計算機科學導論PPT完整全套教學課件

第一章

概述第1章概述.pptx第2章計算基礎.pptx第3章計算機系統(tǒng).pptx第4章程序設計基礎.pptx第5章算法.pptx第6章數(shù)據(jù)結構.pptx第7章軟件工程.ppt第8章操作系統(tǒng).pptx第9章數(shù)據(jù)庫基礎.pptx第10章多媒體處理技術.pptx第11章計算機網(wǎng)絡.pptx第12章人工智能.pptx全套PPT課件1.1計算的歷史1.2電子計算機的由來1.3計算機的發(fā)展與應用1.4計算機學科知識圖譜1.5計算系統(tǒng)的層次框架1.6計算機對社會發(fā)展的影響1.7計算機與職業(yè)規(guī)劃1.8計算機職業(yè)道德本章內(nèi)容3《大學計算機—計算思維的視角》（第3版），郝興偉編著.北京：高等教育出版社萊布尼茲計算機(德)帕斯卡加法器(法)計算尺(英)納皮爾籌手工時代機械時代電子時代

1612163216421674183418881937算盤巴貝奇分析機制表機(美國)ENIAC春秋1946.2十指計數(shù)結繩算籌機電式計算機1.1計算的歷史符號是文明的載體

永樂大典(藏于國家圖書館)“興”的數(shù)千年歷史演變數(shù)字符號是

當代文明的載體“興”的Unicode編碼：U+51744數(shù)字符號實例（算子也是數(shù)字符號）基本數(shù)字：3.14159,260字符：中，3，t，@，??字符串：中國多媒體聲音、圖像、視頻、課件科學數(shù)據(jù)（自然產(chǎn)生的）基因組編碼、頻譜人產(chǎn)生的條形碼、二維碼張旭草書生產(chǎn)生活過程所有數(shù)字符號可二進制表示51算籌2最早的計算機

算盤：數(shù)位串行手動執(zhí)行六去四進一七去三進一一下五去四二下五去三三下五去二…………~2400BC,巴比倫3機械式計算機BlaisePascal1623-1662帕斯卡:第一臺機械式加法器(1642)萊布尼茲：乘法自動計算機

（1673）GottfriedLeibniz1646-17163機械式計算機4自動提花編織機

中國的提花編織技術經(jīng)絲綢之路傳到西方后，法國機械師約瑟夫·杰卡德在1801年完成了“自動提花編織機”的設計制作，為提花編織機增加了一種裝置，使其能夠同時操縱1200個編織針，控制圖案的穿孔紙帶后來換成了穿孔卡片，這些穿孔卡片用來說明需要什么顏色的線。自動提花編織機被人們普遍接受后，還派生出一個新的工種——打孔工人，其可以視為最早的“程序錄入員”。該方式后來成為最重要的一種輸入形式。5差分機和分析機英國劍橋大學著名科學家查理斯?巴貝奇(CharlesBabbage：1792—1871年)在1822年研制出第一臺差分機。

Babbage(1792—1871年)5差分機和分析機阿達?奧古斯塔(AdaAugusta：1815—1852年)是計算機領域著名的女程序員。

Ada(1815—1852年)6模擬計算機

模擬計算機是根據(jù)相似原理，用一種連續(xù)變化的模擬量作為被運算對象的計算機。模擬計算機以電子線路構成基本運算部件。由運算部件、控制部件、排題板、輸入輸出設備等組成。在用相似原理求解中，包含了模擬的概念，故稱模擬計算機。它以并行計算為基礎，計算速度快，把功能固定化的運算器適當組合起來，所以程序比較簡單，但解題靈活性比較差。7數(shù)字計算機

數(shù)字式電子計算機是當今世界電子計算機行業(yè)中的主流，其內(nèi)部處理的是一種稱為符號信號或數(shù)字信號的電信號。它的主要特點是“離散”，在相鄰的兩個符號之間不可能有第三種符號存在。由于這種處理信號的差異，使得它的組成結構和性能優(yōu)于模擬式電子計算機。

現(xiàn)代計算機孕育于英國、誕生于美國、并成長遍布于全世界。所謂“現(xiàn)代”是指利用先進的電子技術代替機械或機電技術。現(xiàn)代計算機經(jīng)歷了70多年的發(fā)展（從1945年至今），其中最重要的代表人物是英國科學家阿蘭·圖靈（A.M.Turing）和美籍匈牙利科學家馮·諾依曼（VonNeumann），他們?yōu)楝F(xiàn)代計算機科學奠定了基礎。1.2電子計算機的由來1圖靈和圖靈機

圖靈對現(xiàn)代計算機的主要貢獻有兩個：（1）建立圖靈機（Turingmachine）理論模型；（2）提出定義機器智能的圖靈測試(Turingtest）。AlanTuring（阿蘭.圖靈）1912.6.23-1954.6.7英國數(shù)學家、邏輯學家、密碼破譯專家、計算機之父、人工智能之父

圖靈1936年，阿蘭?圖靈(AlanTuring：1912-1954)在他的一篇具有劃時代意義的論文—《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應用》(OnComputerNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)中，論述了一種假想的通用計算器，也就是理想計算機，被后人稱為“圖靈機”(TuringMachine—TM)。1圖靈和圖靈機

圖靈機不是一種具體的機器，而是一種思想模型，可制造一種十分簡單但運算能力極強的計算裝置，用來計算所有能想象得到的可計算函數(shù)。

圖靈機就是指一個抽象的機器，它有一條無限長的紙帶，紙帶分成了一個一個的小方格，每個方格有不同的顏色。有一個機器頭在紙帶上移來移去。機器頭有一組內(nèi)部狀態(tài)，還有一些固定的程序。在每個時刻，機器頭都要從當前紙帶上讀入一個方格信息，然后結合自己的內(nèi)部狀態(tài)查找程序表，根據(jù)程序輸出信息到紙帶方格上，并轉(zhuǎn)換自己的內(nèi)部狀態(tài)，然后進行移動。

1圖靈和圖靈機2ENIAC和馮·諾依曼1946年2月，美國賓夕法尼亞大學成功研制出了ENIAC，這是世界上第一臺數(shù)字電子計算機。JohnVonNeumann（約翰·馮·諾依曼）1903.12.28-1957.2.8美籍匈牙利人數(shù)學家、化學家、物理學家、發(fā)明家、計算機專家馮?諾依曼思想由二進制替代十進制。采用存儲程序的思想。把計算機從邏輯上劃分為5大部分，即運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出設備。

2ENIAC和馮·諾依曼ENIAC(電子數(shù)字積分計算機）使用17468個電子管，6000多個繼電器，耗電174千瓦，占地170平方米，重達30噸，可謂“龐然大物”。2ENIAC和馮·諾依曼1.計算機的發(fā)展階段第一代計算機(1946~1958)主要特征是邏輯器件使用電子管，用穿孔卡片機作為數(shù)據(jù)和指令的輸入設備，用磁鼓或磁帶作為外存儲器，使用機器語言編程。

1.3計算機的發(fā)展與應用第二代計算機(1958~1964)

主要特征是使用晶體管代替了電子管，內(nèi)存儲器采用了磁芯體，引入了變址寄存器和浮點運算硬件，利用I/O處理機提高了輸入輸出能力。

1.計算機的發(fā)展階段第三代計算機(1964~1971)

主要特征是用半導體、小規(guī)模集成電路(IntegratedCircuit—IC)作為元器件代替晶體管等分立元件，用半導體存儲器代替磁芯存儲器，使用微程序設計技術簡化處理機的結構，這使得計算機的體積和耗電量顯著減小，而計算速度和存儲存量卻有較大提高，可靠性也大大加強。1.計算機的發(fā)展階段第四代計算機(1971年至今)

其主要特征是使用了大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使計算機沿著兩個方向飛速向前發(fā)展。1.計算機的發(fā)展階段

