计算机基础教程

第一章计算机信息基础.计算机系统.计算机硬件和软件.通信与网络1计算机系统计算机的发展计算机的创始与发展.从原始计数法到机械计算机在远古时代，人类首先从自身找到了最原始的计数工具——手，用手指来计数。为了能表达比10个手指更多的数目，古代人们想出第二种计数工具——石子。石子、贝壳、绳结、木棒不但作为统计财产、人数、猎物的工具，还能保留下统计的结果，这是现代计算机原理中存储思想的最初萌芽。约1000多年前，东方文明古国——中国开始使用算盘，这是世界上最古老的、流传最广的计算工具。古代算盘是用小棒(或石子、金属块等)排放在不同位置上，表示不同的位权，并按此进位与借位。可见，那时已经有了进位计数的概念。1642年，19岁的法国数学家布莱斯•帕斯卡(BlaisePascal)发明了装有手转圆轮的机械加法器。帕氏加法器里，一个圆轮代表一位数。轮上分为10个相等部分，刻有0〜9十个数字。做加法时，顺时针转动圆轮，当转到0刻度，便自动将高位圆轮带进一格。巴氏加法器用纯粹机械运动代替人们的思考和记录，表示人类开始向臼动计算工具的迈进。为了纪念他，程序设计语言Pascal就是以他的名字命名的。现代计算机的先驱者是英国的数学家查尔斯•巴贝奇(CharlesBabbage)(17921871)o1833年在他的微分分析机(differentialanalyzer)的设计方案中，他天才地提出了计算工具至少必须具有五个独立的部分：①输入部分送入需要处理的问题和信息.；②存储库保存信息，以便机器使用；③运算室能进行各种实际的运算；④控制器指挥机器按顺序工作：⑤输出部分送出问题处理的结果。这台机器仍属于机械计算机，但是他的思想在当时确实太先进了，直至100多年后才开发了电子计算机。巴贝奇的许多观点被一位女伯爵、著名的女诗人AugustaAdaByron记载下来，并深入分析。她可以算是世界上第一个计算机程序设计员，程序设计语言Ada则因她的荣耀而命名。世界上第一台电子计算机诞生于1946年。它的诞生标志着计算工具随着世界文明的进步飞跃到一个崭新的阶段。这台可操作的电子数字计算机称为ENIAC(electronicnumerlcJIntegratorandcalculator),由美国宾夕法尼亚大学的JohnMauchly和J.P.Eckert发明。ENIAC是个庞然大物，它占地170平方米，重量超过30吨，并使用了多于18000个电真空管，耗资40万美元。2电子计算机时代电子计算机时代的划分如下。第一代是真空电子管计算机，时间大约为1951—1958年。其基本电子元件是电子管，内存储器(计算机主机内存放信息的存储器称为内存储器，筒称内存)采用水银延迟线，外存储器(计算机主机外的存储器叫外存储器，简称外存，它比内存容纳的信息大很多，但运行速度慢)有纸带、卡片、磁鼓、磁带等。由于当时电子技术的限制，运算速度为每秒几千次至几万次基本运算，内存容量仅几千字，计算机程序设计语言还处于最低阶段，要用二进制码表示的机器语言进行编程，工作十分烦琐。因此，第一代电子计算机体积庞大，耗电多，难维护，并且造价很高。第H代是晶体管电子计算机，时间大约为1959—1963年。美国有名的贝尔实验室在1948年发明了晶体管器件，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，晶体管电子计算机诞生了。此时内存的元件大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。外存有了磁盘、磁带，外设种类增加。计算机运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存容量扩大到几十万字。与此同时，计算机软件有了较大发展，出现了高级程序设计语言，用它编制程序执行时，需先经过编译程序,把程序翻译成机器语言，再由计算机实现。此外还发展了一些单道和多道管理程序，及各种调试、诊断程序，批处理系统也已逐步形成。与第一代计算机比较，晶体管计算机体积小，成本低，逻辑功能强，可靠性大大提高。第三代是集成电路电子计算机，时间大约为1964—1979年。随着固体电子技术的发展,集成电路工艺技术已可以在几平方毫米的单晶硅片上集中，由十几个甚至上百个电子元器件组成逻辑电路。用这些称为小规模集成电路(small-scaleintegration,SSI)的器件作为计算机的主要逻辑器件，这是第三代电子计算机的标志。第三代计算机的运算速度进一步提高,每秒可达几十万次到几百万次，磁芯存储器进一步发展，体积缩小，价格降低，软件逐渐完善，多道和分时系统的出现标志着操作系统的正式形成，并出现了多种高级语言。这一时期,计算机同时向品种多样化、机种系列化发展，计算机性能和可靠性有了极大提高。第四代是大规模集成电路电子计算机，时间为1979年至今。由于计算机的逻辑器件采用了大规模集成(large-scaleintegration, LSI)和超大规模集成(verylarge-scaleintegration,VLSI)技术，能在一个芯片上集成成千上万个晶体管和其他电路元件。集成度很高的半导体存储器代替了早年的磁芯存储器，存储容量从几兆字节发展到几千兆字节，存取速度也大大加快。LSI和VLSI技术使微处理器的开发获得成功,它能使CPU的全部线路,集成在一个芯片上，并达到每秒可以处理百万条指令的速度。带有微处理器的微型计算机和各种外围设备，以及易于使用的系统软件和应用软件包，组成了微型计算机系统(PCS)o随着计算机的广泛应用，计算机网络已成为第四代计算机的标志。目前正在研制开发第五代计算机系统。计算机的分类及应用.计算等机的分类计算机技术的发展使计算机的分类问题变得复杂化了，比如根据用户的需求及一些技术特征，我们可以把计算机分成微型计算机、小型计算机和主干计算机，同样根据应用的分类可以是：主计算机、网络服务器和工作站。分类也可能根据不同的计算平台以描述相关的计算能力。因此计算机分类与它们的计算速度和存储能力以及支撑的外围设备的数量和能力有关。但是还是可以发现某些微型计算机的能力超过小型机，而某些小型机的能力超越主干计算机。因此计算机的分类往往相互渗透。专家们还指出，微机系统网络越来越显露出计算能力和多种应用能力的加强。计算机制造商一般按系列生产计算机系统。因此计算机系统因不同的速度、存储容量以及其他能力可以有各种型号，以适应用户信息处理的不同需要。同一系列中的大多数计算机是兼容的，也就是说，所写的程序只要稍做修改甚至不用修改，就可以在同一系列其他型号的机器上运行，这就是允许用户在需求增长时，可将应用移植到同•系列的更高型号的机器上，称为系统的向上兼容性。但是，专家们预测，这种生产格局将随着计算机网络的发展被打破，计算机的兼容性更强、更可靠。任何一种都可以与网络连接，使网络用户能共享软件、共享信息、共享各种输入/输出设备，如打印机、绘图仪等各种网络资源。.微型计算机及其应用(1)个人计算机(personalcomputer)微型计算机是对终端用户最重要的计算机，微型计算机通常也被称为个人计算机。因此大多数微型计算机设计成单用户，以支撑终端用户各种工作活动。目前，微型计算机的能力已超出前代计算机中的主干计算机，而价格只有主干计算机的一小部分，因此微型计算机在企业中也可以作为专业工作站使用，它支持用户进行大量的数学运算或工程上的计算机辅助设计(CAD),还可以用作金融业的投资和证券分析，并显示图形。特别是随着多媒体技术的发展，更是以数字技术为基础，融合通信技术(电话、传真)、广播技术(广播、电视)和计算机技术为一体，将文字、图形、图像、声音、视频等多种媒体信息进行储存、传送和综合处理。因此，基于1997年Intel公司推出的多媒体扩展(multimediaextension,MMX)技术及随着CPU集成度与主频提高，研制了具有处理多媒体信号能力MMX微处理器，即在传统个人计算机的基础匕扩充处理声音、图像等信息的设备和软件，从而出现了能对文、图、声、像等多媒体信息进行统•处理的多媒体计算机(multimediapersonalcomputer,MPC)«微型计算机可以让终端用户进行多种信息处理业务，这与微型计算机上大量、广泛、可方便使用的软件包有关，其应用领域如下：①字处理微型计算机在字处理软件的支撑下，用于电子打印与编辑备忘录、信件、报告等各种文档。