计算机基础知识2.ppt

计算机技术基础(C语言),C程序设计（第三版） 谭浩强,第一章 计算机基础知识,第二章 Windows2000操作系统,1.1 计算机发展简史 1.2 计算机的特点与应用 1.3 计算机中数据的表示 1.4 字符编码 1.5 计算机系统简介,第一章 计算机基础知识,计算机,（1）将下列各进制的数转换成十进制数 101.11B; 305.1O; 2AC.EH,（2）将下列各进制的数转换成二进制数 158.6875D; 714.431O; 1AC0.6DH,（3）将下列二进制的数转换成八、十六进制数 10111100101.00011001101B; 11101110.00101011B,3、将下列带符号数用8位补码表示。 -55，+26，127，-128，0,1、计算机为什么采用二进制表示数据？,2、数制转换,1.1 计算机的发展简史,1.1.1 计算机的诞生 算筹 中国古代的计算工具，早在2500多年前的春秋战国时期就已经普遍使用。,算盘 被认为是人类文明史上仅有的几种既简单又实用的发明之一。早在汉代的数术记遗一书中，就曾记载了十四种上古算法，其中有一种便是“珠算”。到了宋元时代，珠算盘开始流行。在明代，珠算完成了普及并最终彻底淘汰筹算这一过程。从世纪开始，中国的珠算盘逐渐传人日本、朝鲜、越南、泰国等地，对这些国家数学的发展产生了重要的影响。以后又经欧洲的一些商业旅行家把它传播到了西方。,1620年， 计算尺 1620年，英国人甘特发明了计算尺。 1642年， 机械计算器（机） 1642年，法国数学家帕斯卡制造了能够计算加、减法的手摇计算器（机），这也是世界上第一架计算机。在1671年德国数学家莱布尼兹发明了能够进行四则运算的手摇计算机。,1832年，英国数学家巴贝奇首先提出了通用计算机的设计思想，并设计出了一台由外部指令驱动的计算机，但由于资金和当时技术条件的限制，他并未制造出这样的机器。,1854年，英国数学家布尔提出符号逻辑的思想，数十年后形成了计算机科学软件的理论基础。 1936年，英国数学家图灵提出了著名的“图灵机”模型，理论上证明了研制通用数字计算机的可行性。 1945年，匈牙利出生的美籍数学家冯诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放存放程序的概念，而这是所有现代计算机的范式，被称为“冯诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机，也称为通用计算机。提出了EDVAC(Electronic Discrete Variable Computer, 离散变量电子计算机)的设计方案，标志计算机时代的开始。冯诺依曼因此被称为计算机之父。,1946年，宾夕法尼亚大学的工程师们开发出了世界上第一台多用途的计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer ): 共用了18000个电子管，占地135m2，功率150kW，重达30t。,1.1.2 计算机经历的四个发展阶段,1.1.3 微型计算机的发展 又称PC(Personal Computer)机。 随着大规模集成电路的出现，1971年，Intel公司的工程师将计算机的运算器与控制器集成到一个芯片上(称为微处理器, Intel4004)，这标志着微型计算机时代的到来。,1.1.4 计算机的发展方向 巨型化 是指发展高速度、大存储量和强功能的巨型计算机。 微型化 是指进一步提高集成度，研制更高性能、更加可靠、体积更加小巧的微型计算机。 网络化 是指把各自独立的计算机用通讯线路连接起来，以充分利用计算机的宝贵资源进行信息交流与共享。 多媒体化 集文字、图形、图像、声音等多种信息媒体为一体进行处理。 智能化 是指让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，具有解决问题和逻辑推理的功能。,我国高性能巨型计算机： 银河系列（国防科大）、曙光系列（中科院） 2009年6月15日，国内首台百万亿次超级计算机“魔方”（曙光5000A），在上海正式启用。“魔方”不但是亚洲第一的超级计算机，也是目前美国本土之外唯一计算速度排名进入全球前十的超级计算机，表明中国成为全球第二个能够独立研发百万亿次超级计算机的国家。千万亿次高性能计算机“曙光6000A”的研制工作进展顺利，将于明年问世。 峰值速度万亿次；2048颗CPU。,（2007？）以色列发明微型机器人，可穿行血管杀死癌细胞。直径仅1毫米 2009-05-16，近日据英国媒体报道，世界最著名的美国学者雷库兹威尔（Ray Kurzweil）宣布人工智能机器人的研究获得了重大突破，世界上第一个微型人工智能机器人将在2029年前诞生，人工智能的概念将会被彻底颠覆。