第1章 计算机基础与信息表示ppt课件.pptx

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1、在此输入您的封面副标题第1章 计算机基础与信息表示第1章 计算机基础与信息表示学习目标通过本章的学习，应该掌握以下内容：（1）计算机概述（2）计算机系统组成（3）计算机信息表示1.1 计算机概述1.1.1 计算机基本概念 计算机体系结构计算机工作原理0201计算机类别031.计算机体系结构冯诺依曼（John von Neumann，1903-1957）是美籍匈牙利数学家数学家，有“现代计算机之父”和“博弈论之父”之称。冯诺依曼体系结构计算机特点：（1）五个组成部分，如右图所示。（2）采用存储程序的方式。（3）数据和程序以二进制表示。2.计算机工作原理控制器把需要的程序和数据从存储器取出来，送至

2、运算器。运算器能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力，而存储器必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最 终运算结果的能力。控制器能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。输出 设备则能够按照要求将处理结果输出给用户。3.计算机的类别超级计算机大型计算机小型计算机微型计算机工作站也叫巨型计算机，是目前功能最为强大的计算机。广泛应用于商业运作的一种通用型计算机。比大型计算机存储容量小、处理能力弱的中等规模的计算机。基于微处理器技术的计算机，又称PC或微机，这是最常见的计算机。一种中型的单用户计算机，它比小型计算机的处理能力弱，但是比个人用微型计算机拥有更强大

3、的处理能力和较大的存储容量。计算机的诞生计算机的发展02011.1.2 计算机发展史 1.计算机的诞生图灵与图灵机ENIAC图灵与图灵机阿兰图灵（Alan Mathison Turing，19121954)是英国科学家，被视为计算机科学和人工智能之父。图灵机的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程。ENIAC1.8万多个晶体管占地170平方米耗电：140度/时运算速度：5000次/秒世界上世界上第一台电子数字计算机于1946年2月在美国宾西法尼亚大学研制成功。名 称 为 E l e c t r o n i c Numerical Integrator A n d C o m p u

4、 t e r（ENIAC），即“电子数字积分计算机”。重量：30多吨解决了计算速度、计算准确性和复杂计算的问题2.计算机的发展第一代电子计算机（1946-1954）主要逻辑部件：晶体管运算速度：每秒几十万次特点：体积小、功能强、可靠性高、成本低应用于军事计算、科学研究、数据处理、事务处理主要逻辑部件：电子管运算速度：每秒几千次至几万次特点：体积大、功耗高、价格昂贵主要用于军事计算和科学研究主要逻辑部件：中小规模集成电路运算速度：每秒几百万次特点：速度和稳定性提高、体积功耗等下降广泛应用于企业管理、辅助设计和辅助系统等主要逻辑部件：大规模、超大规模集成电路运算速度：每秒几百亿次到几百万亿次特点：

5、网络互连、与通信等技术结合深入到办公自动化、图像处理、语音识别等计算机的未来1.第五代计算机具有推理、联想、判断、决策等能力。8.神经元计算机7.DNA计算机能够携带生物体的大量基因物质2.能识别自然语言的计算机模式识别、语言处理、语义分析等领域突破。3.高速超导计算机5.分子计算机4.激光计算机6.量子计算机9.生物计算机(1)科学计算利用计算机的高速度、大容量存储和连续运算能力（6）人工智能（5）网络应用可以使一个地区、一个国家甚至全世界范围内的计算机与计算机之间实现数据以及软硬件资源共享（2）数据处理和信息管理用于数据处理和信息管理的计算机在所有应用方面所占比例达80%以上（3）自动控制

6、（4）计算机辅助系统（7）电子商务是由计算机控制各种自动装置、自动仪表、自动加工工具的工作过程计算机辅助设计、教学、制造、测试等利用计算机模拟人类某些智能行为的理论、技术和应用通过计算机网络以电子数据信息流通的方式在世界范围内进行并完成的各种商务活动、交易活动、金融活动和相关的综合服务活动1.1.3 计算机应用3.计算机新热点云计算计算资源集成提高设备计算能力分布式数据中心保证系统容灾能力平台模块化设计体现高可扩展性虚拟资源池为用户提供弹性服务按需付费降低使用成本0203040501云计算的特点 云计算就是让用户通过互联网，随时随地快速方便地使用其提供的各种资源服务。这种服务模式提供可用的、便

