計算機導論第1章計算機發(fā)展簡史目錄CONTENTS03計算機的分類01電子計算機的誕生02電子計算機的發(fā)展040506計算機的特點計算機的應用領域中國計算機發(fā)展簡史電子計算機的誕生早期計算工具；機械計算機；機電計算機；電子計算機/01早期計算工具手指：最早幫助人們計數（計算）的工具是人的手指，十進制計數法是人們最習慣的計數方式。結繩：事大，大結其繩，事小，小結其繩；結之多少，隨物眾寡。算籌：我國古代著名數學家祖沖之的圓周率（3.1415926~3.1415927）就是借助算籌計算出來的。

成語“運籌帷幄之中，決勝千里之外”的籌也是指算籌。

算盤：算盤（珠算）是我國古代的重大發(fā)明，距今已有1800多年的歷史，被譽為“世界上最古老的計算機”。2013年12月4日，聯(lián)合國教科文組織正式將中國珠算列入人類非物質文化遺產名錄。在現代電子計算器普及之前，我國最常用的日常簡易計算工具就是算盤，一直應用到20世紀80~90年代。計算尺：利用對數原理，把要計算的數字轉換成度量尺的數碼，對這些數碼進行處理，得出計算結果。早期計算工具1642年，法國科學家帕斯卡（帕斯卡定律的發(fā)現者）發(fā)明了齒輪式能進行加減法運算的機械計算機Pascaline。1673年，德國數學家萊布尼茨建造了一臺能進行加減乘除四則運算的機械式手搖計算機。1872年，美國人弗蘭克·鮑德溫開始建立美國的手搖計算機工業(yè)。在電子計算器出現之前，手搖計算機是得到廣泛使用的計算工具。機械計算機1822年，英國數學家巴貝奇研制成功差分機。差分機由多個直立的銅柱組成，每個銅柱上等距離地垂直裝配有6個齒輪，每個齒輪對應的字輪上都刻有數字0～9，不同位置的字輪代表十進制數的不同位，通過齒輪彼此間的咬合傳動完成自動計算。1834年，巴貝奇設計出了分析機模型，這個模型包括了現代計算機所具有的5個基本組成部分：輸入裝置、輸出裝置。存儲裝置、控制裝置。資料處理裝置（用于完成運算）。機械計算機1886年美國統(tǒng)計學家霍勒瑞斯用電磁繼電器代替一部分機械元件，制成了第一臺機電穿孔卡系統(tǒng)—制表機。由于繼電器是一種集機械、電子元件于一體的器件，所以以繼電器為主要元件的計算機稱為機電計算機。1896年霍勒瑞斯成立了制表機公司，1911年制表機公司與另兩外兩家公司合并，成立了CTR公司，1924年CTR公司改名為IBM公司。機電計算機1941年，德國工程師朱斯研制成功全部采用繼電器的計算機Z-3。1944年，美國哈佛大學教授艾肯設計的部分采用繼電器的機電計算機—馬克一號投入運行。1947年，艾肯又領導研制成功一臺全部使用繼電器的機電計算機—馬克二號。機電計算機1937年，美國衣阿華州立學院的阿塔納索夫教授就開始進行研制電子計算機的探索，提出了電子計算機設計方案，并與貝利合作在1942年研制出名為ABC的世界上第一臺電子計算機。第一臺電子計算機1946年2月15日，世界上第一臺通用電子計算機—電子數字積分和計算機（ENIAC，埃尼阿克）在美國賓夕法尼亞大學誕生。電子計算機ENIAC的設計者莫奇利曾經參觀過ABC樣機，并看過阿塔納索夫關于電子計算機設計的記事本。36歲的莫奇利提出總體設計，24歲的埃克特負責工程技術問題。第一臺通用電子計算機第一臺通用電子計算機埃尼阿克（ENIAC）的基本信息占地面積170平方米，耗資近49萬美元，重30噸。使用了大約18000只電子管，1500個繼電器，70000只電阻，18000只電容。運算速度為每秒5000次加法。作為歷史上第一臺投入使用的電子計算機，ENIAC是計算工具發(fā)展史上的重要里程碑。1944年夏天，ENIAC研制組的重要成員戈爾斯坦偶遇著名數學家馮·諾依曼，后者詳細了解了正在研制中的ENIAC的特點及不足。1945年6月30日，馮·諾依曼和ENIAC研制小組共同總結的EDVAC設計方案發(fā)布，基于EDVAC方案的計算機稱為馮?諾依曼計算機。馮?諾依曼計算機的技術要素：存儲程序、二進制、5個基本組成部分。馮?諾依曼計算機馮·諾依曼在數學、應用數學、物理學、博弈論和數值分析等領域都有杰出的貢獻。他的數學功底為進行計算機的邏輯設計奠定了堅實的基礎。電子計算機的發(fā)展第一代至第四代計算機；第五代計算機；量子計算機；計算機的發(fā)展趨勢/02第一代計算機主要特點用電子管代替機械齒輪和繼電器作為基本元器件，運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次。采用二進制形式存儲數據。程序設計語言為機器語言和匯編語言。程序可以存儲，使用水銀延遲線、靜電存儲管、磁鼓、磁芯等作為存儲器。輸入輸出裝置主要用穿孔卡片，速度很慢。第一代計算機應用領域在主要用于科學計算的同時，開始應用于數據處理領域。代表機型

IBM700系列。第二代計算機主要特點用晶體管代替了電子管。采用磁芯存儲器作主存（內存）、磁盤與磁帶作輔存（外存）。出現了Fortran等高級語言，出現了操作系統(tǒng)的雛形—監(jiān)控程序。出現了超級計算機。第二代計算機應用領域科學計算：數據量不大，運算強度大。數據處理：數據量大，訪問量大，運算強度不大。實時控制：實時性要求高。代表機型IBM7000系列。第三代計算機主要特點用集成電路取代了晶體管，體積大為縮小。用半導體存儲器淘汰了磁芯存儲器。走向了系列化、通用化和標準化。操作系統(tǒng)有了很大發(fā)展，出現了結構化、模塊化程序設計方法。出現了價格便宜的小型計算機，拓展了計算機的應用范圍。第三代計算機應用領域應用領域進一步拓展。代表機型IBM360

