計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 02-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本思維、03-計(jì)算機(jī)硬件的基本思維

2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本思維天津科技大學(xué)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與新技術(shù)教研部1目錄2.10和1的思維 2.2二進(jìn)制與數(shù)據(jù)編碼 2.3圖靈機(jī)與馮?諾依曼計(jì)算機(jī) 2.10和1的思維計(jì)數(shù)制是指用一組固定的數(shù)碼和一套統(tǒng)一的規(guī)則表示數(shù)值的方法。按進(jìn)位的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制。進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制中表示一位數(shù)所能使用的數(shù)碼符號(hào)個(gè)數(shù)稱為基數(shù)。例如：十進(jìn)制數(shù)有0～9共10個(gè)數(shù)碼，基數(shù)為10，逢10進(jìn)1不同數(shù)位的數(shù)碼表示的值的大小不同。例如：進(jìn)位計(jì)數(shù)制進(jìn)位計(jì)數(shù)制1．十進(jìn)制十進(jìn)制中，K表示0～9的10個(gè)數(shù)碼中的任意一個(gè)數(shù)碼，則任何一個(gè)數(shù)（N）可以表示為：為了便于區(qū)分，在十進(jìn)制數(shù)后加“D”，表示數(shù)為十進(jìn)制數(shù)，如323.4D。進(jìn)位計(jì)數(shù)制2．二進(jìn)制計(jì)算機(jī)中信息的存儲(chǔ)和處理都采用二進(jìn)制。二進(jìn)制數(shù)只有0、1兩個(gè)數(shù)碼，基數(shù)為2，逢2進(jìn)1。為了便于區(qū)分，在二進(jìn)制數(shù)后加“B”，表示二進(jìn)制數(shù)。進(jìn)位計(jì)數(shù)制3．八進(jìn)制八進(jìn)制有0～7共8個(gè)數(shù)碼，基數(shù)為8，逢8進(jìn)1。為了便于區(qū)分，在八進(jìn)制數(shù)后加“O”，表示數(shù)為八進(jìn)制數(shù)。例如：進(jìn)位計(jì)數(shù)制4．十六進(jìn)制十六進(jìn)制有0～9、A、B、C、D、E、F共16個(gè)數(shù)碼，基數(shù)為16，逢16進(jìn)1，用A～F表示十進(jìn)制中10～15的6種狀態(tài)。為了便于區(qū)分，在十六進(jìn)制數(shù)后加“H”，表示數(shù)為十六進(jìn)制數(shù)。例如：2.1.2不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換1．不同進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)【例2.1】將二進(jìn)制數(shù)110010100111.1B、八進(jìn)制數(shù)6

247.4O、十六進(jìn)制數(shù)CA7.8H轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換2．十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)將十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分轉(zhuǎn)換為R進(jìn)制數(shù)，通常采用“除R取余法”，即用十進(jìn)制整數(shù)除以R取余數(shù)，將商反復(fù)除以R，直至商為零。得到的第一個(gè)余數(shù)為最低位，最后一個(gè)余數(shù)為最高位，將所得余數(shù)從高位到低位依次排列，就是對(duì)應(yīng)R進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換【例2.2】將十進(jìn)制整數(shù)167轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換每3位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位八進(jìn)制數(shù)，每4位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)【例2.3】將二進(jìn)制數(shù)10100111.1011B轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)。不同進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換【例2.4】將367.45O、E7B2.C8H轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。2.1.3二進(jìn)制與易經(jīng)易經(jīng)是中國最古老的哲學(xué)思想，通過陰陽的組合來進(jìn)行現(xiàn)實(shí)世界的語義符號(hào)化。語義符號(hào)化是指將現(xiàn)實(shí)世界的使用符號(hào)來表達(dá)，進(jìn)而進(jìn)行基于符號(hào)的計(jì)算的一種思維。

