计算机应用基础第一章计算机基础知识

第一章计算机基础知识,主要内容计算机的基本常识概念、常用术语计算机系统组成（硬件系统和软件系统）计算机中数值和信息的处理方法,第一章计算机基础知识,重点与难点计算机的基本组成及工作原理数制和码制汉字信息处理,第一节概述,内容提要计算机发展历史计算机主要特点及其应用领域计算机的基本组成、冯.诺伊曼原理,第一节概述,一、计算机发展历史和分类1、产生：世界上第一台可由程序控制的计算机称为电子数字积分器和计算器（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）简称为ENIAC（埃尼亚克）。1943年由美国陆军部提出，宾夕法尼亚大学于1946年研制成功，用于军事项目的研究。,第一节概述,【ENIAC性能指标】字长为12位（十进制）使用了18,800多个电子管1,500多个电子继电器功耗150KW占地面积165M2，重量30吨，每秒钟完成5,000次加法运算。,第一节概述,2、发展：根据计算机采用的主要物理器件的发展，把计算机的发展分成四个阶段，习惯上称为四代：第一代：电子管时代（46年-50年代后期）【特点】主要采用电子管作为基本器件采用机器语言和汇编语言编制程序无软件的概念主要用于科学计算,第一节概述,第二代：晶体管时代（50年代中期-60年代后期）【特点】主要采用晶体管作为基本器件，提高了速度和可靠性，体积、功耗、价格降低采用高级语言编写程序应用扩展到数据处理和工业控制等领域。,第一节概述,第三代：集成电路时代（60年代中期-70年代前期）【特点】主要采用集成电路作为基本器件，体积、功耗、价格进一步降低，而速度和可靠性相应提高，应用范围进一步扩大；第四代：大规模、超大规模集成电路时代（70年代初至今）,第一节概述,【特点】计算机的核心部件采用大规模集成电路（LSI-LargeScaleIntegrator）和超大规模集成电路（VLSI）70年代末产生了一个人电脑（PC-PersonalComputer）为代表的微型计算机，从而掀起了计算机大普及的浪潮。,第一至第四代计算机的主要特征,第一节概述,3、分类：按照处理数据的方式分：模拟式和数字式计算机数字式计算机：由数字逻辑电路组成的算术逻辑运算部件对数字量进行算术逻辑运算计算机。模拟式计算机：由运算放大器构成的微分器、积分器、函数运算器等运算部件对模拟量进行运算处理的计算机。,第一节概述,按照使用范围分类：通用计算机和专用计算机通用计算机：能解决多种类型问题，具有较强的通用性。专用计算机：为解决特定问题而专门设计的计算机。按照规模大小分类：,第一节概述,根据国际上通用的分类方法，一般把计算机分为6类：大/中型机（通用机）巨型机小巨型机小型机微型机工作站（工程工作站）,第一节概述,二、计算机的特点和应用领域1、特点：（1）计算速度高（2）计算精度高（3）具有“记忆”和逻辑判断功能（4）可自动运行和高度灵活性2、应用领域：（1）科学计算：科学计算的特点是计算量大，数值变化范围大。,第一节概述,【如】导弹飞行轨道计算，宇宙飞船运动轨迹和气动干扰计算，天文测量和天气预报方程计算，石油勘探和桥梁设计。（2）数据处理（事务处理、信息处理）：【特点】输入/输出数据量大计算相对简单的特点对安全性和可靠性有特殊要求,第一节概述,【如】财务管理，银行储蓄系统，商业系统的计划、销售、市场、采购和库存管理等。（3）计算机控制（实时控制、过程控制）：在现代化工厂里，计算机普遍用于控制生产过程的自动化；【特点】对用于控制的计算机速度要求不高但对可靠性要求很高。,第一节概述,（4）计算机辅助设计/辅助制造/辅助教学（CADComputerAidedDesign/CAMComputerAidedManufacturing/CAIComputerAidedInstruction）（5）人工智能（AIArtificialIntelligence）用计算机模拟人类脑力劳动的过程，称为人工智能。,第一节概述,【如】利用计算机进行数学定理的证明、逻辑推理理解自然语言、辅助疾病诊断、实现人机对弈、密码密码破译等。6计算机模拟（ComputerSimulation）用计算机程序代替实物模型来做模拟实验。,第一节概述,三、计算机系统的基本组成：计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。1、硬件系统：硬件系统是指计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体,它是计算机实现其功能的物质基础。