高档的字处理软件还可以编辑出版刊物。②决策支持应用电子表软件可以让用户建立描述事务状态的电子表(spreadsheet)模型。用计算机进行事务规划、预算和执行事务的分析，并为决策提供了交互支持。③数据库管理数据管理系统允许用户建立与维护企业状况的文件和数据库，然后用户可以查询、显示所需要的数据，并可以对抽取的数据加工处理，产生各种分析报告。④绘图绘图软件可以用激光打印，光扫描仪以及其他设备，让用户制作各种分析图表，如直方图、曲线图、圆饼图，也可以制作各种图形影像。这种功能着重强调了报告中信息的分析和表达。⑤通信通信网络、软件包和硬件组合在一起允许用户存取组织内的数据库，也允许用户存取外部信息服务机构提供的数据和银行中的信息，并且与其他用户通信，微型计算机可以连接到主干计算机上，也可以与支撑用户工作群体的局域网相连。⑤应用开发微型机上可以应用的多种程序设计语言以及计算机辅助软件工程(c。mpuur一。NedSoRW»reellgllleehng,CASE)的工具，使信息系统开发过程自动化，开发质量得以提高。①工程超级微机常用作计算机辅助设计的技术工作站。它能支持计算机辅助工程(comPuteraidedensineerins,CAE)的设计与分析过程，以及其他所需的计算能力与绘图能力。③个人与家庭使用微型机可提供多种可视游戏、教育及家庭管理软件，可供个人与家庭娱乐，子女教育及家政管理。(2)移动式计算机随着计算机技术和网络技术的快速发展，计算机应用覆盖全球。对于一些经常外出的专家或企业的市场营销人员，就需要计算机既能放在办公室使用，又能方便地把计算机携带在身边，随时就地开展业务。因此需发展笔记本型、手提便携型、膝上型等移动式计算机产品。目前移动式计算机技术正在高速发展中，移动式计算机采用了最新技术、最快速处理器、最优屏幕、最佳接口、最大容量、最小体积的硬盘。显然硬件成本较之桌面机昂贵，但对于工作性质为流动的业务员，公司仍应为他们配备移动式计算机。其次移动式计算机的安装、操作和维护成本也很昂贵。但由于计算机故障代表的是企业生产力和营运收入的损失，则必须减少计算机故障和故障恢复时间。例如：温哥华某咨询公司，共有3000名员工，其中1800名遍及加拿大全国，其余的则分布在世界各地且不断移动。该公司向客户收取高达Zn美元山'时的服务费。当该公司主管决定建立管理信息系统时，计算机的选择苜先必须确保每个员工每天正常工作，则必然会是移动式而非桌面式的计算机。同时公司也必然要求该硬件供应商能提供全球化的快速修更服务或在计算机产生故障时，能提供相容零件进行替换，以便有问题的计算机马上修复并恢复运作。(3)网络计算机(networkcomputers.NLs)在企业网络中的客户端往往可以采用比传统个人计算机功能缩小与简单的计算机。这种计算机并不长期储存应用软件和数据资料，而是透过因特网或企业内联网，从中央主机或服务器下载所需软件与数据资料。若发生了更新数据则传递给中央主机或服务器，以备今后多用户的共享使用。因此有效地减少了客户端对辅助存储硬盘、光碟等设备的使用。由于网络计算机的组成只需一台PC主机、一个键盘、一个屏幕与网络连接装置，同时网络计算机又不必为软件升级、维护、技术支援与训练支付成本，一切由中央计算机或服务器进行集中管理与更新。因此，网络计算机的成本较之PC机的成本更低。网络计算机除了成本低的优点，另一个优点是可以加强对组织内计算机计算能力的管理控制，但必须依靠后端的大型主机系统的支持。当然若是换个角度思考，网络计算机也存在如下问题：这种主干机中央集权式的控制将会降低终端工作人员的进取心与创造力。•个管理不善的网络系统，一旦发生故障，则所有在终端工作的员工将无法操纵网络计算机进行工作；而使用全功能PC机的员工，由于拥有独立处理能力和独立数据资料而继续保持工作，甚至还可以提供一份某种程度的备份，以恢复中央计算机的故障。企业考虑购买与使用计算机时，必须联系企业的管理需求、营运模式与财政状况等，才能决定将某种类型的计算机应用于企业信息技术的基础建设。目前，财务、证券、保险与零售经销业，对网络计算机有较高的认知度与接受度。(4)超级计算机(suPercomPuter)超级计算机是一台精密且功能强大的计算机，传统上用于科学与军事研究，如航天航空技术、武器研究、气象预测、石油与工程应用方面。超级计算机每秒能执行十亿或百亿个指令，可以在瞬时之间处理大量复杂的数学计算或模拟运作，有的运算速度甚至比大型主机还快。超级计算机采用多CPU处理器结构，因此并非一次执行一条指令，而是采用平行处理(parallelprocessing)模式。首先将〜个问题分成比较小的部分，通过同时工作并行处理问题中的不同部分，最后产生问题的结果。某些尖端科学问题在解决时，要同时启用数千个处理器。因此研究开发一些解决问题的特殊的软件是超级计算机技术的关键。它将复杂的问题分解后，以最有效的方式分配给各个处理器，并将各处理器的工作结果集合起来，加以处理，最终得到问题的解答结果。超级计算机每秒能执行的指令数是其计算能力的反映。目前，科学家们正在研制每秒能执行10兆条指令运算能力的超级计算机。随着信息技术应用发展，特别数据仓库技术的发展，超级计算机也将应用于商业，应用于数据挖掘和海量数据的处理。.小型机及其应用小型计算机无论是形体、垂量还是功能，都是介于主干计算机与微型计算机之间。但这种划分并不精确。微型机系列的高瑞（超级微机）的性能远远超出小型机，而小型机系列高瑞（超级小型机）的性能又远远超出了主干计算机。但小型机价格低于主干机，而且大多数小型机都可以在普通环境中工作，不必净化空气，也不必提供专用供电线。一些比较小的小型机甚至可以不必有专家操纵，而只需对雇员加以培训即可使用。因此许多组织继续倾向于应用小型机。小型机在科学研究、建设系统、工程分析和工业过程监控领域颇受欢迎。因为小型机在这些领域已有足够强的能力胜任这些工作，而并不需要主干机的全面处理功能。因此小型机常作为工业过程控制和制造工厂的选择对■象。特别在计算机辅助制造（computeaidedmanufacturing,CAM）方面起了重要作用。当然小型机也可以作为功能很强的技术工作站用于计算机辅助设计，还可以作为主干机的前端处理机，以帮助主干计算机控制数据通信网络。小型机目前也成为部门或办公室受欢迎的共享计算机。在分布式处理网络系统中，可以用干指派计算任务，也可以作为局域网的服务器，把某个部门或办公室的微机工作站、终端及其他办公自动化设备连接在一起，当网络需要更强的处理能力，联机存储能力及在同一时间能支持多用户工作时，可以使用性能更强一些的小型机。.主干计算机及其应用主干计算机除了在形态与性能上比小型机、微型机强以外，通常有多个处理机，以达到更快的指令处理速度，例如：每秒处理指令可以超过2记条。主干计算机的内存容量也是巨大的，例如主存容量可以从32M字节到几个GM字节。主干计算机的服务能力一次可有几百个用户。一个大型主干机可以为上百个不同的用户处理上百个不同的程序和上百个不同的设备。也允许大量用户在共享网络上访问中心数据库和应用程序库。大型主干机主要用于处理大型企业集团的组织信息需求，如对成千上万顾客的需求信息处理，企业的销售活动和库存动态管理等。不同规模的企业集团，可以采用不同规格的主干计算机。一般大型的主干机主要用于大的跨国企业集团和政府部门，这些企业几乎每天要进行上百万件事务处理，如国家银行、国家证券交易所。大型计算机也可以为颇有价值的计算设计项目进行复杂的科学计算、工程设计与仿真模拟，例如宇宙飞船的设计与模拟。大型主干机的应用还可以作为分布式处理网络中的主机，例如在航空、银行、石油业的大公司都采用大型主干机与国家或国际计算机网络连接。