第1章

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大学计算机基础

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第1章 计算机基础知识

第1章 计算机基础知识

计算机是一种按照预先存储的程序自动、高速、精确地进行信息处理的现代电子设备。它是20世纪最伟大的科学技术发明之一，对人类社会的生产和生活产生了极其深远的影响。计算机知识已成为现代社会人们知识结构的重要组成部分。

本章主要介绍：计算机的基本知识，计算机的发展、应用，计算机的分类和特点；数制知识及各种数制之间的相互转化，计算机中数据表示及编码的概念；微型计算机系统组成及各部分的作用，计算机的基本工作原理。

1.1 计算机概述

1.1.1 计算机的产生和发展

人类从原始的绳、石、算筹开始，到后来的算盘、手摇计算机，一直在发明和改进计算工具，目的是提高计算的速度和精度。到了20世纪40年代中期，飞机、导弹、原子物理等现代科学技术的发展，提出了大量复杂的计算问题，原有的计算工具已远远满足不了要求。

1．计算机的诞生

20世纪著名英国数学家阿伦·图灵（Alan Mathison Turing）在著名的论文《论可计算数在判定问题中的应用（On Computing Numbers with an Application the Entscheidungs-Problem）》中，描述了一种假想的可实现通用计算的机器，后人称为“图灵”机。尽管当时只是一种假想，但这种假想却奠定了整个现代计算机的理论基础，图灵因此被认为是计算机的理论奠基人。被誉为计算机科学界的“诺贝尔”奖就命名为“图灵”奖。

阿伦·图灵 冯·诺依曼

1946年2月，由埃克特、莫克利、戈尔斯坦、博克斯组成的“莫尔”小组承担开发任务的世界上第一台真正能自动运行的计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）（图1-1）在美国宾夕法尼亚大学诞生，这台计算机占地近170 m2，重达30余吨，运算速度也达到5000次/秒，它是为第二次世界大战中精确、快速地计算弹道的轨迹问题而研制的。同年，被称为“计算机之父”的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Von Neumann）领导的研制小组开始研制一种“基于程序存储和程序控制”的计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），这种体系结构的计算机称为冯·诺依曼原理计算机，并且一直延续至今。

图1-1 “ENIAC”计算机

2．计算机的发展

自第一台计算机诞生至今，仅仅60年时间，但它发展之快速，普及之广泛，影响之巨大，是任何学科无法比拟的。推动计算机发展的因素有很多，其中电子元器件的发展起到关键的作用，根据计算机使用电子元器件的不同，计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路四个阶段，计算机的发展史概况如表1-1所示。

表1-1 计算机的四个发展阶段

第一代

第二代

第三代

第四代

时间

1946～1959

1959～1964

1964～1970

1970至今

使用电子器件

电子管

晶体管

中小规模集成电路

超大规模集成电路

内存

汞延迟线

磁芯存储器

半导体存储器

半导体存储器

外存

磁带、穿孔卡片

磁带

磁带、磁盘

磁盘、光盘以及大容量外存

速度（次/秒）

几千～几万

几万～几十万

几十万～几百万

几百万～亿次

软件

机器语言或汇编语言

高级语言

操作系统

数据库、网络等

应用领域

科学计算

数据处理、工业控制

文字处理、图形处理

社会的各个领域

当今社会，计算机应用越来越普及，已广泛应用于人类生产和生活的各个领域，计算机正朝着微型化、网络化、智能化和多媒体化的方向发展。

计算机的将来会是什么样子？目前尚无定论，比较有倾向性的看法是：智能化的计算机是一个重要方向，它能模拟人类的动作行为，理解人类的自然语言，早在20世纪80年代就已开始研制。另外，光计算机、生物计算机、量子计算机也已开始理论研究。

中国1958年研制出第一台电子管计算机，1964年，国产晶体管计算机问世，1992年研制出10亿次巨型计算机——银河II。

1.1.2 计算机的特点和分类

1．计算机的特点

（1）运算速度快

运算速度是计算机重要指标之一，考察的方法较多，一般用每秒所执行的加法次数来衡量。目前，一般微型计算机的运算速度已达到每秒几百万次乃至到上亿次，一些先进的巨型机的运算速度的数量级已达到每秒万亿次。

2004年6月29日，我国863重大科技专项成果——中国国家网格主结点超级计算机“曙光4000A”（图1-2）研制成功，这台超级计算机的计算峰值速度为每秒11万亿次,以其世界前十的计算能力，世界第1位的整机效率将我国超级计算机的产业化水平带到一个新的阶段，并为下一阶段国家网格其他超级计算机结点的研制提供了示范。

随着计算机科学技术的发展，计算机运算速度还会越来越快，许多极复杂的科学问题借助高速计算机将会得以解决。

（2）运算精确度高

计算机用于科学计算时的精度很高，由于内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越多，精确度也就越高，因此计算精确度可通过增加位数（字长）来获得。计算机的字长越长，数的表示范围就越大，有效数字的位数就越多，数的精度就越高。另外也可以通过算法来提高计算的精度。例如利用计算机可以将圆周率 ( 计算精确至小数点后200万位，这是其他计算工具所不可想象的。

（3）存储功能

计算机的存储器可以使它具有类似“记忆”的功能，它能够把原始数据、中间结果、计算结果、程序等信息存储起来以备使用。

（4）逻辑判断能力

计算机除了能进行算术运算外，还能进行逻辑运算，做出逻辑判断，根据判断结果决定后续命令的执行，这使得计算机具有智能的特点。

布尔代数是计算机的逻辑基础和理论指导，计算机的逻辑判断能力也是计算机智能化的先决条件。

（5）自动化程度高

计算机能够自动、连续地执行事先编制好的程序，并按要求输出完整的计算结果，这是它与其他计算工具的本质区别，也是它最突出的优点之一。

2．计算机分类

随着计算机技术的发展，计算机的类型越来越多，常见的分类方法有以下三种。

（1）按处理的信息的表示形式来划分

从计算机处理信息的方式可以分为模拟计算机（Analog Computer）、数字计算机（Digital Computer）和数模混合计算机（Hybrid Computer）三类。

模拟计算机是通过电流、电压等连续变化的物理量来进行计算的，适用于过程的控制和模拟，其特点是运行速度快，而且输出为连续量，容易与实物相接近，抗干扰能力强，但缺点是运算精确度低，信息存储较难。

数字计算机处理的是非连续变化的数据，以数字电路为基础，用离散的数值“0”、“1”来表示所有的信息，因而它具有运算速度快、精确度高、通用性强等特点。

数模混合计算机既能接受、处理和输出模拟量，也能接受、处理和输出数字量。

（2）按用途及使用的范围来划分

按计算机用途及使用的范围可分为通用计算机（General Purpose Computer）和专用计算机（Special Purpose Computer）。

通用计算机通用性强，具有很强的综合处理能力，能够解决各种问题，可用于科学计算、数据处理、事务管理、自动控制等。这类计算机本身有较大的适用面。

专用计算机则功能单一，配以解决特定问题的硬、软件，能够高速、可靠地解决特定的问题。

（3）按计算机的规模、运行速度和功能来划分

按计算机的规模、运行速度和功能一般可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器（如图1-3）。

巨型计算机运算速度快，存储容量大，主要用于复杂、尖端的科研领域。如我国的“银河”和“曙光”都属这类机器。

微型计算机体积小、结构紧凑、价格低，具有一定功能，它以运算器、控制器为核心，配以系统总线结构和大规模集成电路制作，加上相应的外部设备和控制微机工作的软件等，从而形成一个完整的微型计算机系统。

工作站是为了某种特殊用途将相关硬件设备和专用软件结合在一起的系统。

服务器是在网络环境下为多用户提供服务的共享设备，如文件服务器、通讯服务器等。

巨型机 大型机 服务器 微型机

图1-3 计算机的分类

1.1.3 计算机的应用

比尔·盖茨(Bill Gates)曾说：“信息科技革命将恒久地改变我们的工作、消费、学习和沟通的方法。”计算机应用已渗透到社会的各行各业，如工商、政府、教育、医药、娱乐、科研和家庭等领域。归纳起来，主要有以下几个方面。

