第1章 计算机文化基础第一章计算机基础知识.ppt

计算机文化基础,张治洪副研究员计算机工学硕士,第一章计算机基础知识,计算机是本世纪最伟大的科学技术发明之一。自计算机问世以来，它以强大的作命力飞速发展着，计算机产业已在世界范围内发展成为一种极富生命力的战略产业。,1l计算机基本概念计算机是一种按照程序自动、高速、准确地进行大型运算和信息处理的电子设备。它的处理对象是信息，处理结果也是信息。人们通常把计算机称为电脑。,1946年2月，世界上第一台计算机电子数字积分式计算机。(electronicnumericalintegratorandcomputereniac)在美国宾西法尼亚大学研制成功。,eniac结构庞大，占地170平方米，重达30吨，使用了18，000个电子管，耗电150千瓦。虽然它每秒只能进行5000次加减法运算主要用于计算炮弹的弹道，飞机的轨迹等研究。eniac的研制成功在计算机的发展史上具有划时代的意义。它标志着电子计算机时代的到来，它是开创了信息时代的新的里程碑。,1.1.1.电子计算机的发展1946年2月第一台全自动电子计算机eniac（electronicnumericalintegratorandcalculator，电子数字积分计算机）的诞生标志着电子计算机时代的到来。它的出现具有划时代的意义。计算机的发展分成以下阶段。,1。第一代电子计算机第一代电子计算机是电子管计算机（1946年一1958年）。其基本特征是：采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示的主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅为几千字节。因此，第一代电子计算机的体积庞大、造价很高，仅限用于军事和科学研究工作，代表机型有ibm650（小型机）、ibm709（大型机）,2。第二代电子计算机第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机（1958年一1964年）。其基本特征是：逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都使用铁氧磁性材料制成的磁芯存储器，外存储器有了磁盘、磁带，外设种类也有所增加，运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十万字节。,与此同时，计算机软件也有了较大发展，出现了fortran、cobol、algol等高级语言。与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强，可靠性大大提高。除了科学计算外，计算机还用于数据处理和事务处理，代表机型有ibm7094、cdc7600。,3第三代电子计算机第三代电子计算机是集成电路计算机（1964年一1970年）。随着固体物理技术的发展，集成电路工艺可以在几平方毫米的单晶硅片上集成由十几个甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。,其基本特征是:逻辑元件采用小规模集成电路ssi（smallscaleintegration）和中规模集成电路msi（middlescaleintegration）。运算速度每秒可达几十万次到几百万次。随着存储器的进一步发展，计算机的体积更小，价格更低，软件逐渐完善。,这一时期，计算机同时向标准化、多样化、通用化、机种系列化发展，代表机型有ibm360。,ibm360计算机系统,4。第四代电子计算机第四代电子计算机称为大规模集成电路电子计算机（1971年至今）。20世纪70年代以来，计算机逻辑器件采用大规模集成电路msi（largescaleintegration）和超大规模集成电路vase（verylargescaleintegration）技术，在硅半导体上集成了1,000l00,000个电子元器件。,集成度很高的半导体存储器代替了磁芯存储器。计算机的速度可以达到每秒上千万次到十万亿次。操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。,5.新一代计算机(现在)随着计算机技术的发展，前四代计算机已经越来越不适用，科学家们呼吁不要在用“第五代计算机”(thefifthgenerationcomputersystem)的说法,而是使用“新一代计算机”。,从20世纪80年代，美国、日本等国家投入大量人力、物力研制新一代计算机，其目标是使计算机具有人的智力功能。新一代计算机应该具有：知识储存和知识库功能；能利用已有知识进行判断、推理，具有联想和学习功能。新一代计算机涉及到：微电子学、计算机体系结构、高级信息处理、软件工程方法、知识工程和知识库、人工智能等等各个领域。新一代计算机仍处于研究阶段。,1.1.4计算机的主要特点计算机(computer)也称为“电脑”，是一种具有计算功能、记忆功能和逻辑判断功能的机器设备。使用它能接收数据，保存数据，按照预定的程序对数据进行处理，并提供和保存处理结果。,计算机具有以下特点：1运算速度快计算机的运算速度是指在单位时间内执行的平均指令数，目前计算机的运算速度已达数万亿次秒，极大地提高了工作效率。,2运算精度高当前计算机字长为32或64位，计算结果的有效数字可精确到几十位甚至上百位数字。,3存储容量大计算机具有强大的存储数据的能力。