f B 灵计 _齟 鼷雰 M 书 . .r' . . I PEARSON Computer Science An Overview [ teviMiiii Lulitioii 计算机 f 样概论 本书多年来一直深受世界各国高校师生的 欢迎， 是美国哈佛大学、麻省理工学院、普林斯顿大学、加州大学伯克利分 校等著名大学的首选教材 f 对我国的高校教学也产生了广泛影响 3 本书以历史眼光*从发展的角度、当前的水平以及现阶段的研究方向等几个方面，全景式描绘了计算机科学各个子学 科的主要领域。在内容编排上，很好地兼顾了学科广度和主题深度，把握了最新的技术趋势。本书用算法、数据抽象等核 心思想贯穿备个主题 t 并且充分展现了各主题的历史背罱、发展历程和新的枝术 趋势， 培养读者的大局观，为其今后深入 学习其他计算机专业课程打下坚实的基础9 本书深入浅出、图文并茂，内容引人入胜，极易引发读者的兴趣.绝 无一般 教材的枯燥和晦涩。此外.本书的教学手 段多样、习题丰富，并且每章后都附有与本章内容相关的社会现实问题供读者思考和讨论，这些都很好地体现了作者强调 培养学生分析问题能力的教学理念。 第11版新增了手持移动设备，特别是智能手机的相关内容，主要涉及第3章【操作系统 j 、第4章（组网丨、第6章 ( 编程语言）和第7章 f 软件工程） D 此外，书中还对软件所有权和责任、训练人工神经网络等内容做了更新，以反映最 新技术面貌。 J. Glenn Brookshear 世界知名的计算机科学教育家。他在1975年获得新墨西哥州立大学博±后，创办了 Marquette 大学的计算机科学学位项目，并在该校任教至今。他的主要研究方向是计算理论。除了本书之外,他还著有 T^eo/y of Computation: Format Languages, Automata, and Complexity^ a 计算机科学的全景式展现 _ 首屈一指的导论性教材 经典传承，新知荟萃 PEARSON www pearsonhighered.com wwwjtunngxom.cn 反馈投稿推荐信箱 : contact(gnuringbook.com 热线： （01 0>51095186转604 &算 机/计算机科学 人民邮电出版社 网址： www,ptpress com.cn ISBN 976 - 7 - 115 - 26196-0 PEARSON ^Education 9 787115 261960 iSBN 978-7-115-26196-0 定价 = 69.00 元 PTO s 灵计貿 in 斛莩 m 书 计算机科学概论 第11版 Computer Science An Overview [美】 J . Glenn Brookshear 著 刘艺肖成海马小会毛倩倩译 图书在版编目 （c I P ) 数据 计算机科学概论 ：第 11版 /( 美）布鲁克希尔 ( Brookshear , J . G .) 著；刘艺等译.一北京：人民邮 电出版社， 201 L 10 (图 ，计算 机科学丛书） ^ 书名原文 ： Computer Science : An Overview , Eleventh Edition ISBN 978-7-115-26196-0 I . ①计… II . ①布…②刘… III . ①计算机科学 IV ,① TP 3 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2011) 第174089号 内容提要 本书是计算机科学概论课程的经典教材，全书对计算机科学做了百科全书式的精彩阐述，充分展现 了计算机科学的历史背景、发展历程和新的技术趋势。本书首先介绍的是信息编码及计算机体系结构的 基本原理（第 1 章和第 2 章），进而讲述操作系统（第 3 章）和组网及因特网（第 4 章)，接着探讨了算 法、程序设计语言及软件工程（第 5 章至第 7 章），然后讨论数据抽象和数据库（第 8 章和第 9 章）方面 的问题，第10章通过图形学讲述计算机技术的一些主要应用，第11章涉及人工智能，第12章通过对计 算理论的介绍来结束全书。本书在内容编排上由具体到抽象逐步推进，很适合教学安排，每一个主题自 然而然地引导出下一个主题。此外，书中还包含大量的图、表和示例，有助于读者对知识的了解与把握^ 本书适合用作高等院校计算机以及相关专业本科生的教材。 图灵计算机科学丛书 _ 计算机科学概论（第11版) _ ♦著 [美] J . Glenn Brookshear 译 刘艺肖成海马小会毛倩倩 责任编辑卢秀丽 执行编辑毛倩倩李静 ♦ 人民邮电出版社出版发行 北京市崇文区夕照寺街14号 邮编 100061 电子邮件31 5@ ptpress . com.cn 网址 http : //ww w . ptpress . com .cn 三河市海波印务有限公司印刷 ♦ 开本： 787 X 1092 1/16 印张： 26.5 字数： 786 千字 2011 年 10 月第 1 版 印数： 1-5 000 册 2011 年 10 月河北第 1 次印刷 著作权合同登记号 图字： 01-2011-2960 号 _ ISBN 978-7-115-26196-0 _ 定价： 69.00 元 读者服务热线： （010)51095186 转604印装质最 热线： (010)67129223 反盗版 热线： (010)67171154 版权声明 Authorized translation from the English language edition, entitled Computer Science: An Overview, Eleventh Edition ， 978-0-13-256903-3 by J. Glenn Brookshear, published by Pearson Education, Inc., publishing as Addison Wesley, Copyright © 2012, 2009, 2007, 2005, 2003 by Pearson Education, Inc. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education ， Inc. CHINESE SIMPLIFIED language edition published by PEARSON EDUCATION ASIA LTD. and POSTS & TELECOM PRESS Copyright © 2011. 本书中文简体字版由 Pearson Education Asia Ltd. 授权人民邮电出版社独家出版。未经出版 者书面许可，不得以任何方式复制或抄袭本书内容。 本书封面贴有 Pearson Education ( 培生教育出版集团）激光防伪标签，无标签者不得销售。 版权所有，侵权必究。 刖 本书是计算机科学的入门教材。在力求保持学科广度的同时，还兼顾深度，以对所涉及的 主题给出中肯的评价。 \一•… t - t ， - 丄 u t r L u 」' …"二> 了 ，、 Wt mn jw - .i , v ^ 「 ■丄: ■ l : - h \ - "n w , 一 ds w x t 在莕蘇趣疵織■碑观 读者对象 _ 本书面向计算机科学以及其他各个学科的学生。大多数计算机科学专业的学生在最初的学 习中都有这样一个误解，认为计算机科学就是程序设计、网页浏览以及因特网文件共享，因为 这基本上就是他们所看到的一切。实际上计算机科学远非如此。因此，在入门阶段，学生们需 要了解他们主攻的这门学科所涉及内容的广度，这也正是本书的宗旨。本书力图使学生对计 算机科学有一个总体的了解，希望在这个基础上，他们可以领会该领域今后其他课程的特点以 及相互关系。事实上，本书采用的综述方式也是自然科学入门教程的常用模式。 其他学科的学生如果想融入这个技术化社会，也需要具备这些宽泛的知识背景。适用于他 们的计算机科学课程提供的应该是对整个领域很实用的剖析，而不仅仅是培训学生如何上网和 使用一些流行的软件。当然这种培训也有其适用的地方，但本书的目的不在于此，而是用作计 算机科学的教科书。 因此，在写这本书时，我们力求保持其对非技术类学生的可读性。因此，先前的版本已经 被很成功地用作教科书，读者囊括了从高中生到研究生的各个教育层次众多专业的学生。这一 版仍将贯彻这一目标。 第11版新增的内容 ___ 第11版主要增加关于手持移动设备的内容，特别是智能手机。因此，这一版的内容经过了 修改、扩充，目的便是呈现所述主题与智能手机技术之间的关系。具体主题 包括： □ 智能手机硬件； □ 3 G 网络与 4 G 网络的 区别； □ 智能手机操作 系统； □ 智能手机软件 开发； a 智能手机的人机交互界面。 以上新增内容主要出现在第3章（操作系统）和第4章（组网），第6章（编程语言）和第7章 (软件工程）中也有提及。 这一版中的其他明显变动包括对以下内容的更新。 □ 软件所有权和 责任： 这一版重写并更新了第7章（软件工程）中与此主题相关的内容。 □ 训练人工神经 网络： 相关内容（见第11章，人工智能）已经实现了现代化。 最后，这一版更新了全书内容来反应当今的技术状况。这主要体现在第0章（绪论)、第1 章（数据存储）和第2章（数据操作）。 章节安排 ___ 本书主题由具体到抽象逐步推进——这是一种很利于教学的顺序，每一个主题自然而然地 引导出下一个主题。首先介绍的是信息编码、数据存储及计算机体系结构的基本原理（第1章和 第2章），进而是操作系统（第3章）和计算机网络（第4章)，接着探讨了算法、程序设计语言及 软件开发（第5章至第7章)，然后探索如何更好地访问信息（第8章和第9章)，第10章讲述计算机 图形学技术的一些重要应用，第11章涉及人工智能，第12章通过对计算理论的介绍来结束全书。 本书编排顺序自然连贯，但各个章节具有很强的独立性，可以单独查阅，也可以根据不同 学习顺序重新排列。事实上，本书通常作为各类课程的教材，内容选择的顺序是多种多样的。 其中一种教法是先介绍第5章和第6章（算法和程序设计语言），然后按照需要返回到前面相应章 节。我还知道有人是从第12章有关可计算性的内容开始的^这本书还曾作为深入不同领域项目的 基础，用于“高级研讨班”的教科书。对于不需要了解太多技术的学生，教学中可以重点讲述 第4章（组网及因特网）、第9章（数据库系统)、第10章（计算机图形学）和第11章（人工智能)。 每章开篇都用星号标出了选学章节。选学章节要么是讨论更专业的话题，要么是对传统内 容作深入探究。此举仅仅是为那些想釆取不同阅读顺序的人提供一点建议。当然，还有其他读 法。尤其对于那些寻求快速阅读的读者，我建议采取下面的阅读顺序。 早 TJ 主 题 1■卜 1.4 数据编码和存储基础 2.1—2.3 计算机体系结构和机器语言 3.1—3.3 操作系统 4.1 〜 4.3 组网及因特网 5.1 〜 5.4 算法和算法设计 6.1—6.4 程序设计语言 7.1—7.2 软件工程 . 8.1—8.3 数据抽象 9.1—9.2 数据库系统 10.1 — 10.2 计算机图形学 11.1 — 11.3 人工智能 12.1 — 12.2 计算理论 在本书中有几条贯穿始终的主线。主线之一是计算机科学是不断发展变化的。本书从历史 发展的角度反复呈现各个主题，讨论其当前的状况，并指出研究方向。另一条主线是抽象的作 用以及用抽象工具控制复杂性的方式。该主线在第0章引入，然后在操作系统、体系结构、组网、 算法、程序设计语言、软件工程、数据组织和计算机图形学等内容中反复体现。 致教师 本教材所包含的内容很难在一个学期内讲授完，因此一定要杲断地砍掉不适合自己教学目 标的那些主题，或者根据需要重新调整讲授顺序。你会发现，尽管本书有它固有的结构体系， 但各个主题在很大程度上是相对独立的，完全可以根据需要作出选择。我写本书的目的是把它 VI 前言 作为一种课程的参考书，而非圈定课程的内容。我希望你把某些主题留作阅读作业，鼓励学生自 己学习，而不在课堂讲授。如果我们认为所有的东西都一定要在课堂上讲，那就低估学生的能力 了。我们应该教会他们独立学习。 关于本书从具体到抽象的组织结构，我觉得有必要多言几句。作为学者，我们总以为学生 会欣赏我们对于学科的观点，这些观点通常是我们在某一领域多年工作中形成的。但作为老师， 我认为最好从学生的视角呈现教材。这就是为什么本书首先介绍数据的表示/存储、计算机体系 结构、操作系统以及组网，因为这些都是学生们最容易产生共鸣的主题——他们很可能听说过 JPEG 、 MP 3 这些术语，可能用 CD 和 DVD 刻录过资料，买过计算机配件，应用过某一操作系统， 或者上过因特网。我发现，从这些主题开始讲授这门课程，学生可以为许多困惑他们多年的问 题找到答案，并且把这门课看做是实践课程而不是纯理论的课程。由此出发就会很自然地过渡 到较抽象的内容上，例如算法、算法结构、程序设计语言、软件开发方法、可计算性以及复杂 性等，而这些内容就是我们本领域的人所认为的计算机科学的主要内容。正如我前面所说的， 我并不是强求大家都按此顺序讲课，只是鼓励你们如此尝试一下。 我们都知道，学生能学到的东西要远远多于我们直接传授的内容，而且潜移默化传授的 知识更容易被吸收。当要“传授”问题的解决方法时，就更是如此。学生不可能通过学习问 题求解的方法变成问题的解决者，他们只有通过解决问题——还不仅仅是那些精心设计过的 “教科书式的问题”，才能成为问题的解决者。因此我在本书中加入了大量的问题，并特意让 其中一些问题模棱两可——意味着正确方法或正确答案可能不只一个。我建议你们采用并充 分拓展这些问题。 另一类适合“潜移默化学习”的主题还有职业精神、伦理和社会责任感。我认为这种内容 不应该独立成章，而是应该在有所涉及时讨论，而这正是本书的编排方法。你们会发现， 3.5 节、 4.5 节、7,8节、 9.7 节和 1 L 7 节分别在操作系统、组网、软件工程、数据库系统和人工智能的上下 文中提及了安全、隐私、责任和社会意识的问题。此外， 0.6 节就通过总结一些比较著名的理论 而引入这一主题-这些理论都企图把伦理上的决断建立在哲学的坚实基础上。你还会发现， 每一章都包含了 “社会问题”小节，这些问题将鼓励学生思考现实社会与教材内容的关系。 感谢你对本书感兴趣。无论你是否选用本书作为教材，我都希望你认同它是一部好的计算 机科学教育文献。 教学特色 本书是多年教学经验的结晶，因此在辅助教学方面考虑较多。最主要的是提供了丰富的问 题以加强学生的参与-这一版包含1000多个问题，分为“问题与练习”、“复习题”和“社会 问题”。“问题与练习”列在每节末尾（除了第0章外），用于复习刚刚讨论过的内容、扩充以前 讨论过的知识，或者提示以后会涉及的有关主题。这些问题的答案可以从图灵社区 ( www . itiiring . com . cn ) 本书网页免费注册下载。 “复习题”列在每章的末尾（第0章除外）。它们是课后作业，内容覆盖整章，在书中不给出 答案。 “社会问题”也列在每章的末尾，供思考讨论。许多问题可以用来开展课外研究，可要求学 生提交简短的书面或口头报告。 在每章的末尾还设有“课外阅读”，它列出了与本章主题有关的参考资料。同时，前言以及 正文中所列的网址也非常适合查找相关资料。 补充材料 本书的许多补充材料可以从配套网站 www . pearsonhighered . com / brookshear 上找到。以下内 容面向所有读者。 □ 每章的实践项目帮助加深理解本教材的主题，并可以帮助了解其他相关主题。 □ 每章的“自测题”帮助读者复习本书中的内容。 □ 介绍 Java 和 C 杆基本原理的手册，它在教学顺序上与本书是兼容的。 除此之外，教师还司以登录 Pearson Education 的教师资源中心 ( www . pearsonhighered . com ) 网站申请获得下面的教辅资料。 □ 包含“复习题”答案 ® 的教师指南。 □ PowerPoint 幻灯片讲稿。 □ 测试题库。 你也许还想看一下我的个人网站 www . mscs . mu . edu /~ glennb ， 不是很正式（体现了我某一 时的灵感和幽默)，但你或许能找到些有用的信息。特别值得一提的是，你将在此找到本书的 勘误。 致学生 ___ 我有^一 '点 点偏执（一些朋友说我可逃不是一点点），所以写本书时，我很少接受他人的建议， 其中许多人认为一些内容对于初学者过于高深。我相信即使学术界把它们归为“高级论题”，但 只要与主题相关就是合适的。读者需要的是一本全面介绍计算机科学的教科书，而不是“缩水” 的版本 只包括那些简化了的、被认为适合初学者的主题。因此我不回避任何主题，而是力 求寻找更好的解释。我力图在一定深度上向读者展示计算机科学最真实的一面。就好比对待菜 谱里的那些调味品一样，你可以有选择地略过本书的一些主题，但我全部呈现出来是为了在你 想要的时候供你“品尝”，而且我也鼓励你们去尝试。 我还要指出的是，在任何与技术有关的课程中，当前学到的详细知识未必就适合以后的需要。 这个领域是发展变化的 这正是使人兴奋的方面。本书将从现实及历史的角度展现本学科的内 容。有了这些背景知识，你们就会和技术一起成长。我希望你们现在就开始行动起来，不要局限 于课本的内容，而要进行大胆探索。要学会学习。 r 感谢你们的信任，选择了我的这本书。作为作者，我有责任创作出值得一读的作品。我希 望你们觉得我已经尽到了这份责任。 沌强⑽ ㈣ :孤 蝴拉似.财 绝赋從 ㈣㈣ 跑苑臨娜識部娜自 致齒 聊购■:』獻⑽獅 ..獅 iJ : 續卿:麵匕聊 i. ㈣ 啤成勒 此;; ;嫩 ㈣ 撕; 首先我要感谢那些支持本书（阅读并使用本书前几个版本）的人们，我感到很荣幸。 David T _ Smith (宾夕法尼亚州印第安纳大学）和 Dennis Brylow (马凯特大学）对这一版 的制作给予了很大帮助。 David 的贡献主要集中在第0章、第1章、第2章、第7章和第11章， Dennis 的贡献主要集中在第3章、第4章、第6章和第10章。如果没有他们的工作，这一版将不会出现 我衷心地感谢他们。 ①也可在图灵社区 （ www . ituring . com . cn ) 本书网页免费注册下载。-编者注 我在第 10 版的前言中已经提到过，要特别感谢 Ed Angel、John Carpinelli、Chris Fox、Jim Kurose、Gary Nutt、Greg Riccardi 和 Patrick Henry Winston 在第 10 版中所做的贡献。他们的努力 成果在第11版被保留了下来。 其他对这一版和之前版本作出贡献的人包括 J.M. Adams 、 C. M. Allen 、 D. C. S. Allison 、 R. Ashmore 、 B. Auemheimer、R Bankston 、 M. Barnard 、 P_ Bender 、 K. Bowyer 、 P. W. Brashear 、 C. M. Brown. H. M. Brown, B. Calloni 、 M. Clancy 、 R. T. Close 、 D. H. Cooley 、 L. D. Cornell 、 M. J. Crowley 、 F. Deek 、 M. Dickerson 、 M. J. Duncan 、 S. Ezekiel 、 S. Fox 、 N. E. Gibbs 、 J. D. Harris 、 D. Hascom 、 L. Heath> P. B. Henderson> L. Hunt 、 M. Hutchenreuther 、 L. A. Jehn 、 K. K. Kolberg 、 K. Korb 、 G. Krenz 、 J, Liu 、 T. J. Long 、 C. May 、 J. J. McConnell 、 W. McCown 、 S. J. MerrilK K. Messersmith. J. C. Moyer 、 M. Murphy 、 J, P. Myers 、 Jr. ， D. S. Noonan. W. W. Oblitey 、 S. Olariu 、 G. Rice 、 N. Rickert 、 C. RiedeseK J. B. Rogers、G Saito 、 W. Savitch 、 R. Schlafly 、 J. C. Schlimmer. S. Sells 、 G. Sheppard. Z. Shen 、 J. C. Simms 、 M_ C. Slattery, J. Slimick 、 J. A. Slomka 、 D. Smith 、 J. Solderitsch 、 R. Steigerwald 、 L. Steinberg. C. A. Struble 、 C. L. Struble 、 W. J. Taffe 、 J. Talburt. P_ Tonellato 、 P. Tromovitch 、 E. D ， Winter 、 E. Wright 、 M. Ziegler, 还有一位匿名的朋友 D 我向他 们中的每一位致以最真诚的谢意。 如前所述，本书的配套网站上有 Java 和 C++ 手册来讲述这两种语言的基础知识，与本书的 内容相得益彰。它们是由 Diane Christie 撰写的，在此表示感谢 D 另外，还要感谢 Roger Eastman ， 他是本书配套网站上每章实践项目的出题人。 我同时要感谢为本项目作出贡献的 Addison - Wesley 的员工。他们不仅是很好的合作伙伴， 而且是很好的朋友。如果你们打算写一本教材，可以考虑交给 Addison - Wesley 出版。 我还要感谢我的夫人 Earlene 和我的女儿 Cheryl ， 感谢她们这么多年对我的鼓励。当然 Cheryl 已经长大，几年以前已经离家开始独自生活. Earlene 还陪在我身边。我是一个幸运的人。1998 年12月11日的早晨，我突发心脏病，是她及时把我送到了医院，让我逃过了一劫。（对于年轻一 代的你们，我有必要解释一下，躲过心脏病的一劫有点像你们又获准延期提交课后作业。） 最后，我要感谢我的父母，本书即是给他们的献礼。我用下面一句赞美的话作为结束，就 不说是他们哪一位说 的了： “我们儿子的书真的非常好，人人都应该阅读。” J. G. B. 目 录 第 0 章绪论 ... 1 0.1 算法的作用 . 1 0.2 计算机器的由来 . 3 0.3 算法的科学 . 7 0.4 抽象 ... 8 0.5 学习大纲 . 8 0.6 社会影响 . . . 9 社会 f 句题 . 11 课夕 F 阅读 . 12 第 1 章数据存储 . 13 1.1 位和位存储 . 13 1.1.1 布尔运算 . 13 1.1.2 门和触发器 . 14 1.1.3 十六进制记数法 . 17 1.2 主存储器 . 18 1.2.1 存储器结构 . 18 1.2.2 存储器容量的度量 . . 19 1.3 海量存储器 . 20 1.3.1 磁学系统 . 20 1.3.2 光学系统 . 22 1.3.3 闪存驱动器 . 23 1.3.4 文件存储及检索 . 24 1.4 用位模式表示信息 . 25 1.4.1 文本的表示 . 25 1.4.2 数值的表示 . 26 1.4.3 图像的表示 . 27 1.4.4 声 音的寿 . 28 *1.5 二进制系统 . 29 1.5.1 二进制记数法 . 29 1.5.2 二进制加法 . 31 1.5.3 二进制中的小数 . 32 *1.6 整数存储 . 33 1.6.1 二进制补码记数法 . 33 1.6.2 余码记数法 . 36 *1.7 小数的存储 . 37 1.7.1 浮点记数法 . 37 1.7.2 截断误差 . 39 *1.8 数据压缩 . 41 1.8.1 通用的数据压缩技术 . 41 1.8.2 图像压缩 . 43 1.8.3 音频和视频压缩 . 44 *1.9 通信差错 . 45 1.9.1 奇偶校验位 . 45 1.9.2 纠错编码 . 46 复习题 . 47 社会问题 . 50 课外阅读 . 51 第 2 章数据操控 . 52 2.1 计算机体系结构 . 52 2.1.1 出知识 . 52 2.1.2 存储程序概念 . 53 2.2 机器语言 . 54 2.2.1 指令系统 . 54 2.2.2 一种演示用的机器语言 . 56 2.3 程序执行 . 58 2.3.1 程序执行的一个例子 . 60 2.3.2 程序与数据 . 62 *2.4 算术 / 逻辑指令 . 63 2.4.1 逻辑运算 . 63 2.4.2 循环移位及移位运算 . 65 2.4.3 算术运算 . 66 *2.5 与其他设备通信 . 67 2.5.1 控制器的作用 . 67 2.5.2 直接内存存取 . 68 2.53 握手 . 69 2.5.4 流行的通信媒介 . 69 2.5.5 通信速率 . 70 *2.6 其他体系结构 . 70 2.6.1 流水线… . 70 2.6.2 多处理器计算机 . 71 复习题 . 72 社会问题 . 77 X 目 录 课外阅读 . 77 第 3 章操作系统 . 79 3.1 操作系统的历史 . 79 3.2 操作系统的体系结构 . 82 3.2.1 软件概述 . 82 3.2*2 搮作系统组件 . 84 3.2.3 系统启动 . 86 3.3 协调机器的活动 . 88 3.3.1 进程的概念 . 88 3.3.2 进程管理 . 88 *3.4 处理进程间的竞争 . 90 3.4.1 信号量 . 90 3.4.2 死锁 . 91 3.5 安全性 . 93 3.5.1 来自机器外部的攻击 . 93 3.5.2 来自机器内部的攻击 . 94 复习题 . 95 社会问题 . 98 课外阅读 . 98 第 4 章组网及因特网 . 99 4.1 网络基础 . 99 4.1.1 网络分类 . 99 4.1.2 协议 . 100 4.1.3 网络互连 . 102 4.1.4 进程间通信的方法 . 104 4.1.5 分布式系统 . 105 4.2 因特网 . 106 4.2.1 因特网体系结构 . 106 4.2.2 因特网编址 . 108 4.2.3 因特网应用 . 109 4.3 万维网 . 113 4.3.1 万维网实现 . 113 4.3.2 HTML . 114 4.3.3 XML . 117 4.3.4 客户端和服务器端的活动 . 118 *4.4 因特网协议 . 119 . 4.4.1 因特网软件的分层方法 . 119 4.4.2 TCP/IP 协议簇 . 122 4.5 安全性 . 123 4.5.1 入侵的形式 . 124 4.5.2 防护和对策 . 125 4.5.3 力口密 . 126 4.5.4 网络安全的法律途径 . 128 复习题 . 130 社会问题 . 131 课外阅读 . 132 第 5 章算法 . 134 5.1 算法的概念 . 134 5.1.1 概览 . 134 5.1.2 算法的正式定义.… . 135 5.1.3 算法的抽象本质 . 136 5.2 算法的表示 . 136 5.2.1 原语 . 137 5.2.2 伪代码 . 139 5.3 算法的发现 . 142 5.3.1 问题求解的艺术 . 142 5.3.2 入门 . 144 5.4 迭代结构 . 146 5.4.1 顺序搜索法 . 147 5.4.2 循环控制 . 148 5.4.3 插入排序算法 . 151 5.5 递归结构 . 154 5.5.1 二分搜索算法 . 154 5.5.2 递归控制 . 159 5.6 有效性和正确性 . 160 5.6.1 算法有效性 . 160 5.6.2 软件验证 . 163 复习题 .. 167 社会问题 . 171 课外阅读 . 171 第6章程序设计语言 . 172 6,1 历史回顾 .■•■172 6.1.1 早期程序设计语言 . 172 6.1.2 独立并超越机器 . 174 6.1.3 程序设计范型 . 175 6.2 传统的程序设计概念 . 179 6.2.1 变量和数据类型 . 180 6.2.2 数据结构 . 181 6.2.3 常量和字面量 . 182 6.2.4 赋值语句 . 183 6.2.5 控制语句 . 184 6.2.6 注释 . 187 6.3 过程单元 . 188 6.3.1 过程 . 188 6.3.2 参数 . 189 6.3.3 函数 . 192 6.4 语言实现 . 193 6.4.1 翻译过程 . 193 目录 XI 6.4.2 软件开发包 . 198 6.5 面向对象程序设计 . 199 6.5.1 类和对象 . 199 6.5.2 构造器 . 202 6.5.3 附加特性 . 202 *6.6 程序设计中的并发活动 . 204 *6.7 说明性程序设计 . 206 6.7.1 逻辑推演 . 206 6.7.2 Prolog . 208 复习题. . 210 社会问题 . 213 课外阅读 . 214 第 7 章软件工程 . 215 7.1 软件工程学科 . 215 7.2 软件生命周期 . 217 7.2.1 周期是个整体 . 217 7.2.2 传统的开发阶段 . 218 7.3 软件工程方法 . 220 7.4 模块化 . 221 7.4.1 模块式实现 . 222 7.4.2 搞合 . 224 7.4.3 内聚 .. 225 7.4.4 信息隐藏 . 225 7.4.5 构件 . 226 7-5 行业工具 . 227 7.5.1 较老的工具 . 227 7.5.2 统一建模语言 . 228 7.5.3 设计模式 . 232 7.6 质量保证 . 233 7.6.1 质量保证的范围 . 233 7.6.2 软件测试 . 234 7.7 文档编制 . 235 7.8 人机界面 . 236 7.9 软件所有权和责任 . 238 复习题 . 240 社会问题 . 242 课外阅读 . 243 第 8 章数据抽象 . 244 8.1 数据结构基础 . 244 8.1.1 数组 . 244 8.1.2 列表、栈和队列 . 245 8.1.3 树 . 245 8.2 相关概念 . 247 8.2.1 抽象 . 247 8.2.2 静态结构与动态结构 . 247 8.2.3 指针 . 248 83 数据结构的实现 . 248 8.3.1 数组的存储 . 248 8.3.2 列表的存储 . 251 8.3.3 栈和队列的存储 . 254 8.3.4 二叉树的存储 . 255 8.3.5 数据结构的操作 . 257 8.4 —个简短案例 . 259 8.5 定制的数据类型 . 263 8.5.1 用户自定义数据类型 . 263 8.5,2 抽象数据类型 . 264 *8.6 类和对象 . 266 *8.7 机器语言中的指针 . 267 复习题 . 269 社会问题 . 273 课外阅读 . 274 第 9 章数据库系统 . 275 9.1 数据库基础 .. 275 9.1.1 数据库系统的重要性 . 275 9.1.2 模式的作用 . 276 9丄3 数据库管理系统 . 277 9.1.4 数椐库模型 . 278 9.2 关系模型 .. 279 9.2.1 关系设计中 的问题 . 279 9.2.2 关系运算 . 282 9.2.3 SQL . 285 *9.3 面向对象数据库 . 287 *9.4 维护数据库的完整性 . 289 9.4.1 提交/回滚协议 . 289 9.4.2 锁定 . 290 *9.5 传统的文件结构 . 291 9.5.1 顺序文件 . 291 9.5.2 索引文件 . 294 9.5.3 散列文件 . 294 9.6 数据挖掘 . 297 9.7 数据库技术的社会影响 .. 299 复习题 . 300 社会问题 . 303 课外阅读 . 304 第 10 章计算机图形学 . 305 10.1 计算机图形学的范围 . 305 10.2 3 D 图形概述 . 307 10.3 建模 . 308 XII 目 录 10.3.1 单个物体的建模 . 308 10.3.2 整个场景的建模 . 313 10.4 渲染 . 314 10.4.1 光-表面交互 . 314 1 0,4.2 栽剪、扫描转换和隐藏面 的消除 . 316 10.4.3 着色 . 319 10.4,4 渲染-流水线硬件 . 320 *10.5 处理全局照明 . 321 10.5.1 光线跟踪 . 321 10.5.2 輻射度 . 323 10.6 动画 . 323 10.6.1 动画^出 . 323 10.6.2 运动学和动力学 . 325 10.6.3 动画制作过程 . 326 复习题 . 326 社会问题 . 328 课外阅读 . 329 第 11 章人工智能 . 330 11.1 智能与机器 . 330 11.1.1 智能体 . 330 1 U .2 研究方法 . 332 11.1.3 图灵测试 . 332 11.2 感知 . 333 11.2.1 理解图像 . 333 11.2.2 语言处理 . 335 11.3 推理 . 338 1 L 3.1 产生式系统 . 338 11.3.2 搜索树 . 340 11.3.3 启发式搜索 ... 342 11.4 其他研究领域 . 346 11.4.1 知识的表达和处理 . 346 11.4.2 学习 . 347 11.4.3 遗 传算法 . 349 11.5 人工神经网络 . 349 11.5.1 基本特性 . 350 11.5.2 训练人工神经网络 .--351 11.5.3 联想记忆 . 353 11.6 机器人学 . 356 11.7 后果的思考 . 358 复习题 . 359 社会问题 . 363 课外阅读 . 364 第12章计算理论 . 365 12.1 函数及其计算 . 365 12.2 图灵机 . 367 12.2.1 图灵机的原理 . 367 12.2.2 丘奇一图灵论题 . 369 12.3 通用程序设计语言 . 370 12.3.1 Bare Bones 语言 . 370 12.3.2 用 Bare Bones 语言编程 . 372 12.3.3 Bare Bones 的通用性 . 373 12.4 一个不可计算的函数 . 375 12.4.1 停机问题 . 375 12.4.2 停机问题的不可解性 . 376 12.5 问题的复杂性 . 379 12.5.1 问题复杂性的度量 . 379 12.5.2 多项式问题与非多项式 问题 . 382 12.5.3 NP 问题 . 383 *12.6 公钥密码学 . 386 12.6.1 模表示法 . 386 12.6.2 RSA 公钥加密系统 . 387 复习题 . 389 社会问题 . 392 课外阅读 . 392 附录 A ASCII 码…" . 394 附录 B 处理二进制补码表示的电路 . 395 附录 C —种简单的机器语言 . 397 附录 D 高级编程语言 . 399 附录 E 迭代结构与递归结构的等价性 .•…401 胃弓 I . 403 问题与练习答案 （图灵社区网站下载） 绪 论 t 开篇的这一章，我们探讨计算机科学所涉及的领域，介绍其历史背景，然后为我们的 ft 深入学习奠定基础。 本章内容 a;:’. ^ 響 ::, 0.2 计算机辱蝻由来 0.3 算法轉科学 0,4抽象 0.5 学习夫纲 0,6社舍影响 社会问题 课外阅读 计算机科学这门学科，是要为计算机设计、计算机程序设计、信息处理、问题的算法解决 方案和算法过程本身等主题建立科学的基础。计算机科学既是当今计算机应用的支柱，又是今 后计算基础设施的基础。 本书将详细介绍计算机科学，探索广阔的主题，包括构成大学计算机科学课程的大部分主 题。我们要领略这个领域的博大精深和变化发展。因此，除了这些主题本身，我们还关注它们 的历史发展、现今的研究动态以及今后的前景。我们的目标是让人们以学以致用的态度来对待 计算机科学——既帮助那些要在此领域继续深入学习的人，也促成其他领域的人在技术不断进 步的社会崭露头角。 0.1 算法的作用 首先让我们了解一下计算机科学最基础的概念——“算法”。一般来讲，算法 （ algorithm ) 是完成一项任务所遵循的一系列步骤。（在第5章，我们将给出比较精确的定义。）例如，有关于 烹饪的算法（称为菜谱），有在陌生城市准确定位的算法（通常称为道路指南），有使用洗衣机 的算法（通常标示在洗衣机的内盖上或者贴在自助洗衣店的墙上），有演奏音乐的算法（以乐谱 的形式表示），还有魔术表演的算法（见图0-1)。 在一台机器（如计算机）执行一项任务之前，必须先找到完成这项任务的算法，并且用与 该机器兼容的形式表示出来。某一个算法的表示称作一个程序 （ program )。 为了人们读写方便， 计算机程序通常打印在纸上或者显示在计算机屏幕上。为了便于机器识别，程序需要采取一种 与该机器技术兼容的形式进行编码。开发程序、采取与机器兼容的形式进行编码并将其输入到 机器中的过程，称作程序设计 （ programming )。 程序及其所表示的算法总称为软件 ( software ), 而机器设备本身则称为硬件 （ hardware )。 2 第 0 章绪 论 将这两个数中较大的一个和较小的一个分别赋予 M 和 iv 。 用 M 除以见余数设为/?。 如果 及不为 0,那么将 况 的值赋予 M ， 并将/?的值赋予 7 V ， 然后回到步骤2;否则最大公约数就是 7 V 当前被 赋予的值。 效果： 表演者从一副普通的扑克牌中抽取若干张牌，充分洗牌后将牌正面朝下展开在桌面上。然后，表演者会 根据观众的要求相应地翻出红牌或者黑牌。 秘诀： 步骤1从一副普通扑克牌中抽取10张红牌和10张黑牌。把它们根据颜色分为两摞，正面朝上放在桌面上。 步骤2告诉观众你己经选取了若干张红牌和黑牌。 步骤3拿起红牌，装作整理成一摞的样子，用左手正面朝下拿好牌，同时用右手的拇指和食指挤压这摞牌的 两端，把牌面向下推，使得每张牌呈现向下的弧形。然后，把这摞红牌扣在桌子上并 宣布： “这是其中 的红牌。” 步骤4拿起黑牌，模仿步骤3的方法，但要使这些牌呈现向上的弧形。然后，把牌扣在桌子上并宣布：“这是 其中的黑牌， 步骤5把黑牌放回桌面后，立即用双手把红牌和黑牌混在一起（仍然正面朝下），平铺在桌面上。告诉大家你 已经洗好了牌 D 步骤6只要桌面上还有扣着的牌，可以重复下面的 步骤： 6.1 请观众要一张红牌或黑牌； 6.2 如果所要的牌为红色，而且桌面上倒扣有凹形的牌，就翻幵其中的一张并告诉大家“这是一张 红牌”； 6.3 如果所要的牌为黑色，而且桌面上倒扣有凸形的牌，就翻开其中的一张并告诉大家“这是一张 黑牌”； 6.4 否则，就告诉大家桌面上没有所要求颜色的牌了，然后翻开桌面上所有的牌，以证实你的断言。 _ | 图 0-1 —个魔术的算法 算法的研究起源于数学学科。事实也的确如此，它是数学家的重要活动，远远早于当今计 算机的出现。它的目标是找出一组指令，描述如何解决某一特定类型的所有问题。求解两个多 位数商的长除算法是早期研究中一个最著名的例子。另一个例子是古希腊数学家欧几里得发现 的欧几里得算法——求两个正整数的最大公约数（见图0-2)。 描述： 本算法假定输入是两个正整数，目的是要计算这两个数的最大公约数。 图 0-2 求两个正整数的最大公约数的欧几里得算法 一旦我们找到了执行一个任务的算法，那么在执行该任务时，就不再需要了解该算法所依 据的原理——任务的完成演变成了遵照指令操作的过程。（不需要了解算法的工作原理，我们就 可以根据长除算法求商，或者根据欧几里得算法求得最大公约数。）在某种意义上，解决这个问 题的智能被编码到算法中。 我们能够设计出那些执行有用任务的机器，是因为我们有上述能力通过算法来捕获和传达 智能（至少是智能行为）。因此，机器的智能级别受限于算法所传达的智能。只有存在执行某一 项任务的算法时，我们才可以制造出执行这一任务的机器，换言之，如果我们找不到一个解决 某问题的算法，那么这个问题的解决就超出了机器的能力 范围。 20世纪30年代，库尔特•哥德尔 （ KurtGSdel ) 发表了不完备性定理的论文，它使确定算法 能力的局限性成为数学的一个研究课题。这个定理的主旨就是，在任何一个包括传统意义的算 术系统的数学理论内，总有一些命题的真伪无法通过算法的手段来确定。简言之，对于我们算 术系统的任何全面研究都超越了算法活动的能力。 fi : 骤骤骤 过步步步 0.2 计算机器的由来 3 这一认识动摇了数学的基础，于是关于算法能力的研究随之而来，它开创了今天计算机科 学这门学科。的确，正是算法的研究构成了计算机科学的核心。 0.2 计算机器的由来 今天的计算机有着庞大久远的世系渊源，其中较早的一个计算设备是算盘。历史告诉我们， 它很可能源于中国古代且曾被用于早期希腊和罗马文明。算盘本身非常简单，一个矩形框里固 定着一组小棍，而每个小棍上又各串有一组珠子（见图0-3)。在小棍上，珠子上下移动的位置 就表示所存储的值。正是这些珠子的位置代表了这台“计算机”所表示和存储的数据。这台机 器是依靠人的操作来控制算法执行的。因此，算盘自身只算得上一个数据存储系统，它必须在 人的配合下才成为一台完整的计算机器。 图 0-3 算盘 （Wayne Chandler 拍摄） 从中世纪到近代，人们开始探求更复杂的计算机器。后来， 一 些发明人开始基于齿轮技术 设计计算机器。采用这种技术的发明家有法国的布莱斯•帕斯卡尔 (Blaise Pascal , 1623 一 1662)、 德国的戈特弗里德 • 烕尔赫尔姆 • 莱布尼茨 （Gottfried Wilhelm Leibniz , 1646— 1716) 和英 国的查尔斯 • 巴贝奇 （Charles Babbage , 1792— 1871) 等。这些机器利用齿轮的位置来表示数 据，要在规定齿轮初始位置的基础上机械地输入数据。帕斯卡尔和莱布尼茨的机器所计算的结 果是通过观察齿轮的最终位置得到的。而巴贝奇构想了这样一种机器，可以把计算的结果打印 在纸上，从而消除可能出现的誊写错误。 就执行算法的能力而言，我们可以看到这些机器在灵活性上的进步。帕斯卡尔的机器只是 为了执行加法而设计，因此必须将正确的步骤序列嵌入到机器结构本身。同样，莱布尼茨的机 器也把算法嵌入在其体系结构中，但它提供了多种算术运算供操作员选择。巴贝奇的差分机仅 造了一个演示模型，可以被修改以执行各种计算，但他设计的分析机（因一直没有得到任何基 金支持而未生产出来）则能够在纸卡片上读取以洞孔形式表示的指令。所以，巴贝奇的分析机 是可编程的。事实上，奥古斯塔•艾达•拜伦 （Augusta Ada Byron ) 通常被称为世界上第一位 程序员，她曾发表过一篇论文，阐述巴贝奇的分析机如何编程并实现各种各样的计算。 讎懸 __ 纖麵 _1§1^^^^鍾賴1聽11^感81116_義1麟 ' :篇 •:色贝奇释 计的这 含机龢的瀚是瑰代计筹机巍计時▲攀，如舉雛.比较艋诛的 技水键逵 : 出屢洽机躁如果当时商典和竭府数据处理薷表速判 :令 秀的麵模，球么$爽奇娜 思想可能在 1.9 世纪就引发了计茸机苹今。 事 实上，在他有生名渾 > v 是&與了暴分机的策示 模璋。 该机器通过“逐次鼻分”的计算来决定蠢字值^我们来研竞一下计算整数平方的问题， 奉助我 们加深对这一技术的逑解。首先我们从基础知识开始， G 的平方龙0, J 的平方是1，，2 的:平方是4, _3钓平方是9。椐此，可以接照下雨的方法得到4的平方 '(MrM i ，首先 我们来 计算一下已知平方之间的差：1 2 -0 2 -1, 2 2 -1 2 -3, 3^2 2 =5 a 然后广戒射计:算这些结果的 差： 3 -1=2, 5 -3 #2。注意看 ，： 这些差都是2。德敢这个规律韻够成立（教學上可以证明 “它是成立的），那么我们可以得出填祥的， 结论： （4 2 -3 2 )和（3 2 -:麥）之间的差也一:定是2。 :「因为（4 2 -3 2 )'比（3匕2 2 )大2，所以4 2 -3 2 =々，4 2 = 3 2 +7= 1:6,现在，赛们已经知遒了4的 平方，那么就可以依播 P 、 2 2 、3 2 和4 2 的值继:续计算5的平方 。 (:，虽然4：;蘇;? sifc 讨论逐衣 差會已 -经超出了本书范围,但是学过微舞命的学生可能已观察到匕讀與 守襄 基 f 这样的事 实： y = 彳的二阶專数是一条直线， ） - '今々 'U ’ ' ■ " 1 - … 1 r 丨 r 卜 H I " lL 1 . - T - 卜， .............. - ' . . ._ .:,... .. ： ..•.••■ i . .. • ... : i . ... . ..；. . ..! •••.：•• : ••" ! •； ' :- •' •'•••• - ■• .. ： ' ' •-•：.：•：.' .. :. - .：• ：'•：.； . ..； : . .•^ •.•• rV .••••... - .；...：.；：• '： l \ .•••••. . !' ! ••- !•'•••'.•；：•.'：! '•••'H J -K : ^ KHv ：^： - L， -： ,1, -：：■-•. ■'：•—..：• •: . LJ . ■. •- - i .^： -•>•：••. - .•■：• : .• . . !'. : • |.屮 . J ._. 一.,-人 ... … ' H ■ _ 1 - ] 「 y ~ .■.. hJ| _ 、 ' ^... n . ri ..' [；' L J H ^ L { /_ V ； r " T - 1 _ ■ 」 x jf 2 —阶差分二阶差分丨 H H m 4 - L 4 • ► H ! I ' -r - t ， r r ， T , 'nrn ， • / v T W ^ r ir .r; 5r . V ~ [ T/ % 「工 T : / . 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理学、生物学、商业管理和语言学等多个学科。事实上，研究计算机科学不同分支的研究人员对 科学的定义也许会截然不同。例如，计算机体系结构领域中的研究者主要关注微型电路技术， 因此他们将计算机科学视为技术的进步和 应用； 但数据库系统领域的研究者则认为计算机科学 就是要寻求方法来提升信息系统的有 用性； 而人工智能领域的研究者则把计算机科学视为智能 和智能行为的研究。 因此，介绍计算机科学必然要包含多个主题，接下来的章节都将始终遵循这种做法。