1．科学计算

科学计算又称数值计算，是计算机的一个传统应用领域，也是应用最早、最重要的一个应用领域。通过计算机可以解决人工无法解决的复杂的计算问题。它现已广泛应用于航空航天、天文学、核物理学等方面。

2．数据处理

数据处理又称非数值处理或事务处理，是指计算机对外部设备送来的各种信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种管理中的数据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件管理。

3．过程控制

过程控制又称实时控制，是指计算机实时采集检测数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制和自动调节，其特点是精确度高、速度快、反应灵敏。已在冶金、化工、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等领域得到广泛的应用。

4．计算机辅助系统

计算机辅助系统是以计算机为工具，通过专用软件辅助完成特定任务的工作，其主要目的是提高工作效率和工作质量。

计算机辅助设计CAD（Computer-Aided Design）是利用计算机帮助各类设计人员进行设计的技术，它可以取代传统的图纸设计，加快设计速度，提高设计的精度和质量。CAD在建筑工程、机械部件、家电产品和服装等设计领域应用非常广泛。

计算机辅助制造CAM（Computer-Aided Manufacturing）是利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。它能提高产品质量、降低成本、缩短生产周期。

计算机辅助教育CBE（Computer-Based Education）包括计算机辅助教学CAI（Computer- Assisted Instruction），计算机辅助测试CAT（Computer-Aided Test），计算机管理教学CMI（Computer-Management Instruction）。

另外还有计算机辅助工程CAE（Computer-Aided Engineering）、计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacture System）等。

5．多媒体技术

多媒体（Multimedia）,又称为超媒体（Hypermedia）,是一种以交互方式将文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息，通过计算机设备的获取、存储、编辑和操作等综合处理后，以单独或合成的形式表现出来的技术和方法。

多媒体技术以计算机技术为核心，将现代的声像、通讯技术融为一体，应用领域非常广泛，正以极强的渗透力进入人类工作和生活的各个领域。

6．人工智能（Artificial Intelligence, AI）

人工智能是计算机应用发展的又一个前沿方向，它的主要目的是用计算机来模拟人类的某些智能活动，使其具有“学习”、“适应能力”、“推理”等功能，在一定程度上具有“思维”能力。目前一些智能系统已经替代人的部分脑力劳动，获得了实际的应用，如机器人、专家系统、模式识别等。

7．计算机通讯与网络

计算机通过网络互联，可以实现计算机之间的硬件、软件资源的共享，促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理。随着国际互联网的发展，计算机通信的应用已达到前所未有的境界。

总之，计算机的应用已非常普及，尤其是网络技术的发展，使得计算机的应用产生了许多新理念，引起了人类社会从经济基础到上层建筑、从生产方式到生活方式的深刻变革。

1.2 数据在计算机中的表示

1.2.1 数制

1．数制的基本概念

（1）概述

所谓进位计数制(数制)是指按进位的原则进行计数。日常生活中，我们会经常用到数制,一般采用的是用十进制计数。除此以外，还有许多非十进制的计数方法，如时间用的是六十进制。

在计算机中，信息的表示依赖于计算机内的物理器件的状态，信息用什么表示形式会直接影响计算机的结构和性能。无论是指令、数据、图形、声音还是各种符号，在计算机中都以二进制表示。它有以下优点：

①易于物理实现：具有两个稳定状态的物理器件有很多，而具有十个稳定状态的物理器件实现非常困难，即使能实现其稳定性也差，无法使用。

②机器可靠性高：由于电压的高低、电流的有无等状态分明，系统的抗干扰能力强，信息的可靠性高。

③运算简单：二进制的运算规则简单，适合逻辑运算。

④通用性强：二进制不仅可以实现各种数值信息的编码，也可实现各种非数值信息的编码。

（2）数制的基本规律

应该指出的是各种进制的计数和运算都有相类似的规律和特点。

①基数：各种数制中用于表示数字所采用的字符（基本数码）的总数称为该数制的基数。如十进制用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这10个符号来表示数值，十数制的基数为10。

②进位规则：若P是该数制的基数，则该数制的进位规则为“逢P进一”。

③位权：位权是指一个数字符号在某个位置所代表的值，数字所在位置不同代表的值就不同。

位权与基数的关系：位权的值是基数的若干次幂。

④通用表达式：可以把P进制数S用统一的一般表达式来表示：

S=Sn-1×P n(1+Sn(2×P n(2+…+S1×P1+S0×P0+S(1×P(1+…+S(m×P(m

其中◆ Si——P进制数S第i位的数码；

◆ P——进制的基数；

◆ Pi——位权；

◆ n——整数部分位数，为正整数；

◆ m——小数部分位数，为正整数。

2．常用进制

（1）十进制（Decimal notation）

特点：①基数为10，基本数码：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。

②逢十进一，借一当十。

如十进制数1423.16可写成如下形式：

1423.16=1×103+4×102+2×101+3×100+1×10-1+6×10-2

称作十进制数1423.16的按权展开式。

（2）二进制(Binary notation)

特点：①基数为2，基本数码：0，1。

②逢二进一，借一当二。

如二进制数101011.011可以写成如下形式：

(101011.011)2=1×25+0×24+1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3

=32+8+2+1+0.25+0.125=(43.375)10

（3）八进制（Octal notation）

特点：①基数为8，基本数码：0，1，2，3，4，5，6，7。

②逢八进一，借一当八。

如：(135)8=1×82+3×81+5×80=64+24+5=(93)10

（4）十六进制（Hexadecimal notation）

特点：①基数为16，基本数码：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。

②逢十六进一，借一当十六。

如：(204)16=2×162+0×161+4×160=512+4=(516)10

以上4种进制数的对应关系如表1-2所示。

表1-2 各种进制数的对应关系

十进制

二进制

八进制

十六进制

0

0000

0

0

1

0001

1

1

2

0010

2

2

3

0011

3

3

4

0100

4

4

5

0101

5

5

6

0110

6

6

7

0111

7

7

8

1000

10

8

9

1001

11

9

10

1010

12

A

11

1011

13

B

12

1100

14

C

13

1101

15

D

14

1110

16

E

15

1111

17

F

1.2.2 数制之间的转换

1．非十进制数转换成十进制数

非十进制数转换为十进制数采用位权的方法，把各非十进制数按权展开，然后求和，即按照十进制的计算规则计算通用表达式的值即可。

【例1.1】将二进制数1011.11转换成十进制数。

解：(1011.11)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+1×2-2 = 8+2+1+0.5+0.25 = (11.75)10

【例1.2】将十六进制数3AF转换成十进制数。

解：(3AF)16=3×162+10×161+15×160 =3×256+10×16+15 =(943)10

2．十进制数转换成任意进制数

将十进制数转化为非十进制，分为整数部分和小数部分进行。

①整数部分采用“除基取余”的方法，即“除以基数，取其余数，至商为零，倒排列”。

【例1.3】将（232）10转换成二进制数。

解： 低位

2 232

2 116

2 58

2 29

2 14

2 7

2 3

2 1

0

余

0 K

0

Óà

0 K

1

Óà

0 K

2

Óà

1 K

3

Óà

0 K

4

Óà

1 K

6

Óà

1 K

6

Óà

1 K

7

¸ßλ

结果：(232)10= (11101000)2

②小数部分的转换采用“乘基取整”的办法，即“乘以基数，取积整数，至小数部分为零，顺排列”。

【例1.4】将(0.125)10转换成二进制小数。

解：

0.125

×

2

0

.25

0

整数

0

……

K

-

1

×

2

0.500

ÕûÊý

0

¡¡

K

-

2

×

2

1.000

ÕûÊý

1

¡¡

K

-

3

¸ßλ

µÍλ

结果：(0.125)10=(0.001)2

注意：在实际转换中，不是任意十进制小数都能用有限位二进制数精确表示的，此时可按精度要求取足够的位数。

③如果一个数既有整数部分，又有小数部分，则应该先将整数部分和小数部分分别进行转换，再组合起来。

【例1.5】将(232.125)10转换成二进制数。

解：(232)10= (11101000)2

(0.125)10=(0.001)2

结果：(232.125)10= (11101000.001)2

3．二进制数与八进制数之间的转换

（1）二进制数转换成八进制数

以小数点为基准点，整数部分从右至左，每三位一组，最高有效位不足三位时，用0补足三位；小数部分从左至右，每三位一组，最低有效位不足三位时，用0补足三位；然后，将各组的三位二进制数转换为一位八进制数。