現(xiàn)在很多國家正在研制新一代的計算機，新一代計算機將是微電子技術、光學技術、超導技術、電子仿生技術等多學科相結合的產(chǎn)物。它能進行知識處理、自動編程、測試和排錯，以及用自然語言、圖形、聲音和各種文字進行輸入和輸出。新一代計算機1.計算機的發(fā)展階段2.中國計算機發(fā)展歷程第一代電子管計算機研制(1958~1964)第二代晶體管計算機研(1965~1972)第三代基于中、小規(guī)模集成電路的計算機研制

(1973至20世紀80年代初)2.中國計算機發(fā)展歷程第四代基于超大規(guī)模集成電路的計算機研制(20世紀80年代中期至今)3.芯片卡脖子問題

“芯片”（半導體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱）半導體+集成電路芯片是數(shù)字世界的基石，更是數(shù)字世界與物質(zhì)世界的唯一接口，目前絕大部分的高端制造技術、設計、先進材料等都掌握在少數(shù)發(fā)達國家手中。中國以前可以通過購買芯片解決短缺問題，但美國不斷實施科技制裁和封鎖，比如禁止荷蘭光刻機出口中國，禁止臺積電為華為代工芯片，使得我們購買高端芯片變得異常艱難。為了解決好高端芯片“卡脖子”問題，中國的高端芯片自主研發(fā)已經(jīng)刻不容緩。4.

計算機的應用科學研究和科學計算信息處理生產(chǎn)過程的自動化控制和管理自動化計算機輔助工程辦公自動化數(shù)據(jù)通信智能應用嵌入式系統(tǒng)5計算機的發(fā)展趨勢多元化網(wǎng)絡化多媒體化智能化新型化1.4計算機學科知識圖譜1.5計算系統(tǒng)的層次框架

計算系統(tǒng)就像一個洋蔥，由許多層構成。每一層在整個系統(tǒng)設計中都有自己特定的任務。1計算機對社會發(fā)展的積極影響

計算機對社會發(fā)展的積極影響主要表現(xiàn)在生產(chǎn)力、經(jīng)濟、文化和人類日常生活四個方面。

推動了生產(chǎn)力的發(fā)展；

推動了經(jīng)濟發(fā)展；

促進了文化的傳播和創(chuàng)新；

方便了人們?nèi)粘Ｉ睢?.6計算機對社會發(fā)展的影響

如果不能正確使用計算機，同樣會帶來很多危害，下面列舉一些常見的計算機給社會發(fā)展帶來的消極影響。

淡化人與人之間的關系；影響人們的身心健康；導致計算機犯罪率上升。2計算機對社會發(fā)展的消極影響職業(yè)選擇和職業(yè)規(guī)劃是每個大學生都要面臨的一個最重要的題。結合計算機學科培養(yǎng)的基本能力，認識自己的興趣、氣質(zhì)和性格，了解以計算機為核心的IT行業(yè)職業(yè)類型和特點，可以有效地增加職業(yè)選擇的針對性，提高職業(yè)規(guī)劃的合理性。計算機學科培養(yǎng)的基本能力IT職業(yè)分類職業(yè)生涯規(guī)劃1.7計算機與職業(yè)規(guī)劃

從事計算機領域工作需要的基本能力有：熟練運用計算機學科領域的核心技術和概念；系統(tǒng)地分析、確定和闡明用戶的需求；設計并實施高效實用的信息技術解決方案。1.7計算機與職業(yè)規(guī)劃計算機的使用人員分為兩種類型：計算機從業(yè)人員（主要是指開發(fā)計算機軟件的專業(yè)人員）；計算機普通用戶。1.8計算機職業(yè)道德

計算機從業(yè)人員道德

愛崗敬業(yè)；誠實守信；辦事公道；熱情服務；奉獻社會。小結（1）計算的歷史；（2）電子計算機的由來；（3）計算機的應用領域及發(fā)展趨勢；（4）計算機學科知識圖譜（5）計算系統(tǒng)的層次框架；（6）計算機對社會發(fā)展的影響；（7）計算機與職業(yè)規(guī)劃；（8）計算機職業(yè)道德1.計算機能思維么？2.通過視頻了解國外大學計算機教育教學的情況。（選做）網(wǎng)上與很多視頻公開課（），涵蓋了各個學科。要求至少觀看3門以上公開課的第一講和第二講，然后根據(jù)觀看的情況回答以下問題：

你比較喜歡哪位主講人的教學風格，為什么？

你比較認可哪門課的教學內(nèi)容，為什么？

我們的教學與國外的區(qū)別主要體現(xiàn)在哪些方面？你最希望的改革是什么？以下推薦幾個與本課程相關的視頻鏈接，也可以選擇其他課程觀看。

哈佛大學公開課：計算機科學導論

/special/lectureroncomputerscience/麻省理工學院公開課：計算機科學及編程理論拓展學習/newview/movie/courseintro?newurl=%2Fspecial%2Fopencourse%2Fbianchengdaolun.html3.查閱資料，簡要介紹至少兩名以上與本課程相關的圖靈獎獲獎者的科學貢獻。

要求：

獲獎者的基本信息和照片。簡要談一談你認為他們獲獎的主要原因。將以上信息整理并制作成幻燈片，進行3-5分鐘的講解。興趣是最好的導師！謝謝！計算機科學導論2.1進位計數(shù)制2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示2.4文本數(shù)據(jù)的二進制表示2.5音頻、圖像、視頻信息的表示第二章計算基礎如何表示數(shù)字？數(shù)制：是用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。進位計數(shù)制:人為定義的帶進位的計數(shù)方法，由數(shù)碼、基數(shù)和位權三部分組成。

數(shù)碼：是組成該數(shù)的所有數(shù)字和字母。

基數(shù)：進位計數(shù)制中所使用的不同基碼的個數(shù)稱為該進位計數(shù)制的基數(shù)。

位權：計算每個數(shù)碼在其所在位置上代表的數(shù)值時所乘的常數(shù)主要操作：查找、排序、插入、刪除2.1進位計數(shù)制思考：日常生活中用到的進位計數(shù)制實例。例如：滿60秒是1分鐘，滿60分鐘是1小時，采用的是六十進制；滿7天是1星期，采用的是七進制；滿12個月是1年，采用的是十二進制等。

滿10毫米是1厘米，滿10厘米是1分米，滿10分米是1米，采用十進制。慢1000米是1Km，是1000進制。

滿1000毫克是1克，滿1000克是1千克，是1000進制。2.1進位計數(shù)制進位計數(shù)制特點（以N進制為例）：

（1）逢N進一，借一當N。N是指基數(shù)。也就是說，每位計滿N時向高位進一，向高位借一相當于低位的N。例如，十進制計數(shù)，基數(shù)為10，有“逢十進一，借一當十”的規(guī)律。

（2）位權表示法。處在不同位置上的數(shù)碼所表示的數(shù)值各不相同，每個數(shù)碼的位置決定了它的值。例如，十進制數(shù)323，它的個位和百位上都是數(shù)字3，但個位上的數(shù)字3就代表數(shù)值3，而百位上的數(shù)字3代表數(shù)值300。2.1進位計數(shù)制進位數(shù)制表示的數(shù)可以表示為按位權展開的多項式之和。N進制用的數(shù)碼共有N個，定義數(shù)碼符號集是S，基數(shù)是N，相鄰兩位之間采用“逢N進一”的計數(shù)方法?！?Sk-1Sk-2…S1S0.S-1S-2…S-l)N進制數(shù)所代表的數(shù)值為n=±(Sk-1×Nk-1+Sk-2Nk-2+…+S1N1+S0N0+S-1N-1+S-2N-2+…+S-lN-l)2.1進位計數(shù)制

