《计算机基础与应用技术》 课件 第1、2章 计算机基础知识、计算机组成原理

第一章计算机基础知识1.1计算机的发展历程计算机的特点和分类1.2数制和二进制数的运算1.31.4计算机内部数据的表示本章内容导读冯·诺依曼结构奠定了现代计算机结构的基础，计算机的发展拓展了人类的计算能力，承担着人工无法完成的各种庞大而复杂的计算问题。计算机的发展速度影响着社会的发展速度。通过学习本章，读者应掌握以下内容：了解计算机的发展史和我国计算机的发展现状；理解计算机的特点，掌握计算机的分类；掌握数制的概念，以及数制之间的转换；掌握二进制数的算术运算和逻辑运算的规则；掌握信息存储的基本单位；掌握在计算机内部数据的编码表示。1.1.1计算机的起源用于计算的机器：在17世纪，法国数学家和物理学家布莱斯•帕斯卡（BlaisePascal）发明了用于加减运算的计算机器Pascsline；在17世纪后期，德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨（GottfriedLeibnitz）发明了既能计算加减运算又能计算乘除运算的布莱尼茨之轮（Leibnitz’sWheel）；1823年，查尔斯·巴贝奇（CharlesBabbage）发明了一种差分引擎，能进行数学运算，可以解多项式方程；1834年，巴贝奇发明了分析机的原理；1855年，斯德歌尔摩的舒茨公司制造了一台计算器。1.1计算机的发展历程1、机械计算机器2、电子计算机的诞生电子计算机的诞生，有数据存储，但没有程序存储。1939年，美国约翰·文森特·阿塔那索夫（JohnVincentAtanasoff）研制成功了一台电子数字计算机ABC，实现解线性方程的系数；一台真正意义上的电子计算机1946年，宾夕法尼亚大学的约翰·莫齐利（JohnMauchly）设计和研制了世界上第一台通用的、完全电子的计算机，被称为ENIAC。ENIAC能进行每秒5000次加法运算、每秒400次乘法运算，能进行平方和立方运算，还能计算正弦和余弦等三角函数的值，以及其他一些更复杂的运算。3、现代计算机的诞生现代计算机诞生，“存储程序”工作原理。1944年，冯·诺依曼以《关于EDVAC的报告草案》为题，发表了“存储程序通用电子计算机方案”，宣告了现代计算机结构思想的诞生。存储程序原理的思想：为解决问题首先编写程序，程序和数据存入到计算机的存储器中；一旦程序被启动执行，计算机能在不需要操作人员干预下、自动完成逐条取出指令并执行任务，直至程序执行结束。EDVAC（ElectronicDiscretevariableAutomaticComputer）也是为美国陆军弹道研究实验室研制，于1949年8月交付，直到1951年EDVAC才开始运行。1946年，英国剑桥大学的莫里斯·威尔克斯教授和他的团队受EDVAC报告的启发，以EDVAC为蓝本，设计和制造EDSAC计算机，于1949年5月6日正式运行。EDSAC世界上第一台“存储程序”式的现代计算机。1.1.2计算机的发展代别年代主要元器件使用的软件类型主要应用领域第一代20世纪50年代CPU：电子管内存：磁鼓机器语言、汇编语言科学计算第二代20世纪60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯FORTRAN、COBOL高级语言数据处理、自动控制等领域第三代20世纪60年代中期~20世纪70年代初期CPU：中、小规模集成电路内存：半导体存储器操作系统广泛应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域第四代20世纪70年代中期至今CPU：大、超大规模集成电路内存：半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算软件等计算机应用渗透到人类社会生活的各个领域、个人普遍使用计算机1.1.3未来计算机的发展趋势巨型化：超级计算机是未来计算机发展的重要方向；超级计算机TOP500排行榜是全世界最权威的超级计算机排行榜微型化：微型计算机已渗透到仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中；智能手机其实就是一台计算机智能化：计算机系统逐步具备类似于人类的感知能力、记忆和思维能力、学习能力、自适应能力和行为决策能力，具备理解自然语言、声音、图像和文字的能力；网络化：利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以实现计算机之间共享资源、相互通信、传输数据的目的。物联网、云计算是计算机网络化发展的典型体现。1.1.4我国计算机的发展我国从20世纪50年代开始研制计算机系统，计算机的发展经历电子管计算机、晶体管计算机和集成电路计算机时代。2009年9月，中国国防科学技术大学研制，“天河一号”超级计算机。2010年11月，获超级计算机TOP500排行榜全球第一。2013年，中国国防科学技术大学研制，“天河二号”超级计算机。2013年到2015年11月16日，获全球超级计算机TOP500排行榜六连冠2016年11月，国家并行计算机工程技术研究中心研制，“神威·太湖之光”超级计算机；获2016年11月超级计算机TOP500排行榜全球第一科研团队项目获“戈登·贝尔”奖，我国高性能计算机的里程碑2021年9月，龙芯中科技术股份有限公司发布龙芯3A5000处理器，该产品是首款采用自主指令系统LoongArch的处理器芯片。1.2.1计算机的特点运算速度快：主要元器件是电子元件，以极快的速度进行计算；并行计算，提高计算速度和处理能力。运算精度高计算机的字长、数据的编码表示和运算部件的宽度等多种因素。存储容量大磁盘组合成磁盘阵列；网络的云存储，可以提供海量数据的存储能力。1.2计算机的特点和分类1.2.1计算机的特点具有逻辑判断能力算术运算、逻辑运算；逻辑处理能力是推理、分析、决策、智能化的重要因素。具有自动控制能力存储程序是冯·诺依曼结构计算机的基本工作原理。计算机启动工作后，可以在无人参与的条件下，自动完成预定的全部处理任务。通用性强各种类型的信息，计算机可以采集、存储、加工处理和传输它们；复杂的问题求解，只要能用算法的方式分解为基本的算术运算和逻辑运算，就可以编制程序用计算机来完成。。1.2.2计算机的分类模拟信号：用连续变化的物理量所表达的信息。例如，温度、湿度、压力、长度、电流、电压等等；数字信号：在取值上是离散的、不连续的信号，例如，用二进制的“0”和“1”表示的信号属于数字信号，电报机、传真机发出的信号属于数字信号。计算机分为数字计算机、模拟计算机1、按照处理信息形式的分类2、按照计算机用途的分类通用计算机：通用计算机功能齐全，适应性强，应用广泛，可适用于各个领域。专用计算机：

