内容简介本书根据教育部计算机基础课程教学指导委员会提出的 计算机基础课程教学基本要求, 兼顾全国计算机等级考试 ( 二级 ) 新大纲中对公共基础部分知识的要求编写 本书分为 7 章, 覆盖了计算机基础知识 计算机系统结构 操作系统 计算机网络 多媒体技术 软件技术和计算机信息安全技术等内容 本书的难

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1 中国科学院教材建设委员会 十二五 规划教材普通高等教育 十二五 规划教材 大学计算机概论 李丕贤孙美乔编著 魏媛媛吴江滨许小静副主编 北京 科学出版社职教技术出版中心

2 内容简介本书根据教育部计算机基础课程教学指导委员会提出的 计算机基础课程教学基本要求, 兼顾全国计算机等级考试 ( 二级 ) 新大纲中对公共基础部分知识的要求编写 本书分为 7 章, 覆盖了计算机基础知识 计算机系统结构 操作系统 计算机网络 多媒体技术 软件技术和计算机信息安全技术等内容 本书的难度适中, 简单 易学 实用, 适合作为高等学校计算机基础课的指导教材, 也可作为计算机初学者的自学参考书 此外, 大学计算机实验 为本书的配套教材, 补充和拓展了大学计算机教学中的实验教学部分 图书在版编目 (CIP) 数据大学计算机概论 / 李丕贤, 孙美乔编著. 北京 : 科学出版社,2014 ( 普通高等教育 十二五 规划教材 ) ISBN Ⅰ. 1 大 Ⅱ. 1 李 2 孙 Ⅲ. 1 电子计算机 - 高等学校 - 教材 Ⅳ. 1TP3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2012) 第 号 责任编辑 : 宋丽余梦洁 / 责任校对 : 柏连海责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 出版北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : 印刷科学出版社发行各地新华书店经销 * 2014 年 8 月第一版开本 : / 年 8 月第一次印刷印张 :16 字数 : 定价 :32.00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换 ) 销售部电话 编辑部电话 版权所有, 侵权必究举报电话 : ; ;

3 前 言 7 lpx-dlu@163.com 编者 科学出版社职教技术出版中心

4 目 录 第 1 章计算机概述 计算机的产生与发展 计算机的产生 计算机的发展过程 未来的新型计算机 计算机的分类 计算机的应用 计算机的作用 计算机的应用领域 计算机中信息的处理方式 数制的概念 数制间的转换 信息的表示方式 信息技术与信息化社会 信息与信息技术 信息化社会 大数据时代 计算机与计算思维 34 思考与练习 37 第 2 章计算机系统 计算机系统结构 计算机系统组成 计算机工作原理 微型计算机系统结构 微型计算机系统的基本组成 微型计算机系统的层次结构 微型计算机硬件系统 主机系统 存储系统 输入 / 输出系统 56

5 大学计算机概论 iv 微型计算机的选配及性能指标 计算机软件系统 系统软件 应用软件 计算机用户 硬件系统与软件系统的关系 69 思考与练习 69 第 3 章操作系统 操作系统的概念 操作系统的历史 操作系统的体系结构 软件概述 操作系统组件 系统启动 协调机器的活动 进程的概念 进程管理 处理进程间的竞争 信号量 死锁 安全性 来自机器外部的攻击 来自机器内部的攻击 典型操作系统简介 Windows 操作系统 Unix 操作系统 Linux 操作系统 手持设备操作系统 中文操作系统 Windows Windows 7 操作系统特点 Windows 7 操作系统的文件管理 Windows 7 操作系统的程序管理 96 科学出版社职教技术出版中心 Windows 7 操作系统磁盘管理 Windows 7 操作系统的控制面板 信息交换与共享 99 思考与练习 99

6 目 录 第 4 章计算机网络 计算机网络概述 计算机网络的定义 计算机网络的发展 计算机网络系统的组成 计算机网络的分类 计算机网络体系结构 网络体系结构概述 OSI/RM 网络体系结构 TCP/IP 网络体系结构 网络互连设备 物理层网络设备 数据链路层网络设备 网络层网络设备 传输介质 其他网络设备 局域网技术 局域网概述 局域网体系结构 以太网 网络操作系统 Internet 基础 Internet 概述 Internet 接入方式 Internet 关键技术 Internet 服务与应用 万维网服务 电子邮件服务 文件传输服务 远程登录服务 网上电话与网上会议服务 云计算服务 目前流行 Internet 服务的特点 网络信息搜索 物联网 151 v

7 大学计算机概论 vi 思考与练习 153 第 5 章多媒体技术 多媒体技术概述 多媒体的概念 多媒体技术的特点 多媒体数据的类型 多媒体技术的发展和应用 多媒体计算机系统 多媒体硬件系统 多媒体软件系统 数字图像 位图图像 矢量图形 数字音频 声音数字化 音频的文件格式 音频采集处理 数字视频 视频的基础知识 数据压缩技术 173 思考与练习 174 第 6 章软件技术 软件工程基础 软件工程概述 结构化开发方法 面向对象的开发方法 软件测试与维护 软件开发过程模型 程序设计基础 程序和程序设计语言 188 科学出版社职教技术出版中心 程序设计步骤与风格 结构化程序设计 面向对象程序设计 算法与数据结构 196

8 目 录 算法 数据结构的基本概念 线性表 栈和队列 树与二叉树 查找与排序 数据库技术基础 数据库系统的基本知识 数据模型 数据库设计 常见的数据库管理系统简介 220 思考与练习 221 第 7 章计算机信息安全技术 信息安全概述 信息安全的概念 信息系统安全的内容 信息安全防范技术 信息存储安全技术 信息访问控制技术 防火墙技术 Windows 操作系统安全防范 计算机病毒 计算机病毒基础知识 计算机病毒的防范 网络道德及相关法规 网络道德 计算机犯罪和计算机安全法律法规 计算机知识产权 计算机知识产权的范围 基于版权的软件分类标准 243 思考与练习 245 参考文献 246 vii

9 第 1 章计算机概述 计算机是人类最伟大的科学技术发明之一, 对信息化社会生产和人民生活产生了极其深刻的影响 在我国实现全面建设小康社会的宏伟目标, 坚持以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化, 走新型工业化道路的进程中, 以计算机技术 网络通信技术和多媒体技术为主要标志的信息技术涉及所有领域, 已渗透到信息化社会经济的各行各业 不同学科有不同的专业背景, 计算机则是拓展专业研究的有效工具, 学习必要的计算机知识, 掌握一定的计算机操作技能, 是现代人的知识结构中不可缺少的组成部分 本章主要内容如下 1) 计算机的产生与发展 2) 计算机的分类 3) 计算机的应用 4) 计算机中信息的处理方式 5) 信息技术与信息化社会 6) 大数据时代 7) 计算机与计算思维 计算机的产生 1. 早期的计算装置 1.1 计算机的产生与发展 计算机的产生是从人类对计算工具的需求和早期开发开始的 在人类文明发展的早期就遇到了计算问题, 在漫长的人类进化和文明发展过程中, 人类的大脑逐渐具有了一种特殊的本领, 就是把直观的形象变成抽象的数字, 进行抽象思维活动 在古人类曾经生活过的岩石洞里发现的刻痕说明人类文明发展的早期就有了计算问题的需要和能力 计算需要借助于一定的工具来进行, 人类最初的计算工具就是人类的双手, 掰着手指头数数就是最早的计算方法 一个人天生有十个手指头, 因此十进制就成为人们最熟悉的进制计数法 科学出版社职教技术出版中心 由于双手的局限性, 为了延伸手在这方面的功能, 人类开始学习使用遍地可寻的石子 小木棍等身外之物作为计算工具 随着人类文明的发展, 人类还发明了各种各样 越来越复杂的专用计算工具, 计算方法也越来越高级 计算工具的源头可以上溯至 2000

10 大学计算机概论 多年前的春秋战国时代, 据史料记载, 我国在周朝就发明了算筹, 如图 1-1 所示, 它是世界上最早的计算工具 在唐朝又发明了更为方便的算盘, 如图 1-2 所示, 它结合了十进制计数法和一整套计算口诀, 能够很方便地实现各种基本的十进制计算, 即使在今天也还能在许多地方看到它的身影 有人认为算盘是最早的数字计算机, 而珠算口诀则是最早的体系化算法, 这些都是古代人类寻求计算工具的辉煌成就 图 1-1 中国古代算筹 图 1-2 算盘 1620 年, 英国数学家甘特把计算好的对数值刻在木板上, 通过滑动木板就能很快读出计算的结果 这使得繁复的科学技术数据计算变得更简单, 应用更便捷, 称其为计算尺, 如图 1-3 所示, 它是一项伟大的计算工具发明, 它是世界上最早的模拟计算工具, 是后来的科学研究和技术设计活动中最不可缺少的计算工具 计算尺约经历了 350 年的辉煌历史, 推动了世界科学技术的发展进程, 为人类做出了无法估量的伟大贡献 直到 20 世纪中叶, 计算尺才逐渐被袖珍计算器所取代 随着西方工业革命的开始, 各种机械设备被发明出图 1-3 直型计算尺来 1625 年, 英格兰人威廉 奥特雷德 (William Oughtred) 发明了能进行 6 位数加减法的滑动计算尺 1642 年, 法国数学家帕斯卡 (Pascal) 采用与钟表类似的齿轮传动装置, 设计出能进行 8 位十进制计算的加法器, 如图 1-4 所示 1822 年, 英国数学家查尔斯 巴贝奇 (Charles Babbage) 提出了差分机, 如图 1-5 所示, 它由以前的每次只能完成一次算术运算, 发展为自动完成某个特定的完整运算过程 以后, 巴贝奇又设计了一种程序控制的通用分析机, 它是现代程序控制方式计算机的雏形, 其设计理论非常超前, 但限于当时的技术条件而未能实现 图 1-4 帕斯卡及其发明的加法器 图 1-5 巴贝奇及其发明的差分机 2. 电子计算机的诞生 (1) 理想计算机 的提出 1936 年, 英国科学家阿兰 麦席森 图灵 (Alan Mathison Turing, 如图 1-6 所示 ) 2

11 第 1 章计算机概述 发表了著名的关于 理想计算机 的论文, 后人称之为图灵机 (Turing Machine, 简称 TM) 图灵机由三部分组成 : 一条带子 一个读写头和一个控制装置 图灵机理论不仅解决了数理逻辑的一个基础理论问题, 而且证明了通用数字计算机是可能制造出来的 一般认为, 现代计算机的基本概念源于图灵, 为纪念图灵对计算机的贡献, 美国计算机博物馆于 1966 年设立了 图灵奖 阿兰 麦席森 图灵, 英国数学家 逻辑学家,1931 年图灵进入剑桥大学国王学院, 毕业后到美国普林斯顿大学攻读博士学位, 二战爆发后回到剑桥 他是计算机逻辑的奠基者, 许多人工智能的重要方法也源自于这位伟大的科学家 他对计算机的重要贡献在于他提出的有限状态自动机, 也就是图灵机的概念 ; 对于人工智能, 它提出了重要的衡量标准 图灵测试, 如果有机器能够通过图灵测试, 那它就是一个完全意义上的智能机, 和人没有区别了 他杰出的贡献使他成为计算机界的第一人, 为了纪念这位伟图 1-6 阿兰 麦席森 图灵大的科学家, 人们将计算机界的最高奖定名为 图灵奖 (2) 电子计算机的诞生推动计算工具不断开发和升级的最重要因素是社会的需求,20 世纪社会的发展和科学技术的进步对新的计算工具提出了更高 更强烈的需求, 军事和战争的需要成为一个重要的因素 随着第二次世界大战的爆发, 各国科学研究的主要精力都转向为军事服务 为了设计更先进的武器, 提高计算工具的计算速度和精度成为人们开发新型计算工具的突破口 德国科学家康拉德 楚泽 (Konrad Zuse) 最先采用电气元件制造计算机 他在 1941 年制成的全自动继电器计算机 Z-3, 已具备浮点记数 二进制运算 数字存储地址的指 令形式等现代计算机的特征 1943 年, 英国科学家研制成功的 巨人 计算机, 专门用于破译德军密码 1944 年, 美国科学家艾肯 (H.Aiken) 在 IBM 支持下, 也研制成功了机电式计算机 MARK-I 这是世界上最早的通用型自动机电式计算机之一, 它取消了齿轮传动装置, 以穿孔纸带传送指令 真正具有现代意义的计算机是在 1946 年 2 月 15 日, 在美国宾夕法尼亚大学, 由物理学家约翰 莫奇勒博士 (John W. Mauchly) 和电气工程师普雷斯波 埃克特 (J. Prespen Eckert) 领导的研制小组为精确测算炮弹的弹道特性而制成了世界上第一台真正能自动运行的电子数字计算机, 名字叫 ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator, 电子数字积分计算机 ), 如图 1-7 所示 其主要元件是电子管, 每秒钟能完成 5000 次加 科学出版社职教技术出版中心 法,300 多次乘法运算, 比当时最快的计算工具快 300 倍 该机器使用了 1500 个继电器, 个电子管, 占地 170m 2, 重达 30 多吨, 耗电 150kW, 耗资 40 万美元, 真可谓 庞然大物 用 ENIAC 计算题目时, 首先, 人要根据题目的计算步骤预先编好一条条指令, 3

12 大学计算机概论 再按指令连接好外部线路, 然后启动它自动运行并输出结果 当要计算另一个题目时, 必须重复进行上述工作, 所以只有少数专家才能使用 尽管这是 ENIAC 机的明显弱点, 但它使计算一条弹道的工作时间缩短到 30s, 而过去借助机械的分析机需 7~ 20h, 使科学家们从奴隶般的计算中解放出来 ENIAC 机的问世标志着电子计算机时代的到来, 它的出现具有划时代的伟大意义 在 ENIAC 的研制过程中, 由美籍匈牙利数学家冯 诺依曼 (John von Neumann, 如图 1-8 所示 ) 总图 1-7 电子数字积分计算机结并提出两点改进意见 其一是计算机内部直接采用二进制数进行计算 ; 其二是将指令和数据都存储起来, 由程序控制计算机自动执行 冯 诺依曼 (John von Neumann,1903~1957), 著名数学家 1903 年 12 月 3 日生于匈牙利布达佩斯,1957 年 2 月 8 日在华盛顿因患癌症去世 他从小就显示出数学天才, 1921~1925 年在布达佩斯大学注册当学生, 但并不听课, 只是每年按时参加考试 ; 并于 1921 年入柏林大学,1923 年在瑞士苏黎世联邦工业大学学习化学,1925 年取得化学工程师的资格 在此期间, 他也听数学课, 受到了 D. 希尔伯特和他的学生 E. 施密特和 H. 外尔的思想影响, 开始研究数理逻辑 1926 年春在布达佩斯大学获博士学位 随后去格丁根大学任希尔伯特的助手 1927 年任柏林大学讲师 图 1-8 冯 诺依曼 1929 年任汉堡大学讲师 1930 年应聘到普林斯顿大学任教, 1933 年成为新建的普林斯顿高等研究所教授 第二次世界大战期间, 曾任研制原子弹的顾问, 并参加研制计算机 1954 年成为美国原子能委员会委员并移居华盛顿 冯 诺依曼是 20 世纪最重要的数学家之一, 在纯粹数学和应用数学方面都有杰出的贡献 他的工作大致可以分为两个时期,1940 年以前, 主要是纯粹数学的研究 1940 年以后转向应用数学 如果说他的纯粹数学成就属于数学界, 那么他在力学 经济学 数值分析和电子计算机方面的工作则属于全人类 冯 诺依曼对世界上第一台电子计算机 ENIAC( 电子数字积分计算机 ) 的设计提出过建议,1945 年 3 月他在共同讨论的基础上起草 EDVAC( 电子离散变量自动计算机 ) 设计报告初稿, 这对后来计算机的设计有决定性的影响, 特别是确定计算机的结构, 采用存储程序以及二进制编码等, 至今仍为电子计算机设计者所遵循 4

13 第 1 章计算机概述 计算机的发展过程 1. 电子计算机的发展从第一台电子计算机诞生到现在, 计算机技术以前所未有的速度迅猛发展, 经历了大型计算机阶段 微型机阶段及网络阶段 对于传统的大型机, 通常根据计算机所采用的电子元件不同而划分为电子管计算机 晶体管计算机 中小规模集成电路计算机及大规模和超大规模集成电路计算机 4 代, 如表 1-1 所示 表 1-1 计算机发展的 4 个阶段 代次 第一代 第二代 第三代 第四代 时间 1946~1957 年 1958~1964 年 1965~1971 年 1972 年至今 主要电子器件 电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模和超大规模集成电路 内存储器 汞延迟线 磁芯存储器 半导体存储器 半导体存储器 外存储器 纸带 卡片 磁带和磁鼓 磁盘 磁带 磁盘 磁带 磁盘 光盘等大容量存储器 处理速度 ( 每秒执行的指令数 ) 几千至几万条 几十万条 几百万条 上亿条 代表机型 UNIVAC-I IBM-7000 系列机 IBM-360 系列机 IBM4300 系列 3080 系列 3090 系列和 900 系列 第一代计算机主要特点 : 内存容量非常小 ( 仅为 1000~4000 字节 ); 计算机程序设计语言处于最低阶段, 用一串 0 和 1 表示的机器语言进行编程, 直到 20 世纪 50 年代才出现了汇编语言 ; 尚无操作系统出现, 操作机器困难 它体积庞大 造价昂贵 速度低 存储容量小 可靠性差 不易掌握, 主要应用于军事目的和科学研究领域的狭小天地里 第二代计算机主要特点 : 采用了晶体管这种体积小 重量轻 开关速度快 工作温度低的电子元件 ; 内存储器容量扩大到几十万字节 ; 计算机软件有了较大发展, 出现了监控程序并发展成为后来的操作系统 ; 推出了 Basic Fortran Cobol 高级程序设计语言 与第一代计算机相比体积小 成本低 重量轻 功耗小 速度高 功能强和可靠性高, 主要应用范围由单一的科学计算扩展到数据处理和事务管理等其他领域 第三代计算机的特点 : 体积 重量 功耗进一步减小, 运算速度 逻辑运算功能和可靠性进一步提高 ; 软件在这个时期形成了产业 ; 出现了分时操作系统 ; 提出了结构化 模块化的程序设计思想, 出现了结构化的程序设计语言 Pascal 这一时期的计算机同时向标准化 多样化 通用化发展 第四代计算机的特点 : 磁盘的存取速度和容量大幅度上升 ; 体积 重量和耗电量进一步减少 ; 计算机的性能价格比基本上以每 18 个月翻一番的速度上升 ; 操作系统向虚拟操作系统发展, 数据库管理系统不断完善和提高, 程序语言进一步发展和改进, 软件行业的发展成为新兴的高科技产业 ; 计算机的应用领域不断向社会各个方面渗透 随着计算机科学技术的迅猛发展, 前 4 代计算机的时代划分规则在新形势下已经不合适了 专家们呼吁不要再沿用 第 5 代计算机 的说法, 而采用 新一代计算机 的 科学出版社职教技术出版中心 5

