《微型計算機原理與接口技術(shù)》課件第1章

1.1微機系統(tǒng)概述

1.1.1微機系統(tǒng)的三個層次

微型計算機系統(tǒng)從局部到全局存在三個層次，即微處理器—微機—微機系統(tǒng)。三個層次的微機系統(tǒng)有不同內(nèi)涵，具有不同的組裝形式和系統(tǒng)規(guī)模。

1.微處理器

微處理器(MPU)也叫微處理機，它本身并不是計算機，但它是微機的核心部件。微處理器包括算術(shù)邏輯部件(ALU)、控制部件(CU)和寄存器組(Registers)三個基本部分，通常由一片或幾片LSI、VLSI器件組成。

2.微型計算機

微型計算機是以微處理器為核心，加上由大規(guī)模集成電路制作的存儲器(ROM和RAM)、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線組成的，具有獨立運算的功能。有的微機則是將這些組成部分做在一個印制電路板上或集成在一個超大規(guī)模芯片上，稱之為單板計算機或單片機(國際標(biāo)準(zhǔn)叫法是微控制器(MCU))。

3.微機系統(tǒng)

微機系統(tǒng)是以微機為核心，再配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源、輔助電路和控制微機工作的軟件而構(gòu)成的完整的計算系統(tǒng)。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件用來支持應(yīng)用軟件的開發(fā)與運行，它包括操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)實用程序和各種語言處理程序等；應(yīng)用軟件是用來為用戶解決具體應(yīng)用問題的程序及有關(guān)的文檔和資料。微機系統(tǒng)是完整的計算系統(tǒng)，是能夠正常獨立工作的一般意義上的“電腦”，屬于通用計算機范疇。1.1.2微機系統(tǒng)的基本構(gòu)成

微型計算機系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。硬件系統(tǒng)是構(gòu)成微機系統(tǒng)的“硬”設(shè)備，軟件系統(tǒng)則是運行在硬件系統(tǒng)上的程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

計算機的組織構(gòu)成千差萬別，但從體系結(jié)構(gòu)與組成角度看，都是馮·諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的。計算機包括運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分，并有機地結(jié)合在一起。計算機的初始設(shè)計是以運算器為核心構(gòu)造的，現(xiàn)在已演化成以存儲器為核心的結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。微型計算機系統(tǒng)(簡稱微機)是微型化的計算機。圖1.1計算機的基本結(jié)構(gòu)微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1.2所示。

圖1.2微型計算機系統(tǒng)的構(gòu)成微機的硬件結(jié)構(gòu)與計算機的硬件結(jié)構(gòu)一致，作為一種普及型機型，微機在構(gòu)成上有微處理器、存儲器、I/O接口、I/O設(shè)備總線和外設(shè)等，如圖1.3所示。

圖1.3微機的基本構(gòu)成1.1.3微機的主要技術(shù)指標(biāo)與術(shù)語

1.主頻

數(shù)字電路是微處理器和外圍芯片的基礎(chǔ)，其工作需要時鐘頻率信號作為數(shù)據(jù)傳遞和處理的時間和時序控制信號。微處理器時鐘信號的頻率又稱為微機的主振頻率(簡稱主頻)。一般來說，微處理器的主頻越高，其處理速度越快，因此不斷提高主振頻率是處理器性能發(fā)展的物理手段和途徑之一。主振頻率一般用MHz或GHz來表示。

2.字長

字長是微處理器內(nèi)部一次可以處理的二進制的位數(shù)，與微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度、寄存器位數(shù)、算術(shù)/邏輯運算一次處理的位數(shù)相一致，代表著微機處理能力和處理的精度，一般用“位”來表示。如16位機，處理器字長的位數(shù)為16，稱為1個字(Word)，其信息內(nèi)部表示、加工處理和傳輸?shù)淖畲笪粩?shù)為16。

3.存儲容量

存儲容量是微機的內(nèi)部存儲部件能夠存儲二進制信息量的衡量指標(biāo)，一般用位來表示，其中8位(bit)二進制代碼稱為1個字節(jié)(Byte)。字節(jié)是存儲容量的基本衡量單位，1個字節(jié)記為1B，1024B記為1KB，1024KB記為1MB，1024MB記為1GB，1024GB記為1TB，1024TB記為1PB，另外還有EB、ZB、YB、NB、DB等衡量單位。

4.系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是連接微機各個功能部件的公共通道部件，其性能對微機系統(tǒng)性能起關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)寬度和傳輸數(shù)據(jù)的時鐘頻率是其主要指標(biāo)，決定著總線的吞吐率?？偩€的傳輸位數(shù)越多，工作的時鐘頻率越高，系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)吞吐率就越高，微機的整體性能也就越好。總線通常傳遞地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息等。系統(tǒng)總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。微機總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA、EISA、VESA、PCI等。

5.外圍配置

微機的外圍設(shè)備及其接口電路是微機與用戶交互的主要設(shè)備，為用戶使用計算機提供方便，在微機系統(tǒng)中具有重要的地位。外圍設(shè)備的功能直接影響微機的可用性。常用外圍設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、音箱、硬盤、光驅(qū)、打印機、網(wǎng)卡以及各種接口電路等。1.1.4微機系統(tǒng)的發(fā)展與分類

計算機發(fā)展史是人類生產(chǎn)力進步的歷史。20世紀(jì)40年代以前計算機器漫長的積累和不斷發(fā)展的過程，大體可劃分為算盤時代、機械時代和機電時代?，F(xiàn)代計算機的歷史從1943年英國數(shù)學(xué)家圖靈領(lǐng)導(dǎo)制造出的一臺名叫“巨人”(Colossus)的電子計算機(它專門用于譯碼，由于英國政府的保密制度，人們對它的成就了解甚少)和哈佛大學(xué)研制的Mark-I開始，以賓夕法尼亞大學(xué)于1946年研制成功的第一臺高速、通用電子計算機ENIAC為標(biāo)志，電子計算機進入一個快速發(fā)展的嶄新階段。從真空管和電子管計算機、晶體管計算機、集成電路計算機到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(VLSI)計算機，實現(xiàn)了從人工機械、動力機械到電子器械的飛躍。由初步的計算機技術(shù)構(gòu)思、初步的程序控制理論、電子管技術(shù)、晶體管技術(shù)到集成電路技術(shù)的產(chǎn)生和突破，計算機經(jīng)歷了少年時期的瘋長，進入到了青年時期?？恐祟愔腔鄣牟赣乱惠喌娘w速成長將使計算機變成眾多學(xué)科交叉結(jié)合而成的“精靈”。

