ssd2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)中文版

1、第 1 章緒 論1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程計(jì)算機(jī)作為當(dāng)今社會不可或缺的一種工具，影響著人們每天的生活，人們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種工作，如文檔處理、辦公、交易等，當(dāng)前人們通常把計(jì)算機(jī)（Computer）定義為一種能夠按照事先存儲的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。1.1.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況在社會發(fā)展過程中，人類創(chuàng)造發(fā)明了不少的計(jì)算工具，能夠進(jìn)行加、減，并記錄簡單的交易。起初，用手指、石塊、棍棒計(jì)數(shù)，后來出現(xiàn)了機(jī)械計(jì)算器，但其運(yùn)算速度既緩慢，體型又笨重。隨著科技的發(fā)展，電子元件取代了笨重的機(jī)械部件，成為體積更小，運(yùn)算速度更快的計(jì)算設(shè)備。自開始生產(chǎn)活動(dòng)以來，人類使用結(jié)繩

2、、算盤、算籌、計(jì)算尺、手搖計(jì)算機(jī)等計(jì)算工具進(jìn)行計(jì)數(shù)。12 世紀(jì)，人們利用手工操作進(jìn)行計(jì)算，手工移動(dòng)設(shè)備上的部件，以此達(dá)到計(jì)算效果。中國人發(fā)明的第一種計(jì)算設(shè)備-算盤，就是利用珠子的移動(dòng)來進(jìn)行計(jì)算的。16 世紀(jì)開始出現(xiàn)機(jī)械計(jì)算器，機(jī)械計(jì)算器使用輪子、齒輪等來計(jì)數(shù)。1642 年，布萊斯帕斯卡發(fā)明了帕斯卡利娜，這是第一個(gè)機(jī)械計(jì)算器，該機(jī)使用了算盤的原理，但利用輪子來移動(dòng)計(jì)數(shù)器。1678 年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲（Leibniz ）發(fā)明了十進(jìn)制乘法機(jī)。18 世紀(jì)英國數(shù)學(xué)家查爾斯提出了通用數(shù)字計(jì)算機(jī)的思想，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種能進(jìn)行加減計(jì)算的自動(dòng)計(jì)算裝置，稱為差分機(jī)。1847 年英國數(shù)學(xué)家布爾（Boole）創(chuàng)立了

3、布爾代數(shù)，奠定了計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算的基礎(chǔ)。打孔機(jī)的出現(xiàn)使得大規(guī)模數(shù)據(jù)處理成為可能，穿孔機(jī)利用所打的孔來代表一個(gè)特定的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，其思想來自提花織機(jī)，每個(gè)打孔卡代表一個(gè)模式，不同的程序指令可以存儲在不同的打孔卡上，可以重復(fù)多次進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1946 年第一臺電子計(jì)算機(jī)的問世，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來，具有劃時(shí)代的偉大意義。計(jì)算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷了 60 多年，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)已成為當(dāng)今發(fā)展最快的一門學(xué)科，尤其是微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用滲透到社會的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了信息社會的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷變化，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地拓寬，人們根據(jù)計(jì)算機(jī)采用的物理器件把計(jì)算機(jī)發(fā)展分

4、為 4 個(gè)歷程。第一代（1946 年1958 年）為電子管計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是電子管，也稱電子管時(shí)代。主存儲器先采用汞延遲線，后采用磁鼓磁芯，外存儲器使用磁帶。軟件方面，用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是，體積龐大、運(yùn)算速度慢（一般每秒幾千次到幾萬次）、成本高、可靠性差、內(nèi)存容量小，主要用于科學(xué)計(jì)算，從事軍事和科學(xué)研究方面的工作。其代表機(jī)型有：ENIAC、IBM650 （小型機(jī)）、IBM709（大型機(jī)）等。第二代（1959 年1964 年）是晶體管計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)使用的主要邏輯元件是晶體管，也稱晶體管時(shí)代。主存儲器采用磁芯，外存儲器使用磁帶和磁盤。軟件方面

5、開始使用管理程序，后期使用操作系統(tǒng)并出現(xiàn)了 FORTRAN、COBOL、ALGOL 等一系列高級程序設(shè)計(jì)語言。這個(gè)時(shí)期計(jì)算機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制等方面。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度已提高到每秒幾十萬次，體積大大減小，可靠性和內(nèi)存容量也有較大的提高。其代表機(jī)型有： IBM7090、IBM7094、CDC7600 等。第三代（1964 年1970 年）是集成電路計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)用中小規(guī)模集成電路代替了分立元件，用半導(dǎo)體存儲器代替了磁芯存儲器，外存儲器使用磁盤。軟件方面，操作系統(tǒng)進(jìn)一步完善，高級語言數(shù)量增多，出現(xiàn)了并行處理、多處理機(jī)、虛擬存儲系統(tǒng)以及面向用戶的應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度也提高到

6、每秒幾十萬次到幾百萬次，可靠性和存儲容量進(jìn)一步提高，外部設(shè)備種類繁多，計(jì)算機(jī)和通信密切結(jié)合起來，廣泛地應(yīng)用到科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理、工業(yè)控制等領(lǐng)域。其代表機(jī)型有：IBM360 系列、富士通 F230 系列等。第四代（1971 年至今）是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)。這個(gè)時(shí)期的計(jì)算機(jī)主要邏輯元件是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，一般稱大規(guī)模集成電路時(shí)代。存儲器采用半導(dǎo)體存儲器，外存儲器采用大容量的軟、硬磁盤，并開始引入光盤。軟件方面，操作系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善，同時(shí)發(fā)展了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、通信軟件等。計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)入了以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為特征的時(shí)代。計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到每秒上千萬次到萬億次，計(jì)算機(jī)的存儲

7、容量和可靠性又有了很大的提高，功能更加完備。其代表機(jī)型有 IBM308X、CRAY_2 和銀河億次級巨型計(jì)算機(jī)等。從計(jì)算機(jī)發(fā)展過程可以看到，晶體管的尺寸在不斷減小。隨著晶體管越來越小，更多的晶體管可以集成在一個(gè)芯片中，這也意味著更快的處理速度和更大的數(shù)據(jù)存儲容量。 1965年，戈登摩爾最大的芯片制造商之一因特爾的創(chuàng)始人，通過觀察發(fā)現(xiàn)，每個(gè)集成電路所能容納的晶體管數(shù)量呈指數(shù)增長。他預(yù)測說，芯片上的晶體管數(shù)量可以每 12 個(gè)月翻一番，直至到達(dá)物理限制，這就是著名的“摩爾定律”?，F(xiàn)在的指數(shù)增長放緩至每 18 個(gè)月增加一倍，但是增長率仍是指數(shù)。表 1.1 顯示了成倍增加芯片上的晶體管數(shù)目。更多關(guān)于摩爾