【例1.6】将(1010101.0111)2转换为八进制数。

解： 001 010 101 . 011 100

↓ ↓ ↓ ↓ ↓

1 2 5 . 3 4

结果：(1010101.0111)2= (125.34)8

（2）八进制数转换成二进制数

将每位八进制数码转换成对应的三位二进制码，并连接起来组成一个二进制数。

【例1.7】将(124.565)8转换为二进制数。

解： 1 2 4 . 5 6 5

↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

001 010 100 . 101 110 101

结果：(124.565)8=(1 010 100.101 110 101)2

4．二进制数与十六进制数之间的转换

二进制数与十六进制数之间和二进制同八进制之间的转换相似。二进制的四位数对应于十六进制的一位数。

【例1.8】将1101111101.100101转换成十六进制数。

解：(0011 0111 1101.1001 0100)2=(37D . 94)16

【例1.9】将(7A.B5)16转换为二进制数。

解：(7A . B5)16 =(111 1010.1011 0101)2

5．八进制与十六进制数间的转换

先将被转换进制数转换成相应的二进制数，然后再将二进制数转换成目标进制数。

【例1.10】将(324.76)8转换为十六进制数。

解： 3 2 4 . 7 6

↓ ↓ ↓ ↓ ↓

011 010 100 . 111 110

1101 0100 . 1111 1000

↓ ↓ ↓ ↓

D 4 . F 8

结果：(324.76)8= (D4 . F8)16

注意：八进制、十六进制数同二进制数之间有着十分简便的转换关系，而且八进制、尤其是十六进制书写十分简短，因而在进行程序设计中，二进制的代码往往书写成八进制或十六进制形式。为区分各种进位制的数值，采用下面的表示法：

十进制数：在数字后面加字母D或不加字母，如127D或127。

二进制数：在数字后面加字母B，如11011101B。

八进制数：在数字后面加字母O，如127O。

十六进制数：在数字后加字母H，如5B3H。

1.2.3 编码

由于计算机是通过0和1来表示两个稳定状态的，因此计算机是以二进制方式组织和存储信息的。在计算机内部，正号、负号、数值、字符、汉字和其他信息都必须用0和1的组合来实现。

信息编码是指对输入到计算机中的各种数据用二进制数进行编码的方式。

对于不同机器和不同类型的数据，编码的方式是不同的。编码的方法很多，为了加工、存储和交换信息的方便，制定了编码的国际标准和国家标准。计算机使用这些编码在计算机内部和键盘等终端之间以及计算机之间进行信息交换。

输入时，系统自动将输入的各类数据按一定的编码转换成相应的二进制形式保存到计算机的存储单元中，输出时，再由系统自动将二进制编码转换成用户能够识别的数据格式。

1．数据的单位

在计算机中常用到的基本数据单位有位、字节、字三种。

（1）位（bit）

位是计算机中表示信息的最小信息单位，1 bit表示一位二进制数。

（2）字节（Byte）

字节是计算机存储信息的最基本单位，也是信息数据的基本单位，1 Byte（通常简记1B）用8位二进制数表示，共能表示28=256种不同的状态。

下面是常用的一些存储单位：

1 KB（千字节）=210 B=1024 B

1 MB（兆字节）=210 KB

1 GB（吉字节）=210 MB

1 TB（太字节）=210 GB

（3）字（Word）

计算机中，由若干个字节组成一个存储单元，称之为“字”。一个存储单元存放一条指令或一个数据。一个存储单元的位数称为字长。字长是计算机的重要性能指标之一，一般来说，字长越长，计算机的性能也就越好。目前常见的微机字长为32位、64位。

2．数值信息的编码

计算机中数值的编码是指数值在字节中的存放形式。

（1）符号数的机器数表示

在计算机中，通常在二进制数据的绝对值前面加上一位二进制位作为符号位，此位为0代表此数为正数；此位为1代表此数为负数；从而形成了数值型数据的机内表示形式。同时为了方便运算，对有符号数常采用三种表示形式，即原码、反码、补码。

①原码：正数的符号位为0，负数的符号位为1，其他位用数的绝对值表示，即为数的原码。

②反码：正数的反码与原码相同；负数的反码的符号位为1，其余各位对原码按位取反。

③补码：正数的补码与原码相同；负数的补码的符号位为1，其余各位为反码并在最低位加1。引入补码后，可以简化运算，使减法统一变为加法。

例：(+102)D，其原码=01100110；其反码=01100110；其补码=01100110。

(-102)D，其原码=11100110；其反码=10011001；其补码=10011010。

当计算机处理减法运算时，把减号连同其后的数一起作为负数，用补码“做加法”运算。

例：十进制运算6-2=6+(-2)=4，使用补码运算时，由于6的补码为00000110，-2的补码为11111110，所以运算式为 ：

00000110

＋ 11111110

1 00000100

运算结果超过8位，产生溢出，忽略不记，字节中有效数码为00000100，即十进制数4，因此运算结果为+4。

（2）数值编码BCD（Binary Code Decimal）码

计算机输入和输出的十进制数在机内转换成二进制时，有时也以一种中间数值编码的形式存在，它是把每一位十进制数用四位二进制编码表示，称为十进制数的二进制编码。编码有多种方法，最常见的是8421BCD码，用4个二进制位表示一位十进制数，因为自左向右每位的权分别是8、4、2、1，故简称8421码。

值得注意的是BCD码不能和十进制转换为二进制相混淆。

如：(17)10 =(10001)2

(17)10 =(10111)BCD

3．字符信息的编码

计算机中，把一些常用的字母、符号、数字和文字等非数值信息用规定的代码表示，这一过程称为计算机信息编码，使用二进制数表示的文字和符号称为二进制编码。例如，当我们输入字符“A”时，计算机接收到的是字符“A”的二进制编码“01000001”，并对其进行存储，在显示时，又将“01000001”转化为字符“A”。计算机只有采用统一的编码方案，才能便于进行信息的存储、处理和传送。

计算机常用的信息编码方式有字符编码（ASCII）和汉字编码两种。

（1）字符编码（ASCII码）

ASCII码是美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange）的简称，目前已成为国际通用的信息交换标准代码。ASCII码中每个字符用一个7位二进制数表示，由于27=128，所以ASCII码表可以表示128个不同的字符，在计算机内通常用一个字节来存储，其最高位（即最左边）恒为0。ASCII码如表1-3所示。

表1-3 7位ASCII码表

高3位

低4位

000

001

010

011

100

101

110

111

0000

NUL

DEL

SP

0

@

P

、

p

0001

SOH

DC1

!

1

A

Q

a

q

0010

STX

DC2

“

2

B

R

b

r

0011

EXT

DC3

#

3

C

S

c

s

0100

EOT

DC4

$

4

D

T

d

t

0101

ENQ

NAK

%

5

E

U

e

u

0110

ACK

SYN

&

6

F

V

f

v

0111

BEL

ETB

，

7

G

W

g

w

1000

BS

CAN

(

8

H

X

h

x

1001

HT

EM

)

9

I

Y

i

y

1010

LF

SUB

*

：

J

Z

j

z

1011

VT

ESC

+

；

K

[

k

{

1100

FF

FS

.

