信息處理技術(shù)員教程

信息處理技術(shù)員/jiaocheng/zg13.html信息處理技術(shù)員教程第

1

章

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)

計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)知識(shí)歷來(lái)都是信息處理技術(shù)員考試的一個(gè)重點(diǎn)。從歷年考題分?jǐn)?shù)的分布來(lái)看，每年的分值都在10分左右。主要涉及到數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)運(yùn)算、主板的結(jié)構(gòu)、CPU的組成、存儲(chǔ)器以及常用I/O設(shè)備等。本章在考綱中涉及到的考點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)運(yùn)算。掌握各種進(jìn)制之間互相轉(zhuǎn)換，掌握常用的邏輯運(yùn)算，掌握補(bǔ)碼表示法進(jìn)行加減運(yùn)算。

（2）數(shù)據(jù)表示。掌握帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)的原碼、反碼及補(bǔ)碼表示法，理解浮點(diǎn)數(shù)的表示方法，理解常用的二/十進(jìn)制編碼，理解ASCII碼表示原理，掌握漢字編碼原理。

（3）主板的結(jié)構(gòu)。了解主板上的主要電子組件、插座和接口的名稱、類型、位置和基本特性。

（4）CPU的組成。了解馮．諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，掌握CPU的基本構(gòu)成及各部分的功能，理解指令在CPU中的執(zhí)行過(guò)程。

（5）存儲(chǔ)器。了解存儲(chǔ)器的分類方法，理解"Cache-主存-輔存"三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的原理，了解主存儲(chǔ)器基本構(gòu)成，掌握存儲(chǔ)器主要指標(biāo)的計(jì)算，了解常用RAID系統(tǒng)的功能。

（6）常用I/O設(shè)備。了解常用的I/O設(shè)備分類，重點(diǎn)掌握顯示器、打印機(jī)、硬盤、鼠標(biāo)的原理、構(gòu)成、分類、性能標(biāo)準(zhǔn)等。1.1

\o"計(jì)算機(jī)概述"計(jì)算機(jī)概述計(jì)算機(jī)是一種能自動(dòng)、高速、正確地完成數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和實(shí)施控制等功能的電子設(shè)備。它能接收輸入的數(shù)字信息，按照內(nèi)部存儲(chǔ)的指令序列去處理，并將產(chǎn)生的結(jié)果輸出。1946年2月，世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC誕生在美國(guó)，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、外形結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域等都發(fā)生了極大的變化。計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類最重要的科學(xué)技術(shù)發(fā)明之一，它的誕生、發(fā)展和應(yīng)用徹底改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活方式。1.1.1

\o"計(jì)算機(jī)的組成部件"計(jì)算機(jī)的組成部件

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1-1所示。圖1-1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成

1.馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

60多年來(lái)，盡管計(jì)算機(jī)性能發(fā)生了翻天覆地的變化，但是其基本體系結(jié)構(gòu)和工作原理并沒(méi)有太大的改變，仍然遵循馮·諾依曼1946年6月在《關(guān)于電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》報(bào)告中提出的設(shè)計(jì)思路。主要內(nèi)容如下。

（1）計(jì)算機(jī)（指硬件）由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成。

（2）計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示程序和數(shù)據(jù)。

（3）將編寫好的程序和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存入存儲(chǔ)器中，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，使計(jì)算機(jī)在不需要人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)、高速地從存儲(chǔ)器中提取指令并執(zhí)行，這就是存儲(chǔ)程序的原理。

按照上述思路設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)稱為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，也暴露出這種計(jì)算機(jī)的一些缺點(diǎn)，目前已出現(xiàn)了一些突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，統(tǒng)稱為非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，如數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、需求驅(qū)動(dòng)的歸約計(jì)算機(jī)和模式匹配驅(qū)動(dòng)的智能計(jì)算機(jī)等。

2.計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

組成計(jì)算機(jī)的基本部件有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，它們通過(guò)總線互聯(lián)，就構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，如圖1-2所示。圖1-2

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

中央處理器（CPU）是運(yùn)算器和控制器的合稱，它是硬件系統(tǒng)的核心。存儲(chǔ)器包括主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。其中，主存儲(chǔ)器與CPU稱為主機(jī)，輔助存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備稱為外部設(shè)備。外部設(shè)備種類繁多，它們通過(guò)適配器（轉(zhuǎn)換器）與主機(jī)相連接。

（1）CPU（中央處理器）。主要工作是執(zhí)行指令，按照指令的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，這部分工作由運(yùn)算器和控制器分工合作完成。

運(yùn)算器由算術(shù)邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成。其中ALU是主要部件，它的核心是加法器，任何運(yùn)算都可以轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，寄存器組保存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)及結(jié)果。

控制器負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生一系列控制信號(hào)，指揮和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有序工作。它一般包括下述部件。

①指令寄存器IR.存放正在執(zhí)行的指令，以便在整個(gè)指令執(zhí)行過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)一條指令的全部功能控制。

②指令譯碼器ID.又稱操作碼譯碼器，它對(duì)指令寄存器IR中的指令進(jìn)行分析，確定指令類型、指令所要完成的操作以及尋址方式等，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)提供給微操作信號(hào)發(fā)生器。

③程序計(jì)數(shù)器PC.又稱指令計(jì)數(shù)器或指令指針（IP），在某些類型的計(jì)算機(jī)中用來(lái)存放正在執(zhí)行的指令地址。在大多數(shù)機(jī)器中則存放將要執(zhí)行的下一條指令的地址。

④微操作信號(hào)發(fā)生器。它根據(jù)指令譯碼器ID產(chǎn)生的操作信號(hào)、時(shí)序電路產(chǎn)生的時(shí)序信號(hào)，以及各個(gè)功能部件反饋的狀態(tài)信號(hào)等，產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的全部微操作控制信號(hào)，形成特定的微操作序列，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的執(zhí)行控制。

（2）主存儲(chǔ)器。簡(jiǎn)稱主存，用于存放當(dāng)前執(zhí)行的程序和需要使用的數(shù)據(jù)，存取速度快，CPU可直接訪問(wèn)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，主要包括下述基本部件。圖1-3

主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖

①存儲(chǔ)體。是指存放信息的實(shí)體，由若干存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制數(shù)。存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為存儲(chǔ)地址，簡(jiǎn)稱地址。

②地址寄存器。接收并保存CPU發(fā)送的內(nèi)存地址。

③地址譯碼器。將地址寄存器中的地址轉(zhuǎn)換為使對(duì)應(yīng)單元被選中的信號(hào)。

④數(shù)據(jù)緩沖寄存器。位于CPU和存儲(chǔ)器之間，暫存存儲(chǔ)器中準(zhǔn)備讀寫的數(shù)據(jù)。

⑤讀寫控制電路。接收CPU送來(lái)的讀/寫命令，并把這些命令轉(zhuǎn)換為控制整個(gè)存儲(chǔ)器協(xié)調(diào)工作的時(shí)序信號(hào)。

（3）外存儲(chǔ)器。也稱輔助存儲(chǔ)器，其特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大、成本低，可脫機(jī)保存信息，但CPU不可以直接訪問(wèn)。常見(jiàn)的外存儲(chǔ)器包括軟盤存儲(chǔ)器、硬盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器、移動(dòng)硬盤以及U盤等。

（4）高速緩沖存儲(chǔ)器。簡(jiǎn)稱Cache,它是位于CPU和主存儲(chǔ)器之間，規(guī)模較小但速度很高的存儲(chǔ)器，用于保存主存儲(chǔ)器中一部分內(nèi)容的拷貝。當(dāng)主機(jī)讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，首先訪問(wèn)Cache,只有在Cache中不含所需數(shù)據(jù)時(shí)，CPU才會(huì)訪問(wèn)主存，從而很好地解決了CPU和主存之間的速度匹配問(wèn)題。

（5）外部設(shè)備。也稱外圍設(shè)備，主要包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。常用外部設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀及掃描儀等。

外部設(shè)備與CPU、主存等設(shè)備不同，有其自身特點(diǎn)種類繁多，速度遠(yuǎn)低于CPU,數(shù)據(jù)形式多種多樣，所以不能和主機(jī)直接相連。連接時(shí)除其本身的控制驅(qū)動(dòng)電路外，還需要接口電路（適配器）。

（6）總線。是連接計(jì)算機(jī)中各部件的數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)各部件之間的信息交流，其主要特征是共享傳輸介質(zhì)。如圖1-4所示，總線通常包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，不同總線的根數(shù)各不相同，每根線能夠傳送一位二進(jìn)制數(shù)。圖1-4

總線結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)總線是系統(tǒng)中各模塊傳遞數(shù)據(jù)的通道，典型的數(shù)據(jù)總線包含8、16、32、64根線。線的根數(shù)稱為數(shù)據(jù)總線的寬度，它反映了處理器的數(shù)據(jù)吞吐量。

地址總線用于指明數(shù)據(jù)傳送的源地址和目的地址，其寬度決定了系統(tǒng)能夠擁有的最大主存空間。除了訪問(wèn)主存，地址線一般也訪問(wèn)I/O端口。

控制總線用于控制數(shù)據(jù)傳送的方式、方向以及定時(shí)或應(yīng)答等，其線的數(shù)目取決于總線的類型及具體的機(jī)器配置。

3.計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

包括PC機(jī)運(yùn)行所需要的各種程序、數(shù)據(jù)及其有關(guān)的文檔資料。程序是完成某一任務(wù)的指令或語(yǔ)句的有序集合。數(shù)據(jù)是程序處理的對(duì)象及結(jié)果。文檔是描述程序操作及使用的相關(guān)資料。主要包括下述兩大類。

（1）系統(tǒng)軟件。是使用和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種程序，包括操作系統(tǒng)、各種服務(wù)性程序、語(yǔ)言處理程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。

（2）應(yīng)用軟件。是計(jì)算機(jī)用戶為了解決各種實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題而編制的程序，如：自動(dòng)控制程序、科學(xué)計(jì)算程序和管理信息系統(tǒng)等。1.1.2

\o"計(jì)算機(jī)的應(yīng)用"計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)雖然只有僅僅60多年的歷史，但已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科研、教育、商業(yè)、醫(yī)療及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。其應(yīng)用可簡(jiǎn)要?dú)w納為以下幾個(gè)方面。

（1）科學(xué)計(jì)算。是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早的一個(gè)領(lǐng)域，也是應(yīng)用最廣的一個(gè)領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，問(wèn)題往往極其復(fù)雜，計(jì)算量相當(dāng)龐大，時(shí)間要求又很高。如果沒(méi)有計(jì)算機(jī)的快速和精確計(jì)算能力，解決這些問(wèn)題幾乎不可能。

（2）自動(dòng)控制。主要應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外大約20%的微機(jī)用于該領(lǐng)域。

（3）信息處理。主要指處理大量文字、圖像、聲音等非數(shù)值信息，其處理范圍隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展也逐漸擴(kuò)大。計(jì)算機(jī)在這方面的應(yīng)用，不僅節(jié)省了大量的人力物力，在某些方面還為科學(xué)決策提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

