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江南大学信息工程学院 计算机文化基础计算机文化基础 第一章 计算机系统基础知识 1-1 计算机与信息社会 1-2 信息在计算机内的表示 2 1.1 计算机与信息社会 内容： q1.1.1 计算机的发展 q1.1.2 计算机的分类 q1.1.3 信息技术与信息处理 q1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机文化基础计算机文化基础 3 1.1.1 计算机的发展 计算机的概念 计算机 Computer 电脑 依靠程序自动、高速、精确地完成各种信息存储、 数据处理、数值计算、过程控制、数据传输的电 子设备。 基本部分是由电子元器件组成的电路，电路按照“数字”方式 进行工作数字电子计算机(Digital Electronic Computer)。 计算机与以往任何一种工具的不同点在于它能够把人们从繁 重的脑力劳动中(部分)解放出来。 计算机文化基础计算机文化基础 4 1.1.1 计算机的发展 近代计算机的产生 英国科学家阿兰图灵 Alan Mathison Turing,1912-1954 建立了图灵机(Turing Machine, TM)模 型，奠定了可计算理论的基础 提出图灵测试理论，阐述了机器智能的 基本概念 图灵奖计算机界的诺贝尔奖 美国计算机学会(ACM)于1966年设立 颁发 给计算机科学领域的领先科研人员 计算机文化基础计算机文化基础 5 1.1.1 计算机的发展 近代计算机的产生 美籍匈牙利数学家冯诺依曼 John von Neumann,1903-1957 提出了著名的“冯诺依曼原理”,即“存储 程序和程序控制”的原理 计算机由五个部分组成，包括：运算器、逻辑 控制装置、存储器、输入和输出设备 采用了二进制，不但数据采用二进制，指令 也采用二进制； 建立了存储程序，指令和数据便可一起放在 存储器里，并作同样处理。 计算机文化基础计算机文化基础 6 1.1.1 计算机的发展 近代计算机的产生 第一台计算机 ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator (电子数字积分计算机) 1946年2月 由美国宾夕法尼亚大学 研制成功 计算机文化基础计算机文化基础 7 1.1.1 计算机的发展 近代计算机的产生 ENIAC 最早用于弹道计算 采用电子管为基本元件的电子线路 来完成运算和存储，每秒可进行 5000次加法或减法，可以在 3/1000秒时间内做完两个10位数 乘法，能够真正自动运行。 使用了17468个电子管、15000个继 电器、70000多只电阻器， 10000多只电容器、占地170平 方米、重80吨、耗电量140千瓦 、价格40万美元。 计算机文化基础计算机文化基础 8 1.1.1 计算机的发展 近代计算机的产生 ENIAC 后改进为通用计算机 并又进行过多次改造 两大缺点： 没有存储器； 用布线板进行控制非常 麻烦。 在1965年10月最后切断电 源 计算机文化基础计算机文化基础 9 1.1.1 计算机的发展 计算机的发展简史 第一代 1946年1957年 电子管计算机 体积庞大、运算速度低、 功耗大、可靠性差。 使用机器语言或汇编语言 来编制程序，内存采用 水银延迟线和继电器， 仅供少数专业人员使用 ，主要进行科学计算。 计算机文化基础计算机文化基础 电子管计算机 IBM701 10 1.1.1 计算机的发展 计算机的发展简史 第二代 1958年1964年 晶体管计算机 体积缩小、功耗降低、速 度加快、可靠性提高。 内存使用磁芯存储器，外 存使用磁带，开始出现 高级语言，发展了一些 单道和多道管理程序， 应用拓展到数据处理和 实时控制。 计算机文化基础计算机文化基础 贝尔实验 室使用 800只晶 体管组装 了世界上 第一台晶 体管计算 机 TRADIC 11 1.1.1 计算机的发展 计算机的发展简史 第三代 1964年20世纪70年代 中小规模集成电路计算机 可靠性大大提高、功耗进一 步减小、运算速度进一步 提高。 内存采用半导体存储器，外 存采用磁盘，操作系统开 始发展，高级语言数量增 多，应用范围逐步扩展。 计算机文化基础计算机文化基础 集成电路计算机IBM360 12 1.1.1 计算机的发展 计算机的发展简史 第四代 20世纪70年代至今 大规模和超大规模集成电 路计算机 性能大大提高、价格下降、 体积缩小、稳定性好、运 算速度极快。 广泛采用各种新型元器件， 各种高级语言日益完善， 应用软件日益丰富，应用 范围迅速扩展。 