第 1 章计算机基础知识

第 1 章计算机基础知识

我们现在广泛使用的计算机，其全名是电子式数字计算机、俗称电脑。简单地讲，计算机是一种能存储程序并自动执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的电子机器。本章将使大家了解计算机的发展及应用、基本组成、基本原理以及计算机中字符的编码。

本章我们要学习以下内容：

•1.1 计算机的发展历程•1.2 计算机的特点、分类与应用•1.3 计算机系统的基本组成•1.4 进位计数制•1.5 计算机的基本原理•1.6 微机的性能指标•1.7 计算机中的字符表示

1.1 计算机的发展历程

从 1946 年出现第一台电子计算机起，到现在已经 50 多年，计算机技术的发展极为迅速，日新月异。这些发展涉及到许多方面，例如硬件方面的逻辑器件和体系结构，软件方面的程序设计语言、操作系统、网络软件、人工智能等，这些方面的发展是相辅相成的。

1.1.1 计算机的换代

由于计算机的发展极为迅速，人们将取得特别重大突破后的计算机称为新一代计算机。（ 1 ）第一代（电子管计算机）第一代计算机的主要特征是采用电子管构成逻辑电路，运算速度是每秒约几千次到几万次的定点加法运算，生存时期大约是 1946年到 1954 年。这段时间是采用机器语言或汇编语言编程。（ 2 ）第二代（晶体管计算机）第二代计算机的主要特征是采用分立式晶体管构成逻辑电路，运算速度为每秒几万次到几十万次，生存时期大约是 1955 年到 1964年。软件方面出现了高级程序设计语言，相应地出现了编译程序、子程序库、批处理管理程序等系统软件。（ 3 ）第三代（中、小规模集成电路计算机）第三代计算机的主要特征是采用中、小规模集成电路，开始用半导体存储器作为主存，生存时期大约是 1965 年到 1974 年。硬件方面采用了流水线技术、微程序控制技术，提出了整机概念。软件方面操作系统逐渐成熟，出现了虚拟存储技术、信息管理系统、网络通信软件等，同时开始出现独立的软件企业。

1.1.1 计算机的换代

（ 4 ）第四代（大规模、超大规模集成电路计算机）在集成电路中，每块芯片内含有的门电路数或元件数称为集成度。每片几百门至几千门称为大规模集成电路（ LSI ），更高的称为超大规模集成电路（ VLSI ）。随着 LSI ， VLSI 的出现，计算机的发展又出现了一次飞跃，进入了第四代时期。一般认为第四代大约从 1975 年开始，直至今天，当前大部分实用的计算机都属于第四代。后来又出现了第五代、第六代的提法，但尚未得到更多的认可。在使用 VLSI之后，一个重大的飞跃是出现了微型计算机，从而打破了原有计算机体系结构，为计算机的应用拓展了极其广阔的空间。进入第四代后，计算机的发展更为迅速。在系统结构上发展了并行处理、多机系统、分布式计算机、计算机网络等技术。软件方面提出了软件工程概念，出现了一些更完善的高级语言、操作系统、数据库系统、网络软件，后来又出现了多媒体技术等。

1.1.2 计算机网络

需要特别强调的是，当前正进入网络化时代，这是计算机发展的重要方向之一。计算机网络是利用通信线路，将分布在不同地点上的多个独立计算机连接起来的一种网络，它使多个用户能够通信并且共享网络中的硬件、软件和信息等资源。它是计算机技术与通信技术结合的产物，在信息化时代具有极为重要的意义，不仅大大提高了人类的工作能力，而且正在改变人们生活、工作和学习的方式。

1.2 计算机的特点、分类与应用

从以下三个方面学习本节：

1.2.1 计算机的特点 1.2.2 计算机的分类 1.2.3 计算机应用举例

1.2.1 计算机的特点计算机具有以下特点：（ 1 ）运算速度快现在的个人计算机每秒可以处理几百万条指令，巨型机的运算速度可以达到几亿次以上。使得过去许多让人生畏、近乎天文数字的计算工作，在极短的时间内就能够完成。（ 2 ）计算精度高计算机是采用二进制数字进行运算的，只要配置相关的硬件电路就可以增加二进制数字的长度，提高计算精度。目前普通的微型计算机的计算精度就可以达到 32~64 位二进制数。（ 3 ）具有记忆和逻辑判断功能“记忆”功能指的是计算机能够存储大量信息，供用户随时检索和查询。现在一台普通 PC 机的外存储容量都在 20GB 以上。逻辑判断功能指的是计算机不仅能够进行算术运算，还能进行逻辑运算和实践推理。记忆功能、算术运算和逻辑运算相结合，使得计算机能够模仿人类的某些智能活动，成为人类脑力延伸的主要工具，所以计算机又称为“电脑”。

1.2.1 计算机的特点（ 4 ）能自动运行并且具备人机交互功能所谓自动运行就是人们把需要计算机处理的问题编成程序，输入计算机，当发出运行指令后，计算机便在该程序的控制下依次逐条执行，不再需要人工干预。人机交互则是在人想要干预时，采用人机之间的一问一答形式，有针对性地解决问题。（ 5 ）适用范围广，通用性强计算机是靠存储程序控制进行工作的。一般来说，无论是数值的还是非数值的数据，都可以表示成二进制数的编码；无论是复杂的还是简单的问题，都可以分解成基本的算术运算和逻辑运算，并可以用程序描述解决问题的步骤。所以，不同的应用领域中，只要编制和运行不同的应用软件，计算机就能在此领域中很好地服务，即通用性极强。

1.2.2 计算机的分类计算机发展到今天，已是琳琅满目，种类繁多。可以从不同的角度对它们进行分类。 1.2.2.1 依其使用范围分类按使用范围分类，可以分为通用计算机和专用计算机。（ 1 ）通用计算机能适用于一般科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等广泛用途的计算。通常所说的计算机均指通用计算机。（ 2 ）专用计算机这是为适应某种特殊应用而设计的计算机，其运行程序不变，效率较高，速度较快，精度较好，但不宜作它用。如飞机的自动驾驶仪，坦克上的火控系统中用的计算机，都属专用计算机。

1.2.2 计算机的分类1.2.2.2 依其本身性能分类这是最常用的分类方法，所依据的性能主要包括：字长、存储容量、运算速度、外部设备、允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高低等。根据这些性能可将计算机分为：超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机和工作站五类。（ 1 ）超级计算机（ Supercomputer ）超级计算机又称巨型机。它是目前功能最强、价格最贵的计算机。一般用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机构中，可供几百个用户同时使用。这种机器价格昂贵，号称国家级资源。世界上只有少数几个国家能生产这种机器，如美国克雷公司生产的 Cray-1 、 Cray-2 和 Cray-3 都是著名的巨型机。我国自主生产的银河 -III型百亿次机、曙光 -2000型机和“神威”千亿次机都属于巨型机。巨型机的研制开发是一个国家综合国力和国防实力的体现。（ 2 ）大型计算机（ Mainframe ）这种机器也有很高的运算速度和很大的存储容量，并允许相当多的用户同时使用。当然在量级上都不及超级计算机，价格也相对比巨型机便宜。大型机通常就像一个家族一样形成系列。如 IBM 4300 系列、 IBM 9000 系列等。这类机器通常用于大型企业、商业管理或大型数据库管理系统中，也可用作大型计算机网络中的主机。

