《大學信息技術（第三版）》計算機系統(tǒng)

大學信息技術（第三版）2信息技術基礎1.1信息技術概述1.2計算機系統(tǒng)1.3計算思維1.4新一代信息技術1.5信息安全與信息素養(yǎng)31.2計算機系統(tǒng)1.2.1通用計算機系統(tǒng)1.2.2嵌入式系統(tǒng)1.2.3智能手機系統(tǒng)1.2.4信息在計算機中的表示與存儲1.2.5軟件和軟件系統(tǒng)1.2.6習題1.2.1通用計算機系統(tǒng)基本組成計算機由

控制器、

運算器、

存儲器、

輸入設備、

輸出設備

五大部分組成45二進制編碼計算機內部采用的是二進制編碼，任何指令和數(shù)據(jù)在計算機內部都是以二進制代碼（0和1的各種組合）的形式出現(xiàn)的數(shù)制1.2.1通用計算機系統(tǒng)6數(shù)制365D：3*102+6*101+5*100=300+60+51.2.1通用計算機系統(tǒng)7數(shù)制轉換365D：3*102+6*101+5*100=300+60+51.2.1通用計算機系統(tǒng)8數(shù)制轉換可以用Windows中的“計算器”完成數(shù)制轉換1.2.1通用計算機系統(tǒng)9程序和數(shù)據(jù)的存儲1.2.1通用計算機系統(tǒng)

存儲器在計算機中存放程序和數(shù)據(jù)。存放當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)。實現(xiàn)主存與I/O設備之間的信息傳送。在多處理機系統(tǒng)中，存放共享數(shù)據(jù)。計算機的性能和它能儲存的信息的多少密切相關。10指令系統(tǒng)用來指揮硬件動作的命令稱為“指令”，它由操作碼和操作數(shù)兩部分組成操作碼指示要進行什么操作（例如加、減、乘、除、移位等）操作數(shù)指示操作對象（例如加數(shù)、被加數(shù)、乘數(shù)、被乘數(shù)等）的內容或所在地址，操作數(shù)在大多數(shù)情況下是地址碼一臺計算機的所有指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)1.2.1通用計算機系統(tǒng)11指令的執(zhí)行1.2.1通用計算機系統(tǒng)12存儲器及其管理存儲器器件的變革1.2.1通用計算機系統(tǒng)圖1-2-8磁芯存儲器圖1-2-9半導體存儲器芯片圖1-2-10RAM芯片（DDR4內存條）13存儲器及其管理現(xiàn)代信息存儲技術直接連接存儲技術

包括硬盤、磁帶和光盤的直接連接存儲是現(xiàn)代信息存儲技術最常用的存儲形式移動存儲技術

閃存卡、U盤、移動硬盤

網絡存儲技術

與網絡密切相關的兩種存儲技術是NAS和SAN1.2.1通用計算機系統(tǒng)14存儲器的層次結構1.2.1通用計算機系統(tǒng)寄存器CACHE主存儲器硬盤磁帶光盤容量小容量大速度快速度慢價格高(每位)價格低15總線、外設和接口計算機內部的總線總線（bus）是計算機中各個組成部件之間相互交換數(shù)據(jù)的公共通道，是計算機系統(tǒng)結構的重要組成部分總線的性能影響到計算機的性能包括：專門傳輸數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)總線”，專門傳輸?shù)刂沸畔⒌摹暗刂房偩€”和專門傳輸控制信息的“控制總線”

1.2.1通用計算機系統(tǒng)16總線、外設和接口外部設備硬盤、光盤和光盤驅動器顯示器、顯示卡、鍵盤和鼠標打印機和掃描儀其他設備和接口（聲卡、網卡等）

1.2.1通用計算機系統(tǒng)17總線、外設和接口個人計算機的擴展總線PCI總線系統(tǒng)PCMCIA總線系統(tǒng)PCMCIA總線是用于筆記本電腦等便攜設備上的規(guī)范接口，可以連接各種符合PCMCIA標準的卡。

