第一章_计算机基础

1、计算机是一种能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送与加工处理的电子工具。计算机技术的飞速发展，使它不仅成为当前使用最为广泛的现代化工具，而且促进了信息技术革命的到来，使社会发展步入了信息时代。信息革命以计算机(Computer)、通信(Communication)和控制(Control)技术(“3C”技术)为主要代表，以机器智能代替人类的脑力劳动为主要特征，从而影响信息活动的一切领域。信息革命导致了人类社会从工业社会向信息社会的过渡。本章主要介绍计算机的基础知识，包括计算机的发展与展望、计算机的特点分类与应用、计算机与信息技术、计算机系统的组成与基本工作原理、进位计数制及其相互转换、数据在计

2、算机中的表示以及计算机的运算等内容。通过本章学习，使我们对计算机基础知识有一个初步的了解。1.1 计算机的发展和展望计算技术发展的历史是人类文明史的一个缩影。人类最早的计算工具可以追溯到中国古代的算筹，算筹后来被方便的算盘取代，算盘是世界上第一种手动式计算器，迄今还在使用中。1622年，英国数学家威利奥特瑞德(William Oughtred)发明了圆盘计算尺，这称得上是最早的模拟计算工具了。1642年法国数学、物理学家帕斯卡(Blasie Pascal)发明了手动计算机器，能进行加法和减法运算。1673年，德国数学、思想家莱布尼兹(G.w.Leibniz)制造了能进行四则运算的机械计算机器。

3、这些早期的计算机器都是一种手动机械计算装置，都没有突破手工操作的框架。直到19世纪初，才取得突破，计算机不但能快速地完成四则运算，还能够自动完成复杂的运算，从手动机械跃入自动机械的新时代。1.1.1 近代计算机1. 巴比奇和差分机1818年，法国人托马斯(C.Thomas)设计了一种比较实用的计算机，计算机开始走出了发明家的研究室，进入了社会，成为人们得力的计算工具。这是计算机发展史上的一件大事。瑞典人奥涅尔(W.Odhner)从1874年开始整整花费了15年的时间，发明了一种齿数可变的齿轮，设计出了一种新型计算机。直到20世纪20年代，奥涅尔机都是一种主要的计算机器。1822年，英国数学家查

4、尔斯巴比奇(Charles Babbage)设计出第一台能通过加、减法计算各种多项式的机器，定名为“差分机”。它仅能作加法运算，但它的重要意义在于，它不只是每次完成一个算术运算，而且能按照设计者的安排自动地完成整个运算过程。这无疑已经蕴含了程序设计的萌芽。2. 分析机现代通用数字机的雏型大约在1834年，巴比奇完成了一项新设计，这种新设计的计算机有专门控制运算程序的机构，而机器的其余部分可以进行各种具体的数字运算，他把这种新机器命名为“分析机”。分析机主要由三部分组成：齿轮式寄存器、运算的装置，控制操作顺序及输出结果的装置。可以看出巴比奇的分析机已经包括了现代计算机设计的一些主要思想。3. 模

5、拟机的研制1876年，英国物理学家凯尔文(Kelvin)利用他兄弟汤姆逊(Thomson)的圆盘-圆球-圆轴式积分仪成功地制造出第一台计算傅立叶系数的机器，他称之为“潮汐调和分析仪”。这种调和分析仪能在一、两小时内完成熟练的计算员至少需要20小时才能完成的计算。1930年，美国工程师布什(V.Bush)和哈森(H.Hazen)合作制造出第一台真正的微分分析仪到20世纪30年代为止，设计制造模拟机的活动相当活跃。但在实际工作中，人们逐步看到了模拟装置在通用性、精确度以及速度这三个方面的局限。从理论上说，对于任何一种数学计算都可以设计出相应的模拟机器，但要在技术上加以实现却会遇到许多严重困难。因此

6、，随着条件成熟，人们的注意力便转向数字计算机。4. 图灵和理想计算机图灵奖是计算机界最负盛名的奖项，有“计算机界诺贝尔奖”之称。该奖是美国计算机协会于1966年设立，又称为“A.M.图灵奖”，专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人。其名称取自计算机科学的奠基人、英国科学家艾伦图灵(Alan Turing)。1936年，图灵发表了著名的关于“理想计算机”的论文，后人称之为图灵机(Turing Machine，TM)。图灵机由三部分组成：一条带子，一个读写头和一个控制装置。带子分成许多小格，每小格可存一位数。相对于带子而言，读写头可以左右移动，每次移动一小格读出一个符号或在带子上打印一个符号。

