教學(xué)課件-計(jì)算機(jī)原理與匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(方春春)

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2計(jì)算機(jī)的分類(lèi)和應(yīng)用1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.4微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)習(xí)題

計(jì)算機(jī)是一種能夠自動(dòng)、高速、精確地進(jìn)行信息處理的電子設(shè)備，是一種幫助人類(lèi)從事腦力勞動(dòng)(記憶、計(jì)算、分析、判斷、設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)等)的工具。在程序的控制下計(jì)算機(jī)能快速、高效地自動(dòng)完成信息的處理、加工、存儲(chǔ)或傳送。計(jì)算機(jī)也被稱(chēng)為電腦，是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。有人曾說(shuō)汽車(chē)的發(fā)明是人類(lèi)腳的功能的延伸，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明是人類(lèi)眼的功能的延伸，那么計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)就是人類(lèi)大腦的功能的延伸。1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)于1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)誕生。60多年來(lái)，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了多代的發(fā)展，各代的劃分主要依據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)水平，并以明顯的硬件和軟件技術(shù)為標(biāo)志。具體如下：第一代：1945～1956年，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用電子管，使用磁鼓存儲(chǔ)器；用機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程。第二代：1957～1963年，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用晶體管，使用磁芯存儲(chǔ)器；用匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言編程，出現(xiàn)了監(jiān)控程序。第三代：1964～1970年，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用集成電路，使用磁芯存儲(chǔ)器；進(jìn)入結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)階段，操作系統(tǒng)有了很大發(fā)展。第四代：1971年以后，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；操作系統(tǒng)更加完善，應(yīng)用軟件的地位越來(lái)越重要。

1971年，世界上第一個(gè)微處理器芯片(CPU)—Intel4004在美國(guó)Intel公司誕生，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)開(kāi)始進(jìn)入微型化時(shí)代。

1972年，Intel公司又推出8位微處理器Intel8008。到了1978年，Intel公司推出了16位處理器Intel8086，首次采用了流水線(xiàn)技術(shù)，內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)線(xiàn)都是16位，地址線(xiàn)為20位，可直接訪(fǎng)問(wèn)1MB內(nèi)存單元。1985年，Intel公司生產(chǎn)出了32位處理器Intel80386，數(shù)據(jù)線(xiàn)及地址線(xiàn)都是32位，可直接訪(fǎng)問(wèn)4GB內(nèi)存，并支持分頁(yè)機(jī)制。

2003年，AMD公司率先推出了64位微處理器Athlon64，該微處理器的推出使AMD公司在個(gè)人計(jì)算機(jī)處理器的競(jìng)爭(zhēng)中首次領(lǐng)先于Intel公司。Athlon64處理器既可確保當(dāng)前的32位應(yīng)用程序能夠發(fā)揮出卓越的性能，也可支持下一代的64位應(yīng)用程序。64位微處理器的誕生，標(biāo)志著計(jì)算技術(shù)邁進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代。計(jì)算機(jī)的微處理器經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位和64位等幾個(gè)階段的發(fā)展，芯片的集成度和速度都有很大的提高，而CPU的價(jià)格卻不斷地下降。微型計(jì)算機(jī)發(fā)展迅猛，使工程工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如今的計(jì)算機(jī)，不論在體積、重量、速度還是存儲(chǔ)容量等方面與當(dāng)初的計(jì)算機(jī)都已不可同日而語(yǔ)。當(dāng)年那臺(tái)龐大、笨重的機(jī)器，已演變成了輕巧、便攜的設(shè)備。計(jì)算機(jī)也由當(dāng)初只能用于數(shù)據(jù)計(jì)算到現(xiàn)在滲透在人們的日常生活中，廣泛地應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算、信息處理、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)輔助工程、人工智能等方面。

20世紀(jì)80年代初，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研制第五代計(jì)算機(jī)。第五代計(jì)算機(jī)是智能計(jì)算機(jī)，采用超大規(guī)模集成電路，生產(chǎn)工藝更加完善，擁有高密度、高速度處理機(jī)和存儲(chǔ)器芯片。它可以進(jìn)行大規(guī)模并行處理，采用可擴(kuò)展的和允許時(shí)延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能識(shí)別自然語(yǔ)言(文字、語(yǔ)音)、圖形、圖像，能進(jìn)行思維、聯(lián)想、推理，并得出結(jié)論，能解決復(fù)雜問(wèn)題，具有匯集、記憶、檢索有關(guān)知識(shí)的能力。第五代計(jì)算機(jī)的研究過(guò)程并不順利，所以至今還沒(méi)有哪一臺(tái)計(jì)算機(jī)被宣稱(chēng)是第五代計(jì)算機(jī)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的另一個(gè)重要部件，自1970年研制出第一個(gè)存儲(chǔ)芯片以來(lái)，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器價(jià)格的下降及位密度的提高，存儲(chǔ)芯片的容量經(jīng)歷了從小容量到大容量的若干個(gè)發(fā)展階段，每一個(gè)新的階段存儲(chǔ)容量都比過(guò)去提高了，而價(jià)格和訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間卻有所下降。隨著計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有很大的改進(jìn)，有許多成功并有重大影響的技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從基于串行執(zhí)行指令改變?yōu)榛诓⑿袌?zhí)行指令，出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)、并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。

(2)硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和面向數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)等。

(3)為了適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了一些專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，如過(guò)程控制計(jì)算機(jī)等。

(4)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能分散化、專(zhuān)業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能的分布式計(jì)算機(jī)。除此之外，還出現(xiàn)了容錯(cuò)計(jì)算機(jī)、智能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和歸約機(jī)等。計(jì)算機(jī)的未來(lái)正向著巨型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多媒體化方向發(fā)展。在計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的同時(shí)軟件也在興起。計(jì)算機(jī)剛問(wèn)世時(shí)，尚未有“軟件”的概念，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，逐漸形成了軟件系統(tǒng)。軟件在發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用、推廣計(jì)算機(jī)的應(yīng)用、改進(jìn)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)以及簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)的操作等方面，起了決定性的作用。系統(tǒng)軟件不斷完善、升級(jí)，操作系統(tǒng)自動(dòng)地管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備以及多個(gè)程序的高效運(yùn)行，使計(jì)算機(jī)從只供專(zhuān)家使用轉(zhuǎn)為面向大眾，這也是是第三代計(jì)算機(jī)時(shí)期的重大成就。我國(guó)計(jì)算機(jī)的研發(fā)起步略晚，從1953年開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算機(jī)研究。下面是我國(guó)計(jì)算機(jī)研究所取得的一些成果：

1958年，中科院計(jì)算所成功研制出小型電子管通用計(jì)算機(jī)—103機(jī)，這是我國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)；

1964年，我國(guó)小規(guī)模集成電路研制成功；

1965年，中科院計(jì)算所研制成功第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)—320機(jī)，該機(jī)在兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用；

1971年，誕生了中國(guó)第一臺(tái)集成電路計(jì)算機(jī)TQ?—16；

1983年，國(guó)防科技大學(xué)成功研制出運(yùn)算速度上億次每秒的銀河—Ⅰ巨型機(jī)，這是我國(guó)高速計(jì)算機(jī)研制的一個(gè)重要里程碑；

1995年，曙光公司推出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)具有大規(guī)模并行處理機(jī)(MPP)結(jié)構(gòu)的并行機(jī)曙光1000；

1999年，國(guó)家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心研制出神威Ⅰ計(jì)算機(jī)，并在國(guó)家氣象中心投入運(yùn)行；

2001年，中科院計(jì)算所成功研制出我國(guó)第一款通用CPU—“龍芯”芯片；

2005年，科技部、中科院和信息產(chǎn)業(yè)部聯(lián)合發(fā)布了龍芯2號(hào)芯片。1.2計(jì)算機(jī)的分類(lèi)和應(yīng)用

1.2.1計(jì)算機(jī)的分類(lèi)電子計(jì)算機(jī)從總體上來(lái)說(shuō)分為兩大類(lèi)。一類(lèi)是電子模擬計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)由連續(xù)量表示，運(yùn)算過(guò)程也是連續(xù)的。模擬計(jì)算機(jī)用電壓表示數(shù)據(jù)，精度低，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，沒(méi)有邏輯判斷能力。由于電子模擬計(jì)算機(jī)的精度和解題能力都有限，所以應(yīng)用范圍較小。另一類(lèi)是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)用二進(jìn)制數(shù)表示。數(shù)字計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是用數(shù)字計(jì)數(shù)，按位運(yùn)算，可以用程序控制，精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，有較強(qiáng)的邏輯判斷能力。通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)就是指數(shù)字計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)又可進(jìn)一步分為專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。專(zhuān)用和通用是根據(jù)計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來(lái)劃分的。專(zhuān)用機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但是它的適應(yīng)性很差。通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)范圍很大，但是犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。通用計(jì)算機(jī)又可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類(lèi)，它們的區(qū)別在于指令系統(tǒng)規(guī)模、性能指標(biāo)、存儲(chǔ)容量、體積、簡(jiǎn)易性、功率損耗和機(jī)器價(jià)格不同。

