计算机基础教程.pdf

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1、第一章计算机信息基础1 .计算机系统2.计算机硬件和软件3.通信与网络1 计算机系统4.1 计算机的发展4.1.1 计算机的创始与发展1.从原始计数法到机械计算机在远古时代，人类首先从自身找到了最原始的计数工具手，用手指来计数。为了能表达比10个手指更多的数目，古代人们想出第二种计数工具石子。石子、贝壳、绳结、木棒不但作为统计财产、人数、猎物的工具，还能保留下统计的结果，这是现代计算机原理中存储思想的最初萌芽。约 1000多年前，东方文明古国中国开始使用算盘，这是世界上最古老的、流传最广的计算工具。古代算盘是用小棒(或石子、金属块等)排放在不同位置上，表示不同的位权，并按此进位与借位 可见，那

2、时已经有了进位计数的概念。1642年，19岁的法国数学家布莱斯帕斯卡(Blaise Pascal)发明了装有手转圆轮的机械加法器。帕氏加法器里，一个圆轮代表一位数。轮上分为10个相等部分，刻有。9 十个数字。做加法时，顺时针转动圆轮，当转到0 刻度，便自动将高位圆轮带进一格。巴氏加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向自动计算工具的迈进。为了纪念他，程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯巴贝奇(C harles Babbage/1792 1871)。1833年在他的微分分析机(differential analyzer)的设计方案中

3、，他天才地提出了计算工具至少必须具有五个独立的部分：输入部分送入需要处理的问题和信息,存储库保存信息，以便机器使用；运算室能进行各种实际的运算；控制器指挥机器按顺序工作；输出部分送出问题处理的结果。这台机器仍属于机械计算机，但是他的思想在当时确实太先进了，直 至 100多年后才开发了电子计算机。巴贝奇的许多观点被一位女伯爵、著名的女诗人Augusta AdaByron记载下来，并深入分析。她可以算是世界上第一个计算机程序设计员，程序设计语言A da则因她的荣耀而命名。世界上第一台电子计算机诞生于1946年。它的诞生标志着计算工具随着世界文明的进步飞跃到一个崭新的阶段。这台可操作的电子数字计算机

4、称为 ENIAC (electronicnumerlcJ Integrator and calculator),由美国宾夕法尼亚大学的 John Mauchly 和 J.P.Eckert 发明。EN1AC 是个庞然大物，它占地170平方米，重量超过30吨，并使用了多于18 000个电真空管，耗资40万美元。2 电子计算机时代电子计算机时代的划分如下。第一代是真空电子管计算机，时间大约为1951 1958年。其基本电子元件是电子管，内存储器(计算机主机内存放信息的存储器称为内存储器，简称内存)采用水银延迟线，外存储器(计算机主机外的存储器叫外存储器，简称外存，它比内存容纳的信息大很多，但运行速度

5、慢)有纸带、卡片、磁鼓、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度为每秒几千次至几万次基本运算，内存容量仅几千字，计算机程序设计语言还处于最低阶段，要用二进制码表示的机器语言进行编程，工作十分烦琐。因此，第一代电子计算机体积庞大，耗电多，难维护，并且造价很高。第 H代是晶体管电子计算机，时间大约为19591963年。美国有名的贝尔实验室在1948年发明了晶体管器件，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，晶体管电子计算机诞生了。此时内存的元件大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。外存有了磁盘、磁带，外设种类增加。计算机运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存容量扩大到几十万字。与此同时，计算机软件有了

6、较大发展，出现了高级程序设计语言，用它编制程序执行时，需先经过编译程序,把程序翻译成机器语言，再由计算机实现。此外还发展了一些单道和多道管理程序，及各种调试、诊断程序，批处理系统也已逐步形成。与第一代计算机比较，晶体管计算机体积小，成本低，逻辑功能强，可靠性大大提高。第三代是集成电路电子计算机，时间大约为1964 1979年。随着固体电子技术的发展,集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中，由十几个甚至上百个电子元器件组成逻辑电路。用这些称为小规模集成电路(small-scale integration,S S I)的器件作为计算机的主要逻辑器件，这是第三代电子计算机的标志。第三代计

7、算机的运算速度进一步提高，每秒可达几十万次到几百万次，磁芯存储器进一步发展，体积缩小，价格降低，软件逐渐完善，多道和分时系统的出现标志着操作系统的正式形成，并出现了多种高级语言。这一时期，计算机同时向品种多样化、机种系列化发展，计算机性能和可靠性有了极大提高。第四代是大规模集成电路电子计算机，时间为1979年至今。由于计算机的逻辑器件采用了大规模集成(large-scale integration,LSI)和超大规模集成(very large-scaleintegration,V L SI)技术，能在一个芯片上集成成千上万个晶体管和其他电路元件。集成度很高的半导体存储器代替了早年的磁芯存储器，

