計算機 導論課件

計算機導論課件3.0版制作宋斌計算機科學之美構建計算機:思想和技術之美強大而非萬能:概念之美數(shù)字化:0、1世界之美讓世界變小變平:觀念之美目錄第2章計算機的組成第3章從機器語言到多媒體第4章信息系統(tǒng)第5章計算機網(wǎng)絡第6章計算機科學第1章計算機的發(fā)展史第1章計算機的發(fā)展史1.1計算機的起源

古人曰：“運籌于帷幄之中，決勝于千里之外?！被I策又叫算籌,它是中國古代普遍采用的一種計算工具。公元前500年，中國南北朝時期的數(shù)學家祖沖之，借用算籌作為計算工具，成功地將圓周率計算到小數(shù)點后的第七位。

中國古代發(fā)明的珠算盤，直到今天，它仍然是許多人鐘愛的“計算機”。對世界數(shù)學的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。

17世紀初，計算工具在西方呈現(xiàn)出較快的發(fā)展，首先創(chuàng)立對數(shù)概念英國數(shù)學家納皮爾（J.Napier），發(fā)明了一種工具，即后來被人們稱為“納皮算籌”的器具。英國牧師奧卻德（W.Oughtred）發(fā)明了圓盤型對數(shù)計算尺，后改進成兩根相互滑動的直尺狀。在工程計算領域計算尺不僅能做加減乘除、乘方、開方，甚至可以計算三角函數(shù)、指數(shù)和對數(shù)，它一直使用到袖珍計算器面世為止。

機械計算機由法國的帕斯卡（B.Pascal）發(fā)明出來。帕斯卡設計的計算機是由一系列齒輪組成而用發(fā)條做為動力的裝置，這種機器只能夠做6位加法和減法。然而，即使只做加法也有個“逢十進一”的進位問題。

這稱為“人類有史以來第一臺計算機”，后來人們?yōu)榱思o念它將一種計算機的高級語言命名為“PASCAL”。巴貝奇的第一個目標是制作一臺“差分機”。快速編制不同函數(shù)的數(shù)學用表。他整整用了10年的時間，于1822年完成了第一臺差分機，可以處理3個不同的5位數(shù)，計算精度達到6位小數(shù)，當即就演算出了好幾種函數(shù)表來。同時間接指出了計算機的五個部分，同時產(chǎn)生第一個程序員——愛達·奧古斯塔（AdaAugusta）1.2.1圖靈和圖靈機1.2現(xiàn)代計算機的誕生現(xiàn)代計算機孕育于英國、誕生于美國、并成長遍布于全世界。所謂“現(xiàn)代”是指利用先進的電子技術代替機械或機電技術。現(xiàn)代計算機經(jīng)歷了60多年的發(fā)展（從1945年至今），其中最重要的代表人物是英國科學家艾蘭·圖靈（A.M.Turing）和美籍匈牙利科學家馮·諾依曼（VonNeumann），他們?yōu)楝F(xiàn)代計算機科學奠定了基礎。圖靈對現(xiàn)代計算機的主要貢獻有兩個：（1）建立圖靈機（Turingmachine）理論模型；（2）提出定義機器智能的圖靈測試(Turingtest）。

1936年圖靈發(fā)表了一篇論文：《論可計算的數(shù)及其在密碼問題的應用》，首次提出邏輯機的通用模型?，F(xiàn)在人們就把這個模型機稱為圖靈機，縮寫為TM。TM由一個處理器P、一個讀寫頭W/P和一條存儲帶M組成。P

W/P

B

11

1

1B1

B

M

……

其中，M是一個無限長的帶，被分成一個個單元，從最左單元開始，向右延伸直至無窮。P是一個有限狀態(tài)控制器，能使W/R左移或右移，并且能對M上的符號進行修改或讀出。那么，圖靈機怎樣進行運算呢？例如做加法3+2=？開始先把最左單元放上特殊的符號B，表示分割空格，它不屬于輸入符號集。然后寫上3個“1”，用B分割后再寫上2個1”，接著在再填一個B，相加時，只要把中間的B修改為“1”，而把最左邊的“1”修改為B，于是機器把兩個B之間的“1”讀出就得到3+2=5。由于計算過程的直觀概念可以看成是能用機器實現(xiàn)的有限指令序列，所以圖靈機已被認為是過程的形式定義。1950年他發(fā)表了另一篇著名論文：《計算機器與智能》。指出如果一臺機器對于質(zhì)問的響應與人類做出的響應完全無法區(qū)別，那么這臺機器就具有智能。這一論斷稱為圖靈測試，它奠定了人工智能理論的基礎。

必須強調(diào)指出，圖靈并不只是一位純粹抽象的數(shù)學家，他還是一位擅長電子技術的工程專家，二次大戰(zhàn)期間，他是英國破譯密碼小組的主要成員。他設計制造的破譯機Bombe實質(zhì)就是一臺采用繼電器的高速計算裝置。圖靈以獨特的思想創(chuàng)造的破譯機，一次次成功地破譯了德國法西斯的密碼電文。為紀念圖靈的理論成就，美國計算機協(xié)會（ACM）專門設立了圖靈獎。從1966年至今已有30多位各國第一流的計算機科學家獲得此項殊榮，成為計算機學術界的最高成就獎。1.2.2第一臺電子數(shù)字計算機ENIACENIAC是電子數(shù)值積分計算機（TheElectronicNumericalIntegratorandComputer）的編寫。1943年，二次世界大戰(zhàn)關鍵時期，美國因新式火炮設計需要運算速度更快的計算機，賓州大學莫爾學院莫奇萊教授和他的學生埃克特博士用軍方提供的48萬美元設計完成.1.2.3馮·諾依曼

馮·諾依曼1903年出生，1921年至1925年他先后在柏林和蘇黎世學習化學，1926年獲得蘇黎世化學工程文憑和布達佩斯數(shù)學博士證書。1930年他以客座講師身份到美國普林斯頓大學講學，次年應聘為普林斯頓大學教授。

馮·諾依曼介入ENIAC的工作是偶然的。馮·諾依曼到達莫爾學院計算機研究實驗室看了研制中的計算機之后，提的第一個問題就是這臺計算機的邏輯裝置和結構，而這正是莫克利等人所謂判別真正的天才的標志。馮·諾依曼對ENIAC機不足之處進行認真分析，并討論全新的存儲程序的通用計算機方案。當軍方要求比ENIAC性能更好的計算機時，他便提出EDVAC（埃德瓦克）方案。1946年6月馮·諾依曼與戈德斯坦（H.Goldstine）等發(fā)表了《電子計算機裝置邏輯結構初探》的論文，成為EDVAC的設計基礎。1952年完成了EDVAC機的建造工作，并投入運行，用于核武器的理論計算。

EDVAC是電子離散變量計算機的縮寫。它的主要改進有兩點：一是為了充分發(fā)揮電子元件的高速性能而采用了二進制；二是把指令和數(shù)據(jù)都存儲起來，讓機器能自動地執(zhí)行程序。由于它利用水銀延時線作主存，用磁鼓作輔存，其運算速度比ENIAC提高了240倍。1.2.4UNIVAC迎來計算機時代

為什么通常認為計算機時代是從1951年6月開始的?計算機時代的兩個主要標志：（1）計算機從實驗室走向社會，作為商品交付客戶使用；（2）計算機從單純軍事用途的計算進入公眾領域的數(shù)據(jù)處理，引進強烈的社會反響。