（ 3 ）小型计算机（ Minicomputer ）其规模比大型机要小，但仍能支持几十个用户同时使用。这类机器价格便宜，适合于中小型事业单位使用。像 DEC公司生产的 VAX 系列 ,IBM公司生产的 AS/400 系列都是典型的小型机。（ 4 ）微型计算机（ Microcomputer ）其最主要的特点是小巧、灵活、便宜。不过通常一次只能供一个用户使用，所以微型计算机也叫个人计算机（ Personal Computer ）。近几年又出现了体积更小的微机，如笔记本、膝上型、掌上型微机等。微型计算机还可以按字长分为： 8 位机、 16 位机和 64 位机；按结构分为：单片机、单板机、多芯片机和多板机；按 CPU 芯片分为： 286 机、 386 机、486 机、 Pentium 机、 PII 、 PIII 和 PIV 机等。（ 5 ）工作站（ Workstation ）它与功能较强的高档微机之间的差别不十分明显。通常，它比微型机有较大的存储容量和较快的运算速度，而且配备大屏幕显示器。主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域。不过，随着计算机技术的发展，包括前几类机在内，各类机之间的差别有时也不再是那么明显了。比如，现在高档微机的内存容量比前几年小型机甚至大型机的内存容量还大得多。

1.2.2 计算机的分类

1.2.3 计算机应用举例从本质上讲，计算机的工作就是对信息进行处理，而信息无处不在，所以计算机应用涉及到所有的领域。下面我们根据信息处理任务的性质，分类列举部分典型的应用领域。 1科学计算科学计算一般指这样一种类型的任务：原始数据不太多，而计算量大且比较复杂。例如求解数学方程，大坝、桥梁等工程结构的应力分析，航天技术中对卫星轨道的计算，气象预报，对化学反应甚至核爆炸的计算机模拟等。2 信息管理中的数据处理信息管理中的数据处理一般是指那种数据量很大而操作类型相近的任务，如各种人事管理、企业管理、金融管理、信息情报与文献资料检索等。这类数据处理中存储数据所需的存储空间远大于处理数据的程序所需的存储空间。大多数计算机被用来为这一类任务服务。以计算机信息管理系统为核心，加上文字处理、通信、分析决策，就形成了办公自动化系统。

1.2.3 计算机应用举例

3科技工程中的数据处理科技工程中的数据处理与信息管理中的数据处理有所不同，它们的数据量也比较大，但分析计算则比较复杂。例如，物理探矿中对振动波形的分析，医疗仪器中的图像处理，卫星遥感数据处理等。 4 自动控制计算机应用于各类生产过程控制，极大地提高了生产力和生产质量。例如，炉温控制、机床控制和各种化工生产过程控制等。以炉温控制为例，通过传感器将温度值变为电信号，再转换为数字信号，送入计算机，与要求保持的温度值进行比较，得出误差值，再按照某种控制算法进行调整，调节发热部件使温度接近要求值。过程控制的一个突出特点是要求实时性，也就是说计算机作出反应的时间必须与被控制过程的实际需要相适应。

1.2.3 计算机应用举例

5 计算机辅助设计（ CAD ） , 计算机辅助制造（ CAM ） , 计算机模拟（ CS ） , 计算机辅助教学（ CAI ）运用计算机进行设计，监控生产过程，可以使生产进入高度自动化。许多复杂的事物可以在计算机产生的虚拟环境中进行模拟分析，使所需时间大大缩小，成本大大降低。例如，训练驾驶员的环境模拟，复杂的化学反应过程模拟，核反应过程模拟，飞机、车辆、桥梁、大坝等的应力情况模拟，等等。近年来，随着信息技术的发展，传统的教学手段受到挑战，计算机辅助教学的应用日益广泛并取得了长足的发展。利用多媒体技术制作的 CAI课件，将文本、图像、声音、动画集为一体，解决了传统课堂中难以解决的问题，为学生提供了生动、直观的学习素材，且可实现人机对话。将 CAI 软件应用于网络环境，并使一些有经验的教师通过计算机网络对学生给予指导，就可实现远程教育。

1.2.3 计算机应用举例6 人工智能人工智能是计算机应用中处于前沿地位的一个重要分支，或者说是高层次的应用。人工智能是指用计算机模拟实现人的某些智能行为，包括专家系统、模式识别、机器翻译、自动定理证明、自动程序设计、智能机器人、知识工程等。专家系统包含知识库和推理机两大部分，能在某个特定领域内使用大量专家的知识，去解决需要专家水平方能解决的某些问题。例如能下国际象棋的著名的“深蓝”系统，某些大型设备的诊断维护系统，中医专家系统，能分析物质分子结构的专家系统等。利用计算机对物体、图像、语音、文字等信息模式进行自动识别，称为模式识别。现在，对西文和汉字的自动识别率已经很高，颇具实用价值。对有限语音的识别能力也已达到可用语言指挥计算机的某些操作的程度。总之，这是一个五彩缤纷的精彩世界，应用实例不胜枚举。更多的辉煌还有待我们去创造。

1.3 计算机系统的基本组成计算机系统的组成可分为两大范畴：硬件，软件。硬件是指系统中可触摸到的设备实体，以及将它们组织为一个系统的总线、接口等，如 CPU 、主板、内存条等。软件是指系统中的各类程序和文件，由于它们在计算机中表现为一些不能直接触摸的二进制信息，所以称为软件。计算机系统的组成如下图所示。

1.3.1 硬件系统 1946 年匈牙利籍数学家冯•诺依曼（ John Von Neumann ）对计算机的一般结构进行了描述，如下图所示。计算机的硬件是由运算器、控制器、主存、输入设备和输出设备这五部分经由系统总线和接口连接而成。计算机硬件系统经历了几十年的发展，仍然遵循这种结构。

1.3.1.1 运算器（ ALU——Arithmetic Logic unit ）

运算器是由电子线路构成的对数据进行加工处理的部件。运算器的主要功能是执行算术运算和逻辑运算，所以称之为算术逻辑部件ALU ，它的核心部件是加法器。除此以处，运算器还具有移位、比较等功能。

1.3.1.2 控制器（ CU——Control Unit ）控制器是计算机的控制中心，它统一指挥计算机的各部分协调地进行工作。它能根据事先给定的命令发出各种控制信号，使整个工作过程一步一步地进行。运算器和控制器合起来称为计算机的中央处理单元（ CPU—Central Processing Unit ）。几种类型的 CPU （奔腾、奔腾Ⅱ、 Cyrix686 、K6-2 ）

1.3.1.3 主存储器 (Memory)

存储器是计算机的记忆部件，它是用于存放程序和数据的装置。在计算机中程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。存储器按其作用可分为主存储器和外存储器两种。主存储又称为内存储器，一般简称为内存或主存，它可以与 CPU 直接交换或传递信息。主存储器划分为许多单元，通常是每个单元包括8个二进制位，称为一个字节。每个单元都有一个相应的编号，称为地址。向主存储器送出某个地址编码，就能根据地址选中相应的一个单元，可见主存储器的一项重要特性是：能按地址（单元编号）存放或读取内容，也就是允许 CPU 直接编址访问，以字节为编址单位。通常把运算器、控制器和主存储器合称为计算机的主机。

常见的几种内存条

1.3.1.3 主存储器 (Memory)

1.3.1.4 输入 / 输出设备（ Input/Output Device ）

输入设备是计算机从外部获得信息的设备，它将人们熟悉的待处理信息转换为计算机能识别和接受的电信号送入计算机内部进行处理。最常用的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等。输出设备是将计算机内的信息转换成能为人或其他设备所接收和识别的形式（如文字、声音、图像和电压等），并提供给外界使用的部件。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。输入 /输出设备是人与计算机直接对话的工具，是人、机联系的桥梁。输入 /输出设备又称 I/O 设备，而 I/O 设备和外存储器又统称为计算机的外围设备。下面介绍几种常用的输入 /输出设备。