陰：兩個(gè)短線（或六）

陽：一根長線（或九）

陰對(duì)應(yīng)二進(jìn)制0，陽對(duì)應(yīng)二進(jìn)制1二進(jìn)制與易經(jīng)三畫卦，8種組合，即八卦

天（乾）、地（坤）、

雷（震）、風(fēng)（巽）、

水或月（坎）、

火或日（離）、

山（艮）、澤（兌）二進(jìn)制與易經(jīng)六畫卦，共有64種組合，即六十四卦。六畫卦可以描述人從生到死的變化規(guī)律，或者描述一年二十四節(jié)氣的演變規(guī)律。八卦：三位二進(jìn)制數(shù)的8個(gè)數(shù)六十四卦：8位二進(jìn)制數(shù)的64個(gè)數(shù)2.1.4二進(jìn)制與邏輯運(yùn)算邏輯指的是事物之間遵循的規(guī)律，是現(xiàn)實(shí)生活中普適的思維方式。邏輯的基本表現(xiàn)形式是命題和推理。例如：10>6籃球是圓的姚明比我高二進(jìn)制與邏輯運(yùn)算命題是由語句表達(dá)的內(nèi)容為真或假的一個(gè)判斷。推理就是依據(jù)簡單命題的判斷結(jié)論推導(dǎo)出復(fù)雜命題的判斷結(jié)論的過程。命題和推理可以用二進(jìn)制的0表示假，1表示真?！纠?.5】命題舉例，假如小明是一個(gè)男的小學(xué)生。命題1：小明是男生，結(jié)果為真，值為1。命題2：小明是小學(xué)生，結(jié)果為真，值為1。命題3：小明是男生，并且是個(gè)小學(xué)生，結(jié)果為真，值為1。命題4：小明是女生，結(jié)果為假，值為0。二進(jìn)制與邏輯運(yùn)算命題和推理可以符號(hào)化，用符號(hào)來表示命題和推理?！纠?.6】將例2.5的命題符號(hào)化。命題1用X表示，值為1。命題2用Y表示，值為1。命題3用Z表示，則“Z=XANDY”，則值為1。二進(jìn)制與邏輯運(yùn)算復(fù)雜命題的推理可以通過邏輯運(yùn)算完成。邏輯運(yùn)算符（1）AND與：XANDY，X和Y都為真時(shí)，為真。（2）OR或：XORY，X和Y都為假，才為假。（3）NOT非：NOTX，X為真時(shí)值為假，X為假時(shí)值為真（4）XOR異或：XXORY，X和Y不同時(shí)為真。XYNOTXXANDYXORYXXORY1101101000110110110010002.1.5二進(jìn)制與元器件基本的邏輯運(yùn)算可以由電子元器件及其電路實(shí)現(xiàn)。如高電平為1，低電平為0。電子計(jì)算機(jī)中，使用電子管來表示十進(jìn)制的十種狀態(tài)過于復(fù)雜，而使用電子管的開和關(guān)兩種狀態(tài)來表示二進(jìn)制的0和1則非常容易實(shí)現(xiàn)。二進(jìn)制與元器件【例2.7】使用8個(gè)電子管的一組開關(guān)狀態(tài)表示二進(jìn)制數(shù)10100110二進(jìn)制與元器件硬盤也稱為磁存儲(chǔ)設(shè)備，通過電磁學(xué)原理讀寫數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)介質(zhì)為磁盤或磁帶，通過讀寫磁頭改變存儲(chǔ)介質(zhì)中每個(gè)磁性粒子的磁極為兩個(gè)狀態(tài)，分別表示0和1二進(jìn)制與元器件光盤利用激光束在光盤表面存儲(chǔ)信息，根據(jù)激光束和反射光的強(qiáng)弱不同，可以實(shí)現(xiàn)信息的讀寫。在寫入光盤時(shí)會(huì)在光盤表面形成小凹坑，有坑的地方記錄“1”，反之為“0”。二進(jìn)制與元器件計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制數(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）可行性。

只需要0、1兩種狀態(tài)，易于實(shí)現(xiàn)。（2）簡易性。算術(shù)運(yùn)算規(guī)則簡單。

如兩數(shù)相乘，只有0×0=0、0×1=0、1×0=0、1×1=1共4種組合，而十進(jìn)制卻有100種組合（3）適合邏輯運(yùn)算。

1和0對(duì)應(yīng)“真”和“假”（4）易于轉(zhuǎn)換。

二進(jìn)制與十、八、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換方便。。2.1.6存儲(chǔ)單位關(guān)系（1）位（bit）：一“位”只能表示0和1中的一個(gè)。（2）字節(jié)（Byte）：每8個(gè)位為字節(jié)（簡寫為B）。常用單位：B、KB、MB、GB、TB、PB、EB、ZB、YB、BB、NB、DB換算率為10241張JPG圖片，大約1MB，使用傳統(tǒng)電子管存儲(chǔ)需要220×8，約800萬個(gè)。2.2二進(jìn)制與數(shù)據(jù)編碼在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字、字符、圖片、聲音、視頻等所有信息都要進(jìn)行二進(jìn)制編碼才能存儲(chǔ)和處理2.2.1二進(jìn)制與數(shù)字的表示1．機(jī)器數(shù)在計(jì)算機(jī)中采用固定數(shù)目的二進(jìn)制位數(shù)來表示數(shù)字，稱為機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)的表示范圍受計(jì)算機(jī)字長的限制，一般字長為8、16、32或64位數(shù)值超出機(jī)器數(shù)能表示的范圍，會(huì)出現(xiàn)“溢出”錯(cuò)誤。通常把一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的最高位作為符號(hào)位。機(jī)器數(shù)【例2.8】8位計(jì)算機(jī)中整數(shù)+7和-7對(duì)應(yīng)的機(jī)器數(shù)+7機(jī)器數(shù)是

