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1、第2章体系结构与组织学习目标： 了解计算机体系结构的发展、存储系统的结构与组织、接口与通信等基础知识。 掌握数据的机器级表示、非数值数据、数字逻辑与数字系统、汇编级计算机组成等基础知识。2.1计算机体系结构的发展本章主要学习数值数据在计算机中的表示与运算、非数值数据的表示、数据的机器编码、数字逻辑与数字系统、计算机系统的组成等基础知识。计算机体系结构是指根据属性和功能不同而划分的计算机组成部什茨史馨，计算机体系结构发展.mp4分及计算机基本工作原理、理论的总称，即指适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素相互配合、协作，通过对信息处理而完成预先定义的目标。计算机体系结构是程序员所看
2、到的计算机的属性，即计算机的逻辑结构和功能特征,包括其各个硬件和软件之间的相互关系。对计算机系统设计者而言，计算机体系结构是指研究计算机的基本设计思想和由此产生的逻辑结构；对程序设计者而言，计算机体系结构是指对系统功能的描述（如指令集、编制方式等）。亚当（Adam）等人从程序设计角度看到了计算机的属性（外特性），并于1964年率先提出计算机系统结构的概念。至今为止，计算机共经历了四个不同的发展阶段。1 .第一阶段20世纪60年代中期以前.，是计算机体系结构发展的早期。在这个时期通用硬件已经相当普遍，软件却是为每个具体应用而专门编写的，大多数人认为软件开发无须预先计划。这时的软件实际上就是规模较
3、小的程序，程序编写起来相对容易，没有系统化的方法，也没有进行任何管理，除了程序清单之外，根本没有保存其他文档资料。2 .第二阶段从20世纪60年代中期到70年代中期，多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念，开创了计算机应用的新境界，使硬件和软件的配合上了一个新的层次。这个阶段的一个重要特征是出现了“软件作坊”，广泛使用产品软件。但是，“软件作坊”基本上仍然沿用着早期形成的个体化软件开发方法。许多程序的个体化特性使得它们最终成为不可维护的产品，“软件危机”开始出现。3 .第三阶段从20世纪70年代中期到80年代中期，计算机技术又有了很大进步。分布式系统极大地增加了计算机系统的复杂性，局域网、
4、广域网、宽带数字通信以及对“即时”数据访问需求的增加，都对软件开发者提出了更高的要求。但是，这个时期软件仍然主要在工业界和学术界应用，个人应用还很少。这个时期的主要特点是出现了微处理器，以微处理器为核心的“智能”产品精彩纷呈，PC逐渐成为大众化的商品。4 .第四阶段从20世纪80年代中期开始，人们感受到的是硬件和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网、广域网和Intemet网，与先进的应用软件相配合，己经成为当时的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布式环境，集群、网络、云计算等概念层出不穷。2.2数据的机器级表示计算机只能识别二进制编码的指令和数据，其他的如
5、数字、字符、声音、图形、图像等信息都必须转换成二进制的形式，计算机才能识别和处理。二进制只有两个状态(即0和1),这正好与物理器件的两种状态相对应，例如电压信号的高与低、门电路的导通与截止等。而十进制电路则需要用10种状态来描述，这将使电路十分复杂，处理起来也非常困难。因此，采用二进制将使计算机在物理实现上变得简单，且具有可靠性高、处理简单、抗干扰能力强等优点。2.2.1 数的表示及数制转换李约瑟十进制数是日常生活中常用的，一直伴随着人们的生活。在商教的表示及敷制转换mp4代时，我国就己采用了十进制。十进制的记数法是古代世界中最先进、最科学的记数法，对世界科学和文化的发展起着不可估量的作用。正