8、存储容量从儿兆字节发展到儿千兆字节，存取速度也大大加快。LSI和 VLSI技术使微处理器的开发获得成功，它能使CPU的全部线路，集成在一个芯片上，并达到每秒可以处理百万条指令的速度。带有微处理器的微型计算机和各种外围设备，以及易于使用的系统软件和应用软件包，组成了微型计算机系统(PC S)。随着计算机的广泛应用，计算机网络已成为第四代计算机的标志。目前正在研制开发第五代计算机系统。4.1.2计算机的分类及应用L计算等机的分类计算机技术的发展使计算机的分类问题变得复杂化了，比如根据用户的需求及一些技术特征，我们可以把计算机分成微型计算机、小型计算机和主干计算机，同样根据应用的分类可以是：主计算机

9、、网络服务器和工作站。分类也可能根据不同的计算平台以描述相关的计算能力。因此计算机分类与它们的计算速度和存储能力以及支撑的外围设备的数量和能力有关。但是还是可以发现某些微型计算机的能力超过小型机，而某些小型机的能力超越主干计算机。因此计算机的分类往往相互渗透。专家们还指出，微机系统网络越来越显露出计算能力和多种应用能力的加强。计算机制造商一般按系列生产计算机系统。因此计算机系统因不同的速度、存储容量以及其他能力可以有各种型号，以适应用户信息处理的不同需要。同一系列中的大多数计算机是兼容的，也就是说，所写的程序只要稍做修改甚至不用修改，就可以在同一系列其他型号的机器上运行，这就是允许用户在需求增

10、长时，可将应用移植到同一系列的更高型号的机器匕称为系统的向上兼容性。但是，专家们预测，这种生产格局将随着计算机网络的发展被打破，计算机的兼容性更强、更可靠。任何一种都可以与网络连接，使网络用户能共享软件、共享信息、共享各种输入/输出设备，如打印机、绘图仪等各种网络资源。2.微型计算机及其应用(1)个人计算机(personal computer)微型计算机是对终端用户最重要的计算机，微型计算机通常也被称为个人计算机。因此大多数微型计算机设计成单用户，以支撑终端用户各种工作活动。目前，微型计算机的能力已超出前代计算机中的主干计算机，而价格只有主干计算机的一小部分，因此微型计算机在企业中也可以作为专

11、业工作站使用，它支持用户进行大量的数学运算或工程上的计算机辅助设计(CA D),还可以用作金融业的投资和证券分析，并显示图形。特别是随着多媒体技术的发展，更是以数字技术为基础，融合通信技术(电话、传真)、广播技术(广播、电视)和计算机技术为一体，将文字、图形、图像、声音、视频等多种媒体信息进行储存、传送和综合处理。因此，基 于 1997年 Intel公司推出的多媒体扩展(multi media extension,M M X)技术及随着CPU集成度与主频提高，研制了具有处理多媒体信号能力MMX微处理器，即在传统个人计算机的基础上，扩充处理声音、图像等信息的设备和软件，从而出现了能对文、图、声、

12、像等多媒体信息进行统处理的多媒体计算机(multimedia personal computer,MPC)。微型计算机可以让终端用户进行多种信息处理业务，这与微型计算机上大量、广泛、可方便使用的软件包有关，其应用领域如下：字处理微型计算机在字处理软件的支撑下，用于电子打印与编辑备忘录、信件、报告等各种文档。高档的字处理软件还可以编辑出版刊物。决策支持应用电子表软件可以让用户建立描述事务状态的电子表(spreadsheet)模型。用计算机进行事务规划、预算和执行事务的分析，并为决策提供了交互支持.数据库管理数据管理系统允许用户建立与维护企业状况的文件和数据库，然后用户可以查询、显示所需要的数据，

13、并可以对抽取的数据加工处理，产生各种分析报告。绘图绘图软件可以用激光打印，光扫描仪以及其他设备，让用户制作各种分析图表，如直方图、曲线图、圆饼图，也可以制作各种图形影像。这种功能着重强调了报告中信息的分析和表达。通信通信网络、软件包和硬件组合在一起允许用户存取组织内的数据库，也允许用户存取外部信息服务机构提供的数据和银行中的信息，并且与其他用户通信，微型计算机可以连接到主干计算机上，也可以与支撑用户工作群体的局域网相连。应用开发微型机上可以应用的多种程序设计语言以及计算机辅助软件工程(c。mpuur一。Ned So RWo re ellgllleehng,CA SE)的工具，使信息系统开发过程