00000111-7機(jī)器數(shù)是10000111原碼在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字可以采用原碼、反碼、補(bǔ)碼存儲(chǔ)和處理原碼是數(shù)字最簡單的表示方法。用0表示正號(hào)、1表示負(fù)號(hào)。0的原碼有兩種表示方法反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼由原碼的數(shù)值部分按位取反得到（即0變?yōu)?，1變?yōu)?）。0的反碼有兩種表示方法補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼、反碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于負(fù)數(shù)的反碼加10有唯一的補(bǔ)碼，[+0]補(bǔ)=[-0]補(bǔ)=00000000補(bǔ)碼的算術(shù)運(yùn)算補(bǔ)碼可以將計(jì)算中的減法運(yùn)算轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃ㄟ\(yùn)算，而原碼和反碼則不行。2.2.2計(jì)算機(jī)中的字符編碼常用的西文字符有128個(gè)（1）10個(gè)十進(jìn)制的數(shù)碼0～9（2）52個(gè)大小寫英文字母A～Z及a～z（3）32個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào)、運(yùn)算符、專用符號(hào)和34個(gè)控制符采用ASCII碼存儲(chǔ)和處理西文字符，是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)編碼每個(gè)字符占用1Byte空間，最高位為0，其余7位表示ASCII值2.2.3計(jì)算機(jī)中的漢字編碼1981年頒布《信息交換用漢字編碼字符集——基本集》，國家標(biāo)準(zhǔn)GB2312—80，簡稱國標(biāo)碼?；炯彩占瘽h字6

763個(gè)，常用一級(jí)漢字3

755，二級(jí)漢字3

008個(gè)。2個(gè)字節(jié)（16位）表示一個(gè)漢字，理論上可以表示256×256=65

536個(gè)漢字機(jī)內(nèi)碼為了區(qū)分漢字編碼和ASCII字符，將國標(biāo)碼每個(gè)字節(jié)的最高位由0改為1，構(gòu)成漢字的機(jī)內(nèi)碼，也稱內(nèi)碼漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)、處理和傳輸時(shí)使用機(jī)內(nèi)碼

漢字內(nèi)碼=漢字國標(biāo)碼+8080H輸入碼通過鍵盤向計(jì)算機(jī)中輸入漢字所使用的編碼為輸入碼，也稱外碼。以拼音為基礎(chǔ)的拼音類輸入法以字形為基礎(chǔ)的字形類輸入法以拼音、字形混合為基礎(chǔ)的混合類輸入碼搜狗輸入法、智能ABC、微軟全拼五筆字型自然碼輸出碼輸出碼也稱漢字字型碼，指漢字字庫中存儲(chǔ)的漢字字型的數(shù)字化信息，用于漢字在顯示或打印輸出。不同的漢字字庫存放不同形狀的漢字字型（即字體），如宋體、楷體、隸書等分為：點(diǎn)陣字庫和矢量字庫點(diǎn)陣字庫用點(diǎn)陣表示字型，將一個(gè)漢字放在一個(gè)多行多列的網(wǎng)格中，有筆畫通過的網(wǎng)格用二進(jìn)制位1表示，沒有筆畫通過的網(wǎng)格用二進(jìn)制位0表示。一般有16×16、24×24、48×48、64×64點(diǎn)陣漢字字型碼以二進(jìn)制數(shù)形式保存在存儲(chǔ)器中，構(gòu)成漢字字庫48×48點(diǎn)陣需要288Byte（48×48/8）空間存放一個(gè)漢字的字型碼矢量字庫矢量漢字字庫存儲(chǔ)的是描述漢字字型的輪廓特征，當(dāng)要輸出漢字時(shí)，通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算由漢字字型描述生成所需大小和形狀的漢字點(diǎn)陣。放大以后不影響輸出效果2.2.4圖像的數(shù)字化編碼圖像是指由輸入設(shè)備捕捉的實(shí)際場(chǎng)景畫面或以數(shù)字化形式存儲(chǔ)的畫面圖像由許多像素組合而成，每個(gè)像素用若干二進(jìn)制位來表示其顏色。每個(gè)像素所占二進(jìn)制位數(shù)越多，則色彩越豐富，效果越逼真。色彩采用RGB模式，24位顏色中從低位到高位分別用1字節(jié)表示藍(lán)色、綠色和紅色。紅色#FF0000

綠色#00FF00

藍(lán)色#0000FF白色#FFFFFF

黑色#000000位圖位圖主要用于表現(xiàn)人物、動(dòng)植物等真實(shí)存在的自然景物位圖進(jìn)行縮放時(shí)圖像會(huì)失真圖像的數(shù)字化現(xiàn)實(shí)中的圖像都是模擬圖像，要在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、顯示和處理，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，即數(shù)字化圖像的采集和數(shù)字化設(shè)備：數(shù)碼相機(jī)、攝像頭、掃描儀圖像的數(shù)字化過程主要包括：（1）采樣（2）量化（3）編碼采樣采樣是對(duì)二維空間上的模擬圖像在水平和垂直方向上等間距地分割成矩形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)微小方格稱為一個(gè)像素分辨率是指圖像在橫縱方向上像素的個(gè)數(shù)，分辨率越高，圖像質(zhì)量越好，文件也越大。一幅640×480像素的圖像，包括640×480=307

200個(gè)像素量化量化是將采樣的每個(gè)像素的顏色用相同位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)表示每個(gè)像素使用二進(jìn)制數(shù)的編碼表示其顏色，將所有點(diǎn)的二進(jìn)制編碼保存在一起成為一個(gè)圖片文件。（1）一張24位色、640×480像素的照片 224=16777216種顏色存儲(chǔ)照片約需640×480×24/8B=921600B=900KB（2）一張24位色、4288×2848像素的照片約需 4288×2848×24bit=35778KB=34.94MB