<

L

\

l

|

1101

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1）ASCII符号组成

控制字符：34个(第0~32号，127号)。

普通字符(可打印字符)：94个。

2）常用字符的ASCII码

常用字符的ASCII码如表1-4所示。

表1-4 常用字符ASCII码

字符

二进制表示

十六进制表示

十进制表示

空格

00100000

20H

32

‘0’～‘9’

00110000 ～ 00111001

30H～39H

48～57

‘A’～‘Z’

01000001 ～ 01011010

41H～5AH

65～90

‘a’ ～‘z’

01100001 ～ 01111010

61H～7AH

（2）汉字编码

由于汉字是象形文字，种类繁多，它在输入、输出、存储和处理过程中所用的编码方式不尽相同，较之ASCII码汉字编码要复杂得多。

1）汉字国标码

1980年，我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集·基本集》（代号GB2312-80）。它是中文信息处理的国家标准，又称汉字交换码，简称GB码。该标准收入了6763个常用汉字（其中一级汉字3755个，按拼音序排列，二级汉字3008个，按偏旁部首排列），以及英、俄、日文字母与其他符号687个，共有7000多个符号。

国标码与ASCII码属同一制式，甚至可看成是ASCII码的扩展，因为ASCII码中字符代码为94个，因此，汉字和符号的编码，也就分成94个区，每区94个位，最多可以组成94×94=8836个汉字或符号。

根据以上的区位划分，引入了区位码输入法。区位码输入法：由区号和位号共4位十进制数组成，区号在高2位，位号在低2位。如：“啊”的区位码为1601。区位码最大的特点是没有重码，但是不易记忆，一般作为其他输入法的补充。

国标码规定，每个字符由一个2字节代码表示，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。

汉字编码的扩充标准：GB18030－2000《信息技术 信息交换用汉字编码字符集．基本集的扩充》，2000年3月17日由信息产业部和国家质量技术监督局联合发布的汉字编码新标准。该标准从发布之日起开始实施。内码采用单／双／四字节混合编码，收录了27000个汉字和藏、蒙、维吾尔等主要的少数民族文字，总的编码空间超过了150万个码位，为将来计算机的中文信息处理及计算机在中国的应用奠定了基础。

ISO/IEC10646.1：1993年国际标准化组织颁布的多八位编码体系，包含全世界几乎所有的文字，建立了一个统一的基本多文种平面（BMP），共分配给汉字20902个码位空间。

2）汉字机内码

计算机既要处理汉字，也要处理西文。为了实现中、西文兼容，通常利用字节的最高位来区分某个码值是代表汉字还是ASCII码字符。具体的做法是，若最高位为“1”视为汉字字符，为“0”视为ASCII字符。汉字机内码是在上述国标码的基础上，把2个字节的最高位一律由“0”改“1”构成。

例如：

汉字 国标码 机内码

大 3473H(00110100 01110011)2 (10110100 11110011)2 B4F3 H

中 5650H(01010110 01010000)2 (11010110 11010000)2 D6D0H

由此可见，同一汉字的汉字交换码与汉字机内码并不相同，而对ASCII字符来说，机内码与交换码的码值是一样的。

3）汉字输入码

汉字输入码又称外码，是一种用计算机标准键盘上的按键的不同组合来对汉字的输入进行编码。汉字输入法的研究和发展很快，目前已有几百种。一种好的汉字输入法应该具备以下优点：编码短（减少击键次数），重码少（可以实现盲打），易学易用。

目前汉字输入法大致分两类：音码类和形码类。常见的输入法有拼音法、智能ABC法和五笔字型法。

需要指出，无论采用哪一种汉字输入法，当用户向计算机输入汉字时，存入计算机中的总是它的机内码，与所采用的输入法无关。实际上不管使用何种输入法，在输入码与机内码之间总是存在着一一对应的关系，很容易通过“键盘管理程序”把输入码转换为机内码。可见输入码仅是用户选用的编码，故也称为“外码”，而机内码则是供计算机识别的“内码”，其码值是惟一的。两者通过键盘管理程序来转换，其转换过程如流程图1-4所示。

4）汉字字形码

字形码是指文字信息的输出编码，又称汉字字模，用于汉字的显示和输出。字形码有两种表示方式：点阵方式和矢量方式。

各种汉字输入码

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图1-4 汉字输出码到汉字机内码的转换

汉字显示和打印使用点阵码，常见的有16×16，24×24，32×32，48×48点阵等。点数愈多，打印的字体愈美观，占用的存储空间也愈大。例如，一个24×24的汉字占有空间为72个字节，一个48×48的汉字将占用288个字节。汉字之所以能在屏幕上显示，就是这些字节中的二进制位为0的对应的点为暗；二进制位为1的对应的点为亮。如图1-5为16×16点阵的汉字“大”的字形点阵及编码情况。

图1-5 汉字“大”的字形点阵及编码

字形码的矢量表示方式存储的是描述汉字的轮廓特征。汉字输出时，通过计算机的计算，由汉字字形描述生成所需大小和形状的汉字点阵，与文字显示的大小、分辨率无关，因此可产生高质量的汉字。Windows 中使用的TrueType 技术就是汉字的矢量表示方式。

5）汉字地址码

汉字字形在字库中的相对位移地址称为汉字地址码。输出汉字时，必须通过地址码，才能在汉字库中取到所需的字形码。地址码和机内码要有简明的对应关系。

（3）汉字处理过程

汉字处理过程如图1-6所示。

键盘管理程序

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图1-6 汉字处理过程

4．音频、视频的编码

计算机中处理的都是数字化的信息，上面讨论了数值、字符以及汉字的编码，对类似声音、图像、视频等多媒体信息，也必须先转换成二进制的编码，计算机内部才能处理。

（1）音频信息的数字化

音频信息的数字化，就是将模拟音频信号每隔一定时间间隔对声波进行采样，捕捉采样点的振幅值，并将获取到的振幅值用一组二进制脉冲表示，这称为声音的数字化，也叫模数（A/D）转换。输出时，进行逆向转换，即数模（D/A）转换。

（2）图像的数字化

图像可以看成是一定的行和一定的列的像素（Pixels）点组成的阵列，每个像素点又用若干个二进制代码进行编码，表示像素的颜色，这就是图像的数字化。

（3）视频（Video）信息的数字化

视频信息实际就是动态图像，是由许多幅单一的画面所构成的。每幅画面叫做一帧，帧是构成视频信息的最小、最基本的单位。

视频信息具体编码方法有很多标准，这里就不一一赘述。

1.3 微型计算机系统组成

1.3.1 微型计算机概述

微型计算机是当今社会中应用最广泛、最受欢迎的计算机系统，其特点是体积小、价格低、功能强，对环境要求相对较宽。一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分，计算机工作既要有硬件系统的支持，也必须配备必要的软件系统。硬件是软件的基础，硬件通过软件发挥作用。图1-7是目前常见的微型机的硬件外观；图1-8是计算机系统的基本组成。

主机箱

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图1-7 微型计算机的外观

1.3.2 计算机硬件系统

硬件是组成计算机的物理实体，它提供了计算机工作的物质基础。

从功能方面来看，一个完整的计算机硬件系统应该包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个核心部分，每个部分相互协调地工作。

微型计算机也包括这五个核心部分，根据其特点，微机常把硬件分为主机和外设两部分，各部件之间采用总线结构连接以实现信息传送，其基本结构如图1-9所示。

计算机系统

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图1-8 计算机系统组成

数据总线

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图1-9 微型机硬件基本结构

1．主机硬件组成

（1）系统主板

系统主板（如图1-10所示）是微型计算机中最大的一块电路板，它是一种将高科技和高工艺融为一体的集成产品，是由多层印刷电路板和焊接在电路板上的CPU插槽、BIOS控制芯片、内存插槽、高速缓存、控制芯片组、总线扩展（ISA，PCI，AGP）、USB接口、外设接口（鼠标口、键盘口、COM口、LPT口）等组成。

主板的功能主要有两个：一是提供安装CPU、内存和其他功能卡的接口槽，也有的主板集成了一些功能卡的功能；二是为常用外设提供接口。

另外，芯片组是主板的核心，它决定了主板的功能。主板的标准分为AT结构和ATX（AT eXternal）结构，目前多采用ATX结构，它对AT结构进行了改进，除改进了板上元件布局外，配合ATX电源，实现了软关机（程序关机）和Modem远程遥控开关机。

PCI

扩展槽

AGP

扩展槽

内存插槽

CPU

插槽

外设接口

IDE

接口

图1-10 系统主板

（2）中央处理器CPU（Central Processing Unit）

微型计算机中，运算器、控制器和一组寄存器，集成制作在一个半导体芯片上，称为中央处理器，简称CPU（如图1-11）。

·运算器：也称为算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit），是执行算术和逻辑运算的功能部件。

·控制器：是计算机的指挥中心，它的主要功能是按照人们预先确定的操作步骤，控制计算机各部件步调一致地自动工作。

CPU的主要技术指标：

·CPU字长：单位时间内（同时）CPU一次能处理的二进制数的位数，由CPU对外的数据总线的位数决定。

·CPU时钟频率：包括CPU的总线频率（外频）和CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率（主频）。如Pentium 4/2.4 G，主频为2.4 GHz。