14、自动化，开发质量得以提高。工程超级微机常用作计算机辅助设计的技术工作站。它能支持计算机辅助工程(comPuter aided ensineerins,CA E)的设计.与分析过程，以及其他所需的计算能力与绘图能力。个人与家庭使用微型机可提供多种可视游戏、教育及家庭管理软件，可供个人与家庭娱乐，子女教育及家政管理。(2)移动式计算机随着计算机技术和网络技术的快速发展，计算机应用覆盖全球。对于一些经常外出的专家或企业的市场营销人员，就需要计算机既能放在办公室使用，又能方便地把计算机携带在身边，随时就地开展业务。因此需发展笔记本型、手提便携型、膝上型等移动式计算机产品。目前移动式计算机技术正在高速发

15、展中，移动式计算机采用了最新技术、最快速处理器、最优屏幕、最佳接口、最大容量、最小体积的硬盘。显然硬件成本较之桌面机昂贵，但对于工作性质为流动的业务员，公司仍应为他们配备移动式计算机。其次移动式计算机的安装、操作和维护成本也很昂贵。但由于计算机故障代表的是企业生产力和营运收入的损失，则必须减少计算机故障和故障恢复时间。例如：温哥华某咨询公司，共 有 3000名员工，其中 1800名遍及加拿大全国，其余的则分布在世界各地且不断移动。该公司向客户收取高达Z n 美元山 时的服务费。当该公司主管决定建立管理信息系统时，计算机的选择苜先必须确保每个员工每天正常工作，则必然会是移动式而非桌面式的计算机。

16、同时公司也必然要求该硬件供应商能提供全球化的快速修复服务或在计算机产生故障时，能提供相容零件进行替换，以便有问题的计算机马上修复并恢复运作。(3)网络计算机(network computers,NLs)在企业网络中的客户端往往可以采用比传统个人计算机功能缩小与简单的计算机。这种计算机并不长期储存应用软件和数据资料，而是透过因特网或企业内联网，从中央主机或服务器下载所需软件与数据资料。若发生了更新数据则传递给中央主机或服务器，以备今后多用户的共享使用。因此有效地减少了客户端对辅助存储硬盘、光碟等设备的使用。由于网络计算机的组成只需一台PC主机、一个键盘、-个屏幕与网络连接装置，同时网络计算机又不

17、必为软件升级、维护、技术支援与训练支付成本，一切由中央计算机或服务器进行集中管理与更新。因此，网络计算机的成本较之PC机的成本更低。网络计算机除了成本低的优点，另一个优点是可以加强对组织内计算机计算能力的管理控制，但必须依靠后端的大型主机系统的支持。当然若是换个角度思考，网络计算机也存在如下问题：这种主干机中央集权式的捽制将会降低终端工作人员的进取心与创造力。一个管理不善的网络系统，一旦发生故障，则所有在终端工作的员工将无法操纵网络计算机进行工作：而使用全功能PC机的员工，由于拥有独立处理能力和独立数据资料而继续保持工作，甚至还可以提供一份某种程度的备份，以恢复中央计算机的故障。企业考虑购买与

18、使用计算机时，必须联系企业的管理需求、营运模式与财政状况等，才能决定将某种类型的计算机应用于企业信息技术的基础建设。目前，财务、证券、保险与零售经销业，对网络计算机有较高的认知度与接受度。(4)超级计算机(suPercomPuter)超级计算机是一台精密且功能强大的计算机，传统上用于科学与军事研究，如航天航空技术、武器研究、气象预测、石油与工程应用方面。超级计算机每秒能执行十亿或百亿个指令，可以在瞬时之间处理大量复杂的数学计算或模拟运作，有的运算速度甚至比大型主机还快。超级计算机采用多CPU处理器结构，因此并非一次执行一条指令，而是采用平行处理(parallel processing)模式。首

19、先将一个问题分成比较小的部分，通过同时工作并行处理问题中的不同部分，最后产生问题的结果。某些尖端科学问题在解决时，要同时启用数千个处理器。因此研究开发一些解决问题的特殊的软件是超级计算机技术的关键。它将复杂的问题分解后，以最有效的方式分配给各个处理器，并将各处理器的工作结果集合起来，加以处理，最终得到问题的解答结果。超级计算机每秒能执行的指令数是其计算能力的反映。目前，科学家们正在研制每秒能执行10兆条指令运算能力的超级计算机。随着信息技术应用发展，特别数据仓库技术的发展，超级计算机也将应用于商业，应用于数据挖掘和海量数据的处理。3.小型机及其应用小型计算机无论是形体、重量还是功能，都是介丁主

