1、第一章 基礎知識主要內容n計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成n計算機工作原理n計算機中數(shù)據(jù)的表示與存儲n程序設計語言的發(fā)展n算法及算法的描述1. 計算機系統(tǒng)組成n計算機系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成的。計算機的軟件系統(tǒng)n 計算機系統(tǒng)中的程序及相關文檔被稱為軟件，所有程序及相關文檔的總和稱為軟件系統(tǒng)。n程序是為實現(xiàn)一定功能，用計算機程序設計語言所編制的語句的有序集合。n文檔是描述程序設計的過程及程序的使用方法等的有關資料。n程序是可由計算機執(zhí)行，而文檔是不能執(zhí)行的。n 軟件系統(tǒng)按其功能可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大部分。n系統(tǒng)軟件：控制和維護計算機的正常運行，管理計算機的各種資源，以滿足應用軟

2、件的需要。n應用軟件：完成一個特定的任務，在系統(tǒng)軟件的支持下，才能運行。計算機的硬件系統(tǒng)n 計算機由中央處理器、內部存儲器（簡稱內存）、輸入設備和輸出設備等部分組成；n中央處理器即CPU，內部集成了控制器和運算器等部件，是計算機的核心處理部件。內部存儲器內部存儲器（簡稱內存），用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。CPUCPU只能直接執(zhí)行只能直接執(zhí)行和處理放入內存中和處理放入內存中的程序和數(shù)據(jù)。的程序和數(shù)據(jù)。微型計算機結構1. 微處理器2. 存儲器3. I/O接口和I/O設備4. 系統(tǒng)總線控制總線控制總線CB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB地址總線地址總線AB微微處處理理器器I/O設備設備I/O接口接口存儲器存儲

3、器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線BUS存儲器n 存儲器（Memory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件n 高性能微機的存儲系統(tǒng)n微處理器內部的寄存器（Register）n高速緩沖存儲器（Cache）n主板上的主存儲器n以外設形式出現(xiàn)的輔助存儲器n 主存儲器（主存、內存）n半導體存儲器芯片組成nRAM部分斷電后信息丟失n相對造價高、速度快、但容量小n 有兩種內部存儲器n只讀存儲器（ROM，Read Only Memory） n隨機存儲器（RAM，Random Access Memory）主存（內存內存儲器）RAM和和ROMn輔助存儲器（簡稱輔存或外存）n磁盤、光盤、固態(tài)硬盤（SSD）、U盤等n相對造價低、容量大、信息可

4、長期保存，但速度慢存儲器的容量單位n 計算機中的所有信息都是用二進制編碼表示的，即用“0”和“1”組成的串表示。因此存儲器的容量是指存儲器能存放多少個二進制位（b）。n 通常8位編為一組，稱為一個字節(jié)（B）。n 表示存儲器容量的單位有KB、MB、GB以及TB等。 1KB=210B 1MB=220B 1GB=230Bn目前主流計算機內存容量為2G內存地址n一般把存儲器中的一個字節(jié)稱為一個內存單元。n為了正確地訪問這些內存單元，必須為每個內存單元編上號。根據(jù)一個內存單元的編號即可準確地找到該內存單元。n內存單元的編號就是所謂內存地址。I/O接口和I/O設備n I/O設備（Peripheral）：用

5、戶與微機交互n輸入（Input）設備，如標準輸入設備：鍵盤n輸出（Output）設備，如標準輸出設備：顯示器n I/O接口（Interface）：外設和主機間的橋梁n完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡控制等工作n較簡單的I/O接口電路與主板一體n較復雜的I/O接口電路制成獨立的電路板，稱為接口卡，比如顯卡。計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)硬件硬件軟件軟件主機主機外部設備外部設備內存內存CPU控制器控制器隨機存儲器隨機存儲器(RAM)只讀存儲器只讀存儲器(ROM)輸入設備輸入設備：鍵盤、鼠標等：鍵盤、鼠標等輸出設備輸出設備：顯示器、打印機等：顯示器、打印機等系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、語言處理程序等：操作系統(tǒng)、語

6、言處理程序等應用軟件應用軟件：辦公軟件、學生信息管理軟件等：辦公軟件、學生信息管理軟件等運算器運算器外存：硬盤、光盤等外存：硬盤、光盤等計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)組成2.計算機的工作原理n程序與指令n指令是能被計算機識別并執(zhí)行的一種二進制代碼，一條指令完成一種基本操作。n每一條指令中明確規(guī)定了計算機從內存的哪個位置取數(shù)，進行什么操作，然后送到什么地方去等步驟。n程序本質上就是控制計算機完成特定功能的一組有序指令的集合。計算機的基本工作原理存儲程序原理n 預先把指揮計算機如何進行操作的指令序列(即程序)和原始數(shù)據(jù)輸入到計算機內存中；n 運行時，在控制器控制下，從內存中取出第1條指令送入控制器，經(jīng)控