对每 一个主题，我们的目标就是要介绍这门学科的核心思想、当前的研究课题以及一些用于本领域 中先进知识的技术。在学习过程中，我们很容易因主题太多而忽视整体框架。因此，为了整理 思路，我们现在提出一些问题，让大家看到该领域的研究焦点。 □ 算法过程可以解决什么样的问题？ □ 怎样才能比较容易地找到算法？ □ 如何改进表示和传达算法的技术？ □ 如何分析和比较不同算法的特征？ a 如何使用算法来操作信息？ □ 如何应用算法来产生智能行、为？ □ 算法的应用对社会有何种影响？ 注意，所有这些问题都与算法研究有关（见图0-5)。 算法的肩 限性 算麵纖 算法的分析 算細偷 算法的传达 _的爰现 算法的表示 图 0-5 算法在计算机科学中的核心地位 8 第 0 章绪 论 0.4 抽象 抽象概念贯穿计算机科学的研究和计算机系统的设计，因此有必要在绪论中简单介绍。抽 象 （ abstraction ) 在本书中的意思是指一个实体的外部特征与其内部构成细节之间的分离。抽象 使我们可以忽略一些复杂设备（如计算机、汽车和微波炉等）的内部细节，而把它们作为单一 的可理解的单元，而且正是通过抽象，这些复杂的系统才能够被设计和生产出来。计算机、汽 车和微波炉由若干部件构成，而这些部件又分别由更小的部件构成。每个部件表示一层抽象， 在此层面上，该部件的使用与它内部构成细节是分隔的。 运用抽象，我们能够构造、分析和管理大型的复杂计算机系统，但如果从细节的层面上看 问题，就会使人不识庐山真面目。在每一个抽象层面上，我们都把此系统看成是由若干称为抽 象工具 （abstract tool ) 的部件组成的，而暂时忽略这些部件的内部构成。这样我们的精力就集 中了，可以考虑一个部件如何与同一层面其他部件发生作用，以及这些部件如何作为一个整体 形成更高级别的部件。由此我们就可以理解该系统中与手头任务有关的那部分，而不会在众多 的细节中迷失方向。 需要强调的是，抽象并不局限于科学和技术领域，它是一门重要的简化技术，我们的社会 所形成的任何一种生活方式都离不开抽象。很少有人知道，日常生活中各种各样的便利是怎样 实 现的： 我们需要吃饭穿衣，但却不能都自己 生产； 我们使用电器设备和通信系统，但不需要 了解它们的内部 技术； 我们享受其他人提供的服务，但不需要知道他们的专业细节。对每一项 新的发展只有一小部分社会成员专职于其实现，其他人则将实现的结果作为抽象工具来使用。 这样，社会的抽象±具仓库扩大了，社会进一步发展的能力也增强了。 抽象这一话题在本书中会被反复提及。我们将了解到，计算设备是通过各种抽象工具构建 的。我们还会看到，大型软件系统开发是以模块化方式完成的，其中每个模块都被作为较大模 块上的一种抽象工具。此外，在计算机科学本身的发展中，抽象也扮演了很重要的角色，有了 它，研究人员可以把精力集中在一个复杂领域中的特定范围。实际上，本书的编排也反映了该 科学的这种特征——每一章都围绕着计算机科学一个特定的范围，而且往往出人意料地完全独 立于其他各章，但所有这些章合在一起又形成了对该科学所涉及领域的全面介绍。 0.5 学习大纲 本书遵循自底向上的方法讲述计算机科学，先从读者有亲身体验的主题开始（比如计算机 硬件），继而引出比较抽象的主题（比如算法复杂性和可计算性）。结果是我们的学习遵循了这 样一个 模式： 随着对主题的深入理解，我们构建了规模越来越大的抽象工具。 我们首先学习的主题与设计和构造执行算法的机器有关。第1章（数据存储）学习现代计算 机的信息编码和信息存储问题，第2章（数据操控）研究简单计算机的内部基本操作。虽然部分 学习内容涉及技术问题，但总体上是独立于具体技术的。也就是说，像数字电路设计、数据编 码与压缩系统，以及计算机体系结构这样的话题在更广阔的技术领域中都很重要，并且不管技 术发展方向如何，它们的重要性都不会降低. 在第3章（操作系统）中，我们将学习控制一台计算机总体操作的软件，这种软件称为操作 系统。操作系统控制计算机与其外部世界之间的 接口： 保护计算机及其内部所存储的数据，以 免被非授权用户 访问； 允许计算机用户请求执行各种 程序； 协调内部活动，以满足用户请求。 在第4章（组网及因特网）中，我们将学习如何连接计算机以构成计算机网络，以及网络是 如何连接成互联网的。由此引出诸如网络协议、因特网结构和内部操作、万维网，以及诸多安 0.6 社会影响 9 全性问题等主题。 第5章（算法）比较规范地介绍了算法。我们要研究算法的发现，明确几种基本的算法结构， 开发几项表示算法的初等技术，并介绍算法的有效性和正确性问题。 第6章（程序设计语言）研究的问题是算法衾示和程序开发过程。我们会发现，人们在不断 改善程序设计技术的过程中，已经创造出各种各样的程序设计方法学或范式，而每一种都有自 己的一套程序设计语言。我们将研究这些范式和语言，以及语法和语言翻译的问题。 第7章（软件工程）介绍计算机科学的一个分支——软件工程。软件工程处理的是开发大型 软件系统时所遇到的问题。大型软件系统的设计是一项复杂的任务，会遇到传统工程未涉及的许 多问题。因此，软件工程这一学科已经成为计算机科学中一个重要的研究领域，从工程、项目管 理、人力资源管理、编程语言设计乃至建筑学等学科中吸取了大量养分。 在接下来的两章中，我们将学习在计算机系统中组织数据的方法。第8章（数据抽象）介绍 传统上用于在计算机主存储器中组织数据的技术，然后探索数据抽象的演变发展，从原语的概 念一直到今天的面向对象式技术。第9章（数据库系统）介绍传统上用于在计算机海量存储器中 组织数据的方法，并研究如何实现非常大的复杂数据库系统。 在第10章（计算机图形学）中，我们研究图形和动画，这是一个创建并图像化虚拟世界的 领域。由于像机器体系结构、算法设计、数据结构和软件工程等计算机科学传统领域的发展， 图形和动画学科取得了显著进展，业已发展成为激动人心、充满活力的学科。此外，这个领 域说明了计算机科学的各个组成部分是如何与物理、艺术和摄影术等学科相结合以产生显著 成果的。 在第11章（人工智能）中，我们将了解到，为了开发更有用的机器，计算机科学现已一马 当先，转向研究人类智能，希望通过对我们自己的思维推理和认知的了解，能设计出模拟这些 过程的算法，从而把这些能力传递给机器。结果是，计算机科学又诞生了一个称为人工智能的 领域， 它非常依赖于心理学、生物学和语言学等领域的研究。 我们的学习到第12章（计算理论）结束，在这一章中介绍了计算机科学的理论基础，这个 主题使我们了解了算法（和机器）的局限性。在本章，我们不但明确了几个算法上不能解决的 问题（它们在理论上也是超出机器能力的），而且认识到解决其他许多问题需要大量的时间或空 间，以致从实践的角度上讲也是不可解的。因此，我们能够领悟算法系统的应用范围和局限性。 我们的目标是，每一章都在一定深度上使读者真正理解所讨论的主题。我们希望所阐述的 计算机科学知识会对大家的工作有所帮助——使读者了解自己所生活的技术社会，打好跟随科 技进步自我学习的基础。 0.6 社会影 B 向 计算机科学的进步正淡化着许多差别，而这些差别正是我们过去作出某些决策的基准，而 且计算机科学的进步也向社会的许多准则提出了挑战.在法律上，因此产生了某些疑问——知 识产权的度以及伴随这个所有权的权利和义务 3 在伦理上，人们面临着许多挑战传统社会行为 准则的抉择。对于政府，又产生了许多争议——汁算机技术及其应用应该规范到什么程度？在 哲学上，人们开始争论智能行为的存在与智能本身的存在。同时，整个社会也在讨论：新的计 算机应用是代表新的自由还是新的控制？ 虽然这些话题不属于计算机科学本身的范畴，但是对于那些想涉足计算机或者相关领域的 人，它们还是很重要的。科学新发现经常会使许多应用产生争议，这使得人们对相关的研究人 员产生极大不满。进一步而言，伦理上的过错足以摧毁本可以很成功的事业。 10 第 0 章绪 论 计算机技术的发展给人们提出了许多难题，而具备一些解决此类问题的能力对于非计算机 领域的人也十分重要。的确，计算机技术己经在全社会迅速普及，几乎无人不受其影响。 本书提供了一些技术背景，有助于人们以一种理智的思维处理计算机科学所产生的问题。 然而，计算机科学的技术知识本身无法提供全部问题的解决办法。因此，本书的一些章节致力 于介绍社会、伦理和法律上的问题，包括安全性、软件所有权和义务问题、数据库技术的社会 影响以及人工智能发展的后果。 此外，一个问题通常并不只有唯 一一 个正确的答案，许多有效的解决方案都是在对立的（也 许都是有理的）观点之间进行折中的。因此，寻找解决方案通常需要这样的 能力： 能够倾听、 辨别其他各种观点，开展理性的讨论，并在获得新的见解时改变自己的观点。于是，本书每章 最后都有一系列“社会问题”，研究计算机科学和社会的关系。这些问题不是必须作答的，而是 需要思考的。在许多情况下， 一 个乍看毫无疑问的答案等你发现其他可能性时就值得深思了。 简言之，给出这些问题并不是要指导大家找到“正确”答案，而是要提高大家的意识，要意识 到一个问题会牵扯多位利益相关者， 一 个问题会有多个解决方案，以及那些解决方案都同时具 有长短期效应。 在结论最后，我们介绍了一些伦理学方法，这些方法是哲学家在基础理论的研究中提出的， 从而产生了指导决策和行为的原则。这些理论大体可以归 类为： 结果伦理、职责伦理、合同伦 理以及基于性格的伦理。你也许希望用这些理论处理本书中呈现的伦理问题。特别值得一提的 是，你可能会发现不同的理论会导致相反的结论，从而将隐藏的候选方法呈现出来。 结果伦理试图基于作出各种选择所造成的后果分析问题。最突出的一个例子就是“功利主 义”——“正确”的决策或行动可以带给社会上大多数人最大利益。乍一看，功利主义似乎 很合理地解决了伦理上的难题，但是，它又会导致许多令人无法接受的后果。例如，他使少数 人要服从多数人。此外，很多人认为伦理理论的结果方法太过强调结果，这样人就仅仅被当 作实现结果的工具而不是有意义的个体了。他们还认为，这是所有结果伦理理论的一个最基本 的缺陷。 和结果伦理相反，职责伦理并不考虑决策和行动的结果，它认为社会成员本身应该有职责 或义务，因此又产生了需要解决的伦理问题。例如，一个人有尊重他人权利的义务，因此无论 后果如何，他都要反对奴隶制。另外，反对职责伦理的人认为，对于有争议的职责问题，它无 法提供解决方案。如果说出事实真相会使同事失去自信，你还会这样做吗？一个民族如果在战 争中自卫，那么在随后的战争中就会牺牲很多公民，这个民族还应该自卫吗？ 合同伦理理论首先假设社会没有任何伦理根基。在这种纯天然的背景下，什么情况都可能 发生——每个人都必须自我保护，并不断防止他人的侵害。因此，合同伦理理论认为社会成员 之间应该建立“合同”。例如，你不剽窃我，我就不剽窃你。进而，这些“合同”就成为伦理习 惯的准绳。这里需要指出的是，合同伦理理论是伦理行为的动力，因为如果不遵循合同伦理我 们就将生活得很不愉快。然而，反对合同伦理理论的人认为，它不能为伦理难题的解决提供足 够广阔的基础，只有在那些已经建立合同的领域，它才能起到指导作用。（在没有合同约束的领 域，我就可以为所欲为。）特别值得一提的是，新技术可能发现人们未知的领域，在其中无法应 用现存的伦理合同。 性格伦理（有时称为德行伦理）是由柏拉图和亚里士多德提出的，它指的是“好行为”不 是运用各种规则的结果，而是“良好性格”的自然结果。当一个人解决伦理难题时，结果伦理、 职责伦理以及合同伦理认为应该考虑的分别是，“结果会怎样呢？ ”“我的职责是什么呢？ ”“我 有什么合同可作为依据呢？”而性格伦理考虑的是，“我想成为什么样的人呢？”因此，好行为 是建立在好性格基础上的，而这正得益于良好的教育以及德行习惯。 社会问题 11 向不同专业领域人士教授伦理知识时，一般以性格伦理为基础，即不用教授专门的伦理理 论，而是举一些案例，暴露专业领域的各种伦理问题。通过讨论这些案例的利弊，这些专业人士 就会对职业生活中潜在的危险有一个更清醒、更深入和更敏感的认识了，并将这种认识融入到 他们的性格中。这就是每章最后设计社会问题的精神所在。 社会问题 下面的问题有助于分析一些与计算领域相关的伦理、社会和法律问题。回答出这些问题还 不够，还应该考虑为什么这样回答，以及你的判断是否对每个问题都标准如一。 1. 如果没有计算机革命，我们现在的社佘将有很大不同。人们已经广泛接受这种观点。 现在的社会是更好，还是更差？如果你在社会中的地位不同，答案是否也会不同？ 2. 不努力了解技术的基础知识，却又想积极参与到当今的技术社会中，这种做法是否可 行？例如，要通过表决来决定如何支持和使用某种技术，那么表决者是否有责任了解 那种技术？你的答案是否与具体哪种技术有关？例如，考虑使用核技术时和考虑使用 计算机技术时，回答是否一样？ 3. 传统上人们选择现金交易方式处理账务，因而不需要支付服务费用。然而，我们经济 生活中自动化程度在不断提高，金融机构对使用某些自动化系统收取服务费用。那么， “服务收费不公正地限制了人们参与经济活动”这种说法是否正确呢？例如，假设雇主 仅用支票支付雇员的工资，并且所有金融结构都对支票兑现和存款收取服务费用，那么 雇员是否因此受到了不公正的待遇呢？如果雇主坚持通过直接存款的方式支付工资，那该 怎么办呢？ 4. 在交互式电视节目中，某一个公司有可能会从孩子那里获取有关其家庭的信息（也许 是通过交互式游戏），那应该控制到什么程度呢？例如，是否可以允许公司通过孩子得 知其父母的购物习惯？那么关于孩子自己的信息呢？ 5. 政府对计算机技术及其应用的法规管制应当到什么程度？例如，考虑一下问题3和问题 4中提到的问题。政府管制的依据是什么？ 6. 关于技术，尤其是计算机技术，我们所作出的决策会对我们的后代有多大的影响？ 7. 随着技术的进步，我们的教育系统不断面临挑战，要重新考虑科目安排的抽象层次。 许多问题是类似的，如某项技能是否必要，是否允许学生依赖某种抽象工具等。学三 角时，不再教学生如何利用函数表求三角函数的值，而是允许学生用计算器作为抽象 工具来求函数值。有些人认为，长除也应该让位于抽象。还有哪些主题涉及类似的争 论？现代的文字处理软件是否会使人们不需要练习书法？视频技术的使用是否会在将 来的某一天取代阅读？ 8. 所有公民都有权获得信息，因而才设立了那么多公共图书馆。越来越多的信息通过计 算机技术存储和传播，是否每一位公民都应该有权利访问这个技术系统呢？答案如果 是肯定的，那么公共图书馆是否应该为这种访问提供渠道呢？ 9. 在一个依靠抽象工具的社会里，会产生什么样的伦理问题呢？是否存在这样的情况， 当我们使用某个产品或某项服务时，不了解它们的工作原理，不了解其生产方法就有 悖道德？亦或不了解使用它会带来的副作用就有悖道德？ 10. 随着我们社会的逐步自动化，政府监督公民的活动变得很容易。这是好还是坏呢？ 11. George Orwell 在他的小说《1984》中想象的哪些技术已经实现？它们的使用方法是否 与 Orwell 预想的一样？ 12 第 0 章绪 论 12. 如果你有一台时间机器，你想生活在哪一个历史阶段？有你想带去的现代技术吗？你 所选择的技术可以脱离其^ [也 技术而被你单独带走吗？ 一项技术可以在多大程度上独立 于其他技术？防止温室效应，却又接受现代医疗，这两者相符吗？ 13. 假如由于工作关系，你必须生活在另一种文化氛围中。你会按照自己的本土文化习惯 我行我素，还是会选择遵循所在地的异域生活习俗？对这个问题的回答，是否因为跟 穿衣打扮还是人权有关而不同呢？如果你是在本国生活，但需要处理各种外来文化冲 突，那你会坚持什么道德标准？ 14. 在商务、通信和社交互动方面，社会是否已太过依赖于计算机应用？例如，如果长期 中断因特网或移动电话服务，会有什么后果？ 15. 大多数智能手机都能够利用 GPS 识别韦机的位置。这样一来，相关的应用程序就可以 基于手机的当前位置提供与该位置相关的信息（如本地新闻、本地天气，或者附近的 商业机构）。然而，选些 GPS 功能却也可能支持其他应用将手机的位置广播给其他各方。 这样好吗？手机的位置（继而手机用户的位置）信息会被如何滥用呢？ 16. 根据你对以上问题的回答，你打算支持 0.6 节中的哪一个伦理理论？ 课外阅读 ______ Goldstine, J. J. The Computer from Pascal to von Neumann. Princeton: Princeton University Press, 1972. Kizza ， J. M. Ethical and Social Issues in the Information Age, 3 rd ed. London: Springer-Verlag, 2007. Mollenlioff, C. R. Atanasoff: Forgotten Father of the Computer. Ames: Iowa State University Press, 1988. Neumann, P. G. Computer Related Risks. Boston, MA: Addison-Wesley, 1995. Ni, L. Smart Phone and Next Generation Mobile Computing. San Francisco: Morgan Kaufrmann, 2006. Quinn, M. J. Ethics for the Information Age, 2nd ed. Boston, MA: Addison-Wesley ， 2006. Randell, B. The Origins of Digital Computers, 3 rd ed. New York: Springer-Verlag, 1982 ， Spinello, R. A. and H. T. Tavani. Readings in CyberEthics, 2nd ed. Sudbury, MA: Jones and Bartlett, 2004. Swade, D. The Difference Engine. New York: Viking, 2000. Tavani, H. T. Ethics and Technology: Ethical Issues in an Age of Information and Communication Technology, 3rd ed. New York: Wiley, 2011. Woolley, B. The Bride of Science, Romance, Reason, and Byron’s Daughter. New York: McGraw-Hill, 1999. 数据存储 t 本章中，我们学习有关计算机中数据表示和数据存储的内容。我们要研究的数据类型 ■包括文本、数值、图像、音频和视频。除了传统计算外，本章的很多内容还涉及数字 摄影、音频/视频录制和复制，以及远程通信等领域。 本章内容 U 位和位存储 1.2 主存储器 1.3 海量存储器 1.4 用位4式表示信息 *1.5 二进制系统 *1.6 整数存储 : 输入> > ^ E > ■> 输出 2. 对于图 1-3 中的触发器，我 © 在文中强调 ，::下输入 端放置1 (保持 jh 输入端为 0) ，这样驗迫使触发器 的输出为0。,描述一下这砰情_发攝内:雖的:辱动:序列。： 当输入偉都为鄉 t ， 输出值蠢0。轉非1:1的符夸相每口的符号类似，只 cfe 輪出有一下面的 电路包含与非 rt , 那么壤平电路完成释么布尔运算？ ：_ - _ : 18 第 1 章数据存储 iftA > 输入> 输出 b ； N 果 〔个贏门鉍 •出值传递_一本離 n ;那 X 这个&合电路 雲的泰 5^_棘兔或非，:当瓦仅当 输入值都为0时，输出值为 U 或非门的符号和或门的符号类似，只是输出有一个圆圈。.下面的电 路包含一个与门和两个或非门。那么这个 电路汁 算_为什么布尔运算？ _人.:> =0 输出 tfA, >— ~~- • - 5. 用十六进制记数法来表示下面的位模式。 a； 0110101011110010 b. 111010000101010100Q10111 G. 010010Q0 6. If 國的十靠趣制模 或表滴 騎么隹模式:?. a* 5FD97 b. 6iOA c. ABCD d.0100 1.2 主存储器 为了存储数据，计算机包含大量的电路（如触发器），每一个电路能够存储单独的一个位。 这种位存储器被称为计算机的主 存储器 (main memory )。 1.2.1 存储器结构 计算机主存储器是以称为存 储单元 ( cell ) 的可管理单位组织起来的，一个典型的存储单元 容量是8位。[一个8位的串称为一 个字节 ( byte ), 因此一个典型的存储单元容量是一个字节。] 在像微波炉这样的家用电器中所使用的小型计算机的主存储器，仅仅包含几百个存储单元，但 是大型计算机的主存储器可能有上亿个存储单元。 虽然计算机中没有左或右的概念，但是我们通常假设存储单元的位是排成一行的。该行的 左端称为 高位端 ( high-order end ), 右端称为 低位端 （ low-order end )。 高位端的最左一位称作高 位 或最高有效位 （most significant bit )。 取这个名称是因为，如果把存储单元里的内容解释为数 值，那么这一位就是该数的最高有效数字。类似地，低位端的最右一位称为低位 或最低有效位 (least significant bit ). 于是，我们可以如图 1-7 所示的那样描述字节型存储单元的内容。 高位端 010.11010 低位端 最高 最低 有效位 有效位 图 1-7 字节型存储单元的结构 为了区分计算机主存储器中的各存储单元，每一个存储单元都被赋予了一个唯一的“名字”， 称 为地址 （ address )。 这类似于通过地址找到城市里的一座座房屋。不过，对于存储单元，所用 地址都是用数字表示的。更精确地说，我们把所有的存储单元都看做是排成一行的，并按照这 个顺序从0开始编号。这样的编址系统不仅为我们提供了唯一标识每个存储单元的方法，而且也 1.2 主存储器 19 给存储单元赋予了顺序的概念（见图1-8)，这样就有了诸如“下一个单元”、“前一个单元”的 说法。 图 1-8 按地址排列的存储单元 将主存储器的存储单元和存储单元的位都进行排序，就产生一个重要结果，即计算机主存 储器的所有二进制位本质上被排成了一长行，因而这个长行上的片段就可以存储比单个存储单 元要长的位模式。特别是，我们只需要两个连续的存储单元就可以存储16位的串。 为了做成一台计算机的主存储器，实际存放二进制位的电路还组合了其他的电路，这些电 路使得其他电路可以在存储单元中存入和取出数据。以这种方式，其他电路可以通过电信号请 求从存储器中得到指定地址的内容（称为读操作），或者请求把某个位模式存放到指定地址的存 储单元里（称为写操作）。 因为计算机的主存储器由独立的、可编址的存储单元组成，所以可以根据需要独立访问这 些存储单元。为了反映用任何顺序访问存储单元的能力，计算机的主存储器常被称为 RAM (Random Access Memory , 随机存取存储器）。主存储器的这种随机存取特性与 1.3 节中将要讨论 的海量存储系统形成鲜明对比，在海量存储系统中长二进制串被作为合并块来操控。 尽管我们介绍说触发器可以作为二进制位的一种存储方法，但是在现代的大多数计算机中， RAM 都是用其他可以提供更小型化和更快响应时间的技术制造的，其中许多技术将位存储为可 快速消散的电荷。因此，这些设备需要附加的电路，称为刷新电路，可以在 Is 内反复补充电荷 很多次。因为它的这种不稳定性，所以通过这种技术构造的计算机存储器常被称为动态 存储器 (dynamic memory ), 于是就产生了术语 DRAM (读作 “ DEE - ram ”)， 用来表示动态 RAM 。 有时 候关于动态存储器也会用 SDRAM (读作 “ ES - DEE - ram ”)， 用来表示同步动态 RAM ， 采取这种 附加的技术可以缩短从存储单元取出信息所需要的时间。 1.2.2 存储器容量的度量 在第2章会学到，如果主存储器中存储单元的总数是2的幂，那么设计起来是很方便的，因 此早期计算机存储器的大小通常以1024 (2 10 )个存储单元为度量单位。因为1024接近于数值 1000,所以计算机行业的许多人采用前缀千 （ kilo ) 来表示这个单位。也就是说，术语千 字节. ( kilobyte , 简写形式为 KB ) 用于表示1024字节。因此有4096个存储单元的计算机被称为有4 KB 存储器（4096=4 X 1024)。随着存储器容量的增大，又新增了一些类似的度量单位，包括 MB (兆字 节 ）、 GB (吉字节 )、 TB (太字节）。遗憾的是，这种前缀用法属于术语的误用，因 20 第 1 章数据存储 为这些前缀已经是其他领域用于指称1000的幂。例如，在度量距离时千米 （ kilometer ) 指的是 1000米 （ m )， 在度量无线电频率时，兆赫 （ megahertz ) 指的是1 000 000赫兹 （ Hz )。 在此提醒 大家:一般说来，千 （ kilo -)、 兆 （ mega -) 等术语在涉及计算机存储器时表示2的幂，但在其他 环境中表示1000的幂。 问逾与练习 1. 如果地埤为5的存储单元春有值8,那么 在雜偉 5写入6号存储单元和将 | 号存储 单元的 移到 g 号存 储单元之间有什么差别？： 2 •假 定你想交换存俥在 2 号和 3 ,夸储单元中的值。，那么下两的步骤错在哪里？ . 義: :卜、 ::: 步棘2把3考存储单元:中油4容^到2号存储单元。： ' 请设计能够正确交换这两个存储单元内容的步骤。如有必要可以使用额外的存储单元。 3. 4 KB 计算机存储器里有多少个二进制位？ - 1.3 海量存储器 由于计算机主存储器的不稳定性和容量的限制，大多数计算机都有称为海量存储 （mass storage ) 系统的附加存储设备，包括磁盘、 CD 盘、 DVD 盘、磁带、闪存驱动器（所有这些我们 稍后会讨论）。相对于主存储器，海量存储系统的优点是更稳定、容量大、价格低，并且在许多 情况下可以针对存档的需要从计算机上方便地取下这类存储设备。 术语联机 ( on - line ) 和脱机 ( off - line ) 通常分别用来描述那些既能接入计算机又能从计算 机上移除的设备。联机意味着设备或信息己经与计算机连接，不需要人的干预就可以使用。脱机 意味着必须先有人的干预，设备和信息才可被计算机使用——或许需要先打开这个设备，或许需 要将包含该信息的介质插到某机械装置里。 海量存储系统的主要不足之处是，它们一般都需要机械运动。因为主存储器的所有工作都 是由电子器件实现的，所以比起计算机主存储器来，海量存储系统的数据存取需要花费更长 的时间。 1.3.1 磁学系统 很多年以来，磁技术己经占据了海量存储领域。最常见的例子便是我们今天使用的磁盘 (magnetic disk ), 它里面是薄的、可以旋转的盘片，表面有磁介质的涂层用以存储数据（图1-9)。 读/写磁头安装在盘片的上面和（或）下面，当盘片旋转时，每个磁头在盘片上面或下面相对于 称为磁道 （ track ) 的圆圈转动。移动磁头时，可以对各个同心的磁道进行存取。在很多情况下， 一个磁盘存储系统包含若干个安装在同一根轴上的盘片，层叠在一起，盘片之间留有足够的距 离，使得磁头可以在盘片之间滑动。这种情况下，所有的磁头是一起移动的。因此，每当磁头 移到新的位置时，就可以访问新的一组磁道，称为柱面 （ cylinder )。 因为一个磁道可以包含的数据通常比我们每一次要处理的数据多，所以每个磁道又被划分 成若干个小弧区，称为扇区 ( sector ) o 记录在每区上的信息是连续的二进制位串。磁盘上 所有的扇区包含相同数目的二进制位（典型的容量是512个字节到若干 KB )， 而且在最简单的磁 盘存储系统里，每一个磁道被分为相同数目的扇区。因此，盘片边缘磁道扇区上存储的位密度 要小于靠近盘片中心磁道上存储的位，这是因为外磁道要长于内磁道。事实上，在大容量磁盘 1.3 海量存储器 21 存储器系统里，边缘磁道可包含的扇区要远多于靠近中心的磁道，这种存储能力常通过一种称 作 ZBR (zoned-bit recording, 区位记录）的技术得以应用。运用 ZBR ， 一 '些相邻的磁道被统一 命名为区，一个典型的盘片大约包含10个区。一个区的所有磁道有相同数目的扇区，但是靠外 的区中每一个磁道包含的扇区比靠内的区包含的多。因此，盘片边缘的存储空间利用率要高了。 不考虑细节，我们只需知道，一个磁盘存储系统包含许多独立的扇区，每一个扇区又可以作为 独立的位串进行存取 划分为扇区的磁道 磁盘 读/写磁头 一， ■ ■ 磁盘旋转方向 臂运动方向 图 1-9 磁盘存储系统 磁道和扇区的位置不是磁盘物理结构的固定部分，而是通过称为磁盘 格式化 （ formatting ) 的过程磁化形成的。这个过程通常是由磁盘的厂家完成的，出厂的此类盘称为格式化盘。大多 数计算机系统都能够执行此项任务。所以，如果一个磁盘的格式化信息被破坏了，那么可以重 新格式化这个磁盘，不过这种操作将会扔掉原先记录在磁盘上的所有信息。 一 个磁盘存储系统的容量取决于所用盘片数目以及所划分磁道与扇区的密度。较小容量的 系统可能只有一个盘片。大容量磁盘系统的容量可达数 GB ， 甚至 TB ， 可能在同一根轴上安装 有3〜6个盘片。此外，数据有可能存储在每个盘片上下两面。 有几个标准可以用来评估一个磁盘系统的 性能： （1) 寻道时间 ( seektime ), 读/写磁头从一 个磁道移到另一个磁道所需要的时间； （2) 旋转延迟 (rotation delay ) 或等待时间 （latency time ) ， 盘片旋转一周所需要时间的一半，也就是读/写磁头到达所要求磁道后，等待盘片旋转使读/写磁 头位于所要存取的数据（扇区）上所需要的平均时间； （3) 存取时间 （access time ).， 即寻道时 间和等待时间 之和； （4) 传输速率 （ transferrate )， 在磁盘上读出或写入数据的速率。需要注意 的是，在区位记录存储情况下，盘片旋转一次边缘道通过读/写磁头传递的数据要多于内区道， 因此数据传输速率依所使用盘片部分的不同而有所变化。 限制磁盘存取时间和传输速率的一个因素是磁盘系统旋转的速度。为了支持高速旋转，这 些系统里的读/写磁头不接触盘片，而只是“悬浮”在盘片表面。磁头与盘片之间的空间很小， 以至于一粒小小的灰尘都可能卡在其中，并因此损坏磁盘和磁头，这一现象便是磁头划伤 （head crash )。 因此，磁盘系统出厂时都密封在箱子里。凭借这样的构造，磁盘系统能够以每秒几千次 的速度旋转，达到每秒数以 MB 的传输速率。 因为磁盘系统的操作需要物理运动，所以难以与电子电路的速度相比。电子电路延迟时间 是以纳秒（十亿分之一秒）甚至更小计算的，而磁盘系统的寻道时间、等待时间和存取时间是 以毫秒（千分之一秒）度量的。因此，与电子电路等待结果的时间相比，从磁盘系统检索信息 所需要的时间非常长。 磁盘存储系统不是唯一应用磁技术的海量存储设备。一种更古老的形式是磁带 （magnetic 22 第 1 章数据存储 tape ) (见图1-10)，在这些系统里，信息存储在一条细薄的塑料带的磁涂层上，而塑料带则绕在 磁带卷轴上作为存储器。为了存取数据，磁带应装到称为磁带驱动器的设备里，并可以在计算 机控制下读带、写带和倒带。磁带驱动器有大有小，小至盒式机，大至比较老式的大型盘式机。 盒式机又称为流式磁带机，磁带的外表与立体声收音机类似。虽然这些磁带机的存储容量依赖 于所使用的格式，但是大多数都能达到几 GB 。 带盘 卷盘 磁带的一个主要缺点是，在磁带卷轴之间要移动的带子很长时，在一条磁带不同位置之间 移动非常耗费时间。于是相对于磁盘系统而言，磁带系统的存取时间比较长，因为磁盘的读/ 写磁头只需要做短的移动就可以在不同的扇区存取数据。因此，磁带机对于联机的数据存储不是 很常用。但是，磁带技术常应用在脱机档案数据存储中，原因是它具有容量大、可靠性高和性价 比好等优势，但其他技术（如 DVD 、 闪存等）的进步，正迅速地吞噬磁带系统最后的阵地。 1-3.2 光学系统 另一类海量存储器所应用的是光学技术 ， CD ( CompactDisk , 光盘）就是其中的一种。光盘 的直径为12 cm (大约5英寸），由涂着光洁保护层的反射材料制成。通过在反射层上创建偏差的 方法在光盘上面记录信息。激光束通过监视 CD 快速旋转时反射层的不规则反射偏差来读取信息。 CD 技术最初用于音频录制，使用称为 CD-DA (Compact Disk-Digital Audio ， 数字音频光盘) 的记录格式，而今天 CD 作为计算机的数据存储设备，实质上使用的仍是同样的格式。特别值得 一提的是， CD 上的信息存储在一条磁道上，它呈螺旋形缠绕在 CD 上，很像老式唱片里的凹槽， 不过与老式唱片不同的是， CD 上的磁道是由内至外的（见图1-11)。这条磁道被划分为称为扇 区的单元，每个扇区都有自己的标识，数据存储容量为2 KB ， 相当于在音频录制时的音乐。 数据记录在分为若干扇! K 的磁 道上，磁道向外螺旋形旋转 光盘运动方向 图 1-11 CD 存储格式 1.3 海量存储器 23 需要注意的是，盘片外部边缘的螺旋磁道距离比内部磁道距离要长。为了使 CD 的存储能力 达到最大，信息就按照统一的线性密度存储在整个螺旋形磁道上。这就意味着，螺旋形磁道上 靠外边缘的环道存放的信息比内部的环道多。所以，如果盘片旋转一整圈，激光束在扫描螺旋 形磁道外面的部分时读到的扇区个数要比里面的部分多。因此，为了获得统一的数据传输速率， 根据激光束在盘片上的位置， CD - DA 播放器能够调整盘片的旋转速度。但是用于计算机数据存 储的大多数 CD 系统，盘片旋转的速度是比较迅速和恒定的，因此其 CD 驱动器必须适应数据传输 速率的变化。 由于采用这种设计思想， CD 存储系统在处理长且连续的数据串（如音乐复制等）时表现最 好。但是，当一个应用需要随机存取数据项时，磁盘存储器所用的方法（单个、同心磁道被划 分成立存取扇区的形式）就优于 CD 所用的螺旋形方法。 传统 CD 的存储容量是600〜700 MB 。 但是， DVD (Digital Versatile Disk )® 可具有多达几 个 GB 的存储容量，它由多个半透明的层面构成，精确聚焦的激光可以识别其不同的层面。这种 盘片能够存储冗长的多媒体信息，包括完整的一部电影。最后，蓝光技术 （ Blu - raytechnology ) 使用蓝色（而非红色）激光，能够极为精确地聚焦激光束。因此， BD ( Blu-ray Disk , 蓝光 光碟）的容量是 DVD 的5倍多。为了满足高清视频的需要，我们需要使用这种容量很大的存储 设备。 1.3.3 闪存驱动器 基于磁学和光学技术的海量存储系统的一个普遍特征是，通过物理运动来存储和读取信息， 例如，旋转磁盘、移动读/写磁头和扫描激光束等。这就意味着，数据存储和读取的速度比电子 电路的速度要慢。 闪存 （flash memory ) 技术有潜力克服这个缺点。在一个闪存系统里，用电子 信号将二进制位直接送到存储介质中，电子信号使得该介质中二氧化硅的微小晶格截获电子， 从而转换微电子电路的性质。因为这些微小晶格能够保持截获的电子很多年，所以闪存技术适 合存储脱机数据。 尽管存储在闪存系统里的数据能够像在 RAM 应用中一样，以小字节单元存取，但是现代技 术规定存储的数据应批量檫除。不过反复的檫除会逐渐损坏二氧化硅的晶格，这就意味着现今 的闪存技术不适合主存储器应用，主存储器的内容在一秒钟可能被改变许多次。然而,在某些 应用里改变可以被控制在一个合理的水平，例如数码相机、移动电话、手持式 PDA ， 所以闪存 已经成为海量存储技术的一个选择。的确，因为闪存对物理震动不敏感（与磁学系统和光学系 统不同），它在便携式应用中的潜力巨大。 闪存设备称 为闪存驱动器 （flash drive )， 容量可达到几 GB ， 可用于一般的海量存储应用。 闪存设备被封装在小的塑料格子里（长约3英寸），其一端有一个可以取下的帽，当驱动器处于 脱机状态时，可以保护这个设备的电子连接器。这些便携设备容量大，很容易连接到计算机以 及从计算机断幵，对于脱机状态的数据存储是很理想的选择。不过，由于它们的微小存储晶格 的缺点，当涉及真正长期应用时，它们不如光学盘片可靠。 闪存技术的另一应用是 SD 存储卡 （Secure Digital memory card )， 简称 SD 卡。 SD 卡的容量 高达2 GB ， 它们被制成塑料封装的晶圆，有邮票大小（事实上还有更小的小型和微型 SD 卡）， SDHC 存储卡 (Secure Digital High Capacity memory card , 高容量 SD 存储卡）的存储容量可以高 达32 GB ， 而作为新一代 SD 卡的 SDXC 存储卡 (Secure Digital Extended Capacity memory card )， 其容量可超过 1 TB 。 凭借不占空间的体积，这些卡可以方便地插入小型电子设备的插槽。因此， ① DVD 全称也作 Digital Video Disc 。 ——编者注 24 第 1 章数据存储 它们是数码相机、智能手机、音乐播放器、汽车导航系统，以及其他许多电子应用的理想选择。 1.3.4 文件存储及检索 海量存储系统中的信息一般被分组为较大的单元，即文件 （ Ale )。 典型的文件可能由文本 文档、照片、程序、音乐录音或者一组有关公司员工的数据组成。我们已经了解到，海量存储 设备规定这些文件要以较小的多字节单元进行存储和检索。例如，存储在磁盘上的文件必须按 照扇区操作，每个扇区都有固定的规格。符合存储设备特性的数据块称为物理记录 (physical record ) 0 因此，海量存储系统中的大文件通常包含多个物理记录。 与这种物理记录划分相对，文件通常还有其自然划分，这由它所表示的信息决定。例如， 一个包含公司员工信息的文件由许多单元组成，其中每个单元包含一个员工的 信息； 一 个有关 文本的文件包含段落或页。这些自然产生的数据块称为逻辑记录 （ logicalrecord )。 逻辑记录通常由称为字段 ( field ) 的较小单元组成。例如， 一 个包含员工信息的逻辑记录 大致由姓名、地址、员工标识号等字段组成。有时候，文件的每一个逻辑记录是由一个特定的 字段唯一标识出来的（也许是一个员工的标识号、一个部门标号或者是目录项标号）。这样的标 识字段称为键字段 （ keyfield )， 键字段中的值称为键 （ key )。 逻辑记录的规格很少能与海量存储系统的物理记录相匹配。因此，人们可能会发现若干逻 辑记录存放在一个物理记录里，或者一个逻辑记录存放在两个或者更多的物理记录里（见图 1-12)。因此，海量存储系统的信息检索需要一定的整理工作。这个问题的一个常用解决方法是， 在主存储器里留出一个足够大的区域，用于存放若干物理记录并将此存储空间作为重组区域。 也就是说，与物理记录兼容的数据块可以在主存储区与海量存储系统之间传输，主存储区的数 据能够根据逻辑记录引用。 逻辑记录对应于数据内的自然划分 物理记录对应于扇区的大小 图 1-12 磁盘上的逻辑记录与物理记录 这种存储区域称为缓冲区 ( buffer ). 一般情况下，缓冲区是在一个设备向另一个设备传输 数据的过程中临时存储数据的区域。例如，现代的打印机都有自己的存储电路，其大部分被用 作缓冲区，用于保存该打印机已经收到但还没有打印的那部分文档。 问舉 身练习：： .果: 瓣巧 :義_|§___囊__ i :: : ，“，':::晨 醒麵_麵_廳圓腳^||^_|^|||_議鷄__; 1.4 用位模式表示信息 25 3,为什么在一令爾订系 攀里、 靡.麟需學经常萬新的蜱釋琴 齊鱗奔 释载旱厶習荀 裹卽^ : ; ; :岑_学__序修有时_— : 段法:本木__^_獅_ - —个符夸的增加就_#文 件増加 几百个字节。为什么？ ％ : / : J . .:: : : ■:* *• .*.( - ；h k . ；" * * J r ' ■- - i - : • P - * *； . . -. -_ I 〆 ...-*--- J , .1 - 1. ••• _- .-.J 七 ..• . ... •一- .---. - r . - - *- . * I - .*••.•*： ^ • ： • • ••_•. . -... 二 . . --?•• . •.... -6 ■什么桌_冲囟？ ’ „- '- 1.4 用检摄式表示信息 在研究了位存储的技术后，现在来了解如何将信息编码为位模式。我们的学习集中在对文 本、数字数据、图像以及声音等编码的流行方法上，其中每一个编码系统都可能会影响到典型 的计算机用户。我们的目标是充分了解这些技术，以便知道应用这些技术的效果。 1.4.1 文本的表示 文本形式的信息通常由一种代码表示，其中文本中的每一个不同的符号（例如字母和标点 符号等）均被赋予唯一的位模式。这样，文本就表示为一个长的位串，连续的位模式逐一表示 原文本中的符号。 在20世纪的40年代〜50年代，人们设计了许多这样的代码，并结合不同的设备使用，随之 增加了不少通信问题。为了缓解这种情况， ANSI (American National Standards Institute ，美国 国家标准化学会）采用了 ASCII (American Standard Code for Information Interchange , 美国信息 交换标准码）。这种代码使用长度为7的位模式来表示大小写英文字母、标点符号、数字0〜9以 及某些控制字符，如换行、回车与制表符等。今天， ASCII 码被扩展为8位位模式，方法就是在 每个7位位模式的最高端添加一个0。这个技术不仅使所产生的代码的位模式与字节型存储单元 相匹配，而且还提供了附加的128个位模式（通过给附加的位赋予数值1)，可以表示除英语字母 和关联的标点符号之外的符号。 :美国国 家标牵 化学备 ( ANSI ) .成立于 19 t 8 年，学备 T 屬•政 侍洩 ，鼻 剥雖拜 a 綱泰賴•员 V : 商业 is 孽相也 魯姜 以或政養我展。它代表美国作为 iso 的奔员，零的釋摔是卿取 ： ：| | : I ? 其他国家:▲似且织 包華 鱗大 ㈤ 亚标秦组织、加拿禾标准套员会' 中貝 __碌黨_术监 督局、 梅嵙本工 ㈣ 准秦異舞，, ; 轟瑪哥标旨导義 举邊董委負会：瑞士标准化协会‘矣国标遶学备。 ’ - :二 v 国靡标准化組鋼泌常称為 ISO 1 )、 建立 f l 々47 年，是世界范围#_獒体敢碰;:遮也參 分趔来 自各个国家。今，它的总部设在^士日内瓦，有100多个实体会员和许_秦_ 7 (规察会员也是^些国 家的 标准化实体,::连些国索还没有全国鍊;一尚标 灰把卖 能直接参与标准的开发，拉苛以了解 ISO 的活着 。 ） ISO 的网站是 http://wwwliso;org; 26 第 1 章数据存储 8位模式的一部分 ASCII 码可见附录 A 。 利用这个附录，■我们可以将位模式 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101110 解码为报文 “ Hello .”， 见图1-13。 : 卩； c . r 、... .:^:七 :-:-.-.:.-。.. ；... ,\\' \ r -- y . zT .-::-" - .•'■■■' : ■- - ■. ■: . .. . •.二 _ 一一 . ■---- v ■■ 、 j : . 一二―二 - ■ ' 、乂 : - ■■■ — ■:■* ■■“ r ■- v ^ ■ _ 、； ■ _ ■ ■ ■■ d ，■ ” 」 r ._- ■ I Q ^ 图 1-13 报文 “Hello.” 的 ASCII 码 ISO (International Organization for Standardization , 国际标准化组织，这个组织的缩写也暗 指了希腊语中意味“平等”的单词 “ isos ”） 开发了大量 ASCII 扩展，每种扩展都是针对某一主 要语种设计的。例如，其中一个标准提供了表达大部分西欧语言文本所需的符号。在其128个附 加模式中有表示英磅和德语7^音 a 、 6、 （ i 的符号。 ISO 扩展的 ASCII 标准在支持全世界多语通信方面取得了巨大进展，但是仍有两个主要障 碍。首先，扩展的 ASCII 中额外可用的位模式数不足以容纳许多亚洲语言和一些东欧语言的字 母表。其次，因为一个特定文档只能在一个选定的标准中使用符号，所以无法支持包含不同语 种的语言文本的文档。实践证明，这两者都会严重妨碍其国际化使用。为弥补这一不足 ， Unicode 在一些主要软硬件厂商的合作下诞生了，并迅速赢得了计算机行业的支持。这种代码采用唯一 的16位模式来表示每一个符号。因此， Unicode 由65 536个不同的位模式组成足以表示用中 文、日文和希伯来文等语言书写的文本。 由一长串根据 ASCII 或 Unicode 编码的符号组成的文件常 称为文本文件 （text file )。 重要的是 要区别下面两类 文件： 一类是由称 为文本编辑器 （text editor ， 常简 称为编 辑器）的实用程序操 作的简单文本文件；一类是 由字处理程序 （word processor ), 如微软的 Word 产生的较复杂的文 件。两者都是由文本材料组成的，但是，文本文件只包含文本中各个字符的编码，而由字处理 程序产生的文件还包含许多专用格式码，用于表示字体变化、对齐信息等。 1.4.2 数值的表示 当所记录的信息只有数值时，以字符编码的形式存储信息效率就会很低^为了了解其中的 原因，让我们来看看数值25的存储问题。如果我们坚持用 ASCII 编码符号来存储，每个符号一 个字节，那么总共需要16个二进制位。此外，用16个二进制位可以存储的最大数是99。不过， 我们马上就可以看到，使用 二进制记数法 (binary notation ), 16个二进制位可以存储0〜65 535 范围内的任何一个整数。因此，二进制记数法（或它的变体）被广泛应用于计算机存储器中 数值数据的编码。 二进制记数法是一种数值表示方法，只使用数字0和1，区别于传统的使用数字0、1、2、3、 4、5、6、7、8和9的十进制记数系统。