《大学信息技术（第三版）》计算机系统

大学信息技术（第三版）2信息技术基础1.1信息技术概述1.2计算机系统1.3计算思维1.4新一代信息技术1.5信息安全与信息素养31.2计算机系统1.2.1通用计算机系统1.2.2嵌入式系统1.2.3智能手机系统1.2.4信息在计算机中的表示与存储1.2.5软件和软件系统1.2.6习题1.2.1通用计算机系统基本组成计算机由

控制器、

运算器、

存储器、

输入设备、

输出设备

五大部分组成45二进制编码计算机内部采用的是二进制编码，任何指令和数据在计算机内部都是以二进制代码（0和1的各种组合）的形式出现的数制1.2.1通用计算机系统6数制365D：3*102+6*101+5*100=300+60+51.2.1通用计算机系统7数制转换365D：3*102+6*101+5*100=300+60+51.2.1通用计算机系统8数制转换可以用Windows中的“计算器”完成数制转换1.2.1通用计算机系统9程序和数据的存储1.2.1通用计算机系统

存储器在计算机中存放程序和数据。存放当前正在运行的程序和数据。实现主存与I/O设备之间的信息传送。在多处理机系统中，存放共享数据。计算机的性能和它能储存的信息的多少密切相关。10指令系统用来指挥硬件动作的命令称为“指令”，它由操作码和操作数两部分组成操作码指示要进行什么操作（例如加、减、乘、除、移位等）操作数指示操作对象（例如加数、被加数、乘数、被乘数等）的内容或所在地址，操作数在大多数情况下是地址码一台计算机的所有指令的集合称为该计算机的指令系统1.2.1通用计算机系统11指令的执行1.2.1通用计算机系统12存储器及其管理存储器器件的变革1.2.1通用计算机系统图1-2-8磁芯存储器图1-2-9半导体存储器芯片图1-2-10RAM芯片（DDR4内存条）13存储器及其管理现代信息存储技术直接连接存储技术

包括硬盘、磁带和光盘的直接连接存储是现代信息存储技术最常用的存储形式移动存储技术

闪存卡、U盘、移动硬盘

网络存储技术

与网络密切相关的两种存储技术是NAS和SAN1.2.1通用计算机系统14存储器的层次结构1.2.1通用计算机系统寄存器CACHE主存储器硬盘磁带光盘容量小容量大速度快速度慢价格高(每位)价格低15总线、外设和接口计算机内部的总线总线（bus）是计算机中各个组成部件之间相互交换数据的公共通道，是计算机系统结构的重要组成部分总线的性能影响到计算机的性能包括：专门传输数据的“数据总线”，专门传输地址信息的“地址总线”和专门传输控制信息的“控制总线”

1.2.1通用计算机系统16总线、外设和接口外部设备硬盘、光盘和光盘驱动器显示器、显示卡、键盘和鼠标打印机和扫描仪其他设备和接口（声卡、网卡等）

1.2.1通用计算机系统17总线、外设和接口个人计算机的扩展总线PCI总线系统PCMCIA总线系统PCMCIA总线是用于笔记本电脑等便携设备上的规范接口，可以连接各种符合PCMCIA标准的卡。

1.2.1通用计算机系统18总线、外设和接口从RS232C到USBUSB可以以树状结构连接几乎目前所有种类的外部设备，如U盘、移动硬盘、DVD、显示器、数字音响、扫描仪、数字照相机、Modem、打印机、键盘、鼠标、游戏杆等。目前应用的USB2.0的数据传输速率达到480Mbps，USB3.0的数据传输速率可达5.0Gbps。另一个用于高速传输数据的串行接口标准是IEEE1394，其数据传输速率现在一般可达400Mbps，最高可达3.2Gbps。

1.2.1通用计算机系统19嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统应用在国防军事、尖端武器制造、航天航空、工农业生产自动化、机器人、交通运输、通信、互联网、物联网、虚拟现实、人工智能、自动驾驶、基因技术、智能家居、智慧制造、智慧城市、仪器仪表、家用电器等，几乎涵盖了高新技术的所有方面。

1.2.2嵌入式系统20基本组成

嵌入式系统硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口、I/O接口和人机交互接口。

1.2.2嵌入式系统21微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器对应于通用计算机的中央处理器（CPU，Central-ProcessingUnit）。两者最大的不同在于嵌入式微处理器的工作是为对应系统设计的，它将由通用计算机CPU许多板卡完成的任务集成在芯片内部，还集成了大量的I/O电路，从而满足嵌入式系统体积小、功耗低的要求。