2.1進位計數(shù)制十進制十進制是生活中常用的進位計數(shù)制，使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個數(shù)碼符號作為數(shù)碼符號集，其基數(shù)為10，相鄰兩位之間采用“逢十進一”的計數(shù)方法。

任意一個十進制數(shù)都可以表示為一個按位權展開的多項式之和。例十進制數(shù)5208.79按位權展開：5208.79＝5103+2102+0101+8100+710-1+910-2其中：103、102、101、100、10-1、10-2分別是千位、百位、十位、個位、十分位和百分位的位權。2.1進位計數(shù)制二進制

二進制的數(shù)碼符號集只有0和1兩個數(shù)碼符號，其基數(shù)是2，相鄰兩位之間采用“逢二進一”的計數(shù)方式。二進制數(shù)11011.1按位權展開為：11011.1＝124+123+022+121+120+12-1八進制

八進制使用0、1、2、3、4、5、6、7八個數(shù)碼符號作為數(shù)碼符號集，其基數(shù)為8，相鄰兩位之間采用“逢八進一”的計數(shù)方式。例如八進制數(shù)5201.7按位權展開：5201.7＝583+282+081+180+78-12.1進位計數(shù)制十六進制

十六進制使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F十六個數(shù)碼符號作為數(shù)碼符號集，其中A、B、C、D、E、F分別對應的十進制數(shù)值為10、11、12、13、14和15，相鄰兩位之間采用“逢十六進一”的計數(shù)方式。十六進制數(shù)52AE.F2按位權展開的多項式之和為52AE.F2＝5163+2162+A161+E160+F16-1+216-2=5163+2162+10161+14160+1516-1+216-2（十進制）2.1進位計數(shù)制（1）N進制轉(zhuǎn)換成十進制

十進制是人們?nèi)粘Ｉ钪斜磉_數(shù)值的常用方法，其他進制的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，可以通過計算按照位權展開的多項式之和的方法來實現(xiàn)。(1011.11)2=123+022+12１+120+12-1+12-2

=8+0+2+1+0.5+0.25=(11.75)10

(256)8=282+581+680=(174)10(10D.8C)16=1162+0161+D160+816-1+C16-2 =1162+016113160+816-1+1216-2

=256+0+13+0.5+0.046875=(269.546875)102.1進位計數(shù)制十進制轉(zhuǎn)換二進制

將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)，需要分兩部分為來考慮，即整數(shù)部分和小數(shù)部分。

對于整數(shù)部分，一個十進制數(shù)可以寫成二進制數(shù)字的不同位權的多項式和。(N)10=An2n+An-12n-1+…+A222+A121+A020上式除以2，得到商是An2n-1+An-12n-2+…+A221+A120，余數(shù)是A0，就是二進制數(shù)的最后一位數(shù)字A0，同理得到的商繼續(xù)除以2，得到商為An2n-2+An-12n-3+…+A220，余數(shù)為A1，是二進制數(shù)的倒數(shù)第二位數(shù)字A1。2.1進位計數(shù)制十進制轉(zhuǎn)換二進制

整數(shù)部分可以利用連續(xù)除以2得到余數(shù)的方法轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，需要連續(xù)除以2直到商為零，然后逆向取各個余數(shù)得到的一串數(shù)位即整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換結果。例如：(56)10=(111000)22.1進位計數(shù)制連續(xù)除以2逆向取余數(shù)（后得到的余數(shù)為結果的高位）十進制轉(zhuǎn)換二進制十進制數(shù)值的小數(shù)部分的值可以表示為如下形式：B-12-1+B-22-2+B-32-3...+B-m2-m+B-m-12-m-1+...

上式乘以2得到B-120+B-22-1+B-32-2+...+B-m2-m+1+B-m-12-m+...，取其整數(shù)部分可以得到B-1，剩下的小數(shù)部分為B-22-1+B-32-2+...+B-m2-m+1+B-m-12-m+...，繼續(xù)乘以2得B-220+B-32-1+...+B-m2-m+2+B-m-12-m+1+...，取整數(shù)部分就可以得到B-2。繼續(xù)乘以2取整數(shù)部分，直到小數(shù)部分為零或已得到足夠多個數(shù)位。2.1進位計數(shù)制十進制轉(zhuǎn)換二進制

正向取積的整數(shù)部分（后得的整數(shù)部分為結果的低位）位組成一串數(shù)位即小數(shù)部分的二進制轉(zhuǎn)換結果。(0.8)10求二進制計算過程如下：

小數(shù)部分

整數(shù)部分 0.8×2=1.60.61 0.6×2=1.20.21 0.2×2=0.40.40 0.4×2=0.80.80（進入循環(huán)過程） 0.8×2=1.60.61 0.6×2=1.20.21

(0.8)10=(0.11001)22.1進位計數(shù)制十進制轉(zhuǎn)換二進制

十進制數(shù)與二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，也可以通過特殊二進制數(shù)值，利用拼湊數(shù)值的方法實現(xiàn)該數(shù)字的二進制展開多項式和，進而得到該數(shù)字的二進制數(shù)字，采用這種方法需要記住一些關鍵的二進制權值。計算整數(shù)357的二進制表示:考慮357大于256且小于512，(357)10=256+101101大于64且小于128，故：(357)10=256+64+3737大于32且小于64，故：(357)10=256+64+32+55可以寫成4和1的和，故：(357)10=256+64+32+4+1

=28+26+25+22+20

=(101100101)22.1進位計數(shù)制十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)和十六進制數(shù)

對整數(shù)部分“連除以基數(shù)取余”，對小數(shù)部分“連乘以基數(shù)取整”的轉(zhuǎn)換方法可以類似地推廣到十進制數(shù)到任意N進制數(shù)的轉(zhuǎn)換中。2.1進位計數(shù)制(369)10=(561)8=(171)16

小數(shù)部分

整數(shù)部分

0.8×8=6.4 0.4 60.4×8=3.2 0.2 30.2×8=1.6 0.6 10.6×8=4.8 0.8 40.8×8=6.4 0.4

6

(0.8)10=(0.63146)8八進制、二進制之間轉(zhuǎn)換 3位二進制數(shù)所能表示的狀態(tài)是8個狀態(tài)，因此1位八進制數(shù)與3位二進制數(shù)之間有著一一對應的關系，可以將1位八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為3位二進制數(shù)。2.1進位計數(shù)制八進制二進制 0000 1001 2010 3011 4100 5101 6110 7111(363.06)8=(011

110

011.000

110)2

(11110010.00100101)2=(011

110

010.001

001

010)2=(362.112)8

注意：整數(shù)部分的最后一組如果不足3位，應該在前邊用0補足3位再進行轉(zhuǎn)換；小數(shù)部分最后一組如果不足3位，應該在尾部用零補足3位再進行轉(zhuǎn)換。十六進制、二進制之間轉(zhuǎn)換

在將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)時，只需從小數(shù)點開始，分別向左和向右每4位一組用1位十六進制數(shù)碼代替即可。整數(shù)部分的最后一組如果不足4位，應該在前邊用0補足4位再進行轉(zhuǎn)換；小數(shù)部分的最后一組如果不足4位，應該在尾部用0補足4位再進行轉(zhuǎn)換。2.1進位計數(shù)制(10010110.101011)2=(1001

0110.1010

1100)2=(96.AC)1616進制2進制 00000 10001 20010 3001116進制2進制 40100 50101 60110 7011116進制2進制 81000 91001 A1010 B101116進制2進制 C1100 D1101 E1110 F1111數(shù)據(jù)的存儲單位

電子計算機硬件主要是由數(shù)字電路組成的，而數(shù)字電路的信息存儲是靠高電平和低電平來表示的，能夠記錄一個高低電平兩種狀態(tài)，代表二進制中的一位信息。

