計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論

課程介紹性質(zhì)：必修課課時(shí)：64學(xué)時(shí)，48學(xué)時(shí)講課，16學(xué)時(shí)上機(jī)教學(xué)內(nèi)容：本課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)體系框架的入門(mén)課程，系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算、計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)組織與抽象、高級(jí)論題等計(jì)算機(jī)各學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)。重點(diǎn)講解計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，鋪設(shè)進(jìn)一步深入專(zhuān)業(yè)理論學(xué)習(xí)的橋梁，強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)概念，并不涉及數(shù)學(xué)模型和技術(shù)細(xì)節(jié)課程考核期末閉卷考試成績(jī)70%，平時(shí)成績(jī)占30%-2-課程教學(xué)內(nèi)容第1章緒論第2章數(shù)字系統(tǒng)第3章數(shù)據(jù)存儲(chǔ)第4章數(shù)據(jù)運(yùn)算第5章計(jì)算機(jī)組成第6章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第7章操作系統(tǒng)第8章算法第9章程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言-3-課程教學(xué)內(nèi)容第10章軟件工程第11章數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第12章抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型第13章文件結(jié)構(gòu)第14章數(shù)據(jù)庫(kù)第15章數(shù)據(jù)壓縮第16章安全-4-第01章緒論

本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-6-圖靈模型AlanTuring（阿蘭.圖靈）在1937年首次提出一種通用計(jì)算設(shè)備的設(shè)想所有的計(jì)算都可能在一種特殊的機(jī)器上執(zhí)行（圖靈機(jī)）進(jìn)行了數(shù)學(xué)上的描述，主要目標(biāo)并不是建造一臺(tái)真實(shí)的機(jī)器-7-1、數(shù)據(jù)處理器在討論圖靈模型之前，將計(jì)算機(jī)定義為數(shù)據(jù)處理器計(jì)算機(jī)是一個(gè)接收輸入數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)的黑盒該模型過(guò)于寬泛，按照該模型定義，計(jì)算器也可以算做一種計(jì)算機(jī)-8-2、可編程數(shù)據(jù)處理器圖靈模型是一種適用于通用計(jì)算機(jī)的模型該模型增加了額外的元素：程序程序是用來(lái)告訴計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的指令集合輸出數(shù)據(jù)依賴(lài)于兩方面因素，即輸入數(shù)據(jù)和程序-9-相同程序、不同數(shù)據(jù)-10-相同數(shù)據(jù)、不同程序-11--12-3、通用圖靈機(jī)通用圖靈機(jī)是對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的首次描述該機(jī)器只要提供了合適的程序就能做任何運(yùn)算可以證明：通用圖靈機(jī)和一臺(tái)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行同樣的運(yùn)算通用圖靈機(jī)能做任何可計(jì)算的運(yùn)算。-13-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-14-馮.諾伊曼模型馮.諾伊曼模型是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)模型構(gòu)成計(jì)算機(jī)的4大子系統(tǒng)存儲(chǔ)程序指令的順序執(zhí)行-15-1、4大子系統(tǒng)馮.諾依曼模型定義了四個(gè)子系統(tǒng)存儲(chǔ)器算術(shù)邏輯單元控制單元輸入輸出單元-16-4大子系統(tǒng)-17-存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)處理過(guò)程中用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序-18-算術(shù)邏輯單元和控制單元ALU(算術(shù)邏輯單元)用來(lái)進(jìn)行計(jì)算和邏輯操作的地方。控制單元用來(lái)控制存儲(chǔ)器、算術(shù)邏輯單元和輸入輸出等子系統(tǒng)，使其協(xié)調(diào)工作。CPU(中央處理器)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常將ALU和控制單元被集成在CPU中，被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)的心臟-19-輸入/輸出輸入子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從計(jì)算機(jī)外部接收輸入數(shù)據(jù)和程序。輸出子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果輸出到計(jì)算機(jī)外部。-20-2、存儲(chǔ)程序的概念馮.諾依曼模型要求程序必須存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，早期的計(jì)算機(jī)只將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行程序通過(guò)操作開(kāi)關(guān)或改變配線完成。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器主要用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制(0和1的序列)模式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。-21-3、指令的順序執(zhí)行馮.諾依曼模型中的一段程序是由一組數(shù)量有限的指令組成控制單元從內(nèi)存中提取指令、解釋指令、執(zhí)行指令；指令按照順序執(zhí)行一條指令可能會(huì)請(qǐng)求跳轉(zhuǎn)到前面或后面的某個(gè)地方去執(zhí)行，跳轉(zhuǎn)后仍然會(huì)順序執(zhí)行。-22-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-23-計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由3大部分構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)軟件-24-計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)硬件基于馮.諾伊曼模型，包含4大子系統(tǒng)在第5章詳細(xì)討論數(shù)據(jù)馮.諾依曼模型將計(jì)算機(jī)定義為數(shù)據(jù)處理機(jī)，接收輸入數(shù)據(jù)，處理并輸出結(jié)果-25-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)馮.諾伊曼模型沒(méi)有定義數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中對(duì)于電子計(jì)算機(jī)，最好的存儲(chǔ)方式應(yīng)該是電子信號(hào)（出現(xiàn)與消失），計(jì)算機(jī)可以以?xún)煞N狀態(tài)之一的形式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(0或1）文本、圖像、聲音等數(shù)據(jù)不能直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)部，必須將它們轉(zhuǎn)換成合適的形式(0、1序列)才能存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)組織數(shù)據(jù)并不是無(wú)序組織的，數(shù)據(jù)被組織成許多小的單元，再由這些小的單元組織成更大的單元。-26-計(jì)算機(jī)軟件馮.諾依曼模型的主要特征在于存儲(chǔ)程序。早期的計(jì)算機(jī)沒(méi)有使用這一模型，但也使用了程序的概念，編程體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉和配線的改變。馮.諾依曼模型改變了編程的概念。基本的兩個(gè)方面是存儲(chǔ)程序和程序由指令序列構(gòu)成。-27-40年代的編程編程體現(xiàn)為對(duì)系列開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉和配線的改變-28-1、必須存儲(chǔ)程序程序和數(shù)據(jù)都必須存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。-29-2、指令序列程序必須是有序的指令集。每條指令操作一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。指令集是有限的。圖靈和馮.諾依曼模型通過(guò)詳細(xì)定義計(jì)算機(jī)可以使用的不同指令集，使得編程變得簡(jiǎn)單、可重用。程序員通過(guò)組合不同的指令可以創(chuàng)建任意數(shù)量的程序。每個(gè)程序可以是不同指令的不同組合。-30-一個(gè)程序的示例-31-3、算法編程了解每條指令能完成的任務(wù)；掌握將這些指令結(jié)合起來(lái)完成特定任務(wù)。引入算法程序員應(yīng)該以循序漸進(jìn)的方式理解問(wèn)題、分解問(wèn)題、尋找解決問(wèn)題的方法。算法研究的是逐步解決問(wèn)題的方法，是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)(第8章討論)。-32-4、語(yǔ)言早期的“編程”直接寫(xiě)指令的二進(jìn)制模式。難以編寫(xiě)大規(guī)模程序，編程非常困難。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的誕生計(jì)算機(jī)科學(xué)家們提出用符號(hào)代表二進(jìn)制模式。這樣計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的概念誕生了。(第9章討論)-33-5、軟件工程馮.諾依曼模型并沒(méi)有定義軟件工程的概念。軟件工程是指結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計(jì)和編寫(xiě)。現(xiàn)在，軟件工程不僅用來(lái)描述完成某一任務(wù)的應(yīng)用程序，還包括程序設(shè)計(jì)中所要嚴(yán)格遵循的原理和規(guī)則。(第10章討論)