计算机文化基础计算机文化基础 超级计算机蓝色基因/L 13 1.1.1 计算机的发展 各代计算机的基本情况 计算机文化基础计算机文化基础 第一代 (19461957) 第二代(19581964) 第三代 (19651970) 第四代(约1971现在 ) 逻辑元件电子管晶体管中小规模集成电路 大规模超大规模 集成电路 处理速度几千次几百万次几千万次数亿次运算/秒 内存储器汞延迟线磁芯半导体半导体 内存容量几千字节几万字节几兆字节几十兆字节 外存储器磁鼓磁鼓 磁带磁带 磁盘磁盘 光盘 外部设备读卡机、纸带机 读卡机、纸带机、电 传打字机 读卡机、打印机、 绘图机 键盘、显示器、打印 机、绘图机等 编程语言机器语言 汇编语言 高级语言 汇编语言 高级语言 高级语言 第四代语言 系统软件 操作系统 操作系统 实用程序 操作系统 数据库管理系统 应用范围科学计算 科学计算 自动控制 数据处理 应用于各方面 在各个领域得到更广 泛的应用 14 1.1.1 计算机的发展 我国的 超级计算机 2003年11月,国家863计 划重要项目,中国国家 网格主结点,联想“深 腾6800”超级计算机研 制成功。 实测性能达每秒4.183万 亿次浮点运算，列世 界当前TOP500第14 位。 计算机文化基础计算机文化基础 联想深腾6800超级计算机基于机群体系结构 ，包括265个四路IA64结点机，1060个主频 为1.3GHz的安腾2处理器，1套机群基础架构 ，其内存总容量为2.2TB，磁盘总容量为 81TB。 15 1.1.1 计算机的发展 我国的 超级计算机 曙光4000A 每秒峰值运算速度11 万亿次，在04年公布 的全球高性能计算机 TOP500排行榜中位 列全球第十。使用了 2560个AMD公司的 Opteron芯片，存储 容量达到42TB，除 CPU和Linux平台系 统外，其他部件都使 用了自己的技术。 计算机文化基础计算机文化基础 16 1.1.1 计算机的发展 我国的 超级计算机 天河一号 配备了14336颗 Intel六核处理器、 2048颗我国自主研 发的飞腾八核处理 器，实测运算速度 可以达到每秒2570 万亿次。成为当时 世界上最快的超级 计算机，获得当年 全球超级计算机前 500强排行榜第一 。 计算机文化基础计算机文化基础 17 1.1.1 计算机的发展 我国的 超级计算机 天河二号 2013年5月，由国防 科技大学研制的天 河二号超级计算机 系统，以峰值计算 速度每秒5.49亿亿 次、持续计算速度 每秒3.39亿亿次双 精度浮点运算的优 异性能位居第41届 世界超级计算机500 强排名榜首。 计算机文化基础计算机文化基础 18 1.1.1 计算机的发展 冯诺依曼原理 目前的计算机系统所采用的基本工作原理 由美籍匈牙利科学家冯诺依曼在1945年提出 基本要点：存储程序和程序控制 计算机由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入 和输出设备，以存储器为中心。 把程序和数据存放在计算机的存储器内，当用户启动存放在存储器中的 程序后，由程序去控制计算机的运行。计算机按照程序中规定的次序逐 条地执行该程序中的指令。指令规定了计算机必须完成的操作，它包含 了在何处取得数据、进行何种操作、操作结果存放在何处。计算机的控 制器负责有序地取出指令，并对指令进行译码，将其转换为控制信号， 控制相关部件去完成规定的操作。 计算机文化基础计算机文化基础 19 1.1.1 计算机的发展 计算机的发展趋势 新一代计算机 巨型化：发展高速度、大容量、功能更强大的巨型计算机。 微型化：利用微电子技术和超大规模集成电路技术进一步缩小计算 机的体积。 网络化：将计算机技术和现代通信技术紧密结合起来，组成功能强 、规模大的计算机网络。 智能化：通过人工智能技术使计算机具有模拟人的感觉和思维的能 力。 多媒体化：计算机不仅能够处理文字、数字、符号等文本信息，而 且能够处理声音、图形图象、动画视频等多种表现媒体信息。 计算机文化基础计算机文化基础 20 1.1.2 计算机的分类 按照工作原理分类 电子模拟式计算机 计算机采用模拟电路作为基本的组成部分，其内部信息用 连续量表示。 电子数字式计算机 计算机采用数字电路作为基本的组成部分，其内部信息用 离散量表示。 电子混合式计算机 计算机的基本组成部分既有模拟电路又有数字电路，其内 部信息分别采用连续量和离散量来表示。 计算机文化基础计算机文化基础 21 1.1.2 计算机的分类 按照用途和使用范围分类 通用计算机 通用计算机是针对大多数用户的大多数应用而研制的。特 点是通用性强，具有较强大的综合处理能力，能够解决各 种类型的问题，配用的软件也是通用性很强的软件。 专用计算机 专用计算机是为某一种类型的应用专门研发制造的。专用 计算机往往针对解决的特定问题配用了专门的硬件和软件 和外部设备，所以能够高速、可靠地解决特定的问题。 计算机文化基础计算机文化基础 22 1.1.2 计算机的分类 按照IEEE标准分类 按照计算机的运算速度、字长、存储容量等综合性 巨型机 (Supercomputer) 小巨型机 (Mini Supercomputer) 大型主机 (Mainframe) 超级小型机 (Super Minicomputer) 工作站 (Workstation) 个人计算机 (Personal Computer) 台式机 (Desktop computer) 笔记本机 (Notebook) 个人数字助理 (PDA) 计算机文化基础计算机文化基础 23 1.1.3 信息技术与信息处理 关于信息技术 信息 信息既是对各种客观存在的事物的 变化和特征的反映，又是各个事物 之间作用和联系的表征。