1.巨型機(jī)巨型機(jī)是為氣象預(yù)報(bào)、國(guó)防工程、核物理研究等專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的具有極高運(yùn)算速度和很大容量的計(jì)算機(jī)。著名的巨型機(jī)有1983年研制成功的CrayX-MP多處理機(jī)巨型機(jī)，向量運(yùn)算速度達(dá)4億次每秒。近年來(lái)，以微處理器為陣列結(jié)構(gòu)的巨型機(jī)(常稱(chēng)為微巨型機(jī))得到了發(fā)展。我國(guó)自行研制的銀河—Ⅰ、銀河—Ⅱ、曙光型機(jī)也屬于巨型機(jī)范疇。

2.大、中型機(jī)大、中型機(jī)在計(jì)算機(jī)工業(yè)中占有很重要的地位，很多新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)都是首先在大、中型機(jī)上被采用。

3.小型機(jī)小型機(jī)具有規(guī)模小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)試制周期短，便于及時(shí)采用先進(jìn)技術(shù)和工藝，硬、軟件成本低等優(yōu)點(diǎn)，加上容易操作、容易維護(hù)和可靠性高等特點(diǎn)，使得管理機(jī)器和編制程序都比較簡(jiǎn)單，曾在20世紀(jì)70年代被普遍采用。其中DEC公司的PDP-11系列和VAX-11系列曾在我國(guó)高校、銀行、企事業(yè)單位中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，用作網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的小型機(jī)正在國(guó)內(nèi)興起。小型機(jī)的出現(xiàn)打開(kāi)了在控制領(lǐng)域應(yīng)用計(jì)算機(jī)的局面，許多大型分析儀器、測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療儀器使用小型機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、整理、分析、計(jì)算等。應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)，除了能進(jìn)行上述工作外還可進(jìn)行自動(dòng)控制。

4.微型機(jī)微型機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展，掀起了計(jì)算機(jī)大普及的浪潮。按微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口和總線(xiàn)裝配的情況可以將微型機(jī)分為多板機(jī)、單板機(jī)和單片機(jī)。

1)多板機(jī)微機(jī)各組成部分裝配在多個(gè)印制電路板上的微型計(jì)算機(jī)稱(chēng)為多板機(jī)，如PC機(jī)(臺(tái)式、便攜式、手持式)。

2)單板機(jī)微機(jī)各組成部分裝配在一個(gè)印制電路板上的微型計(jì)算機(jī)稱(chēng)為單板機(jī)，它主要用于教學(xué)、實(shí)驗(yàn)等。

3)單片機(jī)微機(jī)各組成部分集成在一個(gè)超大規(guī)模的芯片上的微型計(jì)算機(jī)稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。單片機(jī)廣泛用于測(cè)控系統(tǒng)、儀器儀表、工業(yè)控制、通信設(shè)備、家用電器、嵌入式系統(tǒng)等。

1.2.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，從國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)到個(gè)人家庭生活，從軍事部門(mén)到民用部門(mén)，從科學(xué)教育到文化藝術(shù)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到消費(fèi)娛樂(lè)，小到電子手表、兒童玩具，大到衛(wèi)星、導(dǎo)彈的發(fā)射，計(jì)算機(jī)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，是否使用計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為各單位或部門(mén)技術(shù)應(yīng)用水平高低的重要標(biāo)志。下面從幾個(gè)主要方面簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)應(yīng)用最早且應(yīng)用得較廣泛的領(lǐng)域。例如數(shù)學(xué)、化學(xué)、原子能物理學(xué)、天文學(xué)、地球物理學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的研究，以及航天飛行、飛機(jī)設(shè)計(jì)、橋梁設(shè)計(jì)、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦等方面的大量計(jì)算都要用到計(jì)算機(jī)。例如導(dǎo)彈或衛(wèi)星的發(fā)射，必須精確地計(jì)算其運(yùn)行軌道和目標(biāo)，只有采用高速計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)；24小時(shí)天氣預(yù)報(bào)，用手搖計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算需要幾個(gè)星期，改用高速計(jì)算機(jī)則只需要幾個(gè)小時(shí)或更短時(shí)間；生命科學(xué)中為測(cè)定胰島素的晶體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行大量、高精度的復(fù)雜運(yùn)算，只有采用高速計(jì)算機(jī)才能完成。

2.數(shù)據(jù)處理

計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，它僅僅用于數(shù)值計(jì)算。但是后來(lái)應(yīng)用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，可用來(lái)處理文字、表格、圖像、聲音等各類(lèi)問(wèn)題。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)用于信息處理的范圍相當(dāng)廣泛，如銀行賬務(wù)、股市信息、圖書(shū)情報(bào)檢索、民航售票系統(tǒng)、管理人事檔案等。

3.計(jì)算機(jī)控制在現(xiàn)代化工廠(chǎng)里，計(jì)算機(jī)普遍用于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，對(duì)于減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人的工作環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率能起到很好的作用。一般來(lái)說(shuō)是計(jì)算機(jī)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，因此又被稱(chēng)做“過(guò)程控制”。用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)，一般都是實(shí)時(shí)控制，它們對(duì)計(jì)算機(jī)的速度要求不高，但對(duì)可靠性要求很高。用于控制的計(jì)算機(jī)，其輸入信息往往是電壓、溫度、機(jī)械位置等模擬量，要先將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)才能進(jìn)行處理或計(jì)算。當(dāng)從被控制對(duì)象測(cè)量到的信息是溫度、位置等非電量時(shí)，要將它們轉(zhuǎn)換成電量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。如何測(cè)量，用什么儀表測(cè)量也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果是數(shù)字量，一般要將它們轉(zhuǎn)換成模擬量去控制對(duì)象。

4.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)由于計(jì)算機(jī)有快速的數(shù)值計(jì)算、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理以及模擬的能力，因而目前在飛機(jī)、船舶、光學(xué)儀器、超大規(guī)模集成電路等的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，CAD/CAM占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。在超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)制圖、照相制版、光刻、擴(kuò)散、內(nèi)部連接等多道復(fù)雜工序，是人工難以完成的。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)達(dá)到自動(dòng)化或半自動(dòng)化的程度，從而減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。近年來(lái)，伴隨著CAD技術(shù)的推廣，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)出現(xiàn)了許多新的分支。例如，計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)等均屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的范疇。

5.人工智能人類(lèi)的許多腦力勞動(dòng)，諸如證明數(shù)學(xué)定理、進(jìn)行常識(shí)性推理、理解自然語(yǔ)言、診斷疾病、下棋游戲、破譯密碼等都需要“智能”。人工智能是將人腦進(jìn)行演繹推理的思維過(guò)程、規(guī)則和所采取的策略、技巧等編成計(jì)算機(jī)程序，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)一些公理和推理規(guī)則，然后讓機(jī)器去自動(dòng)探索解題的方法，所以這種程序不同于計(jì)算機(jī)的一般應(yīng)用程序。人工智能的研究課題是多種多樣的，諸如計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)證明、景物分析、模擬人的思維過(guò)程、機(jī)器人等等，內(nèi)容廣泛。智能機(jī)器人是人工智能各種研究課題的綜合產(chǎn)物，有感知和理解周?chē)h(huán)境、進(jìn)行推理和操縱工具的能力，并能通過(guò)學(xué)習(xí)適應(yīng)周?chē)h(huán)境，完成某種動(dòng)作。在不允許人進(jìn)入的場(chǎng)所(如高溫、有放射性物質(zhì)等)使用機(jī)器人有特殊的意義。1.3計(jì)?算?機(jī)?系?統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件是指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分，由看得見(jiàn)摸得著的各種電子元器件，各類(lèi)光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成，如主機(jī)、外設(shè)等。計(jì)算機(jī)的硬件是計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件是看不見(jiàn)摸不著的，是人們事先編制成的具有各種特殊功能的程序。通常把這些程序寄存于各類(lèi)媒體中，如RAM、ROM、磁盤(pán)、光盤(pán)等。軟件是發(fā)揮計(jì)算機(jī)功能，使計(jì)算機(jī)能正常工作的程序。沒(méi)有軟件的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為“裸機(jī)”。一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的好壞，取決于軟硬件功能的總和。1.3.1計(jì)算機(jī)硬件盡管計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展很快，但不管是微型計(jì)算機(jī)還是巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理上并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，都是依據(jù)美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(JohaanVonNeumann，1903～1957)提出的“存儲(chǔ)程序”的原理進(jìn)行工作，即將由指令組成的程序和指令操作的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里，通過(guò)使計(jì)算機(jī)自動(dòng)從存儲(chǔ)器中取出程序執(zhí)行，完成程序賦予的功能。馮·諾依曼體系計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)如下：

(1)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成。

(2)指令和數(shù)據(jù)都用二進(jìn)制代碼表示。

(3)指令和數(shù)據(jù)都以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪(fǎng)。

(4)指令是由操作碼和地址碼組成的，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)所在存儲(chǔ)器中的位置。

(5)機(jī)器以運(yùn)算器為核心，輸入、輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送均通過(guò)運(yùn)算器。根據(jù)馮·諾依曼體系的思想，計(jì)算機(jī)的硬件由輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器五部分組成。計(jì)算機(jī)硬件組成框圖如圖1-1所示。圖1-1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)基本組成框圖