14 大学计算机概论 说法 从 20 世纪 80 年代开始, 日本 美国等国投入大量人力 物力研制新一代计算机, 其目标是要使计算机像人一样能听 能看 能说和会思考 新一代计算机具有知识存储和知识库管理功能, 能利用已有知识进行推理判断, 具有联想和学习的功能 新一代计算机想要达到的目标相当高, 它涉及很多高新技术领域, 如微电子学 计算机体系结构 高级信息处理 软件工程方法 知识工程和知识库 人工智能和人机界面等 从研究成果来看, 尚无突破性进展 但可以预见, 新一代计算机的实现将对人类社会的发展产生深远的影响 2. 微型计算机的诞生与发展在计算机发展历程中一个重要转折点是微型计算机的问世 从第一台计算机 ENIAC 诞生到 20 世纪 70 年代初, 计算机一直向巨型化方向发展 所谓巨型化是指计算速度和存储容量不断提高 从 70 年代初期开始计算机又在向微型化方向发展 所谓微型化是指计算机的体积和价格大幅度降低 个人计算机 (personal computer,pc) 的出现就是计算机微型化的典型产物 昂贵而庞大的计算机演变为适合个人使用的 PC 机, 应当归功于超大规模集成电路的迅猛发展 PC 机所具有的强大的处理信息的功能来源于它有一个称为微处理器的大规模集成电路芯片, 微处理器包含了运算器和控制器 世界上第一个通用微处理器 Intel 4004 于 1971 年问世, 我们称它为第一代微处理器 按今天的标准衡量, 它处理信息的能力低得可怜, 但正是这个看起来非常原始的芯片改变了人类的生活 4004 微处理器包含了 2300 个晶体管, 支持 45 条指令, 工作频率 1MHz, 尺寸规格为 3mm 4mm 尽管它体积小, 但计算性能远远超过当年的 ENIAC 奔腾(Pentium) 微处理器于 2000 年 11 月发布, 频率为 1.5GHz, 随后陆续推出了 1.4~3.2GHz 的 P4 处理器 世界上第一台微型计算机 Altair8800 是 1975 年 4 月由一家名为 Altair 的公司推出的, 它采用 Zilog 公司的 Z80 芯片作为微处理器 虽然它是 PC 真正的 祖先, 但其在外形上与今天的 PC 差别很大 它没有显示器, 没有键盘, 面板上只有指示灯和开关, 给人的感觉更像一台仪器 PC 真正的雏形应该是苹果机, 它是由苹果 (Apple) 公司的创始人 史蒂夫 乔布斯 (Steven Paul Jobs) 和他的同伴在一个车库里组装出来的 这两个普通的年轻人坚信电子计算机能够大众化 平民化, 他们的理想是制造普通人都买得起的 PC 车库中诞生的苹果机在美国高科技史上留下了神话般的光彩 IBM 公司在 1981 年推出了首台个人计算机 IBM PC,1984 年又推出了更先进的 IBM PC/AT, 它支持多任务 多用户, 并增加了网络能力, 可联网 1000 台 PC 微型计算机在诞生之初就配置了操作系统, 其后操作系统也在不断发展中 在 20 世纪 70 年代中期到 80 年代早期, 微型计算机上运行的一般是单用户单任务操作系统, 如 CP/M CDOS(Cromemco 磁盘操作系统 ) MDOS(Motorola 磁盘操作系统 ) 和早期的 MS-DOS(Microsoft 磁盘操作系统 ) 20 世纪 80 年代以后到 90 年代初, 微机操作 6

15 第 1 章计算机概述 系统开始支持单用户多任务和分时操作, 以 MP/M XENIX 和后期 MS-DOS 为代表 近年来, 微型计算机操作系统得到了进一步发展, 以 Windows UNIX( 包括 Linux) Solaris MacOS 等为代表的新一代操作系统都已具有多用户和多任务 虚拟存储管理 网络通信支持 数据库支持 多媒体支持 应用编程接口 (API) 支持 图形用户界面 (GUI) 等功能 3. 计算机在中国的发展 我国从 20 世纪 50 年代开始研制高性能计算机系统, 与国际发展的阶段类似, 也经 历了小型机 大型机 超级计算机和高性能计算机时代 在这个发展过程中, 曙光 银河系列 神威系列都作出了突出的贡献 1958 年, 中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机 103 机, 标志着我国第一台电子计算机的诞生 1965 年, 中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机 109 乙机, 之后推出 109 丙机, 该机在两弹试验中发挥了重要作用 1974 年, 清华大学等单位联合设计 研制成功了采用集成电路的 DJS-130 小型计算机, 运算速度达每秒 100 万次 ;1983 年, 国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的银河 -I 巨型机, 这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑 1985 年, 原电子工业部 ( 现工业和信息化部 ) 计算机管理局研制成功了与 IBM PC 机兼容的长城 0520CH 微机 1992 年, 国防科技大学研制出银河 -II 通用并行巨型机, 峰值速度达 4 亿次 /s 浮点运算 ( 相当于 10 亿次 /s 基本运算 ), 为共享主存储器的四处理机向量机, 其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的, 总体上达到 20 世纪 80 年代中后期国际先进水平 它主要用于中期天气预报 1993 年, 国家智能计算机研究开发中心 ( 后成立北京市曙光计算机公司 ) 研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机, 这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器芯片和标准 UNIX 操作系统设计开发的并行计算机 1995 年, 北京市曙光计算机公司又推出了国内第一台具有大规模并行处理机结构的并行机曙光 1000( 含 36 个处理机 ), 峰值速度达 25 亿次 /s 浮点运算, 实际运算速度 10 亿次 /s 浮点运算 曙光 1000 与美国 Intel 公司 1990 年推出的大规模并行机体系结构与实现技术相近, 与国外的差距缩小到 5 年左右 1997 年, 国防科技大学研制成功银河 -III 百亿次并行巨型计算机系统, 采用可扩展分布共享存储并行处理体系结构, 由 130 多个处理结点组成, 峰值性能为每秒 130 亿次浮点运算, 系统综合技术达到 20 世纪 90 年代中期国际先进水平 1997~1999 年, 北京市曙光计算机公司先后在市场上推出具有机群结构的曙光 1000A 曙光 2000-I 曙光 2000-II 超级服务器, 峰值计算速度已突破每秒 1000 亿次浮点运算, 机器规模已超过 160 个处理机 1999 年, 国家并行计算机工程技术研究中心研制的神威 I 计算机通过了国家级验收, 并在国家气象中心投入运行 系统有 384 个运算处理单元, 峰值运算速度达每秒 3840 科学出版社职教技术出版中心 7

16 大学计算机概论 亿次 2000 年, 曙光计算机公司推出每秒 3000 亿次浮点运算的曙光 3000 超级服务器 2001 年, 中国科学院计算所研制成功我国第一款通用 CPU 龙芯 芯片,2002 年, 曙光计算机公司推出具有完全自主知识产权的 龙腾 服务器, 龙腾服务器采用了 龙芯 -1 CPU, 采用了曙光计算机公司和中科院计算所联合研发的服务器专用主板, 采用曙光 LINUX 操作系统, 该服务器是国内第一台完全实现自有产权的产品, 在国防 安全等部门将发挥重大作用 2003 年, 百万亿次数据处理超级服务器曙光 4000L 通过国家验收, 再一次刷新国产超级服务器的历史纪录, 使得国产高性能产业再上新台阶 2009 年 10 月 29 日, 每秒 1206 万亿次的峰值速度和每秒 万亿次的 Lin pack 实测性能, 使这台名为 天河一号 的计算机位居同日公布的世界超级计算机 100 强之首, 也使中国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家 2011 年 10 月 27 日, 我国第一台完全采用国产 CPU 处理器的千万亿次超级计算机 神威蓝光, 在国家超级计算济南中心投入使用 该机装有 8704 片国产 申威 核 64 位处理器, 仅 9 个机柜便能达到峰值性能每秒 1100 万亿次 计算能力超过 20 万台普通笔记本式计算机, 系统综合水平处于当今世界先进行列 该系统具备扩充至每秒万万亿次的潜力 天河一号 A 强大的运算能力, 主要来源于 nvidia 公司最新的 Tesla GPU 产品 在 2006 年 nvidia 发布了 CUDA 运行架构之后, 经过将近 4 年的时间,Tesla GPU 计算已经大大帮助了中国超级计算机产业的发展, 天河一号 A 星云 正是在 nvidia 的大力支持下, 才获得了举世瞩目的成就 中国一个科研中心建造了迄今最快速的超级计算机, 取代美国超级计算机主导地位, 从而使中国成为科技超级大国 中国制造的 天河一号 A 的运算速度每秒 千万亿次, 比在美国田纳西州国家实验室目前最快的计算机性能高 1.4 倍 这展示出中国科技发展的超凡实力 早期国产软件主要用于配套专用系统, 银河 -I 巨型机的操作系统 YHOS, 是中国研制成功的第一套巨型机上的操作系统 20 世纪 80 年代, 国产商品化软件的亮点集中在对国外软件的汉化方面, 用于解决汉字的显示及输入 第一套中文通用操作系统 CCDOS 于 1983 年问世,1989 年第一套中文字处理系统 WPS 推向市场 此外, 中文排版系统 财务系统等行业应用软件游戏软件等也有较大的市场影响 由于受到国外大公司的冲击, 在系统软件方面, 尤其是操作系统和数据库, 国产软件的发展道路十分坎坷 1999 年 3 月, 全球第一套完整的中文 Linux 发行版 1.0 开发成功并正式发布, 受到中国用户的广泛欢迎 中国软件技术总公司于 1999 年发布的 COSIX64, 是我国第一个符合国际技术标准的 64 位高端操作系统, 可供国家有关部门的业务应用, 目前, 我国在 Linux 操作系统 集成办公软件 信息安全软件和 金 字系列国家重大信息化工程大型应用软件开发等方面也取得了可喜的进展 HOPEN 等嵌入式操作系统的推出, 为国内数字化 3C 产品的自主开发和产业化提供了技术基础 OpenBASE 等国产数据库管理系统也具备了一定的市场竞争力, 国产软件工程工具以及软件复用技术和软件的构件化生产技术方面的成果为软件企业提高开发能力提供了条件 20 多年来, 一大批优秀的 8

17 第 1 章计算机概述 国产应用软件在办公自动化 财税 金融电子化建设等电子政务 企业信息化方面以及国民经济和社会生活中得到广泛应用, 成功地为 金卡 金税 金关 等国家信息化工程开发了应用软件系统, 为贯彻落实 以信息化带动工业化, 以工业化促进信息化 和大力推广信息技术应用, 改造提升传统产业和推动国家信息化建设工作发挥了重要作用 未来的新型计算机 计算机中最基本的元件是芯片, 芯片制造技术的不断进步是 60 多年来推动计算机技术发展的最根本的动力之一 目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造, 即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面来进行线路蚀刻 如今主要是采用紫外光进行光刻操作, 通过紫外光波长的进一步缩短, 芯片上的线宽将会继续大幅度缩小, 同样大小的芯片上就可以容纳更多的晶体管, 从而推动半导体工业继续前进 但是, 当紫外光波长短缩到小于 193nm 时 ( 蚀刻线宽 0.18nm), 传统的石英透镜组会吸收光线而不是将其折射或弯曲 为此, 研究人员正在研究新一代光刻技术 NGL(next generation lithography) 包括极紫外光刻技术 离子束投影光刻技术 角度限制投影电子束光刻技术以及 X 射线光刻技术 然而, 以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的, 由于存在磁场效应 热效应 量子效应以及制作上的困难, 当线宽低于 0.1nm 以后, 就必须开拓新的制造技术 那么, 哪些技术有可能引发下一次的计算机技术革命呢? 现在看来有可能的技术至少有 4 种 : 纳米技术 光技术 生物技术和量子技术 应用这些技术的计算机从目前来看达到实用的可能性还很小, 但是, 现有技术不久就可能达到发展的极限, 而这些技术又具有引发计算机技术革命的潜力, 这就使它们逐渐成为了人们研究的焦点 1. 光计算机 以前, 人们预言计算机革命的下一件大事是光计算机, 但是, 实践证明, 光处理困难重重 随着计算机芯片的处理速度越来越快, 数据的传送速度替代处理速度成为主要问题 目前计算机使用的金属引线已无法满足大量信息传输的需要, 因此, 未来的计算机可能是混合型的, 即把极细的激光束与快速的芯片相结合 那时, 计算机将不采用金属引线, 而以大量的透镜 棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片 这种传送方式称为自由空间光学技术 自由空间光学技术的原理非常简单 首先, 将硅片内的电子脉冲转换为极细的闪烁光束, 接通 表示 1, 断开 表示 0 然后, 将数据流通过反射镜和棱镜网络折射到需要数据的地方 ; 最后, 在接收端, 透镜将每根光束聚焦到微型光电池上, 由光电池将闪光重新又转换成一系列电子脉冲 光计算机有三大优势 光子的传播速度很快, 电子在导线中的运行速度与其无法相比 如今, 电子计算机的传送速度最高为 10 9 B/s, 而采用硅 - 光混合技术后, 其传送速度 科学出版社职教技术出版中心 9

18 大学计算机概论 就可达到 B/s 更重要的是光子不像带电的电子那样相互作用, 因此, 经过同样窄小 的空间通道可以传送更多数据 尤其是光无需物理连接, 如能将普通的透镜和激光器做得很小, 足以装在微芯片的背面, 那么未来的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了 生物计算机 与光计算机相比, 大规模生物计算机技术实现起来更为困难, 不过其潜力也更大 生物系统的信息处理过程是基于生物分子的计算和通信过程, 因此, 生物计算又常称为生物分子计算, 其主要特点是大规模并行处理及分布式存储 基于这一认识, 沃丁顿 (C.Waddington) 在 20 世纪 80 年代就提出了自组织的分子器件模型, 通过大量生物分子的识别与自组织可以解决宏观的模式识别与判定问题 被受人们关注的 DNA 计算机就是基于这一思路 但是迄今提出的 DNA 计算机模型仅适合做组合判定问题, 直接进行数学计算还不方便 电子计算机的蓬勃发展基于图灵机的坚实基础, 同样, 生物计算机作为一种通用计算机, 必须先建立与图灵机类似的计算模型 如果 21 世纪能够解决计算模型问题, 生物计算机将展现出令人难以置信的运算速度和存储容量 除了 DNA 计算机外, 生物计算机还有另一个发展方向, 即在半导体芯片上加入生物分子芯片, 将硅基与碳基结合起来的混合技术 例如, 硅片上长出排列特殊的神经元的 生物芯片 已被生产出来 尽管这些生物计算实验离实用还很遥远, 但生物计算机的前景不容小觑 3. 分子计算机 最近, 科学家在分子级电子元器件研究领域中取得了一定进展 该领域的出现有一个前提, 就是有可能制造出单个的分子, 其功能与晶体管 二极管及今天的微电路的其他重要部件完全相同或相似 化学家 物理学家和工程师已经在一系列出色的示范试验中显示 : 单个的分子能传导和转换电流, 并存储信息 1999 年 7 月, 媒体广泛报道了这样一个进展 : 惠普公司和加州大学洛杉矶分校的研究人员宣布, 他们已经制造了一种电子开关, 由一层达几百万个之多的有机物 ( 轮烷 ) 分子构成 研究人员通过把若干个开关连接起来的方法, 制造出初级的 与 门, 这是一种执行基本逻辑操作的器件 由于每个分子开关中的分子远远超出了百万数, 因此, 它们的体积比本来要求的大得多, 并且这些开关转换一次就不能操作了 但是, 它们组装成的逻辑门具有至关重要的意义 在这项成果发表后一个月左右, 耶鲁大学和里斯大学又发表了另一类具有可逆性分子开关的成果 后来, 人们成功地研制出一种能够作为存储器用的分子, 它可以通过对电子的存储来改变分子的电导率 虽然有了以上所说的种种进步, 分子计算机的前进道路上仍然是遍地荆棘 制造出单个元器件固然是非常重要的一步, 但是在制造出完整的可用电路和部件之前, 还必须解决一系列的重要问题, 例如, 怎样把上百万甚至上亿个各式各样的分子器件牢固地连接在某种基体的表面上, 同时按照电路图所要求的图形把它们准确无误地连接起来, 目

19 第 1 章计算机概述 前还没有能够满足这种要求的技术 4. 量子计算机量子计算机目前尚处于理论与实践之间 大多数专家认为量子计算机会在今后的几十年间出现 量子计算机是一种采用基于量子力学原理和深层次计算模式的计算机 这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定, 而不像传统的二进制计算机那样将信息分为 0 和 1, 并对应于晶体管的开和关来进行处理 在量子计算机中, 最小的信息单元是一个量子比特 (quantum bit) 量子比特不只是开 关两种状态, 而以多种状态同时出现 这种数据结构对于使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的 量子计算机具有一些奇特的性质 : 信息传输可以不需要时间 ( 超距作用 ), 信息处理所需能量可以接近零 近年来, 基于量子力学效应 ( 如量子相干 量子隧穿 库仑阻塞效应等 ) 的固态纳米电子器件研究取得很大进展 美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员目前证实, 直径为人头发直径 1/50000 的中空纯碳纳米管上存在着原子大小的电子元器件 纳米管元器件理论上早有预言, 但这是首次证实这种器件确实存在 目前, 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个小组正在研究量子计算机的原型机 他们使用了一种 量子阱 激光器 这种激光器是用一层超薄的半导体材料夹在另外两层物质中构成 中间层的电子被圈闭在一个量子平面上, 所以只能做二维的运动 贝尔实验室进一步发展了一维的量子导线激光器 科学家们希望进一步从量子导线激光器发展到量子点激光器, 以获得更好的效果 1.2 计算机的分类 以前一般将计算机分为 3 类 : 大型机 小型机和微型机 大型计算机是放在大型的 壁橱大小的金属架上的 ; 小型计算机体积小, 价格低, 虽然性能没有大型计算机强大, 但也足以能为小型企业提供足够的计算能力 ; 微型计算机的 CPU 中包含单独的微处理器芯片, 因此它明显地区别于其他种类的计算机 现代的微处理器已经不能作为区分计算机类型的特征了, 因为几乎所有的计算机都使用一个或多个微处理器作为 CPU 小型计算机 已经不再使用, 而且 微型计算机 和 大型机 的使用频率也是越来越低 计算机可以广泛应用于完成各种各样的任务中 但某些类型的计算机比其他类型的计算机更适合完成某些特定任务 计算机的分类是根据计算机的用途 价格 体积和性能等标准进行的 专家们未必在分类或每种类型所包含的设备问题上达成一致, 但常用的计算机通常分为个人计算机 工作站 服务器 大型计算机和超级计算机 1. 个人计算机 科学出版社职教技术出版中心 个人计算机是指为满足个人计算需要而设计的一种使用微处理器的计算设备 个人 11

20 大学计算机概论 计算机通常能运行多种类型的应用软件, 如文字处理 照片编辑和电子邮件等 12 个人计算机分为桌面计算机和便携式计算机, 它们具有不同的外形, 这是指安放计 算机电路容器的尺寸是各种各样的 2. 工作站 工作站有两种含义, 它可以指连接到网络的普通个人计算机, 也可以指用来进行 高性能任务处理的功能强大的桌面计算机 它具有很快的处理速度, 能进行医学成像和计算机辅助设计等工作 某些工作站拥有多个微处理器, 并且大多集成有专门用来生成和演示三维图形和动画图形设计的电路 工作站的价格通常比普通的个人计算机要贵些 3. 服务器 在计算机行业中, 服务器包含多种含义, 它既可以指计算机硬件, 也可以指特定类型的软件, 还可以指硬件与软件的结合体 但不管怎样, 服务器的作用就是通过给网络 ( 如因特网或家庭网络 ) 上的计算机提供数据从而提供 服务 任何向服务器请求数据的软件或数字设备 ( 如计算机 ) 都称为客户端 例如, 在网络中, 一台服务器可能响应客户端对网页的请求, 而另一台则可能用来处理因特网上客户端之间连续的电子邮件流 服务器还可以让网络内所有客户端共享文件或共用中央打印机 需要指出的是, 几乎所有的个人计算机 工作站 大型机或超级计算机都可以配置成服务器 而且, 服务器对硬件并没有专门的要求 不过有的计算机制造商 ( 如 IBM 公司和戴尔公司 ) 把他们生产的专门用于网络数据存储和分布的一类计算机称为刀片服务器和存储服务器 服务器的价格各有高低, 这取决于服务器的配置, 但基本上与工作站的价格相当, 而略高于个人计算机的价格 尽管这种机器执行与服务器相关的任务时表现出色, 但它们没有包含声卡 DVD 播放器以及其他娱乐配件, 所以它们不适宜作为个人计算机的替代品 4. 大型计算机 大型计算机简称大型机 其体积庞大 价格昂贵, 能够同时为成百上千的用户处理数据 大型机一般应用于企业或政府部门, 能为大量数据提供集中式存储 处理和管理 当对可靠性 数据安全性和集中式控制要求很高时, 大型机仍是最佳选择 大型机的价格通常是 10 万美元到 100 多万美元不等 大型机的主要处理电路都安装在壁橱的柜子里, 再加上用于存储和输出的大型外围设备, 整个大型计算机系统能够填满相当大的一个房间 5. 超级计算机 超级计算机是指世界上运算速度最快的一类计算机, 由于运算速度极快, 因此超级计算机能够承担其他计算机所不能处理的复杂任务和计算密集型问题 计算密集型问题