·高速缓冲存储器（Cache）的容量和速率。

·生产工艺技术。

国产CPU：龙芯2号（中国芯）

2005年4月18日，由国家科技部、中国科学院和信息产业部共同主办的 “龙跃神州 ‘芯’动中国”——龙芯2号（图1-12）成果发布及产业化基地成立大会在人民大会堂召开，中国科学院计算技术研究所正式对外发布其自主研发的龙芯系列CPU的最新研究成果——“龙芯2号高性能通用处理器”(简称龙芯2号)。

龙芯2号的研制是在国家“863”计划计算机软硬件技术主题重点课题和中科院知识创新工程重大项目共同支持下完成的，它采用先进的四发射超标量超流水结构，片内一级指令和数据高速缓存各64 KB，片外二级高速缓存最多可达8 MB。为了充分发挥流水线的效率，龙芯2号实现了先进的转移猜测、寄存器重命名、动态调度等乱序执行技术，以及非阻塞的高速缓存和取数操作猜测执行等动态存储访问机制。龙芯2号最高频率为500 MHz，功耗为3-5瓦，远远低于国外同类芯片，其SPEC CPU2000测试程序的实测性能是1.3 GHz的威盛处理器的2-3倍，已达到Pentium III的水平。

龙芯2号支持64位Linux操作系统和X-window视窗系统，与32位的龙芯1号相比达到了更高的性能，能够流畅地支持视窗系统、桌面办公、网络浏览、DVD播放等应用，因此此款芯片在低成本信息产品方面，具有很强的性能优势。未来龙芯1号、2号及正在研发的龙芯2号增强型将一起形成一个分别面向嵌入式应用、桌面应用以及服务器和高性能计算机应用的芯片系列。龙芯2号的主要应用目标是Linux桌面网络终端、低端服务器、网络防火墙、路由器交换机、多媒体网络终端机、无盘工作站等，具有广阔的应用前景。

图1-11 Pentium 4 CPU 图1-12 龙芯2号

（3）微机总线

计算机的总线结构有利于系统的硬件模块化，系统各个功能部件之间的相互关系变为各部件面向总线的单一关系。在计算机中，总线（BUS）是CPU、主存储器、I/O接口之间相互交换信息的公共通道。总线的根数称为总线宽度。

在微型机中，按层次结构总线分为：

①内部总线：常见的有I2C（Intel-IC）总线，SPI（Serial Peripheral Interface，串行外部设备接口），SCI（Serial Communication Interface，串行通讯接口）等。

②系统总线：常见的有ISA（Industrial Standard Architecture）总线，EISA总线，VESA（Video Electronics Standard Association）总线，PCI（Peripheral Component Interconnect）总线。目前PCI总线是最流行的总线之一，是Intel公司推出的一种局部总线，主要是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

③外部总线（计算机与外设、计算机与计算机之间的通讯线路）：一个新功能部件只要符合总线标准，就可连接在采用这种总线标准的系统中，使系统功能容易得到扩展。常见的有RS.232 C、RS.485、IEEE-488、USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)等。

按传递信息种类总线又分为三种：

①数据总线DB（Data Bus）是CPU向内存储器、I/O接口传送数据的通道；它也是从内存、I/O接口向CPU传送数据的道路。它的宽度（总线的根数）决定了CPU与外部部件并行传送二进制位的最多位数。

②地址总线AB（Address Bus）是CPU向内存和I/O接口传递地址信息的通道，它的宽度决定了微型机的直接寻址能力。PII以上的CPU有36根地址线，最大寻址空间可达236即64GB。

③控制总线CB（Control Bus）是CPU向内存和I/O接口传递控制信号以及接收来自外设的状态信号的通道。

（4）内部存储器

内部存储器：又称主存储器，由半导体材料组成，其存取速度较快，但容量相对较小，CPU可以直接访问，一般分为只读存储器、随机读写存储器、高速缓冲存储器等类型。

①ROM（Read Only Memory，只读存储器）：是指只能读数据而不能往里写数据的存储器。ROM中的数据是由制造商或设计者事先在里面固化好的一些程序或数据，使用者不可更改，一般用来存放计算机开机时所必需的数据和程序，它保存的信息不会因断电而消失。

②RAM（Random Access Memory，随机读写存储器）：随机存储器用来存放计算机开机以后的临时数据和程序，断电后，随机存储器中保存的信息会全部消失，是计算机工作的存储区，基本上是以内存条的形式进行组织，使用时只要将内存条插到主板的内存插槽上即可。其优点是扩展方便，用户可以根据需要随时增加容量。

③Cache：高速缓冲存储器，是指CPU与内存之间设置的一级或两级高速小容量存储器。计算机工作时，系统先将数据读入RAM，再由RAM读入Cache，然后CPU从Cache中取得数据进行操作。因为Cache速度要比RAM快，所以设置高速缓存可以部分解决CPU与RAM的速度不匹配的问题，从而达到提高计算机系统性能的目的。

2．外部设备

（1）外部存储器（外存）

外部存储器又称辅助存储器，可以大容量地保存数据，以满足计算机大容量的处理信息的要求。外存中的信息一般不能由CPU直接访问，而只能先成批地转移到内存，再由CPU进行处理。外存的特点是：容量大，保存时间长，处理速度较慢。常见的有软盘（驱动器）、硬盘（驱动器）、光盘（驱动器）、U盘等。

1）软盘和软盘驱动器

软盘存储器包括软盘驱动器和软盘（如图1-13）。软盘盘片为软质聚酯材料制成的圆形底片，在表面涂有磁性材料，利用磁的特性来存储信息，然后被封装在一个方形的硬塑料保护套里。目前微机上主要使用容量为1.44 M的3.5英寸软盘。计算机通过软盘驱动器对软盘进行读写。软盘体积小，便于携带和保存。软盘存储信息是按磁道和扇区来存储的，磁道是由外向内的一个个同心圆，磁道编号从外向内越来越大；每个磁道又等分成若干个扇区，扇区绕着磁道依次编号，扇区数由系统的格式化程序决定。每个扇区可以存储若干个字节，字节数也是由格式化程序来定的。1.44 MB软盘片有两面，每面80个磁道，每道18个扇区，每个扇区存储512个字节，如图1-14所示。

软盘驱动器 软盘

图1-13 软盘驱动器和软盘

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图1-14 软盘的磁道和扇区示意图

2）硬盘与硬盘驱动器

硬盘（Hard Disk）具有容量大、读写快、使用方便、可靠性高等特点。它是由多张硬质的合金材料构成的盘片组成，连同驱动器一起密封在壳体中。硬盘多层磁性盘片被逻辑划分为若干同心柱面（Cylinder），每一柱面又被分成若干个等分的扇区。

硬盘驱动器把盘片和读写盘片的电路及机械部分做在一起，简称硬盘。目前硬盘大体分3类：内部硬盘，盒式硬盘（可移动硬盘）和硬盘组（如图1-15所示）。硬盘通常固定在主机箱内。目前微机上使用的硬盘，存储容量大多在60 GB~120 GB之间。

外观 内部结构 移动硬盘 硬盘组

图1-15 硬盘

3）光盘存储器

光盘存储器包括光盘驱动器和光盘（如图1-16）。光盘驱动器是多媒体计算机中最基本的硬件，它是采用激光扫描的方法从光盘上读取信息。光盘驱动器分为两种：CD型和DVD型，并且后者有逐步取代前者趋势。光盘存储容量大，常用的CD-ROM盘片可以存储650MB的信息。光盘读取速度快、可靠性高、使用寿命长、携带方便，现在大量的软件、数据、图片、影像资料等都是利用光盘来存储的。

图1-16 光盘驱动器和光盘

常用光盘：

CD（Compact Disk）型：CD-ROM（用户只读），CD-R（用户只写一次可读多次）和CD-RW（可写可删除）。

DVD型包括两类：①Digital Video Disk，数字视频光盘，是一种只读型光盘, 必须由专门的硬碟机播放。②Digital Versatile Disk，数字通用光盘，以MPEG-2为标准，容量达4.7 GB以上。