曾几何时，微型计算机的发展，使昂贵的大型主机如同技术上的恐龙一般已为过时，曾有专家预测大型主机存在被淘汰的可能性。但是由于大型主机的无与匹敌的运算能力与可靠性，许多早期应用信息科技的公司依然应用大型主机处理一些大宗的交易。而目前大型主机在全球信息网上的电子商务找到了最佳定位。华尔街著名的美林证券公司使用大型主机作为股市网站的服务器,所有的资料全部放在这台主机上，用户可以透过网站获取所需的各种市场信息，跟踪自己投资组合状态，获取交易公司的信息。当更新网站服务器软件时，原有的数据资源保留，而只需将不断更新的市场信息连接到网站服务器并方便地将资料传递给内部/外部所有用户。一个架构于WindowsNT平台上的电子书店，最多可以容纳每天一万次的点击率，而当超出该点击率时，则无法处理如此大的流量。若每天增加到100万次点击率，则不是增加几台NT服务器能解决问题。因此电子书店购买了IBMS/390大型主机，尽管短期成本增加，但减少了多NT服务器引发的其他技术或营运中的问题，降低了长期运作的员工成本和维护成本。而且此时仅使用了S/390十个CPU中的三个，因此在处理大宗交易方面还有很大的成长空间，保证运行的高速度和高成长性。随着全球性电子商务的展开，大型主机以其特别强大的功能，开拓新的应用市场。4.1.3计算机发展趋势作为信息系统的最终用户，认识到计算机系统的发展速度飞快是很重要的。这些发展趋势在计算机的每个重要阶段已有所体现，并将继续发展下去。如上所述，第一代计算机开始于20世纪50年代早期，第二代计算机在50年代末期，第三代计算机在60年代中期，第四代计算机则开始于70年代末期，并将继续下去，第五代计算机在ZI世纪初期诞生。表41描述了计算机在特征和能力方面的主要发展趋势。其主体是向着体积更小、速度更快、性能更强更可靠、购买与维护成本更低的方向发展。表41计算机能力和特征的主要趋势项目第一代第二代第三代第四代第五代大小（典型计算机）房间大小（主干计算机）储藏室大小（主干计算机）桌子大小（小型计算机）台式和便携式（微型计算机）信用卡大小（微型计算机）器件电真空管晶体管半导体集成电路大规模集成电路超大规模集成电路，超导电路密度（器件数/每个线路单个上百个几千个成千上万几百万个速度（执行指令数）儿百条几千条几百万条几千万条几亿条可靠性（线路的失误率）几小时几天儿星期几个月几年存储（字符容量）上千上万成千上万几兆儿亿价格（美元/每百万条指令）101.000.10.0010.00014.2.1计算机系统原理.冯•诺依文计算机结构的基本思想迄今为止，世界上各类计算机的基本结构大多数建立在冯•诺依曼（VonNeumann）计算机模型基础之上。美籍匈牙利数学家约翰•冯•诺依曼曾作为美国阿伯丁试验基地的顾问参加了ENIAC机的研制工作，得到很多启发。1947年他在自己领导的计算机研制小组进行新方案的设计过程中，汲取了科学家们长期艰苦研究成果的精华，明确提出了两个极其重要的思想：存储程序和二进制。任何复杂的运算都可以分解成〜系列简单的操作步骤，这些简单操作应是计算机能直接实现的被称为“指令”的基本操作，如加法指令、减法指令等。解算一个新题目时，先确定分解的算法，编制运算过程，选取能实现其操作的适当指令，组成所谓"程序如果把程序和处理问题所需的数据均以计算机能接受的二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里，计算机运行时从存储器取出第一条指令，实现第一个基本操作，以后自动地逐条取出指令，执行一系列的基本操作，其结果是完成了一个复杂的运算。这就是存储程序的基本思想。“二进制”的基本思想是：计算机指令和数据均以二进制编码的形式存储。精通数学的冯•诺依曼提出了计算信息可以采用二进制。二进制只有“0”和“1”两个数符，用计算机电子器件的截止和饱和两个稳态，即高电平和低电平来表示“0”和“1”，其实现非常容易。并且二进制运算规则远比十进制简单，这样使计算机结构大为简化，运算速度大大提高。.计算机系统的基本结构“存储程序”原理和“二进制”奠定了现代计算机设计的基础和计算机的基本组成与功能。因此计算机不仅是一个完成各类信息处理任务的集合体，而且是一个“系统”，是一个能执行如输入/输出处理、存储和控制这些基本系统任务的、有内在联系的电子部件的结合。因此，计算机是提供给终端用户的功能极强的信息处理工具。能认识到计算机是一个计算机系统，对于有效使用及管理计算机都是极其重要的，无论面对一台微型计算机，还是面对大型的计算机系统，以及面向经远程通信网络连接起来的跨地域的各种设备(包括计算机)，都把它们作为系统看待。图1一1就表示组成一个计算机系统的硬件设备，这些设备组成的计算机系统可以实现以下功能。(1)输入：计算机系统的输入设备，包括键盘、触摸式大屏幕、光笔、电子鼠标器、扫描仪等，它们将直接、间接或远程输入到计算机系统的数据转换成机器可读的电子格式(0/1数据代码)。(2)数据处理与控制：中央处理器(computerprocessorunit,CPU)是计算机系统的核心部件。在微型计算机系统中，单片超大规模集成电路就形成了微处理器。CPU中的算术逻辑单元(arithmeticalandlogicalunit,ALU)负责计算机的运算任务，CPU中的控制部件是计算机的指挥部。它处理计算机的程序指令和传送方向，实现各功能部件的联系，并控制执行程序。(3)输出：计算机的输出设备包括视频显示器、各类打印机，如针打、激光打印、喷墨打印、声音应答器等。它们将计算机产生的各类电子信息转换成终端用户可以观察理解的形式，如文字、图形、声音等。(4)主存储：计算机系统的存储功能由计算机的一级存储单元及二级存储单元组成。一级存储单元亦称为主存储器，主要是由半导体器件组成，存放计算机当前运行的程序和数据。二级存储单元也可以称为外存储器或辅助存储器，主要有磁带、磁盘、光碟，存放当前不用的海量信息。(5)通信接口：随着计算机网络的发展，通信接口设备已发展成计算机的一个必不可少的功能部件，由它实现计算机与通信网络的连接。总线则连接上述功能部件并在它们之间提供数据资料传送路径、地址信号传送路径。协

同操作控制信号传送路径。422计算机中数据表示方法在日常生活中，人们最熟悉的是十进制，然而，计算机都采用二进制数字系统表示计算机中的数据信息。对计算机中数据信息进行处理的电子线路，其设计的理论基础是逻辑代数(布尔代数)，它和普通代数一样，用字母表示变量，但逻辑变量的取值范围只有两个值“0”和“1”，也是用二进制表示。计算机采用二进制具有以下优越性：(1)二进制只有两个数字符号“0”和“1”，因此在现实世界中很容易找到有两种对立且稳定物理状态的物理器件来表达，如晶体管的导通和截止，磁性器件的剩磁状态。由于状态简单，器件容易设计，且性能稳定，运行可靠。试想要设计一个有10个稳定状态的物理器件是一件多么复杂的工作。(2)二进制运算法则简单,只有加法法则：0+0=0,0+1=1,1+1=10,求积法则0X0=0,0X1=1,1X1=1；甚至求积运算也可以转化为移位求和运算，从而大大简化运算电路。(3)由于逻辑变量和二进制一样只有“0”和“1”两个取值，采用二进制可使算术运算和逻辑运算共享一个运算器。计算机中各种类型的数据表示如下。.数值型数据的表示在计算机中，位(bit)是最小的数据单位，只能存放一个二进制的“0”，或“1”，舒(byte)是一组长度固定为8的二进制位的集合，一般一个字节可以存放一个字符。如图1一2所示。|-0~|或Q 一个位(bit)一个字节代表一个字符或一个符号o|l|o|o|o|o|o|l|"A”的字节表示方式“Alice”在电脑中的表示方式图1-2位(bit)与字节(byte)一个计算机字，或简称为字(word),是在计算机中作为一个整体被传送和运算的一串二进制数码，它所含有的二进制位数等于字长。目前的微型计算机绝大多数是32位字长，我们称为32位机，则可在运算器中进行32位并行运算，并在总线中进行32位并行传送。