ssd2计算机系统基础中文版

1、第 1 章绪 论1.1计算机的发展历程计算机作为当今社会不可或缺的一种工具，影响着人们每天的生活，人们利用计算机进行各种工作，如文档处理、办公、交易等，当前人们通常把计算机（Computer）定义为一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。1.1.1 计算机的发展概况在社会发展过程中，人类创造发明了不少的计算工具，能够进行加、减，并记录简单的交易。起初，用手指、石块、棍棒计数，后来出现了机械计算器，但其运算速度既缓慢，体型又笨重。随着科技的发展，电子元件取代了笨重的机械部件，成为体积更小，运算速度更快的计算设备。自开始生产活动以来，人类使用结绳

2、、算盘、算筹、计算尺、手摇计算机等计算工具进行计数。12 世纪，人们利用手工操作进行计算，手工移动设备上的部件，以此达到计算效果。中国人发明的第一种计算设备-算盘，就是利用珠子的移动来进行计算的。16 世纪开始出现机械计算器，机械计算器使用轮子、齿轮等来计数。1642 年，布莱斯帕斯卡发明了帕斯卡利娜，这是第一个机械计算器，该机使用了算盘的原理，但利用轮子来移动计数器。1678 年，德国数学家莱布尼兹（Leibniz ）发明了十进制乘法机。18 世纪英国数学家查尔斯提出了通用数字计算机的思想，同时设计了一种能进行加减计算的自动计算装置，称为差分机。1847 年英国数学家布尔（Boole）创立了

3、布尔代数，奠定了计算机进行逻辑运算的基础。打孔机的出现使得大规模数据处理成为可能，穿孔机利用所打的孔来代表一个特定的模式进行数据存储，其思想来自提花织机，每个打孔卡代表一个模式，不同的程序指令可以存储在不同的打孔卡上，可以重复多次进行数据处理。1946 年第一台电子计算机的问世，标志着计算机时代的到来，具有划时代的伟大意义。计算机发展经历了 60 多年，计算机科学与技术已成为当今发展最快的一门学科，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，使计算机的应用渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息社会的发展。计算机的系统结构不断变化，应用领域也在不断地拓宽，人们根据计算机采用的物理器件把计算机发展分

4、为 4 个历程。第一代（1946 年1958 年）为电子管计算机。计算机使用的主要逻辑元件是电子管，也称电子管时代。主存储器先采用汞延迟线，后采用磁鼓磁芯，外存储器使用磁带。软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。这个时期计算机的特点是，体积庞大、运算速度慢（一般每秒几千次到几万次）、成本高、可靠性差、内存容量小，主要用于科学计算，从事军事和科学研究方面的工作。其代表机型有：ENIAC、IBM650 （小型机）、IBM709（大型机）等。第二代（1959 年1964 年）是晶体管计算机。这个时期计算机使用的主要逻辑元件是晶体管，也称晶体管时代。主存储器采用磁芯，外存储器使用磁带和磁盘。软件方面

5、开始使用管理程序，后期使用操作系统并出现了 FORTRAN、COBOL、ALGOL 等一系列高级程序设计语言。这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。计算机的运行速度已提高到每秒几十万次，体积大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高。其代表机型有： IBM7090、IBM7094、CDC7600 等。第三代（1964 年1970 年）是集成电路计算机。这个时期的计算机用中小规模集成电路代替了分立元件，用半导体存储器代替了磁芯存储器，外存储器使用磁盘。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言数量增多，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。计算机的运行速度也提高到

6、每秒几十万次到几百万次，可靠性和存储容量进一步提高，外部设备种类繁多，计算机和通信密切结合起来，广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域。其代表机型有：IBM360 系列、富士通 F230 系列等。第四代（1971 年至今）是大规模和超大规模集成电路计算机。这个时期的计算机主要逻辑元件是大规模和超大规模集成电路，一般称大规模集成电路时代。存储器采用半导体存储器，外存储器采用大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘。软件方面，操作系统不断发展和完善，同时发展了数据库管理系统、通信软件等。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。计算机的运行速度可达到每秒上千万次到万亿次，计算机的存储

7、容量和可靠性又有了很大的提高，功能更加完备。其代表机型有 IBM308X、CRAY_2 和银河亿次级巨型计算机等。从计算机发展过程可以看到，晶体管的尺寸在不断减小。随着晶体管越来越小，更多的晶体管可以集成在一个芯片中，这也意味着更快的处理速度和更大的数据存储容量。 1965年，戈登摩尔最大的芯片制造商之一因特尔的创始人，通过观察发现，每个集成电路所能容纳的晶体管数量呈指数增长。他预测说，芯片上的晶体管数量可以每 12 个月翻一番，直至到达物理限制，这就是著名的“摩尔定律”。现在的指数增长放缓至每 18 个月增加一倍，但是增长率仍是指数。表 1.1 显示了成倍增加芯片上的晶体管数目。更多关于摩尔