（4）輔助設(shè)計(jì)和輔助制造。簡(jiǎn)稱為CAD/CAM,它是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化或半自動(dòng)化設(shè)計(jì)/制造的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，它可以大大縮短設(shè)計(jì)/制造周期，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，降低生產(chǎn)成本。節(jié)省人力物力，而且對(duì)于保證產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的作用。

（5）輔助教學(xué)和醫(yī)療。計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于教育，被稱為"教育史上的第四次革命".計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）軟件可以把以前學(xué)生難以理解的知識(shí)，通過(guò)圖像、動(dòng)畫(huà)和聲音的配合，給學(xué)生更直觀、更感性的形象，大大提高學(xué)習(xí)效率。網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)不受時(shí)空限制，可以按照自身情況制訂學(xué)習(xí)的計(jì)劃和進(jìn)度，可以實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)。在醫(yī)療衛(wèi)生方面，借助計(jì)算機(jī)的各種醫(yī)療設(shè)備，如CT圖像處理設(shè)備，心、腦電圖分析儀等，為早期疾病診斷提供了強(qiáng)有力的手段。

（6）人工智能。指的是計(jì)算機(jī)具有模仿人的高級(jí)思維活動(dòng)（如感知、思維、推理、學(xué)習(xí)、理解等）的能力，這類計(jì)算機(jī)主要應(yīng)用于專家系統(tǒng)、模式識(shí)別、問(wèn)題求解、定理證明、機(jī)器翻譯及自然語(yǔ)言理解等。

計(jì)算機(jī)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展中的作用已在60多年的歷史中得到了充分的肯定。計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷擴(kuò)展推動(dòng)著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，又大大推動(dòng)著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的迅猛發(fā)展。1.1.3

\o"計(jì)算機(jī)的分類"計(jì)算機(jī)的分類

目前計(jì)算機(jī)種類非常多，按照功能可以分為通用機(jī)和專用機(jī)。按照運(yùn)算速度可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、工作站和微型計(jì)算機(jī)。按照所處理的數(shù)據(jù)類型可分為模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合型計(jì)算機(jī)等。

（1）巨型機(jī)。運(yùn)算速度超過(guò)1億次/秒，存儲(chǔ)容量大，主存容量超過(guò)幾千兆字節(jié)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，研制這類巨型機(jī)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是國(guó)防尖端技術(shù)發(fā)展的需要。

（2）大型機(jī)。運(yùn)算速度一般在100萬(wàn)次/秒至幾千萬(wàn)次/秒，字長(zhǎng)32位~64位，主存容量在幾百兆字節(jié)以上。具有比較完善的指令系統(tǒng)、豐富的外部設(shè)備和功能齊全的軟件系統(tǒng)。其特點(diǎn)是通用性好，有極強(qiáng)的綜合處理能力，主要應(yīng)用于銀行、政府部門和大型制造廠家等。

（3）小型機(jī)。小型機(jī)規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以研制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)工藝，生產(chǎn)量大，硬件成本低。同時(shí)，由于小型機(jī)軟件比大型機(jī)簡(jiǎn)單，所以軟件成本也低。小型機(jī)打開(kāi)了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)的局面，適用于數(shù)據(jù)的采集、整理、分析和計(jì)算等方面。

（4）微型機(jī)。微型機(jī)采用微處理器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口等芯片組裝而成，使得微型機(jī)具有設(shè)計(jì)先進(jìn)、軟件豐富、功能齊全、價(jià)格便宜、可靠性高和使用方便等特點(diǎn)。

（5）工作站。20世紀(jì)80年代興起的面向工程技術(shù)人員的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其性能介于小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)之間。一般具有高分辨率的顯示器、交互式的用戶界面和功能齊全的圖形軟件等。

（6）網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)化了普通個(gè)人計(jì)算機(jī)中支持計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作的外部存儲(chǔ)器等部件，設(shè)計(jì)目標(biāo)是依賴網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供的各種能力支持，以盡可能地降低制造成本。這類計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱為"NC".1.2

\o"數(shù)據(jù)運(yùn)算"數(shù)據(jù)運(yùn)算二進(jìn)制是計(jì)算機(jī)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，任何計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)在機(jī)器內(nèi)部都表示為"0"和"1"組成的二進(jìn)制代碼串，數(shù)據(jù)處理最終都可以轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制基本運(yùn)算。1.2.1

\o"數(shù)制及其轉(zhuǎn)換"數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

1.計(jì)數(shù)進(jìn)位制

因數(shù)符的個(gè)數(shù)有限，為了表示較大的數(shù)，一般采用計(jì)數(shù)進(jìn)位制（簡(jiǎn)稱數(shù)制），當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到當(dāng)前長(zhǎng)度可以表示的最大值后，如果數(shù)據(jù)繼續(xù)增大，那么把當(dāng)前數(shù)據(jù)長(zhǎng)度增加一位，同時(shí)修改每位上的數(shù)值，這樣就可以表示更大的數(shù)。計(jì)數(shù)進(jìn)位制的核心是基數(shù)與權(quán)。

一般而言，在每個(gè)數(shù)字系統(tǒng)中，若采用R個(gè)基本符號(hào)（0,1,2,…，R-1）表示各位上的數(shù)字，則稱其為基R數(shù)制，或稱R進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)。R被稱為該數(shù)字系統(tǒng)的基數(shù)，運(yùn)算時(shí)的原則是"逢R進(jìn)一",對(duì)于每一個(gè)數(shù)位i,其該位上的權(quán)為Ri。

對(duì)于一個(gè)用R進(jìn)制表示的數(shù)，可以按權(quán)展開(kāi)為N：

計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制有二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制，表1-1列出了這四種常用數(shù)制的基本規(guī)則。表1-1

計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制

2.不同計(jì)數(shù)進(jìn)位制之間的轉(zhuǎn)換

（1）R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。任何一個(gè)R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制數(shù)時(shí)，只要"按權(quán)展開(kāi)"即可。例如，把二進(jìn)制數(shù)10101.01轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)：

（10101.01）2

=1×24+0×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2=（21.25）10

（2）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)。任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為R進(jìn)制數(shù)時(shí)，要將整數(shù)和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖1-5

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制

圖1-6

十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制

①整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法是"除基取余，上右下左".用要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制整數(shù)去除以基數(shù)R,將得到的余數(shù)作為結(jié)果數(shù)據(jù)中各位的數(shù)字，直到余數(shù)為0為止。上面的余數(shù)作為右邊的低位數(shù)位，下面的余數(shù)作為左邊的高位數(shù)位。如圖1-5所示，把十進(jìn)制整數(shù)835轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

（835）10=（1101000011）2

②小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換方法是"乘積取整，上左下右".用要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)去乘以基數(shù)R,將乘積的整數(shù)部分作為結(jié)果數(shù)據(jù)中各位的數(shù)字，小數(shù)部分繼續(xù)與基數(shù)R相乘。以此類推，直到某一步乘積的小數(shù)部分為0或者已得到希望的位數(shù)為止。最后，將上面的整數(shù)部分作為左邊的高位數(shù)位，下面的整數(shù)部分作為右邊的高位數(shù)位。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，可能乘積的小數(shù)部分總得不到0,在這種情況下得到的是近似值。如圖1-6所示，把十進(jìn)制小數(shù)0.6875轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

（0.6875）10=（0.1011）2

③含整數(shù)、小數(shù)部分的數(shù)的轉(zhuǎn)換。只要將整數(shù)、小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換后的整數(shù)和小數(shù)部分，然后再把這兩部分組合起來(lái)就得到一個(gè)完整的數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)835.6875轉(zhuǎn)換為二級(jí)制數(shù)為：

（835.6875）10=（1101000011.1011）2

（3）二、八、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。

①二進(jìn)制與八進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換

從小數(shù)點(diǎn)起，把二進(jìn)制數(shù)每三位分成一組，然后寫出每一組的等值八進(jìn)制數(shù)，順序排列起來(lái)就得到所要求的八進(jìn)制數(shù)。同理，將一位八進(jìn)制數(shù)用三位二進(jìn)制數(shù)表示，就可直接將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。例如，把八進(jìn)制數(shù)13.724轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

（13.724）8=（001011.111010100）2=（1011.1110101）2

②二進(jìn)制與十六進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換

從小數(shù)點(diǎn)起，把二進(jìn)制數(shù)每四位分成一組，然后寫出每一組的等值十六進(jìn)制數(shù)，順序排列起來(lái)就得到所要求的十六進(jìn)制數(shù)。同理，將一位十六進(jìn)制數(shù)用四位二進(jìn)制數(shù)表示，就可直接將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。例如，把十六進(jìn)制數(shù)2B.5E轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

（2B.5E）16=（00101011.01011110）2=（101011.0101111）2

③八進(jìn)制與十六進(jìn)制相互轉(zhuǎn)換。通常采用二進(jìn)制作為中間媒介，即先把八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后再把二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制。把十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制與此相似。1.2.2

\o"數(shù)據(jù)的表示"數(shù)據(jù)的表示

在計(jì)算機(jī)中表示實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一是數(shù)值的正負(fù)，二是小數(shù)點(diǎn)位置。一般用最高位標(biāo)識(shí)數(shù)的正負(fù)，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，該位稱為符號(hào)位，這種形式表示的數(shù)通常稱為機(jī)器數(shù)。對(duì)于小數(shù)點(diǎn)問(wèn)題，可分為小數(shù)點(diǎn)位置固定（定點(diǎn)數(shù)）、位置不固定（浮點(diǎn)數(shù)）兩種情況，分別予以處理。

1.常用碼制

（1）原碼。最高位是符號(hào)位，0代表正，1代表負(fù)，其余各位是數(shù)的絕對(duì)值的二進(jìn)制代碼。通常用[X]原表示數(shù)X的原碼。例如，設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為8位，則有下列結(jié)果。

[+1]原=00000001[-1]原=10000001

[+0]原=00000000[-0]原=10000000

按照原碼編碼規(guī)則，零有兩種表示形式。

原碼表示方法簡(jiǎn)明易懂，與其真值轉(zhuǎn)換方便，比較容易進(jìn)行乘除運(yùn)算，但是在進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí)，原碼運(yùn)算不方便，主要源于符號(hào)位不能參加運(yùn)算，需要增加很多判斷條件。

（2）反碼。最高位是符號(hào)位，對(duì)正數(shù)而言，最高位為0,其余各位是數(shù)的絕對(duì)值二進(jìn)制代碼；對(duì)負(fù)數(shù)而言，最高位為1,其余各位是數(shù)的絕對(duì)值二進(jìn)制代碼各位取反。通常用[X]反表示數(shù)X的反碼。例如，設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為8位，則有下列結(jié)果。

[+1]反=00000001[-1]反=11111110

[+0]反=00000000[-0]反=11111111

按照反碼編碼規(guī)則，零也有兩種表示形式，反碼同樣不方便運(yùn)算。

（3）補(bǔ)碼。補(bǔ)碼源于模和同余的概念，是為了方便計(jì)算機(jī)進(jìn)行加減運(yùn)算而引入的。最高位是符號(hào)位，正數(shù)的補(bǔ)碼等于其原碼，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于其反碼最后一位加上1.通常用[X]補(bǔ)表示數(shù)X的反碼。例如，設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為8位，則有下列結(jié)果。

