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第1章緒論

19九月20242主要內(nèi)容1.1計算機的產(chǎn)生1.2計算機的發(fā)展1.3計算機的主要指標1.4計算機的特點和分類1.5計算機的應用領域1.6計算機科學與技術19九月20243本章知識結(jié)構(gòu)：19九月20244學習目標:了解計算機發(fā)展過程和發(fā)展趨勢；了解計算機學科的體系和方法論；掌握計算機的主要技術指標；理解計算機的特點與分類。

1.1緒論1.1.1圖靈機模型1.1.2第一臺計算機1.1.3馮·諾依曼機模式19九月202461.1計算機的產(chǎn)生推動計算機發(fā)展的最重要原因是人類社會的需求。隨著現(xiàn)代社會和科學技術的發(fā)展，對新型的計算工具提出了更為強烈的需求。在計算機發(fā)展史中，圖靈機模型、第一臺計算機和馮·諾依曼機模式是計算機產(chǎn)生過程中重要的三個事件。19九月202471.1.1圖靈機模型

1936年，英國劍橋大學著名數(shù)學家圖靈在研究解決數(shù)學的一個基礎理論問題時，發(fā)表了著名的“理想計算機”的論文。在該文中提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學模型。這種理論機器被稱為圖靈機。圖靈分析和證明了這種圖靈機可達到的功能。在理論上，圖靈機的功能和現(xiàn)代計算機的功能基本類似。在隨后的幾十年時間里，圖靈機成為計算機科學家、數(shù)學家、電子工程師研制實際計算機時，視其為在功能方面要達到的目標。另外，圖靈在分析和證明圖靈機功能時所使用的形式化證明方法，也為計算機科學奠定了理論基礎。19九月202481.1.2第一臺計算機1946年2月，世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，即“電子數(shù)字積分式計算機”，在美國賓西法尼亞大學莫爾學院研制成功。ENIAC是二次大戰(zhàn)時應美國軍方快速計算導彈彈道的需求研制的，但它正式完工時已是1945年年底。ENIAC主要由電子管和繼電器組成，計算速度為5千次秒，這樣的計算速度比當時的計算工具有了很大的提高。在此以前，對新的計算工具研制的主流是機械式實現(xiàn)方法，ENIAC的出現(xiàn)，引導眾多科學家和工程師把自己的注意力重點轉(zhuǎn)向了電子實現(xiàn)方法，這為現(xiàn)代電子計算機的出現(xiàn)奠定了基礎。19九月202491.1.3馮·諾依曼機模式

馮·諾依曼出生于匈牙利，以后移居美國，成為普林斯特大學的數(shù)學教授。在J·普雷斯泊·?？颂嘏c約翰·馮。諾依曼的一次偶然會面中，他們討論了ENIAC的工作原理和操作中的問題。馮·諾依曼經(jīng)過認真思考，提出了一個全新的電子計算機設計方案。這個方案的核心是存儲程序方法。并且，馮·諾依曼和賓夕法尼亞大學莫爾學院合作，于1952年按照這種方案設計完成了取名為EDVAC(電子離散變量自動計算機的英文縮寫)的電子計算機。馮·諾依曼提出的存儲程序方法，就是設計一個包括存儲部件和處理部件的機器，程序存儲在存儲部件中，處理部件按照存儲的程序有序地執(zhí)行。存儲程序方法是計算機發(fā)展的一個重要里程碑，現(xiàn)代計算機都是采用存儲程序方法來實現(xiàn)自動計算的。通常把采用0、1符號編碼方法和存儲程序方法設計的計算機稱為馮·諾依曼計算機。把具有馮·諾依曼計算機的特征簡稱為馮·諾依曼機特征。19九月2024101.2計算機的發(fā)展1.2.1計算機的發(fā)展簡史1.2.2計算機的發(fā)展趨勢19九月2024111.2計算機的發(fā)展歷史是一面鏡子，學習它，將給你新的啟迪。通過計算機發(fā)展史的學習，可以了解到計算機的強大生命力，以及人類對其寄予的厚望。

19九月2024121.2.1計算機發(fā)展簡史從第一臺電子數(shù)字計算機誕生至今已有六十多年歷史，發(fā)展速度是突飛猛進，給人類社會帶來巨大的變化。計算機的發(fā)展經(jīng)歷了4代發(fā)展歷程，每一代計算機的變革在技術上都是一次新的突破，在性能上都是一次質(zhì)的飛躍。根據(jù)制造電子計算機采用的物理器件的不同，可以將計算機的發(fā)展過程分成如下幾個階段。19九月2024131．第一代計算機(1946年一1957年)

第一代計算機的硬件主要采用電子管，一個電子管的體積和成人一個指頭的體積近似，而一臺計算機需要許多許多的電子管，所以這時的計算機體積非常龐大、價格也很高，運算速度每秒僅幾千次。使用機器語言與符號語言編制程序。計算機只能在少數(shù)尖端領域中應用，主要用于軍事和科學計算。雖然第一代計算機與今天的計算機無法相比，但是它的誕生奠定了計算機發(fā)展的基礎，對以后計算機的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。19九月2024142．第二代計算機(1958年一1964年)

第二代計算機的硬件主要采用晶體管，外設采用磁盤、磁帶，運算速度每秒幾十萬次。晶體管的體積較電子管的體積小，因此，晶體管計算機的體積較電子管計算機的體積小了很多。體積的縮小及相關技術的發(fā)展，帶來了計算機運算速度的提高，存儲容量的增大，功耗的降低以及可靠性的提高。晶體管是用半導體材料制造的，半導體材料便于控制并且功耗很低，集成度的提高有很大的發(fā)展空間，因此，這一時代為未來計算機的迅速發(fā)展鋪平了道路。在軟件方面提出了操作系統(tǒng)的概念，開始使用FORTRAN,COBOL,ALGOL等高級程序語言，第二代計算機不僅用于科學計算，還用于數(shù)據(jù)處理和事務處理，并逐漸應用于工業(yè)控制領域。19九月2024153．第三代計算機(1965年一1971年)

第三代計算機的硬件主要采用中、小規(guī)模集成電路，用半導體存儲器代替了磁心存儲器。運算速度可達每秒幾十萬次到幾百萬次。集成電路是把若干個元件集成在一個指關節(jié)大小的半導體基片上，并進行封裝，具有一定功能的電子電路。開始時，集成電路的集成度比較低，稱為小規(guī)模集成電路。隨后集成電路的集成度提高了很多，稱為中規(guī)模集成電路。在這個時期，計算機系統(tǒng)軟件也有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和會話式語言以及結(jié)構(gòu)化程序設計的方法。計算機向標準化、多樣化和通用化方向發(fā)展，并開始應用于各個領域。19九月2024164．第四代計算機(1972年至今)

第四代計算機的硬件主要采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。單就集成度來說，這一時代和第3代相比，除集成度進一步提高外，沒有太大的差別。但是，由于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，可以把整個處理器制造在一個指關節(jié)大小的芯片上，因此計算機的體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)成方式有了很大的發(fā)展。計算機的各種性能都得到了大幅度的提高，運算速度從每秒幾百萬次到億萬次以上。操作系統(tǒng)不斷完善，計算機軟件產(chǎn)業(yè)高度發(fā)展，層出不窮，計算機不斷進人人們生產(chǎn)、生活的各個方面。微型機的產(chǎn)生為計算機的普及奠定了基礎，計算機的發(fā)展進人了以計算機網(wǎng)絡為特征的時代。

19九月2024171.2.2計算機的發(fā)展趨勢計算機的應用有力地推動了國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的進步，同時也對計算機技術提出了更高的要求，從而促進了計算機的進一步發(fā)展。以超大規(guī)模集成電路為基礎，未來的計算機將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡化與智能化的方向發(fā)展。19九月2024181.3計算機的主要指標評價計算機性能主要有下述基本技術指標。1.3.1主頻主頻是計算機的主要指標之一，主頻決定了計算機的運行速度，主頻的單位是兆赫茲（MHZ），例如Intel8086為非5MHZ，80286為8MHZ，奔騰（Pentium）芯片已達到GHZ。19九月2024191.3.2字長字長是指參與運算的數(shù)的二進制位數(shù)。字長標志著計算的精度，微型計算機的字長有8位、16位、32位等，Pentium芯片已達64位。運算精度與字長有關。字長越長，精度越高，當k位十進制數(shù)與k位二進制數(shù)相比較時，有如下關系：10k=2c兩邊取對數(shù)后，有下式：