1.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶裝置，主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是計(jì)算機(jī)操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計(jì)算和操作的對(duì)象。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)“存儲(chǔ)程序控制”的基礎(chǔ)。衡量存儲(chǔ)器的三個(gè)指標(biāo)是存儲(chǔ)容量、存儲(chǔ)速度和單位價(jià)格。存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總和稱(chēng)為存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通常用KB、MB、GB來(lái)表示，存儲(chǔ)容量越大，表示計(jì)算機(jī)記憶儲(chǔ)存的信息就越多。向存儲(chǔ)單元存入或從存儲(chǔ)單元取出信息，都稱(chēng)為訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器?？梢灾苯优c控制器交換信息的存儲(chǔ)器稱(chēng)為內(nèi)存儲(chǔ)器，它是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量有限，因此計(jì)算機(jī)中又配備了存儲(chǔ)容量更大的磁盤(pán)存儲(chǔ)器和光盤(pán)存儲(chǔ)器，稱(chēng)為外存儲(chǔ)器。

2.運(yùn)算器運(yùn)算器又稱(chēng)為算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ArithmeticandLogicalUnit，ALU)，是對(duì)信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算的部件，經(jīng)常進(jìn)行的是算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，所以運(yùn)算器的核心是加法器。運(yùn)算器中還有若干個(gè)通用寄存器，用來(lái)暫存操作數(shù)，并存放運(yùn)算結(jié)果。寄存器的存取速度比存儲(chǔ)器的存取速度快得多。由于二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單，在電子器件中比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，在電子數(shù)字計(jì)算機(jī)中廣泛采用二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)一樣，在運(yùn)算中，當(dāng)數(shù)的位數(shù)越多時(shí)，計(jì)算的精度就越高。從理論上講，數(shù)的位數(shù)可以任意多。但是位數(shù)越多，所需的電子器件也越多，因此目前計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器長(zhǎng)度一般是8位、16位、32位或64位。

3.控制器控制器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化，是全機(jī)的指揮中心，它使計(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作?？刂破鞴ぷ鞯膶?shí)質(zhì)就是解釋程序，它每次從存儲(chǔ)器讀取一條指令，經(jīng)過(guò)分析譯碼，產(chǎn)生一串操作命令，發(fā)向各個(gè)部件，控制各部件動(dòng)作，使整個(gè)機(jī)器連續(xù)地、有條不紊地運(yùn)行。計(jì)算機(jī)中有兩股信息在流動(dòng)。一股是控制信息，即操作命令，其發(fā)源地是控制器，它分散流向各大部件；另一股是數(shù)據(jù)信息，它受控制信息的控制，從一個(gè)部件流向另一個(gè)部件，邊流動(dòng)邊被加工處理。

4.輸入設(shè)備輸入設(shè)備的任務(wù)是把人們編好的程序和原始數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)中，并且把它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能識(shí)別和接受的信息方式。常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等。

5.輸出設(shè)備輸出設(shè)備的任務(wù)是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果送出計(jì)算機(jī)，輸出信息的形式有字符、文字、圖形、圖像、聲音等。常用的輸出設(shè)備有打印機(jī)、顯示器、繪圖儀等。外存儲(chǔ)器也屬于外部設(shè)備，既可以作為輸入設(shè)備，也可以作為輸出設(shè)備。常見(jiàn)的外存儲(chǔ)器有硬盤(pán)、軟盤(pán)和光盤(pán)。1.3.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成

CPU由運(yùn)算器與控制器組成，CPU和主存儲(chǔ)器通常組裝在一個(gè)主板上，合稱(chēng)主機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的硬件組成部分主要有微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備和系統(tǒng)總線(xiàn)。計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件是通過(guò)總線(xiàn)連接的?？偩€(xiàn)分為數(shù)據(jù)總線(xiàn)(DataBus，DB)、控制總線(xiàn)(ControlBus，CB)和地址總線(xiàn)(AddressBus，AB)，如圖1-2所示。在微機(jī)中，各功能部件之間通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)相連，這使得各個(gè)部件之間的相互關(guān)系變?yōu)槊嫦蛳到y(tǒng)總線(xiàn)的單一關(guān)系。一個(gè)部件只要滿(mǎn)足總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，就可以連接到采用這種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)中。圖1-2微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.3.3計(jì)算機(jī)軟件軟件是計(jì)算機(jī)程序、方法、規(guī)則、相關(guān)的文檔以及在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行它時(shí)所必需的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，軟件是所有程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的總稱(chēng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，軟件和硬件一樣都是系統(tǒng)必不可少的組成部分，它是用戶(hù)與計(jì)算機(jī)硬件之間的橋梁。

1.軟件的作用軟件的主要作用如下：

(1)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行控制與管理。

(2)在硬件提供的基本功能的基礎(chǔ)上擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能。

(3)向用戶(hù)提供盡可能方便靈活的計(jì)算機(jī)操作使用界面。

(4)提供計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境，提供對(duì)計(jì)算機(jī)本身進(jìn)行調(diào)試維護(hù)和診斷等所需要的工具。

(5)為用戶(hù)完成特定的信息處理任務(wù)。

2.軟件的組成軟件是使用某種語(yǔ)言編寫(xiě)的、可完成各種功能的程序。軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)，見(jiàn)圖1-3。

1)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指管理、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)資源(包括硬件和軟件)的軟件，主要包括用來(lái)管理機(jī)器的操作系統(tǒng)、各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其解釋和編譯程序、匯編程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以及系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序和錯(cuò)誤檢測(cè)程序等。它們是由系統(tǒng)程序員編寫(xiě)的，一般不允許修改，可固定存放在計(jì)算機(jī)內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器中，或者存放在外部存儲(chǔ)器中，需要時(shí)調(diào)入機(jī)器的內(nèi)存儲(chǔ)器中執(zhí)行。圖1-3軟件的組成

(1)操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)。操作系統(tǒng)的功能就是控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源、軟件資源及數(shù)據(jù)資源，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶(hù)提供方便、有效、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)是最低層的系統(tǒng)軟件，它是對(duì)硬件系統(tǒng)功能的首次擴(kuò)充。目前比較流行的操作系統(tǒng)有UNIX操作系統(tǒng)、Windows操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)。

(2)語(yǔ)言處理程序。語(yǔ)言處理就是將源程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言的形式，以使計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行。這一轉(zhuǎn)換是由翻譯程序來(lái)完成的，翻譯程序除了要完成語(yǔ)言間的轉(zhuǎn)換外，還要進(jìn)行語(yǔ)法、語(yǔ)義等方面的檢查。翻譯程序統(tǒng)稱(chēng)為語(yǔ)言處理程序，不同語(yǔ)言的源程序，對(duì)應(yīng)有不同的語(yǔ)言處理程序。語(yǔ)言處理程序共有三種：匯編程序、編譯程序和解釋程序。①匯編程序。匯編程序把用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序(源程序)翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)，這一翻譯過(guò)程稱(chēng)為匯編。②編譯程序。編譯程序是把用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序(源程序)翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)，這一翻譯過(guò)程稱(chēng)為編譯。③解釋程序。解釋程序是邊掃描邊翻譯邊執(zhí)行的翻譯程序，解釋過(guò)程不產(chǎn)生目標(biāo)程序。解釋程序?qū)⒃闯绦蛞痪湟痪渥x入，對(duì)每個(gè)語(yǔ)句進(jìn)行分析和解釋?zhuān)绣e(cuò)誤隨時(shí)通知用戶(hù)，無(wú)錯(cuò)誤就按照解釋結(jié)果執(zhí)行所要求的操作。每次運(yùn)行程序都要求源程序與解釋程序參加。

(3)服務(wù)支撐程序。服務(wù)支撐程序(亦稱(chēng)工具軟件或支撐軟件)擴(kuò)大了機(jī)器的功能，一般包括診斷程序、調(diào)試程序、編輯程序、鏈接程序等。

(4)數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序。數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序(亦稱(chēng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))是管理數(shù)據(jù)庫(kù)的工具。所謂數(shù)據(jù)庫(kù)，就是能實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟件、硬件資源組成的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代后期才產(chǎn)生并發(fā)展起來(lái)的，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，主要面向解決數(shù)據(jù)處理的非數(shù)值計(jì)算問(wèn)題，目前主要用于檔案管理、財(cái)務(wù)管理、圖書(shū)資料管理及倉(cāng)庫(kù)管理等方面的數(shù)據(jù)處理。這類(lèi)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)、修改、排序、分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是針對(duì)這類(lèi)數(shù)據(jù)的處理而產(chǎn)生、發(fā)展起來(lái)的，至今仍在不斷地發(fā)展、完善。目前比較流行的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)有ORACLE、SYBASE等。

2)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指計(jì)算機(jī)用戶(hù)利用計(jì)算機(jī)及其提供的系統(tǒng)軟件，為解決某種應(yīng)用問(wèn)題而使用各種語(yǔ)言編制的計(jì)算機(jī)程序。它是一種面向具體問(wèn)題和具體用戶(hù)的軟件，是具有一定功能并滿(mǎn)足一定要求的應(yīng)用程序的組合。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，所以應(yīng)用軟件也是多種多樣的，例如科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、文字處理、輔助教學(xué)、游戲等方面的程序。常見(jiàn)的應(yīng)用軟件有：文字處理軟件(WPS，Word)、電子表格軟件(Excel)、圖形圖像處理軟件(Paintbrush，Photoshop，AutoCAD，CorelDraw)、網(wǎng)絡(luò)通信軟件(Outlook，Mail)、簡(jiǎn)報(bào)軟件(Powerpoint)、統(tǒng)計(jì)軟件等。