編碼由于采樣、量化后得到的圖像數(shù)據(jù)量巨大，必須采用編碼技術(shù)來壓縮其數(shù)據(jù)量。采用壓縮的方法減少其占用的空間例如：JPEG壓縮，一張24位色、4288×2848像素的照片壓縮為約3.2MB的JPG文件2.2.5聲音的數(shù)字化編碼聲音又稱音頻。自然界的聲音是模擬音頻，是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量，信號(hào)體現(xiàn)為波形計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的音頻為數(shù)字音頻，它是隨時(shí)間不連續(xù)或離散變化的數(shù)字量。音頻數(shù)字化模擬音頻進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)需要進(jìn)行數(shù)字化處理，使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻音頻采集和數(shù)字化所需的硬件設(shè)備主要有聲卡、話筒等過程：

（1）采樣（2）量化（3）編碼聲音的數(shù)字化編碼采樣過程是指每隔一定時(shí)間T對(duì)模擬音頻信號(hào)的振幅取值，其中T稱為采樣周期，得到的振幅值稱為采樣值，采樣后的數(shù)據(jù)仍為模擬量。將每1秒的采樣次數(shù)稱為采樣頻率，如22.05kHz、44.1kHz、48kHz，編碼可以用8bit、16bit、24bit表示聲音的數(shù)字化編碼例如44.1kHz的32位音頻每秒有44.1×1024=45158.4個(gè)采用每個(gè)采樣能描述232=4294967296種聲音信號(hào)單聲道1分鐘的44.1kHz的32位音頻，需要存儲(chǔ)空間 44.1×1024×60×32bit=10584KB=10.34MB2.2.6數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)重新編碼，以減少所需的比特?cái)?shù)，減少占用的存儲(chǔ)空間，便于傳輸。數(shù)據(jù)壓縮是可逆的，它的逆過程稱為解壓縮。數(shù)據(jù)之所以能被壓縮，是因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在冗余。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)1．壓縮的指標(biāo)

（1）壓縮比。如：100:1，5:1，2:1（2）壓縮質(zhì)量。（3）壓縮和解壓縮速度。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)壓縮的分類（1）有損壓縮。

如圖像、視頻或者音頻等

壓縮比可以從幾倍到上百倍（2）無損壓縮。

用于文本數(shù)據(jù)、程序代碼和特殊應(yīng)用場(chǎng)合的圖像數(shù)據(jù)（如指紋圖像、醫(yī)學(xué)影像等）

壓縮比一般為2∶1～5∶1數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)圖像壓縮JPEG，有損壓縮。（a）原始BMP文件

（b）30%壓縮率的JPG文件2.3圖靈機(jī)與馮?諾依曼計(jì)算機(jī)阿蘭·麥席森·圖靈英國著名數(shù)學(xué)家、邏輯學(xué)家、密碼學(xué)家是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者被稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父圖靈機(jī)圖靈測(cè)試圖靈機(jī)的基本思想圖靈認(rèn)為自動(dòng)計(jì)算就是人或者機(jī)器對(duì)一條兩端無限延長的紙帶上的一串0和1，執(zhí)行指令，一步步地改變紙帶上的0和1，經(jīng)過有限步驟得到結(jié)果的過程。（1）指令由0和1表示，（2）例如00表示停止01表示轉(zhuǎn)0為1,10表示翻轉(zhuǎn)1為011表示移位圖靈機(jī)模型圖靈機(jī)（TuringMachine）是指一個(gè)抽象的計(jì)算模型。圖靈機(jī)模型被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的基本理論模型，它是一種離散的、有窮的、構(gòu)造性的問題求解思路，一個(gè)問題的求解可以通過構(gòu)造器圖靈機(jī)來解決。圖靈可計(jì)算問題：凡是能用算法解決的問題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，任何算法也解決不了。圖靈測(cè)試圖靈測(cè)試，是圖靈提出的一個(gè)關(guān)于機(jī)器人的著名判斷原則，它是一種測(cè)試機(jī)器是否具備人類智能的方法。如果計(jì)算機(jī)能在5min內(nèi)回答由人類測(cè)試者提出的一系列問題，且其超過30%的回答讓測(cè)試者誤認(rèn)為是人類所答，則計(jì)算機(jī)通過測(cè)試圖靈測(cè)試2014年6月聊天程序“尤金·古斯特曼”（EugeneGoostman）首次通過了圖靈測(cè)試。“尤金·古斯特曼”偽裝成一名13歲男孩，回答了測(cè)試者輸入的所有問題，其中33%的回答讓測(cè)試者認(rèn)為與他們對(duì)話的是人而非機(jī)器2.3.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)1946年，馮·諾依曼領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)表了關(guān)于EDVAC計(jì)算機(jī)的論文。EDVAC是第一臺(tái)具有現(xiàn)代意義的通用計(jì)算機(jī)，首次使用二進(jìn)制。使用大約6000個(gè)電子管和12000個(gè)二極管，功率為56kW，占地面積45.5m2，重7850kg2.3.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)馮·諾依曼在EDVAC的研究中，提出了計(jì)算機(jī)的邏輯體系結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)程序的理論：（1）計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個(gè)部分構(gòu)成（2）確定了計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制，指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制數(shù)形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。（3）計(jì)算機(jī)按照程序規(guī)定的順序?qū)⒅噶顝拇鎯?chǔ)器中取出，并逐條執(zhí)行。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)1．運(yùn)算器（ArithmeticLogicUnit，ALU）也稱算術(shù)邏輯運(yùn)算單元，主要完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。2．控制器（ControlUnit）也稱控制單元，負(fù)責(zé)讀取指令、分析指令和執(zhí)行指令，調(diào)度運(yùn)算器完成計(jì)算。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)3．存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)4．輸入設(shè)備輸入設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)和指令從外部輸入到計(jì)算中。5．輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制信息以用戶能接受的形式呈現(xiàn)。2.3.3存儲(chǔ)程序控制原理為了能夠讓計(jì)算機(jī)完成任務(wù)，需要為計(jì)算機(jī)提供一系列命令。（1）指令：也稱機(jī)器指令，是指計(jì)算機(jī)完成某個(gè)基本操作的命令，是計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制編碼。括操作碼和操作數(shù)兩部分。計(jì)算機(jī)的字長是指計(jì)算機(jī)能一次直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。存儲(chǔ)程序控制原理（2）指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有機(jī)器指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。不同計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的指令數(shù)目與格式也不同。（3）程序：由指令組成，是為解決某一特定問題而設(shè)計(jì)的有序指令的集合，是為了得到某種結(jié)果而由計(jì)算機(jī)等具有信息處理能力的裝置執(zhí)行的指令序列。存儲(chǔ)程序控制原理指令執(zhí)行過程：計(jì)算機(jī)按照程序的執(zhí)行順序逐條取出存儲(chǔ)器中的指令，傳輸?shù)紺PU后執(zhí)行。