7、图灵证明了一个很重要的定理：存在一种图灵机，它能模拟任何给定的图灵机。也就是说，只有图灵机能解决的计算问题，实际计算机才能解决；如果图灵机不能解决的问题，则实际计算机也无法解决。这种能够模拟任何给定的图灵机的机器就是“通用图灵机”，通用图灵机把程序和数据都以数码的形式存储在纸带上，是“存储程序”型的，这种程序能把高级语言写的程序译成机器语言写的程序。通用图灵机实际上是现代通用数字计算机的数学模型。图灵机理论不仅解决了数理逻辑的一个基础理论问题，而且证明了通用数字计算机是可能制造出来的。一般认为，现代计算机的基本概念源于图灵。5. 电子计算机的诞生第一个采用电器元件来制造计算机的是德国工程师朱斯

8、(K.Zuse)。他设计的第一台计算机z-1号于1938年完成，是世界上真正的第一台通用程序控制计算机。1944年，在国际商业机器公司(即IBM公司)的支持下，霍华德艾肯(Howard Aiken) 制造了世界上第一台程序控制的自动数字计算机MARK-I，在美国哈佛大学投入运行。这些机器的典型部件是普通继电器，而继电器开关速度大约是百分之一秒，使运算速度受到限制。1946年2月，美国宾西法尼亚大学的莫奇莱(John W Mauchly)教授和埃克特(J Presper Eckert)博士等人设计制造研制出名为ENIAC(Electronic Numerical Integrator And C

9、aculator 电子数值积分计算机)的电子计算机，是目前大家公认的第一台电子计算机。ENIAC重30t，占地面积约170m2，大约使用了18800个电子管、7英里长的铜丝和5万个焊头(图1-1)，它有20字节的寄存器，每个字长十位，采用十进制进行运算，时钟频率是100kHz，耗电150kW，每秒能完成5000次加、减运算、333次乘法或100次除法运算。尽管ENIAC还有许多弱点，如没有真正的存储器、工作时发热量大、计算方式依赖于电路的连接方式等，但是在人类计算工具发展史上，它仍然是一座不朽的里程碑。它的问世，表明电子计算机时代的到来。1.1.2 计算机的发展简史从ENIAC诞生至今，计算机

10、所采用的基本电子元器件已经经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模和超大规模集成电路四个发展阶段，通常称为计算机发展进程中的四个时代。1. 第一代电子管计算机第一代计算机(19461953年)是电子管计算机，它的基本电子元件是电子管。因此，第一代计算机体积大、耗电多、速度低、造价高，且使用不便，主要局限于一些军事和科研部门的科学计算。2. 第二代晶体管计算机第二代计算机(19541964年)是晶体管计算机。随着晶体管取代计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小、耗电少、成本低、逻辑功能强，且使用方便、可靠性高。

11、因此，它的应用从军事研究、科学计算扩大到数据处理、工业过程控制等领域，并开始进入商业市场。典型的第二代机有UNIVACII、贝尔的TRADIC、IBM的7090、7094、7044等。3. 第三代集成电路计算机第三代计算机(19651970年)是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，第三代计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器得到进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次到几百万次基本运算。计算机软件技术进一步发展，操作系统正式形成，并出现多种高级程序设计语言，如BASIC语言等。由于采用了集成电路，因此第三代计算机各方面的性能都有了极大

12、提高：体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。它广泛应用于科学计算、数据处理、工业控制等方面，并进入众多的学科领域。典型的第三代机有IBM360系列、Honeywell6000系列、富士通F230系列等。4. 第四代大规模集成电路计算机第四代计算机(1971年至今)是大规模集成电路计算机。随着大规模集成电路和超大规模集成电路的出现，电子计算机的发展进入第四代。第四代计算机的基本电子元件是大规模集成电路和超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。计算机软件系统进一步发展，操作系统等系统软件不断完善，应用软件的开发已逐步成为一个

13、现代产业，计算机的应用已渗透到社会生活的各个领域。在计算机四个时代的发展进程中，计算机的性能越来越好，主要表现在如下几个方面：生产成本越来越低；体积越来越小；运算速度越来越快；耗电量越来越少；存储容量越来越大；可靠性越来越高；软件配置越来越丰富；应用范围越来越广泛。1.1.3 微处理器的发展微处理器是计算机的核心部件。随着大规模集成电路的日趋成熟，计算机的中央处理器(CPUCentral Processing Unit)有可能做在一个芯片上，再加上存储器和接口等其他芯片即可构成一台微型计算机(Microcomputer，简称微型机、微机、微电脑)。1971年11月，美国英特尔(Intel)公司

