计算机文化基础第一章

1 2 计算机中信息的表示 1 2 1 进制及其转换 所谓进位计数制 是指用进位的方法进行计数的数制 简称进制 在一般情况下 我们习 惯用十进制来表示数 在生活中我们也采用其他进制 例如用六十进制来进行计时 满六 十秒就是 1 分钟 满六十分钟就是 1 小时 在计算机中采用不同的数制表示数据 在计算 机内所有的数据都是用二进制来表示的 但是在输出或显示时 我们仍习惯用十进制 在 计算机编程中 有时我们还采用八进制和十六进制 这样就存在同一个数可用不同的数制 表示及他们之间相互转换的问题 首先来介绍一下数制中的几个名词术语 数码 一组用来表示某种数制的符号 例如 1 2 3 A B C 等 基数 数制所使用的数码个数称为 基数 或 基 常用 R 表示 称为 R 进制 例 如十进制的数码是 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 基数为 10 位权 数码在不同位置上的权值称为位权 在进位计数制中 处于不同数位的数码代表的 数值不同 例如十进制数 222 个位数上的 2 的权值为 100 则此处的 2 代表 2 即 2 十位 上的 2 的权值为 101 则此处的 2 代表 2 101即 20 百位上的 2 的权值为 102 则此处的 2 代表 2 102即 200 1 常用的进位计数制 1 十进制 Decimal System 十进制由 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 这 10 个数码组成 也就是说它的基数是 10 十 进制的特点是 逢十进一 借一当十 十进制各位的权是以 10 为底的幂 2 二进制 Binary System 二进制由 0 1 这 2 个数码组成 也就是说它的基数是 2 二进制的特点是 逢二进一 借 一当二 二进制各位的权是以 2 为底的幂 3 八进制 Octal System 八进制由 0 1 2 3 4 5 6 7 这 8 个数码组成 也就是说它的基数是 8 八进制的特 点是 逢八进一 借一当八 八进制各位的权是以 8 为底的幂 4 十六进制 Hexadecimal System 十六进制由 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这 16 个数码组成 也就 是说它的基数是 16 十六进制的特点是 逢十六进一 借一当十六 十六进制各位的权是 以 16 为底的幂 书写时 一般用一下两种数制表示方法 1 把一串数用括号括起来 再加上这种数制的下标 例如 6523 10 10001 2 25B 16 对于十进制可以省略下标 2 用进制的字母符号 B 二进制 O 八进制 D 十进制 H 十六进制 来表示 对于十进制可以省略 例如 二进制数 1001 可表示为 1001B 十六进制数 521 可表示为 521H 2 数制的转换 1 二进制 八进制 十六进制转化为十进制数 对于任何一个二进制数 八进制数 十六进制数 均可以先写出它的位权展开式 然后再 按十进制进行计算即可将其转换为十进制数 例如 1101 11B 1 23 1 22 0 21 1 20 1 2 1 1 2 2 8 4 0 1 0 5 0 25 13 75 A2B 4H 10 162 2 161 11 160 4 16 1 2560 32 11 0 25 2603 25 2 十进制数转换为二进制数 十进制数的整数部分和小数部分在转换时需作不同的计算 分别求值后再组合 整数部分 采用除 2 取余法 即逐次除以 2 直至商为 0 得出的余数倒排 即为二进制各位的数码 小数部分采用乘 2 取整法 即逐次乘以 2 从每次乘积的整数部分得到二进制数各位的数 码 例 将十进制数 100 25 转化为二进制数 先对整数 100 进行转换 有上述得出 100 1100100B 对于小数部分 0 25 的转换 0 25 2 0 5整数 0 a 1 0 5 2 1 整数 1 a 2 由上得出 0 25D 0 01B 将整数和小数部分组合 得出 100 25D 1100100 01B 3 二进制数与八进制数的相互转换 二进制数转换成八进制数的方法是 将二进制数从小数点开始 对二进制整数部分向左每 3 位分成一组 不足 3 位的向高位补 0 对二进制小数部分向右每 3 位分成一组 不足 3 位 的向低位补 0 凑成 3 位 每一组有 3 位二进制数 分别转换成八进制数码中的一个数字 全部连接起来即可 例 把二进制数 11101100 01 转换为八进制数 二进制二进制 3 位分组位分组011101100 010 