8、定律的解釋將在第 3 章中介紹。表 1.1 各年英特爾處理器晶體管的使用數(shù)量型號生產(chǎn)年份晶體管數(shù)量4004197122504004197122508008197225008080197450008086197829 0002861982120 000386TM 處理器1985275 000續(xù)表1.1.2 未來計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢計(jì)算機(jī)技術(shù)是世界上發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)之一，產(chǎn)品不斷升級換代。未來的計(jì)算機(jī)將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，朝著巨型化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)本身的性能越來越優(yōu)越，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，從而使計(jì)算機(jī)成為工作、學(xué)習(xí)和生活中必不可少的工具。1巨型化巨型化是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)

9、算速度更快、存儲容量更大、功能更強(qiáng)。為適應(yīng)尖端技術(shù)和科學(xué)計(jì)算，特別是國防科研計(jì)算的需要，目前正在研制的巨型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度可達(dá)每秒百億次。2微型化目前，微型計(jì)算機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè)高檔微處理器構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的小型計(jì)算機(jī)功能。由于微型計(jì)算機(jī)具有高速度、大容量、高可靠性和低價(jià)格等特點(diǎn)，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在性價(jià)比上具有明顯優(yōu)勢的筆記本型、掌上型等微型計(jì)算機(jī)將更加受到人們的歡迎。3網(wǎng)絡(luò)化隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入，特別是家用計(jì)算機(jī)越來越普及，眾多用戶希望能共享信息資源，也希望各計(jì)算機(jī)之間能互相傳遞信息進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算機(jī)網(wǎng)

10、絡(luò)已在現(xiàn)代企業(yè)的管理中發(fā)揮著越來越重要的作用，如銀行系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)等。4智能化計(jì)算機(jī)人工智能的研究建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)之上。智能化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，新一代計(jì)算機(jī)將能夠識別圖像、證明定理、學(xué)習(xí)研究、探索、聯(lián)想、啟發(fā)、理解人類語言以及說話等。型號生產(chǎn)年份晶體管數(shù)量486TM DX 處理器Pentium 處理器Pentium II 處理器Pentium III 處理器199924 000 000Pentium 4 處理器200042 000 000Itanium 2 處理器2002220 000 0001.1.3 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到社會的各行各業(yè)，正在改變著傳

11、統(tǒng)的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，推動(dòng)著社會快速發(fā)展。計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域歸納起來分為以下幾個(gè)方面：1. 科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算（Scientific Computing）也稱數(shù)值計(jì)算，是指利用計(jì)算機(jī)來完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中的數(shù)學(xué)計(jì)算。利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算、大存儲容量和連續(xù)運(yùn)算的能力，可以實(shí)現(xiàn)人工無法解決的各種科學(xué)計(jì)算問題。例如人造衛(wèi)星軌跡的計(jì)算；高層建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析；天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的分析等。科學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算量大、數(shù)據(jù)變化范圍廣。2. 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理（Data Processing）是指對信息進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換、分類、統(tǒng)計(jì)、存儲和輸出等操作，從中獲取更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理也稱非數(shù)值計(jì)算，雖然數(shù)據(jù)量大，

12、但計(jì)算方法簡單。目前，數(shù)據(jù)處理已廣泛地應(yīng)用于辦公自動(dòng)化、企事業(yè)計(jì)算機(jī)輔助管理與決策、情報(bào)檢索、圖書管理、電影電視動(dòng)畫設(shè)計(jì)、會計(jì)電算化等各行各業(yè)。信息正在形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，多媒體技術(shù)使信息展現(xiàn)在人們面前的不僅是數(shù)字和文字，也有聲情并茂的聲音和圖像信息。3. 計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（Computer Aided System）包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design， CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction，CAI）等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）是利用

13、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)效果的一種技術(shù)。 在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以確定最優(yōu)方案；各種設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計(jì)人員通常用草圖開始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成；由計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以快速作出圖形顯示出來，以便設(shè)計(jì)人員及時(shí)對設(shè)計(jì)作出判斷和修改；利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。CAD 已廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、機(jī)械、電子、建筑和輕工等領(lǐng)域。例如，在電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，利用 CAD 技

14、術(shù)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動(dòng)布線等，從而大大提高了設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度。又如，在建筑設(shè)計(jì)過程中，可以利用 CAD 技術(shù)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算、繪制建筑圖紙等，這樣不但提高了設(shè)計(jì)速度，而且可以大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。例如，在產(chǎn)品的制造過程中，用計(jì)算機(jī)控制機(jī)器的運(yùn)行，處理生產(chǎn)過程中所需的數(shù)據(jù)，控制和處理材料的流動(dòng)以及對產(chǎn)品進(jìn)行檢測等。使用 CAM 技術(shù)可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（CAI）是在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行的各種教學(xué)活動(dòng)，以對話的形式討論教學(xué)內(nèi)容、安排教學(xué)

15、進(jìn)程、進(jìn)行教學(xué)訓(xùn)練的方法與技術(shù)。CAI 提供了一個(gè)良好的個(gè)人化學(xué)習(xí)環(huán)境，綜合應(yīng)用多媒體、超文本、人工智能和知識庫等計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方式上單一、片面的缺點(diǎn)。使用 CAI 能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。4. 過程控制過程控制（Procedure Control）又稱實(shí)時(shí)控制，是指利用計(jì)算機(jī)的高速度和善判斷等特點(diǎn)，將計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)采集和分析處理數(shù)據(jù)，根據(jù)控制模型進(jìn)行計(jì)算和判斷，直接干預(yù)生產(chǎn)過程，校正偏差，對所控制的對象進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。利用計(jì)算機(jī)替代人對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制，可以提高產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保障人身安全，節(jié)約能

16、源和原材料，降低成本，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。因此，計(jì)算機(jī)過程控制已在機(jī)械、冶金、石油、化工、紡織、水電、航天等部門得到廣泛的應(yīng)用。5. 人工智能人工智能（Artificial Intelligence）是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。 人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能目前在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，得到了愈加廣泛的重視，并在機(jī)器人、經(jīng)濟(jì)政治決策、控制系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)中得到應(yīng)用。6. 多媒體技術(shù)多媒體

17、技術(shù)（Multimedia Technology）是利用計(jì)算機(jī)對文本、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫、視頻等多種信息進(jìn)行綜合處理、建立邏輯關(guān)系和人機(jī)交互作用的技術(shù)。多媒體技術(shù)的運(yùn)用使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面更加友好，操作更加方便，信息表達(dá)方式更加符合人的習(xí)慣。多媒體技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，將現(xiàn)代聲像技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，以追求更自然、更豐富的接口界面，因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。它不僅覆蓋了計(jì)算機(jī)絕大部分應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)還拓寬了新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如可視電話、視頻會議等。目前，多媒體系統(tǒng)以極強(qiáng)的滲透力進(jìn)入了人類工作和生活的各個(gè)領(lǐng)域，正改變著人類的生活和工作方式，塑造了一個(gè)多彩的多媒體世界。7. 虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬

18、現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）又稱假象現(xiàn)實(shí)，是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身歷其境一般，可以及時(shí)地、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，近年來已被廣泛的應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、教育、軍事、航空航天和娛樂等方面。其主要特點(diǎn)是成本低、見效快。1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1.1 所示。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是由電子、

19、機(jī)械和光電元件組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備的總稱,是計(jì)算機(jī)完成各項(xiàng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)際裝置。而計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)所需的各種程序及有關(guān)資料。圖 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成圖通常，人們使用的計(jì)算機(jī)是經(jīng)過軟件“包裝”過的計(jì)算機(jī)，其功能不僅取決于硬件系統(tǒng)，更大程度上由安裝的軟件系統(tǒng)來決定。1.2.1 計(jì)算機(jī)的工作原理如果僅有硬件，計(jì)算機(jī)只有運(yùn)算的可能性。若要使計(jì)算機(jī)具有計(jì)算、控制等功能的話，還必須配有必要的軟件。所謂的軟件就是指使用計(jì)算機(jī)的各種程序，知道了程序的執(zhí)行過程，也就基本上了解了計(jì)算機(jī)的工作原理。1. 指令和程序的概念指令就是讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)操作所發(fā)出的命令，即計(jì)算機(jī)完成某個(gè)

20、操作的依據(jù)。一條指令通常由兩個(gè)部分組成，前面是操作碼部分，后面是操作數(shù)部分，操作碼指明該指令要完成的操作，如：加、減、乘、除等。操作數(shù)是指參加運(yùn)算的數(shù)或者數(shù)所在的單元地址。一臺計(jì)算機(jī)的所有指令的集合，稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。程序是由一系列指令所組成的有序集合，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序就是執(zhí)行這一系列指令。使用者根據(jù)解決某一問題的步驟，選用一條條指令進(jìn)行有序的排列。計(jì)算機(jī)執(zhí)行了這一指令序列，便可完成預(yù)定的任務(wù)。這一指令序列就稱為程序。顯然，程序中的每一條指令必須是所用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中的指令，因此指令系統(tǒng)是編制程序的基本依據(jù)。指令系統(tǒng)反映了計(jì)算機(jī)的基本功能，不同的計(jì)算機(jī)其指令系統(tǒng)也不相同。2. 計(jì)算機(jī)執(zhí)行指

21、令的過程計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令一般分為兩個(gè)階段：第 1 階段，將要執(zhí)行的指令從內(nèi)存取到 CPU 內(nèi)；第 2 階段，CPU 對取入的該指令進(jìn)行分析譯碼,判斷該條指令要完成的操作。然后向各部件發(fā)出完成該操作的控制信號，完成該指令的功能。當(dāng)一條指令執(zhí)行完后就進(jìn)入下一條指令的取指操作。一般將第 1 階段取指令的操作稱為取指周期，將第 2 階段稱為執(zhí)行周期。3. 程序的執(zhí)行過程程序是由一系列指令的有序集合構(gòu)成,計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序就是執(zhí)行這一系列指令。CPU 從內(nèi)存讀取一條指令到 CPU 內(nèi)執(zhí)行，該指令執(zhí)行完，再從內(nèi)存讀取下一條指令到 CPU 內(nèi)執(zhí)行。CPU 不斷地讀取指令，執(zhí)行指令，這就是程序的執(zhí)行過程。1.2.2

22、 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所使用的電子線路和物理設(shè)備，是看得見、摸得著的實(shí)體，它的基本功能是執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中的各種指令。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備 5 個(gè)邏輯部件組成，如圖 1.2 所示?？刂破骱瓦\(yùn)算器合在一起組成中央處理器（CPU）；內(nèi)存儲器和中央處理器構(gòu)成主機(jī)。在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中不屬于主機(jī)的設(shè)備都是外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。主機(jī)和外設(shè)合在一起構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。圖 1.2 計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖1. 運(yùn)算器運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元 (Arithmetic Logic Unit，ALU)。它的主要功能就是算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳遞。算術(shù)運(yùn)算就是指加、減、乘、除（早期的

23、 ALU 并無乘、除功能）等基本運(yùn)算。 而邏輯運(yùn)算就是指邏輯判斷、邏輯比較以及其他的基本邏輯運(yùn)算。在控制器的控制下,它對取自內(nèi)存或內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果又送回內(nèi)存。2. 控制器控制器由程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器和操作控制器組成，是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，用于協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。它主要有以下幾個(gè)方面的功能：取指令：控制器生成指令地址，發(fā)出取指令信號，從存儲器中取出指令暫存在指令存儲器中。分析指令：由指令譯碼器分析指令的操作要求，將指令分解成一系列微操作。執(zhí)行指令：執(zhí)行一系列微操作命令，使各部件完成相應(yīng)的動(dòng)作。中斷處理：用于處理非預(yù)期事件。3.

24、 存儲器存儲器是用于存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲器通常分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器簡稱內(nèi)存，用于存放正在執(zhí)行的程序指令和數(shù)據(jù)，具有存取速度快、可直接與 CPU 交換信息等特點(diǎn)。通過輸入設(shè)備輸入的程序和數(shù)據(jù)最初送入內(nèi)存，控制器執(zhí)行的指令和運(yùn)算器處理的數(shù)據(jù)取自內(nèi)存，運(yùn)算的中間結(jié)果和最后結(jié)果保存在內(nèi)存中，輸出設(shè)備輸出的信息來自內(nèi)存?？傊?，內(nèi)存要與計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存中的信息如果要長期保存，就應(yīng)送到外存儲器中。外存儲器設(shè)置在主機(jī)外部，簡稱外存，主要用來長期存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。通常外存不和計(jì)算機(jī)的其他部件直接交換數(shù)據(jù)，只和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，而且不是按單個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，而是成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)

25、交換。常用的外存有磁盤、磁帶、光盤和 U 盤等。外存和內(nèi)存有許多不同之處：一是外存不怕因斷電而導(dǎo)致信息丟失，且信息保存時(shí)間長，如磁盤上的信息可以保持幾年，甚至幾十年，CD-ROM 可以永久保存；二是外存的容量不像內(nèi)存那樣受多種條件限制，可以大得多，如今硬盤的容量有 60GB、80GB 等；三是外存速度慢，內(nèi)存速度快。4. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備（Input Device）用來接受輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識別的形式（二進(jìn)制數(shù)）存放到內(nèi)存中，是計(jì)算機(jī)與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀、麥克風(fēng)等。5. 輸出設(shè)備輸出設(shè)備（Output Devi