目前常用来存储信息的硬盘单盘容量已达到500gb，并且可以在极短的时间内调出任何所需要的内容。,4具有记忆和逻辑判断能力计算机不仅能进行计算，还可以把原始数据、中间结果、指令等信息存储起来，随时调用，并能进行逻辑判断，从而完成许多复杂问题的分析。,5具有自动运行能力计算机能够按照存储在其中的程序自动工作，不需要用户直接干预运算、处理和控制。这是计算机与其他计算工具的本质区别。,6适用范围广，通用性强计算机靠存储程序控制进行工作。一般来说，无论是数值的还是非数值的数据，都可以表示成二进制数的编码；无论是复杂的还是简单的问题，都可以分解成基本的算术运算和逻辑运算，并可用程序描述解决问题的步骤。,1.1.5计算机应用领域计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。归纳起来，计算机主要应用于科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助工程、人工智能等方面。,1科学计算科学计算也称为数值计算，通常是指完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。科学计算是计算机最早的应用领域。随着科学技术的发展，各个领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复杂的计算问题，需要依靠计算机进行复杂的运算。科学计算的特点是计算工作量大、数值变化范围大。,2数据处理数据处理也称为非教值计算，是指对大量的数据进行加工处理，例如统计分析、合并、分类等。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量大，但计算方法较简单。从数据的收集、存储、整理到检索统计，计算机应用范围日益扩大，很快超过了科学计算，成为最大的计算机应用领域。,3过程控制过程控制又称实时控制，是指用计算机及时采集检测数据，按照最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本。计算机过程控制已在军事、冶金、化工、机械、航天等部门得到广泛的应用。,4cad/cam计算机辅助设计(computeraideddesign，cad)就是用计算机帮助设计人员进行设计。【例如】：飞机船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。计算机辅助制造(computeraidedmanufacturing，cam)就是用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。除了cad、cam之外，计算机辅助系统还有：计算机辅助教学(computeraidedinstruction，cai)、计算机辅助教育(computerbasededucationcbe)、计算机辅助工程(computeraidedengineering，cae)、计算机辅助工艺规划(computeraidedprocessplanning，capp)、计算机集成制造系统(computerintegratedmanufacturesystem，cims)等。,5多媒体技术多媒体(multimedia)是一种以交互方式将文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息，经过计算机设备的获取、操作、编辑、存储等综合处理后，将这些媒体信息以单独或合成的形态表现出来的技术和方法。多媒体技术以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，追求更自然、更丰富的接口界面，因而其应用领域十分广泛。,6网络技术20世纪80年代发展起来的因特网(internet)正在促进全球信息产业化的发展，对全球的经济、科学、教育、政治、军事等各个领域起着巨大的作用，它可以实现各部门、地区、国家之间的信息资源共享与交换。,7虚拟现实虚拟现实是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与环境直接进行交互的目的。这种模拟环境是用计算机构成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一特定现实世界的真实写照，也可以是构想出来的世界。,8电子商务电子商务(e-business)是指利用计算机和网络进行的商务活动，具体地说，是指综合利用lan（局域网）、intranet(企业内部网)和internet进行商品与服务交易、金融汇兑、网络广告或提供娱乐节目等商业活动。交易的双方可以是企业与企业之间(btob)，也可以是企业与消费者之间(btoc)。,9仪器仪表控制在仪器、仪表中用微处理器代替传统的机械部件或分离的电子部件，可使这些产品降低价格、增强功能和提高可靠性，加微处理器控制的示波器（逻辑分析仪）和以微处理器为核心部件的ct扫描仪等。,10人工智能人工智能(artificialintelligence，ai)是指用计算机来模拟人类的智能。虽然计算机的能力在许多方面（如计算速度）远远超过了人类，但是真正要达到人类的智能还是非常遥远的事情。不过目前一些智能系统已经能够替代人的部分脑力劳动，获得了实际的应用，尤其是在机器人、专家系统、模式识别等方面。,1997年5月1日，ibm公司生产的超级计算机“深蓝”采用256个处理器的rs6000sp并行处理芯片，和一批科学家和象棋高手为它设计专用软件，战胜了国际象棋大师，世界棋王卡斯帕罗夫，而一举成名。