转换为八进制数转换为八进制数354 2 由上得出 11101100 01B 354 2O 将八进制数转换成二进制数 只要将每一位八进制数转换成相应的 3 位二进制数 依次连 接起来即可 4 二进制二进制数与十六进制数的相互转换 二进制数转换成十六进制数 只要把每 4 位分成一组 再分别转换成十六进制数码中的一 个数字 不足 4 位的分别向高位或低位补 0 凑成 4 位 全部连接起来即可 十六进制数转换成二进制数 只要将每一位十六进制数转换成 4 位二进制数 然后依次连 接起来即可 例 把二进制数 11101100 01 转换为十六进制数 二进制二进制 4 位分组位分组11101100 0100 转换为十六进制数转换为十六进制数EC 4 由上得出 11101100 01B EC 4H 其他数值之间的转换可以通过二进制数作为中间桥梁 先转化为二进制 再转化为其他进 制数 3 二进制的运算规则 1 算术运算规则 加法规则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10 向高位有进位 减法规则 0 0 0 10 1 1 向高位借位 1 0 1 1 1 0 乘法规则 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 除法规则 0 1 0 1 1 1 2 逻辑运算规则 逻辑与运算 AND 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 逻辑或运算 OR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 逻辑非运算 NOT 10 01 逻辑异或运算 XOR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 3 2 信息的编码 1 计算机中数据的单位 1 位 bit 位简记为 b 也称为比特 是计算机存储数据的最小单位 一个二进制位只能表示 0 或 1 要想表示更大的数 就要把更多的位组合起来 2 字节 Byte 字节来自英文 Byte 简记为 B 规定 8bit 1B 字节是存储信息的基本单位 微型计算机存 储器是由一个个存储单元构成的 每个存储单元的大小就是一个字节 所以存储容量大小 也以字节数来度量 常用到的其他度量单位有 KB MB GB TB 其换算关系为 1 KB 210 B 1 MB 220 B 1 GB 230 B 1 TB 240 B 2 数值的表示 在计算机中 所有数据都以二进制的形式表示 数的正负号也用 0 和 1 表示 通常 规定一个数的最高位作为符号位 0 表示正 1 表示负 把在机器内存放的正负号数码 化后的数称为机器数 把在机器外存放的由正负号表示的数称作真值 例如真值 127 的机 器数是 011111111 真值 127 的机器数是 111111111 为了在计算机的输入输出操作中能 直观迅速地与常用的十进制数相对应 习惯上用二进制代码表示十进制数 这种编码方法 简称 BCD 码或 8421 编码 例如 对于 358 10的编码如下 十进制数十进制数 358 8421 编码编码 001101011000 3 文字信息的表示 1 字符编码 目前采用的字符编码主要是 ASCII 码 它是 American Standard Code for Information Interchange 的缩写 美国标准信息交换代码 已被国际标准化组织 ISO 采纳 作为国际通 用的信息交换标准代码 ASCII 码是一种西文机内码 有 7 位 ASCII 码和 8 位 ASCII 码两种 7 位 ASCII 码称为标准 ASCII 码 8 位 ASCII 码称为扩展 ASCII 码 7 位标准 ASCII 码用一个字 节 8 位 表示一个字符 并规定其最高位为 0 实际只用到 7 位 因此可表示 128 个不同 字符 同一个字母的 ASCII 码值小写字母比大写字母大 32 20H 2 汉字编码 1 汉字交换码 由于汉字数量极多 一般用连续的两个字节 16 个二进制位 来表示 一个汉字 1980 年 我国颁布了第一个汉字编码字符集标准 即 GB2312 80 信息交换用 汉字编码字符集基本集 该标准编码简称国标码 是我国大陆地区及新加坡等海外华语区 通用的汉字交换码 GB2312 80 收录了 6763 个汉字 以及 682 符号 共 7445 个字符 奠 定了中文信息处理的基础 2 汉字机内码 国标码 GB2312 不能直接在计算机中使用 以为它没有考虑与基本的 信息交换代码 ASCII 码的冲突 比如 大 的国标码是 3473H 