20、干计算机与微型计算机之间。但这种划分并不精确。微型机系列的高瑞（超级微机）的性能远远超出小型机，而小型机系列高瑞（超级小型机）的性能又远远超出了主干计算机。但小型机价格低于主干机，而且大多数小型机都可以在普通环境中工作，不必净化空气，也不必提供专用供电线。一些比较小的小型机甚至可以不必有专家操纵，而只需对雇员加以培训即可使用。因此许多组织继续倾向于应用小型机。小型机在科学研究、建设系统、工程分析和工业过程监控领域颇受欢迎。因为小型机在这些领域已有足够强的能力胜任这些工作，而并不需要主干机的全面处理功能。因此小型机常作为工业过程控制和制造工厂的选择对象。特别在计算机辅助制造（compute ai

21、dedmanufacturing,C AM）方面起了重要作用。当然小型机也可以作为功能很强的技术工作站用于计算机辅助设计，还可以作为主干机的前端处理机，以帮助主干计算机控制数据通信网络。小型机目前也成为部门或办公室受欢迎的共享计算机。在分布式处理网络系统中，可以用干指派计算任务，也可以作为局域网的服务器，把某个部门或办公室的微机工作站、终端及其他办公自动化设备连接在一起，当网络需要更强的处理能力，联机存储能力及在同一时间能支持多用户工作时，可以使用性能更强一些的小型机。4.主干计算机及其应用主干计算机除了在形态与性能上比小型机、微型机强以外，通常有多个处理机，以达到更快的指令处理速度，例如：每

22、秒处理指令可以超过2 记条。主干计算机的内存容量也是巨大的，例如主存容量可以从32M字节到几个GM 字节。主干计算机的服务能力一次可有几百个用户。一个大型主干机可以为上百个不同的用户处理上百个不同的程序和上百个不同的设备。也允许大量用户在共享网络上访问中心数据库和应用程序库。大型主干机主要用于处理大型企业集团的组织信息需求，如对成千上万顾客的需求信息处理，企业的销售活动和库存动态管理等。不同规模的企业集团，可以采用不同规格的主干计算机。一般大型的主干机主要用于大的跨国企业集团和政府部门，这些企业几乎每天要进行上百万件事务处理，如国家银行、国家证券交易所。大型计算机也可以为颇有价值的计算设计项目

23、进行复杂的科学计算、工程设计与仿真模拟，例如宇宙飞船的设计与模拟。大型主干机的应用还可以作为分布式处理网络中的主机，例如在航空、银行、石油业的大公司都采用大型主干机与国家或国际计算机网络连接。曾几何时，微型计算机的发展，使昂贵的大型主机如同技术上的恐龙一般已为过时，曾有专家预测大型主机存在被淘汰的可能性。但是由于大型主机的无与匹敌的运算能力与可靠性，许多早期应用信息科技的公司依然应用大型主机处理一些大宗的交易。而目前大型主机在全球信息网上的电子商务找到了最佳定位。华尔街著名的美林证券公司使用大型主机作为股市网站的服务器,所有的资料全部放在这台主机上，用户可以透过网站获取所需的各种市场信息，跟踪

24、自己投资组合状态，获取交易公司的信息。当更新网站服务器软件时，原有的数据资源保留，而只需将不断更新的市场信息连接到网站服务器并方便地将资料传递给内部/外部所有用户。一个架构于Windows N T 平台上的电子书店，最多可以容纳每天一万次的点击率，而当超出该点击率时，则无法处理如此大的流量。若每天增加到100万次点击率，则不是增加几 台 N T服务器能解决问题。因此电子书店购买了 IBM S/390大型主机，尽管短期成本增加，但减少了多N T服务器引发的其他技术或营运中的问题，降低了长期运作的员工成本和维护成本。而且此时仅使用了 S/390十 个 CPU中的三个，因此在处理大宗交易方面还有很大

25、的成长空间，保证运行的高速度和高成长性。随着全球性电子商务的展开，大型主机以其特别强大的功能，开拓新的应用市场。4.1.3计算机发展趋势作为信息系统的最终用户，认识到计算机系统的发展速度飞快是很重要的。这些发展趋势在计算机的每个重要阶段已有所体现，并将继续发展下去。如上所述，第一代计算机开始于 2 0 世纪5 0 年代早期，第二代计算机在5 0 年代末期，第三代计算机在6 0 年代中期，第四代计算机则开始于70 年代末期，并将继续下去，第五代计算机在Z I 世纪初期诞生。表 4 1描述了计算机在特征和能力方面的主要发展趋势。其主体是向着体积更小、速度更快、性能更强更可靠、购买与维护成本更低的方