3)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言就是用戶(hù)用來(lái)編寫(xiě)程序的語(yǔ)言，它是人與計(jì)算機(jī)之間交換信息的工具。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是軟件系統(tǒng)重要的組成部分，一般可分為機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言3類(lèi)。

(1)機(jī)器語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)硬件唯一可以直接識(shí)別的最低級(jí)的語(yǔ)言，是不需要翻譯直接供機(jī)器使用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，因此其執(zhí)行速度最快，能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的速度性能。機(jī)器語(yǔ)言中的每一條語(yǔ)句(機(jī)器指令)都是二進(jìn)制形式的指令代碼，它由操作碼的二進(jìn)制編碼和操作數(shù)的二進(jìn)制編碼組成，這些代碼隨CPU型號(hào)的不同而不同。使用機(jī)器語(yǔ)言編程，要求程序員不僅要了解機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且要掌握各條機(jī)器指令的二進(jìn)制編碼格式，這是很困難的，所以通常不用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序。

(2)匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它是為特定的計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系列而設(shè)計(jì)的。匯編語(yǔ)言采用助記符號(hào)表示機(jī)器語(yǔ)言中的指令和數(shù)據(jù)，即用助記符號(hào)代替了二進(jìn)制形式的機(jī)器指令。每條匯編語(yǔ)言的指令對(duì)應(yīng)一條機(jī)器語(yǔ)言的代碼，不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般有不同的匯編語(yǔ)言，要求程序員對(duì)機(jī)器硬件有一定的了解。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行速度快，因此多用于實(shí)時(shí)控制。機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言都屬于低級(jí)語(yǔ)言，對(duì)機(jī)器有極強(qiáng)的依賴(lài)性，不同計(jì)算機(jī)間的低級(jí)語(yǔ)言是不能通用的。

(3)高級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言都是面向機(jī)器的語(yǔ)言，一般稱(chēng)為低級(jí)語(yǔ)言。由于它們對(duì)機(jī)器的依賴(lài)性大、程序的通用性差，而且要求程序員必須了解計(jì)算機(jī)硬件的細(xì)節(jié)，因此它們只適合計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員。從20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始，逐步發(fā)展了面向問(wèn)題的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，稱(chēng)為高級(jí)語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言與具體的計(jì)算機(jī)硬件無(wú)關(guān)，其表達(dá)方式接近被描述的問(wèn)題，接近于自然語(yǔ)言和教學(xué)表達(dá)式，易于被人們接受和掌握。完全不了解計(jì)算機(jī)硬件的人，也可以使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)可執(zhí)行的源程序。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言已有百余種，得到廣泛應(yīng)用的有十幾種。每種高級(jí)語(yǔ)言都有最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。高級(jí)語(yǔ)言現(xiàn)已發(fā)展為面向?qū)ο蟮母呒?jí)語(yǔ)言，如C#、Java等。但是，任何用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序(源程序)都要通過(guò)編譯程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)后才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行，或者通過(guò)解釋程序邊解釋邊執(zhí)行。與低級(jí)語(yǔ)言相比，用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序其執(zhí)行的時(shí)間和空間效率要差一些。

3.軟件的發(fā)展早期的計(jì)算機(jī)中是直接用機(jī)器語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序的，用這種方式編寫(xiě)的程序可以直接被計(jì)算機(jī)執(zhí)行。由于機(jī)器語(yǔ)言難學(xué)難記，一般的人無(wú)法使用，所以為了編寫(xiě)程序方便和提高機(jī)器的使用效率，人們改用一種符號(hào)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，這就是所謂的匯編語(yǔ)言。符號(hào)語(yǔ)言簡(jiǎn)單直觀(guān)、便于記憶，比二進(jìn)制數(shù)表示的機(jī)器語(yǔ)言方便了許多。但符號(hào)語(yǔ)言還是一種低級(jí)的語(yǔ)言，仍然必須面向具體的機(jī)器。用某種匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序不能在其他機(jī)器上運(yùn)行，因此還是很不方便，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化和便于程序交流，使不熟悉具體計(jì)算機(jī)的人也能很方便地使用計(jì)算機(jī)，人們又創(chuàng)造了各種高級(jí)語(yǔ)言。為了把計(jì)算機(jī)的硬件和軟件聯(lián)系起來(lái)，需要一個(gè)稱(chēng)為操作系統(tǒng)的程序。它是隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件不斷發(fā)展而逐漸形成的一套軟件系統(tǒng)，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源(如處理器、內(nèi)存、外部設(shè)備和各種編譯、應(yīng)用程序)和自動(dòng)調(diào)度用戶(hù)的作業(yè)程序，而使多個(gè)用戶(hù)能有效地共用一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的使用效率成倍地提高，并且為用戶(hù)提供了方便的使用手段和令人滿(mǎn)意的服務(wù)質(zhì)量。根據(jù)不同使用環(huán)境要求，操作系統(tǒng)目前大致分為批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種類(lèi)型。目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)中廣泛使用的是微軟公司的Windows操作系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)在信息處理、情報(bào)檢索及各種管理系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展，要求大量處理某些數(shù)據(jù)，建立和檢索大量的表格。這些數(shù)據(jù)和表格按一定的規(guī)律組織起來(lái)，使得處理更方便，檢索更迅速，用戶(hù)使用更方便，于是出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)。為了更好地管理數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。現(xiàn)在許多計(jì)算機(jī)包括微型機(jī)，都配有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。軟件的進(jìn)一步發(fā)展，將促進(jìn)更高級(jí)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)。這是因?yàn)槟壳八械母呒?jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序時(shí)，程序比較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本高。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展的方向是標(biāo)準(zhǔn)化、積木化、產(chǎn)品化，最終是向自然語(yǔ)言發(fā)展，它們能夠自動(dòng)生成程序。1.4微機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算機(jī)的基本性能一般從以下幾個(gè)方面來(lái)衡量。

1.基本字長(zhǎng)字長(zhǎng)是計(jì)算機(jī)內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。一般一臺(tái)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)取決于它的通用寄存器、ALU的位數(shù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，一個(gè)字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，則數(shù)據(jù)處理速度越快。但是，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的硬件代價(jià)也會(huì)越大。為了兼顧精度、速度和硬件成本的關(guān)系，有些計(jì)算機(jī)允許采用變字長(zhǎng)運(yùn)算。一般CPU的內(nèi)、外數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度是一致的，但有的CPU為了改進(jìn)運(yùn)算性能，增加了CPU的內(nèi)部總線(xiàn)寬度，使內(nèi)部字長(zhǎng)和外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度不一致。如Intel8088CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為16位，外部為8位，所以Intel8088被稱(chēng)為“準(zhǔn)16位”機(jī)。

2.主存容量存儲(chǔ)器容量是衡量計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)二進(jìn)制信息量大小的一個(gè)重要指標(biāo)，它指的是存儲(chǔ)設(shè)備可容納二進(jìn)制信息的最大字節(jié)數(shù)。存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的基本單位是位(bit)。一般會(huì)把8個(gè)二進(jìn)制位組成一個(gè)基本工作組，稱(chēng)為字節(jié)(Byte，簡(jiǎn)寫(xiě)為B)，計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量通常都是以字節(jié)為單位的。常用的描述容量的單位有：千字節(jié)KB，1KB=210B=1024B；兆字節(jié)MB，1MB=220B=1024KB=1048576B；吉字節(jié)GB，1GB=230B=1024MB=1073741824B；太字節(jié)TB，1TB=240B=1024GB=1099511627776B。

3.運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度一般用每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)來(lái)表示。由于不同類(lèi)型的指令所需時(shí)間長(zhǎng)度不同，因而運(yùn)算速度的計(jì)算方法也不同。常用運(yùn)算速度的計(jì)算方法有：

(1)根據(jù)不同類(lèi)型的指令出現(xiàn)的頻度，乘上不同的系數(shù)，求得統(tǒng)計(jì)平均值，得到平均運(yùn)算速度，這時(shí)常用MIPS(MillionsofInstructionPerSecond，即百萬(wàn)條指令/秒)作單位。

(2)用指定指令的執(zhí)行時(shí)間(如定點(diǎn)加法指令)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)估算速度。

(3)直接給出CPU的主頻和每條指令的執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期。主頻是CPU的額定工作頻率，也稱(chēng)內(nèi)頻，是CPU工作周期的最小時(shí)序，主頻一般以MHz為單位。

4.外設(shè)擴(kuò)展能力外設(shè)擴(kuò)展能力主要指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配接各種外部設(shè)備的可能性、靈活性和適應(yīng)性。一臺(tái)計(jì)算機(jī)允許配接多少外部設(shè)備，對(duì)于系統(tǒng)接口和軟件研制都有重大影響。在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，打印機(jī)型號(hào)、顯示屏幕分辨率、外存儲(chǔ)器容量等，都是外設(shè)配置中需要考慮的問(wèn)題。

5.軟件配置情況軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，它的配置是否齊全，直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)性能的好壞和效率的高低。例如是否有功能很強(qiáng)、能滿(mǎn)足應(yīng)用要求的操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言，是否有豐富的、可供選用的應(yīng)用軟件等，都是在購(gòu)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)需要考慮的。