与字符组合 4S 的 ASCII 相同 嘉 的汉字编码为 3C4EH 与码值为 3CH 和 4EH 的两个 ASCII 字符 和 N 混淆 为 了能区分汉字与 ASCII 码 在计算机内部表示汉字时把交换码 国标码 两个字节最高位 改为 1 称为 机内码 这样 当某字节的最高位是 1 时 必须和下一个最高位同样为 1 的字节合起来 代表一个汉字 3 汉字字形码 所谓汉字字形码实际上就是用来将汉字显示到屏幕上或打印到纸上所需要的图形数据 汉 字字形码记录汉字的外形 是汉字的输出形式 记录汉字字形通常有两种方法 点阵法和 矢量法 分别对应两种字形编码 点阵码和矢量码 所有的不同字体 字号的汉字字形构 成汉字库 点阵码是一种用点阵表示汉字字形的编码 它把汉字按字形排列成点阵 一个 16 16 点阵 的汉字要占用 32 个字节 一个 32 32 点阵的汉字则要占用 128 字节 而且点阵码缩放困 难且容易失真 矢量码使用一组数学矢量来记录汉字的外形轮廓 矢量码记录的字体称为矢量字体或轮廓 字体 这种字体很容易放大缩小且不会出现锯齿状边缘 且节省存储空间 如 PostScript 字库 TrueType 字库就是矢量字形码 4 汉字输入码 将汉字通过键盘输入到计算机采用的代码称为汉字输入码 也称为汉字外部码 外码 汉 字输入码的编码原则应该易于接受 学习 记忆和掌握 码长尽可能短 目前我国的汉字输入码编码方案已有上千种 但是在计算机上常用的有几种 根据编码规 则 这些汉字输入码可分为流水码 音码 形码和音形结合码四种 全拼输入法 智能 ABC 和微软拼音等汉字输入法为音码 五笔字型为形码 音码重码多 输入速度慢 形码 重码较少 输入速度较快 但是学习和掌握较困难 目前以智能 ABC 微软拼音 紫光拼 音输入法和搜狗输入法等音码输入法为主流汉字输入方法 1 4 微型计算机系统 微型计算机简称 微机 由于其具备人脑的某些功能 所以也称其为 电脑 微型计算 机是由大规模集成电路组成的 体积较小的电子计算机 它是以微处理器为基础 配以内 存储器及输入输出 I 0 接口电路和相应的辅助电路而构成 微型计算机的特点是体积小 灵活性大 价格便宜 使用方便 1 4 1 微型计算机分类 微型计算机按其性能 结构 技术特点等可分为单片机 单板机 个人计算机 便携式计 算机 单片机 单片机就是将微处理器 CPU 存储器以及输入 输出接口电路等集成在一块集 成电路芯片上 也就是说单片机是具有计算机功能的集成电路芯片 单片机体积小 功耗 低 使用方便 价格低 大量用于了生活设备现代化中 像我们日常生活中的智能电器 汽车等等 单板机 单板机是把微型计算机的整个功能体系电路 CPU ROM RAM 输入 输出接口电 路以及其他辅助电路 全部组装在一块印制电板上 再用印制电路将各个功能芯片连接起 来 一般这块板上还有建议键盘 数码管或液晶显示器 只要加上电源便可以直接使用 单板机价格低廉易于扩展 广泛用于工业控制 微机教学和试验 PC Personal Computer 个人计算机 供单个用户使用的微机一般称为 PC 是目前使用 最多的一种微机 便携式计算机 便携式微机大体包括笔记本计算机和个人数字助理 PDA 等 便携式微机 将主机和主要的外设集成为一个整体 由电池直接进行供电 1 4 2 微机的主要性能指标 一台微型计算机功能的强弱或性能的好坏 不是由某项指标来决定的 而是由它的系统结 构 指令系统 硬件组成 软件配置等多方面的因素综合决定的 但对于大多数普通用户 来说 可以从以下几个指标来大体评价计算机的性能 主频 主频即 CPU 内核工作的时钟频率 是指 CPU 在单位时间 1 秒 内发出的脉冲数 它在很 大程度上决定了计算机的运算速度 主频的单位是赫兹 Hz 通常所说的某 CPU 是多少 兆赫的 这个多少兆赫就是 CPU 的主频 很多人认为 CPU 的主频就是其运行速度 其 实不然 CPU 的主频与 CPU 实际的运算能力并没有直接关系 由于主频并不直接代表运算 速度 所以在一定情况下 很可能会出现主频较高的 CPU 实际运算速度较低的现象 字长 计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的 字 而这组二进制数的位数 就是 字长 早期的微型计算机的字长一般是 8 位和 16 位 目前大多是 32 位 64 位 字长越大计算机处理数据的速度就越快 内核 随着社会对 CPU 处理效率的要求的提高 尤其是对多任务处理速度的要求的提高 Intel 和 AMD 分别推出了双核心处理器 四内核甚至更多内核的 CPU 所谓双核心处理器就是在一 块 CPU 基板上集成两个处理器核心 