专用计算机是针对某一领域或应用专门设计制造的计算机产品，功能单一，结构简单，经济便宜。

例如，超市收银使用的客户机终端、企业中用于自动控制的工控机等，属于专用计算机。3、按照计算机性能的分类超级计算机：称为巨型机，是计算机中价格最贵、功能最强、运算速度最快的计算机。服务器：高性能计算机，通过网络为客户端计算机提供计算、数据存储等各种服务。打印服务器、Web服务器、邮件服务器、文件服务器、数据库服务器等。工作站：高端的通用微型计算机。它是为单用户使用，图形处理能力、任务并行处理能力更强。个人计算机：PC机，适用于个人使用的多用途计算机。

工作站和个人计算机都属于微型计算机。嵌入式计算机：专用计算机系统，运行特定的应用程序以执行预定的功能，嵌入在家用电器、车辆、自动化生产线、监视系统等机器或设备中。4、按照计算机工作原理的分类电子计算机：目前使用的计算机，遵从冯·诺依曼结构的存储程序工作原理。光子计算机：一种用光信号进行运算、信息存储和处理的新型计算机。量子计算机：一种基于量子理论的计算机，通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算、处理和存储信息。生物计算机：生物工程技术产生蛋白质分子，并以此作为生物芯片来替代半导体硅片，利用有机化合物存储数据。光子计算机、量子计算机、生物计算机都处于研发试验阶段，是未来计算机发展的方向。计算机内部采用二进制编码表示的原因：二进制编码中仅有两种基本状态，能找到具有两种稳定状态的物理介质来存储它们，技术上可行且易行。二进制的运算规则简单，可采用开关电路实现，使得计算机工作的速度快、可靠性高。二进制编码中的两个符号“1”和“0”，与逻辑代数的“真”和“假”相对应，可以很方便地以逻辑代数为工具进行电路设计，使计算机具有逻辑性，也可通过逻辑门电路实现算术运算。1.3数制和二进制数的运算1.3.1数制的概念每一种数制包含三个基本要素：数码、基数和位权。在计算机内部，所有信息都采用二进制编码表示，二进制数书写冗长，难以记忆。

在计算机外部，为了书写和阅读的方便，习惯用八进制、十进制或十六进制的表示形式。二进制八进制十进制十六进制数码0、10、1、2、3、4、5、6、70、1、2、3、4、5、6、7、8、90、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F基数281016位权(101)2=1*22+0*21+1*20(101)8=1*82+0*81+1*80(101)10=1*102+0*101+1*100(101)16=1*162+0*161+1*160字母后缀B后缀O后缀D后缀H、前缀0x1.3.1数制的概念

二进制八进制十进制十六进制000011111022211333100444101555110666111777100010881001119910101210A10111311B11001412C11011513D11101614E11111715F1.3.2数制之间的转换任何一个R进制数转换为十进制数时，只需“按权展开”即可，(100011.011)2=1×25+1×21+1×20+1×2-2+1×2-3=(35.375)10

(123.4)8=1×82+2×81+3×80+4×8-1=(83.5)10(12A.4)16=1×162+2×161+10×160+4×16-1=(298.25)101、R进制数转换为十进制数2、十进制数转换为R进制数（1）整数部分的转换整数部分的转换方法：“除基数取余，上低下高”。例1.将十进制数35转换为二进制数。解：(35)10=(100011)2。（2）小数部分的转换小数部分的转换方法：“乘基数取整，上高下低”。例2. 将十进制数0.375转换为二进制数。解：(0.375)10=(0.011)2。2、十进制数转换为R进制数（1） 八进制数转换为二进制数将八进制数的每一位数码改写成等值的3位二进制数即可，且保持高低位的次序不变。例3.将八进制数(3251.224)8转换为二进制数。解：(3251.224)8=(011010101001.010010100)2

即(11010101001.0100101)23、二进制、八进制和十六进制之间的转换八进制数码01234567二进制数000001010011100101110111（2） 十六进制数转换为二进制数将十六进制数的每一位数码改写成等值的4位二进制数即可，且保持高低位的次序不变。例4.将十六进制数(6A9.4A)16

转换为二进制数。解：(6A9.4A)16=(011010101001.01001010)2

即(011010101001.0100101)23、二进制、八进制和十六进制之间的转换十六进制数码01234567二进制数00000001001000110100010101100111十六进制数码89ABCDEF二进制数10001001101010111100110111101111（3） 二进制数转换为八进制数以小数点为界，整数部分从小数点向左每3位一组，不足3位时在高位补0凑满3位；小数部分从小数点向右每3位一组，不足3位时在低位补0凑满3位；每3位二进制数用等值的八进制数码替代；保持高低位的次序不变。例5.将二进制数(11010101001.0100101)2转换为八进制数。解：(11010101001.0100101)2

=(011010101001.010010100)2

=(3251.224)83、二进制、八进制和十六进制之间的转换（4） 二进制数转换为十六进制数以小数点为界，整数部分从小数点向左每4位一组，不足4位时在高位补0凑满4位；小数部分从小数点向右每4位一组，不足4位时在低位补0凑满4位；每4位二进制数用等值的十六进制数码替代；保持高低位的次序不变。例6.将二进制数(11010101001.0100101)2