人类就是 通过接受信息来认识事物的，信息 是对人们有用的，是接受者原来不 了解的知识。信息是客观世界的一 种本质属性，它同物质、能源一样 重要，是人类生存和社会发展的三 大基本资源之一。 计算机文化基础计算机文化基础 24 1.1.3 信息技术与信息处理 关于信息技术 数据 数据是指存储在某种媒体上的可以 识别的物理符号。数据通常作为信 息的载体，用来表示信息，表示同 一信息的数据可以有多种多样的存 在形式。数据不仅包括数字、字母 、文字、符号，而且包括声音、图 形、图象、动画、影象等。人们以 各种存储设备来存储数据；通过各 种软件来管理数据；使用各种应用 程序来对数据进行加工处理。 计算机文化基础计算机文化基础 25 1.1.3 信息技术与信息处理 关于信息技术 信息和数据是两个相互联 系但完全不同的概念。 信息是有意义的，而数据可以 无意义；信息是有用的，而数 据可以无用；信息必须是真实 的，而数据可以是虚假的。 所谓“数据处理”是指将数 据经过处理转换为信息的 过程。 计算机文化基础计算机文化基础 26 1.1.3 信息技术与信息处理 关于信息技术 信息技术 (Information Technology, IT) 泛指与信息的获取、存储、加 工、处理等方面相关的科学与 技术。 联合国教科文组织对信息技术的定义为 ：应用在信息的加工和处理中的科学、 技术与工程的训练方法和管理技巧；上 述方面的技巧与应用；计算机及其人机 相互作用；与这些方面相对应的社会、 经济、文化等各种因素。 计算机文化基础计算机文化基础 27 1.1.3 信息技术与信息处理 信息技术包含的内容 信息基础技术 是信息技术的基础部分，它 包括信息学和控制论方面的 基础研究，还包括新材料、 新器件、新能源的开发制造 技术。 在信息基础技术方面，发展 最快、影响最大、应用最广 泛的是微电子技术和光电子 技术。 计算机文化基础计算机文化基础 信息学 信息学是以信息为研究对象，以计算机等技术 为研究工具，扩展人类的信息功能为主要目标 的一门综合性学科。信息论是由美国数学家香 农创立的，它是用概率论和数理统计方法，从 量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、 处理、传输和控制的一门科学。 控制论 控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科 学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、 数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学 等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学 科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系 统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的 信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理 和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从 而形成了一大套适用于各门科学的概念、模型 、原理和方法。 28 1.1.3 信息技术与信息处理 信息技术包含的内容 集成电路 微电子技术是现代电子信息技术的基础，它以集 成电路的研发制造为核心。 集成电路是将晶体管、电阻、电容等电子元器件 集成制造在同一个硅片上的电子器件。 小规模集成电路(SSI) 在每平方毫米上集成几十个元 器件 中规模集成电路(MSI) 在每平方毫米上集成几百个 元器件 大规模集成电路(LSI) 在每平方毫米上集成几千个元 器件 超大规模集成电路(VLSI) 在每平方毫米上集成几万 个元器件。 计算机文化基础计算机文化基础 硅片 29 1.1.3 信息技术与信息处理 信息技术包含的内容 信息系统技术 信息系统技术是关于信息获取、处理、传输、控制等方面 的技术，它包括遥测遥感、人工智能、现代通信、现代控 制论等多个不同方面。 信息应用技术 信息应用技术以各种实际应用目标为研究的落脚点。在工 业、农业、医疗卫生、教育科研等各个领域，信息技术的 应用目的、应用模式、应用技术、应用方法各有不同。信 息应用技术就是研究如何使这些模式、技术、方法更快捷 更有效。 计算机文化基础计算机文化基础 30 1.1.3 信息技术与信息处理 信息处理 信息处理通常也称为数据处 理 信息处理是指利用计算机系统对信 息进行采集、转换、分类、存储、 计算、加工、查询、检索、统计、 分析、传输和输出等操作。通过这 些操作，人们可以从浩如烟海的信 息中找到所需要的信息，不仅可以 了解事物的历史和现状，还可对其 发展趋势作出预测。 