在计算机中，储存数据的长度是统一的，不足的部分则用“0”填充，例如：在微型计算机中，一个整数占2个或4个字节，一个非整数占4个或8个字节等。即数据类型确定后，将使用同样的数据长度，而与数的实际长度(二进制的位数)无关。其次，由于数有正负之分，在计算机中，总是用数的最高位表示数的符号，并约定以“0”代表正数，以“1”代表负数。最后，为了节省存储空间，在计算机中表示数值型的数据时，小数点是隐含的，但其位置是固定的，或是可变的。前者为定点数，后者为浮点数。分设某计算机使用的定点数长度为2字节，其中第一个字节的最高位表示数的符号，则该机的数值表示如下例所示。例1用定点整数表示(213)io。已知(213)io=(llOlOlOl”，故机内表示为：0000000011010101数符 数值部分 小数点位置例2用定点小数表示(一0.6876)10=(-0,10110000000001101-)2«(注：因二进制数为无限小数，故自16位后略去)1.101100000000011数符小数点位置数值部分例3用浮点数表不(10.101)2°已知(10.101)—22*0.10101,故机内表示为:0100101010000000数符阶码尾符 尾数.字符型数据的表示人们使用计算机时，通常用十进制数及常用的字母、字符完成信息的输入和输出。但由于计算机只接收和处理二进制数，因此信息必须用二进制编码。所谓编码是用一串二进制数码代表一位十位制数字或一个字符。编码工作由计算机在输入、输出时自动进行。(l)ASCII码在数据处理、通信系统和外部设备与主机进行信息交换时，用得最多的是ASCII码(Americanstandardcodeforinformationinterchange).即美国标准信息交换码，是国际通用的一种字母与符号的编码。它用7个二进制数据表示一个字符，共可以表示128种基本字符和功能符，具体内容有：大写字母A〜Z；小写字母a~Z：数字0〜9：可打印的符号，如＜、一、？、！等。实现某个动作的控制符号，如NUL、ESC、CR、LF、BEL等例如BEL,其ASCII

码为0000011,是报警符，可以产生一个能听见的响铃声。一般的计算机进行字符处理和信息交换时，在7个数据位的最左边添上一个奇偶校验位，用于检测电气干扰或设备故障引起的传送错误。例如字母R的7位码是1010010,S为1010011,若计算机采用偶校验，则它对应的8位码是：R为11010010,S为01010011,添加的原则是使偶校验系统中的全部字符都具有偶数个1,传送过程中若发现某字符的编码中1的个数为奇数，则该码有错。由于标准的7位ASCII码能表示的字符较少，不能满足信息处理的需耍。近年来,在ASCII码的基础上又研制了一种扩充的罗马字符集。它要求用8个二进制数据位表示一个字符，一共可以表示256种字符和功能符，称之为扩充的ASCII码。(2)BCD码十进制数在键盘输入、打印和显示输出时，往往以ASCII码表示，但是数在机器内是以二进制形式进行运算的。如图13所示的是一个十进制数如何转化成二进制数的表示。位置543212的次方242322212°十进位值16842110100等于0x20=00x2'=01x22=40x23=11x2』竺20图1-3十进制数(20)的二进制表示法因此，除了存在ASCII码与BCD码之间的转换，也存在着BCD码与二进制数之间的转换，其转换过程均由系统内部的专门程序完成，如图1—4所示。十进制数十进制数图1-4 二进制数与十进制数在机器内的转换(3)EBCDIC码EBCDIC码的英文全称为extendbinarycodeddecimalinterchangecode。这种二进制编码是由IBM公司于1950年开发出来的，以8个位元(bit)代表任何数字、英文字母和特殊符号。主要用于IBM及其他大型机上。.汉字的表不英文为拼音文字，汉字为非拼音文字。显然，汉字编码远比ASCII表要复杂得多。汉字处理的过程也远比英文处理的过程复杂得多。图1一5为汉字处理的流程图。图1-5汉字处理的流程图该处理流程说明，无论是中文字符(汉字)还是西文字符，在计算机内部的表示一律用二进制编码表示，称为机内码，因此，中文处理与西文处理的本质是一样的。但是由于汉字转换成机内码时要有转换标准，于是就产生了国标码，而由于汉字输入较困难，为了便于输入操作，又产生了拼音输入、五笔输入等各种形式的汉字输入码。而当汉字输出时，由于汉字是象形文字，具有极大的艺术性，又有各种汉字字形码。有关计算机汉字的各种编码归纳如下：(1)汉字交换码(国标码)1981年，我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集的基本集》(代号GB2312—80)。它是汉字交换码的国家标准，所以又称“国标码”。该标准收入了6763个常用汉字(其中一级汉字3755个，二级汉字3008个)，以及英、俄、日文字母与其他符号687个，共有7000多个符号。国标码规定，每个字符由一个2字节代码串组成。每个字节的最高位恒为“0”，其余7位用于组成各种不同的码值。两个字节的代码，共可表示128X128—16384汉字。(2)汉字机内码在计算机内，为了实现中、西文兼容，通常将汉字国标码的最高位置1来标识机内的某个码值是代表汉字。例如，汉字"大''字的国标码为3003,两个字节的最高位均为“0”。把两个最高位全改成T,变成8083,就可得“大”字的机内码。(3)汉字输入码西文输入时，ASCII输入码与机内码总是一致的，想输入什么字符，便按什么键。但汉字输入则不同。当采用某一种汉字输入法时，同一汉字的输入码也将随之变更。需要指出，无论采用哪种汉字输入法，如用拼音输入或五笔输入，当用户向计算机输入汉字时，通过键盘管理程序的转换，存入计算机中的总是它的机内码，与所采用的输入法无关。(4)汉字字形码显示/打印文字时还要用汉字字形码。因此汉字库占用的存储空间也愈大。例如一个24X24的汉字占用空间为72个字节，一个48X48的汉字将占用288个字节。综上可知，汉字处理较纯西文处理需要更多的时间与空间，原因就在于此。.所有文字的通用表示Unicode是一种试图容纳全世界所有语言文字的编码方案。国际标准化组织(ISO)和Unicode协会(WWW.)都开展过设计Unicode的工作，ISO开发了ISO10646项目，Unicode协会开发了Unicode项目，后来这两个组织合并了双方的工作成果，从Unicode2.0开始，Unieode项目采用了与ISO10646—4.1相同的字库和字码，Unicode协会现在公布的最新版本是Unicode5.0.0。Unicode给每个字符提供了一个唯一的编码，Unicode标准的出现和支持它工具的

存在，是近来全球软件技术最重要的发展趋势。将Unicode与客户服务器、多层应用程序或网站结合，比使用传统字符集节省费用。Unico加使单一软件产品或单一网站能够贯穿多个平台、语言和国家，而不需要重建。它可将数据传输到许多不同的系统，而且可以正常使用。Unicode最初的设计目标为用16比特（2字节）表现全部的文字（即采用UCS-4.2格式），在一个字符编码体系中处理多国语言。但由于2字节最大只能收录65536个字，后来进行的异体字表现方式的制定，Unieode变成了部分地使用3字节以上的体系，因此现在的Unicode是由4字节定义的（即UCS-4.4格式）。UTF（UCStransformationformat）规范是将Unicode编码方案和计算机的实际编码对应起来的一个规则。常见的UTF规范包括UTF—4.8、UTF—4.7和UTF-4.16。UTF一4.8就是以8位为单元对UCS进行编码，UTF—4.16以16位为单元月UCS进行编码。 例如从UCS—4.2到UTF-4.8的编码方式如下: UCS-4.2编码（16进制）UTF-4.8字节流（二进制）0000—4.007F0080一4.07FF08004.FFFFOxxxxxxxlOxxxxxlOxxxxxxlOxxxxlOxxxxxxlOxxxxxx例如“汉”字的Unicode编码是6c49。