系統(tǒng)。第四代計算機主要特點用微處理器或超大規(guī)模集成電路取代了普通集成電路。存儲容量進一步擴大。高級程序設計語言得到廣泛應用。微型計算機進入了千家萬戶。第四代計算機主要特點互聯(lián)網廣泛應用，形成所謂的地球村。超級計算機也得到快速發(fā)展。移動互聯(lián)網、大數據、人工智能、物聯(lián)網等現代信息技術廣泛應用于人們的日常工作與生活中。第四代計算機應用領域幾乎覆蓋到人類生活的各個領域。代表機型IBM4300系列、3080系列、3090系列、eServerz900系列、eServerz990系列、zEnterpriseEC12系列、z15、z16。聯(lián)想、惠普、戴爾的臺式機/筆記本，蘋果的iPad。第五代計算機研究目標20世紀80年代初，日本、美國等國家先后提出了研制第五代計算機的計劃。研究目標是打破馮·諾依曼計算機的體系結構，實現計算機的智能化，主要包括知識庫、推理機和智能化的人機接口等三個主要組成部分，知識庫用于存放知識，推理機就是具有推理功能的程序，人機接口用于人操作使用計算機。由于各種因素的制約，并沒有完全實現預期的研究目標，所以目前使用的計算機仍屬于第四代計算機。量子計算機量子計算機的概念在人們繼續(xù)開發(fā)新技術不斷提高電子計算機性能的同時，也在進行量子計算機、生物計算機和光計算機等新一代計算機的研究和探索。其中，近幾年量子計算機的研制有比較大的進展。。量子計算機是一種基于量子力學理論和量子器件進行數據存儲和數據處理的計算機。量子器件是以量子效應為工作基礎的器件。量子計算機被認為是最有應用前景的新一代計算機技術，在破解最復雜的密碼系統(tǒng)、設計新材料、模擬氣候變化以及實現人工智能等方面將會發(fā)揮重要作用。量子計算機量子計算機的進展在2019年初舉行的美國消費類電子產品展覽（CES）大會上，IBM推出了首個專為科學和商業(yè)用途設計的集成通用量子計算機IBMQSystemOne。2019年10月，谷歌宣布其設計的量子處理器Sycamore在200秒內完成的任務，需要當時世界上最快的超級計算機運算1萬年。2020年12月，中國科學技術大學成功構建76個光子的量子計算原型機“九章”，當求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣問題時，“九章”只需200秒，而當時世界最快的超級計算機要用6億年。量子計算機量子計算機的進展2022年8月，百度正式對外發(fā)布其第一臺產業(yè)級超導量子計算機—“乾始”，集量子硬件、量子軟件、量子應用于一體，提供移動端、PC端、云端等在內的全平臺使用方式。2023年3月27日，日本理化學研究所研制的第一臺日本國產、量子比特數為64的量子計算機投入使用，大學等機構的研究人員可線上使用這臺量子計算機。量子計算機量子計算機的進展2024年1月6日，由我國本源量子計算科技（合肥）股份有限公司自主研發(fā)的第三代超導量子計算機“本源悟空”上線，并向全球用戶限時免費開放，接收全球量子計算任務。“本源悟空”搭載72位自主超導量子芯片“悟空芯”，是目前我國最先進的可編程、可交付超導量子計算機。截至2024年2月1日上午11時，全球遠程訪問“本源悟空”已突破100萬人次，共收到全球量子計算運算任務155285條，已完成其中的142233個運算任務。量子計算機量子計算機的進展

“本源悟空”量子計算機量子計算機量子計算機的發(fā)展前景雖然量子計算機的研發(fā)近些年取得了令人矚目的進展，并在某些特定計算任務上取得了遠超電子計算機的性能，但實現可容錯通用量子計算、利用量子計算機解決通用的實際問題還有很長的路，還有許多難題需要研究解決。計算機的發(fā)展趨勢巨型化巨型化是指計算機的運算速度特別快、存儲容量特別大、功能特別強，當然體積也大、成本也高。巨型機可以解決一些特別復雜的高強度計算難題，如中長期天氣預報、地震監(jiān)測預報、地質勘探等。巨型機一般安裝在超級計算中心。目前，我國分別在天津、廣州、深圳、長沙、濟南、無錫、鄭州、昆山、西安、成都、太原等地設有國家超級計算中心。計算機的發(fā)展趨勢微型化在保持計算機功能的前提下，使其體積越來越小。臺式機、筆記本、平板電腦、智能手機等都是微型化的計算機。計算機的發(fā)展趨勢網絡化實現網絡化，才能真正做到即時通信、資源共享、協(xié)同工作，計算機才能發(fā)揮更大的作用，給人們的日常工作和生活帶來更大的便利。計算機的發(fā)展趨勢智能化如何讓計算機具有人腦的智能，模擬人的推理、聯(lián)想、思維等功能，是一個重要發(fā)展方向。近幾年人臉識別、語音識別、機器翻譯、智慧醫(yī)療、內容生成等領域都有實用產品出現。計算機的分類超級計算機；大型計算機；微型計算機；工作站；服務器；嵌入式計算機/03計算機的分類超級計算機體積最大、速度最快、功能最強、價格也最高。主要為國家安全、空間技術、天氣預報、石油勘探、生命科學等領域的高強度計算服務。美國的前沿（Frontier）、我國的神威·太湖之光都屬于超級計算機。計算機的分類大型計算機高性能大容量的通用計算機，標準化的體系結構和批量生產。在銀行、稅務、大型企業(yè)、大型工程設計等領域得到廣泛應用。IBM公司的zEC12、z16等是代表機型。計算機的分類微型計算機微型計算機主要包括臺式計算機、筆記本計算機、平板電腦等。2022年全球微型計算機的銷售總量為2.92億臺，聯(lián)想、惠普和戴爾排名前三。計算機的分類工作站配備有大屏幕顯示器、大容量存儲器和圖形加速卡的微型計算機。工作站多用于計算機輔助設計和圖形（圖像）處理等，大屏幕用于顯示復雜的圖形（圖像），圖形加速卡用于三維圖形(圖像)計算，大容量存儲器用于存儲更多的數據。計算機的分類服務器通過網絡為客戶端計算機提供各種服務的高性能計算機。強調高速的運算能力、長時間的可靠運行、強大的外部數據吞吐能力。在銀行、電信等大型企業(yè)的核心系統(tǒng)中，使用大型機作服務器比較多。在更多的中小單位中使用高檔PC機作服務器。計算機的分類嵌入式計算機嵌入式計算機就是嵌入到其他設備中并控制其工作的計算機系統(tǒng)，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務的環(huán)境。計算機的特點運算速度快；運算精度高；記憶能力強；判斷能力好；自動運行/04計算機的特點運算速度快現代計算機一誕生就顯示了其在運算速度上的優(yōu)勢，第一臺通用電子計算機（ENIAC）的運算速度是每秒5000次加法，雖然現在看起來是非常慢的，但在當時卻是世界上運算速度最快的計算工具?，F在世界上最快的計算機的運算速度已超過每秒110億億次浮點運算。在國防建設、石油勘探、航空航天和天氣預報等領域，快速的高性能計算機有著特殊重要的作用。計算機的特點運算精度高我國古代著名數學家祖沖之用算籌計算出圓周率π的值在3.1415926～3.1415927之間，算出這個精度比西方早了一千多年。英國數學家威廉·尚克斯整整用了15年的時間，才把圓周率π的值計算到小數點后707位。但后人經驗證發(fā)現從第528位開始是錯誤的。1949年，兩位科學家使用“埃尼阿克（ENIAC）”耗時70小時將π的值計算到小數點后2037位，這是第一次使用計算機計算圓周率。2021年，瑞士研究人員使用一臺超級計算機，歷時108天，將π的值計算到小數點后62.8萬億位。計算機的特點記憶能力強如果按純文本方式存儲，目前常用的1TB的硬盤可以存儲50萬冊100萬字的大部頭書籍，相當于一個中型圖書館的藏書量。計算機的特點判斷能力好計算機和人下棋/機器人足球比賽/無人駕駛汽車等。AlphaGo圍棋程序在和國際圍棋大師對弈時，就需要根據對手的走步，判斷出其意圖，然后給出自己的走步，化解對方的威脅，增加自己的優(yōu)勢，直至獲勝。計算機的特點自動運行在程序控制下自動運行，這也是計算機最本質的特點?；鹦翘綔y器/月球探測器/宇宙飛船等。計算機自動運行的依據是程序（軟件），是人們事先編好并存儲在計算機中的程序。計算機的應用領域科學計算；信息處理；過程控制；計算機輔助系統(tǒng)；人工智能；網絡應用/05計算機應用領域科學計算大型工程設計、航空航天、石油勘探、核能利用、地震監(jiān)測預報和天氣預報等高強度計算領域，都是計算機用于科學計算的用武之地。計算機應用領域信息處理各種信息管理系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)。是計算機應用最廣泛的領域，其特點是數據量很大、訪問量很大。計算機應用領域過程控制火星探測器、宇宙飛船、汽車自動裝配、數控機床、自動化生產線等都需要計算機控制。其特點是失之毫厘，差之千里。