[+1]補(bǔ)=00000001[-1]補(bǔ)=11111111

[+0]補(bǔ)=00000000[-0]補(bǔ)=00000000

按照補(bǔ)碼編碼規(guī)則，零有唯一的表示形式。

采用補(bǔ)碼進(jìn)行加減運(yùn)算十分方便，可以允許符號(hào)位一起參與運(yùn)算，而且可以把減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，提高了運(yùn)算速度。

采用補(bǔ)碼進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果不超出機(jī)器所表示范圍，則有如下關(guān)系。

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)

（4）移碼。又稱為增碼、余碼或偏碼，常用于表示浮點(diǎn)數(shù)中的階碼。通常用[X]移表示數(shù)X的移碼，設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為n,取1位符號(hào)位，真值X所對(duì)應(yīng)的移碼如下。

[X]移=2n-1+x（-2n-1<=X<2n-1）

實(shí)際應(yīng)用中，不用上面關(guān)系式計(jì)算移碼。機(jī)器數(shù)補(bǔ)碼與移碼的符號(hào)位互補(bǔ)，其余位完全相同，所以二者轉(zhuǎn)換時(shí)只需把符號(hào)位取反。

2.定點(diǎn)數(shù)與浮點(diǎn)數(shù)

定點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置固定的數(shù)，一般將定點(diǎn)數(shù)分成定點(diǎn)整數(shù)和定點(diǎn)小數(shù)兩種。定點(diǎn)整數(shù)的小數(shù)點(diǎn)固定在數(shù)據(jù)數(shù)值部分的最右邊，n+1位定點(diǎn)整數(shù)表示范圍：-2n~2n-1.定點(diǎn)小數(shù)的小數(shù)點(diǎn)固定在符號(hào)位的右邊，數(shù)值位的左邊，它一定是純小數(shù)，n+1位定點(diǎn)小數(shù)表示范圍：-1~1-2-n.

定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)，所有數(shù)據(jù)都必須保證處于有效數(shù)值范圍內(nèi)。如遇到絕對(duì)值小于最小正數(shù)的數(shù)，則被當(dāng)作機(jī)器數(shù)0來(lái)處理，稱為"下溢".而大于最大正數(shù)和小于絕對(duì)值最大負(fù)數(shù)的數(shù)，則稱為"溢出",此時(shí)計(jì)算機(jī)暫停當(dāng)前工作，而轉(zhuǎn)去進(jìn)行溢出處理。

與定點(diǎn)數(shù)不同，浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置能根據(jù)需要浮動(dòng)。一個(gè)R進(jìn)制數(shù)N通常表示為如下形式。

其中R稱為基數(shù)，E稱為階碼，F(xiàn)稱為尾數(shù)。在計(jì)算機(jī)中，基數(shù)R一般都是2,階碼E采用定點(diǎn)整數(shù)的形式，尾數(shù)F采用定點(diǎn)小數(shù)的形式，E和F決定浮點(diǎn)數(shù)的表示精度，E和R決定浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。在機(jī)器中，一般按照下列形式構(gòu)成浮點(diǎn)數(shù)。

在這種表示法中，階碼一般是原碼、補(bǔ)碼或移碼，尾數(shù)一般是原碼或補(bǔ)碼。

浮點(diǎn)數(shù)表示有一定范圍，超出后就會(huì)溢出。設(shè)浮點(diǎn)數(shù)階碼和尾數(shù)均用補(bǔ)碼表示，階碼為m+1位（其中1位是符號(hào)位），尾數(shù)為n+1位（其中1位是符號(hào)位），則浮點(diǎn)數(shù)的典型范圍值如表1-2所示。表1-2

浮點(diǎn)數(shù)的典型范圍值

為便于軟件移植，浮點(diǎn)數(shù)表示格式應(yīng)該有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1985年IEEE提出了IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基數(shù)R為2,階碼E用移碼表示，尾數(shù)F用原碼表示。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種不同浮點(diǎn)數(shù)的表示規(guī)則，如表1-3所示。表1-3

IEEE754規(guī)定的三種不同浮點(diǎn)數(shù)

3.二-十進(jìn)制編碼

十進(jìn)制有10個(gè)不同的數(shù)符，4位二進(jìn)制可組成16種不同的代碼，從中選出10個(gè)代碼來(lái)表示十進(jìn)制的10個(gè)數(shù)符，會(huì)有很多種方案，這些方案統(tǒng)稱為BCD碼。

根據(jù)二進(jìn)制代碼中不同位置是否有確定的權(quán)值，BCD碼分成有權(quán)碼和無(wú)權(quán)碼。

常用有權(quán)碼包括8421碼、2421碼、5211碼等，它們的權(quán)值從高到低分別為8、4、2、1（8421碼），2、4、1、1（2421碼），5、2、1、1（5211碼）。

常用無(wú)權(quán)碼包括余3碼和格雷碼，余3碼是在8421碼基礎(chǔ)上把每個(gè)代碼加3（0011）后得到的代碼。格雷碼也稱為循環(huán)碼，這10個(gè)代碼中任何相鄰兩個(gè)代碼中只有1位二進(jìn)制位的值不同，其余3位的值都必須相同。

上述幾種碼制與十進(jìn)制數(shù)符的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1-4所示。表1-4

常見(jiàn)BCD碼與十進(jìn)制數(shù)符的對(duì)應(yīng)關(guān)系

注意，對(duì)BCD碼進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，如果結(jié)果在10~15之間，那么結(jié)果須加修正。如果相加之和有進(jìn)位，那么也必須加6修正。1.2.3

\o"算術(shù)運(yùn)算"算術(shù)運(yùn)算

1.定點(diǎn)加減運(yùn)算

從原理上說(shuō)，原碼、反碼、補(bǔ)碼都能進(jìn)行加減運(yùn)算，但由于補(bǔ)碼運(yùn)算比較方便，所以大多數(shù)情況下都是采用補(bǔ)碼進(jìn)行加減運(yùn)算。

補(bǔ)碼加法公式如下。

[X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)

補(bǔ)碼減法可以看作負(fù)數(shù)加法，這樣可以使減法與加法使用同一個(gè)加法器，簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，公式如下。

[X-Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)-[Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[-Y]補(bǔ)

由[X]補(bǔ)求[-X]補(bǔ)的方法是：[X]補(bǔ)的各位取反（包括符號(hào)位），末尾加1.補(bǔ)碼運(yùn)算時(shí)，符號(hào)位和碼值一起參與運(yùn)算，符號(hào)位相加后如果有進(jìn)位，該進(jìn)位應(yīng)當(dāng)被舍去。

例如，設(shè)二進(jìn)制整數(shù)X=+1001,Y=+0101,求X+Y、X-Y的值。[X]補(bǔ)=01001,[Y]補(bǔ)=00101,[-Y]補(bǔ)=11011,符號(hào)位參與運(yùn)算，過(guò)程如下。

其中，虛線內(nèi)的1是進(jìn)位，需要舍去。

在計(jì)算機(jī)中，數(shù)的表示范圍是有限的，若運(yùn)算結(jié)果超出該范圍，就稱為溢出，此時(shí)計(jì)算機(jī)要停止運(yùn)算，進(jìn)行中斷處理。判斷是否溢出，常用下述方法。

①單符號(hào)位判別法。設(shè)[X]補(bǔ)=Xs.X1X2…Xn,[Y]補(bǔ)=Ys.Y1Y2…Yn,二者的和（差）為[S]補(bǔ)=Ss.S1S2…Sn.當(dāng)Xs和Ys不相等時(shí)，結(jié)果不會(huì)溢出。當(dāng)Xs=Ys=0,Ss=1時(shí)，產(chǎn)生上溢。當(dāng)Xs=Ys=1,Ss=0時(shí)，產(chǎn)生下溢。

②進(jìn)位位判別法。設(shè)兩數(shù)運(yùn)算時(shí)，各位產(chǎn)生的進(jìn)位為：Cs.C1C2…Cn.其中，Cs為符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位，C1為最高數(shù)值位產(chǎn)生的進(jìn)位。

兩個(gè)正數(shù)相加，當(dāng)最高有效位產(chǎn)生進(jìn)位（C1=1），而符號(hào)位不產(chǎn)生進(jìn)位（Cs=0）時(shí)，發(fā)生上溢；兩個(gè)負(fù)數(shù)相加，當(dāng)最高有效位不產(chǎn)生進(jìn)位（C1=0），而符號(hào)位產(chǎn)生進(jìn)位（Cs=1）時(shí)，發(fā)生下溢。

③雙符號(hào)為判別法。將符號(hào)位擴(kuò)充到兩位：S1和S2,用S1S2=00表示正數(shù)，S1S2=11表示負(fù)數(shù)。運(yùn)算結(jié)束后，S1S2有四種不同的取值，含義分別如下。

S1S2=00:結(jié)果為正數(shù)，無(wú)溢出

S1S2=01:結(jié)果正溢

S1S2=10:結(jié)果負(fù)溢

S1S2=11:結(jié)果為負(fù)數(shù)，無(wú)溢出

2.浮點(diǎn)加減運(yùn)算

一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的表示形式通常不惟一，常采用浮點(diǎn)數(shù)規(guī)格化形式，即規(guī)定尾數(shù)的最高數(shù)位必須是一個(gè)有效數(shù)，即其尾數(shù)F的絕對(duì)值必須滿足：

當(dāng)基數(shù)R=2時(shí)，

當(dāng)尾數(shù)F用原碼表示時(shí)，規(guī)格化后尾數(shù)最高位總是1.當(dāng)尾數(shù)F用補(bǔ)碼表示時(shí)，規(guī)格化后尾數(shù)最高位與符號(hào)位不同，即當(dāng)

時(shí)，應(yīng)是0.1××…×的形式。而當(dāng)

時(shí)，應(yīng)是1.0××…×的形式。

設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)X和Y,它們分別是X=2Ex×Fx,Y=2Ey×Fy.它們進(jìn)行加減運(yùn)算的規(guī)則是：

完成上述加減運(yùn)算，需要包括下述步驟。

（1）零操作數(shù)檢查。如果兩個(gè)操作數(shù)X和Y中有一個(gè)數(shù)為0,那么就可得知運(yùn)算結(jié)果而不再進(jìn)行后繼的操作。

（2）"對(duì)階"操作。首先求出階碼之差

，若

，說(shuō)明X和Y階碼相同，可以直接進(jìn)行尾數(shù)加減運(yùn)算。若

，則需要移動(dòng)尾數(shù)來(lái)改變Ex和Ey,使之相等。一般采用"小階向大階看齊"的原則，通過(guò)向右移動(dòng)小階數(shù)據(jù)的尾數(shù)位，使得X和Y的階碼相同。

（3）尾數(shù)相加減。無(wú)論加法還是減法運(yùn)算，都按加法進(jìn)行操作，其方法與定點(diǎn)加減法運(yùn)算相同。

（4）尾數(shù)規(guī)格化。按照定點(diǎn)加減法的判斷準(zhǔn)則，若尾數(shù)溢出，則應(yīng)使尾數(shù)結(jié)果右移一位，階碼加1,稱為右規(guī)格化。若尾數(shù)沒(méi)有溢出，但數(shù)值部分的最高位與符號(hào)位相同，表明不滿足規(guī)格化，此時(shí)應(yīng)使尾數(shù)結(jié)果左移一位，階碼減1,重復(fù)執(zhí)行直到數(shù)值部分最高位與符號(hào)位不同為止，稱為左規(guī)格化。

（5）舍入處理。在對(duì)階或向右規(guī)格化時(shí)，尾數(shù)向右移動(dòng)，這樣被右移尾數(shù)的最低位部分就會(huì)丟掉，從而造成一定誤差，此時(shí)需要舍入處理。一般采用下述舍入方法。

"0舍1入法".如果右移時(shí)被丟掉數(shù)位的最高位是0,則舍去，否則將尾數(shù)的末位加"1".