位（bit）：計算機存儲設備的最小存儲單位，表示二進制數(shù)中的一位。一個二進制位可以表示兩種不同的狀態(tài)，即“0”或“1”。

字節(jié)（Byte）：8個二進制位編為一組，稱為一個字節(jié)，是計算機中用于描述存儲容量和傳輸容量的一種計量單位，英文為“Byte”，簡寫為“B”，即1B=8bit。2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式數(shù)據(jù)的存儲單位

字：計算機的一個處理單元能夠處理的一組二進制數(shù)稱為一個計算機的“字”，而這組二進制數(shù)的位數(shù)就是“字長”。字是計算機進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理的單位。字長是計算機的一個重要技術指標，直接反映了一臺計算機的計算精度。2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式

位、字節(jié)和字長之間的關系存儲設備

計算機中用來存儲數(shù)據(jù)的設備稱為計算機的存儲設備，常見的存儲設備有寄存器、內(nèi)存、硬盤、U盤等。

衡量計算機存儲能力的一個重要指標就是存儲容量，指存儲器中可以容納的二進制信息量。在描述存儲信息量的時候，通常以字節(jié)（B）為單位。根據(jù)信息量的大小還有KB，MB,GB,TB等等。問：大家手機的存儲卡的容量是多少？大家個人筆記本電腦的硬盤容量，內(nèi)存容量是多少？2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式存儲設備

2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式存儲單位對應關系數(shù)

量

級bit（位）1bit=一個二進制位1bit=20（100）B（字節(jié)）1B=8bit1B=23KB（千字節(jié)）1KB=1024B1K=210（103）MB（兆字節(jié)）1MB=1024KB1M=220（106）GB（吉字節(jié)）1GB=1024MB1G=230（109）TB（太字節(jié)）1TB=1024GB1T=240（1012）PB（拍字節(jié)）1PB=1024TB1P=250（1015）………………常用的存儲單位和它們之間的對應關系存儲地址

每個存儲設備都是由一系列的存儲單元構成的，為了對存儲設備中的存儲單元進行有效的管理，需要清楚地區(qū)別每個存儲單元，對每個存儲單元進行編號。存儲單元的編號稱為存儲單元的地址。2.2計算機數(shù)據(jù)存儲的組織形式存儲體的結構與存儲單元的地址

計算機只能存放二進制數(shù)，所以所有信息在計算機內(nèi)部都是以二進制代碼的形式存放的。而在現(xiàn)實生活中，數(shù)字出現(xiàn)伴隨而來的就是數(shù)值計算問題，計算結果為一個確切的數(shù)值，并且這個數(shù)值還有可能是小數(shù)，而且數(shù)值有正、負之分。

如何用二進制表示真實世界中的數(shù)字呢？

2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示無符號數(shù)

整個機器字長的全部二進制位均表示數(shù)值位，相當于數(shù)的絕對值。有符號數(shù)

帶有數(shù)碼化的正負號的數(shù)稱為有符號數(shù),習慣上約定機器數(shù)的最高位為其符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示00100100數(shù)值部分8位范圍：0～2550000010010000100正數(shù)符號位數(shù)值部分負數(shù)符號位數(shù)值部分

計算機中常用的數(shù)據(jù)表示格式有兩種，一是定點格式，二是浮點格式。

定點格式：約定機器中所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點位置是固定的。由于約定在固定的位置，所以小數(shù)點就不再使用記號“.”來表示。

計算機中常用的定點數(shù)有兩種，即定點純整數(shù)和定點純小數(shù)。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示假想的小數(shù)點位置xn

xn-1……x2x1x0定點純整數(shù)假想的小數(shù)點位置xn

xn-1……x2x1x0定點純小數(shù)浮點格式

為了擴展數(shù)的表示范圍，按照科學記數(shù)法表示數(shù)據(jù)的方式，任何一個二進制數(shù)都可以表示成如下的格式：

式中,S稱為尾數(shù)，是一個二進制純小數(shù)，表示N的有效數(shù)位；J稱為N的階碼，是一個二進制純整數(shù)，指明了小數(shù)點的實際位置，改變J的值就可以改變數(shù)N的小數(shù)點的位置。該式就是數(shù)的浮點表示形式，其中的尾數(shù)和階碼分別是定點純小數(shù)和定點純整數(shù)。例如：二進制數(shù)1101.11的浮點數(shù)表示形式為0.11011121002.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示N=S

2J

一般書寫所表示的數(shù)據(jù)稱為真值，在計算機中通常把符號位和數(shù)字位一起編碼來表示相應的數(shù)，這些編碼稱為機器碼。常用的機器碼有原碼、反碼、補碼和移碼。原碼：在數(shù)中增加一個符號位，并用0表示數(shù)的正號，用1表示數(shù)的負號。數(shù)值位部分不變，用0和1表示其符號得到的數(shù)的編碼。

二進制數(shù)+11100在計算機中可存為011100

二進制數(shù)-11100在計算機中可存為111100問：8位二進制原碼表示整數(shù)的范圍是什么？2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示

原碼表示簡單易懂，但是在進行加減法運算時比較復雜，當兩個原碼數(shù)相加時，如果符號相同則數(shù)值相加，如果符號相反則數(shù)值相減，而在做減法時還要比較兩數(shù)絕對值的大小，大數(shù)減去小數(shù)，最后還要為結果選擇恰當?shù)姆枴?/p>

為了簡化運算操作，也為了把加法和減法統(tǒng)一起來以簡化運算器的設計，人們找到了補碼表示方法。

2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示

為了說明補碼的原理，在實際生活中，如在對時鐘校對時間時，將時針順時針方向撥8小時與反時針方向撥4小時效果是相同的，即加上8和減去4是一樣的。

這是因為在時鐘表盤上只有12個計數(shù)狀態(tài)，即其模為12，故有8＝-4(MOD12)。

在計算機中，運算器的位數(shù)（字長）總是有限的，即模存在，可以利用補數(shù)實現(xiàn)加減法之間的相互轉(zhuǎn)換。

為了求數(shù)據(jù)的補碼，需要先求出數(shù)據(jù)的反碼。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示反碼：對于正數(shù)，其反碼和原碼一致；對于負數(shù)，其原碼的符號位保持為1不變，將其他位按位求反即可，即將0換為1，將1換為0。例如： +0101100的原碼為00101100，反碼為00101100； -0101100的原碼為10101100，反碼為11010011； -0.0101100的原碼為1.0101100，反碼為1.1010011； +0.0101100的原碼為0.0101100，反碼為0.0101100。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示補碼：求補碼的計算方法，對于正數(shù)，其補碼和原碼一致；對于負數(shù)，先求其反碼，再在反碼最低位加“1”（稱為末位加1）。例如：+0101100的原碼為00101100，反碼為00101100，補碼為00101100；-0101100的原碼為10101100，反碼為11010011，補碼為11010100；-0.0101100的原碼為1.0101100，反碼為1.1010011，補碼為1.1010100；+0.0101100的原碼為0.0101100，反碼為0.0101100；補碼為0.0101100。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示例：計算數(shù)字35、-78，47，-99的原碼、反碼和補碼（數(shù)字用8位二進制數(shù)表示）。35=32+2+1=25+21+20因此，35的原碼為00100011。因為正數(shù)的反碼和補碼與原碼一樣，故35的反碼為00100011，補碼為00100011。78=64+8+4+2=26+23+22+21因此，-78數(shù)字的原碼表示為11001110。因為負數(shù)的反碼為符號位不變，數(shù)值位取反，其反碼表示為10110001。又因為負數(shù)的補碼是在反碼基礎上加1，故-78的補碼為10110010。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示補碼的運算規(guī)律：

補碼是一種重要的編碼形式，因為采用補碼后，可以方便地將減法運算轉(zhuǎn)換成加法運算，使運算過程得到簡化。補碼的加減法運算有以下規(guī)律。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示[X+Y]補=[X]補+[Y]補[X-Y]補=[X]補+[-Y]補例：利用補碼計算20+16=36，結果用8位二進制數(shù)表示。