6.性能價(jià)格比選擇計(jì)算機(jī)不能一味追求高性能，還要考慮價(jià)格，考慮自身的使用情況，只要夠用、性能優(yōu)良、價(jià)格合理就是最好的。習(xí)題

1.數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)有何區(qū)別？

2.馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想是什么？該體系計(jì)算機(jī)的主要組成部分有哪些？

3.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程及應(yīng)用范圍。

4.計(jì)算機(jī)軟件的組成如何？試舉例說(shuō)明。

5.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)及各層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。第2章計(jì)算方法及運(yùn)算器2.1計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示2.2定點(diǎn)數(shù)補(bǔ)碼加減運(yùn)算2.3定點(diǎn)數(shù)乘除運(yùn)算2.4定點(diǎn)除法運(yùn)算2.5定點(diǎn)運(yùn)算器的組成與結(jié)構(gòu)2.6浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算器習(xí)題

計(jì)算機(jī)中使用的數(shù)據(jù)有數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)兩大類(lèi)。數(shù)值數(shù)據(jù)用于表示數(shù)量意義；非數(shù)值數(shù)據(jù)又稱(chēng)為符號(hào)數(shù)據(jù)，包括字母和符號(hào)等。計(jì)算機(jī)除處理數(shù)值信息外，大量處理的是字符信息。例如，將用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序輸入計(jì)算機(jī)時(shí)，人與計(jì)算機(jī)通信時(shí)所用的語(yǔ)言就不再是一種純數(shù)字語(yǔ)言而是字符語(yǔ)言。由于計(jì)算機(jī)中只能存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)，這就需要對(duì)字符進(jìn)行編碼，建立字符數(shù)據(jù)與二進(jìn)制串之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于計(jì)算機(jī)識(shí)別、存儲(chǔ)和處理。這里介紹兩種符號(hào)數(shù)據(jù)的表示。2.1計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的表示在計(jì)算機(jī)中，信息是以數(shù)據(jù)的形式表示和使用的，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)就是輸入計(jì)算機(jī)并能被計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的數(shù)字、文字、符號(hào)、聲音、圖像等等。計(jì)算機(jī)能表示和處理的信息包括數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)用于表示數(shù)量的多少；非數(shù)值數(shù)據(jù)又叫符號(hào)數(shù)據(jù)，是用來(lái)表示英文字母、漢字等，不代表數(shù)量的數(shù)據(jù)。這些信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都是以二進(jìn)制的形式表現(xiàn)的。2.1.1數(shù)值數(shù)據(jù)描述一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)需要三個(gè)要素：進(jìn)位計(jì)數(shù)制、數(shù)的符號(hào)位、小數(shù)點(diǎn)。

1.進(jìn)位計(jì)數(shù)制按進(jìn)位的原則進(jìn)行的計(jì)數(shù)方法稱(chēng)為進(jìn)位計(jì)數(shù)制，是實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的一種規(guī)則。常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制有十進(jìn)制、二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制。一種計(jì)數(shù)制所具有的字符的個(gè)數(shù)稱(chēng)為基數(shù)。以基數(shù)為底、以數(shù)符所在位置的序號(hào)為指數(shù)的整數(shù)次冪稱(chēng)為位權(quán)。例如，十進(jìn)制的個(gè)位數(shù)位置的位權(quán)是100，十位數(shù)位置的位權(quán)為101，小數(shù)點(diǎn)后1位的位權(quán)為10-1。由于每一位數(shù)位的位權(quán)不同，所以同一個(gè)數(shù)符在不同的位代表的數(shù)值是不同的。

1)各種進(jìn)位制數(shù)

(1)十進(jìn)制。十進(jìn)制有0～9這10個(gè)數(shù)字符號(hào)，基數(shù)是10；計(jì)數(shù)時(shí)“逢十進(jìn)一”。任意一個(gè)十進(jìn)制數(shù)D都可以展開(kāi)成如下式子：

D?=?Dn-1·10n-1?+?Dn-2·10n-2?+?…?+?D1·101

+?D0·100?+?D-1·10-1+?D-2·10-2?+?…?+?D-m·10-m

【例2-1】999.99?=?9·102

+?9·101

+?9·100

+?9·10-1

+?9·10-2上式中有5個(gè)9，每個(gè)9的值都不一樣，是因?yàn)樗鼈兯谖坏臋?quán)值不同。

(2)二進(jìn)制。二進(jìn)制數(shù)碼有0、1兩個(gè)數(shù)符，基數(shù)是2；計(jì)數(shù)時(shí)“逢二進(jìn)一”。任意一個(gè)二進(jìn)制數(shù)B，都可以表示為

B?=?Bn-1·2n-1?+?Bn-2·2n-2?+?…?+?B1·21

+?B0·20

+

B-1·2-1

+?B-2·2-2

+?…?+?B-m·2-m

(3)八進(jìn)制。由于二進(jìn)制數(shù)太長(zhǎng)，不便于記憶，故在計(jì)算機(jī)中還經(jīng)常使用十六進(jìn)制數(shù)和八進(jìn)制數(shù)。八進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是有8個(gè)不同的數(shù)符0～7，基數(shù)是8；計(jì)數(shù)時(shí)“逢八進(jìn)一”。所以，任意一個(gè)八進(jìn)制數(shù)Q可表示為

Q?=?Qn-1·8n-1?+?Qn-2·8n-2?+?…?+?Q1·81?+?Q0·80?+?Q-1·8-1?+?Q-2·8-2?+?…?+?Q-m·8-m

(4)十六進(jìn)制。十六進(jìn)制數(shù)用0～9這10個(gè)數(shù)碼加上A、B、C、D、E、F這6個(gè)字母碼來(lái)表示，基數(shù)是16；計(jì)數(shù)時(shí)“逢十六進(jìn)一”。對(duì)于一個(gè)任意的十六進(jìn)制數(shù)H可以寫(xiě)成下列多項(xiàng)式：

H?=?H-1·16n-1?+?Hn-2·16n-2?+?…?+?H1·161?+?H0·160?+?H-1·16-1+

H-2·16-2

+

…

+

H-m·16-m為了區(qū)別各種不同的進(jìn)制數(shù)，分別用B、Q、D、H這4個(gè)符號(hào)來(lái)表示二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。

2)不同進(jìn)位計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的依據(jù)是：任何兩個(gè)有理數(shù)相等，則這兩個(gè)數(shù)的整數(shù)和小數(shù)部分應(yīng)分別相等。

(1)?N(N?=?2，8，16)進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。N進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)采用“按權(quán)展開(kāi)相加”的方法。即一個(gè)N進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)時(shí)，只需要將此N進(jìn)制數(shù)寫(xiě)成按權(quán)展開(kāi)多項(xiàng)式和的形式，再計(jì)算此表達(dá)式的和即可。

【例2-2】將二進(jìn)制數(shù)100110.101轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。解(100110.101)2?=1×25+1×22

+1×21+1×21+1×2-3

=?32?+?4?+?2?+?0.5?+?0.125

=?(38.625)10

【例2-3】將八進(jìn)制數(shù)5675轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。解(5675)8?=?5×83+6×82+7×81+5×80

=?2560?+?384?+?56?+?5

=?(3005)10

【例2-4】將十六進(jìn)制數(shù)3B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。解(3B)16?=?3×161

+11×160?=?48?+?11?=?(59)10

(2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為N進(jìn)制數(shù)。十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為N進(jìn)制數(shù)時(shí)，整數(shù)部分與小數(shù)部分換算算法不同，需要分別進(jìn)行。①整數(shù)轉(zhuǎn)換方法。傳統(tǒng)的方法是用“除基取余法”：十進(jìn)制整數(shù)不斷除以轉(zhuǎn)換進(jìn)制基數(shù)，直至商為0。每除一次取一個(gè)余數(shù)，最先得到的余數(shù)為最低位，最后得到的余數(shù)為最高位。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看一下實(shí)際的做法。

【例2-5】將十進(jìn)制數(shù)65轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。解0←1/2←2/2←4/2←8/2←16/2←32/2←65/2

余數(shù)1000001(B6)??(B0)即

(65)10?=?(1000001)2這個(gè)流程可以應(yīng)用于任何十進(jìn)制數(shù)向其他的進(jìn)位制數(shù)的轉(zhuǎn)換。比如十進(jìn)制數(shù)向十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換就是將十進(jìn)制數(shù)除以16，記下余數(shù)，直到商為0。對(duì)于比較大的基數(shù)而言，每一次的余數(shù)計(jì)算并不方便，而且容易出錯(cuò)，所以這種方法不是最好的，可以考慮用另外的方法。先來(lái)看一下二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)：

…?2625?24?23222120…6432168421再做例2-5，我們觀(guān)察到65?>?64，所以將26位置上的數(shù)符定為1，65減64后得1，1只與第0位的權(quán)相等，而比其他幾位的權(quán)都小，這樣就可以確定除了20位置上的數(shù)符是1之外，其他位置的數(shù)符都為0，于是我們得到：65D?=?1000001B這個(gè)方法的關(guān)鍵是要找到待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)與哪位的權(quán)值最接近但又比自身小。

【例2-6】將十進(jìn)制數(shù)974轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。解先寫(xiě)出各位的權(quán)：