,“国际象棋”简介国际象棋是科学、文化、艺术、竞技融为一体的智力体育项目。它有助于开发智力，培养逻辑思维和想象能力，加强分析能力和记忆力，提高思维的敏捷性和严密性。它能培养人们战术技术思想意识和全局观点，增强人们工作中的计划性和灵活性。它还能丰富人们的文化生活，增进友谊，陶冶高尚情操，培养顽强勇敢、坚毅沉着、机智灵活等优秀的意志品质。国际象棋着法多变，趣味横溢，对于开发少年儿童的智力，更具有极好的效果。因此，目前世界上已有不少国家把国际象棋列入小学课程。,1.1.2计算机的分类计算机的种类很多，可以按不同的标准进行分类，如从计算机的类型、运行方式、构成器件、操作原理、应用状况等方面进行划分。1按处理数据的方式分类按计算机处理数据的方式，可分为数字计算机（digitalcomputer）和模拟计算机(analoguecomputer)以及数模混合计算机。数字计算机是通过电信号的有无来表示数，并利用算术和逻辑运算法题进行计算的。它优点是具有运算速度快、精度高、灵活性大和便于存储等，因此适合于科学计算、信息处理、实时控制和人工智能等应用。通常所说的计算机一般都是指数字计算机。模拟计算机是通过电压的大小来表示数；即通过电的物理变化过程来进行数值计算的。它的优点是速度快，适合于解高“阶微分方程。它在模拟计算和控制系统中应用较多，但通用性不强，信息不易存储，且计算机的精度受到设备的限制，因此不如数字计算机的应用普遍。,2按使用范围分类按计算机的使用范围，可分为专用计算机(specialpurposecomputer)和通用计算机(generalpurposecomputer).专用计算机是为解决一些专门的问题而设计制造的。它可以增强某些特定的功能而忽略一些次要功能，使得专用计算机能够高速度、高效率地解决某些特定的问题。模拟计算机通常都是专用计算机。在军事控制系统中广泛使用专用计算机。通用计算机具有功能多、配置全、用途广、通用性强等特点。通常所说的以及本书所介绍的就是通用计箅机。,3按功能和处理能力分类按计算机的功能和处理能力，可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型机等六大类。计算机的规模和处理能力是指计算机的运算速度、字长：存储容量、软件配置等多方面的综合性能。,1）.巨型机（supercomputer）巨型计算机又称为超级计算机或超级电脑。世界上只有少数几家公司能生产巨型机。例如，美国克雷公司就是生产巨型机的主要厂家，它生产的cray1、cray2、cray-3都是著名的巨型机。我国研制成功的银河i型亿次机、银河ii型十亿次机以及银河iii型百亿次机都是巨型机。它们对尖端科学、战略武器、社会及经济模拟等新领域的研究都具有极其重要的意义。,银河i型巨型计算机1983年12月,银河-i巨型计算机由国防科技大学计算机研究所研制成功。这是我国当时运算速度最快、存储容量最大、功能最强的巨型计算机，标志着我国进入世界研制巨型机的行列。,银河ii型巨型计算机银河-ii并行巨型计算机由国防科技大学计算机研究所于1992年11月研制成功。该机是我国自行研制的第一台面向大型科学/工程计算和大规模数据处理的通用十亿次并行巨型计算机系统。,银河iii型巨型计算机1997年6月，银河-iii超级计算机研制成功。中国成为世界上少数几个能研制和生产大规模并行计算机系统的国家之一。银河iii采用分布共享存储结构，峰值性能达到每秒130亿浮点运算。具有良好的可扩展性，系统规模可从几十亿次到几千亿次平滑扩充。银河iii在mpp资源管理与处理机调度、并行i/o软件、高性能优化编译、网络软硬件设计等技术方面均达到国内领先水平，系统综合技术达到当时国际先进水平。,联想集团“深腾1800”万亿次超级计算机,中国天津国家超级计算机中心的“天河一号”是世界上运算速度最快的计算机之一,联想“深腾7000”百万亿次超级计算机，该系统位居最新公布的全球高性能计算机排名（top500）第19位，售价超过1亿元人民币。联想“深腾7000”是世界上规模最大的一个结点无盘启动的机群系统，成功实现了基于1428个无盘结点的机群系统。同时，它也是世界上第一个实现了对所有硬件部件统一管理和监控功能的机群系统，实现了对机群系统内数千个计算、互连、存储等硬件部件的统一管理和监控。,2010年11月全球超级计算机前十位(运算速度为持续速度)1中国天河一号（th1a），每秒2566万亿次2美国crayjaguar，每秒1759万亿次3中国曙光星云，每秒1271万亿次4日本nec/hptsubame，每秒1192万亿次5美国crayhopper，每秒1054万亿次6法国bulltera100，每秒1050万亿次7美国ibmroadrunner，每秒1042万亿次8美国craykrakenxt5，每秒831.7万亿次9美国ibmjugene，每秒825.5万亿次10美国craycieloxe6，每秒816.6万,在1996年各核大国签署禁止核武器试验条约之后，各国逐步转向用超级计算机和以往的核爆试验数据来模拟核试验，用来研制新型的第四代核武器。所以世界上最快的超级计算机多数为军用，我国也不例外。,2）大型主机（mainfram）大型主机或称大型电脑包括大型机和中型机，一般被大中型企事业单位采用。美国ibm公司曾是大型主机的主要生产厂家，它生产的ibm360、370、4300、3090以及9000系列都曾是有名的大型主机型号。