十進制數(shù)20和16轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，結果為(20)10=(10100)2，(16)10=(10000)2

機器字長為8位，由于正數(shù)的補碼與原碼一致，因此十進制數(shù)20和16的8位二進制補碼表示形式分別為00010100和00010000。由式[20+16]補=[20]補+[16]補可得8位補碼計算的豎式如下：結果的符號位為0，即和為正數(shù)，其補碼與原碼一致。轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)為36，運算結果正確。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示例：利用補碼計算16-20=-4，結果用8位二進制數(shù)表示。

首先將十進制數(shù)20和16轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，結果為(16)10=(10000)2，(20)10=(10100)2

且16-20可以寫成16+(-20)的形式，由減法轉(zhuǎn)換為加法。[16-20]補=[16]補+[-20]補。

假設機器字長為8位，十進制數(shù)16的8位二進制補碼表示形式為00010000；十進制數(shù)-20的8位二進制補碼表示為11101100。結果的符號位為1，即為負數(shù)。將差的補碼再求補碼可以得到其原碼為10000100，轉(zhuǎn)換為十進制為-4，運算結果正確。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示例：利用補碼計算-35-27=-62，結果用8位二進制數(shù)表示。

首先將十進制數(shù)35和27轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，結果為(35)10=(100011)2，(27)10=(11011)2[-35-27]補=[(-35)+(-27)]補=[-35]補+[-27]補[-35]補=11011101，[-27]補=1110010111011101+1110010111000010結果中有最高位向上的進位1，符號位為1，即結果為負數(shù)。其補碼為11000010，結果的原碼為10111110，轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)為-62。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示浮點數(shù)表示

計算機中數(shù)的浮點表示，是指由階碼和尾數(shù)兩個數(shù)字表示浮點。尾數(shù)用定點小數(shù)的形式表示，尾數(shù)部分給出有效數(shù)字的位數(shù)，進而決定了浮點數(shù)的表示精度。階碼用整數(shù)表示，它決定了小數(shù)點在數(shù)據(jù)中的位置，進而決定了浮點數(shù)的表示范圍。

簡單舉例說明采用補碼表示的定點純整數(shù)表示階碼、采用補碼表示的定點純小數(shù)表示尾數(shù)的數(shù)浮點表示方法。格式如下：整個浮點數(shù)由階符、階碼、數(shù)符和數(shù)碼組成。例如，在IBMPC系列微機中，采用4字節(jié)存儲一個實型數(shù)據(jù)，其中階碼占1字節(jié)，尾數(shù)占3字節(jié)。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示例：計算十進制數(shù)128.8125的浮點表示形式，并寫出其浮點表示格式。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示(1)計算十進制數(shù)的二進制表示形式。整數(shù)部分：逆向取余后的結果為10000000.小數(shù)部分：正向取整后的結果為1101。十進制數(shù)128.8125的二進制表示形式，即：(256.8125)10=(10000000.1101)2。(2)將二進制表示形式通過小數(shù)點的移位轉(zhuǎn)換為尾數(shù)和階碼的浮點表示形式:(128.8125)10=(0.10000000110121000)2(3)因為階碼和尾數(shù)均為正數(shù)，所示可直接寫出其浮點表示格式，000010000

1000000110100000000000階符

階碼

數(shù)符

尾數(shù)補充：IEEE754標準的浮點數(shù)格式 IEEE754標準從邏輯上用三元組{S,E,M}來表示一個數(shù)V。

其32位浮點數(shù)中S是浮點數(shù)的符號位，占1bit，安排在最高位。M是尾數(shù)，放在低位部分，占23bit，小數(shù)點位置放在尾數(shù)域最左（最高）有效位的右邊。E是階碼，占8bit，采用移碼方法來表示正、負指數(shù)。2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制形式S（1位）E（8位）M（23位）

尾數(shù)所表示的值是1.M。由于規(guī)格化的浮點數(shù)的尾數(shù)域最左（最高）有效位總是1，因此這一位無須存儲，認為其隱藏在小數(shù)點的左邊。于是用23位字段可以存儲24位有效數(shù)。ASCII字符集

字符編碼是指對輸入到計算機中的字符進行二進制編碼。國際上廣泛采用的字符編碼是ASCII碼。包括在英語語系中用到的52個字母（大、小寫字母各26個）、10個數(shù)字符號、約32個數(shù)學運算符號和其他標點符號等，再加上用于打字機控制的無圖形符號等，共計128個字符。 128個字符分配情況為：0~32及127（共34個）為特殊控制字符，主要用于實現(xiàn)換行、回車等功能；33~126（共94個）為可顯示字符，其中48~57為0~9十個數(shù)字符號，65~90為26個英文大寫字母，97~122為26個英文小寫字母，其余的為一些標點符號、運算符號等。2.4文本數(shù)據(jù)的二進制表示Unicode字符集

ASCII字符集可以表示128個不同的字符，ASCII字符集的擴展版本可以表示256個字符，雖然足夠用來表示英語，但是無法滿足國際需要。

Unicode（又稱統(tǒng)一碼、萬國碼、單一碼）是計算機科學領域里的一個業(yè)界標準，包括字符集、編碼方案等。Unicode是為了解決傳統(tǒng)的字符編碼方案的局限性而產(chǎn)生的，它為每種語言中的每個字符設定了統(tǒng)一且唯一的二進制代碼，以滿足跨語言、跨平臺進行文本轉(zhuǎn)換、處理的要求。2.4文本數(shù)據(jù)的二進制表示漢字編碼

漢字屬于圖形符號，結構復雜，多音字和多義字比例比較大，并且漢字數(shù)量較多。漢字編碼處理和西方文字有很大的區(qū)別，由于漢字數(shù)量多，編碼比拼音文字困難，在鍵盤上難以表現(xiàn)，輸入和處理都比較難，因此漢字的輸入、處理、存儲和輸出都需要使用不同的編碼。漢字輸入碼：也稱機外碼，主要解決如何使用西方文字標注鍵盤將漢字輸入到計算機中的問題。主要有數(shù)字碼，拼音碼，字形碼等。字形碼（漢字庫）：字形碼是指文字信息的輸出編碼，即通常所說的漢字字形庫，是使用計算機時顯示或打印漢字的圖像源。目前表示漢字字形常用點陣字形和矢量字庫。2.4文本數(shù)據(jù)的二進制形式處理碼：也稱機內(nèi)碼、漢字ASCII碼、內(nèi)碼，是指計算機內(nèi)部存儲、處理加工和傳輸漢字時所用的由0和1符號組成的編碼。交換碼：不同的具有漢字處理功能的計算機系統(tǒng)之間在交換漢字信息時所使用的代碼標準。2.4文本數(shù)據(jù)的二進制形式十進制十六進制二進制區(qū)位碼45，822DH，52H00101101B,01010010B國標碼77,1144DH，72H01001101B,01110010B機內(nèi)碼205，242CDH，F(xiàn)2H11001101B,11110010B漢字“萬”的編碼漢字內(nèi)碼：一個漢字占2個字節(jié)，每個字節(jié)的最高位是“1”漢字的編碼轉(zhuǎn)換：漢字各種編碼之間的關系2.4文本數(shù)據(jù)的二進制表示音頻信息數(shù)字化2.5音頻、圖像、視頻信息表示聲音的模擬信號采樣量化編碼聲音的數(shù)字信號（1）采樣是每隔一定時間間隔對模擬波形上取一個幅度值，把時間上的連續(xù)信號變成時間上的離散信號。（2）量化是指將每個采樣點得到的表示聲音強弱的模擬電壓的幅度值變成離散的、有限的數(shù)值。（3）編碼是指將采樣和量化后的數(shù)字數(shù)據(jù)以一定的格式記錄下來。圖像信息：