計算機應用領域計算機輔助系統(tǒng)計算機輔助設計（CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助軟件工程（CASE）等。極大地減輕了從業(yè)人員的工作強度，提高了工作效率和質量。計算機應用領域人工智能2016年阿爾法圍棋程序（AlphaGo）戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石，2017年AlphaGoMaster戰(zhàn)勝排名世界第一的世界圍棋冠軍柯潔。2022年以來，ChatGPT、Sora、文心一言等大模型陸續(xù)推出。人工智能在計算機視覺、語音識別、機器翻譯、智能安檢、智慧醫(yī)療、內容生成等領域得到廣泛應用。計算機應用領域網絡應用根據中國互聯(lián)網信息中心的統(tǒng)計，截至2023年12月，我國網民規(guī)模達到10.92億人，互聯(lián)網普及率達77.5%。

即時通信、搜索引擎、網絡新聞、網絡購物、網上支付、網上銀行、旅行預訂、網上外賣、微博、網約專車、在線教育等已廣泛融入我們的日常工作與生活中。

中國計算機發(fā)展簡史大型計算機；超級計算機；微型計算機；芯片；軟件/06中國計算機發(fā)展簡史我國的計算機事業(yè)始于1956年，1956年4~6月制定的《十二年科學技術規(guī)劃》把計算技術列為當時必須采取的4大緊急措施之一。計算技術規(guī)劃組組長，我國最早倡導研究計算技術的著名數學家華羅庚教授起草了發(fā)展電子計算機的措施。1956年8月，成立了以華羅庚教授為主任的中國科學院計算技術研究所籌備委員會。自此以后，我國計算機的研制、生產和使用逐漸廣泛地開展起來，并且逐步形成了計算機工業(yè)體系。中國計算機發(fā)展簡史1958年8月1日，我國第一臺小型通用計算機—103機研制成功，仿制前蘇聯(lián)的M-3小型機。運算速度初期為每秒30次，增加了自行研制的磁芯存儲器后，運算速度提高到每秒1800次。1959年10月1日，我國第一臺大型通用計算機—104機研制成功，仿制前蘇聯(lián)的BЭCM大型機。運算速度為每秒10000次。中國計算機發(fā)展簡史1960年，我國第一臺自行設計的通用電子計算機—107機研制成功，運算速度為每秒250次。1964年，我國第一臺自行設計的大型通用電子計算機—119機研制成功，浮點運算速度為每秒5萬次。承擔了我國第一顆氫彈研制的計算任務等。中國計算機發(fā)展簡史1965年4月，我國第一臺自行設計的晶體管計算機441-B通過國家鑒定，浮點運算速度為每秒1.2萬次。是我國20世紀60—70年代的主流應用機型之一。1967年9月，大型通用晶體管計算機109丙研制成功，浮點運算速度為每秒11.5萬次，為完成我國第一代核武器的研制和東方紅衛(wèi)星的發(fā)射作出了重要貢獻被譽為功勛計算機。中國計算機發(fā)展簡史1972年正式交付使用的111計算機，采用小規(guī)模集成電路。1983年研制成功我國第一臺大型向量機—757機。1985年研制成功與IBMPC機兼容的長城0520CH微型計算機。中國計算機發(fā)展簡史國防科技大學在1983年研制成功運算速度為每秒1億次的向量巨型計算機銀河-Ⅰ，1992年研制成功每秒10億次的銀河-Ⅱ，1997年研制成功每秒130億次的銀河-Ⅲ。速度越來越快，體積越來越小。中國計算機發(fā)展簡史在2004年6月公布的國際500強超級計算機排行榜中，“曙光4000A”名列第十，這是我國的計算機第一次進入排行榜前十。2008年6月，超級計算機曙光5000A研制成功，峰值運算速度達到每秒230萬億次，國際計算機500強排名第十。目前有曙光服務器系列、高性能計算機系列。中國計算機發(fā)展簡史2010年8月，國防科技大學研制成功的“天河一號”超級計算機，峰值運算速度達到每秒4.7千萬億次。在2010年11月公布的世界500強超級計算機排行榜中，“天河一號”名列第一。這是我國的計算機第一次名列第一。2013年5月，國防科技大學研制成功“天河二號”超級計算機，峰值運算速度達到每秒5.49億億次。在2013年6月至2015年11月公布的世界500強超級計算機排行榜中，“天河二號”連續(xù)6次名列第一。使用“天河二號”可以模擬到5000年前甚至更遠的氣候變化；傳統(tǒng)手段研發(fā)新車一般要經過上百次碰撞實驗，歷時兩年多才能完成，在利用“天河二號”進行模擬碰撞實驗的基礎上，只需3～5次實車碰撞實驗，兩個月即可完成。中國計算機發(fā)展簡史中國計算機發(fā)展簡史2016年6月，我國國家并行計算機工程技術研究中心研制成功“神威·太湖之光”超級計算機，是當時我國運算速度最快的計算機，峰值運算速度為每秒12.5億億次，持續(xù)性能為每秒9.3億億次?！吧裢ぬ狻比坎捎脟a處理器，共使用了40960個我國自主研發(fā)的“申威26010”高性能處理器。在2016年6月至2017年11月，“神威·太湖之光”連續(xù)4次名列國際500強超級計算機排行榜第一。加上此前“天河二號”的六連冠，我國曾連續(xù)5年10次占據國際500強超級計算機排行榜的最高席位。中國計算機發(fā)展簡史2016年11月，依托“神威·太湖之光”，我國科研人員完成的“全球大氣非靜力云分辨模擬”“高分辨率海浪數值模擬”和“鈦合金微結構演化相場模擬”等3項應用成果獲得“戈登·貝爾獎”，該獎項是國際高性能計算應用領域的最高獎。中國計算機發(fā)展簡史2002年9月，我國首枚具有自主知識產權的高性能通用CPU芯片“龍芯1號”通過鑒定，最高主頻達到266MHz，字長32位。2019年12月，“龍芯3A4000”發(fā)布，主頻可達到2.0GHz。2023年11月，“龍芯3A6000”在北京正式發(fā)布。“龍芯3A6000”是我國自主研發(fā)、自主可控的新一代通用處理器，主頻最高可達2.5GHz，可運行多種類的跨平臺應用，滿足多類大型復雜桌面應用場景。中國計算機發(fā)展簡史我國不僅在超級計算機的研制上取得了輝煌成就，在處理器芯片、微型機、網絡設備、軟件開發(fā)等領域也都有重大突破。國產CPU芯片有龍芯系列、申威系列、飛騰系列，國產微型機有聯(lián)想、同方、方正等品牌，華為的網絡通信等產品和解決方案已經應用于全球170多個國家和地區(qū)。國產操作系統(tǒng)有華為鴻蒙操作系統(tǒng)、麒麟操作系統(tǒng)、中興支點操作系統(tǒng)等。國產數據庫管理系統(tǒng)有金倉數據庫、達夢數據庫、南大通用GBASE數據庫、OpenBASE等。國產辦公軟件有WPSOffice、永中Office、中標普華Office等。本章結束計算機導論袁方編著清華大學出版社出版《計算機導論（第5版）》配套課件計算機導論第2章計算機專業(yè)知識體系目錄CONTENTS03計算機專業(yè)實踐教學體系01計算機專業(yè)學生應具備的能力和素質02計算機專業(yè)知識體系計算機專業(yè)學生應具備的能力和素質專業(yè)認證對學生能力和素質的要求；教學質量標準對學生能力和素質的要求/01專業(yè)認證對學生能力和素質的要求計算機類專業(yè)是工科專業(yè)，屬于工程教育范疇。國際上最有影響的工程教育專業(yè)認證組織是《華盛頓協(xié)議》組織，只要通過一個成員的專業(yè)認證，就會得到其他簽約成員的認可。2016年6月2日，我國成為《華盛頓協(xié)議》組織的正式成員。《華盛頓協(xié)議》組織制定有畢業(yè)要求框架，作為其成員制定實質等效畢業(yè)要求標準的參照點。各成員應參照《華盛頓協(xié)議》組織制定的畢業(yè)要求框架制定工程教育認證畢業(yè)要求。2021年6月21日頒布了最新的畢業(yè)要求框架(第4版)。專業(yè)認證對學生能力和素質的要求我國近年來積極推進工程教育專業(yè)認證工作，由中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會組織實施。2022年7月公布了最新版的《工程教育專業(yè)認證標準》。《工程教育專業(yè)認證標準》要求申請認證的專業(yè)必須具有公開的、符合學校定位的、適應社會經濟發(fā)展需要的培養(yǎng)目標，應有明確、公開、可衡量的畢業(yè)要求，畢業(yè)要求應支撐培養(yǎng)目標的達成。畢業(yè)要求應完全覆蓋12個方面的知識、能力與素質基本要求。專業(yè)認證對學生能力和素質的要求專業(yè)認證12個方面的基本要求1-工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決復雜工程問題；2-問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論；3-設計/開發(fā)解決方案：能夠設計針對復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素；專業(yè)認證對學生能力和素質的要求專業(yè)認證12個方面的基本要求4-研究：能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論；5-使用現代工具：能夠針對復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，包括對復雜工程問題的預測與模擬，并能夠理解其局限性；6-工程與社會：能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價專業(yè)工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任；專業(yè)認證對學生能力和素質的要求專業(yè)認證12個方面的基本要求7-環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價針對復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響；8-職業(yè)規(guī)范：具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責任；9-個人和團隊：能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色；專業(yè)認證對學生能力和素質的要求專業(yè)認證12個方面的基本要求10-溝通：能夠就復雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設計文稿、陳述發(fā)言、清晰表達或回應指令。