"恒置1法".只要有數(shù)位被移出，就在尾數(shù)的末尾恒置"1".

3.浮點(diǎn)乘除運(yùn)算

設(shè)有兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)X和Y,它們分別是：

X=2Ex×Fx

Y=2Ey×Fy

浮點(diǎn)乘法運(yùn)算規(guī)則是：X×Y=2（Ex+Ey）×（Fx×Fy），即乘積的尾數(shù)是二者尾數(shù)之積，乘積的階碼是二者階碼之和。

浮點(diǎn)除法運(yùn)算規(guī)則是：X÷Y=2（Ex-Ey）×（Fx÷Fy），即商的尾數(shù)是二者尾數(shù)之商，商的階碼是二者階碼之差。

與浮點(diǎn)數(shù)加減運(yùn)算相同，浮點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算也大體分為5個(gè)步驟：零操作數(shù)檢查、階碼加或減操作、尾數(shù)乘或除操作、結(jié)果規(guī)格化和舍入處理。1.2.4

\o"邏輯運(yùn)算"邏輯運(yùn)算

邏輯數(shù)是指不帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)，對(duì)這些數(shù)可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在非數(shù)值應(yīng)用的廣大領(lǐng)域中，非常有用。計(jì)算機(jī)中的邏輯運(yùn)算，主要是指邏輯非、邏輯或、邏輯與、邏輯異或等四種基本運(yùn)算。

1.邏輯非運(yùn)算

又稱求反，對(duì)某數(shù)進(jìn)行邏輯非運(yùn)算，就是按位求它的反，常用變量上方加一橫來(lái)表示。設(shè)一個(gè)數(shù)x表示成

。

對(duì)x求邏輯非，則有：

.

其中：

.

2.邏輯或運(yùn)算

又稱邏輯加，對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行邏輯加，就是按位求它們的"或",常用記號(hào)"+"來(lái)表示。

設(shè)有兩個(gè)數(shù)x和y，它們表示為，

.

若

。

則：

.

3.邏輯與運(yùn)算

又稱邏輯乘，對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行邏輯乘，就是按位求它們的"與",常用記號(hào)""來(lái)表示。

設(shè)有兩個(gè)數(shù)x和y，它們表示為，

若

。

則：

.

4.邏輯異或運(yùn)算

又稱按位加，對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行邏輯異或，就是按位求它們的模2和，常用記號(hào)""來(lái)表示。

設(shè)有兩個(gè)數(shù)x和y，它們表示為，

.

若

。

則：.1.2.5

\o"字符編碼"字符編碼

1.字符的表示

常用美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼（ASCII）表示字符。常見(jiàn)的ASCII碼為7位二進(jìn)制代碼，可以表示128種不同字符符號(hào)，它包括10個(gè)十進(jìn)制數(shù)字、52個(gè)英文大小寫字母、34個(gè)專用符號(hào)和32個(gè)控制符號(hào)，這128個(gè)符號(hào)中有96個(gè)是可打印的字符。

對(duì)于ASCII碼來(lái)說(shuō)，字節(jié)最左邊的一位可以作為奇偶校驗(yàn)位，也可以直接設(shè)置為0,作為西文字符和漢字的區(qū)分標(biāo)識(shí)。在某些應(yīng)用中，需要使用ASCII碼的高位信息，這種被擴(kuò)充的編碼方式稱為擴(kuò)展ASCII碼，它采用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符，一共可以表示256個(gè)不同的字符。

2.漢字的表示

漢字字?jǐn)?shù)繁多、字形復(fù)雜、讀音多變，要想在計(jì)算機(jī)中表示漢字，最方便的方法是對(duì)漢字進(jìn)行編碼，漢字編碼要與西文字符及其它字符有明顯的區(qū)別。

（1）國(guó)標(biāo)碼。又稱為漢字交換碼，主要用于漢字信息處理系統(tǒng)之間或者通信系統(tǒng)之間的信息交換。1981年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局公布了GB2312-80,即《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)碼（GB碼）。該標(biāo)準(zhǔn)共收集常用漢字6763個(gè)，其中一級(jí)漢字3755個(gè)，按拼音排序。二級(jí)漢字3008個(gè)，按部首排序。另外還有各種圖形符號(hào)682個(gè)，共計(jì)7445個(gè)。

（2）區(qū)位碼。將國(guó)標(biāo)碼中的6763個(gè)漢字分為94個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)中包含94個(gè)漢字（位）。每個(gè)漢字都對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)號(hào)和位號(hào)，二者組合在一起就構(gòu)成了區(qū)位碼。漢字區(qū)位碼定長(zhǎng)4位，前兩位表示區(qū)號(hào)，后兩位表示位號(hào)，二者都用十進(jìn)制表示，范圍都是01到94.

在區(qū)位碼表中，第1到15區(qū)包含西文字母、數(shù)字和圖形符號(hào)，以及用戶自定義的專用符號(hào)（統(tǒng)稱非漢字圖形字符）。第16到55區(qū)為一級(jí)漢字。第56到87區(qū)為二級(jí)漢字。87區(qū)以上為空白區(qū)，可供造新字使用。

區(qū)位碼與國(guó)標(biāo)碼不同，二者關(guān)系為：國(guó)標(biāo)碼=區(qū)位碼（十六進(jìn)制）+2020H.

（3）機(jī)內(nèi)碼。漢字處理系統(tǒng)要保證中西文兼容，以字節(jié)為單位時(shí)，ASCII碼和國(guó)標(biāo)碼的最高位都是"0",其它7位有時(shí)候會(huì)相同，所以會(huì)產(chǎn)生二義性。漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的惟一編碼稱為機(jī)內(nèi)碼，機(jī)內(nèi)碼編碼時(shí)要避免該二義性。

機(jī)內(nèi)碼與國(guó)標(biāo)碼相同，長(zhǎng)度都是二字節(jié)，它在相應(yīng)國(guó)標(biāo)碼的每個(gè)字節(jié)最高位加"1",即：機(jī)內(nèi)碼=國(guó)標(biāo)碼+8080H.1.3

\o"指令系統(tǒng)"指令系統(tǒng)

指令是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有指令的集合構(gòu)成該機(jī)器的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)硬件的主要性能和基本功能，它應(yīng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的使用要求來(lái)設(shè)計(jì)，不僅與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)，也直接影響到系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟、硬件的界面，是了解或設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。1.3.1

\o"計(jì)算機(jī)指令"計(jì)算機(jī)指令

每條指令都包含兩個(gè)基本部分，（1）操作碼：表示指令執(zhí)行什么功能。（2）地址碼：表示參與操作的數(shù)據(jù)的地址。

指令的基本格式為：

指令字長(zhǎng)度指一個(gè)指令字中包含的二進(jìn)制代碼位數(shù)，機(jī)器字長(zhǎng)指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)。根據(jù)二者的關(guān)系，可以把指令分為半字長(zhǎng)指令、單字長(zhǎng)指令、多字長(zhǎng)指令。多字長(zhǎng)指令可以提供足夠多的地址位來(lái)解決內(nèi)存單元的尋址問(wèn)題，但取出一整條指令需要多次訪問(wèn)內(nèi)存，降低了CPU運(yùn)算速度，同時(shí)又占用了更多的存儲(chǔ)空間。

尋址技術(shù)是根據(jù)地址碼尋找到所需要操作數(shù)的技術(shù)，通常包括編址方式和尋址方式。

編址方式是對(duì)寄存器、主存儲(chǔ)器及輸入/輸出設(shè)備等進(jìn)行編址的方式。主要包括字編址方式、字節(jié)編址方式和位編址方式等。在主存容量相同的條件下，不同編址方式對(duì)應(yīng)的地址碼位數(shù)不同。例如，如果采用字節(jié)編址方式，那么地址碼位數(shù)就長(zhǎng)，但是可以對(duì)每個(gè)字符進(jìn)行處理。如果采用字編制方式，那么地址碼位數(shù)就短些，但對(duì)字符操作就比較困難。

確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法稱為尋址方式，包括指令尋址方式和操作數(shù)尋址方式兩種。指令尋址方式有順序?qū)ぶ贩绞胶吞S尋址方式兩種。操作數(shù)尋址方式有以下幾種：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式、變址尋址方式、基址尋址方式、相對(duì)尋址方式和寄存器尋址方式等。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同編址和尋址方式的特點(diǎn)，結(jié)合具體問(wèn)題來(lái)分析，選擇合適的編址和尋址方式。1.3.2

\o"指令執(zhí)行控制"指令執(zhí)行控制

在CPU中，一條指令的運(yùn)行包括取指、分析和執(zhí)行三個(gè)過(guò)程。

（1）取指。把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容（指令地址）裝入存儲(chǔ)器地址寄存器MAR,送給地址總線，然后由地址總線選中該地址所在的主存單元，取出該指令的代碼，經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入CPU中的指令寄存器IR.