我们将在 L 5 节中更详细地学习二进制记数法，现在只需 要初步了解该系统。我们来考虑一种老式的汽车里程表，它的显示轮只包含数字0和1,而不是 传统的十进制数字0〜9。里程表以全0读数开始，当汽车行驶几英里时，最右方的滚动显示轮从 0旋转至 U 当这个1旋转回0时，就使得一个1出现在它的左边，因此产生模式10;接着右边的0 旋转为1，产生11;这时，最右边的数从1旋转回0,使得它左边的1也旋转回0,这就使另一个1 出现在第3位上，产生模式100。简言之，在我们驾驶汽车时将看到下列顺序的里程表 读数： 00 00 0001 1.4 用位模式表示信息 27 0010 0011 0100 0101 0110 01X1 1000 这个序列包括了整数0〜8的二进制表示。尽管有些冗长乏味，但是我们可以扩展这种计数 技术，用以发现16个1组成的位模式是可以表示数值65 535的，这就证实了我们的说法:0〜65 535 范围内的任何整数都可以利用16个二进制位进行编码。 由于它的高效性，数字信息通常以二进制记数法的某种形式存储，而不用符号编码。我们 称其为“二进制记数法的某种形式”，这是因为上面描述的简单二进制系统只是计算机里应用的 若干数值存储技术的基础。二进制系统的某些变体将在本章的后面讨论。现在我们只需要知道, 称 为二进制补码 （ two’s complement ) 记数法（见1,6节）的系统通常用于存储整数， 因为 它提供 了一种便利地表示负数和正数的方法。为了表示4丄和$这样带有分数部分的数，我们还要使 2 4 用一种称为浮点 （ floating - point ) 记数法的方法（见 1.7 节）。 1.4.3 像的表示 通常将图像表示为一组点，每一个点称为一个像素 （ pixel ， 是 picture element 的缩写），每 个像素的显示被编码，整个图像就表示成这些已编码像素的集合，这个集合被称为位图 （bit map )。 这种方法很常用，因为许多显示设备（如打印机和显示器）都是在像素的概念上进行操 作的。因此，位图格式的图像更便于显示。 在位图中的像素编码方式随着应用的不同而不同。对于黑白图像，每个像素由一个位表示， 位的值取决于相对应像素是黑还是白。大多数的传真机采用此方法。对于更加精致的黑白照片， 每个像素由一组位（通常是8个）表示，这就使得许多灰色阴影也可以表示出来。 就彩色图像而言，每个像素通过更为复杂的系统来编码。有两种方法很常用，我们称其中 一种为 RGB 编码，每个像素表示为3种颜色成分——红、绿、蓝，它们分别对应于光线的三原色。 一个字节通常用来表示每一个颜色成分的强度。因此，要表示原始图像中的一个单独像素，就 需要3个字节的存储空间。 一个较常用的可以替代简单 RGB 编码的方法采用一个“亮度”成分和两个颜色成分。这时 候，“亮度”成分（称为像素亮度）基本上就是红、绿、蓝部分的总和。（事实上，它是像素中 白光的数量，但是现在我们不需要考虑这些细节。）其他两种成分（称为蓝色度和红色度）分别 取决于在像素中所计算的像素亮度与蓝或红光数量之间的差。这3个成分合起来就包括了显示像 素所需的信息。 利用亮度和色度成分进行图像编码这种方式的普及源自彩色电视领域，因为这种方法提供 了可以同样兼容老式黑白电视接收器的彩色图像编码方式。事实上，只需要对彩色图像的亮度 成分编码就可以制造出图像的灰度形式。 位图技术的一个缺陷在于，图像不能轻易调节到任意大小。基本上，增大图像的唯一途径 就是变大像素，而这会使图像呈现颗粒状。（这就是应用于数码相机的“数字变焦”技术，与此 相对的“光学变焦”是通过调整相机镜头实现的。） 28 第 1 章数据存储 __ 为了避免缩放问题，表示图像时还可以把图像表示成几何结构的集合（如直线和曲线），这 些几何结构可以用解析几何技术来编码。这种描述允许最终显不图像的设备决定几何结构的显 示方式，而不是让设备再现特殊像素模式。这种方法被用在当今的字处理系统中，用于产生可 缩放的字体。例如 ， TrueType (由微软和苹果开发）是用几何结构描述文本符号的系统，而 PostScript (由 Adobe 系统开发）提供了 一 种描述字符及更一般的图形数据的方法。这种表不图 像的几何方法也在 CAD ( Computer-Aided Design , 计算机辅助设计）系统中很常见，用于在计 算机屏幕上显示和操控三维物体的绘制。 对使用许多绘图软件（如微软的绘图工具）的用户来说，用几何结构表示图像与用位图表 示图像之间的区别是明显的，这些绘图软件支持用户绘制的图中包含预先设定的形状（如矩形、 椭圆形、基本线条等）。用户仅从菜单中选择所需的几何形状，然后使用鼠标绘制这个形状。在 绘制过程中，软件保存了所画形状的几何描述。当鼠标给出方向后，内部的几何表示就被修改， 再转化成位图形式显示出来。这种方法方便图像的缩放和形状的改变。然而， 一 旦绘制过程完 成，就会去除基本的几何描述，仅保存位图，这意味着再做其他修改需要经历冗长的一个像素 接一个像素的修改过程。另外，一些绘图系统会将描述作为几何图形保存下来并允许在之后进 行修改。有了这些系统，就可以轻松地调整图形的大小，并可按各种尺寸显示清晰图像。 1.4.4 声音的表示 为了便于计算机存储和操作，对音频信息进行编码的最常用方法是，按有规律的时间间隔 对声波的振幅采样，并记录所得到的数值序列。例如，序列0、1.5、2.0、1.5、2.0、3.0、4.0、 3.0、0可以表示这样一种声波，即它的振幅先增大，然后经短暂的减小，再回升至较高的幅度， 接着又减回至0 (见图1-14)。这种技术采用每秒8000次的采样频率，已经在远程语音电话通信 中使用了许多年。通信一端的语音被编码为数字值，表示每秒8000次的声音振幅。接着将这些 数值通过通信线路传输到接收端，用来重现声音。 编码的声波 图 1_14 序列 0 、 1.5 、 2.0 、 1.5 、 2.0 、 3.0 、 4.0 、 3,0 、 0 所表示的声波 尽管每秒8000次的采样频率似乎是很快的速率，但它还是满足不了音乐录制的高保真。为 了实现今天音乐 CDS 现声音的质量，我们需要采用每秒44 100次的采样频率。每次采样得到的 数据以16位的形式表示出来 （32 位用于立体声录制）。因此，录制成立体声的每一秒音乐需要100 多万个存储位。 乐器数字化接口（简称 MIDI ) 是另外一种编码系统。它广泛应用于电子键盘的音乐合成器， 用来制作视频游戏的声音以及网站的辅助音效。 MIDI 是在合成器上编码产生音乐的指令，而不 *1.5 二进制系统 29 是对音乐本身进行编码，因此它避免了采样技术那样的大存储容量要求。更精确地说 ， MIDI 是对什么乐器演奏什么音符以及持续时间进行编码。例如，单簧管演奏 D 音符2秒钟，可以 编码为3个字节，而不必按照每秒44 100次的釆样频率用两百多万个二进制位来编码。 简言之，可以把 MIDI 看做是对演奏者乐谱编码的一种方法，而不是对演奏本身编码。因此， MIDI “录制”的音乐在不同合成器上演奏时声音可能是截然不同的。 (见附录屬 0110L001.. 1. 下面是 ASCII 编—的—条 _ 息，每个符号8位 。它 齡义是 fHM '. 0100 , 0,011 ono：im oiiioG^'a ■ oxh . oigi ,, 01100101 01 X 10&10 00100000 01010 ail 011 GG 011 oaiojoioi oiionaio 01100011 onooioi ■ •- • •••■;. •• •- • : -• • 4 丧 AS,cn 释中〆本亨字母码和相应小写宇毋码之间的芣系舉什么^ ( 见附录 a ')、 … 3. 用丄 SCH 她些捲句编 码:- 1 V : a : “ St 印!” Gheryl shoiuted . = 二 : 4. 描述一种技曰常生活中能參呈规两种状态 的# 备，例如旗杆上的旗 I | R , 或者弁起或者令降;给一种状 辛赋儐1,男—种赋为0。-后达我们看一: F :， 差以这样的位来存 鵠财， 字母 b 部 ASCJJ 妈舍怎样考 lilfcilsWWiiiiiiiilPi® a . 010-1 b . 1001 c , 1011 ; , d . 0110 .... e . 10000. £.10010 - 一 ■ ： a , 6 b . 13 c . 11 d . 18 e .27 f . 4 .. - 桌采用二进制编码，那么 x 能 赛寒关 的__.?: = 乂 :〆 8,崎十进制以外，另一种奉_位權赛，其，拜 模式 ( 12 表示 00 & 01100 字：.5' Jh •'. O ,：..：..^；：'：. : *•：! •>■•.;!：.：• ,>•.'•!：..：, - f , K ;;. !: 4 . 1 嚷觀 龙翱嫉 海 lil; ii l!:iii i!-'! .二 '丄人， ■ e . ii m • 6, io 工， _薄編?__!11 ::; ；；：V! ^：：.'：：.；： ：：：：r' r：^；： ：••••••• .：•：：•.；•, -:..:成 •!；ii；： 1 .?： •：：：•!：.：：；-：：：;!，?!： ：；^：： ; i；!'：!：；；!^ ; ：：..! !i；：；i； 'j!：-； !：：：i ： : ：..i :: ^-；：^： ：^!；k；..v^： ••: ,!,：.；•：•,• V：：：：：： :::: !：••：•：：： 七; …: •^：T.：：n：>：：：；!：.：：：^：； : _賴_|:_:【 ..i . '••I i ： i. /.ii . i：!i'；：；■；! ：i,： Ijj ：'：： 1 ! ：'；；!! rj ' l ' i '!- ! ；■：；. : i ：： -1! ： ; !：：N ： !i.'|: j i ：：； : ； Rj i ：：：；； M,! ： "' ： ; i 1 ：：. l: .： ： ! l: ' : ' ■- :i!：! : ：!i!M'： ：；.! :. 11 :i!. .;!;i ; hi M..._ I.V:. I.: 1 ::,.'..in *1.6 整数存储 数学家们长久以来就对数字记数系统很感兴趣，而且他们的许多想法已经被证明与数字电 路的设计是相符的。本节，我们将研究其中两种记数系统，二进制补码记数法和余码记数法。 它们都用于在计算设备中表示整数。这些系统都是基于二进制系统的，但是增加了些其他的特 性，因而与计算机设计更加匹配。尽管有这么多的优点，它们还是有缺陷的。我们的目标是了 .解这些特性以及它们是如何影响计算机用法的。 :::鮮顯細 t 米^^義藉系 .释， / 雜 ___ ，麵麵藝嘯麵 ■ 變 猶德麵遞麵誠_驅||1«^^_鏽.. .".. - ■ ■ ■_■ 一 .V - ■ ■ - - •_. ： - v ^ V ：： ■- •• ... : 1.6.1 二进制补码记数法 今天计算机表不整数最普遍的系统就 是二进制补码 （ two’s complement ) 记数法。这个系统 34 第 1 章数据存储 采用固定数目的二进制位来表示系统中的每一个数值。在今天的设备中，应用二进制补码系统 是很普遍的，其中每个数值用一个32位的模式表示。这种大系统方便表示很大范围的数字’但 对于教学不是很便利。因此，学习二进制补码系统的特性时，我们将把精力集中在比较小的系 统上。 图 1-21 列出了两种二进制补码系统——一种基于长度为3的位模式，另一种基于长度为4的 位模式。这种系统是这样构成的，即先规定适当长度的一组二进制0,接着用二进制计数，直到 只有一个0,其他都是1的模式形成。这些模式表示数值0, 1,2, 3 ，…。 表示负值的模式是这样获 得的，即先规定一组适当长度的二进制1，接着按照二进制反向计数，直到只有一个1，其他都 是0的模式形成。这些模式表不数值-1，-2，-3, …。 （如果你认为利用 一 进制反向计数有困难， 那么可以仅从表格底部，即只有一个1，其他都为0的模式开始，计数到全是1的模式。） (a) 使用长度为 3 的位模式 c 淑迦 '5 d ': 巧 二七 L -:- ： - ■ : ; ，■，，■，，$'，" ， v . ^ ■■ ■ v ： : :: Q . 姐二.卜^: - - ^ : r 人 v 、二 ，… ，，- ■二 ㈣ 讎「， -. 藏.'豕緣 分酶心，:) ■肤; . p _眞::：.鄉 ㈤ 穴' ，■織$觉嫌 K 热槪 v.; ■_漬.鷄種 :7:纖_攀罐纖 .☆i 姑轉 / ■ 玲:.讀釔 r 麵％敕 :㈣ f _ — 通 ㈣ ： 泛 :㈣ ..一 ..u in (b) 使用长度为 4 的位模式 图 1-21 二进制补码记数法系统 注意，在二进制补码系统中位模式最左边的二进制位指明所表示数值的符号。因此，最左 边的位常称为 符号位 (signbit ) o 在二进制补码系统中，符号位为1的模式表示负值，符号位为0 的模式表示非负值。 在二进制补码系统中，绝对值相同的正负数值之间的模式很相近，从右向左读时，直到第 一个二进制1,它们都是相同的。然后，以这个1为分界线，左面的位模式互为补码。（一个模式 的补码 （ complement ) 是通过转换所有的二进制0为1，并转换所有的二进制1为0得到的模式。） 例如，图 1-21 中的4位系统，表示2和 -2 的模式都是以10结束，但是表示2的模式开始为00,而表 示-2的模式开始为11。观察到这一点，我们就可以得出在绝对值相同的、表示正负值的位模式 之间转换的算法。我们只需要从右到左复制原始的模式直到第一个1，接着在将剩余位转换为最 终位模式时，对这些剩余位取反（图1-22)。 理解了二进制补码系统的这些基本特性，也可以得出一个二进制补码表示法的解码算法。 如果要解码的模式有一个符号位0,我们仅仅需要读出这个数值，就好像这个模式是一个二进制 表示。例如，0110表示数值6，因为110是6的二进制表示。如果要解码的模式有一个符号位1， 就知道表示的数值是负的，而我们所要做的就是找到其绝对值。为了实现这个目的，我们先要 利用图 1-22 中“复制及取反”的步骤，然后对获得的模式进行解码，就仿佛它只是一个简单的 二进制表示。例如，为了对模式1010解码，首先我们意识到，因为这个符号位是1，表示的数值 *1.6 整数存储 35 就是负的。因此，我们利用“复制及取反”步骤获得了模式0110,认识到这是6的二进制表示， 然后得出 结论： 原始的模式表示-6。 图 1-22 利用二进制补码记数法用 4 个位对数值 6 编码 1. 二进制补码记数法中的加法 我们采用二进制加法中使用的算法来计算二进制补码记数法中的数值相加，只是包括答案 的所有位模式长度都相同。这就意味着，在二进制补码系统的加法中，由于最后一个进位，答 案左边产生的任何一个附加位都要删除。因此，“加法运算”0101和0010得出0111, 0111和1011 得出0010 (0111+1011=10010, 缩减为0010)。 根据这个理解，我们来分析一下图 1-23 中的3个加法问题。每一个情况，我们都把问题转化 为二进制补码记数法（釆用长度为4的位模式），演示先前描述过的加法过程，然后对结果进行 解码，回到一般的十进制记数法。 图 1-23 转换为二进制补码记数法的加法问题 注意，图 1-23 的第3个问题涉及正值和负值的加法，它展示了二进制补码记数法的一个主要 优点： 任何带符号数字组合的加法都可以利用相同的算法，于是也就可以用相同的电路。这与 人们传统的计算法是截然相反的。尽管小学生先学加法，然后是减法，但是应用二进制补码记 数法的计算机只需知道加法就可以了。 例如，减法问题 7-5 与加法问题7+ (-5) 是一样的。因此，如果人们命令计算机执行7 ( 存 储为 0111) 减5 (存储为0101)，那么它首先要转换5为 -5 (表示为1011)，然后执行0111+1011 的加法过程，得到代表数值2的0010，如下 所示： 7 0111 0111 ^ 0101 -> + 1011 0010 4 2 因此我们可以看到，当二进制补码记数法用于表示数字值时，一个加法电路与一个取负电 36 第 1 章数据存储 路的组合就足以解决加法以及减法的问题了。（这些电路的图示及解释详见附录 B 。 ） 2. 溢出问题 我们在前面的例子中忽略了这样一个问题，就是在任意的一个二进制补码系统中，都有对所 表示数值大小的限制。当使用4位模式二进制补码时，可以表示的最大正整数是7,最小负整数是 -8。具体来说，数值9无法被表示出来，这就意味着我们不能指望得出5+4的正确答案。事实上， 它的结果会为-7。这种现象称 为溢出 （ overflow )。 也就是说，溢出指的是这样一个问题，即计算 得出的数值超出了可以表示的数值范围。使用二进制补码记数法时，两个正值或负值分别相加都 可能会出现这种情况。无论哪种情况，检查答案的符号位就可以发现溢出的条件。如果两个正值 相加的结果是负值的模式，或者两个负值相加的结果为正，那么就发生了溢出问题。 当然，使用二进制补码系统的大多数计算机的位模式都比例子中的长，因而在进行较大数 值操作时不会产生溢出。今天，人们普遍使用二进制补码记数法的32位模式来存储数值，可以 得到的最大正值是2 147 483 647。如果需要更大的数值，我们可以使用更长的位模式，或者改 变度量单位。例如，若在解答一个问题时用英尺代替英寸，所得数值就变小了，而且也可以达 到所要求的精确度。 关键问题是计算机会制造错误。因此，使用计算机的人一定要意识到可能涉及的危险。其 中一个问题就是，计算机程序员和使用者会自满而导致忽视一个事实，即小数值可以累加成大 数值。例如，人们过去普遍使用二进制补码记数法的16位模式表示数值，这就意味着出现大于 或等于2 15 =32 768的数值时就会产生溢出。1989年9月19日，一家医院多年来运行良好的计算机 出现了故障。仔细检查后发现，那天距1900年1月1日共32 768天，而计算机的程序正是基于那个 起始日期开始算日期的。因此，由于溢出原因，1989年9月19日 的日期产生了负值——设计计算机程序时没有考虑到这种现象。 1.6.2 余码记数法 表示整数值的另外一种方法是余码 记数法 ( excessnotation )。 与二进制补码记数法相同，余码记数法中的每一个数值都表示为 相同长度的位模式。为了建立一个余码系统，我们首先选择所使 用的模式的长度，然后根据二进制记数呈现的顺序写下那个长度 的所有位模式。接着我们发现，二进制1作为其最髙位的第一个模 式大约就在数列的中间。我们用这个模式表示0,其前的模式就分 别用于表不-2,-3,…，其后的模式分别用于表示1, 2, 3,…使 用长度为4的模式产生的编码见图1-24。我们可以看到，模式1101 表示数值5, 0011表示数值-5。（注意，余码系统和二进制补码系 统的区别就是符号位相反。) 顯_證!!麵_| 纖霉編 fa 荽灣纖 窮肇 _ ■編繼:舉 顧数 V 麵麵醒__ : :二壤|籍*編 喊零祕 ■ SS 攀 :簾, f 感顏 图 1-24 余8代码转换表 图 1-24 表示的系统称为余8记数法。为了了解其由来，首先我们 用传统二进制系统的编码翻译每一个模式，然后将其与余码记数法 表示的数值进行比较。对于每一个模式，你会发现二进制解释值比 余码记数法解释值都要大8。例如，模式1100用二进制记数法表示 为数值12,在余码系统中则表示4; 0000用二进制记数法表示为数 值0,但是在余码系统中则表示为-8。与此类似，在基于长度为5 的位模式的余码系统中，模式10000用于表示0而不是通常的数值 16，该记数法称为余16记数法。同样，你可以证明3位余码系统应 该称为余4记数法（图1-25)。 : 圓戀 翊参'纖■纖 :鐵嘛_攀鑛_獅 ::獅痛驗獅儒参 图 1-25 使用长度为3的位模 式的余码记数系统 问麵 _习 1. 将下面每一个二进制补码表示转换为相应的十 进制® 式。 a.' ; 0GO : 'll ，：: B, ： 01111 :: ■ c.lll'00 ■ d 11.010;; ' e. OOOOO' £-10MG :：， ' 2. 用 8 位位模式将下列每一个十进制表示转换为相应的二进制补码形式。 也6 b,-6 d. -17 d ： \P - 0. -1 f 0 3. 假定下列位模式表示的是用二进制补码记数法存储的数值，求出每一个值的负值的二进制补码表示。 a, 00:000001 b; : C.'llllllOO： d. 11111110 e. 00000000 f. 011.11111 处煆定一台机器裙玄 进制徘 码稱義鐘參储錐如_机器分别釆用下到长度 ii 傯糢式，那么可以存储的 最大数和最小数分别是什么？ a. 4 b. 6 c. 8 5. 在下列问题中，每个位模式表示一个用二迸制补码存储的数值。请执行文中所述的加法过程，按照二 :进制补码谒数法求坶 審働的 笞案。并将歸题巍答案转换为十进制记数法进行验证。 a. 0101 b. 0011 c. 0101 d. 1110 e. 1010 .:丰 0^0 IS .： + ：-,0Q：：Ql. .+、1.01:0 ■ ■+ 0:01,1 ■ +11X0 6. 计算下列由二进制补码记数法表示的问题，但这次要观察溢出问题，并指出嘟个 答案因 产生溢出而不 .IE 确？ ... a. 0100 b. 0101 c. 1010 d 1010 e. 0111 O^ll' ■*. ： '01I：0 ：■ + 10IQ ::. 十 ; + 00 ： G：1 ' .」—一 •.. 7. 将下列问题从十进制记数法转换为长度为 4 的位模式的二进制补码记数法，然后将每一个问题转换成 ; f 个相座 的加法问题（如 计算細 的做減） ，:屬 后执行加法。将求得插答案转换为十雄制圮数法以进行 -证。 这_ 6 b . 3 c. 4 d. 2 e. 1 — (― 1) — 2 一 6 (一 4) — 5 •二进制补妈记雜祛課，。广个 Ig 數和一 个翕_ 相雜 时会产 生猶输 吗?请说明_:由 6. 9. 备下面每一个余8码表示#换为相应的十进制形式（解题时木要看文中的表格）。 a. mo .b.,0111 c. looo ,； ： ： ， : d., ooio :: e. ： ; ； om.o ： . ： ,， ： . ： 10. 将下列的每一个十进制表示转换为相应的余8码形式（解题时不要看女中的表格）。 a. 5 b. -5 q . 3 d. 0 e. 7 f. -8 11 . 数值 9 可以用余 8 铯數法 表_?用余 4 记数袪表示 6 昵？请谠明理由。 *1-7 小数的存储 不同于整数存储，对于包括小数部分的数值，我们不仅要存储代表其二进制表示的0和1, 还有其小数点的位置。一种流行的方法是基于科学记数法的，称 为浮点 ( floating - point ) 记数法。 1.7.1 浮点记数法 让我们以只用一个字节存储的例子来解释浮点记数法。尽管计算机通常使用更长的模式， 这种8位格式也可以表示实际的系统，既可以表示重要的概念，又避免了长字节的混乱。 首先我们要规定这个字节的高位端为符号位。再次说明，符号位中的二进制0代表存储的数 值为非负，1代表数值 为负。 接着，我们将这个字节剩余的7个位分为2组，或称其 为域： 指数域 (exponent field ) 和 尾数域 （mantissa field )。 我们规定符号位右边的3个位为指数域，余下的4个 38 第 1 章数据存储 位为尾数域。图 1-26 描述了如何拆分字节。 我们可以借助下面的例子解释这些域的含义。假如一 个字节由位模式01101011组成。利用前面的形式分析这个 模式，可以看出符号位是0,指数是110,尾数是1011。为 了对这个字节解码，我们首先要求解它的尾数，并在它的 左边放置一个小数点，于是得到 .1011 ^ 接着，我们求解指数域 (110) 的内容，并将其解释为一个用3位余码方法（见图 1-25) 存 储的整数。因此，我们所举例子的指数域模式表示正数2。这就要求我们将上面所得结果的小数 点向右移动2位。（负指数域就意味着向左移动小数点。）因此，我们可以得到 10.11 这就是2的二进制表示。接着，我们看到例子中的符号位是0,因此表示的数值是非负。可以 4 得出 结论： 字节01101011表示2^。如果模式是11101011 (除了符号位都与之前相同），表示的 4 数值就将为_2上。 4 再看一个例子，字节001111⑻。求尾数后得到 .1100 然后将小数点向左移动一位。指数域 （ oil ) 表示数值-1，因此得到 .01100 这表示3/8。因为原始模式中的符号位是0,所以存储的数值是非负。我们得岀 结论： 模式00111100 表示3/8。 -位的位置 尾数 指数 符号位 图 1 - 26 浮点记数法成分 用浮点记数法存储数值，我们要颠倒前面的过程。例如，为了对编码，我们首先要将其 O 用二进制记数法表示，得到1.001。接着，我们要从左到右将其位模式复制到尾数域，要从二进 制表示的最左边的1开始。此时，这个字节 如下： __ 1 0 0 1 我们现在必须填充指数域 D 为了达到这个目的，假定尾数域的左边有一个小数点，然后规 定位的数量以及小数点移动的方向，以此得到原始的二进制数字。我们在例子中可以看到， .1001 中的小数点要向右移动一位才能得到1.001，指数因此为正，所以我们将101 (在余4记数法中表 示为正1,见图 1-25) 置于指数域。最后，因为存储的数值是非负的，我们用0填充符号位。完 成的字节 如下： 0101100.1 当填充尾数域时，你可能会漏掉一个微妙的细节，这个规则是从左至右复制以二进制表示 的位模式，并要从最左边的1开始。为阐述清楚，让我们考虑一下存储数值 I 的过程，它用二进 制记数法表示为.011。这时，其尾数为 *1.7 小数的存储 39 而不会是 _ 0 110 这是因为我们是从二进制表示最左边的1开始填充尾数域。遵循这个规则的表示称为规范 化形式 (normalized form ) 。 使用规范化形式减少了同一数值多种表示的可能性。例如，00111100和01000110都可以解 码成 i ， 但是只有第一个模式才是规范化形式。遵循规范化形式也意味着，所有非0数值的表示 都会有一个以1开始的尾数。不过，数值0是一个特例，它的浮点表示就是全部为0的位模式。 1.7.2 截断误差 如果要利用1字节浮点记数法存储数值那么让我们考虑因此会出现的恼人问题。我们 8 首先用二进制写得到 10.10 U 但是，当把这个模式复制到尾数域时，我们就用尽了空间， O 最右边的1 (表示最后的 1) 因此丢失了（图1-27)。如果现在忽视这个问题，继续填充指数域 O 和符号位，那么我们最后得到的位模式将为01101010,它表示的是21，而不是这个现象 2 8 称为截 断误差 （truncation error ) 或舍 入误差 （ round-off error )。 这就意味着，由于尾数域空间 不够大，存储的部分数值丢失了。 原始表不 X 0 V i 01二进制表示 I ■1 '0. 原始位模式 1 :: % r i 0 1 0 r ~ ~ r~~ ~ ■ I ―― 丟失的位 尾数 指数 符号位 图 1-27 数值2#的编码过程 8 使用较长的尾数域可以减少这种误差的发生。事实上，今天生产的大多数计算机都至少采 用32位存储浮点记数法表示的数值，而不是我们在本书中采用的8位。这同时使得指数域也更长。 不过，即使有这样较长的格式，有时候还是需要更高的精确度。 截断误差的另外一个来源就是在十进制记数法中比较常见的一个现象，即无穷展开式问题， 例如发生在我们用十进制形式表示1/3的时候。无论我们用多少位数字，有一些数值都不能被精 确地表示出来。传统的十进制记数法与二进制记数法区别在于，二进制记数法中有无穷展开式 的数值多于十进制。例如，数值1/10表示为二进制时为无穷展开式。想象一下，一个粗心的人 用浮点记数法存储和处理美元与美分时会产生什么样的问题？尤其是，如果美元被用作度量单 40 第 1 章数据存储 位，那么一角就不能被精确地存储。其中一个解决方式就是，以分为单位处理数据，这样所有 的数值就都是整数，都可以用诸如二进制补码这样的方法精确存储。 .. .. . _ 1.7 节介绍的浮点表示法过于简单，不能用于实际的计算机中。毕竟，在全部实际数字中， 这一表示法的8位只能表示其中256个数。我们在讨论中使用了8位模式来保持示例的简单性， 但依然涵盖了重要的基本概念' 用:8位表示指数（键用超碑表示法），用23位表示尾数。因此，竽:精灰浮点袭多肴7位:十邊制肴 效数字，可以表示极大的数（数量级为10 38 )直至极小的数（数量级为10$)。也就是说，给 定一个十进制数，可以非常精确地存储7位十进制有效數字，但仍 有可 能存-在少量 i 襄攀）。前7 位之后的数字一定会因截断误差去失，但歎字的近似隹会被保留下来。另^种形式赢64位的 砵精度浮4数，最多有15 位有敢 數字。 截断误差和与之相关的问题是工作在数值分析领域的人们每天都很关注的问题。这个数学 分支研究的是执行大规模、高精度有效计算所涉及的问题。 下面的例子可以激起任何一位数值分析家的兴趣。假设我们要应用前面定义的1字节浮点记 数法来做这3个数值的 加法： ^111 2 —+_+— 2 8 8 如果我们按照上述顺序加数值，首先就是加上得到2^，二进制表示为10.101。遗憾的 是，因为这个数值不能被精确地存储（如同前面所看到的），我们第一步的结果最后被存储为21 2 (与其中一个加数相同）。下一步是把这个结果再加到最后的1上。截断误差在这里再一次出现 8 了，最后的结果是错误的2丄。 2 现在让我们以相反的顺序来加这些 数值： 首先将 i 加到得到丄，其二进制表示为.01。 8 8 4 因此，第一步的结果在一个字节里被存储为00111000,这是精确的。然后，我们将这个丄加到 4 数列中的下一个数值2丄，得到2$，我们可以将其在一个字节里精确地存储为01101011。这次 2 4 的答案是正确的。 总而言之，在浮点记数法表示的数字值加法中，它们相加的顺序很重要。问题是，如果一 个大数字加上一个小数字，那么小数字就可能被截断。因此，多个数值相加的一般规则是先相 加小数字，这是为了将它们累计成一个大数字（通过加到更大的数值上）。这就是前面例子中反 映的现象。 今天商用软件包的设计师们在这方面做得很好，他们使没有经过培训的使用者也能很好地 避免这种问题的发生。在一个典型的电子制表软件系统中，除非相加的各个数值大小差别达到 10 ]6 或更多，否则所得结果都是正确的。因此，如果你认为有必要对数值 10 , 000 , 000 , 000 , 000,000 加1，那么你会得到 答案: *1.8 数据压缩 41 10 , 000 , 000 , 000 , 000,000 而不是： 10 , 000 , 000 , 000 , 000,001 这样的问题在一些应用中是很严重的（例如导航系统），小误差可能在加法运算中累加，最终产 生严重的后果。但是，对于一般的 PC 使用者，大多数商用软件提供的精确度己经足够了。 ::.箱攤 ' ...... ... ： : . 1. 用文中所述的浮点格式对下列泣模式进行解妈。 a . 01001010 01.101.101 ； c . QQ 111 G 01 d . 11 Olid 00 e . 10101011 2 . 将下列數憧编麵女举 ㈣ 速的 齅点# a ， 截断读差的出现情磁。「 a _ 2 ! b . 4 d . — 3 — 4, 2 ——8 釓:粮擴 Sc 中所 述衝浮点格式，禱武和:祕111101申梛一个表示的懂更夭?售逨工神摘陡#个模 式表示的值更大的简单过程。 4. 使用文中所述的樣点格式时，两以表示韵最大值是什么？可以表示的最 小正値 是什么:? I _ . 1 1 •: : i : : • • '■ • • ..... 费 m ‘ L ' - 7. 说出把数字信息、图像和声音编码为位模式时一种常见的麻烦规拿。 *1_9 通信差错 __ 当信息在计算机的各部分之间来回传输，或在月球和地球之间来回传输，又或者只是被保 存在存储器中，最终检索到的位模式有可能和最原始的不一致。灰尘粒、磁盘表面的油脂或者 一 个出了故障的电路都可能使数据被错误地记录或读取。传输过程的静电干扰可能会损坏一部 分数据。另外，在某些技术条件下普通的隐蔽放射线可以改变计算机主存储器中的存储模式。 为了解决这样的问题，人们幵发了许多编码技术来检测甚至校正错误。今天，由于这些技术被 大规模地内置于计算机系统的内部构件，计算机使用者并不了解它们。不过，它们是很重要的，为 科学研究作出了很大的贡献。因此，我们有必要了解一些使计算机设备可靠的技术。 1.9.1 奇偶校验位 一 种简单的错误检测方法基于下面的原则，即如果被操作的每个位模式都有奇数个1，但却 找到了有偶数个1的模式，那么一定是出错了。使用这个原则，我们需要这样一个编码系统，其 中每个模式有奇数个1。这是很容易做到的，首先在编码系统已经可用的模式（也许在高位端） 上添加一位，称 为奇偶校验位 （ paritybit )。 在任何情况下，我们给这个新的位赋值1或0,这样 整个模式就有奇数个1。一旦我们这样调整了编码系统，有偶数个1的模式就表示出现了错误， 被操作的模式也是不正确的。 图 1-28 向我们展示了如何将奇偶校验位加到字母 A 和 F 的 ASCII 码上。注意， A 的编码变成了 101000001 (奇偶校验位为1)， F 的 ASCII 码变成了001000110 (奇偶校验位为0)。尽管 A 原始的8 位模式有偶数个1， F 原始的8位模式有奇数个1，但它们的9位模式都有奇数个1。如果将这种技 术应用于所有的8位 ASCII 模式，我们就能够得到一个9位编码系统，其中任何一个9位模式有偶 数个1就表明出错了。 奇偶校验位 奇偶校验位 整个位模式含有奇数个1 整个位模式含有奇数个1 图 1-28 适用奇校验的字母 A 和 F 的 ASCII 码 上面描述的奇偶校验系统 称为奇校验， 因 为我们 设计的系统使得每一个正确的模式都有奇 数个1。另一种技术 称为偶校验。 在一个偶校验系统中，每个模式都被设计成包含偶数个1，因 此如果出现了奇数个1，那么就表明有错误。 今天，在计算机主存储器中使用奇偶校验位已经不是一件稀奇的事了。尽管我们假设这些 计算机存储单元是8位的，但事实上，它们可能是9位，其中一个位被用作奇偶校验位。每次传 输一个8位模式给存储电路存储，电路都会给其加上一个校验位，存储结果为9位模式。在后来 符号 代码: D M :po:go ： op- ____華議 ^ pi - ooia - ^oiirad- -- lOOl-lGK : 101001 . 11,0103； ： 图 1-29 —个纠错码 图 1-30 用图 1-29 的编码对模式010100解妈 46 第 1 章数据 存储， _ 检索模式时，电路检验这个9位模式的奇偶性。如果这样没有发现错误，存储器就移走校验位， 然后自信地返回余下的8位模式。否则，存储器返回那8个数据位，并警告返回的模式可能与原 本传给存储器的模式不同。 直接使用校验位很简单，但是有其局限性。如果一个模式最初有奇数个1，并出现了2次错 误，那么它就仍然有奇数个1，这样校验系统就无法发现其错误。事实上，直接使用校验位不能 发现模式中任何偶数个错误。 有时对长位模式应用一种方法来减少这类问题，例如磁盘扇区存储的位串。这种情况下， 模式都有一组校验位构成的校验字节 ( checkbyte ) 0 校验字节中的每一个位是一个校验位*与散 布于整个模式中的一组特殊位相联系。例如，一个校验位可能与该模式中从第一个位起的每个 第8位相关联，而另一个与该模^^中从第二位起的每个第8位相关联。这样，集中在原模式某个 区域中的一组差错就很可能被发现，因为它会在一些校验位的范围内。这个校验字节概念的演变 引出了称为校验和 （ checksum ) 及 CRC (Cyclic Redundancy Check , 循环冗余校验）的差错检测 方案。 1.9.2 纠错编码 虽然使用校验位可以发现差错，但是它不能提供纠正那个差错所需的信息。难怪设计出既 能够发现差错又能纠正差错的 纠错码 （ error-correcting code ) 会令很多人感到惊讶。毕竟直觉告 诉我们，如果不知道信息的内容就无法纠正接收信息中的错误，但图 1-29 给我们展示了一个具 有这样纠错特性的编码。 为了明白这个编码是如何运作的，我们先定义汉 明距离 （Hamming distance ,根据 R . W . Hamming 的姓氏命名，由于在20世纪40年代继电器可靠性方面备受挫折，他开始开创性地研究 起纠错码来）。两个位模式之间的汉明距离指的是这两个模式中不相同位的个数。例如，图 1-29 编码中表示 A 和 B 模式的汉明距离是4,而 B 和 C 间的汉明模式是3。图 1-29 编码中最重要的特征是， 任何两个模式之间的汉明距离至少是3。 如果用图 1-29 的模式修改单个位，就会发现错误，因为它的结果不会是一个合法的模式 。（我 们至少要将每个模式改变3个位，这样它们才会像另外一个合法模式。）而且，我们能够指出原 始模式是什么。毕竟，修改过的模式和其原始形式的汉明距离是1，而和其他任何合法模式的汉 明距离至少是2。 因此，对最初用图 1-29 编码的信息解码，我们只需要对比接收模式和用此编码表示的模式， 直到我们找到一个和接收模式之间的汉明距离是1的模式为止。我们将其视为正确的符号进行 解码。例如，我们接收到位模式010100,然后将其与用编码表示的模式相比，我们就会获得 图 1-30 中所示的表格。因此，我们得出结论，传输的字符一定是 D , 因为这是最接近的匹配。 小离 最距 与-离 式距， 的，间 到±: 收砰 接：编 S 麗»一：！：：齡1 一一霊 (eMl 一 K ' l : 售 式 模 的 I 接 O b o o o o Q ; o:p tD o 5纖嫌嫌一 1 * 1 o 码： 0 OVZ---H O-Gl'lo^— oi 1 0 2 0 oi, ora''-Q,l.l o 1 p— JBmlsj — :;;^'^: . Q Q 1:1 oo--l;i 0 字 c de - fg-h 复习题 47 可以发现，使用图 1-29 的编码技术，每个模式我们可最多检测出2个错误并改正1个。如果 我们能设计出这样一种编码，每个模式和其他任何模式之间的汉明距离都至少是5,每个模式我 们就将最多发现4个错误，并最多改正2个。当然，设计一种具有长汉明距离的编码不是一件简 单的事。事实上，它是称为代数编码理论的数学分支的一部分，这个理论是线性代数和矩阵理 论的子领域。 纠错技术被广泛用于增加计算设备的可靠性。例如，它们经常被用于高容量磁盘驱动器， 以减少因磁盘表面瑕疵而损坏数据的可能性。此外，最初用于音频的 CD 格式与后来用于计算机 数据存储的格式之间的主要差别是纠错的程度。 CD - DA 格式包括的纠错特点使得错误率减少到 2张 CD 只有1个错误。这对视频录制足够了，但是对于用 CD 向客户交付软件的公司，若50%的 磁盘有瑕疵是令人无法忍受的。因此，人们将附加的纠错特征用在 CD 中来存储数据，使产生错 误的可能性减少到20 000个磁盘1个错误。 ■ 问_与細 L 卞面的字节最初是用奇校验編码的 & 找出出错的一个， :,, a. lo'oioiloi ''b!c iDO'O'O.&dpi ,c.- ； 0'(),0"0.,d^ ， 0 ; '0 l 0 i " ^..lll'oooo^'o ' .'.e.'Oaiililll 1 2 •问题 1 中没发现错误的字节述会有错误吗？解释原因。、 3. 匆果将奇校验換成偶較验，那么问辱1 和傅题 2的答案又将如 何?、 - 4. 用带奇校验的 _ cn 碍对这些胥句^在每二个字符编码 的歸位 端加一个榱验位。_ b . Does 2+3=5? / ■ 5. : 用獨 1 邊的销鶴对南面的誠解篆 、 ''. a . ooixai 100100 0 Q 11 G &- : .T ..來 :: fly . : ..... :;: ；： ；.. ••：； ； •； i •： ：i : :、:. 1 ;:.:i . i .: :: J ; v _ v ._ i . i _. .義.. .::.：•：：：：；. _ i 麵1 '： ；| ： •：!• •!. ! .1.:!! .. I ::. .... ，.： _.l ..... I | :!.!:「 乂 . :. . ... g. oiioio iioiio aooaoo; .011100. 一 . 1 l 1 … -- . 乂. - . _1 : - •• ■- . ‘ ：： ... 6 -用长度为 5 的位模式，为字參、 B ( C 和 D 建造编码，俥得任何商个模式之间的汉明臟至少是3。 . I ，■咕; 11 丨■■:峨明脱 賊) 〒海命:现 Ml . ' o ,.>, : >1 : ..別说 I 1 *% 如取」柳卩奶邮你挪(知赵 _ r 级-叫.奶 虹饰 _ 啦..: 你: Vl ^ :々 ..:l I ..I ..: v ; w ::久 ； 复习题 (带*的题目涉及选读小节的内容。） 1. 假设上面输入为1下面输入为0,请确定下面每 一个电路的输出值。如果上面输入为0，下面 输入为1呢？ > > > ■> 2. a . 下面这个电路用来完成什么布尔运算‘ 输入> 输入> ■{>- -> 输出 b . 下面这个电路用来完成什么布尔运算 a . \ 1 J 1 E > - 输入〉 > — — 输入 > b . > — n > *3. a . 输出 路，我们会发现它有一个额外的输入端， 称为反向器 （ flip ) 。当反向器的输入从0 变成1时，输出将翻转状态（如果原来是0， 现在就是1，反之亦然）。但是，当翻转输 入从1变为0时，什么都不会发生。虽然我 们可能不知道电路完成这一行为所需的细 节，但仍然能够在其他电路中将这一设备 48 第 1 章数据存储 作为一个抽象工具来使用。请考虑使用下面 两个触发器的电路。如果在电路的输入端发 送一个脉冲，下面的那个触发器将变换状 态。但是，另一个触发器不会改变，因为其 输入（这一输入是从非门的输出接收到的） 从1变成了0。因此，这一电路现在的输出为 0和1。在电路输入端发送第二个脉冲将翻转 两个触发器的状态，并产生输出1和0。如果 在电路输入端发送第三个脉冲，将会产生什 么输出呢？发送第四个脉冲呢？ 按照这个存储安排，遵循下列指令，记录下这 些存储单元的最后内容。 地址 内容 00 AB 01 53 02 D 6 03 02 步骤1:将地址为03的单元的内容移动到地址 为00的单元中。 步骤2:将数值01送到地址为02的单元。 步骤 3: 将存储在地址01中的数值移动到地址 为03的单元。 6. 如果每个单元地址用2个十六进制数字表示， 那么一台计算机的主存储器中可以有多少个 单元？如果用4个十六进制数字呢？ 7. 什么位模式可以用下面的十六进制记数法表 示？ a . CD b . 67 c . 9 A d . FF e . 10 b . 通常有必要协调一台计算机中不同组件的 活动。只需将脉冲信号（称为时钟）连接到 类似 a 中的电路即可。额外的门（如图所示) 将以协同的方式发送信号到其他连接的电 路。研究这一电路时，你将能够确认这样一 个事实，即在第一次、第五次、第九次（依 次类推）时钟脉冲下，输出端 A 将发送1。 哪些时钟脉冲将使输出端 B 发送1?哪些时 钟脉冲将使输出端 C 发送1?第四次时钟脉 冲时，哪个输出端为1? 输出 A 输出 C 4. 假设下面电路的两个输入都是1。请描述如果 上面输出暂时变为0，会发生什么？如果下面 输入暂时变为0，又会发生什么？用与非门重 新绘制这个电路。 5. 下面表格表示的是计算机主存储器某些单元 的地址和内容（釆用十六进制记数法）。首先 8. 下面十六进制记数法表不的位模式中，最尚有 效位的数值是什么？ a . 8 F b . FF c . 6 F d . IF 9. 用十六进制记数法表示下面的位模式。 a . 101000001010 b . 110001111011 c . 000010111110 10. 假设一个数码相机的存储容量是256 MB 。 如 果每个像素需要3个字节的存储空间，而且一 张照片包括每行1024像素及每列1024像素，那 么这台数码相机可以存多少张照片？ 11. 假设一张图片以1024列及768行像素的矩形形 式显示在计算机屏幕上。如果对于每个像素需 要8位来对颜色编码，并用另外8位对亮度编 码，那么整幅图片需要多少字节的存储单元？ 12. a . 指出主存储器优于磁盘存储的两个优点。 b . 指出磁盘存储优于主存储器的两个优点。 13. 假设个人计算机上 120 GB 的硬盘只剩下 50 GB 是空闲的，那么用 CD 备份硬盘上的资料是否 合理?用 DVD 呢？ 14. 如果磁盘的每一个扇区包含1024个字节，那么 如果每个字符用 Unicode 表示，存储一页文本 (如50行，每行100个字符）需要多少扇区？ 15. 用 ASCII 码，每页3500个字符，存储一本400 页的小说需要多少字节的存储空间？如果用 Unicode 又需要多少字节？ 16. —个硬盘驱动器每秒钟转360转，那么它的等 待时间是多少？ 复习题 49 17. 如果一个硬盘驱动器每秒转360转，寻道时间 是 10 ms ， 那么它的平均存取时间是多少？ 18. 如果一个打字员每天24小时打字，每分钟打60 个字，那么这个打字员要多久能填满容量是 640 MB 的 CD ? 假定一个单词是5个字符，每 个字符需要1个字节的存储空间。 19. 下面是用 ASCII 编码的信息。内容是什么？ 01010111 01101000 01100001 01110100 00100000 01100100 01101111 01100101 01110011 00100000 01101001 01110100 十进制表示。 a. 01111 b. 10100 c. 01100 d. 10000 e. 10110 *31. 将下面的每个十进制表示转换成相应的二进 制补码表示，其中每个值用 7 位表示。 a. 13 b ■—13 c. -1 do e. 16 *32. 假定下面这些位串都是用二进制补码记数法 表示的值，执行下面这些加法运算。辨别哪一 个由于溢出而答案不正确。 