-34-6、操作系統(tǒng)在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，有一些指令序列對(duì)所有程序都是公用的、通用的。早期的操作系統(tǒng)是為程序訪問(wèn)計(jì)算機(jī)部件提供方便的一種通用管理程序?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)已經(jīng)成為管理計(jì)算機(jī)軟硬件及資源的系統(tǒng)軟件。(第7章討論)-35-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-36-歷史計(jì)算和計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，三個(gè)階段機(jī)械計(jì)算機(jī)器（1930年之前）電子計(jì)算機(jī)的誕生（1930~1950）計(jì)算機(jī)的誕生（1950年至今）-37-機(jī)械計(jì)算機(jī)器（1930之前）主要成果BlaisePascal發(fā)明了Pascaline。GottfriedLeibnitz發(fā)明了一臺(tái)能作加減乘除運(yùn)算的計(jì)算機(jī)器，Leibnitz’sWheel-38-機(jī)械計(jì)算機(jī)器（1930之前）主要成果第一臺(tái)利用存儲(chǔ)和編程概念的機(jī)器是Jacquardloom(提花織機(jī))。1834,Charlesbabbage發(fā)明一種機(jī)器叫分析引擎analyticalEngine。1890,HermanHollerith設(shè)計(jì)并制造出具有編程能力的機(jī)器，該機(jī)器可以自動(dòng)閱讀、計(jì)數(shù)和排列存儲(chǔ)在穿孔卡上的數(shù)據(jù)-39-電子計(jì)算機(jī)誕生（1930～1950）主要成果1939年，第一臺(tái)用來(lái)完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)是ABC(AtanasoffBerryComputer)。同一時(shí)期，KonradZuse設(shè)計(jì)出通用計(jì)算機(jī)，命名為Z11930,在HowardAliken的領(lǐng)導(dǎo)下建造了一臺(tái)巨型機(jī)算計(jì)，命名為MarkI。AlanTuring發(fā)明了一臺(tái)名為Colossus(巨人)的計(jì)算機(jī)用于破譯德國(guó)的Enigma密碼-40-電子計(jì)算機(jī)誕生（1930～1950）主要成果1946，ENIAC(TheElectronicNumericalIntegratorandComputer)，第一臺(tái)通用的、完全電子化的計(jì)算機(jī)-41-計(jì)算機(jī)誕生（1950至今）主要成果第一臺(tái)基于馮氏思想的計(jì)算機(jī)于1950年在賓夕法尼亞大學(xué)誕生，名為EDVAC。完成新任務(wù)，只需重新編程，無(wú)須改變布線-42-計(jì)算機(jī)的發(fā)展1950年以后的計(jì)算機(jī)基本上都基于馮.諾伊曼模型，計(jì)算機(jī)向著速度更快、體積更小、價(jià)格更便宜的方向發(fā)展，硬件和軟件不斷變更，但基本模型未改變第一代（1950~1959年）商用計(jì)算機(jī)為主要特征，限于計(jì)算機(jī)專(zhuān)家使用。計(jì)算機(jī)體積龐大，使用真空管作為電子開(kāi)關(guān)，費(fèi)用昂貴。第二代（1959~1965年）晶體管代替真空管，減小體積與功耗，費(fèi)用減低，開(kāi)始應(yīng)用到中小企業(yè)。Fortran和Cobol高級(jí)語(yǔ)言出現(xiàn)，使得編程更加容易，編程任務(wù)和計(jì)算機(jī)運(yùn)算任務(wù)分離。-43-計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)時(shí)代劃分第三代（1965~1975年）集成電路的應(yīng)用，進(jìn)一步減小計(jì)算機(jī)體積和成本。小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，軟件業(yè)誕生。第四代（1975~1985年）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路應(yīng)用，微型計(jì)算機(jī)、單板機(jī)的出現(xiàn)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)。第五代（1985年至今）掌上電腦、臺(tái)式電腦的誕生，第二代存儲(chǔ)媒體（CD-ROM、DVD）的改進(jìn)，多媒體應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)等-44-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-45-社會(huì)問(wèn)題依賴(lài)計(jì)算機(jī)科學(xué)注定要改變我們的社會(huì)，超過(guò)一半的美國(guó)家庭使用計(jì)算機(jī)上網(wǎng)一些人認(rèn)為：每個(gè)人不可避免要使用計(jì)算機(jī)，離開(kāi)它難以生活；另一些人認(rèn)為：人類(lèi)對(duì)計(jì)算機(jī)已經(jīng)形成依賴(lài)，這種依賴(lài)使得人們的生活更加困難-46-社會(huì)問(wèn)題社會(huì)公正在家中使用計(jì)算機(jī)不是所有人都支付得起的奢侈行為，計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備、上網(wǎng)費(fèi)對(duì)低收入家庭是額外的負(fù)擔(dān)計(jì)算機(jī)僅為中高收入人群服務(wù)。數(shù)字化分裂依賴(lài)和社會(huì)公正等問(wèn)題，將社會(huì)分裂成兩大組群與社會(huì)其它部分以電子形式聯(lián)系在一起的人沒(méi)有以電子形式聯(lián)系在一起的人這種分裂在工業(yè)化國(guó)家正在逐漸消失，但將在發(fā)展中國(guó)家持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間-47-道德問(wèn)題隱私為確保通過(guò)計(jì)算機(jī)通信的私密性，需要做很多工作，社會(huì)正在為此支付高昂的費(fèi)用版權(quán)在計(jì)算機(jī)化的社會(huì)中，“誰(shuí)將擁有數(shù)據(jù)？”和電子版權(quán)，成為日漸突出的職業(yè)道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)犯罪計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)帶來(lái)了新的犯罪，黑客能夠訪問(wèn)很多計(jì)算機(jī)并盜取金錢(qián)，病毒泛濫并摧毀信息。社會(huì)正為此支付高昂的費(fèi)用。-48-本章內(nèi)容安排圖靈模型馮.諾伊曼模型計(jì)算機(jī)組成歷史社會(huì)問(wèn)題和道德問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)-49-計(jì)算機(jī)科學(xué)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，誕生了全新的“計(jì)算機(jī)科學(xué)”系統(tǒng)領(lǐng)域涵蓋與硬件和軟件構(gòu)成直接相關(guān)的領(lǐng)域計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、安全問(wèn)題、操作系統(tǒng)、算法、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、軟件工程應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了與計(jì)算機(jī)使用有關(guān)的領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能-50-第二章數(shù)的表示掌握不同進(jìn)制之間的關(guān)系以及相互轉(zhuǎn)換方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)2.1計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制2.1主要特點(diǎn)：①有十個(gè)不同的計(jì)數(shù)符號(hào)：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；②按“逢十進(jìn)一”的規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)。例：666.66=6×102＋6×101＋6×100＋6×10-1＋6×10-2底數(shù)、位權(quán)的引入在進(jìn)位記數(shù)制中，用于表示數(shù)值的基本符號(hào)的個(gè)數(shù)，稱(chēng)基（或底數(shù)）。在進(jìn)位記數(shù)制中，相應(yīng)位置上的數(shù)值的單位值，稱(chēng)位權(quán)。位權(quán)是底數(shù)的冪2.1.1十進(jìn)制系統(tǒng)十進(jìn)制系統(tǒng)主要特點(diǎn)：①僅有兩個(gè)不同的計(jì)數(shù)符號(hào)：0和1；底數(shù)為2例：(101101)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20==32+0+8+4+0+1(45)10②按“逢二進(jìn)一”的規(guī)則計(jì)數(shù)。2.1.2二進(jìn)制系統(tǒng)二進(jìn)制系統(tǒng)主要特點(diǎn)：①有八個(gè)不同的計(jì)數(shù)符號(hào)：0、1、2、3、4、5、

6、7；底數(shù)為8例：(642)8=6×82+4×81+2×80=(418)10②按“逢八進(jìn)一”的規(guī)則計(jì)數(shù)。2.1.3八進(jìn)制系統(tǒng)主要特點(diǎn)：①有16個(gè)不同的計(jì)數(shù)符號(hào)：0、1、2、3、4、5、

6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、

E(14)、F(15)；底數(shù)為16。例:(9B4)16=②按“逢十六進(jìn)一”的規(guī)則計(jì)數(shù)。9×162+11×161+4×160=(2484)102.1.4十六進(jìn)制系統(tǒng)2.1計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2將每個(gè)二進(jìn)制位乘以它的位權(quán)，將所有結(jié)果相加得到對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。2.2.1二進(jìn)制～十進(jìn)制Example將10011轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。Solution二進(jìn)制1 0 0 1 1

權(quán)值 168421

---------------------------------------

16+0+0+2+1

十進(jìn)制19

十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制整數(shù)——“除2取余”2.2.2十進(jìn)制～二進(jìn)制Example將35轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。Solution

012481735Dec.Binary

1

0

0

011

1363102222余數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)低位二進(jìn)制數(shù)高位例：(13)10=()2方法：除2取余直到商為01101例：(13)10=()21363102222余數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)低位二進(jìn)制數(shù)高位位模式

------------000001010011八進(jìn)制

------------0123位模式

------------100101110111八進(jìn)制------------45673位位模式可用來(lái)表示一個(gè)八進(jìn)制數(shù)字，反之亦然。注意:2.2.3二進(jìn)制～八進(jìn)制從右向左，按三位分組，將每組三位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位八進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法八進(jìn)制數(shù)表示方法：(17634)8、176348、017634、o17634Example將101110010轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。Solution分組：101110010計(jì)算：562結(jié)果：0562或5628Example將1100010轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。Solution分組：001100010計(jì)算：142結(jié)果：0142或14282.2.4八進(jìn)制～二進(jìn)制將每個(gè)八進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的3位位模式。Example將248轉(zhuǎn)換為位模式。Solution八進(jìn)制：24轉(zhuǎn)換：010100結(jié)果：0101002.2.5二進(jìn)制～十六進(jìn)制位模式