4）U盘存储器（FLASH存储器）

U盘（有时称为锐盘、优盘、魔盘或闪盘）是一种可以直接插在通用串行总线USB端口上的能读写的外存储器，如图1-17所示。作为新一代的可移动的外存储器，U盘目前已被广泛使用，它的存储介质是快闪存储器（Flash Memory）。

图1-17 U盘

U盘有许多优点：体积小，重量轻，便于携带；防震性能好；无需使用驱动器；接口是USB，无需外接电源，支持即插即用和热拔插；存储容量较大（数十兆~千兆）；存取速度较快（约为软盘的15倍）；耐用性好（可重复擦写100万次）等。

（2）输入/输出接口（I/O）电路

输入/输出接口简称I/O接口，是CPU与外部设备间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连。I/O接口分总线接口和通信接口两类。

总线接口是指把微机总线通过电路插槽接入各种功能卡。常用的总线接口有AT总线接口、PCI总线接口、IDE总线接口等。如16位声卡、低速的显示适配器、网卡等就通过AT总线接口连入微机系统。

通信接口是指微机系统与其他系统直接进行数字通信的接口电路，通常分为串行通信接口和并行通信接口，即串口和并口。串口一般用于连接Modem、鼠标等，而并口多用于连接打印机等高速外部设备。

由于主机是由集成电路芯片连接而成，而I/O设备通常是机电结合的装置，它们之间存在着速度、时序、信号格式和类型等方面的差异。I/O接口主要是解决上述的不匹配，使主机与I/O设备能协调地工作。外部设备不同，与之匹配的接口电路也不同。

I/O接口通常称为适配器或适配卡，如软驱适配卡、硬盘适配卡（IDE接口）、并行打印机适配器，还包括显示接口、音频接口、网卡接口（RJ45接口）、Modem使用的电话接口（RJ11接口）等。有的微机系统将这些适配器做在一块电路板上，成为复合适配卡，通常称为多功能卡。

1.3.3 计算机软件系统

软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需的文档的集合。

所谓的软件系统是指计算机正常运行时所必需的各种程序和数据，是为了运行、维护、管理、应用计算机所编制的“看不见”、“摸不着”的程序集合。软件发展的目的是为了扩展计算机的功能，为用户编制解决各种问题的源程序提供更加简单、方便、可靠的手段。软件是建立在硬件基础上的，没有硬件的物质支持，软件就无法生根，所谓的软件功能也就更加谈不上。没有装软件的机器称为“裸机”，而“裸机”是无法工作的，因此只有将硬件系统和软件系统有机地组合在一起，形成一个完整的计算机系统，才能使计算机正常运转，发挥出其作用。

软件系统一般分为系统软件和应用软件两类。

1．系统软件

系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备工作、支持应用软件的开发和运行的软件。其作用是对计算机系统进行调度、管理、监控和服务，扩展计算机的功能，提高使用效率，给使用计算机的用户提供方便。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性软件等。

（1）操作系统（Operation System）

为使计算机系统的所有资源协调一致、有条不紊地工作，必需有软件来进行统一管理和统一调度，这种软件称为操作系统。它的功能就是管理计算机系统的全部硬件、软件资源，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，并为用户提供方便的、友好的服务界面。

操作系统可分为单用户操作系统、批处理操作系统、实时操作系统、分时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统等六种。

目前常用的操作系统有Windows，Unix，Linux等。

（2）程序设计语言和语言处理程序

程序设计语言就是用户用来编写程序的语言。程序设计语言是软件系统重要的组成部分，一般分为机器语言、汇编语言和高级语言。

1）机器语言

机器语言（Machine Language）是由“0”、“1”代码组成的计算机能够直接识别和执行的语言。编写的程序的优点是能够直接被计算机所执行，因此节省内存且运行速度快。缺点是指令难读、难记、难编程、难修改，且由于机器语言与具体机型密切相关，因此编写的程序通用性差，难以推广。

2）汇编语言

汇编语言（Assemble Language）是采用一定的助记符号表示的语言，即用助记符代替了二进制形式的机器指令。例如用ADD（Addition）表示做加法，每条汇编语言的指令通常对应一条机器语言的代码。

计算机硬件只能识别机器指令，用助记符表示的汇编指令是不能直接执行的。CPU要执行汇编语言编写的程序，必须先用一个程序将汇编语言源程序翻译成等价的机器语言程序，用于翻译的程序称为汇编程序。汇编程序可把用符号表示的汇编指令码翻译成与之对应的机器语言指令码。用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序，变换后得到的机器语言程序称为目标程序。

3）高级语言

高级语言（High Level Programming Language）是一种与人的自然语言和数学语言相接近的，且易学、易懂、易书写的语言。用高级语言编写的程序称为“源程序”，这个“源程序”必须通过语言处理程序“翻译”，变成机器语言后，才能被计算机识别、执行，我们把“翻译”后形成的机器语言程序称为“目标代码”。翻译程序有两种类型：编译和解释。

编译方式就是把源程序用相应的编译程序翻译成相应的机器语言的目标代码，然后通过连接装配程序连接成可执行程序，再运行可执行程序，得到结果。下次再运行该程序时，只需直接运行可执行程序，不必重新编译、连接，因此执行速度快，但由于需要保存目标代码，因此程序占用内存较多。高级语言中如C语言，PASCAL语言，FORTRAN语言等翻译时都是采用编译方式。

解释方式就是将源程序输入计算机后，翻译程序翻译一条语句，计算机就执行一条语句，执行完就得出结果，而不保留解释所得的机器代码，下次再运行该程序时还要重新再翻译、执行，因此执行的速度较慢，同时，由于不需要保存翻译的机器代码，因此程序占用内存较少。高级语言中BASIC语言翻译时采用解释方式。

必须指出，用任何高级语言编写的程序（源程序）都要通过编译程序翻译成机器语言程序（目标程序）后才能被计算机执行，如流程图1-18所示；或者通过解释程序边解释边执行。

源程序

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图1-18 程序编译流程图

（3）实用程序

实用程序是面向计算机维护的软件，包括错误诊断、自动纠错、系统的测试和调试程序等。

（4）数据库管理系统（DBMS）

数据库管理系统软件作为一种通用软件，是处理基于某种数据模型的数据库的管理软件，如FoxPro，Access，Oracle，Informix等。

2．应用软件

应用软件是指利用计算机及其提供的系统软件，为解决某一专门的应用问题而编制的程序集合。由于计算机的应用已经渗透到各个领域，所以应用软件也是多种多样的，例如科学计算、医院信息管理、文字处理、辅助系统、游戏等方面的程序。Windows环境下，微软公司的集成软件包Microsoft Office中的Word，Excel，PowerPoint等都属于应用软件。

常用的应用软件有以下几种：

（1）编辑软件

编辑软件是在计算机上对各类文件、表格进行编辑、排版、存储、传送、打印等所必需的工具。现在的编辑软件大都能够实现图文混排，并且可以含有复杂的数学公式。

专门用于字处理的应用软件主要有Word 2000，WPS 2000等，这些软件除了具有字处理功能外，还有一定的表格处理能力。

（2）统计分析软件

此类软件将常用的统计分析方法编制成程序，组装成一个软件包，当用户需要用某种统计方法去分析数据时，可调用软件包中对应的程序，计算机执行该程序后，对所给的数据进行统计、分析，最后输出数据、图形或报表。如SAS，SPSS等。

（3）计算机辅助软件

计算机辅助设计软件目前研究得比较多，应用也比较广泛，涉及到工业、制造业和教育界等，如CAD，CAT，CAI，CAM等。

（4）医院信息系统（Hospital Information System）

此外，还有图形图像处理软件、保护计算机安全的软件、实时处理软件等。

总之，随着计算机技术的发展和应用的普及，计算机应用的范围越来越广，所涉及的领域越来越多，因而面向不同对象、具有不同功能的应用软件的种类也越来越多。

计算机软件系统直接影响和制约着计算机的发展与应用。一台计算机只有配备了一定功能且使用方便的软件，才能加强它的使用范围，扩大它的应用领域。因此对计算机软件的研制和开发，是计算机工业的重要组成部分，它将会促进计算机的发展，推动计算机的进一步普及。