a. 00101 b. 11111 c. 01111 +01000 +00001 +00001 00100000 01110011 01100001 01111001 00111111 20. 下面信息使用 ASCII 编码，每个字符一个字 节，并用十六进制记数法表示出来。内容是 什么？ 68657861646563696 D 616 C 21. 用 ASCII 对下面的句子编码，每个字符一 字节。 a . Does 100/5^20? b . The total cost is $7.25. 22. 将前面问题的答案用十六进制记数法表示 出来。 23. 列出整数8〜18的二进制表示。 24. a . 分别用 ASCII 码表示2和3，写出数字23。 b . 用二进制表示写出数字23。 25. 什么值的二进制表示只有一个位为1?列出具 有这个特性的最小的6个值的二进制表示。 * 26 . 将下面的每个二进制表示转换成相应的十进 制表不。 a. 1111 b. 0001 C. 10101 d. 1000 e. 10011 f. 000000 g. 1001 h. 10001 i. 100001 j, 11001 k. 11010 1. 11011 *27. 将下面每个十进制表示转换成相应的二进制 表不。 a . 7 b , 11 c . 16 d . 17 e . 31 *28. 将下面的每一个余 16 表示转换成相应的十进 制表 a . 10 0 01 b . 10101 c . 01101 d . 01111 e . 11111 *29. 将下面的每一个十进制表示转换成相应的余 4 表示。 a . 0 b . 3 c . — 2 d •—1 e . 2 *30. 将下面的每个二进制补码表示转换成相应的 d. 10111 e. 11111 f. 00111 +11010 +11111 +01100 *33. 解答下面的每个问 题:将 这些值翻译成二进制 补码记数法（用 5 位模式)，转换任何一个减法 运算为相应的加法运算并执行。将所得答案转 换成十进制记数法进行验证。（观察溢出现象。） a . 5 b , 5 c . 12 + 1 - 1 -5 d . 8 e . 12 f . 5 」 +5 -11 *34. 将下面的每个二进制表示转换成相应的十进 制表示。 a . 11.11 b . 100 . 0101 c . 0.1101 d . 1.0 e . 10.01 *35. 用二进制记数法表示下面每个值。 a . 5^ b . 15— c . 5 I 4 16 d . 1 一 e . 6 — *36 .用图 1-26 所示的浮点格式对下面的位模式解 a. 01011001 b. 11001000 c. 10101100 d. 00111001 *37. 用图 1-26 所示的 8 位浮点格式对下面的值编 码。指出出现截断误差的每个情形。 a . b . 2 e . - 3 ^ 31 e . —— 32 *38. 假定你不受使用标准化格式的限制，用图 1-26 所示的浮点格式列出所有可以表示数值 I 的 位模式。 *39 ■用图 1-26 所示的8位浮点格式，求可以表示的 最近似于2的平方根的值。如果计算机利用这 50 第 1 章数据存储 一 浮点格式对这个数做平方，实际得到的值 是什么？ *40. 用图 1-26 所示的8位浮点格式可以表示的最近 似于&的数值。 *41. 当米制系统的度量用浮点记数法记录时，解释 为什么会产生误差？例如，若 110 cm 用米制单 元记录情况会怎样？ *42. 位模式01011和11011表示同一个值，一个用余 16记数法存储，另外一个用二进制补码记数法 存储。 a . 共周表示的这个值是什么？ b . 同一个值分别用二进制补码记数法和余码 记数法存储，并且这两个系统采用相同的 位模式长度，那么表示此值的这两种模式 是一种什么关系？ *43. 3个位模式 10000010、01101000和00000010表 示同一个值，分别是采用二进制补码记数法， 余码记数法和图 1-26 所示的8位浮点格式，但 并不是必须按照上面顺序 一一 对应。那么它们 共同表示的值是什么？哪个模式对应哪个记 数法？ *44. 在下面的值中，哪一个不能用图 1-26 所示的浮 点格式精确地表示出来？ 6 - 2 b . 13 16 d . \ 1 _ 32 ^5 16 *45. 用二进制表示整数的位串长度由4变成6,那么 能够表示的最大整数值会发生什么变化？用 二进制补码记数法又将如何呢？ *46. —个存储器容量是4 MB ， 每个单元可以存储1 字节，那么其最大地址的十六制表示是什么？ *47. 使用 LZW 压缩，并且最初的字典是 X 、少和一 个空格（如 1.8 节所述 ）， 那么下面的信息如何 *48 .下面信息使用 LZW 压缩，其字典的第〗、2和3 个条目分别是 x 、 y 和空格。解压缩这条 信息： 22123113431213536 *49. 如果信息 xxy yyx xxy xxyy 用 LZW 压缩，最初字典的第1、2和3个条目分 别是 X 、_^和空格。那么最后的字典条目是什 么？ *50 .我们将在下一章学到，通过传统电话系统传 输位的一种方法是，首先将位模式转换成声 音，通过电话线传输声音，接着再将声音转 换成位模式。这种技术的传输速率最多可达 57.6 Kbit / s 。那么如果视频釆用 MPEG 压缩， 这是否能满足远程会议的需要？ *51 .使用 ASCII 码对下面的句子编码，并使用偶校 验。在每个字符编码的高位端添加一个校验位。 a . Does 100/5=20? b . The total cost is $7.25. *52. 下面信息的每一个短位串，最初都是用奇校验 传输的。那么哪一个位串绝对出现了差错？ 11001 11011 10110 00000 11111 10001 10101 00100 01110 *53. 假如一个24位的编码是这样产 生的： 复制3个符 号连续的 ASCII 编码，并用它们表示每个符号 (例如，符号 A 用位串010000010100000101000001 表示）。这个新编码有哪些纠错特性？ *54. 用图 1-30 的纠错码对下面的词语解码。 a . 111010 110110 b . 101000 100110 001100 C. 011101000110000000 010100 d . 010010 001000 001110 101111 000000 110111 100110 编码? e . 010011 000000 101001 100110 社会问— 下面的问题有助于分析一些与计算领域相关的伦理、社会和法律问题。回答出这些问题还 不够，还应该考虑为什么这样回答，以及你的判断是否对每个问题都标准如一。 1. 某个截断错误出现在一个关键时刻，.引起了巨大的损失和人身伤亡。如果有人需要对此 负责，那么是谁？是硬件设计者，软件设计者，编写那段程序的程序员，还是决定在那 个特定应用中使用这个软件的人？如果最初设计这个软件的公司已经修正过这个软件， 但是用户还没有购买这个升级版就用于这个关键应用中，又将如何？如果这个软件是盗 版的，又将如何？ 课外阅读 51 2. 一个人幵发的应用忽略了截断错误的可能性及它们的后果，这是可以接受的吗？ 3. 如果在20世纪70年代只用2个数字开发表示年的软件（例如用76表示1976年），而忽@了 这个软件在即将到来的世纪之交会失效，这符合伦理道德吗？若今天只用3个数字表示年 (例如用982表示1982，用015表示 2015) 又是否符合伦理呢？如果只用4个数字呢？ 4. 许多人认为，对信息进行编码经常会削弱或歪曲该信息，因为这实质上迫使信息必须被 量化。他们认为，若一份调查问卷每题给出了5个等级，并要求回答者按照此标准表达意 见，那这份问卷本身就是无效的。信息可以量化到什么程度？垃圾处理场选址的利弊可 以量化吗？关于核能源及核废料的辩论是可量化的吗？将结论建立于平均值和其他统计 分析上的做法危险吗？如果新闻通讯社在报导调查结果时不使用问题的准确措词，这合 乎道德吗？能够量化一个人的生命值吗？假设一个公司要停止对一个产品改进的投资， 尽管知道附加投资可以减少产品使用的危险性，这合理吗？ 5. 在收集和散发数据的权利上，是否根据数据的形式有所差别？也就是说，收集和散发照 片、音频或者视频的权利是否与收集和散发文本一样？ 6. 无论有意还是无意，记者的报道通常反映了自己的倾向。通常只要改几个词语，一篇报 道就可能被赋予正面或负面的含义。（比 较： “大多数被调查的人都反对公民投票权”，“被 调查人中有相当一部分支持公民投票权”。）修改一篇报道（回避某些观点或者仔细选词) 和修改一张照片有区别吗？ 7-假设用数据压缩系统后导致一些微小但很重要的信息丢失了。这会产生什么样的责任问 题？怎么解决？ 课外阅读 Drew ， M . and Z . Li . Fundamentals of Multimedia. Upper Saddle River , NJ : Prentice - Hall , 2004. Halsall , F . Multimedia Communications. Boston , MA : Addison - Wesley , 2001. Hamacher , V . C . 5 Z . G . Vranesic , and S . G . Zaky . Computer Organization ， 5 th ed . New York : McGraw - Hill , 2002. Knuth , D . E . The Art of Computer Programming, vol . 2, 3 rd ed . Boston , MA : Addison - Wesley , 1998. Long , B . Complete Digital Photography, 3 rd ed . Hingham , MA : Charles River Media , 2005. Miano , J . Compressed Image File Formats ‘ New York : ACM Press ，1999_ Petzold , C . CODE: The Hidden Language of Computer Hardware and Software. Redman , WA : Microsoft Press , 2000. Salomon , D . Data Compression: The Complete Refemce^ 4 th ed . New York : Springer , 2007. Sayood , K . Introduction to Data Compression, 3 rd ed , San Francisco : Morgan Kaufinann , 2005. 数据操控 t 章学习计算机如何操控数据以及如何与外围设备（如打印机和键盘）通信。为此， 我们将研究计算机体系结构的基础知识，学习计算机是如何利用称为机器语言指令 的编码指令来进行编程工作的。 本章内容 2.1 计算机振系結构 ' 2.2 机器语言 2.3 程序执行 *2.4 算不 / 逻袢指令 与其他设备遠信 在第1章中，我们学习了有关计算机数据存储的主题，本章将介绍计算机如何操控这些数据， 其内容包括数据在不同位置间的移动，以及诸如算术计算、文本编辑和图像处理等的操作。首 先我们要了解除数据存储系统之外的计算机体系结构。 广:迎咖扣◊.哑◊.亚视现斤 g 切卽卿踩:: :: 娜」::闽? 盱秘 k a 2.1 计算机体系结构 ___ 计算机中控制数据操控的电路称为 CPU (Central Processing Unit , 中央处理器，通常简称为 处理器）。在20世纪中期， CPU 属于大部件，由若干机架中的电子线路组成，这也反映了该部件 的重要性。不过，科技进步已经极大地缩小了这些部件。今天， PC 机和笔记本电脑中的 CPU 都是 很小的正方形薄片（大约都只有 2 X 2 英寸），它们的引脚插在计算机主电路板[称 为主板 ( motherboard )] 的插座上。在智能手机、小型笔记本电脑和其他 MID (Mobile IntemetDevice ， 移 动因特网设备）上， CPU 大约是邮票的一半大小。由于它们的尺寸比较小，这些处理器被称作微 处理器 （ microprocessor )。 2.1.1 CPU 基础知识 CPU 由3部分构成（图 2-1): 算术/逻辑单元 （aritbmeticAogic unit )， 它包含在数据上执行运 算（如加法和减法）的 电路； 控制单元 （control unit )， 它包含协调机器活动的 电路； 寄存器单 元 （ registerunit ), 它包含称为 寄存器 （ register ) 的数据存储单元（与主存单元相似），用作 CPU 内部的信息临时存储。 寄存器单元中的一些寄存器被看成 是通用寄存器 ( general-purpose register ) ,而其他一些则 被看成 是专用寄存器 ( special-purpose register ) „我们将在 2.3 节讨论一些专用寄存器，现在我们 只关注通用寄存器。 *2.6 其他体系结构, 复习题 1 社会问题 诔外阅读 从存储器中取出一个要加的值放入一个寄存器中 D 从存储器中取出另一个要加的值放入另一个寄存器中。 激活加法电路，以步骤1和2所用的寄存器作为输入，用另一个寄存器存放相加的结果。 将结果存入存储器。 停止。 图 2-2 王存储器中的值相加 2.1.2 存储程序概念 早期计算机不是很灵活，每个设备所执行的步骤都被内置于控制单元中，作为计算机的一 部分。为了增加其灵活性，早期电子计算机的设计使得 CPU 可以方便地重新布线。其灵活性通 过插拔装置体现，类似于老式的电话交换台上把跳线的端子插到接线孔中。 认识到一个程序可以像数据一样进行编码并存储在主存储器中，这是一个突破性进展（但 是将其归功于约翰•冯•诺依曼显然是不正确的）。如果控制单元可以从存储器中读取程序、将 指令解码并执行它们，那么机器要遵照执行的程序就可以被修改，这只需要改变计算机存储器 中的内容而不必对 CPU 进行重新布线。 2.1 计算机体系结构 53 CPU 主存储器 餘逻 辑单元 控制单元 图 2-1 通过总线连接的 CPU 和主存储器 通用寄存器用于临时存储 CPU 正在操控的数据。这些寄存器存储算术/逻辑单元电路的输入 值以及该部件所产生的结果。为了操作存储在主存储器中的数据，控制单元要把存储器里的数 据传送到通用寄存器，通知算术/逻辑单元由哪些寄存器保存了这一数据，激活算术/逻辑单元中 的有关电路，并告知算术/逻辑单元哪个寄存器将接收结果。 为了传输位模式，计算机 CPU 和主存储器通过一组称为总线 （ bus ， 图 2-1) 的线路进行连 接。利用总线， CPU 给出相关存储单元的地址以及相应的电信号（告知存储器电路，将在指定 单元中获取数据），从主存储器中取（读）出数据，同理， CPU 可以向主存储器中放入（写入） 数据，方法是提供目的单元地址和一起写入的数据以及适当的电信号（告知主存储器，将要储 存发送给它的数据）。 基于此设计，将存储在主存储器中的两个值相加的任务不仅仅涉及执行加法运算。数据必 须先从主存储器传输到 CPU 的寄存器中，值相加后，把结果放置在寄存器中，然后再把结果存 储到主存单元中。整个过程被总结成如图 2-2 所示的5个步骤。 ______ I-! □ : ，口 ：：： '："I ": ；'"I • ...... ...ui，、.... ' ' ' S' • •••••• r 吕 总线 I_I 寄存器 骤骤骤骤骤 步步步步步 54 第 2 章数据操控 将计算机存储设备与其对应功能进行比较是很有启发性的。寄辱義两于存储可立即进行 运算的数据，主存储器用于存储即将使用的 数据， 海量存储器用于存储最近也许不会使用的 数据。许多计算机设计增加了一个附加的存储器层次，称为高速缓斤每餺聲、高速缓冲存储 器 (cache memory ) 是位于 CPU 内部的高速存储器的一部分（也许有及茸 KB :)。 在这个特殊 的存储区域中，计算机试图保存主存储器中当前最重要的那部分内容的一个副本。这样，通 常要在寄存器与主存储器之间进行的数擔传输将变成寄存器与高速缓冲存储器之间的数据传 输 9 因此，高速缓冲存储器中的任何改变都会在恰当时间被一^传输给主存储器。于是 ， GPU 可以较快地执行它的机器周期，因为它不会被与主存储器的通信所延迟： 广:.货# i 适洁 ::邊 •濟「:君.::芬.茲::: .VI. V. •； : .L .V. X-.. w] . cr r - ' sr-i - r r 一 s . t .一 v .—一.一一 ........ /：y : :■.夂 , 心 4 通 ㈣ 海鶴樣闘.綱 将某项发明的荣誉授手个乂辱是爷受争议 A 人们将白炽灯的发明归功于托马岬 • 愛遴生 ( Thomas Bdison ), 僞奉其坪知卑： 员也, 曾所制^編 坪典， 私某种韋义上说，爱迪^只是班 ： 鍊4运地 获得了 专利。人如木‘是莱特 （ WrigM ) 1 克聲 是明 1 的飞机、但他们曾与其他人堯爭 ; 并*益于 其他人的研究，，在 桌种程 度上，他们又被达芬♦抢先 1 了，他羊在15世纪就有士疏玩 飞行机葬的想法。甚至达芬奇的设计看起来也是假借前人的思想。当然对于这些发明，被 认定的发明人还是有权拥有被授予的荣誉的。但对于其他一些情况， 历 史上的有些荣誉授予 似乎是系拾:当的，例如存错程序的概念。毫无疑问，约翰 •冯. 诺依曼 4 fohji von Neumann ) 是一位卓 越的科 学家，理应为自己的许多贡献获得荣誉。但是，历史选择授予他荣誉的贡献 是存储程參換念，但这一思想很显然是忐宾夕法尼亚大学莫尔电子玉程夢院以埃克特 （ J . R Eckert ) 为首的研究人员提出的.约翰•冯 • 诺依曼不过是第一个在著作中转迷这一思想的 人，因此计算机界选择他作为发明人。 将计算机程序存储在主存储器中的思想称为存储程序概念 （ stored-program concept ) ， 它已经 成为今天所使用的标准方法。最初的困难源于人们将程序和数据视为不同的 实体： 数据存储在存 储器中，而程序为 CPU 的一部分。于是就成了 “只见树木，不见森林”的一个最好实例。人们很 容易被老一套所束缚，如果今天仍不了解这一点，那么计算机科学的发展也许还会裹足不前。的 确，科学中令人兴奋的部分是，新的思想不断为新的理论和新的应用开启大门。 问齡 騎 1. 梅_算机中一个存储眷元的:内容移到另一个存储单元 ，你 认为需要哪些事件序列？ 2, 刺__个值写入存 储单宛 中，:那么 CMJ 賛愛提供给主存储器电路什么信息？ : 3；；審聾赛樓齬卜羞畚祕_ 以及通 用奢存器鄺是¥储赛统。.它们在用 Si 有什么不同？ ! 卜 ...：i ' r ：； ..：. . . : .. .. 丨 . ，: M i. : : “ :; :; . : r.：' i， -- : ：i ：■=■：■. ■: . 4 ;..」■.. ■: :.: : .-.杂::.-.:々:.：二.-.. -：；■ :;. - ■：■ : ■；；, .. .I : . : 〜.. : . :: . : ..〜. : ..心似. 2.2 机器语言 为了应用存储程序概念， CPU 被设计成可以识别二进制模式编码的指令。这组指令以及编 码系统统称为机 器语言 （machine language )。 使用此语言表达的指令称为机器级指令，更多人 称其为机 器指令 Cmachine instruction ) Q 2.2.1 指令系统 一 个典型 CPU 必须能够解码及执行的机器指令列表非常短。实际上，一旦计算机能够实现 2.2 机器语言 55 某些基本但适当的任务，那么添加再多的特性也不会增加该计算机理论上的能力。换句话说， 超过某个特定点之后，附加的特性也许能够增加诸如便利性等能力，但是不能增加该计算机的 基本能力。 在设计计算机时，该事实将被利用到何种程度导致了两种 CPU 体系结构的出现。 一 方面是 CPU 只需要执行最小的机器指令集，因此产生了 RISC (Reduced Instruction Set Computer , 精简指 令集计算机）。 RISC 的支持者认为，这样设计的计算机效率高、速度快，而且制造起来较便宜。 另一方面，另外一些人则认为 CPU 应能够执行大量复杂的指令，尽管许多在技术上是多余的， 因此产生了 CISC (Complex Instruction Set Computer , 复杂指令集计算机）。 CISC 的支持者认为, CPU 越复杂越容易应对今天日益增加的软件复杂性。通过 CISC ， 程序可以利用一组功能强大的 丰富的指令集，其中很多指令所能实现的任务需要 RISC 设计中的一个多指令序列才能实现。 20世纪90年代至21世纪，市场上有售的 CISC 和 RISC 处理器在积极争抢桌面计算领域。用于 个人计算机中的英特尔处理器是 CISC 体系结构的代表，而 PowerPC 处理器（由苹果、 IBM 和摩托 罗拉公司联合开发）是 RISC 体系结构的代表，被用于苹果 Macintosh 中。随着时间的推移 ， CISC 的制造成本大大降低了，因此英特尔的处理器（或 AMD 公司的处理器）现已几乎遍及台式机和笔 记本电脑，甚至苹果公司生产的计算机也开始使用英特尔公司的产品。 虽然 CISC 在台式计算机领域站稳了脚跟，但其电耗非常大。与此相反, ARM(Advanced RISC Machine ) 公司专门针对低电耗设计了一种 RISC 体系节构。 （ ARM 的前身是 Acorn 计算机公司， 现在是 ARM Holdings 。） 因此， ARM 处理器（由多个供应商制造，包括髙通和德州仪器）已出 现在游戏控制器、数字电视、导航系统、汽车部件、移动电话、智能手机和其他消费性电子产 品中。 不管选择 RISC 还是 CISC ， 机器指令可以分为3 类： （1) 数据传 输类； （2) 算术/逻辑 类； （3) 控制类。 1. 数据传输类 数据传输类指令包含请求在各个位置之间传输数据的指令，图 2-2 中的步骤1、2和4都属于 这一类。需要注意的是，使用传输 （ transfer ) 或移动 （ move ) 来标识这组指令实际上是用词不 恰当的。因为传输的数据很少被从原始位置檫除。执行传输指令的过程更像是复制数据而不是 移动数据，因此，复制 （ copy ) 或克隆 （ clone ) 能更好地描述这组指令的活动。 关于术语，我们应注意到，提到 CTU 与主存储器之间数据的传输时，有专门的术语。用存 储单元的内容填充通用寄存器的请求通常称为 LOAD (加载） 指令； 相反，将寄存器中内容传 输给存储单元的请求称为 STORE (存储）指令。在图 2-2 中，步骤1和2是 LOAD 指令，步骤4是 STORE 指令。 在数据传输类中有这样一组重要的指令，即与 CPU - 主存储器环境之外的设备（打印机、键 盘、显示器以及磁盘驱动器等）通信的指令。这些指令处理该机器的输入/输出活动 0/0), 因 此被称为 I/O 指令， 且有时因为其特别而被单独归为一类。另一方面， 2.5 节将介绍这些 I / O 活动 如何利用与请求在 CPU 及主存储器之间传输数据同样的指令来完成操作。因此，我们将 I / O 指令 归入数据传输类指令。 2. 算术/逻辑类 算术/逻辑类指令告诉控制单元请求在算术/逻辑单元内实现一个活动。图 2-2 中的步骤3属于 这一类。正如其名称所示，算术/逻辑单元还能够执行基本算术运算之外的运算。在这些附加的 运算中，就有第1章中介绍的布尔运算与、或和异或，本章后面将进一步讲解。 大多数算术/逻辑单元中可以用另外一组运算进行寄存器中内容的左右移动。这些运算称为 移位 （ SHIFT ) 运算或循环移位 （ ROTATE ) 运算，前者丢弃一端“移出的位”，而后者将它们 放到另一端留出的空位上。 56 第 2 章数据操控 把存储器中的一个值加载到一个寄存器中。 把存储器中的另一个值加载到另一个寄存器。 如果第二个值为0,那么转移到步骤6。 第一个寄存器中的值除以第二个寄存器的值，结果留在第三个寄存器中。 把第三个寄存器的值存储到存 储器。 停止。 图 2-3 存储器中数值的除法运算 2.2.2 — 种演示用的机器语言 现在让我们来分析一台典型的计算机的指令是如何编码的。我们用于讨论的计算机在附录 C 中描述，其体系结构见图24。它有16个通用寄存器，256个主存储器单元，每个存储单元容量 为8位。为了便于参考，我们将寄存器标号为数值0〜15,把存储单元的地址编为数值0〜255。为 方便起见，我们将这些标号及地址看做以二进制表示的数值，并使用十六进制记数法压缩它们 的位模式。于是，寄存器标号为0〜 F ， 存储单元的地址为00〜 FF 。 CPU 主存储器 图 2-4 附录 C 描述的计算机的体系结构 机器指令编码形式包括两部分，即 操作码 （operation code ， 缩写为 op - code ) 字段和 操作数 ( operand ) 字段。操作码字段中的位模式指明该指令要求的是什么基本运算，如 STORE 、 SHIFT 、 X 0 R 和 JUMP 等。操作数字段中的位模式提供操作码指定运算的更详细信息。以 STORE 操作为 例，其操作数字段中的信息指示哪个寄存器包含将被存储的数据，哪个存储单元用于接收该 数据。 我们演示用的计算机（见附录 C ) 的整个机器语言只包含12条基本指令。每条指令都用16位 编码，由4个十六进制数字表示（见图2-5)。每条指令的操作码由前4位组成，等价于第一个十 六进制数字。注意（见附录 C ), 这些操作码用十六进制数字1〜 C 表示。特别是，附录 C 中的表说 明以十六进制数字3起始的指令表示 STORE 指令，以十六进制 A 起始的指令表示 ROTATE 指令。 3. 控制类 控制类指令包含指导程序执行而非数据操作的指令。图 2-2 中的步骤5属于此类，但它是一 个很初级的例子。这一类包括计算机指令系统中许多比较有趣的指令，例如 JUMP (转移）或 BRANCH (分支）系列指令用于指示 CPU 执行非列表中下一条指令的指令。转移指令有两种， 即 无条件转移 （ unconditionaljump ) 和条件转移 ( conditionaljump ) 0 前者的例子如“跳转到步 骤5”，后者的例子如“如果所得数值为0,跳转到步骤5”。两者的区别是，只有满足某个条件时， 条件转移才会引起“地点改变”。举例说明，图 2-3 中的指令序列是表示两个数值相除的算法， 其中步骤3是条件转移，用以防止除数为0。 &K. ^K. 0K. 頭弱撰 邏骚骑 」1\ - 二\ 二\ 二\ iK 一 7 2.2 机器语言 57 ,先了:筒化文唯的解夢，本章杀 W 所用的机諸#嘗（在轉_中有 辦球 ㉔ ■械有栺令都 使用 了固定 的大小 （ 2 个字节）。因此，为界得一个推令， au 蓐裏 f 秦&索棘连繹存赌单元 絝内:蓉，¥▲给其器加1这_贯了敢指令器的特性' 爲:雨？:对于 asc ^-：_^ 畢译言， 指令长 度可变 d 例如:，令天均赛___器措♦长疼有大 省 W 、， 小的只螓1孛籴，來妗 要彡个 字节，这取决于该指令的确切 ㈤ 用这样^语言的 ,(5?11根#鵠令捧#码參—定所引入指令的|长渡 |1 。 ; 也 就是说 ;_. : C ? U 首^取指本的操作:鸠;然后 基于收到的位模式得知，要得到佘下的指令还需要从存储器中取多少字节。_ / 操作码 操作数 ~ I I 1 QQ 11 01.1 1010 0111实际的位模式 （16 位） 3 5 A 7 十六进制形式 （4 个数字） 图 2-5 —条指令的组成（附录 C 描述的计算机） 在我们演示用的计算机中，每条指令的操作数字段由3个十六进制数字 （12 位）组成，在每 种情况下对操作码给定的通用指令做了进一步澄清 （ HALT 指令除外，因为它不需要进一步的规 定）。例如（见图2-6)，如果一条指令的第一个十六进制数字为3 (存储寄存器中内容的操作码）， 那么该指令的下一个十六进制数字则指出哪个寄存器中的内容需要存储，而最后的两个十六进 制数字则指出由哪个存储单元接收该数据。因此，指令 35 A 7 (十六进制数）是指“将第5寄存 器中的位模式存储 ( STORE ) 到地址为 A 7 的存储单元”。（注意使用十六进制记数法是如何简化 我们的讨论的。事实上，指令 35 A 7 是指位模式0011010110100111。） 指令 f 德 $■ ::羞 7 SSSHlSii 寄 \ 操作数的这部分标识接收 个存储单元中 \ 数据的存储单元的地 1 址 操作数的这部分标识哪 个寄存器的值需要存储 图 2-6 指令 35 A 7 的译码 (对于主存储器容量为什么以2的幂为度量单位，指令 35 A 7 同样提供了一个明晰的例子。因 为该指令保留8位用于指定该指令所用的存储单元，所以能够准确地引用2 8 个不同的存储单元。 因此我们需要用这么多存储单元构建1个主存储器——地址从0〜255。如果主存储器有更多的存 储单元，我们就不能够写出指令以区别 它们； 如果主存储器的存储单元比较少，我们写出的指 令就可能引用不存在的存储单元。） 再举一个例子说明操作数字段如何阐明操作码给定的通用指令。我们来考虑一个操作码为7 (十六进制数）的指令，它请求将两个寄存器的内容进行 OR (或）运算。（在 2.4 节中，我们会 知道两个寄存器的“或”运算意味着什么。现在我们感兴趣的只是指令是如何译码的。）在这种 情况下，下一个十六进制数字将指示存放运算结果的寄存器，而操作数最后两个十六进制数字 58 第 2 章数据操控 指示要对哪两个寄存器进行“或”运算。因此。指令 70 C 5 指的是“将寄存器 C 和寄存器5的内容 进行‘或’运算，并将结果存入寄存器0”。 ^ 我们所讲的机器的两条 LOAD 指令存在细微的差别。这里，操作码1 (十六进制）表示将某 一存储单元内容载入寄存器的指令，操作码2 (十六进制数）表示一个指令把一个特定的值加载 到寄存器。它们的差别在于，第一种类型的指令操作数字段包含1个地址，第二种指令的操作数 字段包含了 一个要载入的实际位模式。 注意，该机器有两条 ADD (加法）指令，一条用于二进制补码记数法表示的数值相加 ，一 个用于浮点记数法表示的数值相加。把它们区分幵来的原因是，这两种加法在算术/逻辑单元内 部有不同的实现步骤。 我们用图 2-7 结束本节，图 2-7 把图 2-2 中的指令编码为机器语言。我们已经假定，相加的数值以 二进制补码记数法形式存储在存储地址 6 C 和 6 D 中，其相加的结果存放在地址为 6 E 的存储单元里。 指令编码 翻 译 156 C 把地址为 6 C 的存储单元里的位模式载入寄存器5 166 D 把地址为 6 D 的存储单元里的位模式载入寄存器6 5056 把寄存器5和6的内容按二进制补码表示相加，结果存入寄存器0 306 E 把寄存器0的内容存放到地址为 6 E 的存储单元中 C 000 停止 问题与练习 图 2-7 图 2-2 中指令的编码形式 1- 对乎数据在计算机不同位置之间 移勒的 操作，使用“移 ST ( move ) 这=术语为什么是用词不当？ 2. __中， JUMP « 春是通 过给出目的地袭称（或步骤号）的方法来表示的 X 例如“跳到_6” ） 。 _方法的缺点是，如果一个指令名称％或步骤号）后_改变了，那么必须寻找所有转移10该指令的 _ ip 指令，并改变这些 jump 指令中的目的地。请另卉设计一种_11^辑令的方法，#得不需要 [3 /指令“如果 :0 麵 $0, 那杳 棘 到步骤 7” 盛无条件转移述是条件转移?为存么; 4. 用实际的缶模式编写图17 中的 示例輕序。 ： : ： ’ ：： 5. 下_令是用附录 C 描述的机器语言編写:的。请用:自然谱言解释这些指聲:^ a . j 6 ^A b . BADE c . 803 C d . 40 F 4 - 6. 在附录 C 描述的机器邊言里 r 指令 154 B 和 25 AB 有什么区别？ / 7. T 興是用自然谣言描述的一些指令. 讀把 它们翻译为附藥 C 中描述的机遍语言。 纪. 千六进制数德 兑装入 （ LOAD ) 春器3 中。 b . 将寄存器5循环 （ ROTATE ) 右移3:位。 c . 对寄存器 A 和寄存器5执行与 ( AND ) 操怍，并将其绪果存入寄存器0丰。 2.3 程序执行 计算机总是按照需要把存储器里的指令复制到 CPU 中来执行存储器中的程序。一旦指令到 达 CPU ， 每个指令就会被解码及执行。从存储器中取指令的顺序与这些指令存储在存储器中的 顺序相对应，除非被 JUMP 指令更改。 为了理解整个执行过程如何进行，我们有必要仔细了解一下 CPU 内部的2个专用寄存器 ，指 令寄存器 ( instructionregister ) 和程序计数器 (program counter ) (见图2~4)。指令寄存器用于存 2.3 程序执行 59 储正在执行的指令；程序计数器包含下一个待执行指令的地址，因此它用于以机器方式跟踪程 序执行到了什么地方。 CPU 通过不断重复执行一个算法来完成工作，该算法引导它完成一个称为机 器周期 (machine cycle ) 的三步处理。该机器周期的3个步骡分别为取指、译码和执行（图2-8)。在取指 步骤， CPU 根据程序计数器指定的地址，请求主存储器给它提供存放在该地址的指令。因为我 们的计算机的每一条指令长度为2个字节，所以取指过程需要从主存储器中读取2个存储单元的 内容。 CPU 将从存储器中读取的指令存放在指令寄存器中，然后将程序计数器的值加2,使得程 序计数器包含下一条要执行的指令的存储单元地址。这时，程序计数器为下一次取指做好了准备。 图 2-8 机器周期 对指令寄存器中的位模式 进行译码 购买个人电 脑时邇 常用时钟速度来比较计算机 D 针算机 的时钟 Uioek ) 是一个称 为据讀 譜的电蹲，生成用于协调计算机活动的脉冲一该振荡. : 器 ，电路 麥成脉冲 哉味， ' 则机器 周期的 执行速度也越快。时钟速度以赫兹（缩写为 Hz ) 为单位， 1 H 5 湘当于每秒1个周期（或脉冲）。 台式计算机比较典型的时钟周期是几百 MHz (较老的型号)到爲 GHz v (MHz 是 megahem 的 缩写， 1MHz=10 6 Mz, GHz 是 gigahertz 的缩写， 1 GHz=1000 MHz。） 1 不同，的 CPU 设计在一个时#廟期直完啟的 工作量 是不#的:,典 矣比棱 具有 不同; CPU 的计算板时，单单此较时钟速度没有太太的意;义。釦果你在比较两台计算机，一台基于英特 尔处理器， 一 台基于 ARMA 理器，那么 采用基淮测试 （ benchmark) 来进行比较则更有意义。 暴准测试是指，在比聲不巧计算机_让它们执行 同样巧 程序 （# 为基 准)，然后比辑它们坤性 通过选择代表不 同类型 雇对的 it 就能够从这些比较对各矣市场有意义的4窠。: 由于指令现在已经存入了指令寄存器， CPU 对该指令译码，其中包括根据该指令的操作码 将操作数字段分解为适当的部分。 然后， CPU 激活相应电路以执行指令，完成所请求的任务。例如，如果该指令是从存储器 中加载， CPU 将给主存储器发送相应信号，等待其发送数据，再将数据存入要求的寄存器；如 果该指令是算术运算， CPU 将激活算术/逻辑单元中相应的电路，并将正确的寄存器作为输入， 等待算术/逻辑单元计算结果并^结果存入相应的寄存器。 一 旦指令寄存器中的指令执行完毕， CPU 又将从取指步骡开始下一个机器周期。注意，由于 60 第 2 章数据操控 程序计数器在前一个取指步骤的最后已经增加了值，所以它再次为 CPU 提供了正确的指令地址。 JUMP 指令的执行比较特殊。例如，指令 B 258 (见图 2-9) 的含义是“如果寄存器2的内容与 寄存器0的内容相同，则跳转到地址为58 (十六进制）的指令”。此时，该机器周期的执行步骤 首先是比较寄存器2和寄存器0。如果它们包括不同的位模式，那么执行步骤结束，并开始下一 个机器周期。不过，如果这两个寄存器内容相同，那么机器在执行此步骡时要将数值58 (十六 进制）存入程序计数器里。在这种情况下，下一个读取指令步骤发现程序计数器值为58,于是 该地址的指令将为下一条被读取和执行的指令。 注意，如果该指令为 B 058, 那么该程序计数器是否需要更改取决于寄存器0和寄存器0的内 容是否相同。但是，它们是相同的寄存器，因此必然有相同的内容。于是，无论寄存器0的内容 是什么，形式为 BOXY 的指令都将使程序跳转至存储位置 XY 并执行。 指令七 B 气 操作码 B 表示，如果指定的 寄存器的内容与寄存器0的 内容相同，那么改变程序计 数器的值 5 另 操作数的这一部分是要放 在程序计数器中的地址 操作数的这部分指示要与 寄存器0进行比较的寄存器 图 2-9 指令 B258 的译码 2-3.1 程序执行的一个例子 让我们从机器周期的角度看图 2-7 的程序是如何执行的。该程序从主存储器中取出两个值， 计算它们的和，并将结果存储在一个主存储单元里。首先，我们需要将该程序存放在存储器的 某个地方。对于这个例子，假设该程序存放在从 A 0 (十六进制）开始的连续地址中。在按照这 种方法存放好该程序后，要执行这个程序只需要把该程序的第一条指令的地址 （ A 0) 存放在程 序计数器中并开启机器（见图2-10)。 程序计数器包含第 一条指令的地址 CPU 主存储器 I :懲 程序 W 数器 1 剀 总线 地址 单元 A0 A1 程序被存放 A2 as _ 在从 AO 开始 A3 … \ 的主存储器 地址里 A4 ! 50 A5 fss j A6 iES ] A : 7 .. /' A8 1 co ~： A9 j o cn _ 图 2-10 图 2-7 中的程序被存储在主存储器中并准备执行 2.3 程序执行 61 CPU 开始机器周期的取指步骤，该步骤把存放在地址 A 0 的指令从主存储器中取出，并将该 指令 (1560 放入指令寄存器里（图 2- lla )。 注意， 在我们的计算机里指令的长度为16位 （2 个字 节）。 于是，要读取的整个指令占用了存储单元2个地址，即 A 0 和 Al 。 CPU 的设计考虑到了 这点，使得取指时能够读两个存储单元的内容，并将获得的位模式存放在长度为16位的指令寄 存器中。接着， CPU 给程序计数器加2,使得该寄存器包含下一条指令的地址（图 2- llb )。 在第 一个机器周期的取指步骤结束时，程序计数器和指令寄存器包含下列的 数据： 程序计数器： A 2 指令寄存器： 156 C cpu 主存储器 单兀 ； " ; i6d ( a ) 取指步骤开始时，从存储器中取出从地址 A 0 开始的指令，放在指令寄存器中 CPU 主存储器 程序计数器 mm 地址 单元 总线 _ [ : is! j 指令寄存器 A1 i§C^j A2 麵 . . .：： .I:,, A3 :. n... … 漏 . ( b ) 然后增加程序计数器的值，使它指向下一条指令 图 2-11 执行机器周期的读取步骤 ^然后， CPU 要分析指令寄存器中的指令，并得出 结论： 它要把地址为 6 C 的存储单元的内容 加载到寄存器5中。该加载工作是在机器周期的执行步骤完成的，接着 CPU 开始下一个机器周期。 这个周期首先要从以地址 A 2 开始的2个存储单元中取指令 166 D 。 CPU 要将此指令存入指令 寄存器，并将程序计数器增加为 A 4。 因此，此时的程序计数器和指令寄存器中的值 如下： 程序计数器： A 4 指令寄存器： 166 D 现在， CPU 对指令 166 D 进行译码，确定它要将地址为 6 D 的存储单元的内容加载到寄存器6, 然后执行该指令。这时候，寄存器6才真正加载了数据。 因为该程序计数器现在的值是 A 4, 所以 CRJ 从这个地址开始取下一条指令。于是，指令5056 被放入指令寄存器，程序计数器增加为 A 6。 现在， CPU 对指令寄存器的内容进行译码，然后激 活二进制补码加法电路，以寄存器5和寄存器6作为输入执行加法运算。 在该执行步骤中，算术/逻辑单元执行所请求的加法运算，将结果存入寄存器0 (如控制单 元所要求的那样），然后向控制单元报告它已经完成了任务。然后 CPU 开始另一个机器周期，再 一 次借助程序计数器，从以地址 A 6 开始的2个存储单元中取下一条指令 （306 E )， 然后将程序计 62 第 2 章数据操控 数器增加到 A 8, 接着译码并执行该指令。此时，和已经被放在了存储单元 6 E 中。 下一条指令从存储单元 A 8 开始读取，同时程序计数器被增加到 AA 。 指令寄存器 （ C 000) 的内容现在被译码为停止指令。因此，机器在该机器周期的执行步骤停止，程序完成。 概括地说，如果我们遵照程序详细的指令列表，那么一个存放在存储器里的程序的执行过 程就如同你我都可以做的那样。我们可以通过标记指令来确定执行到的位置，而 CPU 则利用程 序计数器来确定执行到的位置。在确定下一步要执行什么指令后，我们需要读该指令并分析它 的含义，然后实现所请求的任务并返回到指令的列表，为下一条指令做准备。同样，计算机执 行指令寄存器中的指令，然后从另一个取指步骤开始继续进行。 2.3.2 程序与数据 许多程序可以同时存储在计算机的主存储器里，只要它们的地址不同。开启计算机时运行 哪个程序可以通过适当地设置程序计数器来决定。 然而，我们必须 记住： 数据也存储在主存储器中，也用0和1来编码，所以计算机自己无法 知道哪是数据，哪是程序。如果程序计数器被赋予了数据的地址而非所希望的程序的地址，那 么在没有更好选择的情况下，该 CPU 会像取指令一样读取此数据的位模式并执行。最终的结果 取决于该数据。 然而，我们不应该就此得出结论，以为将程序和数据以相同的形式存入计算机的存储器是 错误的。事实上，这已经被证明是一个有用的特性，因为它使得某一个程序可以操控其他程序 (甚至是自己），就像它可以操控数据一样。由此可以设想有这样的一个程序，它可以根据其与 环境的交互自我修正，因此展现了它的学习 能力； 亦或者有这样一个程序，它可以编写及执行 其他程序，以解决它所遇到的问题。 问题与练京： • — - - • • .•- — .. . ... — . 一 . . - ■ -• ... _ .. 一 . _ . . - - - ••- .._••• .... - - .. • • • • •• - • •- : — 1•假设在附录 C 描述的计算机中，从地_恥||1 離的着褚单 元中包含下列（卡方迸聯-位 模式: ... — . - « 圓 \ _ 圓圓 ■■圓 地址 -内容 - 00 / 14 , - ： ■ 01 02 02 34 03 ；/ 17 04 C0 05 00 如果启动计算机时，程序计数華被设为 00, 那么读计算机停止时，地址为 17 ( 十六进制 .） 的存储单元 里会有什么样的 & 模 式？， . 1 V' ■ ' ,: M "' : ■； I ；；；；,； ^ 假墀在附录 C 描 述的计 算机十，，林喊址 B 0 到埤的存傅单筘屮包含下邦 （ 十六进制）位 模式: 地址 内"容' : ：：：：'：： ::'::X ；：..：. i ：,；： i ：'；| .. |：..'| i ： : :. i . ! i .: *2.4 算术 / 逻辑指令 63 如果启动计算机时程序计数器含有值 F 0, 当到达地址为 F 8 的指令肘，该计算机执行什么？ —.. •.■ mw --- V.--.-V , :_ r . v .-.-.-.-.-.- jr .- - ，-:: *2.4 算术/逻辑指令 ； a . 如果程 序诽数 #最:衡为执行第一条指令之煞:::聲饍在會__吟 ffi 模式*作鳴?: b . 在执行停止指令时，存储单元 BS 里的位模式是什么？ 3.假设在附录 C 描述的计算机中，从地址 A 4 到 B 1 的存储单元中包含下列（十六进制）位 模式: 地址 内容 A4 20 A5 GO , A6 21 ;: 遍 . .： 03 i A8 ,： m A9 m AA B1 AB BO AC 50 AD 02 AE BO . ...A: ... AA m . Gfe , , i. m .■- •- . ,, m .斗 i 假设读_机肩離时程序计数器含有值回答下面的问题。 a . 地址为 AA 的指令第一次执抒时，寄存器0中是什么 I b . tt_AA 的指令第二次执行时，寄存器0中是什么? c . 该计算机停止之前，存放在地址 AA 里的指令执行了多少次？ _ 假谗在盼录 q 描述@计箅 ㈣ 扣，从,捵_印孑 9 的裔储萬萍中包含遊麵:出宍趣譜):位樺式; 如前所述，算术/逻辑指令组由算术、逻辑、移位等运算指令组成。在本节中，我们将详细 介绍这些运算。 2.4.1 逻辑运算 第1章介绍了逻辑运算 AND (与 ）、 OR (或）和 XOR (异或），它们都组合两个输入的二进 制位，得到一个输出的二进制位。这些运算可以扩展成为这样的 运算： 组合两个二进制位串产 生一个二进制位串输出，只需要把上述基本运算应用到每一列。例如，位模式10011010与 容 内 也 ■20.G030.F 8 26OOMF9FFFF g Fl. F2 .F3 T E4F5 F6 .:g F8, .F.9; 64 第 2 章数据操控 11001001进行与 （ AND ) 运算所得结果 如下： 10011010 . AND 11001001 10001000 ' 这里，我们只是在每一列上将两个二进制位进行 AND 的结果作为结果。同理，将这些位模式进 行 OR 运算及 XOR 运算时 得到： - 10Q11010 10011010 OR 11001001 XQR 11001001 11011011 01010011 AND 运算的一个主要用途是将位模式的一部分设为0,而不影响另外一部分。例如，如果 字节00001111是 AND 运算的第一个操作数，那么会产生什么结果？即使不知道第二个操作数的 内容，我们仍然能够得出这样的结论，即结果的最高4位均为0。