UNIVAC（尤尼瓦克）捷足先登，成了這一時代角色。UNIVAC是通用自動計算機的縮寫。它的設計師是ENIAC的主要研制者莫奇萊和?？颂?。1951年6月14日第一臺UNIVAC交付美國人口統(tǒng)計局使用。它不僅為人口普查服務，還投入當時正在進行的總統(tǒng)競選的統(tǒng)計分析工作。在投票結束剛2小時，它分析了5%的選票后就預告了艾森豪威爾將當選下屆總統(tǒng)。這條又快又準的消息披露后，在西方引起轟動。輿論普遍贊賞計算機的強大功能，新聞媒介則紛紛報導：“世界已經(jīng)進入計算機時代”。1.3現(xiàn)代計算機的誕生

一般說來，計算機年代劃分的原則有：

⑴

按照計算機采用的電子器件來劃分通常分為：電子管、晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路（VLSI）或微處理器等四代。

⑵

結合具有里程碑意義的典型計算機來劃分根據(jù)它的社會效益與經(jīng)濟效益來衡量。⑶考慮計算機系統(tǒng)的全面技術水平來劃分不只從使用的電子器件，或者只從硬件實現(xiàn)來考慮；還要從存儲設備、輸入輸出裝置，特別是軟件配置情況來評價。通過全面的考慮，我們才會從年代學的研究中找到對系統(tǒng)發(fā)展有積極意義的歷史借鑒。應當指出，計算機劃分的作法已經(jīng)擴展到它的各個分支領域。例如微處理器可以分為幾代，存儲器也可以分為幾代，操作系統(tǒng)可以分為幾代，數(shù)據(jù)庫也可以分為幾代。1.3.1第一代計算機第一代計算機（1951—1958）的特點是：

⑴采用電子管代替機械齒輪或電磁繼電器作開關元件，但它仍然笨重，而且產(chǎn)生很多熱量。既容易損壞。

⑵

采用二進制代替十進制，即所有指令與數(shù)據(jù)都用“1”與“0”表示，分別對應于電子器件的“接通”與“關斷”。這就是機器可以理解的語言，

⑶程序可以存儲，這使通用計算機成為可能。但最初使用水銀延遲線或靜電存儲管，容量很小。后來使用了磁鼓、磁芯，有了很大改進。

⑷輸入輸出裝置主要用穿孔卡，速度很慢。UNIVAC—I是第一代計算機的代表。在它前后一批著名機器成了開創(chuàng)性的第一代計算機族。是：ABC；ENIAC；IAS；EDVAC；ACE；EDSAC；Whirlwind；IBM701，702，704，705，650等。

1952年IBM生產(chǎn)的第一臺用于科學計算的大型機IBM701問世。它的字長36位，使用了4000個電子管和12000個鍺晶體二極管，運算速度為每秒2萬次。采用靜電存儲管作主存，容量為2048字，并用磁鼓作輔存。第一代電子計算機中使用的磁鼓

50年代存儲技術的重大革新是磁芯存儲器的出現(xiàn)，它產(chǎn)生在美國麻省理工學院。

磁芯是用鐵氧體磁性材料制成的小環(huán)，外徑小于1毫米，所以磁心尺寸只有小米粒大小。該材料有矩形磁滯回線當激磁電流方向不同時會產(chǎn)生兩種剩磁狀態(tài)，因此一個磁芯可存儲一個二進制數(shù)（1，0）,一個4K字存儲器每字為48位，那就需要4096×48=196608顆磁芯。它們被組裝在磁芯板上。

第二代計算機（1959—1964）的特點是：⑴用晶體管代替了電子管。晶體管有一系列優(yōu)點：體積小、重量輕；發(fā)熱少、耗電?。凰俣瓤?、功能強；價格低、壽命長。⑵普遍采用磁芯存儲器作主存，并且采用磁盤與磁帶作輔存。使存儲容量增大，可靠性提高，為系統(tǒng)軟件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。⑶作為現(xiàn)代計算機體系結構的許多意義深遠的特性相繼出現(xiàn)，例如變址寄存器、浮點數(shù)據(jù)表示、間接尋址、中斷、I/O處理機等。

⑷編程語言在發(fā)展。先是用匯編語言代替了機器語言。接著又發(fā)展了高級語言如:FORTRAN、COBOL。⑸應用范圍進一步擴大。除了以批處理方式進行科學計算外，開始進入實時的過程控制和數(shù)據(jù)處理.1.3.2第二代計算機晶體管是1948年美國貝爾電話實驗室的三位物理學家巴?。↗.Bardeen）、布拉坦（W.Brattain）、肖克萊（W.Shockley）發(fā)明的。由于這項影響深遠的發(fā)明，他們榮獲了1956年諾貝爾物理獎。1954年貝爾實驗室制成第一臺晶體管計算機TRADIC，它使用了800個晶體管。1955年全晶體管計算機UNIVAC—Ⅱ問世。但是，它們都沒有成為第二代計算機的主流產(chǎn)品。

第二代計算機主流產(chǎn)品是IBM7000系列。1958年IBM推出大型科學計算機7090，實現(xiàn)了晶體管化。采用了存取周期為2.18微秒的磁芯存儲器、每臺容量為1MB的磁鼓、每臺容量為28MB的固定磁盤，并配置了FORTRAN等高級語言。

美國50年代生產(chǎn)的IBM7041960年美國貝思勒荷姆鋼廠成為第一家利用計算機處理定貨、管理庫存、并進行實時生產(chǎn)過程控制的公司。1963年俄克拉荷馬日報成為第一份利用計算機編輯排版的報紙。1964年美國航空公司建立了第一個實時訂票系統(tǒng)，計算機應用的革命正在開始。1.3.3第三代計算機

第三代計算機（1965—1970）的特點是：⑴用集成電路（IntegratedCircuit，IC）取代了晶體管。最初是小規(guī)模集成電路（SSI），后來是大規(guī)模集成電路（LSI）。IC的體積更小，耗電更省，功能更強，壽命更長。⑵用半導體存儲器淘汰了磁芯存儲器。存儲容量大幅度提高，為建立存儲體系與存儲管理創(chuàng)造了條件。

⑶

普遍采用了微程序設計技術，為確立富有繼承性的體系結構發(fā)揮了重要作用。三代機為計算機走向系列化、通用化、標準化作出了貢獻。

⑷

系統(tǒng)軟件與應用軟件都有很大發(fā)展。由于用戶通過分時系統(tǒng)的交互作用方式來共享計算機資源，因此操作系統(tǒng)在規(guī)模和復雜性方面都有很快發(fā)展，為了提高軟件質(zhì)量，出現(xiàn)了結構化、模塊化程序設計方法。

⑸為了滿足中小企業(yè)與機構日益增多的計算機應用，在第三代計算機期間，出現(xiàn)了第一代小型計算機如DEC的PDP—8.

第三代計算機主流產(chǎn)品是IBM/360。1964年4月7日IBM公布了360系統(tǒng)，成為計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑。IBM公司為此投資50億美元，到1965年360系統(tǒng)的各種型號陸續(xù)投入市場，共售出33000臺，這促使大多數(shù)早先的商用計算機被廢棄，對計算機工業(yè)產(chǎn)生了相當大的沖擊。IBM的成功與它的市場戰(zhàn)略正確有關。它從一開始就面向商業(yè)、面向產(chǎn)品、面向服務。人們常稱IBM為“BigBlue”，即“蘭色巨人”。一方面反映它實力雄厚，另一方面也是服務周到的寫照，它的工作人員身穿蘭色西服為用戶“上門服務”。1.3.4第四代計算機

第四代計算機（1971至今）的特點是：⑴用微處理器或超大規(guī)模集成電路VISI（VeryLargeScaleIntegration）取代普通集成電路。⑵從計算機系統(tǒng)本身來看，在這期間存儲容量進一步擴大；輸入采用了OCR與條形碼；輸出采用了激光打印機；光盤的引進；新的編程語言Pascal、Ada的使用。所有這些還只是進化性的發(fā)展，而不是革命性的變化。

⑶微型計算機（microcomputer）異軍突起，席卷全球，觸發(fā)了計算技術由集中化向分散化轉化的大變革.