在計算機中，存儲和處理的都是數(shù)字圖像信號，顏色通常用RGB(Red-Green-Blue)值表示，這其實是3個數(shù)字，說明了每種原色的相對份額。RGB值的概念引出了三維顏色空間。數(shù)字圖像的紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）顏色空間。2.5音頻、圖像、視頻信息的表示2.5音頻、圖像、視頻信息的表示圖：cameraman灰度圖像和其左上角10×10大小的圖像塊中每個像素的像素值數(shù)字圖像文件格式：

BMP格式，JPG格式，PNG格式，GIF格式等等。視頻文件：視頻是圖像的動態(tài)變化過程。視頻片段中包含許多壓縮的靜態(tài)圖像，每個靜態(tài)圖像可以稱為該視頻的一幀圖像。視頻相對于數(shù)字圖像來說，信息量更大。

視頻流傳輸?shù)闹匾幗獯a標準有H.261、H.263M-JPEG和MPEG系列標準。2.5音頻、圖像、視頻信息的表示數(shù)值的計數(shù)方法一般采用進位計數(shù)制，因此我們介紹了進位計數(shù)制，特別是二進制、八進制、十進制和十六進制，并且介紹了各進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。數(shù)字數(shù)據(jù)的二進制表示，介紹了數(shù)的定點表示方法和浮點表示方法，并且介紹了數(shù)字的原碼、反碼、補碼等。文本數(shù)據(jù)的二進制表示，首先介紹了常用的字符集，即ASCII字符集和Unicode字符集。以及漢字的編碼。多媒體音頻、圖像、視頻信息的表示。2.6本章小結計算機科學導論第三章計算機系統(tǒng)3.1計算機系統(tǒng)結構3.2計算機硬件系統(tǒng)3.3計算機軟件系統(tǒng)3.4計算機性能指標3.5我國的超級計算機計算機系統(tǒng)

在計算機發(fā)展初期，美籍匈牙利科學家馮·諾依曼最先提出存儲程序的設計思想，并成功將其運用到計算機的設計之中，根據(jù)這一原理制造的計算機被稱為馮·諾依曼結構計算機。由于對現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展做出了突出貢獻，馮·諾依曼被稱為“現(xiàn)代計算機之父”。

馮·諾依曼提出了在數(shù)字計算機內(nèi)部的存儲器中存放程序的概念（StoredProgramConcept），這種結構是所有現(xiàn)代電子計算機的模板，被稱為“馮·諾依曼結構”，按這一結構制造的計算機稱為存儲程序計算機（StoredProgramComputer），又稱為通用計算機。3.1計算機系統(tǒng)結構1945年6月馮·諾依曼在一篇論文中第一次提出了計算機三個主要思想：計算機由五大部件組成

存儲程序的設計思想程序和數(shù)據(jù)采用二進制數(shù)表示

指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲器中目前絕大多數(shù)計算機仍建立在這個思想的基礎上，稱之馮·諾依曼型計算機。3.1計算機系統(tǒng)結構3.1計算機系統(tǒng)結構馮·諾依曼結構計算機系統(tǒng)結構一個完整的計算機系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分3.1計算機系統(tǒng)結構

計算機硬件系統(tǒng)：構成計算機的所有實體部件的集合，通常這些部件由電子、機械和光電元器件等物理部件組成。

直觀地看，計算機硬件是看得見、摸得著的一大堆設備，是計算機進行工作的物質(zhì)基礎，也是計算機軟件發(fā)揮作用、施展其技能的舞臺。

計算機硬件系統(tǒng)由控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成。

按照規(guī)?；蛱幚砟芰Σ煌?，可以分為巨型機、大型機、小型機、微型機、個人PC等。3.2計算機硬件系統(tǒng)3.2計算機硬件系統(tǒng)個人臺式計算機硬件系統(tǒng)組成硬件

主機箱主板（擴展槽，適配器，接口，總線）中央處理器存儲器（一組內(nèi)存、輔助存儲器）電源輸入輸出設備主機箱3.2計算機硬件系統(tǒng)主機箱內(nèi)部及主板3.2計算機硬件系統(tǒng)主板：安裝在主機內(nèi)最大的PCB，將各種硬件設備通過接口或數(shù)據(jù)線連接在一起，主板上集成了主板芯片組、基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）芯片、輸入/輸出（I/O）控制芯片、CPU插座、內(nèi)存條插槽、PCI-E插槽、PCI插槽、驅(qū)動器接口、面板控制開關接口、面板指示燈接口、電源接口等。CPU-中央處理器

包括運算部件（算術邏輯單元）、控制部件（控制單元）、寄存器部件（快速存儲單元）。（1）運算部件：算術邏輯單元（ALU），是計算機中執(zhí)行各種算術和邏輯運算的部件。（2）控制部件：通過發(fā)送到其他子系統(tǒng)的信號進行各個子系統(tǒng)的控制操作。（3）寄存器部件:用來存放臨時數(shù)據(jù)的高速獨立的存儲單元。3.2計算機硬件系統(tǒng)CPU結構框圖及外觀3.2計算機硬件系統(tǒng)CPU運算器-算術邏輯運算單元（ALU）加、減、乘、除等基本算術運算與、或、非、異或等基本邏輯運算數(shù)據(jù)的比較、移位、求補等操作控制器整個計算機的指揮中心，發(fā)出各種控制信號，指揮整個計算機系統(tǒng)有條不紊地工作，包括什么時間在什么條件下執(zhí)行什么動作等。3.2計算機硬件系統(tǒng)寄存器

用來存放臨時數(shù)據(jù)的快速存儲單元。常見的寄存器3.2計算機硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)寄存器指令寄存器程序計數(shù)器用來存放輸入數(shù)據(jù)，運算中間結果和運算結果。存放從內(nèi)存中取出的指令，以便于稍后解釋和執(zhí)行它們。存放當前指令的地址。當前指令執(zhí)行完后，程序計數(shù)器自動加1，指向下一條指令的地址。存儲器

計算機系統(tǒng)中的記憶設備，用來存儲程序和數(shù)據(jù)。存儲器主要用于存儲程序和數(shù)據(jù)，其能在計算機運行過程中自動、高速地完成程序和數(shù)據(jù)的存儲。

主要包括主存儲器（內(nèi)存儲器、內(nèi)存）和輔助存儲器（外存儲器、外存）。3.2計算機硬件系統(tǒng)主存儲器

又稱內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，是計算機中的主要部件。內(nèi)存儲器與CPU相連，主要用來存儲當前正在使用或隨時要使用的程序和數(shù)據(jù)，是計算機中主要的工作存儲器。

在計算機運行過程中，內(nèi)存儲器由CPU進行直接訪問。內(nèi)存儲器的特點是存取數(shù)據(jù)速度快，存儲信息量少，價格較貴。

主存儲器分為三種類型：隨機存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，互補金屬氧化物存儲器(CMOS)。3.2計算機硬件系統(tǒng)輔助存儲器

又稱外存儲器，簡稱外存，是存放數(shù)據(jù)的“倉庫”。外存儲器主要用于存儲暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，通常外存儲器不與計算機內(nèi)的其他部件交換數(shù)據(jù)，也不按單個數(shù)據(jù)進行存儲，只與內(nèi)存儲器成批地進行數(shù)據(jù)交換。

與內(nèi)存儲器相比，外存儲器的特點一是價格便宜；二是容量不像內(nèi)存儲器那樣受到多種因素的限制，因此存儲信息量大，但是存取信息的速度較慢；三是不怕斷電，存儲信息的時間可達數(shù)年之久。3.2計算機硬件系統(tǒng)輔助存儲器3.2計算機硬件系統(tǒng)半導體存儲器磁表面存儲器輔助存儲器光存儲器輔助存儲器-硬盤

