2014计算机科学导论2计算机的组成1

计算机的组成教学内容计算机的计算模型计算机中信息的表示计算机硬件系统的组成超越冯•诺依曼结构计算机的计算模型计算的概念计算模型图灵机冯•诺依曼结构计算机计算机系统组成计算的概念计算计算模型计算模型是刻画计算这一概念的一种抽象形式系统或数学系统。20世纪30年代是计算模型研究取得突破性进展的时期。哥德尔、丘奇(A.Church)、图灵(A.M.Turing)、波斯特(E.L.Post)等人在研究中陆续提出了一批计算模型，如递归函数、λ演算、图灵机、波斯特系统等。图灵机图灵生平图灵奖冯•诺依曼结构计算机冯·诺依曼计算机系统组成硬件和软件的关系计算机系统及用户教学内容计算机的计算模型计算机中信息的表示计算机硬件系统的组成超越冯•诺依曼结构计算机中信息的表示进位计数制数制间的相互转换数据在计算机中表示数值字符（西文字符、中文字符）声音、图像数制计算机中常用的数制几种进位计数制的对应关系十进制数与r进制数间的转换二进制、八进制、十六进制十进制十进制二进制、八进制、十六进制二进制、八进制、十六进制之间的转换计算机为什么采用二进制数据的类型数据是指存储在某一媒体上可加以鉴别的符号资料。数据以不同的形式出现：数字、文本、图像、音频、视频等等。不同程序使用计算机的目的文字处理程序：处理文本调整对齐、移动、删除等工程程序：处理数字进行算术运算、解代数或三角方程、找出微分方程的根等图像处理程序：处理图像创建、缩小、放大、旋转图像等音乐程序：处理音频数据播放音乐，输入声音，处理声音视频程序：处理视频数据播放电影，创建特效计算机内部的数据问题：怎样处理所有的数据类型？是否用不同的计算机处理不同类型的数据？既不经济也不切合实际。最有效的办法是采用统一的数据表示法。所有计算机外的数据类型都采用统一的数据表示法，经过转换后存入计算机，当数据从计算机输出时再还原回来。这种通用的模式称为位模式。位（bit）binarydigit的缩写。计算机存储数据、表示数据的最小单位；一个二进制位只能表示两种状态，即不是0就是1。电子开关能表示位。或者说，开关能存储一个位的信息。位模式问题：单个的位能否解决数据表示问题？位模式：它是一个序列，是0和1的组合。字节（byte）数据处理的基本单位；一个字节等于八个二进制位，即1Byte=8bit计算机存储容量的大小是以字节为单位度量的。

1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=220B1GB=1024B=230B 1TB=1024GB=240B字（Word）CPU通过数据总线一次存取、加工和传送的字节数。不同的计算机，字长是不同的，常用的字长有8位、16位、32位和64位等，也就是经常说的8位机、16位机、32位机或64位机。表示数据问题：在一种语言中，位模式需要多少位来表示一个符号？取决于该语言集中到底有多少不同的符号。

如：要创建某种语言，它仅仅使用大写的英文字母，则只需要26个符号。相应的这种语言的位模式则至少需要表示26个符号。位模式与符号的数量之间并不是线性关系，而是对数关系。

如果需要2个符号，位模式长度是1位(log22=1)如果需要4个符号，位模式长度是2位(log24=2)符号数量和位模式长度的关系符号的数量位模式的长度214283164……12872568……6553616数据在计算机中的表示计算机采用二进制表示各种数据，所有进入计算机的数据，必须都转换成二进制的编码，同样，从计算机输出的数据则进行逆向的转换。数据在计算机中的表示数值

用来进行算术运算的数据，分为整数和浮点数，又有正、负数之分，因此符号、小数点也必须用编码表示。字符

不做算术运算的数据，包括西文字符（英文字母、数字、各种西文符号）、中文字符（包括汉字、各种中文字符）和其它用户自定义的字符。字符串则由一连串字符所组成。图形、图像、音频、视频等多媒体信息也要转换成计算机能识别和理解的以0和1表示的二进制编码。数值二-十进制编码字符编码——ASCII码ASCII码表(7位)d6d5d4d3d2d1d00000010100111001011101110000NULDLESP0@P、p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB'7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRCS-=M]m}1110SORS.>N↑n~1111SIUS/?O↓oDEL（0～32，127）共34个字符称为非图形字符，又称为控制字符。其余94个字符称为图形字符，也称为普通字符。ASCII码的字符集计算机内部的存储与操作以字节为基本单位，因此一个字符在计算机中实际上是以8位表示的，一般设最高位为0。在内存中的一个字节，当其内容为65时，那么它究竟表示数值65，还是表示字母A呢？面对内存，确实无法区分，因为内存只是存储数据而已。但程序在存储和使用这个数据时，会以某种方式来指明它是何种类型的数据，从而可以正确地使用内存的数据。字符编码——汉字编码汉字输入码全角／半角切换按钮“软键盘”按钮中英文切换按钮中英文标点符号切换按钮汉字交换码国标码区位码位号区号0102039293940102161794啊阿秉饼炳非汉字符号十进制数十进制数在16区的1位，汉字“啊”的区位码为1601汉字机内码再例：“中国”的汉字机内码汉字字形码第1第2字节:1FH、7FH(0001,1111，0111,1111)第3第4字节：09、02第5第6字节：09、02第7第8字节：0A、3A…第31第32字节：08、06这是一个64*64点阵的汉字字模码，请大家算一算，共占多少字节？000700E007000C00其中的第32行用字节保存后如上所示多媒体信息表示媒体在计算机信息领域中泛指一切信息载体。一种指信息的存储实体，如磁带、磁盘、光盘等；一种指信息的表现形式，或多种信息的载体（媒介），数字、文本、图形图像、音频、视频五类；多媒体是融合两种或者两种以上媒体的一种人-机交互式信息交流和传播媒体，使用的媒体包括数字、文本、图形图像、音频、视频。