1 键盘键盘是最常用、最基本的一种输入设备，主要用于输入数据、文本和命令，关于键盘的详细情况请参考第三章的 3.1节。


小数字键控制键

功能键状态显示灯

编辑键

主键盘和打字键

104键盘

2 鼠标

随着 Windows 操作系统的流行和普及，鼠标已成为计算机必备的标准输入装置。在图形界面的环境下，鼠标可以取代键盘进行光标定位或完成某些特定的输入。目前常用的有线鼠标有两种：机械式和光电式。机械式鼠标通过其下面滚动的小球在桌面上移动，使屏幕上的光标随着移动，这种鼠标价格便宜，但易沾灰尘，影响移动速度，要经常清洗；光电式鼠标通过接受其下面光源发出的反射光，并转换为移动信号送入计算机，使屏幕光标随着移动，光电式鼠标性能优于机械式鼠标。



机械鼠标滚动小球

反射板

光电鼠标

1.3.1.4 输入 / 输出设备（ Input/Output Device ） 3 显示器显示器是计算机系统必不可少的输出设备，其作用是将计算机内的数据转换为直接可以看到的字符、图形或图像等。显示器的主要技术指标是屏幕尺寸、显示分辨率、刷新频率等。屏幕尺寸采用矩形屏幕的对角线长度，以英寸为单位，反映显示屏幕的大小，现在的显示器的屏幕尺寸一般是 15 、 17英寸。显示分辨率是指屏幕像素的点阵，它取决于垂直方向和水平方向扫描线的线数，现在的显示器一般都能达到 1024X768 的显示分辨率。刷新频率是指每秒钟内整个屏幕更新的次数，刷新频率越高，画面闪烁越小，现在的显示器一般都支持 75MHZ 的刷新频率。

1.3.1.4 输入 / 输出设备（ Input/Output Device ） 4 打印机

打印机是常用的输出设备，它可以将计算机输出的内容打印出来，便于长期保存。打印机的主要技术参数有打印速度、打印分辨率和打印纸最大尺寸。目前，比较常用的打印机有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

（ 1 ）针式打印机又称为点阵式打印机。这种打印机的打印头有若干根打印针，打印时使相应的针击打色带来完成打印工作，常用的针式打印机有 9针和 24针打印机。针式打印机的结构简单，价格相对便宜，打印成本也相当低，非常适用于打印量大、精度要求不高的场合。其缺点是打印速度较慢，噪音大，印字质量不高。（ 2 ）喷墨打印机喷墨打印机是靠墨水通过精细的喷头喷到纸面上来产生字符和图像的。现在的喷墨打印机的分辨率一般已达 1440×720dpi（每英寸点数）。与针式打印机相比，喷墨打印机精度较高，噪音较低，彩色的喷墨打印机还能够打印彩色图形和文字。其缺点是打印速度慢，墨水消耗大。（ 3 ）激光打印机激光打印机是一种高速度、高精度、低噪音的非击打式打印机。近年来，随着价格的大幅度下降，激光打印机已经逐步普及起来，并成为办公自动化设备的主流产品。现在的激光打印机的分辨率一般已达 600×600dpi 。近来还出现了集打印、扫描、复印、传真功能于一体的激光打印机。


热升华打印机喷蜡打印机

喷墨打印机

针式打印机激光打印机

打印机的几种类型

1.3.1.4 输入 / 输出设备（ Input/Output Device ） 5 扫描仪扫描仪是一种图形、图像输入设备，通过扫描的方式它可以直接将图形、图像输入计算机，配备相应的光学字符识别软件，还可以通过扫描仪将文本输入计算机。扫描仪的主要技术参数是光学分辨率和色彩深度，现在扫描仪的光学分辨率一般已达 600×1200dpi ，色彩深度一般已达 24 位。

手持扫描仪

平板扫描仪

扫描仪

6 外存储器外存储器也是一种输入 /输出设备。将外存储器中的信息调入主存时，外存储器是输入设备；将主存中的信息写入外存储器时，外存储器是输出设备。外存储器又称为辅助存储器，一般简称为外存。外存储器用来存放那些需要联机存放，但暂不执行的程序和数据，当需要运行它们时再由外存调入内存。例如在光盘中存放着几个可能要用的软件，但当前只需要使用其中一个时，我们先将它调入主存，其余软件仍存放在光盘之中。这样，主存的容量就不需要很大，可以做到速度比较高。而由硬盘、光盘等构成的外存储器则容量很大，为整个系统提供后援支持。由于外存的任务是这样，所以对它的速度要求可以比主存低。


由于外存储器不由 CPU 直接编址访问，也就是说不需要按字节从外存储器读取或写入。因此外存储器中的内容一般都按文件进行组织。用户按文件名进行调用， CPU找到该文件在外存中的存放位置，以数据块为单位进行读写。下面介绍几种常用的外存储器。（ 1 ）软盘存储器（ 2 ）硬盘存储器（ 3 ） CD光盘存储器（ 4 ）数字通用光盘 DVD （ 5 ）优盘（ 6 ）移动硬盘



（ 1 ）软盘存储器软磁盘由盘片、盘套组成，盘片与盘轴连接，上有读写定位机构，在盘套上开设有读写窗口和写保护块。目前比较常用的软磁盘是 3.5英寸双面高密度磁盘，其容量为 1.44MB 。使用软磁盘需要注意以下事项： 1．磁头正在进行读写操作时，不能够取出或插入盘片。 2．不要触摸、刻划磁盘的裸露部分；也不要用硬笔在磁盘的标签上写字，更不要弯曲、折叠磁盘，以防盘片损坏。 3．软盘驱动器是比较容易出现故障的部件，若灰尘附在磁头上，不仅会划伤盘片，还会影响正确数据的读写。为此，需要定期地清洗磁头，可采用专用的清洗盘。


3.5寸磁盘外形及内部结构示意图

（ 2 ）硬盘存储器硬盘存储器的存储原理和软盘存储器类似，它由多个金属盘片组成，并有多个磁头同时读写。硬盘存储器通常采用温彻斯特（ Wenchster ）技术，它把磁头、盘片及执行机构都密封在一个容器内，与外界环境隔绝，这样不但可避免空气尘埃的污染，而且可以把磁头与盘面的距离减少到最小，加大数据存储密度，从而增加了存储容量。与软盘相比，硬盘容量大，存储速度快（软盘的转速一般是 300转 / 分，高速硬盘的转速已经达到 7200转 / 分），可靠性高。现在计算机所使用的硬盘的容量越来越大，一般已达 40GB 。



硬盘正面、反面及内部结构


（ 3 ） CD光盘存储器 CD光盘存储器是 70 年代发展起来的一种新型信息存储设备，它使用激光进行读写，由于激光头与介质无接触、也没有退磁问题，所以信息保存时间长。目前，一张光盘的容量为 650MB 。 CD光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。光盘驱动器的一个重要技术指标是光驱的“倍速”，现在的光驱一般已达 50倍速（ 1倍速 =150KB/s ）。按读写功能，光盘可以分为只读型、一次写入型、可重写型 3 种，它们的工作原理并不完全相同。 1．只读型光盘 CD-ROM （ Compact Disk Read Only Memory ）：厂家按用户要求写入数据后，永远不能改变其内容。 2．一次写入型光盘WORM （ Write Once Read Many Disk ）：使用时允许写入一次，不能擦除，以后可以读出。 3．可重写型光盘 E-R/W （ ReWriteable ）：使用中允许用户重复改写和读出。


