第一章 计算机基础知识

1 第1章计算机的基础知识 2 1 1计算机概述 3 现代计算机体系结构冯 诺依曼机 程序控制 存储程序 五十多年来 计算机系统基本结构没有变 1 1 1计算机发展史上的两个重要人物 4 1 1 2电子计算机的问世 1946年2月由宾州大学研制成功的ENIAC电子计算机时代的到来 ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 电子数字积分计算机 重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦18000个电子管保存80个字节 5 1 2计算机的分类 按应用的工作原理分两类 模拟电子计算机 用连续的量来表示数值 数字电子计算机 以数字来表示数量的大小 按位运算 是用离散量进行计算 6 按使用范围分类 1 通用计算机能适用于一般科学计算 学术研究 工程设计和数据处理等广泛用途的计算 通常所说的计算机均指通用计算机 2 专用计算机这是为适应某种特殊应用而设计的计算机 其运行程序不变 效率较高 速度较快 精度较好 但不宜作它用 如飞机的自动驾驶仪 坦克上的火控系统中用的计算机 都属专用计算机 1 2计算机的分类 7 依其本身性能分类 这是最常用的分类方法 所依据的性能主要包括 字长 存储容量 运算速度 外部设备 允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高低等 IEEE1989年提出的分类报告将数字计算机分成 超级计算机 大型计算机 小巨型计算机 小型计算机 工作站和微型计算机六类 1 2计算机的分类 8 1 巨型计算机 Supercomputer 超级计算机又称巨型机 它是目前功能最强 价格最贵的计算机 一般用于解决诸如气象 太空 能源 医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算 它们安装在国家高级研究机构中 可供几百个用户同时使用 这种机器价格昂贵 号称国家级资源 世界上只有少数几个国家能生产这种机器 如美国克雷公司生产的Cray 1 Cray 2和Cray 3都是著名的巨型机 我国自主生产的银河 III型百亿次机 曙光 2000型机和 神威 千亿次机都属于巨型机 巨型机的研制开发是一个国家综合国力和国防实力的体现 1 2计算机的分类 9 2 大型计算机 Mainframe 这种机器也有很高的运算速度和很大的存储容量 并允许相当多的用户同时使用 当然在量级上都不及超级计算机 价格也相对比巨型机便宜 大型机通常就像一个家族一样形成系列 如IBM4300系列 IBM9000系列等 这类机器通常用于大型企业 商业管理或大型数据库管理系统中 也可用作大型计算机网络中的主机 1 2计算机的分类 10 3 小巨型计算机 MiniSupercomputer 其性能与巨型机相同 但使用了更加先进的大规模集成电路与制造技术 因而体积小 成本低 甚至可以做成桌面机形式 放在用户的办公桌上 便于巨型机的推广使用 1 2计算机的分类 11 4 小型计算机 Minicomputer 其规模比大型机要小 但仍能支持几十个用户同时使用 这类机器价格便宜 适合于中小型事业单位使用 像DEC公司生产的VAX系列 IBM公司生产的AS 400系列都是典型的小型机 1 2计算机的分类 12 5 工作站 Workstation 它与功能较强的高档微机之间的差别不十分明显 通常 它比微型机有较大的存储容量和较快的运算速度 而且配备大屏幕显示器 主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域 不过 随着计算机技术的发展 包括前几类机在内 各类机之间的差别有时也不再是那么明显了 比如 现在高档微机的内存容量比前几年小型机甚至大型机的内存容量还大得多 1 2计算机的分类 13 6 微型计算机 Microcomputer 其最主要的特点是小巧 灵活 便宜 不过通常一次只能供一个用户使用 所以微型计算机也叫个人计算机 PersonalComputer 近几年又出现了体积更小的微机 如笔记本 膝上型 掌上型微机等 微型计算机还可以按字长分为 8位机 16位机和64位机 