7、制器分析后產生完成該指令的各種定時控制信號；n 在這些信號控制下完成該指令規(guī)定的操作，包括存儲器中取出數(shù)據(jù)、進行指定的運算和邏輯操作、結果送入內存等。n 接下來，取出第2條指令，在控制器的指揮下完成規(guī)定操作，依此進行下去，直到遇到停止指令。n 程序與數(shù)據(jù)一樣存儲，按照程序編排的順序，一步一步地取出指令并自動地完成指令規(guī)定的操作，這是計算機最基本的工作原理。n 這一原理最初是由美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼于1945年提出來的，故稱為馮諾依曼原理。n 雖然現(xiàn)在的計算機系統(tǒng)從性能指標、運算速度、工作方式、應用領域和價格等方面與當時的計算機有很大差別，但基本結構沒有變。 3. 計算機中數(shù)據(jù)的表示與存儲計算

8、機中的數(shù)據(jù)和程序均是使用二進制表示的，計算機中的數(shù)據(jù)和程序均是使用二進制表示的，原因：原因：（1 1）技術上容易實現(xiàn)，可靠性強。）技術上容易實現(xiàn)，可靠性強。 （2 2）運算規(guī)則簡單。）運算規(guī)則簡單。 （3 3）實現(xiàn)邏輯運算容易。）實現(xiàn)邏輯運算容易。 （4 4）與其他數(shù)制轉換方便。）與其他數(shù)制轉換方便。 二進制數(shù)的邏輯運算n邏輯“與”運算0 x1=0 1x0=0 0 x0=0 1x1=1 n邏輯“或”運算0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1n邏輯“非”運算Not 0= 1 Not 1 = 0數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法n定點數(shù)：將計算機中的小數(shù)點的位置視為是固定不變的。n 定點整數(shù)n 定點小數(shù)常

9、用定點整數(shù)編碼常用定點整數(shù)編碼 原碼原碼 :最高位為符號為，0為正數(shù)，1為負數(shù)例如，設機器字長為8位，+1原 = 00000001+127原= 01111111 +0原= 000000001原 = 10000001 127原= 11111111 0原 = 10000000 反碼：反碼：最高位為符號為，0為正數(shù)，1為負數(shù)。負數(shù)時，數(shù)值位各位均取反。例如，設機器字長為8位，+1反 = 00000001 +127反= 01111111+0反 = 000000001反 = 11111110 127反= 100000000反 = 11111111 補碼：補碼：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)符號位為1，其余各

10、位變反，在末位加一，如需要進位必須進位。 例如，設機器字長為8位， +1補 = 00000001 +127補 = 01111111 +0補 = 00000000 1補 = 11111111 127補 = 10000001 0補 = 00000000 浮點數(shù)表示法把一個實數(shù)用階碼和尾數(shù)兩部分來分別表示。例如，十進制實數(shù)12345.6789可以表示為：0.123456789 10+5二進制實數(shù)的表示類似，例，1010.1011可表示為：1010.1011= 2+100 0.10101011階碼決定了能表示的數(shù)的范圍尾數(shù)則決定了能表示的輸?shù)木雀↑c數(shù)的表示方法n階碼是指數(shù)部分的值，表示冪次，其基數(shù)通

11、常取2。 n例如： 256.5 的浮點格式(32位)為：n所以 （256.5)10 = (0.1000000001)22900001001010000000010000000000000階碼: 7位數(shù)符尾數(shù)：23位階符n根據(jù)IEEE 754國際標準，常用的浮點數(shù)有兩種格式，單精度浮點數(shù)和雙精度浮點數(shù)。n單精度浮點數(shù)(32位)，階碼8位，尾數(shù)24位(內含1位符號位)。n是浮點數(shù)的符號位，1 位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)。n是尾數(shù)，23位，小數(shù)點放在尾數(shù)域的最前面。n：階碼，8位，采用移碼方式來表示正負指數(shù)。n雙精度數(shù)64位，尾數(shù)為53位，用定點小數(shù)表示（通常使用補碼）n雙精度數(shù)階碼為11位精度和溢

12、出精度和溢出 所謂精度，是指可以給出的有效數(shù)字的位數(shù)。 如果一個數(shù)的大小超出了計算機所能表示的數(shù)的范圍，則產生“溢出”。 非數(shù)值信息的表示 字符編碼字符編碼 對于英文字符，最常用的字符編碼是對于英文字符，最常用的字符編碼是ASCII碼碼 128個常用字符，個常用字符，用用7位二進制編碼位二進制編碼，從，從0到到127控制字符：控制字符：032，127；普通字符：；普通字符：94個。個。 例如：字符例如：字符“a”的編碼為的編碼為1100001，對應的十進制數(shù)是，對應的十進制數(shù)是97； 換行換行 0AH 10 回車回車 0DH 13 空格空格 20H 32 09 30H39H 4857 AZ 4