并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流；11-項目管理：理解并掌握工程管理原理與經濟決策方法，并能在多學科環(huán)境中應用；12-終身學習：具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發(fā)展的能力。專業(yè)認證對學生能力和素質的要求專業(yè)認證12個方面的基本要求這12條畢業(yè)要求，前5條主要是專業(yè)知識、專業(yè)能力方面的要求，后7條主要是與專業(yè)相關的綜合能力、素質要求。學好專業(yè)知識、培養(yǎng)專業(yè)能力固然重要，只做到這些還不夠，綜合考慮對社會與環(huán)境的影響、嚴格遵守職業(yè)道德和規(guī)范、處理好個人和團隊的關系、良好的溝通交流能力、必要的項目管理能力、終身學習意識與能力對于做好專業(yè)工作，特別是解決好復雜工程問題至關重要。教學質量標準對學生能力和素質的要求2018年1月教育部發(fā)布了《普通高等學校本科專業(yè)類教學質量國家標準》，這是我國發(fā)布的第一個高等教育教學質量國家標準。《標準》明確了包括計算機類專業(yè)在內的92個本科專業(yè)類的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)規(guī)格等內容。教學質量標準對學生能力和素質的要求《教學質量國家標準》對計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)目標的描述具有良好的道德與修養(yǎng)，遵守法律法規(guī)，具有社會和環(huán)境意識。掌握數學與自然科學基礎知識以及與計算系統(tǒng)相關的基本理論、基本知識、基本技能和基本方法。具備包括計算思維在內的科學思維能力和設計計算解決方案、實現基于計算原理的系統(tǒng)能力。能清晰表達，在團隊中有效發(fā)揮作用，綜合素質良好。能通過繼續(xù)教育或其他的終身學習途徑拓展自己的能力。了解和緊跟學科專業(yè)發(fā)展，在計算機系統(tǒng)研究、開發(fā)、部署與應用等相關領域具有就業(yè)競爭力。計算機專業(yè)知識體系計算機科學與技術專業(yè)；軟件工程專業(yè)、網絡工程專業(yè)；信息安全專業(yè)；物聯(lián)網工程專業(yè)/02計算機科學與技術專業(yè)知識體系培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生將基本原理和技術運用于計算機科學研究以及計算機系統(tǒng)設計、開發(fā)與應用等工作的能力。教學內容：包含數字電路、計算機系統(tǒng)結構、算法設計、程序設計語言、軟件工程、并行分布計算、智能技術、計算機圖形學、人機交互等知識領域的基本內容。計算機科學與技術專業(yè)知識體系核心課程：計算概論（計算機導論）、程序設計基礎、集合論與數理邏輯、圖論與組合數學、代數結構與初等數論、數據結構、操作系統(tǒng)、計算機組成原理、數字邏輯與數字電路、計算機網絡、編譯原理、數據庫原理、算法設計與分析、人工智能、計算機圖形學等。軟件工程專業(yè)知識體系培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生將基本原理和技術運用于對復雜軟件系統(tǒng)進行分析、設計、驗證、確認、實現、應用和維護以及軟件系統(tǒng)開發(fā)管理等工作的能力。教學內容：包含軟件建模與分析、軟件設計與體系結構、軟件質量保證與測試、軟件過程與管理等知識領域的基本內容。軟件工程專業(yè)知識體系核心課程：計算概論（計算機導論）、程序設計基礎、面向對象程序設計、軟件工程導論、離散結構、數據結構與算法、工程經濟學、團隊激勵與溝通、軟件工程職業(yè)實踐、計算機系統(tǒng)基礎、操作系統(tǒng)、數據庫概論、網絡及其計算、人機交互的軟件工程方法、軟件工程綜合實踐、軟件構造、軟件設計與體系結構、軟件質量保證與測試、軟件需求分析、軟件項目管理等。網絡工程專業(yè)知識體系培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生將基本原理和技術運用于計算機網絡系統(tǒng)規(guī)劃、設計、開發(fā)、部署、運行、維護等工作的能力。教學內容：包含數字通信、計算機系統(tǒng)平臺、網絡系統(tǒng)開發(fā)與設計、軟件安全、網絡安全、網絡管理等知識領域的基本內容。核心課程：計算概論（計算機導論）、離散數學、計算機原理、計算機程序設計、數據結構、操作系統(tǒng)、計算機網絡、數據通信、互聯(lián)網協(xié)議分析與設計、網絡應用開發(fā)與系統(tǒng)集成，路由與交換技術、網絡安全、網絡管理、移動通信與無線網絡、網絡測試與評價等。信息安全專業(yè)知識體系培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生將基本原理和技術運用于信息安全科學研究、技術開發(fā)和應用服務等工作的能力。教學內容：信息科學基礎、信息安全基礎、密碼學、網絡安全、信息系統(tǒng)安全、信息內容安全等知識領域的基本內容。信息安全專業(yè)知識體系核心課程：計算概論（計算機導論）、信息安全導論、信息安全數學基礎、模擬電路與邏輯、程序設計、數據結構與算法、計算機組成與系統(tǒng)結構、EDA技術及應用、操作系統(tǒng)原理及安全、編譯原理、信號與系統(tǒng)、通信原理、密碼學、計算機網絡、網絡與通信安全、軟件安全、逆向工程、可靠性技術、嵌入式系統(tǒng)安全、數據庫原理及安全、取證技術、內容安全等。物聯(lián)網工程專業(yè)知識體系培養(yǎng)目標：培養(yǎng)學生將基本原理和技術運用于物聯(lián)網及其應用系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、開發(fā)、部署、運行、維護等工作的能力。教學內容：電路與電子技術、標識與感知、物聯(lián)網通信、物聯(lián)網數據處理、物聯(lián)網控制、物聯(lián)網信息安全、物聯(lián)網工程設計與實施等知識領域的基本內容。物聯(lián)網工程專業(yè)知識體系核心課程：計算概論（計算機導論）、離散數學、程序設計、數據結構、計算機組成、計算機網絡、操作系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)、物聯(lián)網通信技術、RFID原理及應用、傳感器原理及應用、物聯(lián)網中間件設計、嵌入式系統(tǒng)與設計、物聯(lián)網控制原理與技術等。計算機專業(yè)實踐教學體系課程實驗；課程設計；研發(fā)訓練；畢業(yè)設計/03計算機專業(yè)實踐教學體系實踐教學的作用實踐教學是計算機專業(yè)培養(yǎng)方案和教學計劃的重要組成部分，實踐教學與理論教學相輔相成。實踐教學對于學生深入理解理論課程的內容，提高實踐能力和綜合運用所學知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和團隊精神具有十分重要的作用。實踐教學的主要形式一個完備的實踐教學體系主要包括課程實驗、課程設計、研發(fā)訓練、畢業(yè)設計（論文）等層次的實踐教學活動。教學質量國家標準中要求4年總的實驗當量不少于2萬行代碼。計算機專業(yè)實踐教學體系實踐教學的主要形式—課程實驗課程實驗是與理論教學課程配合的實驗課程，主要是以單元實驗為主，輔以適當的綜合性實驗，與學科基礎課程的理論知識體系共同構成本學科專業(yè)人才應具備的基礎知識和基本能力。課程實驗中的單元實驗主要是為配合理論課程中某個知識點的理解而設計的實驗項目，綜合性實驗是為綜合理解和運用理論課程中的多個知識點而設計的實驗項目。計算機專業(yè)實踐教學體系實踐教學的主要形式—課程設計課程設計是獨立于理論教學課程而單獨設立的實驗課程，以綜合性和設計性實驗為主。課程設計需要綜合幾門課程的知識來完成實驗題目。如在軟件工程課程設計中需要綜合運用軟件工程、高級語言程序設計及數據結構等課程的知識；在數據庫課程設計中需要綜合運用數據庫、高級語言程序設計、軟件工程等課程的知識。計算機專業(yè)實踐教學體系實踐教學的主要形式—研發(fā)訓練研發(fā)訓練是鼓勵和支持學有余力的高年級本科生參與教師的研發(fā)項目或在教師的指導下獨立承擔研發(fā)項目。研發(fā)訓練項目是一種研究性實驗、一種探索性實驗。研發(fā)訓練能夠提高學生的探究性學習能力，使學生盡早進入專業(yè)科研領域，接觸學科前沿，了解本學科發(fā)展動態(tài)。鼓勵和支持學生積極參加面向大學生的相關科技競賽活動，如程序設計大賽、數學建模競賽等。計算機專業(yè)實踐教學體系實踐教學的主要形式—畢業(yè)設計畢業(yè)設計是一個綜合性的實踐教學環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)和提高學生的實踐能力、研發(fā)能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)和提高學生綜合運用所學專業(yè)知識獨立分析問題解決問題的能力，培養(yǎng)學生嚴肅認真的工作態(tài)度和嚴謹務實的工作作風，培養(yǎng)學生的書面表達能力和口頭表達能力，培養(yǎng)學生組織協(xié)調能力和團結協(xié)作精神，具有其他教學環(huán)節(jié)不能替代的重要作用。本章結束計算機導論袁方編著清華大學出版社出版《計算機導論（第5版）》配套課件計算機導論第3章計算機中的數據表示目錄CONTENTS03數值型數據的表示01計算機中的進制02不同進制數據的相互轉換040506字符型數據的編碼表示漢字的編碼表示圖像與聲音數據的采集與表示計算機中的進制進位計數制；不同進制數據的區(qū)分/01進位計數制進制的基數不同進制所用數碼二進制：01八進制：01234567十進制：0123456789十六進制：0123456789ABCDEF進制的位權在每種進制中，一個數碼所處位置的不同，代表的數值大小也不同，稱為具有不同的位權。999中，3個9的位權是各不相同的。進位計數制不同進制的表示后綴表示法，便于計算機識別B—表示二進制數；O或Q—表示八進制數D—表示十進制數（D可省略）；H—表示十六進制數角標表示法，便于人閱讀(10111101)2—表示二進制數；(7256)8