按结构分为 单片机 单板机 多芯片机和多板机 按CPU芯片分为 286机 386机 486机 Pentium机 PII PIII和PIV机等 1 2计算机的分类 14 1 3 1计算机的分代 1 3计算机的发展概况 15 1 3 2微型计算机的发展历史 1 第一代微处理器1972年 Intel公司又研制成功8位微处理器Intel8008 它主要采用工艺简单 速度较低的P沟道MOS电路 这就是人们通常称作的第一代微处理器 由它装备起来的微型计算机称为第一代微型机 16 1 3 2微型计算机的发展历史 2 第二代微处理器1973年 出现了采用速度较快的N通道MOS技术的8位微处理器 这就是第二代微处理器 具有代表性的产品有Intel公司的Intel8085 Motorola公司的M6800 Zilog公司的Z80等 第二代微处理器的功能比第一代显著增强 以它为核心的微型机及其外围设备也得到相应的发展并进入盛期 由它装备起来的微型计算机称为第二代微型机 17 1 3 2微型计算机的发展历史 3 第三代微处理器1978年 16位微处理器的出现 标志着微处理器进入第三代 首先开发成功16位微处理器的是Intel公司 由于它采用了H MOS新工艺 使新的微处理器Intel8086比二代的Intel8085在性能上又提高了将近十倍 类似的16位微处理器还有Z8000 M6800等 由第三代微处理器装备起来的微型计算机称第三代微型计算机 第三代微处理器Intel8086CPU内部图 18 1 3 2微型计算机的发展历史 4 第四代微处理器1981年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世 标志着第四代微处理器的诞生 如Intel公司的Intel80386 Zilog公司的Z80000 惠普公司的HP 32 NS 16032等 新型的微型机系统完全可以与20世纪70年代大中型计算机相匹敌 用第四代微处理器装备起来的微型计算机称为第四代微型机 1993年 Intel公司推出32位微处理器芯片Pentium 它的外部数据总线为64位 工作频率为66MHz 200MHz 以后的PentiumPro PentiumMMX PentiumCPU都是更先进的32位高档微处理器 第四代微处理器Intel80386CPU内部图 19 1 3 3计算机的发展方向 目前计算机的发展是向着五个方向 巨型化微型化多媒体化网络化智能化 20 未来的新型计算机 1 光计算机 利用光作为信息的传输媒体 2 生物计算机 分子计算机 生物计算机在20世纪80年代中期开始研制 其最大的特点是采用了生物芯片 3 量子计算机 是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机 这种多现实态是量子力学的标志 1 3 3计算机的发展方向 21 1 4计算机的特点 运算速度快计算精度高具有记忆和逻辑判断能力具有自动控制能力 22 1 5计算机在信息社会中的应用 计算机无所不在 23 1 6计算机中信息的表示 24 进位计数制 是一种计数的规则 进位计数制计数的特点是一个数字符号在数字串的不同位置 所代表的数的值是不同的 数字串所表示的数值由位权和数符共同来决定 位权 数字串的位置本身所具有的数量级别称为位权 一个数字处于不同的位置 由于位权不同 这个数符就表示了不同的数值 数符个数是由 N进制 的 N 决定 例如 十进制数的位权是十的幂 即10i i 0 1 2 n 十进制的数符为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9二进制数的位权是二的幂 即2i i 0 1 2 n 二进制的数符为0 1 1 6 1进位计数制概念 25 基数为N的计数制 它包括N个数码 在计数时遵循 逢N进一 任一个N进制的数S可看作下列多项式的缩写 S anNn a0 b1N 1 bmN m其中 ai和bj可以是0 1 N 1中的任一数码 它是由数字串S决定的 例 428 37 4 102 2 101 8 100 3 10 1 7 10 2 1 6 1进位计数制概念 26 二进制表示 基数为二 数符为0和1 数位间进位是 逢2进1 如 10100111 