6、如李约瑟(JoSePhTerenCeMOntgomeryNeedham,19001995)所说的，“如果没有这种十进制，就不可能出现我们现在这个统一化的世界了”。除了十进制外，其他进制，例如十二进制(时钟)等也在生活中广泛使用。在计算机内所有的数据都是以二进制代码的形式存储、处理和传送，但是在输入/输出或书写时，为了用户的方便，也经常用到八进制和十六进制。在十进制(decimal)系统中，进位原则是“逢十进一”。由此可知，在二进制(binary)系统中，其进位原则是“逢二进一”；在八进制(OClal)系统中，其进位原则是“逢八进一”；在十六进制(hexadecimal)系统中，其进位原则是“逢
7、十六进一”。为了弄清进制的概念及其关系，故而有必要掌握各种进位制数的表示方法以及不同进位制数之间相互转换的方法。1 .数制的相关概念在进位记数的数字系统中，如果只用R个基本符号(如0,1,2,R-1)来表示数值，那么称其为“基H数制”。在各种进制中，基和位权这两个基本概念对数制的理解和多种数制之间的转换起着至关重要的作用。(1)基。称R为数制的“基数”，简称“基”或“底”。例如，十进制数制的基R=M(2)位权。数值中每一固定位置对应的单位被称为“位权”，简称“权”.它以数制的基为底,以整数为指数组成,例如，一个十进制数制的位权为I(FL如(P,io%IOL1伊,IO1,IO2,IO3,，10对
8、十进制数，R=IO,它的基本符号有10个，分别为0,1,2,9。对二进制数，R=2,其基本符号为0和1。进位记数的编码符合“逢R进位”的规则。各位的权是R为底的基，一个数可按权展开成多项式。例如，十进制数523.47可按权展开如下：523.47=5102+210,+31Oo+410,+710-2因此，可将任意数制的数N表示为以下通式：(N)R=DmIr+DgRg+DR+DRO+DIRT+DkRk=EDjR式中，(MR表示R进制的数M数共有m+k+1位，且相和&为正整数；D可以是R进制的基本符号中的任意一个；押为该进制的权，R为基数或“底”。在计算机中常用的数制有十进制、二进制、八进制、十六进制
9、数制，它们的基、位权及基本符号总结如表2.1所示。表2.1各种进制的基、位权及基本符号进制名称基（三）位权基本符号十进制10,103,IO2JO1,10,IO1,102,IO-3,0,12,9二进制2.7j?29l0-17-20-3.0,1八进制88秒8,84,88-3,0,1,2,十六进制16,163,162J6,160,16-,16-2.16-0,l,2j,9,AB,C,D,E,F2 .数制的表示数制的表示方法有很多种，常用的有以下两种。D下标法下标法是指用小括号将所表示的数括起来，然后在括号外的右下角写上数制的基七例2.1(862)A(IOIo.11)2、(356)8、(93BF)g分别
10、表示一个十进制数、二进制数、八进制数和十六进制数。2)字母法字母法是指在所表示的数的末尾加上相应数制的首字母。进制对应的字母如表2.2所示。表2.2进制与字母进制十进制二进制八进制十六进制所用字母DBOH八进制的字母。为与数字零区别，故而有时用Q表示。而由于生活中常用的数制为十进制，因此，对于十进制数，可以省略其后的字母D。例2.2862D或862、1010.1IB,356Q、93BFH分别表示一个十进制数、二进制数、八进制数和十六进制数。3 .数制间的基本关系十进制、二进制、八进制和十六进制数制之间的基本关系如表2.3所示。表2.3数制间的基本关系十进制二进制八进制十六进制0(X)(X)(X
11、)01OOOIOl12OOlO0223OOll0334OlOO0445OlOl0556OllO0667Olll077810001089100111910101012AIlIOll13B12I10014C13IlOI15D14IllO16E15Illl17F4 .数制之间的转换二进制、八进制、十六进制和十进制数制之间的相互转换有一定的规律，只要掌握了它们之间的基本规律，就很容易进行这些数制之间的相互转换，具体内容如下所述。D其他进制数转换为十进制数其他进制转换为十进制的具体转换方法为：相应位置的数码乘以对应位的权，再将所有的乘积进行累加，即得对应的十进制数。例2.3(1001.101)2=(l2