26、向发展。表 4 1 计算机能力和特征的主要趋势项目第一代第二代第三代第四代第五代大小（典型计算机）房间大小（主干计算机）储藏室大小（主干计算机）桌子大小（小型计算机）台式和便携式（微型计算机）信用卡大小（微型计算机）器件电真空管晶体管半导体集成电路大规模集成电路超大规模集成电路，超导电路密度（器件数/每个线路单个上百个几千个成千上万儿百万个速度（执行指令数）几百条儿千条几百万条儿千万条几亿条可靠性（线路的失误率）几小时儿天几星期几个月几年存储（字符容量）上千上万成千上万儿兆几亿价 格（美元/每百万条指令）1 01.0 00.10.0 0 10.0 0 0 14.2.1 计算机系统原理1 .冯

27、诺依文计算机结构的基本思想迄今为止，世界上各类计算机的基本结构大多数建立在冯诺依曼（V o n N eu m an n）计算机模型基础之上。美籍匈牙利数学家约翰冯诺依曼曾作为美国阿伯丁试验基地的顾问参加了 E N I AC 机的研制工作，得到很多启发。1 9 4 7 年他在自己领导的计算机研制小组进行新方案的设计过程中，汲取了科学家们长期艰苦研究成果的精华，明确提出了两个极其重要的思想：存储程序和二进制。任何复杂的运算都可以分解成系列简单的操作步骤，这些简单操作应是计算机能直接实现的被称为“指令”的基本操作，如加法指令、减法指令等。解算一个新题目时，先确定分解的算法，编制运算过程，选取能实现其

28、操作的适当指令，组成所谓“程序”。如果把程序和处理问题所需的数据均以计算机能接受的二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里，计算机运行时从存储器取出第条指令，实现第一个基本操作，以后自动地逐条取出指令，执行一系列的基本操作，其结果是完成了一个复杂的运算。这就是存储程序的基本思想。“二进制”的基本思想是：计算机指令和数据均以二进制编码的形式存储。精通数学的冯诺依曼提出了计算信息可以采用二进制。二进制只有“0”和“1”两个数符，用计算机电子器件的截止和饱和两个稳态，即高电平和低电平来表示“0”和“1”，其实现非常容易。并且二进制运算规则远比十进制简单，这样使计算机结构大为简化，运算速度大

29、大提高。2.计算机系统的基本结构“存储程序”原理和“二进制”奠定了现代计算机设计的基础和计算机的基本组成与功能。因此计算机不仅是一个完成各类信息处理任务的集合体，而且是一个“系统”，是一个能执行如输入/输出处理、存储和控制这些基本系统任务的、有内在联系的电子部件的结合。因此，计算机是提供给终端用户的功能极强的信息处理工具。能认识到计算机是一个计算机系统，对于有效使用及管理计算机都是极其重要的，无论面对一台微型计算机，还是面对大型的计算机系统，以及面向经远程通信网络连接起来的跨地域的各种设备(包括计算机)，都把它们作为系统看待。图 1 一 1就表示组成一个计算机系统的硬件设备，这些设备组成的计算

30、机系统可以实现以下功能。输入设备输入设备键盘、扫描仪、鼠标器等显示器、打印机等二 级存储单元磁盘、磁带光碟等(1)输入：计算机系统的输入设备，包括键盘、触摸式大屏幕、光笔、电子鼠标器、扫描仪等，它们将直接、间接或远程输入到计算机系统的数据转换成机器可读的电子格式(0/1数据代码)。(2)数据处理与控制：中央处理器(computer processor unit,CP U)是计算机系统的核心部件。在微型计算机系统中，单片超大规模集成电路就形成了微处理器。CP U 中的算术逻辑单元(arithmetical and logical unit,ALU)负责计算机的运算任务，CPU中的控制部件是计算机

31、的指挥部。它处理计算机的程序指令和传送方向，实现各功能部件的联系，并控制执行程序。(3)输出：计算机的输出设备包括视频显示器、各类打印机，如针打、激光打印、喷墨打印、声音应答器等。它们将计算机产生的各类电子信息转换成终端用户可以观察理解的形式，如文字、图形、声音等。(4)主存储：计算机系统的存储功能由计算机的一级存储单元及二级存储单元组成。一级存储单元亦称为主存储器，主要是由半导体器件组成，存放计算机当前运行的程序和数据。二级存储单元也可以称为外存储器或辅助存储器，主要有磁带、磁盘、光碟，存放当前不用的海量信息。(5)通信接口：随着计算机网络的发展，通信接口设备已发展成计算机的个必不可少的功能

