计算机文化(三)

数字计算机有许多种不同的编码方案表示数据。计算机使用的编码方式依赖于
数据是数值型还是字符型。
二进制数
数值型数据由数字组成，表示数量，用于算术操作中。例如，你的年收入就是
一个数值型数据。每年 4月份当你计算个人所得税时就要对它进行算术操作。
数字计算机使用二进制数字表示法来表示数值型数据。在二进制表示法中，只有两个数字：
二进制数 CPU模拟器
故障
5.1 数字电路
计算机体系结构指的是计算机系统的设计和构造。任何计算机的体系结构都可以按照两个 特点进行分类：计算机的使用能源是什么和在物理上计算机如何表示、处理、存储和移动数据。 大部分的现代计算机都使用电作为能源，并且使用电信号和电路进行数据的表示、处理和移动 数据。
5.1.1 系统内部
图5-3 计算机芯片封装
SEC（Single Edge Contact）是一种新型 封装，它是 Intel公司 专门为奔腾 II 处理器 设计的
5.1.3 主板
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芯片如何装在一起成为计算机？
在计算机系统内部，芯片安装在一个称为主板的电路板上。如果你仔细观察计算
机电路板，就会发现有些芯片是焊接在板上，而另外一些芯片则是插在主板上，是可
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第5章 计算机体系结构
1988年4月份的《科学美国人》刊登了一篇文章，声称：考古学家发现了使用 绳索和滑轮构造的第一代数字计算机。这篇文章详细介绍了 Aprahulians的古人如何 使用滑轮和绳索来建造复杂的设备。这些设备装在一个巨大的黑色的木箱中，它们 可以用来处理复杂的计算。有一些设备非常巨大，以至于要使用大象来牵引以获得 必须的动力。
符号
ASCII
EBCDIC
符号
ASCII
EBCDIC
符号
ASCIIEBCDIC来自144 计算机文化 下载
字符型数据由字母、符号和不用于算术操作的数字组成。你的名字、头发的颜色和社会保 障号码等都是字符型数据。社会保障号码是字符型数据你是不是感到惊奇？之所以这样说，是 因为它不会被用作算术操作。
数字计算机一般使用 ASCII或EBCDIC编码表示字符型数据。 ASCII编码使用7位表示，在 绝大部分的微机、小型机和部分大型机上得到应用。 ASCII是美国信息交换标准码（ American Standard Code for Information Interchange）的缩写，它读做“ ASK ee”。大写的“A”的ASCII 编码是1000001。
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DIP（Dual Inline Pin）有两列 引脚，曾经用于 内存条上。现在 D I P包含了特殊 的电路
141 第5章 计算机体系结构
SIMM（Single Inline Memory Module） 是一个小型电路板， 上面有多个芯片，通 常用于内存条
PGA（PinGrid Array）是一 个方形的芯片， 有许多条针状引 脚以同心方形排 列。现在的 CPU 多用这种方式
3. 8个位可以组成一个 。
4. 大部分的计算机使用 编码方式表示字符数据。
5. 数字系统用一系列 0和一系列1表示数字数据。
6.