14、制成了世界上第一片微处理器(MPUMicro Processing Unit)Intel4004。1972年Intel公司推出了8位微处理芯片8008，之后的几年中，8位微型计算机得到了飞速发展。1978年Intel公司推出了16位微处理器芯片8086。两年后，Microsoft公司推出了Windows操作系统，这是微型计算机操作系统的一次革命性进步。1989年Intel公司研制成功80486芯片。微型计算机市场日趋繁荣，出现了百家争鸣的局面。1993年Intel公司推出了新一代的处理器80586，并给它起了个商品名Pentium(奔腾)，。1995年2月Intel公司推出了Pentium P

15、ro芯片。1997年1月Intel公司推出了第一片带MMX技术的多功能奔腾处理器。1997年下半年起，各CPU制造商竞相将MMX技术纳入32位及64位微处理器中。1998年的Pentium II是带有MMX技术的P6级微处理器。Pentium III是在Pentium II的基础上新增加了70条能够增加音频、视频和3D图形效果的SSE(Streaming SIMI Extensions，数据流单指令多数据扩展)指令集。2000年Intel公司推出了Pentium IV微处理器，主频达到1GMHz以上。纵观计算机的发展历史，微处理器性能的不断提高是计算机应用得以迅速发展的真正动力，它比历史上任何

16、发明都进展得更为迅速。1.1.4 未来计算机的发展趋势20世纪后半叶，科技的发展使计算机的运算速度达到万亿次/s。然而，这种高密度、高功能的集成技术却使得计算机的散热、冷却等技术问题日益突出。而且，芯片尺寸每缩小一倍，生产成本则要增加五倍。这些物理学及经济方面的制约因素将使现有芯片计算机的发展走向终结，因此超导、量子、光子、生物和神经等一些全新概念的计算机应运而生。1. 超导计算机所谓超导，是指在接近绝对零度的温度下，电流在某些介质中传输时所受阻力为零的现象。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需时间却要快上100倍。2. 量子计算机

17、 量子计算机是一种利用量子力学特有的物理现象(特别是量子干涉)来实现的一种全新信息处理方式的计算机。量子计算机的优点有四：一是能够实行量子并行计算，加快了解题速度；二是用量子位存储，大大提高了存储能力；三是可以对任意物理系统进行高效率的模拟；四是能实现发热量极小的计算机。3. 光子计算机 所谓光子计算机即全光数字计算机，以光子代替电子、光互连代替导线互连、光硬件代替计算机中的电子硬件、光运算代替电运算。光子计算机的优点是，并行处理能力强，具有超高速运算速度。和电子计算机相比，光子计算机信息存储量大，抗干扰能力强。目前，世界上第一台光子计算机已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的70多名

18、科学家研制成功，其运算速度比计算机快1000倍。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将成为21世纪高科技课题之一。专家们预言，21世纪将是光子计算机时代。 4. 生物计算机 生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。生物计算机的信息存储量大，模拟人脑思维。因此有人预言，未来人类将获得智能的解放。 科学家正在利用蛋白质技术制造生物芯片，从而实现人脑和生物计算机的联接。5. 神经计算机神经计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。未来计算机技

19、术将向超高速、超小型、并行处理、智能化的方向发展。21世纪初期，将出现每秒100万亿次的超级计算机，超高速计算机将采用并行处理技术，使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据实行处理，这是改进计算机结构、提高计算机运行速度的关键技术。计算机必将进入人工智能时代，它将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力。随着新的元器件及其技术的发展，新型的超导计算机、量子计算机、光子计算机、神经计算机和生物计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。 1.2 计算机的特点、分类和应用计算机具有运算速度快、计算精度高、记忆和逻辑判断能力强、工作自动化、可靠性高等一系列特点，使计算机进入了科研

20、、生产、交通、商业、国防、卫生等各个领域，并且各种新型的计算机还在不断涌现，可以预见，其应用领域还将进一步扩大。1.2.1 计算机的特点计算机与过去计算工具相比，具有以下几个主要特点：运算速度快、计算精度高、具有逻辑记忆能力、具有自动运行的能力、极高的可靠性。由于计算机具有上述几个方面的特点，因此获得了极其广泛的应用。1.2.2 计算机的分类计算机按其功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机功能单一、适应性差，但是在特定用途下最有效、最经济、最快速。通用计算机功能齐全、适应性强，目前所说的计算机都是指通用计算机。在通用计算机中，又可根据运算速度、输入输出能力、数据存储能力、指令系统的规模和