C/K=ln10/ln2=3.3上式說明要保持k位十進制數(shù)的精度，至少要3.3倍c位二進制數(shù)位數(shù)。

19九月2024201.3計算機的主要指標1.3.3存儲容量以字為單位的計算機可用字數(shù)乘以字長來表示存儲容量，例如4096ⅹ16表示有4096個單元，每個單元字長為16位。1.3.4運算速度計算機對執(zhí)行不同的操作所需的時間可能不同，因而計算速度存在不同的計算方法?，F(xiàn)在通常采用下述兩種方法：①指明加減、乘、除各需要多少時間；②給出每秒執(zhí)行的機器指令條數(shù)。19九月2024211.3計算機的主要指標1.3.5外圍設備配置允許配置外圍設備的最大數(shù)量和輸入輸出處理能力等。

1.3.6指令系統(tǒng)的功能計算機的指令系統(tǒng)功能強大與否，也是計算機的一個重要指標。此外，系統(tǒng)軟件的配置情況、診斷能力和容錯能力等也是衡量計算機性能的重要指標。

19九月2024221.4計算機的特點和分類1.4.1計算機的特點1.4.2計算機的分類19九月2024231.4計算機的特點和分類雖然計算機種類繁多，而且不同類型的計算機的功能和性能不同。但各種類型的計算機具有相同的特點，下面將介紹計算機的主要特點和分類。1.4.1計算機的特點計算機的主要特點表現(xiàn)在以下幾個方面。

19九月2024241．運算速度快

運算速度是計算機的一個重要性能指標。計算機的運算速度通常用每秒鐘執(zhí)行定點加法的次數(shù)或平均每秒鐘執(zhí)行指令的條數(shù)來衡量。運算速度快是計算機的一個突出特點。計算機的運算速度已由早期的每秒幾千次（如ENIAC機每秒鐘僅可完成5000次定點加法）發(fā)展到現(xiàn)在的最高可達每秒幾千億次乃至萬億次。計算機高速運算的能力極大地提高了工作效率，把人們從浩繁的腦力勞動中解放出來。過去用人工曠日持久才能完成的計算，而計算機在瞬間即可完成。對于許多數(shù)學問題，由于計算量太大，數(shù)學家們終其畢生也無法完成，使用計算機則可輕易地解決。19九月2024252．計算精度高

在科學研究和工程設計中，對計算的結(jié)果精度有很高的要求。一般的計算工具只能達到幾位有效數(shù)字（如過去常用的四位數(shù)學用表、八位數(shù)學用表等），而計算機對數(shù)據(jù)的結(jié)果精度可達到十幾位、幾十位有效數(shù)字，根據(jù)需要甚至可達到任意的精度。19九月2024263．存儲容量大計算機的存儲器可以存儲大量數(shù)據(jù)，目前計算機的存儲容量越來越大，已高達千兆數(shù)量級的容量。這是與傳統(tǒng)計算工具的一個重要區(qū)別。4．具有邏輯判斷功能

計算機的運算器除了能夠完成基本的算術運算外，還具有進行比較、判斷等邏輯運算的功能。這種能力是計算機處理邏輯推理問題的前提。5．自動化程度高，通用性強

由于計算機的工作方式是將程序和數(shù)據(jù)先存放在機內(nèi)，工作時按程序規(guī)定的操作，一步一步地自動完成，一般無須人工干預，因而自動化程度高。計算機通用性的特點能能求解科學中各種類型的問題，并廣泛地應用各個領域。19九月2024271.4.2計算機的分類計算機的種類很多，分類如下。

1．基于信息的形式和處理方式的分類（1）數(shù)字計算機，是通過電信號的有無來表示數(shù)，并利用算術和邏輯運算法則進行計算的。它具有運算速度快、精度高、靈活性大和便于存儲等優(yōu)點，因此適合于科學計算、信息處理、實時控制和人工智能等應用。目前我們所用的計算機，一般都是數(shù)字計算機。（2）模擬計算機，是通過電壓的大小來表示數(shù)，即通過電的物理變化過程來進行數(shù)值計算的。其優(yōu)點是速度快，適合于解高階的微分方程。在模擬計算和控制系統(tǒng)中應用較多，但通用性不強，信息不易存儲，且計算機的精度受到了設備的限制。因此，不如數(shù)字計算機的應用普遍。19九月2024281.4.2計算機的分類2．基于用途的分類（1）專用計算機，它是為了解決一些專門的問題而設計制造的。因此，它可以增強某些特定的功能，而忽略一些次要功能，使得專用計算機能夠達到高速度、高效率地解決某些特定的問題。一般地，模擬計算機通常都是專用計算機。在軍事控制系統(tǒng)中，廣泛地使用了專用計算機。（2）通用計算機，具有功能多、配置全、用途廣、通用性強等特點，我們通常所說的就是指通用計算機。19九月2024291.4.2計算機的分類3．按照計算機規(guī)模，并參考其運算速度、輸入輸出能力、存儲能力等因素劃分，通常將計算機分為巨型機、大型機、小型機、微型機等幾類。（1）巨型機巨型機運算速度快，存儲量大，結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴，主要用于尖端科學研究領域，如：核武器、反導彈武器、空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等領域。巨型機從技術上朝兩個方向發(fā)展：一方面是開發(fā)高性能器件，縮短時鐘周期，提高單機性能。目前巨型機的時鐘周期大約在2ns~7ns。另一方面是采用多處理器結(jié)構(gòu)，提高整機性能，如CRAY-4就采用了64個處理器。研制巨型機是現(xiàn)代科學技術、尤其是國防尖端技術發(fā)展的需要。很多國家竟相投入巨資開發(fā)速度更快、性能更強的超級計算機。巨型機的研制水平、生產(chǎn)能力及其應用程度已成為衡量一個國家經(jīng)濟實力和科技水平的重要標志。19九月2024301.4.2計算機的分類（2）大型機大型機規(guī)模次于巨型機，有比較完善的指令系統(tǒng)和豐富的外部設備，其特點表現(xiàn)在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等，主要應用在計算機網(wǎng)絡和大型計算中心中，如：公司、銀行、政府部門、社會管理機構(gòu)和制造廠家等，如IBM4300機等。在信息化社會里，隨著信息資源的劇增，帶來了信息通信、控制和管理等一系列問題，而這正是大型機的特長。未來將賦予大型機更多的使命，它將覆蓋“企業(yè)”所有的應用領域，如大型事務處理、企業(yè)內(nèi)部的信息管理與安全保護、大型科學與工程計算等。19九月2024311.4.2計算機的分類（3）小型機小型機規(guī)模小、結(jié)構(gòu)簡單、設計試制周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器由于可靠性高，對運行環(huán)境要求低，易于操作且便于維護，用戶使用機器不必經(jīng)過長期的專門訓練。因此小型機對廣大用戶具有吸引力，加速了計算機的推廣普及。小型機應用范圍廣泛，如用在工業(yè)自動控制、大型分析儀器、測量儀器、醫(yī)療設備中的數(shù)據(jù)采集、分析計算等，也用作大型、巨型計算機系統(tǒng)的輔助機，并廣泛運用于企業(yè)管理以及大學和研究所的科學計算等。19九月2024321.4.2計算機的分類（4）微型機微型機采用微處理器、半導體存儲器和輸入輸出接口等芯片組成，使得它較之小型機體積更小、價格更低、靈活性更好，可靠性更高，使用更加方便。目前許多微型機的性能已超過以前的大中型機。1971年，美國的Intel公司成功地在一個芯片上實現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上第一片4位微處理器MPU（microprocessingunit），也稱Intel4004，并由它組成了第一臺微型計算機MCS-4，由此揭開了微型計算機大普及的序幕。隨后，許多公司，如Motorola、Zilog等也爭相研制微處理器，相繼推出了8位、16位、32位微處理器。芯片內(nèi)的主頻和集成度也在不斷提高，芯片的集成度幾乎每18個月就提高一倍，而由它們構(gòu)成的微型機在功能上也不斷完善。19九月2024331.4.2計算機的分類美國IBM公司采用Intel微處理器芯片，自1981年推出IBMPC（personalcomputer）微型個人機后，又推出IBMPCXT、IBMPC286、386等一系列微型計算機，由于其功能齊全、軟件豐富、價格便宜，很快占據(jù)了微型計算機市場的主導地位。目前，在微機領域，IBM已不再獨領風騷，許多國內(nèi)外廠商都生產(chǎn)各種兼容的采用PentiumIII、K7等先進CPU的個人計算機。19九月2024341.4.2計算機的分類（5）網(wǎng)絡計算機（NC，networkcomputer）當計算機最初用于信息管理時，信息的存儲和管理是分散的。這種方式的弱點是數(shù)據(jù)的共享程度低，數(shù)據(jù)的一致性難以保證，于是以數(shù)據(jù)庫為標志的一代信息管理技術發(fā)展起來，同時以大容量磁盤為手段、以集中處理為特征的信息系統(tǒng)也發(fā)展起來。20世紀80年代PC機的興起沖擊了這種集中處理的模式，而計算機網(wǎng)絡的普及更加劇了這一變化。數(shù)據(jù)庫技術也相當延伸到了分布式數(shù)據(jù)庫，客戶機—服務器的應用模式也應運而生。當然，這不是面向分散處理的簡單的回歸，而是螺旋式的上升。隨著Internet的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡安全、軟件維護與更新、多媒體應用等迫使計算機工作者再次權(quán)衡集中與分散的問題，如是否可以把需要共享和需要保持一致的數(shù)據(jù)相對集中地存放，把經(jīng)常更新的軟件比較集中地管理，而把用戶端的功能僅限于用戶界面與通信功能等問題，這就導致了網(wǎng)絡計算機的出現(xiàn)。19九月2024351.4.2計算機的分類從NC的角度來看，可以把整個網(wǎng)絡看成是一個巨大的磁盤驅(qū)動器，而NC可以通過網(wǎng)絡從服務器上下載大多數(shù)乃至全部應用軟件。這就表明PC的使用者，從此可以不再為PC機的軟硬件配置和文件的保存煞費苦心。由于應用軟件和文件都是存儲在服務器而不是各自的PC機上，因此無論是數(shù)據(jù)還是應用軟件，用戶總能獲得最新的版本。19九月2024364．基于工作模式分類（1）服務器服務器是一種可供網(wǎng)絡用戶共享的高性能計算機、服務器一般具有大容量的存儲設備和豐富的外部設備，其上運行網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，要求較高的運行速度，因此，很多服務器都配置了雙CPU，服務器上的資源可供網(wǎng)絡用戶共享。19九月2024371.4.2計算機的分類（2）工作站工作站是一種高檔的微機系統(tǒng)。它具有較高的運算速度，既具有大、中、小型機的多任務、多用戶能力，又兼具微型機的操作便利和良好的人機界面。它可連接多種輸入、輸出設備，其最突出的特點是圖形性能優(yōu)越，具有很強的圖形交互處理能力，因此在工程領域、特別是在計算機輔助設計（CAD）領域得到了廣泛運用，可以說，工作站是專為工程師設計的機型。由于工作站出現(xiàn)的較晚，一般都帶有網(wǎng)絡接口，采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即公開計算機的軟、硬件接口，并遵守國際工業(yè)界流行標準，以鼓勵其他廠商、用戶圍繞工作站開發(fā)軟、硬件產(chǎn)品。目前，多媒體等各種新技術已普遍集成到工作站中，其應用領域也已從最初的計算機輔助設計擴展到商業(yè)、金融、辦公領域，并可作為網(wǎng)絡服務器。19九月2024381.5計算機的應用領域19九月2024391.5計算機的應用領域計算機用途廣泛,歸納起來有以下幾個方面。