计算机文化基础计算机文化基础 31 1.1.3 信息技术与信息处理 信息处理 计算机信息处理的特点 速度快、精度高 具有强大的“记忆”能力 信息传输能力极强 可提供友善的使用方式和丰 富的信息输出形式 可以帮助用户开发各种信息 处理系统 计算机文化基础计算机文化基础 32 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用领域 工商业 工商业是计算机应用的传统领 域之一，在许多公司企业中， 计算机信息处理系统都是企业 正常运作的必不可少的手段。 在工厂中，计算机除了用来进行自动 控制和企业管理外，还用来进行新产 品的研发设计。 在商业上，不仅使用计算机来对商品 的进货、销售、库存、统计分析等经 营环节进行管理，还可以通过计算机 决策支持系统(DSS)来帮助指定经营 计划和长期发展战略。 计算机文化基础计算机文化基础 33 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用领域 科研教育 科学研究一直是计算机应用的重要领 域。从航空航天到海洋科学，从气象 观测到地球物理，从宇宙天体到基本 粒子的各个方面，都使用计算机来监 测与收集数据，对数据进行计算分析 对结果进行比较鉴别并判断其重要性 。 在教育领域，计算机除了象其他领域 一样用来进行教学管理外，还广泛应 用在计算机辅助教学(CAI)和计算机 远程教育方面。 计算机文化基础计算机文化基础 34 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用领域 政府机关 计算机在政府机关的应用非常广泛 ，从公文的起草、发布、管理到日 常业务的自动化办公，从各项信息 的收集整理到规章制度的讨论研究 ，从民意民情的了解到发展规划的 制定，计算机以及网络都起着重要 的作用。 所谓“电子政府”，就是在Internet上建 立一个“虚拟的政府”(网站)，通过网络 来发布资料、档案、规章制度、日常工 作计划，通过网络来传递各个部门的文 件资料和召开网络会议，通过网络来征 集市民的意见建议，通过网络进行纳税 、行政审批、项目审查等政府业务。 计算机文化基础计算机文化基础 35 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用领域 医药卫生 在医药卫生领域，计算机除了 应用在电子病历、电子处方、 病房管理、药品管理等常规方 面外，还用于医疗诊断和新药 研制。 利用Internet进行的远程诊疗 技术，大城市的医生专家可以 帮助边远农村小镇的医生完成 医学诊断和指导手术进行。 计算机文化基础计算机文化基础 36 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用领域 休闲娱乐 网络游戏是计算机在休闲娱乐中应用 的一个重要方面。通过多媒体技术、 三维动画技术以及新型设备的支持， 可以在虚拟的现实场景中进行游戏对 决。 计算机电影特技和计算机动画是计算 机在休闲娱乐中应用的另一个重要方 面。 网络电影电视、网络数码音乐、网络 聊天等应用，也成为各个网站的重要 服务内容。 计算机文化基础计算机文化基础 37 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用方面 科学计算 即数值计算，用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题。 自动控制 又称为过程控制，通过计算机来实时采集数据并且按照最佳情况对被控 制设备进行控制和调节。 数据处理 利用计算机来对各种数据进行记录、整理、统计、分析、加工、利用、 传播等操作。 信息加工 利用计算机对各种图象信息进行整理、加工、记录、变换、增强、重现 等操作。 计算机文化基础计算机文化基础 38 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机的主要应用方面 计算机辅助工作 包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程 (CAE)、计算机辅助教学(CAI)等方面。 人工智能 用计算机模拟人类的判断、理解、学习、求解、识别等智能活动。 它包括三个方面：知识工程、模式识别、机器人学。 电子商务 (Electronic Business, EB) 利用计算机和网络而进行的商务活动。 办公自动化 (Office Automation, OA) 利用计算机和网络技术，集成各种形式的信息资源，为事务处理、管理 工作、决策判断提供一个高效率的工作平台。 计算机文化基础计算机文化基础 39 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机应用中计算技术的发展 单主机计算 (Mainframe Computing) 单主机计算的主要特征是由单台计算机构成计算系统，系统的信息处理 基本都在本地机器上完成。这种计算模式在计算机应用的早期被广泛使 用，目前的中小规模应用中也大量存在。 