26、ce）是人與計(jì)算機(jī)交互的一種部件，用于數(shù)據(jù)的輸出。它把各種計(jì)算結(jié)果以數(shù)字、字符、圖像、聲音等人們所能接受的形式表示出來。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、影像輸出系統(tǒng)、語音輸出系統(tǒng)、磁記錄設(shè)備等。1.2.3 計(jì)算機(jī)軟件軟件是指程序、程序運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)，以及開發(fā)、使用和維護(hù)這些程序所需要的文檔的集合。通常將軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。1. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，管理計(jì)算機(jī)的各種資源，并為應(yīng)用軟件提供支持和服務(wù)的一類軟件。在系統(tǒng)軟件的支持下，才能運(yùn)行各種應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件通常包括操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和服務(wù)程序等。操作系統(tǒng)（Operating Syst

27、em，OS）為了使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有資源（包括中央處理器、存儲器、各種外部設(shè)備及各種軟件）協(xié)調(diào)一致，有條不紊地工作，就必須有一個(gè)軟件來進(jìn)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，這種軟件稱為操作系統(tǒng)。它的功能就是管理計(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)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便的、有效的、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)是一個(gè)龐大的管理控制程序，大致包括 5 個(gè)管理功能： 進(jìn)程與處理機(jī)調(diào)度、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理。實(shí)際的操作系統(tǒng)是多種多樣的 ，根據(jù)側(cè)重面不同和設(shè)計(jì)思想不同，操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容存在很大差別。 對于功能比較完善的操作系統(tǒng)，應(yīng)具備上述 5 個(gè)功能。操作系統(tǒng)一

28、般可分為多道批處理系統(tǒng)、分時(shí)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)、單用戶操作系統(tǒng)等。目前在微型計(jì)算機(jī)上常見的操作系統(tǒng)有 OS/2、UNIX、Xenix、 Linux、Windows、NetWare 等。語言處理系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)是對軟件語言進(jìn)行處理的程序子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)語言是程序設(shè)計(jì)的最重要的工具，從計(jì)算機(jī)誕生至今，計(jì)算機(jī)語言已經(jīng)發(fā)展到了第四代。機(jī)器語言是第一代計(jì)算機(jī)語言，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識別的，不需要翻譯直接供機(jī)器使用的程序設(shè)計(jì)語言。機(jī)器語言中的每一條語句（機(jī)器指令）實(shí)際是二進(jìn)制形式的指令代碼，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。它的指令二進(jìn)制代碼通常隨 CPU 型號的不同而不

29、同（同系列 CPU 一般向下兼容）。機(jī)器語言不易學(xué)習(xí)和修改，所以通常不用機(jī)器語言直接編寫程序。第二代計(jì)算機(jī)語言是匯編語言。匯編語言采用一定的助記符號表示機(jī)器語言中的指令和數(shù)據(jù)，即用助記符號代替了二進(jìn)制形式的機(jī)器指令，故又稱為符號語言。匯編語言在一定程度上克服了機(jī)器語言難讀難改的缺點(diǎn)，同時(shí)保持了其編程質(zhì)量高，占存儲空間少，執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。匯編語言是一種面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，是為特定的計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系列設(shè)計(jì)的。第三代計(jì)算機(jī)語言是由匯編語言發(fā)展而來的高級語言，即面向過程的語言。用高級語言編寫的程序易學(xué)、易讀、易修改，通用性好，不依賴于機(jī)器。但機(jī)器不能對其編制的程序直接運(yùn)行，必須經(jīng)過語言處理程序的

30、翻譯后才可以被機(jī)器接受。高級語言的種類繁多，如面向過程的 FORTRAN，PASCAL，C 等，面向?qū)ο蟮?C+，Java，Visual Basic 等。第四代計(jì)算機(jī)語言是面向?qū)ο蟮恼Z言，是一種非過程化的語言。使用這種語言設(shè)計(jì)程序時(shí)，不必給出對解題過程的描述，只需要向計(jì)算機(jī)提出所要解決的問題即可。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是管理數(shù)據(jù)庫的軟件，主要面向解決數(shù)據(jù)處理的非數(shù)值計(jì)算問題，多用于檔案、財(cái)務(wù)、圖書資料及倉庫管理等。數(shù)據(jù)處理的主要內(nèi)容為數(shù)據(jù)存儲、查詢、修改、排序和分類等。目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有 Oracle、SQL Server、Access、Visual FoxPro 等。服務(wù)程序服

31、務(wù)程序完成一些與管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源及文件有關(guān)的任務(wù)。通常情況下，計(jì)算機(jī)能夠正常地運(yùn)行，但有時(shí)也會發(fā)生各種問題，如磁盤損壞、病毒感染、運(yùn)行速度下降等。在這些問題變得嚴(yán)重或擴(kuò)散之前解決它們是一些服務(wù)程序的任務(wù)。另外，有些服務(wù)程序是為更容易、更方便地使用計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的，例如壓縮磁盤文件，提高文件在 Internet 上的傳輸速度等。服務(wù)程序基本可以分為以下 5 種：診斷程序：能夠識別并糾正計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在的問題；反病毒程序：病毒是一種人為設(shè)計(jì)的、以破壞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為目的的計(jì)算機(jī)程序。反病毒程序可以查找并刪除計(jì)算機(jī)病毒，例如金山毒霸、KV3000 等；卸載程序：從硬盤上安全地刪除沒有用的程序和相關(guān)文件，

32、例如 Windows 中的“添加/刪除程序”等；備份程序：將硬盤上的文件復(fù)制到其他存儲設(shè)備上，以便原文件丟失或損壞后能夠恢復(fù)，例如Windows 2000 中的備份程序等；文件壓縮程序：壓縮磁盤文件，減小文件長度。以便更有效地保存數(shù)據(jù)或在 Internet上傳輸，例如 ARJ、WinZip 等。2.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指利用計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源為某一專門的應(yīng)用目的而開發(fā)的軟件。例如：科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)管理、過程控制等方面的程序。文字處理軟件主要用于將文字輸入到計(jì)算機(jī)，并存儲在外存中?？梢詫斎氲奈淖诌M(jìn)行修改、編輯，并能將輸入的文字以多種字體、多種字型及各種格式打印出來。目前常用的

33、文字處理軟件有 WPS、Microsoft Word 等。表格處理軟件表格處理軟件主要處理各式各樣的表格?？梢愿鶕?jù)要求自動(dòng)生成各式各樣的表格,表格中的數(shù)據(jù)可以輸入也可以從數(shù)據(jù)庫中取出。可根據(jù)給出的計(jì)算公式，完成復(fù)雜的表格計(jì)算，計(jì)算結(jié)果自動(dòng)填入對應(yīng)欄目里。如果修改了相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果欄目中的結(jié)果數(shù)據(jù)也會自動(dòng)更新，不需重新計(jì)算。 一張表格制作完后，可存入外存，方便以后重復(fù)使用，也可以通過打印機(jī)將表格打印出來。目前常用的表格處理軟件有 Microsoft 公司的 Excel 等。輔助設(shè)計(jì)軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)作為近二十年來最具有成效的工程技術(shù)之一。計(jì)算機(jī)有快速的數(shù)值計(jì)數(shù)、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處