21 第 1 章计算机概述 需要用复杂的数学计算来处理大量数据 分子计算 大气规模和气候研究等项目都需要使用 处理和分析大量数据点 超级计算机一般会应用于密码破译 全球气象系统建模以及核弹爆炸模拟等 如一个专门为超级计算机设计的模拟实验室是用来同时跟踪几千个被龙卷风卷起的灰尘微粒的运动轨迹 以前, 超级计算机的设计者专注于制造专门的 速度极快的并且体积庞大的 CPU 但如今多数超级计算机的 CPU 由数千个微处理器构成 在世界上速度最快的 500 台超级计算机中, 大多数都使用了微处理器技术 1.3 计算机的应用 计算机的作用 众所周知, 计算机具有快速 高效 记忆和自动化处理等一系列的特点, 这为信息的处理带来了极大的方便, 计算机在信息化社会中的主要作用如下 1) 极高的运算速度, 可高效率高质量地完成数据加工处理的任务 2) 海量 的存储设备使得世界的空间变大, 大量图书 档案资料压缩存储在磁盘或光盘上, 便于信息的长期保存和反复使用 3) 全新的多媒体技术使计算机渗透到社会的各个领域, 多媒体技术使人与计算机之间建立起更为默契 融洽的新型关系 4) 计算机网络拉近了各国用户间的距离, 用户可以在家中通过计算机与国外任何地方的其他用户进行信息的交流与共享 信息的传递与汇集 5) 智能化的决策支持系统应用于管理信息, 为决策科学化的实现提供了可能 总之, 计算机在信息化社会中的作用正随着信息化社会的到来而显示出它的威力, 它也日益成为人们生产和生活中离不开的工具和 伙伴 计算机的应用领域 从计算机诞生至今, 计算机应用的发展非常迅速, 已经深入到各个领域 计算机的应用主要在科学计算 数据采集和处理 信息传输和处理 电子商务 实时控制 计算机辅助教育 计算机辅助设计 人工智能与机器人等方面 下面主要介绍 5 个应用领域 1. 科学与工程计算 科学出版社职教技术出版中心 科学与工程计算是指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题 ( 数值计算 ) 科学计算是计算机最早的应用方面 第一台电子计算机 ENIAC 研制的目的就是用于军事计算, 计算机发展的初期也主要用于科学计算 迄今为止, 虽然计算机在其他方面的应用不断加强, 但它仍然是科学研究和科学计算的最佳工具 在这个应用 13

22 大学计算机概论 领域中, 要求计算机速度快 精度高 存储容量大 科学计算在大气科学研究中占有相当重要的地位 大气科学特定的研究对象, 使人无法用实验的方法来研究和验证理论的正确性 随着人类活动的发展, 仅有简略的定性描述和相应的理论解释已远远不能满足需要 人们需要精确的气象预报和气象预测, 因此必须建立能够提供计算的理论数学模型和方法, 从而算出规定地区和规定时间内的天气变化 但是, 这在还没有强大计算能力的时代是不可想象的 在 20 世纪 20 年代初, 天气预报方程机已基本建立起来, 但只有在电子计算机出现以后, 尤其是超大规模的并行计算机诞生后, 数值天气预报才成为可能 现在, 世界各国都普遍采用了这一方法 美国和欧洲联合预报中心已建立了 5~10 天的逐天天气形式的中期数值预报业务 大气科学由于有了科学计算这一有力的工具, 完成了从定性描述到定量计算 从经验性的学科进入实验学科的突破 在这一过程中, 使用计算机进行数值仿真沟通了理论和应用两个方面, 对大气科学的发展产生了极为重大的影响, 从根本上改变了大气科学的研究方法 由于描述大气运动的方程是一组复杂的非线性方程, 涉及力学 化学 生物 地貌等各种因素的影响, 又在天空 海洋等广大尺度上进行求解, 因此其数值仿真的方法是非常复杂的, 运算量巨大 如今人们可以用超级计算机来做实验, 仿真大气的变化过程 科学计算是 20 世纪最重要的科学进步之一, 是数学及计算机实现其在高科技领域应用的必不可少的纽带和工具 今天, 科学计算无疑已经是第三种科学手段, 它与理论研究 科学实验一同成为当今科学活动的主要方式 科学和工程计算都以计算数学为核心, 架设从理论到实际问题的桥梁, 来解决当今科技发展的复杂问题 这些问题无法求得理论解, 也难以应用实验手段, 但可以进行计算 科学和工程计算大大增强了人们从事科学研究的能力, 加速了把科技转化为生产力的进程, 深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径 在许多领域, 科学和工程计算可被用来获得重大的研究成果或完成高度复杂的工程设计 科学和工程计算为科学研究与技术创新提供了新的重要手段和理论基础, 正在并将继续推动当代科学和高新技术的发展 人们越来越广泛地通过计算机使用科学和工程计算的方法来仿真客观的物理世界过程, 部分取代实验或作为实验的补充, 检验理论模型的正确性, 进行预测及估计未来的趋势, 仿真在实验中无法重复或进行实验的自然或社会现象, 利用数值实验发现新的规律, 以及在工业生产中大量使用数值方法进行分析与设计 此外, 对那些精确性尚不够 数值模型尚未确定的问题, 利用数值计算可以进行多个方案的仿真与对比筛选 科学和工程计算作为一门整合性 工具性 方法性的新科学, 已经确立并得到了发展 它包括了近年来在各种科学与工程领域中逐步形成的计算性学科分支, 如计算力学 计算物理 计算化学 计算环境科学等 在生物科学 医学 系统科学 经济学 社会科学中也都开始发展科学和工程计算理论 由于许多实验需要昂贵的仪器设备, 观测时间也很长或反应时间很短, 以及测量上的困难, 计算模型已用来代替大部分的实验, 成为各学科的重要工具 例如, 汽车的碰撞实验, 目前可以用计算机进行数值仿真 ; 有时物理实验上很难测得的现象, 例如混沌系统及孤立子等, 也都是先通过科学计算发现的 14

23 第 1 章计算机概述 在气象 地震 核能技术 石油勘探 航天工程 密码解译等领域, 科学和工程计算已成为不可缺的工具 2. 信息管理 信息管理主要是指非数值形式的数据处理, 包括对数据资料的收集 存储 加工 分类 排序 检索 发布等一系列工作, 传输和处理的信息有文字 图形 声音 图像等各种信息 信息处理包括办公自动化 企业管理 情报检索 报刊编排处理等, 特点是要处理的原始数据量大, 而算术运算较简单, 有大量的逻辑运算与判断, 结果要求以表格或文件形式存储 输出 信息处理是计算机应用最广泛的领域 信息管理应用领域所产生的应用系统很多, 最广泛实用的系统就是管理信息系统 (management information system,mis) 是对一个组织 ( 单位 企业或部门 ) 进行全面管理的人和计算机相结合的系统, 它综合运用计算机技术 信息技术 管理技术和决策技术, 与现代化的管理思想 方法和手段结合起来, 辅助管理人员进行管理和决策的人机系统 管理信息系统作为计算机应用的重要领域, 其特点主要表现在 : 面向管理决策的, 对一个组织管理业务进行全面管理的综合性人机系统, 是现代化管理方法与手段相结合的系统, 是多学科交叉的边缘科学 信息管理最典型的应用实例是图书馆自动化管理 现在国内外大学图书馆都已实现了自动化管理, 几百万册图书 期刊的目录信息存储在计算机中, 成千上万的读者信息也存储在计算机中, 读者可以很方便地在任何地方检索某个图书馆的藏书情况, 例如, 输入某个作者的姓名, 或者输入书名中的某个关键词, 都可以快速列出图书馆的相关图书, 并告知所需要的图书是否借出, 哪位读者正在借阅, 未借出图书放在哪个阅览室, 并同时通知读者的借书情况 现在只要连入因特网的计算机都可以快速查到牛津大学图书馆 美国国会图书馆的藏书情况 读者也可以很方便地到图书馆里借阅图书, 办理借阅图书的手续仅需几秒 如果是外地读者, 则可以通过馆际互借的方式借阅异地图书馆的图书 所谓馆际互借指通过本地区图书馆向任何异地图书馆借阅图书, 异地图书馆也 可以借阅本地区图书馆的藏书 信息管理的发展趋势是 : 从信息管理走向知识管理, 从信息资源开发走向知识资源开发, 由客户机 / 服务器结构走向 Internet( 互联网 )/Intranet( 内部网 ) 结构 知识管理则是信息管理的延伸和发展, 信息管理只是将各种各样的信息以一定的方式汇总 组织起来, 方便人们利用计算机进行查询和检索 然而, 如何由信息产生知识, 即如何利用数据信息获取知识, 再利用知识获得最大的利润或效益, 则是知识管理的内容 知识来源于信息, 是对信息的提取 识别 分析和归纳, 因此, 信息管理是知识管理的基础, 知识管理则是信息管理的延伸 3. 电子商务 科学出版社职教技术出版中心 电子商务对人们的生活方式也产生了深远的影响 网上购物可以让人足不出户而看遍世界, 利用网上的搜索功能还可以方便地货比多家 同时, 消费者以一种十分轻松自 15

24 大学计算机概论 由的自我服务方式来完成交易, 从而使用户对服务的满意度大幅度提高 由于网络具有电子化 交互化 多媒体化等特点, 它涉及工商业 电信 交通 金融 科研教育 旅游等诸多领域, 并发展成涵盖广泛的高科技载体 现代信息技术逐渐向各个行业渗透, 不仅改变了产品的生产过程, 也导致了服务过程的变化 电子商务理论和实践的发展将现代信息技术带入服务领域 商品流通领域和产品生产领域, 使产品生产 商品流通 服务等诸多方面发生了根本性变化 电子商务作为一个庞大的系统工程, 每个行业电子商务都是其中一个有机组成部分 电子商务正在为社会注入新鲜血液, 谁把握了电子商务, 谁就将赢得未来市场 尽管各行各业都在步调一致地向电子商务领域进军, 但电子商务的冲击波对行业的影响也并非立竿见影 在电子商务的浪潮中, 一些行业近期将很快同它接轨, 而另外一些行业近期则不会让电子商务成为主流 从行业本身的特点看, 不同行业将分层次 分步骤向电子商务方向发展 4. 人工智能顾名思义, 人工智能是使用人工的方法在机器 ( 计算机 ) 上实现的智能, 通过用计算机模拟人脑的智能行为, 如看 听 说和思维, 使机器具有类似于人的行为 当计算机出现后, 人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具 人工智能是研究 解释和模拟人类智能 智能行为及其规律的科学, 其主要任务是建立智能信息处理理论, 进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统 人工智能的研究领域包括 : 知识工程 机器学习 模式识别 自然语言处理 智能机器人 神经计算等多个方面 人工智能最典型的应用实例当属 深蓝的智慧 1997 年 5 月 11 日凌晨 4 时 50 分, 一台名叫 深蓝 的超级电脑将棋盘上的一个兵走到 C4 的位置时, 人类有史以来最伟大的棋手加里 卡斯帕罗夫 (Garry Kasparov) 不得不沮丧地承认自己输了 这场人机大战终于以计算机的微弱优势取胜 人工智能的基本研究内容包括机器感知 机器思维 机器学习 机器行为 智能系统及智能计算机构造技术 目前人工智能已经在问题求解 逻辑推理与自动定理证明 自然语言处理 自动程序设计 机器学习 专家系统 机器人 模式识别 智能决策支持系统 人工神经网络等方面有了可喜的进展 人工智能既是计算机当前的重要应用领域, 也是今后计算机发展的主要方向 人工智能应用中所要研究和解决的问题难度很大, 均是需要进行判断及推理的智能性问题, 因此, 人工智能是计算机在更高层次上的应用 尽管在这个领域中技术上的困难很多 ( 如知识的表示 知识的处理等 ), 但目前仍取得了一些重要成果 这样的领域包括语言处理 自动定理证明 智能数据检索系统 视觉系统 问题求解 人工智能方法和程序语言 自动程序设计等 在过去的 60 多年中, 已经建立了一些具有人工智能的计算机系统, 例如, 能够求解微分方程的 设计分析集成电路的 合成人类自然语言的 检索情报的 诊断疾病以及控制太空飞行器和水下机器人的具有不同程度人工智能的计算机系统 16

25 第 1 章计算机概述 5. 计算机辅助设计与制造 计算机辅助设计是利用计算机的计算 逻辑判断等功能, 帮助人们进行产品设计和 工程技术设计 在设计中, 可通过人机交互更改设计和布局, 反复迭代设计直至满意为止 它能使设计过程逐步趋向自动化, 大大缩短了设计周期, 增强产品在市场上的竞争力, 同时也可节省人力和物力, 降低成本, 提高产品质量 计算机辅助设计和辅助制造结合起来可直接把 CAD 设计的产品加工出来 近年来, 计算机集成制造系统又成为制造自动化技术的前沿和方向 CIMS 是集工程设计 生产过程控制 生产经营管理为一体的高度计算机化 自动化和智能化的现代化生产大系统, 是制造业的未来 计算机辅助系统包括计算机辅助设计 (computer aided design,cad) 计算机辅助制造 (computer aided manufacturing,cam) 计算机辅助测试(computer aided testing, CAT) 计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing system,cims) 计算机辅助教育 (computer based education,cbe) 等系统 计算机辅助教育是计算机在教育领域中的应用, 包括计算机辅助教学 (computer aided instruction,cai) 计算机辅助管理教学(computer managed instruction,cmi) CAI 最大的特点是交互教学和个别指导, 它改变了传统的教师在讲台上讲课而学生在课堂内听课的教学方式 CMI 是用计算机实现各种教学管理, 如制定教学计划 课程安排 计算机评分 日常的教务管理等 近年来迅速发展起来的远程教育更是在教学的各个环节大量使用了各种计算机系统 计算机在辅助设计与制造方面的典型应用实例就是汽车的设计与制造 从 1908 年福特的 T 型车问世开始, 全球的汽车研发设计就一直沿袭手工操作方式 最初, 设计师们是在图纸上画出十几个不同概念的原型样车草稿图, 市场决策者们从中选出最可能符合市场审美和需求的产品 然后, 设计师们将平面草图 立体化, 一个立体的由陶土做的油泥模型诞生, 车的造型立刻就变得逼真直观 之后, 陶模会被放到传统的风洞实验室里, 对车的整体流线造型和风阻系数做测量 最后, 进入车身 发动机 悬挂 底盘 内室等细节部分的设计 整个设计过程会耗费大量资金, 因为从陶模阶段开始, 差不多要损耗掉 25~30 个设计师们手工做出来的真实原型车, 目的是验证每项在陶模上所做的设计结果 以开发 30 万元售价的中档轿车为例, 其原型车的价值就有上千万元 CAX 技术是指一系列的计算机辅助技术, 包括 CAD CAM CAPP(computer aided process planning, 计算机辅助工艺规划 ) CAE(computer aided engineering, 计算机辅助工程 ) 等 不同的 CAD/CAM 系统, 一般有各种不同的功能要求, 但就通常用于产品设计制造的 CAD/CAM 系统来讲, 它具有计算机辅助绘图功能 几何建模功能 有限元分析功能 优化设计功能 处理数控加工信息功能和统一的数据管理功能 计算机辅助设计与制造应用前景非常广阔, 随着计算机智能化程度的提高, 这方面的应用也将给社会带来巨大变化 科学出版社职教技术出版中心 17

26 大学计算机概论 1.4 计算机中信息的处理方式 18 基于计算机的信息处理涉及计算机硬件 软件 多媒体 网络 通信等各种技术, 下面介绍计算机信息处理的一般过程及所涉及的主要技术, 这些技术在后续章节中会进一步的阐述 计算机中所表示和使用的信息可分为三大类 : 数值信息 文本信息和多媒体信息 数值信息用来表示量的大小 正负 文本信息用来表示一些符号 标记 多媒体信息表示声音 图画 影视等 各种信息在计算机内部都是用二进制编码形式表示的 数制的概念 人们在生产实践和日常生活中, 创造了多种表示数的方法, 这些数的表示规则称为数制 例如, 人们常用的十进制, 钟表计时中使用的六十进制, 计算机中使用的二进制等 1. 十进制数 (1) 组成十进制数由 0~9 共 10 个数字字符组成 如 : 等 (2) 运算规则加法规则是 逢十进一, 减法规则是 借一当十 任何一个十进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 : = 二进制数 (1) 组成二进制数由 0 和 1 共两个数字字符组成 如 : 等 (2) 运算规则加法规则是 逢二进一, 减法规则是 借一当二 计算机中采用二进制数是因为二进制数具有如下特点 1) 简单可行, 容易实现 因为二进制仅有两个数码 0 和 1, 可以用两种不同的稳定状态 ( 如有磁和无磁, 高电位与低电位 ) 来表示 计算机的各组成部分都由仅有两个稳定状态的电子元器件组成, 不但容易实现, 而且稳定可靠 2) 运算规则简单 进行加法运算时 逢二进一, 即 0+0=0,0+1=1,1+0= 1,1+1=0( 有进位 ) 进行减法运算时 借一当二, 即 0-0=0,0-1=1( 有借位 ), 1-0=1,1-1=0 3) 适合逻辑运算 二进制中的 0 和 1 正好分别表示逻辑代数中的假值 (false) 和真值 (true) 二进制数代表逻辑值容易实现逻辑运算

27 第 1 章计算机概述 任何一个二进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 : = 但是, 二进制的明显缺点是数字冗长 书写繁复且容易出错 不便阅读 所以, 在计算机技术文献的书写中, 常用八进制数和十六进制数表示 3. 八进制数 (1) 组成八进制数由 0~7 共 8 个数字字符组成 如 等 (2) 运算规则加法规则是 逢八进一, 减法规则是 借一当八 任何一个八进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 : 56.17= 十六进制数 (1) 组成十六进制数由 0~9 和 A B C D E F 共 16 个数字字符组成, 其中 A B C D E F 分别表示数码 如 17B 56.CE 等 (2) 运算规则加法规则是 逢十六进一, 减法规则是 借一当十六 任何一个十六进制数都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 : 56.CE= C E R 进制数 由以上的数制我们可以构造出任意的 R 进制数 ( 三进制 五进制等 ) (1) 组成 R 进制数由 R 个数字字符组成 (2) 运算规则加法规则是 逢 R 进一, 减法规则是 借一当 R 任何一个具有 n 位整数和 m 位小数的 R 进制数 N 都可以写成各个位上数字的展开形式, 如 : (N) R =a n -1 R n-1 +a n -2 R n-2 + +a 2 R 2 +a 1 R 1 +a 0 R 0 +a-1 R a-m R -m (3) 基数一个计数制所包含的数字符号的个数称为该数制的基数, 用 R 表示 例如, 十进制的基数 R=10, 二进制的基数 R=2, 八进制的基数 R=8, 十六进制的基数 R=16 为了区分不同数制的数, 本书约定对于任一 R 进制的数 N, 记作 (N) R 例如, 科学出版社职教技术出版中心 (1010) 2 (703) 8 (AE05) 16, 分别表示二进制数 1010 八进制数 703 和十六进制数 AE05 不用括号及下标的数, 默认为十进制数, 如 256 人们也习惯在一个数的后面加上字母 D( 十进制 ) B( 二进制 ) O( 八进制 ) H( 十六进制 ) 来表示其前面的数用 的是什么进位制 如 1010B 表示二进制数 1010;AE05H 表示十六进制数 AE