12、3+022+021+l20+l21+022+123)o=(8+0+0+1+0.5+0+0.125)10=(9.625)io例2.4(8A.F)i6=(816,+10160+15161)io=(128+10+0.9375)10=(138.9375)io2)二进制数、八进制数、十六进制数之间的转换八进制数和十六进制数是从二进制数演变而来的。其具体转换方法为：由3位二进制数组成1位八进制数，由4位二进制数组成1位十六进制数。对于同时有整数和小数部分的数，则以小数点为界，对小数点前后的数分别进行分组处理，不足的位数用O补足，对于整数部分将O补在数的左边，对于小数部分则将O补在数的右边。例2.5(100
13、1.111l)2=(001001.111100)2=(l1.74)8例2.6(11011.1001)2=(00011011.1OO1)2=(1B.9)6例2.7(5A.F3)i6=(01011010.11110011)2=(.)23)十进制数转换为其他进制数(1)整数的转换方法为：除基取余法。即用十进制整数除以要转换的进制数的基，取余数，从低位向高位逐次进行，然后对商继续这一操作，直到商为零为止。例28现以(156)o为例，利用除2取余法将其转换为二进制整数的过程如下：2|156xo=O2178Xi=O239X2=I219X3=I29X4=l24X5=O22X6=O1X7=1即(156)0=(
14、X7X6XSX4X3XlKlXO)2=()2将除2取余法推广开来，可以得到将十进制整数转换为其他进制数的方法。(2)小数的转换方法为：乘基取整法。即将十进制小数乘以要转换的进制数的基，取整数，然后对小数点后的数继续这一操作，直到小数点后为零或达到所要求的精度为止。例29以(0.5625)10转化为二进制数为例，说明其转换过程。0.5625X21.1250x-=l0.1250X20.2500X2=00.2500X20.5000X3=00.5000X21.0000X-4=1(0.5625)o=(Oxix2X3x4)2=(OJOOl)2(3)十进制混合小数的转换为：将十进制数的整数和小数分别按上述方
15、法进行转换，然后再组合到一起。十进制混合小数由整数和纯小数组成。将十进制数的整数部分按除R取余法转换为R进制的整数部分，将十进制的纯小数部分按乘R取整法转换为R进制的小数部分，然后再将R进制的整数部分和小数部分组合起来构成R进制混合小数。例2.10十进制混合小数(156.5625)的整数部分是156,其纯小数部分是0.5625。将156用除以2取余法转换得到二进制数()2,将0.5625用乘2取整法得到二进制数(0.1001)2,再将()2和(0.1001)2相加，可以得到(156.5625)10=(.1001)2。总之，各种进制之间的相互转换关系如图2.1所示。图2.1各种进制之间的相互转换
16、关系5.计算机使用二进制的优点(I)二进制数的状态简单，容易实现。二进制中只有。和1两种状态，很容易用物理器件实现。例如,在计算机中常用电位的“高”和“低”、脉冲的“有”和“无”、晶体管的“导通”和“截止”来表示“1”和“0”。在磁盘中，用铁氧体磁芯沿不同方向的磁化等来表示“1”和“0”两种状态。在光盘中，用激光是否在光盘上烧制小的凹坑来表示“1”和“0”。(2)逻辑操作简单。二进制的“1”和“0”两个数码正好与逻辑命题中的“是”和“否”、“真”和“假”相对应，而布尔代数中，正好与二进制的操作相对应。因此，用二进制转换为布尔代数来进行研究，为程序中的逻辑判断和实现计算机中的逻辑运算提供了便利条
17、件，同时也为计算机的逻辑线路设计提供了方便。2.2.2数的原码、反码和补码数的原码、反码和补码.mp4(3)二进制的运算规则简单。任何进位制进行四则运算时，都需要记住两个整数的求和及乘积的规则。对于R进制，需要记住RX(R+1)/2个和与积的运算规则，例如，对于十进制数制需要记住10(10+1)/2=55个和与积的运算规则(加法表和九九表)。但如果采用二进制，由于R=2,所以需要记住的运算规则数为2(2+l)2=3同时，0和1这两个数进行相加或相乘的运算也极其简单。个数值数据要在计算机中进行表示，也应该与实际使用中的要求相同。数值数据在计算机中的表示必须明确指明符号表示方法和小数点的位置表示方