⑷數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡、分布式處理有了很大的發(fā)展。計算機技術與通信技術相結合正改變著世界的技術經(jīng)濟面貌。

⑸由于特殊應用領域的需求，在并行處理與多處理領域正積累著重要的經(jīng)驗，為未來的技術突破創(chuàng)造著條件。

Intel（英特爾）公司于1968年成立。次年，以年青的霍夫（M.Hoff）博士為首，建立了為一家日本公司設計袖珍計算器芯片的小組。1971年第一代微處理器4位芯片Intel4004問世，它在4.2×3.2mm2的硅片上集成了2250個晶體管組成的電路，其功能竟與ENIAC相仿。1972年推出第二代微處理器8位芯片Intel8008，1974年推出后繼產(chǎn)品8080。1975年Altair公司利用這種芯片制成了微型計算機。四代機的主流產(chǎn)品是1979年IBM推出的4300系列、3080系列以及1985年的3090系列。它功能得到進一步的加強，例如虛擬存儲、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡管理、圖像識別、語言處理等.1.4微型計算機的發(fā)展

在第四代計算機中，微型計算機無疑發(fā)展最快的，普及最廣泛的。微型機使計算機從實驗室、專門機房走到辦公室、家庭、公共場所。正是微型機的發(fā)展和相應的圖形化軟件的發(fā)展，才使計算機從專業(yè)人員走向廣大用戶。

1.4.1第一個微處理芯片和第一臺微型機

1971年1月，以霍夫為首的研制小組，完成了世界上第一個微處理器芯片。在3×4mm面積上集成晶體管2250個，每秒運算速度達6萬次。它意味著電腦CPU已經(jīng)縮微成一塊集成電路，意味著“芯片上的電腦”誕生。第一塊微處理器芯片已屬大規(guī)模集成電路范疇。英特爾公司命名它為4004。

4004芯片

1972年4月，霍夫小組研制出另一型號的微處理器8008。在做了少許改進后，1975年又推出有史以來最成功的8位微處理器8080。8080集成了約4800個晶體管，每秒執(zhí)行29萬條指令。8080型微處理器正式投放市場是在1974年，這種芯片及其仿制品后來共賣掉數(shù)以百萬計，引發(fā)了洶涌澎湃的微電腦熱潮。在英特爾公司帶動下，1975年，摩托羅拉公司也宣布推出8位微處理器6800。1976年，霍夫研制小組的費根，在硅谷組建了Zilog公司，同時宣布研制成功8位微處理器Z-80。從此，可以放在指尖上的芯片電腦全方位地改變了世界。愛德華·羅伯茨開了一家“微型儀器與自動測量系統(tǒng)公司他以每塊75美元價格向英特爾購到8080微處理器，組裝了一臺很小的機器,命名為“牛郎星”。這就是世界上第一臺用微處理器裝配的微型計算機。這種機器在金屬制成的小盒內(nèi)，裝進兩塊集成電路，一塊8080芯片，另一塊存儲器，僅有256B。用手撥動面板上8個開關輸入程序；幾排燈泡的明暗表示計算結果。1.4.2車庫里的”蘋果”

1976年，美國硅谷“家釀電腦俱樂部”的兩位同名青年，史蒂夫·喬布斯（S.Jobs）和史蒂夫·沃茲奈克（S.Wozniak），在汽車庫里“釀造”出一家聞名全球的電腦公司，從而發(fā)動了一場轟動電腦業(yè)界的“車庫革命”。1975年，由于無錢購買“牛郎星”電腦，沃茲奈克只得用較便宜的6502微處理器裝配了一部。這臺電腦嚴格地講只是裝在木箱里的一塊電路板，但有8K存儲器，能顯示高分辨率圖形。俱樂部成員紛紛提出要訂購這種機器。喬布斯敏銳地看到了商機，他賣掉自己汽車，共湊了1300元創(chuàng)業(yè)資金。就在喬布斯家里的汽車庫里，為了紀念喬布斯當年在蘋果園打工的歷史，公司取名蘋果（Apple），標志是一個被咬了一口的蘋果，因為“咬”（Bite）與“字節(jié)”（Byte）同音。他們生產(chǎn)的第一款微型計算機也就命名為“蘋果I”（AppleI）。1978年初又增加了磁盤驅(qū)動器。這種電腦達到當時微型電腦技術的最高水準，喬布斯命名它為“蘋果Ⅱ”（AppleⅡ）。1977年4月，蘋果Ⅱ在舊金山計算機交易會第一次公開露面，售價僅1298美元，造成意想不到的轟動。從此，蘋果Ⅱ大量走進了學校、機關、企業(yè)、商店和家庭，為領導時代潮流的個人計算機鋪平了道路。隨著蘋果計算機帶來的巨大收益，這家公司在短短5年時間內(nèi)創(chuàng)造了神話般的奇跡。1976年，公司營業(yè)額超過20萬美元；5年之后，營業(yè)額竟躍升至10億美元，跨進美國最大500家公司的行列。喬布斯頭成為美國最年輕的百萬富翁。1.4.3個人計算機新紀元

1981年IBM公司推出了它的個人計算機PC，人類社會從此跨進個人計算機新紀元。為了讓IBM擁有“蘋果計算機”，IBM公司下令在邁阿密建立一個“國際象棋”專案小組，一年內(nèi)開發(fā)出自己的機器。IBM實行“開放”政策。他們決定采用英特爾8088微處理器作為該計算機的中樞，同時委托獨立軟件公司為它配置各種軟件。經(jīng)反復斟酌，IBM公司決定把新機器命名為“個人計算機”，即IBMPC。1981年8月12日，IBM在宣布IBMPC個人計算機出世，它把過去一個大型電腦機房的全套裝置統(tǒng)統(tǒng)搬到個人的書桌上。就在1982年內(nèi)，IBMPC機賣出了25萬臺。IBMPC誕生不僅掀起了個人計算機的大普及，而且導致了軟件工業(yè)的興旺。其中，受益最大的是微軟公司。早在1969年，美國西雅圖湖濱中學8年級學生比爾·蓋茨（B.Getes）和他高班同學保羅·艾倫

（P.Allen），在學校唯一臺PDP-10小型計算機終端上，設計出第一個軟件“三連棋”游戲。1974年12月，保羅·艾倫在報亭上偶爾發(fā)現(xiàn)《大眾電子》配發(fā)的“牛郎星”照片，立即找到已經(jīng)考入哈佛大學學法律的比爾·蓋茨，共同為“牛郎星”研制出配套的BASIC軟件。這種軟件后來竟賣出了100萬套。

在BASIC軟件成功的鼓舞下，1975年7月，19歲的比爾·蓋茨走出人生中最關鍵的一步。他毅然放棄只差一年就到手的哈佛學位，與保羅·艾倫一起在阿爾伯克基市豎起“微軟公司”的旗幟?！拔④洝保∕icrosoft）取自于“微型”和“軟件”二字，專門從事微電腦軟件開發(fā)。比爾·蓋茨為只有6名員工的小公司定下雄心勃勃的目標：每個家庭每張桌上都有一部電腦運行微軟的軟件。1980年，當IBM“國際象棋”專案組需要為PC電腦配套操作系統(tǒng)軟件時，找到了微軟公司，比爾·蓋茨想起了西雅圖軟件天才帕特森（T.Paterson）曾編寫過一個QDOS軟件，微軟公司購買到QDOS版權，并且在帕特森幫助下，完成了這件影響深遠的磁盤操作系統(tǒng)MS-DOS軟件。MS-DOS伴隨IBMPC電腦出征，由于所有PC個人電腦（包括其他廠商生產(chǎn)的兼容機）都需要安裝MS-DOS，其用戶后來竟超過3000萬，歷史上從來沒有哪個軟件能夠達到如此龐大的用戶數(shù)。