34、理以及模擬的能力，因此目前在汽車、飛機(jī)、船舶、超大規(guī)模集成電路（VLSI）等設(shè)計(jì)、制造過程中，CAD 占據(jù)著越來越重要的地位。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件能高效率地繪制、修改、輸出工程圖紙。設(shè)計(jì)中的常規(guī)計(jì)算幫助設(shè)計(jì)人員尋找較好的方案。設(shè)計(jì)周期大幅度縮短，而設(shè)計(jì)質(zhì)量卻大為提高。應(yīng)用該技術(shù)能使各行各業(yè)的設(shè)計(jì)人員從繁重的繪圖設(shè)計(jì)中解脫出來，使設(shè)計(jì)工作計(jì)算機(jī)化。目前常用的軟件有AutoCAD 等。（4）實(shí)時(shí)控制軟件在現(xiàn)代化工廠里，計(jì)算機(jī)普遍用于生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。例如，在化工廠中，用計(jì)算機(jī)控制配料、溫度、閥門的開閉；在煉鋼車間，用計(jì)算機(jī)控制加料、爐溫、冶煉時(shí)間等；在發(fā)電廠，用計(jì)算機(jī)控制發(fā)電機(jī)組等。用于生產(chǎn)過程

35、自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)一般都是實(shí)時(shí)控制，對計(jì)算機(jī)的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則會生產(chǎn)出不合格產(chǎn)品，或造成重大事故。用于控制的計(jì)算機(jī)，其輸入信息往往是電壓、溫度、壓力、流量等模擬量，要先將模擬量轉(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。處理或計(jì)算后，以此為依據(jù)根據(jù)預(yù)定的控制方案對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。這類軟件一般統(tǒng)稱為監(jiān)察控制和數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control And Data Acquisition， SCADA）軟件。目前，比較流行的 PC 機(jī)上的 SCADA 軟件有FIX、InTouch、Lookout 等。1.3 計(jì)算機(jī)信息表示方法1.3.1 進(jìn)位計(jì)數(shù)制1數(shù)制的概念將數(shù)字

36、符號按序排列成數(shù)位，并遵照某種由低位到高位進(jìn)位的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)，來表示數(shù)值的方式，稱作進(jìn)位計(jì)數(shù)制。比如，常用的十進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡稱十進(jìn)制，就是按照“逢十進(jìn)一”的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)的。進(jìn)位計(jì)數(shù)制的表示主要包含三個(gè)基本要素：數(shù)位、基數(shù)和位權(quán)。數(shù)位是指數(shù)碼在一個(gè)數(shù)中所處的位置；基數(shù)是指在某種進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，每個(gè)數(shù)位上所能使用的數(shù)碼的個(gè)數(shù)，例如十進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，每個(gè)數(shù)位上可以使用的數(shù)碼為 0、1、2、39 十個(gè)數(shù)碼，即其基數(shù)為 10；位權(quán)是指一個(gè)固定值，是指在某種進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，每個(gè)數(shù)位上的數(shù)碼所代表的數(shù)值的大小，等于在這個(gè)數(shù)位上的數(shù)碼乘上一個(gè)固定的數(shù)值，這個(gè)固定的數(shù)值就是這種進(jìn)位計(jì)數(shù)制中該數(shù)位上的位權(quán)。數(shù)碼所處的位

37、置不同，代表數(shù)的大小也不同。例如在十進(jìn)位計(jì)數(shù)制中，小數(shù)點(diǎn)左邊第一位位權(quán)為 100，左邊第二位位權(quán)為 101，左邊第三位位權(quán)為 102。 小數(shù)點(diǎn)右邊第一位位權(quán)為 10-1，小數(shù)點(diǎn)右邊第二位位權(quán)為 10-2以此類推。進(jìn)位計(jì)數(shù)制具有統(tǒng)一的位置編號，小數(shù)點(diǎn)左邊的第一位數(shù)碼的位置編號是0，向左依次增加，小數(shù)點(diǎn)右邊的第一位數(shù)碼的位置編號是-1，向右依次減少。以十進(jìn)制為例：位置編號：291909-19-29-39根據(jù)基數(shù)和位置編號可以總結(jié)出位權(quán)公式：位權(quán)=基數(shù)位置編號。2計(jì)算機(jī)科學(xué)中的常用數(shù)制在計(jì)算機(jī)的內(nèi)部使用二進(jìn)制，但由于二進(jìn)制數(shù)碼冗長，書寫和閱讀都不太方便，所以在編寫程序時(shí)多用八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)來代替二

38、進(jìn)制數(shù)，或者用十進(jìn)制數(shù)來替換。因此在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)時(shí)，需要熟悉這幾種進(jìn)位計(jì)數(shù)制的使用。二進(jìn)制二進(jìn)位計(jì)數(shù)制簡稱二進(jìn)制，有2個(gè)不同的數(shù)碼符號：0、1，基數(shù)為2。每個(gè)數(shù)碼符號根據(jù)它在這個(gè)數(shù)中所處的位置（數(shù)位），按“逢二進(jìn)一”來決定其實(shí)際數(shù)值，即各數(shù)位的位權(quán)是以2為底的冪次方。例如：(11001.01)2= 12412302202112002-112-2 = (25.25)10所有數(shù)據(jù)，包括音頻、視頻、程序和程序指令都可以使用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)序列或一個(gè)字節(jié)序列來表示及存儲。八進(jìn)制八進(jìn)位計(jì)數(shù)制簡稱八進(jìn)制，有8個(gè)不同的數(shù)碼符號：0、1、2、3、4、5、6、7，基數(shù)為8。每個(gè)數(shù)碼符號根據(jù)它在這個(gè)數(shù)中所處的位置（數(shù)位

39、），按“逢八進(jìn)一”來決定其實(shí)際數(shù)值，即各數(shù)位的位權(quán)是以8為底的冪次方。例如：(162.4)8 =1 = (114.5)10十進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)包含了10個(gè)數(shù)字：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。十進(jìn)制數(shù)系統(tǒng)中的每個(gè)數(shù)據(jù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)中數(shù)字所在的位置來拆開，例如數(shù)據(jù)43872 ，2在數(shù)據(jù)中的第0位，7在第1位，8在第2位，3在第3位以及4在第4位，每一個(gè)位都可以以指數(shù)形式或者十進(jìn)制數(shù)的形式來表示它代表的值。十六進(jìn)制十六進(jìn)位計(jì)數(shù)制簡稱十六進(jìn)制，有十六個(gè)不同的數(shù)碼符號：0、1、2、3、4、5、6、7、8、 9、A、B、C、D、E、F，基數(shù)為16。每個(gè)數(shù)碼符號根據(jù)它在這個(gè)