媒体分类按照国际电联（ITU）的定义，媒体有五类感觉媒体：图形、图像、语言、音乐等。表示媒体：图像编码、声音编码、电报码、条形码等。显示媒体：显示器、打印机、鼠标、摄像机等。存储媒体：软盘、硬盘、光盘。传输媒体：同轴电缆、光纤、无线链路等。多媒体的关键特性多样性交互性集成性数字化实时性声音信息的数字化声音的数/模转换采样量化采样频率f：每秒钟的采样次数；采样点精度：存放采样点振幅值A的二进制位数；声道数：声音通道的个数，立体声为双声道。每秒钟存储声音容量的公式为：采样频率×采样精度（位数）×声道数/8=字节数音频文件格式Wave格式文件.WAV：记录了真实声音的二进制采样数据，通常文件较大。MIDI格式文件.MID：数字音乐的国际标准.记录的是音符数字，文件小。AIF格式文件.AIF：苹果公司开发。MPEG音频文件（.MP1/.MP2/.MP3/.MP4）:采用MPEG音频压缩标准进行压缩的文件。VOICE文件.voc：Creative公司开发。图像信息的数字化数字化的图像可以分为两类：位图图像：是由许多小方格样的不同色块组成的图像，其中每一个小色块称为像素。可以精确纪录色调丰富的图像。矢量图形：是以数学描述的方式来纪录图像内容。以线条和色块为主，所占的文件容量较小，进行缩放操作时不会失真。点阵图(位图)矢量图图像分辨率：行的像素点个数*列的像素点个数颜色深度：数字图像中表示每个像素的颜色所使用的二进制位数（真彩色每个像素点占3个字节，224=16777216种颜色）计算存储一幅图像所需的字节数：

列数×行数×像素的颜色深度/8

假定画面上有500*300个像素点，每个点占用24个bit(3个字节)来表示所有可能的颜色，则这幅图象要占用450000个字节。图像文件格式GIF格式文件Internet上WWW中的重要文件格式之一，最大不超过64KB，只能是256色，压缩率比较高。BMP格式文件位图格式文件，Windows环境中经常使用。JPEG格式文件（.JPG）

利用JPEG方法压缩,Internet上WWW中的重要文件格式之一,适用于处理256色以上、大幅面图像。WMF格式文件位图与矢量图的混合体,Windows中许多剪贴画图像是以该格式存储的。广泛应用于桌面出版印刷领域。视频信息的数字化动画和视频（图形和图像的动态形式）动态的画面由一系列的静态画面按一定的顺序排列组成，并配以同步的声音。一幅静态的画面称为一“帧”。当以每秒25帧以上的速度播放时，由于视觉的暂留现象产生动态效果。动画：每一幅画面通过软件对图形素材进行编辑制作而成。视频：将视频信号源(电视机、摄像机等)采样和数字化后保存动画是用人工合成的方法对真实世界的模拟；而视频影像则是对真实世界的记录。视频信息大小的计算信息量/秒=像素点个数*像素点深度*帧数/秒例：分辨率为1280×1024的“真彩色”高质量的电视图像，按每秒30帧计算，显示1分钟，则需要：

1280×1024×3×30（帧/秒）×60秒≈6.6GB因此，必须进行图像压缩。视频文件格式.avi格式：MS公司，被多种操作系统支持。必须用相应的解压缩算法才能播放。.mov：苹果公司，用Quicktime播放。.mpg：用MPEG标准压缩，压缩比大。.dat：在MPG文件头部加上运行参数形成的变体。.ra/.rm/.ram：RealNetworks公司，流式音频和视频文件格式数据压缩技术数据压缩就是在无失真或允许一定失真的情况下，以尽可能少的数据表示信源所发出的信号。通过对数据的压缩减少数据占用的存储空间，从而减少传输数据所需的时间。数据压缩可分成两种类型，一种叫做无损压缩，另一种叫做有损压缩。无损压缩无损压缩是指使用压缩后的数据进行重构（或者叫做还原，解压缩），重构后的数据与原来的数据完全相同。无损压缩用于要求重构的信号与原始信号完全一致的场合。一个很常见的例子是磁盘文件的压缩。根据目前的技术水平，无损压缩算法一般可以把普通文件的数据压缩到原来的1/2～1/4。一些常用的无损压缩算法有霍夫曼(Huffman)算法和LZW(Lenpel-Ziv&Welch)压缩算法、算术编码、RLE(runlengthencoding)编码（行程编码）。有损压缩有损压缩是指使用压缩后的数据进行重构，重构后的数据与原来的数据有所不同，但不影响人对原始资料表达的信息造成误解。有损压缩适用于重构信号不一定非要和原始信号完全相同的场合。例如，图像和声音的压缩就可以采用有损压缩，因为其中包含的数据往往多于我们的视觉系统和听觉系统所能接收的信息，丢掉一些数据而不至于对声音或者图像所表达的意思产生误解，但可大大提高压缩比