转换为十六进制数。解：(11010101001.0100101)2

=(011010101001.01001010)2

=(6A9.4A)163、二进制、八进制和十六进制之间的转换1.3.3二进制数的基本运算规则进位和借位的规则是“逢2进1、借1当2”两个多位二进制数的加减运算必须要考虑进位、借位问题：1、二进制数的算术运算基本的逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非运算。逻辑与运算：符号“AND”或“∧”表示；逻辑或运算：符号“OR”或“∨”表示；逻辑非运算：称为取反运算，用符号“NOT”或“～”表示。逻辑与：逻辑或：逻辑非：

～1=0，～0=12、二进制数的逻辑运算按位逻辑运算：按位逻辑与（∧）按位逻辑或（∨）按位逻辑非（～）运算3、二进制数的按位逻辑运算1.3.4信息存储的基本单位比特（bit）：计算机和其他所有数字系统处理、存储和传输信息的最小单位；比特也称为位，用小写字母b表示。例如，每个西文字符需要用8比特存储，每个汉字至少需要16比特存储。1、比特字节：8个二进制位，简写为B，1B=8b。字节作为计算机系统中处理、存储和传输信息的基本单位。常用单位有：1KB（千字节）=210B=1024B1MB（兆字节）=220B=1024KB1GB（吉字节）=230B=1024MB1TB（太字节）=240B=1024GB1PB（拍字节）=250B=1024TB1EB（艾字节）=260B=1024PB1ZB（泽它字节）=270B=1024EB1YB（尧它字节）=280B=1024ZB2、字节字：由指令集体系结构定义的信息单位。不同的计算机，字的长度不完全相同。例如，Intel的IA-32（IntelArchitecture32-bit，英特尔32位体系架构）属于X86体系结构的32位版本。从1985年面世的80386直到Pentium4，都是使用IA-32体系结构的处理器。IA-32架构中定义1个字为16位，32位就是双字(doubleword)。3、字整数又分为两大类：无符号整数和带符号整数。无符号整数：正整数，带符号整数：正整数，或负整数。1.4计算机内部数据的表示1.4.1数值数据的表示1、整数（1）无符号整数：编码中的所有二进制位都用来表示数值。1、整数无符号整数8位二进制16位二进制32位二进制000000000000000000000000000000000000000000000000000000000100000001000000000000000100000000000000000000000000000001200000010000000000000001000000000000000000000000000000010┇┇┇┇127011111110000000001111111000000000000000000000000011111111281000000000000000100000000000000000000000000000001000000012910000001000000001000000100000000000000000000000010000001┇┇┇┇25511111111000000001111111100000000000000000000000011111111256无法表示000000010000000000000000000000000000000100000000┇┇┇6553511111111111111110000000000000000111111111111111165536无法表示00000000000000010000000000000000┇┇429496729511111111111111111111111111111111（2）带符号整数：带符号整数是需要表示正负的整数，它必须使用一个二进位来表示符号。编码格式：现代计算机使用补码来表示带符号整数：1、整数带符号整数8位补码带符号整数16位补码000000000000000000000000001000000011000000000000000120000001020000000000000010┇┇

┇1260111111065534011111111111111012701111111655350111111111111111-12810000000-655361000000000000000-12710000001-655351000000010000001┇┇┇┇-211111110-21111111111111110-111111111-11111111111111111（2）带符号整数：对于n位的补码，能表示的数据范围为-2n-1～2n-1-1

补码整数0：0000……0最大正整数2n-1-1：0111……1最小负整数-2n-1：1000……0整数-1：1111……11、整数（2）带符号整数：例7.求整数126的8位补码表示。解：126是正数，故其补码的符号位为0。数值位用8-1=7位表示，126=(1111110)2。所以，整数126用8位补码表示为01111110B。即[126]补=01111110B。例8：求整数-126的8位补码表示。解：-126是负数，故其补码的符号位为1。数值位用8-1=7位表示，126=(1111110)2，1111110B的按位取反是0000001B，0000001B的末位加1是0000010B。所以，-126用8位补码表示为10000010B，即[-126]补=10000010B。1、整数（2）带符号整数：真值是指一个数的实际值；真值可以用二进制、十进制或十六进制表示，例如，126、111110B都表示的是一个真值机器数是指一个数在计算机中的编码表示。

机器数习惯用二进制或十六进制表示，用[x]补表示真值x的补码。例9.求整数111011B和-111011B的8位补码表示。解：111011B是正数，补码的符号位为0；数值位有8-1=7位，111011B不足7位，高位补0，所以数值位为0011011B。即[111011B]补=00111011B。