18、法。在计算机中，数值数据的符号表示方法简单，计算机中使用二进制。和1,正好与正号“十”和负号“-”相对应。因此，在计算机中，表示一个数值数据符号的方法是占用一位二进制数位，用“0”表示正号，用“1”表示负号。为了区别符号和数值，二进制数值数据在计算机中有原码、反码和补码三种表示方法。1.真值与机器数机器数是指数在计算机中的表示形式。为了表示普通的数与机器数的对应关系，故而将普通的数称为机器数的真值。因此，在计算机中只有机器数，不存在数的真值。例如，两个数M和M的真值分别为N/+1011011N2:-1011011则所对应的机器数分别为N1:01011011N2:110110112.原码原码是一
19、种简单的机器数表示法，其符号位用0表示正号，用1表示负号，数值部分按二进制书写。其表示方法：对于最左边的符号位，若为正数，则原码符号位为0；若为负数，则符号位为1,其余的数值位不变，写到符号右边。整数的原码用公式定义如下:X,0X22m-X=2+X,-2rtX0小数的原码用公式定义如下:X原=即Xk=符号位+x.例 2.11 X=1110, X=-IllO, X = 0.1110, X=-OJllO,X,0X2-x = +xl,-r X = 111IOX = O.I11OX = 1.1110原码的特点：数的原码与真值之间的关系比较简单，且与真值的转换也方便。在进行乘除法运算时，可将符号位和数值
20、位分开处理，运算结果的符号可用参加操作的两个操作数符号进行异或运算求得，运算结果的数值可由操作数原码的数值部分按乘除规则运算获得，因此，原码适合于乘除运算。它的最大缺点是在机器中进行加减法运算时比较复杂。3.反码反码就是把二进制数按位求反。如果Xr=I,则反码X1=O;如果Xz=O,则反码Xj=1o在Xj上面加一横线表示反码的意思。表示方法：对于正数，符号位为0,后面的数值位不变；若为负数，符号位为1,数值位按位求反。整数的反码用公式定义如下：X,0X2z,1-1【X】反=/n12-0-l+X,-(2n,-l)X0小数的反码用公式定义如下：X,0XlX.=(2_2Ti)+X,-lX0即X补=(
21、2-2-”)、符号位+*1110：1(2-2-),其中，为小数点后有效位数。例2.12=+iuo,X=011l0X=-HlO,X及=IooOlX=+0.1110,X&=0.1110X=-OJllO,X反=1.0001反码的特点：反码进行加减运算时，若最高位有进位，则要在最低位加L此时要多进行一次加法运算，这样既增加r运算的复杂性，又影响了速度，因此很少采用。4.补码补码是种很好的机器数表示法。补码可以将负数转化为正数，将减法转换为加法，从而将正负数的加减运算转化为单纯的正数相加的运算，简化了判断过程，提高了计算机的运算速度，并相应地节省了设备开销。因此，补码是应用最广泛的种机器数表示方法。表示
22、方法：对于正数，符号位为0,后面的数值位不变；若为负数，符号位为1,数值位按位求反，然后在最末位加1。整数的补码用公式定义如下：因补二X,OWXV 22+,+ X=2n+,-X, -1XO小数的补码用公式定义如下:XI 补=X,OX12+X=2-X, -1XO即X补=2x符号位+X(mod2)o例 2.13X=+1I1O,X = -IllO,X =-.ll 10, X=-OJlIO, 补码的特点：与原码相比,XN = OlllOX- = IOOlOX 川= 0.1110X 川= LoOlO补码在数轴正方向上表示数的范围与原码相同，在负轴方向上表示数的范围比原码增大了一个单位。5.三种码制的比较