28 大学计算机概论 (4) 位值 ( 权 ) 任何一个 R 进制的数都是由一串数码表示的, 其中每一位数码所表示的实际值大小, 除数码本身的数值外, 还与它所处的位置有关, 由位置决定的值就叫位值 ( 或位权 ), 用基数 R 的 i 次幂 (R i ) 表示 假设一个 R 进制数具有 n 位整数,m 位小数, 那么其位权为 R i, 其中,-m i n-1 显然, 对于任一 R 进制数, 其最右边数码的权最小, 最左边数码的权最大 应当指出, 二 八和十六进制都是计算机领域中常用的数制, 所以在一定范围内直接写出它们之间的对应表示, 也是经常遇到的 表 1-2 列出了 0~15 这 16 个十进制数与其他三种数制的对应表示 表 种计数制的对应表示 十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制 A B C D E F 数制间的转换 1. 非十进制数转换成十进制数 方法 : 将非十进制数的数值按权展开, 再把各项相加 例 1.1 将二进制数 转换成十进制数 B= = =(10.625) 10 例 1.2 将八进制数 转换成十进制数 (154.6) 8 = = =(108.75) 10 例 1.3 将十六进制数 2BA.8 转换成十进制数 2BA.8H= = =(698.5) 十进制数转换成非十进制数 方法 : 将十进制数转换成非十进制数时, 要将该数的整数部分和小数部分分别转换 其中, 整数部分采用 除基数取余数 法 ; 小数部分采用 乘基数取整数 法 最后将两部分拼接起来即可 除基数取余数 法的具体作法 : 将十进制数的整数部分连续地除以要转换成的数制的基数, 直到商数等于 0 为止 得到的余数 ( 必定小于基数 ) 就是对应非十进制数的整数部分的各位数字 但必须注意 : 第一次得到的余数为非十进制数的最低位, 最后一 20

29 第 1 章计算机概述 次得到的余数为非十进制数的最高位 乘基数取整数 法的具体作法 : 将十进制数的小数部分连续地乘以要转换成的数 制的基数, 直到小数部分为 0, 或达到所要求的精度为止 ( 小数部分可能永不为零 ), 得 到的整数就是对应非十进制数的小数部分的各位数字 但必须注意 : 第一次得到的整数 为非十进制数的最高位, 最后一次得到的整数为非十进制数的最低位 例 1.4 将十进制数 转换成二进制数 整数部分 小数部分 2 57 余数 0.24 整数 低位 高位 高位 低位 所以,(57.24) 10 =( ) 2 例 1.5 将十进制数 转换成八进制数 整数部分 小数部分 8 57 余数 0.24 整数 低位 高位 高位 低位 所以,(57.24) 10 (71.17) 8 例 1.6 将十进制数 转换成十六进制数 整数部分 小数部分 余数 0.24 整数 低位 高位 高位 D 低位 科学出版社职教技术出版中心 21

30 大学计算机概论 所以,(57.24) 10 (39.3D) 二进制数与八进制数之间的相互转换方法 : 将二进制数转换成八进制数, 要以该二进制数的小数点为中心向左右两边每 3 位划分为一组 ( 中间的 0 不能省略 ), 两头位数不够时可以补 0, 然后将每组的 3 位二进制数转换成一位八进制数 ; 将八进制数转换成二进制数的过程正好与其相反, 即将一位的八进制数转换成 3 位的二进制数 例 1.7 将二进制数 转换成八进制数 ( ) 2 ( 高低位各补一个 0) ( ) 8 例 1.8 将八进制数 转换成二进制数 与 例 1.7 过程相反, 略 4. 二进制数与十六进制数之间的相互转换 方法 : 将二进制数转换成十六进制数, 要以该二进制数的小数点为中心向左右两边每 4 位划分为一组 ( 中间的 0 不能省略 ), 两头位数不够时可以补 0 然后将每组的 4 位二进制数转换成 1 位十六进制数 将十六进制数转换成二进制数的过程正好与其相反, 即将 1 位的十六进制数转换成 4 位的二进制数 例 1.9 将二进制数 转换成十六进制数 ( )( 高位补一个 0, 低位补两个 0) ( 5 A D. 9 C ) 16 例 1.10 将十六进制数 5AD.9C 转换成为二进制数 与 例 1.9 过程相反, 略 八进制数与十六进制数之间的相互转换 方法 : 八进制与十六进制数之间的转换要借助于二进制数 将八进制数转换成十六进制数时, 首先将该八进制数转换成相应的二进制数, 然后将转换后的二进制数再转换成相应的十六进制数 ; 将十六进制数转换成八进制数时, 首先将该十六进制数转换成相应的二进制数, 然后将转换后的二进制数再转换成相应的八进制数 信息的表示方式 1. 数值信息的表示 (1) 机器数与真值在计算机中, 因为只有 0 和 1 两种形式, 为了表示数的正 负号, 也必须以 0 和 1 表示 通常把一个数的最高位定义为符号位, 用 0 表示正, 1 表示负,

31 第 1 章计算机概述 称为数符, 其余位仍表示数值 把在机器内存放的正负号数码化的数称为机器数, 把机器外部由正负号表示的数称为真值数 例如, 真值数 ( ) 2, 其机器数为 , 存放在机器中如图 1-9 所示 数符图 1-9 机器数 注意 : 机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制 若字长和数据类型确定, 机器数能表示的范围就确定了 例如, 若表示一个整数, 字长为 8 位, 最大值 , 最高位为符号位, 因此此数的最大值为 127 若数值超出 127, 就要 溢出 为了表示较大或较小的数, 常用浮点数来表示 (2) 定点数与浮点数在机器中通常难以表示小数点, 故在机器中对小数点的位置进行了相应规定 因此又有定点整数 定点小数和浮点数之分 1) 定点整数 : 它所表示的数据的最小单位为 1, 可以认为它是小数点定在数值最低位右面的一种数据 定点整数被分为带符号和不带符号两类 对于带符号的数, 符号位被放在最高位, 如图 1-10 所示 可以将带符号整数写成 :N=±a n -1a n -2 a 2 a 1 a 0, 其值的范围是 N 2 n -1 a n a n-1 a n-2 a n-3 a 2 a 1 a 0 数符 小数点 图 1-10 带符号的定点整数 对于不带符号的整数, 所有的 n+1 位二进制位均看成数值, 如图 1-11 所示 此数 值表示的范围是 0 N 2 n+1-1 a n a n-1 a n-2 a n-3 a 2 a 1 a 0 图 1-11 不带符号的定点整数 小数点 在计算机中, 一般可以使用不同位数的几种整数, 如 8 位 16 位和 32 位等 例如, 用定点整数表示十进制整数 100, 假定某计算机的定点整数占两个字节 因为 100= ( ) 2, 其机内表示如图 1-12 所示 科学出版社职教技术出版中心 23

32 大学计算机概论 图 位定点整数注意 : 最左位的 0 与次左位的 0 意义不同, 前者表示数符, 后者表示数值 2) 定点小数 : 是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数 一般把小数点固定在最高数据位的左边, 小数点前边再设一位符号位, 如图 1-13 所示 按此规则, 任何一个小数都可以写成 N=±a-1a-2a-3 a-m a-1 a-2 a-3 a-4 a-5 a-m 数符小数点 图 1-13 定点小数 如果在计算机中用 m+1 个二进制位表示上述小数, 则可以用最高 ( 最左 ) 一个二 进制位表示符号, 而用后面的 m 个二进制位表示该小数的数值 小数点不用明确表示出 来, 因为它总是定在符号位与最高数值位之间 对用 m+1 个二进制位表示的小数来说, 其值的范围是 N 1-2 -m 例如, 用定点数表示十进制纯小数 , 假设某计算机的 定点小数占两个字节, 那么 ( ) 2 定点小数表示法主要 用在早期的计算机中 (11) 2 3) 浮点数 : 二进制数 可以表示为 N= = , 所以, 任何一个二进制浮点数可表示为 N=±s 2 ±j 其中 j 称为 N 的阶码,j 前面的正负号称 为阶符,s 称为 N 的尾数,s 前的正负号称为数符 在浮点表示方法中, 小数点的位置 是浮动的, 阶码 j 可取不同的数值 为了在计算机中存放方便和提高精度, 必须用规格化形式唯一地表示一个浮点数 规格化形式规定尾数值的最高位为 1 对于上述数 , 其规格化浮点数形式唯一地 (11) 2 表示为 一般浮点数存储格式如图 1-14 所示 阶符阶码数符尾数 图 1-14 浮点数存储格式 在浮点数表示中, 数符和阶符都各占一位, 阶码是定点整数, 阶码的位数决定了数 的范围, 尾数是定点小数, 尾数的位数决定了数的精度, 在不同字长的机器中, 浮点数 2 占的字长不同, 一般为两个或四个机器字长 例如, 二进制数 N= (11) 在机器中的表示形式如图 1-15 所示 图 1-15 浮点数表示形式 24

33 第 1 章计算机概述 2. 文本信息的表示 (1) 西文信息的表示 如前所述, 计算机中的信息都是用二进制编码表示的 用以表示文本信息的二进制 编码称为字符编码 计算机中常用的字符编码有广义二进制编码的十进制交换码 (extended binary coded decimal interchange code,ebcdic) 和美国信息交换标准代码 (American standard code for information interchange,ascii) IBM 系列大型机采用 EBCDIC 码, 微型机采用 ASCII 码 本节主要介绍 ASCII 码 标准 ASCII 码字符集如 表 1-3 所示 表 1-3 标准 ASCII 码字符集 十进制十六进制字符十进制十六进制字符十进制十六进制字符十进制十六进制字符 0 00 NUL SP ` 1 01 SOH 33 21! A a 2 02 STX " B b 3 03 ETX # C c 4 04 EOT $ D d 5 05 ENQ % E e 6 06 ACK & F f 7 07 BEL ' G g 8 08 BS ( H h 9 09 HT ) I i 10 0A LF 42 2A * 74 4A J 106 6A j 11 0B VT 43 2B B K 107 6B k 12 0C FF 44 2C, 76 4C L 108 6C l 13 0D CR 45 2D D M 109 6D m 14 0E SO 46 2E. 78 4E N 110 6E n 15 0F SI 47 2F / 79 4F O 111 6F o DLE P p DC Q q DC R r DC S s DC T t NAK U u SYN V v ETB W w CAN X x EM Y y 26 1A SUB 58 3A : 90 5A Z 122 7A z 27 1B ESC 59 3B ; 91 5B [ 123 7B { 28 1C FS 60 3C < 92 5C \ 124 7C 29 1D GS 61 3D = 93 5D ] 125 7D } 30 1E RS 62 3E > 94 5E ^ 126 7E ~ 31 1F US 63 3F? 95 5F F DEL 科学出版社职教技术出版中心 ASCII 码是美国标准信息交换码, 被国际标准化组织指定为国际标准 ASCII 码有 25

34 大学计算机概论 7 位码和 8 位码两种版本 国际通用的 7 位 ASCII 码是用 7 位二进制数表示一个字符的编码, 其编码范围从 B~ B, 共有 2 7 =128 个不同的编码值, 相应地表示 128 个不同字符的编码 7 位 ASCII 码表如表 1-4 所示, 表中对大 小写英文字母, 阿拉伯数字, 标点符号及控制符等特殊符号规定了编码, 共 128 个字符 表中每个字符都对应一个数值, 称为该字符的 ASCII 码值 如数字 0 的 ASCII 码值为 48(30H), 字母 A 的码值为 65(41H), a 的码值为 97(61H) 等 从表中可以看到 :128 个编码中有 34 个是控制符的编码 (00H~20H 7FH) 和 94 个字符编码 (21H~7EH) 计算机内部用一个字节 (8 位二进制位 ) 存放一个 7 位 ASCII 码, 最高位置 0 扩展的 ASCII 码使用 8 位二进制位表示一个字符的编码, 可表示 2 8 =256 个不同字符的编码 (2) 汉字信息的表示 ASCII 码只对英文字母 数字和标点符号进行了编码 为了用计算机处理汉字, 同样需要对汉字进行编码 从汉字编码的角度看, 计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程 这些编码主要包括 : 汉字输入码 汉字内码 汉字字形码 汉字地址码及汉字信息交换码等 它们的名称可能不统一, 但它们所表示的含义和具体的职能却是明确的 下面对几种汉字编码分别介绍 1) 汉字信息交换码 : 用于汉字信息处理系统之间或汉字信息处理系统与通信系统之间进行信息交换的汉字代码, 简称交换码, 也称为国标码 它是为使系统 设备之间信息交换时采用统一的形式而制定的 我国 1981 年实施了国家标准 GB 信息交换用汉字编码字符集 基本集 了解交换码的下列一些概念, 对使用和研究汉字信息处理系统是有益的 1 常用汉字及其分级 国标码规定了进行一般汉字信息处理时所用的 7445 个字符编码 其中,682 个非汉字图形符 ( 如序号 数字 罗马数字 英文字母 日文假名 俄文字母 汉语注音等 ) 和 6763 个汉字的代码 汉字代码中又有一级常用字 3755 个, 二级次常用字 3008 个 一级常用汉字按汉语拼音字母顺序排列, 二级次常用字按偏旁部首排列, 部首依笔画多少排序 2 两个字节存储一个交换码 由于一个字节只能表示 256 种编码, 显然用一个字节不可能表示汉字的交换码, 所以一个交换码必须用两个字节来表示, 其中每个字节的最高位均置 1, 以区分 ASCII 码字符 3 交换码的编码范围 为了中英文兼容,GB 中规定, 交换码中的所有汉字和字符的每个字节的编码范围与 ASCII 码表中的 94 个字符编码相一致, 所以, 其编码范围是 2121H~7E7EH 4 区位码 类似于 ASCII 码表, 区位码也有一张国标码表 简单地说, 把 7445 个国标码放置在一个 的阵列中 阵列的每一行称为汉字的一个 区, 用区号表示 ; 每一列称为一个 位, 用位号表示 显然, 区号范围是 1~94, 位号范围也是 1~94 这样, 一个汉字在表中的位置可用它所在的区号与位号来确定 一个汉字的区号与位号 26

35 第 1 章计算机概述 的组合就是该汉字的 区位码 区位码的形式是: 高两位为区号, 低两位为位号, 如 中 字的区位码是 5448, 即 54 区 48 位 区位码与每个汉字之间具有一一对应的关系 国标码在区位码表中的安排是 :1~15 区是非汉字图形符区 ;16~54 区是一级常用汉字区 ;56~87 区是二级次常用汉字区 ;88~94 区是保留区, 可用来存储自造字代码 实际上, 区位码也是一种输入法, 其最大优点是 : 它是一种一字一码的无重码输入法, 最大缺点是难以记忆 2) 汉字输入码 : 为将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码, 也称外码 目前汉字主要是经标准键盘输入计算机的, 所以汉字输入码都是由键盘上的字符或数字组合而成 例如, 用全拼输入法输入 中 字, 就要输入代码 zhong, 然后选字 汉字输入码是根据汉字的发音或字形结构等多种属性和汉字有关规则编制的, 目前流行的汉字输入码的编码方案已有许多 如全拼输入法 双拼输入法 自然码输入法 五笔输入法等 全拼输入法和双拼输入法是根据汉字的发音进行编码的, 称为音码 ; 五笔输入法根据汉字的字形结构进行编码, 称为形码 ; 自然码输入法是以拼音为主, 辅以字形字义进行编码, 称为音形码 对于同一个汉字, 不同的输入法有不同的输入码 例如, 中 字的全拼输入码是 zhong, 其双拼输入码是 vs, 而五笔输入码是 kh 这两种不同的输入码通过输入字典转换统一到交换码之下 3) 汉字内码 : 汉字内码是在计算机内部对汉字进行存储 处理的汉字代码, 它应能满足存储 处理和传输的要求 当一个汉字输入计算机后就转换为内码, 然后才能在机器内传输 处理 汉字内码的形式也有多种多样 目前, 对应于国标码一个汉字的内码也用 2 个字节存储, 并把每个字节的最高二进制位置 1 作为汉字内码的标识, 以免与单字节的 ASCII 码产生歧义性 4) 汉字字形码 : 目前汉字信息处理系统中产生汉字字形的方式, 大多是数字式的, 即以点阵的方式形成汉字, 所以这里讨论的汉字字形码, 也就是指确定一个汉字字形点 阵的代码, 也叫字模或汉字输出码 汉字是方块字, 将方块等分成有 n 行 n 列的格子, 简称它为点阵 凡笔画所到的格 子点为黑点, 用二进制数 1 表示, 否则为白点, 用二进制数 0 表示 这样, 一个 汉字的字形就可用一串二进制数表示了 例如,16 16 汉字点阵有 256 个点, 需要 256 位二进制位来表示一个汉字的字形码 这就是汉字点阵的二进制数字化 图 1-16 是 中 字的 点阵字形示意图 在计算机中,8 个二进制位组成一个字节, 它是度量存储空间的基本单位 可见一个 点阵的字形码需要 =32 字节存储空间 ; 同理,24 24 点阵的字形码需要 =72 字节存储空间 ;32 32 科学出版社职教技术出版中心 图 1-16 中 字的 点阵字形示意图 27

36 大学计算机概论 点阵的字形码需要 =128 字节存储空间 显然, 点阵中行 列数划分越多, 字形的质量越好, 锯齿现象也就越小, 但存储汉字字形码所占用的存储容量也越多 汉字字形通常分为通用型和精密型两类, 通用型汉字字形点阵分成 3 种 : 简易型 点阵 普通型 点阵 提高型 点阵 精密型汉字字形用于常规的印刷排版, 由于信息量较大 ( 字形点阵一般在 点阵以上 ), 通常都采用信息压缩存储技术 汉字的点阵字形在汉字输出时要经常使用, 所以要把各个汉字的字形码固定的存储起来 存放各个汉字字形码的实体称为汉字库 为满足不同需要, 还出现了各种各样的字库, 如宋体字库 仿宋体字库 楷体字库 简体字库和繁体字库等 汉字的点阵字形的缺点是放大后会出现锯齿现象, 很不美观 中文 Windows 下广泛采用了 True Type 类型的字形码, 它采用了数学方法来描述一个汉字的字形码 这种字形码可以实现无级放大而不产生锯齿现象 True Type 解决了两个重要问题 : 与设备无关的无变形输出各种字体以及在所有设备上以所有尺寸提供高质量字体 具体而言如下 1 所见即所得 (WYSIWYG), 应用程序可将 True Type 字任意放大或旋转, 都能得到高质量字体, 并且屏幕上和打印机上一样 2 打印机可移植性, 它可在不同的打印机上工作 由于应用程序可得到字体的规格细节, 因此应用程序能以设备无关的方式控制文字 3 文件可移植性, 应用程序可在文件中加入 True Type 字体, 并可在不同平台上工作, 应用程序可通过使用字体的量度细节以便在平台无关的方式下控制文件 4 简单地说,True Type 是汉字可视化技术上一次大的进步, 一个新的台阶 1.5 信息技术与信息化社会 信息与信息技术 1. 信息与数据长期以来, 人们把能源和物质材料看作人类赖以生存的两大要素 而现在, 人们已经认识到信息 (information) 物质材料和能源是构成当今世界的三大要素 所谓信息是人们用于表示具有一定意义的符号的集合, 这些符号可以是文字 数字 图形 图像 动画 声音和光等 信息是人们对客观世界的描述, 并可传递的一些知识, 而我们熟知的数据 (data) 则是信息的具体表现形式, 是指人们看到的和听到的事实, 是各种各样的物理符号及其组合, 它反映了信息的内容 数据经过加工 处理并赋予一定意义后即可成为信息 在计算机领域中, 数据是信息在计算机内部的表现形式 数据可以在物理介质上记 28