（2）分析（指令譯碼）。指令的操作碼經(jīng)指令譯碼器譯碼后，給CPU的相應(yīng)的寄存器和其它部件發(fā)出一系列控制信號(hào)。在指令譯碼的同時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容加1,產(chǎn)生下一條指令地址。

（3）執(zhí)行。CPU的各個(gè)部件根據(jù)不同的控制信號(hào)序列，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

常用的指令方式包括下述三種：

（1）順序執(zhí)行方式。CPU的控制部件對(duì)當(dāng)前指令進(jìn)行取指、分析和執(zhí)行。當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)束后，再對(duì)下一條指令進(jìn)行取指、分析和執(zhí)行，如此循環(huán)執(zhí)行下去，直到程序執(zhí)行完畢。順序執(zhí)行方式具有下述特點(diǎn)：

①指令與指令之間是順序地串行執(zhí)行。

②一條指令的三個(gè)執(zhí)行步驟（取指、譯碼、執(zhí)行）也是順序地串行執(zhí)行。

③優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，硬件容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是執(zhí)行速度比較慢。

（2）超前執(zhí)行方式。前一條指令執(zhí)行過(guò)程尚未結(jié)束，就提前處理下一條指令，即指兩條指令的某些操作同時(shí)進(jìn)行。該方式通常有超前取指、超前指令譯碼、超前尋址和取操作數(shù)等操作。超前執(zhí)行方式具有下述特點(diǎn)：

①每條指令內(nèi)部的各個(gè)操作仍是順序地串行執(zhí)行。

②相鄰兩條指令的某些操作可以同時(shí)進(jìn)行。

③優(yōu)點(diǎn)是提高指令的控制速度，缺點(diǎn)是技術(shù)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度比較大。

（3）流水線方式。把指令的執(zhí)行過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，分別由不同的硬件去執(zhí)行。例如，通常把指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個(gè)子過(guò)程，分別由取指、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個(gè)裝置來(lái)執(zhí)行，這四個(gè)裝置彼此可以并發(fā)執(zhí)行，如表1-5所示。表1-5

流水線執(zhí)行方式

流水線方式具有下述特點(diǎn)：

①每條指令內(nèi)部的各個(gè)子過(guò)程仍是順序地串行執(zhí)行。

②每條子過(guò)程執(zhí)行完畢，由于該裝置已空閑，即可接收下一條指令中同樣的子過(guò)程來(lái)執(zhí)行。

③優(yōu)點(diǎn)是明顯提高了程序的執(zhí)行速度，缺點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。1.4

\o"存儲(chǔ)體系"存儲(chǔ)體系

存儲(chǔ)介質(zhì)是指用來(lái)制作存儲(chǔ)信息的物質(zhì)。按存儲(chǔ)介質(zhì)分類，存儲(chǔ)器分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器速度快，但容量不可能很大，且成本較高。磁存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器成本低，容量可以很大，但速度低，與CPU高速處理能力不匹配。我們所需要的理想存儲(chǔ)器，其速度要和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相當(dāng)，容量要和磁存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器相當(dāng)。單從改進(jìn)存儲(chǔ)技術(shù)的途徑來(lái)提高存儲(chǔ)器性能，很難滿足上述要求。所以，必須從存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面采取措施，即采用多種不同類型的存儲(chǔ)器組成存儲(chǔ)系統(tǒng)。常用的是三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，如圖1-7所示。圖1-7

三級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)

該存儲(chǔ)系統(tǒng)存在下述兩個(gè)存儲(chǔ)層次。

（1）Cache-主存存儲(chǔ)層次。由Cache和主存構(gòu)成，它緩解了主存和CPU速度的矛盾。從整體上看，該層次接近于Cache的速度、主存的容量和主存的平均位價(jià)格。該層次工作時(shí)完全由輔助硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)所有程序員都是透明的。

（2）主存-輔存存儲(chǔ)層次。由主存和輔存構(gòu)成，它緩解了存儲(chǔ)器大容量與低成本之間的矛盾。從整體上看，該層次接近于主存的速度、輔存的容量和輔存的平均位價(jià)格。該層次工作時(shí)由輔助的軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)所有程序員都是透明的。1.4.1

\o"主存儲(chǔ)器"主存儲(chǔ)器

1.主存記憶元件

主存儲(chǔ)器按照存取限制可以分為RAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）和ROM（只讀存儲(chǔ)器）兩種。前者既可以在線存（寫）又可以在線?。ㄗx），后者只能在線取（讀）。

（1）RAM記憶元件。RAM要求元件具有如下記憶特性：有兩種穩(wěn)定狀態(tài)；在外部信號(hào)的激勵(lì)下，兩種穩(wěn)定狀態(tài)能進(jìn)行無(wú)限次相互轉(zhuǎn)換；在外部信號(hào)的激勵(lì)下，能讀出兩種穩(wěn)定狀態(tài)；可靠地存儲(chǔ)。

半導(dǎo)體RAM元件可分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）兩大類。二者的區(qū)別，是SRAM利用開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行記憶，只要電源有電，它總能保持兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)中的一個(gè)狀態(tài)。DRAM則除了要電源有電外，還必須動(dòng)態(tài)地每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)行一次刷新，否則信息會(huì)丟失。

（2）ROM記憶元件。ROM是一種非易失性器件，它所存儲(chǔ)的信息用特殊方式寫入，主要存儲(chǔ)經(jīng)常要用的一些固定信息。根據(jù)其物理特性可把ROM分為以下幾類：

①ROM.又稱為MROM（掩模型只讀存儲(chǔ)器），它采用二次光刻掩模工藝一次制成，制成后其內(nèi)容不可改變。

②PROM.即可編程的ROM,其元件有多種形式，最常用的是熔絲型的，它在出廠時(shí)各處熔絲都是完好的，均表示"1".當(dāng)用戶需要將其中某位置"0"時(shí)，把對(duì)應(yīng)處的熔絲燒斷即可。PROM一經(jīng)寫好，存有"0"的位置就不可再改為"1".

③EPROM.又稱為可擦除可編程ROM,是一種可改寫的ROM,目前用得較多的是浮動(dòng)雪崩注入型MOS管。按照擦除方法的不同，可分為UVEPROM和E2PROM兩種。

2.主存儲(chǔ)器組成

主存儲(chǔ)器主要由存儲(chǔ)體、地址譯碼驅(qū)動(dòng)電路、讀寫電路和時(shí)序控制電路等組成。

存儲(chǔ)體是主存的核心，它由許多位集成在一個(gè)芯品上構(gòu)成，再由一些芯片進(jìn)行擴(kuò)展，就構(gòu)成容量更大的存儲(chǔ)體陣列。常用擴(kuò)展方式包括字?jǐn)U展方式、位擴(kuò)展方式和段擴(kuò)展方式等。

一個(gè)地址碼唯一地對(duì)應(yīng)一個(gè)地址，將一個(gè)地址碼變換成為驅(qū)動(dòng)字線電位的邏輯電路，稱為地址譯碼器。由于每條地址線上都掛有許多存儲(chǔ)元電路，為能對(duì)它們進(jìn)行有效驅(qū)動(dòng)，在譯碼器輸出端每條字線上都要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。

一個(gè)信號(hào)從發(fā)出到穩(wěn)定，有一個(gè)過(guò)程，為了能進(jìn)行有效讀寫，必須考慮這些信號(hào)之間的時(shí)間配合關(guān)系，即所謂的時(shí)序關(guān)系。管理這些時(shí)序關(guān)系的電路就稱為時(shí)序電路。

3.主存工作模式

（1）SDRAM.又稱同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，是早期內(nèi)存工作模式EDO的改進(jìn)，該方式將CPU與RAM通過(guò)一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起，使得RAM與CPU共享一個(gè)時(shí)鐘，以相同的速度同步工作。

（2）DDRSDRAM.又稱雙數(shù)據(jù)傳輸率同步動(dòng)態(tài)內(nèi)存，它使用了延時(shí)鎖定電路，在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿都能讀出數(shù)據(jù)，速度在同樣的時(shí)鐘頻率條件下是SDRAM的兩倍。

（3）RDRAM.又稱存儲(chǔ)器總線式動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，采用了超高時(shí)鐘頻率，還采用了串行模塊結(jié)構(gòu)--各個(gè)芯片用一條總線串接起來(lái)，前面芯片寫滿后，后面芯片才開(kāi)始讀入數(shù)據(jù)。

（4）XDRDRAM.又稱極度數(shù)率動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，是RDRAM的改進(jìn)，主要采用了改進(jìn)的串行模塊架構(gòu)、8倍數(shù)據(jù)傳輸率和FlexPhase技術(shù)等的新技術(shù)。

4.主存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)

主存儲(chǔ)器的性能，通?？梢詮囊韵聨追矫婷枋?。

（1）每位成本。折合到每一位的存儲(chǔ)器的造價(jià)，是存儲(chǔ)器的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（2）容量。通常用有多少個(gè)存儲(chǔ)單元、每個(gè)單元有多少位來(lái)表示，也可用能存儲(chǔ)多少字節(jié)來(lái)表示。

（3）存取速度。主存最重要的技術(shù)指標(biāo)，一般包括下述內(nèi)容。

①訪問(wèn)時(shí)間。從啟動(dòng)一次訪問(wèn)操作到完成該操作所用的時(shí)間。

②存取周期。兩次連續(xù)地訪問(wèn)主存操作之間所需要的最短時(shí)間。

③主存帶寬。又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，指的是每秒鐘訪問(wèn)的二進(jìn)制位數(shù)目。

（4）信息的可靠保存性、非易失性和可更換性。

（5）可靠性。通常用MTBF來(lái)衡量。1.4.2

\o"輔助存儲(chǔ)器"輔助存儲(chǔ)器

輔助存儲(chǔ)器用以存放當(dāng)前暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，是主存儲(chǔ)器的主要后援存儲(chǔ)設(shè)備。對(duì)輔存的基本要求，是容量大、成本低、可以脫機(jī)保存信息。讀寫方式主要有磁讀寫和光讀寫兩種。

1.磁表面存儲(chǔ)器

磁盤、磁帶都是磁表面存儲(chǔ)器，其信息存儲(chǔ)于涂覆在載體表面、厚度為0.024~5左右的磁層中。其存儲(chǔ)元記錄了磁頭寫線圈中電流的方向，當(dāng)載磁體朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，若寫線圈中通過(guò)脈沖電流，就把其中的信息存儲(chǔ)在磁層中，從而完成寫操作。若寫線圈中沒(méi)有脈沖電流，那么存儲(chǔ)元中的剩磁由于電磁感應(yīng)原理，可以在讀線圈中感應(yīng)出脈沖電流，從而完成讀操作。

磁記錄格式規(guī)定了一連串的二進(jìn)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與磁層存儲(chǔ)元的相應(yīng)磁化翻轉(zhuǎn)形式互相轉(zhuǎn)換的規(guī)則，常用的有下面幾種：

（1）歸零制（RZ）。用寫電流的正脈沖表示1,負(fù)脈沖表示0,磁層在記錄1時(shí)由無(wú)磁性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟硞€(gè)方向上的磁化狀態(tài)，記錄0時(shí)從未磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环较虻拇呕癄顟B(tài)。在兩個(gè)信號(hào)之間，磁頭線圈的寫電流要回到零。這種方式記錄密度低，抗干擾能力差。

（2）不歸零制（NRZ）。在記錄信息時(shí)，磁頭線圈中總是有電流，不是正向電流，就是反向電流，不需要磁化電流回到無(wú)電流的狀態(tài)。這種方式抗干擾能力強(qiáng)，但它沒(méi)有自同步能力。

（3）調(diào)相制（PE或PM）。又稱為曼徹斯特碼。寫每個(gè)1時(shí)，寫電流由正向負(fù)跳變一次。寫每個(gè)0時(shí)，寫電流由負(fù)向正跳變一次。當(dāng)記錄連續(xù)的0或1時(shí)，信號(hào)交界處也要翻轉(zhuǎn)一次。這種能夠方式具有自同步能力，抗干擾能力強(qiáng)，但是頻帶較窄。

（4）調(diào)頻制（FM或FD）。在兩個(gè)信號(hào)的交界處寫電流都要改變方向，并且利用中間有無(wú)跳變來(lái)記錄1或0.這種方式具有自同步能力。