1.4 微型机常用外部设备与使用

1.4.1 输入设备

输入设备用于将文件、程序以及相关数据等信息输入到计算机的存储设备以备使用。

1．键盘

键盘作为微机的标准输入设备，是计算机常用的人工输入字符、数字的输入设备。键盘也是用户向计算机发布命令和输入数据的设备。键盘通过一根带有5针插头的五芯电缆与主板上的DIN插座相连，使用串行数据传输方式。

键盘上键位的排列有一定的规律。其排列按用途可分为基本键区、功能键区、全屏幕编辑键区、小键盘区，如图1-19所示。

功能键区

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图1-19 键盘平面图

（1）基本键区

基本键区是键盘操作的主要区域，各种字母、数字、符号以及汉字等信息都是通过在这一区域的操作输入计算机的（数字及运算符还可以通过小键盘输入）。

此键区的一些按键的作用如下：

Caps lock：

大小写字母切换键。

Enter：

回车键或换行键

Shift：

上档键，常与其他键或鼠标组合使用。

Ctrl：

控制键，常与其他键或鼠标组合使用。

Alt：

变换键，常与其他键组合使用。

Backspace：

退格键，按一次，消除光标左边的一个字符。

Tab：

制表键，按一次，光标跳8格。

（2）功能键区

键盘操作一般有两大类：一类是输入具体的内容；另一类是某种功能操作。功能键区的键位就属于第二类。

功能键（F1～F12）：每一个键位具体表示什么操作由具体的应用软件来定义。不同的程序可以对它们有不同的操作功能定义。

暂停键（Pause）：操作时直接击打一下该键，就可暂停程序的执行，如需要继续往下执行时，可以击打任意一个字符键。

（3）编辑键区

编辑是指在整个屏幕范围内，对光标的移动和有关的编辑操作。编辑键区的光标移动键在具有全屏幕编辑功能的程序中才起作用。该键区的操作主要有：

↑、↓、←、→：光标上移一行、光标下移一行、光标左移一列、光标右移一列。

Home、End、Page Up、Page Down：是光标移动键，它们的操作与具体软件的定义有关。

Del：删除光标位置处的一个字符。

Insert：设置改写或插入状态。

（4）小键盘区（数字/全屏幕操作键区）

该键区的键位几乎全是其他键区的重复键位，是为提高纯数字数据输入的速度而设。

Num Lock：控制转换键。当右上角的指示灯（Num Lock）亮时，表示小键盘的输入锁定在数字状态；当需要小键盘输入为全屏幕操作键的下档操作键时，可以击打一下（Num Lock）键，即可以看见（Num Lock）指示灯灭，此时表示小键盘已处于全屏幕操作状态，输入为下档全屏幕操作键。

2. 鼠标（Mouse）

鼠标是用于图形用户界面的操作系统和应用系统的快速输入设备，主要用途是用来定位光标或用来完成某种特定的操作（如发出指令、选择选项等），不能用于输入字符或数据。

鼠标的类型很多，按结构可分为两种：机械式和光电式。机械鼠标内有一滚动球，在普通桌面即可使用。光电式鼠标是通过其内部的一个光电探测器定位，一般需要在专用的反光板上使用。另外，目前无线鼠标的发展势头也很猛。如图1-20所示为几种鼠标。

从外观上看鼠标一般也可分为两键鼠标和三键鼠标（如图1-20），还出现了多键功能鼠标。

使用鼠标时，通常是先移动鼠标，使屏幕上的光标定位在某一指定位置上，然后再通过鼠标上的按键来确定所选项目或完成指定的功能。鼠标有5种基本操作：指向，单击，双击，拖动和右键单击。

安装鼠标要注意接口，常见的鼠标接口有串口、PS口、USB口，将鼠标直接插到微机的相应接口上即可。

机械鼠标 光电鼠标 无线鼠标

两键滚轮鼠标　　　　　

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图1-20 鼠标

3．扫描仪

扫描仪（如图1-21）作为计算机输入设备，可以将纸张、照片等上的文字和图形以扫描的方式输入到电脑，以做进一步的处理。

图1-21 扫描仪

扫描仪的主要性能指标是分辨率，分辨率越高，扫描所得的图像越好，目前常见的有600 DPI，1200 DPI等。

1.4.2 输出设备

1．显示器

显示器（又称监视器）是微机必备的基本输出设备，用来将系统信息、键盘输入的命令或数据、处理结果、用户程序等显示到屏幕上，是人机对话的一个重要工具。如图1-22为常用显示器。

显示器按结构可以分为CRT显示器和液晶显示器；按显示颜色可分为单色显示器和彩色显示器；按显示器的大小可分为14英寸、15英寸、17英寸、21英寸等。

显示器通过适当的显示适配器（即显卡）与主机相连，显卡是体现显示效果的必备设备。显卡的功能有：主机与显示器的格式转换，处理图形数据，加速图形显示等。显卡插在主板的扩展槽上。显卡的类型有EGA，VGA，SVGA，AVGA等。

分辨率是显示器的一项技术指标，一般用横向点数×纵向点数表示，有640×480，800×600，1024×768，1280×1024，1600×1280等规格，分辨率越高，则显示效果越清晰。

CRT显示器 纯平显示器 液晶显示器

图1-22 常用显示器

2．打印机

打印机是计算机系统中常用的输出设备之一。利用打印机可以打印出各种资料、文书、图形、图像等。根据打印机的工作原理，可以将打印机分为3类：针式打印机，喷墨打印机和激光打印机，如图1-23所示。

激光打印机

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Õëʽ´òÓ¡»ú

图1-23 打印机

针式打印机又称点阵打印机，是利用打印头内的点阵撞针，撞击打印色带，在打印纸上产生打印效果，常用的针式打印机为24针宽行打印机。

喷墨打印机的打印头由几百个细小的喷墨口组成，当打印头横向移动时，喷墨口可以按一定的方式喷射出墨水，打到打印纸上，形成字符，图形等。

激光打印机是一种高速度、高精度、低噪声的非击打式打印机，它是激光扫描技术与电子照相技术相结合的产物，激光打印机具有最高的打印质量和最快的速度，可以输出漂亮的文稿，也可以输出直接用于印刷制版的透明胶片。

打印机通常通过并口与计算机相连，连接后，要安装相应的驱动程序才可以使用。

1.4.3 其他外部设备

1．声卡

声卡是多媒体计算机的核心设备之一，是处理声音信息的设备。声卡完成声音信号与数字信号的转换。

2．视频卡

视频卡是多媒体计算机的主要设备之一，功能是完成各种制式的模拟信号数字化，并将这种信号压缩和解压缩后与VGA信号叠加显示。

3．调制解调器（Modem）

调制解调器是调制器和解调器的简称，用于进行数字信号与模拟信号间的转换。当通过电话联网时，在计算机与电话之间需要连接一台调制解调器来完成电话传输的信号（模拟信号）与计算机处理的信号（数字信号）的转换。

1.5 计算机的基本工作原理

1.5.1 “存储程序”工作原理

计算机的工作过程就是CPU执行程序并对数据进行处理的过程。程序是完成指定任务的有限条指令的集合，每一条指令都对应于计算机的一种基本操作，计算机的工作就是识别并按照程序的规定执行这些指令。冯·诺依曼于1946年提出了一个完整的计算机原型，称之为冯·诺依曼原理，既存储程序原理。它包括以下三个方面的内容：

①计算机的硬件由五部分组成：输入设备，输出设备，运算器，存储器和控制器。

②计算机中的信息是以二进制表示的。

③程序是自动执行的（存储程序原理）。

冯·诺依曼原理决定了计算机的工作方式取决于计算机在以下两个方面的能力，一是计算机是否能够存储程序，二是计算机是否能够自动执行程序。遵循冯·诺依曼原理的计算机利用主存储器存放需执行的程序；中央处理器依次从主存储器中取出每一条指令，并经过分析后加以执行，直到全部指令执行完成。这就是计算机的存储程序工作原理。

虽然计算机技术的发展速度很快，今天人们可以不编程而能使用计算机，且科学家已经提出了研制非冯·诺依曼式的计算机，但是目前存储程序工作原理仍然是计算机的基本工作原理。