8、定律的解释将在第 3 章中介绍。表 1.1 各年英特尔处理器晶体管的使用数量型号生产年份晶体管数量4004197122504004197122508008197225008080197450008086197829 0002861982120 000386TM 处理器1985275 000续表1.1.2 未来计算机的发展趋势计算机技术是世界上发展最快的科学技术之一，产品不断升级换代。未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计算机本身的性能越来越优越，应用范围也越来越广泛，从而使计算机成为工作、学习和生活中必不可少的工具。1巨型化巨型化是指计算机的运

9、算速度更快、存储容量更大、功能更强。为适应尖端技术和科学计算，特别是国防科研计算的需要，目前正在研制的巨型计算机的运算速度可达每秒百亿次。2微型化目前，微型计算机发展十分迅速，一个高档微处理器构成的微型计算机系统功能强大，已经超过了传统的小型计算机功能。由于微型计算机具有高速度、大容量、高可靠性和低价格等特点，随着微电子技术的进一步发展，在性价比上具有明显优势的笔记本型、掌上型等微型计算机将更加受到人们的欢迎。3网络化随着计算机应用的深入，特别是家用计算机越来越普及，众多用户希望能共享信息资源，也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网

10、络已在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。4智能化计算机人工智能的研究建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机将能够识别图像、证明定理、学习研究、探索、联想、启发、理解人类语言以及说话等。型号生产年份晶体管数量486TM DX 处理器Pentium 处理器Pentium II 处理器Pentium III 处理器199924 000 000Pentium 4 处理器200042 000 000Itanium 2 处理器2002220 000 0001.1.3 计算机的应用计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传

11、统的工作、学习和生活方式，推动着社会快速发展。计算机的主要应用领域归纳起来分为以下几个方面：1. 科学计算科学计算（Scientific Computing）也称数值计算，是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中的数学计算。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。例如人造卫星轨迹的计算；高层建筑的结构力学分析；天气预报数据的分析等。科学计算的特点是计算量大、数据变化范围广。2. 数据处理数据处理（Data Processing）是指对信息进行收集、转换、分类、统计、存储和输出等操作，从中获取更有价值的数据。数据处理也称非数值计算，虽然数据量大，

12、但计算方法简单。目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各行各业。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。3. 计算机辅助系统计算机辅助系统（Computer Aided System）包括计算机辅助设计（Computer Aided Design， CAD）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）和计算机辅助教学（Computer Aided Instruction，CAI）等。计算机辅助设计（CAD）是利用

13、计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。 在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以确定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，以便设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD 已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用 CAD 技

14、术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计过程中，可以利用 CAD 技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。计算机辅助制造（CAM）是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用 CAM 技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。计算机辅助教学（CAI）是在计算机辅助下进行的各种教学活动，以对话的形式讨论教学内容、安排教学

15、进程、进行教学训练的方法与技术。CAI 提供了一个良好的个人化学习环境，综合应用多媒体、超文本、人工智能和知识库等计算机技术，克服了传统教学方式上单一、片面的缺点。使用 CAI 能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。4. 过程控制过程控制（Procedure Control）又称实时控制，是指利用计算机的高速度和善判断等特点，将计算机用于实时采集和分析处理数据，根据控制模型进行计算和判断，直接干预生产过程，校正偏差，对所控制的对象进行调整，实现对生产过程的自动控制。利用计算机替代人对生产过程进行监视和控制，可以提高产品数量和质量，减轻劳动强度，保障人身安全，节约能

16、源和原材料，降低成本，从而提高劳动生产率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。5. 人工智能人工智能（Artificial Intelligence）是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能与人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能目前在计算机领域内，得到了愈加广泛的重视，并在机器人、经济政治决策、控制系统、仿真系统中得到应用。6. 多媒体技术多媒体

17、技术（Multimedia Technology）是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息进行综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术。多媒体技术的运用使计算机系统的人机交互界面更加友好，操作更加方便，信息表达方式更加符合人的习惯。多媒体技术是以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面，因而其应用领域十分广泛。它不仅覆盖了计算机绝大部分应用领域，同时还拓宽了新的应用领域，例如可视电话、视频会议等。目前，多媒体系统以极强的渗透力进入了人类工作和生活的各个领域，正改变着人类的生活和工作方式，塑造了一个多彩的多媒体世界。7. 虚拟现实虚拟