19九月2024401.5計算機的應用領域1.5.1數(shù)值計算數(shù)值計算即科學計算，是指應用計算機處理科學研究和工程技術中所遇到的數(shù)學計算。應用計算機進行科學計算,如衛(wèi)星運行軌跡,水壩應力,氣象預報,油田布局,潮汐規(guī)律等等,可為問題求解帶來質(zhì)的進展,使需要幾百名專家?guī)字?、幾月甚至幾年才能完成的計?只要幾分鐘就可得到正確結(jié)果。1.5.2信息處理

信息處理是對原始數(shù)據(jù)進行收集、整理、分類、選擇、存儲、制表、檢索、輸出等的加工過程。信息處理是計算機應用的一個重要方面,涉及的范圍和內(nèi)容十分廣泛。如自動閱卷、圖書檢索、財務管理、生產(chǎn)管理、醫(yī)療診斷、編輯排版、情報分析等等。19九月2024411.5計算機的應用領域1.5.3實時控制實時控制是指及時搜集檢測數(shù)據(jù),按最佳值對事物進程的調(diào)節(jié)控制,如工業(yè)生產(chǎn)的自動控制。利用計算機進行實時控制,既可提高自動化水平,保證產(chǎn)品質(zhì)量,也可降低成本,減輕勞動強度。1.5.4輔助設計計算機輔助設計為設計工作自動化提供了廣闊的前景。利用計算機的制圖功能,實現(xiàn)各種工程的設計工作,稱為計算機輔助設計。即CAD。如橋梁設計、船舶設計、飛機設計、集成電路設計、計算機設計、服裝設計等等。當前,人們已經(jīng)把計算機輔助設計、輔助制造(CAM)和輔助測試(CAT)聯(lián)系在一起,組成了設計、制造、測試的集成系統(tǒng),形成了高度自動化的生產(chǎn)系統(tǒng)。19九月2024421.5計算機的應用領域1.5.5智能模擬智能模擬亦稱人工智能。利用計算機模擬人類智力活動,以替代人類部分腦力勞動,這是一個很有發(fā)展前途的學科方向。第五代計算機的開發(fā),將成為智能模擬研究成果的集中體現(xiàn)。具有一定學習、推理和聯(lián)想能力的機器人的不斷出現(xiàn),正是智能模擬研究工作取得進展的標志。智能計算機作為人類智能的輔助工具,將被越來越多地應用到人類社會的各個領域。19九月2024431.6計算機科學與技術學科1.6.1當前計算機學科特點1.6.2學科體系1.6.3方法論19九月2024441.6計算機科學與技術學科計算機科學與技術學科簡稱為計算機學科。計算機學科是對描述和變換信號的算法過程，包括對其理論、分析、設計、效率、實現(xiàn)和應用等進行的系統(tǒng)研究。19九月2024451.6.1當前計算機學科特點計算機學科呈現(xiàn)學科內(nèi)涵寬泛化、分支相對獨立化、社會需求多樣化、專業(yè)規(guī)模巨大化和計算教育大眾化的特點。19九月2024461.6.1當前計算機學科特點(1)內(nèi)涵寬泛化當今社會趨向于信息化，計算機專業(yè)顯現(xiàn)動態(tài)和泛化的特性。動態(tài)是指知識體膨脹快，內(nèi)容更新快。泛化是大眾化。(2)分支相對獨立化計算機科學與技術專業(yè)分解為更多的、更具體的分支。教育部本科招生目錄中的與計算機相關的專業(yè)有：計算機科學與技術、軟件工程、計算機軟件、網(wǎng)絡工程、信息安全、電子商務、信息與計算科學、智能科學與技術等。(3)社會需求多樣化對計算機專業(yè)本科人才需求與信息化的目標和進程密切相關，學科的發(fā)展與應用的寬泛化導致人才需求的多樣化，計算機市場很大程度上決定了計算機人才的層次結(jié)構(gòu)、就業(yè)去向、能力與素質(zhì)等方面的具體要求。19九月2024471.6.1當前計算機學科特點(4)專業(yè)規(guī)模巨大化計算機科學與技術是信息化的核心技術，信息化建設需要大量人才，計算機專業(yè)是規(guī)模最大的專業(yè)，高校專業(yè)點最多時為771個；學生人數(shù)最多達44萬；計算機專業(yè)是情況最復雜的專業(yè)；學科涵蓋面和應用面寬、應用層次跨度大；辦學條件差異大；學生跨度最大。(5)計算機教育大眾化計算機科學與技術是研究計算機的設計與制造和利用計算機進行信息獲取、表示、存儲、處理、控制等的理論、原則、方法和技術的學科。計算機科學側(cè)重研究對象、揭示規(guī)律，計算機技術側(cè)重于研制計算機和研究使用計算機進行信息處理的方法與技術手段。科學是從特殊到一般的歸納過程，而技術是從一般到特殊的演繹過程?？茖W是技術的依據(jù)，技術是科學的體現(xiàn)。計算機科學與技術具有較強的理論與實踐結(jié)合的特征。19九月2024481.6.2學科體系計算機科學與技術主要包括計算機科學、計算機工程、軟件工程和信息技術等學科分支。1．計算機科學科學具有規(guī)律性，計算機科學尋找是什么能夠被有效地自動計算。從國家根本利益出發(fā)，計算機科學培養(yǎng)從事計算機基礎理論與核心技術的研究的科學型人才。主要的知識領域包括14個，簡述如下。19九月2024491.6.2學科體系（1）離散結(jié)構(gòu)（2）程序設計基礎（3）算法與復雜性（4）計算機體系結(jié)構(gòu)與組織（5）操作系統(tǒng)（6）網(wǎng)絡及計算（7）程序設計語言（8）人機交互（9）圖形學與可視化計算（10）智能系統(tǒng)（11）信息系統(tǒng)（12）社會和職業(yè)問題（13）軟件工程19九月2024501.6.2學科體系2．計算機工程計算機工程研究如何構(gòu)建計算機系統(tǒng)，如何低成本、高效地實現(xiàn)自動計算，即計算機的理論、設計、實現(xiàn)、開發(fā)和應用，培養(yǎng)從事開發(fā)滿足國家需求的計算機工程產(chǎn)品的工程型人才。主要的知識領域包括18個，簡述如下。19九月202451（1）算法與復雜性（2）計算機體系結(jié)構(gòu)與組織（3）計算機系統(tǒng)工程（4）電路與信號（5）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（6）數(shù)字邏輯（7）數(shù)字信號處理（8）電子學（9）嵌入式系統(tǒng)（10）人機交互（11）計算機網(wǎng)絡（12）操作系統(tǒng)（13）程序設計基礎（14）社會和職業(yè)問題（15）軟件工程（16）時序邏輯電路（17）離散結(jié)構(gòu)（18）概率與統(tǒng)計19九月2024521.6.2學科體系3．軟件工程軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的一門學科。它采用工程的概念、原理、技術和方法，把經(jīng)過時間考驗而證明是正確的管理技術和當前能夠得到的最好的技術方法結(jié)合起來，用于開發(fā)與維護軟件。軟件工程研究實現(xiàn)服務方法，如何方便有效地利用系統(tǒng)進行計算，培養(yǎng)IT企業(yè)需要的、從事開發(fā)滿足國家需求的軟件產(chǎn)品的工程型人才。軟件工程學科方向的10個知識結(jié)構(gòu)如下：19九月2024531.6.2學科體系（1）軟件需求軟件需求解決現(xiàn)實世界某個問題的軟件問題的軟件產(chǎn)品及對軟件產(chǎn)品的約束。（2）軟件設計設計是軟件工程最核心的內(nèi)容，包括軟件體系結(jié)構(gòu)設計和詳細設計兩部分組成。（3）軟件構(gòu)造軟件構(gòu)造除了要符合設計功能外，還要控制和降低程序復雜性、預計變更、進行程序驗證和制定軟件構(gòu)造標準。（4）軟件測試軟件測試是軟件生存周期的重要部分，涉及測試標準、測試技術、測試度量測試過程。