磁盤是一些圓片形的磁表面介質(zhì)存儲(chǔ)器，其基體可以是聚酯薄膜，也可以是鋁合金。前者較軟，稱為軟盤，目前已經(jīng)淘汰不用。后者較硬，稱為硬盤。一個(gè)硬磁盤存儲(chǔ)器中有一個(gè)或多個(gè)盤片，這些盤片被固定在柱軸上，柱軸可以有多個(gè)，用臺(tái)號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。在每個(gè)盤片上，磁介質(zhì)均勻地分布在一些同心圓上，形成一個(gè)盤面的磁道。多個(gè)盤面中同一半徑的磁道形成一個(gè)圓柱面，圓柱面總數(shù)等于一個(gè)盤面的磁道數(shù)。磁道還可以分成若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)存放一定的數(shù)據(jù)塊。所以硬盤中的數(shù)據(jù)地址由臺(tái)號(hào)、柱面（磁道）號(hào)、盤面號(hào)及扇區(qū)號(hào)來(lái)表示。

評(píng)價(jià)硬盤性能好壞，主要參照下述指標(biāo)。

（1）記錄密度。記錄密度分為道密度和位密度，道密度Di是徑向單位長(zhǎng)度的磁道數(shù)，在數(shù)值上等于磁道距P的倒數(shù)。位密度Db也稱為線密度，是單位長(zhǎng)度磁道所能記錄的二進(jìn)制信息位數(shù)，對(duì)不同磁道而言，越向外其位密度越低。

（2）硬盤容量。硬盤所能存儲(chǔ)的字節(jié)的總量，存儲(chǔ)容量分為格式化容量和非格式化容量，前者是以能夠與實(shí)際可以使用的存儲(chǔ)容量，比后者要小，一般是后者的80%左右。

（3）主軸轉(zhuǎn)速。用平均尋區(qū)時(shí)間Twa來(lái)表示，指的是硬盤旋轉(zhuǎn)半周所用的時(shí)間。主軸轉(zhuǎn)速快，磁頭達(dá)到目的扇區(qū)的速度就快。

（4）尋道時(shí)間。又稱為查找時(shí)間，指的是磁頭找到目的磁道需要的時(shí)間，它由磁盤存儲(chǔ)器的性能來(lái)決定，一般都在10ms以下。

（5）平均存取時(shí)間。近似等于平均尋區(qū)時(shí)間和尋道時(shí)間之和。

（6）緩沖存儲(chǔ)區(qū)大小。在硬盤內(nèi)部讀寫電路與接口之間設(shè)置一個(gè)緩沖存儲(chǔ)區(qū)，可以解決二者速度不匹配的問(wèn)題，從整體上提高硬盤讀寫速度。緩沖存儲(chǔ)區(qū)越大越好。

（7）數(shù)據(jù)傳輸率。分為內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率和外部數(shù)據(jù)傳輸率兩種。內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率主要由主軸的轉(zhuǎn)速來(lái)決定。外部數(shù)據(jù)傳輸率是系統(tǒng)總線與硬盤緩沖區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳輸率，它與接口類型和緩存大小有關(guān)。

（8）誤碼率。從輻存讀出數(shù)據(jù)時(shí)，出錯(cuò)信息與讀出的總信息位數(shù)之比。為了減少出錯(cuò)率，需要采用校驗(yàn)碼。校驗(yàn)碼有多種，磁表面存儲(chǔ)器一般采用循環(huán)冗余碼來(lái)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。

硬盤接口是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件，用于硬盤緩存和主機(jī)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。在整個(gè)系統(tǒng)中，硬盤接口的優(yōu)劣直接影響著程序運(yùn)行的快慢和系統(tǒng)性能的好壞。常用的硬盤接口分為IDE、SCSI、光纖通道和SATA四種。其中，IDE和SATA是專用于硬盤的接口，SATA比IDE性能要好，有逐漸取代IDE的趨勢(shì)。SCSI是廣泛應(yīng)用于小型機(jī)上的高速接口，光纖通道是專門為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口，二者都不是專門為硬盤設(shè)計(jì)的接口。SCSI主要用于中、高端服務(wù)器和高檔工作站中，光纖通道價(jià)格最昂貴，只用在高端服務(wù)器上。

硬盤出廠后必須經(jīng)過(guò)格式化才能使用，由于硬盤容量大，可以分成若干個(gè)區(qū)，供不同操作系統(tǒng)使用，所以硬盤格式化比軟盤格式化要復(fù)雜得多，硬盤格式化需要經(jīng)過(guò)下述三個(gè)步驟。低級(jí)格式化（物理格式化）、硬盤的分區(qū)和邏輯格式化（例如：DOS的Format）。

2.磁盤陣列RAID

RAID把多臺(tái)小型的磁盤存儲(chǔ)器（或光盤存儲(chǔ)器）按一定的條件組織成同步化的陣列，利用類似于存儲(chǔ)器中的多體交叉技術(shù)，將數(shù)據(jù)展開(kāi)存儲(chǔ)在多臺(tái)盤上，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?，并用冗余技術(shù)提高了可靠性。其核心是采用分條、分塊和交叉存取等方式對(duì)存儲(chǔ)在多個(gè)盤中的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合處理，來(lái)滿足存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能要求。

常用的RAID系統(tǒng)包括下述幾種。

（1）RAID0.數(shù)據(jù)按條分布于多張磁盤，它不提供冗余，但傳輸數(shù)據(jù)最快，適合于處理大文件。缺點(diǎn)是當(dāng)陣列中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)也癱瘓。

（2）RAID1.每個(gè)工作盤都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的鏡像盤，寫數(shù)據(jù)時(shí)必須同時(shí)寫入工作盤和鏡像盤，正常工作時(shí)只訪問(wèn)工作盤。一旦工作盤出錯(cuò)，鏡像盤就投入使用，并用其恢復(fù)工作盤。

（3）RAID2~RAID4.都有固定的校驗(yàn)盤，區(qū)別在于所采用的糾錯(cuò)技術(shù)和校驗(yàn)盤的設(shè)置方式不同。

①RAID2.采用海明校驗(yàn)碼糾錯(cuò)、位交叉技術(shù)。

②RAID3.采用位交叉技術(shù)，使用一個(gè)校驗(yàn)盤。

③RAID4.采用塊交叉技術(shù)，使用一個(gè)校驗(yàn)盤，并且可獨(dú)立傳輸。

（4）RAID5.與RAID4相似，也是采用塊交叉技術(shù)的可獨(dú)立傳輸?shù)拇疟P陣列，但它不單獨(dú)設(shè)置校驗(yàn)盤，而是按某種規(guī)則把校驗(yàn)數(shù)據(jù)分布在組成陣列的磁盤上。一個(gè)磁盤上既有數(shù)據(jù)，又有校驗(yàn)信息，從而解決了多盤爭(zhēng)用校驗(yàn)盤的問(wèn)題。

（4）RAID6.采用雙磁盤驅(qū)動(dòng)器容錯(cuò)的塊交叉技術(shù)磁盤陣列。有兩個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器存放檢、糾錯(cuò)碼，具有很高的數(shù)據(jù)有效性和可靠性。

（5）RAID7.除采用分塊技術(shù)外，還采用了多數(shù)據(jù)通道技術(shù)和Cache技術(shù)，進(jìn)一步提高了存取速度和可靠性。

3.光盤存儲(chǔ)器

相對(duì)硬盤而言，光盤存儲(chǔ)技術(shù)有下述特點(diǎn)：

（1）記錄密度高、存儲(chǔ)容量大。

（2）采用非接觸方式讀/寫，沒(méi)有磨損，可靠性高。

（3）可長(zhǎng)期（60-100年）保存信息。

（4）成本低廉，易于大量復(fù)制。

（5）存儲(chǔ)密度高，體積小，能自由更換盤片。

（6）誤碼率，在10-10~10-17以下。

（7）存取時(shí)間為100~500ms,數(shù)據(jù)存取速率比磁盤略低，基本速率（單倍速）為150MBps.

光盤存儲(chǔ)器可分為固定型、只寫一次型和可擦寫型。固定性和只寫一次型讀寫原理相同，都是采用存儲(chǔ)介質(zhì)狀態(tài)不可逆的性質(zhì)，區(qū)別是前者由廠家寫入，后者可以由用戶寫入?？刹翆懶椭饕遣捎脿顟B(tài)可逆的存儲(chǔ)介質(zhì)，分為磁光型和相變型兩種。磁光型光盤比相變型訪問(wèn)速度慢，但可擦洗次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次以上，相變光盤只有1000次左右。

數(shù)字光盤誕生以來(lái)，出現(xiàn)了多種廠商標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要的規(guī)范及格式，包括CD-DA、CD-ROM、CD-I、CD-R、VCD、DVD、藍(lán)光光盤和HD-DVD等。1.4.3

\o"高速緩沖存儲(chǔ)器"高速緩沖存儲(chǔ)器

CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，無(wú)論是取指令還是取數(shù)據(jù)，所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元都趨于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問(wèn)，而對(duì)此范圍之外的地址單元?jiǎng)t訪問(wèn)甚少的現(xiàn)象就稱為程序訪問(wèn)的局部性原理。這種局部性既表現(xiàn)在時(shí)間上，也表現(xiàn)在空間上。時(shí)間局部性是指如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問(wèn)，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問(wèn)。空間局部性是指在最近的將來(lái)將用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間地址上是臨近的。

根據(jù)程序訪問(wèn)的局部性原理，可以在主存和CPU之間設(shè)置一個(gè)高速的、容量相對(duì)較小的存儲(chǔ)器，如果當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)存放在這個(gè)存儲(chǔ)器中，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，不必從主存中取指令和數(shù)據(jù)，只需訪問(wèn)這個(gè)高速存儲(chǔ)器，以提高程序運(yùn)行速度。這個(gè)存儲(chǔ)器稱為高速緩沖存儲(chǔ)器Cache.