1.2.2嵌入式系统22存储器

存储器是构成嵌入式系统硬件的重要组成部分。全部存储系统分为四级，即寄存器组、高速缓存、内存和外存。它们在存取速度上依次递减，而在存储容量上逐级递增。

1.2.2嵌入式系统23通用设备接口和I/O接口目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。

1.2.2嵌入式系统24人机接口设备为了使嵌入式系统具有友好的人机接口以方便使用，需要给嵌入式系统配置显示装置，如LED显示、LCD显示器以及必要的音响提示等。要进行人机交互，还需要有输入装置，如键盘、触摸屏等，使得用户能够对嵌入式控制器发出命令或输入必要的控制参数。

1.2.2嵌入式系统25基本组成智能手机的硬件层主要由三大部分组成，分别是通信子系统、电源管理子系统和应用子系统。

1.2.3智能手机系统26通信子系统通信子系统包括射频模块、模拟基带和数字基带。射频模块负责射频收发、频率合成、功率放大，起到一个发射机和接收机的作用。模拟基带和数字基带完成语音信号和数字语音信号调制解调、信道编码解码和无线Modem控制。电源管理子系统电源管理子系统在智能手机系统中承担对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。同时，还可以对电池充电进行管理和控制。

1.2.3智能手机系统27应用子系统应用子系统包括处理器、微存储器（SDRAM接口、SDROM接口）、LCD（液晶显示器）控制器、摄像机控制器、键盘（GPIO）、SD卡接口等。微处理器是智能手机的核心部件，智能手机中的微处理器类似通用计算机中的中央处理器，它是整台智能手机的控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心。微处理器通过运行存储器内的软件及调用存储器内的数据库，达到对手机整体监控的目的。1.2.3智能手机系统1.2.4信息在计算机中的表示与存储十进制数转换为二进制数实际上比较复杂，要考虑正负号、小数点、很大的数、很小的数等，编程时把数字变量定义成整型数、单精度浮点数、双精度浮点数等，就体现了这种复杂性28原码、反码和补码

原码、反码和补码是对带有正、负号的符号数的编码，其实质是对负数的不同编码1.2.4信息在计算机中的表示与存储29原码整数X的原码是：其符号位0表示正，1表示负；其数值部分就是X绝对值的二进制表示。例如：[+1]原=00000001 [-1]原=10000001[+127]原=01111111 [-127]原=11111111原码的优点是简单、易于理解，与其真值的转换方便；缺点是进行运算时符号位需要单独处理，增加了运算规则的复杂性，而且0的表示不唯一（[+0]原=00000000，[-0]原=10000000），增加了运算器的设计难度。1.2.4信息在计算机中的表示与存储301.2.4信息在计算机中的表示与存储反码整数X的反码是：对于正数，反码与原码相同；对于负数，符号位为1，其数值位X的绝对值按位取反。例如：[+1]反=00000001 [-1]反=11111110[+127]反=01111111 [-127]反=10000000在反码中，0也有两种表示形式，即[+0]反=00000000，[-0]反=11111111。反码运算也不方便，很少使用，一般用作求补码的中间码。31补码整数X的补码是：对于正数，补码与原码、反码相同；对于负数，符号位为1，其数值位X的绝对值按位取反后最低位加1，即为反码加1。例如：[+1]补=00000001 [-1]补=11111111[+127]补=01111111 [-127]补=10000001在补码中，[-0]补=11111111+1=100000000，但超出8位字长的舍弃，[-0]补=00000000，这样，在补码中0有唯一的编码：[+0]补=[-0]补=00000000。而多出来的一个编码100000000用来扩展补码表示的数值范围利用补码可以方便地实现正、负数的加法运算。1.2.4信息在计算机中的表示与存储32因为在计算机的逻辑运算单元中，只有加法运算器，所以利用补码方式，将符号位一起参加运算，可以将减法转换成加法来计算，而乘法和除法可以通过移位来完成1.2.4信息在计算机中的表示与存储33西文字符采用ASCII码作为编码标准ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）：美国标准信息交换码每个ASCII字符用一个字节的低7位编码，最高位为01.2.4信息在计算机中的表示与存储3435ASCII码表0：011000030HA：100000141Ha：110000161H空格：010000020H回车：00011010DH删除：11111117FH共编码128个字符（27=128），其中94个可显示字符，34个控制字符汉字双字节编码采用中国国家标准码（GB2312-80）作为编码标准《信息交换用汉字编码字符集基本集》（GB2312-80）用两个字节表示一个汉字，两个字节的后七位的编码基于GB2312-80，两个字节的最高位都置11.2.4信息在计算机中的表示与存储3637国标第46区０１２３４５６７８９０巍微危韦违桅围唯惟１为潍维苇萎委伟伪尾纬２未蔚味畏胃喂魏位渭谓３尉慰卫瘟温蚊文闻纹吻４稳紊问嗡翁瓮挝蜗涡窝５我斡卧握沃巫呜钨乌污６诬屋无芜梧吾吴毋武五７捂午舞伍侮坞戊雾晤物８勿务悟误昔熙析西硒矽９晰嘻吸锡牺区位码机内码（二进制）机内码（十六进制）我46501100111011010010CED2包括6763个常用汉字和682个其他字符。汉字又分成二级，第一级为常用汉字3755个，以汉语拼音为序；第二级为较常用汉字3008个，以偏旁部首为序。图像与图形