40、數(shù)中所處的位置（數(shù)位），按“逢十六進(jìn)一”來決定其實(shí)際數(shù)值，即各數(shù)位的位權(quán)是以16為底的冪次方。例如：(2BC.48)16 = 2162B161C160416-1816-2 = (700.28125)10計(jì)算機(jī)中常用的進(jìn)位計(jì)數(shù)制如表1.2所示。表 1.2 常用進(jìn)位計(jì)數(shù)制表1.3.2 數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，一切信息的存儲、處理與傳送均采用二進(jìn)制的形式。但由于二進(jìn)制數(shù)的閱讀與書寫很不方便，為此，在閱讀與書寫時(shí)又通常用十六進(jìn)制或八進(jìn)制來表示，這是因?yàn)閿?shù)制基數(shù)數(shù)碼位權(quán)公式尾標(biāo)二進(jìn)制20、12i （i 是位置編號）H八進(jìn)制8078i（i 是位置編號）D十進(jìn)制100910i（i 是位置編號）Q（或

41、 O）十六進(jìn)制1609、AF16i（i 是位置編號）B十六進(jìn)制和八進(jìn)制與二進(jìn)制之間有著非常簡單的對應(yīng)關(guān)系，表 1.3 給出了常用計(jì)數(shù)制的對照。表 1.3 常用計(jì)數(shù)制的對照表由于不同的進(jìn)位計(jì)數(shù)制所用的數(shù)字個(gè)數(shù)是不相同的。利用上表能較方便地對不同數(shù)制的數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)所有的數(shù)字系統(tǒng)都是類似的，因此可以將任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)以及將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成其他進(jìn)制數(shù)。下面介紹將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)的過程。首先，二進(jìn)制數(shù)是 101101102，那么 101101102 在十進(jìn)制下的值是1 27 + 0 26 + 1 25 + 1 24 + 0 23 + 1 22 + 1 21 + 0 20

42、=1 128 + 0 64 + 1 32 + 1 16 + 0 8 + 1 4 + 1 2 + 0 1=128 + 0 + 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0=182在數(shù)值系統(tǒng)中，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)最簡單，因此也將在十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)的過程中起到很好的幫助作用。2十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)采用除基數(shù) 2 取余法。轉(zhuǎn)換過程是：將十進(jìn)制整數(shù)除以 2，所得余數(shù)作為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)低位的值；繼續(xù)對商除以 2，如此進(jìn)行直到商等于 0 為止，所得的各次余數(shù)就是二進(jìn)制數(shù)的各位值。注意，最后一項(xiàng)余數(shù)為二進(jìn)制數(shù)最高位的值，每次得到的余數(shù)的倒排列，就是對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)的各位數(shù)。例：將十進(jìn)制數(shù) 37 轉(zhuǎn)

43、換成二進(jìn)制數(shù)的過程如下：十進(jìn)制二進(jìn)制八進(jìn)制十六進(jìn)制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2222余數(shù)101001二進(jìn)制數(shù)字a0 a1 a2 a3 a4a5220商為 0，轉(zhuǎn)換結(jié)束于是，結(jié)果是余數(shù)的倒排列，即為：(37)10（a5a4a3a2a1a0)(100101)23十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制小數(shù)采用乘基數(shù)2取整法。轉(zhuǎn)換過程：將待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制小數(shù)乘以2，所得整數(shù)就是二進(jìn)制小數(shù)的高位值：繼續(xù)對所余小數(shù)部分乘以2，所

44、得整數(shù)就是次高位值；如此繼續(xù)，直到乘積的小數(shù)部分已為0，或已滿足所需精度為止。將十進(jìn)制小數(shù)0.375轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)，其過程如下：0.377520.7502乘積無進(jìn)位，即a-1=01.5002乘積有進(jìn)位，即a-2=11.000乘積有進(jìn)位，即a-3=1最后結(jié)果：(0.375)10(0.a-1a-2a-3)2(0.011)2 。4二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制與八進(jìn)制互相轉(zhuǎn)換如表1.4所示，3個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼和1個(gè)八進(jìn)制數(shù)碼表示數(shù)的范圍相同，并且一一對應(yīng)，所以二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制時(shí)，每3個(gè)二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為1個(gè)八進(jìn)制位，八進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制時(shí)，每個(gè)八進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為3個(gè)二進(jìn)制位。表 1.4 二進(jìn)

45、制和八進(jìn)制的轉(zhuǎn)換3 個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼1 個(gè)八進(jìn)制數(shù)碼00000011010201131004 37 18 94 2 1續(xù)表（2）二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制的過程：將二進(jìn)制的整數(shù)部分每3位轉(zhuǎn)換為1個(gè)八進(jìn)制位，如果整數(shù)部分的位數(shù)不是3的整數(shù)，在整數(shù)部分的前面加0；將二進(jìn)制的小數(shù)部分也是每3位轉(zhuǎn)換為一個(gè)八進(jìn)制位，如果小數(shù)部分的位數(shù)不是3的整數(shù)，在小數(shù)部分的后面加0。例：將二進(jìn)制數(shù)11001111.01112轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)為(11001111.0111)2=(011 001 111.011 100)2=( 317 . 3（3）八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制4 )8八進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的過程是將每一個(gè)八進(jìn)制位轉(zhuǎn)

46、換為3個(gè)二進(jìn)制位。例：八進(jìn)制數(shù)617.348轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為：617 34110001111 011100即(617.34)8(110001111.011100)2（4）二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制互相轉(zhuǎn)換如表1.5所示，4個(gè)二進(jìn)制位和1個(gè)十六進(jìn)制位表示數(shù)的范圍相同，并且一一對應(yīng)，所以二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制時(shí)，每4個(gè)二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為1個(gè)十六進(jìn)制位，十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制時(shí)，每個(gè)十六進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為4個(gè)二進(jìn)制位。表 1.5 二進(jìn)制和十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換（5）二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制的過程：將二進(jìn)制的整數(shù)部分每4位轉(zhuǎn)化為1個(gè)十六進(jìn)制位，如果整數(shù)部分的位數(shù)不是4的整數(shù)倍，在整數(shù)部分的前面加0；將二進(jìn)制的小數(shù)部