-111011B是负数，补码的符号位为1；数值位有8-1=7位，111011B不足7位，高位补0，0011011B的按位取反是1100100B，1100100B的末位加1是1100101B。即[-111011B]补=11100101B。1、整数数学上，实数与数轴上的点一一对应，整数是实数的特例。浮点数：在计算机中的表示的实数；2、浮点数实数可以用科学计数法表示：34.926=102×0.34926-0.0006148=-10-3×0.6148基数：10-1101.1101B=-24×0.11011101B0.0000011101B=2-5×0.11101B基数：2浮点数：在计算机中的表示的实数；现代计算机都采用IEEE754标准表示浮点数。两种基本浮点格式：32位单精度格式和64位双精度格式，2、浮点数IEEE754标准中，将实数按值的大小分为5类：零、非规格化数、规格化数、无穷大数和无定义数2、浮点数值的类型编码值符号s阶码e尾数f零00001-0非规格化数00f≠02-126×(0.f)1-2-126×(0.f)规格化数00<e<255f2e-127×(1.f)1-2e-127×(1.f)无穷大数02550∞1-∞无定义数0或1255≠0NaN例10．已知32位单精度浮点格式的编码为0x7F800000，其表示的值是多少？解：①将0x7F800000展开为二进制形式：01111111100000000000000000000000B。②根据图1-5（a），将二进制形式按照32位单精度浮点格式划分出符号s、阶码e和尾数f的编码：01111111100000000000000000000000B，该数据编码的符号s=0、阶码e=11111111B=255、尾数f=0。③根据表1-6的单精度浮点数编码解释，该数据为正无穷大数，即其值为∞。2、浮点数例11．已知32位单精度浮点格式的编码为0x41050000，其表示的值是多少？解：①将0x41050000展开为二进制形式：01000001000001010000000000000000B。②根据图1-5（a），将二进制形式按照32位单精度浮点格式划分出符号s、阶码e和尾数f的编码：01000001000001010000000000000000B，该数据编码的符号s=0、阶码e=10000010B=130、尾数f=00001010000000000000000B。③根据表1-6的单精度浮点数编码解释，该数据为正规格化数，其值为2e-127×(1.f)=2130-127×(1.00001010000000000000000B)=23×(1.0000101B)=1000.0101B，用十进制表示为8.3125。2、浮点数例12．将二进制数1001.101B转换为IEEE754的32位单精度浮点格式的规格化数编码。解：①根据表1-6，将1001.101B转换为规格化数值的形式：1001.101B=23×(1.001101)=2e-127×(1.f)。②根据①中式子推出：s=0，e=3+127=130=10000010B，f=0011010000000000000B（不足23位，低位补0）。③根据图1-5（a），将s、e、f拼成IEEE754的32位单精度浮点格式编码：0100000100011010000000000000B，用十六进制表示为0x411A0000。2、浮点数1.4.2西文字符的编码西文字符集由拉丁字母、数字、标点符号和一些特殊符号组成；广泛使用的西文字符集是ASCII字符集，其编码称为ASCII码，即美国标准信息交换码。ASCII字符集有128个字符，包括95个可打印字符和33个控制字符。可打印字符是一些常用的字母、数字、标点符号等，例如A、a、3、*等。每个字符用7个二进制位进行编码，称为ASCII码。1.4.2西文字符的编码b6b5b4b3b2b2b00000010100111001011101110000NULDELSP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB′7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*：JZjz1011VTESC+；K[k{1100FFFS,<

L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>

N^n~1111SIUS/?O_oDEL1.4.2西文字符的编码每个字符都由7个二进制位b6b5b4b3b2b1b0表示，其中b6b5b4是高位部分，b3b2b1b0是低位部分。7个二进制位b6b5b4b3b2b1b0共有128个编码，可用来表示128个字符。

数字0的ASCII码为0110000B,即30H。

字母a的ASCII码为1100001B，即61H。1.4.3汉字字符集与汉字编码1、输入码汉字系统必须有三类汉字代码：输入码、内码和字形码。汉字输入方法自然输入：手写输入、语音输入键盘编码输入汉字输入码：音码、形码和音形码（形音码）等汉字的内码：GB2312国标码、GBK汉字编码、UCS/Unicode编码、GB18030国标码等；（1）GB2312国标码和机内码区位码：GB2312国标字符集汉字与符号组成一个94×94的矩阵。

一个汉字所在的区号和位号组合在一起就构成了该汉字的区位码汉字的国标码：GB2312国标字符集的区位码→GB2312国标码

每一个汉字的区号和位号各用一个字节的二进制位表示，把区号和位号各加32（即十六进制的20H）后就是汉字的国标码。汉字的机内码：GB2312国标码→汉字的机内码

将国标码中每一字节的最高位置1，相应的编码就是2个字节的GB2312机内码。换算关系：国标码=区位码+2020H机内码=国标码+8080H2、汉字内码例10.以“大”字为例，它在GB2312国标字符集中的区号是20，位号是83，求“大”字的国标码和机内码。解：（1）20和83转换为十六进制数分别为14H和53H，所以“大”字的区位码用十六进制表示为1453H；（2）1453H+2020H3473H

所以，“大”字的国标码用十六进制表示为3473H；（3）3473H+8080HB4F3H所以，“大”字的机内码用十六进制表示为B4F3H；2、汉字内码（2）GBK汉字编码在1995年，发布了《汉字内码扩充规范》，代号为GBK。它一共包含21003个汉字和883个图形符号，除了包含GB2312中的全部汉字和符号之外，还收录了繁体字。GBK汉字编码与GB2312国标码向下兼容，即所有与GB2312相同的字符，其编码也相同。GBK汉字编码中每个汉字由2个字节构成，第一个字节的最高位必须是1，第二个字节的最高位可以是0，也可以是1。2、汉字内码（3）UCS/Unicode编码UCS标准：国际化组织（ISO）统一编码的国际标准Unicode：Unicode协会统一编码的编码标准，计算机科学领域的业界标准。到unicode2.0时，Unicode的编码和UCS的编码基本一致。2、汉字内码（4）GB18030汉字编码2000年，我国颁布了《信息技术中文编码字符集》，代号为GB18030；对GB2312和GBK保持向下兼容，并支持Unicode的所有码位；目前汉字的国家标准编码主要有GB2312、GBK、GB18030三种。2、汉字内码汉字字形码：记录汉字的外形轮廓，是汉字的输出编码。汉字的字形的两种描述方式：点阵字模描述和轮廓描述。字库：字符集中所有汉字和字符的形状描述数据集合。输出汉字时，先到字库中去找到它的字形码，再把字形码转换为字形输出。3、字形码（1）点阵字模描述把汉字的形状放在一个16×16、24×24、32×32等的矩阵中，汉字或字符中有黑点的地方用1表示，空白处用0表示，则汉字或字符的字形可以用0和1组成的方阵来表示。占用16×16b=256b=32B（2）轮廓描述