值得一提的是，我國古代技術(shù)文明也為計算機的誕生起到了間接的推動作用。公元前12世紀(jì)，伏羲八卦的計數(shù)方式(陰爻、陽爻)直接關(guān)聯(lián)計算機的二進制基本計算方法。伏羲八卦演化成的《周易》一書，是古人認識自然世界和人類社會的經(jīng)典著作。另外，流傳久遠且廣泛的算盤，也是一種構(gòu)思奇妙的手動計算裝置?，F(xiàn)在普遍使用的微機是20世紀(jì)70年代隨著微處理器誕生而出現(xiàn)的。40多年來，集成電路技術(shù)伴隨著摩爾定律(1965年由Intel公司創(chuàng)始人GordonMoore預(yù)言的定律)而發(fā)展。摩爾定律指出未來10年中，每18個月處理器芯片上的晶體管數(shù)量都會翻一番。實際情況是在持續(xù)40多年的歷史中，半導(dǎo)體工業(yè)不僅實現(xiàn)了每18個月晶體管數(shù)目加倍，計算機技術(shù)的其他方面也都應(yīng)驗著相同的發(fā)展規(guī)律，如磁盤容量、存儲器容量、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)的普及等，也都呈現(xiàn)了類似的指數(shù)增長的情況。當(dāng)前微處理器和微機得到了迅速發(fā)展，幾乎每兩年微處理器的性能和集成度就提高一倍，每3～5年微機就要更新?lián)Q代一次。微處理器(MPU)是構(gòu)成微機的核心部件，統(tǒng)稱中央處理單元或中央處理器(CPU)，簡稱處理器。根據(jù)微處理器的處理能力和特性，按照發(fā)展的時間順序排列，微處理器的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個歷史階段。

1．第一階段(1971—1972年)

第一階段主要是4位和低檔8位微處理器。其代表產(chǎn)品是美國Intel公司的4004和4040微處理器芯片，以及8008等，字長為4位，集成度為2300管/片，時鐘頻率為1MHz。

2．第二階段(1973—1977年)

第二階段主要是中高檔8位微處理器。MPU采用Intel公司的8080/8085、Motorola公司的MC6800、美國Zilog公司的Z80等產(chǎn)品，字長為8位，地址線為16條，集成度達1萬管/片，時鐘頻率為2M～4MHz，運算速度比第一代微處理器提高了10倍。

3．第三階段(1978—1984年)

第三階段主要是16位微處理器。以Intel8086/8088、Z8000和MC68000微處理器為代表構(gòu)成的微機，字長為16位，地址線為20條，集成度為2萬～6萬管/片，時鐘頻率為4M～8MHz。后期的Intel80286和MC68010，字長為16位，地址線為24條，集成度為13萬管/片，時鐘頻率高達6M～25MHz，微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能進一步得到完善和優(yōu)化。其中，8088即8086加上外部8位數(shù)據(jù)總線，屬于準(zhǔn)16位機型。

4．第四階段(1985—1992年)

第四階段為32位微處理器時代。以Intel80386和MC68020微處理器為代表構(gòu)成的微機，字長為32位，地址線為32條，集成度為15萬～50萬管/片，時鐘頻率高達16M～40MHz。后來推出的Intel80486等產(chǎn)品，制造工藝和集成度、時鐘頻率進一步提高。浮點運算單元(FPU)(相當(dāng)于80387)集成到i486處理器芯片，協(xié)處理器完成浮點運算功能，增加了平面尋址模式，在結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用等方面有了大幅度的進步，代表了小型機的微型化水平。

5．第五階段(1993—1999年)

隨著高檔32位微處理器時代的到來,Intel公司的Pentium機時代開始。因為Intel無法獲得CPU編號的商標(biāo)保護，所以改變了沿用數(shù)字命名的慣例，創(chuàng)造了“Pentium”這個詞，漢譯名為“奔騰”，稱為P5，即公司的第五代機。同時的代表產(chǎn)品還有AMD、Cyrix的同檔次微處理器。這一時期的微處理器集成度高達350萬管/片，時鐘頻率為50M～166MHz，采用了許多大型機上的一些技術(shù)，如超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、超流水線技術(shù)、大容量二級緩存技術(shù)等。1995年，Intel公司向世界宣布了它的第六代機PentiumPro(高能奔騰)。1997年和1999年，Intel先后發(fā)布了PentiumⅡ(奔騰2代)、PentiumⅢ(奔騰3代)和Pentium4(奔騰4代)，統(tǒng)稱為P6，其微處理器集成度達1000萬管/片，時鐘頻率為1GHz。

6．第六階段(2000年以后)

Intel公司推出的第一個非P6核心的全新32位微處理器的PentiumⅣ，采用20級分支預(yù)測/恢復(fù)的超級管道技術(shù)，算術(shù)邏輯單元(ALU)能運行到處理器核心頻率的2倍，具備亂序執(zhí)行等從大型計算機下移的技術(shù)。在這個階段，AMD、Intel、HP、IBM等各大計算機業(yè)內(nèi)公司研制成功字長為64位的微處理器芯片，采用0.18～0.25μm技術(shù)的制作工藝，工作頻率達1GHz以上，以Intel推出的64位微處理器芯片Itanium為代表的芯片為標(biāo)志。進入21世紀(jì)，以64位技術(shù)為核心的“64位微機時代”已經(jīng)到來。近年來不斷推出雙核甚至多核處理器，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP(對稱多處理器)集成到同一芯片內(nèi)，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程，從而利用線程級并行性提高系統(tǒng)性能。其優(yōu)點是簡化處理器核，利于優(yōu)化設(shè)計并獲得較高主頻，縮短設(shè)計和驗證時間，發(fā)展前景非?？春?。除了采用多核處理器滿足人們對并行處理的需求外，圖形處理器(GPU)也逐漸成熟和普及。

微處理器的發(fā)展日新月異，也僅僅是計算機科學(xué)起步短短幾十年的初步成就。計算機技術(shù)的飛躍和更美好的未來前景已初露端倪，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、生物計算機、光計算機、量子計算機、納米計算機等已進入人們的視野，其不但具有基本的信息處理和計算能力，而且具有知識處理和一定的智能，如識別、學(xué)習(xí)、聯(lián)想、推理、理解和解釋等能力。這類計算機產(chǎn)品將使計算機專業(yè)人士有所作為。1.1.5微機的基本特點

1.開放性

微機的普及和發(fā)展得益于WinTel戰(zhàn)略聯(lián)盟針對計算機個人化的“啟蒙運動”掀起者蘋果公司而制定的發(fā)展策略，開放的PC架構(gòu)成為了個人電腦消費領(lǐng)域新的標(biāo)準(zhǔn)。在這個開放性架構(gòu)大潮中最大的受益者是英特爾(Intel)公司。通過向PC生產(chǎn)廠商提供其最核心的零件—CPU，英特爾公司取得了巨大的成功。英特爾公司給自己研制的CPU定下了一個標(biāo)準(zhǔn)，即新的CPU對老的CPU環(huán)境下的軟件必須百分之百地兼容，即使是最原始的CPU8086/8088環(huán)境下的軟件采用如今最先進一代的CPUDothan也照跑不誤，這就是英特爾系列CPU一個最顯著的特點。而從8086延續(xù)下來的這個架構(gòu)則被稱為X86架構(gòu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的英特爾已經(jīng)成為了一個年收益達到300億美元的世界上最大的CPU制造商。開放性保障了其產(chǎn)品較長的社會壽命，廣泛的用戶以及穩(wěn)定的市場需求。