硬件是看得见、摸得着的设备,计算机系统的组成,第一节概述,自1946年，世界上第一台计算机问世至今到现在，世界上各类计算机的基本结构都是建立在冯.诺依曼（VonNeumann）型计算机模型基础上的。1）冯.诺依曼（VonNeumann）原理计算机的基本工作原理是程序存储和程序控制。该原理最初是由匈牙利裔美籍数学家冯诺依曼于1945年提出来的，故称为冯诺依曼原理。,第一节概述,冯诺依曼计算机基本特点如下：采用存储程序方式。计算机完成某项工作，必须事先编制程序，规定计算机必须做哪些事，按什么步骤去做，并向计算机提供所要处理的原始数据。【指令】要求计算机完成一次基本操作的命令称为指令。【程序】把一组有序指令的集合称为程序。程序和数据以二进制形式放在同一个存储器,第一节概述,中，两者没有区别。指令同数据一样可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改。存储器是按地址访问的、线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。指令由操作码和地址码组成。通过指令的执行，控制系统（控制器）发出控制信号直接控制计算机的操作和运行。,0000H0001H0002HFFFFH,存储体结构图,存储位,存储单元（字节）,存储体,第一节概述,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经过运算器。数据以二进制表示。运算器：运算器是对信息进行加工处理的部件。它在控制器的控制下与内存交换信息，负责进行各类基本的算术运算和与、或、非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。此外，在运算器中还含有能暂时存放数据或结果的寄存器。,第一节概述,控制器：控制器是整个计算机的指挥中心。它负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确保系统自动运行控制器和运算器一起组成了计算机的核心-中央处理器，即CPU（CentralProcessingUnit）。通常把控制器、运算器和主存储器一起称为主机，而其余的输入、输出设备和辅助存储器称为外部设备。,第一节概述,【例】计算机完成一次加法运算。1、控制器取出程序中的一条指令，识别出这是一条加法指令，于是它发出如下控制命令序列到各部件中去：2、向内存发出取数命令，按指令所指出的地址取出加数;3、把取出的加数送到运算器中，和原来已取出来暂存在运算器中的被加数相加;4、向内存发出存数命令，并送去准备存数的地址，把结果存到内存中指定的单元。,第一节概述,2）计算机的硬件结构计算机硬件系统由电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，是计算机系统的物质基础。计算机硬件通常由四部分组成：输入设备/输出设备存储器运算器和控制器。总线这四部分之间的联结结构如下页图，称为冯诺依曼机组成结构图。,控制器,输入设备,控制流(控制总线),数据流(数据总线),请求/反馈流（控制总线）,存储器,运算器,输出设备,冯诺依曼机组成结构图,第一节概述,输入设备将各种信息输入给计算机的装置。如：键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。输出设备将计算机处理后的信息以各种形式提供给用户的装置。如：显示器、打印机、绘图仪等存储器存储器是计算机的记忆装置。为了对存储的信息进行管理，把存储器划分成单元，每个单元的编号称为该单元的地址。,第一节概述,存储器内的信息是按地址存取的。向存储器内存入信息也称为“写入”。从存储器里取出信息，也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存储的内容。计算机的存储器可分为主存储器和辅助存储器两种，通常分别简称为主存(内存)和辅存。运算器运算器是完成运算的部件。控制器控制器是控制整个计算机系统自动、协调运行的部件。,第一节概述,3）计算机的性能指标字长字长是衡量计算机性能的一项重要指标。所谓计算机的字长是指计算机一次能处理的二进制数据的最大位数。主频（主机频率）计算机的中央处理机对每条指令的执行是通过若干个微操作来完成的。这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”的，时钟周期的倒数称为主频。