測試的目的是標識缺陷和問題，改善軟件質(zhì)量。測試圍繞軟件整個開發(fā)和維護過程。19九月2024541.6.2學科體系（5）軟件維護軟件維護是軟件生存周期的組成部分，軟件產(chǎn)品交付后，需要改正軟件缺陷，提高軟件性能或其他屬性，進而使軟件產(chǎn)品適應新的環(huán)境。軟件維護是軟件進化的繼續(xù)，支持系統(tǒng)地快速敏捷地滿足新的要求。（6）軟件配置管理為了系統(tǒng)地控制配置變更，維護軟件生命周期中一致性和可追蹤性，必須按時管理軟件的不同培植，主要包括配置管理過程的管理、軟件配置鑒別、配置管理控制、配置管理狀態(tài)記錄、配置管理審計、軟件發(fā)布和交付使用等。（7）軟件工程管理運用管理活動，例如計劃、協(xié)調(diào)、度量、監(jiān)控、控制和報告等，確保軟件開發(fā)和維護是系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的。19九月2024551.6.2學科體系（8）軟件工程過程管理軟件工程過程的目的是實現(xiàn)一個新的或更好的過程。軟件工程過程關注軟件過程定義、實現(xiàn)、評估、測量、管理、變更、改進、及過程和產(chǎn)品的度量。（9）工具與方法軟件開發(fā)工具是以計算機為基礎的，用于輔助軟件生存周期過程。軟件工程方法支持存在于整個軟件工程活動，是軟件開發(fā)更為系統(tǒng)，主要方法包括：啟發(fā)式方法、基于數(shù)學的形式化方法、原形方法等。（10）軟件質(zhì)量軟件質(zhì)量軟件生存周期，涉及軟件質(zhì)量需求、軟件質(zhì)量度量、軟件屬性檢測、軟件質(zhì)量管理和過程等。19九月2024561.6.2學科體系4．信息技術信息技術實現(xiàn)服務，研究如何方便有效地利用系統(tǒng)進行計算，培養(yǎng)企事業(yè)、國家IS的建設與運行(主流需求)的信息化技術應用型人才。19九月2024571.6.3方法論計算機科學與技術方法論是計算領域認識和實踐過程中的一般方法、性質(zhì)、及內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進行系統(tǒng)研究的學問，是認知計算學科的方法和工具，也是計算學科認識領域的理論體系。計算機科學與技術方法論主要包括學科形態(tài)、基本概念和典型方法三方面的內(nèi)容。19九月2024581.6.3方法論1.學科形態(tài)計算機科學與技術學科具有抽象、理論和設計三個形態(tài)。（1）抽象抽象是人類在認識復雜現(xiàn)象的過程中使用的最強有力的思維工具。在現(xiàn)實世界中的事物、狀態(tài)或過程之間存在著某些共性。把這些共性集中，并去掉它們之間的差異和具體的物理描述，這就是抽象。抽象就是抽出事物的本質(zhì)特性而忽略它們的細節(jié)。抽象的結(jié)果是概念、符號和模型。19九月2024591.6.3方法論（2）理論計算機科學與技術學科中的理論與數(shù)學方法相類似，主要要素是定義、公理、定理、證明和結(jié)構(gòu)的解釋。通過上述過程建立和理解計算機科學與技術學科的數(shù)學原理，具有構(gòu)造性數(shù)學特征。（3）設計設計源于工程學，主要用于開發(fā)求解問題的系統(tǒng)和設備。主要要素為需求說明、規(guī)格說明、設計和實現(xiàn)方法、測試和分析等。19九月2024601.6.3方法論2.基本概念在計算機科學與技術學科中常用到基本概念總結(jié)為下述的12個基本概念。（1）綁定通過把一個抽象概念和附加特性相聯(lián)系，使抽象概念具體化的過程。也就是說，具體問題的合理抽象描述和抽象描述對具體問題的恰當表示。（2）大問題的復雜性問題的復雜性隨問題規(guī)模的增大而非線性增加，這是區(qū)分和選擇各種方法的重要因素，并依此來度量不同的數(shù)據(jù)規(guī)模、問題空間和程序規(guī)模。19九月2024611.6.3方法論（3）概念與形式化模型對一個想法或問題形式化、特征化、可視化和思維的各種方法是實現(xiàn)計算機問題求解的最典型、最有效的途徑。（4）一致性和完備性一致性和完備性包括正確性、魯棒性和可靠性等相關概念，一致性和完備性是計算機系統(tǒng)所追求的目標。（5）效率在設計和實現(xiàn)系統(tǒng)時，要考慮空間、時間、人才和財力等資源的使用與度量。（6）演化演化是指變更的實施和它的意義。其中包括在變更時對整個系統(tǒng)的各層次所造成的影響，也包括面對變更的事實，抽象、技術和系統(tǒng)的適應性和充分性等。19九月2024621.6.3方法論（7）抽象層次抽象層次是指在計算中的抽象的本質(zhì)和使用。在處理復雜事物、構(gòu)造系統(tǒng)、隱藏細節(jié)和獲取重復模式方面使用了抽象，通過不同層次的細節(jié)和指標的抽象來表達一個實體和系統(tǒng)。（8）按空間排序按空間排序是指事件排序的空間概念。在計算機科學與技術中，存在局部性和近鄰性的概念，這種概念主要表現(xiàn)在物理上的定位、組織方式上的定位和概念上的定位。例如在網(wǎng)絡和存儲中存在物理上的定位，在處理機進程、類型定義和有關操作中存在組織關系的定位，在軟件的轄域、偶合和內(nèi)聚中，存在概念定位。局部性和近鄰性可以用按空間排序來表示。（9）按時間排序按時間排序是指事件排序的時間概念。包括在形式概念中把時間作為參數(shù)，把時間作為分布于空間的進程的同步手段，作為算法執(zhí)行的基本要素。19九月2024631.6.3方法論（10）重用在新的情況和環(huán)境下，系統(tǒng)中各類實體、技術、概念等可被再次使用的能力。如軟件庫和硬件部件的重用等。（11）安全性安全性是指軟件和硬件系統(tǒng)對合適的請求的響應，并抗拒不合適的、非預期的請求，以保護自己的能力；系統(tǒng)承受災難事件的能力。（12）折衷與結(jié)論折衷是指為滿足系統(tǒng)可實施性，對系統(tǒng)設計中的技術、方案所作出的一種合理的取舍。結(jié)論是折衷的結(jié)論，即選擇一種方案代替另一種方案所產(chǎn)生的技術、經(jīng)濟、文化及其他方面的影響。折衷是存在于計算機科學與技術各層次的基本事實。例如在算法的研究中，要考慮空間和時間的折衷；對于互相矛盾的設計目標，要考慮易用性和完備性、靈活性和簡單性、低成本和高可靠性等方面所采取折衷等。19九月2024641.6.3方法論3.典型方法計算機科學與技術學科的典型方法主要包括數(shù)學方法和系統(tǒng)科學方法。（1）數(shù)學方法數(shù)學方法是指以數(shù)學為工具的科學研究方法，用數(shù)學語言表達事物的狀態(tài)、關系和過程，并經(jīng)過推導形成解釋和判斷。這種方法的基本特征是高度抽象、高度精確、具有普遍意義。數(shù)學語言是科學研究的簡潔精確形式化語言。19九月2024651.6.3方法論（2）系統(tǒng)科學方法系統(tǒng)科學方法是將研究的對象看成一個整體，并且使思維對應于適當?shù)某橄蠹墑e。一般遵循整體性、動態(tài)性、最優(yōu)化和模型化原則。常用的系統(tǒng)科學方法有：系統(tǒng)分析法、黑箱法、功能模擬法、整體優(yōu)化法和信息分析法等。19九月202466小結(jié)本章主要介紹了計算機的發(fā)展史、計算機的主要指標、計算機的特點與應用、計算機科學與技術學科體系和方法論等方面的內(nèi)容，通過本章的學習，可以對本學科的內(nèi)容有基本的了解，為以后各章節(jié)的學習建立初步的基礎。19九月202467習題1