2.兼容性

兼容性伴隨開放性致使眾多計算機生產(chǎn)廠商紛紛選擇與IBM合作，推出PC及其兼容機，形成了個人電腦消費領(lǐng)域新的標(biāo)準(zhǔn)。完全符合計算機發(fā)展潮流的開放性架構(gòu)，使IBMPC獲得了比Apple電腦更多的青睞，隨之而來的是IBM取得了自其加入計算機行業(yè)以來的最大成功。IBMPC及其兼容機個人化、價格便宜、操作簡單和適應(yīng)性極強等幾個特點，使PC逐漸進入了人們的日常生活。與此同時，微軟的MS-DOS操作系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)性、良好的可維護性和大量豐富的開發(fā)資源則越來越吸引程序員們來到PC平臺上開發(fā)軟件和游戲，這為個人電腦的發(fā)展打下了深厚的軟件基礎(chǔ)。

3.方便性

芯片集成度和封裝技術(shù)、可編程門陣列器件、電路板工藝等的進步，使微機硬件的體積、重量、功耗等大大縮減，同時微機軟件在可維護性與可操作性方面的進步，良好的編程手段和“傻瓜式”軟件的應(yīng)用，使微機成為人人可以使用的設(shè)備。

4.可靠性

大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展是微機出現(xiàn)與升級換代的最主要因素之一。集成電路把幾千、幾萬甚至幾千萬的電子分立元件集成在一個小小的硅片上，大大減少了電路的體積、連線、焊點、插接、功率等，從而減少了不可靠因素，提高了可靠性。目前的微處理器與外圍系列芯片的平均無故障時間可達幾千萬小時。隨著大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路的發(fā)展與應(yīng)用，微機硬件電路制作從模塊化到高度集成，只用很少幾塊電路板和配件構(gòu)成的微機其可靠性就遠遠超出了人們的期望。

5.價格低

微機的普及推廣與微處理器及配套的芯片的大批量生產(chǎn)形成的價格優(yōu)勢互為因果，芯片集成度的提高也進一步促進微機成本不斷下降，可靠性和方便性更為突出。1.1.6微機的應(yīng)用

1.科學(xué)計算

科學(xué)計算的特點是計算強度大、計算復(fù)雜，多為數(shù)據(jù)量不大的數(shù)值計算。這是計算機應(yīng)用的最早領(lǐng)域，也是發(fā)展比較成熟的領(lǐng)域。隨著智能計算、并行計算、新算法的提出，這個領(lǐng)域的發(fā)展空間越來越大，也是計算機技術(shù)發(fā)展的主要動力之一。

2.信息處理

信息處理是指對信息進行的有效采集、加工、處理、利用等，具有數(shù)據(jù)量大、計算簡單等特點，是當(dāng)今應(yīng)用計算機最廣泛的領(lǐng)域之一。該領(lǐng)域涉及的行業(yè)范圍很廣，如銀行、企業(yè)、財務(wù)、辦公、鐵路售票、教學(xué)、地理等系統(tǒng)信息的處理。信息處理系統(tǒng)主要完成信息的輸入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計和輸出等功能。隨著網(wǎng)絡(luò)的普及和廣泛應(yīng)用，微機成為人們進行信息處理的首選工具。

3.自動控制系統(tǒng)

通過計算機對某一過程進行的自動操作，不需要人工干預(yù)就能按人預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)和預(yù)定狀態(tài)進行過程控制。過程控制的主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)進行實時的采集、傳輸、檢測、處理和判斷等，并按最佳結(jié)果對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。自動控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等的生產(chǎn)中。惡劣、高強度、無人的環(huán)境以及高速場合等都是自動控制系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。它可以大大提高控制的實時性、智能性和準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。作為專門用途的微機——微控制器/嵌入式芯片在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用極為廣泛。

4.輔助系統(tǒng)

計算機輔助系統(tǒng)是計算機應(yīng)用的又一主要領(lǐng)域，通常包含計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝(CAPP)、計算機輔助測試(CAT)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助軟件工程(CASE)、計算機輔助教學(xué)(CAI)等。該系統(tǒng)廣泛用于各種設(shè)計、制造、生產(chǎn)、教育等領(lǐng)域，提高了工作效率以及質(zhì)量和效果，節(jié)省人力、物力和財力。這也是微機對現(xiàn)代制造業(yè)最突出的貢獻。

5.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在計算機硬件資源十分昂貴的時期，基于硬件資源共享的動機，計算機網(wǎng)絡(luò)得以誕生。近年來隨著微機的普及和通信技術(shù)的發(fā)展，Internet的發(fā)展速度和規(guī)模達到了驚人的程度，全球入網(wǎng)量每6個月翻一番。全球網(wǎng)絡(luò)化促進了微機在網(wǎng)絡(luò)時代的應(yīng)用，并迅速改變著人們工作、生活、娛樂的各個方面?；诰W(wǎng)絡(luò)的微機應(yīng)用，涉及電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)教育、敏捷制造、虛擬圖書館、虛擬娛樂等多個領(lǐng)域。

6.人工智能

人工智能(AI)是一門模擬人類智能的技術(shù)，是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作。人工智能幾十年的發(fā)展歷程跌宕起伏，但始終是計算機的主要領(lǐng)域。它包括傳統(tǒng)人工智能、神經(jīng)計算、演化計算和模糊計算(FC)等。人工智能模擬人腦進行思維、推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想和決策，使計算機具有一定的“思維能力”，廣泛用于機器人、語言翻譯、機器博弈、定理證明、專家系統(tǒng)、智能識別和控制等，實現(xiàn)機器的聽、看、感知、理解、動作等人類所具備的能力。如今，人類在人工智能領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的成就，如《數(shù)學(xué)原理》中全部350多條定理的證明、“四色定理”的證明、世界級數(shù)學(xué)難題的演化計算、游戲中的智能路徑選擇、計算機棋手、圖形圖像識別、機器人、無人駕駛等等。