把汉字的笔画轮廓用一组直线和曲线来勾画，记下每一条直线或曲线的数学公式中的参数，这种用来描述汉字或字符形状的数据称为汉字的轮廓码。

用轮廓描述字形的方法精度高，字形可以任意放大或缩小，同时还节省空间。3、字形码1.4.4Unicode字符集与UTF编码1、Unicode简介Unicode是国际标准字符集，它为世界各种语言的每个字符定义一个唯一的编码，编码范围是0x0000-0x10FFFF，可以容纳一百多万个字符。UUTF-8、UTF-16、UTF-32是Unicode的三种存储方式，它们分别用不同的二进制格式来存储Unicode字符。“UTF”是“UnicodeTransformationFormat”的缩写，意思是Unicode转换格式，后面的数字表明至少使用多少个比特位来存储字符。

例如，UTF-8表示最少需要8个比特位，即至少用一个字节来存储。UTF-16和UTF-32分别表示最少2个字节和4个字节来存储。UTF-8和UTF-16被广泛使用。UTF-8是一种变长字符编码，将Unicode字符编码为1至4个字节，具体取决于Unicode字符集的编码范围：2、UTF-8编码Unicode编码范围UTF-8编码字节数UTF-8编码格式（二进制）0x0000-0x007F单字节0xxxxxxx0x0080-0x07FF2字节110xxxxx10xxxxxx0x0800-0xFFFF3字节1110xxxx10xxxxxx10xxxxxx0x10000-0x10FFFF4字节11110xxx10xxxxxx10xxxxxx10xxxxxx例14．字母“a”的Unicode编码为0x0061，其UTF-8编码是多少？解：根据表1-8，0x0061在0x0000-0x007F范围内，故“a”的UTF-8编码采用单字节数，UTF-8编码格式为0xxxxxxx，其中xxxxxxx填充Unicode编码，故字母“a”的UTF-8编码为0x61。2、UTF-8编码例15．汉字“大”的Unicode编码为0x5927，其UTF-8编码是多少？解：根据表1-8，0x5927在0x0800-0xFFFF范围内，汉字“大”的UTF-8编码采用3字节数，编码格式为1110xxxx10xxxxxx10xxxxxx，其中xxxxxxx填充为Unicode编码。“大”的UTF-8编码转换过程如图1-8所示，其UTF-8编码的十六进制表示为0xE5A4A7。2、UTF-8编码UTF-16也是一种变长字符编码，它将字符编码成2字节或者4字节。具体的编码规则如下:（1）对于Unicode编码小于0x10000的字符，使用2个字节存储，并且是直接存储Unicode码，不用进行编码转换。（2）对于Unicode编码在0x10000和0x10FFFF之间的字符，使用4个字节存储，这4个字节分成前后两部分，每个部分各两个字节。其中，前面两个字节的前6位二进制固定为110110，后面两个字节的前6位二进制固定为110111，前后部分各剩余10位二进制填充该字符的Unicode编码减去0x10000的结果。3、UTF-16编码例16．字母“a”的Unicode编码为0x0061，其UTF-16编码是多少？解：0x0061小于0x10000，使用2个字节存储，并且是直接存储Unicode码。故字母“a”的UTF-16编码为0x0061。例17．汉字“大”的Unicode编码为0x5927，其UTF-16编码是多少？解：0x5927小于0x10000，使用2个字节存储，并且是直接存储Unicode码。故汉字“大”的UTF-16编码为0x5927。3、UTF-16编码UTF-32是固定长度的编码，每个字符占用4个字节，足以容纳所有的Unicode字符，所以直接存储Unicode编码即可，不需要任何编码转换。4、UTF-32编码ThankYou!第二章计算机组成原理2.1计算机硬件的基本组成中央处理器2.2存储器系统2.32.4CPU、主存与外设的互连2.5常用的输入/输出设备本章内容导读计算机硬件是指计算机的物理装置的总称，看到的各种芯片、板卡、外设、电缆等都是计算机硬件。通过学习本章，读者应掌握以下内容：掌握计算机硬件的工作原理、基本组成；了解指令的格式、指令系统的基本功能；掌握CPU的基本功能、组成和性能指标。掌握计算机中层次结构的存储器系统。掌握CPU、主存储器与外设之间的互连。掌握计算机常规的硬件设备和设备接口。2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图计算机系统：计算机硬件+计算机软件计算机硬件：构成计算机的物理装置的总称，看到的各种芯片、板卡、外设、电缆等都是计算机硬件。计算机软件：计算机系统中的程序、数据以及开发、使用、维护程序所需的各种文档的集合。计算机硬件和计算机软件相辅相成，缺一不可。计算机硬件是计算机系统的物理基础，为软件的运行提供平台和环境。计算机硬件必须配备完善的软件，才能正常工作，充分发挥硬件的各种功能。