（1）取指令階段。

（2）分析指令階段。

（3）執(zhí)行指令階段。

（4）寫回結(jié)果階段。提示：按照存儲(chǔ)程序控制原理構(gòu)造出來的計(jì)算機(jī)就是存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)，也稱為馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。半個(gè)多世紀(jì)以來，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)一直沿用至今，計(jì)算機(jī)一直遵循存儲(chǔ)程序控制原理。3計(jì)算機(jī)硬件的基本思維天津科技大學(xué)

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與新技術(shù)教研部71目錄3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 3.2單片機(jī) 3.3高性能計(jì)算 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組成現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)組成。（1）硬件（2）軟件（3）網(wǎng)絡(luò)（4）數(shù)據(jù)3.1現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一直沿用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，以中央處理單元（CPU，也稱微處理器）為核心，配以內(nèi)存（主存儲(chǔ)器）、輸入/輸出接口和輸入/輸出設(shè)備等CPU、內(nèi)存和輸入/輸出設(shè)備被稱為計(jì)算機(jī)的三大核心部件。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)總線是連接CPU、內(nèi)存和各個(gè)I/O接口模塊的數(shù)據(jù)通路，是各模塊之間傳遞數(shù)據(jù)的通道。三類總線：（1）地址總線（AB）（2）數(shù)據(jù)總線（DB）（3）控制總線（CB）3.1.1主板主板（Mainboard），一般包括

BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴(kuò)充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等。主板主板采用開放式結(jié)構(gòu)。（1）可以插入CPU和內(nèi)存。（2）主板上有多個(gè)擴(kuò)展插槽，可以插接計(jì)算機(jī)外設(shè)的控制卡（適配器）。通過更換這些插卡，可以局部升級(jí)計(jì)算機(jī)的子系統(tǒng)，使廠家和用戶在配置機(jī)型方面有更大的靈活性。提示：通過在主板上設(shè)計(jì)電路和接口，連接各種設(shè)備的思維方法，目前廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、手機(jī)以及家電等各種裝備的設(shè)計(jì)中。3.1.2微處理器微處理器是計(jì)算機(jī)、手機(jī)等設(shè)備中的CPU，一般是一塊超大規(guī)模的集成電路，是計(jì)算機(jī)的核心。包括控制器、運(yùn)算器、寄存器及高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。國產(chǎn)龍芯微處理器包括龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)、龍芯3號(hào)三個(gè)系列處理器和龍芯橋片等CPU性能指標(biāo)CPU的主要性能指標(biāo)有主頻、字長、內(nèi)核數(shù)、高速緩存等。主頻：主頻就是CPU時(shí)鐘頻率，也是CPU內(nèi)核的工作頻率，主頻越高，運(yùn)算速度越快。一般以MHz和GHz為單位，GHz表示1s內(nèi)有10億個(gè)周期周期是微處理器最小的時(shí)間單位，微處理器進(jìn)行的每一項(xiàng)活動(dòng)都以周期來度量。目前的CPU主頻已經(jīng)達(dá)到4GHz或更高。因?yàn)楣に囅拗坪凸牡脑?，CPU的主頻不能無限制增長，只能限制在4GHz或更高。龍芯3號(hào)系列的龍芯3A5000的主頻為2.5GHz。CPU性能指標(biāo)（2）字長字長是計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制位數(shù)，它決定計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，字長越長，運(yùn)算精度越高。決定計(jì)算機(jī)的尋址能力，字長越長，尋址能力越強(qiáng)如32位，64位。龍芯1號(hào)CPU字長是32位龍芯3號(hào)CPU字長是64位CPU性能指標(biāo)（3）內(nèi)核數(shù)。一個(gè)多核處理器中集成多個(gè)內(nèi)核，通過并行處理來提高計(jì)算能力。內(nèi)核數(shù)是評(píng)價(jià)CPU性能的另一個(gè)重要指標(biāo)如雙核、四核、八核處理器CPU的主頻提高到一定程度后就很難繼續(xù)提高，CPU的運(yùn)算速度將遇到瓶頸龍芯3A5000集成4個(gè)內(nèi)核龍芯3C5000集成16個(gè)內(nèi)核CPU性能指標(biāo)（4）高速緩存CPU中高速緩存一般與處理器同頻運(yùn)作，速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)存在實(shí)際工作時(shí)，CPU通過提前將可能使用的數(shù)據(jù)塊讀入高速緩存中，顯著提高CPU的運(yùn)行效率。高速緩存大小是CPU的重要指標(biāo)之一，緩存的大小對(duì)CPU速度的影響非常大。龍芯3A5000有16MB三級(jí)緩存龍芯3C5000有32MB三級(jí)緩存CPU性能指標(biāo)（5）芯片制程芯片制程指芯片中單個(gè)晶體管柵極的最小寬度。更小的芯片制程意味著每平方毫米有更多的晶體管、更低的功耗以及更高的性能龍芯3A5000-14nm龍芯3C5000-14nm0.35μm、0.25μm、0.18μm到0.13μm，后來從90nm、65nm、45nm、32nm、14nm、7nm和5nmCPU性能指標(biāo)CPU比較參數(shù)Intel酷睿i713700KAMDRyzen55600X龍芯3A5000主頻3.4GHz3.7GHz2.5GHz字長64位64位64位內(nèi)核數(shù)16核6核4核三級(jí)緩存30MB32MB16MB芯片制程10nm7nm14nm 國外微處理器的發(fā)展年份公司型號(hào)字長晶體管數(shù)速度1971Intel40044位2300108kHz1972Intel80088位3500200kHz16/32/64幾千萬到幾億4GHz面向計(jì)算機(jī)的微處理器還有AMD公司的系列CPU，也占有一定的市場(chǎng)份額國產(chǎn)微處理器的發(fā)展2002年8月誕生的龍芯1號(hào)。龍芯1號(hào)系列為32位低功耗、低成本處理器，主要面向低端嵌入式和專用應(yīng)用領(lǐng)域；龍芯2號(hào)系列為64位低功耗單核或雙核系列處理器，主要面向工控和終端等應(yīng)用領(lǐng)域；龍芯3號(hào)系列為64位多核系列處理器，主要面向桌面和服務(wù)器等應(yīng)用領(lǐng)域。國產(chǎn)微處理器的發(fā)展海思半導(dǎo)體公司從2013年開始出品麒麟系列微處理年份公司型號(hào)工藝制程內(nèi)核數(shù)主頻2019海思麒麟9907nm共8核2個(gè)2.86GHzA76超大核2個(gè)2.09GHzA76大核4個(gè)1.86GHzA55小核2.86GHz2020海思麒麟90005nm共8核1個(gè)A77大核3個(gè)2.54GHzA77中核4個(gè)2.04GHzA55小核3.13GHz自主研發(fā)和生產(chǎn)的微處理器還有飛騰、申威、兆芯、海光、鯤鵬等3.1.3計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系隨著CPU計(jì)算速度不斷加快，計(jì)算機(jī)需要存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)量越來越大，對(duì)存取速度的要求也越來越快。計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)的要求是容量足夠大，越大越好；讀取速度足夠快，越快越好，以滿足CPU運(yùn)算速度的需要；價(jià)格足夠低，越便宜越好；存儲(chǔ)的時(shí)間足夠長，越久越好。存儲(chǔ)體系因?yàn)橹圃旃に?、精度、價(jià)格等因素影響，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系采用“速度、容量、價(jià)格的存儲(chǔ)資源優(yōu)化組合的思維模式”。包括寄存器、內(nèi)存、高速緩存、外存。外存用來永久存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，斷電時(shí)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，包括硬盤、移動(dòng)硬盤、光盤、軟盤、U盤和存儲(chǔ)卡等。1．