1.1 認識計算機

計算機（Computer）是一種用于高速計算的電子計算機器，它既可以進行數值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。計算機是能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。計算機的外觀如圖1-1所示。

計算機是20世紀最重要的科學技術發明之一，對人類的生產活動和社會活動產生了極其深遠的影響，并以強大的生命力飛速發展。計算機的發明者馮·諾依曼（von Neumann）在1945年3月與他人起草了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案”——EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer），這一方案也被稱為馮·諾依曼體系結構。馮·諾依曼體系結構至今仍為電子計算機設計者所遵循，其主要思想是計算機硬件系統由存儲器、控制器、運算器、輸入設備和輸出設備5個基本部分組成，各基本部分的功能如下。

● 存儲器不僅能存放數據，而且能存放指令。兩者在形式上沒有區別，但計算機能區分是數據還是指令。

圖1-1 計算機的外觀

● 控制器能自動取出指令并執行。

● 運算器能進行加、減、乘、除4種基本算術運算，還能進行一些邏輯運算和附加運算。

● 操作人員可以通過輸入設備、輸出設備和主機進行通信。

計算機硬件系統的基本組成及工作原理如圖1-2所示。

圖1-2 計算機硬件系統的基本組成及工作原理

計算機內部以二進制表示指令和數據，其中數據只用0和1的二項式序列表示，即{0,1}，n為正整數。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數的地址。計算機采用“存儲程序”工作方式。

通常將運算器和控制器統稱為中央處理器（Central Processing Unit，CPU）。CPU是整個計算機的核心部件，是計算機的“大腦”，控制計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。根據存儲器與CPU聯系的密切程度，可將其分為內存儲器（主存儲器）和外存儲器（輔助存儲器，如硬盤、U盤等）兩大類。內存儲器（斷電后數據會丟失）在計算機主機內，直接與運算器、控制器交換信息。其容量雖小，但存取速度快，一般只存放那些正在運行的程序和待處理的數據。為擴大內存儲器的容量，引入了外存儲器（斷電后數據一般不會丟失）。外存儲器作為內存儲器的延伸，間接和CPU聯系，常用來存放一些系統必須使用，但又不急于使用的程序和數據。程序必須調入內存儲器方可執行。外存儲器存取速度慢，但存儲容量大，可以長時間保存大量信息。

二進制（Binary）是指在數學和數字電路中以2為基數的記數系統，用0或1來表示數據（因為計算機用高電平和低電平分別表示1和0）。每個二進制數占一位，即一個比特（binary digit，bit），每8個二進制數構成一個字節（Byte）。

一位二進制數1等于十進制數1，即一位二進制數能表示的最大十進制數為20=21?1=1，一位二進制數有0、1，對應十進制數為0、1，共21=2個一位二進制數。

兩位二進制數11等于十進制數3，即兩位二進制數能表示的最大十進制數為20+21=22?1=3，兩位二進制數有00、01、10、11，對應十進制數為0～3，共22=4個兩位二進制數。

三位二進制數111等于十進制數7，即三位二進制數能表示的最大十進制數為20+21+22=23?1=7，三位二進制數有000、001、010、011、100、101、110、111，對應十進制數為0～7，共23=8個三位二進制數。

……

依次類推，八位二進制數11111111等于十進制數255，即八位二進制數能表示的最大十進制數為20+21+22+23+24+25+26+27 = 28?1=255，它可表示十進制的0～255，共256個八位二進制數。由此可知，n位二進制數表示的最大十進制數為2n?1，共2n個n位二進制數。

除了二進制之外，計算機也經常使用十六進制（Hexadecimal，HEX），它在數學中是一種逢16進1的進位制。一般用數字0～9和字母A～F（或a～f）表示，其中A～F分別表示十進制數的10～15。