—表示八進制數(281965)10—表示十進制數；(3F6E)16—表示十六進制數不同進制數據的相互轉換二進制數與十進制數的轉換；二進制數與十六進制數的轉換；二進制數與八進制數的轉換/02二進制數與十進制數的相互轉換二進制數轉換為十進制數二進制數轉換成十進制數，按權展開相加即可。二進制數與十進制數的相互轉換十進制數轉換為二進制數對整數部分和小數部分分別轉換，整數部分采用除2取余法，直至商為0止；小數部分采用乘2取整法，滿足精度要求為止。(78.69)10=(?)2(78.69)10≈(1001110.1011)2

二進制數與十六進制數的相互轉換二進制數轉換為十六進制數計算方式：先采用按權展開相加的方法把二進制數轉換為十進制數，再采用除16取余、乘16取整的方法把十進制數轉換為十六進制數。

(1101101.10111)2=(109.71875)10=(?)16(1101101.10111)2=(109.71875)10=(6D.B8)16二進制數與十六進制數的相互轉換二進制數轉換為十六進制數分組方式：二進制數轉換成十六進制數時，以小數點為界，分別向左向右分成4位一組，不夠4位補0，分完組后對應成十六進制數。

二進制數與十六進制數的相互轉換十六進制數轉換為二進制數計算方式：先采用按權展開相加的方法將十六進制數轉換成十進制數，再用除2取余、乘2取整的方法將十進制數轉換為二進制數。

二進制數與十六進制數的相互轉換十六進制數轉換為二進制數分組方式：把十六進制數轉換成二進制數時，每一個十六進制位展開成4個二進制位即可。

二進制數與八進制數的相互轉換二進制數轉換為八進制數計算方式：先采用按權展開的方法把二進制數轉換為十進制數，再采用除8取余、乘8取整的方法把十進制數轉換為八進制數，類似于把二進制數轉換為十六進制數。分組方式：把二進制數轉換成八進制數時，以小數點為界，分別向左向右分成3位一組，不夠3位補0，分完組后對應成八進制數。

二進制數與八進制數的相互轉換八進制數轉換為二進制數計算方式：先采用按權展開相加的方法將八進制數轉換成十進制數，再采用除2取余、乘2取整的方法將十進制數轉換為二進制數，類似于把十六進制數轉換為二進制數。分組方式：八進制數轉換成二進制數時，每一個八進制位展開成3個二進制位即可。

數值型數據的表示機器數的符號；機器數的編碼；機器數的表示范圍；機器數中小數點的位置/03機器數的符號在計算機內部，任何數據(符號)都只能用二進制的兩個數碼0和1表示。帶符號數的表示也是如此，除了用0和1組成的數字串來表示數值的絕對值大小外，其正負號也必須用0和1表示。通常規(guī)定最高位為符號位，并用0表示正，用1表示負。如下圖所示，最高位d15為符號位，d14～d0為數值位。這種把符號數字化，并和數值位一起編碼的方法，有效地解決了帶符號數的表示及計算問題。

機器數的編碼

在確定了最高位用于表示機器數的符號之后，機器數通常有原碼、反碼和補碼三種不同的具體表示形式。

機器數的編碼原碼表示最高位用0和1分別表示正負數，其他位直接表示二進制形式的數值。原碼表示示例（假定字長為16位）56的二進制形式為111000+56的原碼表示為0000000000111000

正數的原碼最高位為0，數值位補足15位-56的原碼表示為1000000000111000

負數的原碼最高位為1，數值位補足15位

機器數的編碼反碼表示正數的反碼與其原碼相同；負數的反碼，在其原碼的基礎上，符號位不變，數值位按位求反。反碼表示示例（假定字長為16位）+56的反碼表示為0000000000111000