1．計算機的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段？2．計算機系統(tǒng)有哪些主要的指標？3．計算機有那些特點？可以分為幾類？4．簡述計算機學科的內(nèi)容和特點。5.簡述計算機學科方法論。第2章計算機工作原理

19九月202469主要內(nèi)容2.1計算機中的數(shù)據(jù)的表示2.2計算機的硬件組成2.3計算機的基本工作過程19九月202470本章知識結(jié)構(gòu)：19九月202471學習目標:理解數(shù)制與轉(zhuǎn)換、數(shù)在計算機中的表示；了解計算機的工作原理；掌握指令執(zhí)行過程。程序存儲是馮·諾依曼機的最基本特征。為了實現(xiàn)計算機的自動計算，必須先根據(jù)問題的要求，選擇算法和程序語言，設計出解決該問題的程序，并通過輸入設備將該程序存入計算機的存儲器中，然后計算機運行這個程序，就可獲得計算結(jié)果。在計算機中，程序及數(shù)據(jù)是用二進制代碼表示的，計算機只能存儲并識別二進制代碼表示的程序和數(shù)據(jù)，這是馮·諾依曼機的另一個主要特征。2.1計算機中的數(shù)據(jù)的表示2.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換2.1.2數(shù)在計算機中的表示2.1.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示2.1.4運算規(guī)則19九月2024732.1計算機中數(shù)據(jù)的表示

計算機的內(nèi)部的信息分為兩大類型，即控制信息和數(shù)據(jù)信息?？刂菩畔⑹强刂朴嬎銠C進行一系列的操作的信息，數(shù)據(jù)信息是計算機加工處理的對象。指令是主要控制信息，數(shù)據(jù)信息包括數(shù)值數(shù)據(jù)和非數(shù)值數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)能表示大小，可以在數(shù)軸上找到確定的點。非數(shù)值數(shù)據(jù)沒有確定的數(shù)值，例如字符、漢字、圖形、圖像、聲音等，又稱符號數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)。通常有兩種方法來確定小數(shù)點的位置：一種是規(guī)定小數(shù)點位置固定不變，稱為定點數(shù)；另一種是小數(shù)點的位置不固定，可以浮動，稱為浮點數(shù)。一般來說，定點格式容許的數(shù)值范圍有限，要求的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單；浮點格式容許的數(shù)值范圍很大，但要求的處理硬件比較復雜。在計算機中，通常是用定點數(shù)來表示整數(shù)和純小數(shù)，分別稱為定點整數(shù)和定點小數(shù)。對于既有整數(shù)部分、又有小數(shù)部分的數(shù)，一般用浮點數(shù)表示。19九月2024742.1計算機中數(shù)據(jù)的表示在計算機內(nèi)部，無論哪一種數(shù)據(jù)，都以二進制形式表示。它們的從屬關系如下所示。19九月2024752.1計算機中數(shù)據(jù)的表示在計算機中，數(shù)據(jù)信息是由不同位數(shù)的二進制數(shù)組成，為了表示位數(shù)的多少，引入了“位”、“字節(jié)”和“字”的概念。位（bit）：位是指一位二進制的代碼，它只具有“0”、“1”兩個狀態(tài)。字節(jié)（byte）：把8位二進制代碼稱為一個字節(jié)，它是表示二進制代碼長度的一種單位。字（word）：字由字節(jié)構(gòu)成，一般為字節(jié)的整數(shù)倍。19九月2024762.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換

在十進制系統(tǒng)中，進位原則是逢十進一；在二進制系統(tǒng)中，進位原則是逢二進一；在八進制系統(tǒng)中，進位原則是逢八進一；在十六進制系統(tǒng)中，進位原則是逢十六進一。在十進制數(shù)中，每一項的數(shù)字都可以用0～9十個數(shù)字中的一個來表示；二進制數(shù)中每一項的數(shù)字都可以用0,1表示；八進制中可以使用0～7；十六進制中可使用0～9,A,B,C,D,E,F。為了比較二進制、八進制、十進制和十六進制系統(tǒng)，表2-1給出了四種進位制的對應關系。19九月2024772.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換19九月2024782.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換1、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)（1）十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)將已知的十進制整數(shù)反復除2，余數(shù)為1，相應位為1；余數(shù)為0，相應位為0。從低位向高位逐次進行，一直到用2去除后，商為0時為止。例1：將十進制數(shù)22轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)19九月2024792.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換（2）十進制純小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù)首先將十進制純小數(shù)反復乘以2，每次乘2之后所得的數(shù)的整數(shù)部分若為1，則二進制小數(shù)的相應位也為1；如果整數(shù)部分為0，則相應位為0。從高位向低位逐次進行，直到滿足精度要求為止。19九月2024802.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換2、二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的方法極為簡單，只要將二進制數(shù)按位展開，并計算出結(jié)果，便可以得到相應的十進制數(shù)。19九月2024812.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換3、非十進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換1位八進制數(shù)對應3位二進制數(shù)，而1位十六進制數(shù)對應4位二進制數(shù)。因此，二進制數(shù)與八進制數(shù)之間、二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換十分容易。（1）八進制數(shù)與二進制數(shù)的互換將每一位八進制數(shù)直接寫成相應的3位二進制數(shù)即可。反之，二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)的方法是：以小數(shù)點為界，向左或向右將每3位二進制數(shù)分成一組，若不足3位，則用0補足3位。然后，將每一組二進制數(shù)直接寫成相應的1位八進制數(shù)。19九月2024822.1.1數(shù)制與轉(zhuǎn)換（2）十六進制數(shù)與二進制數(shù)的互換將每一位十六進制數(shù)直接寫成相應的4位二進制數(shù)。而二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)的方法則是：以小數(shù)點為界，向左或向右將每4位二進制數(shù)分成一組，若不足4位，則用0補足4位。然后，將每一組二進制數(shù)直接寫成相應的1位十六進制數(shù)。在計算機中采用二進制比用十進制優(yōu)越，主要表現(xiàn)：數(shù)的狀態(tài)簡單，容易表示，在二進制中只有兩個狀態(tài)，很容易實現(xiàn)；運算規(guī)則簡單；邏輯判斷方便：二進制的“1”和“0”兩個數(shù)碼正好與邏輯命題中的兩個值“是”和“否”，或者“真”和“假”相對應，這不僅為計算機實現(xiàn)邏輯運算和程序中的邏輯判斷提供了便利條件，而且也可以將邏輯代數(shù)這一數(shù)學工具應用于邏輯線路的設計中。19九月2024832.1.2數(shù)在計算機中的表示