1 6 1进位计数制概念 27 数的八进制表示 把一段二进制数字串从小数点开始 分别向左 向右每三位划为一段 用一个新数符来表示该段的数值 即八进制数 octal 八进制数有八个数码 0 1 2 3 4 5 6 7八进制数基数是8 数位间进位是 逢8进1 八进制数在数串后跟一个 O 加以标识 例 457 8表示成 457O 1 6 1进位计数制概念 28 数的十六进制表示 把一段二进制数字串从小数点开始 分别向左 向右每四位划为一段 用一个新数符来表示该段的数值 即十六进制数 Hexadecimal 十六进制数有十六个数码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F十六进制数基数是16 数位间进位是 逢16进1 十六进制数在数串后跟一个 H 加以标识 如果十六进制数串第一个数码是 A F 等字母的话 则在数串前加 0 以避免和字符串相混淆 例 A457B 16表示成 0A457BH 1 6 1进位计数制概念 29 不同数制数的表示小结 在数字后加字母B表示二进制数 加字母O表示八进制数 加字母D表示十进制数 加字母H表示十六进制数 1 6 1进位计数制概念 30 1 6 2二进制运算规则 1 算术运算规则二进制加法法则为 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 10二进制乘法法则为 0 0 0 0 1 l 0 0 1 1 1 31 1 6 2二进制运算规则 例 加法 11010100减法 11010100 10001101 100011011011000011000111乘法 1101除法 101 1011011 1101111101 1011000010111101 101110000010 32 1 6 2二进制运算规则 2 基本逻辑运算规则逻辑运算中的 1 和 0 称作逻辑变量 它不表示数量的大小 只表达研究对象的两种可能的逻辑状态 例如 是 与 非 有 与 无 真 与 假 33 1 6 2二进制运算规则 2 基本逻辑运算规则 1 逻辑加法又称或运算 用符号 或 表示 运算规则是 有1得1 0 0 0 l 0 0 1 1 1 1 l 2 逻辑乘法又称与运算 用符号 或 表示 运算规则是 全1得1 0 0 0 l 0 0 1 0 1 1 1 34 1 6 2二进制运算规则 3 逻辑否又称非运算 是一种单目运算 运算规则是 0变成1 1变成0 0 l 1 0 35 1 6 3二进制的特点 二进制具有以下优点 第一 二进制数在计算机中的表示易于用器件实现 第二 二进制的四则运算法则比较简单 第三 二进制数与十进制数易于相互转换 第四 计算机的逻辑设计方便 二进制表示的缺点 书写较长且不直观 使用麻烦 36 任意进制数转化为十进制 任意进制数转化为十进制数只要写出该进制数的按权展开式 进行乘法和加法运算 得出结果即可 1 6 4不同数制数间的转换 37 十进制数转化为任意进制数 将十进制数转化为任意进制数需对整数部分和小数部分分别进行转化 采用 除基数取余法 即用基数多次除被转换的十进制数 直到商为0 每次相除所得的余数 按逆序排列便是对应的进制数 小数部分的转换采用 乘基数取整法 即用基数多次乘被转换的十进制数的小数部分 每次相乘后 所得乘积的整数部分按正序排列就是对应的二进制数 1 6 4不同数制数间的转换 38 十进制化成二进制举例 185 10 2 185 10 10111001 2 39 十进制化成二进制举例 0 8125 10 2 0 8125 10 0 1101 2 整数 40 十进制化成八进制举例 185 10 8 185 10 271 8 41 十进制化成十六进制举例 3981 10 16 3981 10 F8D 16 42 二进制数转化为八进制数 二进制数转换成八进制数 概括为 三位合一 即 以小数点为基准 整数部分从右至左 小数部分从左至右 每三位一组 不足三位时 整数部分在高端补齐 小数部分在低端补齐 然后 把每一组二进制数用一位相应的八进制数表示 小数点位置不变 即得到八进制数 1 6 4不同数制数间的转换 43 举例 44 八进制数转化为二进制数 八进制数转换成二进制数 概括为 一位拆三位 