计算机基础知识

第一章 计算机基础知识,第一章 计算机基础知识,1.1 计算机的概述1.2 计算机与信息社会1.3 计算机中的常用数制1.4 计算机中的数据和编码1.5 数的表示方法,1.1 计算机概述,1.1.1、计算机的发展1.1.2、计算机的分代和分类 1.1.3、计算机的特点和新技术1.1.4、未来新型计算机,1.1 计算机概述,什么是计算机：人们从不同的角度对计算机提出多种描述：“计算机是一种可以自动进行信息处理的工具”；“计算机是一种能够自动地、精确地、高速地进行大量复杂的数值计算和信息处理的电子设备”；“计算机是一种能高速运算、具有内部存储能力、由程序控制其操作过程的电子装置”等。综合上面的描述，给出下面的定义：计算机是一种具备高速运算、信息存储与加工处理能的电子设备，在程序的控制下，能自动处理和存储信息。,1.1.1、计算机的发展,1.计算机的发展过程,1938年，J.阿诺索夫首先制成了电子计算机的运算部件。1943年，英国外交部通讯处制成了专门用于密码分析的“巨人”计算机。1946年2月世界上第一台全数字电子计算机问世，简称“埃尼亚克”（ENIAC，Electronic Numerical Integrator and Calculator）。由美国宾夕法尼亚大学研制成功。ENIAC用了18000多个电子管、1500多个继电器、耗电150KW、重量30吨、占地约150m2、每秒钟可进行5000次加法运算。虽然其运算速度远比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军。尽管体积庞大，功能有限，但它的诞生标志着电子计算机时代的到来，奠定了计算机发展的基础，开辟了计算机科学的新纪元。,图1-1 第一台电子计算机ENIAC（ Electronic Numerical Integrator and Calculator）（1946）,计算机发展史的再一次重大突破是由美籍匈牙利数学家冯诺依曼领导的设计小组完成的。他们提出了“存储程序原理”，并成功将其运用在计算机的设计之中。根据这一原理制造的计算机被称为冯诺依曼结构计算机，世界上第一台冯诺依曼式计算机是1949年5月由英国剑桥大学研制的“埃迪萨克”（EDSAC，Electronic Delay Storage Automatic Calculator）。存储程序原理：程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中，计算机启动后，能自动地按照程序指令的逻辑顺序逐条把指令从存储器中读出来，自动完成由程序所描述的处理工作。“存储程序原理”的提出是计算机发展史上的一个里程碑，也是计算机与其他计算工具的根本区别。,第一代计算机：电子管计算机时代(19461958) 器件：电子管 软件：机器语言、汇编语言 应用：科学计算 第二代计算机：晶体管计算机时代(19591964) 器件：晶体管 软件：高级语言 应用：数据处理、工业控制 第三代计算机：集成电路计算机时代(19651970) 器件：集成电路 软件：操作系统 应用：文字处理、图形处理 第四代计算机：大规模、超大规模集成电路计算机时代(1971至今) 器件：大规模集成电路 软件：数据库、网络等 应用：社会各领域 第五代计算机：智能化计算机（20世纪80年代以后，正在研制） 一种有知识，会学习，能推理的计算机，具有能理解自然语言，声音，文字和图像的能力，并且具有说话的能力，使人机能够用自然语言直接对话。 可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维，联想，推理，并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集，记忆，检索有关知识的能力。,1.1.2. 计算机分代和分类,1.计算机的分代,1.按处理数据方式的不同分类（1）电子模拟计算机（2）电子数字计算机（3）模拟数字混合计算机 2.按计算机性能分类 巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站和服务器等。 3.按适用范围分类（1）通用计算机（2）专用计算机 4.