日本的富士通、nec公司也生产这类计算机。,asciq,1024nodes8cpu/node10240gflops7727gflops,3）小型计算机（minicomputer）小型计算机又称小型电脑，如美国dec公司的vax系列、dg公司的mv系列、ibm公司的as400系列以及富士通公司的k系列都是有名的小型机。我国生产的太极系列计算机属于小型机。,4）.微型计算机(microcomputer)微型计算机或称微型电脑，又称个人电脑，简称pc机。顾名思义，这种计算机的用户是面向个人或家庭的。我国高等学校以及中小学配置的计算机主要是微型机，代表机种有ibmpc系列、国内的联想系列等。,5）工作站（workstation）工作站与高档微机之间的界限并不明确，而且高档工作站的性能也接近小型机，甚至接近低档大型机。如果就字面意义来说，任何一台个人计算机或终端，都可以称为工作站。工作站都有自己鲜明的特点。它的运算速度通常比微型机要快，要配置大屏幕显示器和大容量的存储器，而且要有比较强的网络通信功能。它主要用于特殊的专业领域，例如图像处理、计算机辅助设计等方面。用一个专门的术语来说，工作站就是建立在riscunix平台的计算机。工作站又分为初级工作站、工程工作站。超级工作站以及超级绘图工作站。典型机器有hp工作站、apollo工作站、sun工作站等。,hppa工作站美国惠普（hp）公司的精密体系结构精简指令集工作站hpworkstationc3700时钟频率750mhz处理器数1个指令高速缓存0.75mb数据高速缓存1.5mbram类型120mhzsdram容量1gb-8gb硬盘驱动器172gb。hpworkstationj6700hpworkstationzx6000,sun工作站sunblade150工作站是经济实惠、功能齐全的64位工作站，带有550mhz或650mhzultrasparciii处理器，高达2gbram和支持多显示器的2d/3d图形卡选件。与上一代sunblade100、ultra5或ultra10工作站相比，该工作站大大提高了性能，功能更加丰富。1个ultrasparciii处理器多达2个40gb磁盘驱动器高达2gb内存预装solaris8操作环境sunblade2000是行业中第一个1ghz、64位的工作站，它具有领先的计算性能、高端3d可视化功能，是64位工作站市场上性价比最佳的产品之一。具备高性能的多重处理能力、高级图形处理能力和大量的扩展容量。,6）小巨型计算机(minisupercomputer)这是新发展起来的小型超级电脑，或称桌上型超级电脑。它是对巨型机的高价格发出的挑战，发展非常迅速。例如，美国（convex公司的c系列、alliant公司的fx系列就是比较成功的小巨型计算机。4按使用方式分类计算机分为掌上电脑、笔记本电脑、台式计算机、网络计算机、工作站、服务器、主机等。还有一些其他的分类方法，这里不再详述。本书中所讨论的计算机都是电子数字计算机，而实际操作主要针对pc系列的微型计算机。,1.1.7计算机的发展趋势随着新技术、新发明的不断涌现和科学技术水平的提高，计算机技术也将会继续高速发展下去。从目前计算机科学的现状和趋势看，它将向以下四个方向发展：1巨型化为了适应尖端科学技术的需要，将会发展出一批高速度、大容量的巨型计箅机。巨型机的发展集中地体现了国家计算机科学的发展水平，推动了计算机系统结构、硬件和软件理论与技术、计算数学以及计算机应用等方面的发展，也是一个国家综合国力的反映。2微型化随着信息化社会的发展，微型计算机已经成为人们生活中不可缺少的工具，所以计算机将会继续向着微型化的趋势发展。从笔记本电脑到掌上电脑，再到嵌入到各种家电中的电脑控制芯片，就是进入到人体内部，甚至能嵌入到人脑中的微电脑不久也将会成为现实。,3网络化计算机的网络化将是计算机发展的另一趋势。随着网络带宽的增大，计算机与网络一起成为人们生活的一个不可或缺的部分。通过网络，用户可以下载自己喜欢的电影，控制远在万里之外的家电设备，完成一切想要做的事情。4智能化智能化计算机一直是人们关注的对象，其研究领域包括自然语言的生成与理解、模式识别、自动定理证明、专家系统、机器人等。如随着internet而发展起来的计算机神经元网络和最新出现的量子计算机雏形就是智能化计算机研究的重大成果。智能化计算机的发展，将会使计算机科学和计算机的应用达到一个崭新的水平。,1.2.数的表示和信息编码计算机所表示和使用的数据可分为两大类：数值数据：用以表示量的大小、正负，如整数、小数等。字符数据：也叫作非数值数据，用以表示一些：符号、标记，如英文字母az，a-z；数字：09；各种专业字符：如：、/、(、)。及标点符号等。由于各种数据在计算机内部是用二进制表示编码和形式表示，先介绍数制基本概念，以及二进制、十六进制以及它们之间的关系。,1.2.1数的进制数制(numberingsystem)，即表示数值的方法，有非进位数制和进位数制两种。表示数值的数码与它在数中的位置无关的数制称为非进位数制，如罗马数字就是典型的非进位数制。按进位的原则进行计数的数制称为进位数制，简称“进制”。对于任何进位数制，它有以下的基本特点：1十进制基数为10，即“逢十进一”。它含有十个数码：0l、23、456789。权为10i（imnl，其中m、n为自然数）。注：下列各进制中的权值均以十进制数为底的幂表示。2二进制基数r为2.即“逢二进一”。它含有两个数码：0l。权为2i（imnl)，m、n为自然数,3.八进制基数r为8.即“逢八进一”。它含有八个数码:0,l,2,3,4,5,6,7。