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第二章 数据处理系统 把数据转换成有用的信息

计算机导论 (2). 第二章 数据处理系统 把数据转换成有用的信息. Chapter 2 Processing Hardware Turning Data into Something You Can Use. 莆田学院现代教育技术中心 2003 年 10 月. 本章主要内容 Key Questions. 2.1 数据和程序在计算机内部如何表示 什么是二进制编码方案？ 2.2 处理器、主存储器和寄存器 什么是计算机处理器，它由什么组成？ 2.3 如何评定计算机：内存容量，字长和处理器速度 计算机的内存、字长和处理速度是如何计量的？

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第二章 数据处理系统 把数据转换成有用的信息

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  1. 计算机导论(2) 第二章 数据处理系统把数据转换成有用的信息 Chapter 2 Processing Hardware Turning Data into Something You Can Use 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  2. 本章主要内容Key Questions • 2.1 数据和程序在计算机内部如何表示 什么是二进制编码方案？ • 2.2 处理器、主存储器和寄存器 什么是计算机处理器，它由什么组成？ • 2.3 如何评定计算机：内存容量，字长和处理器速度 计算机的内存、字长和处理速度是如何计量的？ • 2.4 打开微机机箱看看：里面有什么？ 购买微机前应该考虑哪些因素？ • 2.5 挡不住的诱惑？ 未来我们将使用哪些处理技术？ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  3. 2.1 数据和程序在计算机内部如何表示How Data & Programs Are Represented in the Computer 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  4. 现代社会：“数字世界”？ • 你是否曾经感到困惑：为什么会有人说我们正生活在一个“数字世界”中？答案很简单：因为在现代社会中几乎无所不在的计算机不能识别人类使用的信息，只能使用“数字化”的信息。 • 人们使用字母、数字和各种特殊符号来执行指令和处理数据。比如，如果我们要求某人做一个3和5的加法运算，并给出答案。我们可以这样说：“请将3和5相加，然后将运算结果写在一张纸上。” • 可是计算机是一种电子装置，不能直接处理这样的请求。计算机必须使用电子数据和电子指令。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  5. 电子数据与电子指令 • 如前所述，在计算机进行数据处理前，必须将人类能够理解的信息转换为计算机系统能够处理的电子数据与电子指令。 • 电子形式的数据与指令，可以有各种各样的形式。其中最简单最容易实现的是所谓“开关型”（on/off）的形式。计算机系统使用的就是这种形式的数据和指令。换言之，在计算机内部使用两种状态即所谓“二进制数”形式来表示各种数据和指令。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  6. 计算机与二进制 • 第一章中讨论过，计算机使用二进制最简单的理由是可以使用最简单的电路：或为ON(通)，或为OFF (断)。其实，计算机涉及的其他相关技术亦使用这种通/断型的双态模式：磁盘或磁带上的磁脉冲或为有，或为没有；电流或为高电平，或为低电平；穿孔卡片或纸带或有孔，或无孔…… • 计算机内部工作时的所有数据和程序都必须使用二进制形式来表示：用0表示状态“断”（或低电平，或无磁脉冲，或无孔），用1表示 “通”（或高电平，或有磁脉冲，或有孔）。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  7. 二进制编码方案 • 既然计算机内部只能使用只有1和0两个数字的二进制数，那么人们从键盘上输入的各种字符——字母 (a～z , A ～ Z)、数码 (0 ～ 9) 和特殊符号(标点符号、数学符号、希腊字母等) ——在计算机内又是如何表示的呢？ • 在计算机中，使用各种二进制编码方案来表示各种字符（和其他一切信息，如图象、声音等）。 • 最常用的二进制编码方案有：EBCDIC和ASCII。它们都是用8位二进制数字来表示各种信息， 分别可以表示256个常用西文字符。此外还有一种新的编码方案使用了16位二进制数字，可以表示多达65536个不同字符。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  8. 理解“编码” • 所谓“编码”，就是用一定位数的若干数字组合（或字母等）来表示某个事物。 • 生活中我们经常遇到用“编码”表示一个人的实例，如编码420684198410071544（用18位0～9表示的身份证号）和 03420684150684（用14位0～9表示的考生号）分别来自湖北襄樊宜城的某位03级新生。同学们入学要还要被进行新的编码，如用22072238（8位学号）表示02级某位同学，用12表示某班第12号同学。 • 在计算机内部一切数据和指令都要用一定位数的两个数字（0和1）组合来表示。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  9. 我们可以用007“表示”一个著名的特工，我们同样可以用0和1表示许多我们可以用007“表示”一个著名的特工，我们同样可以用0和1表示许多 • 007 = 詹姆斯·邦德 • 0100 0001 = A • 0100 0010 = B • …… 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  10. EBCDIC编码方案扩充的二进制编码的十进制交换码EBCDIC编码方案扩充的二进制编码的十进制交换码 • 通常用于IBM大型计算机系统。EBCDIC编码方案使用8位二进制数 (一个字节) 表示一个字符，一共可以表示256个不同的字符。 • 对照P2.9图2.2，想一想： • EBCDIC码为11000111和11110010分别表示什么字符？ • 在IBM大型机的键盘上敲入字母“Z”和数字“0”，计算机内部对应的二进制代码是什么？ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  11. ASCII编码方案美国信息交换标准码 • 广泛用于非IBM公司制造的大型计算机及所有的微型计算机。