23、数值数据的原码、反码和补码的表示方法有许多异同点，具体内容如下所述。三种码制的共同点如下。(1)三种码制主要是解决数值数据的符号在机器中的表示问题。正数的原码、补码和反码都等于真值，而对于负数，表示方法各有不同。(2)三种码制中的最高位都表示符号位，其中真值为正数时，符号位用“0”来表示；真值为负数时，符号位用“1”来表示。三种码制的相异点如下。(1)原码的符号位和数值位运算必须分开进行，运算完后再组合到一起，计算上不方便。补码和反码的符号位可以和数值位一起参与运算，方便了计算机的处理。(2)原码和反码对于数值零各自都有两种表示方法：=00000000B,-0味=IoOoOOoOB以及0反=O
24、oOoOoOOB,-0反=IIllllllB。而补码则只有唯一的表示法：0产B,这使得补码的运算更方便。(3)当需要将较短字长的代码向高位扩展为较长字长的代码，或代码向右移位时，原码、补码和反码采用的处理方法不同。原码的方法是符号位固定在最高位，扩展位或数值位右移后空出的位填Oo而补码和反码的方法，则是符号位固定在最高位，扩展位或数值位右移后空出的位填写“与符号位相同的代码”。(4)原码和反码能表示的正数和负数的范围相对于零是对称的。例如，对于整数的表示，都是(2”T-1)。然而补码的负数表示范围比正数表示范围要宽，能够多表示一个最小定点数和浮点数.mp4负数。例如，对于整数的表示，其值等于-
25、2”一、2.2.3定点数和浮点数对于数值数据的小数点表示方法，在计算机中分为定点数和浮点数两种表示形式。1 .定点数定点数是指计算机在运算过程中，数据中小数点的位置固定不变。小数点的位置是由计算机设计者在机器的结构中指定一个不变的位置，并不一定都必须具有小数点的指示装置。定点数一般有小数和整数两种表示形式。定点整数是指所表示的数都为整数，而小数点则固定在数值位最低位之后，其格式为位1f符号位数值位假想小数点即定点整数用位二进制表示一个数，一般选择最左边一位作为符号位。若该位为1,表示该数为负数；若为0,则表示该数为正数。由于小数点在最低位之后，最低位的位权值为2。，因此它所表示的数都为整数。定
26、点小数是指所表示的数都为小数，它的小数点固定在符号位与最左边的数值位之间,其格式为“位符号位假想小数点数值位定点小数的小数点位置在数值位的最左端，即在符号位之后。由于小数点右边各位的位权值分别为212-2,，因此它所表示的数只能是小数。如果计算机采用定点整数表示，则要求参加运算的数都是大于或等于1的整数。如果参加运算的数有小数部分，则在送入计算机运算之前，就要乘以一个大于1的比例因子，将其放大后变为整数。如果计算机采用定点小数表示，则参与运算的数都是小于1的数。如果参加运算的数有整数部分，那么在送入计算机运算之前，就要乘以一个小于1的比例因子，将其缩小后变为小数。无论是定点小数还是定点整数，由
27、于小数点始终固定在一个确定的位置，所以计算机在运算时可以直接进行加减运算而不必对位。因此，当参与运算的数值本身就是定点数的形式时，计算就会简单且方便。但若需要对参加运算的数进行比例因子的计算，就会增加额外的计算量。2 .浮点数在科学计算和数据处理中，经常需要处理和计算非常大或者非常小的数值。定点表示法表示的数值有范围大小的限制，不能够精确地完成这种数值的表示。为了表示更大取值范围的数，可以采用以下表示方法：N=MR1式中，N为浮点数；M和E为带符号的定点数，E为阶码；R称为“阶的基数”（或底）。尾数M可用原码、反码和补码三种码制中的任意一种来表示，可以是整数，也可以是小数。目前，大多数计算机都
28、把M规定为纯小数，把阶码E规定为纯整数。M中的小数点可以随E值的变化而左右浮动。所以把这种表示法叫作数的浮点表示法，而这样的数又被称为浮点数。例2.14十进制数O.可以写成：F=0.00012345=0.00001234510*3=0.12345103虽然它们的数字部分都是0,但因累次不同，所以表示的数值差异也很大。同理，二进制数也可以写成以下形式：011011=0.110112+,0.0000011011=0.110112-,0,机器中浮点数的表示格式分为阶码和尾数两部分，其中，阶码一般用定点整数表示，尾数用定点小数表示。在计算机中的表示格式如下:N位阶码符号尾数符号-7阶码尾数其中，阶码占