6C49在0800—4.FFFF之间，所以肯定要用3字节模板：lllOxxxxlOxxxxxxlOxxxxxx。将6c49写成二进制是：0110110001001001,用这个比特流依次代替模板中的x,得到：11100110lOHOOOl10001001,BPE6B189o图1-6指令执行过程.音频和视频信息在计算机中的表示多媒体计算机不仅要处理数值信息和字符型信息，还要处理声音和图像，即音频信息和视频信息。在一般声像设备中，声音和图像信息通常都表示为模拟信号。但计算机包括多媒体计算机的CPU却只能处理脉冲数字信号，即二进制数据。因此，无论音频信息和视频信息，在进入CPU以前都要先转换为二进制数据，才能交给CPU加工处理；反2：从CPU输出的声音/图像信息，也要先从二进制数据转换为音频/视频模拟信号，然后交给声像设备播放。在这些输入、输出过程中，信息的转换都是由声像设备的接口板完成的，即声频接口板(声频卡)完成声频信息的转换，视频接口板(视频卡)完成视频信息的转换。当多媒体计算机运行时，上述转换对用户是完全透明的，不需要用户干预。所以对一般用户来说，只要知道有信号转换，却不必详细了解转换的过程。目前声像设备正在向数字化方向发展，如数字荧屏、数码摄像机、数码相机等，己数字化的声像设备可以与计算机直接连接，进行声像处理。4.2.3计算机运行方式.计算机指令的执行计算机通过执行程序中的指令进行工作。计算机指令的格式由程序设计语言和计算机的类型决定，然而，指令的最基本格式包含以下两部分：①操作码制定机器执行的操作(加法、比较、读等)；②一个或几个操作数指定数据或指令在内存的存放地址，或指示将使用的I/O端口和二级存储设备的地址。一条指令的执行可以分为两个阶段：指令周期与执行周期。指令周期由从主存取指令和控制单元解释指令组成。执行周期执行经解释后的指令指定的操作。如图1-6所示。简单地说明在指令周期和执行周期的CPU中发生了哪些变化。该指令是一条简单的加法指令，作用是将某个雇员当天的工作时数加到他本周的工作总时数上去，作为计算机指令，则是将生存地址103号单元的内容加到累加器的总量上，并将结果存入主存202号单元。其执行过程如下。(1)指令周期①从主存单元取指令，并暂时存人控制单元的寄存器。在此例中，指令储存在001号单元。指令的操作码部分(ADD)移到指令寄存器，操作数部分(103)移到地址寄存器。②指令由控制单元的线路解释，这包括用专门的译码线路对指令的操作码和操作数进行译码。③控制单元在CPU内准备电子线路，以执行所需要的操作，这个操作包括激活“读”储存在存储单元(103)内数据的线路。(2)执行周期①将要处理的数据从内存单元中取到，并暂时存入算术-逻辑单元的存储寄存器内。在这个例子中存储单元103中含有数值0012(12小时)。②由指令指定的操作被执行。在这个例子中，存储寄存器的内容(0012)通过加法器，加到累加器上。在这个例子中假设这一周的工作总量(0035)已由前一条指令储存在累加器中。③将指令执行的结果存入主存储器，在这个例子中，周工作时间的总量是0047,并将此结果传送到指定的202号单元中。.计算机指令系统对一台计算机来讲，它能够执行的各种不同类型指令，如加、减、存、取等指令的总和称为该机的指令系统。指令系统所包括的指令数目随计算机而异，一般为几十条到几百条。指令系统里的指令越多，计算机功能越强，实现指令操作的线路也就越复杂。但是所有计算机的指令系统，无论其大小繁易都具备以下几类基本指令。(1)数据传送指令这类指令的功能主要完成各部件之间数据传送。例如生存与运算器之间的传送。(2)算术运算指令这类指令主要用来完成算术运算，即两数的加减乘除。(3)逻辑运算指令这类指令按逻辑代数运算规则进行逻辑运算。如逻辑加、逻辑乘、求反等。(4)程序控制指令这类指令控制程序的走向与结构。如无条件转移、条件转移、转子程序、返主程序等。(5)输人/输出指令这类指令用于启动外部设备，实现外部设备与内存或其他外部设备之间的数据传送。(6)其他指令除上述指令，还有一些关于机器操作的指令。如停机、启动、空操作等。一般来说，主干机由于功能强而全，它的指令系统最复杂，小型机和微型机的指令系统则相对比较简单一些。计算机的指令系统决定了计算机的功能。.计算机程序的执行当前一条指令执行完毕后，计算机将自动转人下一条指令，重复指令周期和执行周期，直到一个程序的指令全部执行完毕。通常指令是顺序执行的，并顺序存放在主存储器内。指令计数器将自动地顺序指向存在内存的下一条指令地址，以便指示下一次将执行什么指令。有时程序中会引人一条分支指令，它将告诉控制单元，下一次要执行的是程序的另一部分。这种指令非顺序的变化，有的是有条件的，有的是没有条件的。条件分支指令通常是测试指令或比较指令执行的结果，若是指定条件成立，那么将引起指令顺序的变化。例如在工资支付程序中，不同的指令序列主要用于计算那些因工作时间超出40小时后的超额部分，因此转而执行储存在另一个地址单元020的指令。由于案例中的雇员的工作时数为47小时，控制单元将重新设置指令计数器地址为020。然后CPU就分支或跳转到子程序，并执行超时工作量工资计算指令，而不是执行定额工作量工资计算指令。.网络计算机运算方式目前大部分独立使用的计算机都已与网络连接。网络上计算机所做的运算一般属于分散式处理，即将所有的处理工作分给连接在网络中的微型机、小型机和大型机。现今被广泛应用的是主从式运算结构，主要包括C/S结构和B/S结构两种。C/S结构在C/S(client/servercomputing)结构中，计算机的处理工作分配给客户端与服务器端共同完成。一般的用户在客户端进行操作，通过网络与服务器端连接，并从服务器端获取资料与服务，如图1-7所示。

客户端服务器端使用者界面应用程序功能资料应用程序功能网络资源客户端服务器端使用者界面应用程序功能资料应用程序功能网络资源图1-7主从运算结构客户端一般是一台微型计算机、便携式计算机，可直接运行客户需求，也可通过网络向服务器发出请求，或向服务器输人资料，或从服务器获取资料。服务器端则获取客户端的资料，分析处理并存储，或向客户端提供应用软件，数据资料等各种服务，并执行用户端看不见的后台功能一网络管理活动。根据客户端与服务器端在人一机交互界面、运算逻辑、资料管理三方面所承担的任务差异，可以划分成不同的类型。其中界面指的是展示在客户端的人-机交互界面，资料指的是存储在服务器端的数据库与数据仓库，运算逻辑则代表了根据企业营运规则所形成的处理逻辑，并为此所编写的应用软件。图4-8描述了主从式运算结构的五种类型，至于采用哪种类型则由应用的实际需要确定。例如，一个大企业的劳资管理工作，由各部门的人事管理员通过客户端输人新员工的人事资料、薪资级别等，或对服务器进行资料查询、分析。如有需要还需作显示或打印等输出。服务器端将所获取的人员变动、薪资变动的资料来更新企业人事数据库。同时，服务器将进行网络运行管理，控制服务器使用权等工作，只有经认证后的客户端用户才能查看或更新资料。按此企业的管理模式，应采用中间的方式。B/S结构B/S(browser/server)结构即浏览器/服务器结构。它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，但是主要事务逻辑在服务器端(server)实现，形成所谓三层(3-tier)结构。这样就大大简化了客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成本(TCO)。以目前的技术看，局域网建立B/S结构的网络应用，并通过Intemet/Intranet模式处理数据库应用，相对易于把握、成本也是较低的。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式(比如LAN,WAN,Internet/Intranet等)访问和操作共同的数据库；它能有效地保护数据平台和管理访问权限，服务器数据库也很安全。特别是在JAVA这样的跨平台语言出现之后,B/S架构管理软件更是方便、快捷、高效。客户机统一采用浏览器，这不仅让用户使用方便，而且使得客户机不存在安装维护的问题。当然软件开发和维护的工作不是自动消失了，而是转移到了WEB服务器端。在WEB服务器端，程序员使用脚本语言编写响应页面。客户机同WEB服务器之间的通信采用HTTP协议。HTTP协议是一种无连接的协议，通信原理如下：浏览器只有在接受到请求后才和WEB服务器进行连接,WEB服务器马上与数据库通信并取得结果,WEB服务器再把数据库返回的结果转发给浏览器，浏览器接收到返回信息后马上断开连接。由于真正的连接时间很短，这样WEB服务器可以共享系统资