18、现实（Virtual Reality）又称假象现实，是利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时地、没有限制地观察三度空间内的事物。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。虚拟现实技术的应用前景十分广阔，近年来已被广泛的应用到建筑设计、医学、教育、军事、航空航天和娱乐等方面。其主要特点是成本低、见效快。1.2 计算机系统的组成一个完整的计算机系统由计算机硬件系统和软件系统构成，如图 1.1 所示。计算机硬件系统是由电子、

19、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称,是计算机完成各项工作的物质基础，是计算机系统中的实际装置。而计算机软件系统是指计算机所需的各种程序及有关资料。图 1.1 计算机系统的组成图通常，人们使用的计算机是经过软件“包装”过的计算机，其功能不仅取决于硬件系统，更大程度上由安装的软件系统来决定。1.2.1 计算机的工作原理如果仅有硬件，计算机只有运算的可能性。若要使计算机具有计算、控制等功能的话，还必须配有必要的软件。所谓的软件就是指使用计算机的各种程序，知道了程序的执行过程，也就基本上了解了计算机的工作原理。1. 指令和程序的概念指令就是让计算机完成某个操作所发出的命令，即计算机完成某个

20、操作的依据。一条指令通常由两个部分组成，前面是操作码部分，后面是操作数部分，操作码指明该指令要完成的操作，如：加、减、乘、除等。操作数是指参加运算的数或者数所在的单元地址。一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。程序是由一系列指令所组成的有序集合，计算机执行程序就是执行这一系列指令。使用者根据解决某一问题的步骤，选用一条条指令进行有序的排列。计算机执行了这一指令序列，便可完成预定的任务。这一指令序列就称为程序。显然，程序中的每一条指令必须是所用计算机指令系统中的指令，因此指令系统是编制程序的基本依据。指令系统反映了计算机的基本功能，不同的计算机其指令系统也不相同。2. 计算机执行指

21、令的过程计算机执行指令一般分为两个阶段：第 1 阶段，将要执行的指令从内存取到 CPU 内；第 2 阶段，CPU 对取入的该指令进行分析译码,判断该条指令要完成的操作。然后向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能。当一条指令执行完后就进入下一条指令的取指操作。一般将第 1 阶段取指令的操作称为取指周期，将第 2 阶段称为执行周期。3. 程序的执行过程程序是由一系列指令的有序集合构成,计算机执行程序就是执行这一系列指令。CPU 从内存读取一条指令到 CPU 内执行，该指令执行完，再从内存读取下一条指令到 CPU 内执行。CPU 不断地读取指令，执行指令，这就是程序的执行过程。1.2.2

22、 计算机硬件计算机系统中所使用的电子线路和物理设备，是看得见、摸得着的实体，它的基本功能是执行计算机指令系统中的各种指令。计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 个逻辑部件组成，如图 1.2 所示。控制器和运算器合在一起组成中央处理器（CPU）；内存储器和中央处理器构成主机。在计算机硬件系统中不属于主机的设备都是外部设备，简称外设。主机和外设合在一起构成计算机硬件系统。图 1.2 计算机硬件结构图1. 运算器运算器也称为算术逻辑单元 (Arithmetic Logic Unit，ALU)。它的主要功能就是算术运算、逻辑运算和数据传递。算术运算就是指加、减、乘、除（早期的

23、 ALU 并无乘、除功能）等基本运算。 而逻辑运算就是指逻辑判断、逻辑比较以及其他的基本逻辑运算。在控制器的控制下,它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算，运算结果又送回内存。2. 控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，是发布命令的“决策机构”，用于协调和指挥整个计算机系统的操作。它主要有以下几个方面的功能：取指令：控制器生成指令地址，发出取指令信号，从存储器中取出指令暂存在指令存储器中。分析指令：由指令译码器分析指令的操作要求，将指令分解成一系列微操作。执行指令：执行一系列微操作命令，使各部件完成相应的动作。中断处理：用于处理非预期事件。3.