…210

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

…102451225612864321684211111001110找到與974最接近而又比974小的權(quán)為29(512)，然后重復(fù)以下操作：

974?-?512?=?462 29位字符為1462?-?256?=?206 28位字符為1206?-?128?=?78 27位字符為178?-?64?=?14 26位字符為114?<?32 25位字符為0

14?<?16 24位字符為014?-?8?=?6 23位字符為16?-?4?=?2 22位字符為12?-?2?=?0 21位字符為1 20位字符為0所以

974D?=?1111001110B②小數(shù)轉(zhuǎn)換方法。小數(shù)部分轉(zhuǎn)換的方法是“乘基取整法”：用轉(zhuǎn)換進(jìn)制的基數(shù)乘以小數(shù)部分，直至小數(shù)為0或達(dá)到轉(zhuǎn)換精度要求的位數(shù)。每乘一次取一次整數(shù)、從最高位排到最低位。如果小數(shù)的轉(zhuǎn)換不能算盡，就算到一定精度的位數(shù)為止，這樣會(huì)產(chǎn)生一些誤差。不過(guò)當(dāng)位數(shù)滿(mǎn)足要求時(shí)，這個(gè)誤差足夠小。如果一個(gè)十進(jìn)制數(shù)既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分，要將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行N進(jìn)制的等值轉(zhuǎn)換，然后再合并就可得到結(jié)果。

【例2-7】將十進(jìn)制小數(shù)(0.8125)10轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制小數(shù)。解采用“乘2取整”的方法：

0.8125?×?2?=?1.625

取整數(shù)位1

0.625?×?2?=?1.25

取整數(shù)位1

0.25?×?2?=?0.5

取整數(shù)位0

0.5?×?2?=?1.0

取整數(shù)位1最后(0.8125)10?=?(0.1101)2

(3)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)。將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)可以采用分組轉(zhuǎn)換方法。因?yàn)?3?=?8，24=?16，所以，3位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位八進(jìn)制數(shù)，4位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù)。分組的原則：以小數(shù)點(diǎn)為界，將二進(jìn)制數(shù)向左右兩邊分別3位一組(最高或最低位不足3位，用0補(bǔ)足)或4位一組(最高或最低位不足4位，用0補(bǔ)足)，每一組就是一個(gè)八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)。

【例2-8】

100101110.1011B?=?0001

0010

1110.1011?=?12E.BH

101011110.1111B?=?101

011

110.111

100?=?536.74Q

(4)八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)時(shí)，只需把一位八進(jìn)制數(shù)碼用3位二進(jìn)制數(shù)代替；將一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)時(shí)，把一位十六進(jìn)制數(shù)碼用4位二進(jìn)制代碼代替。

【例2-9】將八進(jìn)制數(shù)302.54轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解?3

0

2.??5?4

011?000?010.101100 二進(jìn)制數(shù)即302.54Q?=?11000010.1011B

【例2-10】將十六進(jìn)制數(shù)3C.A6轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。解3C?.??A?6

00111100.10100110 二進(jìn)制數(shù)即3C.A6H?=?111100.1010011B二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2-1。在實(shí)際的轉(zhuǎn)換中會(huì)發(fā)現(xiàn)將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)相對(duì)容易些，而將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)則會(huì)麻煩一些，因?yàn)檫@兩種數(shù)的基比較大，用“除基取余法”時(shí)，余數(shù)的獲得不夠快捷，因此我們?cè)趯⑹M(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)時(shí)，可以先將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)后再轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制數(shù)。表2-1二進(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

2.帶符號(hào)數(shù)的表示數(shù)值數(shù)據(jù)分有無(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)數(shù)兩種。無(wú)符號(hào)數(shù)沒(méi)有符號(hào)位，而帶符號(hào)數(shù)有正、負(fù)數(shù)之分，計(jì)算機(jī)中使用二進(jìn)制數(shù)，無(wú)法識(shí)別用“+”、“-”來(lái)表示的正、負(fù)數(shù)，這就要將“+”、“-”轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式，也就是說(shuō)用二進(jìn)制編碼來(lái)表示正、負(fù)數(shù)，表示的方法如下：把二進(jìn)制數(shù)的最高一位定義為符號(hào)位，符號(hào)位為0表示正數(shù)，符號(hào)位為1表示負(fù)數(shù)。有符號(hào)數(shù)中最高位用于表示正負(fù)，這種能被計(jì)算機(jī)識(shí)別、連同符號(hào)位一起數(shù)碼化了的數(shù)，稱(chēng)為機(jī)器數(shù)。而數(shù)的本身稱(chēng)為真值，也就是符號(hào)位未數(shù)碼化的數(shù)。在無(wú)符號(hào)數(shù)中，沒(méi)有符號(hào)位，所有的位都用于直接表示數(shù)值的大小。設(shè)某機(jī)器的字長(zhǎng)為8位，若真值為?+0.1001110B，則其對(duì)應(yīng)的機(jī)器數(shù)為0.1001110；若真值為?-0.1001110B，則其對(duì)應(yīng)的機(jī)器數(shù)為1.1001110。機(jī)器數(shù)通常有原碼、補(bǔ)碼、反碼和移碼四種表示法，數(shù)X的原碼記作?[X]原，補(bǔ)碼記作[X]補(bǔ)，反碼記作?[X]反，移碼記作?[X]移。

1)原碼表示法原碼表示的有符號(hào)位，最高位為符號(hào)位：“0”表示正號(hào)，“1”表示負(fù)號(hào)，數(shù)值位部分就是該數(shù)的絕對(duì)值，與機(jī)器數(shù)的形式一樣。

n位整數(shù)的原碼定義為：[X]原?=?0≤X<2n-1-2n-1<X≤0例如：x1?=?+1011，x2?=?-1011，用5位二進(jìn)制數(shù)表示的原碼分別為：

[x1]原

=?01011

[x2]原

=?24-(-1011)?=?11011對(duì)于真值零，它的原碼有兩種形式：

[+0]原

=?000…00，[-0]原

=?100…00

n位小數(shù)的原碼定義為：0≤X<1-1<X≤0[X]原?=例如：x1?=?+0.1001，x2?=?-0.1011，字長(zhǎng)為8位，則其原碼表示分別為

[x1]原

=?0.1001000

[x2]原

=?1?+?0.1011000?=?1.1011000其中最高位是符號(hào)位。

2)補(bǔ)碼表示法原碼表示法的優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)易懂。機(jī)器數(shù)和真值間的相互轉(zhuǎn)換很容易，用原碼實(shí)現(xiàn)乘、除運(yùn)算的規(guī)則很簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算的規(guī)則較復(fù)雜。引進(jìn)補(bǔ)碼的原因：一是使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算，二是將符號(hào)位與數(shù)值位一起參加運(yùn)算，從而簡(jiǎn)化了加、減運(yùn)算的規(guī)則，也簡(jiǎn)化了機(jī)器的運(yùn)算器電路。為了解釋什么是補(bǔ)碼，我們來(lái)看一個(gè)例子。假設(shè)現(xiàn)在的時(shí)間是下午3點(diǎn)，但時(shí)鐘顯示的時(shí)間是5點(diǎn)，為了對(duì)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可采用兩種方法：一種是將時(shí)針逆時(shí)針?lè)较驌?圈，即

5?-?2?=?3(mod12)另一種是將時(shí)針順時(shí)針?lè)较驌?0圈，即

5?+?10?≡?3(mod12)這兩種方法都能將時(shí)間調(diào)回到3點(diǎn)，也就是說(shuō)減2和加10是等價(jià)的，這個(gè)結(jié)果是在一定的條件下才成立的，因?yàn)闀r(shí)鐘的計(jì)量范圍是12，在這個(gè)計(jì)量范圍下?-2和?+10是等效的，12就稱(chēng)為“?！??！澳！笔侵敢粋€(gè)計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)數(shù)范圍，也可以說(shuō)是產(chǎn)生“溢出”的量。例如，一個(gè)3位十進(jìn)制數(shù)的模是1000，一個(gè)6位二進(jìn)制數(shù)的模是26。在模12的系統(tǒng)中，加10和減2的效果是一樣的，因此凡是減2運(yùn)算，都可以用加10來(lái)代替，即對(duì)模12而言，10和2互為補(bǔ)數(shù)，或者說(shuō)在模12時(shí)，-2的補(bǔ)碼是10，計(jì)算方法如下：

(-2)?+?12?=?10所以在模12中，11和1、10和2、9和3、7和5、6和6也都有這個(gè)特性。補(bǔ)碼和模的關(guān)系寫(xiě)成通式就是：

[X]補(bǔ)

=?X?+?M(modM)如果n是一個(gè)正整數(shù)，則有：

[X]補(bǔ)

=?X?+?nM(modM)從上面的例子可以看出，引進(jìn)補(bǔ)碼后可以將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為加法運(yùn)算。n位整數(shù)的補(bǔ)碼的定義為：[X]補(bǔ)?=0≤X<2n-1-2n-1<X≤0

【例2-11】若x1?=?+1011，x2?=?-1011，字長(zhǎng)為8位，求其補(bǔ)碼。解 [x1]補(bǔ)

=?00001011

[x2]補(bǔ)