29、，位(阶码符号占1位)，尾数占位(尾数符号占1位)，阶码和尾数共占N=m+n位。例2.15要表示真值x=(42)m对某一机器，用N=I2位的二进制代码表示一个浮点数,阶码为m=4位，尾数为=8位，则其浮点数的表示如下：户(42)Io=(IOIOIO)2=(0.)2+,基数R为2,其基数都为2。阶码：+110尾数：+0.因此，在机器中如以原码表示阶码和尾数，则X的浮点可以表示为01100阶码尾数考虑到表示方便，在阶码与尾数之间用空格分开，即X的浮点表示形式为OllO0.数据的机器级编码 和汇编编码.mp42.2.4数据的机器级编码和汇编编码计算机内部的信息分为两大类，即控制信息和数据信息。控制信
30、息是指挥计算机如何操作的指令，数据信息是计算机加工的对象。计算机指令是指挥机器工作的指示和命令，程序是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。计算机的工作基本上体现为执行指令，一台计算机的所有指令的集合构成该计算机的指令系统。从设计计算机的角度来看,机器指令系统提出了对中央处理器(Centralprocessingunit,CPU)的功能要求。CPU任务的大部分实现都涉及机器指令系统的实现，所以指令系统与计算机的硬件结构紧密相关。从用户角度来看，选取机器语言(实际上是汇编语言)的用户，必须熟悉所用机器的指令系统,熟悉机器所直接支持的寄存器和存储器结构、数据结构，以及算术
31、逻辑运算单元(arithmeticandlogicunit,ALU)的功能。1 .数据的机器级编码计算机是通过执行指令序列来解决问题的，因此，每种计算机都有一组指令集供给用户使用。计算机中的指令由操作码字段和操作数字段两部分组成。操作码字段指明计算机所要执行的操作。而操作数字段则指明在指令执行操作的过程中所需要的操作数。例如，乘法指令除了需要指定做乘法操作外，还需要提供被乘数和乘数。计算机只能识别二进制代码，所以机器指令是由二进制代码组成的。机器指令由操作码和地址码组成。操作码规定CPU执行什么操作。地址码指明源操作数从哪里取，结果送往什么地方以及下一条指令从哪里取。因此，机器指令的基本格式表
32、示如下。操作码地址码由于机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同，而且它们的指令系统往往相差很大。但对同一系列的CPU来说，为了使各型号之间具有良好的兼容性，应做到新一代CPU的指令系统必须包括先前同系列CPU的指令系统。只有这样，先前开发出来的各类程序才能在新一代CPU上正常运行。机器语言是CPU能直接识别的唯语言，用来直接描述机器指令、使用机器指令的规则等。用机器语言编写的程序不易读、出错率高、难以维护，也不能直观地反映用计算机解决问题的基本思路。2 .数据的汇编编码为便于使用和记忆，一般用汇编语言来代替机器指令进行程序编写。汇编语言是一种符号语言，它用助记符
33、来表示操作码，用符号或符号地址来表示操作数或操作数地址。汇编语言与机器指令是一一对应的，但计算机只能识别机器指令。因此，用汇编指令编写的程序必须首先转换为机器指令，然后才能在计算机上执行。汇编语言是一种介于机器语言和高级语言之间的计算机编程语言，它既不像机器语言那样直接使用计算机所认识和理解的二进制代码来构成，也不像高级语言那样独立于机器之外直接面向用户。用汇编语言编写的程序叫汇编语言程序，汇编语言的源代码是用很像英文缩写的助记符编写而成的，因此，较适合英语为第一语言的国家使用。将汇编语言翻译成机器语言需要用到汇编程序。用汇编语言编写的程序要比用与它等效的高级语言程序生成的目的代码精简得多，占
34、用的内存储器空间少，执行的速度快。使用汇编语言编写程序，最主要的缺点是所编写的程序与所要解决的问题的数学模型之间的关系不直观，使得编制程序的难度加大，而且编写的程序可读性也差，导致出错的可能性增加，因此程序设计和调试的时间较长。同时，汇编语言程序在不同机器间的可移植性也较差。2.3非数值数据在计算机中，除了可以对数值数据进行处理外，还能处理非数值数据。非数值数据有字符、声音、图形、图像等数据信息。由于计算机只非数值数据mp4处理二进制编码形式的数据，因此非数值数据都必须转换为二进制的编码形式才能提供给计算机进行处理。2.3.1文字信息的编码文字信息处理是指对语言文字符号系统进行转换、传输、存储