分布式客户机/服务器计算 (Distributed Client/Server Computing) 简称为C/S模式。分布式客户机/服务器计算是在计算机网络发展起来后 出现的计算模式。从技术上考虑，客户机和服务器都是逻辑上的概念， 计算机应用的任务被分成两大部分，用户在客户机上进行数据的输入输 出、运行控制以及少量数据处理，而信息处理任务中的信息资源查询、 高强度数据处理、信息存储等消耗机器资源比较多的工作由网络中的服 务器来完成。 计算机文化基础计算机文化基础 40 1.1.4 计算机在信息社会中的应用 计算机应用中计算技术的发展 浏览器/服务器计算 (Browser/Server Computing) 简称为B/S模式。由客户机/服务器计算模式发展而来，用户通过浏览器 向分布在网络上的许多服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处 理，将用户所需信息返回到浏览器。 主要利用了不断成熟的WWW浏览器技术，结合多种Script语言 (VBScript、JavaScript)和ActiveX技术，是一种全新的软件系统构 造技术。 网络计算 (Network Computing) 网络计算是计算模式的新发展，它的主要思想是在专用软件的控制下充 分调度利用网络上各种计算机的各种资源来完成预定的计算任务。 这种计算模式将会是计算机应用方式的发展方向。 计算机文化基础计算机文化基础 41 1.2 信息在计算机内的表示 内容： q1.2.1 数据与信息 q1.2.2 二进制数 q1.2.3 数值信息在计算机内的表示 q1.2.4 非数值信息在计算机内的表示 计算机文化基础计算机文化基础 42 1.2.1 数据与信息 数据 数据是指记录在某种媒体上的可以识别的物理符号 国际标准化组织(ISO)对数据所给出的定义是：数据是对事实、概 念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊的表达形式可以用人 工的方式或者用自动化的装置进行通信、翻译转换或者进行加 工处理。 数据是“事实、概念、指令”等具体内容的某种表述，数据不仅包括数字 、字母、文字、符号，而且包括声音、图形、图象、动画、影象等； 其次，这些数据可以通过人工或自动化的方法进行通信、翻译、处理 。 在计算机中，各种形式的数据以一种“特殊的表达形式”二进制编码 形式来表示。 在信息技术领域中，数据通常分为数值数据和非数值数据两大类。 计算机文化基础计算机文化基础 43 1.2.1 数据与信息 信息 一般来说，信息既是对各种客观存在的事物的变化 和特征的反映，又是各个事物之间作用和联系的 表征。 人类就是通过接受信息来认识事物的，信息是对人们有用的 ，是接受者原来不了解的知识。 信息同物质、能源一样重要，是人类生存和社会发展的三大 基本要素之一。 由于所属领域不同、研究角度不同，对信息存在多种不同的 解释。 计算机文化基础计算机文化基础 44 1.2.1 数据与信息 数据与信息的关系 信息是客观存在的，必须是真实的、有意义的，必 须对接受者有用的。 数据则只是一种表述，也可能是无用的、或是无意 义的，甚至可以编造出虚假的数据。 在信息技术领域中，数据通常作为信息的载体，用来表示信 息，所谓“数据处理”是指将数据经过处理转换从中提取有 用数据(信息)的过程，所以有时也称为“信息处理”。对计 算机系统而言，实际上只存在数据，而信息只是对使用系 统的人而存在。 计算机文化基础计算机文化基础 45 1.2.2 二进制数 数制 关于数的记写和命名的相关规则的集合称为计数制，简称数制 。 数码(简称码)：该数制记写时所用的符号 如 十进制的0,1,2,9 基数(简称基)：该数制所用数码的个数 如 十进制的基为十 数位(简称位)：数码在数中所占据的位置 如 十进制中的个位、十位等 位权(简称权)：由数位所决定的计数基本值 如十进制个位的权为100 假定数值S用m+n+1个自左向右排列的代码Ki(min)表示 即S=KnKn-1K1K0 . K-1K-2K-m Kj就是数码，而i=n,n-1,1,0,-1,-m则表示各个数位，其位权为ri 计算机文化基础计算机文化基础 46 1.2.2 二进制数 数制 计算机中常用的各种数制的表示： 计算机文化基础计算机文化基础 进位计数制二进制八进制十进制十六进制 进位规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一 数码0 , 10,1,2,3,4,5,6,70,1,2,90,9,A,F 基数r = 2r = 8r = 10r = 16 位权2i8i10i16i 形式表示字母BO或QDH 如：123.4 1111101.011B 173.314Q 7B.66H 或：123.4 (1111101.011)2 (173.314)8 (7B.66)16 47 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 r 进制数转换为十进制数 任何一种进位制计数法所表示的数S都可以书写为按照其位权展开的多项 式之和的形式： S=KnKn-1K1K0 . K-1K-2K-m S = kn-1rn-1kn-2rn-2k1r1k0r0k-1r-1 k-mr-m 所以，只要将各个数位的数码乘以各自的位权，然后把各个值累加起来就 是该数的十进制值。 