着这是一种能够做计算的机器。计算机能够完成的基本动作不过就是数的加减乘除一类非常简单的计算动作。但是，当它在程序的指挥下，以电子的速度，在一瞬间完成了数以万亿计的基本动作时，就可能完成了某种很重大的事情。我们在计算机的外部看到的是这些动作的综合效果。从这个意义上看，计算机本身并没有多少了不起的东西，唯一了不起的就是它能按照指挥行事，做得快。实际上，更了不起的东西是程序、是软件，每个程序或软件都是特殊的，针对面临的问题专门设计实现的东西。目前对计算机的另一种流行称呼是“电脑”，这是从香港台湾转播开来的一个译名，目前使用很广泛。实际上这个名称并不合适，很容易把人的理解引到错误的方向（或许这正是一些人有意或无意的目标）。我们从来不把原始人用于打树上果子的木棍称为“木手”，也不把火车称为“铁脚”。因为无论是木棍还是火车，虽然各有其专门用途方面的力量，各有其“长处”，但它们都只能在人手脚功能中很窄的一个方面有用，与手脚功能的普适性是根本无法相提并论的。同样，计算机能帮助人完成的也仅仅是那些能够转化为计算问题的事项，与人脑的作用范围和能力相比，计算机的应用范围也是小巫见大巫了。计算机的核心处理部件是CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。目前各类计算机的CPU都是采用半导体集成电路技术制造的，它虽然不大，但其内部结构却极端复杂。CPU的基础材料是一块不到指甲盖大小的硅片，通过复杂的工艺，人们在这样的硅片上制造了数以百万、千万计的微小半导体元件。从功能看，CPU能够执行一组操作，例如取得一个数据，由一个或几个数据计算出另一个结果（如做加减乘除等），送出一个数据等。与每个动作相对应的是一条指令，CPU接收到一条指令就去做对应的动作。一系列的指令就形成了一个程序，可能使CPU完成一系列动作，从而完成一件复杂的工作。在计算机诞生之时，指挥CPU完成工作的程序还放在计算机之外，通常表现为一叠打了孔的卡片。计算机在工作中自动地一张张读卡片，读一张就去完成一个动作。实际读卡片的事由一台读卡机完成（有趣的是，IBM就是制造读卡机起家的）。采用这种方式，计算机的工作速度必然要受到机械式读卡机的限制，不可能很快。美国数学家冯诺依曼最早看到问题的症结，据此提出了著名的“存储程序控制原理”，从而导致现代意义下的计算机诞生了。计算机的中心部件，除了CPU之外，最主要是一个内部存储器。在计算机诞生之时，这个存储器只是为了保存正在被处理的数据，CPU在执行指令时到存储器里把有关的数据提取出来，再把计算得到的结果存回到存储器去。冯诺依曼提出的新方案是：应该把程序也存储在存储器里，让CPU自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作。这样，计算机在执行程序的过程中，就可以完全摆脱外界的拖累，以自己可能的速度（电子的速度）自动地运行。这种基本思想就是“存储程序控制原理”，按照这种原理构造出来的计算机就是“存储程序控制计算机”，也被称做“冯诺依曼计算机”。到目前为止，所有主流计算机都是这种计算机，这里讨论的都是这种计算机。（随着对计算过程和计算机研究的深化，人们也认识到冯诺依曼计算机的一些缺点，开展了许多目的在于探索其他计算机模式的研究工作。但是到目前为止，这些工作的成果还远未达到制造出在性能、价格、通用性、自然易用等方面能够与冯诺依曼计算机匹敌的信息处理设备的程度。这里我们就不打算进一步介绍这些方面的情况了。）从CPU抽象动作的层次看，计算机的执行过程非常简单，是一个两步动作的简单循环（图1.5），称为CPU基本执行循环。CPU每次从存储器取出要求它执行的下一条指令，然后就按照这条指令，完成对应动作，循环往复，直到程序执行完毕（遇到一条要求CPU停止工作的指令），或者永无休止地工作下去。CPU是一个绝对听话、服从指挥的服务生，它每时每刻都绝对按照命令行事，程序叫它做什么，它就做什么。CPU能完成的基本动作并不多，通常一个CPU能够执行的指令大约有几十种到一二百种。另一方面，实际社会各个领域里，社会生活的各个方面需要应用计算机情况则是千差万别、错综复杂。这样简单的计算机如何能应付如此缤纷繁杂的社会需求呢？答案实际上很简单：程序。通过不同指令的各种适当排列，人可以写出的程序数目是没有穷尽的。这就像英文字母只有26个，而用英文写的书信、文章、诗歌、剧作、小说却可以无穷地多一样。计算机从原理上看并不复杂，正是五彩缤纷的程序使计算机能够满足社会的无穷无尽的需求。计算机的这种工作原理带来两方面的效果。一方面，计算机具有通用性，一种（或者不多的几种）计算机就能够满足整个社会的需求，这使得人们可以采用大工业生产的方式进行生产，提高生产效率，增强计算机性能，降低成本。这使得计算机变得越来越便宜，与此同时性能却越来越强。另一方面，通过运行不同的程序，不同的计算机，或者同一台计算机在不同的时刻可以表现为不同的专用信息处理机器，例如计算器、文字处理器、记事本、资料信息浏览检索机器、帐本处理机器、设计图版、游戏机等等。甚至同一台计算机在一个时刻同时表现为多种不同的信息处理机器（只要在这台计算机中同时运行着多个不同的程序）。正是这种通用性和专用性的完美统一，使得计算机成为人类走向信息时代过程中最锐利的一件武器。我们说CPU并不复杂，这是从原理上讲的。而今天最先进的CPU又是极端复杂的东西，甚至可能是人类有史以来制造出的最复杂产品。产生这种情况的原因很多，这里列举其中最重要的两个：第一，人们对CPU性能的要求越来越高，因为需要由计算机完成的工作越来越复杂（现实社会总是不断提出新问题，要求用计算机解决。一个复杂问题解决了，人们就看到了另一个更复杂的问题解决的希望，因而会去努力），完成一项工作需要执行的指令数越来越多。一个永远也不能克服的困难是，计算机执行指令需要时间（请读者记住计算机的这个本质性的缺点，这对于理解计算机是极端重要的）。虽然目前计算机执行指令的速度已经快得惊人（每秒钟可以执行数以亿计的指令），对于人希望用计算机解决的最复杂任务而言，CPU的速度将永远是太慢了。为提高CPU在实际计算中的速度，人们开发了许多巧妙技术，而实现这些技术就大大地增加CPU本身的复杂性。第二，需要用计算机处理的数据的情况越来越多。早期的计算机主要是处理数值性数据，例如整数、实数（在计算机里用一种称为“浮点数”的方式表示），CPU也就只需要围绕与这些数据类型有关的计算过程，提供一批指令。随着计算机的发展，新的应用需求层出不穷。例如，当计算机被广泛用于图形图像声音信号的处理时，虽然从理论上说CPU可以不改变（原有指令足以完成工作，只要写出相应的程序），但人们也发现，增加一些新的特殊指令，对这些特殊数据形式的处理就能更有效。新指令的增加能大大提高CPU处理特殊数据形式的效率（有时是必须的，例如为了实时地处理高清晰度的三维动画），由此带来的一个副作用是使CPU变得更加复杂了。过去人们常说计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四个阶段，也把以这些方式构造起来的计算机分别称为第一、二、三、四代计算机。今天回头再看，这种说法已经没有太大的意义了。制造计算机的器件变化并不是根本性的（虽然其意义不可低估，例如在降低成本、减小体积方面），这个变化过程不过是人们寻求合适方