32、部件，由它实现计算机与通信网络的连接。总线则连接上述功能部件并在它们之间提供数据资料传送路径、地址信号传送路径与协同操作控制信号传送路径。4.2.2 计算机中数据表示方法在日常生活中，人们最熟悉的是十进制，然而，计算机都采用二进制数字系统表示计算机中的数据信息。对计算机中数据信息进行处理的电子线路，其设计的理论基础是逻辑代数(布尔代数)，它和普通代数一样，用字母表示变量，但逻辑变量的取值范围只有两个值“0”和“1”，也是用二进制表示。计算机采用二进制具有以下优越性：(1)二进制只有两个数字符号“0”和“1”，因此在现实世界中很容易找到有两种对立且稳定物理状态的物理器件来表达，如晶体管的导通和截

33、止，磁性器件的剩磁状态。由于状态简单，器件容易设计，且性能稳定，运行可靠。试想要设计一个有1 0 个稳定状态的物理器件是一件多么复杂的工作。(2)二进制运算法则简单，只有加法法则：0+0=0,0+1=1,1+1=1 0,求积法则0 X 0=0,0 X 1=1,1 X 1=1；甚至求积运算也可以转化为移位求和运算，从而大大简化运算电路。(3)由于逻辑变量和二进制一样只有“0”和“1”两个取值，采用二进制可使算术运算和逻辑运算共享一个运算器。计算机中各种类型的数据表示如下。1.数值型数据的表示在计算机中，位(b i t)是最小的数据单位，只能存放个二进制的“0”，或 T,郛(b y t e)是一组

34、长度固定为8的二进制位的集合，一般一个字节可以存放一个字符。如 图 1 2所示。0|或 口 一个位(b i t)一个字节代表一个字符或一个符号0 10 0 0 0 0 1 “A”的字节表示方式“A l i c e”在电脑中的表示方式一个计算机字，或简称为字(w ord),是在计算机中作为一个整体被传送和运算的一串二进制数码，它所含有的二进制位数等于字长。目前的微型计算机绝大多数是3 2 位字长，我们称为3 2 位机，则可在运算器中进行3 2 位并行运算，并在总线中进行3 2 位并行传送。在计算机中，储存数据的长度是统一的，不足的部分则用“0”填充，例如：在微型计算机中，一个整数占2个或4个字节

35、，-个非整数占4个或8 个字节等。即数据类型确定后，将使用同样的数据长度，而与数的实际长度(二进制的位数)无关。其次，由于数有正负之分，在计算机中，总是用数的最高位表示数的符号，并约定以“0”代表正数，以“1”代表负数。最后，为了节省存储空间，在计算机中表示数值型的数据时，小数点是隐含的，但其位置是固定的，或是可变的。前者为定点数，后者为浮点数。分设某计算机使用的定点数长度为2 字节，其中第一个字节的最高位表示数的符号，则该机的数值表示如下例所示。例 1用定点整数表示(213)io。已知(213)io=(l 1010101)2,故机内表示为：00 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1

36、 0 1数符 数值部分 小数点位置例 2 用定点小数表示(一 O.6876)io=(0.10110000000001101-)2(注：因二进制数为无限小数，故 自 16位后略去)例 3 用浮点数表示(10.101)2。已知(10.101)-22X0.10101,故机内表示为:0 I 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0数符阶码尾符 尾数2.字符型数据的表示人们使用计算机时，通常用十进制数及常用的字母、字符完成信息的输入和输出。但由于计算机只接收和处理二进制数，因此信息必须用二进制编码。所谓编码是用一串二进制数码代表一位十位制数字或一个字符。编码工作由计算机在输入、输出时自动进

37、行。(i)A s c n 码在数据处理、通信系统和外部设备与主机进行信息交换时，用得最多的是ASC II码(American standard code for infomiation interchange).即美国标准信息交换码，是国际通用的一种字母与符号的编码。它用7 个二进制数据表示一个字符，共可以表示128种基本字符和功能符，具体内容有：大写字母AZ；小写字母aZ；数字0 9；可打印的符号，如、一、？、！等。实现某个动作的控制符号，如 NUL、ESC、C R、LF、BEL等，例如B E L,其 ASC II码为0000011,是报警符，可以产生一个能听见的响铃声。一般的计算机进行字符