寄存器寄存器是CPU中的高速存儲(chǔ)器，包括通用寄存器、專用寄存器和控制寄存器，可以用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址。寄存器的容量是有限的。寄存器與CPU采用相同制造工藝，速度可以與CPU完全匹配。CPU在處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)，往往先把數(shù)據(jù)取到寄存器中，而后再作處理2．內(nèi)存內(nèi)存是可按地址訪問的存儲(chǔ)器，又稱為主存儲(chǔ)器，是一種半導(dǎo)體芯片。CPU可以直接讀寫內(nèi)存，內(nèi)存的速度和容量直接影響計(jì)算機(jī)的整體性能。內(nèi)存分為RAM和ROM內(nèi)存RAM可以按照地址訪問，既可以讀也可以寫，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失。內(nèi)存容量反映了計(jì)算機(jī)運(yùn)算和處理能力，內(nèi)存容量越大，計(jì)算機(jī)性能越好。內(nèi)存常見的容量有4GB、8GB、16GB等內(nèi)存ROM可按地址訪問，只能讀不能寫，斷電后數(shù)據(jù)不丟失ROM具有永久存儲(chǔ)的特點(diǎn)，其中的信息必須事先寫入，其后只能讀不能寫，其容量非常小。3．高速緩存Cache由于CPU的處理速度遠(yuǎn)超過內(nèi)存，使得CPU經(jīng)常處于等待狀態(tài)，影響系統(tǒng)的整體處理能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，CPU經(jīng)常會(huì)讀取同一塊或者相鄰數(shù)據(jù)塊，如果將這些數(shù)據(jù)塊提前讀入高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache，簡稱高速緩存）中，在需要時(shí)微處理器可以直接讀寫高速緩存，從而提高數(shù)據(jù)的存取速度高速緩存Cache高速緩存可以制作在主板上、CPU上或者CPU的內(nèi)核上，一般將高速緩存分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)緩存。提示：緩存的思維模式，把即將要處理的數(shù)據(jù)和信息提前準(zhǔn)備好，可以顯著提高計(jì)算和處理速度。在生活中，提前準(zhǔn)備好上學(xué)的書包、提前做好飯菜、提前買好火車票等，都可以提高效率。緩存的思想不僅應(yīng)用在CPU和內(nèi)存之間，還可以用在內(nèi)存和硬盤之間，內(nèi)存與其他外部設(shè)備之間。4．外存機(jī)械硬盤是一種采用磁性材料制作的大容量存儲(chǔ)器，可以永久保存數(shù)據(jù)。（1）盤片和讀寫臂（2）磁道（3）柱面（4）扇區(qū)。一個(gè)扇區(qū)512Byte外存機(jī)械硬盤的讀寫時(shí)間包括尋道時(shí)間、旋轉(zhuǎn)時(shí)間和傳輸時(shí)間。在硬盤中，一個(gè)大文件最好存儲(chǔ)在連續(xù)的扇區(qū)中。在讀寫時(shí)可以連續(xù)讀寫，減少尋道時(shí)間和旋轉(zhuǎn)時(shí)間，從而提高讀寫的速度。如果一個(gè)文件碎片較多，那么讀寫速度會(huì)顯著減慢。硬盤1956年的IBM350硬盤尺寸很大但卻只有5MB的空間機(jī)械硬盤機(jī)械硬盤的性能指標(biāo)如下：（1）尺寸：3.5寸，2.5寸（2）容量：幾百GB，到幾TB（3）轉(zhuǎn)速：硬盤的轉(zhuǎn)速越快，則讀寫的也越快。常見轉(zhuǎn)速有5400r/min，7200r/min。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SolidStateDrives，SSD），用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤固態(tài)硬盤的讀寫速度可以達(dá)到500MB/s，而機(jī)械硬盤的速度最多為100MB/s。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備可以移動(dòng)的存儲(chǔ)設(shè)備：（1）移動(dòng)硬盤（2）光盤（3）軟盤（4）U盤和存儲(chǔ)卡移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備寫保護(hù)口用于控制軟盤、U盤、存儲(chǔ)卡等可移動(dòng)設(shè)備的“只讀/可改寫”狀態(tài)，當(dāng)其處于寫保護(hù)狀態(tài)時(shí)，只能讀取不能寫入。寫保護(hù)口可以防止誤刪除、誤格式化以及病毒感染等。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系CPU中寄存器的數(shù)量少，存取速度最快；內(nèi)存的存儲(chǔ)容量小，存取速度快，內(nèi)存只能臨時(shí)保存數(shù)據(jù)；硬盤的存儲(chǔ)容量大，存取速度慢，硬盤可以永久保存數(shù)據(jù)。CPU可以直接存取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而不能讀取硬盤數(shù)據(jù)。CPU通過高速緩存Cache，提高內(nèi)存與CPU的數(shù)據(jù)傳輸速度，從而顯著提高系統(tǒng)的整體性能；硬盤中的數(shù)據(jù)必須先讀入內(nèi)存中，才能被CPU讀取和處理。而各種移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備提供了轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的可能。存儲(chǔ)設(shè)備一直朝著容量越來越大、速度越來越快、價(jià)格越來越便宜、可靠性越來越高的方向發(fā)展3.1.4輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸入設(shè)備用于使得計(jì)算機(jī)感知外部世界的信息；輸出設(shè)備用于將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果呈現(xiàn)給外部世界。輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)和外界交換信息的工具，也是人和計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的工具1．輸入設(shè)備-穿孔紙帶穿孔紙帶是早期計(jì)算機(jī)的輸入和輸出設(shè)備，帶孔為1，無孔為0，經(jīng)過光電掃描輸入電腦。1725年，法國法制機(jī)械師布喬（B.Bouchon）提出“穿孔紙帶”構(gòu)想。。1805年，法國機(jī)械師杰卡德（J.Jacquard）完成了“自動(dòng)提花編織機(jī)”設(shè)計(jì)。2．輸入設(shè)備-鍵盤1868年，美國克里斯托夫.肖爾斯C.Sholes發(fā)明了沿用至今的QWERTY鍵盤，也稱全鍵盤3．