21、机器价格等因素将其划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器及工作站等(表1-1)。1. 巨型机巨型机运算速度快、存储容量大、结构复杂、价格昂贵，主要用于尖端科学研究领域。2. 大型机大型机规模仅次于巨型机，有比较完善的指令系统和丰富的外部设备，主要用于计算中心和计算机网络中。3. 小型机小型机较之大型机成本较低，维护也较容易。小型机用途广泛，既可用于科学计算、数据处理，也可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理。4. 微型机20世纪70年代后期，微型机的出现引发了计算机硬件领域的一场革命。如今微型机家族“人丁兴旺”。微型机由微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组成，使得它较之小型机

22、体积更小、价格更低、灵活性更好、使用更加方便。5. 服务器随着计算机网络的日益推广和普及，一种可供网络用户共享的、高性能的计算机应运而生，这就是服务器。服务器一般具有大容量的存储设备和丰富的外部设备，其上运行网络操作系统，要求较高的运行速度，对此很多服务器都配置了双CPU。服务器上的资源可供网络用户共享。6. 工作站20世纪70年代后期出现了一种新型的计算机系统，称为工作站(Work Station，WS)。 工作站实际上是一台高档微机。 但它有其独到之处；易于联网，配有大容量主存，大屏幕显示器特别适合于CADCAM和办公自动化，典型产品有美国 SUN公司的 SUN3、SUN4等。1.2.3

23、计算机的应用计算机的应用已渗透到人类社会生活的各个领域。归纳起来，计算机的应用主要有以下几个方面：1. 数值计算数值计算，亦称为科学计算，是指计算机用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题的计算。2. 信息处理信息处理是指计算机对信息及时记录、整理、统计、加工成需要的形式。被广泛应用于数据处理，企业管理，事务处理，情报检索以及办公自动化等信息处理领域。信息处理已成为计算机应用的一个主要方面，估计约占全部应用的80。3. 实时控制实时控制，亦称过程控制，是指用计算机及时采集检测数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或自动调节。4. 计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aided

24、 Design，CAD)是利用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品设计和工程技术设计，它能使设计过程逐步趋向自动化，大大缩短设计周期，节省人力、物力，降低成本，提高设计质量。计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)是利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。计算机辅助测试(Computer Aided Testing，CAT)是利用计算机辅助进行产品测试。目前又出现了计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System，CIMS)，它利用计算机软硬件、网络、数据库等现代高技术，将企业的经营、管

25、理、计划、产品设计、加工制造、销售及服务等环节的人力、财力、设备等生产要素集成起来，使之一方面能够发挥自动化的高效率、高质量，另一方面又具有充分的灵活性，以利于经营、管理及工程技术人员发挥智能，根据不断变化的市场需求及企业经营环境，灵活及时地调整企业的产品结构及各种生产要素的配置方法，实现全局优化，从而提高企业的整体素质和竞争能力。5. 人工智能人工智能(Artificial Intelligence，AI)是利用计算机模拟人类的智能活动来进行判断、理解、学习、图像识别、问题求解等。6. 办公自动化办公自动化系统，它是以支持办公自动化为目的的一个信息系统，如日程管理、电子邮政、电子会议、文档管

26、理、统计报表等，并能辅助管理和决策。7. 通讯与网络随着信息化社会的发展，通讯业也发展迅速，由于计算机网络的迅速发展，计算机在通讯领域的作用越来越大。8. 电子商务电子商务是计算机网络的又一次革命，通过电子手段建立一种新的经济秩序，它不仅涉及电子技术和商业交易本身，而且涉及诸如金融、税务、教育等社会其他层面。9. 计算机进入家庭如今，随着计算机越来越普及和微机价格的不断下降，计算机越来越多地进入千家万户，使家庭生活发生了很大的变化。总之，现代科学技术的发展，几乎使计算机的应用渗透到日常生活的各个领域。1.3 计算机与信息技术在信息社会中，对信息的各种处理都是离不开计算机的。可以说，没有计算机就

27、没有现代社会的信息化，没有计算机及其与通信、网络的综合利用，就没有日益发展的信息化社会。1.3.1 数据与信息1. 数据所谓数据(Data)，是指存储在某种媒体上可以加以鉴别的符号资料。数据的概念包括两个方面：一方面数据内容是事物特性的反映或描述；另一方面数据是存储在某一媒体上的符号的集合。数据是描述、记录现实世界客观实体的本质、特征以及运动规律的基本量化单元，由于描述事物特性必须借助一定的符号，也就是数据形式，可以是多种形式。特别是在数据处理领域中的数据的概念与在科学计算领域相比已大大拓宽。所谓“符号”不仅仅指数字、文字、字母和其他特殊字符，而且还包括图形、图像、动画、影像、声音等多媒体符号