Cache和主存構(gòu)成一個(gè)"Cache-主存"存儲(chǔ)體系，整個(gè)存儲(chǔ)器的容量及單位成本能夠與主存相當(dāng)，而存取速度可以與Cache的讀寫速度相當(dāng)，這就很好地解決了存儲(chǔ)器系統(tǒng)的容量、存取速度及單位成本三個(gè)方面性能之間的矛盾。圖1-8

Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

管理"主存-Cache"存儲(chǔ)體系的部件稱為Cache控制器，如圖1-8所示。CPU與主存之間的數(shù)據(jù)傳輸必須通過(guò)Cache控制器進(jìn)行。

當(dāng)CPU發(fā)出讀請(qǐng)求時(shí)，Cache控制器將來(lái)自CPU的數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求轉(zhuǎn)向Cache存儲(chǔ)器，將主存地址的m位于Cache塊中的標(biāo)記在地址變換機(jī)構(gòu)中相比較，根據(jù)其比較結(jié)果是否相等而分成兩種情況。當(dāng)比較結(jié)果相等時(shí)，說(shuō)明需要的數(shù)據(jù)已在Cache中，稱為"命中",那么直接訪問(wèn)Cache就行了。當(dāng)比較結(jié)果不相等時(shí)，說(shuō)明需要的數(shù)據(jù)尚未調(diào)入Cache,稱為"未命中".則CPU需要對(duì)主存操作，那么就要把該數(shù)據(jù)所在的整個(gè)字塊從主存一次調(diào)入Cache中。

Cache容量很小，它所保存的僅是主存內(nèi)容的一個(gè)子集，為了把主存塊放到Cache中，必須采用地址映射機(jī)制把主存地址定位到Cache中，這一過(guò)程稱為地址映射，全由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣當(dāng)CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，它所給出的一個(gè)字的內(nèi)存地址就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成Cache的地址。常用下述地址映射方式。

（1）直接映射方式。主存中的每一個(gè)塊只能被放置到Cache中惟一的一個(gè)指定位置，若這個(gè)位置已有內(nèi)容，則產(chǎn)生塊沖突，原來(lái)的塊將無(wú)條件地被替換出去。這種方式塊沖突概率最高，空間利用率最低。

（2）全相聯(lián)映射方式。允許主存中任意一個(gè)塊映射到Cache存儲(chǔ)器的任何一個(gè)字塊位置上，也允許從已被占滿的Cache存儲(chǔ)器中替換出任何一個(gè)舊塊，當(dāng)訪問(wèn)一個(gè)塊中的數(shù)據(jù)時(shí)，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標(biāo)記進(jìn)行比較以確定是否命中，調(diào)入數(shù)據(jù)塊時(shí)，替換策略也比較復(fù)雜。這種方式優(yōu)點(diǎn)是靈活，Cache的塊沖突概率小，空間利用率高，但是地址變換速度慢，而且成本高，僅是一個(gè)理想方案，實(shí)際上很少使用。

（3）組相聯(lián)映射方式。將主存空間按Cache大小等分成區(qū)后，再將Cache空間和主存空間中的每一區(qū)都等分成大小相同的組。讓主存各區(qū)某組中的任何一塊，均可直接映射到Cache中對(duì)應(yīng)組的任何一塊位置上，即組間采取直接映射，而組內(nèi)采取全相聯(lián)映射。這種方式實(shí)際是全相聯(lián)映射和直接映射的折衷方案，也可以說(shuō)是上述兩種方式的一般形式，所以其優(yōu)缺點(diǎn)介于它們的優(yōu)缺點(diǎn)之間。

每一次訪問(wèn)Cache都有"命中"或"不命中"兩種可能性，如果"不命中"的話，必須采用適當(dāng)?shù)奶鎿Q策略，用新塊替換Cache中的舊塊。在直接映射方式中，可以被置換的舊塊只有一個(gè)，只有唯一的選擇。全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射則存在多中選一的情況，常用下述替換策略。

①先進(jìn)先出（FIFO）策略。把一組中最先調(diào)入Cache中的字塊替換出去，實(shí)現(xiàn)容易，開(kāi)銷小，缺點(diǎn)是此策略效果不佳。

②使用次數(shù)最少（LFU）策略。將迄今為止使用次數(shù)最少的字塊作為被替換的舊塊，需要較多硬件資源，效果比FIFO略好。

③近期最少使用（LRU）策略。把一組中近期最少使用的字塊替換出去，需要較多的硬件資源，記錄的信息量也比較多，平均命中率比FIFO和LFU要高。

CPU對(duì)Cache的寫入更改了Cache內(nèi)容，有多種寫操作方式可以保證與主存內(nèi)容一致，統(tǒng)稱為Cache的更新策略，主要有如下方式。

（1）寫直達(dá)法。CPU執(zhí)行寫操作時(shí)，必須把數(shù)據(jù)同時(shí)寫入主存和緩存，這種方式保證主存與緩存數(shù)據(jù)一致性，但增加了訪問(wèn)主存的次數(shù)，降低了存取速度。

（2）寫回法。CPU執(zhí)行寫操作時(shí)，只把數(shù)據(jù)寫入Cache而不寫入主存，一直到此塊被換出時(shí)才把內(nèi)容寫入主存，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要借助標(biāo)志位信息。這種方式減少了主存訪問(wèn)次數(shù)，還可以保證數(shù)據(jù)一致性，使用范圍比較廣。

（3）寫一次法?；趯懟胤ㄓ纸Y(jié)合了寫直達(dá)法，寫命中和未命中時(shí)處理與寫回法基本相同，只是第一次寫命中時(shí)還需要同時(shí)寫入主存，這種策略主要用于某些處理器的片內(nèi)Cache.1.5

\o"常用I/O接口與設(shè)備"常用I/O接口與設(shè)備

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，"接口"是指中央處理器（CPU）、內(nèi)存和外部設(shè)備，兩種外部設(shè)備間或兩種機(jī)器之間通過(guò)總線連接的邏輯部件。接口部件在它所連接的兩部件之間起著"轉(zhuǎn)換器"的作用，以便實(shí)現(xiàn)彼此之間的信息傳送。

外部設(shè)備有自己的設(shè)備控制器，它一方面通過(guò)接口接收CPU傳送的信息，并把這些信息傳送到設(shè)備。另一方面從設(shè)備讀出信息傳送給接口，然后由接口送給CPU.由于外部設(shè)備種類繁多并且速度不同，所以每種設(shè)備都有適應(yīng)它自己工作特點(diǎn)的設(shè)備控制器。為了使所有的外部設(shè)備能夠兼容，并能在一起工作，通常在總線和每個(gè)外部設(shè)備的設(shè)備控制器之間使用一個(gè)適配器（接口）電路，從而保證外部設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性所要求的形式發(fā)送和接收信息。接口邏輯通常做成標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)應(yīng)不同的輸入輸出控制方式，由不同的標(biāo)準(zhǔn)接口。1.5.1

\o"I/O接口管理"I/O接口管理

1.接口的功能

CPU與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)往往存在速度、時(shí)序、信息格式和信息類型的不匹配，接口的作用是彌補(bǔ)這些不匹配，所以必須具備下述功能。

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。不同類型的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換過(guò)程才能被對(duì)方識(shí)別和接收。

（2）數(shù)據(jù)緩沖與時(shí)序配合。在接口電路中，一般設(shè)置幾個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器，從而使接口具備一定的緩沖存儲(chǔ)能力，以補(bǔ)償各種設(shè)備在速度上與CPU的差異。

（3）提供外部設(shè)備和接口的狀態(tài)。在接口線路中設(shè)置設(shè)備和接口狀態(tài)寄存器，CPU可以通過(guò)讀取其內(nèi)容了解外部設(shè)備和接口線路的工作狀態(tài)，調(diào)整對(duì)外部設(shè)備及數(shù)據(jù)接口的指令。狀態(tài)信息包括"準(zhǔn)備就緒"、"忙"及"錯(cuò)誤"等，供CPU詢問(wèn)外部設(shè)備進(jìn)行分析。

（4）實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間的通信聯(lián)絡(luò)控制。包括設(shè)備選擇、操作時(shí)序的控制與協(xié)調(diào)、中斷的請(qǐng)求與批準(zhǔn)、主機(jī)命令與I/O設(shè)備狀態(tài)的交換與傳遞。因此每個(gè)接口電路都有一個(gè)專門的設(shè)備選擇電路和中斷控制線路。

（5）電平匹配和負(fù)載匹配?？偩€信號(hào)電平通常是與TTL兼容的，而外設(shè)的I/O信號(hào)有TTL電平和其它規(guī)格電平。當(dāng)電平不同時(shí)，需經(jīng)過(guò)接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在信號(hào)電平相同的情況下，若總線負(fù)載能力不足，需經(jīng)過(guò)接口電路增強(qiáng)總線的驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到負(fù)載匹配，系統(tǒng)才能正常工作。

（6）程序中斷。主要包括向處理器申請(qǐng)中斷，向處理器發(fā)出中斷類型號(hào)，中斷優(yōu)先權(quán)的管理等。

2.接口的組成

不同外設(shè)對(duì)應(yīng)的接口是不同的，但不論哪種接口，都必須具有以下基本部件。

（1）數(shù)據(jù)緩沖寄存器。用來(lái)暫時(shí)存放輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)或CPU輸出的數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)輸入緩沖寄存器和數(shù)據(jù)輸出緩沖寄存器兩種。利用這種寄存器，可以在高速工作的CPU和慢速工作的外設(shè)之間起協(xié)調(diào)、緩沖和控制作用。

（2）控制寄存器。用于存放處理器發(fā)過(guò)來(lái)的控制命令和其它信息，以確定接口電路的工作方式和功能?？刂萍拇嫫魇菍懠拇嫫?，其內(nèi)容只能由處理器寫入，而不能讀出。

（3）狀態(tài)寄存器。用于保存外設(shè)或接口本身的當(dāng)前工作狀態(tài)信息，每一種狀態(tài)通常在狀態(tài)寄存器中占一位，該寄存器的內(nèi)容一般只能被CPU讀出。

（4）內(nèi)部定時(shí)與控制邏輯。用來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部工作所需的定時(shí)信號(hào)，并根據(jù)CPU的命令產(chǎn)生控制外設(shè)實(shí)現(xiàn)具體操作的控制信號(hào)。圖1-9

I/O接口的基本組成

圖1-9是接口電路的基本結(jié)構(gòu)框圖。由于接口電路介于CPU和外設(shè)之間，它既要面對(duì)CPU又要面對(duì)外設(shè)。因此，在邏輯結(jié)構(gòu)上分為兩部分，一部分與CPU相連接，這部分面向主機(jī)的邏輯是標(biāo)準(zhǔn)的邏輯，不同的接口差異不是很大。另一部分與外設(shè)相連接，這部分是非標(biāo)準(zhǔn)的，隨所連接的外設(shè)不同而差異較大。

此外，為了支持接口邏輯，系統(tǒng)要設(shè)置總線收發(fā)器增加總線驅(qū)動(dòng)能力。接口芯片工作時(shí)需要先選中芯片，所以系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置地址譯碼電路，將系統(tǒng)提供的地址翻譯成對(duì)接口的片選信號(hào)。

3.接口的分類

接口的類型取決于I/O設(shè)備的類型、I/O設(shè)備對(duì)接口的要求和CPU與I/O接口之間信息交換的方式等因素。

（1）按照數(shù)據(jù)傳輸寬度分類。

①并行接口。各位數(shù)據(jù)都是并行傳送，它以字節(jié)（字）為單位與I/O設(shè)備或被控對(duì)象進(jìn)行信息交換。一般當(dāng)I/O設(shè)備本身是按照并行方式工作，并且主機(jī)與外部設(shè)備之間距離較近時(shí)，選用并行接口。

②串行接口。在接口與I/O設(shè)備之間按照每次傳送一位的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，該接口必須設(shè)置具有移位功能的數(shù)據(jù)緩沖器，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的并\串轉(zhuǎn)換。一般的低速I/O設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備以及通信系統(tǒng)的終端采用串行接口。

（2）按操作的節(jié)拍分類。

①同步接口。CPU與接口之間，接口與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換都由CPU控制節(jié)拍的協(xié)調(diào)，與CPU的節(jié)拍同步。這種接口控制簡(jiǎn)單，但其操作時(shí)間必須與CPU時(shí)鐘同步。