2.1计算机硬件的基本组成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。存储器不仅能存放数据、也能存放指令，形式上指令与数据没有区别，但计算机应能区分它们。计算机内部以二进制形式表示指令和数据。采用“存储程序”的工作原理。早期的冯·诺依曼计算机的结构框图：2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图运算器：计算机中对数据进行加工处理的部件。完成数据的算术运算和逻辑运算。控制器：控制计算机各部件协调地工作。存储器：用于存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。输入设备：向计算机输入数据和程序。输出设备：用于把计算机中存储、处理或传送来的信息以人们熟悉的形式表示出来。2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成中央处理器（CPU）：运行系统软件和应用软件任务的处理器，是计算机最核心的部件。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成存储器：种类繁多主存储器用来存放CPU正在执行的程序和程序处理的数据。硬盘能长久存储程序和数据。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成总线：提供计算机部件之间规范化交换数据的方式，包括一组共享的信息传输线和控制逻辑。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成输入输出设备：外围设备或外部设备（简称外设）是计算机系统与人或其他机器之间进行信息交换的装置。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成I/O控制器：I/O总线和外设之间传递信息，并做成标准化的部件。2.2.1指令和指令系统机器指令是指示计算机执行某种操作、完成某种功能的命令。机器指令：操作码和地址操作码：指明指令所要完成的操作，例如加法、减法、传送、移位等。地址码：指出该指令的操作数地址、结果的地址或者下一条指令的地址等。2.2中央处理器1、指令1、指令机器指令：二进制代码组成例如：“00000001111100000111000000000000”是某计算机的一条加法指令。0和1，太难理解了！！！汇编指令：为便于阅读和理解，用助记符来表示机器指令中的操作码和地址码。例如，“ADDA，B，C”是上述机器指令的符号化表示；“ADD”是操作码，表示需要执行加法运算；“A”、“B”和“C”是三个地址码，“A”表示加法结果的存放位置，“B”和“C”表示两个加数存放的位置。指令的功能可描述为（B）+（C）→A机器指令与汇编指令一一对应，都属于机器级指令，习惯上使用汇编指令来描述机器指令。2、指令系统指令系统：一台计算机能执行的所有机器指令的集合。不同的计算机都有各自的指令系统，指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言。指令系统提供了软件和硬件之间的界面，一方面计算机硬件的功能通过指令系统展现出来，另一方面，软件通过指令系统中的指令去使用硬件功能。3、指令系统的设计风格复杂指令系统：指令系统复杂，指令数多、指令格式多、寻址方式多（寻找操作数的方法）、指令执行所需时钟周期数也不一样CISC：复杂指令集计算机精简指令系统：指令功能简单、能在一个时钟周期内执行完成。RISC：精简指令集计算机简化指令使计算机结构简单合理，从而提高机器的性能。4、主流的指令系统X86：Intel公司通用计算机系列的标准编号缩写，CISC架构，台式机、笔记本和服务器的主流市场ARM：低功耗的微处理器，RISC架构，移动设备市场RISC-V：开源指令集架构，RISC架构，满足各种应用，如服务器CPU、家用电器CPU、工控CPU、传感器中的CPU等“存储程序”的工作原理要求程序和数据存放在计算机的存储器中，执行程序时，CPU从内存中逐条取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直至程序执行结束。程序在计算机中的执行过程：2.2.2CPU的基本功能与基本组成1.寄存器：用于存放临时数据、状态信号等。寄存器分为：通用寄存器、状态寄存器、指令寄存器和程序计数器等。2.2.2CPU的基本功能与基本组成通用寄存器：临时存放参与运算的数据或运算得到的结果。指令寄存器：存放CPU正在执行的指令。程序计数器：存放CPU将要执行的下一条指令的地址。2.算术逻辑单元：是CPU的执行单元，也是CPU的核心组成部分，用来对二进制数据进行加、减法基本算术运算或者与、或、非基本逻辑运算的部件。ALU的基本逻辑结构是加法器。2.2.2CPU的基本功能与基本组成加法指令“ADDA，B，C”的功能：

（B）+（C）->A通用寄存器B：3通用寄存器C：4将3、4送至ALU的输入端，控制ALU执行加法运算，即3+4ALU的输出结果为“7”，把结果“7”送入寄存器A。3.控制器：CPU中的每一个操作步骤都有先后顺序，CPU是一个时序部件。控制信号生成部件对指令寄存器中指令操作码的分析，按序生成每条指令的控制信号。2.2.2CPU的基本功能与基本组成对指令“ADDA，B，C”操作码的分析，有序地发出C0、C1、“+”和C2控制信号：首先同时发出C0、C1控制信号，将B和C通用寄存器中的内容送至ALU输入端；接着发出“+”控制信号，控制ALU执行加法运算，并输出结果；最后发出C2控制型号，将结果送至通用寄存器A。计算机系统的性能评价主要考虑的是CPU性能，系统性能与CPU性能是有区别的。系统性能：系统响应时间，是计算机完成某一任务所需的总时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O操作、操作系统开销和CPU执行时间等。CPU性能：CPU运行用户程序代码的时间。用户程序执行的时间与CPU相关的因素很多，列举如下的重要概念和指标。2.2.3CPU的性能指标（1）机器字长：CPU一次能处理整型数据的位数，通常是CPU中通用寄存器和ALU的宽度，即一次二进制整数运算的宽度。例如，“某计算机的字长为32位”表示了该计算机中CPU内部用于整数运算的ALU和通用寄存器的宽度为32位，即一次整数加法运算可实现两个32位二进制数的相加，结果保存为32位。（2）主频与时钟周期。主频是CPU内核工作的时钟频率，单位是Hz，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。时钟周期是主频的倒数，表示数字脉冲信号震荡一次的时间间隔，是CPU中操作的最基本时间单位。例如，某数字脉冲信号震荡的情况，若1秒钟内震荡8次，则该脉冲信号的频率f=8Hz，数字脉冲信号震荡一次的时间间隔为1/8秒=0.125s，时钟周期T=0.125s。2.2.3CPU的性能指标（3）CPU总线速度。CPU总线的工作频率和数据线宽度决定CPU与内存之间传输数据的速度，总线速度越快，CPU的性能发挥的越充分。（4）处理器的微架构。简单地说CPU微架构就是指CPU内部结构。通过对CPU内部各运算部件的合理安排和构造，可提高指令执行效率。例如，流水线技术使得多条指令的执行在时间上重叠起来，实现指令级执行的并行，提高CPU执行指令的效率。（5）处理器芯片的集成度。摩尔定律：集成在芯片中的晶体管数量大约每18-24个月可以翻一番，其性能随着增加一倍。集成度的大幅提高也导致功耗的快速增长，导致处理器散热问题。（6）内核数量。在单个芯片上设计多个简单的处理器核，以多核并行计算来提升性能。2.2.3CPU的性能指标2.3.1存储器的分类和特性目前使用的存储介质主要有：半导体器件、磁性材料和光介质。半导体存储器：用半导体器件构成的存储器，例如，主存储器、固态硬盘、U盘。磁表面存储器：在金属或塑料基体的表面涂一层磁性材料作为记录介质的存储器，例如，磁盘存储器、磁带存储器。光盘存储器：使用激光在记录介质（磁光材料）上进行读/写的存储器。2.3存储器系统1、存储器的存储介质2、存储器的存取方式存储器的存取方式：随机存取方式、顺序存取方式和直接存取方式。随机存取方式的特点是存储器中任何一个单元的内容可以随机存取，且存取时间是一个常数，与存取单元的物理位置无关。