光盘及光盘驱动器

（ 4 ）数字通用光盘 DVD DVD 是一种新的大容量存储设备。其容量视盘片的制作结构而不同，采用单面单层结构时，容量为 4.7GB；采用单面双层结构时，容量为 8.5GB；采用双面双层结构时，容量为 17GB 。现在使用的DVD 一般为单面双层结构。从 DVD 的读写方式来分，可以分为 DVD-ROM （只读）、 DVD-R （一次性写入）、 DVD-RAM （可擦写型）和 DVD-RW （多次重写型）。 DVD驱动器的基准数据传输率为 1.385Mb/s （即 1倍速 =1.385MB/s ），比 CD驱动器快得多。



DVD外形


（ 5 ）优盘优盘是近年来流行的一种移动存储器，其特点是体积小、重量轻，容量较大（ 32MB~1GB ）、存取速度较快，价格比较便宜，采用 USB接口，使用方便。现在优盘正在逐步取代软盘。（ 6 ）移动硬盘又称活动硬盘，一般采用 USB接口，具有容量大（ 10~120GB ）、即插即用、携带方便、抗震性强等特点。

1.3.1.5 总线

CPU 、主存、多台 I/O 设备通过总线连接成整机系统。总线是指一组能为多个部件分时共享的信息传输线。共享是指总线所连接的部件都通过它传输信息。分时是指某个时刻只能有一个部件或设备向总线发送数据，如果有两个或两个以上的部件同时向总线发送数据，就会产生冲突，使数据混乱。但总线上的数据既可以只向某一部件发送，也可以同时向几个部件发送。按总线连接的部件，可将总线分为芯片内总线，系统总线和外总线。芯片内总线是连接芯片内各部件的总线，例如 CPU 内部总线。芯片内总线结构简单，传输距离很短，传输速度高。系统总线是指在一个计算机系统内连接 CPU 、主存、 I/O接口等部件的总线。系统总线包括地址、数据和控制信号三类传输线，以及电源线。系统总线的连接距离短，传输速度较快。外总线则是多台计算机之间，或计算机与一些智能设备之间的连接总线。外总线的传输距离一般较远，速度较低。

当前系统总线的标准主要有如下几种：（ 1 ） ISA 总线（ Industry Standard Architecture ）即工业标准总线（ 2 ） EISA总线（ Extended Industrial Standard Architecture ）是扩展的工业标准总线（ 3 ） PCI总线（ Peripheral Component Interconnect ）即外围设备互连总线（ 4 ） AGP总线（ Accelerated Graphic Port ）即图形加速接口

1.3.1.5 总线

1.3.1.6 接口

输入 /输出设备通过接口与系统总线相连。接口的功能主要有两个，一是平衡系统总线与外设的速度，因为大部分输入 /输出设备的速度比系统总线慢很多，直接将外设与系统总线相连将影响整个微机系统的速度，所以输入 /输出设备通过接口与系统总线相连，当系统总线需要与输入 /输出设备通信，系统总线首先与速度相当的接口通信，然后接口再与输入 /输出设备通信；接口的第二个功能是进行数据缓冲，当系统总线与输入输出设备需要交换数据时，系统总线首先与接口交换数据，然后接口与输入 /输出设备交换数据。计算机中的基本接口包括串行 COM1/COM2接口，并行（打印机） LPT接口， PS/2键盘接口， PS/2鼠标接口， USB接口，软盘驱动器接口，硬盘 /光盘驱动器接口等。计算机中还包括一些功能复杂的板卡形式的接口，如显卡、声卡、网卡等。

1.3.2 典型个人计算机硬件系统组成

现在计算机的硬件采用即插即用的模块化方式，典型个人计算机硬件系统一般由 13个部件组成。包括： CPU 、主板、内存条、显卡、显示器、声卡、音箱、硬盘、光驱、软驱、网卡、键盘、鼠标。对照图 1-2 ，我们可以看出 CPU 集成了运算器和控制器的功能；主板集成了系统总线和部分接口的功能；内存条相当于主存储器；显卡、声卡、网卡以及主板上集成的 COM1/COM2 、 LPT 、 PS/2 、 USB接口、硬盘 /光盘驱动器接口都是接口；鼠标、键盘是输入设备；显示器、音箱是输出设备；硬盘、光驱、软驱是辅助存储器，它们既可以是输入设备，也可以是输出设备。

1.3.3 软件系统

微机中的软件包括程序和文件，程序是指令的集合，能被计算机执行，如 Word2000 、 Excel2000 等，它规定着计算机如何去完成某个任务。文件包含了一些信息，不能被计算机执行，如文本文件，图像文件等。微机中各种软件的有机组合构成了软件系统。软件系统分为系统软件和应用软件两大类，系统软件用来管理和配置计算机的软硬件资源，而应用软件是为了进行某种应用。

1.3.3 软件系统

1.3.3.1 系统软件系统软件又称系统程序，它的主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监控及维护服务等。它可以使计算机系统的资源得到合理的调度以及有效的利用。系统软件主要包括操作系统、计算机语言处理程序、工具软件和数据库管理系统等。1.3.3.1.1 操作系统操作系统是软件系统的核心，是任何计算机必备的软件。它用于控制和管理计算机硬件、软件和数据资源，使用户方便、有效地使用计算机，提供了软件的开发环境和运行环境。它可分为单用户操作系统、多用户操作系统和网络操作系统等。常见的操作系统有 Windows 、 Unix 、 Linux 等，而个人计算机上的主流操作系统是 Windows 。

1.3.3 软件系统1.3.3.1.2 计算机语言处理程序1 计算机指令计算机实际上就是一台机器，它能够完成一些最基本的操作，如算术运算、逻辑运算、移位运算、控制转移等，这些基本的操作称为指令，计算机所能完成的所有基本操作称为指令集合。通过人的智慧，将指令进行组合就构成了多种多样，具有不同功能的软件，也就是说计算机上的任何一个软件都是由一些基本的计算机指令组成的。2 计算机程序设计语言我们可以使用现有的软件应用计算机，如使用 Office 2000 进行办公，使用 QQ 进行网上聊天，同时我们也可以使用程序设计语言自主编写软件来达到应用计算机的目的，如我们可以使用 Delphi 程序设计语言来编写管理自己朋友信息的软件。程序设计语言简而言之就是一种可以对计算机指令进行组合设计的工具。程序设计语言通常分为：机器语言、汇编语言和高级语言三类。

1.3.3 软件系统3 计算机语言处理程序只有使用机器语言编写的程序能够在计算机上直接执行，使用汇编语言和高级语言编写的程序不能在计算机上直接运行，必须将它们转化为等价的机器语言程序，这个过程由计算机语言处理程序完成。计算机语言处理程序的工作方式有两种：解释和编译。（ 1 ）解释是一种边解释边执行的方法，即计算机语言处理程序解释一条计算机语言的语句，执行一条语句，如早期的 BASIC语言就采用解释方法。由于解释方法效率比较低，现在很少被采用。（ 2 ）编译采用编译方法的计算机语言处理程序一般包括编译程序和连接程序，编译程序先把源程序编译成机器语言的目标程序，然后连接程序把目标程序和各种标准库函数连接装配成一个完整的可执行的机器语言程序。汇编语言以及目前流行的高级语言 C/C++ 、 Pascal 等都采用编译的方法。

1.3.3 软件系统

4 现在计算机语言处理程序的特点计算机语言处理程序发展迅速，下面是现在计算机语言处理程序的显著特点。（ 1 ）集成开发环境（ 2 ）面向对象开发技术（ 3 ）可视化开发环境