正數的反碼與其原碼相同，+56的原碼表示為0000000000111000-56的反碼表示為1111111111000111

負數的反碼，在其原碼的基礎上，符號位不變，數值位按位取反-56的原碼表示為1000000000111000

機器數的編碼補碼表示正數的補碼與其原碼相同；負數的補碼，在其反碼的末位加1。補碼表示示例（假定字長為16位）+56的補碼表示為0000000000111000

正數的補碼與其原碼相同，+56的原碼表示為0000000000111000-56的補碼表示為1111111111001000

負數的補碼，在其反碼的末位加1，

-56的反碼表示為1111111111000111

機器數的編碼在計算機內部，一般用補碼表示帶符號數，這樣可以把減法運算轉換為加法運算。

【例3.10】計算x=86-25的值，假定字長為8位。x=86-25可以轉換為(x)補碼=(+86)補碼+(-25)補碼進行計算：86的二進制形式為1010110，(+86)補碼=0101011025的二進制形式為11001，(-25)補碼=11100111(x)補碼=01010110+11100111=00111101

由于(x)補碼的最高位為0，所以(x)原碼=00111101，其對應的十進制真值為61，即x=61，計算結果正確。

機器數的編碼在計算機內部，一般用補碼表示帶符號數，這樣可以把減法運算轉換為加法運算。

【例3.11】計算y=32-57的值，假定字長為8位。y=32-57可以轉換為(y)補碼=(+32)補碼+(-57)補碼進行計算：32的二進制形式為100000，(+32)補碼=00100000；57的二進制形式為111001，(-57)補碼=11000111；(y)補碼=00100000+111000111=11100111

由于(y)補碼的最高位為1，所以(y)原碼=10011001

其對應的十進制真值為-25，即y=-25，計算結果正確。

機器數的編碼從以上示例可以看出，用補碼表示帶符號數，可以把減法運算轉換為加法運算。

我們知道，乘法運算可以轉換為加法運算，除法運算可以轉換為減法運算，這樣CPU中只有一個加法器即可完成加減乘除四則運算，即補碼表示可以簡化計算機的CPU設計。

機器數的表示范圍

機器數的表示范圍由計算機的字長決定，即由CPU中的寄存器決定。如果使用的是16位的寄存器，則字長為16位。對于無符號整數，16位寄存器的表示范圍是0～65535；對于帶符號整數，16位寄存器的表示范圍是是-32768～+32767。

現在用的微型計算機一般是64位字長，其無符號整數的表示范圍是0～264-1，帶符號整數的表示范圍是-263～+263-1。

機器數中小數點的位置定點數在定點數中，小數點的位置一旦確定，就不再改變。小數點的位置約定在最低位的右邊，用來表示定點整數。小數點的位置約定在符號位（最高位）之后，用來表示小于1的定點小數。

機器數中小數點的位置浮點數如果要處理、存儲的數據包括整數和小數，則難以用定點數表示。對此設計人員設計了浮點數的表示方式，即小數點位置不固定，是浮動的。一個二進制數N可以表示為N=±S×2±P的形式。其中的N、P、S均為二進制數。S稱為N的尾數，即全部的有效數字(數值小于1的純小數)；P稱為N的階碼（通常是整數），指明小數點的實際位置。

機器數中小數點的位置浮點數在浮點數表示中，尾數的符號和階碼的符號各占一位，階碼是定點整數，階碼的位數決定了所表示的浮點數的范圍，尾數是定點小數，尾數的位數決定了浮點數的精度。階碼和尾數都可以用補碼表示。在字長有限的情況下，浮點數表示方法能擴大數的表示范圍。若計算機的字長為8位，一個字長內，如果用定點整數形式，帶符號數的表示范圍為-128～+127（十進制數）。如果用浮點數形式，可以表示十進制數的+1537甚至更大的數（精度有損失）。+1537寫成浮點數形式如下：

字符型數據的編碼表示ASCII碼；EBCDIC碼/04ASCII碼微型計算機使用最多的字符編碼是ASCII碼，即美國信息交換標準代碼。ASCII碼包括32個通用控制字符（最左邊兩列）、10個十進制數碼、52個英文大小寫字母和34個專用符號（標點符號等），共128個符號，故需要用7位二進制數進行編碼。通常使用一個字節(jié)(8個二進制位)表示一個字符的ASCII碼，規(guī)定其最高位總是0，后7位為實際的ASCII碼。

ASCII碼

ASCII碼ASCII碼示例Computer各字符的ASCII編碼分別為：01000011、01101111、01101101、01110000、01110101、01110100、01100101、01110010寫成十六進制形式如下，存儲在計算機中占用8個字節(jié)單元。436F6D7075746572

EBCDIC碼EBCDIC碼是對BCD碼的擴展，稱為擴展BCD碼。BCD碼又稱“二-十進制編碼”，用二進制編碼形式表示十進制數。BCD碼的編碼方法很多，最常用的是8421碼，其方法是用4位二進制數表示一位十進制數，自左至右每一位對應的位權分別是8、4、2、1。

十進制數7852的8421BCD碼為0111100001010010B

實際存儲時可以占用4個字節(jié)，每個字節(jié)的高4位補成0000，7852對應的4字節(jié)BCD碼值為00000111000010000000010100000010，即一位十進制數字占用一個字節(jié)，稱為非壓縮BCD碼。也可以用2個字節(jié)存儲，7852對應的兩字節(jié)BCD碼值為0111100001010010，即兩位十進制數字占用一個字節(jié)，稱為壓縮BCD碼。

漢字的編碼表示漢字輸入碼；漢字機內碼；漢字字形碼/05漢字輸入碼漢字輸入碼（外碼）是指從鍵盤輸入漢字時采用的編碼。數字碼：常用的數字碼是國標區(qū)位碼，用一個4位的數字代表一個漢字的輸入碼。拼音碼：拼音碼是以漢語拼音為基礎的輸入碼，如搜狗拼音輸入法、微軟拼音輸入法和QQ拼音輸入法等。筆畫碼：字形碼是根據漢字的形狀形成的輸入碼。五筆字型編碼是最有影響的一種筆畫碼方法。

漢字機內碼計算機內部存儲和處理漢字時所用的編碼輸入碼被計算機接收后就由有漢字處理功能的操作系統(tǒng)的“輸入碼轉換模塊”轉換為機內碼。1980年我國公布了《信息交換用漢字編碼字符集·基本集》—GB2312—1980，簡稱國標碼，規(guī)定每個漢字編碼由兩個字節(jié)構成，定義了6763個常用漢字和682個圖形符號。2000年3月我國又推出了新國家標準GB18030—2000，共收錄了27533個漢字。GB18030-2000采用變長多字節(jié)編碼，每個漢字編碼可以由2個或4個字節(jié)組成，完全支持Unicode編碼。2005年發(fā)布的GB18030—2005收入漢字70244多個，2022年發(fā)布的GB18030—2022收入漢字87887個。

漢字機內碼計算機內部存儲和處理漢字時所用的編碼Unicode（統(tǒng)一碼、萬國碼、單一碼）試圖為全世界每種語言中的每個字符設定統(tǒng)一并且唯一的二進制編碼。Unicode在很長一段時間內無法推廣，直到互聯(lián)網的出現。UTF-8是在互聯(lián)網上使用最為廣泛的一種Unicode的實現方式。變長編碼方式是UTF-8的最大特點，它使用1～4字節(jié)表示一個符號，根據不同的符號而變化字節(jié)長度。當字符在ASCII碼的范圍時，就用1個字節(jié)表示，保留了ASCII字符1字節(jié)的編碼作為它的一部分。UTF-8的一個中文字符占用3個字節(jié)。