28、。2. 信息所谓信息，是人们在从事工业、农业、军事、商业、管理、文化教育、医学卫生、科学研究等活动中涉及的数字、符号、文字、语言、图形、图像等的总称。从不同的角度和不同的层次，信息的概念可以有许多不同的理解。现代“信息”的概念，已经与微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术、多媒体技术、信息服务业、信息产业、信息经济、信息化社会、信息管理、信息论等含义紧密地联系在一起。3. 数据和信息的关系数据与信息是信息技术中常用的两个术语，它们常常被混淆，但是它们之间还是有差别的。信息是有用的、经过加工的数据。数据是描述客观事实、概念的一组文字、数字或符号等，它是信息的素材，是信息的载体和表达形式。信息

29、是从数据中加工、提炼出来的，用于帮助人们正确决策的有用数据，它的表达形式是数据。根据不同的目的，可以从原始数据中得到不同的信息。虽然信息都是从数据中提取，但并非一切数据都能产生信息。可以认为，数据是处理过程的输入，而信息是输出。1.3.2 信息技术概述1. 信息技术的概念随着信息技术(Information Technology，IT)的发展，其内涵也在不断变化，因此至今也没有统一的定义。一般来说，凡是涉及信息的产生、获取、检测、识别、变换、传递、处理、存储、显示、控制、利用和反馈过程中的每一种技术都是信息技术，这是一种狭义的定义。联合国教科文组织对信息技术的定义是：应用在信息加工和信息处理中

30、的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方面的技巧和应用；计算机及其与人机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化等诸多事物。在这个目前世界范围内较为统一的定义中，信息技术一般是指一系列与计算机等相关的技术。该定义侧重于信息技术的应用，对信息技术可能对社会、科技、人们的日常生活产生的影响及其相互作用进行了广泛的研究。2. 现代信息技术的内容信息技术包含三个层次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备及系统的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技

31、术是它的核心和支撑。信息应用技术是针对某种实用目的而发展起来的具体的技术群类，它是信息技术开发的根本目的所在。3. 现代信息技术的发展趋势展望未来，在社会生产力发展、人类认识和实践活动的推动下，信息技术将朝着数字化、网络化、高速度、宽频带、智能化、多媒体化等方向更深、更快、更广的发展。1.3.3 计算机与信息处理1. 计算机在信息处理中的作用计算机快速、高效、记忆和自动化处理的特点，为信息的处理带来了极大的方便，计算机在信息处理中的主要作用是：(1) 极高的运算速度，可高效率高质量地完成数据加工处理的任务。(2) “海量”的存储设备便于信息的长期保存和反复使用。(3) 全新的多媒体技术使计算机

32、渗透到社会的各个领域，多媒体技术使人与计算机之间建立起更为默契、更加融洽的新型关系。(4) 四通八达的计算机网络使得信息的交流与共享、信息的传递与汇集成为现实。(5) 智能化的决策支持系统应用于管理信息，为决策科学化的实现提供了可能。总之，计算机在信息处理中的作用正随着信息化社会的到来而显示出它的威力，它也日益成为人们生产和生活中离不开的工具和“伙伴”。2. 信息高速公路自1993年美国提出建立“国家信息基础设施(National Information Infrastructure，简称NII)”计划以来，“信息高速公路”这个时髦的名词已为大家所熟悉，在全球范围内掀起了一个建设信息高速公路的

33、热潮。我国也从1994年开始实施规模空前的Internet通信网的建设。信息高速公路的建成，社会的信息流量大大增加，将加快整个社会经济发展的速度，综合国力的增强。1.4 计算机系统的组成及基本工作原理一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的(下图)。计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成，它们都是看得见摸得着的，通常称为硬件，它是计算机系统的物质基础。计算机软件系统是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和，它是在硬件系统的基础上，为有效地使用计算机而配置的，因此，软件系统可称为计算机系统的灵魂。

34、下面是冯诺伊曼结构计算机的硬件系统组成。计算机系统硬件系统软件系统应用软件文字处理软件表格处理软件图形软件辅助设计软件各种程序包系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序外部设备输入设备(键盘、鼠标、扫描仪)输出设备(显示器、打印机、绘图仪)外存储器(硬盘、软盘、光盘)主机内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)中央处理器(CPU)运算器控制器 计算机系统层次结构计算机系统计算机系统硬件系统软件系统应用软件文字处理软件表格处理软件图形软件辅助设计软件各种程序包系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序外部设备输入设备(键盘、鼠标、扫描仪)输出设备(显示器、打印机