13、1H5AH 6590 az 61H7AH 97122漢字編碼(1) 漢字輸入碼漢字輸入碼音碼類音碼類 全拼、雙拼、微軟拼音、全拼、雙拼、微軟拼音、自然碼和智能自然碼和智能ABC等等 形碼類形碼類 五筆字型法、鄭碼輸入法等五筆字型法、鄭碼輸入法等 。(2) 漢字國標碼漢字國標碼(GB231280) 每個漢字占兩個字節(jié)。每個漢字占兩個字節(jié)。 一級漢字：一級漢字：3755個；二級漢字：個；二級漢字：3008個。個。漢字分區(qū)，每個區(qū)漢字分區(qū)，每個區(qū)94個漢字。個漢字。區(qū)號區(qū)號區(qū)中位區(qū)中位置置漢字信息處理系統(tǒng)的模型漢字信息處理系統(tǒng)的模型輸入碼 國標碼 字形碼 機內碼地址碼 漢字輸入 漢字輸出(4) 漢字

14、字形碼漢字字形碼點陣：點陣：漢字字形點陣的代碼漢字字形點陣的代碼 有有1616、2424、3232、4848等等編碼、存儲方式簡單、無需轉換直接輸出編碼、存儲方式簡單、無需轉換直接輸出放大后產生的效果差放大后產生的效果差矢量：矢量：存儲的是描述漢字字形的輪廓特征存儲的是描述漢字字形的輪廓特征 矢量方式特點正好與點陣相反矢量方式特點正好與點陣相反(3)機內碼機內碼漢字在設備或信息處理系統(tǒng)內部最基本的表達形式。漢字在設備或信息處理系統(tǒng)內部最基本的表達形式。漢字漢字 國標碼國標碼 漢字內碼漢字內碼 中中 8680(01010110 01010000)B (11010110 11010000)B 華華

15、 5942(00111011 00101010)B (10111011 10101010)B （5 5）漢字地址碼）漢字地址碼每個漢字字形碼在漢字字庫中的相對位移地址每個漢字字形碼在漢字字庫中的相對位移地址地址碼和機內碼要有簡明的對應轉換關系地址碼和機內碼要有簡明的對應轉換關系(6) (6) 其他漢字編碼其他漢字編碼UCSUCS碼、碼、UnicodeUnicode碼、碼、GBKGBK碼、碼、BIG5BIG5碼等碼等 n多媒體信息表示多媒體信息表示 （1 1）圖像（）圖像（imageimage）與圖形（）與圖形（graphicsgraphics）信息在）信息在計算機內的表示計算機內的表示 （2）

16、聲音信息在計算機中的表示）聲音信息在計算機中的表示 （3）視頻信息在計算機中的表示）視頻信息在計算機中的表示 4. 程序設計語言的發(fā)展編寫程序所使用的語言就是程序設計語言。程序設計語言的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段： 機器語言-匯編語言-高級語言n 依賴于機器，不同的計算機有不同的語言，它由一系列指令組成，每條指令用 二進制或八進制編碼。 主要在上世紀50年代初使用 例：0000001011001111 表示 加法指令n 機器語言是唯一計算機可以直接執(zhí)行的語言。第一代語言機器語言n 也稱為符號語言，用符號代替機器語言中的二進制編碼。上世紀50年代出現(xiàn)，至今仍有使用。 n 如 : MOV AL , 5 n

17、 計算機不能直接識別和執(zhí)行匯編語言，它必須經(jīng)過一個匯編程序（系統(tǒng)軟件）轉換成機器語言后才能執(zhí)行，它仍依賴于機器，不同的計算機有不同的匯編語言，不能通用。第二代語言匯編語言 匯編語言程序匯編語言程序 機器語言程序機器語言程序 匯編程序匯編程序也叫算法語言，計算機不能直接識別和執(zhí)行。上世紀60年代出現(xiàn)。一般地，把用高級語言或匯編語言編寫的程序稱為源程序。源程序須經(jīng)過編譯程序（系統(tǒng)軟件）編譯成機器語言程序（目標程序）后才能執(zhí)行，過程如下：算法語言源程序編譯程序機器語言目標程序結果編譯執(zhí)行第三代語言高級語言n 高級語言程序的執(zhí)行除了編譯執(zhí)行方式外還有另外一種方式，即解釋執(zhí)行方式。n一次只讀一行源程序，

18、將該行源程序翻譯成機器語言并執(zhí)行，翻譯結果不保存。n這種方式下，每次運行用戶程序時都必須要用解釋程序。n典型的代表：早期的BASIC語言，PCLogo等n第四代語言非過程化語言n它只描述需要求解的問題是什么，典型的如SQL 語言（結構化查詢語言），例如：n select “男生”n from “ 03級”n where “年齡i ；步驟步驟2：從鍵盤輸入一個整數(shù)給從鍵盤輸入一個整數(shù)給num，再將，再將num=max；步驟步驟3：如果如果imax，將，將num=max，否則，否則max的值為原值；的值為原值；步驟步驟5：i+1=i，轉步驟，轉步驟3；步驟步驟6：輸出輸出max的值，即輸出的值，即輸出n個整數(shù)中的最大數(shù)。個整數(shù)中的最大數(shù)。用自然語言描述算法如下：用自然語言描述算法如下：2.2