权为8i（imnl),m、n为自然数.4十六进制基数r为16，即“逢十六进一”。它含有十六个数字符号：0、l、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f，其中a、b、c、d、ef分别表示数码10、11、12、13、14、15。权为16i（imnl，其中m、n为自然数）。应当指出，二进制和十六进制都是计算机中常用的数制，所以在一定数值范围内直接写出它们之间的对应表示，也是经常遇到的。,二进制是计算机中采用的数制，二进制具有如下特点：l）简单可行，容易实现。因为二进制仅有两个数码0和1，可以用两种不同的稳定状态（如有磁和无磁、高电位与低电位）来表示。计算机的各组成部分都由仅有两个稳定状态的电子元件组成，它不仅容易实现，而且稳定可靠。2）运算规则简单。二进制的计算规则非常简单。以加法为例，c进制加法规则仅有四条：即000，l01，0ll，ll10（逢二进）。3适合逻辑运算。二进制中的0和1正好分别表示逻辑代数中的假值（false）。真值（true）。二进制数代表逻辑值容易实现逻辑运算。但是，二进制的明显缺点是：数字冗长、书写繁复且容易出错、不便阅读。所以，在计算机技术文献的书写中，常用十六进制数表示。,表1列出了015这16个十进制数与其他两种数制的对应表,表12三种数制之间的转换,5.表示法二进制数与十进制数十分相似，表1.1列出了它们之间的主要区别。,数有两种表示法，一种是位置记数法，另一种是多项式记数法。其中，位置记数法是数字所处的位置不同，它代表的数值也不同。【例如】，数值“334.75”表示“三百三十四点七五”的十进制位置记数法。权：每一位数字所表示的数值大小称为“权”(weight)，它与这位数字的乘积就是该位数字所表示的数值。【例如】，上例中的(334.75)10可以表示为：(334.75)10=3100+310+41+70.1+50.01其中，100和10就是相应位置上的权。,多项式记数法：为了便于理论研究，常用多项式记数法将隐藏在各位上的“权”明显地表示出来。【例如】，十进制数334.75的多项式记数法为：高位权值权值权值权值低位权值(334.75)10=3l02+3101+4100+710-l+510-2基数基数【例如】，二进制数（1101.11）2的多项式记数法为：(1101.11)2=123+122+021+120+12-1+12-2基数基数基数：从多项式记数法中可以看出，相邻两位权的比值（高位权：低位权）是一个常数，这个常数被称为进位计数制的“基数”(radix)。基数为“十”的进位计数制称为十进制，基数为“二”的进位计数制称为二进制。,6.计算规则与十进制数相比，二进制数的四则运算方法除了进位计数规则不同外，其余是完全相同的。1）加法二进制加法规则是：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10（有进位1）【例1.1】完成二进制加法计算：1011.11+10.1111（进位）1011.11+10.1（小数点对齐相加）1110.01（逢二进一）,2）减法二进制减法规则是：0-0=0；0-1=1（有借位）；1-0=l；1-1=0【例1.2】完成二进制减法计算：1110.01-1011,1111.1(借位)1110.01-1011.11（小数点对齐相减）10.10（借一当二）,3）乘法二进制乘法规则是：0x0=0;0xl=0;1x0=0;11=1【例1.3】完成二进制乘法计算：10.1110.110.1110.110110000+1011（二进制加）110.111其中，乘积的小数位数是被乘数与乘数的小数位数之和。从上面的计算过程中可以看出，二进制乘法可以通过被乘数左移和加法来实现。,4）除法除法是乘法的逆运算。设：a为被除数、b为除数、q为商、r为余数，则有或a=qb+r其中，b0，iriibi。二进制除法运算方法与十进制相同。【例1.4】完成二进制除法计算：100.110.1,从上面的计算过程中可以看出，二进制除法可以通过除数的右移和减法来实现。为了便于除法运算，在运算之前可先将除数化为整数，即同时将除数和被除数的小数点向右移动一定的位数k（相当于同时乘上一个因数2k），其结果不会改变商的大小，但余数将变为原来的2k倍。【例如】，例1.4的计算还可以按以下方法来进行：,通过上面的介绍，可以看出二进制数具有以下特点：(1)每位二进制数只有0和1两个数字，便于用电子器件的状态（如开和关等）来表示；(2)二进制数的运算规则是所有进制数中最简单的，因此构成它的运算和控制线路也一定是最简单的。基于以上两点理由，现代电子计算机的电路都是由二进制数字系统构成的。也就是说，计算机的电路只能识别由0和1组成的二进制数码。,二、各种进制数之间的转换一个数可以用二进制、十进制、八进制、十六进制等各种形式来表示，虽然表示形式不同，但它们是等值的，我们要熟悉它们之间的转换方法。lr进制和十进制之间的转换(1)将r(r=2，8，16)进制数转换为十进制数。方法：按权展开求和。【例11】分别将(1101101.101)2、(3,506.24)8、(8fc7.2a)16。转换为十进制数。(1101l01.101)2=126+l25+024+123+l22+021+l20+12-1+02-2+12-3=64+32+0+8+4+0+1+0.5+0+0.125=(109625)10(3506.24)8=383+582十081+680+28-1+48-2：=l,536+3,204+0+6+025+00625=(1,8623125)10,(8fc7.2a)16=8163+l5162+12161十7160+216-1+1016-2=32,768+-3,840+l92+7+0.125=(36,807125)10练习：1）.