按用途划分（1）科学与过程计算计算机（2）工业控制计算机（3）数据计算机,2.计算机的分类,按照综合指标性能分类,1.1.3、计算机的主要特点和新技术,具有自动控制能力具有高速运算能力具有很强的记忆能力有很高的计算精度 具有逻辑判断能力通用性强,1.计算机的主要特点,嵌入式技术网格计算中间件技术,2.计算机的新技术,1.2 信息技术概述,1.2.1 信息技术基础知识1.2.2 现代信息技术的内容 1.2.3 现代信息技术的特点1.2.4 计算机在信息社会中的应用,1.2.1 现代信息技术基础知识,1.数据 人们要处理的客观事物的表示；客观事物属性的表示，信息的载体。 数据是指能够存储在计算机中并为计算机处理的符号的总称。 2.信息 信息是对客观世界中各种事物的变化的特征的反映。 特征：可扩充性、可传递性、可共享性、可处理性、时效性等。 两者的区别： 信息是经过处理的、有用的数据。 数据是客观事物属性的表示，是未经处理的基本素材。,3.信息处理 使用计算机对数据进行处理的过程，包括数据的采集、输入、输出、存储、编辑、统计、输出等。4.信息系统 完成对数据一系列处理的系统。 人事管理系统、宾馆信息管理系统等5.信息技术（Information Technology，IT） 涉及计算机技术、微电子技术、软件技术、传感技术等； 以微电子技术为基础，以计算机和通信技术为标志，渗透到各种传统技术中，并形成了多种边缘学科。 物质、能源、信息成为人类社会的3个基本要素。,1.2.2 现代信息技术的内容,1）信息基础技术信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术；微电子技术、光电子技术2）信息系统技术有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术信息获取技术信息处理技术信息传输技术信息控制技术信息存储技术3）信息应用技术信息技术开发的根本目的所在如：信息管理、信息控制、信息决策等,1.2.3 信息技术的研究热点和发展方向,研究热点以纳米为代表的新型材料技术以基因为代表的生命科学和生物技术以Internet为代表的通信网络技术以机器人和机器动物为代表的人工智能技术以宇宙飞船和空间站为代表的太空探测技术等等发展方向数字化多媒体化高速度、网络化、宽频带智能化,1.3 计算机中的常用数制,1.3.1 进位计数制及其特点1.3.2 不同数制之间的转换1.3.3 计算机中数据的存储单位1.3.4 数据在计算机中的表示1.3.5 字符在计算机中的表示1.3.6 汉字在计算机中的表示,数据在计算机中的表示,数值,十二进制转换,西文,ASCII码,汉字,输入码机内码转换,声音、图像,模数转换,二十进制转换,西文字形码,汉字字形码,数模转换,内存,输入设备,输出设备,数值,西文,汉字,声音、图像,1.3.1 进位计数制,进位计数制,按进位的方法进行计数。,数位：数码在一个数中所处的位置。 基数：每个数位上所能使用的数码的个数。 位权：多位数中处在某一位上的“1”所表示 的数值的大小，称为该位的位权。,十进制：基数是十 二进制：基数是二八进制：基数是八十六进制：基数是十六,1.3.1 进位计数制,二进制数每一位的位权,1.3.1 进位计数制,任意N进制数表示为：,678.34=6102+7 101+8 100+3 10-1+4 10-2,例：,基数,数码,权,N=an-1Nn-1an-2Nn-2a0N0a-1N-1a-mN-m,按权展开式,常用计数制：二进制、八进制、十六进制 不同进制数的基本特点： 组成：0 1 (2 3 4 5 6 7 (8 9 (A B C D E F) 进位基数：N（是几进制就是几） 加减运算规则：逢N进一，借一当N两种表示方法：脚标： (100.11)2 (11.37)8 (4F.B6)16字母： 100.11B 11.37O 4F.B6H,1.3.1 进位计数制,1.3.2 不同进位制之间的转换,1非十进制数转换为十进制数方法：把各个非十进制数按权展开求和,例：(101.101)2=122+021+ 120+12-1+02-2+12-3 =5.625(101.1)8=182+081+ 180 +18-1 =72.125(101.1)10=1102+0101+ 1100 +110-1 (101.1)16=1162+0161+ 1160 +116-1 =272.0625,1.3.2 不同进位制之间的转换,2十进制数转换为非十进制数 整数部分：除N取余，且除到商为0为止；小数部分：乘N取整，乘到小数部分为0为止; 乘不尽时，到满足精度为止。 （其中N为要转换的进制基数）,123,61,30,15,7,3,1,1,1,1,1,1,0,2,2,2,2,2,2,2,1,0,高,低,0.45,0.90,1.80,1.60,1.20,例： (123.45)10 =( ？ )2,1111011.0111,余数,例：(423.45)8 =( ？)2100010011.100101,3非十进制数之间的转换,1.3.2 不同进位制之间的转换,例：(1000001101.001111)2 =( ？)8 1015.17,例：(ABCD.EF)16 =( ？)2,1010101111001101.11101111,1.3.2 不同进位制之间的转换,154.B8,例：(101010100.10111)2 =( ？)16,不同进制数的对应关系,1.3.3 二进制与计算机,为什么在计算机中使用二进制数,1、技术操作可行2、运算规则简单3、机器可靠性高4、易于逻辑运算,1.3.4 二进制的算术运算与逻辑运算,二进制数的运算规则,二进制数的运算规则,二进制数的运算规则,二进制数的逻辑规则,0,1,见举例学习,1.4 计算机中的数据和编码,1.4.1 什么是数据和数据单位1.4.2 常用数据编码1.4.3 汉字编码,1.4.1 什么是数据和数据单位,1、数据和信息的基本概念再述信息是人们由客观事物得到的、使人们能够认知客观事物的各种消息、情报、数字、信号、图形、图像、语音等所包括的内容。数据是客观事物的属性的表示，可是数值数据和各种非数值数据信息与数据既有联系又有区别，数据是人们为了反映客观事物而记录下来的可以识别的符号；信息则是对数据进行提炼、加工的结果，是对数据赋予一定意义的解释信息不随承载它的实体形式的改变而变化；数据则不然，随着载体的不同，数据的表现形式可以不同。,2、数据单位,计算机内存：计算机存储程序和数据的部件几个数据存储单位：,7 6 5 4 3 2 1 0,1KB = 1024B = 210B1MB = 1024KB = 220B1GB = 1024MB = 230B1TB = 1024GB = 240B1PB = 1024TB = 250B,二进制数中的一位0或1。,8个二进制位 。计算机存储数据的基本单位。,字（Word）：计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的 二进制数字串。（一个字由若干个字节组成）,数据存储的最小单位：位（bit）数据存储的最基本单位：字节（Byte）计算机处理数据的基本单位：字（word）,1.4 计算机中的数据和编码,1.4.1 什么是数据和数据单位1.4.2 常用数据编码1.4.3 汉字编码,1、数值编码：BCD码（又称8421码） 四位二进制数可以表示16个不同的数，现在只需要取其中的10个数，因此有6个数是不用的，到底取哪10个数，有很多方案，也就是说有很多种BCD码，其中最常用的是8421码。它是基本的BCD码，如不特殊声明，通常所说的BCD码就是8421码，取16个数的前10个数，每位的位权值分别为8、4、2、1。这样每四位二进制数就对应了一位十进制数。如： 73的BCD码为： 0111 0011 3908的BCD码为：0011 1001 0000 1000,1.4.2 常用数据编码,西文字符： 拉丁字母、数字、标点符号和一些特殊符号,广泛使用的西文字符编码： ASCII码 即美国标准信息交换代码：American Standard Code for Information Interchange,2、ASCII编码,1.4.2 常用数据编码,基本ASCII码,可表示128个常用字符，从0到127。包括： 34个控制字符；52个英文字母；10个数字； 32个字符和运算符。 