7、捷的、按需的网络访问， 进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。3.计算机新热点云计算云计算提供的服务包括基础设施即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）平台即服务（Platform-as-a-Service,PaaS）软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS）3.计算机新热点云计算通过云计算技术使整个互联网变成了终极安全卫士通过应用软件共同作用协同发展，进而带来的数据访问服务云教育将物联网、云计算和移动互联网相结合，通过其交

8、互作用创造新型社交方式云计算的典型应用领域从信息技术的应用方面打破了传统教育的垄断和固有边界云社交云存储云安全3.计算机新热点物联网RFID技术嵌入式技术物联网示意图物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。传感技术依赖的关键技术位置服务技术3.计算机新热点物联网物联网的典型应用物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用首家手机物联网落户广州与门禁系统的结合与云计算的结合与移动互联结合与指挥中心结合物联网助力食品溯源,肉类源头追溯系统3

9、.计算机新热点大数据互联网时代，人们热衷于利用网络进行社交、通信、获取生活信息，开展工作交流，建立起越来越复杂的基于电子数据的社会链接，数据量呈现爆炸式增长。随着计算机计算能力的长足进步和数据处理技术的发展，人们逐渐开发出管理和分析这些巨量数据的方法和工具，发现其中隐藏着巨大的机会和价值，将给许多领域带来变革性的发展。因此，大数据研究领域吸引了产业界、政府和学术界的广泛关注，大数据时代已经到来。目前，大数据技术已经被广泛应用于金融、通信、电力、医疗、旅游等多个领域。3.计算机新热点大数据(1)金融大数据应用大数据挖掘和分析工具有效管理非结构化金融数据，进行多维实时分析和挖掘，可以获得关于客户消

10、费习惯、资产负债等信息的精准结论，为金融服务机构准确预测客户行为奠定基础。（2）通信大数据大数据技术能够帮助移动通信运营商快速实现数据采集，建立跨域的统一数据模型，对各类数据进行分析整理，面向现有用户针对性细化各类通信业务，提升运营商在客户心中的信任度，增加用户黏性。（3）电力大数据（4）医疗大数据电力大数据的有效应用可以面向行业内外提供大量的高附加值的增值服务业务，对于电力企业盈利与控制水平的提升有很高的价值。目前，医疗大数据技术已被应用于慢病管理、医疗保险、医药研发、医院管理、健康管理、智慧养老、基金测序等医疗健康领域。未来，深挖医疗大数据的价值将是医院升级，医疗健康相关企业发展的重要方向

11、。1.2 计算机系统组成硬件是计算机的躯体，软件是计算机的灵魂，两者缺一不可。硬件系统是指所有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。软件系统是指计算机运行时所需的各种程序、数据及其有关资料。1.2.1 计算机系统组成 负责接受数据或命令，将其转换为计算机能处理的数字信号，再传送至主存储器内存储负责将计算机处理之后的结果显示或输出中央处理器许多微型计算机的CPU是由单个或两个处理器（甚至更多个）构成。CPU由运算器和控制器两部分组成存储器输出设备输入设备1.2.2 计算机硬件系统 主板系统1234总线与接口输入输出设备微型计算机的主要技术指标1.2.2 计算机硬件系

12、统 1.主机系统030201主机是微型计算机中的一块集成电路板。为了与外围设备连接，在主机板上还安装有若干个接口插槽，可以在这些插槽上插入与不同外围设备连接的接口卡。计算机把解题程序和数据存储在存储器中。在运算过程中，由存储器按事先编好的程序快速地提供给微处理器进行处理。中央处理器包括运算器和控制器两个部件。中央处理器是计算机的心脏，能够处理的数据位数是CPU的一个最重要的品质标志。主板中央处理器（CPU）存储器1.主机系统随机存储器RAM高速缓冲存储器Cache只读存储器ROM内部存储器1.主机系统外存储器2.总线与接口总线数据总线（DB）地址总线（AB）控制总线（CB）数据总线是双向的，它