要把一個數(shù)值在計算機中表示出來，必須明確指明：符號如何表示，小數(shù)點的位置如何表示。在計算機中，表示一個數(shù)值的符號的方法是：占用一位二進制數(shù)位，用1表示負號，用0表示正號。也就是說，對數(shù)值的符號編碼化。定點整數(shù)用ｎ位二進制表示一個數(shù)，一般選擇最左邊一位為符號位，其值為1，表示該數(shù)為負數(shù)；其值為0，表示該數(shù)為正數(shù)。小數(shù)點固定在最低位之后，因而它所表示的數(shù)都為整數(shù)。定點小數(shù)所表示的都為小數(shù)，小數(shù)點的位置在數(shù)值位的最左端，即在符號位之后。那么各位的位權(quán)值分別為：第1位為2–1，第2位為2–2……所以定點小數(shù)表示的只能是小數(shù)。19九月2024842.1.2數(shù)在計算機中的表示在科學計算和數(shù)據(jù)處理中，經(jīng)常需要處理和計算非常大或者非常小的數(shù)值。定點表示法不能夠精確地完成這種數(shù)值的表示。為了表示更大取值范圍的數(shù)，可以采用下式所示的表示方法：f＝m.re其中f表示數(shù)，m和e為帶符號的定點數(shù)，e稱之為階、m為尾數(shù)、r為基。尾數(shù)m可以是整數(shù)，也可以是小數(shù)。目前大多數(shù)計算機都把m規(guī)定為純小數(shù)，階碼e為整數(shù)。從上式可以看出，m中的小數(shù)點可以隨e值的變化而左右浮動。所以把這種表示法叫做數(shù)的浮點表示法。19九月2024852.1.2數(shù)在計算機中的表示在計算機中對數(shù)據(jù)進行運算操作時，符號位如何表示呢？是否也同數(shù)值位一起參加運算操作呢？為了妥善的處理好這些問題，就產(chǎn)生了把符號位和數(shù)值位一起編碼來表示相應的數(shù)的各種表示方法，如原碼、補碼、反碼、移碼等。機器數(shù)就是數(shù)在計算機中的表示形式，為了表示通常的數(shù)與機器數(shù)的對應關系，可將通常的數(shù)稱為機器數(shù)的真值。因此，在計算機中只有機器數(shù)，不存在數(shù)的真值。19九月2024862.1.2數(shù)在計算機中的表示1．原碼原碼是一種簡單的機器數(shù)表示法，用最高位表示數(shù)的正、負，0表示正，1表示負，數(shù)值部分按二進制書寫。例3：二進制數(shù)+1000110的原碼表示為：01000110二進制數(shù)-1000110的原碼表示為：110001100在原碼中有兩種表示形式，可以認為是（+0），也可以認為是（-0），即19九月2024872.1.2數(shù)在計算機中的表示原碼表示簡單易懂，而且與真值的轉(zhuǎn)換也方便，在做乘除法運算時，可將符號位和數(shù)值位分開處理。結(jié)果數(shù)的符號可用參加操作的兩個操作數(shù)符號進行異或運算求得，結(jié)果數(shù)的數(shù)值可由操作數(shù)原碼的數(shù)值部分按乘除規(guī)則運算得到。因此，原碼適合乘除法運算。但是原碼做減法運算極為不便。其過程如下：當兩個數(shù)相加時，如果是同號，則數(shù)值相加；如果是異號，則數(shù)值部分相減，這就需要比較兩個數(shù)的絕對值大小，用絕對值大的數(shù)減去絕對值小的數(shù)，所得的差的符號與絕對值大的數(shù)同號。為了解決用原碼做減法運算的不便，提出了補碼表示法。19九月2024882.1.2數(shù)在計算機中的表示2．補碼可以用鐘表對時為例說明補碼的概念。假設現(xiàn)在的標準時間為4點整；而有一只表已經(jīng)7點了，為了校準時間，可以采用兩種方法：一是將時針退7-4=3格；一是將時針向前撥12-3=9格。這兩種方法都能對準到4點，由此可以看出，減3和加9是等價的，就是說9是(-3)對12的補碼。在補碼中，真值0有唯一的表達形式。正數(shù)的補碼與原碼相同；負數(shù)的補碼是它的原碼除符號位外逐位取反（即0變1，1變0），在末位加1。例4：二進制數(shù)+1000110的補碼表示為：01000110二進制數(shù)-1000110的補碼表示為：1111101019九月2024892.1.2數(shù)在計算機中的表示補碼是一種很好的機器數(shù)表示法，補碼可以把負數(shù)轉(zhuǎn)化為正數(shù)，使減法轉(zhuǎn)化為加法，從而使正負數(shù)的加減運算轉(zhuǎn)化為單純的正數(shù)相加的運算，進而提高了計算機的運算速度并節(jié)省了設備。所以補碼是應用最廣泛的一種機器數(shù)表示方法。采用補碼表示法進行減法運算就比原碼方便得多了。因為不論數(shù)是正還是負,機器總是做加法,減法運算可變?yōu)榧臃ㄟ\算。但根據(jù)補碼定義,求負數(shù)的補碼要用2減去|x|。為了用加法代替減法,結(jié)果還得在求補碼時作一次減法,這顯然是不方便的。下面介紹的反碼表示法可以解決負數(shù)的求補問題。19九月2024902.1.2數(shù)在計算機中的表示3．反碼正數(shù)的反碼與其本身相同，負數(shù)的反碼是將它的原碼除符號位外逐位取反,也就是1變0，0變1。例5：二進制數(shù)+1000110的反碼表示為：01000110二進制數(shù)-1000110的反碼表示為：111110010在反碼中也有兩種表示方法：19九月2024912.1.3非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

在計算機中存儲和處理的數(shù)據(jù)，除了數(shù)值數(shù)據(jù)之外，還有邏輯數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)。邏輯數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)是不含有“值”的數(shù)據(jù)，這兩類數(shù)據(jù)又統(tǒng)稱為非數(shù)值數(shù)據(jù)。邏輯數(shù)據(jù)是由若干位無符號的二進制數(shù)碼組成，每位之間獨立不相關，每位沒有數(shù)值概念，僅有邏輯值。僅用1表示“真”和用0表示“假”。在計算機的應用中，大量的工作是對字符和專用符號進行操作。例如在辦公室系統(tǒng)中的姓名、年齡和性別，企業(yè)管理系統(tǒng)中的制表、圖書管理系統(tǒng)中的圖書編號及其分類等等，都需要利用字符或者符號來表示。這些符號包括：英文字符：A,B,C,……,X,Y,Z,a,b,c,…,x,y,z專用符號：$，@，#，”，+，－，/，＝上述的這些符號不能直接裝入計算機，必須將其編碼、數(shù)字化處理之后，以字符數(shù)據(jù)的形式裝入計算機中。目前國際上普遍采用的字符系統(tǒng)是ASCII碼(美國國家信息交換標準字符碼),它包括10個十進制數(shù)碼,26個英文字母和一定數(shù)量的專用符號,如$,%,＋,＝等，共128個元素。19九月2024922.1.4運算規(guī)則