7.數(shù)據(jù)管理

人們一直孜孜不倦地追求計算機系統(tǒng)的性能和效率。然而，計算機運算速度盡管有百萬倍甚至上億倍的提升，但是在機器翻譯和天氣預(yù)報等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然不盡如人意，這顯然不是計算機性能不夠好。如今，多年積累的海量數(shù)據(jù)將成為未來計算的核心，就像PC時代Intel芯片是核心一樣，數(shù)據(jù)將成為新一代計算的核心。未來世界將承載在數(shù)據(jù)之上，以有效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)駕馭和使用積累下來的海量而繁雜的數(shù)據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的社會化媒體公司如谷歌、雅虎、Facebook,其服務(wù)所產(chǎn)生的“大數(shù)據(jù)”需要一種全新的解決方案。如果利用得當(dāng)，則現(xiàn)代化對于數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生經(jīng)濟價值的沖擊，大數(shù)據(jù)將源源不斷地產(chǎn)生新的用途和應(yīng)用。簡單的模型加上海量的數(shù)據(jù)比精巧的模型加上少量的數(shù)據(jù)更有效。對數(shù)據(jù)進行處理并從中提取洞察、理解和表達的能力，如Google公司的機器自動翻譯系統(tǒng)和語音輸入，基于海量的語料庫而不是好的算法。Google翻譯采用“統(tǒng)計式”翻譯算法，統(tǒng)計、分析某一單詞在語言環(huán)境中被運用的概率和位置，尋找出詞匯的排列規(guī)則；采用“類比式”算法，通過分析數(shù)億翻譯作品，遇到新的語句時，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)中搜索與之最相似的語句進行翻譯。又如，基于海量數(shù)據(jù)的Facebook數(shù)據(jù)管理團隊，通過數(shù)據(jù)的分析建立的商業(yè)智能系統(tǒng)成為其成功的基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)更可能被稱為“多層結(jié)構(gòu)”，因為它可以包含文本字符串、所有類型的文件、音頻和視頻文件、元數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁、電子郵件、社交媒體供稿、表格數(shù)據(jù)等等。容量僅僅是界定大數(shù)據(jù)定義的關(guān)鍵要素之一，而對于大數(shù)據(jù)的定義至少有三個要素，其他兩個分別是種類和傳輸速度。一般來說，專家們普遍認為PB級的數(shù)據(jù)為大數(shù)據(jù)的起點，盡管這一指標(biāo)仍然是一個變化中的目標(biāo)。因此，容量這一要素是非常重要的，種類則是指許多不同的數(shù)據(jù)和文件類型，它對于管理和更深入地分析數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，但不適合傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。這方面的例子包括各種聲音和電影文件、圖像、文檔、地理定位數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)日志和文本字符串。速度是有關(guān)數(shù)據(jù)的變化率，以及其如何快速地被使用，以創(chuàng)造真正的價值。傳統(tǒng)技術(shù)尤其不適合于高速數(shù)據(jù)的儲存和使用，因此，采用新的方法是必要的。如果有問題的數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和聚合速度非?？?，就必須使用快速的方式來揭示其相關(guān)的模式和問題。發(fā)現(xiàn)問題的速度越快，就越有利于從大數(shù)據(jù)分析中獲得更多的機會。大數(shù)據(jù)的技術(shù)，如世界上使用排名第一的Web服務(wù)器軟件Apache的Hadoop工具，是為大數(shù)據(jù)工作的開源軟件框架；NoSQL，除了SQL或類似SQL接口外，還對相關(guān)類型的數(shù)據(jù)存儲提供特定領(lǐng)域的訪問和查詢技術(shù)，包括關(guān)鍵值存儲、面向文檔的數(shù)據(jù)庫、圖形數(shù)據(jù)庫、大表結(jié)構(gòu)和緩存數(shù)據(jù)存儲。目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)主要應(yīng)用于谷歌、雅虎、Facebook、騰訊、百度、中國移動、中國聯(lián)通這樣的互聯(lián)網(wǎng)或通信運營巨頭。用戶將逐步了解大數(shù)據(jù)并不僅僅指處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，行業(yè)對大數(shù)據(jù)處理的需求也會增加，包括數(shù)據(jù)流監(jiān)測和分析。數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)智能分析和應(yīng)用等無不基于海量數(shù)據(jù)管理，尤其是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)密集型計算將是未來最具吸引力的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。1.1.7計算機科學(xué)與技術(shù)

1.計算學(xué)科常識

計算學(xué)科(通常也稱做計算機科學(xué)與技術(shù))作為現(xiàn)代技術(shù)的標(biāo)志，已成為世界各國經(jīng)濟增長的主要動力，是現(xiàn)代科學(xué)體系的主要基石之一(計算機科學(xué)與量子力學(xué)、相對論、宇宙大爆炸模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、板塊構(gòu)造理論，這六大科學(xué)理論的突破，共同確立了現(xiàn)代科學(xué)體系的基本結(jié)構(gòu))。但如何認識這門學(xué)科，它究竟屬于理科還是工科，屬于科學(xué)還是工程的范疇，這是困擾國內(nèi)外計算機科學(xué)界很長一段時間且爭論不休的問題。

計算學(xué)科誕生于20世紀(jì)40年代初，它的理論基礎(chǔ)在這之前就已經(jīng)建立起來了。美國普渡大學(xué)于1962年開設(shè)了最早的計算機科學(xué)學(xué)位課程。在計算機產(chǎn)生之初及隨后的一二十年時間里，計算機主要用于數(shù)值計算。20世紀(jì)70、80年代，計算機技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，并開始滲透到大多數(shù)科學(xué)領(lǐng)域。這時人們普遍爭論的問題是：計算是否能作為一門學(xué)科？它是科學(xué)還是工程？它屬于理科還是工科？或者只是一門技術(shù)、一個計算商品的研制者或銷售者？1985年春，ACM(美國計算機協(xié)會)和IEEE-CS(國際電子電氣工程師學(xué)會計算機分會)組成聯(lián)合攻關(guān)小組，開始了對“計算作為一門學(xué)科”的存在性證明。1989年1月，該小組提交了《計算作為一門學(xué)科》(Computingasadiscipline)的報告。該報告第一次給出了計算學(xué)科一個透徹的定義，回答了計算學(xué)科中長期以來一直爭論的一些問題，完成了計算學(xué)科的“存在性”證明，還提出了未來計算科學(xué)教育必須解決的兩個重大問題-——整個學(xué)科核心課程詳細設(shè)計及整個學(xué)科綜述性導(dǎo)引課程的構(gòu)建。1991年，在這份報告的基礎(chǔ)上又提交了關(guān)于計算學(xué)科的教學(xué)計劃CC1991(ComputingCurricula1991)。2001年12月，提交了最終的CC2001報告。