1.4.4軟件與硬件交替發(fā)展

英特爾公司沒有停止前進的步伐，386剛剛上市，便研制下一代芯片486芯片不僅要保持兼容性，而且必須創(chuàng)新，原定兩年半的時間被推遲了兩個月。1989年2月推出了486產(chǎn)品。該芯片集成了120萬只晶體管，功能相當于當時的一臺大型主機，速度比4004快了50倍。1989年4月，英特爾公司在拉斯維加斯電腦大展上首度發(fā)表486，標志著PC電腦從此進入486時代。1987年在半導體行業(yè)僅排名第十的英特爾公司，由于堅持在微處理器領域的技術創(chuàng)新，終于在1992年超過日本NEC公司，攀上全球半導體產(chǎn)業(yè)的首位。歷史進入到九十年代初，微處理器再次加快升級換代的速度。為了防止商標被人摹仿，從第五代（P5）開始，英特爾公司將新研制的芯片更名為“奔騰”（Pentium）。

1993年5月，“奔騰”微處理器在一個小型記者招待會上首次發(fā)表，英特爾打出“送你一顆奔馳的芯”大幅廣告。“奔騰”芯片集成了310萬枚晶體管，數(shù)目大大超過486芯片的120萬枚，每個元件的寬度只有0.8微米，大約是一根頭發(fā)的百分之一，電腦業(yè)從此進入“奔騰時代”。一年半后，英特爾公司推出“奔騰Ⅱ”處理器，實現(xiàn)了0.25微米新工藝，它內(nèi)置多媒體（MMX）功能，集數(shù)據(jù)、音頻、視頻、圖形、通信于一體。微處理器遵照“摩爾定律”，集成的元件數(shù)目以每18個月翻一番的進程，默默走過了20余年。如果走進英特爾公司博物館，人們可以清晰地觀看到它的生產(chǎn)過程和它的發(fā)展足跡。從第一代4004到第8代Pentium4，芯片的集成度增加了2400倍，速度提高了5000倍。至1995年，全世界用作電腦“心臟”的微處理器產(chǎn)量已達2億4千萬個；用作電器控制的微處理器產(chǎn)量高達30億個。

英特爾微處理器的更新?lián)Q代，也給微軟公司視窗軟件升級帶來契機。從開始的DOS1.0，到DOS6.22，從字符界面到圖形化界面，1990年在當時的386上推出了Windows操作系統(tǒng)，1995年，世界范圍出現(xiàn)了迎接“視窗95”（Windows95）的熱潮。比爾·蓋茨在其好友、股票大王巴菲特（W.Buffett）建議下，不惜以1200萬美元買到英國“滾石”搖滾樂團“啟動我”原創(chuàng)歌曲，于8月24日召召開發(fā)布會。30多個國家500多位報刊記者和數(shù)十位電視臺的節(jié)目主持人，各軟件公司代表和電腦經(jīng)銷商近萬人趕來參加視窗95的盛會。

實際上每當英特爾推出一款新的微處理器，微軟公司也推出一款新的操作系統(tǒng)，包括Windows95、Windows98、WindowsMe、Windows2000、WindowsXP每一款在功能上都有一定的進步，但對機器性能要求也高了，以刺激用戶的購買欲，同時推動個人計算機的發(fā)展。據(jù)說PC機市場的60%利潤被Wintel聯(lián)盟獲得。由于視窗95的成功銷售，微軟公司已經(jīng)控制了個人電腦操作系統(tǒng)90%以上的市場，比爾·蓋茨第二次登上美國《財富》雜志全球富豪排行榜榜首。當之無愧是知識經(jīng)濟開始到來的標志。1.4.5我國計算機的發(fā)展

自從1946年世界上第一臺數(shù)字電子計算機在美國誕生以來，與計算機最鄰近領域的數(shù)學和物理界的泰斗，世界數(shù)學大師華羅庚教授和中國原子能事業(yè)的奠基人錢三強教授，就十分關注這一新技術如何在國內(nèi)發(fā)展。從1951年起，積極推動將發(fā)展計算機列入國家的12年發(fā)展規(guī)劃。1956年8月25日我國第一個計算技術研究機構——中國科學院計算技術研究所籌備委員會成立，華羅庚任主任。這就是我國計算技術研究機構的搖籃。

1958年由七機部研制的中國第一臺數(shù)字電子計算機103機(定點32二進制位，每秒2500次)交付使用.總參研制的中國第一臺大型數(shù)字電子計算機104機(浮點40二進制位，每秒1萬次)在1959年也交付使用，在104機上中國第一個自行設計的編譯系統(tǒng)在1961年試驗成功(Fortran型)。

1967年自行設計了專為“兩彈一星”服務的計算機——大型晶體管計算機109乙(浮點32二進制位，每秒6萬次)供核彈研究用和七機部供火箭研究用，它們的使用時間長達15年，被譽為“功勛計算機”，是中國第一臺具有分時、中斷系統(tǒng)和管理程序的計算機，同時中國第一個自行設計的管理程序（操作系統(tǒng)的前身）就是在它上面建立的。

1983年，國防科技大學研制成功運算速度每秒上億次的“銀河-I”巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程碑。

1983年，電子工業(yè)部計算機管理局研制成功與IBMPC機兼容的長城0520CH微機。同時電子部六所開發(fā)成功微機漢字軟件CCDOS，是我國第一套與IBMPC-DOS兼容的漢字磁盤操作系統(tǒng)。

1991年，新華社、科技日報、經(jīng)濟日報正式啟用漢字激光照排系統(tǒng)(中國計算機科學家——王選所領導的科研集體研制出的漢字激光照排系統(tǒng))被譽為“漢字印刷術的第二次發(fā)明”。

1994年中關村地區(qū)教育與科研示范網(wǎng)絡(NCFC)完成了與Internet的全功能IP連接，從此，中國正式被國際上承認是接入Internet的國家。

1997年，國防科大研制成功“銀河-III”百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，系統(tǒng)綜合技術達到90年代中期國際先進水平。

1989年7月金山公司的WPS軟件問世，它填補了我國計算機字處理軟件的空白該軟件至今在國內(nèi)還有一定的影響。

2002年8月“龍芯1號”的問世結束了我國不生產(chǎn)CPU的“空芯化”歷史。作為一款64位的通用芯片，2004年推出的“龍芯2號”樣機上能運行完整的64位中文Linux操作系統(tǒng)。曙光公司推出完全自主知識產(chǎn)權的“龍騰”服務器，龍騰服務器采用了“龍芯-1”CPU，采用了曙光公司和中科院計算所聯(lián)合研發(fā)的服務器專用主板，采用曙光Linux操作系統(tǒng)，該服務器是國內(nèi)第一臺完全實現(xiàn)自有產(chǎn)權的產(chǎn)品，在國防、安全等部門將發(fā)揮重大作用。

2005

年5月，聯(lián)想完成收購IBM全球PC業(yè)務（包括IMB筆記本和臺式機業(yè)務合并后的新聯(lián)想將以130億美元的年銷售額一躍成為全球第三大PC制造商。使我國計算機產(chǎn)業(yè)達到世界先進水平。

2005年8月5日國內(nèi)最大搜索引擎百度公司股票在美國Nasdaq市場掛牌交易.