計算機的運算包括算術運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)比較和數(shù)據(jù)傳送。其中算術運算就是指二進制數(shù)的加減乘除運算；邏輯運算包括邏輯與、邏輯或、邏輯非運算；數(shù)據(jù)比較是指常見的大于、小于、等于、不等于、大于等于、小于等于；數(shù)據(jù)傳送是指輸入、輸出和賦值，下面給出算術運算和邏輯運算的運算規(guī)則：加法0+0=00+1=11+0=11+1=0（進位）減法0-0=01-0=11-1=00-1=1(借位）乘法0x0=01x0=00x1=01x1=1除法與十進制類似邏輯“與”運算0x1=01x0=00x0=01x1=1邏輯“或”運算0+0=00+1=11+0=11+1=1邏輯“非”運算Not0=1Not1=019九月2024932.2計算機的硬件組成2.2.1運算器2.2.2存儲器2.2.3中央處理器2.2.4外部設備19九月2024942.2計算機的硬件組成計算機的硬件是由電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、輸入和輸出設備。通常將運算器和控制器稱為CPU（CentralProcessingUnit），而將CPU和存儲器稱為主機。存儲程序并按地址順序執(zhí)行，這是馮·諾依曼型計算機的工作原理，也是計算機自動化工作的關鍵。舉個例子來講：當我們用一個算盤，一張紙，一支筆來計算一道算術題時用到了：紙：用于存儲解題的原始信息；算盤：用于對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術運算；筆：用于把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，以及寫出運算結(jié)果；人腦和手：用于控制解題步驟。19九月2024952.2計算機的硬件組成同樣的，計算機也需要相應部件:存儲器：在計算機中相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件；運算器：在計算機中相當于算盤功能的部件；輸入設備和輸出設備：相當于筆，把原始解題信息送到計算機或把運算結(jié)果顯示出來的設備；控制器：相當于大腦，能夠自動控制整個計算過程。19九月2024962.2計算機的硬件組成數(shù)字計算機主要組成部分如圖2-1所示。19九月2024972.2.1運算器運算器就好比一個由電子線路構(gòu)成的算盤，能進行加、減、乘、除等算術運算，還可進行與、或、非等邏輯運算?？紤]到電子器件的特性，計算機中通常采用二進制數(shù)。二進制數(shù)就是以2為基數(shù)來計數(shù)，即逢二進一。就像十進制中只有0～9共十個獨立的數(shù)符一樣，在二進制中只有0和1兩個獨立的數(shù)符，而這恰好能夠與電子器件中電壓的高低、脈沖的有無對應起來，容易實現(xiàn)。二進制數(shù)的運算規(guī)律非常簡單，在電子線路中比較容易實現(xiàn)，而且設備也最省。在運算中，二進制數(shù)和十進制數(shù)一樣，當數(shù)的位數(shù)越多時，計算的精度就越高，但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多。19九月2024982.2.1運算器運算器由核心部件，即算術邏輯部件ALU（ArithmeticLogicUnit）和寄存器、總線等組成。運算器的設計，主要是圍繞邏輯運算部件ALU和寄存器同數(shù)據(jù)總線之間如何傳送操作數(shù)和運算結(jié)果進行的?？偩€是一組由多個部件分時共享的傳送線路，共享是指總線上可以掛接多個部件，它們之間可以通過這一組公共總線傳送信息；分時是指一組總線在同一時刻只能提供給掛接在上面的兩個部件之間傳送信息，否則會發(fā)生沖突。運算器的設計，需要考慮數(shù)據(jù)傳送的方便性和操作速度，在微型機和單片機中還要考慮在硅片上制作總線的工藝。計算機的運算器大體有如下三種結(jié)構(gòu)形式。19九月2024992.2.1運算器1.單總線結(jié)構(gòu)的運算器單總線結(jié)構(gòu)的運算器把所有部件都接到同一總線上，所以數(shù)據(jù)可以在任何兩個寄存器之間，或者在任一個寄存器和ALU之間傳送。對這種結(jié)構(gòu)的運算器來說，在同一時間內(nèi)，只能有一個操作數(shù)放在單總線上。如果要把兩個操作數(shù)輸入到ALU，需要分兩次來做，而且還需要兩個緩沖寄存器A和B，如圖2-2所示。例如，執(zhí)行一次加法操作：首先把第一個操作數(shù)經(jīng)總線送入A緩沖寄存器；接著把第二個操作數(shù)經(jīng)總線送入B緩沖寄存器；最后ALU執(zhí)行加法，把結(jié)果通過總線送入目的寄存器。19九月20241002.2.1運算器這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是操作速度較慢。但由于它只控制一條總線，故控制電路比較簡單。19九月20241012.2.1運算器2.雙總線結(jié)構(gòu)的運算器雙總線結(jié)構(gòu)中，兩個操作數(shù)同時加到ALU進行運算,只需一次操作控制，而且馬上就可以得到運算結(jié)果。兩條總線各自把其數(shù)據(jù)送至ALU的輸入端，如圖2-3。特殊寄存器分為兩組，它們分別與一條總線交換數(shù)據(jù)。這樣，通用寄存器中的數(shù)據(jù)就可進入到任一組特殊寄存器中去，從而使數(shù)據(jù)傳送更為靈活。ALU的輸出不能直接加到總線上去，這是因為，當形成操作結(jié)果輸出時，兩條總線都被輸入數(shù)占據(jù)，因而必須在ALU輸出端設置緩沖寄存器。例如，執(zhí)行一次加法操作操作的控制要分兩步完成：第一，在ALU的兩個輸入端輸入操作數(shù)，形成結(jié)果并送入緩沖寄存器；第二，把結(jié)果送入目的寄存器。19九月20241022.2.1運算器19九月20241032.2.1運算器3.三總線結(jié)構(gòu)的運算器在三總線結(jié)構(gòu)的運算器中，ALU的兩個輸入端分別由兩條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連，如圖2-4。這樣，算術邏輯操作就可以在一步控制之內(nèi)完成。另外，設置了一個總線旁路器。設置總線旁路器的目的是：如果一個操作數(shù)不需要修改，而直接從總線2傳送到總線3，那么可以通過控制總線旁路器把數(shù)據(jù)傳出；如果一個操作數(shù)傳送時需要修改，那么就借助于ALU。很顯然，三總線結(jié)構(gòu)的運算器的特點是操作時間快，但需要總線多。19九月20241042.2.1運算器19九月20241052.2.2存儲器存儲器是計算機的重要組成部分。當利用計算機完成某項任務時，事先把解決問題的程序和所需數(shù)據(jù)存于存儲器中，在執(zhí)行程序時再由存儲器快速地提供給處理機。顯然，存儲器的功能是存儲信息，保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟。不論是數(shù)據(jù)，還是解題步驟，存儲器存儲的全是0或1表示的二進制代碼。用一個具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件表示二進制0和1，這種器件稱為記憶元或記憶單元，它所表示的是二進制數(shù)的一位。位是二進制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。一個二進制數(shù)由若干位組成，當一個數(shù)作為一個整體存入或讀出時，這個數(shù)稱為存儲字。程序和數(shù)據(jù)以二進制的形式存放在存儲體中，它是存儲器的核心部分。為了區(qū)分存儲體中的所有單元，必須講它們逐一編號。19九月20241062.2.2存儲器目前采用半導體器件來作為存儲器，一個半導體觸發(fā)器可以記憶一個二進制代碼，一個數(shù)假定用16位二進制代碼表示，那么就需要有16個觸發(fā)器來保存這些代碼。在存儲器中保存一個數(shù)的16個觸發(fā)器,稱為一個存儲單元。存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號稱為地址。存儲器所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲容量。通常用單位“KB、MB”表示，如64KB，128MB。存儲容量越大，表示計算機能夠儲存的信息就越多。19九月20241072.2.2存儲器存儲體和它周圍的邏輯控制線路組成存儲器，從信息流通的角度看，存儲器的基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，它由四部分構(gòu)成：存儲體、存儲器地址寄存器、存儲器數(shù)據(jù)寄存器和讀/寫控制線路。19九月20241082.2.2存儲器存儲器有兩種基本的操作：一種是讀操作；一種是寫操作。讀操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將讀命令加載到讀寫控制線路上，在讀命令的作用下，存儲器將按照地址寄存器中的地址從相應的單元中讀出內(nèi)容送到數(shù)據(jù)寄存器中。寫操作是由中央處理器將地址加載到地址寄存器中，將要寫的數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)寄存器中，然后將寫命令加載到讀寫控制線路上，在寫命令的作用下，存儲器將數(shù)據(jù)寫入地址寄存器所指定的對應單元中去。根據(jù)存儲材料及使用方法不同，存儲器有各種不同的分類方法。19九月20241092.2.2存儲器1.按存儲介質(zhì)分類凡是明顯具有兩種狀態(tài)的物質(zhì)和元器件，都可以用來記憶二進制代碼“0”和“1”。通常把這些物質(zhì)和元器件稱為存儲介質(zhì)。（1）半導體存儲器：用半導體器件組成的存儲器。一種是雙極型存儲單元，這種存儲器存取速度快，但是功耗較大，集成度較低；另一種是MOS存儲單元，其特點是集成度高，功耗小，工藝簡單。雙極型存儲單元多用作快速、小容量的存儲器。MOS存儲單元多用作大容量的主存。（2）磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。在磁表面存儲器中，信息記錄在一薄層磁性材料表面上，隨著載體做高速直線或旋轉(zhuǎn)運動，在運動過程中用磁頭進行讀寫。特點是存儲容量大，而且價格低、存取速度慢。基于這些特點，常用磁表面存儲器作為大容量、存取速度低的外存儲器。例如磁盤存儲器、磁帶存儲器和磁鼓存儲器等。外存儲器的主要功能是用于存放等待運行的程序和數(shù)據(jù)。19九月20241102.2.2存儲器2.按存儲方式分類