35、、绘图仪)外存储器(硬盘、软盘、光盘)主机内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)中央处理器(CPU)运算器控制器计算机系统硬件系统软件系统应用软件文字处理软件表格处理软件图形软件辅助设计软件各种程序包系统软件操作系统语言处理系统数据库管理系统系统服务程序外部设备输入设备(键盘、鼠标、扫描仪)输出设备(显示器、打印机、绘图仪)外存储器(硬盘、软盘、光盘)主机内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)中央处理器(CPU)运算器控制器1.4.1 计算机硬件系统的组成冯诺伊曼的计算机系统硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分构成(如下图)。1. 运算器运算器是完成二进

36、制编码的算术或逻辑运算的部件，运算器由累加器、通用寄存器和算术逻辑单元(ALUArithmetic Logic Unit)组成，其核心是算术逻辑单元。运算器一次运算二进制数的位数，称为字长，它是计算机的重要性能指标，常用的计算机字长有8位、16位、32位及64位。 2. 存储器存储器的主要功能是存放程序和数据。不管是程序还是数据，在存储器中都是以二进制形式表示。目前，计算机采用半导体器件来存储信息，电子计算机的最小信息单位称为位(Bit)，即一个二进制代码。通常，CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存取单个的“位”，而是用字节(Byte)和字(Word)等较大的信息单位来工作。一个字节

37、由8位二进制位组成，而一个字则至少由一个以上的字节组成。在存储器中把保存一个字节的8位触发器称为一个存储单元，存储器是由许多存储单元组成的，每个存储单元对应一个编号，用二进制编码表示，称为存储单元地址。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，一般计算机的主存储器的存储量可达几百KB(1KB=210Byte=1024Byte=10248bit)，甚至MB(1MB=210KB=1024KB)。存储容量越大，表示计算机储存的信息就越多。半导体存储器的存储容量有限，计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。3. 控制器控制器

38、是全机的指挥中心，它控制各部件的动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行，控制器工作的实质就是解释程序。控制器每次从存储器读取一条指令，经过分析译码，产生一串操作命令，发向各个部件，各个部件按指令进行相应的操作。接着从存储器取出下一条指令，再执行这条指令，依次类推。在计算机术语中，通常把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU，衡量CPU的主要性能指标是主频，主频也称为时钟频率，它是指CPU在单位时间内发出的脉冲数，时钟频率越高，计算机的运行速度越快。通常将CPU和存储器等设备合在一起称为主机。4. 输入输出设备输入设备是将人类或其他设备能识别的信息形式转换成计算机能识别的信息形式的部件

39、，目前常用的输入设备是键盘、鼠标、麦克风、扫描仪、手写板、数码相机、摄像头等。输出设备是将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能识别的信息形式(如字符、文字、图形、图像、声音等)的部件，除显示器外，常用的输出设备还有音箱、打印机、绘图仪等。计算机的输入/输出设备通常为外围设备，这些外围设备种类繁多速度各异，因而它们不能直接地同高速工作的主机相连接，而是通过适配器部件与主机联系。适配器的作用相当于一个转换器，它可以保证外围设备按计算机系统所要求的形式发送或接收信息，使主机和外围设备并行协调地工作，例如我们常用的显卡、网卡都是相应设备的适配器。1.4.2 指令和指令系统1. 指令指令是指

40、能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。一条指令通常由两个部分组成：操作码和操作数，其中操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。2. 指令系统指令系统是处理器所能执行的指令的集合，它与处理器有着密切的关系，不同的处理器有不同的指令系统。但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令：(1) 数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传送；(2) 数据处理指令：数据进行算术、逻辑或关系运算；(3) 程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序，如条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、停机等；(4) 输入/输出指令：用来实现外部设备与主

41、机之间的数据传输；(5) 其他指令：对计算机的硬件进行管理等。1.4.3 计算机系统的基本工作原理计算机的工作过程就是执行程序的过程，怎样组织程序，这涉及计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。1. 冯诺依曼的“程序存储”设计思想 冯诺依曼在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以简要地概括为以下三点：(1) 计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备等基本部件。 (2) 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。(3) 将编写好的程序送人内存储器

42、中，然后启动计算机工作，计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。 冯诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对“程序存储”概念的具体化。2. 计算机的工作过程了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程就变得十分容易。如果想让计算机工作，就得先把程序编写出来，然后通过输入设备送到存储器中保存起来，即程序存储。接着就是执行程序的问题了。根据冯诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令：(1) 取出指令：从存储器中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；(2) 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码