37 第 1 章计算机概述 录或传输, 并通过外围设备被计算机接收, 经过处理而得到结果 有时信息本身是已经被数据化了的, 所以数据本身也就具有了信息的含义 在计算机领域信息处理 (information processing) 也称为数据处理, 信息检索 (information retrieval) 也称为数据检索 2. 信息技术 在人类社会漫长的发展过程中, 经历了 5 次信息革命 : 第 1 次信息革命是语言的产生, 语言是人类交流和传播信息最早的工具 ; 第 2 次信息革命是文字的使用 文字能保留信息, 对人类文化的发展起到了重要的作用 ; 第 3 次信息革命是印刷术的发明, 在更大范围内以更快的速度传播人类文明 ; 第 4 次信息革命是广播 电视 电话的使用, 以更快的速度推动人类文明向前发展 ; 第 5 次信息革命是计算机与通信技术相结合的技术 信息技术的诞生 信息技术从生产力变革和智力开发两个方面推动着人类社会的进步, 对人类社会产生了比以往更深远 更有意义的影响 信息技术 (information technology,it) 是指与信息的产生 获取 处理 传输 控制和利用等有关的技术 这些技术包括计算机技术 通信技术 微电子技术 传感技术 网络技术 新型元器件技术 光电子技术 人工智能技术 多媒体技术等, 其中计算机技术 通信技术 微电子技术是它的核心技术 随着计算机的普及, 信息技术在社会各行各业中得到广泛的渗透, 显示出它强大的生命力, 它正在从根本上不断地改变着人类社会的生产和生活方式 以往, 对信息的处理多以人工的方式进行, 随着信息技术的发展, 计算机作为信息处理的工具, 在信息存储 处理 交流传播等方面起着主导作用 信息化社会 1993 年, 美国首先提出了 国家信息基础设施 的计划, 也称 信息高速公路, 从此拉开了全球信息化的序幕 作为 21 世纪信息化社会的基础工程, 信息高速公路 将融合现有的计算机网络服务 电话和有线电视功能传递各种信息, 其服务范围包括教育 卫生 娱乐 科研 商业和金融等极其广阔的领域, 使人类不受时间 空间的限制, 极其容易地获取信息, 对全球经济及各国政治文化都带来了重大而深远的影响 在世界各国政府的组织和推动下, 随着信息处理 信息传输技术的不断发展, 高速率的多媒体全球网络经济的发展不断加快, 推动世界步入信息化时代 信息化 (informatization) 是指信息技术和信息产业在国民经济和社会各个领域的发展中发挥着主导的作用, 并且作用日益增强, 使经济运行效率 劳动生产率 企业核心竞争力和人民生活水平达到全面提高的过程 它以信息产业在国民经济中的比例 信息技术在传统产业中的应用程度和国家信息基础建设水平为主要标志 在信息化的过程中, 信息技术是信息化的主要推动力量, 信息产业 (information industry) 从无到有 迅速壮大, 其发展速度是任何传统的产业都无法比拟的 现在, 信息产业作为当今高新技 科学出版社职教技术出版中心 29

38 大学计算机概论 术产业的主体和新的生产力的代表, 将成为我国面向 21 世纪生存与发展的战略性支柱 产业 信息化已成为推进国民经济和社会发展的助力器, 信息化水平则成为一个城市或地区现代化水平和综合实力的重要标志 因此, 世界各国都把加快信息化建设作为国家的发展战略 信息化给人类带来前所未有的机遇和挑战 从对信息相关概念的阐述中不难看出, 无论对于个人还是对于社会信息, 都具有非常重要的意义, 信息在人们的社会生活和工作中扮演着越来越重要的角色 信息化社会应当具备如下特征 1. 信息化 信息化是以现代电子信息技术为前提, 从以传统工业为主的社会向以信息产业为主的社会的发展过程 2. 网络化 网络化是信息技术发展的必然结果, 现代计算机和计算机网络技术的发展, 大大提高了世界网络的进程 特别是人类进入 21 世纪以来, 随着互联网技术的发展和 信息高速公路 的建设, 网络化的浪潮席卷了整个世界, 网络信息服务蓬勃发展 网络化必将改变人类的生活和工作方式, 进一步影响人类的思维和文化, 推动整个社会的进步 3. 全球化 全球化的内容非常广泛, 其中包括经济全球化 文化全球化等很多方面, 而全球化的过程恰恰得益于信息技术的发展和进步 4. 虚拟化 全球化 网络化 信息化的发展让人们感觉到现实世界的许多系统或实体似实还虚, 这就是虚拟化的最大特征 人与人之间的交往很大程度上借助于网络来完成, 因此出现了一个由互联网构成的虚拟现实的信息交互平台 在信息时代里, 一切竞争归根到底是人才的竞争, 要想快速发展信息产业, 在国际竞争中增强实力, 就必须拥有大批优秀的信息人才, 形成信息人才的资源优势, 使信息产业发展有坚实的人才基础 信息产业是智力型 人才密集型产业, 人才一直是信息产业竞争的焦点 具有大批高质量的信息人才, 就会更快地发展信息产业 随着信息产业的快速发展, 信息人才短缺已成为全球性的问题 如何满足信息产业对人才的需求呢? 许多国家采取长期人才培养和短期人才争夺这两种措施 在这场波及全球的信息人才争夺大战中, 发达国家占尽了先机, 他们凭借雄厚的经济实力 优越的科研环境和生活条件等, 每年从发展中国家吸引大批优秀技术人才 我国在信息化建设的过程中也非常重视信息人才的培养, 目前我国计算机类的各种考试很多, 有专业性较高的计算机软件资格考试, 普及面广的计算机等级考试, 政策性强的专业技术人员计算机应用能力考试, 操作性多的电子商务师考试, 实用性强的计算 30

39 第 1 章计算机概述 机应用技术证书考试, 社会性广的企业信息管理师考试, 以及考生数较多的计算机高新技术考试等 1.6 大数据时代 最早提出 大数据 时代到来的是全球知名咨询公司麦肯锡, 麦肯锡称 : 数据, 已经渗透到当今每一个行业和业务职能领域, 成为重要的生产因素 人们对于海量数据的挖掘和运用, 预示着新一波生产率增长和消费者盈余浪潮的到来 大数据 在物理学 生物学 环境生态学等领域以及军事 金融 通讯等行业存在已有时日, 近年来因为互联网和信息行业的发展而引起人们关注 大数据是继云计算 物联网之后 IT 行业的又一大颠覆性的技术革命 云计算主要为数据资产提供了保管 访问的场所和渠道, 而数据才是真正有价值的资产 企业内部的经营交易信息 物联网世界中的商品物流信息, 互联网世界中的人与人交互信息 位置信息等, 其数量将远远超越现有企业 IT 架构和基础设施的承载能力, 实时性要求也将大大超越现有的计算能力 如何盘活这些数据资产, 使其为国家治理 企业决策乃至个人生活服务, 是大数据的核心议题, 也是云计算内在的灵魂和必然的升级方向 1. 大数据的定义 大数据是指无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行抓取 管理和处理的数据集合 大数据技术, 是指从各种各样类型的数据中, 快速获得有价值信息的能力 适用于大数据的技术, 包括大规模并行处理 (MPP) 数据库 数据挖掘电网 分布式文件系统 分布式数据库 云计算平台 互联网 和可扩展的存储系统 2. 大数据的特点 具体来说, 大数据具有以下 4 个基本特征 1) 数据体量巨大 百度资料表明, 其新首页导航每天需要提供的数据超过 1.5PB (1PB=1024TB), 这些数据如果打印出来将超过 5 千亿张 A4 纸 有资料证实, 到目前为止, 人类生产的所有印刷材料的数据量仅为 200PB 2) 数据类型多样 现在的数据类型不仅是文本形式, 更多的是图片 视频 音频 地理位置信息等多类型的数据, 个性化数据占绝对多数 3) 处理速度快 数据处理遵循 1 秒定律, 可从各种类型的数据中快速获得高价值的信息 4) 价值密度低 以视频为例, 一小时的视频, 在不间断的监控过程中, 可能有用的数据仅仅只有一两秒 3. 大数据的作用 科学出版社职教技术出版中心 1) 对大数据的处理分析正成为新一代信息技术融合应用的结点 移动互联网 物 31

40 大学计算机概论 联网 社交网络 数字家庭 电子商务等是新一代信息技术的应用形态, 这些应用不断产生大数据 云计算为这些海量 多样化的大数据提供存储和运算平台 通过对不同来源数据的管理 处理 分析与优化, 将结果反馈到上述应用中, 将创造出巨大的经济和社会价值 大数据具有催生社会变革的能量 但释放这种能量, 需要严谨的数据治理 富有洞见的数据分析和激发管理创新的环境 2) 大数据是信息产业持续高速增长的新引擎 面向大数据市场的新技术 新产品 新服务 新业态会不断涌现 在硬件与集成设备领域, 大数据将对芯片 存储产业产生重要影响, 还将催生一体化数据存储处理服务器 内存计算等市场 在软件与服务领域, 大数据将引发数据快速处理分析 数据挖掘技术和软件产品的发展 3) 大数据利用将成为提高核心竞争力的关键因素 各行各业的决策正在从 业务驱动 转变为 数据驱动 对大数据的分析可以使零售商实时掌握市场动态并迅速做出应对 ; 可以为商家制定更加精准有效的营销策略并提供决策支持 ; 可以帮助企业为消费者提供更加及时和个性化的服务 ; 在医疗领域, 可提高诊断准确性和药物有效性 ; 在公共事业领域, 大数据也开始发挥促进经济发展 维护社会稳定等方面的重要作用 4) 大数据时代科学研究的方法手段将发生重大改变 例如, 抽样调查是社会科学的基本研究方法 在大数据时代, 可通过实时监测 跟踪研究对象在互联网上产生的海量行为数据, 进行挖掘分析, 揭示出规律性的东西, 提出研究结论和对策 4. 大数据的分析众所周知, 大数据已经不是简简单单的数据大的事实了, 而最重要的现实是对大数据进行分析, 只有通过分析才能获取更多智能的 深入的 有价值的信息 越来越多的应用涉及大数据, 而这些大数据的属性包括数量 速度 多样性, 等等, 都呈现了大数据不断增长的复杂性, 所以大数据的分析方法在大数据领域就显得尤为重要, 可以说是决定最终信息是否有价值的决定性因素 常用的大数据分析普遍存在的方法理论如下 1) 可视化分析 大数据分析的使用者有大数据分析专家, 同时还有普通用户, 但是他们二者对于大数据分析最基本的要求就是可视化分析, 因为可视化分析能够直观的呈现大数据特点, 同时能够非常容易被读者所接受, 就如同看图说话一样简单明了 2) 数据挖掘算法 大数据分析的理论核心就是数据挖掘算法, 各种数据挖掘的算法只有基于不同的数据类型和格式才能更加科学地呈现出数据本身具备的特点, 也正是因为有这些被全世界统计学家所公认的各种统计方法才能深入数据内部, 挖掘出公认的价值 另外一个方面也是因为有这些数据挖掘的算法才能更快速的处理大数据, 如果一个算法得花上好几年才能得出结论, 那大数据的价值也就无从说起了 3) 预测性分析 大数据分析最终要的应用领域之一就是预测性分析, 从大数据中挖掘出特点, 科学地建立模型, 便可以通过模型带入新的数据, 从而预测未来的数据 4) 语义引擎 非结构化数据的多元化给数据分析带来新的挑战, 我们需要一套工 32

41 第 1 章计算机概述 具系统的去分析 提炼数据 语义引擎需要设计到有足够的人工智能的程度以足以从数据中主动地提取信息 5) 数据质量和数据管理 大数据分析离不开数据质量和数据管理, 高质量的数据和有效的数据管理, 无论是在学术研究还是在商业应用领域, 都能够保证分析结果的真实性和价值性 大数据分析的基础就是以上 5 个方面, 当然更加深入大数据分析的话, 还有很多很多更加有特点 更加深入 更加专业的大数据分析方法 5. 大数据的技术 1) 数据采集 :ETL 工具负责将分布的 异构数据源中的数据如关系数据 平面数据文件等抽取到临时中间层后进行清洗 转换 集成, 最后加载到数据仓库或数据集市中, 成为联机分析处理 数据挖掘的基础 2) 数据存取 : 关系数据库 NOSQL SQL 等 3) 基础架构 : 云存储 分布式文件存储等 4) 数据处理 : 自然语言处理 (natural language processing,nlp) 是研究人与计算机交互的语言问题的一门学科 处理自然语言的关键是要让计算机 理解 自然语言, 所以自然语言处理又叫做自然语言理解 (natural language understanding,nlu), 也称为计算语言学 (computational linguistics) 一方面它是语言信息处理的一个分支, 另一方面它是人工智能 (artificial intelligence,ai) 的核心课题之一 5) 统计分析 : 假设检验 显著性检验 差异分析 相关分析 T 检验 方差分析 卡方分析 偏相关分析 距离分析 回归分析 简单回归分析 多元回归分析 逐步回归 回归预测与残差分析 岭回归 logistic 回归分析 曲线估计 因子分析 聚类分析 主成分分析 因子分析 快速聚类法与聚类法 判别分析 对应分析 多元对应分析 ( 最优尺度分析 ) bootstrap 技术等 6) 数据挖掘 : 分类 估计 预测 相关性分组或关联规则 聚类 描述和可视化 复杂数据类型挖掘 ( 文本 网页 图形图像 视频 音频等 ) 7) 模型预测 : 预测模型 机器学习 建模仿真 8) 结果呈现 : 云计算 标签云 关系图等 6. 大数据的处理 (1) 采集大数据的采集是指利用多个数据库来接收发自客户端 (Web App 或者传感器形式等 ) 的数据, 并且用户可以通过这些数据库来进行简单的查询和处理工作 比如, 电商会使用传统的关系型数据库 MySQL 和 Oracle 等来存储每一笔事务数据, 除此之外,Redis 和 MongoDB 这样的 NOSQL 数据库也常用于数据的采集 在大数据的采集过程中, 其主要特点和挑战是并发数高, 因为同时有可能会有成千上万的用户来进行访问和操作, 比如火车票售票网站和淘宝, 它们并发的访问量在峰值 科学出版社职教技术出版中心 33

42 大学计算机概论 时达到上百万, 所以需要在采集端部署大量数据库才能支撑 并且如何在这些数据库之间进行负载均衡和分片的确是需要深入的思考和设计 (2) 导入 / 预处理虽然采集端本身会有很多数据库, 但是如果要对这些海量数据进行有效的分析, 还是应该将这些来自前端的数据导入到一个集中的大型分布式数据库, 或者分布式存储集群, 并且可以在导入基础上做一些简单的清洗和预处理工作 也有一些用户会在导入时使用来自 Twitter 的 Storm 来对数据进行流式计算, 来满足部分业务的实时计算需求 导入与预处理过程的特点和挑战主要是导入的数据量大, 每秒钟的导入量经常会达到百兆, 甚至千兆级别 (3) 统计 / 分析统计与分析主要利用分布式数据库, 或者分布式计算集群来对存储于其内的海量数据进行普通的分析和分类汇总等, 以满足大多数常见的分析需求, 在这方面, 一些实时性需求会用到 EMC 的 GreenPlum Oracle 的 Exadata, 以及基于 MySQL 的列式存储 Infobright 等, 而一些批处理, 或者基于半结构化数据的需求可以使用 Hadoop 统计与分析这部分的主要特点和挑战是分析涉及的数据量大, 其对系统资源, 特别是 I/O 会有极大的占用 (4) 挖掘与前面统计和分析过程不同的是, 数据挖掘一般没有什么预先设定好的主题, 主要是在现有数据上面进行基于各种算法的计算, 从而起到预测 (predict) 的效果, 从而实现一些高级别数据分析的需求 比较典型的算法有用于聚类的 Kmeans 用于统计学习的 SVM 和用于分类的 NaiveBayes, 主要使用的工具有 Hadoop 的 Mahout 等 该过程的特点和挑战主要是用于挖掘的算法很复杂, 并且计算涉及的数据量和计算量都很大, 常用数据挖掘算法都以单线程为主 整个大数据处理的普遍流程至少应该满足这 4 个方面的步骤, 才能算得上是一个比较完整的大数据处理 1.7 计算机与计算思维 1. 计算思维产生的背景 2006 年 3 月, 美国卡内基 梅隆大学计算机科学系主任周以真 (Jeannette M. Wing) 教授在美国计算机权威期刊 Communications of the ACM 杂志上给出并定义了计算思维 (computational thinking) 她认为: 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解 系统设计, 以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动 2007 年, 美国国家科学基金会制定了 振兴大学本科计算教育的途径 (CPATH) 34

43 第 1 章计算机概述 计划 该计划将计算思维的学习融入计算机 信息科学 工程技术和其他领域的本科教育中, 以增强学生的计算思维能力, 促成造就具有基本计算思维能力的 在全球有竞争力的美国劳动大军, 确保美国在全球创新企业的领导地位 2011 年度, 美国国家科学基金会又启动了 21 世纪计算教育 计划, 计划建立在 CPATH 项目成功的基础上, 其目的是提高中小学和大学一 二年级教师与学生的计算思维能力 2. 计算思维的定义 国际上广泛认同的计算思维定义来自周以真教授 : 计算思维是人们运用计算机科学的基础概念去求解问题 设计系统以及理解人类行为 它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动 计算思维融合了数学思维 工程思维和科学思维 它如同所有人都具备的 读 写 算 能力一样, 是必须具备的思维能力 计算思维本身并不是新的东西, 长期以来都在被不同领域的人们自觉或不自觉地采用 为什么现在需要特别强调? 这与人类社会的发展直接相关 我们现在所处的时代, 称为 大数据 时代, 人类社会方方面面的活动从来没有像现在这样被充分的数字化和网络化 人们在商场的消费信息, 就会实时地在国家信用中心的计算机系统中反映出来 移动通信运营商原则上可以随时知道每个人的地理位置 呼啸在京广线上的高铁列车的状态, 随时被传给指挥控制中心 也就是说, 对于任何现实的活动, 都伴随着相应数据的产生 数据成为现实活动所留下的 痕迹 现实活动难以重演, 但数据分析可以反复进行 对数据的分析研究实质上就是计算, 这就是计算思维的用武之地 3. 计算思维的特性 计算思维虽然具有计算机的许多特征, 但是计算思维本身并不是计算机的专属 实际上, 即使没有计算机, 计算思维也会逐步发展, 甚至有些内容与计算机没有关系 但是, 正是由于计算机的出现, 给计算思维的发展带来了根本性的变化 计算思维有如下特征 : (1) 计算思维是概念化, 不是程序化计算思维不是计算机编程, 而是要求能够在抽象的层次上进行思维活动, 用计算思维的概念去思考 解决问题 计算机科学不只是关注计算机, 就像音乐产业不只是关注麦克风一样 (2) 计算思维是根本的, 不是刻板的技能计算思维是一种根本技能, 是每一个人在现代社会中所必须掌握的 刻板的技能意味着简单的机械重复, 计算思维是灵活的 具有创造性的思维 (3) 计算思维是人类的, 不是计算机的思维方式计算思维是指导人类求解问题的一条途径, 但决非要使人类像计算机那样地思考 科学出版社职教技术出版中心 35

