第1章 計(jì)算機(jī)技術(shù)概述

第1章計(jì)算機(jī)技術(shù)概述思考：還有哪些領(lǐng)域不用計(jì)算機(jī)？1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史阿蘭?麥席森?圖靈計(jì)算機(jī)科學(xué)之父人工智能之父現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)之父約翰?馮?諾依曼計(jì)算機(jī)狂人蘋(píng)果教父史蒂夫?喬布斯1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史（1946年～1958年）（1959年～1964年）第1代：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代第2代：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代第3代：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1965年～1970年）第4代：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1971年～至今）趨勢(shì)：第五代計(jì)算機(jī)是把信息采集、存儲(chǔ)、處理、通信同人工智能結(jié)合在一起的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.1基本組成1.計(jì)算機(jī)有5大組成部分2.計(jì)算機(jī)內(nèi)部直接用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算3.程序存儲(chǔ)和程序控制原理美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.2二進(jìn)制編碼原因：1）二值器件（如開(kāi)/關(guān)）物理上容易實(shí)現(xiàn)；

2）“是”和“否”二種狀態(tài)的判斷最為簡(jiǎn)單和穩(wěn)定

3）便于算術(shù)和邏輯運(yùn)算、運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單

十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制規(guī)則逢十進(jìn)一逢二進(jìn)一逢十六進(jìn)一基數(shù)10216數(shù)符0,1,…,90,10,1,…,9,A,B,…,F位權(quán)10i2i16i表示DBH常用進(jìn)制1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.2二進(jìn)制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換①十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成其他進(jìn)制數(shù)——采用“除以基數(shù)逆序取余”法237218292422210……余1……余0……余1……余0……余0……余1高位低位16101416631630……余6……余15(F)……余3高位低位將十進(jìn)制數(shù)37轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)將十進(jìn)制數(shù)1014轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.2二進(jìn)制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換②其他進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)——采用“按權(quán)展開(kāi)累加”法將二進(jìn)制數(shù)1110101B轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)將十六進(jìn)制數(shù)57CAH轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)1110101B＝1×26＋1×25＋1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＝64＋32＋16＋0＋4＋0＋1

＝11757CAH＝5×163＋7×162＋12×161＋10×160

＝5×4096＋7×256＋12×16＋10×1

＝224741.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.2二進(jìn)制編碼數(shù)制的轉(zhuǎn)換③二進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)間的互換——采用“8421”法將二進(jìn)制數(shù)11010011101B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)將十六進(jìn)制數(shù)A2C7H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)因?yàn)?3=8、22=4、21=2、20=1，二進(jìn)制數(shù)1111B=15，而十六進(jìn)制數(shù)FH=15，因此4位二進(jìn)制數(shù)正好對(duì)應(yīng)1位十六進(jìn)制數(shù)。01101001110169DA

2

C

710100010110001111.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.2二進(jìn)制編碼提示

數(shù)制轉(zhuǎn)換也可以采用Windows自帶的“計(jì)算器”程序來(lái)實(shí)現(xiàn)1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.3存儲(chǔ)程序

計(jì)算機(jī)是利用“存儲(chǔ)器”（內(nèi)存）來(lái)存放所要執(zhí)行的程序的，而稱之為CPU的部件可以依次從存儲(chǔ)器中取出程序中的每一條指令，并加以分析和執(zhí)行，直至完成全部指令任務(wù)為止。地址101000101地址210100001地址300101010地址410100110地址………地址n00001111存儲(chǔ)單元的地址編碼數(shù)據(jù)（指令、各類信息數(shù)據(jù)）是如何存放在存儲(chǔ)器中的？按地址去尋找、訪問(wèn)存儲(chǔ)單元里的內(nèi)容一個(gè)存儲(chǔ)單元即一個(gè)字節(jié)(8位)1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.3存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)器按其存取信息的方式可分為兩類：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：地址按線性排列，CPU按地址在極短的時(shí)間內(nèi)找到該存儲(chǔ)單元的位置。順序存取存儲(chǔ)器：只能按順序存取，對(duì)各個(gè)單元的存取時(shí)間不同，總體速度比較慢。1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.4指令系統(tǒng)