例如，主存储器。顺序存取方式的特点是对存储单元读/写操作时，需按其物理位置的线性顺序访问，存取时间取决于信息存放的位置。

例如，磁带存储器。直接存取方式兼有随机访问和顺序访问的特点，首先直接选取信息所在区域，然后按顺序存取。

例如，磁盘存储器。3、断电后信息的可保存性按断电后信息是否会丢失的特性，存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器：断电后信息即消失的存储器，例如，RAM芯片构成的存储器。非易失性存储器：断电后仍能保存信息的存储器，例如，优盘、磁盘和光盘。4、在计算机中的作用多种存储器构成了存储器的层次结构：寄存器：在CPU内部，保存着最常用的数据。主存储器：保存着当前CPU正在运行的程序和处理的数据。高速缓冲存储器：用来存放当前CPU经常访问的指令和数据，高速缓冲存储器的存取速度较快，接近于CPU的工作速度。辅助存储器和后备存储器：主存储器的后援存储器，用来长期存放程序和数据。5、CPU的可访问性按CPU的可访问性，计算机中的存储器可分为内存和外存。内存与CPU高速相连，保存CPU正在执行的程序和处理的数据，容量相对较小，速度较快，高速缓冲存储器和主存储器都属于内存。外存与CPU不直接相连，外存的内容需要先调入到主存储器，才能被CPU访问。外存容量大，成本便宜，可以大量、长久存放各种程序和数据，磁盘、光盘、U盘均属于外存。主存储器：半导体集成电路芯片组成，包括RAM（RandomAccessMemory）和ROM（Read-OnlyMemory）两部分。RAM：半导体读写存储器的简称，用户程序和数据都放在RAM中，断电时信息会丢失。ROM：半导体只读存储器的简称，主要用于存放一些固定的系统程序等，断电后信息不会丢失。例如，PC机的ROM区用闪存芯片构成，存放系统的基本输入输出系统（BIOS），闪存芯片插在PC机的主板上。2.3.2主存储器内存条

内存条插槽将多个DRAM芯片扩展后做在一个内存条上；内存条插在主板上的内存条插槽中。主存储器的容量是所有存储单元能存储的信息总位数：主存储器容量=地址数×每个存储单元的位数例如，6位地址能够编码的地址数为26=64个，每个存储单元存放8位二进制，所以该存储器容量为：26×8b=64字节。在PC机中，每个主存储器单元存放一个字节信息，存储容量单位用MB（220字节）、GB（230字节）或TB（240字节）表示。2.3.2主存储器常用的外存储器：硬盘、磁盘阵列、磁带、光盘、U盘和存储卡。硬盘、磁带、磁盘阵列、光盘提供了大容量的信息存储，光盘、U盘和存储卡均属于便携式存储设备。2.3.3常用的外存储器1、硬盘硬盘主要有3类：机械式硬盘、固态硬盘和混合硬盘。混合硬盘采用双硬盘的方式：一块小容量的固态硬盘+一块大容量的机械式硬盘机械式硬盘又称为硬磁盘，组成：磁盘片：用来保存信息硬磁盘驱动器：用于对磁盘片的访问操作磁盘控制器：提供主机和硬磁盘驱动器之间的接口（1）机械式硬盘1、硬盘磁道：磁表面由外向内分成许多的同心圆，每个同心圆为一个磁道扇区：每条磁道被等分成的几百个弧段，每个弧段称为一个扇区磁头：硬磁盘通常由多个盘片组成，每个盘片包含两个面，每个盘面都对应地有一个读/写磁头。定位硬磁盘上数据地址的三个参数：磁头号（盘面号）、磁道号和扇区号。（1）机械式硬盘1、硬盘硬磁盘上定位数据的三个参数：磁头号（盘面号）、磁道号和扇区号。硬磁盘格式化操作：在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程。硬磁盘容量=2×盘片数×每盘磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数（1）机械式硬盘1、硬盘硬磁盘的数据访问：寻道：移动臂控制所有磁头同步径向移动到指定的磁道号；

根据磁头号选择盘面；旋转等待：电机带动盘片高速旋转，扇区号指定的扇区旋转到被选中的磁头下方；数据读写：磁头读写该扇区中的数据；（1）机械式硬盘1、硬盘固态硬盘：一种主要由控制单元和基于固态存储单元组成的硬盘。固态硬盘的存储介质：闪烁存储器（FlashMemory，简称闪存）闪存：半导体集成电路存储器。（2）固态硬盘SSD：闪存芯片和闪存转换层。闪存芯片：相当于磁盘片，存放数据。闪存转换层：相当于磁盘控制器，负责控制如何访问这些闪存芯片，以及与外部总线的交互。1、硬盘FTL主要的功能：FTL位于操作系统与闪存之间，为操作系统提供了虚拟的磁盘，使得操作系统就像访问磁盘一样访问SSD。磨损平衡（WearLeveling）处理：实现对存储单元的均衡使用，提高固态硬盘的使用寿命。（2）固态硬盘与磁盘相比，固态硬盘特点：随机访问时间比旋转的磁盘要快；低噪音、低能耗、防震抗摔、启动速度快、尺寸小、重量轻和工作温度范围大；使用寿命有限、价格贵；出现数据损坏，想恢复数据是困难的。2、光盘存储器光盘存储器：光盘盘片和光盘驱动器组成光盘盘片：压制凹坑，以凹凸不平的坑代表“0”或“1”来记录数据光盘驱动器：实现对光盘数据的读写，读写头是用半导体激光器和光路系统组成的激光头。光盘