44 大学计算机概论 计算机枯燥且沉闷, 只能机械地执行预先存储的指令 人类聪颖且富有想象力, 其思维千变万化 (4) 计算思维是数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维, 因为像所有的科学一样, 其形式化基础建筑于数学之上 计算机科学又从本质上源自工程思维, 因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统 所以计算思维是数学和工程思维的互补与融合 (5) 计算思维是思想, 不是人造物计算思维是一种思想, 不是工厂的产品, 重要的是用计算的概念进行问题求解 对日常生活进行管理, 以及与他人进行交流和互动 (6) 计算思维面向所有人的 所有地方当计算思维真正融入人类活动的整体时, 它作为一个解决问题的有效方法, 人人都应当掌握, 处处都会使用到 4. 计算思维的本质抽象和自动化是计算思维的本质 计算思维中的抽象完全超越物理的时空观, 并完全用符号来表示 与数学和物理科学相比, 计算思维中的抽象显得更为丰富, 也更为复杂 计算思维通过约简 嵌入 转化和仿真等方法, 把一个困难的问题表示为求解它的算法, 可以通过计算机自动执行, 所以具有自动化的本质 5. 计算思维的方法计算思维是每个人的基本技能, 不仅属于计算机科学家 因此每个学生在培养解析能力时不仅应掌握阅读 写作和算术 (Reading,wRiting,and arithmetic,3r), 还要学会计算思维, 用计算思维方法对问题进行求解 计算思维方法很多, 主要包含以下几大类 : 1) 计算思维通过约简 嵌入 转化和仿真等方法, 把一个困难的问题重新阐释成一个如何求解它的问题 2) 计算思维是一种递归思维, 是一种并行处理, 是一种把代码译成数据又能把数据译成代码的方法 3) 计算思维采用抽象和分解的方法来控制复杂的任务或进行巨型复杂系统的设计, 基于关注点分离的方法 (SOC 方法 ) 由于关注点混杂在一起会导致复杂性大大增加, 把不同的关注点分离开来分别处理是处理复杂性任务的一个原则 4) 计算思维选择合适的方式对一个问题的相关方面进行建模, 使其易于处理, 在不必理解每一个细节的情况下就能够安全地使用 调整和影响一个大型复杂系统 5) 计算思维采用预防 保护及通过冗余 容错 纠错的方法, 从最坏情形进行系统恢复 36

45 第 1 章计算机概述 6) 计算思维是一种利用启发式推理来寻求解答的方法, 即在不确定情况下进行规划 学习和调度 7) 计算思维是一种利用海量数据来加快计算在时间和空间之间 在处理能力和存储容量之间进行折中处理的方法 1. 计算机的发展经历了哪几个阶段? 各阶段的主要特征是什么? 2. 计算机的类型有哪些? 3. 简述计算机的应用领域 4. 什么是信息? 什么是数据? 它们之间有什么关系? 5. 什么是信息技术? 6. 信息化社会有哪些特征? 7. 计算机在信息化社会都有哪些应用? 8. 计算机内部为什么要采用二进制表示数据? 9. 什么是基数? 什么是位权? 10. 简述二进制数 八进制数 十进制数以及十六进制数之间相互转换的方法 11. 什么是 ASCII 码? 12. 什么是大数据? 它有什么特点? 13. 什么是计算思维? 计算思维的特性是什么? 科学出版社职教技术出版中心 37

46 第 2 章计算机系统 随着计算机技术的飞速发展及其在社会各个领域中的广泛应用, 计算机已经成为人们工作与生活中不可缺少的重要工具之一 为了使其更好地服务于人们的工作与生活, 理解和全面掌握计算机的系统组成十分重要, 为此本章对如下内容做了较详细的介绍 1) 计算机系统结构 2) 微型计算机系统结构 3) 微型计算机硬件系统 4) 计算机软件系统 2.1 计算机系统结构 计算机系统组成计算机系统主要由硬件 (hardware) 系统和软件 (software) 系统两大部分组成 硬件是指能看得见 摸得着的实际物理设备, 如通常所看到的计算机, 会有机柜或机箱, 里边是各式各样的电子元器件, 还有键盘 鼠标 显示器和打印机等, 这些都是硬件, 它们是计算机工作的物质基础 软件是指各类程序和数据, 计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和完成用户任务所需要的应用软件 计算机系统的基本组成如图 2-1 所示 计算机工作原理计算机的工作过程是执行程序的过程, 程序是指令的集合 怎样组织程序, 这将涉及计算机体系结构问题 现在的计算机都是基于 程序存储 概念设计制造出来的 1. 计算机的基本结构计算机的硬件系统一般由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 5 大部分组成 其中, 运算器和控制器合在一起称为中央处理器 (central processing unit,cpu), 而中央处理器和主存储器一起构成了计算机主机 计算机结构框图如图 2-2 所示, 图中双线箭头代表数据信号流向, 单线箭头代表控制信号流向

47 第 2 章计算机系统 图 2-1 计算机系统组成示意图 职教技术出版中心 图 2-2 计算机结构框图科学出版社 39

48 大学计算机概论 (1) 运算器运算器是对数据进行加工处理的部件, 它在控制器的控制下与内存交换数据, 负责进行算术运算 逻辑运算和其他操作 在运算器中含有用于暂时存放数据或结果的寄存器 运算器由算术逻辑单元 (arithmetic logic unit,alu) 累加器 状态寄存器和通用寄存器等组成 ALU 是用于完成加 减 乘 除等算术运算, 与 或 非等逻辑运算, 以及移位 求补等操作的部件 (2) 控制器控制器是整个计算机系统的指挥中心, 负责对指令进行分析, 并根据指令的要求, 有序 有目的地向各个部件发出控制信号, 使计算机的各个部件协调一致地工作 在计算机中, 运算器和控制器被集成在一个硅片上, 采用一定的封装形式后就是目前所见到的 CPU (3) 存储器存储器是计算机的记忆装置, 主要用来保存数据和程序, 所以存储器应该具备存数和取数的功能 存数是指往存储器里 写入 数据 ; 取数是指从存储器里 读取 数据 读写操作统称对存储器的访问 (4) 输入设备输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序, 并将它们转换为计算机能够识别的形式存放在内存中 常见的输入设备有键盘 鼠标 扫描仪等 (5) 输出设备输出设备用于将存放在内存中并经计算机处理的结果输出 常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 输入设备与输出设备统称为 I/O 设备 2. 指令与指令系统 (1) 指令指令是能被计算机识别并执行的二进制代码, 它规定了计算机能完成的某一种操作 指令的数量与类型由 CPU 决定 系统内存用于存放程序和数据, 程序由一系列指令组成, 这些指令在内存中是有序存放的, 指令号表明了它的执行顺序 什么时候执行哪一条指令由 CPU 中的控制单元决定 数据是用户需要处理的信息, 它包括用户的具体数据和这个数据在内存系统中的地址 一条指令通常由如下两部分组成 操作码地址码操作码用于指明该指令要完成操作的类型或性质, 如取数 做加法或输出数据等 地址码用于指明操作对象的内容或所在的存储单元地址 (2) 指令系统一台计算机的所有指令的集合, 称为该计算机的指令系统 不同类型的计算机, 指 40

49 第 2 章计算机系统 令系统的指令条数有所不同 但无论哪种类型的计算机, 指令系统都应具有以下功能的指令 1) 数据传送指令 : 将数据在内存与 CPU 之间进行传送 2) 数据处理指令 : 数据进行算术 逻辑或关系运算 3) 程序控制指令 : 控制程序中指令的执行, 如条件转移 无条件转移 调用子程序 返回 停机等 4) 输入 / 输出指令 : 用来实现外部设备与主机之间的数据传输 5) 其他指令 : 对计算机的硬件进行管理等 3. 计算机基本工作原理 (1) 冯 诺依曼的 程序存储 设计思想 1944 年 8 月, 著名美籍匈牙利数学家冯 诺依曼与美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇利小组合作, 在他们研制的 ENIAC 基础上提出了一个全新的存储程序通用电子计算机的方案, 即 EDVAC 计算机方案 方案中, 冯 诺依曼总结并提出了如下思想 1) 计算机应包括运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备等基本部件 2) 计算机内部采用二进制来表示指令和数据 每条指令一般具有一个操作码和一个地址码 其中操作码表示运算性质, 地址码指出操作数在存储器中的地址 3) 将编写好的程序送入内存, 然后启动计算机工作, 计算机不需要操作人员干预, 能自动逐条读取指令和执行指令 冯 诺依曼设计思想最重要之处在于明确提出了 程序存储 的概念, 他的全部设计思想实际上是对 程序存储 概念的具体化 (2) 计算机的工作过程了解了计算机系统的硬件和软件后, 下面通过一个简单的计算过程说明计算机的基本工作原理 假设要输入两个初始数据 ( 如 5 和 3), 计算它们的和并输出结果 首先, 用一种高级程序设计语言 ( 如 C 语言 ) 编写一个名为 Test.c 的如下源程序文件 Main() {int a b c; Scanf("%d %d",&a,&b); c=a+b printf("%d",c); } 然后, 用 C 语言编译程序编译成目标程序 ( 文件名为 Test.obj) 最后, 连接装配成可执行的机器语言程序, 并在内存中执行 执行时, 计算机指令依次完成如下操作 1) 从键盘读入初始数据 5 和 3, 分别存储到名称 a 和 b 所代表的存储单元 2) 从名称 a 和 b 所代表的存储单元中读取数据 3 和 5 并相加得和 8, 并将结果 8 科学出版社职教技术出版中心 41

50 大学计算机概论 保存到变量名字 c 所代表的存储单元中 3) 从变量名称 c 所代表的存储单元中读取结果 8, 并在屏幕上显示输出 如前所述, 通常每一条指令都包含操作码和地址码两部分 设取数指令的操作码为 0010, 数 5 存放在存储器的 0001 存储单元中, 那么第一条指令应为 其余的指令也有类似的形式 将可执行的程序存入计算机, 计算机会记下程序的起始地址 运行这个程序时, 计算机首先将该程序的起始地址送入指令计数器 (PC), 控制器按照 PC 中的地址从内存中取出指令并送入指令寄存器 (IR) 机器分析 IR 中的操作码部分, 确定应完成什么操作 然后由操作命令产生部件按一定顺序发出控制信号, 控制有关部件完成规定操作 在完成一条命令的过程中, 当 PC 送出上一条指令的地址后会自动将 PC 内容加 1, 准备好下一条指令的地址 就这样, 计算机自动逐条读取指令 分析指令 执行指令, 直到该程序的指令全部执行完毕 程序的执行流程如图 2-3 所示 由上述分析可知, 计算机的基本工作原理如下 图 2-3 程序的执行流程 1) 计算机自动计算或处理的过程实际上是执行预先存储在计算机里的一段程序的过程 即计算机是由程序控制的, 程序是由人编写的, 当然, 编程序所采用的语言可以不同 2) 计算机程序是指令的有序序列, 执行程序的过程实际上是依次逐条执行指令的过程 3) 指令的执行是由计算机硬件实现的 每一条指令的实现都经过读取指令 分析指令和执行指令 3 个步骤, 并为读取下一条指令做好准备 2.2 微型计算机系统结构 从系统结构来看, 目前的绝大多数计算机系统 ( 包括微型计算机在内 ) 都属于冯 诺依曼型计算机, 所以它同样由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备 5 大部分组成 但随着超大规模集成电路技术的发展, 计算机的基本组成已经发生了一些变化, 如现在已经把运算器和控制器做到一个芯片上, 这就是微处理器 (MPU/CPU) 同时将输入 / 输出设备与系统之间的接口电路从输入 / 输出设备中分离出来, 用集成电路技术制造, 这就是输入 / 输出接口 (input/output interface,i/o) 42

51 第 2 章计算机系统 微型计算机系统的基本组成 目前的各种微型计算机从概念结构上来说都是由微处理器 存储器 输入 / 输出接口及连接它们的总线组成 总线结构的微型计算机系统结构如图 2-4 所示 1.CPU 图 2-4 微型计算机的总线结构 CPU 是微型计算机的核心芯片, 是整个系统的运算和指挥控制中心 它为计算机系统完成 3 项主要任务 : 在处理器与存储器或者 I/O 之间传送数据 ; 进行简单的算术和逻辑运算 ; 通过简单的判定控制程序的流向 CPU 内部主要包括控制器 运算器和寄存器组 3 个主要部分 由于 CPU 也采用了总线结构, 所以 CPU 内部还包含了总线接口部件 (bus interface unit,biu), 专门用于控制总线上的数据传输操作 现代的 CPU 往往还将浮点处理部件 (float point processing unit,fpu) 存储器管理部件 (memory management unit,mmu) 和高速缓冲存储器 (cache) 等也集成到其内部 2. 存储器 存储器 (memory) 通常分为两大类 : 一类是主存储器 ( 主存 ), 也称为内存储器 ( 内存 ); 另一类是外存储器 ( 外存 ), 也称为辅助存储器 内存或主存是微型计算机的存储和记忆部件, 用以存放数据 ( 包括原始数据 中间结果和最终结果 ) 和当前执行的程序 微型机的内存均由半导体材料制成, 故也称为半导体存储器 3. 输入 / 输出接口和输入 / 输出设备 与 CPU 相比,I/O 设备的工作速度较低, 处理的信息从数据格式到逻辑时序一般都不可能与计算机直接兼容, 因此, 微机与 I/O 设备间的连接与信息交换不能直接进行, 而必须通过一个中间部件作为两者之间的桥梁, 该部件就是输入 / 输出接口 ( 简称 I/O 接口 ) I/O 接口有时又称为 I/O 适配器 (I/O adapter) I/O 设备的种类繁多, 结构 原理各异, 常用的输入设备有键盘 鼠标器 扫描仪等, 常用的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 磁盘既是输入设备, 又是输出设备 4. 总线 科学出版社职教技术出版中心 总线 (bus) 由一组导线和相关控制电路组成, 是各种公共信号线的集合, 用于微 43

52 大学计算机概论 机系统各部件之间的信息传递 通常将用于主机系统内部信息传递的总线称为内部总线, 将连接主机和外部设备之间的总线称为外部总线 从传送信息的类型上来说, 这两类总线都包括用于传送数据的数据总线 传送地址信息的地址总线和传送控制信息的控制总线 (1) 数据总线数据总线 (data bus,db) 用来传输数据信息, 是双向总线,CPU 即可以通过 DB 从内存或输入设备输入数据, 也可以通过 DB 将内部数据送至内存或输出设备 DB 的宽度决定了数据的传送速度 (2) 地址总线地址总线 (address bus,ab) 用于传送 CPU 发出的地址信息, 是单向总线 传送地址信息的目的是指明与 CPU 交换信息的内存单元或 I/O 设备单元 AB 的宽度决定了存储器容量, 即 CPU 可以直接寻址的内存单元的范围, 如 AB 是 20 位, 则可寻址的内存空间为 2 20 B (3) 控制总线控制总线 (control bus,cb) 用来传送控制信号 时序信号 状态信息等 其中有的是 CPU 向内存和外设发出的信息, 有的则是内存或外设向 CPU 发出的信息 可见, CB 中每一根线的方向是一定的 单向的, 但 CB 作为一个整体是双向的, 所以在各种结构图中凡涉及 CB, 均以双向线表示 微型计算机系统的层次结构 在微型计算机系统中, 从局部到全局包括 3 个层次, 即微处理器 微型计算机 微型计算机系统, 这是 3 个不同的概念, 但它们之间又有着密切的联系 微型计算机的层次关系如图 2-5 所示 1. 微处理器 微处理器 (microprocessor) 一般称为 CPU, 是微型计算机的核心部件, 是整个计算机系统的控制中心, 它严格按照规定的脉冲频率工作 一般来说, 工作频率越高,CPU 工作速度越快, 能够处理的数据量也就越大, 功能也就越强 CPU 包括算术逻辑部件 (ALU) 控制逻辑部件 寄存器组和内部总线等, 通常被集成在一片或几片大规模集成电路或超大规模集成电路中 在 CPU 技术和市场上,Intel 公司一直占有重要地位,Intel 智能酷睿平台以高能耗比 高稳定性的优势得到 DIY 市场广泛认可, 目前这一品牌已经发展到第四代, 基于 22nm 工艺的第四代 Core i 系列 CPU 现在已经逐步取代三代产品成为市场主流 Intel 公司将 PentiumIV CPU 细分为奔腾 (Pentium) 赛扬 (Celeron) 至强 (Xeon) 迅驰 (Centrino)4 个系列 它们在设计技术上差异不大, 在外观上也没有太大差别, 主要用于不同的商业市场 44

53 第 2 章计算机系统 2. 微型计算机微型计算机 (microcomputer) 以微处理器为核心, 再配以存储器 输入 / 输出接口电路和系统总线 存储器包括随机存储器 (random access memory,ram) 和只读存储器 (read only memory,rom), 输入 / 输出接口电路是用来使外部设备和微型计算机相连, 系统总线是为 CPU 与其他部件之间传输数据 地址和控制信息的通道 微处理器的性能决定了整个微型计算机的各项关键指标 3. 微型计算机系统 图 2-5 微型计算机的层次关系 微型计算机系统 (microcomputer system) 是以微型计算机为主体, 再配以相应的外 部设备和软件 它是完整的计算机系统, 具有实用意义, 可以正常工作 2.3 微型计算机硬件系统 考虑到微型计算机系统的特点, 通常认为微型计算机的硬件系统由主机系统 存储 系统和输入 / 输出系统 3 部分组成 主机系统 1. 主板 科学出版社职教技术出版中心 主板又称系统主板 (system board), 用于连接计算机的多个部件, 如图 2-6 所示 它安装在主机箱内, 是微型计算机最基本 最重要的部件之一 主板主要包括 CPU 的 45

54 大学计算机概论 插座与插槽 内存插槽 总线扩展槽 各种接口 ( 硬盘和光驱的 IDE 或 SCSI 接口 软 驱接口 串行接口 并行接口 USB 接口 ; 键盘 鼠标接口 ) BIOS 芯片 CMOS 芯 片 DIP 开关等 目前新型的主板还集成了显卡 声卡 网卡 调制解调器等接口 并行口 CPU 插座 显卡接口 内存插槽 电源接口 总线扩展槽 IDE 接口 软驱接口 图 2-6 主机板 1)CPU 插座与插槽 : 用于固定连接 CPU 芯片 由于集成化程度和制造工艺的不断提高, 越来越多的功能被集成到 CPU 上 CPU 与主板的接口形式根据 CPU 的不同分为 Socket 插座和 Slot 插槽 目前,Socket 插座是一种主流处理器架构, 也是未来的发展方向 2) 内存插槽 : 主板给内存预留专用插槽, 只要购买所需数量并与主板插槽匹配的内存条, 就可以实现扩充内存和即插即用 目前生产的主板有 168 线和 184 线的内存插槽 3) 总线扩展槽 : 主要用于扩展微型计算机的功能, 也称 I/O 插槽 在它上面可以插入许多标准选件, 如显卡 声卡 网卡等, 以扩展微型计算机的各种功能 任何插卡插入扩展槽后, 都可以通过系统总线与 CPU 连接, 在操作系统的支持下实现即插即用 这种开放的体系结构为用户组合各种功能设备提供了方便 4)BIOS 芯片 : 即基本输入 / 输出系统 (basic input/output system), 是主板的核心, 它保存着计算机系统中的基本输入 / 输出程序 系统信息设置 自检程序和系统启动自举程序 BIOS 负责从计算机开始加电到完成操作系统引导之前的各个部件和接口的检测及运行管理 现在主板的 BIOS 还具有电源管理 CPU 参数调整 系统监控 病毒防护等功能 早期的 BIOS 通常采用 EPROM 芯片, 用户不能更新版本 目前主板上的 BIOS 芯片采用闪烁只读存储器 (flash ROM) 由于闪烁只读存储器可以电擦除, 因此可以更新 BIOS 的内容, 升级十分方便, 但也成为主板上唯一可被病毒攻击的芯片,BIOS 中的程序一旦被破坏, 主板将不能工作 5)CMOS 芯片 : 主板上的一块可读写的 ROM 芯片, 用来保存当前系统的硬件配置和一些用户设定的参数 用户可以利用 CMOS 对微机的系统参数进行设置, 设置方 46