源，为更多用户提供服务，达到可以支持几千、几万甚至于更多用户的能力。当前主要的浏览器是NetscapeNavigator和InternetExplorer,国内大部分客户机基于InternetExplorer,而服务器使用JSP、PHP或ASP编写。客户机可以是WINDOWS(浏览器为InternetExplorer),LINUX(浏览器为NetscapeNavigator),UNIX(浏览器为NetscapeNavigator),而服务器可以是WINDOWS服务器(WEB服务为IIS5,数据库SQLSERVER或ACCESS,脚本语言为ASP,如：当当网上书店http:〃),也可以是UNIX(WEB服务为Apache,数据库为MYSQL,脚本语言为PHP,如：21CN.COM的旅游频道)oB/S结构一般用于电子商务网站、大型公司企业网、客户机是无盘工作站的多客户机的系统。但由于当前HTML语言的局限性，其打印和界面控制还不是很理想。图1-9显示了B/S结构与as结构的比较。客户器2客户器2图1-9B/S结构与C/S结构的比较习题4.计算机的发展经历了哪儿代？.计算机是如何分类的？.开发和应用计算机的领域有哪些方面？结合企业说说计算机在企业中的应用。.简述冯•诺依曼结构的主要思想和结构特征。.计算机中有哪几种类型的数据？它们是如何表示的？.将下列十进制数分别表示为二进制和二十进制数：125.24(2)0.42.将下列二进制数转换成八进制和十六进制数：11000011(2)1010101.01011.将下列八进制、十六进制数转换成二进制和十进制数：125.17(2)C25D.3A.解释下列术语:ASCII码：汉字机内码；汉字输入码；汉字字形码。.在中、西文兼容的计算机中，计算机如何区别西文字符和汉字字符？.用图说明计算机如何完成一条指令的执行。.请说明计算机指令系统与计算机功能的关系。第二部分计算机硬件和软件硬件是计算机物理设备的总称，也叫做硬件设备。它们通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置，一般分为中央处理器、存储器和输人、输出设备。软件是所有程序的总和，一般分为系统软件和应用软件。本章将对计算机的硬件及软件作扼要的介绍。5.1硬件的概念・台微型计算机系统结构如图2-1所示。图2-1微型计算机的系统结构图计算机的主要部件由中央处理器(centralprocessingunit,CPU),主存储器(primarystorage),各种I/O设备及总线(bus)组成。CPU是计算机中进行符号、数字等操作的场所，也是控制系统中其他元器件的场所。主存储器用于暂存执行过程中的软件或参加运算的数据。而那些暂时不参加运算的数据存储在作为I/O设备的辅存储器中，总线则完成上述功能器件之间的数据传送、地址传送及控制指令的传送。因此反映计算机能力的两个主要指标，则是时间与容量，并且主要由CPU与主存储器决定。如表2-1左半边表示的是计算机时间测量单位，目前一台具有多个中央处理器的大型计算机的机器周期时间每秒能执行几十亿个指令，其中每个中央处理器都能执行数百万甚至上千万个M1PS(MIPS称每秒百万指令，并以此为大型计算机运行速度的基准)。日本东京大学和日本国立天文台联合成立的研究小组于2006年11月6日宣布，他们成功开发出“世界最快的芯片”，其单片计算能力已经达到了每秒5120亿次。我国的银河系列就是专门研究此类巨型机。表2-1电脑世界中的容量与时间时间/秒容量/字节Second1Byte1Millisecond1/1000KilobytIKMicroseccond1/1000000MegabyteIMNanosecond1/1000000000GigabyteIGPicosecond1/1000000000000TerabyteIT表2-1右半边表示的是计算机容量指标。由于编码是以位元组（byte,字节）来计算，因此一千个字节称为1KB（实际应有1024个字节）。而目前的微型计算机都可以达到GB量级的内存容量，而外存可达兆量级的容量。以下介绍系统中各种硬件的主要功能及其组成。5.2中央处理器中央处理器（centralprocessingunit,CPU）是计算机系统最主要的部件，它由两个主要部分组成：运算器和控制器。运算器运算器可以执行定点或浮点的算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址的运算和转换。如图5-2所示的是运算器的结构图。它是由算术逻辑单元（arithmeticlogicunit,ALU）,累加器（accumulator）、状态寄存器和寄存器阵列（通用寄存器）组成。图2-2带寄存器组的运算器算术逻辑单元由“andgate"和"orgate”构成，主要功能是进行二位元的算术与逻辑运算，如加、减、乘（不包括整数除法），逻辑与、或、异或和传递移位操作等；累加器是一种暂存器，用于暂存操作数或运算结果；状态寄存器也称标志寄存器，存放算术逻辑单元运算后产生的状态信息，如算术运算中的溢出：寄存器阵列包括通用寄存器、地址寄存器、变址寄存器和堆栈指示器等，用于暂存操作数、数据地址以及存储位址等。计算机通过内部总线把算术逻辑单元、累加器及各种寄存器连接起来，以实现各单元之间的信息传送。内部总线又可以分为数据总线和逻辑总线，其中数据总线决定了计算机的字长，即计算机在同一时间中处理二进制数的位数。因此，一台计算机以32位为一整体进行传送与运算则称为32位机。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。控制器如图5-3所示是控制器的结构图。控制器是计算机的神经中枢，它按照主频的节拍产生各种控制信息，以指挥整个计算机工作。计算机的主频速度一般与机器型号（或CPU型号）相关，如MMX-200,芯片的主频为200MHz,主频越高，则工作节拍越快，运行速度也越高。

去运算器，内存，I/O设备 去内存地址寄存器等的控制信号 取下一条指令到的指令(经总线)图5-3控制器的结构图控制器从内存中按顺序取出各条指令并执行之。其步骤如下：(1)将从内存中取到的指令经总线送到CPU的指令寄存器内暂存。(2)将指令传送到指令译码器，分析指令。(3)将分析结果传递给微操作控制电路，由它向各功能部件发出操纵控制命令。(4)当各部件执行完毕，“反馈信息”，使程序计数器地址“+1”或2),指向下一条指令地址。如此周而复始，直至执行完一个程序。5.2.3CPU的发展计算机的能力部分依赖于CPU与总线的一些技术指标。如常见的微处理器晶片，其一个机器指令周期能并行处理的计算机字长可以是8位元字长，16位元字长或32位元字长，最多达64位元字长。在其他指标相同的情况下，机器字长度越长，计算机运行速度越快。表5-2所示为目前微型处理器的种类。