24、 存储器存储器是用于存储程序和数据的部件。存储器通常分为内存储器和外存储器。内存储器简称内存，用于存放正在执行的程序指令和数据，具有存取速度快、可直接与 CPU 交换信息等特点。通过输入设备输入的程序和数据最初送入内存，控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存，运算的中间结果和最后结果保存在内存中，输出设备输出的信息来自内存。总之，内存要与计算机的各个部件进行数据交换。内存中的信息如果要长期保存，就应送到外存储器中。外存储器设置在主机外部，简称外存，主要用来长期存放暂时不用的程序和数据。通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据，只和内存交换数据，而且不是按单个数据进行存取，而是成批地进行数据

25、交换。常用的外存有磁盘、磁带、光盘和 U 盘等。外存和内存有许多不同之处：一是外存不怕因断电而导致信息丢失，且信息保存时间长，如磁盘上的信息可以保持几年，甚至几十年，CD-ROM 可以永久保存；二是外存的容量不像内存那样受多种条件限制，可以大得多，如今硬盘的容量有 60GB、80GB 等；三是外存速度慢，内存速度快。4. 输入设备输入设备（Input Device）用来接受输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存中，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、麦克风等。5. 输出设备输出设备（Output Devi

26、ce）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果以数字、字符、图像、声音等人们所能接受的形式表示出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。1.2.3 计算机软件软件是指程序、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要的文档的集合。通常将软件分为系统软件和应用软件两大类。1. 系统软件系统软件是指控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务的一类软件。在系统软件的支持下，才能运行各种应用软件。系统软件通常包括操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和服务程序等。操作系统（Operating Syst

27、em，OS）为了使计算机系统的所有资源（包括中央处理器、存储器、各种外部设备及各种软件）协调一致，有条不紊地工作，就必须有一个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资源、软件资源及数据资源，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括 5 个管理功能： 进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。实际的操作系统是多种多样的 ，根据侧重面不同和设计思想不同，操作系统的结构和内容存在很大差别。 对于功能比较完善的操作系统，应具备上述 5 个功能。操作系统一

28、般可分为多道批处理系统、分时系统、实时系统、网络操作系统、分布式操作系统、单用户操作系统等。目前在微型计算机上常见的操作系统有 OS/2、UNIX、Xenix、 Linux、Windows、NetWare 等。语言处理系统语言处理系统是对软件语言进行处理的程序子系统。计算机语言是程序设计的最重要的工具，从计算机诞生至今，计算机语言已经发展到了第四代。机器语言是第一代计算机语言，是计算机系统所能识别的，不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。机器语言中的每一条语句（机器指令）实际是二进制形式的指令代码，由操作码的二进制编码和操作数的二进制编码组成。它的指令二进制代码通常随 CPU 型号的不同而不

29、同（同系列 CPU 一般向下兼容）。机器语言不易学习和修改，所以通常不用机器语言直接编写程序。第二代计算机语言是汇编语言。汇编语言采用一定的助记符号表示机器语言中的指令和数据，即用助记符号代替了二进制形式的机器指令，故又称为符号语言。汇编语言在一定程度上克服了机器语言难读难改的缺点，同时保持了其编程质量高，占存储空间少，执行速度快的优点。汇编语言是一种面向机器的程序设计语言，是为特定的计算机或计算机系列设计的。第三代计算机语言是由汇编语言发展而来的高级语言，即面向过程的语言。用高级语言编写的程序易学、易读、易修改，通用性好，不依赖于机器。但机器不能对其编制的程序直接运行，必须经过语言处理程序的

30、翻译后才可以被机器接受。高级语言的种类繁多，如面向过程的 FORTRAN，PASCAL，C 等，面向对象的 C+，Java，Visual Basic 等。第四代计算机语言是面向对象的语言，是一种非过程化的语言。使用这种语言设计程序时，不必给出对解题过程的描述，只需要向计算机提出所要解决的问题即可。数据库管理系统数据库管理系统是管理数据库的软件，主要面向解决数据处理的非数值计算问题，多用于档案、财务、图书资料及仓库管理等。数据处理的主要内容为数据存储、查询、修改、排序和分类等。目前常用的数据库管理系统有 Oracle、SQL Server、Access、Visual FoxPro 等。服务程序服

31、务程序完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。通常情况下，计算机能够正常地运行，但有时也会发生各种问题，如磁盘损坏、病毒感染、运行速度下降等。在这些问题变得严重或扩散之前解决它们是一些服务程序的任务。另外，有些服务程序是为更容易、更方便地使用计算机而设计的，例如压缩磁盘文件，提高文件在 Internet 上的传输速度等。服务程序基本可以分为以下 5 种：诊断程序：能够识别并纠正计算机系统中存在的问题；反病毒程序：病毒是一种人为设计的、以破坏计算机系统为目的的计算机程序。反病毒程序可以查找并删除计算机病毒，例如金山毒霸、KV3000 等；卸载程序：从硬盘上安全地删除没有用的程序和相关文件，