标准ASCII编码方案使用7位二进制数，只能表示128个字符，扩展ASCII编码方案使用8位二进制数表示一个字符，一共可以表示256个字符。 • 对照P2.9图2.2，想一想： • ASCII码为0100 0011和0011 0010分别表示什么字符？ • 在个人计算机的键盘上敲入字母“Z”和数字“0” , 计算机内部对应的二进制代码是什么？ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  12. 使用ASCII码作3+5运算时的转换情况 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  13. Unicode编码方案统一的字符编码标准 • ASCII编码方案可以实现用二进制形式表示英语和欧洲语言中的各种字符，但无法处理中国、日本等国的非字母类的文字字符。Unicode编码方案即于此类文字的编码。它使用16位二进制数表示一个字符，一共可以表示65536个不同的字符。 • 你知道吗，字符“南”和“京”在计算机内部是如何表示的？ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  14. 汉字字符在机内如何表示为二进制形式？ • 汉字是一种特殊的字符，同样采用编码的形式在计算机内表示和存储它。《信息交换用汉字编码字符集 ─ 基本集》即国家标准 GB2312 - 80 就是这样的编码表。汉字编码表比ASCII编码表要大得多，它由94×94的表构成，即有94行，94列。每一行称为一个“区”，共有94区，编号为第01区、第02区、…、第94区； 每一列称为一个“位”， 共94位，编号为第01位、第02位、…、第94位。 • 汉字的表示就使用该编码表提供的编码，即用"区码"和"位码"作为汉字的编码，"区码"为高位（在左），"位码"为低位（在右）。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  15. 区位码表（局部） 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  16. 示例 • 从汉字编码表中求得的汉字编码称为汉字的"区位码 "。例如，"南京"二字，根据汉字编码表可知其编码分别为： [ 南] 十进制码是：36 47　 　　二进制码是：0100100 0101111[ 京] 十进制码是：30 09 　 　　二进制码是：0011110 0001001 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  17. 机内码 • 国标码 在区位码的基础上产生，方法是分别在“区”码和“位码”上各加“32”（即二进制00100000）得到。 南1000100 1001111 京0111110 0101001 • 机内码 在国标码的基础上产生，分别在"高位"码和"低位"码上个各加"128"（即二进制10000000）得到。 南11000100 11001111 京10111110 10101001 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  18. 奇偶位：用于出错校验 • 在计算机内部保证数据的正确性是极其重要的。在传输后被改变、出现错误的信息是不可用的信息。 • 尘埃、电气干扰、气候条件和其他因素可能使电路或传输线路产生干扰。计算机是如何知道出现传输错误了？方法之一是使用 parity bit (奇偶位)技术。所谓“奇偶位”(亦称“校验位”)是在一个“字节”的末尾添加一个专用于精度校验的二进制位。 • 奇偶校验技术方案有两种形式： • 偶校验 (even parity)添加一位使1的个数为偶数 • 奇校验 (odd parity)添加一位使1的个数为奇数 示例：P2.6图2.3 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  19. 奇偶校验技术示意图 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  20. 奇偶校验的不足 奇偶校验可以检测出所有的1位差错，但只能检测差错数为奇数的多位差错。差错漏检率≈1/2。 【例】原始数据000111011，采用偶校验。 则发送端通过线路传输发出的码字为 1000111011。 若接收端接收到的是 1111111011 或0110111011或 1100010011 将均被拒收。 但若接收端接收到的是 1110111011或1100011011或1000011010， 仍会通过验收（漏检）。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  21. 机器语言：计算机本身的语言 • 仅仅采用ASCII码之类二进制编码方案还是不够。不同硬件平台（处理器）使用不同的机器语言，所以会出现诸如在IBM PC类微型机上使用的字处理软件在Macintosh类微型机上不能使用的情况。这种不能通用的情况称为“不兼容” ( incompatible)。 • 机器语言是计算机可能直接执行的二进制编程语言。但用机器语言(只有0和1两种符号) 编写的程序，一则对大多数人来说犹如天书（可读性差，如同中国人读西文），二则不同机器语言编写的程序不能互相通用（可移植性差，如同英文和法文都用相同的26个字母，但写出来的东西互不通用）。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  22. 计算机的存储容量如何表示：按位 一台计算机的主存储器或辅助存储器（如硬盘）可以存储多少个0和1呢？通常使用以下单位来表示计算机的存储容量： • Bit (位,比特) 一个二进制数字（问题：01001 是几个bit ? ) • Byte (字节) 1 byte = 8 bit • Kilobyte (千字节，KB) 1 KB=1024 byte • Megabyte (兆字节，MB) 1MB=1024KB • Gigabyte (吉字节，GB) 1GB=1024MB • Terabyte (特字节，TB) 1TB=1024GB • Petabyte (PB) 1PB=1024TB 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  23. 补充内容：数制与数制转换 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  24. 位权 位权 位权 位权 位权 位权 位权 一、常用数制 • 数值的构成 一个数值各位数字（数码）表示的值不仅与该数字有关，且与所在位置有关。 【例】数32343.43可以分解为： 3×104＋2×103＋3×102＋4×101＋3×100＋4×10 -1＋3×10 -2 基数：相邻位权之比 位权：基数的 i 次方 ( i 为与位置对应的自然数） 每个数位上的数字所表示的值=该数码×位权