2005年8月11日、阿里巴巴收購雅虎中國。這是中國互聯(lián)網(wǎng)史上最大的一起并購案。1.5計算機應用的發(fā)展

計算機所以迅速發(fā)展，其生命力在于它的廣泛應用。最早設計計算機的目的是用于軍事方面的科學計算，而當制造完成后，由于它的無比的優(yōu)越性，就開始用于其它領域。第一臺商用計算機就被用于“圣經(jīng)”的文字處理。不久就在銀行用于信息處理。目前，計算機的應用范圍幾乎涉及人類社會的所有領域：從國民經(jīng)濟各部門到個人家庭生活，從軍事部門到民服務部門，從科學教育到文化藝術，從生產(chǎn)領域到消費娛樂，無一不是計算機應用的天下，對于這么多的應用，這里不可能一一介紹，下面歸納成七個方面來敘述。1.5.1科學計算

科學研究和工程技術計算領域，是計算機應用最早的領域，也是應用得較早、較廣泛的領域。例如數(shù)學、化學、原子能、天文學、地球物理學、生物學等基礎科學的研究，以及航天飛行、飛機設計、橋梁設計、水力發(fā)電、地質(zhì)找礦等方面的大量計算都要用到計算機。利用計算機進行數(shù)值計算，可以節(jié)省大量時間、人力和物力。計算機在科學計算和工程設計中的應用，不僅減輕了大量繁瑣的計算工作量，更重要的是，使得一些以往無法解決、無法及時解決或無法精確解決的問題得到圓滿的解決。1.5.2自動控制

自動控制是涉及面極廣的一門學科，應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學技術、國防以至我們的日常生活等各個領域。特別是有了體積小、價廉可靠的微型計算機和單片機后，自動控制就有了強有力的工具，使自動控制進入以計算機為主要控制設備的新階段。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)外大約20%的微型機用于生產(chǎn)過程的自動控制，應用于冶金、化工、電力、交通、機械、軍事等部門。用計算機控制各種加工機床，不僅可以減輕工人的勞動強度，而且生產(chǎn)效率高，加工精度高。

有人說“計算機是提高生產(chǎn)力最簡便的方法”，這是很有道理的。1.5.3CAD/CAM/CIMS

CAD技術，首先按設計任務書的要求設計方案，然后進行各種設計方案比較，確定產(chǎn)品結構、外形尺寸、材料，進行模擬組裝，再對模擬整機的各種性能測試，根據(jù)測試結果不可對其進行不斷修正，最后確定設計；產(chǎn)品設計完成后再將其分解為零件、分裝部件，并給出零件圖、分部裝配圖、總體裝配圖等。全部由計算機直接或間接地完成。

CAM一般指利用計算機參與從毛坯到產(chǎn)品制造過程中直接或間接的活動，包括工藝準備、生產(chǎn)作業(yè)設計、物料采購計劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等。CAM目前主要是指數(shù)控程序的編制。

CIMS即將企業(yè)生產(chǎn)過程中的有關人、技術、設備、經(jīng)費管理及其信息流和物質(zhì)流等利用計算機手段有機集成并優(yōu)化運行。1.5.4信息處理

信息:是我們?nèi)祟愘囈陨婧徒浑H的媒介。通過五官和皮膚，我們可以看到文字圖像，聽到唱歌說話，聞到香臭氣味，嘗到酸甜苦辣，感到冷熱變化。這些都有是信息。人本身就是一個非常高級的信息處理系統(tǒng)。計算機發(fā)展初期，它僅僅用于數(shù)值計算。但是后來應用范圍逐漸發(fā)展到非數(shù)值領域，可用來處理文字、表格、圖像、聲音等各類問題。因此，確切地講，計算機應當稱為信息機，或叫信息處理機。信息處理的范圍相當廣泛?？傊髽I(yè)管理、物資管理、資料圖書管理、人事管理、業(yè)務管理等等，都是計算機能發(fā)揮作用的領域。下表中列出了國內(nèi)各部門研制的計算機管理系統(tǒng)實例。庫存管理倉庫管理系統(tǒng)，農(nóng)機站物資管理系統(tǒng)，小型倉庫管理數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)倉庫財務管理系統(tǒng)，汽車零件管理系統(tǒng)，立體倉庫管理系統(tǒng)，鋼材庫存管理系統(tǒng)企業(yè)管理進口器材訂貨單據(jù)管理系統(tǒng)，科研計劃管理系統(tǒng)，地毯廠企業(yè)管理系統(tǒng)，材料生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)，計劃統(tǒng)計管理系統(tǒng)，旅館管理系統(tǒng)資料管理科研課題管理系統(tǒng)，科研檔案管理系統(tǒng)，圖書情報資料檢索系統(tǒng)，港口情報檢索系統(tǒng)，外文資料管理系統(tǒng)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，建筑管理數(shù)據(jù)庫人事管理工資管理系統(tǒng)，從事檔案管理系統(tǒng)，科技人員文件管理系統(tǒng)，高校教師管理系統(tǒng)計算機管理系統(tǒng)實例

表1.5.5教育和衛(wèi)生

創(chuàng)立學校、應用書面語言、發(fā)明印刷術，被稱為教育史上的三次革命。目前，計算機廣泛應用于教育，被譽為“教育史上的第四次革命”。較多的應用是“計算機輔助教學”。計算機輔助教學既用于普通教育，又用于專業(yè)訓練方面。例如通過計算機管理的“飛行模擬器”來訓練飛機駕駛員。目前我國正在進行的“校校通”工程，當它實現(xiàn)以后，在教學過程中將廣泛采用計算機教學法。計算機的問世，同樣為人類健康長壽帶來了福音。一方面，使用計算機的各種醫(yī)療設備應運而生，如CT圖像處理設備、身體診斷設備、心腦電圖分析儀、醫(yī)療車系統(tǒng)等。另一方面，集專家經(jīng)驗之大成，利用計算機建成了各種各樣的專家系統(tǒng)，如中醫(yī)專家診療系統(tǒng)、肝病電腦診治系統(tǒng)、肺癌電腦診斷系統(tǒng)、黃疸病診療系統(tǒng)等等。1.5.6家用電器

計算機不僅在國民經(jīng)濟各部門發(fā)揮越來越大的作用，而且已滲入個人生活，特別是家用電器中。例如彩色電視機的調(diào)臺器，就是把微型機的鎖環(huán)頻率合成器結合起來構成的。從而使電視機增加了數(shù)字選臺、自動選臺、預約節(jié)目、遙控等多種功能。目前，不僅使用各種類型的個人計算機，而且將單片機廣泛應用于微波爐、磁帶錄音機、自動洗衣機、煤氣用定時器、家用空調(diào)設備控制器、電子式縫紉機、電子玩具、游戲機等。現(xiàn)在就有全部由電腦和網(wǎng)絡控制的智能房子。計算機網(wǎng)絡和計算機控制的設備將廣泛地應用于辦公室、工廠和家庭。通過國際互聯(lián)網(wǎng)，可以傳遞多種多樣的有益信息，如新聞時事，商業(yè)行情、電子商務等等。1.5.7人工智能

“人工智能”又稱“智能模擬”，簡單地說，就是要使計算機能夠模仿人的高級思維活動。影片《未來世界》中所描繪的機器人，就是在人工智能研究成果基礎上所設想的未來世界的情景。