《計算作為一門學(xué)科》報告及CC1991、CC2001一起解決了三個重大問題。第一個重大問題(計算作為一門學(xué)科的存在性證明)的解決對學(xué)科本身的發(fā)展至關(guān)重要。如果在眾多分支領(lǐng)域都取得了重大成果并已得到了廣泛應(yīng)用的“計算”，連作為一門學(xué)科的地位都不清楚，那么它的發(fā)展勢必會受到很大的限制。第二個重大問題(整個學(xué)科核心課程詳細設(shè)計)的解決將為高校制訂計算機教學(xué)計劃奠定基礎(chǔ)。確定一個公認的本科生應(yīng)該掌握的核心內(nèi)容，將避免教學(xué)計劃設(shè)計中的隨意性，從而為我們科學(xué)地制訂教學(xué)計劃奠定基礎(chǔ)。第三個重大問題(整個學(xué)科綜述性導(dǎo)引課程的構(gòu)建)的解決將使人們對整個學(xué)科的認知科學(xué)化、系統(tǒng)化和邏輯化。如果人們對計算學(xué)科的認知能建立在公理化的基礎(chǔ)之上，則該學(xué)科可被認為是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的和成熟的，從而有助于它的發(fā)展。計算學(xué)科的基本原理已納入理論、抽象和設(shè)計這三個具有科學(xué)技術(shù)方法意義的過程中。這三個過程要解決的都是計算過程中的“能行性”和“有效性”問題，學(xué)科的各分支領(lǐng)域正是通過這三個過程來實現(xiàn)它們各自的目標(biāo)。計算問題的本質(zhì)即“能行性”，也是數(shù)學(xué)問題的“算法化”。算法也稱為能行性方法或能行性過程。英國科學(xué)家圖靈用形式化方法揭示了這一本質(zhì)——計算就是計算者(人或機器)對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串0和1執(zhí)行指令，一步一步地改變紙帶上的0和1，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。ACM和IEEE-CS聯(lián)合攻關(guān)小組的報告如是定義計算學(xué)科：計算學(xué)科是對描述和變換信息的算法過程，包括對其理論、分析、設(shè)計、效率、實現(xiàn)和應(yīng)用等進行的系統(tǒng)研究。計算學(xué)科的研究包括從算法與可計算性的研究到根據(jù)可計算硬件和軟件的實際問題的研究，涉及理論研究、實驗方法和工程設(shè)計。

2．計算學(xué)科的根本問題

《計算作為一門學(xué)科》的報告對學(xué)科的根本問題進行了概括，即什么能被有效地自動進行，這是對根本問題“能行性”的討論。在計算學(xué)科極為寬廣的領(lǐng)域內(nèi)，其根本任務(wù)就是進行計算，實質(zhì)就是字符串的變換，而“能行性”這一根本問題決定了計算機處理的對象是離散的而非連續(xù)的。以離散型變量為研究對象的離散數(shù)學(xué)成為學(xué)科的第一個領(lǐng)域——離散結(jié)構(gòu)，它包括集合論、數(shù)理邏輯、近世代數(shù)、圖論及組合數(shù)學(xué)等內(nèi)容，并以抽象和理論的學(xué)科形態(tài)為計算學(xué)科領(lǐng)域提供了強有力的數(shù)學(xué)工具。總之，計算學(xué)科研究計算機的系統(tǒng)設(shè)計、制造和應(yīng)用以及如何進行信息的獲取、表示、存儲、處理、控制等的理論、方法、原則和技術(shù)，包含科學(xué)、工程、技術(shù)，注重理論和抽象，研究現(xiàn)象揭示規(guī)律，進行抽象和設(shè)計，理論和實踐緊密結(jié)合，研究計算機系統(tǒng)進行信息的處理方法和技術(shù)手段等。

計算學(xué)科作為一門新興學(xué)科，是以數(shù)學(xué)和電子科學(xué)為基礎(chǔ)的，理論和實踐相結(jié)合。學(xué)科發(fā)展的動力來自于科學(xué)理論和工程技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動，具有自身發(fā)展的深度和廣度，尤其是應(yīng)用需求的牽引推動了學(xué)科持續(xù)高速的發(fā)展，并且具有很強的開放性、包容性和吸納性。其應(yīng)用的廣泛及與其他學(xué)科的滲透，呈現(xiàn)出多學(xué)科的交叉和融合。跨學(xué)科、跨方向的創(chuàng)新與應(yīng)用形成計算學(xué)科發(fā)展的新形態(tài)，同時還具有促進其他學(xué)科發(fā)展的作用。

3．計算學(xué)科的學(xué)科形態(tài)(過程)

計算學(xué)科的確立，反映了人們對計算的認識從感性到理論，再由理論回到實踐的科學(xué)思維方法。其認知領(lǐng)域的三個最基本最原始的概念，即三個學(xué)科形態(tài)：抽象、理論和設(shè)計。它提供了定義計算學(xué)科的條件，是構(gòu)成學(xué)科方法論的第一個方面。這三個學(xué)科形態(tài)源于人們認識客觀事物的規(guī)律，反映了對現(xiàn)實世界的感性認識、依靠數(shù)學(xué)的理性認識以及完成工程設(shè)計的全過程，是從事該領(lǐng)域工作的文化方式。從研究過程、發(fā)展過程和實現(xiàn)過程來看，三個學(xué)科形態(tài)都有各自的步驟和內(nèi)容。抽象形態(tài)包括形成假設(shè)、建造模型、進行預(yù)測、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)和對結(jié)果進行分析；理論形態(tài)則包含定義和公理(對對象特征的研究和表述)、定理(假設(shè)對象間的基本性質(zhì)和可能關(guān)系)、證明(確定關(guān)系是否為真)以及結(jié)論；設(shè)計形態(tài)包括需求分析、建立規(guī)格說明、設(shè)計并實現(xiàn)系統(tǒng)、系統(tǒng)的測試與分析。

三個學(xué)科形態(tài)在研究過程中都有相應(yīng)的作用和內(nèi)在的聯(lián)系。一般是在理論指導(dǎo)下，運用抽象工具進行設(shè)計，最后形成計算機的軟硬件系統(tǒng)和文檔資料。三個學(xué)科形態(tài)(過程)錯綜纏繞，也可側(cè)重深入、獨立開展工作。

4．計算學(xué)科的分支與領(lǐng)域知識

早期的計算學(xué)科代表著兩個領(lǐng)域的專業(yè)分支，即計算機科學(xué)和計算機工程，俗稱軟件和硬件。計算學(xué)科的知識發(fā)展演化與時俱進，經(jīng)過近些年的積累和飛速發(fā)展，學(xué)科本身發(fā)生了巨大變化，其范疇拓寬，并涵蓋了許多其他學(xué)科范圍，已是軟件和硬件所不能同日而語的了，遠遠超出計算機科學(xué)和計算機工程的單一范疇。ACM和IEEE-CS的報告CC2001和CC2004把計算學(xué)科分為計算機科學(xué)(CS)、計算機工程(CE)、軟件工程(SE)、信息技術(shù)(IT)、信息系統(tǒng)(IS)，并為未來預(yù)留了一定的發(fā)展空間。新的專業(yè)分支具有不同的內(nèi)涵和知識側(cè)重的領(lǐng)域，需要不同的知識和技能背景，更主要的還在于不同的思維方式和工作模式。