是电子路径，用于链接计算机主板上的芯片。
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145 第5章 计算机体系结构
5.2 存储器
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在本章前一部分讲述了数字计算机如何使用电信号表示数据，并且讲述了在计算
机内部如何使用总线进行数据传送。本节要讲述数据在计算机中的存储。
数字大于9，就要在高位上进 1，该位填0
2. 图中列表示二进制表示法中的“各位”分别是 1、2、4、8的等等。要求
出高位的值，只需将该位的值乘以 2。左图中的再高位值是 16
3. 在二进制表示法中只有两个数字： 0和1。如果你使用二进制计数，没有 数字来表示 2，你只能在高位放 1，本位填 0，表示 2。在二进制中， 10表示数
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143 第5章 计算机体系结构
0和1。数字2不能使用在二进制表示法中，因此数值 2要写成“10”而不是“2”。在二进制表示
法中前 8个数值分别是： 1、10、11、100、101、110、111和10000。想更清楚二进制表示法，
可以参考图 5-6。
十进制 位
二进制 位
1. 在十进制数字表示法中，有10个数字：0、1、2、3、4、5、6、7、8和9。 当我们将其中一个数字放在个位时，它表示的数值和放在十位上数值不一样。 例如，数字 1放在个位上表示数值 1，放在十位上，表示数值 10。如果某位上
使用电池供电的时间芯 片保存了当前的日期和时间
RAM用于暂时保存等待处理的数据
总线(BUS)在主板上 的部件之间传送数据
接口(port)提供了电缆插座用于 连接外围设备如打印机、显示器、 磁盘驱动器或调制解调器
微处理器包含了处 理数字和逻辑的电路
扩充插件卡插入扩展槽中提供电路以控 制打印、视频显示、硬盘存储或远程通信 扩展槽提供了为计算机系统增加设备的方法
值2
4. 如果你要把二进制数据 11001转换成十进制数据
5. 你可以构造一个如下面所示的转换表，使用二进制中的位值。由于二进 制11001有5位，我们的转换表只需要 5位：16、8、4、2和1
6. 将有1的列中的位值加起来，和就是需要的 十进制数据。二进制 11001等价于十进制25
图5-6 二进制数值 表5-1 ASCII和EBCDIC编码
IBM的计算机通常使用 EBCDIC编码。 EBCDIC是“扩充的二进制编码的十进制交换码” （extended binary coded decimal interchange code）的简称。它读做“EB seh dick”。表5-1对比
了ASCII编码和EBCDIC编码。你可以从中发现它们的区别。
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为什么系统中没有大量的电线？
计算机内部的大部分部件都是集成电路，通常称之为芯片或微芯片 。集成电路
（IC）就是一个充满了微小的电路器件如电线、半导体、电容和电阻的晶片 (见图5-2)。
集成电路
3
图5-2 一个小于1/4平方英寸的集成电路可以含有超过一百万个电路器件
通常芯片被封装在陶瓷中，通过引脚与其他计算机部件相连。在计算机内部，可以发现很 多种芯片封装，例如 DIP、SIMM、SEC和PGA，如图 5-3所示。
使用绳索和滑轮能够构造计算机吗？或许你已经猜到了，这只不过是愚人节的 笑话。如果一台这样的设备，可以称为数字计算机的话，你也可以使用其他的方法 来构造计算机了。
本章将向你介绍现代计算机系统的概貌，你将会学到微型机、小型机和大型机 实验 中的基本概念。
本章概要 在本章，将会向你讲解计算机是如何工作的，这样你就会解决你在实验室
图5-4 微机主板
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5.1.4 数字数据表示
如果计算机仅仅是电路的集合，那么它是如何处理数字和字符？ 数据表示指的是信息的表达、操作和记录方式。当人们增加一列数字或对姓名表进行排序， 他们使用符号如 2、G或8来表示数字和名字。计算机是一台电子设备，因此它并不会将它操作 的数据写出来，它使用电脉冲信号来表示数据。 计算机表示数据的方法依赖于这台计算机是数字设备还是模拟设备。数字设备使用离散的、 不连续的数字（如 0、1）工作。 模拟设备 操作的是连续变化的数据。例如传统的电灯开关有两 个状态：开和关。这个开关就可以称之为数字设备。相反调光器有一个旋转面板，可以平滑的 增加或减小亮度。调光器就是一个模拟设备。 数字计算机中的电路只有两个可能的状态。为了方便我们可以称它们其中一个是“开”， 另外一个状态为“关”。如果你能够掌握使用“ 1”表示“开”，用“0”表示“关”，就会很快 掌握数字计算机的工作原理。 在数字计算机中，每个数字和字符都是由一系列的电脉冲信号表示的。就像摩尔斯电码使 用点和线表示字符那样，数字计算机使用 0和1的编码来表示数字、字母和符号。这样表示的数 据可以很容易地移动和存储。 表示数据的单个 1或0称之为“位”。大部分计算机的编码都是用 8位来表示一个数字、字母 和符号。8位集合称为“字节”。仔细学习图5-5，你会更清楚字节、位和字符的表示形式。