人工智能的研究課題是多種多樣的諸如計算機學習、計算機證明、景物分析、模擬人的思維過程、機器人等等，內(nèi)容很多。

直接利用自然形式的信息，這正是當前模式識別研究的奮斗目標。目前，在文字識別、圖形識別、景物分析以及語言理解等方面都有已取得了不少成就。例如在文字識別方面，對規(guī)范的印刷體和嚴格的手寫體的識別，已經(jīng)達到了成熟實用的水平，而對任意的手寫體的識別在通過幾次學習以后也能識別出來。第2章計算機的組成2.1數(shù)字表示和信息編碼

日常生活中是常用的是十進制，但計算機中使用的是二進制，為了書寫和口讀方便，還采用了八進制、十六進制等。在計算機中所有信息都必須以二進制形式進行編碼。2.1.1數(shù)字表示和信息編碼

1.各種進位計數(shù)制及其表示法

進位計數(shù)制就是按進位方法進行計數(shù)。日常生活中人們已習慣于“逢十進一”的十進制計數(shù)，它的特點是：

⑴用十個符號表示數(shù)。常用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9符號，這些符號叫做數(shù)碼。

⑵數(shù)4024中的兩個4表示不同的值，可寫成多項式的形式：

4×103+0×102+2×101+4×100上式中的103,102,101,100分別是個位、十位、百位、千位。這“個、十、百、千……”在數(shù)學上稱為“權”。

⑶十進制有0到9共十個數(shù)碼，數(shù)碼的個數(shù)稱為基數(shù)。十進制的基數(shù)是10。當計數(shù)時每一位計到十往上進一位，也就是“逢十進一”。所以基數(shù)就是兩相鄰數(shù)碼中高位的權與低位權之比。

⑷任一個十進制數(shù)N可表示為：N=±[an-1×10n-1＋an-2×10n-2＋……+a0×100

＋a-1×10-1＋……+a-m×10-m]=±∑ai×10I

不難看出上式是一個多項式。式中的m、n是冪指數(shù)，均為正整數(shù)；ai稱為系數(shù)，可以是0到9十個數(shù)碼符號的任一個，由具體的數(shù)決定；10是基數(shù)。對上面公式推廣之,對于任意進位計數(shù)制,若基數(shù)用R表示，則任意數(shù)N可表示為：N=±[an-1×Rn-1＋an-2×Rn-2＋……+a0×R0＋a-1×R-1

＋……+a-m×R-m]=±∑ai×RI

式中m,n的意義同上，ai則為0,1…（R-1）中任一個，R是基數(shù)。

對于二進制，數(shù)N可表示為：

N=±[an-1×2n-1＋an-2×2n-2＋……+a0×20＋a-1×2-1

＋……+a-m×2-m]=±∑ai×RI基數(shù)是2，而數(shù)碼符號只有0和1兩個，進位為“逢二進一”。

對于八進制，數(shù)N可表示為：

N=±[an-1×8n-1＋an-2×8n-2＋……+a0×80＋a-1×8-1

＋……+a-m×8-m]=±∑ai×8I基數(shù)是8，可用8個數(shù)碼符號：0、1、2、3、4、5、6、7，進位為“逢八進一”。對于十六進制，數(shù)N可表示為：

N=±[an-1×16n-1＋an-2×16n-2＋……+a0×160＋a-1×16-1

＋……+a-m×16-m]=±∑ai×16I基數(shù)是8，可用16個數(shù)碼符號：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F進位為“逢十六進一”。

2.二進制數(shù)的特點計算機為什么要采用二進制呢？

⑴二進制數(shù)只有0、1兩個狀態(tài)，易于實現(xiàn)。例如電位的高、低，脈沖的有、無，指示燈的亮、暗，磁性方向的正反等等，都可以表示1、0。這種對立的兩種狀態(tài)區(qū)別鮮明，容易識別。

⑵二進制的運算規(guī)則簡單。對于每一位來說每種運算只有四種規(guī)則。

⑶

二進制信息的存儲和傳輸可靠。兩個穩(wěn)態(tài)很容易識別和區(qū)分，所以工作可靠。⑷二進制節(jié)省設備。從數(shù)學上推導，采用R=e≈2.7進位數(shù)制實現(xiàn)時最節(jié)省設備，據(jù)此，采用三進制是最省設備的，其次是二進制。

⑸二進制可以用邏輯代數(shù)作為邏輯分析與設計的工具。邏輯代數(shù)是研究一個命題的真與假的數(shù)學工具，因此可以把二進制“0”和“1”作為真和假來看待。當然，二進制數(shù)也有它的缺點。

第一個缺點是人們不熟悉、不易懂，人們熟悉的是十進制。

第二個缺點是書寫起來長，讀起來不方便，為克服這個問題，又提出了八進制和十六進制。

3.各種進制之間的轉換

當兩個有理數(shù)相等時，其整數(shù)部分和小數(shù)部分一定分當兩個有理數(shù)相等時，其整數(shù)部分和小數(shù)部分一定分別相等，這是不同進制數(shù)之間轉換的依據(jù)。

1)十進制整數(shù)轉換二進制整數(shù)十進制整數(shù)轉換二進制整數(shù)，采用連續(xù)除2記錄余數(shù)的方法。設N為要轉換的十進制整數(shù)，當它已經(jīng)轉換成n位二進制時。

N寫出下列等式：

N=an-1×2n-1＋an-2×2n-2＋…+a1×21＋a0×20把等式兩邊都除以2，得到商和余數(shù)：N/2={an-1×2n-2＋an-2×2n-3＋……+a1×20}+a0顯然上式中括弧內(nèi)是商Q1，余數(shù)正是我們要求的二進制數(shù)的最低位a0，然后把商Q1除以2，得到：

Q1/2={an-1×2n-3＋an-2×2n-4＋……+a2×20}+a1這次得到的余數(shù)是二進制數(shù)的次低位a1。按此步驟，一直進行到商數(shù)為0為止。53←÷2↓a01←÷2↓261363010←÷2↓1←÷2↓←÷2↓←÷2↓011a1a2a3a4a5例2-1把十進制的53轉換為二進制數(shù)。1363153(53)10=(110101)2

2)十進制小數(shù)轉換二進制小數(shù)

十進制小數(shù)轉換二進制小數(shù)采用連續(xù)乘2而記錄其乘積中整數(shù)的方法。設N是一個十進制小數(shù)，它對應的二進制數(shù)共有m位，則

N=a-1×2-1＋a-2×2-2＋……+a–m+1×2–m+1＋a-m×2-m把等式兩邊都乘以2，得到整數(shù)部分和小數(shù)部分F1：

2N=a-1+{a-2×2-1＋……+a-m×2–m+1}顯然上式中括弧內(nèi)是小數(shù)部分F1，整數(shù)部分正是我們要求的二進制數(shù)的最高位a-1依次類推，就逐次得到a-1a-2a-3a-4a-5的值，這就是所求的二進制數(shù)。0.6875a-10.37511→↓×201a-4a-3a-2(0.6875)10=(0.1011)2→↓×20.75→↓×20.5→↓×20.0例2-2把十進制的0.6875轉換為二進制數(shù)。

值得注意的是:在十進制小數(shù)轉換成二進制小數(shù)時，整個計算過程可能無限制地進行下去（即積的小數(shù)部分始終不為0），此時可根據(jù)需要取若干位作為近似值，必要時對舍去部分采用類似十進制四舍五入的零舍一入的規(guī)則。

3)十進制混合小數(shù)轉換二進制數(shù)混合小數(shù)由整數(shù)和純小數(shù)復合而成。轉換時將整數(shù)部分和純小數(shù)部分分別按上述進行轉換，然后再將它們組合起來即可。(53.6875)10

=(110101.1011)24)二進制數(shù)轉換十進制數(shù)只要將被轉換的數(shù)按式展開，并計算出結果即可。(111011.101)2=1×25+1×24+1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3