------------00000001001000110100010101100111十六進(jìn)制數(shù)字

------------01234567位模式

------------10001001101010111100110111101111十六進(jìn)制數(shù)字

------------89ABCDEF4位位模式可用來(lái)表示一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字，反之亦然。從右到左，按四位分組，將每組四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位十六進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換方法十六進(jìn)制數(shù)表示方法：(FCE4)16、FCE416、xFCE4Example將110011100010轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。Solution分組：110011100010計(jì)算：CE2結(jié)果：xCE2或CE216Example將0011100010轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。Solution分組：000011100010計(jì)算：0E2結(jié)果：x0E2或0E2162.2.6十六進(jìn)制～二進(jìn)制將每個(gè)十六進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的4位位模式。Example將x24C轉(zhuǎn)換為位模式。Solution十六進(jìn)制：24C轉(zhuǎn)換：001001001100結(jié)果：0010010011002.1計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制主要內(nèi)容2.3小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.2整數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換小數(shù)進(jìn)制轉(zhuǎn)換2.32.3.1小數(shù)的進(jìn)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制小數(shù)～二進(jìn)制小數(shù)，“乘2取整”Example將小數(shù)0.875轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。Solution0.8751.7501.51.00.0

0.111結(jié)果：0.1112Example將0.4轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，保留6位有效數(shù)字。Solution0.40.81.61.20.40.81.6

0.011001結(jié)果：0.0110012(0.6875)10=()20.68752×

37501.2×7502×0.501.2×01.整數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)高位二進(jìn)制數(shù)低位例：方法：乘2取整直到積為0例：(0.6875)10=()20.68752×

37501.2×7502×0.501.2×01.整數(shù)1011二進(jìn)制數(shù)高位二進(jìn)制數(shù)低位0.1011二進(jìn)制小數(shù)～十進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制位模式按位權(quán)展開(kāi)。例：(101101.11)2=1×25＋0×24＋1×23＋1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1＋1×2-2==32+0+8+4+0+1+0.5+0.25(45.75)10小數(shù)轉(zhuǎn)換——二進(jìn)制～八進(jìn)制按三位分組：整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右；不足三位補(bǔ)0；將每組三位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位八進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點(diǎn)不變。將每為八進(jìn)制數(shù)分解為3位二進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點(diǎn)不變。3257.461011010101111.100110001小數(shù)轉(zhuǎn)換——八進(jìn)制～二進(jìn)制按四位分組：整數(shù)部分從右向左，小數(shù)部分從左向右；不足四位補(bǔ)0；將每組四位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一位十六進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點(diǎn)不變。00011101.01011000＝(1D.58)16小數(shù)轉(zhuǎn)換——二進(jìn)制～十六進(jìn)制將每位十六進(jìn)制數(shù)分解為4位二進(jìn)制數(shù)，小數(shù)點(diǎn)不變。

3A.C900111010.11001001小數(shù)轉(zhuǎn)換——十六進(jìn)制～二進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換——十六進(jìn)制～十進(jìn)制(9B4.4)16=9×162+11×161+4×160+4×16-1=(2484.25)10第03章數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-95-數(shù)據(jù)類(lèi)型工程程序：數(shù)字。文字處理程序：文本。圖像處理程序：圖像。計(jì)算機(jī)播放音樂(lè)：音頻。計(jì)算機(jī)播放電影，創(chuàng)建特效：視頻。-96-計(jì)算機(jī)業(yè)使用術(shù)語(yǔ)“多媒體”來(lái)定義包含數(shù)字、文本、圖像、音頻和視頻的信息。計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)外部不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，都需要采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示法轉(zhuǎn)換后存入計(jì)算機(jī)，當(dāng)數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)輸出時(shí)再還原回來(lái)。這種通用的格式稱(chēng)為位模式（bitpattern）。-97-位位：bit(binarydigit)是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的最小數(shù)據(jù)單位，它是0或1。位代表設(shè)備的某一種狀態(tài)，這些設(shè)備只能處于兩種狀態(tài)之一。如開(kāi)關(guān)要么斷開(kāi)（用0表示），要么合上（用1表示）。計(jì)算機(jī)中使用“電子開(kāi)關(guān)”表示位，一個(gè)開(kāi)關(guān)存儲(chǔ)一個(gè)位的信息，計(jì)算機(jī)使用眾多的兩態(tài)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。-98-位模式單個(gè)的位并不能解決數(shù)據(jù)表示問(wèn)題。為了表示數(shù)據(jù)的不同類(lèi)型,應(yīng)該使用位模式(bitpattern),

它是一個(gè)由若干個(gè)位構(gòu)成的序列,有時(shí)也被稱(chēng)為位流。通常將長(zhǎng)度為8的位模式稱(chēng)為字節(jié)（byte）。-99-位模式屬于不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)可以以同樣的位模式存儲(chǔ)。存儲(chǔ)器僅關(guān)心如何將數(shù)據(jù)按位模式存儲(chǔ)；將位模式解釋為何種數(shù)據(jù)類(lèi)型，則由程序負(fù)責(zé)完成。-100-相關(guān)話(huà)題數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)之前通常被壓縮，以節(jié)省空間，數(shù)據(jù)壓縮在第15章討論。錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正在傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正。-101-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-102-存儲(chǔ)數(shù)字的基本問(wèn)題數(shù)字要存入計(jì)算機(jī)，首先必須要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制系統(tǒng)，此外還需要解決如何存儲(chǔ)數(shù)字的符號(hào)？如何現(xiàn)實(shí)小數(shù)點(diǎn)？-103-2.1、存儲(chǔ)整數(shù)整數(shù)通常使用定點(diǎn)表示法存儲(chǔ)在內(nèi)存中小數(shù)點(diǎn)是假定的，但不存儲(chǔ)-104-整數(shù)的常見(jiàn)存儲(chǔ)方法-105-整數(shù)表示有符號(hào)整數(shù)無(wú)符號(hào)整數(shù)符號(hào)加絕對(duì)值格式二進(jìn)制補(bǔ)碼格式1、無(wú)符號(hào)整數(shù)無(wú)符號(hào)整數(shù)是沒(méi)有符號(hào)的整數(shù)，介于0～無(wú)窮大之間。計(jì)算機(jī)不可能表示所有整數(shù)。通常，計(jì)算機(jī)都定義了一個(gè)最大無(wú)符號(hào)整數(shù)常量。無(wú)符號(hào)整數(shù)范圍介于0到該常量之間。最大無(wú)符號(hào)整數(shù)（2n-1）取決于計(jì)算機(jī)中分配用于保存無(wú)符號(hào)整數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)n存儲(chǔ)無(wú)符號(hào)整數(shù)將整數(shù)變成二進(jìn)制數(shù);將二進(jìn)制對(duì)齊到指定的位數(shù)：如果二進(jìn)制位數(shù)不足n位，則在二進(jìn)制數(shù)左邊補(bǔ)0，使它的總位數(shù)為n位；若超過(guò)n位，表示無(wú)法存儲(chǔ)，導(dǎo)致溢出。-106-無(wú)符號(hào)整數(shù)存儲(chǔ)示例問(wèn)題將7按照無(wú)符號(hào)整數(shù)格式存儲(chǔ)在8位存儲(chǔ)單元中解答-107-7→111→00000111.無(wú)符號(hào)整數(shù)存儲(chǔ)示例問(wèn)題將258按照無(wú)符號(hào)整數(shù)格式存儲(chǔ)在16位存儲(chǔ)單元中解答-108-258→100000010→

0000000100000010譯碼無(wú)符號(hào)整數(shù)將指定的位串，按照二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，結(jié)果即為對(duì)應(yīng)的無(wú)符號(hào)整數(shù)。-109-無(wú)符號(hào)整數(shù)譯碼示例問(wèn)題譯解內(nèi)存中“00101011”對(duì)應(yīng)的無(wú)符號(hào)整數(shù)解答-110-遵循進(jìn)制轉(zhuǎn)換規(guī)則，00101011→43溢出限定存儲(chǔ)單元位數(shù)后，可以表達(dá)的無(wú)符號(hào)整數(shù)是有限的對(duì)于n位存儲(chǔ)單元中，可表示數(shù)范圍為0~2n-1若n為4，則最大可以存儲(chǔ)15將超過(guò)15的輸入存儲(chǔ)后，會(huì)出現(xiàn)溢出的情況。-111-溢出的結(jié)果-112-11＋9→20，表示為(10100)2溢出時(shí)丟棄存儲(chǔ)不了的高位→4無(wú)符號(hào)整數(shù)的應(yīng)用無(wú)符號(hào)整數(shù)用來(lái)存儲(chǔ)非負(fù)數(shù)，不用存儲(chǔ)符號(hào)，效率較高。計(jì)數(shù)尋址：引用一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址做為其它數(shù)據(jù)類(lèi)型的基礎(chǔ)：如文本、圖像、音頻和視頻的基本存儲(chǔ)單元，可看成無(wú)符號(hào)數(shù)-113-2、符號(hào)加絕對(duì)值符號(hào)加絕對(duì)值格式對(duì)n位位模式，2n個(gè)編碼（0~2n-1）劃分為2個(gè)區(qū)域，分別用來(lái)表示正整數(shù)和負(fù)整數(shù)-114-在符號(hào)＋絕對(duì)值表示法（原碼）中，最左邊的位用于定義數(shù)的符號(hào)。如果是0，則表示正數(shù)，如果為1，則表示負(fù)數(shù)。符號(hào)加絕對(duì)值的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程將整數(shù)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。若二進(jìn)制位數(shù)不足n-1,左邊補(bǔ)0，使總位數(shù)為n-1。若位數(shù)超過(guò)n-1，則發(fā)生溢出，無(wú)法存儲(chǔ)。如果是正數(shù)，則在最左邊加0(使它變成n位)；如果是負(fù)數(shù)，則在最左邊加1(使它變成n位)-115-符號(hào)加絕對(duì)值存儲(chǔ)示例問(wèn)題將+28按照符號(hào)加絕對(duì)值格式存儲(chǔ)在8位位模式中解答-116-28→11100→0011100