其次，结果的最低4位将与第二 个操作数的最低4位相同，如下 所示： 00001111 AND 10101010 00001010 AND 运算的这个应用是一个称为屏蔽 ( masking ) 的过程的例子。这里，一个称为掩码 ( mask ) 的操作数决定另一个操作数的哪个部分会影响结果。在这个 AND 运算中，屏蔽得出的结果中， 其中一部分是一个操作数的复制品，而没有复制的部分为0。 此类运算在操作一个位图 (bit map ) 时很实用。位图是由若干二进制位组成的串，其中每 个位表示一个特定对象存在与否。在讨论图像表示的时候已经涉及位图，那时每一位是与一个 像素相联系的。再举一例，一个由52位组成的串，其中每个位与一张特定的扑克牌相联系，那 么此位串可以表示一手5张牌，我们只需要将1赋予和手中牌相对应的5个位，而将0赋予其他位。 同理，13个位为1的52位位图可以表示一手桥牌，32位位图可以表示32种口味冰激凌的有无。 接着，假设一个8位存储单元被用作一个位图，我们希望查明与从高位位算起的第3位相联 系的对象是否存在？我们只需要将整个字节与掩码00100000进行 AND 操作，当且仅当该位图从 髙位端算起的第3位本身为0时，结果的字节值全为0。于是，在该 AND 运算中安排一个条件转 移指令，程序就可以实现相应的动作。其次，如果该位图从高位算起的第3位为1，我们想在不 破坏其他位的情况不将其改为0,那么可以把该位图与掩码11011111进行 AND 操作，然后用结果 替代原来的位图。 AND 运算可用于复制一个位串的一部分，方法是在不复制的部分置0,而 ORg 算也可用于 复制一个串的一部分，但在不复制的部分置1。为此，我们再次使用掩码，但是这次用0来指示 要复制的位的位置，用1指示不复制的位置。例如，将任何字节和11110000进行 OR 运算，结果 的位模式的最高有效4位为1，而剩余位则是另外一个操作数最低有效4位的副本，如下 所示： 11110000 OR 10101010 11111010 因此，掩码11011111参与 AND 运算一定可以使得一个8位位图最髙起第3位变为0,而掩码00100000 可以参与 OR 运算将同样的位置变为1。 XOR 运算的一个主要用途是形成一个位串的反码。将任意一个字节与全部为1的掩码进行 XOR 运算可以得到该字节的反码。例如，注意下面示例中第二个操作数与其结果的 关系： *2.4 算术 / 逻辑指令 65 11111111 . XOR 1Q1Q1010 01010101 在附录 C 描述的计算机语言中，操作码7、8和9分别用于逻辑 OR 、 AND 和 XOR 。 每个操作 码要求在指定的2个寄存器内容之间进行相应的逻辑运算，并将结果存放在另一个指定的寄存器 中。例如，指令 7 ABC 要求 的是： 将寄存器 B 和 C 的内容进行 ORil 算，并将结果存放在寄存器 A 中。 2.4.2 循环移位及移位运算 循环及移位运算用于移动寄存器内的二进制位，常用于解决对齐问题。这些运算根据移动 方向（向右或向左）和其过程是否循环来分类。这些分类准则的混合使用产生了许许多多变体。 下面我们简单介绍一下所涉及的概念。 我们来考虑含一个字节二进制位的寄存器。如果我们将其内容向右移一位，则最右边的位 落到了边界以外，最左端出现了一个空位。对于这个移出的位及留出的空位如何操作是区别各 种移位运箄的特征。一种方法就是将右侧移出的位放置在左端的空位上，这类运算称为 循环移 位 （circular shift 或 rotation )。 因此，如果我们针对一个字节的位模式向右进行8次循环移位，则 所得位模式与初始形式相同。 另外一种方法就是丢弃移出边界的位，并用0填充空位，这类运算称为逻 辑移位 （logical shift )。 这种向左的移位可以实现2乘以二进制补码的运算。因为，二进制数字左移相当于乘2, 而对一个十进制数字左移就相当于乘10。此外，除2运算可以通过二进制位右移来完成。无论对 于哪种移位，在使用某种记数法系统时都一定要小心地保留符号位。因此，右移时留出的空位 (符号位位置）总是用它原来的值来填。保留符号位不变的移位称为算 术移位 (arithmetic shift ). 在各种可能的移位和循环移位指令中，附录 C 描述的机器语言仅包括一条右循环移位指 令，操作码为 A 。 在这个移位运算中，操作数的第一个十六进制数字指定了要循环移位的寄存 器，操作数的其余部位规定要循环移位的位数。因此，指令 A 501 意为“将寄存器5的内容循环 右移1位”。特别地，如果寄存器5最初包含位模式65 (十六进制），那么执行此指令（见图 2-12) 后将包含 B 2。 （尝试一下如何组合使用附录 C 描述的机器语言提供的指令来产生其他移位及循 环移位指令。例如，因为一个寄存器的长度为8位，所以循环右移3位与循环左移5位所得结果 —样 o ) 图 2- 12将位模式65 (十六进制）循环右移1位 66 第 2 章数据操控 2.4.3 算术运算 尽管我们己经提到过算术运算——加、减、乘和除，但还需铙舌几句。首先，我们知道减 法运算可以通过加法及取负来模拟。此外，乘法只不过就是反复进行加法运算，除法就是反复 进行减法运算。 （6 可以减去3个2,所以6除以2为3。）因此，一些小型 CPU 都只装有加法指令或 者加法和减法指令。 我们还应该注意到，每种算术运算都有许多变体。对于附录 C 描述的机器语言里使用的加 法运算，我们己经暗示了这一点。例如，对于加法运算，如果相加的数值用二进制补码记数法存 储，此加法过程的实现就 一定是 每列数字直接相加。然而，如果操作数用浮点记数法存储，加法 过程则为读取每个操作数的尾数，根据指数字段将其向左或右移位，检查符号位，执行加法，最 后将其结果翻译成浮点记数法。因此，尽管它们都是加法运算，但是计算机的实现过程并不相同。 问题与练习 L 堯成指定的运算 w 致: ro : o € o .. oi :^ …； : : ： : . ::. m : ' ■■■.： . .；：. ：： 1 . ： ： ' !： '" ；： . :: AND 10101011 AND 1110110 0 AMD OQMllQl : d .: oiooioii e , loogooii f . liiimi :: OR - OR . 111:01100 OR . 001 G . ll 01 ■ ! - . . . . • . •• " "- •- 1 I . T • . . • I . I : : . . , , ! :. .||. i: ■ :. ：：■：：：:. : :- '■ -, : 丨 ■ 1 1 ■ ":. ： - '■ 1 i- ... :: ； ； . • ; . . : ... .... I .... :: • ： ： • ； .. ' g . 01001011 : h . 10000011 i . 11 X 11111 XOR 10101011 XOR 11101100 XQR 001011 Q 1 2. 假如想从一个字节中分离出中间的 4 偉：将其他4个位设为0,却不千扰中间的4位。请问必须使用什 ； 3.' 如想对一个字节的中向4位取 反码， :忒他4位保_妾。彳请 N 必细使用么掩齒及什么运算？ 4 . adS 如想对一个位串的前2位进行 XQRdg 算，然后以下列方式继续 下去： 把上次计算的结果与位串的 ： 下一个位进行 XORig 算。请问最后的计算结果与该串中1的个数有什么关系? 对二文锔码柯，需翠确定使用什么样的奇偶校验位 ，、 问题 a 与此问题有廿么联系？ 是植方便的。例如，逻辑运算 AND 将两个位组合的方法同乘法运算 一祥。哪一种逻辑运算和两个位的力 ff 法几乎相同，这样情况¥会导致什么问题？ 6. 将 ASCII 码中的小写字母变为犬写字母，请问需要使用什么逻辑运算和什么掩码？大写字母变小写时 7. 列桉串中，完遠德赤右_ 位会得 ® 什么结果 t a . 01101010 b . 00001111 c . 01111111 8. 对于下面用十六进制表示的字节，执行循钚左移1位的运算，结果是什么？请用十六进制形式给出 限酌 0 1 :'■:: . ,i I ' , ... • i- ' I I .... I , , ■ ■ "； ■； , '： I : : Ml .. -i II - . ：r i : f .. 江:: 5 ! C :...... c .; B 7 d .35 9. —^8 位位串循环右移 3 取等价宁循环左移多少位？ 10. 如果位模式 OUOIOIO 与11001100是以二进制补码记数法表示的值，请问它们的和的位模式是什么？ : , 如果这_个镡模式是用華1_讨论的浮点格式表示的，那么结果又是什么？ ::: n : :勧有 fft 录 cfe 述軔机写 程章: 赁将;为 A 7 的存储单元的最高有效位设为1 ， 其他位的值… 12-使用附录 C 描述的机器语言编写一十_序: 宕将 存储单_的中间4位复制到存储单茺 E 1 中的最低4 ; ：fe ： ，:， r ：.-. :；：： ： .：^；.-^ i : : :::. '■ |. !：. : ::; :! ! i ； -. ■>^ ： ： ： ; ；. ■ :■：: !：： ：：：■：：，；； ; V :. : I ，: ■：;； ； ；.. . ： ： ；；.：：：:Vi ： ' ：： ；：：：■ ：' i ; M ■ :: ：，：， ' *2.5 与其他设备通信 67 *2.5 ■% 其他设备通信 主存储器和 CPU 构成了计算机的核心。本节将研究这个核心（将称它为计算机）如何与外 围设备通信，如海量存储系统、打印机、键盘、鼠标、监视器、数码相机以及其他计算机。 2.5.1 控制器的作用 计算机与其他设备的通信通常是通过称为控制器 ( controller ) 的中间设备来处理的。对于 个人计算机，控制器可能由永久安装在其主板上的电路组成，或者为了灵活，它会采用电路板 的形式插入主板的插槽中。无论哪种形式，控制器都是通过电缆与计算机箱里的外围设备相连 接的，或者与计算机背面称为端口 ( port ) 的连接器相连接，其他外围设备可以插到这些端口 上。这些控制器有时候本身就是小型计算机，每个都有自己的存储电路和简单的 CPU ， 可以实 现指挥该控制器活动的程序。 控制器将信息和数据来回地在两种形式之间 转换： 一种是与计算机内部特征相适应的形式， 另外一种是与所连接外围设备相符的形式。最初，每个控制器都是为特定类型的设备设计的。 因此，购买一种新的外围设备常常也就需要同时购买一个新控制器。 最近，人们已经开始在个人电脑领域开发标准，例如 USB (Universal Serial Bus , 通用串行 总线）和 FireWire (火线），这样一个控制器就可以处理多种设备。例如，一个 USB 控制器可以 用作计算机与其他任何同 USB 兼容的系列设备的接口。现在，市场上可以与 USB 控制器信的 设备包括鼠标、打印机、扫描仪、海量存储设备、数码相机，以及智能手机。 每一个控制器通过连接到相同的总线（该总线用来连接计算机的 CPU 和主存）完成与计算 机的通信（图2-13)。由于这种连接，每个控制器都能够监控 CPU 与主存储器之间正在发送的信 号，也可以将自己的信号插入总线。 CD 驱动器调制解 控制器 控制器 : - ' ■- - ■ _ 广 ，〆、 总线 ' : ~ J - — J : I - ■- ■ 二 - •• ^ _-二:__-「•■_： . ~y. - 1 . ’《 j，=r _二_ 1 ； 厂 '■■■■■■■, • ： = ： = ：=： = ，乂，广：二： ‘ . . 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J .\ / ''-- :二：一: - T 二 _ 乂 - W = 「' :■ “，- -- 器、、 搜制器 监视器 磁盘驱 动器’ 图 2-13 连接到计算机总线的控制器 通过这种安排， CPU 能够以与主存储器通信的方式与连接在总线上的控制器通信。为了发 送一个位模式给控制器，该位模式首先要在 CPU 的一个通用寄存器中构建，然后由 CPU 执行一 个类似 STORE 指令的指令，将该位模式“存储”到控制器中。类似地，当要从一个控制器接收 一 个位模式时，要使用一条类似 LOAD 指令的指令。 68 第 2 章数据操控 - ■ * ■- -_ Ml ■■— 玲翻 AM USB ( 通用串行总线）和 FiteWire ( 火线)是标准化的串行通信系紙，它们简化了给个 人电脑添加」外围设备的过程。 USB 由荚特冰公司主导研发, FireWire 则由苹杲公司主导研发。 两者的目的都是適过一个控制器提供外 部鴂口 ，并用该端〒来连接各种外 1 围设备。在该设置 中，控制番将计算机内部信号特征转换成相应的 USB 或 tireWire 标准信号，反之，为了与控 制器通信，与控制器相连接的每个设备都将其内部特性转换成相同的 U 萌或 FireWire 标准。 于是，给 PC 添加新设备就不再需要增加新的控制器，只需要在 USB 端口或 FireWire 端口插入 分别与其兼容的设^ 对比而言， FireWire 的传输速率更高，但是 USB 技术成本低，因此姜俾成本大众市场领 域占据突出地位。现在，市场上兼容 USEf ^ 设备有鼠标、键盘、打印机、 趣描 仪、数码相机、 智能手机，以及为备份应用设计的海量存储系统。 FireWire 应用趋向于_在需要更高传输 速率的设备上，例如摄像机和联机海量存搪系统。 在某些计算机的设计中，通过控制器的数据传输（输入与输出）直接使用 LOAD 和 STORE 操作码（虽然这些操作码已经用于同主存储器的通信）。在这种情况下，每个控制器都被设计为 响应唯 一一 组地址的引用，而主存储器被设计成忽略对这些地址的引用。因此，当 CPU 在总线 上发送一条消息，要把一个位模式存储到一个分配给某个控制器的存储器地址时，这个位模式 实际上是存储到该控制器中，而不是主存储器中。同理，如果 CPU 试图从这样的存储器地址接 收数据（如 LOAD 指令），那么它所接收到的位模式将来自控制器而不是存储器。这样的通信系 统称为 存储映射输入/输出 （ memory-mapped 1/0)， 因为该计算机的输入/输出设备好像是在各种 存储器位置里（图2-14)。 CPU 总线 主存 储器 控制器 一 外围设备 图 2-14 存储映射输入/输出的概念表示 另外一种存储器映射输入/输出的方法是在机器语言中提供特定的操作码，用以规定通过控 制器的数据传输（输入与输出）。具有这些操作码的指令称为 I / O 指令。例如，如果附录 C 中描述 的机器语言遵循这种方法，它可能包括诸如 F 5 A 3 这样的一条指令， F 5 A 3 指的是“将寄存器5的 内容存储在由位模式 A 3 指定的控制器中”。 2.5.2 直接内存存取 因为控制器是连接到一台计算机的总线上的，所以它就有可能在 CPU 不使用总线的几纳秒 时间里实现与主存储器的通信。控制器这种存取主存储器的能力称为 DMA (Direct Memory Access , 直接存储器存取），可以极大地提高计算机的性能。例如，要从磁盘的一个扇区读取数 据， CTU 可以将编码为位模式的请求发送给连接这个磁盘的控制器，要求该控制器读取这个扇 区并将数据存储在指定的一块主存储器区域中。在该控制器执行此读操作并通过 DMA 将数据存 储在主存储器时， CPU 可以继续执行其他任务。于是，这两个活动会被同时执行。 CPU 将执行 某个程序，而控制器则监视磁盘与主存储器之间的数据传输。这样，在相对缓慢的数据传输过 程中， CPU 的计算资源就不会被 浪费。 使用 DMA 同样也有不利影响，它使计算机总线的通信复杂化。位模式必须在 CPU 与主存储 *2.5 与其他设备通信 69 器之间、 CPU 与每个控制器之间，以及每个控制器与主存储器之间进行传送。协调总线上的所 有这些活动是个很大的设计难题。即使设计非常出色， CPU 与控制器竞争总线存取时，中央总 线也可能成为障碍。此障碍称为冯 •诺依曼瓶颈 (von Neumann bottleneck ) ,因为它源于冯 •诺 依曼体系结构 （von Neumann architecture ) ,在该结构中， CPU 是通过中央总线从主存储器 取指的。 2.5.3 握手 两个计算机部件之间的数据传输很少是单向进行的。即使我们可以把打印机看做是接收数据 的设备，但事实上它也向计算机发送数据。毕竟，计算机产生字符并向打印机发送字符的速度要 远远快于打印机能够打印的速度。如果计算机盲目地把数据发送给打印机，那么打印机很快就落 在后面了，结果是使数据丢失。因此，诸如打印文件这样的过程都会包括持续的双向对话，计算 机和外围设备之间交换设备状态的信息，协调它们之间的活动。这个过程称 为握手 （ handshaking )。 握手通常涉及一个 状态字 （status word ) ，它是由外围设备生成并发送给控制器的一个位模 式。该状态字是一个位图，其中的各个二进制位反映了该设备的各种状态。以打印机为例，其 状态字的最低有效位数值可以表示该打印机是否缺纸，而下一个位可以表示该打印机是否已经 准备好再接收数据，另外还有一位可用于指出是否卡纸。控制器是自己响应这些状态信息，还 是交由 CPU 来处理，这取决于不同的系统。无论哪种情况，状态字都提供了一种机制，用于协 调与外围设备的通信。 2.5.4 流行的通信媒介 计算设备之间的通信由两种途径 处理： 并行及串行。这些术语指的是传输信号的方式 。并 行通信 (parallel communication ) 指的是若干信号同时传输，每个信号都在各自的“线路”上。 这种技术数据传输快，但是需要相对复杂的通信通路。例如计算机内部总线，其中多条线路被 用于同时传输大量数据块及其他信号。 与此相反， 串行通信 (serial communication ) 指在一条信号线上一个信号接一个信号地传 输。相对于并行通信，串行通信只需要一条相对简单的数据路径，这也是它很流行的原因。 USB 与 FireWire 在短短几米的距离内提供相对高速的传输速率，属于串行通信。对于相对较长的 距离（在家中或者办公楼里），通过以太网连接（见 4.1 节）的串行通信，无论是通过电线还是 无线电广播连接，都很流行。 多年来，传统的语音电话线在远距离通信方面一直主宰着个人电脑领域。这些通信路径都只 有一根电线并通过它逐一传输语音信号，本质上属于串行系统。这样的数字数据传输实现过程 如下：首先利 用调制解调器 （ modulator - demodulator , 缩写为 modem ) 将位模式转换为听得见的 音调，并通过电话系统串行传输，然后在目的地由另一个调制解调器将这些音调重新转换成二进 制位。 为了通过传统的电话线实现更加快速的远距离通信，电话公司提供了一种称为 DSL (Digital Subscriber Line , 数字用户线路）的服务，它利用以下 事实： 现有的电话线实际上能够处理比传 统话音通信所用频段更宽的频率范围。确切地说， DSL 使用高于可听范围的频率传输数字数据， 将较低频谱用于语音通信。虽然 DSL 已非常成功，但电话公司正迅速升级自己的系统来使用光 纤线路（光纤线路比传统电话线路更容易支持数字通信）。 其他可与 DSL 和光纤相竞争的技术包括用于有线电视系统的电缆以及通过高频无线电广播 的卫星链路 D 70 第 2 章数据操控 2.5.5 通信速率 一个计算部件与另外一个计算部件之间传输数据位的速率是以 bit/s (bit per second , 比特/ 秒）计量的。常用的单位有 Kbit/s ( kilo - bit / s , 等于 10 3 bit / s )、 Mbit/s ( mega - bps , 等于 10 6 bit / s ) 和 Gbit/s ( giga - bps , 等于10 9 bit / s )。（注意位与字节之间的 区别： 8 Kbit / s 相当于1 KB / s )。 使用 缩写形式时，小写的英文字母 b 通常表示位 （ bit )， 而大写的英文字母 B 通常表示字节 ( byte)o 对于短距离通信， USB 及 Fire Wire 可以提供几百 Mbit / s 的传输速率，对于大多数多媒体应用 已经足够了。再加上便利性及相对低价，如今它们已被广泛用于家用计算机与本地外围设备的 通信，如与打印机、外部硬盘驱动器以及相机的通信。 通过结合 多路复用技术 ( multiplexing , 数据编码或混合，使得一条通信路径可完成多条通 信路径的功能）及数据压缩技术，传统的语音电话系统能够支持 57.6 Kbit / s 的传输速率，这无法 满足当今多媒体和因特网应用（如 YouTube 和 Facebook ) 的需要。播放 MP 3 音乐需要大约64 Kbit/s 的传输速率，即使播放低品质的视频也需要用 Mbit / s 计量的传输速率。这正是能够提供 Mbit / s 范 围的传输速率的 DSL 、 电缆以及卫星链路等取代传统音频电话系统的原因。（例如， DSL 提供的 传输率大约为54 Mbit / s 。 ） 一个特定设置可获得的最大速率，取决于通信路径的种类以及实现过程中使用的技术。这 个最大速率通常大致等同于通信路径的带宽 ( bandwidth ), 但该术语除了传输速率还有容量的 含义。也就是说，说一条通信路径具有高带宽（或提供宽带服务）意味着一条通信路径能以高 速率传输位，同时意味着该通信路径还能够同时携带大量信息。 |'1 ： ‘②篆 _ :漏議鎌 帑:::細附:纏逯#融1_誠齡雜 .. .儀鸯送给奪（ "■ :' V -'/ :：: 、’.：臺 ' : d .. @细果_器7包含#母^^Hi 姆讓节 桌磁 葡 打算遍磁盘■动器中 g 从操转錄盘电读到的位么磁巍 tea 海 会-盘 盔之:_逋信 大约是多少? . : :乂 : ； .以 : -：^y :： . 3. 本以 编鉍的 细0宽承说， g 敏 MMbi 的的速传輪 爹久 ? t 〔 、::、： *2.6 其他体系结构 . . . — …. . 为了拓宽视角，我们来考虑一些已经讨论过的传统计算机体系结构的替代方案 D 2.6.1 流水线 电子脉冲在电线上的传播要比光速慢。光大约每纳秒 （ ns ， 十亿分之一秒）能传播1英尺的 距离，然而 CPU 中的控制单元至少需要2 ns 才能从1英尺之外的存储单元中读取到指令。（必须发 送读请求到存储器，这至少需要 1 ns ， 而指令又必须送回 CPU ， 这至少也需要 Ins 。） 因此，在这 样的机器中取指和执行一条指令需要若干纳秒——这就意味着提高计算机执行速度的问题最终 将变成小型化问题。 *2.6 其他体系结构 71 然而，提高执行速度并不是改进计算机性能的唯一途径。真正目的是改进机器的吞吐量 (throughput) -机器在给定时间内可以完成的工作总量。 在不要求提高执行速度的前提下，增加计算机吞吐量的一个例子涉及流水线技术 (pipelining), 该技术允许 一 个机器周期内各步骤重叠进彳丁。特别是，当执彳丁一■条指令时，可以 取下一条指令，这也就意味着在任何一个时刻可以有不止一条指令在“流水线”上，每条指令 处在不同的处理阶段。这样，尽管读取和执行每条指令的时间保持不变，计算机的总吞吐量却 提高了。（当然，当到达一条 JUMP (转移）指令时，不会实现预取指令来提高效率的效果，因 为“流水线”上的指令不是所需要的。） 现代计算机设计已使得流水线思想大大超越了我们所举的例子。它们经常能够同时读取若 干条指令，并且一次可以执行多条彼此互不依赖的指令。 . 科技进步使得可以放置越来越多的电路在一个硅片上,，以致计算机部件之:间的物鋰差别 逐辦变小。 例如' 单个®丼就可外每括和主存储畢#屬是片占摹统本象玲 祷是在单 f 设备+提挺^免整蜣奉滅 〆 :掏參减♦在克高的 ㈤ 1 &釋崩 在其他情况下，单个设备中还包含相同电路的多个复制品。:,它最初的形成^ 包士若 干独;立门 或者多重触发器的芯片.在今天的技米条件下，单个芯片可以存放不伞^个完整的这 就是多核 CPU 设备的基础体系 结构： 在同一芯片上存在踌个或更多 CPU 以及共用的高速拿冲存 储器。 （& 含两个处理单秀的多核 CPU 通常被称作双桂 CPU 。） 这种 i 更審简;％ ^ fMIMD 系蘇_ 建，并 S 板迅速 应用于 家用计算机。：___ 一： ’ : / - 2.6.2 多处理器计算机 可以把流水线技术看做迈向并行处理技术 (parallel processing) 的第一步，并行处理技术是 若千活动在同一时间里实现的性能。然而，真正的并行处理技术需要多个处理单元，于是产生 了多处理器计算机。 当今许多计算机的设计都基于这种思想，其中一个策略是将若干处理单元都连接到同一个 主存储器上，其中每一个都像单处理器机器中的 CPU 。 在这样的配置下，各处理器可以独立地 工作，并通过把相关的信息放在公共存储单元里来协调各自的工作。例如，当某个处理器遇到 一 个大任务时，它可以将部分任务的程序存储在这个公共存储器中，然后求其他处理器执行 它。结果产生这样的计 算机： 不同的指令序列在不同的数据集上操作，相对于较传统的 SISD ( Single-Instruction stream , Single-Data stream , 单指令流单数据流）体系结构，它称为 MIMD ( Multiple-Instruction stream , Multiple-Data stream , 多指令流多数据流）体系结构。 多处理器体系结构的一个变体是将多个处理器链接起来，使得它们一起执行同一个指令序 列，每个处理器都有各自的数据集。这就产生了 SIMD ( Single-Instruction stream , Multiple-Data stream , 单指令流多数据流）体系结构。这种计算机适用于这样的 应用： 在一大堆数据中，对 于其中每组类似的数据项都要执行同样的任务。 并行处理的另外一种方法是将许多小型机器聚集成为大的计算机，每台机器都有自己的存 储器和 CPU 。 这样，每台小型机器都与它相邻的一台或几台机器相连接，使得赋予整个系统的 任务可以分割到各台小机器上实现。因此，如果分配给某台内部机器的一项任务可以分割为若 干独立的子任务，那么这台内部机器可以请求它的邻居们并发地完成各个子任务。这样，完成 任务的时间可以比由一台单处理器计算机独立完成任务所需要的时间少得多。 72 第 2 章数据操控 ,2 V 截會薦水論计筹姑土淨 fe ,:3 节间琿•如 擊勝:肩 : L 撝有两个，“中央 w 雖理 垂逄 fe 到爾心♦存储_表，但执待不- 的輕， :坪假鞋“其增十个，舞赛 ,:;嘗_嗜存鳍单元辑晦，个需襄繪 醉: :： >时又如何呢？ 7. 下面是用附录 C 描述的机器语言编写的指令。 把它翻译成为自然语言。 a . 7123 b . 40 E 1 c . A 304 d . B 100 e . 2 BCD 8 . 假设有一机器语言，指令的操作码字段为 4 位。 那么该语言可以有多少条不同的指令？如果 操作码字段增加到8位呢？ 9. 将下列指令由自然语言翻译为附录 C 描述的 机器语言。 a . 将十六进制值 77 装入 （ LOAD ) 寄存器 6。 b . 将存储单元77的内容装入寄存器7。 c . 如果寄存器0的内容与寄存器 A 的值相同， 则转移 ( JUMP ) 到存储器地址为24的 指令。 d . 将寄存器4循环右移 （ ROTATE ) 4位。 e . 将寄存器 E 和2的内容进行 AND 运算，结果 存于寄存器1。 10. 重写图 2- 7 中的程序，假定相加的数值用浮点 记数法编码，而不是二进制补码记数法。 11. 下面是用附录 C 描述的机器语言编写的指令。 请按照它们的执行是否改变存储地址为 3 B 的 存储单元的值、是否读取地址为 3 C 的存储单 元的内容、是否与地址为 3 C 的存储单元的内 容没有关系进行分类。 a . 353 C b . 253 C c . 153 C d . 3 C 3 C e . 403 C 12. 假设附录 C 描述的机器里，从地址 00 到 03 的存 储单元中包含下列位模式。 复习题 73 (续） 地址 内容 地址 内容 00 26 06 3A 01 55 07 00 02 C0 08 C0 03 00 09 00 a . 将第一条指令翻译为自然语言。 b . 如果机器在程序计数器的值为00时启动， 那么机器停止时寄存器6中是什么位模式？ 13- 假设附录 C 描述的机器里，从地址00到02的存 储单元中包含下列位模式。 地址 内容 00 12 01 21 02 34 a - 如果机器在程序计数器值为00时启动，执 行的第一条指令会是什么？ b . 如果机器在程序计数器值为01时启动，执 行的第一条指令会是什么？ 14. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 00 到 05 的 存储单元中包含下面的位模式。 地址 内容 00 12 01 02 02 32 03 42 04 C0 05 00 假设机器在程序计数器的值为00时启动，回答 下面的问题。 a . 将要执行的指令翻译成自然语言。 b . 当 机器停 止时，地址为42的存储单兀中是 什么位模式？ c . 当机器停止时，程序计数器中是什么位 模式？ 15：假设在附录 C 描述的机器里，从地址00到09的 存储单元中包含下列位模式。 地址 内容 00 1C 假设机器在程序计数器的值为00时启动，回答 下列问题。 a . 当机器停止时，地址为00的存储单元里有 什么？ b . 当机器停止时，程序计数器中会是什么位 模式？ 16. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 00 到 07 的存储单元中包含下列位模式。 地址 内容 00 2B 01 07 02 3B 03 06 04 C0 05 00 06 00 07 23 a . 假设机器在程序计数器的值为00时启动， 请列出包含待执行程序的存储单元的地址。 b . 列出用于存储数据的存储单元的地址。 17. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 00 到 0 D 的 存储单元中包含下列位模式。 地址 内容 00 20 01 04 02 21 03 01 04 40 05 12 06 51 07 12 08 BI 09 0C 0A B0 0B 06 0C C0 0D 00 01 03 02 2B 03 03 04 5A 05 BC 假设机器在程序计数器的值为00时启动。 74 数据操控 a. 当机器停止时，寄存器0中是什么位模式？ b . 当机器停止时，寄存器1中是什么位模式？ c. 当机器停止时，程序计数器中是什么位 模式？ 18. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 F 0 到 FD 的存储单元中包含下列（十六进制）位模式。 地址 内容 F0 20 F1 00 F2 22 F3 01 F4 23 F5 04 F6 B3 F7 FC F8 50 F9 02 FA B0 FB F6 FC C0 FD 00 如果机器在程序计数器的值为 F 0 时启动，那 么当计算机最终执行到地址为 FC 的停机指令 时，寄存器0中的值是什么？ 19. 如果在附录 C 描述的机器每微秒（百万分之一 秒）执行一条指令，那么完成问题 18 中的程序 需用时多少？ 20. 假设在附录 Cffi 述的机器里，从地址 20〜28 的 存储单元中包含下列位模式。 地址 内容 20 12 21 20 22 32 23 30 24 B0 25 21 26 24 27 C0 28 00 假设机器在程序计数器的值为20时启动。 a . 当机器停止时，寄存器0、1和2中是什么位 模式？ b . 当机器停止时，地址为30的存储单元中是 什么位模式？ c . 当机器停止时，地址为 B 0 的存储单元中是 什么位模式？ 21. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 AF 到 B 1 的存储单元中包含下列位模式。 地址 内容 AF B0 B0 B0 BI AF 如果机器在程序计数器的值为 AF 时启动，那 么会发生什么？ 22. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址 00 到 05 的 存储单元中包含下列（十六进制）位模式。 地址 内容 00 25 01 B0 02 35 03 04 04 C0 05 00 如果机器在程序计数器的值为00时启动，那么 机器在什么时候会停止？ 23. 对于下面每种情况，用附录 C 描述的机器语言 编写一个小程序来完成以下任务。假定每个程 序都放在从地址00开始的存储器里。 a . 将存储单元 D 8 的值移动到存储单元 B 3。 b . 交换存储单元 D 8 和 B 3 中的值。 c . 如果存储单元44的值是00,则将值01存放 在存储单元46中：否则，将值 FF 存放在存 储单元46中 。 24. 在计算机爱好者中曾经流行一种叫磁芯大战 (Core Wars ) 的游戏 ■ -战舰游戏的变体。 (术语磁芯来源于早期的一种存储_术，它用 磁材料的小环的磁场方向表示0和1。小环称 为磁芯。）这个游戏是在两个对立的程序之 间玩的，每个程序分别存储在同一台计算机 的存储器的不同位置里。假设该计算机轮流 执行这两个程序，先执行一个程序的一条指 令，再执行另一个程序的一条指令。每个程 序的目标是通过把额外数据写到另外一个程 序上来破坏对立 程序； 不过，哪个程序都不 知道对方的位置。 a . 用附录 C 描述的机器语言编写一个程序，采 用防卫的方式，以最小的代价玩此游戏。 复习题 75 b . 用附录 C 描述的机器语言编写一个程序， 通过不断变动自己的位置来避免受到对立 程序的袭击。更确切地说，在位置00开始 编写程序，使其把自己复制到位置70，再 转移到这个新位置。 c. 扩展 ( b ) 中的程序，继续将新位置的程序重 新定位。具体来说，先将程序移至位置70, 然后移到 E 0 070+70)，再移到60 070+ 70+70)，等等。 25. 用附录 C 描述的机器语言编写一个程序，用它 计算存放在存储单元 AO 、 Al 、 A 2、 A 3 中的浮 点数的和，并将结果存入存储单元 A 4 中。 26. 假设在附录 C 描述的机器里，从地址00到05的 存储单元中包含下列（十六进制）位模式。 地址 内容 00 20 01 C0 02 30 03 04 04 00 05 00 如果机器在程序计数器的值为00时启动，会发 生什么？ 27. 假设在附录 C 描述的机器里，地址为08和09的 存储单元中分别包含位模式 B 0 和08,并且机 器启动时程序计数器中包含值08,那么会发生 什么？ 28. 假设下列用附录 C 中描述的机器语言编写的 程序存储在从地址30 (十六进制）开始的主存 储器中。当执行该程序时它会完成什么任务？ 2003 2101 2200 2310 1400 3410 5221 5331 3239 333B B24 8 B038 C000 29. 概述当附录 C 描述的机器执行一条操作码为 B 的指令时所涉及的步骤。用一组说明来表示你 的答案，就像你在告沂 CPU 做什么。 *30. 概述当附录 C 描述的机器执行一条操作码为5 的指令时所涉及的步骤。用一组说明来表示你 的答案，就像你在告诉 CPU 做什么。 *31. 概述当附录 C 描述的机器执行一条操作码为6 的指令时所涉及的步骤。用一组说明来表示你 的答案，就像你在告诉 CPU 做什么。 *32. 假设在附录 C 描述的机器里，寄存器4和5中分 别包括位模式 3 A 和 C 8, 在执行下列每条指令 后，寄存器0中会留下什么位模式？ a. 5045 b . 6045 c. 7045 d . 8045 e_ 9045 *33 .利用附录 C 描述的机器语言，为完成下面每个 任务分别编写一个程序。 a. 将存储单元44中存储的位模式复制到存储 单元 AA 中。 b . 将存储单元34中的最低4个有效位变成0， 并保持其他位不变 。 c . 将存储单元 A 5 中的最低4个有效位复制到 存储单元 A 6 中的最低4个有效位，并保持 A 6 中的其他位不变。 d . 将存储单元 A 5 中的最低4个有效位复制到 存储单元 A 5 中的最高4个有效位。（于是， A 5 中的前4位将和后4位相同。） *34. 完成下列运算。 a. 111001 b. 000101 AND 101001 AND 101010 C, 001110 d. 111011 AND 010101 AND 110111 e. 111001 f. 010100 OR 101001 OR 101010 g- 000100 h. 101010 OR oioiai OR 110101 i. 111001 j- 000111 XOR 101001 XOR 101010 k. 010000 1 . min XOR 010101 XOR 110101 *35. 为了完成下面的任务，确定所需要的掩码和逻 辑运算。 76 第 2 章数据操控 a . 将一个8位位模式的高4位置0,并且不影响 其他位。 b . 将一个8位的位模式最高有效位取反，并且 不影响其他位。 c . 将一个8位的位模式取反。 d . 将一个8位位模式的最低有效位置0。并且 不影响其他位。 e . 将一个8位位模式的除最高有效位外所有 的位都置1，并且不改变最高有效位。 *36. 确定一个逻辑运算（以及相应的掩码），使得 当其用于一个8位的输入串时，当且仅当输入 串为10000001时，产生的输出为全0位串。 *37. 描述一组逻辑运算（以及它们相应的掩码）， 使得当其用于一个8位的输入串时，当这个输 入串的最高位和最低位都是1时输出结果为全 0 位串； 否则输出中至少应包含一个1。 *38 •对下列位模式执行循环左移 4 位后，结果 如何？ a . 10101 b . 11110000 c . 001 d . 101000 e . 00001 *39. 下列字节用十六进制记数法表示，对其执行循 环右移2位后，结果如何？（用十六进制记数 法写出答 案。） a . 3 F b . 0 D c . FF d . 77 *40. a . 在附录 C 描述的机器语言中，用什么样的单 个指令可以完成寄存器 B 循环右移5位？ b . 在附录 C 描述的机器语言中，用什么样的单 个指令可以完成寄存器 B 循环左移2位？ *41. 用附录 C 描述的机器语言编写程序：把地址为 8 C 的存储单元的内容颠倒过来。（也就是说， 对于地址 8 C 最后的位模式，从左向右读取与 最初从右向左读取一致。） *42 •用附录 C 描述的机器语言编写 程序： 将地址 A 2 中存储的值减去 A 1 中存储的值，并将结果 存于地址 A 0 中。假定值用二进制补码记数法 编码。 *43 ■高清视频可以以30龟 s 的速率传输，其中每- 帧的分辨率为 1920 X 1080 像素，每像素使用 24位。这种格式的无压缩视频流可以通过 USB 1_1 串行端口发送吗？ USB 2.0 串行端口呢_? USB 3.0 串行端口呢？（注意 ， USB 1.1 、 USB 2.0 .USB 3.0 串行端口的最大速度分别是 12 Mbit / s 、480 Mbit / s 和5 Gbit / s 。 ） *44. 假设某人在键盘上每分钟能打 40 个单词。（假 设一个单词以 5 个字符计。）如果计算机每微 秒（百万分之一秒）执行 500 条指令，那么该 计算机在此人打两个连续的字符之间可以执 行多少条指令？ *45. 对于一个每分钟打40个单词的打字员，键盘每 秒传输多少位才能跟得上？（假定每个字符以 ASCII 编码，每个单词以 6 个字符计。） *46. 假设附录 C 中描述的机器与使用存储映射输 入/输出技术的打印机通信，同时假设地址 FF 用于将字符发送给打印机，地址 FE 用于接收 该打印机的状态信息。特别地，假设地址 FE 的最低有效位用于指示该打印机是否准备好 接收下一个字符 （0 表示“未准备好”，1表示 “准备好”）。从地址00开始，编写一个机器 语言例程，它等待打印机准备好接收下一个字 符，然后把由寄存器5中位模式表示的字符发 送给打印机。 *47. 用附录 C 描述的机器语言编写一个程序：它在 地址从 A 0 到 C 0 的所有存储单元中存放0,但是 它应该足够小以致能够存放在地址从00到13 (十六进制）的存储单元中。 *48 ■假设某计算机硬盘上有200 GB 存储空间可 用，以15 Mbit / s 的速率从宽带上接收数据。 以这个速率，需要多久可以存满可用的存储 空间？ *49. 假设某卫星系统正以 250 Kbit/s 的速率接收串 行数据流。如果一个突发的大气干扰持续了 6.96 s ， 那么有多少数据位会受到影响？ *50. 假设给你 32 个处理器，每个处理器在一秒钟内 能够完成两个多位数字加法运算100万次。描 述如何使用并行处理技术，使得能够在 6 xl ( T 6 s 的时间内完成 64 个数的求和^单独一 个处理器完成相同的计算需要多少时间？ *51. 概述 CISC 体系结构和 RISC 体系结构之间的 E 别。 *52_说出两种提高吞吐量的方法^ *53. 对于计算一组数值的平均值，说明在-台多处 理器的计算机上为何比在一台单处理器的计 算机上快得多？ 下面的问题有助于分析一些与计算领域相关的伦理、社会和法律问题。回答这些问题不是 唯一的目的，还应该考虑为什么这样回答，以及你的判断是否对每个问题都标准如一。 1. 假设某计算机生产商开发了一种新型的计算机体系结构。该公司在多大程度上可以拥有 该体系结构所有权？什么样的政策对社会最好？ 2. 从某种意义上说，1923年是现今被许多人称为有计划淘汰现象诞生的时间。这一年，由 斯隆领导的通用汽车公司将汽车工业引向了型号概念的年代。其思想是通过改变风格， 而不是必须推出更好的车来提高销售。引用斯隆的一 句话： “我们希望你们对自己现在 的车不满意，于是你们将会购买新车。”如今，计算机行业在多大程度上使用了这种市 场策略？ 3. 我们常常在想，计算机技术如何改变了我们的社会。不过，许多人争辩说，这门技术常 常抑制改变的产生，它试图使老系统继续存在，甚至使其地位更加牢固。例如，如果没 有计算机技术，中央政府在社会中的角色会继续存在吗？如果没有计算机技术，中央集 权在今天能够达到什么程度？如果没有计算机技术，我们在多大程度上会更好或更坏？ 4. 如果某人认为自己不需要知道机器的任何内部细节（因为有其他人会建造它，维护它， 并解决可能发生的问题），这种想法合理吗？你的答案会取决于这个机器是计算机、汽 车、核电厂还是烤面包机吗？ 5. 假设一家厂商生产了一种计算机芯片，但是后来发现它设计上有一个瑕疵。再假设该生 产商在接下来的生产中修正了瑕疵，但决定掩盖最初有瑕疵这一事实，并且不回收已经 售出的芯片，理 由是： 已经售出的芯片没有一个在该瑕疵会导致严重后果的应用中使用。 有人会因为该生产商的决定受到伤害吗？如果没有人受到伤害，而且该决定避免了该生 产商资金的流失亦或者避免了辞退员工，那么该生产商的决定正确吗？ 6. 技术进步有助于治愈心脏病，还是会因导致久坐的生活习惯进而导致心脏病？ 7. 很容易想象，由于溢出和截断错误而产生的算术差错可能会导致金融或导航方面的灾 难。对于图像存储系统，由于丢失图像细节（也许在勘察或医疗诊断领域）而产生的错 误会有什么后果？ 8. ARM 公司是一家为各种消费性电子设备设计处理器的小型公司。它并不制造任何处理 器，而是将其设计授权给半导体厂商（如高通、三星和德州仪器），这些厂商为生产出 的每个部件支付特许权使用费。这种商业模式将计算机处理器的高研发成本分散到了 整个消费性电子市场。今天，95%以上的移动电话（不仅是智能手机）、40%以上的数 码相机和25%的数字电视都使用 ARM 处理器。此外， ARM 处理器还用于小型笔记本、 MP 3 播放器、游戏控制器、电子书阅读器、导航系统等设备中。鉴于此，你是否认为 该公司是垄断者呢？为什么是？为什么不是？随着消费类设备在今天的社会中扮演着 越来越重要的角色，对于这一知名小型公司的依赖是好事吗？或者，是否会引起人们 的担忧？ 课外阅读 ______ Carpinelli, J. D. Computer Systems Organization and Architecture. Boston, MA: Addison-Wesley, 2001. Comer ， D. E. Essentials of Computer Architecture. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2005. Dandamudi, S P. Guide to RISC Processors for Programmers and Engineers. New York: Springer ， 2005. 78 数据操控 Furber, S. ARMSystem-on-Chip Architecture, 2nd ed. Boston, MA: Addison Wesley, 2000. Hamacher, V. C., Z. G. Vranesic, and S. G. Zaky. Computer Organization, 5th ed. New York: McGraw-Hill, 2002. Knuth, D. E. The Art of Computer Programming, vol. 1, 3rd ed. Boston, MA: Addison-Wesley, 1998. Murdocca, M. J. and V. P, Heuring. Computer Architecture and Organization: An Integrated Approach, New York: Wiley,2007. Stallings, W. Computer Organization and Architecture, 7th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2006. Tanenbaum, A. S. Structured Computer Organization, 5th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentiee-Hall, 2006. 