55 第 2 章计算机系统 法如下 系统启动时按设置键 ( 通常是 Delete 键 ) 打开 BIOS 设置窗口, 在窗口内进行 CMOS 的设置 CMOS 开机时由系统电源供电, 关机时由主板上的电池供电 即使关机, 信息也不会丢失, 但应注意更换电池 6) 各种接口 : 接口是指计算机系统中, 在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路 接口的功能是在各个组成部件之间进行数据交换 主机与外部设备之间的接口称为输入输出接口, 下面介绍常见的接口 1 IDE(integrated device electronics, 集成设备电子部件 ) 接口, 主要连接 IDE 硬盘和 IDE 光驱 主板上有两组 IDE 设备接口, 分别标识为 IDE1 和 IDE2 IDE1 多用于连接系统引导硬盘,IDE2 多用于接入光盘驱动器 2 串行接口 (serial port), 主要用于连接鼠标 外置 MODE 等外部设备 串行接口是所有计算机都具备的 I/O 接口, 主板上的串行接口一般为两个 10 针双排插座, 分别标注为 COM1 和 COM2 3 并行接口 (parallel port), 主要用于连接打印机等设备 主板上的并行接口为 26 针的双排插座, 标识为 LPT 或 PRN 4 USB(universal serial bus, 通用串行总线 ) 是一种新型的接口总线标准 USB 接口可以连接数码相机 扫描仪 闪存盘等外部设备 5 键盘鼠标接口用于连接键盘和鼠标 此外, 跳线开关主要用于改变主板的工作状态, 如改变 CPU 的工作频率 工作电压等 2. 微处理器微处理器内部从总体上讲主要包括 3 大部分 : 运算器 控制器和寄存器, 如图 2-7 所示, 它们通过 CPU 内部总线连接在一起 现代微处理器中还包含高速缓冲存储器 各部分由集成电路技术集成在一片硅片上 1) 运算器 运算器主要由算术逻辑单元 内部寄存器 ( 包括标志寄存器 通用寄存器或专用寄存器组 ) 及内部总线 3 部分组成 其核心功能是实现数据的算术运算和逻辑运算, 所以有时也将运算器称为算术逻辑单元 算 术逻辑单元的内部包括负责加 减 乘 除运算的加法 器, 以及实现各种逻辑运算的功能部件, 是运算器的主 要部件 2) 控制器 控制器主要完成指令的分析 指令及操作数的传送 产生控制和协调 整个 CPU 工作所需要的时序逻辑等 图 2-7 CPU 基本结构 科学出版社职教技术出版中心 指令在被执行前都存放在内存中, 控制器根据程序计数器 ( 也称指令指针 ) 指定的 地址, 从内存单元中取出指令, 经译码后送入运算器执行 执行中要用到操作数及最终 47

56 大学计算机概论 的运算结果也由控制器通过总线送入内存存放 3) 寄存器 寄存器按其字面意思可理解为是用来暂时存放数据的部件 这里的 数据 是广义, 它可以是参加运算的操作数或运算的结果, 存放这类数据的寄存器称为通用寄存器 ; 另外一类 数据 表征着计算机当前的工作状态, 如下边要执行哪一条指令, 执行的结果具有哪些特征 ( 如有无进位 ) 等, 存放这类数据的是专用寄存器 除了 CPU 外, 计算机还拥有一种称为协处理器的配套芯片 它是通过硬件电路高速度地完成原来用软件完成的数学运算或其他处理工作的专用处理器 最常用的是浮点运算协处理器, 用来完成浮点数的各种运算, 从加减乘除到超越函数计算, 运算速度可比软件提高上百倍 32 位的微处理器芯片上已直接集成了这种协处理器 协处理器还包括用来完成高级语言编译的专用处理器等 3. 内存储器内存储器也称主存 (main memory), 用于临时存放正在运行的程序 可立即运行的程序以及相关的数据 ; 可以通过总线与 CPU 直接进行信息交换 ; 运行速度较快, 容量相对较小 ; 在系统关机 ( 电源断开 ) 后其内部存放的信息会丢失 ; 通常由半导体材料制造, 故也称为半导体存储器 (1) 内存储器的结构内存储器由许多单元组成, 如图 2-8 所示, 每个单元可存放一组二进制码 CPU 只能直接访问存储在内存中的数据, 一个二进制位是构成存储器的最小单位 实际上, 存储器是由许多个二进制位的线性排列构成的 为了存取到指定位置的数据, 通常将每 8 个二进制位组成一个存储单元, 称为字节 ; 一台微机中内存单元的总数称为该微机的内存容量, 单位为字节 例如, 一台微机拥有 个存储单元, 就称该微机的内存容量为 256MB 为了区分不同的内存单元, 需要给每个存储单元编制不同的号码, 这个编号称为内存地址 内存地址编号从 0 开始顺序编排 图 2-8 内存储器结构 内存单元中存放的信息称为内存单元的内容 虽然内存单元的内容与内存单元的地址在表现形式上都是二进制数, 但本质上它们是两个完全不同的概念 48

57 第 2 章计算机系统 (2) 内存储器的基本操作 CPU 对内存的操作有如下两种 1) 读操作 :CPU 将内存单元的内容取到 CPU 内部 2) 写操作 :CPU 将其内部信息传送到内存单元保存起来 显然, 写操作的结果改变了被写单元的内容, 而读操作则不改变被读单元的内容 对内存储器中的内容进行读写操作时, 来自地址总线的存储器地址经地址译码器译码后, 选中指定的存储单元, 而读写控制电路根据读写命令实施对存储器的存取操作, 数据总线则用来传送写入内存储器或从内存储器读出的信息 (3) 内存储器的分类内存储器按工作方式不同可分为 RAM 和 ROM 两类 1)RAM 也称读写存储器 RAM 中存储当前使用的程序 数据 中间结果和与外存交换的数据,CPU 根据需要可以直接读 / 写 RAM 中的内容 RAM 有两个主要特点 : 一是其中的信息随时可以读出或写入, 当写入时, 原来存储的数据将被冲掉 ; 二是加电使用时其中的信息完整无缺, 而一旦断电 ( 关机或意外掉电 ),RAM 中存储的数据就会丢失, 而且无法恢复 由于 RAM 的这一特点, 所以也称其为临时存储器 2)ROM 中的信息只能被 CPU 随机读取, 不能由 CPU 任意写入, 也就是只能作读出操作而不能进行写入操作 ROM 中的信息是在制造时由生产厂家或用户用专门的设备一次写入固化的 ROM 常用来存放固定不变 重复执行的程序, 如存放汉字库 各种专用设备的控制程序 监控程序和基本输入 / 输出程序, 还可用来存放各种常用数据 表格等 ROM 中存储的内容是永久性的, 即使关机或意外掉电也不会消失 随着半导体技术的发展, 已经出现了多种形式的 ROM, 如可编程只读存储器 (programmable ROM, PROM) 可擦除与可编程的只读存储器 (erasable programmable ROM,EPROM), 以及掩膜型只读存储器 (masked ROM,MROM) 等 它们需要特殊的手段改变其中的内容 根据工作原理的不同,RAM 也可分为动态 RAM(dynamic RAM,DRAM) 和静态 RAM(static RAM,SRAM) 两种 SRAM 的集成度比较低, 但速度比较高, 一般用做高速缓存或用于小规模的系统 DRAM 的集成度比较高, 但速度相对较慢, 一般作为主存或显存使用 目前微机中的内存都是 DRAM (4) 存储容量存储器可容纳的二进制信息量称为存储容量 目前, 度量存储容量的基本单位是字节 (Byte) 此外, 常用的存储容量单位还有 KB( 千字节 ) MB( 兆字节 ) GB( 吉字节 ) TB( 太字节 ) 和 PB( 拍字节 ) 它们之间的关系如下 : 1 字节 (Byte)=8 个二进制位 (bit) 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB 1EB=1024PB 科学出版社职教技术出版中心 49

58 大学计算机概论 1ZB=1024EB 1YB=1024ZB (5) 存取时间存储器的存取时间是指从启动一次存储器操作, 到完成该操作所经历的时间 一般是指从发出读信号开始, 到发出通知 CPU 读出数据已经可用的信号为止的时间 存取时间越短越好, 目前内存的存取时间为几十纳秒 (10 9 s) 至几微秒 (10 6 s) 4. 总线 现代计算机系统结构复杂, 各部件之间需要有一个能够有效高速传输各种信息的通道, 这就是总线 总线由一组导线和相关的控制 驱动电路组成 在计算机系统中, 总线被视为一个独立部件 现代微型计算机中的多总线结构如图 2-9 所示 图 2-9 微机中的多总线结构示意图 总线一般分为微处理器总线 系统总线和外部设备总线 3 个层次 1) 微处理器总线也称 CPU 总线或前端总线, 它是从 CPU 芯片的引脚上引出, 用来实现 CPU 与外围控制芯片 ( 包括主存 高速缓冲存储器等 ) 之间的连接 2) 系统总线也称 I/O 通道总线, 用于 CPU 与接口卡的连接 常见的总线标准有 ISA MCA PCI AGP PCI-E 等 1 ISA(industry standard architecture, 工业标准结构 ) 总线是由美国 IBM 公司推出的 8/16 位标准总线, 数据传输率为 8MB/s, 主要用于早期的 IBM-PC/XT AT 及其兼容机上 2 PCI(peripheral component interconnect, 外部设备互连 ) 总线是由美国 Intel 公司推出的 32/64 位标准总线 PCI 总线是一种与 CPU 隔离的总线结构, 并能与 CPU 同时工作 这种总线适应性强 速度快 数据传输率为 133MB/s, 适用于 Pentium 以上的微型计算机 3 AGP(accelerated graphics port, 加速图形端口 ) 总线是一种专为提高视频带宽而设计的总线规范 其视频数据的传输速率可以从 PCI 的 133MB/s 提高到 266MB/s

59 第 2 章计算机系统 MB/s 1.064GB/s 和 2.128GB/s 严格地说,AGP 不能称为总线, 因为它是点对点连接, 即在控制芯片和 AGP 显示接口之间建立一个直接的通路, 使 3D 图形数据不通过 PCI 总线, 而直接送入显示系统 这样就能突破由 PCI 总线形成的系统瓶颈 4 PCIe(PCI Express) 总线也称 PCI-E 总线, 是近年来出现在微机系统中的一种 用来代替 PCI 和 AGP 接口规范的新型系统总线标准 与传统 PCI 或 AGP 总线的共享并 行传输结构相比,PCIe 采用设备间的点对点串行连接 这样就能够允许每个设备建立自 己的专用数据通道, 不需要与其他设备争用带宽, 从而极大地加快了设备之间的数据传送速度 串行连接和设备间专用传输通道的特点使 PCIe 的数据传输速率可以轻松地达到 16GB/s 3) 外部设备总线 外部设备总线是指计算机主机与外部设备接口的总线, 实际上是一种外部设备的接口标准 当前在微机上常用的接口标准有 4 种 :IDE(integrated drive electronics, 集成驱动器电子标准 ) EIDE(enhanced integrated drive electronics, 增强型集成驱动器电子标准 ) SCSI(small computer system interface, 小型计算机系统接口 ) USB(universal serial bus, 通用串行总线 ) 和 IEEE1394 前两种主要是与硬盘 光盘驱动器等 IDE 设备接口, 后两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备 5. 输入 / 输出接口 外部设备的种类多种多样, 由于速度匹配 信号电平和驱动能力 信号形式匹配 信息格式 时序匹配等问题, 使外部设备与微处理器或内存之间不能直接进行信息交换, 而必须通过输入 / 输出接口来进行 接口在这里起着主机与外部设备之间数据通信的 桥梁 作用 CPU 与外部设备的连接如图 2-10 所示 微处理器 I/O 接口外设 图 2-10 CPU 与外设的连接 接口的种类很多, 按照所连接设备的位置, 可以分为外部接口和内部接口 (1) 外部接口 1) 键盘 / 鼠标接口 : 又称 PS2 接口, 用于连接键盘和鼠标 采用颜色标识, 紫色或蓝色用于连接键盘, 绿色用于连接鼠标, 其外形如图 2-11 所示 2) 并行接口 : 又称为打印机接口, 因为它主要的用途就是连接打印机, 最高传输速率约为 180KB/s 所谓 并行, 是指每次可同时传送 8 位数据 并行接口的外形为 25 针 D 形连接器, 如图 2-11 所示 3) 串行接口 : 用于连接串行通信设备 所谓 串行 是指每次只能传输 1 位数据 最高传输速度为 56KB/s 微机上普遍采用的串行接口标准时 RS-232-C 标准, 并使用简化的 9 个引脚的 D 型连接器, 如图 2-11 所示 4) 显示器接口 : 有 VGA DVI S 端子和 HDMI 4 种类型, 其中 S 端子和 HDMI 科学出版社职教技术出版中心 51

60 大学计算机概论 主要用于连接电视机 属于模拟接口的 VGA 和属于数字接口的 DVI 分别用于连接 CRT 显示器和液晶显示器 5 USB 接口 USB 采用了串行方式传输 所以 USB 接口只有 4 根线 即 2 根信 号线和电源线 地线 USB 接口的用途非常广泛 常见的有连接鼠标 键盘 移动硬盘 闪存盘 电视卡 数码照相机 打印机 扫描仪等 因为 USB 接口能提供 5V/500mA 的电力 所以凡是耗电不超过 USB 额定值的电器都可与 USB 接口连接 USB 有两个版本 USB1.1 的最高数据传输率为 12Mbit/s 1.5MB/s USB2.0 则提 高到 480Mbit/s 60MB/s 二者的物理接口形状完全一致 数据传输率上的差别完全由 主板南桥芯片中的 USB 主控制器及 USB 设备决定 USB 接口的外形如图 2-11 所示 6 网络接口 采用 RJ45 连接器 用于连接局域网或互联网 ISDN ADSL 等 传输速率为 10Mbit/s 100Mbit/s 或 1000Mbit/s 新型主板上的网络接口可以自适应网络 设备的速度 网络接口的外形如图 2-11 所示 图 2-11 外部接口的外形 2 内部接口 1 ATA 接口 又称为并行 ATA 接口或 IDE 接口 采用并行数据传输方式 用于连 接外存 如硬盘 光盘驱动器等 每个接口最多可以连接 2 台存储设备 需要将设备分 别设置为主盘和从盘 可通过硬盘 光盘驱动器 上的跳线来进行设置 ATA 接口的最 大数据传输速率为 133MB/s PATA 的连接器有 40 根引脚 2 SATA 接口 即串行 ATA serial ATA 接口 采用点对点的串行数据传输方式 与 PATA 接口一样 SATA 接口也用来连接硬盘 光盘驱动器等外存 每个 SATA 接口 只能连接一台存储设备 但数据传输率可达 150MB/s SATA 和 300MB/s SATAⅡ 仅有两对数据线 一对发送 一对接收 3 根地线 注意 虽然 SATA 和 SATAⅡ的外部数据传输率比 PATA 有很大的提升 但对硬盘 性能的提升并不显著 因为目前硬盘性能的瓶颈集中在由硬盘内部机械机构和磁盘转速 所决定的内部数据传输率上 硬盘内部数据传输率一般仅有 MB/s 52

61 第 2 章计算机系统 存储系统 计算机技术的发展, 使存储器的地位不断得到提升, 系统由最初的以运算器为核心 逐渐转变为以存储器为核心 这就对存储器技术提出了更高的要求, 不仅要使每一类存储器具有更高的性能, 还希望通过硬件 软件或软硬件结合的方式将不同类型的存储器组合在一起, 从而获得更高的性价比 这就是存储器系统, 它和存储器是两个不同的概念 1. 存储器分类 存储器分为两类 : 一类是设在主机中的内存, 用于存放当前要用的数据和程序, 属于临时存储器 ; 另一类属于计算机外部设备的存储器, 即外存, 用来存放暂时不用的数据和程序, 属于永久性存储器, 当需要时应先调入内存 内存的存储速度较快, 容量小, 内存直接与 CPU 相连, 是计算机中主要的工作存储器, 当前运行的程序与数据存放在内存中 外存的存取速度较慢, 但容量很大, 不能被 CPU 直接访问, 计算机执行程序和加工处理数据时, 外存中的信息先送入内存后才能使用, 即计算机通过外存与内存不断交换数据的方式使用外存中的信息 常见的外存设备有硬盘 光盘等 2. 存储系统 常见的存储系统有两类 : 一类是由内存和高速缓冲存储器构成的 cache 存储系统, 另一种是由内存和磁盘存储器构成的虚拟存储系统 前者的主要目标是提高存储器的速度, 而后者则主要是为了增加存储器的存储容量 高速缓冲存储器一般用高速静态存储器组成, 存取周期一般在几纳秒以下, 存储容量在几百千字节至几兆字节之间, 价格较高 内存一般由动态存储器组成, 存储周期为几十纳秒, 存储容量一般为几百兆字节, 价格比高速缓冲存储器相对便宜 虚拟存储系统由主存与外存 ( 一般为磁盘存储器 ) 构成 在早期的微机中, 磁盘等外存作为外部设备的一部分, 仅用于长期保存信息 由于内存容量很小, 程序员必须花费很大精力把大程序预先分成块, 确定好这些程序块在外存设备中的位置和装入主存的地址, 并且在运行中还要预先安排好各块如何及何时调入调出 现代虚拟存储系统在操作系统的支持下将内存和外存看做一个整体, 用软硬件相结合的方法进行管理 使程序员能够对内存 外存统一编址, 这就形成一个很大的地址空间, 称其为虚拟地址空间, 它比实际内存的存储容量大得多 现代微机的存储器系统如图 2-12 所示, 整个系统可分为 5 个层次, 最上一层是位于微处理器内部的通用寄存器组, 用于暂存中间运算结果及特征信息 严格地讲, 应该不属于存储器的范畴 第二层是高速缓冲存储器 在目前的微机系统中, 高速缓冲存储器通常有两级, 都集成在微处理器芯片内部 在图 2-12 所示的存储器系统中, 由上到下容量越来越大, 速度越来越慢, 价格也越来越低 科学出版社职教技术出版中心 53

62 大学计算机概论 图 2-12 微机的存储系统 3. 外存外存虽然也安装在主机箱中, 但它属于外部设备的范畴 原因是它与 CPU 之间不能直接进行信息交换, 而必须通过一个中间环节 接口电路进行 外存的主要特点是 : 存储容量大, 存取速度相对内存要慢很多, 但存储的信息很稳定, 无须电源支撑, 系统关机后信息依然保存 根据介质能否更换, 外存可分为联机外存和脱机外存两类 联机外存主要指硬磁盘, 脱机外存指光盘 磁带等 根据存储原理的不同, 外存又分为磁盘存储器和光盘存储器 采用磁化原理存储数据的外存包括硬盘和软盘, 它们都属于可读可写的存储设备 硬盘的存储介质与驱动器不能分离, 为一体化结构, 而软盘存储器的存储介质 ( 软盘 ) 与驱动器 ( 软盘驱动器 ) 是分离的, 可根据需要更换存储介质 采用光反射原理存储数据的外存包括 CD-ROM 和 DVD-ROM, 它们都属于只读的存储设备, 都是存储介质与驱动器分离的结构 另外, 还有可脱机写入的光盘 ( 刻录盘 ), 如 CD-R CD-RW DVD-RAM DVD+R DVD-R DVD+RW DVD-RW 等 (1) 磁盘磁盘即磁盘存储器的简称, 也称磁盘片 实际上磁盘存储器包括磁盘驱动器 磁盘控制器和磁盘片 3 部分, 这里只讨论磁盘片 磁盘有软盘和硬盘之分 就磁盘片来说, 软盘和硬盘的盘片结构是一样的 目前常用的软盘片是 3.5in(1in 2.54cm) 盘, 简称 3 寸盘, 有双面双密度 (80 个磁道,9 个扇区 ) 和双面高密度 (80 个磁道,18 个扇区 ) 之分 (2) 硬盘硬盘由一组盘片组成 目前最常用的是温彻斯特硬盘, 简称温盘 它是一种可移动磁头 ( 磁头可以在磁盘径向移动 ) 固定盘片的磁盘存储器, 如图 2-13 所示 温盘的主要图 2-13 硬盘结构示意图特点是将盘片 磁头 电机驱动部件乃至读 / 写电路等做成一个不可随意拆卸的整体, 并密封起来, 所以防尘性好 可 54