,第一节概述,运算速度计算机的运算速度是衡量计算机水平的一项主要指标，它取决于指令执行时间。目前常用单位时间内执行多少条指令来表示，即MIPS.内存容量存储器的容量反映计算机记忆信息的多少。它常以字节为单位表示。一个字节为八个二进制位，即1Byte=8bit。1KB=1024B（Kkilo）1MB=10241KB=10242B（Mmega）,第一节概述,1GB=10241MB=10243B（Ggiga吉）1TB10241GB10244B（Ttera太）输入输出设备的速度主机与外部设备之间交换数据的速率也是影响计算机系统工作速度的重要因素。由于各种外部设备本身工作的速度不同，常用主机所能支持的数据输入输出最大速率来表示。,第一节概述,2、软件系统软件是指用来指挥计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料的总称。（1）功能提高机器的使用效率，扩大计算机的功能和用途，方便用户使用计算机。（2）分类系统软件和应用软件,第一节概述,（3）系统软件一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件。系统软件主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益。【特点】通用性：即无论哪个应用领域的计算机用户都要用到它们；基础性：即包括应用软件在内的其他软件必须在系统软件支持下编写和运行。,第一节概述,操作系统语言处理系统数据库管理系统软件工具（4）应用软件应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件。（具体细节在第三节介绍）,第二节数制和数据编码,内容提要进位计数制计算机中常用数制间的互相转换原码、反码和补码数据的编码,数据和信息,1、数据：数据是计算机能够识别并处理的，代表外界事物的某种属性或特征的符号的集合。2、信息：信息是外界客观事物在人们头脑中的反映，是对事物的抽象。3、数据处理：是指对数据的采集、整理、存储、加工、分类、检索、传播等过程的通称。,第二节数制和数据编码,进位计数制，简称数制，是人们利用符号来计数的科学方法，在计算机中常用的有十进制、二进制、八进制和十六进制。一、数制的基与权某种数制所使用的数码个数称为进位基数，简称基；数制的每一位所具有的值称为位权值，简称权。,【问题】计算机中为什么采用二进制？,常用计数制的基数和数字符号,第二节数制和数据编码,【例】用十进制表示数值，所用到的数码个数是10个（09），基为10；各位的权为以10为底的幂523791105104103102101100523791510521043103710291011100简称各个位为0权位、1权位、2权位二、数的表示方法：1、十进制数（theDecimalsystem）,第二节数制和数据编码,用十进制表示数值，用到的数码个数是10个（09），基为10；各位的权为以十为底的幂。2、二进制数：（theBinarysystem）用二进制表示数值，所用到的数码个数是2个（01），基为2；各位的权为以2为底的n次幂。如：110111252423222120各位的权为：32168421,第二节数制和数据编码,3、八进制：（theOctavesystem）用八进制表示数值，所用到的数码个数是8个（07），基为8；各位的权为以8为底的n次幂。4、十六进制：（theHexadecimalsystem）用十六进制表示数值，所用到的数码个数是16个（0F），即，0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，基为16；各位的权为以16为底的n次幂。如:3A8E=316310162816114160,第二节数制和数据编码,5、R进制数按权展开式：设有一个R进制数（RN）anan-1a0.b1b2bm-1bm它的值为（10进制）：S=anRn+an-1Rn-1+a0R0+b1R-1+b2R-2+bmR-m（其中1anR-1,1bmR-1）【练习】将123D、123Q、123H、10010110B展开求值.,第二节数制和数据编码,6、总结：区分四种进制数的方法有二：（1）加下标：【如】（123）10、（123）8、（123）16（2）加标记符：【如】123D、123H、123Q、1101BD-十进制B-二进制Q-八进制H-十六进制,四种进制数之间的对应关系,第二节数制和数据编码,三、数制转换：1、二进制与十进制互相转换（1）二进制十进制【方法】按照按权展开式将二进制数展开，然后求和，其结果即为对应的10进制数。