→00011100符號(hào)加絕對(duì)值存儲(chǔ)示例問(wèn)題將-28按照符號(hào)加絕對(duì)值格式存儲(chǔ)在8位位模式中解答-117-28→11100→0011100

→10011100符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)譯碼示例問(wèn)題譯解內(nèi)存中按照符號(hào)加絕對(duì)值格式存儲(chǔ)的“01001101”對(duì)應(yīng)的數(shù)值解答-118-最高位為0→正數(shù)提取后7位→1001101→77符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)譯碼示例問(wèn)題譯解內(nèi)存中按照符號(hào)加絕對(duì)值格式存儲(chǔ)的“10100001”對(duì)應(yīng)的數(shù)值解答-119-最高位為1→負(fù)數(shù)提取后7位→0100001→33→-33符號(hào)加絕對(duì)值表示的溢出-120-在符號(hào)加絕對(duì)值表示法（原碼）中0有兩種表示方法：正數(shù)零和負(fù)數(shù)零以8位存儲(chǔ)單元為例:+000000000

-010000000符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)的應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不使用原碼存儲(chǔ)整數(shù)。進(jìn)行加、減運(yùn)算不方便；0的表示不唯一。特殊應(yīng)用：進(jìn)制轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單；應(yīng)用于不涉及數(shù)字運(yùn)算的場(chǎng)合，如采樣模擬信號(hào)。-121-3、二進(jìn)制補(bǔ)碼二進(jìn)制補(bǔ)碼格式幾乎所有的計(jì)算機(jī)都使用二進(jìn)制補(bǔ)碼存儲(chǔ)有符號(hào)整數(shù)；對(duì)n位位模式，2n個(gè)編碼（0~2n-1）劃分為2個(gè)區(qū)域，分別用來(lái)表示非負(fù)正整數(shù)和負(fù)整數(shù)-122-在二進(jìn)制補(bǔ)碼格式表示法中，表示正數(shù)，使用無(wú)符號(hào)整數(shù)；表示負(fù)數(shù)，使用整數(shù)的補(bǔ)碼格式。兩種運(yùn)算反碼運(yùn)算翻轉(zhuǎn)操作數(shù)（整數(shù)）的各個(gè)位補(bǔ)碼運(yùn)算將被操作數(shù)的二進(jìn)制位中右側(cè)連續(xù)的0及首次出現(xiàn)的1保持不變，其余位取反。-123-兩種運(yùn)算-124-對(duì)二進(jìn)制整數(shù)執(zhí)行2次反碼運(yùn)算，將得到原數(shù)。兩種運(yùn)算-125-對(duì)二進(jìn)制整數(shù)執(zhí)行2次補(bǔ)碼運(yùn)算，將得到原數(shù)。補(bǔ)碼運(yùn)算可以通過(guò)反碼運(yùn)算后再加1得到。二進(jìn)制補(bǔ)碼的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程將整數(shù)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制；將二進(jìn)制對(duì)齊到n位，不足n位的左側(cè)補(bǔ)0，超過(guò)n位的表示存儲(chǔ)不了，會(huì)產(chǎn)生溢出；如果是正數(shù)或零，原樣存儲(chǔ)；若果是負(fù)數(shù)，取其補(bǔ)碼存儲(chǔ)（通過(guò)補(bǔ)碼運(yùn)算得到）。-126-二進(jìn)制補(bǔ)碼存儲(chǔ)示例問(wèn)題將+28按照二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)在8位位模式中解答-127-28→11100→00011100

二進(jìn)制補(bǔ)碼存儲(chǔ)示例問(wèn)題將-28按照二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)在8位位模式中解答-128-28→11100→00011100