1)計算機科學(xué)

計算機科學(xué)的知識領(lǐng)域側(cè)重理論與算法，在于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，其根本問題即“什么能被有效地自動進行計算”。該領(lǐng)域知識具體包括離散結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計基礎(chǔ)、算法與復(fù)雜性、計算機結(jié)構(gòu)與組織、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計算、程序設(shè)計語言、人機交互、圖形學(xué)與可視化計算、智能系統(tǒng)、信息管理、軟件工程、社會和職業(yè)問題、數(shù)值科學(xué)計算。

2)計算機工程

計算機工程知識領(lǐng)域側(cè)重技術(shù)與工程實現(xiàn)，具體包括離散結(jié)構(gòu)、概率與統(tǒng)計、計算機體系結(jié)構(gòu)與組織、計算機系統(tǒng)工程、電路與信號、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)字邏輯、數(shù)字信號處理、電子學(xué)、嵌入式系統(tǒng)、VLSI設(shè)計與構(gòu)造、算法與復(fù)雜性、操作系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、人機交互、程序設(shè)計基礎(chǔ)、軟件工程、社會和職業(yè)問題。與計算機科學(xué)有不同的側(cè)重，但又相互交叉。計算機工程反映現(xiàn)代計算系統(tǒng)和計算機控制設(shè)備的軟硬件設(shè)計、建造、實現(xiàn)的科學(xué)與技術(shù)。它以計算、數(shù)學(xué)及工程理論與原理為基礎(chǔ)，基于計算機進行系統(tǒng)設(shè)計，圍繞應(yīng)用需求，解決硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及其他過程中的技術(shù)問題；在目標(biāo)和約束之間折中處理，在軟硬件解決問題中進行設(shè)計和取舍；關(guān)注計算機產(chǎn)品的正常運行和維護，其根本問題即“如何低成本、高效率地實現(xiàn)自動計算”。

3)軟件工程

軟件工程的定義是“以系統(tǒng)的、學(xué)科的、定量的途徑，把工程應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運營和維護；同時開展其過程中的方法、途徑的研究”。這體現(xiàn)了軟件工程領(lǐng)域的兩大研究和應(yīng)用方向——工程學(xué)和方法學(xué)，其重點在于構(gòu)建系統(tǒng)。面向軟件工程教育和行業(yè)教育的從業(yè)要求分別形成兩個知識體系，即IEEE-CS/ACM的CC2004公布的SEEK和IEEE的SWEBOK-2004。其中SEEK包含的知識體系是計算的本質(zhì)、數(shù)學(xué)與工程基礎(chǔ)、職業(yè)訓(xùn)練、軟件建模與分析、軟件設(shè)計、軟件驗證、軟件進化、軟件過程、軟件質(zhì)量、軟件管理、系統(tǒng)與應(yīng)用專題；SWEBOK-2004包含的知識體系有軟件需求、軟件設(shè)計、軟件構(gòu)造、軟件測試、軟件維護、軟件配置管理、軟件工程管理、軟件工程過程、軟件質(zhì)量、軟件工程工具和方法及相關(guān)學(xué)科知識。

4)信息技術(shù)

信息技術(shù)以計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，覆蓋了組織與系統(tǒng)、應(yīng)用技術(shù)、軟件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)施等內(nèi)容，與應(yīng)用技術(shù)相關(guān)性強。其根本問題是如何有效地利用系統(tǒng)進行計算，即實現(xiàn)服務(wù)。它涉及信息的分類、獲取、存儲、處理、傳輸、再生和輸出等，拓展到Web的數(shù)字技術(shù)、信息應(yīng)用等。信息技術(shù)是計算機學(xué)科新增加的專業(yè)分支。

5)信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)屬于管理學(xué)學(xué)科。它涉及計算機各個應(yīng)用領(lǐng)域和行業(yè)，側(cè)重工程實施和系統(tǒng)構(gòu)建，涵蓋信息技術(shù)、組織管理、系統(tǒng)理論和開發(fā)。其包含的知識體系有計算機組織與體系結(jié)構(gòu)、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語言、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、信息系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)與測試、系統(tǒng)操作與維護、信息系統(tǒng)管理、商務(wù)分析、項目管理、風(fēng)險管理、應(yīng)用計劃及系統(tǒng)開發(fā)方法以及開發(fā)工具、技術(shù)、途徑等內(nèi)容。

5.學(xué)科的核心概念和典型方法

計算學(xué)科的核心概念蘊含了學(xué)科的基本思想，是學(xué)科方法論的第二個方面。學(xué)科涉及的重要概念是問題求解中考慮的要點，是學(xué)科的重要思想、原則、方法、技術(shù)過程的集中體現(xiàn)。計算機專業(yè)工作中使用這些概念有助于在學(xué)科的深層次統(tǒng)一認識，能否對學(xué)科核心概念深入理解和正確拓展也是計算機專業(yè)工作人員的重要標(biāo)志之一。這些體現(xiàn)學(xué)科基本思想的12個重要概念分別是綁定、問題復(fù)雜性、概念和形式模型、一致性和完備性、效率、演化、抽象層次、按空間排序、按時間排序、重用、安全性、折中與決策。作為學(xué)科方法論的第三個方面是典型的學(xué)科方法，包括數(shù)學(xué)方法和系統(tǒng)科學(xué)方法，即以數(shù)學(xué)為工具進行的科學(xué)研究方法，包括問題的描述和變換，如公理化方法、構(gòu)造性方法、內(nèi)涵與外延法、模型化與具體化方法等，以及以抽象思維對應(yīng)問題整體的抽象級別，并進行系統(tǒng)的整體優(yōu)化，如系統(tǒng)分析方法、黑箱法、功能模擬方法、信息分析方法、分治法、自頂向下、自底向上、模塊法和逐步求精等。學(xué)科的能力除了交流、獲取知識、分析信息的基本能力，還包括程序設(shè)計與實現(xiàn)能力、算法設(shè)計與分析能力、系統(tǒng)分析、開發(fā)與應(yīng)用能力以及計算思維能力。學(xué)科不但強調(diào)以信息的獲取、存儲、處理等為主，更強調(diào)與人類社會、健康、藝術(shù)、生物、能源、材料等領(lǐng)域的聯(lián)系。作為一門獨立的學(xué)科的同時，也是一種典型的通用技術(shù)，并與各種學(xué)科建立廣泛的橫向關(guān)系，形成技術(shù)的多樣性、開放性和個性化局面。