47、分也是每4位轉(zhuǎn)化為1個(gè)十六進(jìn)制位，如果小數(shù)部分的位數(shù)不是4的整數(shù)倍，在小數(shù)部分的后面加0。4 個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼1 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)碼4 個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼1 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)碼00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F3 個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼1 個(gè)八進(jìn)制數(shù)碼101511061117例：二進(jìn)制數(shù)1010101011.01102，轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)為：0010 10101011 . 01102AB.6即(10 1010 1011.0110)2=(2AB.6)16（6）十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制由于2416，所以每一

48、位十六進(jìn)制數(shù)要用4位二進(jìn)制數(shù)來表示，也就是將每一位十六進(jìn)制數(shù)表示成4位二進(jìn)制數(shù)。例：十六進(jìn)制數(shù)(B6E.9)16 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)為：B6E.9101101101110 .1001即（B6E.9)16(101101101110.1001)2（7）八進(jìn)制與十六進(jìn)制互相轉(zhuǎn)換八進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)相互轉(zhuǎn)換，是先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。5二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換必須注意到的是，與十進(jìn)制數(shù)表示相比，用二進(jìn)制的方式來表示一個(gè)數(shù)據(jù)將使用到更多的數(shù)位。例如，對于十進(jìn)制的數(shù)據(jù) 99，在二進(jìn)制表示下就是數(shù)據(jù) 1100011，因此，計(jì)算機(jī)專家們采用十六進(jìn)制數(shù)來表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)以縮短數(shù)據(jù)的位數(shù)。這樣的話，就可以

49、將二進(jìn)制數(shù)表示得更精確。十六進(jìn)制數(shù)（以 16 為基底），幾乎是所有的數(shù)制系統(tǒng)中最大的。在現(xiàn)代的十進(jìn)制系統(tǒng)中，阿拉伯?dāng)?shù)字集 09 將數(shù)據(jù) 10、11、12、13、14 以及 15 增補(bǔ)進(jìn)來表示十進(jìn)制數(shù)字。為了不重新創(chuàng)造符號來表示這些新增加的數(shù)據(jù)，通常用大寫字母 AF 來相應(yīng)的表示這些數(shù)據(jù)。十六進(jìn)制數(shù)就是由 0A 這個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)來表示的。同大寫字母一樣，也可以用小寫字母 af 來代表數(shù)據(jù)集 1015 中的數(shù)字。在十六進(jìn)制數(shù)的表示中，通常不是在數(shù)字的下標(biāo)中加上 16 來表示的，一般有兩種十六進(jìn)制數(shù)的表示方法，一是在數(shù)據(jù)前加上 0 x，另一種是加上 h 來表示十六進(jìn)制數(shù)。表 1.6 給出了相應(yīng)各位上數(shù)

50、字的指數(shù)表示值和十進(jìn)制數(shù)表示值。表 1.6 與十進(jìn)制對應(yīng)值p有兩種方式將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，一種最直接的方法是使用公式 d (b) +p(b)p-10d+ + d (b) 其中 d 代表最高位，d代表第二高位，以此類推，b 是基數(shù)，ppp-1p-10是最高位上的數(shù)字。例：4 163 + A 162 + 3 161 + F 160=4 4096 + 10 256 + 3 16 + 15 1位43210各位上代表的十六進(jìn)制數(shù)164163各位上的十進(jìn)制數(shù)值5364 096256161=16 384 + 2 560 + 48 + 15=19 007這種轉(zhuǎn)化方法對于比較大型的數(shù)字比較有用。對于只有

51、一個(gè)或者兩個(gè)數(shù)字的數(shù)據(jù)，還是先將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)，再將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)比較容易一些。由于十六進(jìn)制數(shù)是在二進(jìn)制數(shù)的基礎(chǔ)上衍生出來的，所以十六進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的關(guān)系為每一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)都代表 4 位二進(jìn)制數(shù)。表 1.7 顯示了 0F 這個(gè)數(shù)據(jù)集的二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制表示法之間的關(guān)系。表 1.7 十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制關(guān)系接下來將十六進(jìn)制數(shù) 0 x3B 通過二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，首先找出十六進(jìn)制數(shù)每位上的數(shù)字由哪 4 個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)來表示，再將十六進(jìn)制數(shù)用這些二進(jìn)制數(shù)據(jù)來代替。由此，0 x3B 就變成了(00111011)20 x3B=(00111011)2，再將該二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)

52、制數(shù)，轉(zhuǎn)換過程如下：=32 + 16 + 8 + 2 + 1=59一個(gè)數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)可以用兩個(gè)十六進(jìn)制數(shù)來表示。例如，在擴(kuò)展的 ASCII 碼表中， N字母的二進(jìn)制表示是 01001110，如果將這 8 位數(shù)字每 4 個(gè)一組分開來寫，就得到 0100、1110，即可得到這兩組二進(jìn)制數(shù)所代表的十六進(jìn)制數(shù)分別為 0 x4 和 0 xE,所以。N 的十六進(jìn)制表示數(shù)是 0 x4E。十進(jìn)制表示二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示000000 x0100010 x1200100 x2300110 x3401000 x4501010 x5601100 x6701110 x7810000 x8910010 x9101010

53、0 xA1110110 xB1211000 xC1311010 xD1411100 xE1511110 xF1.3.3 計(jì)算機(jī)中信息的表示形式在計(jì)算機(jī)中，信息是以數(shù)據(jù)的形式表示和使用的。能表示和處理的信息包括數(shù)值型數(shù)據(jù)、字符型數(shù)據(jù)以及音頻和視頻數(shù)據(jù)，而這些信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都是以二進(jìn)制的形式表示的。因?yàn)橛?jì)算機(jī)中的基本邏輯元件由兩個(gè)可用電平進(jìn)行控制且能相互轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定狀態(tài)，即可用來表示一位二進(jìn)制數(shù)。也就是說，二進(jìn)制數(shù)是計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲、處理數(shù)據(jù)的基本形式。而對于非數(shù)值型數(shù)據(jù)，則可通過編碼的形式變換成計(jì)算機(jī)能接受的二進(jìn)制數(shù)。1二進(jìn)制表示方式數(shù)據(jù)表示研究的是計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的

54、數(shù)據(jù)類型。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對數(shù)據(jù)進(jìn)行了專門定義：“數(shù)據(jù)是對事實(shí)、概念或指令的一種特殊表達(dá)形式，這種特殊表達(dá)形式可以用人工的方式或自動(dòng)化裝置進(jìn)行通信、翻譯轉(zhuǎn)換或者進(jìn)行加工處理”。數(shù)字、文字、符號、圖形、圖像、聲音都包括在數(shù)據(jù)范疇中。數(shù)據(jù)概念要比人們?nèi)粘Ｉ钪欣斫獾摹翱梢员容^其大小的數(shù)值”廣泛的多。在很多場合，數(shù)據(jù)和信息往往并不嚴(yán)格加以區(qū)別。稱為基本 ASCII 碼（編碼與 7 位的相同），當(dāng)最高位為 1 時(shí)，形成擴(kuò)充的 ASCII 碼，表示數(shù)的范圍為 128255，可表示 128 種符號，通常各個(gè)國家都把擴(kuò)充的ASC碼作為自己國家語言文字的代碼。下面是 ASCII 碼的數(shù)據(jù)表示。表 1.