操作系统 一章，我们将讨论操作系统。操作系统是用来协调计算机的内部活动以及检查计算机 与外部世界通信的软件包。操作系统能将计算机硬件转化为有用的工具，我们的目标 就是要理解操作系统做哪些工作，以及它是如何完成这些工作的。要成为有知识的计算机使用 者，这样的背景是极为重要的。 本_内容 3.1 操作系统的15劣 3.2 操作系统的体系结构 3.3 协调机器的馨€ *3.4 处理进程间的竞争 : :. . . .. 3.5 安全性 复习题 社会问题 课外阅读 • • ^ ■ ■ : 操作系统 （operation system ) 是控制计算机整体运行的软件。它提供了用户可以存储和检 索文件的方法，提供了用户可以请求执行程序的接口，还提供了执行被请求程序所必需的环境。 操作系统最著名的例子是 Windows ， 微软公司己经发布了很多版本，并广泛用于 PC 机领域。 另一个被广泛认可的例子是 UNIX ， 它是服务于较大的计算机系统和 PC 群的流行选择。事实上， UNK 是其他两个操作系统的 核心 ： Mac OS 是苹果公司为其一系列 Mac 机提供的一种操作系统， Solaris 由 Sun Microsystems (现归 Oracle 所有）开发得来。另外，还有能够运用于大型机和小型 机的 Linux 操作系统，该系统最初是由一些计算机爱好者以非盈利的目的开发的，到目前为止， 包括 IBM 公司在内的许多商业机构都发布了 Linux 操作系统。 对于非专业的计算机用户，他们只能感觉到不同操作系统表面上的不同，而对于计算机 专业人员来说，不同的操作系统可能意味着使用完全不同的工具或在传播和维护工作中遵循 完全不同的理念。然而，所有主流操作系统的核心都是解决计算机专家在半个多世纪之前就 已经遇到的那些问题。 3：1 操作系统的历史 今天的操作系统经过长期的演变已经成为大而复杂的软件包。20世纪四五十年代，计算机 不是很灵活，效率也不高。 一 台计算机会占据整个房间。执行程序需要大量的设备准备工作， 如安装磁带、把穿孔卡片放在读卡机上、设置开关等。每个程序的执行称为一个作业 ( job ), 它是作为一个独立的活动处理的——为执行该程序准备好计算机，执行程序，然后在下一个程 序的准备工作开始之前，必须重新获取磁带、穿孔卡片等所有一切。当几个用户需要共享一台 机器时，操作系统提供签名表，以便各个用户能够预订到一段机器时间。在分配给某个用户的 时间段内，机器就完全处于该用户的控制之下。这段时间通常是从程序的准备开始，接下来是 80 第 3 章操作系统 短时间的程序执行过程。一个用户本可以在很短的时间内尽可能多做一件事情（“它仅需一分 钟”)，但下一个用户己经迫不及待地要使用机器做准备工作了。 在这样的环境下，操作系统开始作为一个系统致力于简化程序的准备工作，提高作业之间 的过渡效率。操作系统早期的开发是用户与设备的分离，用以避免用户进出计算机机房。为此 雇用了计算机操作员来操作机器。任何人如果需要运行程序，就必须把程序、所需的数据以及 有关程序需求的特别说明提交给操作员，由操作员返回结果。操作员所做的工作就是把这些资 料输入到计算机的海量存储器，然后由称为操作系统的程序从那里一次一个地读入并执行程序。 这就是 批处理 (batch processing ) 的开始 -把若干个要执行的作业收集到一个批次中，然后 执行而无需与用户发生进一步的交互。 在批处理系统中，驻留在海量存储器中的作业在作 业队列 （job queue ) 里等待执行（见图 3-1)。 队列 （ queue ) 是一种存储机构，对象（这里指作业）按照 FIFO ( first - in , first - out , 先进 先出）的方式在队列里排队。也就是说，对象的出列顺序和入列顺序一致。实际上，大多数作 业队列不是严格遵循 FIFO 结构的，主要是因为大多数操作系统都考虑了作业的优先级，结果就 造成了在队列中等待的作业有可能被优先级更高的作业挤掉。 作业：程序、 结果 数据和指令 ♦ 用户域 机器域 图 3-1 批处理 在早期的批处理系统中，每个作业都伴随着一组指令，用来说明为这个特定的作业准备机 器时所需的步骤。这些指令用作业控制语言 （ JCL ) 进行编码，与作业一起存放在作业队列里。 当一个作业被选中执行时，操作系统在打印机上打印出这些指令以便计算机操作员阅读和遵照 执行。在今天，计算机操作员与操作系统之间的通信仍然存在，如报告“磁盘驱动不可访问” 和“打印机没有响应”之类的错误的 PC 操作系统。 在计算机和用户之间，用计算机操作员作为媒介的最大缺 点是： 作业一旦提交给操作员， 用户就与它无法交互。这种方法对于某些应用是可以接受的，如工资表的处理，因为在这里， 数据与所有的处理决策事先已经建立了。然而，当在一个程序的执行期间，用户必须与该程序 进行交互时，这种方法就无法让人接受了。例如，在预订系统中，预订和取消操作必须及时报 告； 在字处理系统中，文档是以动态的写入和重写方式开 发的； 在计算机游戏中，与计算机的 交互性是游戏的主要特征。 为了适应这些需求，人们幵发了新的操作系统，它们允许执行一个程序来通过远程终端与 用户对话~ 这种特性称 为交互式处理 （interactive processing ) (见图3-2)。一个终端只不过是 一台电子打字机，通过电子打字机用户能够进行输入并且读出那些打印在纸上的计算机响应。 当今的终端已经演变成称为工作站的设备（这些设备更为精细复杂），而且在必要时甚至还可以 是一台完全独立运行的完整个人电脑^： 成功交互式处理的最重要之处在于，计算机的动作能够足够快速地协调用户的需求，而不 是让用户遵循计算机的时间表。（在进行工资表的处理时，计算机能够根据所需的时间量调度得 很好，但是在使用字处理程序时，如果机器不能敏捷地对字符的打印作出响应，用户会很沮丧。） 3.1 操作系统的历史 81 从某种意义上说，计算机在一个限期内被强制执行任务，这一过程就是众所周知的实 时处理 ( real-time processing ) ,并且动作的完成也是按实时方式发生的。也就是说，要是说计算机以实 时的方式完成一个任务，就意味着计算机完成任务的速度足以跟上该任务所在的外部（现实世 界）环境中的行为。 用户域 :::. i ... 机器域' 图 3-2 程序、数据、指令和结果 交互式处理 如果要求交互式系统一次只服务于一个用户，那么实时处理就不存在问题了。但是在20世 纪六七十年代，计算机比较昂贵，因此每台计算机不得不服务于多个用户。因此，工作在终端 的若干个用户在同一时间寻求一台机器的交互式服务，并且对实时的要求出现障碍就不足为奇 了。如果操作系统对于多用户环境仍然坚持一次执行一个作业，那么将只有一个用户可接受到 满意的实时服务。 针对这个问题的解决方案就是设计能同时给多个用户提供服务的操作系统，这一特点称为 分时 （ time - sharing )。 实现分时的一种方法就是应用称为 多道程序设计 ( multiprogramming ) 的 技术，其中时间被分割成时间片，每个作业的执行被限制为每次仅一个时间片。在每个时间片 结束时，当前的作业暂时放弃执行，允许另一个作业在下一个时间片里执行。通过;这种方法可 以快速地在各个作业之间进行切换，形成了若干个作业同时执行的假象。依据所执行的作业的 类型，早期的分时系统能够同时为多达30个用户提供可接受的实时服务。今天，多道程序设计 既可用于单用户系统，也可以用于多用户系统，前者通常称为 多任务 （ multitasking )。 也就是说， 分时指的是多个用户共享对同一计算机的访问，而多任务指的是一个用户同时执行多个任务。 随着多用户的发展，分时操作系统作为一种典型配置，被用在大型的中央计算机上，用来 连接大量的工作站。通过这些工作站，用户能够从机房外面直接与计算机进行通信，而不用把 请求递交给计算机操作员。通常把常用的程序存储在计算机的海量存储设备上，然后通过操作 系统来响应工作站的请求并执行这些程序。这样，作为计算机与用户中间媒介的计算机操作员 作用就不那么明显了。 到今天，特别是在个人计算机领域，计算机用户已经能够承担计算机操作的所有职责。因此， 计算机操作员在事实上已经不存在了，即使大型计算机系统，其运行也基本上无须人工参与。 事实上，传统的计算机操作员已经让位于系统管理员，系统管理员管理计算机系统，获得和监 控计算机新设备和软件的安装，实施一些本地的规则，例如建立新的账号、为不同的用户划分一 定的存储容量、协调用户一起解决系统中出现的问题，这样就比纯手工方式操作计算机要好得多。 总之，操作系统已经从简单的一次获取和执行一个程序发展为能够分时处理，能够管理计 算机海量存储设备上的程序和数据文件，并能直接响应计算机用户请求的复杂系统。 但是，计算机操作系统的发展仍在继续。多处理器机器的发展已经让操作系统能够进行分 时/多任务处理，操作系统把不同的任务分配给不同的处理器进行处理，以及采用分时机制共 享单个处理器。这些操作系统必须处理负 载平衡 (load balancing , 动态地把任务分配给各个处 理器， 使得所有处理器都得到有效的利用） 和均分 （ scaling , 把大的任务划分为若干个子任务， 并与可用的处理器数目相适应）问题。 . 此外，计算机网络的出现（相距很远的大量计算机连接在一起)使得有必要发展相应的软 件系统来规范网络的行为。计算机网络领域（我们将在第4章学习这部分内容）在许多方面拓展 了操作系统这个学科，其目标是跨多个用户和计算机（而非单一的、孤立的计算机）管理资源。 操作系统的另一个研究方向侧重专用于特定任务的设备，如医疗设备、车载电子设备、家 用电器、手机或其他手持电脑。这些设备中的计算机系统称为嵌入 式系统 （embedded system )。 嵌入式操作系统通常能够节省电池电量、满足严格的实时截止时间，或在只有很少或完全没有 人为监管的情况下连续工作。在这些努力中，有代表性的成功系 统有： VxWORKS , 它由 Wind River 系统公司开发，在称为“精神和机会”的火星探索旅程中也发挥了 作用； Windows CE (* 就是众所周知的 PocketPC )， 它由微软开发； PalmOS , 它由 PalmSource 公司开发，主要用在手 持设备上。 。二/夺秕的功愈赛来 ㈣ 雖知 V : _挣单_蹲#峰锋冬，钵能拔决本興.篆辱 见的智 肩賴」 (::辨^如 im /: ■砑用#麟武獨 . 棄成多;每私衿筒而 ； 言^ :鬼可蜂參务心此々:贅能等私需滅 麵:的 攝作: h 系疏，: :不权 廟叙爹 理奏 降知知魏七批福 (♦: 资滅 r 疼要式持选威增承_言廳等:舜土角赛件智 ;以:皋择.衿舞静等 娜鱗: 奔_ ; 赛巍嘮总秦赛赛:幸 - ' J ■*■ F ,H J - H Lj l ■，’ ' -F I ： k II 1 , , 1 1 M 'L L L ' ， 卜， L - I I , -...a ， u,..i: : ; .u. d..r .-■；,-：.!.■.■'； ；■ ：；：：■ .:;.^u::-:).... ：'- ; '^-；v : 部 ：.：■：：■：：：；-!；:： i ： :：：： ：!■；-：. .：：：:；：!：： ■；： 1 ： ■-.：：■； :■::: -：,,!■：：■ ：：■,：.：■：；: 卜 ■; ； ■, ； ; ： ' ： " : 0 ^ ; i -；； ■'. .: _. ， i\. 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P . :: '； 萍 I 裔義選和忠：:彳遽 ti 袭:1邊韶 hi 烧!彳_驾法找&訖彳皂漢 B.?..:. : :::.;. 6 :.;;.:把汔I:;;;1： : : : ：：；：：41'： ■；!：■：'■ "Ur ： ■：： 攀 _._ 樣____||||___ : ^^___|迦 更多有关 Linux 的知识。 3.2.2 操作系统组件 现在，我们把注意力集中在操作系统领域内的组件上。为了完成计算机用户请求的动作， 操作系统必须能够与这些用户进行通信。操作系统负责处理这种通信的部分通常称为用 户界面 (user interface )。 老式的用户界面称为 shell ， 通过键盘和显示屏用文本信息与用户通信。更现代 化的系统利用 GUI (Graphical User Interface , 图形用户界面）实现与用户的通信，其中操作的 对象（如文件和程序）被表示为显示屏上的图标 （ icon )。 这些系统允许用户使用某种常用的输 入设备发出命令。例如，有一个或多个按钮的计算机鼠标可用来单击或拖曳屏幕上的图标。另 外，平面设计师或某些类型的手持设备常使用专用的指示设备或手写笔代替鼠标来操作图标。 最近，高密度触摸屏的进步使得用户可以直接用手指操作图标。当今的 GUI 使用二维图像投影 系统，三维立体界面允许用户通过 3 D 投影系统、知觉设备和环绕音频再生系统与计算机进行通 信，它是当前研究的课题。 虽然操作系统的用户界面在实现计算机的功能上扮演了重要的角色，但它仅仅是用户与操 作系统内核之间的一个接口而已（见图3-4)。用户界面与操作系统内部之间的区别的呈现是因 为这样一个事实，即一些操作系统允许特定用户从各种界面中选择最合适的界面为自己服务。 例如， UNIX 操作系统的用户就可以选择不同的 shell ， 包括 Bourne shell、C shell 和 Kom shell ， 以 及称为 Xll 的 GUTL 最早的 Microsoft Windows 是一个 GUI 应用程序，可以通过 MS - DOS 操作系统 的 shell 命令加载。在最新版 Windows 中，人们仍可看见作为实用程序存在的 DOS shell cmd . exe ， 但非专业用户几乎完全不需要使用这一界面。类似地，苹果公司的 OS X 保留了一个 Terminal 实 用软件 （utility shell ), 它承袭了系统的 UNIX shell 。 用户 夺 t 基 令 图 3-4 作为用户和操作系统内核之间中介的用户界面 3.2 操作系统的体系结构 85 今天的 GUI shell 中的重要组件是窗口管理程序 （window manager )， 该程序在屏幕上分配若 干块（称为窗口的区域），并且跟踪与每个窗口相联系的应用程序。当一个应用程序想在屏幕上 显示图像时，它就会通知窗口管理程序，窗口管理程序就会把图像放在分配给该应用程序的窗 口里。然后，当单击鼠标时，窗口管理程序计算鼠标在屏幕上的位置，并把这个鼠标动作通知 给相应的应用程序。窗口管理程序负责生成 GUI 样式，且大多数管理程序会提供一系列配置选项。 Lhmx 用户甚至可以选择窗口管理程序，常用的选项包括 KDE 和 Gnome 。 与操作系统的用户界面相对，我们把操作系统内部的部分称为内核 （ kernel )。 操作系统的 内核包含一些完成计算机安装所要求的极基本功能的软件组件。其中一个组件是文件管理程序 (file manager), 它的工作是协调计算机海量存储器设施的使用。更准确地说，文件管理程序维 护着存储在海量存储器上的所有文件的记录，包括每个文件的位置、哪些用户有权访问各种文 件以及海量存储器里的哪部分可以用来建立新文件或扩充现有文件。这些记录被存放在单独的 包含相关文件的存储介质中，这样，每次存储介质启动时，文件管理程序就能够检索相关的文 件，进而就能知道特定的存储介质中存放的是什么。 为了方便计算机用户，大多数文件管理程序都允许把若干个文件组织在一起，放在目录 ( directory ) 或文件夹 （ folder ) 里。这种方法允许用户将自己的文件依据用途划分，把相关的文 件放在同一个目录里。 一 个目录可以包含称为子目录的其他目录，这样就可以构建层次化的目 录结构。例如，用户可以创建一个名为 MyRecords 的目录，它又包含了名为 FinancialRecords 、 MedicalRecords 和 HouseHoldRecords 的3个子目录。每个子目录中都会有属于该范畴的文件。 ( Windows 操作系统的用户能通过执行 Windows 资源管理器程序，让文件管理程序显示当前所有 的目录结构。） ’ 一条由目录内的目录所组成的链称为目录路径 （directory path )。 路径通常是这样表 示的： 列出沿该路径的目录，然后用斜杠分隔它们。例如，路径 animals / prehistoric/dinosaurs 表示 的是： 该路径是从目录名为 animals 的目录开始的，经过名为 prehistoric 的子目录，终止于名为 dinosaurs 的子目录。（对于 Windows 用户而言，目录路径是用反斜杠表示的， Manimals \ prehistoric \ dinosaurs 。） 其他软件实体对文件的任何访问都是由文件管理程序来实现的。该访问过程是这样开始的， 先通过一个称为打开文件的过程来请求文件管理程序授权访问该文件，如果文件管理程序批准 了该访问请求，那么它就会提供查找和操控该文件所需的信息。 内核的另外一个组件是一组设备驱动程序 （device driver ). 它们是负责与控制器（有时直 接与外围设备）通信，以操作连接到计算机的外围设备的软件组件。每个设备驱动程序都是专 门为特定类型的设备 C 如打印机、磁盘驱动器和显示器等）设计的，它把一般的请求翻译为这 种设备（分配给这个驱动程序的设备）所需要的更富技术性的步骤。例如，打印机的设备驱动 程序包含的软件能够读取和解码特定打印机的状态字，而且还能够处理其他一些信息交换的细 节。这样，其他软件组件就没有必要为了打印一个文件处理这些技术细节，而只需要运用设备 驱动程序软件完成打印文件的任务，技术细节交由设备驱动程序处理。按照这种方式，其他软 件组件的设计可以独立于具体设备特有的特征。这样做的结果是，一个普通的操作系统能够使 用一些特殊外围设备，我们只要安装合适的设备驱动程序即可。 在操作系统的内核中，还有一个组件就是内存管理程序 （ memorymanager ), 它担负着协调 和管理计算机使用主存储器的任务 a 在计算机一次仅执行一个任务的环境中，这些工作就比较 简单了。这些情况下，执行当前任务的程序放在主存储器中已经定义好的位置上执行，然后被 执行下一个任务的程序替换。然而，在多用户和多任务的环境下，要求计算机在同一时刻能够 处理多个需求，这时内存管理程序的职责就扩展了。在这些情况下，许多程序和数据块必须同 时驻留在内存里。因此，内存管理程序必须找到并给这些需求分配内存空间，并且要保证每个 86 第 3 章操作系统 _ 程序只能限制在程序所分配的内存空间内运行。此外，随着不同活动的需求进出内存，内存管 理程序必须能跟踪那些不再被占用的内存区域。 当所需的总内存空间超过该计算机实际所能提供的可用内存空间时，内存管理程序的任务 会更复杂。在这种情况下，内存管理程序在内存与海量存储器之间来回切换程序和数据[称为 页面调度 ( paging )], 这样就造成了有额外内存空间的假象。例如，假设需要一块8 GB 的内存空 间， 但是计算机所能提供的只有 4 GB 。 为了 造成具有更大内存的假象，内存管理程序在磁盘上 预留了4 GB 的存储空间。在这块存储区域里，将记录内存实际容量有8 GB 时本应存储在内存中 的位模式。这块数据区被分成大小一致的存储单元，该存储单元称 为页面 （ page )， 典型的页面 大小只有几千字节。于是，内存管理程序就在主存和海量存储器之间来回切换这些 页面。 这样， 在任何给定的时间内，我们所需的页面都会出现在4 GB 的内存之中，最后的结果是计算机能够 像确实拥有8 GB 内存一样工作。这块由分页技术所产生的大的“虚构的”内存空间称作 虚拟内 存 (virtual memory ) 0 另夕 h 在操作系统内核中 还有调度程序 ( scheduler ) 和分派程序 ( dispatcher ) 这两个组件， 我们将在下一节介绍。在此，我们只需注意，在多道程序设计系统中调度程序决定哪些活动是 可以执行的，而分派程序控制给这些活动的时间分配。 3.2.3 系统启动 我们已经可以看出，操作系统提供了其他软件组件所需的软件基础设施，但是我们还没有 细想操作系统本身是如何启动的。这是通过一个称为引导 （boot strapping , 简称为 booting ) 的 过程实现的，这个过程是由计算机在每次启动的时候完成的。正是这个过程把操作系统从海量 存储器（它永久存放的地方）传送到主存储器（在开机时，内存实际上是空的）中。为了理解 启动过程和必须有启动过程的原因，我们先来考察计算机的 CPU 。 CPU 的设计使得每次启动时，程序计数器都从事先确定的特定地址开始。 CPU 就在这个地 址上期望能找到程序要执行的第一条指令。从概念上讲，只需在这个地址上存储操作系统。然 而，从技术上讲，计算机的主存通常是采用易失性技术制造的，当计算机关闭时，也就意味着 存储在内存上的数据会丢失。因此，在每次重启计算机的时候，我们就需要一种重新填充主存 的方法。 简言之，当计算机首次打开时，我们需要在主存储器中有一个程序（最好是操作系统），但 是每次关机后，计算机的易失性存储器都会被檫除。为了解决这个两难问题，计算机的一小部 分主存储器就用非易失性存储单元建造，而这地方正是 CPU 期望找到初始程序的地方。由于这 种存储器的内容可以读取，但不可以改变，因而被称为只读 存储器 （ ROM )。 打个比方，虽然 所使用的技术是更先进的，但我们可以把在 ROM 中存储位模式想象成熔断微小的保险丝（熔断 的表示1，未熔断的表示0)。更确切地说，如今个人电脑中大多数的 ROM 是用闪存技术构建的 (即不是严格意义上的 ROM , 因为它可以在特定情况下被改变）。 在一般的电脑中， 引导程序 （boot loader ) 被永久存储在机器的 ROM 中。这样，在计算机 开机的时候将最先执行这个程序。引导程序的任务是引导 CPU 把操作系统从海量存储器中预先 定义的位置调入主存的易失性存储区（如图3-5)。现代的引导装载程序可以复制各种位置的操 作系统到主存储器。例如，在嵌入式系统如智能手机中，操作系统是从闪存（非易失性存储 器）复 制的； 在大型公司或大学的小型工作站上，可能要通过网络从远程机器上复制操作系 统。 一旦操作系统被放入主存，引导程序就引导 CPU 执行跳转指令，转到这个存储区。这时， 操作系统接管并开始控制计算机的活动。执行引导程序和启动操作系统的整个过程称作启动 ( booting ) 计算机 Q 3.2 操作系统的体系结构 87 主存储器 引导程序 1 易失存一 储 g 磁盘存储器 操作系统 步骤1:机器由执行已在存储器中的引导程序开 始启动。操作系统存放在海量存储器中 图 3-5 ROM 主存储器 操作系统 易失存储区一 磁盘存储器 _ 操作系统 步骤2:引导程序把操作系统传送到主存储器中, 并把控制权交给它 引导过程 除了引导程序外， PC 机的只读存储器还包括了一组例行程 序，， 用-于实现恭本的输入/输 出濟嘩，命从键盘上接峰信惠、把偉息，暮示在计算机的畢幕 J;， 以4从—囊華雜葬^读輿据 等。因为存放在#易失性存4器 ( 如 FlasURdM) 中，所以逵些例行輕屬并不 i 本变地 In 化到 机器的座片（硬件）中，也不像海量存嫜中的其他程序（软件）那样随时可被更政。人们创 造了固件 （firmwate) 这个词来描述这一 “中间_带' 固件例行程序可以被引等程序使用， 以便在揲作系统开始工作前完成 I / O 活动。例如，噹们会在引导过程真正开始前，用于 与计算 机用户通信，并在引导期间提交错误掖告。得到广泛使用的固件 系统包 括 PC 中一直 使用的 綱麵； _ 義麵 • 囊鬚: 许多嵌入式设备的 CFE ( Common Firmware Environment , 通用固件环境)。 你也许在想，为什么台式计算机不提供足够的 ROM 来装载整个操作系统呢，这样从海量存 储器来引导启动就没有必要了。虽然对于使用小型操作系统的嵌入式系统而言这是可行的，但 就当今的技术而言，把通用计算机的大块主存专用于非易失性的存储，效率就不高了。另一方 面，计算机操作系统要频繁地进行更新，以确保安全并与最新硬件改良了的新设备驱动程序同 步。虽然也有可能去更新存储在 ROM 中的操作系统和引导装载程序^■通常称为固 件更新 ( firmwareupdate ), 但技术上的限制使得海量存储器成为了较传统的计算机系统的最普遍选择。 最后，我们要指出，理解引导过程以及操作系统、实用软件和应用软件之间的区别，能帮 助我们更好地领会大多数通用计算机系统操作的运行方法。当这样的计算机第一次开机时，引 导过程装入并激活操作系统，然后用户向操作系统提出请求，执行实用软件或应用程序。当实 用软件或应用程序终止时，用户再次获得与操作系统的联系，这时用户能提出另一次请求。因 此，学习使用这样的系统是一个双层过程，除了学习指定实用软件或期望的应用程序的细节之 外，还必须学习足够多的关于计算机操作系统的知识，以便能游刃有余地切换应用程序。 问题与_习 1. 列举與型操作系统的组件，并用一句话概括每个组件的作用。 ：2.. 应用_与实用软件之间的区别是什么？ . ， 3,. 什么 是虚拟 存储器 ' ■ •: ! ' •："：' ^ ';：：:：:： : .• :；••'：. ：.： - ' '； : i ! : , i : ' .：■ W . ;; L ;. :4.槭速.議^程 6 1 88 第 3 章操作系统 岁谷丁::名茂纪啦;;饮印财: i 扣嫩如 3.3 协调机器的活动 U 扪; 卜.:11功(.设::_料：1故扣:娜功 ty ：!^ 肿:蛛;似 ii 乃娜!^:出郎然5^&料挪:£^令:: 二 4!: 們祇叫 Whr i ^^ r ： 托 本节我们讨论操作系统如何协调应用软件、实用软件以及操作系统自身内部单元的执行。 首先，从进程的概念开始。 3.3.1 进程的概念 现代操作系统的一个最基本概念就是程序与执行程序的活动之间的区别。前者是一组静态 的指令，而后者是一个动态的活动，其属性会随着时间的推进而改变。（我们可以把程序想象成 静静夹在架子上的一页乐谱，而把活动想象成演奏这段音乐的音乐家。）在操作系统的控制下执 行某个程序的活动称为进程 （ process )。 与进程联系在一起的活动的当前状态称为进程状态 (process state ) 0 这个状态包含正在执行的程序的当前位置（程序计数器的值)、 CPU 中其他寄存 器的值以及相关的存储单元。大约说来，进程状态就是机器在特定时刻的 快照。 在程序执行期 间的不同时刻（一个进程中的不同时刻），将观察到不同的快照（不同的进程 状态乂 与音乐家一次仅尝试演奏一份音乐作品不同，在典型的分时/多任务计算机中通常会有许多 进程同时在执行并竞争计算机资源。操作系统的任务就是管理这些进程，使每个进程都能获得 其需要的计算机资源（外围设备、主存空间、访问文件以及访问 CPU ), 确保独立进程不会相互 干扰，确保需要交换信息的进程能够进行信息交换。 3.3.2 进程管理 与协调进程的执行有关的任务是由操作系统内核中的调度程序和分派程序处理的。调度程 序维护一个有关计算机系统中现存进程的记录（也就是进程池），将新的进程加入到该进程池中， 并把已经完成的进程移出进程池。这样，当用户请求执行一个应用时，调度程序就把这个应用 加到当前进程池加以执行。 为了跟踪所有的进程，调度程序在主存中维护着一个信息块，称为进程表 （process table )。 每当要请求程序执行时，调度程序都在进程表中为该程序创建一个新的表项。这个表项包含有 如分配给该进程的存储区（从内存管理程序得到）、进程的优先级以及该进程是处于就绪状态还 是等待状态这样的信息。如果进程能够继续执行，那么该进程就处于就绪 （ ready ) 状态； 如果 进程因为要等待某个外部事件的发生而中断，例如海量存储操作的完成、等待键盘的按键以及 等待其他进程传来的消息等，那么该进程就处于等待 （ waiting ) 状态。 分派程序是内核的一个组件，它确保被调度的进程能实际执行。在分时/多任务系统中，这 个任务是依靠多道程序设计 （ multiprogramming ) 来完成的，也就是说，先将时间划分为小的时 间段，每段称为一个时间片 （time slice )， 通常毫秒或微秒计量，然后把 CPU 的注意力放在就绪 进程上，允许每个进程一次执行一个时间片（参见图3-6)。这种从一个进程到另一个进程的改 变过程称为进程切换 (process switch ) 或进程上下文切换 （context switch ) 。 每次分派程序给进程分配一个时间片，它都会初始化一个计时器电路，通过产生一个中断 ( interrupt ) 信号来指示时间片的结束。 CPU 对中断信号的响应方法就如同你被一个任务打断时 的应对方法，你停止当时正在做的工作，记录当时任务进展的位置（这样就能在以后返回到被 中断工作的接续位置），然后处理中断事件。当 CPU 收到一个中断信号时，它会完成当前的机器 周期，保存它在当前进程中的位置，然后就幵始执行称为中断处理程序 （interrupt handler ) 的 程序，该程序存放在主存中的预先定义的位置上。中断处理程序是分派程序的一部分，它用来 描述分派程序如何响应中断信号。 3.3 协调机器的活动 89 时间轴4 时间片 时间片 时间片 时间片 图 3-6 进程 A 与进程 B 之间的多道程序设计 ' 4 .■ X: 1 ? ^ / : 1.:, -V . -J : - J-, W . 1 乂 史： -- f , -V:__ •, u 八 觀讎:.聽號雜 ㉗ P 啡喊翁_ 攀,;銜, _ "■ ~^- _ T * JV , ；.： ，十 a ， 敏 •■. :-十;久 7.’ 1 ’ 中断是用来终止时间片的，正如本文中所描述的一样，这只是计算机中断系统中众多应 用中的一个。有许多可以 产生中 断信号的环境，每个都有自己的中断刼程 5 事卖上，中断为 协调计算机的活动与相关环境提供了一个重要的工具。例如，单击鼠标和按下键盘中的一个 按键都能产生一个中断信号，这样就能使 CPU 放下正在处理的工作，转而去解决中断。 为了管理识别和响应中断的任务，不同的中斯信号被赋予了不同的优先级，这样一来， 最重要的任务最袭餐到关洚。最高级别的中新通常与电源故障有关，義计算机电源意外中新 而产生的中断信号等。然后，::在几毫秒时间 内:， 与之相关的:中斯衅理■癌赶在电具_;不儀:; ，::”邋 雜截献: 家奢溱 S :::的繁杂— . J ::: ：,::嘯 I :::: . :^； vi ! " 于是，中断信号的作用就是取代当前进程，将控制权传回分派程序。此时，分派程序从进 程表的就绪队列（由调度程序决定）中选择优先级最高的进程，重启计时器电路，使被选择的 进程开始它的时间片加以执行。 多道程序设计系统能够成功的最大关键是能够停止进程，并且稍后能重启进程。如果你在 读一本书的时候被打断了，那么你能否在稍后继续阅读就依赖于你是否记得中断时读到的位置， 以及你是否记得那个位置之前的内容。简而言之，你必须能够重新建立起中断前所在的那个 环境。 在一个进程的情况下，必须重新建立的环境就是进程的状态。回想一下，这个状态包括程 序计数器的值以及寄存器和相关存储单元的值。在为多道程序设计系统开发的 CPU 中，保存这 种信息的任务是 CPU 应对中断信号的工作的一部分。这类 CPU 还提供机器语言指令，以重新装 入先前保存的状态。这种特性简化了分派程序完成进程切换的任务，它也例证了现代的 CPU 设 计是如何受当今操作系统的需求影响的。 最后，我们应当注意到，多道程序设计是为了提高计算机总体效率的。这有点违反常理， 因为多道程序设计要对进程来回切换，因而会产生一定的开销。但是，如果没有多道程序设计 处理技术，那么每个进程在下一个进程开始之前完成执行，这也就意味着进程等待外围设备来 完成任务，或者用户发出下一个请求的时间被浪费了。多道程序设计技术可以把这些丢失的时 间给其他进程。例如，如果一个进程执行 I / O 请求，如向磁盘提出读 数据请 求，那么调度程序就 会更新进程表来反映出这个进程正在等待外部事件。结果是，分派程序将不再给该进程分配肘 间片。之后（也许是几百毫秒），当 I / O 请求完成时，调度程序将会更新进程表来显示该进程处 于就绪状态，这样这个进程就可以重新竞争时间片了。简而言之，当正在执行 I / O 请求时，程序 90 第 3 章操作系统 可以执行其他的任务，因此一组任务的完成时间要比按照顺序方式执行所花的时间少。 1 _ 概述程序和进程的差别。 # 顧雄在中職出■时 r 寒壳成 哪些捩 零 ， m 3. 在多遒程序设计^中，如何能_优先级的进程运行得比其他进程杂？ 4. 在一个多道程序设计系统里，如果每个时间片是 SO ms ， 每次上下文切換所花费的时间最多是1妒，那 么计算机在1 s 内爾_斟务學多少剩: V 二 5. 在练习4中，如果每个擊程都完全使用了它的时间片，那么实际花费在进程执行上的时间占整个机器 :时间撖比侧是多少？如果每个迸程在它的时间片后的$邮执行 I / O 请求，，那么这•比倒又是多少？ *3.4 处理进程间的竞争 操作系统的一个重要任务就是将机器的各种资源分配给系统中的各个进程 。 从广义.匕讲， 我们所用的资源 （ resource ) 这个术语，不仅包括机器的外围设备，还包括机器本身的特性。文 件管理程序分配对文件的访问并为新建立的文件分配磁盘空间，内存管理程序分配内存空间， 调度程序分配进程表的空间，分派程序分配时间片。正如计算机系统里的许多问题一样，这种 分配任务表面上看起来很简单，但实际上，对于没有设计好的操作系统，几个微小的错误将导 致系统的故障。要记住，计算机不会自己思考，它仅仅是遵照指令办事。因此，为了构建一个可 靠的操作系统，我们必须设计算法以克服各种可能出现的意外情况，不管它出现的概率有多小。 3.4.1 信号量 考虑一个分时/多任务操作系统，它控制只有一台打印机的计算机的活动。如果一个进程要 求打印结果，那么它必须向操作系统提出请求，要求访问打印机设备的驱动程序。这个时候， 操作系统必须根据该打印机是否被其他的进程占用来决定是否批准这个请求。如果没有被占用， 那么操作系统应该批准这个请求，并允许该进程继续 执行； 否则，操作系统应当拒绝这个请求， 也许把这个进程归类为等待进程，直到打印机可用为止。如果有两个进程同时获得对打印机的 访问权，那么结果对两者都是不可取的。 雜 通过执行任务管理器藏个应用程释可以对微软 Wi 3 jdQ \^ s 無作系统的内部活动获得深 刻刼 f 解。（同时按下 Ctrl 、 Alt ^ Delete^c ) 特另11地，遒过选#任务誊瑄器窗口的进程标签， 你可以看到进程表。在此，:你可以体验 一下： 在激活任何症用程序之前,，看一下进程表^ (你 也坪会惊讶地发现表中已鉍#如此多的进释，它们 对于糸 統的基本应用都是必不可少 的二） - 现在激 活一个应用，并且确认一个新进 程色经 进入到表中。你将还能够着到分配给进程的 存储冢.間:量為 . 攀'..泰 I •!：：；•• ii:.::..-:.. - ' ••：••： : .：•:：：•• ：•：：: i 1 •：• : •: ... .. .... ..i •- .. 为了控制对打印机的访问，操作系统必须跟踪打印机是否已经被分配。解决这个任务的一 种方法是使用一个标志。在这里，它指存储器中的一个位，其状态通常是指置位 （ set ) 和清零 ( clear ), 而不是1和0。清零标志（值为 0) 表示打印机可用，置位标志（值为 1) 表示打印机当 前已经分配出去了。表面上看，这种方法似乎可行。每次访问打印机的一个请求到来时，操作 系统要做的工作仅仅是检查这个标志位。如果是清零标志位，那么操作系统就批准该请求，同 *3.4 处理进程间的竞争 91 时将标志位进行置位。如果标志位已经置位，操作系统就将提出请求的进程放入等待队列中。 每当一个进程完成了访问打印机的任务，操作系统要么将打印机分配给一个等待进程，要么在 没有等待进程时，将这个标志清零。 然而，这个简单的标志系统还是有个问题。测试和可能有的标志置位任务也许需要几条机 器指令。（从主存得到标志的值，在 CPU 中操控，最终写回主存。）因此，在检测到清零标志之 后和标志被置位之前，这个任务有可能被中断。具体而言，假设这个打印机当前是可用的，且 一个进程请求它的使用权，标志从主存中找到，而且发现它已清零，表示该打印机可用。但是, 在这个时候这个进程被中断了，另一个进程开始了它的时间片，它也请求打印机的使用权。于 是再一次从主存检索标志，仍发现它是清零的。因为前一个进程在操作系统要求从主存置位标 志之前被中断了。因此，操作系统允许第二个进程使用打印机。过后，第一个进程在它被中断 的地方恢复执行，那个地方正是操作系统发现标志是清零的地方。于是，操作系统继续对主存 中的标志置位并允许第一个进程访问打印机。现在，这两个进程在使用同一台打印机。 这个问题的解决办法就是，要坚持让测试和可能有的标志置位任务必须在没有中断的条件 下完成。一种方法是使用大多数机器语言都提供的中断屏蔽指令和中断允许指令。在执行时， 中断屏蔽指令使未来的中断被锁定，而中断允许指令则使 CPU 恢复对中断信号的响应。于是， 如果操作系统用中断屏蔽指令开始一个标志测试例程，并以中断允许指令结束，那么该例程一 旦开始就不会有其他活动中断它。 另一种方法是使用测试 并置位 ( test - and - set ) 指令，它在许多机器语言里可用。这条指令要 求 CPU 检索一个标志的值，记住它，然后置位该标志，所有工作都在一条机器指令内完成。它 的优点是，因为 CPU 在辨认一个中断之前必须完成当前的指令，所以测试任务和标志置位作为 一条指令实现时不可能被分割。 刚才描述的一个正确实现的标志称为 信号量 ( semaphore ), 它源自于控制轨道区段使用的 铁路信号灯。事实上，信号量在软件系统里的用法与信号灯在铁路系统里的用法是一样的。就 像一个轨道区间一次只能有一列列车， 一 段指令一次也只被一个进程执行。这样一段指令称为 临界区 （critical region )。 一个临界区一次只允许被一个进程执行，这个要求称 为互斥 （mutual exclusion ) o 概括地说，获得对一个临界区的互斥的常用办法是用一个信号量守护这个临界区。 一个进程要进这个临界区，必须确定这个信号量是清零的，并在进入临界区之前把它置位，然 后在出临界区时把这个信号量清零。如果发现这个信号量在置位状态，那么试图进入临界区的 进程必须等待，直到这个信号量被清零。 3.4.2 死锁 在资源分配中可能发生的另一个问题 是死锁 （ deadlock )。 在死锁状态下，两个或更多的进 程被阻塞，不能执行，因为它们中的每一个都在等待已分配给另一个的资源。例如，一个进程 可能已有对打印机的访问权，同时它还在等待访问计算机的 CD 播放器，而另一个进程有 CD 播 放器的访问权，却在等待访问打印机。另一个例子出现在允许进程创建新的进程[这种活动在 UNIX 术语中称 为创建子进程 （ forking )] 来完成子任务的系统里。如果调度程序因为进程表没 有空间而无法创建新的进程，同时系统里的每个进程又都必须创建额外的进程才能完成任务， 那么没有一个进程可以继续。这种条件下（见图 3-7) 严重降低了系统的性能. 死锁状态的分析已经揭示，只有以下3个条件全部满足它才会出现。 (1) 存在对不可共享资源的竞争。 (2) 这些资源是在不完整的基础上请求的。也就是说， 一 个进程接受了某些资源后，稍后 还将请求其他的资源。 92 第 3 章操作系统 (3) 一个资源一旦被分配出去，就不能以强制的办法再收回。 图 3-7 由于竞争不可共享的铁路区间造成的死锁 分离出这些条件的意义在于，只要努力抑制这三个条件当中的任何一个，就可以避免死锁 问题。一般认为，着力于抑制第三个条件的技术属于死锁检测和改正方案的范畴。在这些情况 下，死锁状态被认为不大容易出现，因而不必特别釆取办法避免死锁，而只是在死锁出现的时 候检测出它，然后通过强制性收回某些己经分配出去的资源来改正它。进程表已满就属于这种 情况。如果死锁是由于进程表满产生的，那么操作系统中的例程（或管理员利用其“超级用户” 的特权）可以移除[专业术语是清除 （ kill )] 某些进程，这将释放进程表的空间，打破死锁并 使得剩下的进程可以继续它们的工作。 着力于抑制前两个条件的技术，一般被称为死锁避免方案。例如，针对第二个条件的一个 方法是要求每个进程一次性请求它所需要的全部资源。另一个技术针对第一个条件，它不是直 接地消除竞争，而是把不可共享的资源转变为可共享的资源。例如，假定出问题的资源是打印 机，各种进程都请求使用它。每当一个进程请求打印机时，操作系统都会批准这个请求。但是， 操作系统不是把这个进程连接到打印机的设备驱动程序上，而是连接到一个“虚构”的设备驱 动程序上，该驱动程序把要打印的信息存放在海量存储器上，而不把它们发送到打印机上。于 是，每个进程都认为它访问了打印机，所以能正常工作。以后，当打印机可用时，操作系统可 以把数据从海量存储器传送到打印机。按照这个方法，操作系统通过建立多个虚构的打印机把 不可共享的资源变成了好像是可共享的。这种保存数据供以后在合适的时候输出的技术称为假 脱机 （ spooling )。 ■ "倖统 命时緣 锋萎系 娩通过 ㈣ 贼过人类 i 知的:速 度蛛速切痍耔 侖外辦请语如行 多个 进程的假象。现代系统继续通过这种方式实现多任务处理，但最新的7多核 CPU 确实能够同时 运行2个、4个或更多个进程。与一组协 W 工作的单核计_不同，一台多核机器包含多个独 立的处理# (称为核） ，七® 共享计算机的外围设备、内存等资源。对辛‘个多核 操作豕 统， 这意味着分旅程序和调度雍序必须考虑在每个核上应该执行哪些进程„ _不同的进程运行 于不同的核上，进程间的处理竞争变得更具有挑战性，因为每当一个进程需要进入临界区时， 所有核上都会禁用中断，但这种做法效率极低。构建能更好适用新的多核环境的操作系统机 制，是计算机科学中比较活跃的研究才向。 3.5 安全性 93 假脱机是一种允许多个进程访问一个公共资源的技术，它可以有许多变体。例如，文件管 理程序可以批准若干个进程访问同一个文件，前提是它们只是从该文件读取数据-如果多个 进程试图同时更改一个文件就会发生 冲突。 于是，文件管理程序可以根据进程的需要分配对文 件的访问权限，允许若干个进程有读访问权，但在任何给定时刻只有一个进程有写访问权。其 他的系统可能把这种文件分成区段，使得不同的进程可以并发地更改文件的不同部分。然而， 其中每一项技术要得到一个可靠的系统，都有一些枝节上的问题亟待解决。例如，当有写访问 权的进程更改了这个文件，如何通知那些只有读访问权的进程呢？ 纖 麵圓議| 讎 L 假荦迸.程 A 和 B 共書同一台机器的时间，并且每个进程都龠要短紂间禮甩同一个不 可共事 的餐源 9 ^彳例: 郊，每个进程可能都打印一系列独立前攀拇吿。 .） 每个 进程輪 重复地無得迳个资泰释碑它， 稍熵又 ' 苒次请求它 e 按賦 TS 讀的方法控制对该资源的访 N 存在什么 缽点？ ' 丼始时,:給一 个标為 鱗予值如果_輕>请求这个资源并直该标:志为4那么就批准蜂个请求，苦则 , 1 使进绛予#待我态 p 如果进程 B 请求这个资蟬并标志为1，,郑么就批准逸个请秦 否谢 使进程 吵于祕状态, • 畢当进轾 A ■完成对这个资源的访问，就把标志变为 U 每会 难稽与完成对逵个赉淼的 2,假定二条双歩邊的擔路在过隧瑋时奋并为一个举 道沩: 了协璃逵#_逭的裤甩,安装:： T 节逨偉号湞统 v 一辆汽车龙论从哪个八口进入隧遗，都舍使釀道入口处上者的—*:森奪 y 舞為_戒牟#斗舞道 ，时 ，，红 . 知舍灭 v 如果一辆到达的汽车发现红灯亮，那么它就要 等待、 直到灭时去年进人隧邊。、 1 这个系统存在什冬问题? 1 \ 1 ^ : 为 十解决 筚疗桥 本两铜 车才目遇的死鳞问题，假设已提出下爾几个解铐穷案。:说+獬决商秦考 4 除 lliilMliilliSillSlliiK：： :||_||___|_________1:議_^ S 國！麗圓着_圍麵議画：:3圍[圓戀 Si 4. 假定我们用圓4表示多道_#设计系雛中的攀丁个进私 A 第_个圆荔到第;I个圓点故窬头泰未第一 个（圆点所 表示的 > 迸-^持（第二个圆点所表示 y 进程16在使角也 乂本無 数学 家把# 到 的这种图称为有向图 (directed grapk) ,有向 ，圈的 什么性彌_掛于操作系璋的知锁间题? 1 rwfi | ijC；'S ! S!iS ! 6li | ：5- i &'« - 3.5 安全性 由于操作系统管理着计算机的活动，很自然，它也在维护安全性方面起了重要的作用。从 完整意义上说，安全性自身也有多种表现形式，可靠性就是其中一种。如果文件管理程序的缺 陷使得一个文件的一部分丢失了，那么这个文件就是不安全的。如果一个分派程序里的缺陷导 致系统故障（通常称为系统崩溃)，使得一小时的打字工作白费了，那么我们会说，产品是不安 全的。因此，计算机系统的安全性需要一个设计完美的可信赖的操作系统。 可靠软件的研发不再受制于操作系统，它贯穿整个软件开发过程。在计算机科学里称为软件 工程，我们将在第7章讨论这个论题。在本节，我们集中讨论与操作系统息息相关的安全性问题。 3.5.1 来自机器外部的攻击 操作系统的一个重要任务就是，保护计算机的资源，防止受到非授权用户的访问。在不同 的人使用计算机的时候，操作系统一般通过为不同的授权用户建立“账户”的方法来标记不同 94 第 3 章操作系统 __ 权限的用户。账户实际上是包含了诸如用户的姓名、登录密码和用户的权限等条目的记录。操 作系统在每个登录 （ login ) 过程中使用这些信息控制他们对系统的访问权限。（登录过程是一系 列事务活动，在这个过程中，用户建立与计算机操作系统的初步联系。） 账 户由超级用户 （ superuser ) 或 管理员 （ administrator ) 创建。