  25. 十进制 二进制 八进制 十六进制 K进制 基数 10 2 8 16 K 常用数制 进位 逢10进1 逢2进1 逢8进1 逢16进1 逢K进1 可用 数码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ABCDEF 0…K-1 K进制数的某些性质： 小数点右移n 位——相当于乘以K n（增加K n 倍） 小数点左移n 位——相当于除以K n （为K n 份之一）

  26. 二进制转十进制简便算法： 1 1 0 1 1 0 1 1 128 64 32 16 8 4 2 1 计算： 128+64+16+8+2+1= 219 二、K进制数转换为十进制数 • 位权展开法 【例一】将下列数值转换为十进制数 (101.01)2 (205.4)8 (AF.8)16 解： (101.01)2= 1×22＋0×21＋1×20＋0×2 -1＋1×2-2 =(5.25)10 (205.4)8= 2×82＋0×81＋5×8 0＋4×8 –1 =(133. 5)10 (AF.8)16= 10×16 1 ＋15×160＋8×16 -1 =(175. 5)10 【思考】以下数值中最大的和最小的分别是哪个？ ① (1234)8 (1234)16 (1234)5 (1234)10 ② (11011011)2 (219)16 (210)8 (219)10 • Windows 98自带计算器（科学型）——适合于整数部份, 其他进制向十进制转换时，小数部分亦可用计算机求出。

  27. 三、十进制数转换为K进制数 结果： (100.345)10 ≈（1100100.0101)2 (100)10= (144)8 = (64)16 将整数部份和小数部份分开来算，位权展开法 • 整数部份：除以K取余数，直到商为0，余数从自下而上排列 小数部份：以小数部分乘以K取积的整数，并将其自上而下排列，直 到小数部份为0或规定精度为止 【例】将(100.345)10 转换为二、八、十六进制 2 100 低位 2 50 0 8 1000.345 2 25 0 8 12 4 ×2高位 2 12 1 8 1 4 0.690 2 6 0 0 1 × 2 2 3 0 1.380 2 1 1 16 100 × 2 0 1 16 6 4 0.760 高位 0 6 × 2 1.520 × 2 …… 低位

  28. 四. 八、十六进制与二进制相互转换 法则：以小数点为界，每个八进制数对应三位二进制数，每个十六进制数对应四位二进制数。 【注意】小数部分不足之处应补零 记住—— 8 4 2 1 1 1 1 1 【例】 (2C1.D)16=(0010 1100 0001. 1101)2 2 C 1 D 【例】 (71.23)8=( 111 001 . 010 011)2 7 1 2 3 【例】 ( 11 0110 1110 . 1101 01)2 = (36E.D4)16 3 6 E D 4 01应补00为0100