=?28?+?(-00001011)?=?10000000?-?00001011?=?11110101對(duì)于真值零，其補(bǔ)碼是唯一的，即[+0]補(bǔ)=[0]補(bǔ)=00…00。

n位小數(shù)的補(bǔ)碼定義為：[X]補(bǔ)?=0≤X<1-1<X≤0

【例2-12】若x1?=?+0.1011，x2?=?-0.1011，字長(zhǎng)為8位，求其補(bǔ)碼。解 [x1]補(bǔ)

=?0.1011000

[x2]補(bǔ)

=?10?+?(-0.1011000)?=?1.0101000從原碼求補(bǔ)碼的方法：正數(shù)的補(bǔ)碼表示與原碼表示相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示是不改變?cè)a表示的符號(hào)位，數(shù)值位逐位取反后最低位加1。

【例2-13】若x1?=?+?0.1011，x2?=?-0.1011，字長(zhǎng)為8位，求其補(bǔ)碼。解 [x1]原

=?0.1011000，[x2]原

=?1.1011000

[x1]補(bǔ)

=?0.1011000，[x2]補(bǔ)

=?1.0100111?+?0.0000001?=?1.0101000如果已知一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼，則求它的原碼表示的方法是：如果補(bǔ)碼的符號(hào)位為0，則原碼表示形式與補(bǔ)碼表示形式相同；如果補(bǔ)碼的符號(hào)位為1，這時(shí)符號(hào)位不變，數(shù)值位按位取反后最低位加1。通過(guò)原碼也可以求出該數(shù)的真值。用n位二進(jìn)制整數(shù)的補(bǔ)碼表示的數(shù)值范圍為(-2n-1～+?2n-1-1)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)值數(shù)據(jù)一律用補(bǔ)碼來(lái)表示(存儲(chǔ))。

3)反碼的表示法設(shè)真值為X，n為包括符號(hào)位在內(nèi)的整數(shù)的位數(shù)，則反碼的定義為：[X]反?=?0≤X<2n-1-2n-1<X≤0對(duì)于n位小數(shù)，反碼的定義為：[X]反?=0≤X<1-1<X≤0根據(jù)定義可知，對(duì)于正數(shù)來(lái)說(shuō)，反碼與原碼的表示形式相同；對(duì)于負(fù)數(shù)來(lái)說(shuō)，符號(hào)位與原碼的符號(hào)位相同，只是將原碼的數(shù)值位按位取反。

【例2-14】若x1?=?+0.1011，x2?=?-0.1011，字長(zhǎng)為8位，求其反碼。解 [x1]原

=?0.1011000，[x2]原

=?1.1011000

[x1]反

=?0.1011000，[x2]反

=?1.0100111用反碼表示時(shí)，正零和負(fù)零的反碼是不一樣的，即

[+0]反

=?000…00，[0]反

=?11…11所以反碼表示數(shù)的范圍與原碼一樣。求反碼的方法：正數(shù)的反碼形式與原碼形式一樣，負(fù)數(shù)的反碼形式是原碼形式的符號(hào)位不變而數(shù)值位逐位取反。

【例2-15】求X1?=?+67D，X2?=?-67D的反碼，字長(zhǎng)8位。解 X1?=?+67D?=?+1000011B，[X1]反

=?01000011

X2?=?-67D?=?-1000011B，[X2]反

=?10111100反碼形式主要是作為求補(bǔ)碼的中間過(guò)程，即?[X]補(bǔ)

=?[X]反

+?1。

4)移碼表示法移碼常以整數(shù)形式用在計(jì)算機(jī)浮點(diǎn)數(shù)的階碼中。設(shè)真值為x，n位整數(shù)的移碼定義為：

[x]移

=?2n-1+?X，-2n-1≤X≤2n-1從公式中可以看出求移碼的規(guī)則：將補(bǔ)碼表示的符號(hào)位求反，就可得到該數(shù)的移碼表示。例如，若x?=?+1000，設(shè)字長(zhǎng)為8位，則其補(bǔ)碼為?[x]補(bǔ)?=?00001000，其移碼為

[x]移

=?27+?[x]補(bǔ)

=?1000000?+?00001000?=?10001000由于零的移碼表示是唯一的，即?[+0]移

=?[0]移

=?100…00，因此移碼可表示的數(shù)值范圍與補(bǔ)碼相同。雖然引進(jìn)補(bǔ)碼帶來(lái)了算術(shù)運(yùn)算上的便利，但是補(bǔ)碼的表示方法與人們的習(xí)慣表示方法不同，當(dāng)兩個(gè)數(shù)用補(bǔ)碼表示時(shí)很難一眼判斷出它們的大小，而使用移碼后，可以從移碼本身看出真值的實(shí)際大小。對(duì)于X1、X2，如果?[X1]移

>?[X2]移，則一定可以得出X1?>?X2。所以在浮點(diǎn)數(shù)的階碼中使用移碼可以很方便地對(duì)兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)階碼的大小進(jìn)行比較。

3.數(shù)的小數(shù)點(diǎn)表示

根據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)的位置是否固定，可以把數(shù)分為定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)兩種。

1)定點(diǎn)數(shù)表示法所謂定點(diǎn)格式，就是機(jī)器中所有數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)的位置是固定不變的，有定點(diǎn)純小數(shù)和定點(diǎn)純整數(shù)之分。將小數(shù)點(diǎn)的位置固定在數(shù)據(jù)的最高位之前(符號(hào)位之后)，即為定點(diǎn)純小數(shù)；小數(shù)點(diǎn)固定在最低數(shù)據(jù)位之后，就為定點(diǎn)純整數(shù)。定點(diǎn)小數(shù)是純小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)位置在符號(hào)位之后、有效數(shù)值最高位之前。可將數(shù)據(jù)寫(xiě)為x?=?xs.x-1x-2…x-n(其中xs為符號(hào)位，x-1～x-n是數(shù)值的有效部分)，則在計(jì)算機(jī)中的表示形式為：若字長(zhǎng)為n?+?1位，用原碼表示時(shí)，最小負(fù)數(shù)為1.111…1，其值為?-(1-2-n)；最大負(fù)數(shù)為1.000…1，其值為?-2-n；最小正數(shù)為0.000…1，其值為2-n；最大正數(shù)為0.111…1，其值為1-2-n。所以n?+?1位定點(diǎn)純小數(shù)用原碼表示時(shí)，數(shù)值的范圍為?-(1-2-n)≤x≤+(1-2-n)；用補(bǔ)碼表示時(shí)，數(shù)值范圍為?-1≤x≤+(1-2-n)；而絕對(duì)值的表示范圍是2-n≤|x|≤1-2-n。定點(diǎn)整數(shù)是純整數(shù)，約定的小數(shù)點(diǎn)位置在有效數(shù)值部分最低位之后。數(shù)據(jù)形式為x?=?xnxn-1xn-2…x0(其中xn為符號(hào)位，xn-1～x0是數(shù)值位)，則在計(jì)算機(jī)中的表示形式為：

n+1位定點(diǎn)整數(shù)用原碼表示的數(shù)值范圍為?-(2n-1)≤x≤+(2n-1)；補(bǔ)碼表示范圍為-2n≤x≤+(2n-1)。在數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，不論是中間結(jié)果還是最終結(jié)果都必須是在該定點(diǎn)數(shù)所能表示的數(shù)值范圍內(nèi)，當(dāng)所得數(shù)據(jù)小于定點(diǎn)數(shù)能表示的最小值時(shí)，計(jì)算機(jī)將它們作0處理，稱(chēng)為下溢；大于定點(diǎn)數(shù)能表示的最大值時(shí)，計(jì)算機(jī)將無(wú)法表示，稱(chēng)為上溢。上溢和下溢統(tǒng)稱(chēng)為溢出。用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為定點(diǎn)機(jī)。

2)浮點(diǎn)數(shù)表示法定點(diǎn)數(shù)表示數(shù)的范圍有限，有些數(shù)據(jù)的范圍太大無(wú)法用定點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，而且實(shí)際的數(shù)據(jù)中很多也不是純小數(shù)或純整數(shù)，所以這時(shí)就需要使用到浮點(diǎn)數(shù)，也就是小數(shù)點(diǎn)的位置可以浮動(dòng)的數(shù)。任意一個(gè)J進(jìn)制數(shù)N，與十進(jìn)制數(shù)的科學(xué)計(jì)數(shù)法相似，都可以寫(xiě)成：N?=?JE?×?M式中，M稱(chēng)為數(shù)N的尾數(shù)，是一個(gè)純小數(shù)(帶符號(hào)數(shù))；E為數(shù)N的階碼，是一個(gè)純整數(shù)(帶符號(hào)數(shù))；J是基數(shù)，一般為2、8、16。由于階碼E可以取不同的數(shù)值，所以小數(shù)點(diǎn)的位置是不固定的，稱(chēng)這種表示方法為浮點(diǎn)表示法。