表2-2微型处理器种类名称机器字长(bit)总线宽度(bit)晶片振荡频率(MHz)制造厂商计算机机种Pentium326475-200IntelPCPentium(MMX)3264166〜233IntelPC,工作站高级计算Pentium113264233-450Intel机，工作站高级计算PentiumIII3264450〜500Intel机，工作站高级计算PentiumIV32641.5~2.8GHzIntel机，工作站PowerPC32/6464100-400Motorola/IBM/Apple高级计算机，工作站Compaq与Alpha 64 64 7600 Comp叫/DEC DEC工作站影响计算机运行速度的第二个因素是决定机器时序周期长短的晶片振荡频率(又称时序速度)，以每秒百万个周期为单位即MHz,则时序速度越高机器运行速度越快。早期Intel8088的机器频率为4.47MHz,IntelPentium达到400MHz-500MHz,而现在的IntelPentiumN的时序速度则达到1.5GHz-2.8GHzo影响计算机运行速度的第三个因素是数据总线的宽度。数据总线是CPU与主存储器及其他器件之间的数据高速公路，决定并行传送多少位数据。如IBM8088个人计算机，字长为16位CPU可以并行处理16位元的资料，而由于数据总线的宽度仅8位，则CPU与主存储器及其他设备之间一次仅传送8位资料，计算机运行速度下降。只能称为准16位机。目前的Alpha机、处理器芯片为64位元。数据总线宽度亦为64位元，机器字长为64位，称为64位机。由于数据总线宽度大，计算机运行速度高。显然，要使计算机有更强的运算能力，可以考虑增加机器字长度，数据总线的宽度及提高机器周期速度(晶片机器频率)。当前许多计算机，从微型计算机到大型主干机，为了扩展功能都使用了多处理机技术,取代了由单个控制单元和ALU组成的单个处理机。多处理机系统内可以有多个执行功能的CPU,它们的特点如下。(1)辅助处理器这种设计是采用辅助微处理器帮助主处理器执行多种功能。辅助微处理器可以用于输人/输出、存储管理、算术计算和通信，以使主处理器做主要的程序处理工作。例如支持浮点算术运算的协处理器、视频显示控制器、磁盘控制器等。一台大型的计算机可能用一台微型计算机作为通道管理机，控制CPU与I/O设备之间的数据传输，先进的微处理器设计技术把这些辅助处理器的功能集成在单个的微处理器片上。(2)对偶处理器这种设计采用多CPU或多微处理器进行多道并行处理，即在同一时刻执行几条指令。有些结构还提供容错能力，当其中一个CPU出现故障时，多CPU提供了内部的备份。(3)并行处理设计这种设计可以使用几个指令处理器，或者成千上百个指令处理器，以网络形式组织在一起。例如，含有上千处理器的大量并行处理则是基于大脑的神经网络原理。这种系统一次可以并行处理许多指令。许多专家正在研究并行处理系统，使它能在第五代计算机中提供人类智力的能力。计算机循序处理和并行处理示意如图24所示。循序处理并行处理循序处理并行处理图2-4循序处理与并行处理图2-4(a)所示为循序处理，则将一个工作分配给一个CPU,一次执行一个任务；而图24(b)的平行处理中，则将一个工作分割成多个任务，分配给多个处理器。由于处理器平行工作加快完成了所分配任务，将各处理器平行工作的结果综合在一起，则成为该工作的总结果。其速度远远超出了循序处理。RISC处理器微处理器在设计上可以采用精简指令集(reducedinstructionsetcomputing,RISC)的方法加快运算速度。,-般微处理器的指令集称为复杂指令集(complexinstructionsetcomputing,CISC)。因为在这些微处理芯片上往往有几百条指令硬体线路，因此必须花比较长的机器周期才能执行一条指令。而通常80写的工作仅用到指令集的20%,将不常用的指令剔除，就形成了精简指令集，简化了芯片上的硬件线路，因而提高了CPU的效率。许多高性能的高速工作站和部分计算机采用了优化指令集计算机(RISC)。这是相对于复杂指令集计算机(CISC)而言•RISC使用了一个经过优化、简化了的小指令集，从而提高了计算机的运行速度，并减少程序指令执行时所需的时间，即RISC处理器仅使用少量基本的机器指令，就使处理器具有执行的能力。因此RISC处理器在工程与物理科学的计算方面很受欢迎，并逐步走向通用。MMX多媒体处理器在20世纪80年代，一些计算机公司制成了将文本、图像(包括图形、静态图像、视频动态图像、动画等)、声音(包括语言、音乐、声音效果等)多种媒体集为一体进行处理的计算机。这种计算机要求CPU有更高的处理速度和更强的处理能力，从而促进了计算机供应商研制适应多媒体处理的高性能微处理器，如市场上推出的IntelMMX芯片就属于该系列。MMX(multimediaextension)微处理器其本质是以一个Pentium芯片，加上额外的可以改善软件图形、声音效果的指令集，使得多媒体的多声道音讯、高品质影像或动画等，可以在同一软件中执行。超微处理器AMD-K6(AdvancedMicroDevice)既与Pentium相容，也提供MMX指令集，而IntelPentium班以上的芯片对语言识别、影视、网络等处理工作有独到的指令设计、具有与大型主机及超级计算机相似的处理能力。(6)双核处理器和多核处理器基于单个半导体的一个处理器上拥有两个或多个功能一样的处理器核心。由于处理器的功耗和散热问题已成为提升处理器主频的瓶颈，双核(或多核)处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法，因为每增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数也将相应增加。Pentium-D是英特尔公司的双核心处理器系列之一，于2005年春季的Intel开发者论坛中首度亮相。它把两颗Pentium4Prescott核心放在同一-块芯片上，从而提高了处理速度。5.3存储系统计算机存储系统及发展数据储存是计算机信息系统必须具备的一大主要功能。计算机信息系统基本上是依乖一级存储器和二级存储器设备来实现存储功能的。表5-3反映随计算机的换代，及一级存储器和二级存储器设备的发展变化。表5-3计算机存储设备的变化项目第一代第二代第三代第四代第五代一级存储磁鼓磁芯7*44*-W-磁心LSI半导体存储器VLSI半导体存储器发展趋势利用更小的微电子线路向高速大容量能力发展二级存储磁带磁带磁带磁带光盘磁鼓磁盘磁盘光盘磁带发展趋势利用磁和光介质，向海量存储能力发展随着超大规模集成技术的发展，在一个小小的芯片上，可以组装几百万个线路元素，大大提高了计算机一级存储的容量。而随着光介质的使用，二级存储的容量也大大扩展。存储系统有多种存储介质和设备，它们的运行速度、容量及用途比较如表5-4所示。从表中可以看出，为了降低一级存储的成本，采用高速缓存技术方案，利于提高计算机的运行速度，而在二级存储中将更多地采用磁盘和光盘存储。5.3.2主存储器主存储器的功能主要是存放当前运行的程序及执行程序所需的资料。这些程序和资料在运行前由辅助存储器调入主存储器，在处理过程中或处理完毕后，再存回辅助存储器或打印输出。计算机的主存储器主要是由半导体存储器组成。半导体存储器的种类繁多，按其性能和用途可以分成两大类：只读存储器(readonlymemory,ROM)和随机存取存储器(randomaccessmemory.RAM)o随机存取存储器(RAM),是指任意时刻可以从任意存储单元读出信息，或将信息写人任意存储单元，而读写信息所需的时间与存储单元的位置无关的存储器。这种存储器又名读写存储器gadandwritememory,RWM),常用它存放计算机运行过程中所需的程序和数据。当运行结束，程序和数据将保存在二级存储器内。机器断电后信息自动消失。由于半导体存储器价格贵，容量不能做得太大，而旦随着半导体器件速度加快，价格提升更快，与提高计算机主机运行速度产生了矛盾，为此在主存中采用了少量速度更高的半导体存储器，称之为高速缓冲存储器(cache),存放最常用的数据与程序，达到以较低的成本增加，换得运行速度的提高。只读存储器(ROM)是指只能从中读出信息，不能写人信息的存储器,ROM晶片上的软件编码是厂商制造时烧上去的。常用它存放计算机的启动程序、自检程序及磁盘引导程序等。