光驱

激光头读信息2、光盘存储器光盘分类按激光类型：使用红光的CD盘、DVD盘；使用蓝光的BD盘按读写的次数：只读型（ROM）、一次写入型（R）和可擦写型（RW）

激光类型读写次数CDDVDBDROMCD-ROMDVD-ROMBD-ROMRCD-RDVD-R、DVD+RBD-RRWCD-RWDVD-RW、DVD+RWBD-RW多种类型的光盘2、光盘存储器光盘驱动器分类按位置：内置驱动器和外接驱动器。按读写能力：只读光驱和光盘刻录机；按可处理的光盘片类型：CD类、DVD类、BD类和组合式的。光盘驱动器的接口：内置用SATA接口。外接驱动器使用USB接口多种类型的光盘驱动器

光盘片类型读写能力CDDVDBD只读光驱CD只读光驱

DVD只读光驱蓝光只读光驱光盘刻录机CD刻录机DVD刻录机蓝光刻录机3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（1）移动硬盘硬盘为存储介质，可以随时拔插、小巧而便于携带的存储器。移动硬盘接口：有线接口：采用USB、Type-C等接口无线接口：使用WIFI连接方式

3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（2）U盘是一种使用USB接口连接计算机、并使用闪存来存储数据的小型便携存储设备。特点：即插即用、体积小、重量轻、存储容量大、抗震能力强、速度较快3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（3）存储卡用于手机、数码相机、便携式电脑、MP3和其他数码产品上的独立存储介质，一般是卡片的形态。特点：体积小巧、携带方便、使用简单，良好的兼容性，能使用于多种类型的数码产品。种类：SD卡、TF卡、CF卡、NM卡、XQD卡等读卡器：将存储卡作为移动存储设备进行读写的接口设备。2.4.1基于总线的互连结构总线是连接多个功能部件的共享的信息传输介质，提供了部件之间规范化的交换数据的方式。2.4CPU、主存与外设的互连系统总线：在PC机中，把连接CPU、存储器和I/O模块之间的总线处理器总线存储器总线I/O总线总线之间通过I/O桥连接2.4.1基于总线的互连结构主板：PC机中的矩形印刷电路板，电路板表面分布有电阻、电容、总线、芯片组、各种插座、插槽和接口。PC机的各种部件通过主板提供的插槽、插座、接口和总线相连CPU芯片：通过CPU插座连接到处理器总线上内存条：通过内存条插槽连到存储器总线上。输入输出设备控制器：有的集成在主板上，有的以插卡形式接插在I/O总线插槽上。I/O设备接口：SATA接口、USB接口、PS/2接口、网络接口等2.4.2总线标准目前，微机中常用的I/O总线标准有PCI总线、AGP总线、PCI-Express总线等PCIExpress，简称PCI-E，PC机中一种全新的I/O总线标准，全面取代PCI总线和AGP总线，实现I/O总线标准的统一。PCI-E总线的特点：采用点对点串行连接；多种规格：PCI-Ex1、PCI-Ex4、PCI-Ex8、PCI-Ex16；数据传输速率高：每个设备都有自己的专用连接；较短的PCI-E卡可以插在较长的PCI-E插槽中使用。2.4.3I/O控制器I/O控制器（适配卡）：CPU和I/O设备之间的接口，它接收从CPU发出的命令，并控制I/O设备工作。实现CPU与I/O控制器之间、I/O控制器与设备之间的数据交换。独立显卡的连接示意图：有2个接口，一头插在PCI-Ex16总线插槽中，另一头有插座，通过电缆连接显示器，2.4.4I/O设备接口I/O设备接口：用于连接I/O设备的连接器插座以及相应的通信规程及电气特性。常用I/O设备接口：PS/2接口、USB接口、DVI接口、HDMI接口、VGA接口、网线接口等。1、PS/2接口PS/2接口：早期用来连接键盘和鼠标，紫色的用于连接键盘，绿色的用于连接鼠标。2、视频输出接口显示器的接口：VGA、DVI、HDMI和DP（DisplayPort）等；VGA：采用模拟信号传输。DVI：DVI-A、DVI-D和DVI-I三种不同类型的接口，基本都是DVI-D。HDMI：全数字化视频和音频发送接口，支持电视与计算机视频格式。DP：高清数字显示接口，同时传送数字化音频和视频信号VGADVIHDMIDP3、USB接口USB：通用串行总线，是一个外部总线标准，规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口的特点：即插即用、热插拔。USB接口可以为连接的设备提供电源：+5V，100mA～500mA。借助USB集线器，一个USB接口理论上可以连接127个设备。USB接口类型：Type-A、Type-B、Micro-B、Type-C等。USB标识的符号USB3.0TypeC4、网络接口RJ45RJ45网络接口：用于将计算机网卡与局域网或通过ADSL调制解调器与互联网相连的接口。RJ45型网线插头又名水晶头。5、音频接口计算机有很多种音频接口；机箱背后粉色、绿色、蓝色插孔，是音频输入输出接口。红色的插孔：用于连接麦克风；绿色的插孔：立体声音频输出，用于连接耳机或音箱；蓝色的插孔：音频输入2.5.1常用的输入设备输入设备分两类：媒体输入设备和交互输入设备。媒体输入设备：成批输入方式，输入过程不需要用户干预。例如，扫描仪属于媒体输入设备。交互输入设备：由用户通过操作直接输入信息。例如