1.2.1通用計算機系統(tǒng)18總線、外設和接口從RS232C到USBUSB可以以樹狀結構連接幾乎目前所有種類的外部設備，如U盤、移動硬盤、DVD、顯示器、數(shù)字音響、掃描儀、數(shù)字照相機、Modem、打印機、鍵盤、鼠標、游戲桿等。目前應用的USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸速率達到480Mbps，USB3.0的數(shù)據(jù)傳輸速率可達5.0Gbps。另一個用于高速傳輸數(shù)據(jù)的串行接口標準是IEEE1394，其數(shù)據(jù)傳輸速率現(xiàn)在一般可達400Mbps，最高可達3.2Gbps。

1.2.1通用計算機系統(tǒng)19嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)應用在國防軍事、尖端武器制造、航天航空、工農業(yè)生產自動化、機器人、交通運輸、通信、互聯(lián)網、物聯(lián)網、虛擬現(xiàn)實、人工智能、自動駕駛、基因技術、智能家居、智慧制造、智慧城市、儀器儀表、家用電器等，幾乎涵蓋了高新技術的所有方面。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)20基本組成

嵌入式系統(tǒng)硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器、通用設備接口、I/O接口和人機交互接口。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)21微處理器嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器對應于通用計算機的中央處理器（CPU，Central-ProcessingUnit）。兩者最大的不同在于嵌入式微處理器的工作是為對應系統(tǒng)設計的，它將由通用計算機CPU許多板卡完成的任務集成在芯片內部，還集成了大量的I/O電路，從而滿足嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低的要求。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)22存儲器

存儲器是構成嵌入式系統(tǒng)硬件的重要組成部分。全部存儲系統(tǒng)分為四級，即寄存器組、高速緩存、內存和外存。它們在存取速度上依次遞減，而在存儲容量上逐級遞增。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)23通用設備接口和I/O接口目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模/數(shù)轉換接口）、D/A（數(shù)/模轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)24人機接口設備為了使嵌入式系統(tǒng)具有友好的人機接口以方便使用，需要給嵌入式系統(tǒng)配置顯示裝置，如LED顯示、LCD顯示器以及必要的音響提示等。要進行人機交互，還需要有輸入裝置，如鍵盤、觸摸屏等，使得用戶能夠對嵌入式控制器發(fā)出命令或輸入必要的控制參數(shù)。

1.2.2嵌入式系統(tǒng)25基本組成智能手機的硬件層主要由三大部分組成，分別是通信子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)和應用子系統(tǒng)。

1.2.3智能手機系統(tǒng)26通信子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)包括射頻模塊、模擬基帶和數(shù)字基帶。射頻模塊負責射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大，起到一個發(fā)射機和接收機的作用。模擬基帶和數(shù)字基帶完成語音信號和數(shù)字語音信號調制解調、信道編碼解碼和無線Modem控制。電源管理子系統(tǒng)電源管理子系統(tǒng)在智能手機系統(tǒng)中承擔對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責。同時，還可以對電池充電進行管理和控制。

1.2.3智能手機系統(tǒng)27應用子系統(tǒng)應用子系統(tǒng)包括處理器、微存儲器（SDRAM接口、SDROM接口）、LCD（液晶顯示器）控制器、攝像機控制器、鍵盤（GPIO）、SD卡接口等。微處理器是智能手機的核心部件，智能手機中的微處理器類似通用計算機中的中央處理器，它是整臺智能手機的控制中樞系統(tǒng)，也是邏輯部分的控制核心。微處理器通過運行存儲器內的軟件及調用存儲器內的數(shù)據(jù)庫，達到對手機整體監(jiān)控的目的。1.2.3智能手機系統(tǒng)1.2.4信息在計算機中的表示與存儲十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)實際上比較復雜，要考慮正負號、小數(shù)點、很大的數(shù)、很小的數(shù)等，編程時把數(shù)字變量定義成整型數(shù)、單精度浮點數(shù)、雙精度浮點數(shù)等，就體現(xiàn)了這種復雜性28原碼、反碼和補碼