1.3.3 软件系统

1.3.3.1.3 工具软件工具软件是开发、研制各种软件以及诊断、维护计算机的工具。它们包含的内容非常广泛，例如杀毒工具、磁盘清理工具等。

1.3.3.1.4 数据库管理系统在信息社会里，人们希望借助计算机对信息进行搜索、存储、处理和使用，因此产生了数据库、数据库管理系统以及数据库系统。（ 1 ）数据库是指按照一定联系存储的数据集合，可为多种应用共享。如工厂中职工的信息、医院的病历、人事部门的档案等都可以分别组成数据库。（ 2 ）数据库管理系统（ DBMS ， Data Base Management System ）是指能够对数据库进行加工、管理的系统软件。其主要功能是建立、删除、维护数据库及对库中数据进行各种操作。（ 3 ）数据库系统是指由数据库、数据库管理系统以及相应的数据库应用程序组成的系统。例如，某机关的工资管理系统就是一个具体的数据库系统。现在在企业中比较流行的 ERP （ Enterprise Resource Planning ，企业资源计划系统）也是一个具体的数据库系统，它是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。

1.3.3 软件系统

1.3.3 软件系统

1.3.3.2 应用软件应用软件也称为应用程序，它们是用户在各自的业务系统中开发和使用的各种程序。应用软件通常是针对某个具体问题而编制的，通常包括厂家出售的通用软件和用户利用计算机及其配备的系统软件自己研制开发的专用软件两类。随着计算机的普及应用，应用软件的种类越来越多，名目也各不相同，用户可以通过应用软件尽善尽美地发挥计算机的效能。

1.3.4 典型个人计算机软件系统组成

现在个人计算机的操作系统一般采用 Windows 系列，如 Windows 98/Me 或者Windows NT/2000/XP 。在操作系统之上，还有语言处理程序，如 Visual Basic ， Visual C++ ，Delphi 等；工具软件，如杀毒软件，磁盘管理工具等；数据库管理系统，如 SQL Server 等。操作系统、语言处理程序、工具软件和数据库管理系统统称为系统软件。应用软件一般包括办公软件，如 Office2000 等；网页浏览器，如 Internet Explorer 等；学习方面的软件，包括英语学习软件，如金山词霸等；打字练习软件，如金山打字通等；娱乐方面的软件，包括视频播放软件，如 RealOne Player 等，网络聊天软件，如腾讯 QQ 等。可以说，计算机用户有什么需求，相应的软件就会应运而生。

1.3.5 计算机系统的层次结构

计算机系统是一个十分复杂的硬件、软件结合的整体。它们二者之间是相辅相成、缺一不可的。计算机系统的层次结构可用下图表示。

1.4 进位计数制

为了更好地理解计算机的基本原理，在这一节我们学习和计算机相关的一些进位计数制。按进位的原则进行计数的方法称为进位计数制，简称进位制。长期以来人们在日常生活中形成了多种进位计数制。不仅有经常使用的十进制，还有六十进制（分、秒的计时）等。在计算机的内部使用二进制，但由于二进制数码冗长，书写和阅读都不太方便，所以在编写程序时多用八进制、十六进制数来代替二进制数，或者用十进制数来替换。因此在学习计算机时，需要熟悉这几种进位计数制的使用以及它们这间的相互转换。

1.4.1 进位计数制的相关概念

进位制涉及到两个基本概念：基数和各数位的权。它们是构成某种进位制的两个基本要素。基数是指进位制中会产生进位的数值，它等于每个数位所允许的最大数码值加 1 ，也就是这种进位计数制中每个数位允许使用的数码个数。例如十进制，每个数位允许使用 0～9 这 10个数码中的一个，基数为 10 。或者说，各数位中允许使用的最大数码值为 9 ，再加 1就会逢 10 进位，基数为 10 。一个数码处在不同的数位上，它所代表的数值不同，例如十进制中个位的 1 表示 100 ，而百位上的 1 表示 102 。因此，在进位制中每个数码所表示的数值等于该数码本身的值乘以一个与它所在数位有关的常数，这个常数称为该位的位权，简称为权。显然，各数位的权值是不同的。例如十进制数，从小数点往左，整数部分的位权依次是： 100 ， 101 ， 102 ，…；从小数点往右，小数部分的位权依次是： 10-1 ， 10-2 ，…。

1.4.1 进位计数制的相关概念

进位计数制具有统一的位置编号，小数点左边的第一位数码的位置编号是 0 ，向左依次增加，小数点右边的第一位数码的位置编号是 -1 ，向右依次减少。以十进制为例，如下图所示。

根据基数和位置编号可以总结出位权公式，如下图所示。

1.4.2 计算机中常用的进位制

1 二进制在二进制中，每个数位仅能选择 0 ， 1 这两个数码中的一个，逢 2 进位或借 1 当 2 ，基数为 2 。2八进制在八进制中，每个数位可选用的数码有 8个： 0～ 7 。逢 8 进位，基数为 8 。 3 十六进制在十六进制中 , 每位可选用的数码共 16个 , 相当于十进制中的 0～ 15 ，书写为 0 ， 1 ， …， 8 ， 9 ， A ， B ，C ， D ， E ， F ，逢 16 进位，基数为 16 。

1.4.2 计算机中常用的进位制

计算机中常用的进位计数制可归纳为下表。

1.4.3 不同进位计数制之间的转换

1.4.3.1 二进制、八进制、十六进制转换为十进制二进制、八进制、十六进制转换十进制可以采用按权相加法，即将二进制、八进制、十六进制数据的每一位数码乘以该数码的位权，再相加，就得到转换结果。

1.4.3.2 十进制转换为二进制、八进制、十六进制

十进制转换为二进制、八进制、十六进制的方法是整数部分除基数取余法，小数部分乘基数取整法。

1.4.3.2 十进制转换为二进制、八进制、十六进制 1 十进制整数转化为二进制整数采用除基数 2 取余法。转换过程是：将十进制整数除以2 ，所得余数作为对应的二进制数低位的值；继续对商除以 2 ，如此进行直到商等于 0 为止，所得的各次余数就是二进制数的各位值。注意，最后一项余数为二进制数最高位的值。


2 十进制小数转化为二进制小数采用乘基数 2 取整法。转换过程：将待转换的十进制小数乘以2 ，所得整数就是二进制小数的高位值：继续对所余小数部分乘以 2 ，所得整数就是次高位值；如此继续，直到乘积的小数部分已为 0 ，或已满足所需精度为止。


3 十进制整数转化为八进制整数采用除基数 8 取余法。

4 十进制小数转化为八进制小数采用乘基数 8 取整法。



5 十进制整数转化为十六进制整数采用除基数 16 取余法。


6 十进制小数转化为十六进制小数采用乘基数 16 取整法。

1.4.3.3 二进制与八进制互换如下表所示，三个二进制数码和一个八进制数码表示数的范围相同，并且一一对应，所以二进制转换为八进制时，每三个二进制位转换为一个八进制位，八进制转化为二进制时，每个八进制位转换为三个二进制位。

1.4.3.3 二进制与八进制互换 1 二进制转换为八进制二进制转化为八进制的过程：将二进制的整数部分每三位转化为一个八进制位，如果整数部分的位数不是三的整数，在整数部分的前面加 0；将二进制的小数部分也是每三位转化为一个八进制位，如果小数部分的位数不是三的整数，在小数部分的后面加 0 。