例如：(101011.01)2 = 125024123022121120 02-112-2 = 43.25 (9AB.2C)16 = 91621016111160216-11216-2 = 2475.171875 计算机文化基础计算机文化基础 48 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 十进制数转换为 r 进制数 将此十进制数分为整数与小数两部分 对该数的整数部分连续整除 r 取余，直到整除所得 的商为零，把所得的各个余数按照相反顺序排列起 来，就是r进制数的整数部分。 对该数的小数部分连续乘以 r 取整，直到乘后积的 小数部分为零或达到所需要的精度，将取出的各个 整数按照原来顺序排列起来，就是r进制数的小数 部分。 计算机文化基础计算机文化基础 49 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 将123.45转换为二进制数 计算机文化基础计算机文化基础 1232 612 302 152 72 32 12 0 .1 .1 .0 .1 .1 .1 .1 0.452=0.900 0.9 2=1.8 1 0.8 2=1.6 1 0.6 2=1.2 1 123.45 = ( 111 1011.0111 )2 50 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 将123.45转换为十六进制数 计算机文化基础计算机文化基础 12316 716 0 11(B) .7 0.4516=7.207 0.2 16=3.2 3 123.45 = ( 7B.73 )16 51 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 在二进制数与十六进制数间转换 计算机文化基础计算机文化基础 (5BE3.D78)16= =(10101111100011.110101111)2 十六 二：从高位到低位，一位变四位，高低位次序不变，去除无效零。 二 十六：从小数点起向两边，每四位划分一组，不足部分用 0 补足，四 位变一位，高低位次序不变。 (0101101111100011.110101111000)2 3EB5D78 = (5BE3.D78)16 (0101101111100011.110101111000)2 52 1.2.2 二进制数 不同数制间的转换 在二进制数与八进制数间转换 计算机文化基础计算机文化基础 (3576.214)16 = =(10101111100011.110101111)2 八 二：从高位到低位，一位变三位，高低位次序不变，去除无效零。 二 八：从小数点起向两边，每三位划分一组，不足部分用 0 补足，三位 变一位，高低位次序不变。 (011101111110.010001100)2 67532 14 = (5BE3.D78)16 (011101111110.010001100)2 53 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的算术运算 计算机文化基础计算机文化基础 加法 基本规则为：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 (进位) 在二进制加法的执行过程中，每一个二 进制位上有3个数相加，即本位的被加数 、本位的加数、来自低位的进位(有进位 为1，否则为0)。 减法 基本规则为：0-0=0 0-1=1 (借位) 1-0=1 1-1=0 在二进制减法的执行过程中，每一个二 进制位上有3个数参加操作，即本位的被 减数、本位的减数、本位向高位的借位( 有借位为1，否则为0)。 54 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的算术运算 计算机文化基础计算机文化基础 乘法 基本规则为：00=0 01=0 10=0 11=1 二进制数的乘法可以归结为被乘数的左 移和相加操作。 除法 基本规则为：00=0 01=0 10 无意义 11= 1 二进制数的除法可以归结为除数的右移 和对被减数的相减操作。 55 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的逻辑运算 逻辑数据 逻辑数据用来表示真与假、是与非、对与错，这种具有逻辑性质的变 量称为逻辑变量，逻辑变量之间的运算称为逻辑运算。 在逻辑代数和计算机中，用“1”或“T”(True)来表示真、是、对等，用 “0”或“F”(False)来表示假、非、错等。 逻辑运算 逻辑运算用来反映事件的原因与事件的结果之间的逻辑关系。 逻辑运算的结果为逻辑值。 