→11100100譯碼二進(jìn)制補(bǔ)碼過(guò)程如果最左位為1，取其補(bǔ)碼；最左位為0，保持不變。將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)；如果最左位為1，為其添加負(fù)號(hào)；最左位為0，保持不變-129-二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)譯碼示例問(wèn)題譯解內(nèi)存中按照二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)的“00001101”對(duì)應(yīng)的數(shù)值解答-130-二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)譯碼示例問(wèn)題譯解內(nèi)存中按照二進(jìn)制補(bǔ)碼格式存儲(chǔ)的“11100110”對(duì)應(yīng)的數(shù)值解答-131-二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的溢出-132-補(bǔ)碼中0只有一種表示方法。以8位位模式為例:+000000000-000000000二進(jìn)制補(bǔ)碼的應(yīng)用二進(jìn)制補(bǔ)碼是當(dāng)今計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)帶符號(hào)整數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)表示方法。補(bǔ)碼使得二進(jìn)制運(yùn)算更簡(jiǎn)單，具體內(nèi)容在第四章介紹。-133-4、3種系統(tǒng)的比較-134-2.2、存儲(chǔ)實(shí)數(shù)實(shí)數(shù)帶有整數(shù)部分和小數(shù)部分帶有很大整數(shù)部分或很小小數(shù)部分的實(shí)數(shù)不應(yīng)該使用定點(diǎn)表示法實(shí)數(shù)通常使用浮點(diǎn)表示法表示，允許小數(shù)點(diǎn)浮動(dòng)。-135-若用16位定點(diǎn)小數(shù)存儲(chǔ)實(shí)數(shù)，小數(shù)點(diǎn)右側(cè)2個(gè)數(shù)碼，小數(shù)點(diǎn)左側(cè)14個(gè)數(shù)碼；存儲(chǔ)1.00234時(shí)，會(huì)損失精度實(shí)際存儲(chǔ)為1.001、浮點(diǎn)表示法浮點(diǎn)表示法浮點(diǎn)數(shù)由符號(hào)、位移量、定點(diǎn)數(shù)構(gòu)成采用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示浮點(diǎn)數(shù)-136-十進(jìn)制數(shù)的科學(xué)記數(shù)法用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-137-7,452,000,000,000,000,000,000.00十進(jìn)制數(shù)的科學(xué)記數(shù)法用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-138-?0.0000000000000232使用科學(xué)記數(shù)法，可以表示絕對(duì)值很大或很小的數(shù)二進(jìn)制數(shù)的浮點(diǎn)格式表示用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-139-(101001000000000000000000000000000.00)2二進(jìn)制數(shù)的浮點(diǎn)格式表示用科學(xué)記數(shù)法表示下面的十進(jìn)制數(shù)解答-140-(0.00000000000000000000000101)22、規(guī)范化為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示，需要對(duì)實(shí)數(shù)的表示進(jìn)行規(guī)范化科學(xué)記數(shù)法（十進(jìn)制）和浮點(diǎn)表示法（二進(jìn)制），通過(guò)移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)（調(diào)整位移量），在小數(shù)點(diǎn)左邊保留唯一的非零數(shù)碼十進(jìn)制：1~9二進(jìn)制：1-141-3、符號(hào)、指數(shù)和尾數(shù)二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)規(guī)范化后，只存儲(chǔ)3個(gè)部分符號(hào)：1個(gè)二進(jìn)制位（0或1）指數(shù)：定義小數(shù)點(diǎn)移動(dòng)的位數(shù)，采用余碼表示法，定義了數(shù)的量級(jí)尾數(shù)：小數(shù)點(diǎn)右邊的二進(jìn)制數(shù)，定義了數(shù)的精度-142-小數(shù)點(diǎn)和定點(diǎn)部分小數(shù)點(diǎn)左側(cè)的1沒(méi)有存儲(chǔ)，是隱含的尾數(shù)加符號(hào)位，可看成符號(hào)加絕對(duì)值的整數(shù)表示4、余碼系統(tǒng)二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)系統(tǒng)中，采用余碼系統(tǒng)存儲(chǔ)指數(shù)部分尾數(shù)作為無(wú)符號(hào)數(shù)存儲(chǔ)，指數(shù)有正有負(fù)；余碼系統(tǒng)中，為了采用無(wú)符號(hào)數(shù)存儲(chǔ)指數(shù)部分，將一個(gè)正整數(shù)（偏移量）加到每個(gè)指數(shù)上，統(tǒng)一到非負(fù)偏移量通常為：2m-1-1（m為指數(shù)位數(shù)）-143-5、IEEE標(biāo)準(zhǔn)兩種浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)單精度浮點(diǎn)數(shù)：32位存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)，指數(shù)占8位，采用余127碼（偏移量為127）雙精度浮點(diǎn)數(shù)：64位存儲(chǔ)浮點(diǎn)數(shù)，指數(shù)占11位，采用余1023碼（偏移量為1023）-144-6、IEEE標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)過(guò)程在S中存儲(chǔ)符號(hào)位將絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制規(guī)范化二進(jìn)制數(shù)找到E（指數(shù)）和M（尾數(shù)），尾數(shù)不足的右側(cè)補(bǔ)零連接S、E、M-145-標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)按余碼127（單精度浮點(diǎn)數(shù)）存儲(chǔ)5.75解答-146-為正數(shù)→S=0十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制：5.75→(101.11)2規(guī)范化：→（101.11)2×22E=2+127=129→（10000001）2M=1011標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)按余碼127（單精度浮點(diǎn)數(shù)）存儲(chǔ)-161.875解答-147-為負(fù)數(shù)→S=1十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制：→(10100001.111)2規(guī)范化：→（1.0100001111)2×27E=7+127=134→（10000110）2M=1000011117、譯碼標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)過(guò)程找出S（符號(hào)）、E（指數(shù)）、M（尾數(shù)）如果S為0，表示正數(shù)，否則表示負(fù)數(shù)計(jì)算位移量（E-偏移量）對(duì)尾數(shù)取規(guī)范化計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值添加符號(hào)-148-譯碼標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)示例按余碼127（單精度浮點(diǎn)數(shù)）譯碼內(nèi)存中的(11001010000000000111000100001111)2解答-149-S為1，為負(fù)數(shù)位移量：→E-127=148-127=21→(1.00000000111000100001111)2×221去規(guī)范化→(1000000001110001000011.11)2→2,104,378.75→-2,104,378.758、浮點(diǎn)數(shù)的溢出浮點(diǎn)數(shù)表示法不能存儲(chǔ)絕對(duì)值很大或很小的數(shù)下溢：試圖存儲(chǔ)絕對(duì)值很小的數(shù)導(dǎo)致下溢上溢：試圖存儲(chǔ)絕對(duì)值很大的數(shù)導(dǎo)致上溢-150-9、存儲(chǔ)零理論上講，標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)無(wú)法存儲(chǔ)實(shí)數(shù)0.0特殊處理，為了解決這個(gè)特例，約定在這種情況下，S、E、M的值均為0-151-10、截?cái)嗾`差使用浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)實(shí)數(shù)時(shí)，可能會(huì)存在誤差如使用余碼127存儲(chǔ)(111111111111111.1111111111111)2規(guī)范化后得到(1.111111111111111111111111111)2意味著尾數(shù)有27個(gè)1，需要被截?cái)酁?3個(gè)1，從而造成了存儲(chǔ)誤差（稱(chēng)為截?cái)嗾`差）在高精度應(yīng)用領(lǐng)域，需要更多位數(shù)存儲(chǔ)要求更高的浮點(diǎn)數(shù)-152-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-153-存儲(chǔ)文本任何語(yǔ)言中，文本都是由一系列符號(hào)構(gòu)成。如英文由26個(gè)字母(大寫(xiě)和小寫(xiě))、數(shù)字符號(hào)、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等構(gòu)成。表示文本時(shí)，需要使用位模式表示構(gòu)成文本的每一個(gè)符號(hào)。-154-存儲(chǔ)文本的位模式長(zhǎng)度這取決于該語(yǔ)言集中到底有多少個(gè)不同的符號(hào)。某種語(yǔ)言中的符號(hào)越多，則需要更長(zhǎng)的位模式。-155-在一種語(yǔ)言中，到底需要多少位的位模式來(lái)表示一個(gè)符號(hào)?符號(hào)數(shù)量與位模式長(zhǎng)度關(guān)系-156-代碼不同的位模式構(gòu)成的集合被設(shè)計(jì)用于表示文本符號(hào)。每個(gè)集合被稱(chēng)為代碼(code)，表示符號(hào)的過(guò)程被稱(chēng)為編碼(coding)。常用的代碼有ASCII碼Unicode其它編碼-157-ASCII碼美國(guó)信息交換碼，使用7位位模式表示英文中的符號(hào)，可以表示128種不同符號(hào)。編碼范圍從0000000到1111111。31種控制字符(不可打印的字符)。數(shù)字字符(0to9)編碼在字母字符之前。大寫(xiě)字母(A…Z)編碼在小寫(xiě)字母(a…z)之前，相同的大小寫(xiě)字母位模式差異在于右起第六位(值差32)-158-ASCII碼字符集-159-Unicode使用32位表示符號(hào)，最多可表示232個(gè)符號(hào)。代碼的不同部分被分配，用于表示來(lái)自世界上不同語(yǔ)言的符號(hào)-160-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-161-音頻音頻是一種隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬數(shù)據(jù)一段時(shí)間內(nèi)，擁有無(wú)限數(shù)量的觀測(cè)值，不可能完全存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；采用離散采樣的策略，觀測(cè)離散時(shí)間點(diǎn)上的音頻信號(hào)強(qiáng)度。-162-1、采樣采樣及采樣率在模擬信號(hào)上選擇數(shù)量有限的點(diǎn)來(lái)度量它們的值并記錄下來(lái)，通過(guò)記錄的值來(lái)表現(xiàn)模擬信號(hào)。采樣率：每秒鐘采樣的次數(shù)；采樣率越高，則占用更多的存儲(chǔ)空間，效果約好；對(duì)于音頻信號(hào)，每秒采樣400000次的效果已經(jīng)足夠好。-163-2、量化量化處理每個(gè)樣本測(cè)量得到的是真實(shí)的數(shù)字，需要使用一定的數(shù)據(jù)類(lèi)型記錄樣本值；使用無(wú)符號(hào)整數(shù)是一種簡(jiǎn)單的處理方式；量化就是將樣本值截取到最接近的整數(shù)值的過(guò)程。-164-3、編碼編碼及存儲(chǔ)量化后的數(shù)值需要編碼成位模式。有的系統(tǒng)使用無(wú)符號(hào)整數(shù)表示樣本量化后的值，有的系統(tǒng)采用符號(hào)加絕對(duì)值形式表示量化后的值。位深度存儲(chǔ)每個(gè)樣本值分配的二進(jìn)制位數(shù)位率單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)位數(shù)位深度為B，采樣率為S，則位率為S×R（存儲(chǔ)每秒音頻需要的位數(shù)）-165-4、聲音編碼標(biāo)準(zhǔn)主流標(biāo)準(zhǔn)：MP3（MPEGLayer3）用于視頻壓縮方法的MPEG標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)修改版采樣率：44100位深度：16采樣后，通過(guò)去除人耳無(wú)法識(shí)別的信息的壓縮方法進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，壓縮方法參見(jiàn)第15章。-166-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-167-圖像種類(lèi)-168-1、位圖（光柵圖）模擬的照片不可能完全存儲(chǔ)照片是模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是隨空間連續(xù)變化的顏色值；通過(guò)采樣的方法，測(cè)量離散點(diǎn)處的顏色值。照片的采樣（掃描）圖像被分解成小的像素,每個(gè)像素是一個(gè)小點(diǎn)。把圖像分解為像素之后，每個(gè)像素假定為單獨(dú)的顏色值解析度（分辨率）：圖像掃描過(guò)程中，定義圖像需要記錄像素?cái)?shù)的度量，通過(guò)需要掃描的行、列數(shù)表示。色彩深度：記錄每個(gè)像素顏色所使用的位模式長(zhǎng)度。-169-真彩色圖像真彩色的特點(diǎn)使用24位來(lái)編碼表示一個(gè)像素的顏色基于三原色原理（RGB），使用8位表示每種顏色分量，每種顏色的強(qiáng)度介于0~255之間總共可以表示224（約16萬(wàn)）種顏色-170-索引色調(diào)色板技術(shù)（索引色）真彩色可表示16萬(wàn)種顏色，許多應(yīng)用中并不需要，且占用較大的空間從大的顏色集中選擇一些顏色（通常256種）并對(duì)其建立索引（取值0~255）掃描圖像時(shí)，對(duì)每個(gè)像素，使用索引值表示其顏色。-171-索引色使用索引色方案減少了圖像的存儲(chǔ)空間通常建立256個(gè)索引，以8位位模式存儲(chǔ)每個(gè)像素顏色真彩色圖像，每個(gè)像素需要24位位模式存儲(chǔ)以300萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)拍攝的數(shù)碼照片為例-172-圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)JPEG（聯(lián)合圖像專(zhuān)家組）使用真彩色模式，但通過(guò)壓縮技術(shù)來(lái)減少存儲(chǔ)位數(shù)，具體參見(jiàn)第15章GIF（圖形交換格式）使用索引色模式-173-2、矢量圖光柵圖的缺點(diǎn)文件尺寸太大；放大圖像會(huì)出現(xiàn)失真（馬賽克）。矢量圖矢量圖編碼方案并不存儲(chǔ)每個(gè)像素的顏色值；圖形被分解成幾何圖形的組合，如線段、矩形、圓等每個(gè)幾何圖形由數(shù)學(xué)公式表達(dá)，如線段由端點(diǎn)坐標(biāo)描述矢量圖由定義如何繪制這些形狀的一系列指令構(gòu)成。-174-矢量圖的輸出過(guò)程現(xiàn)實(shí)或打印矢量圖形時(shí)，將圖像尺寸作為參數(shù)輸入給系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)公式重新計(jì)算并生成圖像（光柵圖）每次繪制圖像，都要重新計(jì)算一次，矢量圖也被稱(chēng)為幾何模型或面向?qū)ο髨D形。圖像縮放不會(huì)影響質(zhì)量，但需要更多的處理時(shí)間。示例，繪制圓形需要的參數(shù)圓的半徑r圓心的位置繪制的線型和顏色填充的類(lèi)型和顏色-175-矢量圖應(yīng)用矢量圖不適合存儲(chǔ)非常精細(xì)的照片級(jí)圖像，應(yīng)該采用JPEG或GIF等柵格圖像格式存儲(chǔ)矢量圖適合通過(guò)幾何元素來(lái)創(chuàng)建圖像的應(yīng)用，如Flash應(yīng)用、創(chuàng)建TrueType字體和PostScrirpt字體計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）也使用矢量圖進(jìn)行工程繪圖-176-本章內(nèi)容安排數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)數(shù)字存儲(chǔ)文本存儲(chǔ)音頻存儲(chǔ)圖像存儲(chǔ)視頻-177-矢量圖應(yīng)用視頻視頻是圖像（幀）在時(shí)間上的表示。視頻是一系列幀連續(xù)播放而形成的運(yùn)動(dòng)圖像。視頻是隨空間和時(shí)間變化的色彩信息表示。視頻的存儲(chǔ)存儲(chǔ)視頻的本質(zhì)，就是逐幀存儲(chǔ)每一個(gè)幀的圖像。視頻通常壓縮存儲(chǔ)，參見(jiàn)第15章。-178-第04章數(shù)據(jù)運(yùn)算