1.4.3.3 二进制与八进制互换

2 八进制转化为二进制八进制转化为二进制的过程是将每一个八进制位转化为三个二进制位。

1.4.3.4 二进制与十六进制互换如下表所示，四个二进制位和一个十六进制位表示数的范围相同，并且一一对应，所以二进制转换为十六进制时，每四个二进制位转换为一个十六进制位，十六进制转化为二进制时，每个十六进制位转换为四个二进制位。

1.4.3.4 二进制与十六进制互换 1 二进制转换为十六进制二进制转化为十六进制的过程：将二进制的整数部分每四位转化为一个十六进制位，如果整数部分的位数不是四的整数倍，在整数部分的前面加 0；将二进制的小数部分也是每四位转化为一个十六进制位，如果小数部分的位数不是四的整数倍，在小数部分的后面加 0 。

2 十六进制转化为二进制十六进制转化为二进制的过程是将每一个十六进制位转化为四个二进制位。

1.4.3.4 二进制与十六进制互换

1.5 计算机的基本原理

1946 年计算机的先驱者冯 ·诺依曼提出了计算机的若干设计思想，被后人称为诺依曼体制，这是计算机发展史上的一个里程碑。采用诺依曼体制的计算机就被称为诺依曼机。几十年来计算机的体系结构发生了许多演变，但诺依曼体制的核心概念仍沿用至今。我们将诺依曼体制中那些至今仍广泛采用的要点归纳为：（ 1 ）计算机的硬件由运算器、控制器、主存储器、输入设备、输出设备五大部件经由系统总线和接口连接而成。（ 2 ）采用存储程序工作方式，即事先编制程序，事先存储程序，自动连续地执行程序。（ 3 ）采用二进制代码表示数据和指令。本节阐述其中的两点：存储程序工作方式以及信息的数字化表示。

1.5.1 存储程序工作方式

计算机采用存储程序工作方式，这是诺依曼体制中最核心的思想，计算机硬件有四点设计以保证计算机以存储程序方式进行工作：（ 1 ） CPU可以直接通过系统总线访问主存储器，而外存储器无法被 CPU 通过系统总线直接访问。（ 2 ） CPU 随机访问主存储器。即主存储器中每一个字节单元都有一个编号，称为该单元的地址， CPU 通过地址访问主存储器，并且 CPU访问主存储器每一个单元的时间相同。而外存储器一般以文件为组织形式，并且数据在外存储器中的不同位置，访问时间也不同。上面两点为存储在主存储器中的程序被 CPU 执行提供了保证。（ 3 ） CPU 中有一个指令指针寄存器，它指向将要执行的指令在主存储器中的位置。（ 4 ） CPU 执行完一条指令后，指令指针寄存器自动增加，指向下一条要执行的指令。上面两点为计算机自动执行程序提供了保证。


存储程序工作方式有三点含义，体现了用计算机求解问题的过程。（ 1 ）事先编制程序为了用计算机求解问题，需要事先编制程序。在程序中规定了计算机需要做哪些事，按什么步骤去做。程序中还包括需要运算处理的原始数据，或者规定计算机在什么时候从输入设备获得数据。一件事往往要分步去做，要求计算机硬件在一步中执行的操作命令称为一条指令。计算机最终执行的程序，其形态就是指令序列，即若干条指令的有序集合，每一步将执行一条指令。换句话说，我们事先编好的程序最终变成：指令序列和有关的原始数据。


（ 2 ）事先存储程序所编好的程序经由输入设备送入计算机，存放在主存储器中，当前计算机系统中，一般是将实现编制的程序从外存储器中调出，存放在主存储器中。（ 3 ）自动、连续地执行程序当程序存储在主存储器中之后，计算机就可以依照一定顺序从主存储器中逐条读取指令，按照指令的要求执行操作，直到运行的程序执行完毕。在程序的执行过程中，原则上不需操作者通过人工操作去逐条读取指令。当然，有些工作本身要求以人机对话方式进行，例如我们通过计算机进行查询，用户通过键盘输入查询项目，所以计算机在自动、连续地执行程序的同时，往往允许使用者以外部请求方式进行干预。


下面以一个例子说明计算机执行一个程序的过程。例 1.19 如果用户在 windows 2000 中用鼠标双击Word 2000 程序，程序的执行过程是：首先系统通过硬盘接口将存储在硬盘中的 Word 2000 程序调入主存，然后将 Word 2000 程序的第一条指令的地址送到 CPU 中的指令指针寄存器，然后由 CPU 自动执行程序。

1.5.2 信息的数字化表示

我们现在所广泛使用的计算机的全名叫电子式数字计算机。“电子式”指计算机的主要部件是由电子电路构成，计算机内传送与处理的信息是电子信号。那么为什么叫做数字计算机呢？这是因为计算机中的信息（控制流、数据流）都采用数字化表示方法，简单地讲它有如下两层含义。

1.5.2.1 在计算机中的各种信息用数字代码表示

计算机只认识二进制数据，所以要想让计算机认识其他的信息，如指令、带符号数、字符、图像、声音等，就必须进行编码，即用二进制数据和这些信息一一对应。下面通过一组例子来说明如何用数字代码表示各类信息，这是了解计算机工作原理的又一重要基础。例 1.20 用二进制数字代码表示机器指令为了让计算机认识机器指令，我们也要使用数字编码表示指令。按照约定的指令格式，每条指令用一组数字代码表示。一条指令往往分为几个字段，如操作码字段、数据字段等，我们约定用不同的编码表示不同的指令含义。例如约定操作码的编码含义为： 0000 表示传送， 0001 表示相加， 0010 表示相减等等


例 1.21 用数字编码表示字符计算机中的信息只有二进制数据，为了让计算机认识字符，就使用数字编码表示字符，例如 01000001 表示 A ， 01000010 表示 B ，就像我们发电报时邮局将汉字编为一组数字电报码一样。图 1-6 是文本文件 test13.txt 的内容，是三个字符“ hi!” ，使用Hex Workshop查看 test13.txt 在计算机中的原始信息，如图 1-7所示，我们可以看到计算机中使用数据 68H 表示’ h’ ， 69H表示’ i’ ， 21H 表示’ !’ 。其中 Hex Workshop 是一款十六进制的查看软件，使用它可以查看计算机外存储器上的原始二进制信息，它一般将这些原始的二进制信息以十六进制的形式显示。


图 1-6 字符编码举例 a

图 1-7 字符编码举例 b


例 1.22 用数字代码表示图像为了让计算机认识图像，我们同样要使用数字编码表示图像。与字符相比，图像信息变化多，图像中哪一点是什么颜色是随机的。但是我们可以将一幅图像细分为许多像点，用这些像点的组合逼近真实图像。如果分得足够细也就是说点数很多，则在人的视觉中这幅由许多像点组成的图像几乎是连续的。然后，再使用某一个数值代表某一种颜色的点，例如使用 00000000 代表黑色的点， 11111111 代表白色的点。例 1.23 用数字代码表示设备的状态计算机在控制打印机、显示器这些设备时，常常需要根据设备的工作状态来决定操作。同样我们也可以使用数字编码这些设备的状态。例如用 00 表示设备现在空闲，用 01 表示设备忙，用 10 表示设备已完成一次操作等等。

1.5.2.2 数字型电信号表示数字代码

从物理实现这一层次看，数字代码需要用电信号去体现，这样才能用电子电路部件实现信息的传送和运算处理。电信号分为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号是用信号的某些参量去模拟信息，例如用电信号的幅值去模拟数值的大小，所以称为模拟信号、模拟量。许多物理量如压力、温度等，需要先通过传感器变为模拟信号，再转换为数字信号，才可以用计算机处理。数字信号是这样一种信号，它的单个数字信号仅取有限的几种状态，一般是只取两种状态，例如高电平或低电平、有脉冲或无脉冲，可用来表示数字代码 1 或 0 ，称为二值逻辑。相应地数字信号有两种形式：电平信号及脉冲信号。依靠多位数字信号的组合，可以表示多位数字代码。换句话说，一位数字信号表示一位数字代码。