原碼、反碼和補碼是對帶有正、負號的符號數(shù)的編碼，其實質是對負數(shù)的不同編碼1.2.4信息在計算機中的表示與存儲29原碼整數(shù)X的原碼是：其符號位0表示正，1表示負；其數(shù)值部分就是X絕對值的二進制表示。例如：[+1]原=00000001 [-1]原=10000001[+127]原=01111111 [-127]原=11111111原碼的優(yōu)點是簡單、易于理解，與其真值的轉換方便；缺點是進行運算時符號位需要單獨處理，增加了運算規(guī)則的復雜性，而且0的表示不唯一（[+0]原=00000000，[-0]原=10000000），增加了運算器的設計難度。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲301.2.4信息在計算機中的表示與存儲反碼整數(shù)X的反碼是：對于正數(shù)，反碼與原碼相同；對于負數(shù)，符號位為1，其數(shù)值位X的絕對值按位取反。例如：[+1]反=00000001 [-1]反=11111110[+127]反=01111111 [-127]反=10000000在反碼中，0也有兩種表示形式，即[+0]反=00000000，[-0]反=11111111。反碼運算也不方便，很少使用，一般用作求補碼的中間碼。31補碼整數(shù)X的補碼是：對于正數(shù)，補碼與原碼、反碼相同；對于負數(shù)，符號位為1，其數(shù)值位X的絕對值按位取反后最低位加1，即為反碼加1。例如：[+1]補=00000001 [-1]補=11111111[+127]補=01111111 [-127]補=10000001在補碼中，[-0]補=11111111+1=100000000，但超出8位字長的舍棄，[-0]補=00000000，這樣，在補碼中0有唯一的編碼：[+0]補=[-0]補=00000000。而多出來的一個編碼100000000用來擴展補碼表示的數(shù)值范圍利用補碼可以方便地實現(xiàn)正、負數(shù)的加法運算。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲32因為在計算機的邏輯運算單元中，只有加法運算器，所以利用補碼方式，將符號位一起參加運算，可以將減法轉換成加法來計算，而乘法和除法可以通過移位來完成1.2.4信息在計算機中的表示與存儲33西文字符采用ASCII碼作為編碼標準ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）：美國標準信息交換碼每個ASCII字符用一個字節(jié)的低7位編碼，最高位為01.2.4信息在計算機中的表示與存儲3435ASCII碼表0：011000030HA：100000141Ha：110000161H空格：010000020H回車：00011010DH刪除：11111117FH共編碼128個字符（27=128），其中94個可顯示字符，34個控制字符漢字雙字節(jié)編碼采用中國國家標準碼（GB2312-80）作為編碼標準《信息交換用漢字編碼字符集基本集》（GB2312-80）用兩個字節(jié)表示一個漢字，兩個字節(jié)的后七位的編碼基于GB2312-80，兩個字節(jié)的最高位都置11.2.4信息在計算機中的表示與存儲3637國標第46區(qū)０１２３４５６７８９０巍微危韋違桅圍唯惟１為濰維葦萎委偉偽尾緯２未蔚味畏胃喂魏位渭謂３尉慰衛(wèi)瘟溫蚊文聞紋吻４穩(wěn)紊問嗡翁甕撾蝸渦窩５我斡臥握沃巫嗚鎢烏污６誣屋無蕪梧吾吳毋武五７捂午舞伍侮塢戊霧晤物８勿務悟誤昔熙析西硒矽９晰嘻吸錫犧區(qū)位碼機內碼（二進制）機內碼（十六進制）我46501100111011010010CED2包括6763個常用漢字和682個其他字符。漢字又分成二級，第一級為常用漢字3755個，以漢語拼音為序；第二級為較常用漢字3008個，以偏旁部首為序。圖像與圖形

數(shù)字化圖像數(shù)據(jù)有兩種存儲方式：位圖存儲(Bitmap)和矢量存儲(Vector)。這兩種圖像的產生、描述和存儲方式都不同。圖像圖像可以被分割成很多個點（像素）每個像素由三元色（紅綠藍，RGB）的不同深淺的組合構成，各用一個字節(jié)（8位）編碼，共用三個字節(jié)表示位圖圖像適用于表達細節(jié)豐富的畫面，例如人像照、風景照等。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲381.2.4信息在計算機中的表示與存儲39圖像與圖形圖像對于一幅a×b像素，每像素c位二進制的圖像，在沒有壓縮時，理論上說，其所占存儲空間size可以通過以下公式計算得到：size（B）=a×b×c÷8