即把一位八进制数写成对应的三位二进制数 然后按权连接即可 1 6 4不同数制数间的转换 45 二进制数转化为十六进制数 二进制数转换成十六进制数 概括为 四位合一 即 以小数点为基准 整数部分从右至左 小数部分从左至右 每四位一组 不足四位时 整数部分在高端补齐 小数部分在低端补齐 然后 把每一组二进制数用一位相应的十六进制数表示 小数点位置不变 即得到十六进制数 1 6 4不同数制数间的转换 46 举例 47 十六进制数转化为二进制数 十六进制数转换成二进制数 概括为 一位拆四位 即把一位十六进制数写成对应的四位二进制数 然后按权连接即可 1 6 4不同数制数间的转换 48 1 7常见的信息编码标准 49 1 7 1BCD码 利用若干个二进制数码来表示一位十进制数的方法 统称为十进制数的二进制编码 也称BCD码 BinaryCodedDecimal 8421编码 用4位二进制数来表示一个十进制数 一个四位二进制数的位权从左到右分别是8 4 2 1 这也是8421编码名称的由来 例 十进制数1985的8421编码 1985D 0001100110000101BCD 50 计算机中关于字母 数字 标点等字符的编码 采用美国国家信息交换标准代码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 简称ASCII码 我国电子工业部部标字符编码与此基本相同 ASCII码共编制128个字符 包括四大部分 通讯控制码部分 运算和标点符号部分 数字字符部分 大小写英文字母部分 1 7 2ASCII码 51 ASCII代码字符表 52 1 7 3汉字编码 汉字输入码汉字国标码汉字内码汉字字形码 53 汉字输入码 汉字输入码是用来完成汉字的输入的汉字编码 也称之为汉字的外码 一般汉字输入码可分为以下四类 数字编码语音编码 如全拼码 简拼码 双拼码等 字形编码 如五笔字型 大众码 仓吉码等 其它编码 54 区位码收集了6763个汉字 用数字分两级来表示 区位码的优点 无重码每个编码的长度都一样 由于是数字编码 所以与内部存储编码之间的转换比较容易 缺点 数量太大 规律性小 难以记忆 使用不方便 1 数字编码 55 语音编码是基于汉语拼音的编码 可以用西文字母表示 输入时会产生重码现象 最大的优点是无需记忆 速度较慢 对不熟悉汉语拼音者很难使用 2 语音编码 56 字形编码的基础是汉字的形状 每一个汉字都是由有数的几种笔划组成 如横 一 竖 丨 撇 丿 捺 折 乙 为基本的五种 同时又考虑字型有左右型 明 上下型 吕 包围型 园 单体型 乙 等四种 将笔划与字型都拟定其代码 3 字形编码 57 音形码 如自然码 首尾码等 为了加快输入速度 在各种输入法中又附加词组输入 智能联想等多种有效的辅助方法 以实现输入快速 简便 易于掌握的目标 目前更先进的输入方式 如语音输入 手写输入 光学字符阅读 OCR 等技术都已经发展成熟且获得广泛的应用 4 其它编码 58 汉字国标码 1981年国家标准总局颁布了GB2312 80 通讯用汉字字符集 基本集 及其交换标准 通称标准码或交换码 在此标准中 收录了7445个汉字和符号 其中汉字6763个 一级汉字3755个 二级汉字3008个 所有汉字字符共分为94个区 01 94区 每个区分为94个位 01 94位 汉字所在的区号和位号共同组合成该汉字的区位码 即标准码 或称交换码 1993年国家新标准GB13000 采用国际 通用多八位字符集 标准 简称UCS 它使全世界的文字编码得以统一 是一种4字节编码 目前最新标准是GB18030 59 汉字的内码 计算机处理信息时所用的汉字编码 也称为内码 汉字的内码用两个字节来保存 前一字节保存高位内码 后一字节保存低位内码 机内码与交换码有以下换算关系 高位内码 A0H 区码 160D 区码低位内码 A0H 位码 160D 位码 60 汉字的字形码 字形码是描绘汉字的形状 相当于的是一个汉字的照片 字形码有显示字形码和打印字形码两种 根据输出的去向将汉字输出在显示器上或打印机上 字形码是指字形的点阵信息的数字代码 存放在汉字库中 61 汉字的字形编码 62 汉字的字形编码 63 1 8计算机的基本结构 冯 诺依曼Von Neumann 1903