=(59.625)105)二進制數(shù)轉換八進制數(shù)三位二進制數(shù)恰有八種組合(000、001、……111)。可以小數(shù)點開始向左和右分別把整數(shù)和小數(shù)部分每三位分成一組。然后用一個等值的八進制數(shù)代換每一組的三位二進制數(shù),不足補0?，F(xiàn)舉例說明如下。設有一個二進制數(shù)1101001.0100111，要轉換成八進制數(shù)。我們將它從小數(shù)點開始分別向左和向右分為三位一組：001101001.010011100151

.234(151.234)8(1101001.0100111)2=6)二進制數(shù)轉換十六進制數(shù)四位二進制數(shù)恰有十六種組合(0000、0001、……1111)?？梢孕?shù)點開始向左和右分別把整數(shù)和小數(shù)部分每四位分成一組。然后用一個等值的十六進制數(shù)代換每一組的四位二進制數(shù),不足補0?，F(xiàn)舉例說明如下。10010100101.11100111014A5.E74(4A5.E74)16(10010100101.1110011101)2=000(2F4B.D0C)16=0010111101001011.110100001100十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)的過程正相反()27)任意制數(shù)間轉換如果一個R進制數(shù)轉換為十進制數(shù)可以利用（2.1）式計算。而一個十進制數(shù)轉換為R進制還是要分成整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉換，其方法是整數(shù)部分用“乘R取余”，而小數(shù)部分用“除R取整”來計算。

書寫時為了區(qū)別數(shù)制:1)在數(shù)的右下角注明數(shù)制。如(1011)2、(32)8、(7B)16的下標表示它們的進制。2)在數(shù)字后面加字母來區(qū)別，

加字母B（Binary）表示為二進制數(shù)；以字母O（Octal）表示為八進制數(shù)；以字母D（Decimal）或不加字母表示為十進制數(shù)；用字母H（Hexadecimal）表示為十六進制數(shù)。如1011B表示是二進制數(shù)，127H表示是十六進制數(shù)。十進制二進制八進制十六進制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2.1.2數(shù)的定點與浮點表示

在計算機中數(shù)的符號也用二進制數(shù)碼表示，通常取正數(shù)的符號為0，負數(shù)的符號為1。計算機中，涉及到小數(shù)點位置時，數(shù)有兩種表示方法，即定點表示和浮點表示。

1)定點數(shù)表示

任意一個二進制數(shù)總可以表示為純整數(shù)（或純小數(shù)）和一個2的整數(shù)次冪的乘積。例如，二進制數(shù)N可寫成：N=2P

×S其中，S稱為N的尾數(shù)；P稱為N的階碼；2稱為階碼的底。尾數(shù)S表示了N的全部有效數(shù)字，階碼P指明了小數(shù)點的位置。此處P、S都是用二進制表示的數(shù)。當階碼為固定值時，稱這種表示法為數(shù)的定點表示法。這樣的數(shù)稱為定點數(shù)。如P=0，且尾數(shù)S為純整數(shù)，這時定點數(shù)只能表示整數(shù)，稱為定點整數(shù)。如P=0，且尾數(shù)S為純小數(shù)，這時定點數(shù)只能表示小數(shù)，稱為定點小數(shù)。定點數(shù)的這兩種表示法，在計算機中均有采用。究竟采用哪種方法，都是事先約定的。

在計算機中數(shù)的符號也用二進制數(shù)碼表示，通常取正數(shù)的符號為0，負數(shù)的符號為1，在機器內(nèi)定點數(shù)中小數(shù)點的規(guī)定:定點小數(shù)——約定小數(shù)點在符號位與最高數(shù)值位之間定點整數(shù)——約定小數(shù)點在最低有效位后面

當定點數(shù)的位數(shù)確定以后，定點數(shù)表示的范圍也就確定了。如果一個數(shù)超過了這個范圍，這種現(xiàn)象稱為溢出。

2)浮點數(shù)表示如果階碼可以取不同的數(shù)值，并與尾數(shù)一并表示，稱這種表示法為數(shù)的浮點表示法。這樣的數(shù)稱為浮點數(shù)。這時：其中階碼P用整數(shù)表示，可為正數(shù)或負數(shù)。用一位二進制數(shù)Pf表示階碼的符號位，當Pf=0時，表示階碼為正數(shù)；當Pf=1時，表示階碼為負數(shù)。而尾數(shù)S一般為純小數(shù)，用定點小數(shù)來表示，同樣用Sf表示尾數(shù)的符號，Sf=0表示尾數(shù)為正數(shù)（也就是N為正）；Sf=1表示尾數(shù)為負數(shù)?？梢姡跈C器中表示一個浮點數(shù)，要分為階碼和尾數(shù)兩個部分來表示。一般來說，階碼部分的位數(shù)決定了數(shù)的表示范圍，而尾數(shù)部分的位數(shù)決定了數(shù)的精度。

階碼尾數(shù)階碼符號尾數(shù)符號↓↓↓↓2.1.3原碼、補碼、反碼

1)機器數(shù)與真值數(shù)的符號在機器中亦被“數(shù)碼化”。用“0”表示正數(shù)符號，用“1”表示負數(shù)符號。

設有N1=1001001；N2=1001001。則它們在機器中表示為：N1：01001001N2：11001001

我們把“符號化”的數(shù)稱為機器數(shù)，而符號沒有數(shù)碼化的數(shù)稱為數(shù)的真值。機器數(shù)一般是固定長度的，數(shù)的位不夠時應當補足。

2)原碼原碼是一種簡單的機器數(shù)表示法。它規(guī)定正數(shù)的符號用0表示，負數(shù)的符號用1表示，數(shù)值部分即為該數(shù)的本身。

例如：X=+100101，其原碼表示為[X]原=00100101。X=—100101，其原碼表示為[X]原=10100101。機器數(shù)用原碼表示簡單易懂，易于真值轉換。但進行加減運算比較復雜。這是因為，原碼實際上只是把數(shù)的符號“數(shù)碼化”了，其運算方法與手算類似。例如要作x+y的運算，首先要判別符號，若x、y同號，則相加；若x、y異號，就要判別兩數(shù)絕對值的大小，然后將絕對值大的數(shù)減去絕對值小的數(shù)。顯然，這種運算方法不僅增加運算時間，而且使設備也復雜了。而機器數(shù)的補碼表示法可避免上述缺陷。

3)補碼補碼表示法的指導思想：把負數(shù)轉化為正數(shù)，使減法變成加法，從而使正負數(shù)的加減運算轉化單純的正數(shù)相加運算。

求補碼比較復雜，這里介紹一種簡單的轉換方法：如果X≥0時其補碼與原碼相同；如果X＜0時其補碼符號位為1，其它各位求反碼，然后在最低位加1。所謂反碼就是將1變?yōu)?，0變?yōu)?。如：X＝－1010101[X]補=10101010＋1=10101011那么如何從[X]原轉換成[X]補呢？已知[X]原，則正數(shù)X的補碼為其本身；負數(shù)X的補碼等于它的原碼[X]原除符號位外“求反加1”。反之，若已知負數(shù)的補碼[X]補，同樣可以通過對[X]補除符號位外“求反加1”得到它的原碼[X]原。4)反碼在補碼表示中已經(jīng)提到反碼，它也是一種機器數(shù)的表示法。在求反碼時，與求補碼相似，只是少加了一個1而以。X=1101010[X]反=01101010Y=1101010[Y]反=10010101數(shù)值原碼反碼補碼00000000000000000000000000100000001111111100000000＋1000000010000000100000001－1100000011111111011111111－15100011111111000011110001－127111111111000000010000001－128100000002.1.4算術運算