（1）隨機讀寫存儲器：訪問存儲器的任一單元所用的時間都相同，即存取時間和存儲單元的物理位置無關。隨機讀寫存儲器特點是讀寫是隨機的，即可讀出又可寫入，存取時間是相同的，固定不變的。隨機主要用作主存，也用作高速緩沖存儲器。（2）只讀存儲器：特點是在工作時只能讀出信息，而不能寫入新的內(nèi)容。所以它用來存放固定不變的系統(tǒng)程序，比較可靠。隨著集成電路工藝發(fā)展和用戶要求，已經(jīng)出現(xiàn)了可編程只讀存儲器，簡稱PROM。它在制作時不寫入信息，可由用戶在需要時再寫入要存儲的內(nèi)容，一旦寫入信息后就不能再改變了。后來出現(xiàn)了可改寫只讀存儲器，簡稱EPROM。19九月20241112.2.2存儲器（3）順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時間和存儲單元的物理位置有關。這種存儲器所存儲的字和記錄塊在信息載體上沒有唯一對應的地址，而是完全按順序進行存放或讀出。特點是存儲容量大，每位價格低，但存取速度慢。因此它只適用作輔存。（4）直接存取存儲器：既不像隨機存取器那樣隨機的選擇存儲地址進行存儲，也不像順序存儲器那樣純粹的順序存儲，而是介于兩者之間。當要存取所需的信息時，必須進行兩步操作：第一步是直接指向整個存儲中的一個小區(qū)域，第二步緊接著對這個小區(qū)域進行象磁帶那樣的順序檢索、計數(shù)或等待一直找到最后的目的塊。這種存儲器的存取時間與信息所在的位置有關，而且同一位置的信息在不同時刻進行存取其時間長短都不同。這種存儲器容量大、其存取速度介于隨機存取和順序存取之間，多用作輔存。19九月20241122.2.2存儲器3.按信息的可保存性分類（1）非永久記憶的存儲器：斷電后信息即消失的存儲器。（2）永久記憶性存儲器：斷電后仍能保存信息的存儲器。19九月20241132.2.2存儲器4.按在計算機系統(tǒng)中的作用分類（1）高速緩沖存儲器：通常位于主存和CPU之間，存放當前要執(zhí)行的程序段，以便向CPU高速提供馬上要執(zhí)行的指令。目前高速緩存存儲器一般采用雙極型半導體存儲器，速度較高，可以與CPU速度相匹配，存取時間幾個ns,一般在1K～幾十K字節(jié)。（2）主存儲器：用來存放計算機運行期間正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，存取時間可達幾個至幾十個ns。CPU的指令系統(tǒng)能直接讀寫主存中的存儲單元，主存是主機內(nèi)部的存儲器，故又稱之為內(nèi)存。（3）外存儲器：也稱輔助存儲器或后援存儲器，它用來存放系統(tǒng)程序，大型數(shù)據(jù)文檔等當前暫不參與運行的大量信息。外存設在主機外部，容量極大而速度較低。CPU不能直接訪問它，必須通過專門的程序把所需要的信息與主存進行成批交換，調(diào)入主存后，才能使用。19九月20241142.2.2存儲器描述一個存儲器性能優(yōu)劣的主要指標有：存儲容量、存儲周期和存取時間等。表2-2列出了存儲器的主要幾項技術指標。19九月20241152.2.3中央處理器當用計算機解決某個問題時，我們首先必須為它編寫程序。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計算機應該執(zhí)行什么操作，在什么地方找到用來操作的數(shù)據(jù)。一旦把程序裝入內(nèi)存儲器，就可以由計算機來自動完成取出指令和執(zhí)行指令的任務。專門用來完成此項工作的計算機部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU（CentralProcessingUnit）。中央處理器是控制器和運算器的總稱，它是負責指令解釋和執(zhí)行的部件。19九月20241162.2.3中央處理器1．控制器控制器是發(fā)布命令的“決策機構(gòu)”，即協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作。由于計算機的類型不同，功能不同，結(jié)構(gòu)不同以及規(guī)模不同，其控制器也會有不少差別，但其基本組成是相同的，主要由以下幾部分構(gòu)成：（1）程序計數(shù)器又稱指令計數(shù)器或指令地址寄存器，用于存放即將取出執(zhí)行的指令地址，當該指令取出之后，存放下一條指令的地址。指令地址的形成有兩種可能：一是順序執(zhí)行的情況，每執(zhí)行一條指令，程序計數(shù)器加1以形成下一條指令的地址；二是在某些條件下，需要改變程序順序執(zhí)行的狀態(tài)，通常由轉(zhuǎn)移指令形成轉(zhuǎn)移地址送到程序計數(shù)器中，作為下條指令的地址。19九月20241172.2.3中央處理器（2）指令寄存器用以存放從內(nèi)存取出來的現(xiàn)行指令，以便在整條指令執(zhí)行過程中，完成一條指令的全部功能控制。（3）指令譯碼器又稱操作碼譯碼器或指令功能分析解釋器，它對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號，提供給操作控制信號形成部件；另外，它還對地址碼進行譯碼產(chǎn)生為形成操作數(shù)地址所需要的控制信號。（4）脈沖源及其啟?？刂凭€路脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時鐘脈沖，是周期、節(jié)拍和工作脈沖的基準信號。啟停控制線路則是在需要的時候保證可靠地開放或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生與停止，實現(xiàn)對機器的啟動與停機。19九月20241182.2.3中央處理器（5）時序信號產(chǎn)生部件計算機所以能夠準確、迅速、有條不紊地工作，正是因為在有一個時序信號產(chǎn)生器。機器一旦被啟動，即開始取指令并執(zhí)行指令時，操作控制器就利用定時脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機器的動作，規(guī)定在這個脈沖到來時做什么，在那個脈沖到來時又做什么，給計算機各部分提供工作所需的時間標志。（6）微操作控制信號形成部件微操作控制信號形成部件是產(chǎn)生微命令的，微命令是構(gòu)成控制信號序列的最小單位。該部件產(chǎn)生微命令的依據(jù)是指令操作碼、運行狀態(tài)、時序信號及被控功能部件反饋的狀態(tài)信號，形成不同指令所需要的操作控制信號序列。（7）中斷機構(gòu)是用來控制中斷處理的硬件邏輯部件。19九月20241192.2.3中央處理器（8）總線控制邏輯是用以控制總線數(shù)據(jù)傳送的硬件邏輯部件。計算機的控制過程就是程序執(zhí)行的過程。在程序執(zhí)行過程中，計算機的各個部件在控制器的控制下協(xié)調(diào)地進行工作。存儲器與控制器之間的信息流動稱為指令流，指令流是算法的具體化；存儲器與運算器之間的信息流動稱為數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流是被加工處理的對象，它受到指令流的操作與控制?？刂破鞯墓δ苤饕菍χ噶盍骱蛿?shù)據(jù)流的控制。對指令流的控制主要表現(xiàn)在：取指令的控制、指令分析與執(zhí)行的控制、指令流向的控制。取指令的控制：由控制器向存儲器提供指令地址和讀命令，存儲器接受地址和讀命令后，從地址所對應的存儲單元中將指令代碼讀出并傳送給控制器。19九月20241202.2.3中央處理器指令分析與執(zhí)行的控制：控制器要對指令流中每條指令進行分析，分析指令的操作性質(zhì)、尋址方式并形成操作數(shù)地址。根據(jù)分析指令時產(chǎn)生的操作命令和操作數(shù)地址形成相應的操作控制信號序列，通過運算器、存儲器及輸入/輸出設備的動作，實現(xiàn)每條指令的功能。指令流向的控制：即下條指令地址的形成控制。通常，指令是按順序執(zhí)行的，即執(zhí)行完第K條指令，便執(zhí)行第K+1條指令，顯然，用程序計數(shù)器不斷加1便可實現(xiàn)。但是，當執(zhí)行的指令是轉(zhuǎn)移指令，就會改變指令的流向。另外，對于某些突發(fā)事件進行緊急處理——中斷處理時，也會改變指令的流向。改變指令流向的實質(zhì)就是改變程序計數(shù)器的內(nèi)容，有些情況下除了改變其內(nèi)容外，還需要保留改變之前的內(nèi)容，以便返回時使用。對數(shù)據(jù)流的控制是指對數(shù)據(jù)流入與流出施以控制；對數(shù)據(jù)變換加工等操作控制。實際上數(shù)據(jù)流的流向是由操作性質(zhì)確定的，不同的操作性質(zhì)，不同的尋址方式就形成不同的操作控制信號序列，就會溝通不同的數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)流動的方式就不同，實現(xiàn)的操作也會不一樣。19九月20241212.2.3中央處理器2．CPU基本功能CPU對整個計算機系統(tǒng)的運行是極其重要的，它具有如下四方面的基本功能。（1）指令控制程序的順序控制稱為指令控制。由于程序是一個指令序列，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴格按程序規(guī)定的順序進行。（2）操作控制一條指令的功能往往是由若干個操作信號的組合來實現(xiàn)的，因此，CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。

19九月20241222.2.3中央處理器（3）時間控制對各種操作實施時間上的定時稱為時間控制。在計算機中，各種指令的操作信號以及一條指令的整個執(zhí)行過程都受到嚴格的時間定時。（4）數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算處理并進行邏輯測試，例如零值測試、兩個值的比較等。數(shù)據(jù)加工處理部件由算術邏輯單元(ALU)、累加寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器和狀態(tài)條件寄存器組成，相對控制器而言，運算器接受控制器的命令而進行動作，即運算器所進行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的。

19九月20241232.2.3中央處理器3．CPU的基本結(jié)構(gòu)在CPU中至少要有六類寄存器。這些寄存器用來暫存一個計算機字。根據(jù)需要，可以擴充其數(shù)目。下面介紹一下這些寄存器的功能與結(jié)構(gòu)。（1）數(shù)據(jù)緩沖寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器用來暫時存放由內(nèi)存儲器讀出的一條指令或一個數(shù)據(jù)字；反之，當向內(nèi)存存入一條指令或一個數(shù)據(jù)字時，也暫時將它們存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器