“存儲(chǔ)程序控制”原理：每個(gè)問(wèn)題的解算步驟（程序）連同它所處理的數(shù)據(jù)都使用二進(jìn)制表示，并預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中。由于計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí)“機(jī)器語(yǔ)言”，所有通過(guò)輸入設(shè)備輸入的指令都首先由計(jì)算機(jī)“翻譯”成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的機(jī)器指令，再根據(jù)指令的順序逐條執(zhí)行。指令：用來(lái)指揮硬件動(dòng)作的命令指令組成：操作碼（指明計(jì)算機(jī)執(zhí)行何種操作）、地址碼（指明參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在內(nèi)存或I/O設(shè)備的位置）指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有指令的集合。指令的執(zhí)行：取指令→分析指令→執(zhí)行指令→存操作結(jié)果1.2計(jì)算機(jī)組成和工作原理1.2.4指令系統(tǒng)每個(gè)計(jì)算機(jī)工作時(shí)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)數(shù)據(jù)，按指令的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)處理。程序在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過(guò)程1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.1數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單位

B、KB、MB、GB、TB1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B★1024(210)進(jìn)位在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)和運(yùn)算的，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單位有位、字節(jié)和字。位（bit）字節(jié)（byte）字（word）1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.2西文字符在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，目前西文字符主要采用ASCII碼，它是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。ASCII碼有7位基本ASCII碼（詳見(jiàn)表1-2）和8位擴(kuò)展ASCII碼兩種。

基本ASCII碼：只包含128個(gè)代碼，每個(gè)代碼用7位二進(jìn)制來(lái)表示，占1個(gè)字節(jié)的低7位，最高位用0填充。字符ASCII十六進(jìn)制表示S0101001151ht0111010074hu0111010175hd0110010064he0110010165hn0110111067ht0111010074h

單詞Student在計(jì)算機(jī)中的表示1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.3漢字在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)

在漢字的情況較西文復(fù)雜表現(xiàn)在:?一個(gè)字節(jié)(28)只有256個(gè)編碼狀態(tài),不足以表示常用漢字的數(shù)量。?如果用雙字節(jié)(28×28＝65536)，必須在編碼技術(shù)上采用其他的一些措施與單字節(jié)的ASCII碼區(qū)分(如字節(jié)的最高位置1等)

國(guó)標(biāo)碼（GB2312-80）——在ASCII碼的基礎(chǔ)上，為6763個(gè)常用漢字和682個(gè)其他符號(hào)規(guī)定了2字節(jié)的代碼（每個(gè)字節(jié)的最高位是0）。

機(jī)內(nèi)碼——國(guó)標(biāo)碼在計(jì)算機(jī)內(nèi)容易與ASCII碼產(chǎn)生混淆，因此將兩個(gè)字節(jié)的最高為置成“1”，形成機(jī)內(nèi)碼。

如：“巧”，國(guó)標(biāo)碼是00111001B（39H）、01000001B（41H）

機(jī)內(nèi)碼是10111001B（B9H）、11000001B（C1H）

其他編碼：GBK、GB18030、BIG5、UCS、BMP、Unicode等。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.3漢字在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)

輸入碼——為將漢字輸入到計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的編碼。輸出碼（字形碼）——為了漢字的顯示或打印而設(shè)計(jì)的編碼。漢字字形主要有點(diǎn)陣和矢量?jī)煞N表示方法。其中點(diǎn)陣字形是用一個(gè)排列成方陣的點(diǎn)的黑白來(lái)描述漢字例如，16×16漢字點(diǎn)陣有256個(gè)點(diǎn)，需要256位二進(jìn)制位來(lái)表示一個(gè)漢字的字形碼，占用字節(jié)為：16*16/8=32B1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.4圖像信息在計(jì)算機(jī)中的

圖像信息是由構(gòu)成圖像各個(gè)部分的顏色、深淺等因素組成，圖像被分割得愈細(xì)，愈能完整地表示各部分信息內(nèi)容。

圖像分解為X行Y列，這樣該圖像就有了X*Y個(gè)“點(diǎn)”（稱為像素），用3個(gè)字節(jié)分別來(lái)表示每個(gè)點(diǎn)的“紅、綠、藍(lán)”（RGB）三原色的信息，每個(gè)字節(jié)有0-255的不同編碼，表示了某種顏色的深淺程度。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示1.3.5聲音信息在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)