利用磁記錄技術在旋轉(zhuǎn)的圓盤介質(zhì)上進行數(shù)據(jù)存儲的外存儲器，是一種應用廣泛的直接存取存儲器。硬盤是由一張一張的盤片疊加而成的，實際上是磁盤組。表面結構：每個盤面都被劃分成磁道，每個磁道又被分成為若干扇區(qū)。數(shù)據(jù)存?。簩儆陔S機存取設備，最小存儲區(qū)域只能是一個扇區(qū)。硬盤的容量大于內(nèi)存和軟盤。硬盤的存儲速度低于內(nèi)存。3.2計算機硬件系統(tǒng)磁盤3.2計算機硬件系統(tǒng)硬盤3.2計算機硬件系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)層次3.2計算機硬件系統(tǒng)速度快慢容量大小每位價格低高輸入輸出設備

輸入設備和輸出設備統(tǒng)稱為外部設備，簡稱I/O設備。輸入設備是計算機與人或外部事物進行交互的部件，主要功能是向計算機輸入各種原始數(shù)據(jù)和指令。3.2計算機硬件系統(tǒng)存儲設備非存儲設備輸入設備輸出設備磁介質(zhì)存儲設備光存儲設備其他存儲設備非存儲輸入輸出設備3.2計算機硬件系統(tǒng)輸入設備輸出設備鍵盤輸入設備掃描儀音頻輸入設備視頻輸入設備其他顯示器打印機其他非存儲輸入輸出設備3.2計算機硬件系統(tǒng)存儲性輸入輸出設備

又稱為輔助存儲器。用來存放暫時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)。CPU不能直接訪問輔助存儲器，需要時將信息先傳送到主存。3.2計算機硬件系統(tǒng)半導體存儲器磁表面存儲器輔助存儲設備光存儲器總線

在計算機系統(tǒng)中，不同的子系統(tǒng)需要進行通信，如內(nèi)存儲器和處理器需要進行通信，處理器和I/O設備也需要進行通信。這些工作都是由總線來完成的。

總線是一條共享的通信線路，它用一套線路來連接多個子系統(tǒng)。總線是計算機中信息和數(shù)據(jù)傳輸或交換的通道。頻率用于衡量總線傳輸速率，單位為赫茲（Hz）。根據(jù)連接的部件不同，總線可以分為系統(tǒng)總線、內(nèi)部總線和外部總線。3.2計算機硬件系統(tǒng)系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是指在計算機內(nèi)部不同部件之間進行連接的總線，又稱為內(nèi)總線或板級總線，用于連接微機各功能部件，從而構成一個完整的微機系統(tǒng)。

系統(tǒng)總線上傳送的信息包括數(shù)據(jù)信息、地址信息、控制信息。3.2計算機硬件系統(tǒng)主存數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線數(shù)據(jù)總線

用于進行數(shù)據(jù)信息傳送，既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O設備等其他部件，也可以將其他部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU，因此數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)的。數(shù)據(jù)總線是由多根線組成的，每根線上每次傳送1bit的數(shù)據(jù)。

通常數(shù)據(jù)總線的位數(shù)取決于字的寬度。如果計算機的字長是64位，就需要64位寬度的數(shù)據(jù)總線，以便同一時刻能夠同時傳送64位的數(shù)據(jù)。

這里的“數(shù)據(jù)”是廣義的，可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息.3.2計算機硬件系統(tǒng)地址總線：專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O，所以與數(shù)據(jù)總線不同，地址總線是單向三態(tài)的。地址總線的位數(shù)取決于存儲空間的大小。如果存儲容量為2n個字，那么地址總線需要n位。例如：一個32bit的地址總線可直接尋址的內(nèi)存空間為232B=4294967296B=4GB?？刂瓶偩€：傳輸?shù)氖强刂菩畔?，包括CPU送出的控制命令和主存/外設反饋給CPU的狀態(tài)信號。負責在CPU和存儲器、I/O設備間進行控制信息的傳送。3.2計算機硬件系統(tǒng)內(nèi)部總線：指在同一部件內(nèi)部進行連接的總線，包括CPU芯片內(nèi)部寄存器與寄存器之間、寄存器與ALU之間的公共連接線。外部總線：指在主機和I/O設備之間進行連接的總線。3.2計算機硬件系統(tǒng)

軟件是用戶與硬件之間的接口界面，是一系列按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合。

軟件不僅指程序，而是計算機中程序、有關文檔及它們之間的聯(lián)系所表現(xiàn)出來的信息的總稱，是運行在硬件上的各種程序及相關資料。

軟件是計算機必不可少的組成部分，計算機的每一步操作都是在軟件的控制下執(zhí)行的，計算機的所有功能都要通過軟件來實現(xiàn)。不裝任何軟件的計算機被稱為裸機，裸機僅是一堆電子器件，幾乎不能任何功能。3.3計算機軟件系統(tǒng)軟件是計算機的靈魂，包含程序和文檔兩部分。

程序是一系列按照特定順序組織的計算機數(shù)據(jù)和指令的集合。程序應具有三個方面的特征：一是目的性，即要得到一個結果；二是可執(zhí)行性，即編寫的程序必須能在計算機中運行；三是程序是代碼化的指令序列，即程序要用計算機語言編寫。

文檔是了解程序所需的闡述性資料，是用自然語言或形式化語言編寫的用來描述程序的內(nèi)容、組成、設計、功能規(guī)格、開發(fā)情況、測試結構和使用方法的文字資料和圖標，如程序設計說明書、程序流程圖、用戶手冊等。3.3計算機軟件系統(tǒng)程序和文檔是軟件系統(tǒng)不可分割的兩個組成部分。

為了開發(fā)程序，設計者需要用文檔來說明程序的功能及如何設計開發(fā)等，這些信息用于指導設計者編寫程序。

程序編寫好后，設計者還要為程序的運行和使用提供相關的說明文檔，以方便其他人員使用程序。3.3計算機軟件系統(tǒng)軟件分類：系統(tǒng)軟件和應用軟件系統(tǒng)軟件：用于控制與協(xié)調(diào)計算機本身及其I/O設備的一類軟件，它相當于構建了一個平臺，在這個平臺上，可以通過調(diào)動硬件資源的方式，滿足平臺本身及其他應用軟件的工作需求。系統(tǒng)軟件與具體應用領域無關，僅在系統(tǒng)一級提供服務。其他軟件都要通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用，因此，系統(tǒng)軟件是軟件系統(tǒng)的核心。應用軟件：應用軟件的作用是滿足用戶針對不同領域、不同問題的應用需求。3.3計算機軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：

包括操作系統(tǒng)、語言處理軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和工具軟件等。操作系統(tǒng)：是通用型計算機必備軟件，是直接運行在裸機上的系統(tǒng)軟件，為用戶提供友好、方便、有效的人機操作界面。它主要用于進行軟硬件資源的控制和管理，調(diào)度、監(jiān)控和維護計算機系統(tǒng)，協(xié)調(diào)計算機系統(tǒng)中各個硬件之間的工作。

操作系統(tǒng)基本功能主要包括處理機管理、設備管理、存儲管理、文件管理和作業(yè)管理。3.3計算機軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)：

操作系統(tǒng)的種類很多，根據(jù)其應用領域可分為以下三種：桌面操作系統(tǒng)服務器操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)3.2計算機軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件

語言處理軟件是一種可以把用各種語言編寫的源翻譯成二進制代碼程序的軟件，如匯編程序、各種編譯程序及解釋程序。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為組織大量數(shù)據(jù)提供動態(tài)、高效的管理手段，為信息管理應用系統(tǒng)的開發(fā)提供有力支持。

工具軟件的作用是方便軟件開發(fā)、系統(tǒng)維護。3.3計算機軟件系統(tǒng)應用軟件

滿足用戶針對不同領域、不同問題的應用需求。常見的應用軟件有以下幾種：辦公軟件多媒體處理軟件統(tǒng)計軟件網(wǎng)絡通信軟件即時通信軟件游戲3.3計算機軟件系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)之間的關系