35、、加工、复制等处理的一种技术，是计算机信息技术的重要应用领域。在计算机中进行文字处理的主要工作有以下几种。(1)语言文字信息的输入(获取)。主要包括由键盘实现的字符代码输入、由语音识别方法实现的语音输入、由图像识别方法实现的书面文字输入等。(2)语言文字信息的传输(通信)。通过数据传输设备(由调制解调器、编/译码器和传输线等组成)传送数字信息。(3)语言文字信息的加工。主要利用计算机作为信息加工设备，使用软件和接口设备对信息进行加工。其操作主要包括筛选、编排、分析、存储、翻译、还原等。(4)语言文字信息的输出。即文字资料的显示或复制。文字信息根据不同国家使用的文字不同进行分类。在我国常用的主要
36、是英文字符和中文字符两种形式。1 .英文字符的编码在计算机中，对非数值的文字和其他符号进行处理时，要对文字和符号进行数字化处理，即采用二进制编码来表示文字和符号。字符编码就是规定用二进制数表示文字和符号的方法。目前，通用的西文字符编码方法主要为美国国家信息交换标准代码(AmeriCanStandardCodeforInformationInterchange,ASCII),该代码已被国际标准化组织(IntemationalOrganiZatiOnforStandardiZatiOn,ISO)批准为国际标准，称为ISO646标准。它适用于所有的拉丁文字字母，已在全世界通用。我国相应的国家标准是信
37、息技术信息交换用七位编码字符集(标准号：GB/T19881998)。ASCn码分为7位和8位两种版本。常用的7位版是二进制编码形式，如表2.4所示。7位ASCn码的每个字符都由7个二进制位D6、D5、D4、D3、D2、DhDo表示，总共可以组成128种编码。因此，7位ASCII码最多可表示128种字符，其中包括10个数字、26个小写字母、26个大写字母以及各种运算符号和标点符号等。ASCIl码表中第OoO001歹I、OlO列第一个字符和最右下角的字符，共34个字符，其编码值为032和127,是不可显示或打印的。它们是控制码，用来控制计算机某些外围设备的工作特性和某些计算机软件的运行情况。例如，
38、CR称为回车字符，编码为，是使显示器光标或打印机换行的控制字符。表2.4中第010l11列(共6歹IJ)中共有94个可打印或显示的字符，称为图形字符。图形字符有确定的结构形状，可在打印机和显示器等输出设备上输出。同时，这些字符均可在计算机键盘上找到相应的键，按键后就可以将相应字符的二进制编码输入计算机内。随着计算机应用的发展和深入，7位的字符集已显得不够用。为此，国际标准化组织又制定了ISO2022标准“7位字符集的代码扩充技术”。它在保持与ISO646兼容的基础上，规定了扩充ASCII字符集8位代码的方法。当最高位6置0时，称为基本ASCII码(编码同7位ASCII码)。当最高位置1时，形成
39、扩充ASCII码，它表示数值的范围为128255,可表示128个字符。表247位版ASCHDsD4D3D2Di000001010011100101110111(XXX)NULDLESP0P/P(XX)ISOHDClJ1AQaq0010STXDC22BRb0011ETXDC3#3CSCS0100EOTDC4S4DTdtOlOIENQNAK%5EUeU0110ACKSYN&6FVfVOlllBELETB7GWgW1000BSCAN(8HXhX1001HTEM)9IYjy1010LFSUB*.JZjZIOlIVTESC+Kk(Il(X)FFFS,NTnIlllSIUS/?O4-ODEL2 .汉字字符
40、的编码为适应计算机处理汉字信息的需要，我国于1980年3月9日发布了国家标准信息交换用汉字编码字符集基本集（标准号：GBZT23121980）。它以94个可显示的ASCn码字符为基集，由两个字节（Byte,简称B）构成，每个字节为7位二进制码。其中图形字符构成一个二维平面，它分成94行、94歹J,行号称为区号，列号称为位号。每一个汉字或符号在二维平面的码表中都各自唯一对应一个区号和位号。区号在左，位号在右，区号和位号合在一起构成4位十进制数码，叫作该字的区位码。该标准规定了进行一般汉字信息处理交换用的6763个汉字和682个非汉字图形字符的代码，合计7445个。为了与国际标准一致，汉字又用国标