可以通过毛细血管进入大脑，控制和影响人类大脑。,著名物理学家斯蒂尔霍金在1998年提出“目前，计算机尚未显示出任何拥有智能的迹象。这并不令人感到惊奇，因为我们目前的计算机的复杂程度还比不上蚯蚓的大脑。但是在我看来，如果非常复杂的化学分子可以在人体内活动并使人类产生智慧的话，那么同样复杂的电子电路也可以使计算机以智能化的方式采取行动。”,雷库兹威尔（Ray Kurzweil） ：“大约在2019年，一台1000美元的个人电脑可以拥有人脑的基本计算能力，包括1000亿个神经元和100万亿个神经连接物。到2030年，价值1000美元的计算机系统将拥有相当于1000个人的大脑智能总和；到2050年则相当于10亿个人的大脑能量。”,1.2 计算机的特点与应用,1.2.1 计算机的特点与分类 1、计算机的特点,运算速度快、精度高 具有逻辑判断能力 工作可靠 自动化程度高 通用性强 存储容量大 具有多媒体处理功能,2、计算机的分类 (1)按功能来分为 通用计算机 专用计算机 (2)按工作原理可分为 模拟计算机 数字计算机 (模拟、数字混合计算机) (3)按计算机的规模分为 巨型机：银河、曙光 大型机： IBM 4381 小型机： IBM AS400 微型机： IBM-PC,1.2.2 计算机的应用 科学计算（数值计算） 指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。 数据处理 指对大量的数据进行加工处理,如分析、合并、分类、统计等。 过程控制（实时控制） 指用计算机及时采集数据后，按最佳值迅速地对控制对象进行反馈控制。 计算机辅助系统 主要包括计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CBE、计算机辅助教学CAI和计算机管理教学CMI等。 人工智能 是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。 电子商务(E-Business) 是指通过计算机网络进行商务活动。,1.3 计算机中数据的表示,计算机内部之所以不采用十进制，而采用二进制存储、表示数据，其原因是： 物理、技术上容易实现 便于逻辑运算 编码规则和运算规则简单,计算机作为一种电子计算工具，是由大量的电子器件 组成的，在这些电子器件中，电路的通和断、电位的 高和低等，用二进制的两个数字符号“1”和“0”分别表示容易实现。 若使用十进制数，则需要这样的电子器件，它必须有 能表示09数码的10个物理状态，这在技术上是相当 困难的。,1.3.1 数的进制 数制：即表示数值的方法 进位数制：如十进制、二进制等 非进位数制：如罗马数字 按进位的原则进行计数的数制称为进位数制，简称“进制”。 进位数制有以下特点： 某进制的基数决定了该数制。 表示一个数值时所用的数字符号的个数称为基数(Radix)。 十进制(D)：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二进制(B)：0,1 八进制(O)：0,1,2,3,4,5,6,7 十六进制(H)： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F,对于r进制，逢r进1。 采用“位权”表示法。如，10进制数 12345.678 =1104+2103+3102+4101+ 5100 +610-1+710-2+810-3 对于r进制数,1.3.2 不同进制之间的转换 1、r进制转换成10进制 用上面公式按位权展开，再按10进制的规则进行计算，得到的结果就是对应的10进制数。,例 把11010.011B转换成十进制数。 按位权展开相加得： 11010.011B=124+123+022+121+020+02-1+12-2+12-3 =16+8+2+0.25+0.125 =26.375D 例 把123.45O转换成十进制。 123.45O=18 2 +28 1 +38 0 +48 -1 +5 8 -2 =64+16+3+0.5+0.625 =84.125D,2、将十进制转换成r进制 转换规则： 整数部分与小数部分分开转换。 整数部分依次除以r取余，直到商为0为止，将所得余数逆序排列； 小数部分依次乘以r取整，直到小数部分为0为止，将所得数位顺序排列。,2| 156 取余数 0 （最低位） 2 | 78 取余数 0 2| 39 取余数 1 2| 19 取余数 1 2| 9 取余数 1 2| 4 取余数 0 2| 2 取余数 0 2 | 1 取余数 1 (最高位) 0,例 将十进制数156.625转换 成二进制数。