（110101.101）2=（）102).(10110.011)2=（）103）.（45.76）8=（）104）.（d4b.a2）16=()10,(2)将十制数转换为r(r=2、816)进制数。方法：整数部分采用除基取余法；小数部分采用乘基取整法(“基”即进制的意思)。【例1-2】将(57)10分别转换为二迸制、八进制、十六进制数(用除基取余法实现)。注意：最先得到的余数是整数的最低位。因此，(57)10=(111001)2=(71)8=(39)16,【例l一3】将(573125)10。转换为二进制数(分别用除2取余法和乘2取整法对整数部分和小数部分进行转换，然后拼接起来即可)。由例12已知(57)=(111001)2，下面对(0.3125)10进行转换：取整数部分0.31252=0.625a-1=0|高位0.6252=1.25a-2=1|0.252=0.5a-3=0|0.52=1.0a-4=1低位因此，（57.3125）10=（111001.0101）2练习(1).(63.61)10=()2=()8=()16(2).(47.43)10=()2=()8=()16,l二进制和八进制，十六进制之间的转换(1)将二进制数转换为八进制或十六进制数。3位二进制数可以组合成23=8种状态，刚好能表示八进制数07；4位二制数可以组合成24=16种状态，刚好能表示十六进制数0f。十进制、八进制、十六进制与二进制组合代码的对应关系如表1。1所示。因此，二进制转换成八进制或十六进制数时，只要把二进制数按3位或4位分组，然后写出其对应的八或十六迸制数即可。【例如】:(10110111。0111)2=（267.34)8=（b7.7)16【例如】:(1011101.10111)2=(135.56)8=(5d.b8)16练习：1.(1000101.01)2=()8=()162.(101010.111)2=()8=()163.(10110.011)2=()8=()16,(2)八进制或十六进制数转换为二进制数转换方法是3位或4位分解法。只要依次把八进制数或十六进制数的每一位转换为3位(或4位)二进制数即可，整数部分的高位0和小数部分的低位0可以省略。【例1_6】(225.23)8=010010101.010011【例1_7】(9ff8.76)16=1001111111111000011101109ff8.76练习：1.（564.21）8=（）2=（）162.（cf2.6d）16=（）2=（）83.（462.53）8=（）2=（）16,1.2.3数据存储的单位位(bit):在计算机中，数据存储的最小单位为位(bit)，1位为1个二进制位（也称比特）。字节(byte，b)作为数据存储的基本单位。在计算机中规定，1个字节为8个二进制位。除字节外，还有千字节(kb)、兆字节(mb)、吉字节(gb)、太字节(tb)等单位。它们的换算关系是：1kb=1024b=210b1mb=1024kb=1048576b=220b1gb=1024mb=1048576kb=1073741824b=230b1tb=1024gb=240b在谈到计算机的存储容量或某些信息的大小时，常常使周上述的数据存储单位。如一张3.5英寸的软磁盘约为1.44mb，目前的个人计算机的内存容量一般约为64mb1gb，而硬盘的容量一般在10gb200gb之间，tb单位目前还使用较少。注意这里的字节(byte)作为数据量大小的单位，不要和表示二进制数的位混淆。,练习：1.（11010.11）2=（）10，（11101.101）2=（）102.（34.2）8=（）10（35.21）8=（）103.（2da.f)16=()10（2a3d。4）16=（）104.(11010101.1101)2=()8=(）5.(11010.1011)2=（）（）6.（54.7）8=（）167.（ad3c。b）16=（）88.(47)10=()2=()8=()169.(67)10=()2=()8=()16,1.2.4英文字符编码字符数据也是计算机经常要处理的数据。如英文字符、标点符号、数字字符等在计算机内部存储时，也要给它们进行二进制编码。美国信息交换标准代码(americanstandardcodeforinformationinterchange)是我们通常使用的字符编码。,ascii码是用7位二进制数编码，它可以表示27=128个字符，见附录i。每个字符的7位二进制编码排列次序为d6d5d4d3d2d1d0，（d6为最高位，d0为最低位）而一个字符在计算机内是用一个字节(8位)来存储。一般情况下，最高位出为0，在通信中需要奇偶校验时。这一位可用作奇偶校验位。,有些特殊的字符编码请读者记住，【例如】：“a”字母字符的编码为1100001，对应的(97)10，(61h)16。“a”字母字符的编码为1000001，对应的的(65)10，(41h)16。“0”数字字符的编码为0110000，对应的(48)10，(30h)16。“”空格字符的编码为0100000，对应的(32)10，(20h)16。“lf(换行)”控制符的编码为0001010，对应的(10)10,(0ah)16。“cr(回车)”控制符的编码为0001101，对应的(13)10,(0dh)16。