6.計算機專業(yè)職位

現(xiàn)今，人們中的大多數(shù)已能夠熟練使用計算機，但作為計算機專業(yè)或相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生，其專業(yè)素質(zhì)、工作領(lǐng)域和職位有一定的內(nèi)在要求。與計算機技術(shù)的應(yīng)用或使用有著本質(zhì)的區(qū)別。歸納起來，計算機的專業(yè)職位大體可分為計算機硬件、軟件編程、計算機網(wǎng)絡(luò)、計算機應(yīng)用技術(shù)、信息系統(tǒng)、技術(shù)支持/服務(wù)、數(shù)字媒體/娛樂、人才培養(yǎng)八大類，具體如表1.1所示。表1.1計算機專業(yè)職位 1.2微機中的硬件邏輯

1.2.1數(shù)字電路的基本邏輯

微機是以數(shù)字電路及其邏輯為基礎(chǔ)構(gòu)成的。邏輯電路有三種基本的門電路，即非門、或門、與門，如圖1.4所示。圖1.4基本邏輯門電路三種基本門電路可以組合形成更復(fù)雜的邏輯電路，如或非門、與非門、異或門、異或非門、同或門，以及緩沖器、譯碼器、比較器、加法器等。邏輯電路的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是布爾代數(shù)，也叫邏輯代數(shù)，其邏輯值只能是0或1，其一般表達式如下：

Y?=?f(A，B，C，D)

其中，A、B、C、D為變量，取0或1；Y為邏輯輸出結(jié)果，取0或1；f為函數(shù)關(guān)系，基本的函數(shù)關(guān)系是“非”運算、“或”運算、“與”運算。1.2.2微機的基本電路部件

任何復(fù)雜電路都是由若干簡單電路構(gòu)成的。微機的基本電路部件有觸發(fā)器、寄存器、三態(tài)門電路、加法器等。

1．觸發(fā)器

觸發(fā)器由晶體管元件構(gòu)成，具有記憶功能，是計算機中最常用的基本元件。

1)

R-S觸發(fā)器

R-S觸發(fā)器是由2個與非門對稱構(gòu)成的，其電路符號如圖1.5所示，邏輯功能如表1.2所示。表1.2R-S觸發(fā)器邏輯功能圖1.5R-S觸發(fā)器電路符號

2)

D觸發(fā)器

D觸發(fā)器的電路符號如圖1.6所示。在時鐘信號CLK上升邊沿觸發(fā)作用下，輸入端D的信號可以建立起來并在輸出端Q輸出顯示。是反相輸出端，信號PR是預(yù)置端，CLR是清除端。圖1.6D觸發(fā)器電路符號

3)

J-K觸發(fā)器

J-K觸發(fā)器的電路符號如圖1.7所示。在時鐘信號CLK上升邊沿觸發(fā)作用下，根據(jù)J、K端的不同組合，Q端輸出不同的動作狀態(tài)，其功能如表1.3所示。圖1.7J-K觸發(fā)器電路符號表1.3J-K觸發(fā)器邏輯功能

2．寄存器

由觸發(fā)器可構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)和功能的寄存器，一個觸發(fā)器提供1位二進制信息功能，常用的寄存器有緩沖寄存器、移位寄存器、計數(shù)器、累加寄存器等。

1)緩沖寄存器

緩沖寄存器用于暫存數(shù)據(jù)，在外界時鐘節(jié)拍作用下，把輸入數(shù)據(jù)暫存起來并輸出，起到穩(wěn)定數(shù)據(jù)信號的作用?？捎萌舾蓚€D觸發(fā)器構(gòu)成若干位的緩沖寄存器。但往往為了使輸入數(shù)據(jù)可控，對輸入的數(shù)據(jù)增加控制電路和控制信號，如裝入控制LOAD信號，如圖1.8所示。圖1.8緩沖寄存器

2)移位寄存器

移位寄存器由D觸發(fā)器構(gòu)成。移位寄存器在時鐘信號作用下可實現(xiàn)左移、右移功能。圖1.9是具有右移功能的移位寄存器。一般的移位寄存器具有可控制功能，可實現(xiàn)各種不同的移位操作，如裝入、左移、右移、循環(huán)等。圖1.94位移位寄存器

3)計數(shù)器

計數(shù)器是由若干個觸發(fā)器組成具有計數(shù)功能的寄存器，可實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)并加1的功能，如程序計數(shù)器、同步計數(shù)器、循環(huán)計數(shù)器、環(huán)形計數(shù)器等。用4個J-K觸發(fā)器組成的循環(huán)計數(shù)器如圖1.10所示，實現(xiàn)在CLK作用下從0000到1111，再到0000的循環(huán)計數(shù)功能。它在計算機環(huán)形脈沖的產(chǎn)生、基本計數(shù)等功能中有廣泛的應(yīng)用。圖1.104位循環(huán)計數(shù)器

4)累加寄存器

累加寄存器也叫累加器(ACC)，用于運算器的輸入，不具備加法功能，但它可以實現(xiàn)基本的移位操作，在微機中有重要作用。

3．三態(tài)門電路

三態(tài)門電路可實現(xiàn)可控的方向選擇傳輸，還具有緩沖或鎖存功能，如圖1.11所示。圖1.11數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜龖B(tài)控制

4．加法器

1)?1位二進制加法器

該加法器包括本位的2個加數(shù)Ai和Bi以及低位向本位的進位Ci，輸出得到進位位Ci+1和本位的結(jié)果Si。其真值表如表1.4所示。表1.41位二進制加法器的真值表圖1.121位加法器

2)多位二進制加法器

把1位加法器串接起來，可形成n位二進制加法器，經(jīng)過改進，還可以增加方式控制進行減運算、溢出檢測等，其電路如圖1.13所示。圖1.13n位加法器電路 1.3計算機中的基本編碼

1.3.1常用數(shù)制

1．十進制數(shù)

十進制數(shù)有0～9共10個數(shù)字符號(也稱數(shù)碼)，后綴為D或不加后綴。無論數(shù)的大小，都可以用這10個數(shù)碼的組合來表示。任意一個十進制數(shù)都可以用權(quán)展開式表示為

其中：Di是D的第i位的數(shù)碼，可以是0～9中的任何一個；n和m均為正整數(shù)，n表示整數(shù)部分的位數(shù)，m表示小數(shù)部分的位數(shù)；10為基數(shù)；10i表示第i位的權(quán)。表1.5各種進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系1.3.2常用數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換

任何進制的數(shù)都可寫成“按權(quán)展開式”的形式。對于N位整數(shù)位、n位小數(shù)位的m進制的數(shù)，按權(quán)展開式如下：

任意進制的數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制的數(shù)時，只需“按權(quán)展開”計算結(jié)果即可。

1.非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)

非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法是按權(quán)表達式展開再求和，即可得到對應(yīng)的十進制數(shù)。

2.十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進制數(shù)

1)十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)