,结果为10011100.101B,注意：小数部分的存放可能会有误差。,例 将十进制数0.67转换 成二进制数。,0.672=1.34 0.342=0.68 0.682=1.36 0.362=0.72 0.722=1.44 0.442=0.88 0.882=1.76 0.762=1.52 0.522=1.04 ,取整1 取整0 取整1 取整0 取整1 取整0 取整1 取整1 取整1 ,小数部分依次乘以r取整，直到达到有效精度为止,3、二进制、八进制、十六进制之间的转换 二进制与八进制、十六进制之间关系密切。 8=23 16=24 二进制转换成八(十六)进制： 规则： “三(四)位合一位”法，即将二进制数的整数部分自右至左分节，每3(4)位为一节，最左边不够3(4)位的用0补齐；将二进制数的小数部分自左至右分节，也是每3(4)位一节，最右边不够3(4)位的同样以0补齐。然后，根据对应关系，把每3(4)位二进制数化成1位八(十六)进制数，即可得到转换结果。,例 将1110101.01B转换成十六进制数。 0111 0101 . 0100 7 5 . 4 转换结果为1110101.01B = 75.4H。 试试？转换成八进制结果为：165.2O,八(十六)进制转换成二进制： 规则： “一位扩展三（四）位”法。将每个数位转换成3（4）位二进制数即可。,例 将3A6.C5H转换成二进制数。 3 A 6 . C 5 0011 1010 0110 . 1100 0101 转换结果为3A6.C5H = 1110100110.11000101B。,1.3.3 数据存储的单位 比特：计算机中数据存储的最小单位是比特(bit)，1比特为1个二进制位。 字节(Byte, 简写为B, 注意与二进制中B标识的区别): 1个字节为8个二进制位。 常用的数据存储单位： KB： 1KB=210B=1024B MB：1MB=220B=1024KB GB： 1TB=230B=1024MB TB： 1TB=240B=1024GB,1.3.4 数据在计算机中的表示 1、原码 一个二进制数同时包含符号和数值两部分，用最高位表示符号，其余位表示数值，这种表示带符号数的方法为原码表示法。 如果计算机用一个字节来存放-10D，则原码的表示形式为 原码的特点： 0有两种表示方法0和-0。 优点：与数据的对应关系简单。 缺点：加减运算复杂，需要对符号判断。,单字节原码表示的数据范围 -127+127,1111 1111 0111 1111,1000 0000 0000 0000,2、反码 反码是另一种表示有符号数的方法。对于正数，其反码与原码相同；对于负数，在求反码的时候，除了符号位外，其余各位按位取反，即“1”都换成“0”，“0”都换成“1”。 如果计算机用一个字节来存放数据，则10D和-10D的反码的表示形式为 反码的特点： 0具有两种编码。 不便于实现算术运算。,单字节反码表示的数据范围 -127+127,10D,-10D,3、补码 补码是表示带符号数的最常用的方法。对于正数，其补码与原码相同；对于负数，则其补码为反码加1。 设计算机用一个字节存储数据，则10D和-10D的补码为,10D,-10D,补码的性质： 0只有一种编码 所以单个字节用补码表示的数据范围为-128+127 通过补码的符号位可以判断数据的正负。 如果补码的符号位一同参与运算，则会简化电路的设计。,-1的补码,-128的补码,127的补码,4、小数的表示方法 (1)定点数表示法 所谓定点格式，即约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。在计算机中通常采用两种简单的约定：将小数点的位置固定在数据的最高位之前，或者是固定在最低位之后。一般常称前者为定点小数(纯小数)，后者为定点整数(纯整数)。,(2)浮点数表示法 与科学计数法类似，一个J进制的数N可以表示成 N=JEM 其中E是阶码(是纯整数)，M是尾数(纯小数) 可见，阶码所占位数越多，则数据的表示范围越大；尾数所占位数越多，则表示数据精度越高。 在计算机中存储一个数据所占二进制位数是固定的(字节数固定)，所以存储精度与存储范围是一对矛盾。,浮点数的表示形式,1.4 字符编码,计算机不仅可以对数据进行处理，还可以对字符进行处理。 由于计算机只认识二进制的 “1”和 “0”，所以要想对字符用计算机处理，就要对字符进行编码。,1.4.1 ASCII码 ASCII码是 “American Standard Code for Information Interchange”(美国信息交换标准码)的简称。 