本章內(nèi)容安排邏輯運(yùn)算移位運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算-180-邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算的分類(lèi)位層次上的邏輯運(yùn)算：對(duì)1位二進(jìn)制位執(zhí)行邏輯運(yùn)算模式層次上的位運(yùn)算：對(duì)n位位模式逐位執(zhí)行邏輯運(yùn)算-181-1、位層次上的邏輯運(yùn)算位和邏輯運(yùn)算一個(gè)位可能是0或1，假設(shè)0代表“假”，1代表“真”可以運(yùn)用布爾代數(shù)中定義的運(yùn)算去操縱二進(jìn)制位，從而處理邏輯運(yùn)算?；具\(yùn)算非（NOT）：一元運(yùn)算，只有1個(gè)輸入。與（AND）：二元運(yùn)算?；颍∣R）：二元運(yùn)算。異或（XOR）：二元運(yùn)算。-182-真值表-183-非（NOT）只有1個(gè)輸入，輸出為輸入的反轉(zhuǎn)輸入0，輸出為1輸入1，輸出為0-184-與（AND）2個(gè)輸入，真值表有4行只有當(dāng)兩個(gè)輸入都為1時(shí)，輸出為1其它情況，輸出為0-185-Forx=0or1xAND0→00ANDx→0或（OR）2個(gè)輸入，真值表有4行只有當(dāng)兩個(gè)輸入都為0時(shí)，輸出為0其它情況，輸出為1-186-Forx=0or1xOR1→11ORx→1異或（XOR）2個(gè)輸入，真值表有4行兩個(gè)輸入不同（相異）時(shí)，輸出為1兩個(gè)輸入相同時(shí)，輸出為0-187-Forx=0or1

1XORx→NOTxxXOR1→NOTx2、模式層次上的邏輯運(yùn)算相同的運(yùn)算符（NOT、ADN、OR、XOR）可以運(yùn)用到n位位模式上對(duì)n位位模式逐位執(zhí)行相同的邏輯運(yùn)算-188-邏輯運(yùn)算示例問(wèn)題對(duì)位模式10011000執(zhí)行NOT運(yùn)算解答-189-邏輯運(yùn)算示例問(wèn)題對(duì)位模式10011000和00101010執(zhí)行AND運(yùn)算解答-190-Forx=0or1xOR1→11ORx→1邏輯運(yùn)算示例問(wèn)題對(duì)位模式10011001和00101110執(zhí)行OR運(yùn)算解答-191-邏輯運(yùn)算示例問(wèn)題對(duì)位模式10011001和00101110執(zhí)行XOR運(yùn)算解答-192-3、應(yīng)用求反通過(guò)NOT運(yùn)算可以對(duì)整個(gè)模式求反對(duì)指定位復(fù)位（置0）通過(guò)構(gòu)造第二個(gè)輸入（掩碼），執(zhí)行AND運(yùn)算，可以對(duì)一個(gè)位模式的指定位復(fù)位掩碼中設(shè)置為0的位，AND運(yùn)算后第一個(gè)輸入中對(duì)應(yīng)位被復(fù)位；掩碼中為1的位，運(yùn)算后第一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)位保持不變。-193-復(fù)位示例問(wèn)題設(shè)置掩碼，復(fù)位8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗(yàn)證解答-194-掩碼為：00000111應(yīng)用對(duì)指定位置位（置1）構(gòu)造掩碼，執(zhí)行OR運(yùn)算，可以對(duì)位模式指定位置位。掩碼中設(shè)置為1的位，運(yùn)算后第一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)位被置位；掩碼中設(shè)置為0的位，運(yùn)算后第一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)位保持不變。對(duì)指定位反轉(zhuǎn)構(gòu)造掩碼，執(zhí)行XOR運(yùn)算，可以對(duì)位模式指定位反轉(zhuǎn)。掩碼中設(shè)置為1的位，運(yùn)算后第一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)位被反轉(zhuǎn)；掩碼中設(shè)置為0的位，運(yùn)算后第一個(gè)輸入對(duì)應(yīng)位保持不變。-195-置位示例問(wèn)題設(shè)置掩碼，置位8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗(yàn)證解答-196-掩碼為：11111000反轉(zhuǎn)示例問(wèn)題設(shè)置掩碼，反轉(zhuǎn)8位位模式的最左5位，以10100110為例進(jìn)行驗(yàn)證解答-197-掩碼為：11111000本章內(nèi)容安排邏輯運(yùn)算移位運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算-198-移位運(yùn)算基本概念移位運(yùn)算移動(dòng)位模式中的位，改變其位置邏輯移位運(yùn)算：不考慮符號(hào)位的移位運(yùn)算算術(shù)移位運(yùn)算：考慮符號(hào)位的移位運(yùn)算-199-1、邏輯移位運(yùn)算邏輯移位運(yùn)算應(yīng)用于無(wú)符號(hào)整數(shù)邏輯移位邏輯右移：每位向右移動(dòng)，左側(cè)補(bǔ)0邏輯左移：每位向左移動(dòng)，右側(cè)補(bǔ)0-200-邏輯移位運(yùn)算邏輯移位運(yùn)算應(yīng)用于無(wú)符號(hào)整數(shù)循環(huán)移位邏輯右移：每位向右移動(dòng)，移出的位補(bǔ)充到左側(cè)邏輯左移：每位向左移動(dòng)，移出的位補(bǔ)充到右側(cè)-201-邏輯移位示例問(wèn)題對(duì)位模式10011000執(zhí)行邏輯左移運(yùn)算解答-202-DiscardedAdded循環(huán)移位示例問(wèn)題對(duì)位模式10011000執(zhí)行循環(huán)左移運(yùn)算解答-203-2、算術(shù)移位運(yùn)算算術(shù)移位運(yùn)算應(yīng)用于二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的帶符號(hào)整數(shù)算術(shù)右移：移動(dòng)過(guò)程中保留符號(hào)位，產(chǎn)生除2的效果算術(shù)左移：移動(dòng)過(guò)程中丟棄符號(hào)位，如果新的符號(hào)位與原來(lái)的符號(hào)相同，運(yùn)算成功，否則產(chǎn)生溢出；算術(shù)左移產(chǎn)生乘2的效果。-204-算術(shù)移位示例問(wèn)題對(duì)位模式10011001執(zhí)行算術(shù)右移運(yùn)算解答-205-原始數(shù)據(jù)為-103，計(jì)算結(jié)果為-52算術(shù)移位示例問(wèn)題對(duì)位模式11011001執(zhí)行算術(shù)左移運(yùn)算解答-206-原始數(shù)據(jù)為-39，計(jì)算結(jié)果為-78算術(shù)移位示例問(wèn)題對(duì)位模式01111111執(zhí)行算術(shù)左移運(yùn)算解答-207-原始數(shù)據(jù)為127，計(jì)算結(jié)果為-2，因?yàn)轭A(yù)期結(jié)果254無(wú)法用8位存儲(chǔ)操縱位的示例問(wèn)題判斷8位位模式的右起第3位是0還是1解答-208-本章內(nèi)容安排邏輯運(yùn)算移位運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算-209-1、整數(shù)的算術(shù)運(yùn)算整數(shù)支持的算術(shù)運(yùn)算整數(shù)支持加、減、乘、除等運(yùn)算乘法和除法可以通過(guò)重復(fù)的加法（減法）來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種編碼格式的運(yùn)算二進(jìn)制補(bǔ)碼的加減法原碼加絕對(duì)值的加減法-210-二進(jìn)制補(bǔ)碼加減法減法運(yùn)算遇到減法時(shí)，對(duì)第二個(gè)數(shù)（減數(shù)）做補(bǔ)碼運(yùn)算后，將減法轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃ā?211-A?B?A+(B+1)用（B+1）表示B的補(bǔ)碼加法運(yùn)算基本方法按最右側(cè)的位對(duì)齊從右開(kāi)始，逐列相加并加上一列的進(jìn)位，“逢二進(jìn)一”最高位進(jìn)位丟棄加法表-212-二進(jìn)制補(bǔ)碼加減法流程-213-二進(jìn)制補(bǔ)碼加法示例問(wèn)題A和B以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算A+BA=(00010001)2B=(00010110)2解答-214-十進(jìn)制檢查：A→17，B→22，A+B→39二進(jìn)制補(bǔ)碼加法示例問(wèn)題A和B以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算A+BA=(00011000)2B=(11101111)2