1.5.2 计算机的指令系统

计算机能够直接识别并执行的指令为机器指令。一台计算机可以识别许多机器指令，每一条指令都有不同的作用，计算机能够执行的全部指令集合称为指令系统。

一条指令由操作码和操作数两个部分组成，其格式如下：

操作码

操作数

1．操作码

指明计算机应执行的操作的二进制代码，它对应于一个动作，代表一种功能，如加法、减法、取数、存数等。

2．操作数

指明操作对象的内容或所在的单元地址，操作数在大多数情况下是地址码，也可以是操作数本身。

指令按功能可分为以下五类。

①数据处理指令：主要完成对数据的运算，如算术和逻辑运算。

②数据传送指令：实现数据存取和数据传送等操作。

③程序控制指令：主要是控制程序本身的执行顺序，实现程序的分支和转移。

④输入/输出指令：实现输入输出设备与主机之间的数据传递，如读写数据。

⑤其他指令：控制和管理计算机的硬件。

1.5.3 程序的自动执行

1．程序的自动执行

启动一个程序的执行只需将该程序的第一条指令在内存中的地址放入程序计数器（PC）；从PC中取出程序的第一条指令地址，再从地址中取出指令到CPU内部的指令译码器进行译码；由控制器发出相应的控制信号，按该指令的要求完成相关的操作；之后自动从内存中取出下一条指令，送到CPU中进行译码并执行；直到把程序中的指令执行完毕为止。程序的自动执行过程如流程图1-24所示。

非转移指令

PC+

1

PC

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图1-24 计算机自动执行程序的过程

2．指令的执行过程

指令的执行过程分为以下几个步骤：

①取指令：按照指令计数器地址，从内存中取出指令并送往指令寄存器。

②分析指令：分析指令寄存器中的指令，从中找到指令的操作码或操作数（或操作数的地址）。

③执行指令：根据分析结果，由控制器发出一系列控制信息，完成该指令的操作。

④反复：指令计数器加1，反复上述3个过程。如果遇到转移指令，则将转移地址放入指令计数器；如果为结束指令，则结束。

指令的执行过程如图1-25所示。

一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行越快。所谓CPU主频就反映了指令执行周期的长短。

总之，计算机的工作就是执行程序，即自动连续地执行一系列指令。一条指令的功能虽然有限，但由多条指令组成的指令序列可以完成的任务是无限的。

起始

地址

内存储器

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2

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3

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1

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4

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1

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程序计数器

PC

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑

运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

（

2

）

（

3

）

（

1

）

（

4

）

（

1

）

内存储器

程序计数器

PC

0

10

0

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

图1-25 指令的执行过程

1.6 多媒体技术简介

简单地说，多媒体技术是指能够同时采集、处理、编辑、存储和展示多种信息承载媒体的技术。即将文字、声音、图形、静态图像、活动图像与计算机集成在一起的技术。

多媒体技术使计算机具有综合处理多种类型信息的能力，改善了计算机使用的界面，丰富了计算机的应用领域，为计算机进入人们的生活领域提供了新的途径。

1.6.1 多媒体概述

1．媒体（Medium，Media（复））

媒体又称媒介、媒质，通常指大众信息传播的手段，如报纸、杂志、电视等。在计算机信息领域中媒体泛指一切信息载体，有两种含义：一类是指用于存储信息的实体，如磁带、磁盘、光盘和半导体存储器等；另一类是指信息的表现形式或用于承载信息的载体，概括为声（声音）、文（文字）、数（各种采集或生成的数据）、图（静态图像或动态视频）、形（波形、图形、动画）等五类。通常所说的多媒体技术中的“媒体”指的是后者。

�

图1-2 “曙光4000A”

_1180788477.doc

高位

2 116

2 58

2 29

2 14

2 7

2 3

2 1

0

2 232

余0 K0

余0 K1

余0 K2

余1 K3

余0 K4

余1 K6

余1 K6

余1 K7

_1184070344.doc

计算机系统

硬件系统

软件系统

主机

外设

中央处理机（CPU）

内存储器

输入/输出设备

外存储器

运算器

控制器

操作系统

语言处理程序

程序设计语言

实用程序

系统软件

应用软件

应用软件包

用户程序

_1184164186.doc

字形码转换

处理汉字

键盘管理程序

外码 内码 地址码 输出汉字

各种汉字输入码

_1214741866.doc

0.125

× 2

0.250 整数0……K(1

× 2

0.500 整数0……K(2

× 2

1.000 整数1……K(3

低位

高位

_1216734462.doc

连接程序

汇编或编译程序

输入、编辑程序

可执行程序

目标程序

源程序

_1217049467.doc

起始

地址

内存储器

£¨

2

£©

£¨

3

£©

£¨

1

£©

£¨

4

£©

£¨

1

£©

ÄÚ´æ´¢Æ÷

程序计数器

PC

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑

运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

（

2

）

（

3

）

（

1

）

（

4

）

（

1

）

内存储器

程序计数器

PC

0

10

0

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

起始

地址

内存储器

£¨

2

£©

£¨

3

£©

£¨

1

£©

£¨

4

£©

£¨

1

£©

ÄÚ´æ´¢Æ÷

程序计数器

PC

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑

运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

（

2

）

（

3

）

（

1

）

（

4

）

（

1

）

内存储器

程序计数器

PC

0

10

0

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

� EMBED Word.Document.8 \s ���

_1180792497.doc

起始

地址

内存储器

£¨

2

£©

£¨

3

£©

£¨

1

£©

£¨

4

£©

£¨

1

£©

ÄÚ´æ´¢Æ÷

程序计数器

PC

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑

运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

（

2

）

（

3

）

（

1

）

（

4

）

（

1

）

内存储器

程序计数器

PC

0

10

0

指令寄存器

自动加

1

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

地址

内容

…

……

0

1

0

0

070270

0

1

0

1

…

……

0270

数据

程

序

区

数

据

区

控制

器

运算

器

_1119030711.doc

程序计数器PC

指令寄存器

（1）

地址�

内容�

�

…�

……�

�

0100�

070270�

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0101�

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�

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�

�

…�

……�

�

0270�

数据�

�

�

�

�

�

�

�

自动加1

程序

区

操作码

07

地址码

0270

译码器

操作控制线路

累加寄存器

算术、逻辑运算部件

内存储器

数据

区

控制器

运算器

（1）

（2）

（3）

（4）

运算器

控制器

数据

区

程序

区

地址�

内容�

�

…�

……�

�

0100�

070270�

�

0101�

�

�

�

�

�

…�

……�

�

0270�

数据�

�

�

�

�

�

�

�

算术、逻辑运算部件

累加寄存器

操作控制线路

译码器

地址码

0270

操作码

07

自动加1

指令寄存器

程序计数器PC

0100

内存储器

（1）

（4）

（1）

（3）

（2）

起始地址内存储器

_1184746760.doc

_1184746785.doc

_1184582245.doc

状态指示灯区

左手键区

功能键区

右手键区

数字小键盘区

编辑键区

基本键区

_1184071429.doc

　？

非转移指令

PC+1 PC

完成本条指令的操作

程序结束

形成转移地址

指令译码

取出指令

启动地址 PC

停机指令

转移指令

_1184071570.doc

激光打印机

喷墨打印机

针式打印机

_1184070496.doc

� EMBED Word.Picture.8 ���

IDE接口

外设接口

CPU插槽

内存插槽

AGP扩展槽

PCI扩展槽

_1179684288.doc

_1180790674.doc

� EMBED PBrush ���

_1180791707.doc

� EMBED PBrush ���

_1184070090.doc

主机箱

显示器

音箱

鼠标

键盘

_1180792061.doc

两键滚轮鼠标　　　　　 　 　 三键滚轮鼠标

_1180791566.doc

� EMBED Word.Picture.8 ���

_1180292006.doc

_1180790648.doc

（内码）

统一的汉字机内码

键盘管理程序

（外码）

各种汉字输入码

_1180783210.doc

_1180783262.doc

_1156942418.doc

_1156529074.bin

_1180525703.doc

_1121061227.doc

快门(向左推)

写保护口

零磁道

末磁道

扇区

磁道旋转方向

_1152533145.doc

主机

地址总线（16/20/24/32/36根）

控制总线（13/16…根）

多片/多条存储器

多片输入/输出

接口电器

1片/多片

中央处理器

I/O外部设备

数据总线(16/32/64根)

_1089289442.doc