43、器，译出该指令对应的操作；(3) 执行指令：根据指令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；(4) 一条指令指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到(1)。为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。1.5 进位计数制及其相互转换对于进位计数制，人们最熟悉的是十进制(Decimal)，而计算机在进行数据的加工处理时，使用的却是二进制计数制，简称二进制(Binary)。这主要是因为电子元件一般具有两个稳定状态，用二进制数中的“0”和“1”来模拟这两个状态，使二进制数在电子元件中容易实现，再者，二进制规则简单，容易运算。另外，为理解和书写方便，人们还常常

44、使用八进制数(Octonary)和十六进制数(Hexadecimal)，但在计算机内部存储和加工时它们最终都要转化为二进制。1.5.1 进位计数制 进位计数制都有两个共同点，即按基数来进位、借位，用位权值来计数。1. 基数所谓基数(Radix)是指表示一个进位计数制所需不同数符的个数。不同的进位计数制它们的基数是不同的，也就是说以基数来区分不同的进位制的，若以R代表基数，则：R10 为十进制，可使用0，1，2，9共10个数符；R2 为二进制，可使用0，1共2个数符；R8 为八进制，可使用0，1，2，7共8个数符；R16 为十六进制，可使用0，1，2，9，A，B，C，D，E，F共16个数符。所谓

45、按基数进位、借位，就是在执行加法或减法时，要遵守“逢R进一，借一当R”的规则，如十进制数特点为“逢十进一，借一当十”；二进制数的规则为“逢二进一，借一当二”。为了区别各种进制，可在数的右下角注明进制，或者在数的后面加一个大写字母表示该数的进制，B表示二进制，O表示八进制，D或不带字母表示十进制，H表示十六进制。例如：(1101.011)2或者1101.011B表示1101.011为二进制数，100、(100)10或者100D表示100为十进制数，17O表示17为八进制数，12H表示12为十六进制数。2. 位权值任何一种进位计数制中，一个数的每一个固定位置对应的单位值称为“位权值”(Positi

46、on Weight Value)，简称“权”，各位数字所表示的值的大小不仅与该位数字本身有关，而且还与它所处的位置有关。例如在十进制数88，十位上的8表示8个10，个位上的8表示8个1。十进制数中，个、十、百、千各位的权，依次为100，101，102，103，小数点后从左往右的权分别为10-1，10-2等。使用位权值计数的原则是每个数位的数字所表示的值是这个数字与它相应的权的乘积。对于任意一个十进制数，可表示成按权展开的多项式。例如，十进制数1998.78可表示为：1998.78 = 1103 + 9102 + 9 101 + 8100 + 710-1 + 8 10-2一般地，对于一个任意R进

47、制数an an-1 an-2 a0.a-1 a-m，可表示：an Rn +an-1 Rn-1 +an-2Rn-2 +a0R0+ a-1 R-1 + + a-mR-m其中R为基数，整数为n+1位，小数为m位。1.5.2 不同进位计数制间的相互转换计算机中不同进位计数制之间的转换是指十进制、二进制、八进制、十六进制之间的相互转换。1. 二、八、十六进制转换为十进制把任意一个二进制、八进制或十六进制数转换成十进制数，只需将R进制数按权展开求和即可，称为“乘权求和”法。例如：把(1101.011)2转换成十进制数。解：根据“乘权求和”法可得：(1101.011)2=123+122+021+120+02

48、-1+12-2+12-3=13.357又如：把(A05.C)16转换成十进制数。解：根据“乘权求和”法可得：(A05.C)16=10162+0161+5160+1216-1=2560+5+0.75=2565.752. 十进制转换为二、八、十六进制十进制数转换为R进制数。分整数转换与小数转换两种情形：(1) 整数：十进制整数N，已被表示成一个R进制整数anan-1an-2a0，那么N可按R进制数的权展开如下：N=anRn+an-1Rn-1+an-2Rn-2+a0R0由于展开式的前n项均为R的整数倍，因此a0即为N除以R所得的余数。也就是说，N/R的商为anRn-1+an-1Rn-2+an-2Rn

49、-3+a1R0，余数为a0。同样，上述商anRn-1+an-1Rn-2+an-2Rn-3+a1R0，再除以R，所得的余数是a1。依此类推，一直除下去，直到商为为止，这时的余数就是an。用这样的办法可以依次得到所求R进制数的各位上的数字a0，a1，an。2 11 余12 5 余1 2 2 余0 2 1 余1 0 十进制整数转换成二进制整数因而，将一个十进制整数转换为R进制数的转换规则为：除以R取余数，直到商为0时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。我们把这个方法称为“除R取余”法。例如: 把11转换成二进制数。解：用“除2取余”法，我们把转换过程写成如右图所示格式，这里，我们把11除以2

