任务1.1 了解计算机的基本运行机制

任务描述

首先在基础理论上来认识和了解一下计算机：一台怎样的机器才能称为计算机？计算机必须要能够实现哪些功能？计算机的基本运行机制是什么？

相关知识

1.1.1 冯·诺依曼设计思想

到底一台怎样的机器才能被称为计算机？计算机与计算器有什么区别？

计算机早期重要的设计者之一冯·诺依曼就这个问题给出了答案。他就计算机的设计提出了以下3点非常重要的思想。

（1）计算机内的所有信息都应采用二进制数表示。

（2）计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

（3）可以将指令存储在计算机内部，由计算机自动执行。

任何一台符合上述特征的机器都可以称为计算机。事实上，从1946年冯·诺依曼提出上述理论至今，所有的计算机都是依据这3点思想设计制造的，所以也把目前使用的计算机统称为“冯·诺依曼机”。

冯·诺依曼的设计思想是计算机最重要的基础理论，下面针对其（1）、（2）两点思想分别加以阐述。

1.1.2 计算机中的数据表示

1．采用二进制数的必要性

在计算机上看到或听到的所有信息，包括电影、歌曲、游戏、文字等，在计算机内部其实都是一些数据。因为计算机作为一台机器，它无法理解那么多的信息，它所能理解和处理的只能是数据。

那为什么在冯·诺依曼的设计中，要让计算机只能采用二进制数，而不是使用人们所熟悉的十进制数呢？这是因为十进制数包括0～9共10个数字，这就要在计算机的电路中设计出10种不同的电路状态以分别来表示这10个数字。实际上，世界上第一台计算机ENIAC就是按照这种方式设计制造的，结果搞得电路超级复杂，计算机体积非常庞大，冯·诺依曼的3点设计思想也正是对此提出的改进。

二进制数在人类的数制中是数字个数最少的，只有“0”和“1”两个数字。相应地，在计算机中也只需要两种不同的电路状态就可以表示出这两个数字，所以采用二进制数可以大大简化计算机内部的电路结构，同时也可以缩小计算机的体积。

2．计算机中的数据单位

既然计算机中的所有信息都是一些二进制数据，那必然得有一种统一的方法来计量和管理这些数据，这也就是计算机中的数据单位。

首先一个最小单位叫“位”，英文称为“bit”（比特），简写为“b”。1“位”其实就是二进制数的1个“0”或1个“1”，如1010的二进制数就有4“位”。

为了便于管理和计算，计算机中的所有数据都是统一的8位长度，如果不够8位，则要在高位补0凑齐8位，比如1010，在计算机中就应以00001010的形式表示。

像这样的一个8位的二进制数，就称为是1个“字节”，英文称为“byte”，简写为“B”。

字节B是计算机中信息存储的最基本单位，因为字节这个单位比较小，所以后来又发展出“KB”“MB”“GB”“TB”等较大的数据存储单位。通常所说的一个U盘的容量是4G，其实应该是4GB，最基本的单位还是字节。

数据存储单位与字节之间的对应关系为

1KB=210B=1024B

1MB=210KB=1024KB

1GB=210MB=1024MB

1TB=210GB=1024GB

3．计算机中的数据编码

有的同学可能会问：既然计算机中的所有信息都是以二进制数表示的，但我平时打字的时候并没有向计算机中输入过二进制数啊？

没错，平常是直接向计算机中输入的英文字母、标点符号及汉字，但所有这些文字在被输入到计算机中以后，都要转换为相应的二进制数；否则计算机将一个也识别不了。

为了便于计算机的识别，需要对这些信息进行编码，即为它们分别指定对应的二进制数。如“a”对应的是“01100001”，即当你在键盘上敲下“a”的时候，向计算机中输入的其实是“01100001”。

毫无疑问，世界上所有国家使用的编码方案必须是统一的；否则不同国家之间的信息将无法被识别，也就不可能有今天的Internet。目前国际上通用的字符编码是美国标准信息交换码，也就是ASCII 码。ASCII 码对英文字母以及一些常用的符号进行编码，一共表示了128个字符，每个字符在计算机内部都对应了一个8位的二进制数，也就是占用了1个字节的空间。

不妨做个试验，在计算机中新建一个文本文档，在其中只输入一个字母“a”，将文件保存之后查看它的大小，发现就是1字节，如图1-1所示。

与英文相比，汉字的数量要多得多，所以汉字的编码方案也较为复杂，一般来讲，需要用2个字节来表示1个汉字，所以如果在文本文件里输入1个汉字，可以发现文件大小就为2字节，这个操作同学们可以自己验证。

总体来讲，文字在计算机中占用的空间非常小，所以有人说用一张普通的CD光盘（容量为700MB）就能存放下一整座图书馆，这绝非虚言。

1.1.3 计算机硬件系统的理论构成

根据冯·诺依曼的设计思想，计算机硬件系统在理论上应由5个部分组成，每个部分所要实现的功能分别如下。

（1）运算器。计算机的数据处理中心，负责对所有的二进制数据进行运算。

（2）控制器。计算机的神经中枢，负责指挥计算机中的各个部件自动、协调地工作。比如运算器应从哪里获得运算的数据，数据运算结束之后的结果应保存到哪里，这些都要由控制器来负责控制。

（3）存储器。计算机的记忆装置，用来保存数据。对于存储器，可以向里面存放数据，这称作“写入”；也可以从里面读出数据，这称作“读取”。读取和写入是对存储器的基本操作，通常简称为读写操作。计算机中正是因为有了存储器，才可以存放运算器运算所产生的中间和最终结果，以及向运算器提供运算所需的临时数据，从而实现自动计算。

（4）输入设备。把数据和程序等信息转变为计算机可以接收的电信号送入计算机。

（5）输出设备。把计算机的运算结果或工作过程以人们要求的直观形式表现出来。

任务实施

上网搜索计算机运行机制相关信息，完成实训报告。