  29. 例三 1110 × 101 1110 1110 1000110 例四 110 10 1100 10 100 10 0 例一 1101 + 101 10010 例二 1011 － 101 110 五、二进制数的简单运算 算术运算（加减乘除） • 加法：逢2进1 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 （进位） • 减法：借1当2 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1（借位） • 乘法：加法+移位 0 * 0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 • 除法：减法+移位 0÷1=0 1÷1=1

  30. 二进制数的逻辑运算 • 与运算：都是1时才为1 运算符：A&B • 或运算：都是0时才为0 运算符：A|B • 异或运算：相异为1 运算符：A^B • 非运算：0变1，1变0 运算符：～A • 例：设A=1101，B=1001，求：A&B 、 A|B、A^B、 ～A 例四 ～A ～A=0010 例三 A^B 1101 ^ 1011 0110 例二 A|B 1101 | 1001 1101 例一 A&B 1101 & 1001 1001

  31. 2.2 处理器、主存储器和寄存器The Processor, Main Memory & Registers 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  32. ENIAC与CPU • 从技术上而言，ENIAC是没有太清晰的CPU概念的。因为它采用电子管作为基本电子元件。用了足足18800个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用25瓦灯泡那么大。这样整部电脑就有了8英尺高、3英尺宽、100英尺长的身躯，重达30吨，耗电高达140千瓦。每秒能进行5000次加法运算（而人最快的运算速度每秒仅5次加法运算），还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。这样的速度在当时已经是人类智慧的最高水平。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  33. 四十年代的编程是这样的… 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  34. CPU：计算机系统的主管者 • 大型计算机的CPU制作在几块相当大的印刷电路板上。微型计算机的CPU称为“微处理器”（microprocessor），其电路是通过蚀刻技术生成在拇指指甲大小或略大一点的硅芯片上。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  35. 带风扇的CPU 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  36. CPU芯片是如何制造的? 访问Intel公司网站 —— • CPU是如何工作的？ 相关网址： 北 京 英 特 尔 博 物 馆 http://intel.com/cn/museum/ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  37. P2.8 Figure 2.4 控制器告诉运算器执行什么样的逻辑运算或算术运算 • CPU由控制器和运算器两个部分组成。两个部分之间通过称为“总线” (bus)的电子线路连接。CPU与微型计算机的其他设备之间也是通过总线连接。 处理过的数据被送进内存储器，之后送往输出设备或辅助存储器 要处理的数据通过总线进入运算器中的寄存器 要处理的数据从辅助存储器到达内存储器 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  38. CISC，RISC和MPP：不同的CPU制造技术 • CISC（复杂指令集计算机）技术 传统的大型机和个人计算机多用之。其指令系统多达几百条指令，影响了处理速度，价格较贵，耗电亦较大。 • RISC（精简指令集计算机）技术 由于指令数量减少了，所以执行指令的时间也减少了，价格亦降低了（所用的晶体管数减少）。 其实质是将计算任务的负担从硬件转移给软件。 • MPP（海量信息并行处理）技术 与使用CISC和RISC技术一次执行一条指令的计算机不同，超级计算机等有多个处理器，可以一次执行多条指令，故称为“并行处理”。MPP技术可以实现将繁重的计算任务分散给成千上万个微机上所用的廉价标准微处理器同时处理。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  39. 补充内容: PC机两大主流机型 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  40. 个人计算机两大主流机型 • IBM公司的PC机及其兼容机（在国内占95%以上） 核心硬件 Intel公司制造的X86系列、Pentium系列CPU芯片及AMD等公司制造的兼容芯片 核心软件 Microsoft公司开发的DOS系列、Windows系列的操作系统 • APPLE公司的APPLE系列、Macintosh系列个人电脑※ 核心硬件 Motorola公司制造MC680X0系列及IBM公司制造的PowerPC GX系列CPU芯片 核心软件 APPLE公司开发的SYSTEM以及与微软公司合作开发的MAC OS X系列操作系统 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  41. 1976：改变世界的开始 计算机发明距今已有50余年的历史，但是在早期它却没有象电话、电灯那样很快地走进千家万户，为大众所享用。