计算机的内部存储与操作常以字节为单位，即8个二进制位为单位，因此一介字符在计算机内实际是用8位表示的。正常情况下，最高位为“0”。注意ascii码只占用了一个字节中低端的7位，最高位（第8位）为o。,2汉字编码我国使用计算机处理信息时般都要用到汉字。我国推广计算机应用，就必须发展汉字信息处理技术。解决汉字的输入、输出以及汉字处理问题，其根本就在于将汉字代码化。(1)国标码和区位码为适应汉字信息交换的需要，我国于1981年颁布了信息交换用汉字编码字符集基本集，即国家标准gb231280基本集中共收集汉字6763个，分为两级。第一级汉字共3755个，属常用汉字，按汉语拼音字母顺序排列；第二级汉字共3008个，属次常用汉字，按部首排列。除汉字之外，表中还收录了682个常用的非汉字图形字符。因此，国标231280基本字符集中共有7,445个字符。,（2）.汉字输入码为方便人工通过键盘输入汉字而设计的代码称为汉字输入码，又称汉字外码，简称外码。在汉字信息处理技术中，汉字输入方法是一直受世人重视并有待妥善解决的问题。汉字输入编码方案很多，目前国内广泛使用的汉字输入码主要有以下几类：以汉字拼音为基础的拼音类输入法，如智能abc、微软拼音等汉字输入法；以汉字拼形为基础的拼形类输入法，如五笔字形输入法；以汉字拼音和拼形结合为基础的音形类输入法，如自然码输入法；流水码，即汉字按一定顺序排好，逐一给予号码，以有序数字代码表示汉字，例如以国标gb231280为基准的区位码、国标码以及在电信业中通用的电报码。,（3）汉字输出码与字库汉字输出码也称为汉字字形码或字模。它是以数字代码描述字的形状，输出时由计算机将代码还原，恢复字的原来的形状，在输出设备上输出。汉字字形数字化后以二进制文件的形式存储在存储器中，构成汉字字形库或汉字字模库，简称汉字字库。汉字字库为汉字的输出设备提供字形数据。汉字字形的输出是将存储在汉字字库中的相应字形信息取出，送到指定的汉字输出设备上输出。汉字字形点阵有16x16点阵、24x24点阵、32x32点阵、64x64点阵等等。,1.3.计算机系统的构成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。,2.计算机系统结构.采用二进制.采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中；.指令在存储器中接执行顺序存放，由指个计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变；.机器以运算器为中心，输入、输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对“程序存储”概念的具体化。,1946年，在eniac问世的同时，美籍匈牙利科学家冯诺依曼领导的小组研制了envac计算机，同时提出了以下重要的设计方案：,.计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；,约翰冯诺伊曼(johnvonneumann1903.12.281957.02.08),这一方案简化了计算机结构，使计算机具有了通用性。原始的冯诺依曼结构计算机是以运算器为中心的，但随着计算机系统结构的设计实践和发展，已逐步演变到现在以存储器为中心的结构，基本结构如图所示。,计算机各部件的功能为:（1）运算器运算器也称算术逻辑单元（alu）。其功能是进行算术运算和逻辑运算。算术运算是指加、减、乘、除运算；逻辑运算是指逻辑“与”。逻辑“或”、逻辑“非”、“异或”、移位和比较等运算。（2）控制器控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作；保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。控制器从存储器中逐条取出指令，分析每条指令规定的是什么操作以及所需数据的存放位置等，然后根据分析结果向计算机其他部分发出控制信号，统一指挥整个计算机完成指令所规定的操作。通常把控制器与运算器合称为中央处理器,cpu芯片。,（3）存储器存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，存储器分为内部存储器（简称内存或主存）和外部存储器（简称外存入内存一般由半导体器件构成。外存也可以作为输入、输出设备。（4）输入设备输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将各种形式的输入信息（如数字、文字、图像）转换为二进制形式的“编码”o常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、光笔等。（5）输出设备输出设备用于将计算机的处理结果转变为人或其他设备所能接收和识别的信息形式，即文字、数字、图形、声音、电压等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,(6).总线（bus）微型计算机中的各个部件，包括cpu、内存储器、外存储器和输入、输出设备的接口之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线。根据总线传送信息的类别，可以把总线分为数据总线、地址总线和控制总线。l)数据总线数据总线（db）用于传送数据和程序。数据总线的宽度(即传输线根数）决定了通过它一次所能传送的二进制位数。