32、例如 Windows 中的“添加/删除程序”等；备份程序：将硬盘上的文件复制到其他存储设备上，以便原文件丢失或损坏后能够恢复，例如Windows 2000 中的备份程序等；文件压缩程序：压缩磁盘文件，减小文件长度。以便更有效地保存数据或在 Internet上传输，例如 ARJ、WinZip 等。2.应用软件应用软件是指利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。例如：科学计算、工程设计、数据处理、事务管理、过程控制等方面的程序。文字处理软件主要用于将文字输入到计算机，并存储在外存中。可以对输入的文字进行修改、编辑，并能将输入的文字以多种字体、多种字型及各种格式打印出来。目前常用的

33、文字处理软件有 WPS、Microsoft Word 等。表格处理软件表格处理软件主要处理各式各样的表格。可以根据要求自动生成各式各样的表格,表格中的数据可以输入也可以从数据库中取出。可根据给出的计算公式，完成复杂的表格计算，计算结果自动填入对应栏目里。如果修改了相关的原始数据，计算结果栏目中的结果数据也会自动更新，不需重新计算。 一张表格制作完后，可存入外存，方便以后重复使用，也可以通过打印机将表格打印出来。目前常用的表格处理软件有 Microsoft 公司的 Excel 等。辅助设计软件计算机辅助设计（CAD）技术作为近二十年来最具有成效的工程技术之一。计算机有快速的数值计数、较强的数据处

34、理以及模拟的能力，因此目前在汽车、飞机、船舶、超大规模集成电路（VLSI）等设计、制造过程中，CAD 占据着越来越重要的地位。 计算机辅助设计软件能高效率地绘制、修改、输出工程图纸。设计中的常规计算帮助设计人员寻找较好的方案。设计周期大幅度缩短，而设计质量却大为提高。应用该技术能使各行各业的设计人员从繁重的绘图设计中解脱出来，使设计工作计算机化。目前常用的软件有AutoCAD 等。（4）实时控制软件在现代化工厂里，计算机普遍用于生产过程的自动控制。例如，在化工厂中，用计算机控制配料、温度、阀门的开闭；在炼钢车间，用计算机控制加料、炉温、冶炼时间等；在发电厂，用计算机控制发电机组等。用于生产过程

35、自动控制的计算机一般都是实时控制，对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则会生产出不合格产品，或造成重大事故。用于控制的计算机，其输入信息往往是电压、温度、压力、流量等模拟量，要先将模拟量转换成数字量，然后计算机才能进行处理或计算。处理或计算后，以此为依据根据预定的控制方案对生产过程进行控制。这类软件一般统称为监察控制和数据采集（Supervisory Control And Data Acquisition， SCADA）软件。目前，比较流行的 PC 机上的 SCADA 软件有FIX、InTouch、Lookout 等。1.3 计算机信息表示方法1.3.1 进位计数制1数制的概念将数字

36、符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位进位的方法进行计数，来表示数值的方式，称作进位计数制。比如，常用的十进位计数制，简称十进制，就是按照“逢十进一”的原则进行计数的。进位计数制的表示主要包含三个基本要素：数位、基数和位权。数位是指数码在一个数中所处的位置；基数是指在某种进位计数制中，每个数位上所能使用的数码的个数，例如十进位计数制中，每个数位上可以使用的数码为 0、1、2、39 十个数码，即其基数为 10；位权是指一个固定值，是指在某种进位计数制中，每个数位上的数码所代表的数值的大小，等于在这个数位上的数码乘上一个固定的数值，这个固定的数值就是这种进位计数制中该数位上的位权。数码所处的位

37、置不同，代表数的大小也不同。例如在十进位计数制中，小数点左边第一位位权为 100，左边第二位位权为 101，左边第三位位权为 102。 小数点右边第一位位权为 10-1，小数点右边第二位位权为 10-2以此类推。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：位置编号：291909-19-29-39根据基数和位置编号可以总结出位权公式：位权=基数位置编号。2计算机科学中的常用数制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

38、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。二进制二进位计数制简称二进制，有2个不同的数码符号：0、1，基数为2。每个数码符号根据它在这个数中所处的位置（数位），按“逢二进一”来决定其实际数值，即各数位的位权是以2为底的幂次方。例如：(11001.01)2= 12412302202112002-112-2 = (25.25)10所有数据，包括音频、视频、程序和程序指令都可以使用一个二进制数序列或一个字节序列来表示及存储。八进制八进位计数制简称八进制，有8个不同的数码符号：0、1、2、3、4、5、6、7，基数为8。每个数码符号根据它在这个数中所处的位置（数位