41、码来表示。每个汉字的区号和位号上必须加上32（十进制数）之后再转换成十六进制数形式，叫作汉字的国标码。国标码用两个字节的十六进制数表示，例如中华人民共和国”这几个字的国标码分别是“5650H”“3B2AH”“484BH”“4371H”“3932H”“3A4DH”“397AH”。2.3.2 声音的编码随着多媒体技术的出现，音频数据在计算机中的处理与存储成为现实。声音等非数值信息也是通过数值化的方法在计算机里进行表示的。复杂的声波由许多具有不同振幅和频率的正弦波组成，这些连续的模拟量不能由计算机直接处理，必须将其数字化后才能被计算机识别和处理。计算机获取声音信息的过程即是声音信号数字化的处理过程。
42、声音被计算机处理主要经过音频信号的采样、量化和编码等过程。在计算机中，存储声音的文件格式有很多，常用的声音文件扩展名有.wav、.au、.voc、.mp3、.mp4等。2.3.3 图形数据的编码随着信息技术的发展，越来越多的图形信息要求用计算机来存储和处理。在计算机中，有两种不同的图形编码方式，即位图编码和矢量编码方法。不同的编码方式会影响图像的质量、存储图像的空间大小、图像传送的时间和修改图像的难易程度。图像的存储方式最直接的就是点阵方式，点阵即点的阵列，阵列中的点称为像素。图像中的像素越多，能表示的细节（如物体）也就越多；每个像素的表示范围越大，能表示的细节（如颜色、灰度）也就越多。目前，
43、常用的图像存储方式很多，1GIF（graphicsinterchangeformat）和JPEG（jointphotographicexpertsgroup）等格式，这些格式的优点是压缩率高，因此传输速率高。2.4数字逻辑与数字系统2.4.1基本逻辑关系及逻辑门基本逻辑关系 与运舜11 .mp4在计算机中，所有的数据表示与运算都是用二进制数进行的，处理二进制数的基本电路是逻辑门。早期的逻辑门是由分立元件构成的，随着集成电路技术的发展，如今逻辑门均已集成化，成为集成逻辑门。数字逻辑是数字电路逻辑设计的简称，其内容是应用数字电路进行数字系统逻辑设计。用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电
44、路被称为数字电路，或数字系统。逻辑门是构成数字电路的基本单元，每一种逻辑门的输入和输出之间都有一定的逻辑关系。逻辑关系都可以用“与”“或”“非”三种基本的逻辑运算来表示，而实现这些基本逻辑关系的电路就是逻辑门。最基本的逻辑门是“与门”“或门”和“非门”。1. “与”逻辑关系及“与门”“与”逻辑关系又称为逻辑乘，运算符号是“”“八”“n”或“AND”。“与”逻辑关系可以用串联开关电路来说明，如图2.2所示。灯亮的条件是开关A和B同时连通，否则灯不会亮。“与”运算、“与”逻辑关系或“与门”的运算规则可表示为：只有当所有的输入都为1时，输出才为1。换言之，当输入中有一个不为1时，输出就为0。“与”逻
45、辑关系用逻辑函数表示为F=A-B读作“尸等于A与3，符号“”读作“与”（注意：不能读作“乘”），可略写为尸二A1“与”运算的真值表如表2.5所示。在表2.5中，设开关接通为“1”，断开为“0”；灯亮为“1”，灯灭为“0”。在数字电路中，实现“与”运算的电路称为“与门”，“与门”的逻辑符号如图2.3所示。表2.5“与”运算的真值表ABF=A-B0000101001112.“或”逻辑关系及“或门”“或”逻辑关系又称为逻辑加，运算符号是“+”“V”“U”或“OR”。“或”逻辑关系可以用并联开关电路来说明，如图2.4所示。灯亮的条件是开关A和B只要有一个连通即可，只有当开关A和B都不接通时，灯才会不亮。“或”运算、“或”逻辑关系或“或门”的运算规则可表示为：只有当所有的输入都为0时，输出才为仇换言之，当输入中有一个不为0时，输出就为1。“或”逻辑关系用逻辑函数表示为F=