②異步接口。CPU與I/O設(shè)備之間采用應(yīng)答形式交換信息。連接在總線上的任何兩個(gè)設(shè)備均可交換信息，其中，負(fù)責(zé)控制和支配總線控制權(quán)的設(shè)備叫主設(shè)備，和主設(shè)備交換信息的設(shè)備叫從設(shè)備。在信息交換時(shí)，主設(shè)備發(fā)出交換信息的"請(qǐng)求"信號(hào)，從設(shè)備完成操作后向主設(shè)備發(fā)出"應(yīng)答"信號(hào)。通過(guò)這種一問(wèn)一答的方式逐步完成信息的交換，其中從"請(qǐng)求"到"回答"之間的時(shí)間由完成操作所需的實(shí)際時(shí)間來(lái)決定，與CPU的時(shí)鐘節(jié)拍無(wú)關(guān)。

（3）按信息傳送的控制方式分類?？梢苑譃槌绦蚩刂艻/O接口、程序中斷I/O接口和直接存儲(chǔ)器存?。―MA）接口。1.5.2

\o"輸入設(shè)備"輸入設(shè)備

輸入設(shè)備用于從外界將數(shù)據(jù)、程序輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，供計(jì)算機(jī)處理。主要包括鍵盤、鼠標(biāo)、筆輸入設(shè)備、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、聲音輸入設(shè)備及視頻輸入設(shè)備等。

（1）鍵盤。通過(guò)鍵盤可以將字母、數(shù)字等信息輸入到計(jì)算機(jī)中，控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行相關(guān)的操作。PC機(jī)鍵盤可以分為外殼、按鍵和電路板三部分。按鍵的結(jié)構(gòu)可分為觸點(diǎn)式（機(jī)械式）和無(wú)觸點(diǎn)式（電容式）兩大類，早期鍵盤都屬于機(jī)械式，手感差、手指易疲勞、鍵盤磨損快、故障率高，現(xiàn)已不多見(jiàn)。目前常用鍵盤都屬于電容式，手感好、擊鍵聲音小、無(wú)接觸、壽命較長(zhǎng)。

（2）鼠標(biāo)。一種指示設(shè)備，能方便地控制屏幕上的鼠標(biāo)箭頭準(zhǔn)確地定位在指定的位置處，并通過(guò)按鈕完成各種操作。鼠標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率，用dpi（dotperinch）表示，它指鼠標(biāo)每移動(dòng)一英寸時(shí)光標(biāo)在屏幕上所通過(guò)的像素?cái)?shù)目，分辨率越高，性能就越好。常用鼠標(biāo)器按照結(jié)構(gòu)可分為機(jī)械式鼠標(biāo)、光電式鼠標(biāo)和光機(jī)式鼠標(biāo)三類，它們的價(jià)格逐漸提升，但性能、精度逐漸提高。

（3）筆輸入設(shè)備。俗稱"手寫筆",一般由兩部分組成，一部分是與主機(jī)相連接的基板，上面有連接線，接在主機(jī)的串行口（或PS/2口、USB口）。另一部分是在基板上寫字的"筆".用戶用筆在基板上寫字、畫(huà)畫(huà)，可以完成信息的輸入工作，用筆在基板上控制鼠標(biāo)箭頭，則可以完成相關(guān)的命令操作。手寫筆可以分為電阻式手寫筆、電磁感應(yīng)式手寫筆和電容觸控式手寫筆三大類。電阻式分辨率低、穩(wěn)定性差。電磁感應(yīng)式真實(shí)感強(qiáng)，但容易受周圍電器設(shè)備干擾。電容觸控式使用手指和筆都能操作，使用方便，性能穩(wěn)定。

（4）掃描儀。一種將原稿（圖片、照片、底片及書(shū)稿）輸入計(jì)算機(jī)的設(shè)備。掃描儀種類繁多，按照不同的準(zhǔn)則，可分為不同的類型。按掃描儀處理對(duì)象分，有反射式和投射式兩種。按掃描儀結(jié)構(gòu)來(lái)分，有手持式、平板式、膠片專用和滾筒式等。掃描儀的性能指標(biāo)，包括分辨率、色彩位數(shù)、感光器件、掃描幅面和與主機(jī)的接口等。

（5）數(shù)碼相機(jī)。又稱數(shù)字相機(jī)，是一種介于傳統(tǒng)相機(jī)和掃描儀之間的產(chǎn)品，它不需要膠卷和暗房，就能直接將二維/三維景物進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)相機(jī)有很多相似之處，不同之處在于它不使用光敏鹵化銀膠片成像，而是直接在成像芯片上成像。成像芯片是數(shù)碼相機(jī)的核心，常用的成像芯片有CCD和CMOS兩種。數(shù)碼相機(jī)的存儲(chǔ)器都是用閃存做成，稱為閃存卡或存儲(chǔ)卡，包括SM卡、CF卡、MMC卡、SD卡和XD卡等，它們一般不能互相通用。

（6）聲音輸入設(shè)備。包括前端設(shè)備和后端設(shè)備兩部分，前端設(shè)備包括麥克風(fēng)和MIDI輸入設(shè)備等，用于采集聲音信號(hào)，后端設(shè)備包括聲音卡等，它對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制的數(shù)字形式。

（7）視頻輸入設(shè)備。包括前端設(shè)備和后端設(shè)備兩部分，前端設(shè)備包括數(shù)字?jǐn)z像頭（機(jī)），用于采集視頻信號(hào)，后端設(shè)備包括視頻卡等，它對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制的數(shù)字形式。1.5.3

\o"輸出設(shè)備"輸出設(shè)備

輸出設(shè)備用以將計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果信息，轉(zhuǎn)換成外界能夠識(shí)別和使用的數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音及電壓等信息形式。主要包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、聲音輸出設(shè)備、和視頻輸出設(shè)備等。

（1）顯示器。其功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，最終將文字與圖形顯示出來(lái)。PC機(jī)顯示器由監(jiān)視器和顯示控制卡兩部分組成。顯示器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。球面CRT顯示器、純平CRT顯示器和液晶顯示器。顯示器的主要性能參數(shù)，包括像素與點(diǎn)距、顯示屏的尺寸、顯示器的分辨率、掃描方式和刷新頻率、視頻帶寬、像素的顏色范圍、輻射和環(huán)保、調(diào)節(jié)與控制等。

（2）打印機(jī)。它能把主機(jī)輸出的程序、數(shù)據(jù)、字符及圖形打印在紙上。常用的打印機(jī)包括針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)三種，其價(jià)格逐漸增加，但打印質(zhì)量也逐漸增強(qiáng)。打印機(jī)的性能指標(biāo)主要包括打印精度（分辨率）、打印速度、色彩速度和打印成本等。

（3）繪圖儀?？梢岳L制出復(fù)雜、精確的圖形，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑工程等領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造。繪圖儀一般采用"增量法"繪制圖形。為了使畫(huà)筆移動(dòng)步距所組成的折線盡量逼近欲繪制的直線或曲線，通常使用"插補(bǔ)算法".繪圖儀按其結(jié)構(gòu)形式可分為滾筒式和平臺(tái)式兩種，滾筒式速度慢、精度不高。平臺(tái)式是速度快、精度高，應(yīng)用廣泛。

（4）聲音輸出設(shè)備。主要包括MIDI音樂(lè)合成器、三維環(huán)繞聲生成器及音箱。其中MIDI音樂(lè)合成器把MIDI文件轉(zhuǎn)換成為波形信號(hào)，MIDI合成器包括數(shù)字調(diào)頻合成器（FM）和PCM波形合成器兩種。三維環(huán)繞聲生成器可以利用雙聲道立體聲系統(tǒng)重現(xiàn)實(shí)際三維聲場(chǎng)的空間寬度、深度、層次及臨場(chǎng)感，具有很強(qiáng)的感染力。三維環(huán)繞聲技術(shù)有多種，包括SRS、Space均衡器技術(shù)、Q-Sound和Spatializer等，其中最為流行的是SRS.音箱處于聲音輸出設(shè)備的最前端，可以將電信號(hào)還原成為聲音信號(hào)，分為無(wú)源音箱和有源音箱兩大類，目前PC機(jī)使用的主要是有源音箱。

（5）視頻輸出設(shè)備。視頻投影儀也叫做多媒體投影儀，它是一種重要的視頻輸出設(shè)備。投影儀主要通過(guò)三種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們分別是CRT投影技術(shù)、LCD投影技術(shù)以及DLP投影技術(shù)。主要性能指標(biāo)，包括亮度、分辨率、光能量、燈泡壽命、水平掃描頻率、垂直掃描頻率及梯形校正等。1.6

\o"系統(tǒng)性能指標(biāo)"系統(tǒng)性能指標(biāo)

本節(jié)主要介紹系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的有關(guān)參數(shù)。1.6.1

\o"可靠性相關(guān)概念"可靠性相關(guān)概念

可靠性用平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）來(lái)度量，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平均能夠正常運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，才發(fā)生一次故障。系統(tǒng)可靠性越高，平均無(wú)故障時(shí)間就越長(zhǎng)。可維護(hù)性用平均維修時(shí)間（MTTR）來(lái)度量，即系統(tǒng)發(fā)生故障后維修和重新恢復(fù)正常運(yùn)行平均花費(fèi)的時(shí)間，系統(tǒng)的可維護(hù)性越好，平均維修時(shí)間越短。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用性是系統(tǒng)保持正常運(yùn)行時(shí)間的百分比，定義為：MTTF/（MTTF+MTTR）×100%.

用戶容易對(duì)可靠性和可用性產(chǎn)生混淆，二者的重要區(qū)別是系統(tǒng)是可維修的還是不可維修的?？煽啃酝ǔ５陀诳捎眯裕?yàn)榭煽啃砸笙到y(tǒng)在整個(gè)[0,t]時(shí)間段內(nèi)都必須正常運(yùn)行。而對(duì)于可用性的要求就沒(méi)有那么高，系統(tǒng)可以發(fā)生故障，然后在時(shí)間段[0,t]內(nèi)修復(fù)。1.6.2

\o"可靠性計(jì)算"可靠性計(jì)算

計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，而且影響其可靠性的因素很多，所以很難直接進(jìn)行可靠性分析，一般都是把系統(tǒng)簡(jiǎn)化，然后抽象成一些常用模型的組合。常見(jiàn)的可靠性模型包括以下三種。

（1）串聯(lián)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，任一組成單元失效就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，其框圖如圖1-10所示，假定各單元統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，則其可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式中：Ra表示系統(tǒng)的可靠度，Ri表示第i單元可靠度。

（2）并聯(lián)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，所有組成單元都失效時(shí)系統(tǒng)才失效，其框圖如圖1-11所示，假定各單元統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，則其可靠性數(shù)學(xué)模型為。圖1-10

串聯(lián)系統(tǒng)

圖1-11并聯(lián)系統(tǒng)

式中Ra表示系統(tǒng)的可靠度，F(xiàn)i表示第i單元不可靠度。Ri表示第i單元可