(1)浮點(diǎn)數(shù)的格式。一般確定好了進(jìn)位制后，基數(shù)就不會(huì)再改變了，這樣在實(shí)際表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)時(shí)J可以不出現(xiàn)。所以在機(jī)器中表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，只需兩個(gè)部分：一個(gè)是用定點(diǎn)純小數(shù)形式表示的尾數(shù)，尾數(shù)的符號(hào)位叫尾符，也是浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)符，尾數(shù)部分給出的是有效數(shù)字的位數(shù)，決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示精度；另一個(gè)是用純整數(shù)形式表示的階碼，階碼指明小數(shù)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中的位置，階碼的位數(shù)決定了浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍。常用的浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼部分為n+1位，其中Es為階符(即指數(shù)部分的符號(hào)位)，E1…En為階碼值；基數(shù)J是隱含約定的，通常取2；尾數(shù)部分共有m+1位，其中Ms是尾數(shù)部分的符號(hào)位，M1…Mm為尾數(shù)部分。實(shí)際應(yīng)用中，階碼通常采用補(bǔ)碼或移碼定點(diǎn)整數(shù)形式，尾數(shù)常用補(bǔ)碼定點(diǎn)小數(shù)形式表示，把尾符放在最前面作為整個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)位。浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值范圍取決于尾數(shù)和階碼的位數(shù)以及它們的碼制，若浮點(diǎn)數(shù)的格式如上所示，階碼和尾數(shù)均用補(bǔ)碼表示，則浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)值表示范圍為：≤N≤+(1?-?2-m)·假設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)是8位二進(jìn)制數(shù)，如果表示正的定點(diǎn)純小數(shù)，那么數(shù)的表示范圍是0.0000000～0.1111111，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)的0～127/128。而用浮點(diǎn)數(shù)表示時(shí)，若按階符、階碼占3位，尾符、尾數(shù)占5位，也只考慮正數(shù)值，浮點(diǎn)數(shù)所能表示的范圍則是2-11?×?0.0001～211?×?0.1111，相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)的1/128～7.5。由此可以看出同樣位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)，浮點(diǎn)數(shù)能表示的數(shù)的范圍比定點(diǎn)數(shù)大得多。

(2)浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化。由于浮點(diǎn)數(shù)的小數(shù)點(diǎn)的位置是浮動(dòng)的，若不對(duì)浮點(diǎn)數(shù)的表示作明確規(guī)定，則同一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的表示就不是唯一的。例如10.11也可以表示成0.01011?×?2-3、0.1011?×?2-2等等。為了提高數(shù)據(jù)的精度，對(duì)于非0的尾數(shù)，要求尾數(shù)的最高有效位應(yīng)為1，即其絕對(duì)值應(yīng)大于等于0.5，這就是浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化表示。如果尾數(shù)不是規(guī)格化數(shù)，要以左右移動(dòng)尾數(shù)同時(shí)修改階碼的方法，使其達(dá)到這一要求。尾數(shù)向左移動(dòng)一位，階碼減1；尾數(shù)向右移動(dòng)一位，階碼加1。如果規(guī)格化的尾數(shù)用原碼表示，則尾數(shù)的最高位為1，正數(shù)為0.1××…×的形式，負(fù)數(shù)為1.1××…×的形式。如果尾數(shù)是補(bǔ)碼表示，則尾數(shù)的最高數(shù)值位與符號(hào)位狀態(tài)相異，正數(shù)為0.1××…×的形式，負(fù)數(shù)為1.0××…×的形式。

(3)浮點(diǎn)數(shù)的溢出。當(dāng)一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)階碼大于機(jī)器的最大階碼時(shí)，稱(chēng)為上溢；而小于最小階碼時(shí)，稱(chēng)為下溢。機(jī)器產(chǎn)生上溢時(shí)，不能再繼續(xù)運(yùn)算，一般進(jìn)行中斷處理。出現(xiàn)下溢時(shí)，一般規(guī)定把浮點(diǎn)數(shù)各位強(qiáng)迫為零(當(dāng)作零處理)，機(jī)器仍可能繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)為0時(shí)，不論其階碼為何值，或者當(dāng)階碼的值遇到比它能表示的最小值還小時(shí)，不管其尾數(shù)為何值，計(jì)算機(jī)都把該浮點(diǎn)數(shù)看成0值，稱(chēng)為機(jī)器零。為便于軟件的移植，浮點(diǎn)數(shù)的表示格式有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1985年IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)提出了浮點(diǎn)數(shù)的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定浮點(diǎn)數(shù)的基數(shù)為2，階碼E用移碼表示，尾數(shù)M用原碼表示，根據(jù)原碼的規(guī)格化方法，最高數(shù)字位總是1，該標(biāo)準(zhǔn)將這個(gè)1缺省存儲(chǔ)，使得尾數(shù)表示范圍比實(shí)際存儲(chǔ)多一位。

IEEE754浮點(diǎn)數(shù)的格式如下：其中32位短實(shí)數(shù)的格式如下：2.1.2非數(shù)值信息的表示法現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不但要解決數(shù)值數(shù)據(jù)的計(jì)算問(wèn)題，還要處理大量的文字、字母以及某些專(zhuān)用符號(hào)，這些都屬于非數(shù)值領(lǐng)域的問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此，計(jì)算機(jī)在處理這類(lèi)信息時(shí)，也必須將其編寫(xiě)成二進(jìn)制的代碼，即非數(shù)值信息用二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示，這就是非數(shù)值數(shù)據(jù)，又稱(chēng)為字符數(shù)據(jù)。

1.?BCD碼

BCD碼(BinaryCodedDecimalNumber)就是用二進(jìn)制編碼表示十進(jìn)制數(shù)，它是用4位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)，這是十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的一種變通的辦法。BCD碼既有二進(jìn)制數(shù)的形式，又有十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)。

4位二進(jìn)制數(shù)有16種狀態(tài)，十進(jìn)制數(shù)只用10個(gè)，這樣就有6種冗余。在16種狀態(tài)中選擇10個(gè)狀態(tài)來(lái)表示0～9，選擇的方法可以很多，所以會(huì)有多種BCD碼，最常用的是8421BCD碼。“8421”的含義是指4位二進(jìn)制數(shù)從高到低每位對(duì)應(yīng)的權(quán)依次是8、4、2、1，與二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的權(quán)相等，又稱(chēng)有權(quán)碼或自然碼。表2-2

中的4311BCD碼也是有權(quán)碼，但是各位的權(quán)是約定的。余3碼和格雷碼則屬于無(wú)權(quán)碼。常見(jiàn)的BCD碼和十進(jìn)制數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2-2所示。例如：用8421BCD碼表示十進(jìn)制數(shù)765的值為011101100101，用4311BCD碼表示則為110010110111。表2-2BCD碼和十進(jìn)制數(shù)的對(duì)照表

2.?ASCII碼

ASCII碼(AmericanStandardCodedforInformationInterchange，美國(guó)國(guó)家信息交換標(biāo)準(zhǔn)字符碼)是美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的。目前國(guó)際上普遍采用的是7位ASCII碼，它包括10個(gè)十進(jìn)制數(shù)符、大小寫(xiě)各26個(gè)英文字母、一定數(shù)量的專(zhuān)用符號(hào)及控制字符，總共128個(gè)編碼。表2-3所示為7位ASCII字符編碼表。表2-3ASCII字符編碼表

3.漢字的表示漢字是象形文字，在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制編碼來(lái)表示漢字比較復(fù)雜。漢字編碼使用內(nèi)碼和外碼來(lái)完成漢字的輸入、存儲(chǔ)和輸出。外碼就是漢字的輸入碼，是為使輸入設(shè)備能將漢字輸入計(jì)算機(jī)而專(zhuān)門(mén)編制的一種代碼。目前雖然已有數(shù)百種方案，但歸納起來(lái)只有三類(lèi)：數(shù)字編碼、拼音編碼和字形編碼。內(nèi)碼是指機(jī)器內(nèi)部存儲(chǔ)、交換和處理漢字的一種代碼。內(nèi)碼用兩個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的最高位為“1”。當(dāng)一個(gè)漢字以某種輸入法輸入計(jì)算機(jī)后，通過(guò)軟件可以將外碼轉(zhuǎn)換成國(guó)標(biāo)碼，進(jìn)而再轉(zhuǎn)換為內(nèi)碼。

1981年，我國(guó)頒布了《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)為GB2312—80，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)3755個(gè)一級(jí)漢字、3008個(gè)二級(jí)漢字和682個(gè)圖形字符進(jìn)行了編碼，其編碼原則是：漢字用兩個(gè)字節(jié)表示，每個(gè)字節(jié)用7位碼(高位為0)。標(biāo)準(zhǔn)中所有的漢字和字符都放在一個(gè)有94個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)又分為94個(gè)位的表中，表示漢字的兩個(gè)字節(jié)用十進(jìn)制編碼，前一個(gè)字節(jié)表示的是漢字的區(qū)碼，后一個(gè)字節(jié)是它的位碼，這就構(gòu)成了區(qū)位碼，區(qū)位碼可以唯一地確定某一漢字或字符。例如，漢字“?！痹趨^(qū)位表的第17區(qū)，第03位，所以它的區(qū)位碼為“1703”。區(qū)位碼并不等于國(guó)標(biāo)碼，由區(qū)位碼轉(zhuǎn)換為國(guó)標(biāo)碼的方法為：國(guó)標(biāo)碼?=?區(qū)位碼(十六進(jìn)制數(shù))?+?2020H再把國(guó)標(biāo)碼每個(gè)字節(jié)的最高位由0改為1，就可生成漢字字符的內(nèi)碼，即內(nèi)碼?=?國(guó)標(biāo)碼?+?8080H所以，“?！钡膰?guó)標(biāo)碼為“3123”，內(nèi)碼為“B1A3”。

2000年3月17日，我國(guó)頒布了GB18030標(biāo)準(zhǔn)