由于那时的计算机昂贵、庞大、不易于使用，在问世30年后，仍然还局限于国防、科研等尖端领域应用。而且，从它诞生之日起，在大众的心目中它就是一部机器，一部冰冷的高速运算的机器。 二十世纪七十年代，有一群与众不同的年轻人在试图改变这一事实，他们期望为劳苦大众奉献一个助手，一个伙伴，一个温情的人性化的电脑，跨越生活与工作的鸿沟，改变世界，这是年轻的他们的梦呓。就是这样两个梦想改变世界的年轻人——Steve Jobs和Steve Wozniak——在养父母的车库中创建了自己的公司——苹果电脑公司——不小心改写了计算机的历史。 请记住：1976——改变世界的开始：一个叫苹果电脑的公司成立；有了一台称为Apple I型的供个人使用的电脑； 于是之后就有了Apple II，于是就有了许许多多的第一次，和个人电脑的两大流派——Macintosh和IBM PC及其兼容机。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  42. 斯蒂夫·乔布斯（Steve Jobs）：苹果创始人、CEO那个在苹果上咬了一口，现在又努力复原的家伙 1955年2月24日，生于旧金山，是私生子，被人收养。1972年，进入波特兰大的里德学院，第二年被勒令退学，只身去印度参禅修行。1974年，返回美国，并加入“家酿”俱乐部。不久在阿泰利（Atari）找到工作。1976年4月1日，和沃兹尼克在养父的车库里，创立苹果。85年在权力争斗失败后，他被迫下岗并辞职,但在97年众人都为苹果敲响丧钟时，他却涉险而上，再次成为苹果CEO，使即将腐烂的苹果重新焕发了生机。   ※  莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  43. 斯蒂夫·沃兹尼亚克（Steven Wozniak）苹果共同创始人 在硅谷408区号的人们，如果想拨打800电话预定泛美航空的机票，他们常常发现电话拨到一个莫名其妙的地方。有时听到的是笑话，有时会告诉你是泛美第一百万旅客，可终身免费，而在记录个人材料时，电话又会突然中断，让你火急火燎地重拨，想捡回这个突如其来的“大馅饼”。 其实玩这些恶作剧的，就是后来名震遐迩，与乔布斯一起创办苹果，点燃计算机革命的斯蒂夫·G·沃兹尼亚克（简称沃兹）。 1950年8月11日出生 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  44. APPLE I 型个人计算机※ Apple I and Apple I Board MOS 技术公司的6502型CPU 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  45. APPLE II型个人计算机 1977年6月5日，苹果推出划时代的Apple II电脑 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  46. 形形色色的APPLE计算机 1998年八月十五日，苹果公司推出iMac，从此个人电脑进入了色彩缤纷的年代。※ 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  47. iMACMac OS X v10.2 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  48. PowerPC G5和Power Mac G5 • 2003年8月IBM与苹果电脑联合推出了全球首款64位桌上型电脑处理器——“PowerPC G5”。 • PowerPC G5处理器基于IBM业界领先的POWER体系结构，已针对个人电脑进行了优化，是苹果公司刚刚宣布的“Power Mac G5”的核心。 • “PowerPC G5 改变了所有规则。这辆64位赛车是我们新推出的Power Mac G5电脑的核心，”苹果公司首席执行官Steve Jobs表示，“IBM提供了世界上最先进的处理器设计和制造专业技能，而这只是我们长期建设性关系的开始。” 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  49. 64位个人电脑用CPU：PowerPC G5 • 在小到只有 118 平方毫米的芯片上（拇指指甲大小的空间中 ），集成了5800万个晶体管。在 IBM 公司完善的工序技术精炼之下，晶体管的宽度只有 130 毫微米。这 5,800万个晶体管是由超过 400 米长、直径只有头发 1/800 宽的铜导线连结起来的。这么细微的通路，意味着电子完成一个序列所需要的时间更短，因为电子不必通过很长的通路。 • PowerPC G5是IBM利用业界领先的制造技术在其耗资30亿美元建立的全新的现代化晶圆厂(位于美国纽约East Fishkill)生产的。IBM 用超细的130纳米电路(比人的头发细800倍)在该处理器中内置了出色的性能和新特性。PowerPC G5拥有1,131英尺铜缆互连和基于IBM高效的绝缘硅片 (SOI)技术的5,800万个晶体管。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

  50. PowerPC G5The World’s First 64-Bit Desktop ProcessorJune 2003 • 32位 PC 最多只能使用 4GB 的存储器。如果需要更多存储空间的话，就必须使用硬盘驱动器上的虚拟存储器，而虚拟存储器的速度比使用RAM要慢40 倍。全新的 Power Mac G5 由于采用了 64位 G5 处理器，因此能够提供多达 8GB 的存储容量。这样，您可以将整个 3D 场景、巨额的科学运算数据资料、以及超大的 2D 图像全部存储在内存中，内存可以更快的处理所有资料。有多快？再提醒您一次：40 倍那么快。 莆田学院现代教育技术中心 2003年10月

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