2).地址总线地址总线（ab）用于传达存储单元或者输入输出接口的地址信息。地址总线的根数一般反映了计算机系统的最大内存容量。不同的cpu芯片，地址总线的数量不同。例如，16位的地址总线可以寻址内存单元数为21665,536。,3)控制总线控制总线（cb）用于传送控制器的各种控制信号。控制总线分为两类；一类是由cpu向内存或者外设发出的控制信号，另一类是由外设和有关接口向cpu送回的信号。根据总线传送信息的方向，还可以把总线分为单向总线和双向总线。【例如】，数据总线中数据的传送是双向的，即数据总线是双向总线。随着微型计算机系统结构的不断改进，总线的传输位数和传输速度等主要技术指标也在不断发展，微型计算机系统中曾经使用或正在使用的总线标准有：isa总线、mca总线上isa总线、visa总线、pci总线、agp总线、ieee1394总线、usb总线等。,1主板主板也称为主机板、系统板(systemboard)、母板(mother-board)。主板是固定在主机机箱上的一块电路板，其上装有大量的有源电子元件。主要组件有：cmos、基本输入输出系统(basicinputandoutputsystem，bios)高速缓冲存储器(cache)内存插槽cpu插槽键盘接口软盘驱动器接口硬盘驱动器接口总线扩展插槽（提供isa，pci等扩展槽）串行接口(com1，com2)并行接口(打印机接口lptl)等。可见，主板是计算机各种部件相互连接的纽带和桥梁。,华硕m4a88td-m主板,dx58so主板,技嘉ex58-extreme,2中央处理器中央处理器是计算机的核心部分，一般由控制器和运算器两个部件构成并集成在一块芯片上。控制器负责指挥和控制其他各部件协同工作；运算器是计算机的执行机构，负责对数据进行各种运算。现在流行的cpu主要有intel，amd等商标的产品。计算机的性能主要取决于cpu。随着大规模集成电路技术的发展，现在cpu已能集成在一块半导体芯片上，这种芯片就叫做微处理器。用微处理器作为计算机cpu是微型计算机的主要标志之一。,3.存储器存储器是用来存放程序和数据的部件。存储器又分为内存储器、外存储器、高速缓冲存储器。1内存储器内存储器简称内存，也称主存储器。它通常由半导体电路组成，通过总线与cpu相连。它可以保存cpu所需要的程序指令和运算所需的数据，也可以保存一些运算中产生的中间结果以及最终结果，通过总线快速地与cpu交换数据。内存储器又分为只读存储器(readonlymemory，rom)和随机存储器(randomaccessmemory，ram)两部分。rom用于永久存放特殊的专门数据。计算机基本输入输出系统bios(basicinputoutputsystem)的程序就放在rom中。ram是可读写的内存储器，计算机运行时大量的程序、数据等信息就是保存在ram中。,内存的容量：指内存空间的大小（一般指ram部分），对计算机的性能影响很大，容量越大，能保存的数据就越多，从而减少了与外存储器交换数据的频度，因此效率也越高。目前流行的微型计算机，内存容量一般在512mb-4gb范围内。内存中的数据存取以字节为基本的存取单位，内存中的字节线性排列，因此每一个字节都有其确定的地址。在cpu数据存取时，就是以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。注意ram中的数据只是在计算机运行中有效，一旦断电，ram中的所有程序及数据将会自动丢失，只能在下一次运行计算机时重新装载。,(1)软盘软盘是用柔软的聚酯材料制成圆形底片，在表面涂有磁性材料，被封装在护套内，由固定在主机上的软盘驱动器进行数据的读写，软盘的外观如图1-7所示。软盘片逻辑地划分成若干个同心圆，每个同心圆称为一个磁道，每条磁道又被等分成若干段，每段称为一个扇区。一个扇区一般可存放512b(字节)的数据，如图1-8所示。磁盘的存储容量可由下面的公式求出：磁盘总容量=磁面数磁道数扇区数x扇区字节数目前在微机上使用的软盘主要是容量1.44mb的3.5英寸软盘，它有2个面，每面80磁道，每磁道18扇区，每扇区512b。软盘上常标记有“2hd”字样，表示2面，高密度。,(2)硬盘硬盘的工作原理与软磁盘一样，硬盘中有一张或多张由硬质材料制成的磁性圆盘，具有很高的精度，连同驱动器一起密闭在外壳之中，固定于微型计算机机箱之内。硬盘的容量很大，目前出售的硬盘容量一般为80-500gb。硬盘的数据传输速率因传输模式不同而不同，通常在33.133mbls。计算机的操作系统，常用的各种软件、程序、数据、注册的各种系统信息一般都保存在硬盘上。,(3)光盘存储器光盘存储器是20世纪90年代中期开始广泛使用的外存储器，它采用激光束聚焦成约lmm的光斑，在盘面上刻写数据。金属盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射强度来记录和识别二进制的o，1信息。光盘存储器的数据密度很高，容量可达650mb。目前使用的大多是只读光盘存储器(compactdiskreadonlymemory，cd-rom)，其中的信息已经在制造中写入。由于它体积小、重量轻、数据存储量大、易于保存，很受用户欢迎。随着多媒体技术的发展，光盘存储器的使用越来越普遍。光盘(compactdisc，cd)是利用光盘一般直径为5.25英寸，分为只读(read-only)、一次写入(writeonce)和可擦式(erasable)等几种。,在计算机中用于衡量光盘驱动器数据传输