13、是CPU同各部分交换信息的通路，在CPU与内存或者输入/输出接口电路之间传送数据。地址总线用来传送存储单元或者输入/输出接口的地址信息。控制总线用来传送控制器的各种控制信号。2.总线与接口总线ISA总线总线结构标准2.总线与接口接口不同的外围设备与主机相连都必须根据不同的电气、机械标准，采用不同的接口来实现。主机与外围设备之间信息通过多种接口传输。一种是串行接口，串行接口按机器字的二进制位，逐位传输信息，传送速度较慢，但准确率高，如鼠标；一种是并行接口，并行接口一次可以同时传送若干个二进制位的信息，传送速度比串行接口快，但器材投入较多，如打印机。目前微型计算机普遍配置有Usb接口、1394接口

14、等。3.输入输出设备01 键盘键盘在计算机的输入设备中是最为常用的。根据键盘上的小键的多少可将键盘分为101键键盘和102键键盘。02 鼠标鼠标（Mouse）通过电缆与计算机的输入接口相连，是一种小巧的人机交互输入设备，因其外观像似老鼠而得名。03 扫描仪扫描仪（Scanner）是一种光电转换装置，它可以快速地将图形、图像、照片、文字等信息输入到计算机中。输入设备3.输入输出设备01 显示器计算机通过显示屏幕向用户输出信息，显示器一般分为CRT显示器和LCD显示器。02 打印机目前使用的打印机主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机。03 绘图仪绘图仪是能按照人们要求自动绘制图形的设备。它可将

15、计算机的输出信息以图形的形式输出。输出设备4.微型计算机的主要技术指标字长字长是指一台计算机所能处理的二进制代码的位数。可靠性与兼容性一般用微型计算机连续无故障运行的最长时间来衡量微型机的可靠性。输入/输出数据的传送率计算机主机与外部设备交换数据的速度称为计算机输入/输出数据的传送率。运算速度运算速度是指计算机每秒钟所能执行的指令条数。主频主频是指计算机CPU的时钟频率，它在很大程度上决定了计算机的运算速度。内存容量内存容量是指内存储器中能够存储信息的总字节数，一般以GB为单位。01系统软件主要是指各种操作系统，语言解释、编译程序，调试、查错程序等等02应用软件为完成某些具体的应用性任务而编制

16、的软件1.2.3 计算机软件系统 操作系统语言处理程序工具软件系统软件 系统软件是为计算机提供管理、控制、维护和服务等各项功能，充分发挥计算机效能和方便用户使用的各种程序的集合。系统软件主要包括操作系统、语言处理程序和工具软件等。1.操作系统操作系统的概念计算机操作系统是指控制和管理计算机系统资源，对其进行统一协调和统一分配，并方便用户使用的系统软件。计算机系统中的主要部件之间相互配合、协调一致的工作，都是在操作系统的统一控制下才得以实现。操作系统与用户的关系1.操作系统操作系统的基本功能 从计算机系统的组成来看，操作系统是直接与硬件层相邻的第一层软件，它对硬件进行首次扩充，是其他软件运行的基

17、础。 操作系统管理的主要对象是硬件资源和软件资源，从资源管理的角度看，操作系统对计算机资源进行控制和管理的功能主要有：处理机（即CPU）管理、存储器管理、设备管理、文件管理、作业管理。1.操作系统01 Microsoft WindowsMicrosoft Windows（微软视窗）操作系统是一个为个人电脑和服务器用户设计的操作系统。02 UNIXUNIX是贝尔实验室开发的一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构。03 LinuxLinux是一套免费使用和自由传播的类UNIX操作系统。常用操作系统简介2. 语言处理程序机器语言（即机器指令）是计算机能够直接识别和执行的一组二进制代码。