例如计算机传输数据时，常用多根传输线同时传送，称为并行传送，每根线传送一位。如果某一根线的电平为高，则该位为1：若另一根线电平为低，则该位为 0 。各线之间相互分离，可独立传送电平信号。用数字代码表示各种信息，用数字信号表示数字代码，这就是信息数字化的含义。计算机是用来处理信息的，它可以处理的信息类型极其广泛。要了解计算机的工作原理，要能够在今后工作中灵活地进行设计，首先需要深刻理解和熟练掌握信息的数字化表示方法。


采用数字化方法表示信息，具有许多重要的优点：（ 1 ）抗干扰能力强，可靠性高。因为每位数字的取值非 1即 0 ，相应地，表示数字的电信号也只需两种状态。假定电源为 +5V ，用高电平表示 1 ，低电平（ 0V ）表示 0 ，则在 1 与 0之间有比较大的差别，即使受到一定干扰也还能够区分 0还是 1 。（ 2 ）依靠多位数字信号的组合，在表示数值时可以获得很宽的表示范围以及很高的精度。在理论上，位数的增加并无限制，取决于愿意付出的硬件代价。

1.5.2.2 数字型电信号表示数字代码（ 3 ）数字化的信息可以存储，信息传送也比较容易实现。因为每一位数字非 0即 1 ，相应地，在物理实现上也只需取两种可能的极端状态来表示 0 或 1 ，因而可以有多种方法来体现。如，开关连通或断开，晶体管导通或截止，电容上有电荷或无电荷，磁性材料的正向磁饱和或反向磁饱和，磁化状态的变或不变等等。相应地可用双稳态触发器去存储信息，或利用电容上存储电荷来存储信息。（ 4 ）可表示的信息类型与范围极其广泛，几乎没有限制，这一点在前面已经举例说明。（ 5 ）能用逻辑代数等数字逻辑技术进行信息处理，这就形成了计算机硬件设计的基础。计算机的各项具体操作最终是用数字逻辑电路来实现的，可以称为处理功能逻辑化。由于采用二进制数字代码来表示各类信息，我们能用种类非常有限的几种逻辑单元（与、或、非门），构造出变化无穷的计算机系统。

1.6 微机的性能指标

计算机的性能指标是由体系结构、外设配置、软件资源等多方面因素决定。所以评价一台计算机的性能如何，不能只考虑几个性能指标，需要综合考虑多种指标。对于不同用途的计算机，注意评价的侧重点也不相同。这里介绍一些常用的性能指标。


1 字长字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。计算机的字长决定了计算机中寄存器、加法器、数据总线等部件的位数，因此，字长也决定了计算机运算的精度。字长越长能表示数值的有效位数就越多，计算机的精度也就越高，但同时计算机硬件方面所需的逻辑电路也越多，结构就越复杂，所以它也直接影响了计算机硬件的造价。计算机的字长通常是字节（ 8 位二进制位）的整数倍，从 8 位、 16 位、 32 位和 64 位不等，微型计算机的字长为 8~64 位，目前广泛使用的是 32 位机。


2 存储容量存储容量是衡量计算机的存储器能容纳信息量多少的指标。因为存储器可分为内存储器和外存储器，所以存储容量也分为内存容量和外存容量。内存容量越大，所存储的可执行程序和数据就越多，计算机的运行效率也就越高，系统处理能力也就越强。外存容量的大小决定了整个计算机系统存取数据、文件和记录的能力。表示存储器的存储容量通常用字节（ Byte ）作计数单位，用符号 B 表示，一个字节是由 8位二进制数组成，其常用单位及换算方法如下： 1K （ Kilo ） B=210B=1024B ，称作千字节； 1M （ Mega ） B=220B=1024KB 称作兆字节； 1G （ Giga ） B=230B=1024MB 称作吉（ 10亿）字节； 1T （ Tera ） B=240B=1024GB 称作太（万亿）字节。个人计算机的内存容量一般在 64MB 以上，外存储器的容量如硬盘已经达到 40GB 以上。

102202302402


3 数据通路宽度数据总线一次所能并行传送的位数，称为数据通路宽度。它影响信息传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。一台计算机系统至少有两处需考虑数据通路宽度问题，一是 CPU 内部总线，一是 CPU外部的系统总线。 CPU 内部总线的数据通路宽度一般等于基本字长，而外部的数据通路宽度取决于系统总线。有些计算机的内、外数据通路宽度相等，例如 Intel80386型 CPU ，内外都是 32 位，称为 32 位机。有些计算机的外部数据通路宽度小于内部，例如 Intel8088 ，内部 16 位，外部 8 位，称为准 16 位机。

1.6 微机的性能指标4 运算速度同一台计算机，执行不同运算所需的时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。（ 1 ）主频、外频和倍频主频：指 CPU 内部的工作频率。外频：指系统总线的工作频率。倍频：表示主频与外频比例关系的一个数字。主频和外频的关系：主频 =外频 ×倍频。例如一台计算机的外频是 133MHZ ，倍频是 6 ，则主频是 798MHZ 。（ 2 ） MIPS 和 MFLOPSMIPS：每秒百万条指令，英文为 Million Instructions Per Second ，是指计算机每秒所能执行的指令条数，是衡量 CPU 速度的一个指标。MFLOPS：每秒百万条浮点指令，英文为 Million Floating Point Per Second ，是指计算机每秒所能执行的浮点指令条数，也是衡量 CPU 速度的一个指标。


5 系统的可靠性系统的可靠性是指计算机系统在规定的时间和工作条件下正常工作而不发生故障或失败的概率。通常用平均无故障运行时间（ MTBF ）来表示。 MTBF值越大，系统越可靠。 6 性能价格比性能价格比是指性能与价格之比。性能是指计算机的综合性能，包括上述五个方面，价格是指计算机的售价。性能价格比是衡量计算机产品优劣的概括性指标，性能价格比越大越好。除此以外，还有一些评价计算机的综合指标。如系统的可维护性，系统的完整性和安全性等。

1.7 计算机中的字符表示

计算机只认识二进制数据，为了在计算机中表示字符，必须对字符进行编码，即制定一个统一的标准，让字符和二进制数据一一对应。

国际上广泛用美国信息交换标准码（ American Standard Code For Information Interchange, 简称 ASCII 码）作为标准。 ASCII 字符集中共有 128 种常用字符，其中有数字0～ 9 ，大小写英文字母，一些常用符号如运算符、括号、标点符号、标识符等，还有一些控制符。这些字符种类大致满足了各种编程语言、西文文字、常见控制命令等的需要。每个 ASCII 字符用七位编码，一个字节单元正好可存放一个ASCII 字符。ASCII 码本来是为信息交换所规定的标准，由于字符数量有限，编码简单，所以输入、存储、内部处理时也往往采用这一标准。

1.7.1 ASCII 码

1.7.1 ASCII 码

例 1-24 不通过键盘，直接通过字符的 ASCII 码在文本文件中输入字符。如图 1-8所示，在 Hex Workshop 中新建文件“例 124.txt” ，并输入： 68H 65H 6CH 6CH 6FH 。然后在记事本中打开例 124.txt ，如图 1-9所示，例 124.txt中出现“ hello” 。