例如：“a”字符的编码为1100001，对应的十进制数是97；,空格 20H32 09 30H39H 4857 AZ 41H5AH 6590 az 61H7AH 97122,7位ASCII码表,1.4 计算机中的数据和编码,1.4.1 什么是数据和数据单位1.4.2 常用数据编码1.4.3 汉字编码,数字类 电报码、区位码等。字音类 全拼、双拼、微软拼音、自然码和智能ABC等。字形类 五笔字型法、郑码输入法等 。音形类 吸取了字音和字形编码优点，自然码、钱码,1.4.3 汉字编码,输入码,国标码,字形码,机内码,地址码,汉字输出,汉字输入,汉字存储,1.4.3 汉字编码,每个汉字占两个字节。 一级汉字：3755个；二级汉字：3008个。 汉字分区，每个区94个汉字。 区位码不同于国标码。 在区号和位号之上各加上32(20H)后得到的二进制代码，就是该字 符的国标码。,汉字存储码。 汉字采用两个字节的编码，其中两个字节的最高位均为1。,汉字 国标码 汉字内码中 8680(01010110 01010000)B (11010110 11010000)B 华 5942(00111011 00101010)B (10111011 10101010)B,1.4.3 汉字编码,每个汉字字形码在汉字字库中的相对位移地址 地址码和机内码要有简明的对应转换关系,点阵：汉字字形点阵的代码 1616、2424、3232、4848 优点：编码、存储方式简单、 无需转换直接输出 缺点：放大后产生的效果差 矢量：存储的是描述汉字字形的 轮廓特征,GBK：汉字扩充编码，能支持两万多汉字。Unicode编码 针对各国文字、符号进行统一性编码。用两字节表示的全编码，对于ASCII字符它也使用两字节表示。BIG5码台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准，包括440个符号，一级汉字5401个、二级汉字7652个，共计13060个汉字。,1.4.3 汉字编码,1.5.1 数的小数方式表示,符号位 “0”表示正 、 “1”表示负,有符号数的机器数表示,无符号位,定点数表示,浮点数表示,小数点,(110.011)2=1.100112+10=11001.12-10=0.1100112+11,N= 数符尾数2阶符阶码,规格化的形式：0.1尾数的绝对值1唯一规定了小数点的位置。,1.5.1 数的表示方法,浮点数表示,尾数的位数决定数的精度,阶码的位数决定数的范围,1.5.2 带符号数的表示,什么是真值？ 人们在日常生活中约定俗成用正负号表示的十进制数，也就是我们写在纸上的数字 什么是机器数？ 一根电线用来表示正负号，只能是用有电或没电来表示。不象我们在纸上写数字的时候，有一个专门表示正负的“+、-”号，使我们非常从1、2、3这些数字中区分开来。而计算机中只能用电信号即表示数字又表示正负,1.5.2 带符号数的表示,因为带符号数本质上就是将最高位的电信号不当作数字内容而当作正负号内容，而每一内存单元或寄存器单元都是有固定的bit位数的，所以符号位就占了一位，表数的范围就有了变化。一、原码表示法二、补码表示法三、反码表示法,最高位表示正负号,1、原码表示法,原码表示法原码表示规定机器数的最高位为符号位,0表示整数,1表示负数,数值部分在符号位后面,并以绝对值形式给出。,原码表示是一种简单,直观的机器数表示方法,其表示形式与真值形式最为接近.,例：以八位二进制表示为讨论基础 十进制 +1 -1 +77 -25二进制 （00000001） B （-0000001）B （+1001101）B （-0011001）B（真值） 原码 （00000001） B （10000001）B （01001101）B （10011001）B,原 码 中 0 的 表 示 据定义式可知,在原码表示中,真值0有两种不同的表示形式,既 +0 和 -0 . 纯小数 +0 和 -0 的原码表示: +0原= 0.00.0-0原 = 1.00.0 纯整数 +0 和 -0 的原码表示: +0原= 00.0 -0原 = 100.0,2、反码表示法,反码表示法最高位为符号位,0表示整数,1表示负数，对于规定机器数的数值部分在符号位后面；若某数为正，则数值部分就是它本身；否则，数值部分逐位取反所得数。,例：以