逻辑运算包括三种基本运算：逻辑与、逻辑或、逻辑非，由这三种基 本运算可以组合、构造、推导出其他各种逻辑运算。 计算机文化基础计算机文化基础 56 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的逻辑运算 逻辑与运算 逻辑与(And)也称为逻辑乘，通常用、 、 来表示。 逻辑与表示两个简单事件A与B构成逻辑 相乘的复杂事件，并当A与B事件同时满 足条件时整个复杂事件的结果才为真，否 则结果就为假。 逻辑与的基本运算规则为： 01=0 10=0 00=0 11=1 逻辑与运算的真值表如右： 通常将逻辑与的运算规则归纳为：“有0 为0，全1为1。” 计算机文化基础计算机文化基础 57 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的逻辑运算 逻辑或运算 逻辑或(Or)也称为逻辑加，通常用、 来表示。 逻辑或表示两个简单事件A与B构成逻辑 相加的复杂事件，并当A与B事件中有一 个满足条件时整个复杂事件的结果就为真 ，否则结果就为假。 逻辑或的基本运算规则为： 01=1 10=1 00=0 11=1 逻辑或运算的真值表如右： 通常将逻辑或的运算规则归纳为：“全0 为0，有1为1。” 计算机文化基础计算机文化基础 58 1.2.2 二进制数 二进制数的算术逻辑运算 二进制数的逻辑运算 逻辑非运算 逻辑非(Not)也称为逻辑反，通常是在逻 辑变量的上方加一条短横线，如A。 逻辑非表示与简单事件A含义相反，即如 果A为真时使其为假、若为假时使其为真 。 逻辑非的基本运算规则为： 0=1 1=0 逻辑非运算的真值表如右： 通常将逻辑与的运算规则归纳为：“非0 为1，非1为0。” 计算机文化基础计算机文化基础 59 1.2.2 二进制数 二进制数据的计量单位 二进制数据的数据量的计量 在计算机内部，各种数据都是以二进制编码的形式表示和存储的。 位 (bit，缩写为b，俗称小b) 也常称为比特、字位、位元，指二进制数据的每一位(“0”或“1”)，它是二 进制数据量的最小计量单位。 字节 (Byte，缩写为B，俗称大B) 是二进制数据量的基本计量单位，数据在计算机中也是以字节为单位存 储的。一个字节由8个字位组成： b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0b7是最高位，b0是最低位。 字 ( Word ) 也常称为计算机字，它是可作为独立的数据单位进行处理的若干字位的 组合。字所包含的字位的个数称为字长，字长一般是字节长度的整数倍 ，如16、32等。 计算机文化基础计算机文化基础 60 1.2.2 二进制数 二进制数据的计量单位 二进制数据的数据量的计量 计量二进制数据量的常用单位还有： 千字节(KB)1KB=210字节=1024B 兆字节(MB)1MB=220字节=1024KB 千兆字节(GB)1GB=230字节=1024MB 兆兆字节(TB)1TB=240字节=1024GB 计算机文化基础计算机文化基础 61 1.2.2 二进制数 二进制数据的计量单位 二进制数据的数据传输速率的计量 在计算机内部或计算机与计算机之间进行数据传输时，如果是 采用一个字节的8个二进制位同时传输的并行方式，则传输 速率的计量单位为： 字节/秒(BPS) 千字节/秒(KBPS)1 KBPS = 1024 BPS 兆字节/秒(MBPS)1 MBPS = 1024 KBPS 在计算机网络中，传输二进制数据通常采用一个一个字位(bit) 的串行传输方式，传输速率的计量单位为： 比特/秒(bPS)也常称为比特率、波特率、波特 千比特/秒(KbPS)1KbPS=210比特/秒=1024bPS 兆比特/秒(MbPS)1MbPS=220比特/秒=1024KbPS 计算机文化基础计算机文化基础 62 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 编码 用特定的二进制代码来表示数据或指令的过程 在计算机中，所有的数据、指令都是用特定的二进制代码来表 示的。 对于数值数据来说，我们把该数据本身称为真值，把该数据在 计算机内的二进制形式称为机器数。 机器数具有下列特点： 机器数有固定的位数，表示的数值的范围是有限制的。 机器数把真值的符号数字化。通常用最高位表示符号。 真值的小数点在机器数中依靠格式上的事先约定来表示。 计算机文化基础计算机文化基础 63 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 原码 规则是：机器数的最高位表示符号，“0”表示正、“1”表示 负；剩余各位为该数值的绝对值的二进制表示。 在字长8位的计算机中： +95原 = 0101 1111-95原 = 1101 1111 +118原= 0111 0101-118原= 1111 0101 因为+0原=0000 0000、-0原=1000 0000，所以数值0在原码 中不是唯一的，有“正零”和“负零”之分。 在8位长度的机器数中，原码的表示范围为+127-127。 