数字化图像数据有两种存储方式：位图存储(Bitmap)和矢量存储(Vector)。这两种图像的产生、描述和存储方式都不同。图像图像可以被分割成很多个点（像素）每个像素由三元色（红绿蓝，RGB）的不同深浅的组合构成，各用一个字节（8位）编码，共用三个字节表示位图图像适用于表达细节丰富的画面，例如人像照、风景照等。1.2.4信息在计算机中的表示与存储381.2.4信息在计算机中的表示与存储39图像与图形图像对于一幅a×b像素，每像素c位二进制的图像，在没有压缩时，理论上说，其所占存储空间size可以通过以下公式计算得到：size（B）=a×b×c÷8

例如：一幅1024×768大小的真彩色图像，其所占空间为：size=1024×768×24÷8÷1024÷1024=2.25MB1.2.4信息在计算机中的表示与存储40图像与图形图形矢量图形是指由计算机用数学方程来绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等图形。矢量图形用一组指令集合来描述内容，如描述构成该图的各种图元位置、形状等。描述对象可任意缩放不会失真。矢量图形适用于描述轮廓不很复杂，色彩不是很丰富的对象，如：几何图形、工程图纸、CAD、3D造型等。矢量图形不存储图形的每一点，而只存储图形内容的轮廓部分，文件大小取决于图形中所包含对象的数量和复杂程度，与输出图形的大小几乎没有关系。1.2.4信息在计算机中的表示与存储音频波形音频

在空气中传播的声音，经麦克风转换成模拟音频信号，是一种连续波形，通过计算机声卡设备，可以通过采样、量化和编码，成为数字化的音频信号，这就是常说的数字音频。1.2.4信息在计算机中的表示与存储42音频波形音频

1.2.4信息在计算机中的表示与存储43音频合成声音

1.2.4信息在计算机中的表示与存储44音频数字合成音乐数字合成音乐的产生取决于音乐合成器（MusicalSynthesizer），这是一种用来产生并修改正弦波形并叠加，然后通过声音产生器和扬声器发出特定的声音的设备。通过音乐合成器产生数字合成音乐的途径有两种：数字FM合成法和采样回放合成法。1.2.4信息在计算机中的表示与存储45视频与动画

视频与动画都是与时间相关的数字媒体。它们是利用了人眼的视觉暂留特征：每当一幅图像从眼前消失的时候，留在视网膜上的图像并不会立即消失，还会延迟约1/16--1/12秒。在这段时间内，如果下一幅图像又出现了，眼睛里就会产生上一画面与下一画面之间的过渡效果从而形成连续的画面。电影、电视和动画都是利用这一原理制作的。1.2.4信息在计算机中的表示与存储46视频与动画视频数字视频是以数字形式记录的视频。它可以通过数字摄像机拍摄获取，也可以通过模拟视频信号经模拟/数字（A/D）转换采集获得。数字视频容量较大，存储前需采用不同的压缩算法压缩，会产生不同的格式文件后存储，播放时则需要用不同的算法解码播放。模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统一。模拟视频一般采用分量数字化方式，先把复合视频信号中的亮度和色度分离，得到YUV或YIQ分量，然后用三个模/数转换器对三个分量分别进行数字化，最后再转换成RGB空间。1.2.4信息在计算机中的表示与存储47视频与动画动画视频与数字视频通过摄像机拍摄，或通过采集模拟视频转换成数字视频的方式不同，动画特别是矢量动画可以使用计算机软件制作得到。根据画面的视觉效果，计算机动画可以分为二维动画和三维动画，还可以通过计算机软件将动画制作成能与操作者交互。三维交互式动画与头盔显示器及手持交互设备相结合，则可以制作虚拟现实交互式动画。1.2.4信息在计算机中的表示与存储48491.2.5软件和软件系统1.软件概述2.操作系统3.开源软件和非开源软件4.付费软件和免费软件5.客户端软件和服务器端软件6.在线软件501.软件概述计算机软件是各种程序和开发、使用与维护这些程序所需要的文档的集合。从功能角度分为：系统软件操作系统（OS，OperatingSystem）语言解释、编译程序，调试、查错程序工具软件应用软件512.操作系统操作系统：用以控制和管理系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合522.

操作系统操作系统的基本功能资源管理处理器管理：对处理器运行进行管理、调度