39、），按“逢八进一”来决定其实际数值，即各数位的位权是以8为底的幂次方。例如：(162.4)8 =1 = (114.5)10十进制十进制数字系统包含了10个数字：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。十进制数系统中的每个数据可以根据数据中数字所在的位置来拆开，例如数据43872 ，2在数据中的第0位，7在第1位，8在第2位，3在第3位以及4在第4位，每一个位都可以以指数形式或者十进制数的形式来表示它代表的值。十六进制十六进位计数制简称十六进制，有十六个不同的数码符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、 9、A、B、C、D、E、F，基数为16。每个数码符号根据它在这个

40、数中所处的位置（数位），按“逢十六进一”来决定其实际数值，即各数位的位权是以16为底的幂次方。例如：(2BC.48)16 = 2162B161C160416-1816-2 = (700.28125)10计算机中常用的进位计数制如表1.2所示。表 1.2 常用进位计数制表1.3.2 数制之间的相互转换在计算机内部，一切信息的存储、处理与传送均采用二进制的形式。但由于二进制数的阅读与书写很不方便，为此，在阅读与书写时又通常用十六进制或八进制来表示，这是因为数制基数数码位权公式尾标二进制20、12i （i 是位置编号）H八进制8078i（i 是位置编号）D十进制100910i（i 是位置编号）Q（或

41、 O）十六进制1609、AF16i（i 是位置编号）B十六进制和八进制与二进制之间有着非常简单的对应关系，表 1.3 给出了常用计数制的对照。表 1.3 常用计数制的对照表由于不同的进位计数制所用的数字个数是不相同的。利用上表能较方便地对不同数制的数进行转换。1二进制数转换为十进制数所有的数字系统都是类似的，因此可以将任意数据转化为二进制数以及将二进制数转化成其他进制数。下面介绍将二进制数转化为十进制数的过程。首先，二进制数是 101101102，那么 101101102 在十进制下的值是1 27 + 0 26 + 1 25 + 1 24 + 0 23 + 1 22 + 1 21 + 0 20

42、=1 128 + 0 64 + 1 32 + 1 16 + 0 8 + 1 4 + 1 2 + 0 1=128 + 0 + 32 + 16 + 0 + 4 + 2 + 0=182在数值系统中，二进制数转换成十进制数最简单，因此也将在十六进制数转化成十进制数的过程中起到很好的帮助作用。2十进制数转换为二进制数采用除基数 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，每次得到的余数的倒排列，就是对应二进制数的各位数。例：将十进制数 37 转

43、换成二进制数的过程如下：十进制二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2222余数101001二进制数字a0 a1 a2 a3 a4a5220商为 0，转换结束于是，结果是余数的倒排列，即为：(37)10（a5a4a3a2a1a0)(100101)23十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

44、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。将十进制小数0.375转换成二进制小数，其过程如下：0.377520.7502乘积无进位，即a-1=01.5002乘积有进位，即a-2=11.000乘积有进位，即a-3=1最后结果：(0.375)10(0.a-1a-2a-3)2(0.011)2 。4二进制、八进制、十六进制数之间的转换（1）二进制与八进制互相转换如表1.4所示，3个二进制数码和1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3个二进制位转换为1个八进制位，八进制转化为二进制时，每个八进制位转换为3个二进制位。表 1.4 二进

45、制和八进制的转换3 个二进制数码1 个八进制数码00000011010201131004 37 18 94 2 1续表（2）二进制转换为八进制二进制转换为八进制的过程：将二进制的整数部分每3位转换为1个八进制位，如果整数部分的位数不是3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3位转换为一个八进制位，如果小数部分的位数不是3的整数，在小数部分的后面加0。例：将二进制数11001111.01112转换成八进制数为(11001111.0111)2=(011 001 111.011 100)2=( 317 . 3（3）八进制转换为二进制4 )8八进制转换为二进制的过程是将每一个八进制位转

46、换为3个二进制位。例：八进制数617.348转换成二进制数为：617 34110001111 011100即(617.34)8(110001111.011100)2（4）二进制数与十六进制互相转换如表1.5所示，4个二进制位和1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4个二进制位转换为1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4个二进制位。表 1.5 二进制和十六进制的转换（5）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4位转化为1个十六进制位，如果整数部分的位数不是4的整数倍，在整数部分的前面加0；将二进制的小数部

47、分也是每4位转化为1个十六进制位，如果小数部分的位数不是4的整数倍，在小数部分的后面加0。4 个二进制数码1 个十六进制数码4 个二进制数码1 个十六进制数码00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F3 个二进制数码1 个八进制数码101511061117例：二进制数1010101011.01102，转换成十六进制数为：0010 10101011 . 01102AB.6即(10 1010 1011.0110)2=(2AB.6)16（6）十六进制转换为二进制由于2416，所以每一