63 第 2 章计算机系统 靠性高, 对环境要求不高 硬盘可用来作为大型机 小型机和微型机的外存 它有很大的存储容量, 常以兆字 节或吉字节为单位 与软盘相比, 硬盘旋转速度快, 存取速度高 但硬盘多固定在机箱内部, 不便携带 (3) 光盘光盘是一种大容量辅助存储器, 呈圆盘状, 与磁盘类似, 需要有光盘驱动器配合使用 但它不是用电磁转换的机制读写信息的, 而是用光学的方式进行的 1) 光盘存储原理 根据性能的不同, 可将光盘分为 3 类, 不同种类的光盘, 存取原理也有所不同 第 1 类是只读型光盘 (compact disk read only memory,cd-rom) 与 ROM 类似, 光盘中的数据是由生产厂家预先写入的, 用户只能读取而无法修改其中的数据 这类光盘目前已在微型计算机中广泛使用 第 2 类是一次性写入光盘 (write once read many times,worm) 用户可以将数据写入这类光盘, 但只能写入一次 一旦写入, 可多次读取 第 3 类是可擦除型光盘, 其存储功能与磁盘相似, 用户可以多次对其进行读 / 写 对于 CD-ROM, 盘上有一层可塑材料 写入数据时, 用高能激光束照射光盘片, 在可塑层上灼出极小的坑, 并以小坑的有无表示 0 和 1 当数据全部写入光盘之后, 再往可塑层上喷镀一层金属, 之后便再也不能写入了 读取时, 用低能激光束入射光盘, 利用光盘表面上的小坑和平面处的不同反射来区分 0 和 1 图 2-14 所示为 CD-ROM 的数据存放方式 光盘的中心是导入区 (lead in), 显示数据开始记录的位置 然后是目录区, 它记载了文档目录及结构的信图 2-14 CD-ROM 数据存放方式息 光盘的主体数据区紧接着目录区, 由中心向外以螺旋状方式放置 一旦数据记录完毕,CD-ROM 压制器就会在其数据圈外加上一个导出区 (lead out) 数据轨, 结束数据的读写操作 当要读取数据时, 激光读取头会从中心往外移动 首先在目录区中找到文档的位置, 然后以正确距离搜寻指定的文档数据 可擦除型光盘, 盘上涂有一层磁光材料, 故也称 磁光盘 写入数据时, 用激光束加热偏置场中的磁光材料, 偏置场是由偏置线圈产生的 于是加热的位置便在偏置场的方向上被极化, 待盘表面冷却后, 极化状态仍保留下来, 并以此记录一位信息 如果将偏置场反向并同时加热光盘表面, 则相应位置上的一位信息就被擦除 因此, 要改变盘上的数据, 需要首先擦除相应道 ( 类似磁盘的磁道 ) 上的全部数据, 然后再写入新数据 读取时, 则根据盘表面是否被极化而区别存储的是 1 还是 0 WORM 与可擦除型光盘基本类似, 只是 WORM 被写入数据的部分无法擦除, 也不能重写 科学出版社职教技术出版中心 55

64 大学计算机概论 2) 光盘的特点 一是存储容量大, 价格低 光盘的型号很多, 有直径为 14cm 12cm 8cm 等 目前微型计算机上广泛使用的直径为 12cm 光盘的存储容量达 600MB 二是光盘不怕磁性干扰, 所以光盘比磁盘的记录密度更高, 也更可靠 三是光盘的存取速度高 因此, 光盘具有很好的应用前景 3) 数据传输率 它指的是 CD-ROM 驱动器每秒钟能够读取千字节的数据量 例如, 单速 CD-ROM 驱动器读取数据速率为 150KB/s, 而倍速 CD-ROM 驱动器读取数据速率为 300KB/s, 也就是说, 读取同一个文档只需要单速 CD-ROM 驱动器一半的时间 多媒体计算机的第一代标准只需要 150KB/s 的单速 CD-ROM 驱动器, 第二代的标准需要 300KB/s 的倍速 CD-ROM 驱动器,1995 年 6 月公布的第三代多媒体计算机标准则提高到 600KB/s 的 4 倍速传输量的要求 目前配置光盘的传输率已达 50 倍速 VCD(video compact disc, 影音光盘 ) 用于记录压缩了带伴音的视频信息, 如电视剧 电影等 1993 年制定的白皮书规范, 采用 MPEG-1 压缩算法压缩静态图像, 使 Video CD 节目能够在 CD-I CD-ROM XA 和 Video-CD 播放器上播放 DVD(digital video disc, 数字视频光盘 ) 是 CD 技术的变体 起初 DVD 是作为录像机的一种替代品而设计的, 但很快被计算机业用来存储数据 DVD 的最初标准容量大约是 4.7GB, 大约是 CD 容量的 7 倍 DVD 技术不断改进, 提供更多的存储容量, 双层 DVD 在同一面上有两个可记录层, 可以存储 8.5 GB 的数据 蓝光是一种高容量存储技术, 它的每个记录层都具有 25GB 的容量 其名称来源于用来读取蓝光光盘上数据的蓝紫色激光 DVD 技术使用的是红色激光, 而 CD 技术则使用了近红外线激光 (4) 闪存盘闪存盘俗称 U 盘, 是一种移动存储设备, 可用于存储任何格式的数据文件和在计算机间方便地交换数据 闪存盘采用闪存存储介质和 USB 接口, 具有轻巧精致 使用方便 便于携带 容量较大 安全可靠 时尚等特征 闪存盘由于采用 USB 接口, 读写速度较软盘大大提高 闪存盘的外观如图 2-15 所示 不同型号的闪存盘在使用前需要安装相应的驱动程序, 但在 WindowsXP/2000/7 及以上的操作系统中, 因驱图 2-15 闪存盘外观动程序已经事先置入, 故不需另外安装 (5) 移动硬盘移动硬盘是以硬盘为存储介质, 强调便携性 移动硬盘大多采用硅氧盘片, 这是一种比铝 磁更为坚固耐用的盘片材质, 并且具有更大的存储容量和更好的可靠性 移动硬盘以高速 大容量 轻巧便携等优点赢得了许多用户的青睐 移动硬盘大多采用 USB IEEE1394 接口, 能以较高的速度与系统进行数据传输 输入 / 输出系统计算机的硬件系统由主机和外部设备两部分组成 CPU 在运行中所需要的程序和数 56

65 第 2 章计算机系统 据由外部设备输入, 而处理的结果则要输出到外部设备中, 除了这些硬件设备外, 信息的交换还必须有相应的软件控制 ( 如设备驱动程序 ) 及实现各种设备与微处理器连接的接口电路 计算机控制并实现信息输入 / 输出的系统由 3 个部分构成, 即输入 / 输出接口 输入 / 输出软件 输入 / 输出设备 1. 输入 / 输出方式在计算机系统中, 针对不同工作速度 工作方式及工作性质的外部设备, 可以采用不同的输入 / 输出方法 常见的有 : 程序控制方式 中断控制方式 直接存储器存取方式及通道控制方式 (1) 程序控制方式程序控制方式通过执行程序的方式, 一次性或周期性地与外部设备进行数据交换 例如, 在某温度控制系统中, 通过定期检测各测温点的温度值, 并与各标准值比较后, 控制相应的控制设备进行调节 如果需要控制的点很多, 计算机又只能循回地去检测, 就必然使得实时性不好 另外, 在这种方式下 CPU 并不知道外部设备什么时候需要它提供 服务, 只是机械地去循环检测, 不能与外部设备并行工作, 且所有的控制都通过执行程序实现, 从而使 CPU 效率较低, 系统工作速度也比较慢 该方式主要用于简单外部设备的控制 (2) 中断控制方式所谓 中断 是指因某种意外或随机的事件, 迫使 CPU 暂停正在执行的程序而转去对这个事件进行处理, 并在处理完后回到原来被打断的地方继续原程序的执行过程, 如图 2-16 所示 图 2-16 中断过程 由于外部设备并非每个时刻都需要与 CPU 进行信息交换, 在不需 服务 时希望与 CPU 并行工作, 只在需要时提出请求, 这就是中断控制方式 在这种方式下,CPU 不主动介入外部设备的数据传输, 而由外部设备在需要进行数据传送时向 CPU 发出请求,CPU 在接到请求后若条件允许, 则暂停 ( 或中断 ) 正在进行的工作而转去对该外部设备 服务, 并在 服务 结束后回到原来被中断的地方继续原来的工作 这种方式既能使 CPU 与外部设备并行工作, 从而提高 CPU 的利用率 ; 又能对外部设备的请求做出实时响应 特别是在外部设备出现故障, 不立即进行处理就有可能造成严重后果的情况下, 利用中断方式, 可以及时做出处理, 避免不必要的损失 科学出版社职教技术出版中心 57

66 大学计算机概论 (3) 直接存储器存取方式为了提高数据的传送速度, 使用专门的硬件控制外部设备与内存直接进行数据传送, 这种方式就称为 直接存储器存取 在这种方法中, 由于 CPU 不干预传送的过程, 因此, 适合于高速输入 / 输出及成组数据交换的设备, 如磁盘与内存间的数据传送等 (4) 通道控制方式在大型计算机系统中, 为提高系统整体效率及管理外部设备的能力, 引入了通道控制技术 通道 是指具有专门指令系统 能独立进行操作并控制完成整个输入 / 输出过程的硬件装置, 在有些系统中它实际上就是一台通用计算机, 可基本独立于主机工作, 完成输入 / 输出控制及码制转换 错误校验 格式处理等 通道的另一种概念是具有综合性及通用性的输入 / 输出方式 它代表了现代计算机组织向功能分布方向发展的初始发展阶段 通道控制方式的系统结构示意图如图 2-17 所示 图中的外部设备包括了输入设备和输出设备, 它们分别用于将外部信息输入主机及将主机的运算结果送出 图 2-17 通道控制方式系统结构 2. 输入设备输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程, 所使用的设备称为输入设备 现在的输入设备种类很多, 这里只介绍最常用的键盘和鼠标 (1) 键盘键盘是计算机最常用的一种输入设备, 它实际上是组装在一起的一组按键矩阵, 当按下一键时就产生与该键对应的二进制代码, 并通过接口送入计算机, 同时将按键字符显示在屏幕上 目前计算机上常用的 104 键盘如图 2-18 所示 除标准键盘外, 还有各类专用键盘, 它们是专门为某种特殊应用而设计的 例如, 银行计算机管理系统中供储户使用的键盘, 按键为数不多, 只是为了输入储户标识码 口令和选择操作之用 专用键盘的主要优点是简单, 即使没有受过训练的人也能使用 58

67 第 2 章计算机系统 图 键盘 (2) 鼠标器鼠标上有两 ( 或三 ) 个键, 当它在平板上滑动时, 屏幕上的鼠标指针也跟着移动, 如图 2-19 所示 它不仅可用于光标定位, 还可用来选择菜单 命令和文件, 故能减少击键次数, 简化操作过程 目前, 鼠标已在计算机和工作站上广泛应用 至于多窗口环境, 鼠标更是必不可少 鼠标有 3 种类型 : 机械鼠标, 价格便宜, 但准确性差 ; 光学鼠标, 需要一个专用的平板与之配合使用 ; 光学机械鼠标, 无需专用平板, 而且性能和价格都比较适合 3. 输出设备输出设备的任务是将信息传送到 CPU 之外的介质上, 即将存放在内存中的结果输出 这些介质可分为硬拷贝和软拷贝两大类 下面介绍显示器和打印机等常用输出设备 (1) 显示器显示器也称监视器, 如图 2-20 所示, 是最常用的输出设备, 也是人机交互必不可少的设备 显示器用于计算机或终端, 可显示多种不同的信息 图 2-19 鼠标 图 2-20 显示器 1) 显示器的分类 可用于计算机的显示器有许多种, 常用的有 LCD 显示器和 LED 显示器 还可以根据不同的方法分类, 例如, 根据可以显示的内容可分为字符显示器 只 能显示字符 ; 图形显示器 能显示字符和图形 ; 根据显示的颜色可分为黑白显示器 只能显示黑 白或琥珀色 ; 彩色显示器 可以显示多种颜色 科学出版社职教技术出版中心 59

68 大学计算机概论 2) 显示器的主要特性 在选择和使用显示器时, 应该了解显示器的主要特性 1 分辨率 : 屏幕上图像的分辨率或者说清晰度取决于能在屏幕上独立显示的点的直径, 这种独立显示的点称为像素 (pixel) 目前微型计算机上广泛使用的监视器的像素直径为 0.28mm 一般来讲, 相同的显示面积中像素越多分辨率也就越高, 性能越好 整个屏幕上像素的数目 ( 列 行 ) 也间接反映了分辨率 通常分类如下 : 低分辨率 像素左右 ; 中分辨率 像素左右 ; 高分辨率 像素 像素和 像素等 2 灰度 : 光点亮度的深浅变化层次, 可以用颜色表示 灰度和分辨率决定了显示图像的质量 3 尺寸 : 显示器有 14in 15in 17in 19in 和 21in 每屏显示的字数虽然没有成熟的标准, 但通常都是每行 80 个字符, 每屏最多 25 行, 其中第 25 行用于显示计算机状态或其他信息而不是数据行 3) 显卡 数据是通过显卡与主机连接的, 所以显示器必须与显卡匹配 常用的显卡有 MDA CGA EGA VGA AVGA 等 (2) 打印机打印机是计算机中常用的设备, 也是品种 型号最多的输出设备之一 按打印机印字过程所采用的方式, 可将打印机分为击打式打印机和非击打式打印机两种 击打式打印机利用机械动作将印字活字压向打印纸和色带进行印字 由于击打式打印机依靠机械动作实现印字, 因此工作速度不高, 并且工作时噪音较大 非击打式打印机种类繁多, 有静电式打印机 热敏式打印机 喷墨式打印机和激光式打印机等, 打字过程无机械击打动作, 速度快 无噪声 按字符形成过程的不同, 可将打印机分为全字符式打印机和点阵式打印机 全字符式打印机的一个字符通过一次击打形成 点阵式打印机的字符以点阵形式出现, 所以点阵式打印机可以打印特殊字符 ( 如汉字 ) 和图形 击打式打印机有全字符打印机和点阵式打印机之分, 但非击打式打印机一般皆为点阵式打印机, 印字质量的高低取决于组成字符的点数 按工作方式的不同, 打印机又可分为串行打印机和行式打印机 所谓串行打印机是逐字打印成行的 行式打印机则是一次输出一行, 故比串行打印机要快 此外, 还有具有彩色印刷效果的彩色打印机 目前使用较多的是击打式点阵打印机 激光打印机和喷墨打印机 1) 点阵打印机 击打式点阵串行打印机主要由打印头 运载打印头的小车机构 色带机构 输纸机构和控制电路等几部分组成, 如图 2-21 所示 打印头是点阵式打印机的核心部分, 对打印速度 印字质量等性能有决定性影响 常用的有 9 针 24 针点阵打印机,24 针打印机可以打印出质量较高的汉字, 是目前使用较多的点阵打印机 以 9 针点阵打印机打印 9 7 字符点矩阵为例说明点阵打印机的工作过程 打印头由 9 根打印针 9 个打印电磁铁及针导板等组成 9 个打印电磁铁排列成圆形, 它们的 60

69 第 2 章计算机系统 驱动线圈被同步脉冲控制, 并分别将打印针引到针导板, 按列排列 不工作时, 打印针被永久磁铁吸住, 缩在针导板内 工作时, 送给电磁铁驱动线圈一个脉冲电流, 它所产生的磁场与永久磁铁的磁场相抵消, 打印针在弹簧力的作用下, 击向压纸卷轴 在打印针和打印纸之间有一层色带, 打印针压迫色带, 在纸上印出一个点 线圈中的电流脉冲消失后, 打印针被永久磁铁吸住, 缩回针导板 打印字符时, 取出字符点阵的一列 有点的部分形成脉冲电流信号, 驱动对应的打印针同步伸出针导板, 并在纸上击点 因此, 字符点阵的一列由这组打印针一次打击成型, 这组打印针依次打印 7 次, 输出一个完整的字符 例如, 字符 P 的打印过程如图 2-22 所示 图 2-21 点阵打印机 图 2-22 点阵字符 P 的打印过程 2) 喷墨打印机 喷墨打印机属非击打式打印机, 如图 2-23 所示, 近年来发展较快 工作时, 喷嘴向打印纸不断喷出带电的墨水雾点, 当它们穿过两个带电的偏转板时接受控制, 然后落在打印纸的指定位置上, 形成正确的字符 喷墨打印机可打印高质量的文本和图形, 还能彩色打印, 而且噪音很低 但喷墨打印机常要更换墨盒, 这就增加了日常消费 3) 激光打印机 激光打印机也属非击打式打印机, 如图 2-24 所示, 工作原理与复印机相似, 涉及光学 电磁 化学等方面知识 简单来说, 它将来自计算机的数据转换成光, 射向一个充有正电的旋转的鼓上 鼓上被照射的部分便带上负电, 并能吸引带色粉末 鼓与纸接触再把粉末印在纸上, 并在一定压力和温度的作用下熔结在纸的表面 激光打印机是一种新型高档打印机, 打印速度快 印字质量高, 常用来打印正式公文及图表 图 2-23 喷墨打印机 (3) 数据投影设备 科学出版社职教技术出版中心 图 2-24 激光打印机 现在已经有不少设备能够把计算机屏幕的信息同步地投影到更大的屏幕上, 以便使 61

70 大学计算机概论 更多的人看到屏幕上的信息 有一种叫做投影板的设备, 体积较小 价格较低 它采用类似大屏幕投影电视设备的技术, 将红 绿 蓝 3 种颜色聚焦在屏幕上, 可供更多的人观看 4. 其他外部设备 (1) 扫描仪扫描仪是一种光 机 电一体化的高科技产品, 如图 2-25 所示 它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具, 是继键盘和鼠标之后的第 3 代计算机输入设备, 也是功能极强的一种输入设备 扫描仪的作用是将图片 照片 胶片以及文稿资料等书面材料或实物的外观扫描后输入到计算机中 (2) 数码照相机数码照相机是一种能够进行拍摄, 并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放图像的特殊照相机, 如图 2-26 所示 与传统照相机不同, 数码照相机能够即拍即得, 通过 LCD 技术能即时看到所拍的照片效果, 如果效果不好, 可以立即删除, 进行下一次拍摄 它所拍摄的照片先被保存在存储介质中, 然后按需输出 数码照相机可以直接连接到计算机, 在计算机系统上可以很方便地对其进行编辑处理 可以使用 Photoshop 等图像处理软件对其进行修改 添加文字或制作特殊效果 也可以将图像缩小以便通过电子邮件发送或立刻打印 图 2-25 扫描仪 图 2-26 数码照相机 (3) 数码摄像机家用数码摄像机的格式都是 DV 格式的, 随着摄像机 CCD 技术的发展,DV(digital video, 数字视频 ) 录像机可以做得很小, 摄像机也可以做得很小, 若做成 DV 摄录一体机, 则称之为数码摄像机 在摄像时, 使用者通过 DV 的液晶显示屏观看要拍摄的活动影像, 拍摄后可以马上看到拍好的活动影像 通过 DV 能够把拍摄到的活动影像转换为数字信号, 连同传声器记录的声音信号一起存放在 DV 带中 DV 可以与计算机连接, 以读取 DV 带中的内容, 继而对这些内容进行后期处理, 如编辑 特效 合成等, 还可以制作成 VCD 图 2-27 数码摄像机或 DVD 保存起来 数码摄像机如图 2-27 所示 62