5.1.6 数据传输
计算机中的数据如何移动呢？ 计算机中的数据通过一个称为数据总线的电子设备从一个位置移动到另外的位置。数据总 线由一系列的连接主板上不同的电子器件的电子线路组成。总线包含数据线和地址线。数据线 传送表示数据的信号，地址线传送数据的地址，计算机依赖这个地址来寻找需要处理的数据。 计算机的数据总线从主板上的数据源中取出数据，将这些数据位传送到主板上的目的地。 在传送完这批数据后，总线将搜集下一批要传送的数据，如图 5-7所示。
你可以把这些电容 8个8个地排 放，每排电容有 8位或者说有 1个字 节。随机存储器中每一排有一个地
随机存储器的每个位置都 有一个地址，随机存储器的 每个位置使用 8个电容来存 放一个字节中的8位数据
数据总线
地址M1 地址M2 地址M3
这个位置 的数据表示 字母“A”
电线和扁平电缆 软盘驱动器
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内存
扩展槽
微处理器
扩充插 件卡 主板
图5-1 系统内部结构
台式机的内部结构和组织不同于塔式机和笔记本电脑。例如，笔记本电脑内部的空间有限， 所以电路板和其他器件都紧密结合在一起。有一点需要牢记，今天的微机、小型机和大型机以 及巨型机的部件都非常相似。
5.1.2 集成电路
里、在工作中或在家中遇到的许多问题。你还将学到在什么时候、为什么和如 何升级你的计算机系统。在本章中你还要学习一些术语，它们有助于你理解计 算机方面的文章和交流。当你学习完本章，你应当能够：
• 识别微机主板上的部件。 • 明白RAM、虚存、CMOS和ROM的区别。 • 理解CPU如何执行程序中的指令。 • 写出影响CPU性能的因素。 • 描述数据总线和扩展总线的工作方式。 • 列出需要连接在计算机外围设备上的部件并描述每个部件的角色。 • 跟踪计算机系统的引导程序。
主板 以取走的。焊接的芯片是永久连接的，而那些可以插拔的芯片则可以进行升级。
4
在微机中，主板包含了处理器、内存条和处理输入输出的芯片。蚀刻在主板上的
电路就像电线一样，为计算机芯片之间传送数据提供了通道。另外，主板还有一些扩展槽用于
连接外围设备。图 5-4显示了微机主板的主要部件。
ROM芯片含有启动计算机、诊断系 统故障以及控制低级输入输出的程序
3. 总线将各位数据通过数 据总线传送到中央处理器
1. 当中央处理器需要存储在内存地址位为 M1的数据时，它就通过地址总线发出请求
2. 存储器将内存地址M1的数据取出
图5-7 数据总线的工作原理
习题A
1. 一个 是充满了微小的电路器件如电线、晶体管、电容和电阻的晶片。
2. 计算机中信息的最小单位是 。
存储器是一个保存数据和程序指令的电子器件。存储器可分为内部存储器和外部
存储器技术 存储器。我们把与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连 5 的介质如磁盘称为外部存储器。
有四种广泛使用的内存：随机存储器、虚拟存储器、 CMOS和只读存储器。它们是根据保
存的数据类型和使用的技术进行分类的。
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机箱内部 2
计算机内部看起来像什么？ 如果你从来没有看过计算机内部结构，那么不妨停止阅读，观察一下计算机内 部。你是否认为是一推乱糟糟的电线和一些电子装置？许多人都有这种想法。但是 如果你看了以后就会惊讶的发现，计算机内部相当简洁。图 5-1给出了微机的内部 结构。
140 计算机文化
电源 硬盘驱动器
计算机中最小的信息 单 元 是 “ 位 ”。 一 位 可 以是 0或1。在计算机中 电路有脉冲时表示1位
8位合成一个字节。 图中的字节为01111001
一个字节表示一个字符— 一个字母、数字 或标点符号。图中这个字节表示小写的“y”
图5-5 位、字节和字符
5.1.5 数据表示编码
实验
所有的数字计算机都是用同样的编码表示数据吗？
5.2.1 随机存储器
随机存储器是如何工作的呢？
随机存储器在计算机中主要用于临时保存数据，便于处理器对数据进行处理。例如，当你
输入一篇文档的时候，输入的字符并不是立刻得到处理，它们保存在随机存储器中，只有当你
需要软件进行处理的时候才对它们进行处理（例如打印）。
在随机存储器中，使用 电容 来 保存 ASCII、 EBCDIC或二进制编码 中表示数据的电信号。充电的电容 表示“ 1”，放电的电容表示“ 0”。