18、用ADD、SUB、JMP等英文字母或其缩写形式取代原来的二进制操作码来表示加、减、转移等操作，并采用容易记忆的英文符号名来表示指令和数据地址。高级语言与自然语言比较接近，容易学习。高级语言可以在不同的机器上执行，使用很方便。它设计的出发点就是为了更直接地描述客观世界中存在的事物以及它们之间的关系。3.工具软件工具软件又称为服务性程序，是在系统开发和维护时使用的工具，完成一些与管理计算机 系统资源及文件有关的任务，包括链接程序、计算机测试和诊断程序、数据库管理软件及数据 仓库等。应用软件包用户程序应用软件应用软件是指为用户解决某个实际问题而编制的程序和有关资料，可分为应用软件包和用户程序。通用的

19、应用软件包括文字处理软件、表格处理软件、演示文稿制作软件等，如 WPS 就是目 前流行的集文字、表格、演示文稿处理为一体的软件。 专用的应用软件有财务管理系统、计算机辅助设计（CAD）软件和部门的应用数据库管理 系统等，适用于不同的专业领域。1.3 计算机信息表示PART 01数制PART 02常用数制表示方法1.3.1 数制数制数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。十进制二进制数制基数位权在进位计数制中，把基数的若干次幂称为位权，幂的方次随该位数字所在的位置而变化，整数部分从最低位开始依次为0，1，2，3，4，；小数部分从最高位开始依次为1，2，3，4，。基数是进

20、位计数制中所用的数字符号的个数。假设以X为基数进行计数，其规则是“逢X进一”，则称为X进制。例如，十进制的基数为10，其规则是“逢十进一”；二进制的基数为2，其规则是“逢二进一”。记数法通常使用的是进位计数制，即按进位的规则进行计数。在进位计数制中，有“基数”和“位权”两个基本概念。任何一种用进位计数制表示的数，其数值都可以写成按位权展开的多项式之和：其中，X是基数；ai是第i位上的数字符号（或称系数）；Xi是位权；n和m分别是数的整数部分和小数部分的位数。数制数制十进制数123.45可以写成：(123.45)10=1102+2101+3100+4101+5102二进制数1011可以写成：(1

21、011)2=123+022+121+120=8+0+4+1=(13)10一般在计算机文献中，用在数据末尾加下角标的方式表示不同进制的数。例如，十进制用“（数字）10”表示， 二进制数用“（数字）2”表示。在计算机中，一般在数字的后面用特定字母表示该 数 的 进 制 。B 表示二进制D 表示十进制（可省略）O 表示八进制H 表示十六进制数制日常生活中，人们习惯使用十进制，有时也使用其他进制，例如，计算时间采用六十进制，1小时为60分钟，1分钟为60秒；在计算机科学中，经常涉及二进制、八进制、十进制和十六进制等；但在计算机内部，不管什么类型的数据都使用二进制编码的形式来表示。常用数制表示方法常用数

22、制表示方法数值数值符号基数特点十进制0，1，2，3，4，5，6，7，8，910逢十进一二进制0，12逢二进一八进制0，1，2，3，4，5，6，78逢八进一十六进制0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F16逢十六进一常用数制的基数、数值及各进制的特点常用数制表示方法数值数值十二八十六十二八十六0000810001081111910011192102210101012A3113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117715111114F二、八、十、十六进制间数的对应关系PART 01数制转换PA

23、RT 02二进制的运算PART 03数据存储单元数制转换数制转换十进制数转换为二、八、十六进制数二 、 八 、 十 六 进 制 数 转换为十进制数二 进 制 数 转 换 为 八 、 十 六进制数练习【例1】将(10.25)10转换为二进制数。将整数部分“除2取余”，将小数部分“乘2取整”。最后得出转换结果：(10.25)10=(1010.01)2。因此，(10)10=(1010)2因此，(0.25)10=(0.01)2r进制数转换为十进制数由于8=23，16=24，因此1位八进制数相当于3位二进制数，1位十六进制数相当于4位二进制数练习【例2】将二进制数1101转换为十进制数。(1101)2=