1.7.1 ASCII 码

图 1-8 ASCII 码举例a

图 1-9 ASCII 码举例 b

1.7.2 汉字的编码我国通用的文字是汉字，计算机在应用中通常要进行大量汉字信息的处理。汉字信息与其他信息一样，在内部也是用二进制代码来表示的。在汉字处理的不同阶段，对应不同的编码。如输入汉字时，使用汉字的输入码输入汉字；计算机将汉字信息存储在计算机内部时，使用汉字内码，而汉字内码是在汉字的国标区位码的基础上转变而来的；计算机输出汉字时，使用汉字的字形码输出汉字的字形。可见，汉字的处理过程就是这些编码的转换过程。可以把汉字信息处理系统抽象为一个简单的模型，如下图所示。

1.7.2 汉字的编码

1汉字的输入码用户在键盘上输入汉字时，输入的是汉字的输入码。汉字输入使用的输入码种类很多，有区位码、拼音码、五笔字形码、音形码等等。它们可分类为数字编码、字音编码，字形编码和混合编码。输入码输入后由系统自动地将汉字的输入码转换成汉字的内码（或称机内码）存储于计算机中。


2汉字的国标区位码汉字与西文中的字符相比较，西文中字符的个数较少，各种字符可用八位二进制数组成的 ASCII 码来表示。而中文常用的汉字和字符就有几千个，故汉字和图形符号通常要用多位二进制编码来表示。汉字的编码方式有许多种，一般都是在国标区位码的基础上演变而来的。国标区位码是中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码（ GB2312—1980 ）中汉字的区位编码，共收集了汉字等图形符号 7445 ，其中 682个非汉字图形字符（如：序号、数字、罗马数字、英文字符、日文假名、俄文字目、汉语注音等）和 6763个汉字。汉字中一级汉字（常用汉字） 3755个，二级汉字（非常用汉字） 3008个。


国标区位码共分 94个区，用 01～ 94 表示。每个区分成94 位，也用 01～ 94 表示。一个汉字或字符用二位区码跟二位位码表示，即区位码是四位码，当区码或位码是1～ 9 时，应用 01～ 09 表示。一个区位码只对应一个汉字或字符，是无重码的，例如区位码“ 1601”唯一地表示了汉字“啊”。国标第 25区编码如图 1-11所示，国标第 54区编码如图 1-12所示。


例 1-25 利用区位输入法输入汉字。知道汉字的四位十进制数区位码，就可以使用区位输入法输入汉字。如下图所示，在例 125.txt 中采用区位输入法，输入“中”的区位码 5448 ，输入“国”的区位码 2590就可以输入“中国”两个汉字。


3 汉字的内码汉字的内码是计算机存储、处理、传递汉字时所用的代码，它是汉字的标识码。汉字信息在计算机中进行各种处理时，都使用内码。若直接用国标区位码作为汉字的内码，则内码就有可能与 ASCII混淆起来，把一个内码当作两个 ASCII 码处理。因为一个 ASCII 码的范围是 0~127 ，国标区位码的区码和位码的范围都是 1~94 ，所以为了避免它们的冲突，将国标区位码作为内码还需作如下处理：高位内码＝区码＋ 20H＋ 80H 低位内码＝位码＋ 20H＋ 80H 其中加 20H可理解为避开 ASCII 的控制码，加 80H 是将内码的最高位置 1 ，以便与 ASCII 码区别开来，以汉字“大”为例：国标区位码是“ 2086” ，区码 20转换为十六进制是 14H ，与 20H 、 80H 相加后高位内码就为 B4h ，位码 83转换为十六进制是 53H ，与 20H 、 80H 相加后低位内码就为 F3H ，即汉字“大”的机内码是“ B4F3H” 。


例 1-26 不通过中文输入法，直接通过汉字的内码在文本文件中输入两个汉字“周公”。“周公”的“周”的国标区位码是 54 60 ，转化成十六进制是 36H 3CH ，分别加上 A0H ，得到“周”的内码是 D6H DCH, 同理得到“公”的内码是 B9H ABH 。如图 1-14所示，在 Hex Workshop中新建文件“例 126.txt” ，并输入： D6H DCH B9H ABH 。然后在记事本中打开文件例 126.txt ，如图 1-15所示，例 126.txt 中出现“周公”。

图 1-14 汉字内码举例 a

图 1-15 汉字内码举例 b


4汉字的字形码当需要将汉字字形输出到屏幕或打印机上时，系统将汉字的字形码（汉字的点阵图形或矢量图形）输出到屏幕或打印机。汉字字形码有点阵表示法、矢量表示法等。点阵字形是汉字字形的点阵图。所谓点阵就是把一个方块划分成若干个小方格，每个小方格的中心为点阵的一个点，将一个汉字置于方块中，有笔划划过的地方小方格内的点为黑点（用“ 1” 表示），无笔划划过的点为空白（用“ 0” 表示），所有的黑点就描出了汉字的字形。根据输出汉字的要求不同，所需点阵的多少也不同。简易型汉字为 16×16 点阵，提高型为 24×24 点阵、 32×32 点阵，还有 48×48 点阵、 72×72 点阵等等。表示汉字的点阵数越多，显示或打印出的字型越美观，其质量越高。


图 1-16所示为汉字“次”的 16×16 点阵图及编码。字型点阵的信息量是很大的，所占存储空间也很大，以 16×16 点阵为例，每个汉字就要占用 32个字节，一、二级汉字大约占用 256K 字节。字型点阵一般用来构成“字库”，存储在外存储器成汉字打印机的存储器中。


汉字字形的矢量表示法是把汉字看作由笔画组成的图形。设计时将汉字的字形分布在一个精密的点阵上，然后抽取该汉字每个笔画的特征坐标值，如线段的端点在点阵上的坐标值，由这些坐标值组合起来的信息得到了这个汉字字形的矢量信息。矢量表示法的汉字字形通过坐标的平移，缩放和旋转等方法可以获得高质量的，美观的字形效果，还可以通过不同的算法对汉字矢量进行左右倾斜、弯曲、对称和投影等变换，获得变化无穷的艺术汉字效果。但是因为组成每个汉字的笔画数不同，不同汉字抽取的特征也有很大的差别，所以每个汉字字形在矢量汉字库中所占的大小不一样，从矢量汉字库中读取汉字字形信息要比从点阵汉字库中读取汉字形信息复杂得多。


5 其他常用汉字编码对汉字的编码除了国标区位码，常用的还有 GBK 编码和 BIG-5 码。（ 1 ） GBK 编码（ Chinese Internal Code Specification ） GBK 是又一个汉字编码标准（ GB即“国标”， K 是“扩展”的汉字拼音第一个字母），全称《汉字内码扩展规范》，中华人民共和国全国信息技术标准化技术委员会 1995 年 12 月 1 日制定。 GBK向下与 GB2312-1980 编码兼容，向上支持 ISO 10646.1国际标准。它共收录汉字 21003个、符号 883个，并提供 1894个造字码位，简、繁体字融于一库。微软公司自 Windows 95 简体中文版开始，采用 GBK 编码。



（ 2 ） BIG-5 码 BIG-5 码是通行于台湾、香港地区的一个繁体字编码方案，俗称“大五码”。它广泛地被应用于电脑业和因特网中，它是一个双字节编码方案，收录了 13461个符号和汉字。其中包括：符号 408个，汉字 13053个。汉字分常用字 5401个和次常用字 7652个。

本章介绍了有关计算机的一些基础知识，增进了读者对计算机的了解，为读者进一步学习和使用计算机打下一定的基础。

1.8 本章小结

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第 1 章 计算机基础知识

第 1 章计算机基础知识