聲音是一種具有一定的振幅和頻率且隨時(shí)間變化的聲波，通過(guò)話筒等轉(zhuǎn)化裝置可將其變成相應(yīng)的電信號(hào)，但這種電信號(hào)是一種模擬信號(hào)，即連續(xù)變化的信號(hào)，不能由計(jì)算機(jī)直接處理。聲音的模擬信號(hào)采樣量化編碼聲音的數(shù)字信號(hào)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

主機(jī)軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)（Windows、Linux、UNIX等）系統(tǒng)服務(wù)程序（診斷程序等）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和語(yǔ)言處理程序軟件應(yīng)用軟件（辦公軟件、輔助設(shè)計(jì)工具、網(wǎng)絡(luò)通信軟件等）外部設(shè)備輸入設(shè)備（鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、光筆、掃描儀等）輸出設(shè)備（顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音箱等）外存儲(chǔ)器（硬盤(pán)、光盤(pán)、優(yōu)盤(pán)等）其他設(shè)備（聲卡、網(wǎng)卡、顯卡等）內(nèi)存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）中央處理器（CPU）運(yùn)算器控制器、寄存器等硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

1、中央處理器（CPU）中央處理器將運(yùn)算器和控制器集成在同一個(gè)芯片中。它是一個(gè)由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、控制器單元、寄存器組以及內(nèi)部系統(tǒng)總線等單元組成的大規(guī)模集成電路芯片。

CPU是整個(gè)微機(jī)的核心部件，主要任務(wù)是進(jìn)行算術(shù)元算或邏輯運(yùn)算，并組織、指揮和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作可以直接訪問(wèn)內(nèi)存。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

2、存儲(chǔ)器

(1)內(nèi)存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)各種信息存放和交換的中心，當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)必須在內(nèi)存中。按存取方式，內(nèi)存可分為只讀存儲(chǔ)器（ROM）和隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器（RAM）。

計(jì)算機(jī)在使用存儲(chǔ)器時(shí)總是遇到兩個(gè)矛盾：容量不夠大；速度不夠快。

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，可借助兩外兩類存儲(chǔ)器：外部存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

2、存儲(chǔ)器

(2)外存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是存儲(chǔ)容量大，信息能永久保存，但相對(duì)內(nèi)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)存儲(chǔ)速度慢。目前，常用的外存儲(chǔ)器主要有硬盤(pán)、光盤(pán)、可移動(dòng)外存和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

2、存儲(chǔ)器

(3)高速緩沖存儲(chǔ)器又稱“Cache”，介于計(jì)算機(jī)CPU和內(nèi)存之間，因此稱之為“緩沖存儲(chǔ)器”。它能跟得上CPU的運(yùn)行速度，比內(nèi)存要快得多。

綜上所述，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器呈現(xiàn)出一種層次結(jié)構(gòu)的形式，即Cache—Memory—Disk三層結(jié)構(gòu)。最接近CPU的是內(nèi)層高速緩沖存儲(chǔ)器，中間層是內(nèi)存（包括ROM和RAM），外層是輔助存儲(chǔ)器。這樣的層次結(jié)構(gòu)既有利于解決速度問(wèn)題，又有利于解決容量問(wèn)題。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

3、輸入/輸出設(shè)備(1)輸入設(shè)備(2)輸入設(shè)備1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

4、其他設(shè)備聲卡是多媒體計(jì)算機(jī)必需的設(shè)備，它可以用來(lái)錄音和放音，帶有接揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的插口。調(diào)制解調(diào)器（Modem）是計(jì)算機(jī)通過(guò)普通電話線上網(wǎng)的設(shè)備。網(wǎng)卡，又稱網(wǎng)絡(luò)適配器，是計(jì)算機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成

5、常見(jiàn)接口并行接口，指采用并行傳輸方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，速度快但距離短。串行接口，是指數(shù)據(jù)一位位地順序傳送，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，適用于遠(yuǎn)距離通信。USB接口使用USB通用串行總線技術(shù)，為解決現(xiàn)行PC與周邊設(shè)備的通用連接而設(shè)計(jì)的。速度快，支持熱插拔，可獨(dú)立供電。PS/2接口是最常見(jiàn)的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的專用接口，是一種6針的圓型接口。IEEE1394接口是蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)的用于高速傳輸數(shù)據(jù)的串行接口標(biāo)準(zhǔn)。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.4.1計(jì)算機(jī)硬件組成