55、8 ASCII 碼的數(shù)據(jù)表示BCD 碼BCD（Binary Coded Decimal）碼又稱“二-十進(jìn)制編碼”，專門解決用二進(jìn)制數(shù)表示十進(jìn)制數(shù)的問題。BCD 碼將每一位十進(jìn)制數(shù)用 4 位二進(jìn)制數(shù)表示，其編碼方法很多，有 BCD8421編碼、BCD2421 編碼、余 3 碼、格雷碼等。最常用的是 BCD8421 碼，其方法是四位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)，從左向右每一位對應(yīng)的位權(quán)是 8、4、2、1。BCD 碼非常直觀，但 BCD 碼僅僅表示形式上的二進(jìn)制數(shù)并非真正的二進(jìn)制數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)(82.5)10 對應(yīng)的 BCD 碼是（10000010.0101）BCD，但對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)是(101001

56、0.1)2。漢字編碼我國用戶在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理時(shí)，一般都要用到漢字，在計(jì)算機(jī)中使用漢字必須解決漢字的輸入、輸出及漢字處理等一系列問題。由于漢字?jǐn)?shù)量大，漢字的形狀和筆畫多少差異極大，無法用一個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制代碼實(shí)現(xiàn)漢字編碼，因此漢字有自己獨(dú)特的編碼方法。在漢字輸入、輸出、存儲和處理的不同過程中，所使用的漢字編碼不相同，歸納起來主要有漢字輸入碼、漢字交換碼、漢字機(jī)內(nèi)碼和漢字字形碼等編碼形式。漢字輸入碼漢字輸入碼是為由計(jì)算機(jī)外部設(shè)備輸入漢字而編制的漢字編碼，又稱外碼。漢字輸入碼位于人機(jī)界面上，面向用戶，編碼原則簡單易記、操作方便，有利于提高輸入速度，漢字的輸入編碼很多，歸納起來主要有數(shù)字編碼、字

57、音編碼、字形編碼和音形結(jié)合編碼等幾大類，每種方案對漢字的輸入編碼并不相同，但經(jīng)轉(zhuǎn)換后存入計(jì)算機(jī)內(nèi)的機(jī)內(nèi)碼均相同。例如，以全拼輸入編碼輸入“jin”，或以五筆字型輸入法輸入“QQQQ”都能得到“金”這個(gè)漢字對應(yīng)的機(jī)內(nèi)碼。這個(gè)工作由漢字代碼轉(zhuǎn)換程序，依照事先編制好的輸入碼對照表完成轉(zhuǎn)換。漢字交換碼漢字交換碼是指在對漢字進(jìn)行傳遞和交換時(shí)使用的編碼，也稱國標(biāo)碼。1981 年，國家標(biāo)準(zhǔn)局頒布了信息交換用漢字編碼字符集（基本集），簡稱 GB2312-80，代號國標(biāo)碼，是在漢字信息處理過程中使用的代碼的依據(jù)。GB231280 共收集漢字、字母、圖形等字符 7445個(gè)，其中漢字 6763 個(gè)（常用的一級漢字

58、3755 個(gè)，按漢語拼音字母順序排列；二級漢字 3008個(gè)，按部首順序排列）。此外，還包括一般符號、數(shù)字、拉丁字母、希臘字母、漢語拼音字母等。在該標(biāo)準(zhǔn)集中，每個(gè)漢字或圖形符號均采用雙字節(jié)表示，每個(gè)字節(jié)只用低 7 位；將漢字或圖形符號分為 94 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)分為 94 個(gè)位，高字節(jié)表示區(qū)號，低字節(jié)表示位號。國標(biāo)碼一般用十六進(jìn)制表示，在一個(gè)漢字的區(qū)號和位號上分別加十六進(jìn)制 20H，即構(gòu)成該漢字的國標(biāo)碼。例如，漢字“啊”位于 16 區(qū) 01 位，其區(qū)位碼為十進(jìn)制數(shù) 1601D（即十六進(jìn)制數(shù) 1001H），對應(yīng)的國標(biāo)碼為十六進(jìn)制數(shù) 3021H。漢字機(jī)內(nèi)碼漢字機(jī)內(nèi)碼是只在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲、處理、傳輸漢字用

59、的代碼，又稱內(nèi)碼。漢字國標(biāo)碼作為一種國家標(biāo)準(zhǔn)，是所有漢字都必須遵循的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但由于國標(biāo)碼每個(gè)字節(jié)的最高位都是“0”，與國際通用的 ASC碼無法區(qū)別，必須經(jīng)過某種變換才能在計(jì)算機(jī)中使用。英文字符的機(jī)內(nèi)代碼是 7 位的 ASC碼，最高位為“0”，而將漢字機(jī)內(nèi)代碼兩個(gè)字節(jié)的最高位設(shè)置為“1”，這就形成漢字的內(nèi)碼。漢字字形碼漢字字形碼是表示漢字字形信息的編碼。目前在漢字信息處理系統(tǒng)中大多以點(diǎn)陣方式形成漢字，所以漢字字形碼就是確定一個(gè)漢字字形點(diǎn)陣的代碼，全點(diǎn)陣字形中的每一點(diǎn)用一個(gè)二進(jìn)制位來表示，隨著字形點(diǎn)陣的不同，所需要的二進(jìn)制位數(shù)也不同。例如，2424 的字形點(diǎn)陣，每字需要 72 字節(jié)；3232 的

60、字形點(diǎn)陣，每字共需 128 字節(jié)，與每個(gè)漢字對應(yīng)的這一串字節(jié)，就是漢字的字形碼。輸入設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)中的任何信息，都必須轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)的表示形式，才能被計(jì)算機(jī)硬件所識別，所以掌握信息在計(jì)算機(jī)中的表示方法非常重要。1.3.4 計(jì)算機(jī)中的數(shù)值表示1帶符號數(shù)的表示方法在計(jì)算機(jī)中，無論是數(shù)值還是數(shù)的符號，都只能用 0 和 1 來表示，通常規(guī)定一個(gè)數(shù)的最高位為符號位：0 表示正數(shù)，1 表示負(fù)數(shù)。如果機(jī)器的字長為 8 位，則 D7 為符號位，D6D0為數(shù)字位。通常，把機(jī)器外部由正負(fù)號表示的數(shù)稱為真值，如28、28，而把計(jì)算機(jī)內(nèi)存放的符號數(shù)值化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)，如28 和28 的機(jī)器數(shù)分別表示為 000111