38、处理和信息交换时，在 7 个数据位的最左边添上一个奇偶校验位，用于检测电气干扰或设备故障引起的传送错误。例如字母R 的 7 位码是1010010,S 为 1010011,若计算机采用偶校验，则它对应的8 位码是：R 为 11010010,S为01010011,添加的原则是使偶校验系统中的全部字符都具有偶数个1,传送过程中若发现某字符的编码中1 的个数为奇数，则该码有错。由于标准的7 位 ASC II码能表示的字符较少，不能满足信息处理的需要。近年来,在 ASC II码的基础上又研制了一种扩充的罗马字符集。它要求用8 个二进制数据位表示一个字符，一共可以表示256种字符和功能符，称之为扩充的AS

39、C H码。(2)BC D 码十进制数在键盘输入、打印和显示输出时，往 往 以 ASCII码表示，但是数在机器内是以二进制形式进行运算的。如 图 1 3 所示的是一个十进制数如何转化成二进制数的表示。10100等于0 x20=00 x2=01X22=40X23=1位置543212 的次方24232222十进位值168421图 1-3 十进制数(2 0)的二进制表示法因此，除了存在ASC H码与BCD码之间的转换，也存在着BC D码与二进制数之间的转换，其转换过程均由系统内部的专门程序完成，如 图 14 所示。,输入十进制数输出转换ASC II码V 二进制数 BC D 码 1图 1-4 二进制数与

40、十进制数在机器内的转换(3)EBC DIC 码EBC DIC 码的英文全称为 extend binary coded decimal interchange code。这种二进制编码是由IBM 公司于1950年开发出来的，以 8 个位元(bit)代表任何数字、英文字母和特殊符号。主要用于IBM及其他大型机上。3.汉字的表示英文为拼音文字，汉字为非拼音文字。显然，汉字编码远比ASC II表要复杂得多。汉字处理的过程也远比英文处理的过程复杂得多。图 1一 5 为汉字处理的流程图。图 1-5 汉字处理的流程图该处理流程说明，无论是中文字符(汉字)还是西文字符，在计算机内部的表示-律用二进制编码表示，

41、称为机内码，因此，中文处理与西文处理的本质是一样的。但是由于汉字转换成机内码时要有转换标准，于是就产生了国标码，而由于汉字输入较困难，为了便于输入操作，又产生了拼音输入、五笔输入等各种形式的汉字输入码。而当汉字输出时，由于汉字是象形文字，具有极大的艺术性，又有各种汉字字形码。有关计算机汉字的各种编码归纳如下：(1)汉字交换码(国标码)1981年，我国颁布了 信息交换用汉字编码字符集的基本集(代号GB2312-80)o它是汉字交换码的国家标准，所以又称“国标码”。该标准收入了 6763个常用汉字(其中一级汉字3755个，二级汉字3008个)，以及英、俄、日文字母与其他符号687个，共有7000多

42、个符号。国标码规定，每个字符由一个2 字节代码串组成。每个字节的最高位恒为“0”，其余7 位用于组成各种不同的码值。两个字节的代码，共可表示128X12816 384汉字。(2)汉字机内码在计算机内，为了实现中、西文兼容，通常将汉字国标码的最高位置1 来标识机内的某个码值是代表汉字。例如，汉 字“大 字的国标码为3003,两个字节的最高位均为“0”。把两个最高位全改成“1”,变 成 8 0 8 3,就可得“大”字的机内码。(3)汉字输入码西文输入时，ASC II输入码与机内码总是一致的，想输入什么字符，便按什么健。但汉字输入则不同。当采用某一种汉字输入法时，同一汉字的输入码也将随之变更。需要指

43、出，无论采用哪一种汉字输入法，如用拼音输入或五笔输入，当用户向计算机输入汉字时，通过键盘管理程序的转换，存入计算机中的总是它的机内码，与所采用的输入法无关。(4)汉字字形码显示/打印文字时还要用汉字字形码。因此汉字库占用的存储空间也愈大。例如一个24X 24的汉字占用空间为72个字节，一个48X 48的汉字将占用288个字节。综上可知，汉字处理较纯西文处理需要更多的时间与空间，原因就在于此。4.所有文字的通用表示Unicode是一种试图容纳全世界所有语言文字的编码方案。国际标准化组织(ISO)和 Unicode协会(WWW.unicode.org)都开展过设计Unicode的工作，ISO开发了

44、 ISO10646项目，Unicode协会开发了 Unicode项目，后来这两个组织合并了双方的工作成果，从 Unicode2.0开始，Unieode项目采用了与ISO 106464.1相同的字库和字码，Unicode协会现在公布的最新版本是Unicode 5.0.0。Unicode给每个字符提供了一个唯一的编码，Unicode标准的出现和支持它工具的存在，是近来全球软件技术最重要的发展趋势。将 Unicode与客户服务器、多层应用程序或网站结合，比使用传统字符集节省费用。Unicode使单一软件产品或单一网站能够贯穿多个平台、语言和国家，而不需要重建。它可将数据传输到许多不同的系统，而且可以