輸入設(shè)備-鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種常用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，它可以對(duì)當(dāng)前屏幕上的游標(biāo)進(jìn)行定位，并通過按鍵和滾輪裝置對(duì)游標(biāo)所經(jīng)過位置的屏幕元素進(jìn)行操作1964年，美國道格拉斯·恩格爾巴特博士發(fā)明鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)4．輸入設(shè)備-掃描儀掃描儀是利用光電技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)，以掃描方式將紙質(zhì)文檔、圖形或圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字的裝置。5．輸入設(shè)備-手寫筆手寫筆可以在手寫識(shí)別軟件的配合下輸入中文和西文等使用者可以輕松地輸入中文手寫筆還代替鼠標(biāo)操作，并可以作畫等6．輸出設(shè)備-顯示器顯示器（display）也稱為監(jiān)視器，是一種將信息通過特定傳輸設(shè)備顯示到屏幕上再反射到人眼的顯示工具顯卡顯卡又稱顯示適配器，插在計(jì)算機(jī)主板的插槽上，將計(jì)算機(jī)的信息輸出到顯示器上顯示，同時(shí)顯卡還具有圖像處理能力，可協(xié)助CPU工作，提高整體的運(yùn)行速度。顯卡要性能指標(biāo)包括：（1）GPU（圖形處理器）的核心頻率，頻率越高性能越強(qiáng)（2）顯存的容量，越大越好（3）顯存的位寬，顯存的一個(gè)時(shí)鐘周期傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)（如128位、192位、256位），越高越好顯卡顯卡可分為：（1）集成顯卡：顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路都集成在主板上的顯卡，顯示效果與處理性能相對(duì)較弱（2）獨(dú)立顯卡：將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路單獨(dú)做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨(dú)立的板卡存在。獨(dú)立顯卡不占用系統(tǒng)內(nèi)存，一般性能較高7．輸出設(shè)備-打印機(jī)打印機(jī)（Printer)是輸出設(shè)備，將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果果以人所能識(shí)別的數(shù)字、字母、符號(hào)、圖形等，按照規(guī)定的格式印在紙上。8．輸出設(shè)備-3D打印機(jī)3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)，是一種快速成形技術(shù)的機(jī)器，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維物體。9．輸入和輸出設(shè)備-聲卡聲卡是實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件?；竟δ埽海?）把來自麥克風(fēng)等設(shè)備的原始聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻；（2）將計(jì)算機(jī)中的各種數(shù)字聲音轉(zhuǎn)換為模擬聲波輸出到音箱、耳機(jī)等設(shè)備上，（3）通過音樂設(shè)備數(shù)字接口(MIDI)使樂器發(fā)出MIDI聲音。10．輸入和輸出設(shè)備-觸摸屏觸摸屏（TouchScreen），是一種可接收手指等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置。輸入和輸出設(shè)備思考：輸入設(shè)備類型不斷豐富，使用越來越簡單。人們可以通過鍵盤輸入文字，通過鼠標(biāo)進(jìn)行定位，通過掃描儀、手寫筆、觸摸屏等輸入圖形，通過聲卡輸入聲音。輸出設(shè)備的發(fā)展針對(duì)人類的感覺器官，如視覺、聽覺、觸覺等，輸出文字、圖形、聲音和3D實(shí)體等。使得計(jì)算機(jī)與人的交互越來越簡單，操作越來越方便，輸出效果越來越好。3.1.5接口接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)獨(dú)立的部件進(jìn)行信息交換的共享邊界。這種交換可以發(fā)生在計(jì)算機(jī)軟件、硬件、外部設(shè)備或進(jìn)行操作的人之間，也可以是它們的結(jié)合。接口提示：在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，有很多種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口，接口一般包括插槽和插頭兩部分，每一種接口標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了相關(guān)參數(shù)，如尺寸規(guī)格、引腳數(shù)、電壓、電流等，使得一種接口標(biāo)準(zhǔn)的插頭不能插入另一種接口的插槽，從而避免出錯(cuò)和電器故障。1．硬盤接口硬盤接口是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件，在硬盤和主機(jī)內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。硬盤接口（1）IDE接口，也稱為ATA接口,它使用一個(gè)40芯電纜與主板進(jìn)行連接，硬盤接口（2）SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment）接口即串行硬件驅(qū)動(dòng)器接口其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔、傳輸速度快、執(zhí)行效率高硬盤接口（3）SCSI接口（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口），是一種用于計(jì)算機(jī)和智能設(shè)備之間（硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀等）的系統(tǒng)級(jí)接口的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)，它能與多種類型的外設(shè)進(jìn)行通信。SCSI接口的硬盤可靠性高可以長期運(yùn)轉(zhuǎn)，速度快，支持多設(shè)備，支持熱拔插，常用于服務(wù)器連接硬盤。硬盤接口（4）光纖通道(FiberChannel)，利用光纖形成高速通道，能提高多硬盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度和靈活性。光纖通道的主要特性有：熱插拔性、高速帶寬、遠(yuǎn)程連接、連接設(shè)備數(shù)量大等。光纖通道價(jià)格昂貴，一般只用在高端服務(wù)器。2．USB接口USB（UniversalSerialBus，通用串行總線）接口，連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn),支持即插即用。優(yōu)點(diǎn)：支持熱插拔、攜帶方便