24、123+122+021+120=8+4+1=(13)10练习【例3】将八进制数1101转换为十进制数。(1101)8=183+182+081+180=512+64+1=(577)10练习【例4】将十六进制数1101转换为十进制数。(1101)16=1163+1162+0161+1160=4096+256+1=(4353)10二进制数与八、十六进制数之间的转换将r进制数（如二进制数、八进制数和十六进制数等）按位权展开并求和，便可得到等值的十进制数。整数部分小数部分从右向左每3位（八进制）或每4位（十六进制）一组构成1位八进制或十六进制数，位数不足3位或4位时最左边补0。从左向右每3位（八进制）或

25、每4位（十六进制）一组构成1位八进制或十六进制数，位数不足3位或4位时最右边补0。二进制数转换为八进制数或十六进制数例如：(1101010)2=(1，101，010)2 =(152)8(1101010)2=(110，1010)2 =(6A)16八进制数或十六进制数转换为二进制数把1位八进制数用3位二进制数表示，把1位十六进制数用4位二进制数表示。例如：(12.34)8=(001，010.011，100）2=(1010.0111)2(1A.26)16=(0001，1010.0010，0110)2=(11010.0010011)23.数据存储单位位字节字节(Byte,简写为B)是计算机中数据的基本

26、单位,各种信息在计算机中存储处理至少需要一个字节,例如,1个ASCII码用1个字节表示,1个汉字用2个字节表示一个字节由8个二进制位组成,即1Byte=8bit位(bit，简写为b)是二进制数中的一个数位，可以是0或者1，是计算机中数据的最小单位。在计算机内部,数据都是采用二进制的形式进行存储运算处理和传输的二进制数据经常使用的单位有位字节等比字节更大的容量单位有KB(KiloByte,千字节)MB(MegaByte,兆字节)GB(GigaByte,吉字节)和TB(TeraByte,太字节)其中：1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=210KB=220B=10241024B 1G

27、B=1024MB=210MB=230B=102410241024B 1TB=1024GB=210GB=240B=1024102410241024BPART 01数值表示PART 02图像数据的表示PART 03音频数据的表示PART 04视频数据的表示PART 05非数值信息的编码1.3.2 信息表示日常生活中，人们习惯使用十进制，但在计算机领域，最常用到的是二进制，这是因为计算机是由千千万万个电子元件（如电容、电感、三极管等）组成的，这些电子元件一般都只有两种稳定的工作状态（如三极管的截止和导通），用高、低两个电位“1”和“0”表示是在物理上最容易实现的。其次，计算机内的数据是以二进制数表示

28、的。数据包括字符、字母、符号等文本型数据和图形、图像、声音等非文本型数据。在计算机中，所有类型的数据都被转换为二进制代码形式加以存储和处理。待数据处理完毕后，再将二进制代码转换成数据的原有形式输出。1.数值表示1.数值表示计算机可以通过二进制格式来存储十进制数字，即存储数值型数据。在计算机中，总是用最高位的二进制数表示数的符号，并约定以“0”代表正数，以“1”代表负数字符编码是指用一系列的二进制数来表示非数值型数据（如字符、标点符号等）的方法，简称为编码。目前计算机中用得最广泛的字符集和编码是由美国国家标准局（ANSI）制定的ASCII（American Standard Code for I

29、nformation Interchange，美国标准信息交换码），包括了所有拉丁文字字母。字符数据的表示数值数据的表示2.图像数据的表示位图图像矢量图像在计算机系统中，有两种不同的图形编码方式，即位图编码和矢量编码方式。两种编码方式的不同影响到图像的质量、存储图像的空间大小、图像传送的时间和修改图像的难易程度。位图图像常用来表现现实图像，适合表现比较细致、多层次和色彩丰富、包含大量细节的图像。例如，扫描的图像、摄像机、数字照相机拍摄的图像，或帧捕捉设备获得的数字化帧画面是以屏幕上像素点的位置来存储图像的经常使用的位图图像文件扩展名有bmp、pcx、tif、jpg和gif等可用来修改或编辑位图