48、位十六进制数要用4位二进制数来表示，也就是将每一位十六进制数表示成4位二进制数。例：十六进制数(B6E.9)16 转换成二进制数为：B6E.9101101101110 .1001即（B6E.9)16(101101101110.1001)2（7）八进制与十六进制互相转换八进制数与十六进制数相互转换，是先转换为二进制再进行转换。5二进制、十进制、十六进制数之间的转换必须注意到的是，与十进制数表示相比，用二进制的方式来表示一个数据将使用到更多的数位。例如，对于十进制的数据 99，在二进制表示下就是数据 1100011，因此，计算机专家们采用十六进制数来表示二进制数据以缩短数据的位数。这样的话，就可以

49、将二进制数表示得更精确。十六进制数（以 16 为基底），几乎是所有的数制系统中最大的。在现代的十进制系统中，阿拉伯数字集 09 将数据 10、11、12、13、14 以及 15 增补进来表示十进制数字。为了不重新创造符号来表示这些新增加的数据，通常用大写字母 AF 来相应的表示这些数据。十六进制数就是由 0A 这个数据集的数来表示的。同大写字母一样，也可以用小写字母 af 来代表数据集 1015 中的数字。在十六进制数的表示中，通常不是在数字的下标中加上 16 来表示的，一般有两种十六进制数的表示方法，一是在数据前加上 0 x，另一种是加上 h 来表示十六进制数。表 1.6 给出了相应各位上数

50、字的指数表示值和十进制数表示值。表 1.6 与十进制对应值p有两种方式将十六进制数转换为十进制数，一种最直接的方法是使用公式 d (b) +p(b)p-10d+ + d (b) 其中 d 代表最高位，d代表第二高位，以此类推，b 是基数，ppp-1p-10是最高位上的数字。例：4 163 + A 162 + 3 161 + F 160=4 4096 + 10 256 + 3 16 + 15 1位43210各位上代表的十六进制数164163各位上的十进制数值5364 096256161=16 384 + 2 560 + 48 + 15=19 007这种转化方法对于比较大型的数字比较有用。对于只有

51、一个或者两个数字的数据，还是先将十六进制数转化成二进制数，再将二进制数转化成十进制数比较容易一些。由于十六进制数是在二进制数的基础上衍生出来的，所以十六进制数和二进制数的关系为每一个十六进制数都代表 4 位二进制数。表 1.7 显示了 0F 这个数据集的二进制、十进制、十六进制表示法之间的关系。表 1.7 十进制、二进制、十六进制关系接下来将十六进制数 0 x3B 通过二进制转换成十进制数，首先找出十六进制数每位上的数字由哪 4 个二进制数据来表示，再将十六进制数用这些二进制数据来代替。由此，0 x3B 就变成了(00111011)20 x3B=(00111011)2，再将该二进制数转换成十进

52、制数，转换过程如下：=32 + 16 + 8 + 2 + 1=59一个数据的每个字节可以用两个十六进制数来表示。例如，在扩展的 ASCII 码表中， N字母的二进制表示是 01001110，如果将这 8 位数字每 4 个一组分开来写，就得到 0100、1110，即可得到这两组二进制数所代表的十六进制数分别为 0 x4 和 0 xE,所以。N 的十六进制表示数是 0 x4E。十进制表示二进制表示十六进制表示000000 x0100010 x1200100 x2300110 x3401000 x4501010 x5601100 x6701110 x7810000 x8910010 x9101010

53、0 xA1110110 xB1211000 xC1311010 xD1411100 xE1511110 xF1.3.3 计算机中信息的表示形式在计算机中，信息是以数据的形式表示和使用的。能表示和处理的信息包括数值型数据、字符型数据以及音频和视频数据，而这些信息在计算机内部都是以二进制的形式表示的。因为计算机中的基本逻辑元件由两个可用电平进行控制且能相互转换的稳定状态，即可用来表示一位二进制数。也就是说，二进制数是计算机内部存储、处理数据的基本形式。而对于非数值型数据，则可通过编码的形式变换成计算机能接受的二进制数。1二进制表示方式数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的

54、数据类型。国际标准化组织（ISO）对数据进行了专门定义：“数据是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊表达形式可以用人工的方式或自动化装置进行通信、翻译转换或者进行加工处理”。数字、文字、符号、图形、图像、声音都包括在数据范畴中。数据概念要比人们日常生活中理解的“可以比较其大小的数值”广泛的多。在很多场合，数据和信息往往并不严格加以区别。称为基本 ASCII 码（编码与 7 位的相同），当最高位为 1 时，形成扩充的 ASCII 码，表示数的范围为 128255，可表示 128 种符号，通常各个国家都把扩充的ASC码作为自己国家语言文字的代码。下面是 ASCII 码的数据表示。表 1.