在16位长度的机器数中，原码的表示范围为+32767-32767。 计算机文化基础计算机文化基础 64 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 反码 规则是：对于正数，其反码与原码相同；对于负数，其反码 的符号位为1，数值位是其绝对值二进制的各位取反。 在字长8位的计算机中： +95反 = 0101 1111-95反 = 1010 0000 +118反= 0111 0101-118反= 1000 1010 因为+0反=0000 0000、-0反=1111 1111，所以数值0在反码 中不是唯一的，也有“正零”和“负零”之分。 在8位长度的机器数中，反码的表示范围为+127-127。 在16位长度的机器数中，反码的表示范围为+32767-32767。 计算机文化基础计算机文化基础 65 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 补码 规则是：对于正数，其补码与原码相同；对于负数，其补码 的符号位为1，数值位是其绝对值二进制的各位取反并加1。 在字长8位的计算机中： +95补 = 0101 1111-95补 = 1010 0001 +118补= 0111 0101-118补= 1000 1011 数0的补码表示是唯一的，0补=+0补=-0补=0000 0000。 在8位长度的机器数中，补码的表示范围为+127-128。 在16位长度的机器数中，补码的表示范围为+32767-32768。 计算机文化基础计算机文化基础 66 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 移码 定义是： x移 = 2n-1+x(2n-1x-2n-1) 在字长8位的计算机中： +95移 = 1101 1111-95移 = 0010 0001 +118移 = 1111 0101-118移 = 0000 1011 移码的最高位与原码、反码和补码不同。当真值为正时，其最 高位为1；当真值为负时，其最高位为0。从形式上看，移码 和补码除了符号位相反外，其余各位相同。 移码在计算机中主要用来表示浮点数中的阶。 计算机文化基础计算机文化基础 67 1.2.3 数值信息在计算机内的表示 机器数 BCD码 将十进制数表示为二进制的编码形式，称为十进制数的二进 制编码，简称二 - 十进制编码或BCD(Binary-Coded Decimal)码。 BCD码使计算机能识别、存储十进制数，并能直接使用十进制 数形式进行运算。 计算机文化基础计算机文化基础 68 1.2.4 非数值信息在计算机内的表示 机器数 代码转换 计算机文化基础计算机文化基础 十进制数 +95 +95 = +5FH = +101 1111B 真值 +00101 1111 (原码) +95原 = 0101 1111 +95反 = 0101 1111 +95补 = 0101 1111 十进制数 -118 -118 = -76H = -111 0110B 真值 -11111 0110 (原码) 1000 1001 (反码) 1000 1010 (补码) -118原 = 1111 0110 -118反 = 1000 1001 -118移 = 1000 1010 69 1.2.4 非数值信息在计算机内的表示 机器数 定点数和浮点数 真值的小数点在机器数中依靠格式上的事先约定来表示。 定点数 小数点的位置在约定中是固定的。 通常，小数点固定在数值的最高位之前或最低位之后。 浮点数 小数点的位置在约定中不是固定的(浮动的)。 任一二进制数N可表示为：(M)2r 其中： 为尾符、M为尾数、 为阶符、r为阶码 格式：尾符阶符阶码尾数 或 阶符阶码尾符尾数 计算机文化基础计算机文化基础 70 1.2.4 非数值信息在计算机内的表示 西文信息在计算机内的表示 西文 是指那些拉丁字母、数字、标点符号以及一些特殊符号， 平时常将它们简称为字符(Character)。 字符集 所有这些字符的集合称为“字符集”，在这个字符集中的每 个字符都必须具有一个唯一的代码，所有字符集中字符的 代码组成该字符集的代码表，简称为“码表”。 ASCII码 计算机中西文信息采用的字符集以及相关的码表是ASCII 码(American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准代码)。 计算机文化基础计算机文化基础 71 计算机文化基础计算机文化基础 DEL 控制字符 （非打印字符） 控制字符 （非打印字符） 有形字符 （可打印字符） 字符09的高3位 编码为011，低4 位00001001 (恰好是二进制形式 的09，有利于 ASCII码与二进 制码之间的转换) 大写字符与 小写字符的 ASCII码值相 差在b5位 72 1.2.4 非数值信息在计算机内的表示 中文信息在计算机内的表示 中文信息是由汉字组成的，汉字为象形文字，字种 多、字形杂，编码比较困难。在计算机处理汉字 时，输入、处理、存储、传输、输出的各个环节 的编码要求各不相同，所以需要进行一系列的编 码和转