45、正常使用。Unicode最初的设计目标为用16 比特（2 字节）表现全部的文字（即采用UC S 一 4.2格式），在一个字符编码体系中处理多国语言。但由于2 字节最大只能收录65 536个字，后来进行的异体字表现方式的制定，Unieode变成了部分地使用3 字节以上的体系，因此现在的Unicode是由4 字节定义的（即 UC S 一 4.4格式）。UTF（UC S transformation format）规范是将Unicode编码方案和计算机的实际编码对应起来的一个规则。常见的UTF规范包括UTF 4.8、UTF 4.7和 UTF 4.16。UTF4.8就是以8 位为单元对UC S进行编码

46、，UTF-4.16以 16位为单元对UCS进行编码。例如从UC S-4.2到 UTF 4.8的编码方式如下:UC S 4.2编码（16进制）UTF 一 4.8字节流（二进制）0000 4.007F0080 4.07FF0800 4.FFFFOxxxxxxx1 lOxxxxx lOxxxxxxlllOxxxx lOxxxxxx lOxxxxxx例 如“汉”字的Unicode编码是6c49。6c49在 08004.FFFF之间，所以肯定要用 3 字节模板：lllOxxxx lOxxxxxx lOxxxxxx。将 6c49 写成二进制是：0110 110001001001,用这个比特流依次代替模板中

47、的x,得到：11100110 10110001 10001001,即 E6B189。图 1-6 指令执行过程5.音频和视频信息在计算机中的表示多媒体计算机不仅要处理数值信息和字符型信息，还要处理声音和图像，即音频信息和视频信息。在一般声像设备中，声音和图像信息通常都表示为模拟信号。但计算机包括多媒体计算机的CPU却只能处理脉冲数字信号，即二进制数据。因此，无论音频信息和视频信息，在进入C P U 以前都要先转换为二进制数据，才能交给C P U 加工处理；反 2：从CPU输出的声音/图像信息，也要先从二进制数据转换为音频/视频模拟信号，然后交给声像设备播放。在这些输入、输出过程中，信息的转换都是

48、由声像设备的接口板完成的，即声频接口板(声频卡)完成声频信息的转换，视频接口板(视频卡)完成视频信息的转换。当多媒体计算机运行时，匕述转换对用户是完全透明的，不需要用户干预。所以对一般用户来说，只要知道有信号转换，却不必详细了解转换的过程。目前声像设备正在向数字化方向发展，如数字荧屏、数码摄像机、数码相机等，已数字化的声像设备可以与计算机直接连接，进行声像处理。4.2.3计算机运行方式1 .计算机指令的执行计算机通过执行程序中的指令进行工作。计算机指令的格式由程序设计语言和计算机的类型决定，然而，指令的最基本格式包含以下两部分：操作码制定机器执行的操作(加法、比较、读等)；一个或几个操作数指定

49、数据或指令在内存的存放地址，或指示将使用的I/O端口和二级存储设备的地址。一条指令的执行可以分为两个阶段：指令周期与执行周期。指令周期由从主存取指令和控制单元解释指令组成。执行周期执行经解释后的指令指定的操作。如 图 1-6 所示。简单地说明在指令周期和执行周期的C P U 中发生了哪些变化。该指令是一条简单的加法指令，作用是将某个雇员当天的工作时数加到他本周的工作总时数上去，作为计算机指令，则是将主存地址1 0 3 号单元的内容加到累加器的总量上，并将结果存入主存2 0 2 号单元。其执行过程如下。(1)指令周期从主存单元取指令，并暂时存人控制单元的寄存器。在此例中，指令储存在0 0 1号单

50、元。指令的操作码部分(A D D)移到指令寄存器，操作数部分(1 0 3)移到地址寄存器。指令由控制单元的线路解释，这包括用专门的译码线路对指令的操作码和操作数进行译码。控制单元在CPU 内准备电子线路，以执行所需要的操作，这个操作包括激活“读”储存在存储单元(1 0 3)内数据的线路。(2)执行周期将要处理的数据从内存单元中取到，并暂时存入算术-逻辑单元的存储寄存器内。在这个例子中存储单元1 0 3 中含有数值0 0 1 2(1 2 小时)。由指令指定的操作被执行。在这个例子中，存储寄存器的内容(0 0 1 2)通过加法器，加到累加器上。在这个例子中假设这一周的工作总量(0 0 3 5)已由