30、图像的软件有Adobe Photoshop、Micrografx Picture Publisher等，这些软件能够将图片的局部区域放大，而后进行修改2.图像数据的表示矢量图像是由一组存储在计算机中，描述点、线、面等大小形状及图像位置、维数的指令组成的它不是真正的图像，而是通过读取这些指令并将其转换为屏幕上所显示的形状和颜色的方式来显示图像的，矢量图像看起来没有位图图像直观用来生成矢量图像的软件通常称为绘图软件，常用的绘图软件有Micrografx Designer和CorelDraw2.图像数据的表示3.音频数据的表示计算机获取声音信息的过程就是声音信号的数字化处理过程。存储在计算机上的声音

31、文件的扩展名为wav、mod、au和voc要记录和播放声音文件，软件方面需要使用声音软件，硬件方面需要使用声卡声音的数字信息声音的模拟信息采样量化编辑4.视频数据的表示人们一般讲的视频信号为电视信号，是模拟量；而计算机视频信号是数字量视频是图像数据的一种，由若干有联系的图像数据连续播放而形成视频信号的数字化是指在一定时间内以一定的速度对单帧视频信号进行捕获、处理以生成数字信息的过程视频信息实际上是由许多幅单个画面帧所构成5.非数值信息的编码编码是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，将字符变为指定的二进制形式，以表示大量复杂多样信息的技术。字符编码（Character Code）是用二进制编

32、码来表示字母、数字以及专门符号。ASCII码十进制BCD码国标码GB2312-80GBK和GB18030Unicode汉字输入码（外码）汉字字形码ASCII码ASCII是英文American Standard Code For Information Interchange的缩写，称为“美国标准信息交换代码”，由国际标准化组织认定为国际标准。7位版本的ASCII码有128个元素，只需用7个二进制位（27128）表示。用一个字节（8位二进制位）表示7位ASCII码时，最高位为0，它的范围为00000000B01111111B。8位ASCII码称为扩充ASCII码，是8位二进制字符编码，最高位可以

33、是0或1，它的范围为00000000B11111111B，因此可以表示256种不同的字符。其中，范围在00000000B01111111B为基本部分，共有128种；范围在10000000B11111111B为扩充部分，也有128种。十进制BCD码十进制数BCD码十进制数BCD码000001000010000100011100010001200101200010010300111300010011401001400010100501011500010101601101600010110701111700010111810001800011000910011900011001十进制数与BCD码的对

34、应关系十进制BCD（Binary-Coded Decimal）码是指每位十进制数用4位二进制编码来表示。选用00001001来表示09这10个数符，这种编码又称为8421码。中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码应用最广泛、历史最悠久的汉字编码方案既解决了西文机内码与汉字机内码的二义性，又保证了汉字机内码与国标码之间非常简单的对应关系6763个汉字和682个非汉字图形符号国标码GB2312-80GBK和GB18030GBKGB18030GB18030共收录27484个 汉 字 ， 它 全 面 兼 容GB2312，可以充分利用已有资源，保证不同系统间的兼容性，是未来我国计算机系统必须遵循的基础标

35、准之一。信 息 标 准 委 员 会 对GB2312原标准进行了扩充，得到了扩充后 的 汉 字 编 码 方 案GBK，使汉字个数增加到20902个.UnicodeUnicode是一个多种语言的统一编码体系，被称为“万国码”。Unicode给每个字符提供了一个唯一的编码，而与具体的平台和语言无关。它已经被Apple、HP、Microsoft和Sun等公司采用。Unicode采用的是16位编码体系，因此它允许表示65536个字符，使用两个字节表示一个字符。汉字输入码（外码）汉字输入码是为了将汉字通过键盘输入计算机而设计的代码，有音码、形码和音形结合等多种输入法。外码不是唯一的，可以有多种形式。汉字输入码（外码）汉字字形码汉字字形码是一种使用点阵方法构造的汉字字形的字模数据，在显示或打印汉字时，需要使用汉字字形码，也称为汉字字库。汉字字形点阵有1616、2424、3232、6464、9696、128128、256256点阵等。点阵越多，占用的存储空间越多。例如，1616点阵汉字使用32个字节（1616/8=32）。