例如：一幅1024×768大小的真彩色圖像，其所占空間為：size=1024×768×24÷8÷1024÷1024=2.25MB1.2.4信息在計算機中的表示與存儲40圖像與圖形圖形矢量圖形是指由計算機用數(shù)學方程來繪制的直線、圓、矩形、曲線、圖表等圖形。矢量圖形用一組指令集合來描述內容，如描述構成該圖的各種圖元位置、形狀等。描述對象可任意縮放不會失真。矢量圖形適用于描述輪廓不很復雜，色彩不是很豐富的對象，如：幾何圖形、工程圖紙、CAD、3D造型等。矢量圖形不存儲圖形的每一點，而只存儲圖形內容的輪廓部分，文件大小取決于圖形中所包含對象的數(shù)量和復雜程度，與輸出圖形的大小幾乎沒有關系。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲音頻波形音頻

在空氣中傳播的聲音，經麥克風轉換成模擬音頻信號，是一種連續(xù)波形，通過計算機聲卡設備，可以通過采樣、量化和編碼，成為數(shù)字化的音頻信號，這就是常說的數(shù)字音頻。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲42音頻波形音頻

1.2.4信息在計算機中的表示與存儲43音頻合成聲音

1.2.4信息在計算機中的表示與存儲44音頻數(shù)字合成音樂數(shù)字合成音樂的產生取決于音樂合成器（MusicalSynthesizer），這是一種用來產生并修改正弦波形并疊加，然后通過聲音產生器和揚聲器發(fā)出特定的聲音的設備。通過音樂合成器產生數(shù)字合成音樂的途徑有兩種：數(shù)字FM合成法和采樣回放合成法。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲45視頻與動畫

視頻與動畫都是與時間相關的數(shù)字媒體。它們是利用了人眼的視覺暫留特征：每當一幅圖像從眼前消失的時候，留在視網膜上的圖像并不會立即消失，還會延遲約1/16--1/12秒。在這段時間內，如果下一幅圖像又出現(xiàn)了，眼睛里就會產生上一畫面與下一畫面之間的過渡效果從而形成連續(xù)的畫面。電影、電視和動畫都是利用這一原理制作的。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲46視頻與動畫視頻數(shù)字視頻是以數(shù)字形式記錄的視頻。它可以通過數(shù)字攝像機拍攝獲取，也可以通過模擬視頻信號經模擬/數(shù)字（A/D）轉換采集獲得。數(shù)字視頻容量較大，存儲前需采用不同的壓縮算法壓縮，會產生不同的格式文件后存儲，播放時則需要用不同的算法解碼播放。模擬視頻的數(shù)字化主要包括色彩空間的轉換、光柵掃描的轉換以及分辨率的統(tǒng)一。模擬視頻一般采用分量數(shù)字化方式，先把復合視頻信號中的亮度和色度分離，得到YUV或YIQ分量，然后用三個模/數(shù)轉換器對三個分量分別進行數(shù)字化，最后再轉換成RGB空間。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲47視頻與動畫動畫視頻與數(shù)字視頻通過攝像機拍攝，或通過采集模擬視頻轉換成數(shù)字視頻的方式不同，動畫特別是矢量動畫可以使用計算機軟件制作得到。根據(jù)畫面的視覺效果，計算機動畫可以分為二維動畫和三維動畫，還可以通過計算機軟件將動畫制作成能與操作者交互。三維交互式動畫與頭盔顯示器及手持交互設備相結合，則可以制作虛擬現(xiàn)實交互式動畫。1.2.4信息在計算機中的表示與存儲48491.2.5軟件和軟件系統(tǒng)1.軟件概述2.操作系統(tǒng)3.開源軟件和非開源軟件4.付費軟件和免費軟件5.客戶端軟件和服務器端軟件6.在線軟件501.軟件概述計算機軟件是各種程序和開發(fā)、使用與維護這些程序所需要的文檔的集合。從功能角度分為：系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)（OS，OperatingSystem）語言解釋、編譯程序，調試、查錯程序工具軟件應用軟件512.操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)：用以控制和管理系統(tǒng)資源、方便用戶使用計算機的程序的集合522.

操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的基本功能資源管理處理器管理：對處理器運行進行管理、調度