在登录过程中通过了操作系 统的管理员身份验证（通常是通过用户名和密码）的用户将享有很高的访问权限。这种联系一 旦建立，管理员就可以更改操作系统的内部设置、修改关键的软件包、调整其他用户访问系统 的权限，进行各种各样一般用户不能进行的活动。 通过这种“高级地位”，管理员能够监视计算机系统中的活动，检测到不管是恶意还是偶然 的破坏行为。为了巩固这种关系，人们开发了大量 称为审计软件 （auditing software ) 的软件实 用程序，来记录和分析发生在计算机系统中的活动。特别地，审计软件可以确定许多试图用错 误的密码登录系统的活动，指示出非授权用户试图获得计算机访问权的行为。审计软件还可以 识别用户账户中与该用户以往行为不一致的活动，这可能表明一个非授权用户访问了这个账户。 (以下这样的事情不太可能 发生： 一个用户，以前仅仅使用文字处理和电子制表软件，然后突然 幵始访问系统的很专业的应用软件，或者试图执行超过其权限范围的实用软件包。） 设计审计软件的另外一个目的是检测嗅 探软件 （sniffing software ) ，这种软件在计算机中运 行时能够记录活动并稍后将之报告给潜在的入侵者。举一个老的但是很有名的例子，如果一个 程序能够模拟操作系统的登录过程，那么这个程序就能被用来欺骗操作系统的授权用户，使他 们认为自己是在和操作系统通信。然而，实际上他们是在和一个冒名顶替者通信，并在将自己 的用户名和密码提供给冒名顶替者。 在所有与计算机安全相关的复杂技术问题上，让很多人感到吃惊的是，计算机系统安全领 域中的主要难题之一就是用户自己的不小心。例如，用户选择的密码相对比较容易猜（如名字 和生日 等）； 告诉朋友自己的 密码； 没有定时更换自己的 密码； 将自己的离线海量存储设备在机 器间来回地转移，这样就潜在地降低了其安 全性； 在计算机系统中安装未经许可的软件，从而 有可能损坏系统的安全性。对于上述问题，大多数使用大量计算机的机构都采用强制的策略， 明文规定用户的需求和职责。 3.5.2 来自机器内部的攻击 一旦入侵者（也可能是怀有恶意的授权用户）获得了系统的访问权限，那么他们下一步的 工作通常是浏览机器，寻找其感兴趣的信息或者是找地方插入破坏性软件。如果一个入侵者获 取了系统的管理员账号，那么上述过程的发生就很自然了，这也是我们为什么要严格保护好管 理员密码的原因。然而，如果是通过普通账号进行访问，那么入侵者必然会欺骗操作系统，以 获得未授予该用户的权限。例如，入侵者会尝试着欺骗内存管理程序，让一个进程访问其被分 配的存储区以外的内存 区域； 或者欺骗文件管理程序，访问本应该无权访问的文件。 今天， CPU 在设计时已经加强了一些功能，能够阻止上面谈到的攻击尝试。举一个例子来 说，我们可以考虑这样一个 需求： 通过内存管理程序，将进程限制在给它分配的内存区域内。 如果没有这样的限制， 一 个进程就能够从内存中覆盖掉操作系统，从而接管对计算机的控制。 考虑这样的一种威胁，为多道程序设计系统设计的 CPUil 常包括若干个专用寄存器，操作系统 可以在这些寄存器中保存分配给一个进程的存储区域的上下界。于是，当执行该进程时 ， CPU 把每个存储器引用与这些寄存器中的值进行比较，以保证该引用在指定的界限之内。如果发现 这个引用在为该进程指定的区域之外， CPU 将自动把控制权交还给操作系统（借助于中断处理）， 这样操作系统可以作出合理的处理。 复习题 95 这个方案中还存在一个小的但很重要的问题。如果没有进一步的安全措施，一个进程还是 能够访问指定区域以外的内存单元，只要改变含有存储区界限的专用寄存器的值即可。也就是 说， 一 个进程想要访问更多的内存区域，它只需要增加存放上界的寄存器的值，然后不需要得 到操作系统的批准，就可以使用这些额外的内存区域。 为了防止这种恶意的活动，将多道程序设计系统的 CPU 设计为工作在两种 特权级 (privilege level ) 之一的模式下。我们将其中之一称为“有特权模式”，而另外一个称为“无特 权模式”。当处在有特权模式下时， CPU 能够用自己的机器语言处理所有的指令，但处在无特 权模式下时，能够接受的指令就是有限的。这种仅在有特权模式下可用的指令，我们 称为特 权指令 （privileged instruction ^ (典型的有特权指 令有： 改变内存界限寄存器的内容的指令和 改变 CPU 当前的特权模式的指令。）当 CPU 处于无特权模式时，任何执行特权指令的企图都 将引起中断。这个中断将 CPU 转变为有特权模式，并将控制权交给操作系统内部的中断处理 程序。 当开机时， CPU 处于有特权模式，因此操作系统在引导过程后开始启动时，所有的指令都 可以执行。然而，每当操作系统允许一个进程开始执行它的时间片时，就通过执行“改变特权 模式”的指令，将 CPU 切换到无特权模式。于是，如果一个进程试图执行有特权指令，操作系 统就会得到通知，这样操作系统就充当了维护计算机系统完整性的角色。 有特权指令和控制特权级别是操作系统维护安全性可用的一个主要工具。然而，使用这些 工具对操作系统设计而言是一项复杂的任务，且在当前的操作系统中，错误还在不断出现。因 此，在特权级别控制中，任何一点疏忽都可能给灾难打开大门，不论是恶意程序引起的，还是 无意中的程序设计错误造成的。如果允许一个进程更改控制多道程序设计系统的计时器，那么 这个进程就能够延长它自己的时间片，甚至控制整个机器。如果允许一个进程直接访问外围设 备，那么它就能不受系统文件管理程序的监管而读取文件。如果允许一个进程访问分配给它的 区域之外的内存单元，那么它就能访问甚至更改由其他进程正在使用的数据。因此，维护计算 机的安全性，既是管理员的一个重要任务，也是操作系统设计的一个目标。 问题与练习 : •:•: ""•：'：•'• : r 1 : rr..:... : : .：• •,'•.••••： ...... . r ： V ' - - ' :; .'：•；. ' : - :'•：••：: , ,•：；••；：•,' , " •' -• .••'••••' '• : ... •' '• : J ： •' :•: :- •: .V："：：,.：- .• •- : :. f -:.r '.：••• : ,.；• ,,； ... 1 . 列举几个密码逸取不好的例子，并说明为计么不好6 ; :: :: 2. 秀特尔奔-系列处逼捧 挺供 4个特权级别，为什么 CPU 的设计 人韻选择捤供4个 特校级 释，而不是3个 ||_顚_議麵 3. 如果多道程序设计系统里的一个进程可以访问分配给它的区域之外的存储#充，3| : 么它 M 样获得该机 . 器的控制权？ - ， - “ y . jl ^ 'VA R 白 :- y . f *',': 复习题 (带*的题目涉及选读小节的内容。） 1. 列出一个典型操作系统的4个活动。 2. 概述批处理和交互式处理的区别。 3. 假设有3个作业 R 、 S 、 T ， 按这个顺序排在一 个作业队 列里； 接着，在第4个作业 X 进入队 列之前，1个作业移出了队列，然后又有1个作 业移出了队列，作业 Y 和作业 Z 排进队列，最 后，按照一次一个作业地顺序移出，使队列变 空。请按移出的顺序列出所有的作业。 4. 嵌入式系统和 PC 的差别是什么？ 5. 什么是多任务操作系统？ 6. 如果你有一台 PC ， 列举它的几个多任务功能 给你带来方便的情形。 96 第 3 章操作系统 7. 根据你所熟悉的计算机系统，列举两个应用软 件组件和两个实用软件组件，然后说明为什么 这样归类。 8. a . 操作系统的用户接口的作用是什么？ b . 操作系统的内核的作用是什么？ 9. 路径 X / Y / Z 描述的是什么目录结构？ 10. 定义橾作系统环境下使用的术语“进程”。 11. 操作系统的进程表里包含什么信息？ 12. 就绪进程和等待进程的差别是什么？ 13. 虚拟存储器和主存储器之间的差别是什么？ 14. 假设某计算机有512 MB 的主存，操作系统要 创建主存两倍大小的页式虚拟内存，页面大小 为 2 KB ， 请问需要多少页？ 15. 在分时/多任务系统里，如果两个进程同时访问 同一个文件，会发生怎样混乱的情况？是否存 在文件管理程序应批准这种请求的情形？是否 存在文件管理程序应拒绝这种请求的情形？ 16. 应用软件和系统软件之间的区别是什么？请 各举一个例子。 17. 定义多处理器体系结构情况下的负载平衡与 均分。 18. 概述引导过程。 19. 为什么说引导过程是必要的？ 20. 如果你有一台 PC , 记录开机时你所观察到的 活动序列。然后确定在引导进程实际开始工作 之前有哪些信息显示在计算机屏幕上？什么 软件写下这些信息？ 21. 假定多道程序设计操作系统分配的时间片是 10毫秒，计算机每纳秒平均执行5条指令，那 么在一个时间片内能执行多少条指令？ 22. 如果一个打字员每分钟能打60个单词（在这里 假设一个单词含5个字符），问每打一个字符 要多久？如果多道程序设计系统分配的时间 片为 10 ms ， 我们忽略进程间切换的时间，问 打一个字符要分配多少时间片？ 23. 假定一个多道程序设计系统分配时间片为 50 ms ， 如果把磁盘的读写磁头定位到所希望 的磁道上通常要花费 8 ms ， 并且磁道上所要的 数据旋转到读写磁头之下通常要17 ms , 那么 等待一个读磁盘操作发生可能要多少个时间 片？如果该机器每纳秒能执行10条指令，那么 在这个等待时间里可以执行多少条指令？（这 就是为什么当一个进程用外围设备完成操作 时，多道程序设计系统终止这个进程的时间 片，让另一个进程运行而让第一个进程等待外 围设备的服务。） 24. 列举一个多任务操作系统必须协调访问的 5 种 资源。 25. 如果一个进程需要执行大量的 I/O 运算则称为 I / O 密集型进程，而如果一个进程由大多数在 CPU / 内存中完成的运算构成则称为计算密集 型进程。如果这两种进程都在等待分配时间 片，请问如何确定它们的优先级？为什么？ 26. 在多道程序设计系统里运行两个进程，如果 它们两个都是 I / O 密集型进程，或者一个是 I/O 密集型进程另一个是计算密集型进程（如上 题所述），那么它们是否能达到较大吞吐量？ 为什么？ 27. 编写一组指令告诉操作系统的分派程序，在一 个时间片用完肘该做什么？ 28. 在进程状态中包含什么信息？ 29. 列出多道程序设计系统中一个进程不会全部 用完分配给它的时间片的情况。 30. 按照时间顺序列出一个进程被中断时发生的 主要事件。 31. 按照你所使用的操作系统回答下列问题。 a . 如何请求操作系统把一个文件从一个地方 复制到另一个地方？ b . 如何请求操作系统显示磁盘上的目录？ c . 如何请求操作系统执行一个程序？ 32. 按照你所使用的操作系统回答下列问题。 a . 操作系统如何限制仅允许已批准用户访问 资源？ b . 如何让操作系统显示当前在进程表里的 进程？ c . 如何告诉操作系统你不想该机器的其他用 户访问你的文件？ *33. 解释许多机器语言里“测试-置位”指令的重 要用法。为什么整个测试-置位过程作为单个 指令实现是重要的？ *34. —个银行家只有 100 000 美元，贷款给两个客 户，每位 50 000 美元。后来这两位客户回了同 样 的话： 他们在能够还贷之前各自还需10 000 美元，以完成与先前贷款有关的商业交易 D 这 个银行家通过从其他地方借来资金来追加给 这两个客户的贷款（提高贷款利率）解决了这 个死锁问题。在死锁的三个条件中，银行家消 除了其中的哪个条件？ *35. 每个想参加本地大学的铁路修建模型 n 课程 的学生，都要得到教师的允许，并且交纳实验 费。这两个要求可以在校园的不同地点办理， 复习题 97 可以按照任意顺序独立完成。注册学生限制为 20名；这个限制由教师和财务处一起掌握，前 者只授权20名学生，后者只收20名学生的费 用。假定这个注册系统有19名学生成功注册了 这一课程，但是最后这个名额有两名学生竞 争——一名仅得到了老师的允许，另一名仅交 纳了费用。下面解决该问题的各个方案中，分 别消除了死锁的3个条件中的哪个？ a . 同意这两名学生都参加该课程。 b . 该班人数降为19人，因此这两名学生都不 能注册该课程。 c . 拒绝这两名竞争的学生，让第三名学生作 为第20名。 d . 注册该课程的要求改为 一个： 交纳费用。于 是交了费用的学生注册成功，另一名被拒绝。 *36. 由于计算机显示屏每块区域一次只能被一个 进程使用（否则屏幕中的图像将难以认清）， 这些由窗口管理程序分配的区域是不可共享 的。为了避免死锁，窗口管理程序应消除死锁 的3个必要条件中的哪一个？ *37. 假设一个计算机系统里不可共享资源分为3 类 ： 1级，2级，3级。其次，假设系统中的每 一个进程都要根据这个类别请求它所需要的 资源。也就是说，它请求2级资源之前必须一 次请求所有必要的1级资源。一旦它得到了 1 级资源，就可以申请所有必要的2级资源，依 次类推。这个系统会出现死锁吗？为什么？ *38. 机器人的两个手臂是程序控制的，它们从传送 带上取零部件，测试它们的公差并根据结果分 别把它们放到两个箱子中。零部件一次到达一 个，它们之间有足够的 距离。 为了防止两个手 臂尝试抓同一个零部件，控制手臂的计算机共 享一个公共的存储单元。如果一个手臂在一个 零部件到来时是可用的，那么控制它的计算机 就读公共单元的值。如果该值非0,那么这一 手臂 让那个 零部件通过，否则，起控制作用的 计算机把一个非0的值放到这个存储单元，指 挥那个手臂抓起该零件，动作完成后再把值0 存入该存储单元。什么样的事件序列可能导致 两个手臂之间激烈竞争？ *39. 说明队列在假脱机输出到打印机的过程中的 使用。 *40. 如果一个等待时间片的进程一直都没有获得 时间片，这称为 饥饿 （ starvation ) 。 a . 对于竞相通过十字路口的汽车来说，十字 路口的地面是不可共享的资源。控制这个 资源分配的是红绿灯，不是操作系统。如 果这个灯能够感知来自每个方向的交通流 量，并通过程序给较大流量的方向以绿灯， 流量少的方向就可能饥饿。请问“饥饿” 现象怎么避免？ b . 在一个进程优先级保持固定的优先级系统 中，如果调度程序总是按优先级分配时间 片，那么在什么时候一个进程会感到“饥 饿”？（提示：相对于正在等待的进程来 说，刚执行完时间片的进程的优先级是多 少，并且接下来按哪种规则分配下一个时 间片？）你能猜到各种操作系统是怎么避 免这个问题的吗？ Ml . 死锁和饥饿（参见习题 40) 的相似之处是什 么？差别又是什么？ * 42 . 下面是“哲学家进餐”问题，它最初是由狄杰 斯特拉提出的，现在已经是计算机科学传说中 的一部分。 5 个哲学家围着一个圆桌就座，每个人面前放 了一盘细面条。桌上有 5 把叉子，每个盘之间 有一把，每个哲学家都在思考和吃面之间轮 换。为了吃面，一个哲学家需要拥有紧挨他盘 子的2把叉子。 说明“哲学家进餐”问题中的死锁和饥饿（参 见习题 40) 问题。 *43. 对于一个多道程序设计系统中的时间片，如果 使其越来越短，那么会发生什么情况？越来越 长呢？ *44. 随着计算机科学的发展，机器语言已被扩展以 提供专门指令。在 3.4 节中介绍了这样3条在操 作系统中广泛使用的指令。这些指令是什么？ 45. 列举操作系统管理员能执行而一般用户不能 执行的两个活动。 46. 操作系统如何防止一个进程访问另一个进程 的存储空间？ 47. 假定一个口令由9个取自英文字母表 （26 个字 符）的字符组成。如果测试每个可能的口令需 要1毫秒，那么测试所有可能的口令需要多长 时间？ 48. 为什么为多任务操作系统设计的各个 CPU 能 够在不同特权级运行？ 49. 列出两个由有特权的指令请求的典3^活 动？ 50. 列举一个进程可能挑战计算机系统(如果未被 操作系统防止这样做）安全性的3种方式。 98 第 3 章操作系统 51. 什么是多核操作系统？ 54. 因特网浏览器是微软的 Windows 操作系统的一 52. 固件更新和操作系统更新之间的区别是什么？ 部 分吗？ 53. 窗口管理程序与操作系统有什么关系？ 55. 嵌入式操作系统能够解决哪些特殊问题？ 丰 i 会尚— ____ 下面的问题有助于分析一些与计算领域相关的伦理、社会和法律问题。回答这些问题不是 唯一的目的，还应该考虑为什么这样回答，以及你的判断是否对每个问题都标准如一。 1. 假定你在使用一个多用户操作系统，它允许你查看其他用户的文件的名字，而且如果其 他用户的文件没有加保护措施，它还允许查看那些文件的内容。未经允许就查看这些信 息类似于未经允许就闲逛别人未锁门的房间，还是类似于阅读放在公共休息室（如医生 的候诊室）的资料？ 2. 若访问一个多用户计算机系统，你在选择口令时有什么责任？ 3. 如果一个操作系统有安全性缺陷，使得一个恶意的程序员能够在未经批准的情况下访问 其敏感数据，那么该操作系统的开发人员应该负多大的责任？ 4. 你有责任锁好门防止入侵者入内，还是公众有责任在未受邀请时待在门外？操作系统有 责任防备别人对计算机及其内容的访问，还是非法入侵者有责任不入侵计算机？ 5. 在《瓦尔登湖》一书中，梭罗坚持认为，我们己经变成自己工具的工具。也就是说，我们 并非从所拥有的工具中受益，而是要花费时间得到工具和维护工具。对于计算机，这在 多大程度上是真的？如果你有一台个人计算机，那么你花多少时间去赚钱承担它的费用、 学习如何使用它的操作系统、学习如何使用它的实用程序和应用软件、维护它，以及为 它的软件下载更新包？你得到的好处的时间量与你花费的时间总量相比又如何？使用它 时，你花费的时间值得吗？有或没有个人计算机会对你的人际交往活跃度有影响吗？ 课外阅读 Bishop, M. Introduction to Computer Security. Boston, MA: Addison-Wesley ， 2005. Davis ， W. S. and T. M Rajkumar. Operating Systems: A Systematic View, 6th ed. Boston ， MA: Addison- Wesley, 2005. Deitel, H. M., P. J. Deitel, and D. R. Chof&ies. Operating Systems^ 3rd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2005. Nutt, G. Operating Systems'. A Modern Approach, 3rd ed. Boston, MA: Addison-Wesley, 2005. Rosenoer, J. Cyberlaw, The Law of the Internet. New York: Springer, 1997. Silberschatz, A., P. B, Galvin, and G, Gagne. Operating System Concepts, 8th ed. New York: Wiley, 2008. Stallings,W. Operating Systems, 5th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2006, Tanenbaum, A. S. Modem Operating Systems, 3rd ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 2008. 组网及因特网 t 章讨论计算机科学中称为组网的领域，包括学习如何将计算机连接起来共享信息和资 源。学习的内容包括网络的结构与操作、网络的应用以及网络安全问题。学习的一个 重点主题是遍布世界范围的特殊网络——因特网。 44 肖秦基織 *4.4 因特网姑议 ----- : . •. v 丄 , V. ,：h . , •••:: . , i; . 4.5 幸全性= 复习题 社会问题- 谭外阋读 人们对不同计算机之间共享信息和资源的需求催生了相互连接的计算机系统，它被称为网 络 （ network )。 计算机通过网络连接在一起，数据可以从一台计算机传输到另一台计算机。在 网络中，计算机用户可以相互交换信息，并且可以共享分布在整个网络系统中的资源，如打印 功能、软件包以及数据存储设备。用于支持这类应用的基础软件也已经从简单的实用软件包升 级为扩展网络软件系统，从而可以提供一个复杂的网络范围的基础架构。从某种意义上说，网 络软件正发展成为网络范围的操作系统。本章将探讨计算机科学中这个不断发展的领域。 4.1 网络基础 _ 我们从多种基本的网络概念开始学习网络。 4.1.1 网络分类 计算机网络通常分为 LAN ( Local Area Network , 局域网）、 MAN (Metropolitan Area Network , 城域网）和 WAN (Wide Area Network , 广域网）。局域网通常由一幢建筑物或者综合建筑楼群 中的若干计算机组成。例如，大学校园的计算机或者工厂中的计算机都可以用局域网连接。城 域网属于中型网络，例如可以覆盖某一社区。广域网连接的计算机覆盖范围更广，可以是相邻 的城市，也可以是在世界的两端。 网络的另一种分类依据是，网络的内部操作是基于公共领域的设计，还是基于特定实体（如 个人或公司）所拥有并控制的创新。前一种类型的网络称为 开放式 （ open ) 网络，后一种称为 封■闭式 ( closed ) 网络，有时也称为专用 ( proprietary ) 网络。开放式网络允许自由流通，因此 更容易被大众所接受，这就是它们通常最终战胜专有网络的原因，因为专有网络的应用受到许 可费和合约条件的限制。 100 第 4 章组网及因特网 因特网（马上要讲到的一种全球流行的网络的网络）属于开放式系统。尤其是，贯穿因特 网的通信是由一组称为 TCP/IP 协议簇的幵放标准控制的 C 见 4.4 节）。任何人都可以自由地使用 这些标准，而不需要付费或是签署许可协议。相反，像 Novell 这样的公司可能开发一些存在所 有权的系统，并通过出售或出租它们获利。 网络的另一种分类方法依据的是网络拓扑学，网络拓扑是指计算机的连接模式。众多拓扑 中，比较常见的两种类 型是： 总线型拓扑，即所有计算机都通过同一条被称为“总线”的通信 线路连接起来（如图 4- la ); 星型拓扑，即将一台计算机作为中心，所有其他计算都与之相连 (如图 4- lb )。 20 世纪 90 年代，总线型拓扑得以流行，当时是通过称为以太网的一组标准实现的， 而且以太网依然是目前使用最广泛的组网系统之一。星型拓扑可以追溯到 20 世纪 70 年代，它由 一台大型中央计算机服务于多个用户的范例发展而来。随着用户使用的简单终端发展成为小型 计算机，星型拓扑应运而生。目前，星型拓扑配置在无线网络中应用比较广泛，无线网络利用 无线电广播和中央计算机实现通信，这里的中央计算机称为 AP (Access Point , 接入点），是协 调所有通信的焦点。 . 总线型拓扑 计算机，计算机 计算机 计箅机 计算机 b . 星型拓扑 计算机~计龜 〆 韻机 计算机 计算机 图 4-1 两种常见的网络拓扑结构 - 以太网是^组: 标凑，，遵 平实典 利專捧 ■麵_緯_醜馬減啤。:它的 專字 遽:最趣姨破 矣网 设坪，其中的计算机由祢为以太的.同轴电璣连：編 >义;网在篇 ? o 赛我发； m 與已 鉉由 IEEE 标准化，成为,1辟尽802标准体系的一部分。以太网是个人计^机磁网的養 if 用方法。 的确， 用于 PC 的以太网卡现 :已成 为标准组件，可在目前的零售市场上买辨二:, " ，，，， 「事实上，今天有很多版务的以太网 7 反映了技米的进步以及更高的複输道率。 1 然而，、各 种版本都具有以太家裱的公美特性,其中包括将传输用的数据打包的 格式、实际择输的 二进 制往曼彻斯特编码 （表示 0和1的一种方法，0表杀为向下跳变的信夸，1:表示为.向 i 跳变的信 号）的使用，以及使用 c : siviAycD 控制传输的权限。 … : 总线型网络和星型网络在计算机物理排列上的区别并非总是很明显。二者的区别在于网络 中的计算机是通过一条公共总线直接互相通信，还是通过中央计算机媒介间接通信。例如，总 线型网络可能不会出现一条长总线且与计算机的连线却很短的情况，如图 4-1 所示。相反，总线 型网络可能拥有一条非常短的总线，而与每台计算机的连线却很长，这意味着总线型网络看起 来会比较像星型网络。确实，有时需要将每台计算机与中央位置通过网线连接，而在中央位置 又把它们连接到一种叫做 集线器 Omb ) 的设备，从而构成总线网络。集线器其实就是一条非常 短的总线，其功能在于将接收到的任何信号（可能会经过一些放大）传回给与之相连的所有计 算机。尽管其结果看起来像星型网络，但操作上像总线型网络。 4.1.2 协议 为了网络运行可靠，必须建立管理网络活动的规则，这类规则 称为协议 （ protocol )。 通过 4.1 网络基础 101 开发及采纳协议标准，商家生产的网络应用产品则可以与其他商家的产品兼容。因此，在网络 技术的开发中，协议标准的开发是一个必不可少的环节。 为了解协议概念，我们考虑这样一个问题，如何协调网络中计算机之间报文的传输。如果 没有控制此类通信的规则，所有的计算机就很可能同时抢着传输报文，或者在其他机器需要协 助时也无法提供帮助。 在基于以太网标准的总线型网络中，报文传输的许可是通过名为 CSMA/CD (Carrier Sense , Multi-Access with Collision Detection , 带冲突检测的载波侦听多路访问）的网络协议控制的。该 网络协议规定每条报文都要广播给总线上的所有计算机（如图 4-2 所示）。每台计算机都对所有 报文进行监听，但是只保存发送给自己的报文。为了传输报文，计算机需要等到总线处于空闲 状态，然后才幵始传输报文并继续监听总线。如果另一台计算机也开始传输报文，那么两台计 算机都会检测到这种冲突，并各自暂停一段随机长的时间，然后再次尝试传输。这种结果就像 一 小组人在交谈中使用的次序一样，如果两个人同时开始讲话，他们两个都会停下来。不同的是， 人们可能会有一系列对话 ，如： “对不起，刚才你想说什么？ ”“不，不，你先说。”但是在 CSMA/CD 网络协议下，每台计算机都只会稍后再作尝试。 计算_ 计算棋 …计算机 图 4-2 总线型网络的通 { 目 注意， CSMA / CD 和无线星型网络并不兼容。在无线星型网络中，所有的计算机都通过中央 接入点通信，原因在于一台计算机可能无法检测到与其他计算机的传输冲突。例如，一台计算 机可能监听不到其他计算机，因为自己的信号淹没了其他计算机的信号。另一个原因可能是不 同计算机传输的信号由于障碍物或者距离的原因互相阻塞，虽然它们都能与中央接入点通信， 这种情况称为 隐藏终端问题 (hidden terminal problem ) ,如图 4-3 所示。这使得无线网络采用避 免传输冲突的方法，而不是检测冲突的方法。这种方法被归类为 CSMA/CA (Carrier Sense ， Multiple Access with Collision Avoidance , 带冲突避免的载波侦听多路访问），其中很多方法是由 IEEE (参见第7章中的“美国电气及电子工程师协会”）在 IEEE 802.11 中定义的协议下进行标准 化的，通常被称为 WiFi (无线保真）。需要强调的是，冲突避免协议的设计目的是避免冲突，也 许并不能完全消除冲突。当冲突发生时，必须重新传输消息。 冲突避免最常见的方法是将优先权赋予已经在等待传输机会的计算机。这种协议和以太网 的 CSMA / CD 有相似之处。二者的主要区别在于当一台计算机首先需要传输报文，并且发现信道 处于空闲状态时，它并不是立即开始传输。相反，它会等待短暂的时间，只有当信道在这一段 时间内都保持在空闲状态时才会开始传输。如果在这个过程中，遇到信道被占用的情况，那么 计算机就会等待一段时间，时间的长度随机决定，然后再重新尝试传输。一旦这段时间耗尽， 计算机就被允许立即占用空闲的信道。这就意味着避免了 “新来者”和已经处于等待状态的计 算机之间的冲突，因为“新来者”需要等到一直处于等待状态的计算机开始传输之后，才会被 允许占用空闲的信道。 102 第 4 章组网及因特网 图 4-3 隐藏终端问题 然而，该协议无法解决隐藏终端问题。毕竟，任何基于辨别空闲或者繁忙信道的协议都需 要每个站点能够监听到其他所有站点。为了解决这一问题，一些 WiFi 网络要求每台计算机向接 入点发送简短的“请求”报文，并等待接入点确认收到请求，然后再传输完整的报文。如果接 入点由于正在处理“隐藏终端”处于繁忙状态，将会忽略请求，然后请求的计算机将获悉并等 待。否则，接入点会确认请求，并且计算机将获悉现在进行传输是安全的。注意，尽管计算机 无法监听到正在发生的报文传输，但是网络中所有的计算机都能监听到接入点发出的确认，因 此就能知道接入点在任何特定的时间是否繁忙。 4.1.3 网络互连 有时候需要连接现存的网络以形成一个扩展的通信系统，形成相同类型的更大的网络。例 如，对于基于以太网协议的总线型网络，经常可以将总线连接起来以形成一个长总线。它是利 用中继器、网桥、交换机等不同的设备完成的，这些设备区别微妙且信息量大。最简单的是中 继器 （ repeater )， 它仅仅是奄两个原始总线间简单地来回传送信号（通常有某种形式的放大） 的设备，而不会考虑信号的含义（如图 4-4 a 所示）。 网桥 ( bridge ) 类似于中继器，但是更复杂一些。它也是连接两条总线，但是不必在线路上 传输所有的报文。相反，网桥要检查每条报文的目的地址，并且当该报文的目的地是另一边的 计算机时才将其在线路上传输。因此，在网桥同一侧的两台计算机不需要打扰另一边的通信就 可以互相传输报文。相对于中继器，网桥形成的系统更加髙效。 交换机 ( switch ) 本质上就是具有多连接的网桥，可以连接若干条总线，不止两条。因 此，交换机形成的网络包括若干从交换机延伸出来的总线，它们就类似于车轮的辐条（图 4-4 b ) o 与网桥一样，交换机也要考虑所有报文的目的地址，并且仅仅转发那些目的地是其 他“辐条”的报文。此外，被转发的报文只会送至相应的“辐条”，因此减轻了每根“辐条” 的传输流量。 4.1 网络基础 103 需要注意的是，当计算机通过中继器、网桥以及交换机连接时得到的是一个大网络。整个 系统用相同的方式运作（使用相同的协议），就像每个规模较小的初始网络一样。 然而，要连接的网络有时候会有不兼容的特性。例如， WiF 剩络的特性就可能与以太网网 络中的不兼容。在这种情况下，网络必须按建立一个网络的网络[称 为互联网‘ ( internet )] 方式 连接。在这个网络中，原始的网络仍然保持其独立性，并且继续作为独立的网络运行。（注意， 普通名词互联网 （ internet ) 不同于因特网 （ Internet )。 后者首字母要大写，指的是一种独特的、 世界范围的互联网，在本章的其他节会学到。现实中有许多互联网的例子。事实上，在因特网 流行之前，传统的电话通信就是由世界范围的互联网系统操控的。） 把网络连结起来形成互联网的设备是 路由器 （ router )， 这是一种用来传送报的专用计算 机。注意，路由器的任务与中继器、网桥和交换机的不同，路由器提供了网络之间的链接，并 允许每个网络保持它独特的内部特性。作为一个例子，图 4-5 描述了通过路由器组连接两个 WiFi 星型网络和一个以太网总线网络的情形。当某个 WiFi 网络中的一台计算机想要给以太网中的一 台计算机发送报文时，它首先会把报文发送到其网络中的接入点，接入点再把报文发送到与之 相连的路由器，该路由器把报文转发至以太网中的路由器。在那里该报文被发送给总线上的一 台计算机，然后这台计算机把报文转发到它在以太网中的最终目的地。 图 4-5 路由器连结了两个 WiFi 网络和一个以太网络，形成了一个互联网 104 第 4 章组网及因特网 _ 路由器得名的原因在于它的用途是向适当的方向转发报文。这个转发过程基于互联网范围 的寻址系统，其中互联网上的所有设备（包括原始的网络中的计算机和路由器）都被赋予了唯 一的地址。（这样，原始网络中的每台计算机都有两个 地址： 自己网络内的“本地”地址和它的 互联网地址。）一台计算机想给远程网络中的另一台计算机发送报文，就要附上报文的目的地的 互联网地址，然后把报文发送给其本地的路由器，在那里报文将向正确的方向转发。为了转发 报文，每个路由器都维护了一张 转发表 （forwarding table )， 该表中包含了根据目的地地址消息 应该发送的方向这种路由信息。 一个网络与互联网链接的“点”经常称 为网关 （ gateway )， 因为它是网络与外部世界之间 的通道。网关有多种形式，因而这个术语的使用不太严谨。在许多情况下，网络的网关仅仅是 路由器，通过它网络能与互联网上的其他网络通信。在其他情况下，术语网关所指的可能不仅 仅是一台路由器。例如，在连接到因特网的多数住宅 WiFi 网络中，术语网关指的是网络的接入 点和与接入点相连的路由器，因为这两个设备通常安装在一个单元中。 4.1.4 进程间通信的方法 一个网络中，在不同计算机上执行（甚至在一台计算机上通过分时/多任务处理执行）的各 种活动（或进程）必须经常互相通信，以便协调行动并完成指派的任务。这种进程之间的通信 称为 进程间通信 （interprocess communication ) 。 进程间通信通常采用的是客户机/服务器 ( client / server ) 模型。这种模型规定了进程的基本角 色，或者是向其他进程发出请求的客户机 （ client ), 或者是满足客户机请求的服务器 （ server )。 客户机/服务器模型最初应用于连接办公室间的所有计算机的网络。这样，网络中的所有计算 机都可以使用连接到该网络上的性能良好的唯一打印机，在这种情况下，打印机的角色就是服务 器（常称为 打印服务器， print server ), 其他计算机则为客户机，传递打印请求给打印服务器。 客户机/服务器模型的另外一种早期应用，用于减少磁盘存储开销以及复制记录的需要。在 这种情况下，网络中的某一台计算机需要配置高容量海量存储系统（通常是磁盘），存储某一组 织的所有记录，那么网络中其他计算机就可以在需要这些记录时提出请求。于是，包含记录的 计算机的角色就是服务器，称 为文件服务器 （file server ), 而那些向文件服务器提出存取请求的 计算机就扮演客户机的角色。 客户机/服务器模型在当今的网络应用中使用广泛，在本章后面几节会介绍这一点。不过， 客户机/服务器模型不是进程间通信的唯一方式，另外一种 是对等 ( peer - to - peer ， 通常简称为 P 2 P ) 模型。客户机/服务器模型为一个进程（服务器）与另外多个进程（客户机）通信，而对等模型 为两个进程间对等通信 （见图 4-6)。此外，服务器必须持续运作，以便随时服务于客户机，但 是对等模型涉及的则是临时执行的进程。例如，对等模型的应用包括发送即时消息（其中人们 通过因特网进行文字交流），也可以是人们玩交互式竞技游戏。 对等模型也是分发文件（如因特网上的音乐和电影）的常用方法。在这种情况下，一个对 等体可以从另一个对等体接收文件,然后把此文件提供给其他的对等体。以这种方式参与分发 的对等体集合有时称为蜂群 ( swarm ) 0 文件分发的蜂群方法与先前使用客户机/服务器模型的方 法相反，读模型需要建立中央分发中心（服务器），以使客户端从该中心下载文件（或至少是找 到那些文件的源）。 从文件共享的角度来看， P 2 P 模型正在取代客户机/服务器模型的一个原因在于它把服务分 布到许多的对等体上，而不是集中在一个服务器上。这种非集中化的操作构建了更高效的系统。 遗憾的是，基于 P 2 P 模型的文件分发系统流行的另一个原因在于（假设合法性遭到质疑）缺乏 4.1 网络基础 105 中心服务器使得版权执法行动变得更为困难。但是，也存在许多案例，其中一些人发现“困难” 并不意味着“不可能”，并且由于对版权的侵犯，他们发现自己面临着重大的责任。 服务器 (a ) 服务器在任何时候都必须准备好为多个客户机服务 对等体 4- ^对等体 (b ) 两个进程在一对一的基础上平等地通信 图 4-6 客户机/服务器模型与对等模型的比较 你可能经常读到或者听到“对等网络”这个说法，这个例子正好说明了，非科技界釆用科 技术语时是如何产生误用的。“对等”指的是两个进程通过网络（或者互联网）通信的一种系统， 并不是网络（或者互联网）的一种特性。一个进程可以幵始采用对等模型与另外一个进程通信， 接着又采用客户机/服务器模型通过同一个网络与另外的进程通信。因此，精确地说应该是利用 对等模型通信，而不是通过对等网络通信。 4.1.5 分布式系统 因为组‘网技术的成功，计算机之间通过网络的交互己经很普遍，并且涉及方方面面。许多 现代软件系统，例如全球信息检索系统、公司范围的会计和库存系统、计算机游戏甚至操控网 络基础设施本身的软件，都被设计成分布 式系统 (distributed system )。 这意味着，它们由在网 络中不同计算机上作为进程执行的软件单元组成。 分布式系统最开始是独立开发的。不过，今天的研究已经发现在这些系统之间可以使用公 共的基础设施，例如通信系统以及安全系统。于是，人们开始努力生产能够提供这种基础设施 的预制系统。因此要构建一个分布式应用，只需要幵发系统中应用所特有的部分即可。 现在，一些类型的分布式计算系统已经很常见。 集群计算 (cluster computing ) 指的是一种 分布式系统，其中多个独立的计算机密切合作，提供的计算和服务可与大得多的机器相比拟。 这些独立的机器，加上连接它们的高速网络的总成本，要比一台高价位的超级计算机的成本低， 但其可靠性更高，且维护成本更低。这样的分布式系统用于提供高 可用性 （ high - availability ，因 为这更有可能保证集群中至少有一台计算机可以响应请求，即使集群中其他计算机发生故障或 不可用） 和负载平衡 ( load - balancing , 因为负载可以自动从集群中负载太大的计算机转移到负 载很小的计算机上）。 网格计算 （grid computing ) 是指与集群相比稱合度不高的分布式系统， 但其成员机器仍共同协作来完成大型任务。网格计算可能需要专门的软件，以便更容易地发布 数据和算法到网格中的计算机。烕斯康星大学的 Condor 系统和 BOINC ( Berkeley’s Open Infrastructure for Network Computing , 伯克利开放式网络计算平台）都属于这种类型。这两种系 •统通常安装在用于其他目的的计算机上（如办公用 PC 和家用 PC )， 当机器空闲时便可为网格自 愿提供计算能力。由于因特网日益增强的连通性，即这种自愿行动，分布式网格计算使得数以 百万计的家用 PC 都可以解决无比复杂的数学问题和科学问题。凭借 云计算 （cloud computing )， 106 第 4 章组网及因特网 网络上大量的共享计算机得以被按需分配给客户机使用。云计算是分布式系统中的最新趋势。 20世纪初大城市电网的发展使得个体工厂和企业不再需要维护自己的发电机，与此非常类似， 因特网使得实体可以将其数据和计算委托给“云”，这里的“云”指的是网络上可用的大量计算 资源。例如，亚马逊的弹性计算云 (Elastic Compute Cloud ) 服务允许客户按小时租用虚拟计算 机，而不需要考虑计算机硬件的实际位置。另夕卜， Google Docs 和 Google Apps 允许用户在信息方 面进行协作，允许他们在构建 Web 服务时不需要了解多少台计算机在用于求解同一问题或相关 数据存储在何处。云计算服务就可靠性和可扩展性提供了合理保证，但却引发了人们对于隐私 和安全性的担忧，因为我们也许再无法知晓谁在拥有着、操作着我们所用的计算机。 1 hi f.i-n. : ; . ；•' •- '•- . : r : .. 1. fr 么是开放式网络？ 2. 归纳网桥和交换机之间的 K 别。 3. :# 么是路由器？ 4二列举社余中一些符 合客户机人 艇务器 模犁的 关系。, ::雞' __綱■觀酵賴難 _彎_ 獄 IP:” ㈤ ■ 麵 : r ” 6 .请棺^集群计算和两格计算之间的区别 。 4.2 因特网 互联网中最著名的例子就是 因特网 （ Internet ， 注意首字母是大写的），它起源于20世纪60 年代的研究项目。它的目的是开发出将许多计算机网络链接起来的能力，以便它们能作为一个 连接的系统发挥作用，而这个系统不会由于局部灾难而瓦解。这个项目的工作绝大部分是由美 国政府资助并通过 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency , 美国国防部高级研究计 划署）发起的。经过这么多年，因特网的开发已经从政府资助的项目转变成了学术研究项目， 而且如今在很大程度上，它已经是商业项目了，用于连接全世界局域网、城域网及广域网，涉及 上百万台计算机。 :' :媚•爾爾 ㈣ :呤 硪:％ 錶■^士轉,常产毐，: 1 科轉界乎_矜％稀兔華二戎因#掏 ( 目 七们初算_寒位卞#术系鍊:，涉#多与工业及政府有合作关系的 大聲 。目& ^£_高_政因_应用淨进行料研，包括远^■问及控制昂責的最新型 设务，例^^#與_斷仪咸^规泰藏一个_例 子是： 由人实施远程碎科手术， ,麵史爹:癖#雜掄 捧繭# 情-息 r :. ,二 ： ■' 1 .' 1 4.2.1 因特网体系结构 我们已经提到，因特网是相连网络的集合 D 总体上，这些网络的构建和维护是由 ISP (Internet Service Provider , 因特网服务提供商）来完成的。就网络本身而言，通常也习惯使用 术语 ISP 来表示。因此，当说到要连接到一个 ISP 时，我们真正的意思是连接到由 ISP 所提供的 网络。 由 ISP 运作的网络系统可以按照各网络在整个因特网结构中所起的作用分类成层次结构 (如 4.2 因特网 107 图 4-7 所示）。整个层次结构的顶部是数量相对较少的 第一层 ISP ( tier -1 ISP ), 这些 ISP 拥有非常 高速、髙容量的国际化广域网。这些网络被看成是因特网的主干，它们通常是由通信行业中的 大公司来运作的。例如，有一家公司最初是传统的电话公司，后来它们把服务领域扩展到提供 其他通信服务。 h 第一层 isp 一第二层 ISP 因特网接入 服务提供商 1终端系统 图 4-7 因特网的构成 与第一层 ISP 连接的是 第二层 ISP ( tier -2 ISP ), 第二层因特网服务提供商往往是区域性的， 在实力上也稍逊一些。（第一层和第二层因特网服务提供商的区别通常是仁者见仁，智者见智。) 此外，这些网络通常也是由通信行业的公司运营。 第一层和第二层因特网服务提供商本质上是路由器的网络，集中提供因特网通信基础设施。 它们同样可以被认为是因特网的核心。通常由称为因 特网接入服务提供商 (access ISP ) 的中间 商提供与这一核心的接入服务。因特网接入服务提供商本质上是独立的互联网，有时也称为内 联网 （ intranet )， 由向个人用户提供因特网接入业务的机构来运营。这些公司包括 AOL 、 微软以 及本地通过提供服务收取服务费的有线电视和电话公司，另外还包括一些大学或者公司等组织， 它们为组织内部的个人用户提供因特网接入。 个人用户与因特网接入服务提供商连接的设备 称为终端系统 （end system ) 或 者主机 （ host )。 这些终端系统并不一定是传统意义上的计算机。它们包括很多种设备，如电话、摄像机、汽车 和家用电器。毕竟，因特网本质上是一个通信系统，因此任何可以与其他设备进行通信并从中 获益的设备都是潜在的终端系统。 终端系统与因特网接入服务提供商连接的技术也不尽相同。或许，发展最快的是基于 WiFi 技术的无线连接。策略是将接入点与因特网接入服务提供商相连接，因此可以在接入点的广播 范围内通过因特网接入服务提供商向终端系统提供因特网接入。接入点范围内的区域通常称为 热点 （hot spot )。 热点和热点组的范围日益广泛，包括个人住宅、酒店和写字楼、小型企业、 公园，甚至有些情况下是整个城市。目前手机行业也使用相似的技术，在手机行业中热点就是 我们所知的服务区，当终端系统从一个服务区移动到另一个服务区时，通过调整产生服务区的 “路由器”来提供连续的服务。 连接因特网接入服务提供商的其他常见技术使用电话线或者电缆/卫星系统。这些技术可以 用来提供对单个终端系统的直接连接，或者连接客户的路由器从而实现连接多个终端系统。后 108 第 4 章组网及因特网 一种方法在个人住宅中的应用日益流行，利用现有的电缆或者电话线，通过连接因特网接入服 务提供商的路由器/接入点形成本地热点。 现有的电缆和卫星链接与高速数据传输的兼容性天生要比与传统电话线的兼容性好，电话 线最初是基于语音通信安装的。但是，人们已经制定了一些更明智的方案，拓展了这些语音链 路，以适应数字数据的传输。这些连接使用了名为调制解调器 （ modem ， modulator/demodulator 的简称）的装置，该装置将数字数据转换为与使用的传输媒介兼容的格式。例如 ， DSL (Digital Subscriber Line , 数字用户线路）把低于4千赫兹的频率范围用来满足传统的语音通信，而将更 高的频率用来传输数字数据。此外，较为陈旧的方法是将数字数据转换为语音数据，然后使用 和语音传输一样的方式进行传送。后一种方法称为拨 号连接 ( dial-up access ), 事实上拨号连接 用于临时连接，用户使用传统方式拨通因特网接入服务提供商的路由器，然后将其电话与要使 用的终端系统连接。虽然拨号连接成本低并且使用广泛，但是数据传输速率较低，无法满足当 今需要实时视频通信和传输大量数据的因特网应用^因此，越来越多的家庭和小型企业通过宽 带技术连接他们的因特网接入服务提供商，这些宽带技术包括有线电视连接、专用电话数据线 路、卫星天线，甚至光纤电缆。 4.2.2 因特网编址 如 4.1 节所介绍的，一个因特网必须与一个互联网范围的编址系统相连接，这个系统将赋予 该系统中每个计算机唯一的标识地址。在因特网中，这些地址称为 IP 地址 OP address )。 （ IP 是 Internet Protocol 的简称，指的是因特网协议，我们在 4.4 节中会更多地了解这个术 语。） 最初，每 一个 IP 地址都是32位的位模式，但是为了提供更多的地址，人们现在正计划将其扩展到128位（参 见 4.4 节关于 IPv6 的详述 ）。 ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers, 因特 网名称与数字地址分配机构）向因特网服务提供商提供了大量连续数字的 IP 地址，因特网名称 与数字地址分配机构是一家非营利性的国际组织，致力于协调因特网的运营。然后，因特网服 务提供商就可以将他们被授权范围内的地址块中的 IP 地址分配给其管辖范围内的计算机。因此， 因特网上的计算机都被分配了唯一的 IP 地址。 IP 地址通常是采用点分 十进制记数法 （dotted decimal notation ) 书写的，其中地址的每个字 节用圆点分隔，每个字节用传统的十进制整数表示。例如，使用点分十进制记数法，位模式 5.2 将可以表示2字节位模式0000010100000010,其中包含字节00000101 (5 的表示），接下来是字节 00000010 (2 的表示 ）； 而位模式 17.12.25 将可以表示3字节的位模式，其中包含字节00010001 ( 用 二进制记数法表示17)，然后是字节00001100 (用二进制记数法表示12)，最后是字节00011001 (用二进制记数法表示25)。总之，当用点分十进制记法表示时，32位的 IP 地址可以表示为 192.207.177.133. 用位模式表示的地址（即使采用点分十进制记数法压缩）难以帮助人们理解。基于这个原 因，因特网拥有另外一种编址系统，利用助记名称来标识计算机。该编址系统基于域 （ domain ) 的概念，可以认为是如大学、俱乐部、公司或者政府机构等单个机构操作的因特网的“区域”。 (此处区域一词加了引号，这是因为它可能不同于因特网的物理区域，稍后我们将看到这点。） 每一个域都必须在因特网名称与数字地址分配机构进行注册，这一过程由称为 注册商 ( registrar ) 的公司操作，注册商由因特网名称与数字地址分配机构指定。作为注册流程的一部分，助记 域名会分配给域，域名在因特网中是唯一的。域名通常是注册域的机构的描述，从而提高它们 对用户的实用性。 例如， Addison - Wesley 出版公司的域名是 aw . com 。 需要注意的是，点后面的后缀反映了域 的分类，在这个域名中，后缀 com 就表明了它是一家商业机构 （ commercial )。 这种后缀称为 TLD 4.2 因特网 109 ( Top - LevelDomain , 顶级域名）。顶级域名还有不少，例如， edx 康示教育系统， gov 表示政府机 构， org 表示非营利机构， museuno 表示博物馆， info 表示无限制使用， net 最初打算用于表不因特 网服务提供商，但是现在使用的范围更广一些。除了这些一般的 TLD 外，也有用于表示特定国 家的2字母 TLD (称为国 家代码顶级域名）， 例如， au 表示澳大利亚， ca 表示加拿大。 一旦一个域的助记名被注册，注册该域名的机构可以在域内自由扩展名称，为个体项获取 助记标识符。例如， Addison - Wesley 出版公司内的某台计算机可以标识为 ssenterprise . aw . com 。 注 意，域名是向左扩展的，并用句点分开。在一些情况下，使用称 为子域 ( subdomain ) 的多个扩 展在域内组织名称。这些子域通常代表域管辖内不同的网络。例如，如果 Nowhere 大学被分配的 域名为 nowhereu . edu ， 那么 Nowhere 大学的某台计算机的域名可以为 r 2 d 2 xompsc . nowhereu . edu , 其含义是顶级域名为 edu 、 域名为 nowhereu 、 子域名为 compsc 、 名为 r 2 d 2 的计算机。（我们需要 注意的是，在助记地址中使用的点分表示法与位模式形式的地址中使用的点分十进制记数法没 有关系。） 虽然助记地址对于人类来说比较方便，但是因特网中还是使用 IP 地址来传输消息。因此， 如果某人想要给远程计算机发送消息并通过助记地址来标识目的地，那么使用的软件必须能够 将地址转换成 IP 地址，然后再传输消息。这种转换可以通过 域名服务器 (name server ) 来完成， 其实它是可以向客户端提供地址解析服务的目录。这些域名服务器都共同作为因特网范围内的 目录系统，称为 DNS (Domain Name System , 域名系统）。使用域名系统进行解析的过程称为 域名系统查找 （DNS Lookup )。 因此，如果一台计算机可以通过助记域名连接，那么这个域名必须存在于域名系统内的域 名服务器上。在注册了域名的实体拥有资源的情况下，它可以在域内建立并维护包含所^■名称 的域名服务器。事实上，这就是域名系统最初构建所用的模式。每一个注册域都代表了本地机 构所运行因特网的物理区域，如公司、学校或者政府机构。实际上，这个机构就是一个因特网 接入服务提供商，通过与因特网连接的内联网向其成员提供因特网接入。作为该系统的一部分， 机构维护自己的域名服务器，为域中使用的所有名称提供解析服务。 目前，这种模式依然很常见。然而，许多个体或者小型机构想要建立展示在因特网上的域, 但却不想承担必要的支持资源。例如，一家本地国际象棋倶乐部想要在因特网上展示为 KiBgsandQueens . org , 但是俱乐部不想提供资源建立自己的网络、维护网络与因特网的连接，也 无意去实现自己的域名服务器。这种情况下，倶乐部可以和因特网服务提供商签订合同，使用 因特网服务提供商已经建好的资源实现注册域名的展示。俱乐部一般可能会通过因特网服务提 供商的帮助，注册由倶乐部选好的域名，并与因特网服务提供商签订合同将域名放入因特网服 务提供商的域名服务器。这就意味着所有关于新域名的域名系统查找都会指向因特网服务提供 商的域名服务器，从而获取正确的域名解析。通过这种方法，许多注册的域名就可以存在于一 个因特网服务提供商的域名服务器中，每个域名只占用一台计算机的很小一部分。 4.2.3 因特网应用 在这一小节中，我们从3项传统的应用开始论述因特网的一些应用。但是，这些“传统”的 应用不足以反映当今因特网的全貌。事实上，计算机和其他电子设备的区别己经变得含混不清。 电话、电视、音响系统、防盗自动警铃、微波炉和摄像机都是潜在的“因特网设备”。此外，因 特网的传统应用在新应用的大量扩展下相形见绌，新的应用包括即时消息、视频会议、因特网 电话和因特网广播。毕竟，因特网只是一个传输数据的通信系统。随着技术进步，系统的传输 速度不断提高，传输的数据内容就仅仅受到人们想象力的限制。因此，我们将介绍两种较新的 110 第 4 章组网及因特网 因特网应用（电话和广播)，以展示与当今新兴因特网相关的问题，其中包括其他网络协议标准 的需求，因特网与其他通信系统链接的需求，以及扩展因特网路由器功能的需求。 1. 电子邮件 因特网最常见的用途之一就是电 子邮件 （ E - mail ， 是 electronic mail 的缩写），电子邮件系统 可以在因特网用户之间传输信息。为了提供电子邮件服务，每个域的本地机构都要在其域内指 定一台计算机，用作该域 的邮件服务器 (mail server ) 0 通常，为了向域内的用户提供邮件服务， 因特网接入服务提供商都会在其域内建立电子邮件服务器。当一名用户在其本地计算机上发送 出电子邮件，邮件会首先传送到用户的邮件服务器上，然后邮件服务器会将邮件转发至目的地 邮件服务器上，目的地邮件服务器会一直保存邮件，等待收件人联系邮件服务器并请求查看收 到的邮件。 在邮件服务器之间传输邮件或者从作者的本地计算机向邮件服务器发送新消息，所使用的 网络协议是 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol , 简单邮件传输协议）。简单邮件传输协议最初 是为传输 ASCII 编码的文本信息设计的，因此又开发了 MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions , 多用途因特网邮件扩展）等协议，将非 ASCII 编码的数据转换成简单由 P 件传输协议兼容的格式。 有两种常见的协议可以用于访问到达和存储在用户邮件服务器的电子 邮件： POP3 (Post Office Protocol Version 3 ，邮局协议版本 3 ) 和 IMAP (Internet Mail Access Protocol ， 因特网邮件 访问协议）。二者中，邮局协议版本3 ( POP 3, 读作 pop - three ) 较为简单。使用 POP 3,用户可以 向其本地计算机发送（下载）消息，在本地计算机中读取、在不同文件夹中存储，并可以随意 编辑或者操作那些消息。这些操作都是通过使用本地机器的大容量存储器在用户的本地机器上 完成的 。 IMAP (读作 EYE - map ) 支持用户在与邮件服务器相同的计算机上存储和操作消息以及 相关的资料。这样，必须在不同计算机上收取邮件的用户，就可以在邮件服务器上维护记录， 然后通过任何远程计算机来访问。 了解邮件服务器的作用后，我们就很容易明白单个邮件地址的结构了。它有一个符号串（有 时候称为账户名）表示某个人，然后是符号@ (读做 at ), 最后是助记串，表示接收该邮件的邮 件服务器。（事实上，这个串通常只表明目标域，该域的邮件服务器最终是要通过 DNS 查找来表 示 的。） 因此， Addison - Wesley 的某个人的邮件地址很可能是 shakespeare @ aw . com 的形式。换句 话说，一条发送到这个地址的报文将发送到域名为 awxom 的邮件服务器上，该报文一直保存在 该邮件服务器中，以便符号串为 Shakespeare 标识的人查看邮件。 2. 文件传输协议 传输文件（如文档、照片或者其他编码信息）的一种方法是将其作为附件附在电子邮件中。 不过一种更有效的方法是利用 FTP (File Transfer Protocol , 文件传输协议），它是一种在因特网 上传输文件的客户机/服务器协议。使用 FTP 传输文件，因特网中一台计算机的用户需要使用一 个实现 FTP 的软件包，然后与另外一台计算机建立连接。（最初的计算机相当于客户机，它所连 接的计算机相当于服务器，通常称为 FTP 服务器。）一旦建立了这个连接，文件就可以在两台计 算机之间以任意方向传输了。 FTP 已经成为因特网上提供受限数据访问的流行方式。例如，假设你打算允许一部分人检 索某文件，但是禁止其他人访问，于是，你仅仅需要用 FTP 服务器设备将该文件存入一台计算 机，然后通过口令限制对该文件的访问权限。然后，知道口令的人们就可以通过 FTP 访问该文 件，而其他人的访问就会被拒绝。在因特网中使用这种方式的计算机通常被称为 FTP 站点，因 为它成为因特网上可以通过 FTP 使用文件的地方。 FTP 站点也用于提供不受限的文件访问。为了实现这个目的， FTP 服务器要使用术语 4.2 因特网 111 anonymous (匿名）作为通用口令。这些地点经常被称为匿名 FTP (anonymous FTP ) 站点，并 因此提供不受限的文件访问权限。 虽然 FTP 客户机和服务器仍被广泛使用，但现在大部分用户发现他们的文件传输需要使用 HTTP 通过 Web 浏览器实现（将在下一节讨论）。 3. 远程登录与 SSH 因特网的一个早期应用是，允许计算机用户在很远的地方访问计算机。 远程登录 （ Telnet ) 就是为了这个目的建立的一个协议系统。使用远程登录，用户（运行远程登录客户端软件）可 以与远程计算机的远程登录服务器取得联系，然后遵循特定操作系统的登录步骤获取对那台远 程计算机的访问权。这样，通过远程登录，远程用户拥有与本地用户相同的对应用和工具的访 问权限。 由于它设计于因特网发展初期，远程登录有许多缺点。其中一个较为严重的是，通过远程 登录进行的通信是没有加密的。即使通信的主题不敏感，这个问题也很严重，因为用户的口令 也是登录过程中通信的一部分。因此，使用远程登录就可能给窃听者获取口令的机会，然后他 会滥用这一重要信息 。 SSH (Secure Shell ， 安全 shell ) 是解决这个问题的一个远程登录候选方 法，而且正在迅速代替远程登录。 SSH 的特征是，它给传输中的数据提供加密以及验证 （4.5 节）， 验证过程就是确定通信双方的身份。 4. VoIP 作为最近的因特网应用的一•个例子 ， VoIP (Voice over Internet Protocol ) 利用因特网基础设 施提供与传统电话系统类似的语音通信。最简单的形式下， VoIP 由不同机器上的两个进程构成， 这些机器通过 PZP 模型传输音频数据——这个方法本身没有明显的问题。但是，初始化和接受呼 叫，把 VoIP 与传统电话系统对接，以及提供像紧急911通信这样的服务，诸如此类的问题都超出 了传统的因特网应用范畴。此外，拥有国家传统电话公司的政府把 VoIP 看成是一种威胁，对它 们征收很高的税，或彻底宣布它们为不合法。 现在有4种不同形式的 VoIP 系统在展开竞争。 VoIP $ 欠电话 ( softphone ) 通过 P 2 P 软件允许两 个或多个 PC 共享一个电话，所需硬件只是一个扬声器和一个麦克风。 VoIP 软电话系统的中的一 个例子就是 Skype ， 它还为客户提供与传统电话通信系统的链接。 Skype 的一个缺点是它是一个 专有系统，因而许多操作结构是不对外公开的，这意味着 Skype 用户必须要在没有第三方论证的 基础上相信 Skype 软件的完整性。例如，为了接收呼叫， Skype 用户必须把 PC 与因特网相连，并 且 Skype 系统是可用的，这就意味着在 PC 机主毫无意识的情况下， PC 的一些资源可能会被用来 支持其他的 Skype 通信（这一功能引起了一些抵制）。 另一种形式的 VoIP 由模 拟电话适配器 （analog telephone adapter ) 组成。模拟电话适配器允 许用户将其传统电话连接到由某个因特网接入服务提供商提供的电话服务上。这一选择经常与 传统的因特网服务或数字电视服务捆绑。 第三种形式的 VoIP 是嵌入式 VoIP 电话。嵌入式 VoIP 电话把传统电话替换成了直接连接到 TCP/IP 网络上的等效的手持设备。嵌入式 VoIP 电话在大型组织中越来越常见，很多大型组织都 在将其传统的内部铜线电话系统替换为基于以太网的 VoIP ， 以期通过这种方式来降低成本并增 强功能。 最后，下一代的智能手机将使用 VoIP 技术。也就是说，早期的几代无线电话仅使用特定公 司的协议与该电话公司的网络通信。通过公司的网络和因特网间的网关，我们便可以连接到因 特网，而信号会在那儿被转换为 TCP / IP 系统。然而，新兴的 4 G 电话网络被设计成完全基于 IP 的 网络，即 4 G 电话本质上只是全球因特网上的另一主机。 112 第 4 章组网及因特网 在过去的 10 年时间里，_移动电话技术已鐘从筒单的专用便:携承备发展成为象杂的多功能 手持式计算机。第一代界线 4 话网络通过空气件 轉^辦 语音停号，与传统的龟话系铳.非常相 似，只是没肴穿墙而过的铜藏」我如滅这些早期 U 4毐糸巍4知 1 “1 G ” 网 緣/即第一代 网络。 第二代网络使用教字信号对语音编码，能够更高效地使用.无线电波，还能够传输其他种类的 数字數織, #吝本，息。 ， ，岸三代 ( 3 Q ) 电译0 聲拜 饿了 4 高 的数耨倩输涔率， n 支舞乎机视频 逋每&带备 #▲： 型活动。 4 G 岗络& 标包螓筻高： ^数 ㊆ 传输速率和一 V 彳吏射圯协议完全进 行分组交换的网络 （ 以这个网络为基础的最新一代智能手机将能够具有当前仅在基于宽带的 PC 本节 ■應; 5. 因特网广播 另一个最近的因特网应用是广播站节目的播送，这个过程称为网站广播，与原先的广播相 对应，因为信号是通过因特网传送的，而不是无线电传送。更准确地说，因特网广播是 音频流 (streaming audio ) 的一个具体示例，它是指在实时基准上传送声音数据。 从表面上看，因特网广播似乎不需要特殊的考虑，人们可能猜想到一个站点仅需建立一台 服务器，它把节目消息发送给请求它们的每个客户端。这种技术就是众所周知的多 点传播 ( N - unicast )。 （严格地说，单点传播是指一个发送者向一个接收者发送消息，而多点传播是指一 个发送者从事多个单点传播。）多点传播方法已经投入实际使用，但这种方法具有明显的缺陷， 它把相当大的负担放在站点服务器上和与服务器紧邻的因特网邻居上。实际上，多点传播强迫服 务器按照实时基准把各条消息发送给每个客户端，而所有这些信息必须再由服务器的邻居转发。 多点传播的大多数候选方法都试图缓解这个问题。其中一种方法是使用过去的文件共享系 统方法中的 P 2 P 模型。也就是说， 一 旦一个对等体接收到数据，它就开始把数据分发到那些正 在等待的对等体，这意味着分发的大部分问题被从数据源转移到了对等体。 另外一种候选方法称为多 路广播 （ multicast )， 它把分发问题转移给了因特网中的路由器。 使用多路广播，服务器通过单个地址把消息传送给多个客户端，依赖因特网中的路由器来识别 这个地址的含义，产生且转发消息的副本到合适的目的地。在多路广播中使用的这个地址称为 组地址，它由特别的起始位模式来标识，其他的位用来标识广播站，这在多路广播术语中称为 组。当一个客户端要从具体的站接收消息时（想要订购一个具体的组），它把这个愿望通知给最 近的路由器。这个路由器本质上把这个请求向前传送到因特网，这样其他的路由器将会把所有 带有这个组地址的信息向这个客户方向传送。简言之，当使用了多路广播，服务器只发送程序 的一个副本，而不管有多少个客户在监听，把这些信息按需复制和把它们路由到合适的目的地 则是路由器的职责。注意，依赖多路广播的应用需要因特网路由器具有超过它原来职责范围的 功能。这一功能扩展过程正在进行之中。 我们看到因特网广播和 VoIP —样，正在一边寻找立足之地，一边逐渐流行。未来到底会发 生什么并不明确，但随着因特网基础设施功能的继续扩展，网站广播的应用肯定会随之发展。 现在，嵌入式设备和家用计算机已经能够通过因特网按需传送高清视频。各种电视机、 DVD / 蓝光播放机、游戏机现在都可以直接连垮到 TCP / IP 网络，以便从众多免费或订阅服务器选择可 视内容。 问题纖 1. 第一层和第 i =： 层 isp 的怍用是什么？因特网接入服务提供商的作用是什么？ 4.3 万维网 113 2. DNS 是什么? 3. 用点分 f 进制记数法表示，3.6.9_汁么位模式’層煮分十逯制记数法表示_式000纖10100011100。 4. 计箅机在因特网中的助记地址（树如 r 2 d ^： compseOTwhereu ; edu ) 结柄在哪搜方面与传统的邮翁地址 相似？在 IP 地址中也会出现同样的结构吗? 5. 列出因 特网上 发现的3种服务器，并说 ，出 ，每神的節^ . ■ ' ，:卞 ..... : .!•,]；••' ：；^ '； .. I :. - ':： :- - .1 ; ，: I , , ;：, :: ；.： , ; ：：,•：：•.：：• , •：'■ :: ；： ;• ；： 1 :: :: :: ' : :- . ：；' ； ' .：；• I :: .... " ■ I ' ' •：：' : , 6. :为什么 A 们认为 SSH 优乎龜趋登录？ 1 7. 因特网广播的 P 2 P 和多路广播方法与多点广播在广播方式上有何种不同？ 8. 在4种 VdIP 中作出选择肘，应以什么为标准？ 4.3 万维网 .. .把. •我. 本节将考虑一种因特网应用，多媒体信息就是通过它在因特网上传播的。它基于超文本 ( hypertext ) 的概念，超文本最初指的是包含指向其他文档的链接的文本文档，而这种链接称 为超链接 （ hyperlink )。 今天，超文本已经扩展到了包含图像、音频以及视频，而且由于其范围 的扩大，它有时候也被称为超媒体 （ hypermedia )。 使用 GUI 时，超文本文档的读者只需要用鼠标点击超链接就可以获取与它相关联的内容。 例如，假设语句“这个管弦乐队对 Maurice Ravel 的 ‘ Bolero ’ 的演奏精彩极了”出现在一个超 文本文档中，名字 Maurice Ravel 与另外一个文档链接——这个新文档也许提供了该作曲者的介 绍，则读者可以通过用鼠标点击名字 Maurice Ravel 查看相关信息。此外，如果安置了恰当的超 链接，读者还可以通过用鼠标点击名字 Bolero 收听到该音乐会的录音。 通过这种方式，超文本文档的读者就可以查阅相关的文档，或者跟随思维顺序，一个文档 一个文档地查看。各个文档的许多部分都与其他文档相链接，于是就形成了一个相关信息的相 互“缠绕”的网状组织。当在计算机网络中实现时，存在于网状组织中的这些文档就可以存放 于不同的计算机上，形成了网络范围的网状组织。在因特网上发展起来的网状组织已经遍布全 球，被称为万维网 （World Wide Web ， 也称 WWW 、 W 3 或者 Web )。 万维网上的超文本文档通 常称为网页 （ Webpage )。 紧密相关的一组网页称为网站 （ Website )。 万维网要源于 Tim Berners - Lee 所作出的努力，他意识到了链接文档的想法与互联网技术结 合会产生巨大的潜力，并于1990年12月开发出了第一个实现万维网的软件。 4.3.1 万维网实现 允许用户访问因特网上超文本的软件包分为两类，即扮演客户角色的包和扮演服务器端角色 的包。客户端软件包安装在用户的计算机上，负责获取用户请求的材料，并将这些材料条理清晰 地展示给用户。客户端提供给客户一个界面，允许其在万维网上浏览。因此，客户端常被称为浏 览器 ( browser ) 或者是万维网浏览器。服务器软件包（通常称为万维网服务器 ， Web server ) M 在含有待读取的超文本文档的计算机中。它的任务是根据客户端的请求提供对机器里文档的访问 权。总之，用户通过他计算机里的浏览器访问超文本文档。充当客户端的浏览器通过向遍布因特 网的万维网服务器提出请求服务来访问那些文档。超文本文档通常使用称为 HTTP (Hypertext Transfer Protocol , 超文本传输协议）的协议在浏览器与万维网服务器之间传输。 为了在万维网上定位及检索文档，每个文档都被赋予了唯一的一个地址，称为 URL(Uniform Resource Locator , 统一资源定位符）。每个 URL 都包含浏览器要连接到正确的服务器以及请求 希望的文档所需要的信息。因此，为了浏览网页，人们要首先提供给浏览器所需要文档的 URL ， 114 第 4 章组网及因特网 然后要求该浏览器检索和显示这个文档。 图 4-8 给出了一个典型的 URL, 它包含以下 4 段： 与控制文档的存取的服务器进行通信的 协议，服务器所在的机器的助记地址，目录路径（供服务器找到存放该文档的目录），以及该文 档的名字。简言之，图 4-8 中的 URL 告知浏览器：使用 HTTP 协议与称为 ssenterprise.aw.com 的计算机上的万维网服务器连接，并检索名为 Julius-Caesar.html 的文档，该文档存放在 authors 目录内的子目录 Shakespeare 中。 •■■■ - ■■■ - : ：_ _ _ http ： //ssenterprise. av/. com/authors/Shakespeare/Julius_Caesar. html 访问该文档所需要的协 g 录路径，指示该文档在 议，这里是超文本传输 该主机文件系统中的位置 协议 ( http ) 图 4-8 典型的 URL 有时候， URL 可能不会包含图 4-8 中所示的所有段。例如，如果服务器不需要根据目录路 径去读那个文档，那么 URL 中就不会出现目录路径。此外，有时候一个 URL 只包含一个协议 以及一台计算机的助记地址。在这些情况下，该计算机的万维网服务器将返回预定的一个文档， 它通常称为主页，一般描述该网站上可用的信息。这种缩短了的 URL 使得联系各种机构的方法 变得更简单。例如， http://www.google.com 这个 URL 表示谷歌公司的主页，它包含许多超链接， 可以链接到与该公司相关的服务、产品和文档上去。 为了进一步简化网站定位，许多浏览器都 假定： 如果没有明确说明协议，就使用 HTTP 协议。 当 “URL” 只包含 www.google.com 时，这些浏览器也能准确地检索到谷歌公司的主页。 W3C ( WorM WideW 殊 Co 城 brthmi，::: 万维网硖盟）啣建于 1994 年， 宗旨是 it ； 过开发协议 标准 ( 萄# W 3 C ^ 准）乘捉进窄味网的发参。 W 3 C 总部賊在磚去^内瓦醪洲粒子氣理输所 ( c ^ m ' )命.能輊特矗秀 秦蜜: 文腾的3^杜?协说的诞 皇麥。 今天:的 W 3 亡制订了许多标 准:、 包括用于:?0!_和伴多多媒体应用 的#准 ) ，:聲些标_故得失量固轉 p 产品喪此兼容在网轉 bttp ://^ vw . w 3 eiorg 上 ，:你 可以了解 靴关于 W 3 C 的更多信息。 ^ .. 4.3.2 HTML 传统的超文本文档类似于文本文档，因为它的正文是使用诸如 ASCII 或者 Unicode 系统一 个字符接一个字符地编码的。区别是，超文本文档还包含称 为标签 (tag) 的专用符号，用于 表示该文档应该如何呈现在显示器上，该文档还需要什么多媒体资源（如图像），以及该文档的 哪些项链接到其他文档上。这个标签系统称为 HTML (Hypertext Markup Language, 超文本标记 语言）。 因此，按照 HTML 的要求，网页的作者描述了浏览器所需要的信息，使得浏览器能够将该 页呈现在用户的显示器上，并找到当前网页所引用的任何相关文档。该过程类似于向简单输入 4.3 万維网 115 的文档加入排版命令（比如用红笔标注），以便排版人员知道文档最后应该以什么形式出现。对 于超文本， HTML 标签就是这些红色记号，浏览器最终充当了排版人员的角色，读取 HTML 标 签就会知道文本应以什么方式呈现在计算机显示器上。 图 4-9 a 给出了一个非常简单的网页的 HTML 编码版本（称为源版本）。注意，标签是用 符号“”括起来的。 HTML 源文档由两段组成——首部（以标记 引导， W head > 结束）和主体（由 引导，以 body > g 束）。网页首部和主体之间的区别类似于办公 室备忘录的首部与主体之间的区别，两者 都是： 首部包含文档的预备性信息（例如备忘录的 日期、主题等）；主体包含文档的实质内容，对于网页就是该页可能会呈现在计算机显示器上 的内容。 指示文档开 始的 标签： 预备信息^ 示的网页部分 指示文档结 束的标签— My Web Page Click here for another page . v_ / ( b ) 显示在计算机屏幕上的网页 图 4-9 —个简单的网页 图 4-9 a 给出的网页的首部只包含了该文档的标题（用出化标签^^住）。该标题只是用于文档 编制目的，并不会显示在计算机显示器上。要显示在显示器上的内容包含在文档的主体内。 图 4-9 a 所示的文档主体的第一个条目是一个包含文本 “My WebPage ” 的一级标题（在 和匕1>标签之间）。一级标题意味着浏览器要将该文本明显地呈现在显示器上。主体的下一个 条目是文本的一个段落（在和之间），包含文本 “Click here for another page . ”。 图 4-9 b 给出的是浏览器显示在计算机显示:^上的页面。 根据它现在的形式，图 4-9 所示的页面是没有实际意义的。用户单击 here 时，什么也不会发 生，虽然网页上暗示了如此操作会使得浏览器打开另外一个网页。为了引发相关的动作，我们 必须将单词 here 与另外一个文档建立链接。 假设单击 here 时，我们打算让浏览器呈现 URL 为 http :// crafty . com / demo.html 的网页。首先， 116 第 4 章组网及因特网 我们要用标签 0 和 &> 在该网页源版本中将单词 here 括住，这对标签称为锚标签。在开锚标 签里，我们要插入 参数： href = http :/ /crafty.com/demo.html (如图 4-10a 所示）它表示与该标签相联系的超文本引用 （ href ) 是在等号后面的 URL (http://crafty.coxn/demo.litml )。 加上错标签后，该网页就会如图 4-10b 所不呈现在计算机显不器上 To 注意，它与图 4-9 b 是一样的，只是单词 here 用彩色突出显示，表示它是到另外一个网页文档 的链接。单击这类突出显示的术语就会使得浏览器检索并显示相关的网页文档。因此，网页文 档通过锚标签在彼此之间建立起了链接。 含有参数^ 的锚标签1 闭锚标签一 [ (a) 用 HTML 编写的网页 My Web Page Click here for another page . ( b ) 显示在计算机屏幕上的网页 图 4-10 增强的简单网页 最后应该简要说明一下，图像是如何加入我们这个简单的网页的。为此，假设要插入的图 像的 JPEG 编码是存储在 Images.com 的 Images 目录中的文件 OurPic.jpg ， 且对那一位置的万维网服务 器可用。这样，在1111\11^文档的标签后插入图像标签»我们就可以命令浏览器在该网页的顶部显示该图像了。这告诉浏览 器的是名为 OurPic.jpg 的图像应该在该文档的开头显示。 （ src 是 source 的缩写，意思是等号后面 的信息表示的是要显示的图像的来源）。浏览器发现这个标签时，就会传输给位于 Images.com 的 HTTP 服务器一条报文，请求 OurPic.jpg 图像，并且恰当地显示该图像。 如果我们将该图像标签移到文档的后面，就在标签前面，那么该浏览器就会在该 _4.3 万維网 117 网页的底部显示该图像。当然，在网页上定位图像还有许多复杂的技巧，但是现在我们不必关 心这些问题。 4.3.3 XML HTML 本质上是一个符号系统，文本文档及其外观都可以通过它编码成一个简单的文本文 件。同理，我们也可以将非文本内容编码成文本文件，例如乐谱。乍一看，传统上表示音乐的 五线谱，节拍以及音符都不符合文本文件规定的一个字符接着一个字符的格式。不过，我们可 以通过另外一种符号系统来克服这个困难。精确地说，我们规定用 表示五线谱的开始，用 313 土 f >表示五线谱的结束，用 2/4 time > 表示节拍号， 用 〈 measure 〉 和 rueasure > 分别表示小节的开始和结束，用 egth C notes > 表 示八分音符 C ， 等等。 那么， 文本： C minor 2/4 egth egth G, egth G, egth G hlf E /measure> 就可以用于编码图 4-11 所示的五线谱 D 使用这种符号，乐谱就可以作为文本文件编码、修改、 存储和在因特网上传输。此外，还可以编写软件，将这类文件的内容以传统乐谱的形式表现出 -来，甚至可以用一个音乐合成器来演奏此音乐。 注意，我们的乐谱编码系统沿用了 HTML 使用的文体。对于标识组成部分的标签，我们选 择用符号“”作为定界符。我们选择用相同的标签名表示结构（如五线谱、一串音符， 或者是一个节拍）的开始和结束，表示结束的那个标签有一条斜线（以 幵始的就以 measure > g 束）。我们选择用诸如 clef = " treble ” 的表达式来指示标签中特定的属性。这 种文体还可以用于开发表示其他格式的系统，如数学表达式和图表。 XML (extensible Markup Language , 可扩展标记语言）是一种标准化的文体（类似于上面 乐谱的例子），用于设计将数据表示为文本文件的符号系统。事实上， XML 是从比较老的称为 SGML ( Standard Generalized Markup Language ，标准通用标记语言）的标准派生出的简化版。 遵照 XML 标准，人们己经开发出了一批称为标记语言 （markup language ) 的符号系统，可以表 示数学、多媒体演示以及音乐。事实上， HTML 就是一种基于 XML 标准开发的表示网页的标记 语言。（实际上， HTML 的原始版本在 XML 标准巩固之前就已经开发出来了，因此 HTML 的一些 特征不严格遵守 XML 。 正是这个原因，我们可能需要参考 XHTML ， 它是严格遵守 XML 的 HTML 版本。） 关于如何设计标准以获得广泛应用， XML 是个很好的范例。为了编码各种类型的文档，我 们不应设计出单独的、无关联的各种标记语言， XML 所用的方法是开发一种通用标记语言标准， 通过这个标准，就可以为各种应用幵发不同的标记语言了。这样开发出来的标记语言具有一致 性，可以组合起来获得复杂应用的标记语言，例如包含乐谱片段和数学表达式的文本文档。 118 第 4 章组网及因特网 最后要说明的是， XML 允许开发与 HTML 不同的新的标记语言，因为新的标记语言强调的 是语义而不是词本身。例如，使用 HTML 可以标记菜谱里的配料，使得它们以列表形式出现， 每一种配料单独占一行。不过，如果我们使用面向语义的标签，菜谱里的配料就可以标记为配 料（也许使用标签 〈 ingredient >和 ingredient >) 而不仅仅是列表中的各个项。这个区别 很细微但是很重要。语义方法使得搜 索引擎 （search engine ， 帮助用户搜索与特定主题相关的网 页信息的网站）能够确定哪些菜谱包含或者不包含某些配料，这将是现在搜索引擎技术的一项 重大改进，因为现在的技术只能够分离出含或者不含有某些单词的菜谱。精确地说，如果使 用语义标签，搜索引擎就可以找到不包含菠菜的卤汁宽面的菜谱，而只根据单词内容进行的类 似搜索就会跳过以“这个卤汁宽面不包含菠菜”开始的菜谱。同样，如果根据语义而不是词本 身使用因特网范围的标准标记文档，那么创建的是万维“语义”网，而不是现在使用的万维“语 法”网。 4.3.4 客户端和服务器端的活动 现在我们来考虑一下，检索图 4-10 所示的简单网页，并将其呈现在浏览器所在的计算机的 显示器上，都需要哪些步骤。首先，扮演客户端角色的浏览器要使用 URL (也许是从使用该计 算机的人那里获得）里的信息，与控制对该网页访问的万维网服务器建立连接，然后请求它传 输该页的一个副本。服务器然后要将图 4-10 a 上显示的文本文档发送给浏览器作为回应。接着， 浏览器将解释该文档中的 HTML 标签，以确定如何显示该网页，并将文档呈现在计算机的显示 器上。浏览器的用户就将看到如图 4-10 b 所示的图像。如果用户接着用鼠标单击单词 here , 浏览 器将使用相关联的锚标签中的 URL 链接到恰当的服务器，以获得并显示另一个网页。总之，整 个过程就是浏览器按照用户的要求搜索及显示网页。 但是，如果我们想获得一个带有动画的网页，或者是一个允许客户填写订单并提交的网页 呢？这些需求就需要浏览器或万维网服务器付出额外的行动。如果这些行动由客户机（如浏览 器）完成则称为 客户端 （ client - side ) 活动，如果由服务器（如万维网服务器） 完 成则称为服务 器端 ( server - side ) 活动。 例如，假设旅行社想要客户能确认想去的目的地和旅行日期，它将呈现给客户一个定制的 网页，只包含与该客户需求有关的信息。在这种情况下，旅行社的网站将首先呈现给客户一个 包含可供选择的旅游目的地的网页。客户根据这个信息，指定感兴趣的目的地和旅行日期（客 户端活动）。这些信息将传回给旅行社的服务器，服务器利用这些信息来构建合适的定制网页 (服务器端活动），再将这个网页发送给客户的浏览器。 举一个搜索引擎服务的例子。在这种情况下，客户端的用户指定感兴趣的主题（客户端 活动），然后这个主题被传送给搜索引擎，在那里会构建一个包含用户可能感兴趣文档的定制 网页（服务器端活动），然后发回给客户端。还有一个例子就是网 站邮件 （Web mail ) ——一种 日益流行的方法，通过它计算机用户能通过网页浏览器来访问他们的电子邮件。在这种情况下， 万维网服务器是客户与客户邮件服务器间的中间层。从本质上讲，万维网服务器构建包含有来 自邮件服务器信息的网页（服务器端活动），把这些网页传送给客户端，由客户端浏览器显示它 们（客户端活动）。相反，浏览器支持用户创建消息（客户端活动），把这一信息传送给万维网 服务器，万维网服务器再把这些消息转发给邮件服务器（服务器端活动）。 实现客户端和服务器端活动的系统有很多，可谓争奇斗艳，各有千秋。一种早期但现在仍 然很流行的控制客户端活动的方法是，在网页的 HTML 源文档中包括用 JavaScript 语言（由网景 公司开发）编写的程序。浏览器可以从中获取程序并根据需要执行。另外一种由 Sun 公司开发的 方法是，首先将一个网页传输给浏览器，然后将称为小应用程序 （ applet , 用 Java 语言编写）的 *4.4 因特网协议 119 额外程序单元根据 HTML 源文档的要求传输给该浏览器。还有一种方法是使用由 Macromedia 公 司®开发的 Flash , 可以实现大量多媒体客户端演示。 控制服务端活动的一个早期方法是，使用一组称为 CGI (Common Gateway Interface , 公共 网关接口）的标准，客户通过它可以请求执行在服务器中存储的程序。这种方法的一个变体（由 Sun 公司开发）是允许客户在服务器端执行称为小服务程序 （ servlet ) 的程序单元。如果所请求 的服务器端工作是创建定制的网页，如旅游代理的例子，那么就可以使用小服务程序方法的一 种简化版本。这时，称为 JSP (Java Server Page , Java 服务器页面）的网页模板存放在万维网服 务器里，并利用从客户端接收到的信息完成该网页。微软公司采用了类似的方法，构建定制网 页的模板称为 ASP (Active Server Page , 活动服务器页面)。与这些专有系统相对， PHP 是一种 实现服务器端功能的开源系统。 PHP 最初代表个人主页 (Personal Home Page ), 现在指的是 PHP 超文本处理程序 （PHP Hypertext Processor ) 。 最后，我们应清醒地认识到，由于允许客户机和服务器在对方的计算机上执行程序，会引 发一些安全性问题和道德问题。万维网服务器要固定地给客户传输要执行的程序，这个事实给 服务器端带来了道德问题，并相应地给客户端带来了安全性问题。如果客户机盲目地执行万维 网服务器发送来的任何程序，它就为服务器的恶意行动打幵了大门。同理，客户机可以让程序 在服务器端执行，因此也给客户端带来了道德问题，相应地给服务器端带来了安全性问题。如 果服务器端盲目地执行客户机发送过来的任何程序，那么安全性就被破坏了，并因此产生潜在 的危险 问题与綠习 •一 .. _ _ --- . . , 1. 什么捧 JRL ? 什么是濟 2. 什么是标记语言？ : : v .3, HTHE 郝5^昀 区别每 _衾々 ； 3 '| :議麵議麵■，震 讓議 J 賴纏 I : 5. “户廳服务躺分顯 g 什么 ？ *4.4 因特网协议 本节研究报文是如何在因特网上传输的。因为传输过程需要系统中所有计算机合作，所以 控制传输过程的软件需要驻留在因特网的每台计算机中。我们首先研究此类软件的总体结构。 4 A 1 因特网软件的分层方法 网络软件的首要任务是提供从一台机器到另一台机器传输报文所需的基础设施。在因特网 上，报文传递活动是通过软件单元的层次结构完成的，这和你把一份礼物从美国的西海岸邮寄 到东海岸的过程类似（见图4-12)。第一步，把礼物打包并在包裹外面写上正确的邮寄 地址； 接 着，把包裹拿到运输公司，例如 邮局； 运输公司把这个包裹和其他包裹一同放入一个大的集装 箱，并送往与其签有服务合同的航空 公司； 航空公司将集装箱装入飞机并运往目的城市，也许 沿途还要经过中 转站； 到达目的地，航空公司把集装箱从飞机上卸下，然后送往当地的运输公 司； 接着，运输公司把你的包裹从集装箱取出并送给收件人。 ①己被 Adobe 公司收购。 120 第 4 章组网及因特网 准备运送 的包裹 Siii 把包裹放入集装 箱以便交给航空_ 将集装箱放 到飞机上 中转站 将集装箱送到另一架飞机 图 4- 12包裹运输的例子 目的地 取出并打 开包裹 从集装箱取出包 裹送给收件人 将集装箱送 到运输公司 简而言之，礼物的运输过程需要3层组织 ： （1) 用户层次（包括 你和你的朋友 ）：（2) 运输 公司； （3) 航空公司。每一层把下一层当做 抽象工具来使用。（你不关心运输公司的工作细节，而运输公司也不需 要关心航空公司的内部运作。）组织的每一层在源端和目的端都有代 理，在目的端的代理完成在源端相应代理的相反工作。 因特网上软件控制通信的过程和运输包裹的情况类似，但因特网 上的软件有4层而不是3层，每层所涉及的是软件例程而不是人和企业。 这4层就是众所周知的应用层 （application layer )、 传输层 (transport layer )、 网络层 （network layer ) 、 链路层 （link layer ) (图 4-13)。 通常， 由应用层产生一个报文，当这个报文准备发送时，从应用层向下传递， 经由传输层和网络层，最后传递到链路层进行传输。目的地的链路层 接收这条报文，沿逆向分层结构向上传递，直到把它交给目的地的应图 4-13 特网软件层-次 用层。 下面通过跟踪一个报文通过网络系统的路径，从总体上研究一下报文的传输过程（参见图 4-14)。首先从应用层开始。 应用层由那些使用因特网通信来完成任务的软件单元组成，如客户机和服务器软件。虽然 名称类似，但是这一层不局限于 3.2 节介绍的软件分类中的应用软件，还包括一些实用软 件包。 例如，使用 FTP 协议传输文件的软件和利用 SSH 提供远程登录功能的软件已经很普遍，所以通 常称它们为实用软件。 在因特网上，应用层使用传输层发送和接收报文的方式与我们通过运输公司邮寄和接收包 裹非常相似。正像我们有责任提供一个和运输公司所要求的规范一致的地址一样，应用层负责 向因特网基础设施提供兼容的地址。为了满足这个要求，应用层利用因特网上的域名服务器提 供的服务把便于人类记忆的地址翻译成符合因特网规范的 IP 地址。 传输层的重要任务是从应用层接收报文并确保报文以正确的格式在因特网上传输。为了第 二个目的，传输层将长报文分成小的片段作为独立单位在因特网上传输。，因为在因特网内一个 长报文会阻塞许多报文必经的节点，所以对长报文的分段是必需的。实际上，小段的报文在这 些节点可以交叉通过，而一个长报文在经过这些节点时将迫使其他报文等待（很像在铁路交叉 道口，许多小汽车等一列长火车通过的情况）。 *4.4 因特网协议 121 W 龜纖爲座獻:感 feg # e | 賴 ?；s* »■ 較 tr^ \>ri ^雄： mmA ■ T^ym %W _^;.® 磬 辑幾: 變 .3 壽繼 # t ■JVto'tilt. ， 丄 o，. .4 科 w 知 d - : :. 羔找〜:切斧 ；^! _ 复习题 (带 * 的题目涉及选读小节的内容。） 1. 什么是协议？说出本章介绍的 3 个协议，并描 述每个协议的目标。 2. 描述客户机/服务器模型。 3. 描述对等模型。 4. 说出 3 种分布式计算机系统。 5. 开放式网络和封闭式网络之间的区别是什么？ 6. 为什么 CSMA/CD 协议不能应用于无线网络？ 7. 描述在使用 CSMA/CD 协议的网络内，一台机 器发送报文所要遵循的步骤。 8 . 什么是隐藏终端问题？描述解决它的技术。 9. 集线器和中继器怎样区分？ 10. 路由器和中继器、网桥及交换机这类设备怎样 区分？ 11. 网络和因特网的区别是什么？ 12. 说出网络中用来控制报文发送权的两个协议。 13. 使用 32 位因特网地址原先被认为是提供了足 够大的扩展空间，但这推测被证实并不准确。 IPv6 使用 128 位地址，这将被证明是足够的 吗？证明你的答案。（例如，你可以把可能的 地址数目与世界的人口进行比较。） 14. 用点分十进制记数法为下列位模式编码。 a. 000001010001001000100011 b. 1000000000100000 c. 0011000000011000 15. 下列点分十进制记数法表示的位模式分别是 什么？ a. 0.0 b ‘ 26.19.1 c. 8.12.20.13 16. 假设因特网上一台终端系统的地址是 134.48.4.122, 那么这个 32 位地址如何用十六进 制记数法表示？ 17. 什么是 DNS 查找？ 18 . 如果一台计算机的助记因特网地址是 batman.batcave.metropolis.gov, 推测一下该机 器所在域的结构是什么样的？ 19. 解释电子邮件地址 [email protected] 的 组成。 20. 在 VoIP 语境下，模拟电话适配器和嵌入式电 话的区别是什么？ 21. 邮件服务器的功能是什么？ 22. 多点传播与多路广播的区别是什么？ 23. 给出下列名词的定义。 a. 域名服务器 b. 因特网接入服务提供商 c. 网关 d . 终端系统 24. 给下列名词的定义。 a. 超文本 b. HTML c. 浏览器 25. 因特网的许多‘‘外行用户”经常混用因特网和 万维网这两个术语^这两个术语的正确含义是 指什么？ 26. 在浏览一个简单的网页文档时，让浏览器显示 该文档的源版本，然后说出该文档的基本结 构。特别是，说出该文档的首部和主体，并列 出你在首部和主体中发现的一些语句。 27. 列出 5 种 HTML 标签，并说出它们的含义。 28_ 修改下面的 HTML 文档，使单词 Rover 链接 到 URL 为 http://animals.org/pets/dogs.html 的 文档。 Example My Pet Dog

My dog's name is Rover.