用7位二进制数表示一个英文符号，共128个字符(95个可打印字符)。 注意： 一个英文字符的ASCII码存储时占一个字节，最高位为0。 字母“A” 0 100 0001,100 0001,110 0001,1.4.2 汉字编码 汉字数量多(6000多个)，不能使用一个字节进行编码，所以使用2个字节进行编码。 在汉字的存储、输入和输出中，处理的并不是汉字本身，而是汉字的编码。 不同环境下有不同的汉字编码。如国标码、区位码、汉字机内码和各种汉字的输入码。,汉字输入码,区位码,汉字内码,汉字字形码,对于同一个汉字，不同的输入方法有不同的输入编码。 如 “啊”，拼音输入：a+选字码,对于同一个汉字，有固定的区位码。 如“29 01”代表“健”字，“45 82”代表“万”字,汉字的存储需要汉字机内码。 汉字机内码=区位码H+A0A0H 如“啊” 的区位码为(16 01)H，则其汉字内码为(B6 A1)H。,汉字打印输出用汉字字形码。 如图为“次”字的点阵字形。,输入,存储,输出,国标,占用（16/8*1632）个字节。,1.5 计算机系统简介,计算机的“冯诺依曼结构”： 计算机由输入、运算器、控制器、存储器、输出五部分组成。,1.5.1 硬件系统 1、输入设备 输入设备是指数据和程序输入到计算机中的设备。在微型计算机中常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪等。 (1)键盘,主键盘区,功能区,编 辑 区,数字 小键盘区,(2)鼠标 分为光电鼠标和机械鼠标。 常用操作 单击(左键单击)、双击(左键双击)、右击(右键单击)、右键双击、拖动等。,2、CPU CPU(Central Processing Unit，中央处理器)是计算机的心脏，也称为微处理器，由运算器和控制器组成。 CPU的主要性能指标： 时钟频率：决定了系统的处理速度。 字长：CPU一次处理的数据的最大长度。 CPU的功能就是高速、准确地执行预先安排好的指令，每条指令完成一次或若干此基本的算术运算或逻辑运算。,3、主板与总线 主板(Main Board)是安装在微型计算机主机箱中的印刷电路板，这是连接CPU、内存储器、外存储器、各种适配卡、外部设备的中心枢纽。 总线是连接计算机中CPU、内存、外存、输入/输出设备的一组信号线以及相关的控制电路，它是计算机中用于在各个部件之间传输信息的公共通道。 根据传输信号的内容不同分为 数据总线 地址总线 控制总线,4、存储器 分为内存储器、外存储器、高速缓冲存储器。 1)内存储器 简称内存，也称主存储器。 用于存储CPU正在执行的程序代码和正在使用的数据，并用于存储CPU执行程序产生的中间结果。 分为ROM(Read Only Memory，只读存储器)和RAM(Random Access Memory，随机存储器)两种。 ROM用来永久存储专门的数据，系统掉电后数据不丢失。 RAM用来存储计算机执行的大量程序或数据，系统掉电后数据丢失。 计算机内存扩展指扩展RAM。,内存中的数据或指令按字节存储，每一个字节有一确定的地址。CPU对数据进行存取时，就是使用指令中提供的内存地址，按照一定的寻址方式实现数据存取。 内存容量的大小对计算机性能影响很大。 2) 外部存储器 简称外存或辅存。 用来长期存储大量的暂时不用的程序或数据。 (1) 软磁盘(Floppy Disk) 软盘是一种涂有磁性材料的盘片，携带方便。现在常用是3.5英寸的软盘，它的存储容量为1.44MB。 软盘有被优盘替代的趋势,(2)硬磁盘(Hard Disk): 硬盘是一种快速高容量的存储设备，一般固定在主机厢内。它的存储容量一般为几十个GB以上，读写速度比软盘快得多。 (3)光盘存储器： 光盘是利用激光来达到高密度储存、读取信息的一种盘片，携带方便。它的容量特大，可存储几百MB到几个GB的信息，这些信息不易损坏，能长久保存 CD-ROM： 只读型光盘 DVD-ROM: 只读型大数据量DVD光盘 WORM： 一次写入型光盘 CDRW： 可擦写多次光盘,3) 高速缓冲存储器 也称“高速缓存”(Cache)，是配置在CPU与内存之间的一种存储器器。用于解决CPU与内存之间的“瓶颈效应”。 5、输出设备 这是将计算机的处理结果或处理过程中的有关信息交付给用户的设备。 1) 显示器 是计算机的标准配置设备。 分为： 阴极射线管显示器(CRT) 液晶显示器(LCD) 显示器通过显示适配卡与计算机连接。,2) 打印机 点阵打印机 喷墨打印机 激光打印机,计算机的硬件系统示意图,CPU,将程序或数据输入到计算机。如键盘、鼠标等,CPU：计算机的心脏。自动完成取指令、分析指令和执行指令。,将程序的运行结果或有关信息输出。如显