解答-215-十進(jìn)制檢查：A→24，B→-17，A+B→7二進(jìn)制補(bǔ)碼減法示例問(wèn)題A和B以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算A-BA=(00011000)2B=(11101111)2

解答-216-十進(jìn)制檢查：A→24，B→-17，A-B→41二進(jìn)制補(bǔ)碼減法示例問(wèn)題A和B以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算A-BA=(11011101)2B=(00010100)2

解答-217-十進(jìn)制檢查：A→-35，B→20，A-B→-55二進(jìn)制補(bǔ)碼加法的溢出問(wèn)題A和B以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)，計(jì)算A+BA=(01111111)2B=(00000011)2

解答-218-十進(jìn)制檢查：A→127，B→3，A+B→-126預(yù)期的結(jié)果130無(wú)法存儲(chǔ)，產(chǎn)生溢出在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)，確保參與運(yùn)算的數(shù)以及運(yùn)算結(jié)果在指定位分配可表示的區(qū)間之內(nèi)符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)的加減法符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)的加減法非常復(fù)雜檢查運(yùn)算，如果是減法，變更第二個(gè)數(shù)的符號(hào)位；對(duì)兩個(gè)數(shù)的符號(hào)位執(zhí)行XOR運(yùn)算，結(jié)果為0表示同號(hào)，結(jié)果為1表示異號(hào)；如果符號(hào)相同，絕對(duì)值相加，結(jié)果符號(hào)不變；如果符號(hào)不同，計(jì)算A-B，減法時(shí)，取第二個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼后相加，結(jié)果的符號(hào)取絕對(duì)值大者。若AM≥BM，結(jié)果為正數(shù)，最后結(jié)果取A的符號(hào)；若AM＜BM，結(jié)果為負(fù)數(shù)，對(duì)結(jié)果求補(bǔ)碼，最后結(jié)果取B的符號(hào)-219-符號(hào)加絕對(duì)值整數(shù)的加減法流程-220-符號(hào)加絕對(duì)值加法示例問(wèn)題A和B以符號(hào)加絕對(duì)值形式存儲(chǔ)，計(jì)算A+B

A=(00010001)2B=(10010110)2解答-221-十進(jìn)制檢查：A→17，B→-22，A+B→-5異號(hào)相加，RM=AM+(BM+1)符號(hào)加絕對(duì)值減法示例問(wèn)題A和B以符號(hào)加絕對(duì)值形式存儲(chǔ)，計(jì)算A-B

A=(11010001)2B=(10010110)2解答-222-十進(jìn)制檢查：A→-81，B→-22，A+B→-59減法，對(duì)B求補(bǔ)2、實(shí)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算實(shí)數(shù)支持的算術(shù)運(yùn)算實(shí)數(shù)支持加、減、乘、除等運(yùn)算實(shí)數(shù)的乘法涉及符號(hào)加絕對(duì)值表示的整數(shù)的乘法；實(shí)數(shù)除法涉及符號(hào)加絕對(duì)值表示的整數(shù)的除法。實(shí)數(shù)的加減法以浮點(diǎn)數(shù)格式存儲(chǔ)的實(shí)數(shù)加法和減法，可以簡(jiǎn)化為小數(shù)點(diǎn)對(duì)齊后以符號(hào)加絕對(duì)值格式（符號(hào)加尾數(shù)）存儲(chǔ)的兩個(gè)整數(shù)的加法和減法。-223-實(shí)數(shù)加法示例問(wèn)題展示計(jì)算機(jī)內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計(jì)算過(guò)程解答-225-浮點(diǎn)數(shù)表示實(shí)數(shù)加法示例問(wèn)題展示計(jì)算機(jī)內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計(jì)算過(guò)程解答-226-去規(guī)范化實(shí)數(shù)加法示例問(wèn)題展示計(jì)算機(jī)內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計(jì)算過(guò)程解答-227-對(duì)齊尾數(shù)1000011110000111101000011110000000000000000001011100000000000000實(shí)數(shù)加法示例問(wèn)題展示計(jì)算機(jī)內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計(jì)算過(guò)程解答-228-執(zhí)行符號(hào)加絕對(duì)值加法實(shí)數(shù)加法示例問(wèn)題展示計(jì)算機(jī)內(nèi)(+5.75)+(+161.875)=(+167.625)計(jì)算過(guò)程解答-229-重新規(guī)范化E=(10000110)2=134M=0100111101結(jié)果：(1.0100111101)2×2134?127=167.625第05章計(jì)算機(jī)組成

本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲(chǔ)器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)-231-三大子系統(tǒng)-232-中央處理單元CPU中央處理單元用于數(shù)據(jù)運(yùn)算，包括算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元和寄存器組。-233-1、算術(shù)邏輯單元ALU算術(shù)邏輯單元ALU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、移位和算術(shù)運(yùn)算。邏輯運(yùn)算：與、或、非、異或移位運(yùn)算：邏輯移位和算術(shù)移位算術(shù)運(yùn)算：整數(shù)和實(shí)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算-234-2、寄存器寄存器是用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)寄存器：保存運(yùn)算的中間結(jié)果，可以提高運(yùn)算速度。指令寄存器：CPU負(fù)責(zé)從內(nèi)存中逐條取出指令，暫存在指令寄存器中并解釋執(zhí)行。程序計(jì)數(shù)器：程序計(jì)數(shù)器保存當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址，當(dāng)前指令執(zhí)行完成后，自動(dòng)增1，指向下一條指令的地址。-235-3、控制單元控制單元控制各個(gè)子系統(tǒng)的操作?？刂茊卧ㄟ^(guò)向各子系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。-236-CPU的重要指標(biāo)－時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率CPU的工作過(guò)程是一個(gè)取指令、執(zhí)行指令的周期性過(guò)程，它的“節(jié)拍”由時(shí)鐘發(fā)生器發(fā)出的脈沖決定；時(shí)鐘發(fā)生器在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖次數(shù)就是計(jì)算機(jī)的“時(shí)鐘頻率”，它決定了CPU的工作速度，也稱(chēng)為主頻，單位通常為兆赫茲(MHz)或千兆赫茲(GHz)。-237-本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲(chǔ)器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)-238-主存儲(chǔ)器基本概念主存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)單元的集合。每個(gè)存儲(chǔ)單元用唯一的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行標(biāo)識(shí)，稱(chēng)為地址；數(shù)據(jù)以字為單位在存儲(chǔ)器中傳入和傳出。不同的機(jī)器，字可以取8位、16位、32位或64位。如果字是8位，稱(chēng)為字節(jié)(Byte)。-239-1、地址空間基本概念存取存儲(chǔ)器中的每個(gè)字，需要有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，程序員通常通過(guò)名稱(chēng)來(lái)標(biāo)識(shí)（變量名字），在硬件層次上，都是通過(guò)地址來(lái)標(biāo)識(shí)。在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)的所有獨(dú)立地址單元的總數(shù)稱(chēng)為地址空間。例如，64K字節(jié)存儲(chǔ)器、字長(zhǎng)為1字節(jié)的系統(tǒng)具有范圍為0~65535的地址空間。-240-存儲(chǔ)單位-241-Unit

------------千字節(jié)兆字節(jié)千兆字節(jié)兆兆字節(jié)千兆兆字節(jié)兆兆兆字節(jié)字節(jié)數(shù)