通过并行总线将各处理器核心连接起来 多核心处理 器的推出大大地提高了 CPU 的多任务处理性能 多核心处理器正成为市场的主流 内存容量 内存储器 也简称主存 是 CPU 可以直接访问的存储器 需要执行的程序与需要处理的数 据就是存放在主存中的 内存容量是指内存储器中能存储信息的总字节数 内存储器容量 的大小反映了计算机即时存储信息的能力 随着操作系统的升级 应用软件的不断丰富及 其功能的不断扩展 人们对计算机内存容量的需求也不断提高 现在主流计算机配备的内 存容量是 2GB 4GB 计算机的内存容量越大 系统功能就越强大 数据处理的速度就越 快 存取周期 把信息代码存入存储器 称为 写 把信息代码从存储器中取出 称为 读 存储器进 行一次 读 或 写 操作所需的时间称为存储器的访问时间 或读写时间 而连续启动 两次独立的 读 或 写 操作 如连续的两次 读 操作 所需的最短时间 称为存取 周期 微型机的内存储器目前都由大规模集成电路制成 其存取周期很短 约为几十到一 百纳秒 左右 运算速度 运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标 通常所说的计算机运算速度 平均运算速度 是指每秒钟所能执行的指令条数 一般用 MIPS Million Instruction Per Second 百万 条指令 秒 来描述 由于各种指令的类型不同 同一台计算机 执行不同的指令所需时 间也不同 为了确切地描述计算机的运算速度 一般采用 等效指令速度描述法 根据不 同类型指令在使用过程中出现的频繁程度 乘上不同的系数 求得统计平均值 这时所指 的运算速度是平均运算速度 影响计算机运算速度的因素很多 一般来说 主频越高 运 算速度越快 字长越长 运算速度越快 内存容量越大 运算速度越快 存取周期越短 运算速度越快 以上只是一些主要性能指标 除了上述这些主要性能指标外 微型计算机还有其他一些指 标 例如 所配置外围设备的性能指标以及所配置系统软件的情况等 另外 各项指标之 间也不是彼此孤立的 在实际应用时 应该把它们综合起来考虑 1 4 3 常见微型计算机的硬件设备 微型计算机的硬件由主机和外部设备组成 微型计算机的主体是主机 主机有主机箱 主 板 CPU 内存 硬盘 光驱 显卡适配器 简称显卡 网卡 电源等组成 外部设备一 般有显示其 键盘 鼠标 音响 打印机等组成 打印机 显示器 输出设备 鼠标 键盘 输入设备 主板 光盘存储器 闪存 硬盘 外存 内存 存储器 硬件设备 5 4 3 2 CPU 1 图 1 计算机硬件组成 1 微处理器 CPU 微处理器是将运算器 控制器 高速缓存集成在一起的超大规模集成电路芯片 集成电路 上所集成的电路数目 约每隔 18 个月便会增加一倍 性能也将提升一倍 换言之 每一美 元所能买到的电脑性能 将每隔 18 个月翻一倍 这就是著名的摩尔定律 从技术的角度看 随着硅片上线路密度的增加 其复杂性和差错率也将呈指数增长 同时 也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能 一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时 相当于只有几个分子的大小 这种情况下材料的物理 化学性能将发生质的变化 致使采 用现行工艺的半导体器件不能正常工作 摩尔定律也就要走到它的尽头了 今后处理器的发展方向将是研究如何提高处理器效能 并使得计算机用户能够充分利用多 任务处理 安全性 可靠性 可管理性和无线计算方面的优势 而使用多内核的处理器不 仅仅是通过提升处理器的频率来提升性能 更通过提升晶体管的性能来再次带动处理器性 能的提高 目前生产通用 cpu 的生产厂家主要由 Intel 公司 AMD 公司 IBM 公司和我国台湾的威盛 VIA 公司等 Intel 处理器型号经历了 8086 80286 80386 80486 从 80586 开始 Intel 公司将其命名为 Pentium 奔腾 目前 Intel 推出了 Intel 酷睿 i7 3960X 至尊版台式 机 CPU 其主频 3 3GHz 最大睿频 3 9GHz 核心数 六核心 制造工艺 32 纳米 CPU 的主要性能指标有 主频 字长 缓存 核心数量 制作工艺 内核电压等 2 存储器 1 内存 微机中的内存一般指随即存储器 RAM 内存是计算机中重要的部件之一 它是与 CPU 进行沟通的桥梁 计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的 因此内存的性能对计算 机的影响非常大 内存 Memory 也被称为内存储器 