55、8 ASCII 码的数据表示BCD 码BCD（Binary Coded Decimal）码又称“二-十进制编码”，专门解决用二进制数表示十进制数的问题。BCD 码将每一位十进制数用 4 位二进制数表示，其编码方法很多，有 BCD8421编码、BCD2421 编码、余 3 码、格雷码等。最常用的是 BCD8421 码，其方法是四位二进制数表示一位十进制数，从左向右每一位对应的位权是 8、4、2、1。BCD 码非常直观，但 BCD 码仅仅表示形式上的二进制数并非真正的二进制数。例如，十进制数(82.5)10 对应的 BCD 码是（10000010.0101）BCD，但对应的二进制数是(101001

56、0.1)2。汉字编码我国用户在使用计算机进行信息处理时，一般都要用到汉字，在计算机中使用汉字必须解决汉字的输入、输出及汉字处理等一系列问题。由于汉字数量大，汉字的形状和笔画多少差异极大，无法用一个字节的二进制代码实现汉字编码，因此汉字有自己独特的编码方法。在汉字输入、输出、存储和处理的不同过程中，所使用的汉字编码不相同，归纳起来主要有汉字输入码、汉字交换码、汉字机内码和汉字字形码等编码形式。汉字输入码汉字输入码是为由计算机外部设备输入汉字而编制的汉字编码，又称外码。汉字输入码位于人机界面上，面向用户，编码原则简单易记、操作方便，有利于提高输入速度，汉字的输入编码很多，归纳起来主要有数字编码、字

57、音编码、字形编码和音形结合编码等几大类，每种方案对汉字的输入编码并不相同，但经转换后存入计算机内的机内码均相同。例如，以全拼输入编码输入“jin”，或以五笔字型输入法输入“QQQQ”都能得到“金”这个汉字对应的机内码。这个工作由汉字代码转换程序，依照事先编制好的输入码对照表完成转换。汉字交换码汉字交换码是指在对汉字进行传递和交换时使用的编码，也称国标码。1981 年，国家标准局颁布了信息交换用汉字编码字符集（基本集），简称 GB2312-80，代号国标码，是在汉字信息处理过程中使用的代码的依据。GB231280 共收集汉字、字母、图形等字符 7445个，其中汉字 6763 个（常用的一级汉字

58、3755 个，按汉语拼音字母顺序排列；二级汉字 3008个，按部首顺序排列）。此外，还包括一般符号、数字、拉丁字母、希腊字母、汉语拼音字母等。在该标准集中，每个汉字或图形符号均采用双字节表示，每个字节只用低 7 位；将汉字或图形符号分为 94 个区，每个区分为 94 个位，高字节表示区号，低字节表示位号。国标码一般用十六进制表示，在一个汉字的区号和位号上分别加十六进制 20H，即构成该汉字的国标码。例如，汉字“啊”位于 16 区 01 位，其区位码为十进制数 1601D（即十六进制数 1001H），对应的国标码为十六进制数 3021H。汉字机内码汉字机内码是只在计算机内部存储、处理、传输汉字用

59、的代码，又称内码。汉字国标码作为一种国家标准，是所有汉字都必须遵循的统一标准。但由于国标码每个字节的最高位都是“0”，与国际通用的 ASC码无法区别，必须经过某种变换才能在计算机中使用。英文字符的机内代码是 7 位的 ASC码，最高位为“0”，而将汉字机内代码两个字节的最高位设置为“1”，这就形成汉字的内码。汉字字形码汉字字形码是表示汉字字形信息的编码。目前在汉字信息处理系统中大多以点阵方式形成汉字，所以汉字字形码就是确定一个汉字字形点阵的代码，全点阵字形中的每一点用一个二进制位来表示，随着字形点阵的不同，所需要的二进制位数也不同。例如，2424 的字形点阵，每字需要 72 字节；3232 的

60、字形点阵，每字共需 128 字节，与每个汉字对应的这一串字节，就是汉字的字形码。输入设备输入到计算机中的任何信息，都必须转换成二进制数的表示形式，才能被计算机硬件所识别，所以掌握信息在计算机中的表示方法非常重要。1.3.4 计算机中的数值表示1带符号数的表示方法在计算机中，无论是数值还是数的符号，都只能用 0 和 1 来表示，通常规定一个数的最高位为符号位：0 表示正数，1 表示负数。如果机器的字长为 8 位，则 D7 为符号位，D6D0为数字位。通常，把机器外部由正负号表示的数称为真值，如28、28，而把计算机内存放的符号数值化的数称为机器数，如28 和28 的机器数分别表示为 000111