漢字字形碼漢字字形碼又稱漢字字模，是指漢字信息的輸出編碼，用于漢字的顯示或打印機輸出。點陣字形碼：不論一個字的筆畫多少，都可以用一組點陣表示。每個點對應二進制的一位，由0和1表示不同狀態(tài)，如黑白顏色等。一種字形碼的全部漢字編碼就構成字模庫，簡稱字庫。根據輸出字符要求的不同，每個字符點陣中點的個數也不同。點陣越大，點數越多，輸出的字形也就越清晰美觀，占用的存儲空間也就越大。

漢字字形碼漢字字形碼又稱漢字字模，是指漢字信息的輸出編碼，用于漢字的顯示或打印機輸出。矢量字形碼：對于矢量方式的字形碼，在計算機內存儲的是一種用數學函數描述的曲線字庫，采用了幾何學中二次曲線及直線來描述字體的外形輪廓，含有字形構造、顏色填充、數字描述函數、流程條件控制、柵格處理控制、附加提示控制等指令。當要輸出漢字時，通過計算機的計算，由漢字字形描述生成所需大小和形狀的漢字。由于是用指令對字形進行描述，與分辨率無關，均以設備的分辨率輸出，既可以屏幕顯示，又可以打印輸出，字符縮放時總是光滑的，不會有鋸齒出現，因此可產生高質量的漢字輸出。

漢字字形碼漢字字形碼又稱漢字字模，是指漢字信息的輸出編碼，用于漢字的顯示或打印機輸出。點陣方式和矢量方式各有特點。點陣方式編碼、存儲方式簡單，無須轉換直接輸出，字號變大后顯示或打印效果變差，出現鋸齒筆畫甚至模糊不清；矢量方式輸出時需要進行轉換，輸出過程復雜一些，但字號變大后不會降低顯示或打印質量。

圖像與聲音數據的采集與表示圖像數據的采集與表示；聲音數據的采集與表示/06圖像數據的采集與表示圖形圖形一般指用計算機繪制的幾何形狀，如直線、圓、圓弧、矩形、任意曲線和圖表等，也稱矢量圖。圖形以矢量圖形文件的形式存儲，計算機中存儲的是生成圖形的指令，所以一般不需對矢量圖進行編碼。計算機中常用的矢量圖形文件有.3ds文件（用于三維造型）、.dxf文件（用于計算機輔助設計）、.wmf文件（用于桌面出版）等。

圖像數據的采集與表示圖像圖像又稱位圖或圖片，是指由輸入設備

捕捉的實際場景畫面，如用手機拍攝的數碼照片、掃描儀掃描的圖片等。手機攝像頭或掃描儀把圖像點陣化，每個點稱之為像素，目前分辨率一般都在1024×1024以上。采集的值為像素點的顏色，一般用24位二進制數表示一個像素點的顏色值，一共可以表示224種不同的顏色，稱為真彩色。BMP格式的圖像文件保存原始像素數據，JPG格式為一種壓縮格式。圖像文件還有GIF、PNG、PCX、TIF、TGA等格式。

圖像數據的采集與表示視頻視頻是視頻圖像的簡稱，是一種活動影像，它與電影和電視原理是一樣的，都是利用人眼的視覺暫留特征，將足夠多的靜態(tài)畫面連續(xù)播放，只要能夠達到每秒24幀以上，人的眼睛就察覺不出畫面之間的不連續(xù)性。視頻文件存儲的是視頻所包含的所有圖像的數據。視頻文件在計算機中的存儲格式有AVI、WMV、MPEG、ASF、RM、MOV等。

圖像數據的采集與表示動畫動畫也是一種活動影像，最典型的是“卡通”片。動畫也稱為動漫。視頻一般是指對自然界真實影像的記錄，如用攝像機拍攝下來的自然風光，而動畫通常指人工創(chuàng)作出來的連續(xù)圖像或圖形所組合成的動態(tài)影像。動畫文件存儲的是動畫所包含的所有（“卡通”）圖像的數據。

聲音數據的采集與表示聲音也稱為音頻，聲音（聲波）是通過空氣傳播的一種連續(xù)的波。聲音一般用一種模擬的連續(xù)波形表示，聲波可以用振幅和頻率兩個參數來描述，振幅的大小反映了聲音的強弱，用分貝（dB）表示；頻率是指聲音信號每秒鐘變化的次數，頻率的大小反映了音調的高低，用赫茲（Hz）表示。聲音數據的采集與表示對聲音的數字化就是對聲波采樣和量化，即按一定的時間間隔對聲波的振幅進行測量并轉換為二進制數。采樣頻率越高（采樣時間間隔越?。⒉蓸泳仍礁撸ū硎菊穹档亩M制位數越多），就越能真實的把聲音記錄下來（播放時質量高），當然，需要的存儲容量也就越大。聲音數據的采集與表示采樣示例：每秒鐘采樣40000次，用16個二進制位表示采樣值，可以把采樣值量化為65536個級別，采樣一秒鐘產生的數據為：40000*16/8=80000B=78.125KB。音頻文件在計算機中的存儲格式有MP3、WAV、MIDI、WMA等。本章結束計算機導論第4章計算機硬件知識目錄CONTENTS0102計算機的基本組成與工作原理中央處理器03輸入設備04存儲器目錄CONTENTS0506輸出設備主板07計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展08總線計算機的基本組成與工作原理計算機的基本組成；計算機的基本工作原理/01計算機的基本組成與基本工作原理