硬件是計算機完成各項任務的物質(zhì)基礎，具有原子特性；軟件是指計算機所需的各種程序及有關資料，是計算機的靈魂。計算機的硬件和軟件是計算機系統(tǒng)中互相依存的兩大部分：硬件和軟件互相依存。硬件和軟件無嚴格界限。硬件和軟件協(xié)同發(fā)展。3.3計算機軟件系統(tǒng)計算機指令

計算機工作的工作過程是由編輯好的軟件控制的，軟件的運行是由一系列機器指令控制完成的。

計算機能夠識別并執(zhí)行的操作命令稱為機器指令，這些機器指令按照一定順序排列就組成了程序，計算機按照程序規(guī)定的流程依次執(zhí)行，實現(xiàn)最終目標。

指令是指揮計算機執(zhí)行某種基本操作的命令，是計算機完成操作的依據(jù)。指令規(guī)定了計算機執(zhí)行操作的類型和操作數(shù)，指令是能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼。3.3計算機軟件系統(tǒng) CPU能夠執(zhí)行的各種不同指令的集合稱為CPU的指令集。計算機的指令集是硬件和軟件之間的接口，計算機設計人員和編程人員對同一臺計算機的關注點是以指令集為界的。

一條指令規(guī)定一種操作和幾個操作對象，指令通常由操作碼和地址碼兩部分組成：

操作碼指明計算機執(zhí)行某種操作的性質(zhì)和功能，是指明計算機要執(zhí)行操作的二進制代碼。

地址碼指明該指令源操作數(shù)的地址（一個或兩個）、運算結果的地址及下一條要執(zhí)行的指令的地址。3.3計算機軟件系統(tǒng)常見指令類型：數(shù)據(jù)傳送指令算術運算指令邏輯運算指令移位指令轉(zhuǎn)移指令I/O指令3.3計算機軟件系統(tǒng)指令執(zhí)行過程計算機執(zhí)行指令一般分為兩個階段：

第一階段，將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存儲器取到CPU內(nèi)。

第二階段，對CPU取入的指令進行分析譯碼，判斷該條指令要完成的操作，然后向各部件發(fā)出完成該操作的控制信號，完成該指令的功能。

一條指令執(zhí)行完后進入下一條指令的取指操作。一般將第一階段取指令的操作稱為取指周期，將第二階段稱為執(zhí)行周期。3.3計算機軟件系統(tǒng)

計算機的運算和處理都是通過運行程序?qū)崿F(xiàn)的，程序是由一系列指令的有序集合構成的，計算機執(zhí)行程序的過程就是執(zhí)行這一系列指令的過程。

CPU從內(nèi)存中讀出一條指令到CPU內(nèi)執(zhí)行，執(zhí)行完后再從內(nèi)存中讀出下一條指令到CPU內(nèi)執(zhí)行。CPU不斷地取指令并執(zhí)行指令的過程就是程序的執(zhí)行過程。

在馮·諾依曼結構計算機中，程序與數(shù)據(jù)均以二進制形式存儲，計算機最基本的工作原理是根據(jù)程序編排的順序一步一步地取出指令，自動完成指令規(guī)定的操作，CPU利用重復的機器周期來執(zhí)行程序中的指令。3.3計算機軟件系統(tǒng)一個簡化的機器周期包括取指令、譯碼和執(zhí)行等過程:

在取指令階段，控制單元命令系統(tǒng)將下一條要執(zhí)行的指令復制到CPU的指令寄存器中，被復制指令的地址保存在程序計數(shù)器中，復制完成后，程序計數(shù)器自動加1指向內(nèi)存中的下一條指令。

譯碼。當指令置于指令寄存器后，由控制單元負責對該指令譯碼。指令譯碼會產(chǎn)生一系列計算機可以執(zhí)行的二進制代碼。

執(zhí)行。指令譯碼完畢后，控制單元向CPU的某個部件發(fā)送任務命令完成指令所確定的功能。。3.3計算機軟件系統(tǒng)計算機的啟動過程3.3計算機軟件系統(tǒng)計算機的啟動過程

為了對計算機性能進行綜合評價，人們概括出一些主要的計算機性能指標。且不同用途的計算機對性能的要求有所不同。運算速度

計算機的運算速度是指計算機每秒能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位為每秒百萬條指令（MIPS）或每秒百萬條浮點指令（MFPOPS）。運算速度都是用基本程序進行測試的。運算速度越快的計算機性能越好。3.4計算機性能指標影響處理器運算速度的主要因素：主頻字長指令系統(tǒng)的合理性處理器核心數(shù)存儲器指標存取周期存儲容量數(shù)據(jù)帶寬3.4計算機性能指標I/O速度外設擴展能力軟件配置系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)兼容性系統(tǒng)可維護性3.4計算機性能指標

計算機的性能除與機器的結構、功能等特性參數(shù)有關以外，還與輸入，即該計算機的工作負荷有密切關系。

被評價的一臺計算機往往對某一種工作負荷表現(xiàn)出較高性能，而對另一種工作負荷則可能表現(xiàn)出較低性能。

為了對計算機的性能進行客觀的評價，需要選取具有真實代表性的工作負荷。通常采用不同層次的基準測試程序來評價計算機的性能。3.4計算機性能指標（1）實際應用程序。實際應用程序包括C語言或C++開發(fā)的各種編譯程序；Photoshop圖形處理軟件、Premiere及AutoCAD工具軟件。（2）核心程序。從實際程序中抽取少量關鍵循環(huán)程序段（核心程序），并以此來評估性能，但這些核心程序，只具有評價計算機的性能的價值。（3）合成測試程序。合成測試程序類似于核心程序，但這種合成測試程序是人為編制的，流行的合成測試程序有WinBench99、3DMark2001、WhatCPUIs等。3.4計算機性能指標

世界上第一臺電子數(shù)字計算機誕生于1946年，而我國電子計算機的科研、生產(chǎn)和應用是從20世紀50年代中后期開始的。

1956年，我國制定的《1956—1967年全國科學技術發(fā)展遠景規(guī)劃》中就把計算機列為發(fā)展科學技術的重點之一，隨后籌建了中國第一個計算技術研究所——中國科學院計算技術研究所。1958年8月1日，我國第一臺數(shù)字電子計算機——103機誕生。 1965年，中國自主研制的第一塊集成電路在上海誕生，僅比美國晚了5年。3.5我國的超級我國的超級計算機研制起步于20世紀60年代。大體經(jīng)歷了三大階段：

第一階段，自20世紀60年代末到20世紀70年代末，主要進行大型機的并行處理技術研究；

第二階段，自20世紀70年代末至20世紀80年代末，主要進行向量機及并行處理系統(tǒng)的研制；

第三階段，自20世紀80年代末至今，主要進行MPP系統(tǒng)及工作站集群系統(tǒng)的研制。

經(jīng)過多年不懈地努力,我國的高端計算機系統(tǒng)研制已取得了豐碩成果，“銀河”“曙光”“神威”“深騰”等一批國產(chǎn)高端計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，使我國成為繼美國、日本之后，第三個具備研制高端計算機系統(tǒng)能力的國家。3.5我國的超級計算機 1983年12月22日，中國第一臺每秒運算一億次以上的“銀河-Ⅰ號”巨型計算機（見圖3.21）由國防科技大學計算機研究所在長沙研制成功，使我國成為能研制巨型機的少數(shù)幾個國家之一，該成果榮獲特等國防科技成果獎。3.5我國的超級計算機“銀河-Ⅰ”巨型計算機 1986年年初，國防科技大學計算機系申請研制“銀河-Ⅱ”10億次巨型計算機，得到了國務院、中國共產(chǎn)黨中央軍事委員會和當時的中華人民共和國國防科學技術工業(yè)委員會的批復。

1992年1