其作用是用于暂时存放 CPU 中的运 算数据 以及与硬盘等外部存储器交换的数据 只要计算机在运行中 CPU 就会把需要运 算的数据调到内存中进行运算 当运算完成后 CPU 再将结果传送出来 内存的运行也决定 了计算机的稳定运行 内存的特点是容量小 速度快 价格高 内存是由多个存储器芯片组成的内存条 如图所示是 DDR3 SDRAM 内存条 将其插入主板 中就可以与 CPU 一起运行 图 1 DDR3 内存条 目前常用的内存有 DDR SDRAM DDR2 SDRAM 和 DDR3 SDRAM 图 1 三代内存比较 2 外存 外存的特点是存储容量大 可靠性高 价格低 断电后可以永久地保存信息 常用的外部 存储器有硬盘 闪存 光盘 1 硬盘 硬盘 港台称之为硬碟 英文名 Hard Disk Drive 简称 HDD 全名 温彻斯特式硬盘 是 电脑主要的存储媒介之一 由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成 如图 1 所示 这 些碟片外覆盖有铁磁性材料 绝大多数硬盘都是固定硬盘 被永久性地密封固定在硬盘驱 动器中 硬盘分为固态硬盘 SSD 和机械硬盘 HDD SSD 采用闪存颗粒来存储 HDD 采用磁性碟片来存储 作为计算机系统的数据存储器 硬盘的容量以兆字节 MB MiB 或千兆字节 GB GiB 为 单位 1GB 1000MB 而 1GiB 1024MiB 但硬盘厂商通常使用的是 GB 也就是 1G 1000MB 而 Windows 系统 就依旧以 GB 字样来表示 GiB 单位 1024 换算的 因此我们在 BIOS 中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值要小 现在家用电脑的 硬盘都在 100GB 以上 甚至达到 TB 1TB 1024GB 转速是硬盘内电机主轴的旋转速度 也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数 转 速的快慢是标示硬盘档次的重要参数之一 它是决定硬盘内部传输率的关键因素之一 在 很大程度上直接影响到硬盘的速度 硬盘的转速越快 硬盘寻找文件的速度也就越快 相 对的硬盘的传输速度也就得到了提高 硬盘转速以每分钟多少转来表示 单位表示为 RPM RPM 是 Revolutions Per minute 的缩写 是转 每分钟 RPM 值越大 内部传输率就 越快 访问时间就越短 硬盘的整体性能也就越好 家用的普通硬盘的转速一般有 5400rpm 7200rpm 几种 图 1 硬盘 2 闪存 利用闪存 Flash Memory 技术达到存储电子信息的存储器成为主流的可移动外存 这种 存储器又称为 u 盘 由于容量大 体积小 速度快等优点受到广泛的欢迎 3 光盘 光盘就是利用激光技术进行存储信息的装置 用于计算机系统的光盘可分为只读光盘 一 次型写入光盘和可改写型光盘 3 主板 主板 又叫主机板 main board 系统板 system board 或母板 mother board 如图 1 所示 它安装在机箱内 是微机最基本的也是最重要的部件之一 主板一般为矩形电路板 上面 安装了组成计算机的主要电路系统 一般有 BIOS 芯片 I O 控制芯片 键盘和面板控制开 关接口 指示灯插接件 扩充插槽 主板及插卡的直流电源供电接插件等元件 CPU 内存 显卡 硬盘等器件通过主板连接起来 主板为各个器件提供传输信息的线路 在计算机主板中为各功能部件之间提供传输信息的公共通信线路成为总线 bus 图 1 主板 计算机的总线主要有 1 PCI 总线 PCI 是由 Intel 公司 1991 年推出的一种局部总线 从结构上看 PCI 是在 CPU 和原来的系统 总线之间插入的一级总线 具体由一个桥接电路实现对这一层的管理 并实现上下之间的 接口以协调数据的传送 管理器提供了信号缓冲 使之能支持 10 种外设 并能在高时钟频 率下保持高性能 它为声卡 网卡 MODEM 等设备提供了连接接口 它的工作频率为 33MHz 66MHz 2 AGP 总线 AGP 是加速图像接口 Accelerated Graphics Port 是英特尔推出的一种 3D 标准图像接口 随着多媒体计算机的普及 PCI 总线成为传输瓶颈 为了解决此问题 Intel 于 1996 年 7 月 推出了 AGP 这是显示卡专用的局部总线 它采用点对点通道方式 最大数据传输率 数 据宽带为 32 位 为 266MBps 是传统 PCI 总线带宽的 2 倍 AGP 还定义了一种 双激励的 传输技术 这样 AGP 实现了传输频率 133MHz