ROM晶片也可以分为两种：一种是PROM(programmablereadonlymemory)产品，该晶片只能一次写人程序，用于固定计算或控制模式，是一种软件硬化技术。另一种是EPROM(eraseableprogrammablereadonlymemory)产品，该晶片可以多次写入程序。使用于可变控制，如数控机床加工零件发生变化，机器人运动模式发生变化，都需要修改程序，此时只需擦除EPROM的原有程序进行改写即可。5.3.3辅助存储器计算机系统将立即要处理的数据和程序存放在生存储器内，即一级存储器；而将其他数据资料和程序存放在磁带、磁盘、光碟等辅助存储器内，即二级存储器。二级存储器是位于CPU与主存储器之外，不需要电力维持的、可长期储存海量资料的记忆部件。这种存储器依赖机械运动，将指定位置上的数据传送给主存储器或CPU，因而速度低于主存储器。外存储器具有的最大的优点是单位存储容量的价格便宜。(1)磁带磁带属于顺序存取介质，因此只可以顺序存取而不可随机存取。即在磁带上查找某笔账务时，必须从头找起，因此不能在数秒内就获取所需资料。这种存储设备不适用于实时系统，但对于允许时间延迟的非实时系统，由于磁带的容量大、成本低、性能稳定、可重复使用，获得用户的青睐。目前已不再采用早先的盘式磁带，而采用可以保存更多资料的大容量(可达35GB)磁带匣。对于一些大型的主干机，可以有装上数百个磁带匣的自动化系统，利用精密的机器人技术安装磁带匣，也可在几十秒内，在磁带匣组中选取合适的磁带匣，从中读取所需的数据记录。这一类存储器件，速度虽慢了一些，但由于价格便宜，适用于银行(储存账务记录)、广播业(可置换影带)、医疗业(储存X光及医疗影像)和教育业(教育资料)。(2)磁盘磁盘属于随机存取介质，因此可以直接存取，存取速度相当快。同时，磁盘也具备容量大、价格低的优点，深受用户喜爱。磁盘有两种，一种是软磁盘，是一片表面磁化的多元醋软片。另一种是硬磁盘，目前一般由11片双面浮着铁氧化物的薄钢盘组成的磁盘组。通过磁读写头，将资料从由同半径长度磁道组成的磁柱面上读出/写人。由于大型计算机需要具备海量存储能力，因此可以具有多台磁盘机，并通过阵列磁盘(redundantarrayofinexpensivedisks.RAID)技术加强磁盘的效率。RAID技术的特点是改变了传统磁盘机单•路径发送资料的特点，而且采用多路径并行发送，以此提高磁盘的存取速度。小型RAID系统有10-v20GB的存储能力，而大型的RAID则有terabyte以上。而且PAID的可靠性大大增加，因为一个磁盘机损坏时，其他磁盘机依然正常工作。(3)光盘光盘是相对比较新的存储介质。目前微型计算机上使用的光盘称为只读CD片即CD-ROM(compactdisk-readonlymemory),它采用类似于立体声系统所用的4.75英寸密质盘片，储存大约超过660M字节的信息。然后由CD-ROM驱动器用激光阅读器读出二进制代码。另一种光盘技术产生写一次读多次的(writeoncereadmany,WORM)光盘。这种技术允许微型计算机上的光盘驱动器在光盘上写一次用户程序，然后，可以多次读出。这两种技术的主要缺点是记录在盘上的信息不能擦除。由于光盘储存海量信息，主要用于影像处理。例如档案馆、博物馆需要维护的海量历史文档，又如国家图书馆用光扫描仪捕捉数字化的彩色图形文档影像，配以声音解说，存人计算机系统，以备读者随时存取。这些都采用了WORM技术。当然CD-ROM由于成本价格比较低，广泛用于计算机终端用户，许多系统软件及各种软件包及教育训练项目也都采用了CD-ROM片。目前，可擦除光盘系统(erasableopticaldisk)已产生，这种技术采用激光记录与擦除数据信息。但由于复写光盘速度慢，且可擦除光盘系统设备很昂贵，无法跟可读/写的磁盘设备相比，因此在相当一段时间内无法替代磁盘系统。近年，随着CD-ROM功能的增强，读取速度的提高，则发展成多用途数位光盘或称为数位影音光盘(digitalvideodisk,DVD),它的尺寸与CD-ROM一样，但储存能力更强。它能储存至少4.7GB的资料，因此DVD可以存储高音质及高画质的电影，也可以存储如文件、图形、声音、影像等多媒体资料，由于DVD的多方面优势,DVD正逐渐成为主流存储器而取代CD-ROM,(4)闪存闪存(flashmemory)是非易失性存储器(non-volatilememory,NVM)中的一种。之所以有这个名称，是因为信息在一瞬间被存储下来之后，即使除去电源，存储器中的信息依旧保留，与只要一掉电信息就丢失的易失性存储器(如DRAM,SRAM)形成鲜明的对照。另外,闪存是电可擦除的，即在系统中可重新编程的。较之其他的存储器，闪存有独特的优点。首先，闪存在擦除和重编程时并不需要额外的电压。通常，可编程只读存储器(EPROM)要把存储器置于更高的电压下才能编程。其次，闪存比EPROM价格低，存储密度高。闪存特别适用于电脑、外设、电信设备、移动电话、网际设备、仪器和自动化设备等。最后，闪存也十分适用于面向消费者的语言、影像和数字存储设备，如数码相机、数码录音器以及个人数字助理等智能家电产品。随着存储技术的不断发展，闪存逐渐向外形越来越小、存储容量越来越大的方向发展。由于它具有即插即用、便于携带等优点，已经逐渐取代以往的磁盘等存储设备，成为现在主流的便携式存储器。BD(blue-raydisc)BD是由Sony,Samsung,Sharp,Thomson,Hitachi,Matsushita,PioneerandPhilips,Mistubishi和LGElectronics共同开发的一种新型存储设备。它采用一种波长为405纳米的紫外线镭射技术进行传输的硬盘式DVD存储装置。与传统的利用红外来实现存储的DVD相比，BD不仅具有更高的传输速度(36Mbps),而目.具有更大的存储容量(单面存储容量可达到27GB,而•般的DVD只能达到4.7GB),也就是说一个BD可以容纳12小时的标准视频，或者是2小时的高清视频。2006年SonyElectronics已经开始在美国市场投放50GB的双面可单次写入BD.并随后推出了可看复读写的50GB双面BD.这种存储设备的问世可以说是存储设备发展的又一个里程碑，也将成为未来存储设备的一个趋势。5.4输入/输出设备外围设备是所有输入/输出设备和二级存储设备的通称。它们通过各种I/O接口与计算机系统的中央处理机连接并通信，因此外围设备皆属联机设备。本节讨论外围设备及其介质。计算机键盘与显示终端从技术上定义，任何通过通信连接到计算机的设备都可以称之为终端。最普通最大量的用户与计算机的交互方式是采用键盘输人数据，用视频向用户显示输出，并可在输人到计算机前进行编辑。目前终端发展趋势将脱离没有处理能力的哑终端，向智能终端发展。这些智能终端自身就拥有处理器和存储线路。许多智能终端实际匕就是微型计算机，往往作为大型计算机的通信终端，可以独立进行数据输人和信息处理任务。另一个趋向是在银行、工厂、销售业工作场所广泛使用的事务处理终端，例如：银行的自动取款机(automatedtellermachines,ATM),工厂的事务记录及销售业的POS终端(point-of-sale)。这些终端用各种方法捕捉用户数据，并经过通信网络传送到主计算机系统，以处理这些数据。点触式设备点触式(pointing)设备是另一种发布命令、进行决策选择和响应视频提示的较好的设备，这种设备通过移动光标可以让你方便进行菜单或象标选择，目前有电子鼠标器(computermouse),轨迹球(trackball)，触碰板(touchpads)和电子游戏机中常用的操纵杆。还有一种触摸感应屏幕，允许人通过触摸屏幕来使用计算机。当人们触摸屏幕时，将中断电子格栅的信号，计算机感应这个信号，并采取相关的活动。例如你可能触摸你想选取的菜单项，并运行相关的程序。计算机笔终端用户可以使用类似于笔一样的设备直接在视频屏幕或其他类型的表面上写字、画画。例如光笔就是一种笔状设备。用户可以直接写在视频板上，通过光敏感线路，计算机能计算出