1.補碼加法運算

[例2-4]X=－1001010，Y=－101001，用補碼加法求X＋Y=?解：[X]補＝10110110[Y]補＝11010111。

用補碼運算：

用真值運算：[X]補10110110-1001010X＋[Y]補11010111＋-101001Y—————————————————丟掉←110001101＝[X＋Y]補

-1110011X＋Y

[X+Y]補=[X]補＋[Y]補=10110110＋11010111=10001101由補碼運算結果可知：X＋Y=-1110011。這與真值運算的結果一致。2.補碼減法運算

[例2-5]X=＋1101010，Y=＋110100，用補碼加法求X－Y=?解：[X]補＝01101010，[Y]補＝00110100，[－Y]補＝11001100[X－Y]補=[X]補＋[－Y]補=01101010＋11001100=00110110X－Y=＋110110。[例2-6]X=－1101011，Y=－110001，用補碼加法求[X－Y]補?解：[X]補＝10010101，[Y]補＝11001111，[－Y]補＝00110001[X－Y]補=[X]補＋[－Y]補=10010101＋00110001=11000110

3.溢出檢查上面按照這種方法進行運算是正確的，但是否總是如此？再看兩個例子：

[例2-7]X=＋1001011，Y=＋1101001，用補碼加法求[X＋Y]補?解：[X]補＝01001011，[Y]補＝01101001[X＋Y]補=01001011＋01101001=10110100

（溢出）

兩個正數(shù)相加，結果是負數(shù)，顯然是錯誤的。[例2-8]=－1110100，Y=－1101001，用補碼加法求[X＋Y]補?解：[X]補＝10001100，[Y]補＝10010111[X＋Y]補=10001100＋10010111=00100011（溢出）

兩個負數(shù)相加，結果是正數(shù)，顯然是錯誤的。產(chǎn)生上述錯誤的原因，是因為在定點運算中參加運算的兩個數(shù)的絕對值都是小于27，但在運算過程中可能出現(xiàn)絕對值大于27的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“溢出”，只有當兩個數(shù)符號相同且做加法時，才有可能產(chǎn)生溢出。因此，判別溢出的方法就是：如果同號相加而結果為異號，則就產(chǎn)生了溢出。在此只需在結果后加注“溢出”即可。至于解決方法將在其它課程中講解。

4.乘法運算在介紹乘除運算前，我們先來看一下用手計算二進制乘法的過程。1101被乘數(shù)×1011乘數(shù)————————110111010000＋）1101——————————

10001111乘積

從上述過程中可以看出二進制的乘法實際只是被乘數(shù)的左移和加法，同理，除法可以通過移位和減法來實現(xiàn)，具體實現(xiàn)方法將在計算機組成原理中講述。2.1.5邏輯運算

常用的邏輯運算有“與”運算（邏輯乘）、“或”運算（邏輯加）、“非”運算（邏輯非）及“異或”運算（邏輯異或）等，下面將介紹這些運算的規(guī)則。

1.“與”（AND）運算的規(guī)則如下：0∧0＝0

0∧1＝0

1∧0＝01∧1＝1式中，“∧”是“與”運算符號，通常也可用“·”代替。由規(guī)則看出C=A∧B式中，只有當A與B同時為“1”時，結果C才為“1”；否則，C總為0。例如，兩個8位二進制數(shù)的“與”運算結果如下:

10110110∧11010111=1001011010110110∧11010111—————————

10010110

2.“或”（OR）運算的規(guī)則如下：0∨

0＝0

0∨1＝11∨0＝11∨1＝1式中，“∨”是“或”運算符號，通常也可用“+”代替。由規(guī)則看出C=A∨B式中，只有當A與B同時為“0”時，結果C才為“0”；否則，C總為0。如兩個8位二進制數(shù)“與”運算結果如下:

10110010∨11010111=1001011010110010∨10010111—————————

10010110

3.“非”（NOT）運算的規(guī)則如下：

0=11=0式中，“－”是“非”運算符號。“非”運算的一般式為:

C=A該式表明，C為A的非。例如，對二進制數(shù)的11001010進行“非”運算，則得其反碼00110101。

4.“異或”（EOR：ExclusiveOR）運算的規(guī)則如下：0⊕0=00⊕1=11⊕0=11⊕1=0式中，“⊕”是“異或”運算符號?！爱惢颉边\算的一般式為

C=A⊕B

當A與B值相異時，結果C才為“1”；否則，C為0。例如，兩個8位二進制數(shù)的“異或”運算結果如下：10100110⊕11010111=0111000110100110⊕11010111———————————01110001

計算機中的邏輯運算是按位計算的（沒有進位問題），它是一種比算術運算更為簡單的運算。2.1.6計算機中的編碼

計算機只能識別1和0,因此在計算機內(nèi)表示的數(shù)字、字母、符號等都要以二進制數(shù)碼的組合來代表，這就是二進制編碼。根據(jù)不同的用途，有各種各樣的編碼方案，較常用的有ASCII碼、BDC碼、漢字編碼等。

1.ASCII碼

ASCII碼即美國標準信息交換碼，在計算機界得到了廣泛使用。由國際標準組織（ISO）確定為國際標準字符編碼。為了與國際標準接軌，我國根據(jù)它制定了國家標準，即GB1988。ASCII碼采用七位二進制位編碼，共可表示128個字符，它包括26個英文字母大小寫符號、數(shù)字、標點符號、專用符號及控制符號（如回車、換行），計算機中常以8位二進制即一個字節(jié)為單位表示，因此ASCII碼最高位取0。而擴展ASCII碼最高位為1，又可表示128個符號是一些制表符。ASCII碼表見表2.4。高位低位0000010100111001011101110000NULDLESP0@Ｐ`ｐ0001SOHDC1!1ＡＱａｑ0010STXDC2“2ＢＲｂｒ0011EXTDC3#3ＣＳｃｓ0100EOTDC4$4ＤＴｄｔ0101ENQNAK%5ＥＵｅｕ0110ACKSYN&6ＦＶｆｖ0111BELETB‘7ＧＷｇｗ1000BSCAN(8ＨＸｈｘ1001HTEM)9ＩＹｉｙ1010LFSUB*:ＪＺｊｚ1011VTESC+;Ｋ[ｋ{1100FFFS,<Ｌ\ｌ|1101CRGS－=Ｍ]ｍ}1110SORS.>Ｎ^ｎ~1111SIUS/?Ｏ_ｏDEL

2.BCD碼由于人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖鞘M制，而機器內(nèi)使用的是二進制，所以，需要將十進制表示成二進制碼。BCD碼用十個不同的碼:

0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，表示0~~9的十進制碼，但它的每位是用二進制編碼來表示的，因此稱為二進制編碼的十進制（BinaryCodedDecimal）。BCD碼十分直觀，可以很容易實現(xiàn)與十進制的轉換。在商業(yè)上有它特殊的意義。例:

（0010100001011001.01110100）BCD=2859.74

3.漢字編碼漢字編碼是一門涉及語言文字、計算機技術、統(tǒng)計數(shù)學、心理學、認知科學等多學科的邊緣學科。優(yōu)秀的編碼應該建立在科學的基礎上，即符合漢字結構規(guī)律，適應人們的書寫習慣，又以國民知識為背景，具有友好的人機界面，便于使用，易于普及。

常見的漢字編碼有：國標碼，大五碼，Unicode,UTF-8等

1)國標碼

漢字是世界上是龐大的字符集。國家標準GB2312－80提供了中華人民共和國國家標準信息交換用漢字編碼，簡稱國標碼。該字符集的內(nèi)容由三部分組成：第一部分是各類符號、各類數(shù)字以及各種字母、包括英文、俄文、羅馬字母、日文平假名與片