------------------------210Bytes220Bytes230Bytes240Bytes250Bytes260Bytes近似值

------------103Bytes106Bytes109Bytes1012Bytes1015Bytes1018Bytes1KB=1024B1MB=1024KB=1024*1024B1GB=1024MB=1024*1024*1024B1TB=1024GB=1024*1024*1024*1024B地址的位模式表示計(jì)算機(jī)中使用位模式存儲(chǔ)地址位模式長(zhǎng)度取決于地址空間的大小地址空間為64K（216），字長(zhǎng)為1個(gè)字節(jié)，需要使用16位位模式存儲(chǔ)地址地址使用無(wú)符號(hào)整數(shù)定義，地址空間為64K，則地址范圍為0000000000000000～1111111111111111-242-計(jì)算地址的位模式長(zhǎng)度示例問(wèn)題臺(tái)計(jì)算機(jī)有32MB主存，需要多少位來(lái)尋址內(nèi)存中的任意一個(gè)字節(jié)？解答-243-32MB=25×220=225B需要25位地址標(biāo)識(shí)每一個(gè)字節(jié)。計(jì)算地址的位模式長(zhǎng)度示例問(wèn)題一臺(tái)計(jì)算機(jī)有128MB內(nèi)存，計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為8個(gè)字節(jié)，需要多少位來(lái)尋址內(nèi)存中的任意一個(gè)單字？解答-244-128MB=227B=224×8B需要24位地址標(biāo)識(shí)內(nèi)存中的每一個(gè)字2、存儲(chǔ)器類(lèi)型-245-RAMROMSRAMDRAMPROMEPROMEEPROMRAM：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM是主存的主要組成部分。RAM具有可隨機(jī)讀寫(xiě)、易失性特點(diǎn)。SRAM：靜態(tài)RAM，使用觸發(fā)器門(mén)電路保存數(shù)據(jù)，速度快但價(jià)格昂貴。DRAM：動(dòng)態(tài)RAM，使用電容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，充電為1，放電狀態(tài)為0。需要周期性刷新，速度慢但價(jià)格便宜。-246-ROM：只讀存儲(chǔ)器ROM是只讀存儲(chǔ)器，內(nèi)容由制造商寫(xiě)入，具有只讀、非易失性特點(diǎn)。PROM：可編程只讀存儲(chǔ)器，出廠時(shí)空白，借助特殊設(shè)備可一次寫(xiě)入內(nèi)容。EPROM：可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器，借助紫外線裝置可擦除內(nèi)容，然后可重新寫(xiě)入。EEPROM：電可擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器，使用電子脈沖即可擦除和編程寫(xiě)入-247-3、存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存取速度快的存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴，通常采用層次配置對(duì)速度要求苛刻的場(chǎng)合，配置少量高速存儲(chǔ)器，如CPU中的寄存器；用適量中速的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)需要經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)；用大量低速存儲(chǔ)器存儲(chǔ)大量不經(jīng)常訪問(wèn)的數(shù)據(jù)。-248-4、高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器速度比主存快，但比CPU內(nèi)部的寄存器要慢，介于CPU和內(nèi)存之間作為內(nèi)存和CPU之間緩沖，可提高系統(tǒng)性能；高速緩存的配置較少，會(huì)保存主存一部分內(nèi)容的副本。-249-高速緩沖存儲(chǔ)器基本原理CPU要存取主存中的一個(gè)字時(shí)，首先檢查高速緩存；如果存在，直接存??；如果不存在，從主存中拷貝包含欲存取字的數(shù)據(jù)塊至高速緩存，CPU從高速緩存中存取數(shù)據(jù)。提高整體訪問(wèn)性能計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)具有連續(xù)性；根據(jù)合理的預(yù)測(cè)技術(shù)，使得從高速緩存訪問(wèn)數(shù)據(jù)的命中率很高。-250-本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲(chǔ)器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連程序執(zhí)行不同的體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單計(jì)算機(jī)-251-非存儲(chǔ)設(shè)備非存儲(chǔ)設(shè)備提供CPU與外界的通信，但不能存儲(chǔ)信息鍵盤(pán)：提供輸入功能監(jiān)視器：顯示輸出打印機(jī)：產(chǎn)生永久記錄的輸出設(shè)備其它：鼠標(biāo)、操縱桿、掃描儀等-252-存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備可存儲(chǔ)大量信息以備后用，速度比主存慢但價(jià)格便宜。存儲(chǔ)的信息不易丟失，稱(chēng)為輔助存儲(chǔ)設(shè)備。磁介質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備：使用磁性來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)磁性介質(zhì)的磁化表示1，消磁表示0磁盤(pán)磁帶光存儲(chǔ)設(shè)備-253-1、磁盤(pán)－物理布局磁盤(pán)由多張盤(pán)片疊加而成，每個(gè)盤(pán)片上的讀/寫(xiě)磁頭控制數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。-254-磁盤(pán)－物理布局磁盤(pán)表面結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在磁盤(pán)表面磁道：每個(gè)盤(pán)面被劃分為磁道，磁道之間有內(nèi)部間隔。扇區(qū)：每個(gè)磁道被劃分為若干扇區(qū)，扇區(qū)之間也有內(nèi)部間隔-255-磁盤(pán)－數(shù)據(jù)存取磁盤(pán)是一種隨機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)項(xiàng)可以被隨機(jī)存??；某個(gè)時(shí)間可以讀取的最小存儲(chǔ)區(qū)域只能是一個(gè)扇區(qū)。-256-磁盤(pán)－性能角速度：定義磁盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度，決定特定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀/寫(xiě)磁頭下方的時(shí)間。尋道時(shí)間：讀/寫(xiě)磁頭尋找數(shù)據(jù)所在磁道的時(shí)間。傳送時(shí)間：將數(shù)據(jù)從磁盤(pán)移動(dòng)到CPU/內(nèi)存所需要的時(shí)間。-257-2、磁帶-258-磁帶－表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)劃分為9個(gè)磁道，每道上每個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)1個(gè)位垂直的切面9個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)，1位用于錯(cuò)誤檢測(cè)-259-磁帶－數(shù)據(jù)存取和性能數(shù)據(jù)存取磁帶是順序存取設(shè)備，雖然磁帶表面可能會(huì)分成若干塊，但缺乏尋址機(jī)制；要想讀取指定的塊，必須順序通過(guò)其前面的所有塊。性能磁帶速度比磁盤(pán)慢，但非常便宜，常用于大量數(shù)據(jù)的備份。-260-3、光存儲(chǔ)設(shè)備光存儲(chǔ)設(shè)備采用光（激光）技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)。使用CD主要用來(lái)保存音頻信息現(xiàn)在，同樣的技術(shù)用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)信息CD-ROM：只讀光盤(pán)CD-R：可刻錄光盤(pán)CD-RW：可重寫(xiě)光盤(pán)DVD：數(shù)字多功能光盤(pán)-261-CD-ROM：制作與讀-262-制造主盤(pán)，有坑表示1，沒(méi)有表示0制作模盤(pán)：模具批量制作光盤(pán)通過(guò)反射強(qiáng)度的差異，讀出數(shù)據(jù)CD-ROM：格式CD-ROM光盤(pán)只有一條螺旋磁道(光道)，從中心旋轉(zhuǎn)向外；光盤(pán)的磁道劃分為扇區(qū)，每扇區(qū)通常存儲(chǔ)2352位-263-CD-ROM：速度衡量CD-ROM驅(qū)動(dòng)器讀取數(shù)據(jù)速度以153600B/s為基準(zhǔn)(稱(chēng)為單倍速)，當(dāng)前光驅(qū)速度均是此速度的整數(shù)倍數(shù)-264-速度------------1x2x4x6x8x12x16x24x32x40x數(shù)據(jù)傳輸率

------------------------153,600

B/s307,200

B/s614,400

B/s921,600

B/s1,228,800

B/s1,843,200

B/s2,457,600B/s3,688,400

B/s4,915,200B/s6,144,000B/s近似值

------------150KB/s300KB/s600KB/s900KB/s1.2MB/s1.8MB/s2.4MB/s3.6MB/s4.8MB/s6MB/sCD-RCD-ROM適合生產(chǎn)商大批量生產(chǎn)，CD-R可進(jìn)行一次性刻錄，稱(chēng)為WORM(寫(xiě)一次，讀多次)，用于少量的數(shù)據(jù)備份。反射層使用金。增加染料層保存數(shù)據(jù)，通過(guò)燒制顏色的深淺模擬凹坑和紋間表面-265-CD-R：讀寫(xiě)-266-CD-RWCD-RW是可重寫(xiě)光盤(pán)。制作光盤(pán)的原理與CD-R類(lèi)似，通過(guò)合金層存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用合金的兩種狀態(tài)模擬坑和紋間表面。擦除：通過(guò)激光改變合金狀態(tài)，使其變成紋間表面狀態(tài)-267-DVDCD-ROM存儲(chǔ)容量（650M）已經(jīng)不能滿(mǎn)足視頻信息的存儲(chǔ)需求，DVD是新一代光存儲(chǔ)設(shè)備。坑更?。淮诺篱g更為緊密；使用紅激光代替紅外激光；使用1~2個(gè)存儲(chǔ)層，可以是單面或雙面。用于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。-268-DVD－容量-269-特征

-----------------------單面、單層D5單面、雙層D9雙面、單層D10雙面、雙層D18容量

------------4.7GB8.5GB9.4GB17GBDVD使用MPEG技術(shù)進(jìn)行壓縮（參見(jiàn)第15章），單面、單層DVD可以存儲(chǔ)133分鐘高品質(zhì)視頻。本章內(nèi)容安排中央處理單元主存儲(chǔ)器輸入/輸出子系統(tǒng)子系統(tǒng)的互連