整數(shù)部分：除2取余，直至商為0。第一次得到的余數(shù)是二進制的最低位，最后一次得到的余數(shù)是二進制的最高位。將得到的余數(shù)逆序書寫，即可得到轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)的整數(shù)部分。

小數(shù)部分：乘2取整，小數(shù)部分連續(xù)用2乘，每次得到一個整數(shù)和一個小數(shù)，整數(shù)保留，小數(shù)繼續(xù)乘2，直到小數(shù)部分為零或達到所要求的精度為止。第一次取得的整數(shù)為二進制的最高位，最后一次得到的整數(shù)是二進制的最低位。將得到的整數(shù)正序書寫即可得到轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)的小數(shù)部分。

【例1.6】

把十進制數(shù)175.625轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。

解

對整數(shù)部分175和小數(shù)部分0.625分別進行轉(zhuǎn)換。

【例1.7】

把十進制數(shù)1192.9032轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。

解對整數(shù)部分1192和小數(shù)部分0.9032分別進行轉(zhuǎn)換。

所以1192.9032?=?4A8.E738H

3.二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

二進制的4位數(shù)與十六進制的1位數(shù)對應(yīng)，因為24=16，即可用4位二進制數(shù)表示一位十六進制數(shù)，所以二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)的方法是：以小數(shù)點為界，向左(整數(shù)部分)每4位為一組，高位不足4位時補0，向右(小數(shù)部分)每4位為一組，低位不足4位時補0，然后分別用一個十六進制數(shù)表示每一組中的4位二進制數(shù)。

十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)的方法為：直接將每一位十六進制數(shù)寫成其對應(yīng)的4位二進制數(shù)。1.3.3微機信息與數(shù)的編碼

1.二進制數(shù)編碼的十進制數(shù)

用4位二進制代碼對十進制數(shù)字符號進行編碼，形成二—十編碼，或稱BCD(BinaryCodedDecimal)碼。它既有二進制的形式，又有十進制的特點。BCD碼有8421碼、2421碼和余3碼等，較常用的是8421BCD碼。

8421BCD碼(簡稱BCD碼)是最常用的一種權(quán)碼，其4位二進制碼從高位至低位的權(quán)依次為23、22、21、20，即8、4、2、1，故稱為8421碼。因為8421碼編碼的0～9與用4位二進制數(shù)表示的0～9完全一樣，所以8421碼是一種人機聯(lián)系時廣泛使用的中間形式。十進制數(shù)與8421BCD碼的對應(yīng)關(guān)系如表1.6所示。表1.6十進制數(shù)與8421BCD碼的對應(yīng)關(guān)系壓縮BCD碼是用4位二進制碼表示一位十進制數(shù)，這種方式下，一個字節(jié)就表示2位十進制數(shù)。例如，一個字節(jié)中以壓縮BCD碼的形式存放著10000101，就表示十進制數(shù)85，即(10000101)BCD=85；非壓縮BCD碼是用8位二進制碼表示一位十進制數(shù)，即一個字節(jié)存放一個BCD碼，低4位為有效的BCD，高4位為全0。例如，85用非壓縮BCD碼存放就要占用兩個字節(jié)，0000100000000101，即85=(0000100000000101)BCD。

2.字符的編碼

目前微型機中普遍采用的字符編碼是ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼)。它是用7位二進制碼對128個字符和符號進行編碼，其中有96個可打印字符，包括常用的字母、數(shù)字、標(biāo)點符號等，另外還有32個控制字符。雖然標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼是7位編碼，但由于計算機基本處理單位為字節(jié)(1Byte?=?8bit)，所以一般仍以一個字節(jié)來存放一個ASCII字符。每一個字節(jié)中多余出來的一位(最高位D7位)在計算機內(nèi)部通常保持為0(在數(shù)據(jù)傳輸時可用作奇偶校驗位)。ASCII編碼表參見書后的附錄B。計算機中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)，所以在一個字節(jié)中存放ASCII碼時，低7位對應(yīng)字符的ASCII碼，最高位D7位常用作奇偶校驗位，在數(shù)據(jù)傳輸過程中用來判斷數(shù)據(jù)的傳輸是否正確。例如A的ASCII碼是41H(1000001B)，以奇校驗傳送則為C1H(11000001B)，若以偶校驗傳送，則為41H。 1.4帶符號數(shù)的表示及運算

1.4.1有符號數(shù)的表示

一個數(shù)及其符號位用機器中的一組二進制數(shù)形式表示，稱為“機器數(shù)”。機器數(shù)所代表的數(shù)值大小稱為該機器數(shù)的“真值”。例如：

機器數(shù)00101011的真值為：十進制的+43或二進制的+0101011

機器數(shù)10101011的真值為：十進制的－43或二進制的－0101011

計算機中的有符號數(shù)的表示方法有三種：原碼、反碼和補碼。它們都是由二進制數(shù)的最高位作為符號位。

1.原碼

真值X的原碼記為?[X]原。最高位為符號位，用“0”表示正，用“1”表示負；其余位為數(shù)值本身，數(shù)值部分用二進制形式表示，稱為該數(shù)的原碼。

【例1.10】

已知真值X=+81，Y=－81，求[X]原和[Y]原。

解

X?=?+81為正數(shù)，則

[X]原=0

1010001B

Y?=－81為負數(shù)，則

[Y]原=1

1010001B原碼表示方法的特點：

(1)8位二進制原碼表示數(shù)的范圍為－127～+127，16位二進制原碼表示數(shù)的范圍為－32?767～+32?767。

(2)真值和其原碼表示之間的對應(yīng)關(guān)系直接。

(3)0的表示不唯一：

[+0]原=0?0000000B

[－0]原=1?0000000B

采用原碼表示法時，編程簡單，便于理解，但是不便于運算。

2.反碼

真值X的反碼記為[X]反。正數(shù)的反碼與其原碼相同，[X]反=[X]原，即符號位用0表示正，其余位為數(shù)值本身。負數(shù)的反碼是在原碼基礎(chǔ)上，符號位不變(仍為1)，數(shù)值部分按位取反。

【例1.11】

已知真值X=+81，Y=－81，求[X]反和[Y]反。

解

X?=?+81為正數(shù)，則

[X]反=[X]原=?01010001B

Y=－81為負數(shù)，則

[Y]反=10101110B

【例1.12】

已知真值X=?+127，Y=－127，求[X]反和

[Y]反。

解

X?=?+127為正數(shù)，則

[X]反=[X]原=?0?1111111B

Y=－127為負數(shù)，則

[Y]反=10000000B

反碼表示方法的特點：

(1)正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼符號位為1，數(shù)值部分按位取反。

(2)?8位二進制反碼表示數(shù)的范圍為－127～+127，16位二進制反碼表示數(shù)的范圍為－32?767～+32?767。

(3