計算機是一種能夠按照程序對數據進行自動處理的電子設備。這里所說的計算機是指存儲程序式電子數字計算機，組成計算機硬件的主體是電子器件和電子線路，計算機存儲和處理的是數字信息，存儲在計算機中的程序通過控制器控制計算機的數據處理工作。計算機的基本組成組成一臺計算機的所有物理設備構成計算機硬件子系統(tǒng)。計算機硬件是看得見摸得著的實體，是計算機工作的物質基礎。在分析“埃尼阿克”設計方案的基礎上，1945年6月，馮·諾依曼等人完成了《EDVAC報告初稿》，報告給出了電子計算機邏輯設計的基本要素：二進制，不僅數據用二進制表示和存儲，組成程序的指令也用二進制表示和存儲；存儲程序，程序及其要處理的數據存放在存儲器中；5個基本組成部分，計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備5個部分組成。計算機的基本組成計算機各組成部分的主要功能運算器用來完成算術運算和邏輯運算?？刂破靼闯绦虼a的要求控制計算機各個部分協(xié)調一致地工作，完成程序規(guī)定的任務。存儲器用來存放程序及其要處理的數據，這里的存儲器指內存。輸入設備用于將程序與數據輸入計算機，常用輸入設備有鍵盤、鼠標、觸摸屏、掃描儀和3D掃描儀等。輸出設備用于將程序執(zhí)行結果輸出，常用輸出設備有顯示器、打印機、3D打印機和繪圖儀等。計算機的基本工作原理根據要完成任務的詳細工作步驟（算法），編寫出相應的程序。通過鍵盤等輸入設備把編寫的程序輸入到計算機的存儲器中，用一種稱為解釋器或編譯器的軟件將由語句組成的高級語言程序翻譯成由二進制指令組成的機器語言程序并存放在存儲器中。存儲在存儲器中的機器語言程序能夠被計算機直接執(zhí)行。執(zhí)行機器語言程序時，控制器首先按照取指令—分析指令—執(zhí)行指令的模式執(zhí)行程序中的第一條指令。執(zhí)行完一條指令，控制器讀取下一條指令，按同樣的取指令-分析指令-執(zhí)行指令模式把程序中所有的指令執(zhí)行完，任務也就完成了。中央處理器中央處理器的基本組成；中央處理器芯片的制作過程/02中央處理器的基本組成CPU的組成與功能中央處理器（CPU）由運算器、控制器和寄存器組成。運算器負責完成算術運算和邏輯運算；寄存器用于臨時保存參與運算的數據和運算后的結果；控制器負責按照程序的要求指揮各部件工作。中央處理器是組成計算機最核心的部件。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的超大規(guī)模集成電路芯片，稱為微處理器。微處理器就是芯片化的CPU。CPU還廣泛應用在智能手機、數碼相機和數控機床等數字化智能設備上。近些年，超級計算機、大型計算機等高端計算機系統(tǒng)也采用大量的通用高性能微處理器建造。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—兼容性每種微處理器都有特定的指令集，指令集就是某款CPU能夠識別的指令集合。適用于特定CPU的機器語言必須使用該CPU的指令集。由于各CPU都有特定的指令集，為某款CPU的計算機設計的程序在另一款CPU的計算機上可能無法運行。CPU制造商在推出新產品時，需要認真考慮兼容性問題。如果運行在舊款CPU上的程序不用修改，就能直接在新款的CPU上運行，就稱新款CPU向下兼容舊款CPU。向下兼容有利于新型CPU及相應計算機的推廣。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—字長字長是指CPU一次能夠處理數據的二進制位數，字長的大小直接反映計算機的數據處理能力，字長越長，一次可處理的二進制數據位數就越多，運算速度也就越快。例如，要完成兩個64位二進制數據的加法運算，32位的CPU需要做兩次加法操作，而16位的CPU需要做4次加法，如果是目前常見的64位的CPU，做一次加法就可以了。當然，字長越長，制作的技術難度就越大，成本也就越高。中央處理器的基本組成CPU的主要性能指標—主頻主頻是指CPU的時鐘頻率，它決定了CPU每秒鐘可以劃分為多少個時鐘周期，可以執(zhí)行多少條指令。主頻越高，CPU的運算速度也就越快。但主頻并不等于CPU一秒鐘執(zhí)行的指令條數，因為執(zhí)行一條指令可能需要多個時鐘周期。例如，如果一款CPU的主頻為3.5GHz，則一秒鐘可以劃分為3.5×109個時鐘周期，如果執(zhí)行一條指令平均需要6個時鐘周期，則該CPU一秒鐘可以執(zhí)行約0.6×109條指令，即約6億條指令。CPU芯片的制作過程CPU的設計—設計指令集設計CPU，首先要做的工作是設計指令集，即明確CPU能執(zhí)行哪些指令，具備哪些功能。指令集中包括算術運算指令、邏輯運算指令、存取數據指令、比較指令、轉移指令等。設計指令集可以使用硬件描述語言（HDL），VerilogHDL和VHDL是最流行的兩種硬件描述語言。VerilogHDL以文本形式描述數字系統(tǒng)硬件的結構和行為，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數字邏輯系統(tǒng)所能完成的邏輯功能。CPU芯片的制作過程CPU的設計—畫出電路圖針對二進制形式的指令，畫出相應的電路圖，然后依據電路圖制作出實際的電路，一條指令對應一部分電路。按照VerilogHDL代碼畫出數字電路設計圖可以使用電子設計自動化（EDA）軟件，EDA是一類對電路進行自動布局、布線、分析、驗證的設計軟件。基于VerilogHDL代碼描述的數字電路的邏輯功能，EDA軟件能夠完成自動轉換成晶體管的布局、自動排布晶體管之間的連接線路。以及時序分析、功耗分析、功能驗證等工作。CPU芯片的制作過程CPU的生產—熔沙成硅對主要成分是二氧化硅的沙子進行熔煉、脫氧和凈化等處理，得到可用于制造半導體的高純度硅，其形狀為圓柱形硅錠。隨著熔煉工藝的不斷改進，硅錠的直徑從早期的2英寸（50毫米）逐步發(fā)展到近幾年的8英寸（200毫米）和12英寸（300毫米）。CPU芯片的制作過程CPU的生產—切割硅錠用切割工具對硅錠進行橫向切割，得到稱為晶圓的圓形硅片，并對切割出的晶圓進行拋光處理，使晶圓的表面非常平滑。CPU芯片的制作過程CPU的生產—光刻蝕刻在晶圓的表面涂抹一層非常薄、非常均勻的光刻膠，然后使用光刻機按照CPU版圖（電路圖）在晶圓上進行光刻和蝕刻等處理，生成相應的晶體管以及晶體管之間的連線。多次重復該過程，可以形成多層的電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產—切分晶圓把晶圓切分成晶片。一片直徑為12英寸（300毫米）的晶圓，其面積有幾萬平方毫米，可以切分出幾百片晶片，每一片晶片就是一個CPU內核（die），包含一套完整的CPU電路。CPU芯片的制作過程CPU的生產—封裝測試把一片CPU晶片放到一個稱為襯底或基片的絕緣底座上，底座下面是用于連接到主板的焊點，晶片上面再覆蓋一個稱為散熱片的金屬殼，就形成了一個單內核CPU。封裝后再進行最后的測試，通過測試的芯片就可以自用或出售了。CPU芯片的制作過程制作CPU芯片是一項非常復雜、精細、嚴格的工作，對設計人員，對所用的設備和工具都有很高的要求。在設計指令集時，要考慮到CPU的內部架構設計和操作系統(tǒng)的設計以及應用軟件的設計。對提取出的硅的純度要求很高，要達到99.9999％，相當于平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。晶圓的厚度只有1毫米左右，要在其上完成多層的拋光、涂抹光刻膠、光刻、蝕刻等處理。晶體管的集成度非常高，1平方毫米要集成上億個晶體管。存儲器內存；外存/03存儲器概述

存儲器分為內存和外存，也分別稱為主存儲器（主存）和輔助存儲器（輔存）。

內存用于存放要執(zhí)行的程序和相應的數據，外存作為內存的后援設備，存放暫時不需要執(zhí)行而將來要執(zhí)行的程序和相應的數據。

沒有內存，程序就無法保存到內存中，因而也就無法執(zhí)行。沒有外存，輸入的程序及相應的數據就不能長久保存。存儲器概述

目前主要采用半導體器件和磁性材料作為存儲器的存儲介質。

一個雙穩(wěn)態(tài)半導體電路或磁性材料的一個磁化元都可以存儲一個二進制位，稱為一個存儲位或一個存儲元，由若干存儲元組成一個存儲單元，存儲器就是由很多個存儲單元組成的。每一個存儲單元有一個編號，稱為存儲單元的地址。一個存儲器中存儲單元的個數稱為該存儲器的存儲容量，存儲容量越大，存儲的數據就越多。

存儲器概述一個存儲元存儲一個二進制位（bit,簡記b），一個存儲單元一般存儲8個二進制位，稱為一個字節(jié)（Byte，簡記B），存儲器的存儲容量用字節(jié)數來表示。

常用的存儲容量的度量單位有千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）、拍字節(jié)（PB）、艾字節(jié)（EB）、澤字節(jié)（ZB）等。

其中，1ZB=1024EB，1EB=1024PB，1PB=1024TB，1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B，1B=8b。內存最早的內存是以磁芯的形式排列在線路上，每個磁芯與晶體管組成一個雙穩(wěn)態(tài)電路，用于存儲一個二進制位，一位的存儲器體積有玉米粒大小，其整體存儲容量因體積影響受到很大限制。隨著集成電路的出現和集成度的不斷提高，出現了能夠焊接在主板上的集成電路形態(tài)的內存芯片，大幅度提高了存儲容量。隨著CPU的發(fā)展和升級，對內存的性能提出了更高的要求，出現了內存條——將內存芯片焊接到事先設計好的印制電路板上，在計算機主板上留有相應的內存插槽，可以方便地插拔和更換內存條，為靈活配置和擴充內存容量帶來了方便。內存隨機存取存儲器（RAM）隨機存取指可以根據地址直接存取任一單元中的數據，其存取速度比順序存取要快得多。RAM