50、的商写在11的下面，余数1写在11的右面，然后对所得的商5继续用2来除，直到商为0。上述余数依次为1，1，0，1，于是得： 0.375 2 0.75 整数部分 0 2 1.5 整数部分 1 2 1.0 整数部分 1 十进制小数转换成二进制小数8 744 余08 93 余5 8 11 余3 8 1 余1 0 图1-9 十进制整数转换成八进制整数(11)10=(1011)2再如: 把744转换成八进制数。解：用“除8取余”法，我们把转换过程写成如上图（左）所示格式，可得: (744)10=(1350)8(2) 十进制小数转换为R进制小数。十进制小数转换为R进制小数，由R进制小数按位展开公式的以下变

51、形式0a-1a-m(R)=a-1R-1+a-2R-2+a-mR-m=(a-1+(a-2+(+a-m1/R)1/R)1/R乘R，得整数部分为a-1，小数部分为(a-2+(+a-m1/R)1/R；小数部分再乘R，得整数部分为a-2，小数部分为(+a-m1/R)；依此类推，直至小数部分为0或转换到指定的m位小数(转换过程中小数部分可能不出现0，即小数转换可能有无限位，此时转换到指定的m位即可)，此时整数部分为a-m。因而，一个十进制纯小数转换成R进制纯小数，采用“乘R取整”法，其方法如下：先用R乘这个十进制纯小数，然后取出乘积的整数部分；用R乘剩下的小数部分，然后再取出乘积中的整数部分，如此下去，直

52、到乘积的小数部分为或者已得到所要求的精确度为止。把上面每次乘积的整数部分依次排列起来，先取出的整数为高位，后取出的整数为低位，就是所要求的R进制小数。再如: 把(0.375)10转换成二进制数。解：用“乘2取整”法，我们把转换过程写成如上图（右）所示格式，可得:(0.375)10=(0.011)2要注意，一个有限的十进制小数并非一定能够转换成一个有限的二进制小数，即上述过程中乘积的小数部分可能永远不等于，这时，我们可按要求进行到某一精确度为止。由此可见，计算机中由于机器字长的限制，可能会截去部分有用小数位而产生截断误差。如果一个十进制数既有整数部分，又有小数部分，则可将整数部分和小数部分分别进

53、行转换，然后再把两部分结果合并起来。3. 二进制与八、十六进制间的转换(1) 八、十六进制转换为二进制由于八进制数的基数是二进制数的基数的次幂，即23，所以一位八进制数相当于三位二进制数。这样使得八进制数与二进制数的相互转换十分方便。八进制数转换成二进制数时，只要将八进制数的每一位改成等值(表1-2)的三位二进制数，即“一位变三位”，转换后，如果首位有“0”，需去掉首位的“0”。例如: 把(1234.567)8转换成二进制数解：用“一位变三位”的方法，因为 1 2 3 4 5 6 7 001 010 011 100 101 110 111所以 (1234.567)8 =(.)2。十六进制数的基

54、数为16，由于24=16， 一位十六进制数相当于四位二进制数，所以不难得出十六进制数与二进制数之间相互转换的方法。十六进制数转换成二进制数时，只要将十六进制数的每一位改成等值(表1-3)的四位二进制数，既“一位变四位”，转换后，如果首位有“0”，需去掉首位的“0”。又如: 把(B3CD.8FA)16转换成二进制数。 B 3 C D 8 F A1011 0011 1100 1101 1000 1111 1010解：可用“一位变四位”的方法，因为所以 (B3CD.8FA)16=(01101.)2转换后，如果首位有“0”，需去掉首位的“0”。 (2) 二进制转换为八进制与十六进制 二进制转换为八进制

55、数的转换规则：以小数点为中心，分别向左、向右每三位分成一组，首尾组不足三位时首尾用“0”补足，将每组二进制数转换成一位八进制数，即“三位变一位”。例如：把(.)2转换成八进制数。解：用“三位变一位”的方法可得：(001 101 101 110.110 101)2=(1556.65)8 二进制转换为十六进制数的转换规则： 以小数点为中心，分别向左、向右每四位分成一组，首尾组不足四位时首尾用“0 ”补足，将每组二进制数转换成一位十六进制数，即“四位变一位”。又如：(.)2转换成十六进制数。解：用“四位变一位”的方法可得：(0010 1101 0101.1111 0100)2=(2D5.F4)161.6 数据在计算机中的表示计算机中可直接表示和使用的数据分