【如】11111100B127126125124123122021020252D,第二节数制和数据编码,0.1101B121122023124（？）10（2）十进制整数二进制整数【方法】除二取余法将十进制整数不断除以2，并记下余数，直到商为零为止，将余数从下到上记下来，即为所求的二进制数。例：将83转换成二进制数,第二节数制和数据编码,28312411220021002512202110得到的余数从先至后依次为：1、1、0、0、1、0、1可得到：（83）10（1010011）2,第二节数制和数据编码,（3）十进制小数二进制小数【方法】乘二取整法把给定的十进制小数乘以2，取积的整数部分，作为二进制小数的第一位；乘积的小数部分再乘以2，取其整数部分，作为二进制小数的第二位；重复做下去，就可以得到所需精度的二进制小数。【例】将0.8125转换为二进制小数。,第二节数制和数据编码,0.812521.625整数部分121.25120.5021.01,可得：（0.8125）10（0.1101）2,第二节数制和数据编码,注意：并不是所有的十进制小数都可以用一个精确的二进制小数来表示。练习：0.335D=（）B，要求保留三位小数。,第二节数制和数据编码,0.33520.67整数部分021.34120.68021.5361,可得：（0.335）10（0.0101）2（0.011）2,第二节数制和数据编码,2、二进制八进制十六进制（1）二进制十六进制【方法】以小数点为起始点，分别向左、右将二进制数以四位为一组，不足四位补零，然后，分别将每一组二进制数转换成相应的十六进制数。上述方法的逆过程，即为将一个十六进制数转换为二进制数方法，即一位十六进制数对应四位二进制数。,000110110111.0100(1B7.4)16,示例：,100110110111.010100(4667.24)8,第二节数制和数据编码,（2）二进制八进制转换原则与二进制十六进制相同，只是一位八进制数对应3位二进制数。（3）八进制十六进制八进制二进制十六进制3、十进制与八进制、十六进制互换十进制二进制十六进制、八进制,第二节数制和数据编码,按权展开十六进制、八进制十进制四、计算机中数的表示1正数与负数在计算机中数值的正负符号也是用数码来表示的，一般用“0”表示正数的符号，“1”表示负数的符号，并放在数的最高位。例如：有符号数（01011）2（11）10（11011）2（11）10,数据在计算机中的表示方式,机器数,0,1,0,0,1,1,0,1,+77,符号位,真值,机器数/真值,第二节数制和数据编码,最高位称为符号位，最高位为符号位的数称为机器数，其数值部分称为真值数。2原码、补码、反码在计算机中一个数可以采用原码、补码或反码表示，上面讲到的正数与负数表示法即为原码表示法。【注意】一个正数的原码、补码、反码是相同的。1）原码最高位为符号位，其余各个位的值为数值的绝对值的表示方法成为原码表示法。,第二节数制和数据编码,X原符号位X由于原码表示法中“零”的表示法不唯一，有正零和负零之分，给运算带来了麻烦，因此引入了补码的概念。正零00000负零100002）反码由于一个数的补码可以很容易地由其反码方便得到，因此先介绍反码表示法。,第二节数制和数据编码,【定义】用机器数的最高位表示符号符号位，数值位对正数来说与原码相同，负数的各个数值位按位取反，称为反码表示法。X原=X反在反码表示法中，零表示方法也是不唯一的（即+0反=0000,-0反=1111），在实际应用中很少采用。,第二节数制和数据编码,3）补码对于一个机器数X，如果X是正数，则X的补码与其原码相同，如果X是负数，则将X的反码加1，就得到其补码，即X补X反1【例】若X=+1010101B，则有：X原=X反=X补,第二节数制和数据编码,若X=-1010101B，则有：X原=11010101X反=10101010X补=10101011补码表示法中，零的编码是唯一的，即，+0补=0000,0补=0000。,1,1,带符号的机器数,-77,原码,反码,补码,数据在计算机中的表示方式,第二节数制和数据编码,3定点数和浮点数1）定点数表示法在机器中，小数点位置固定的数称为定点数，一般采用定点小数表示法，即小数点固定在符号位与最高位之间。有时也采用定点整数表示法，此时将小数点固定在数的最低位的后面。定点数的运算规则比较简单，但不适宜对数值范围变化比较大的数据进行运算。,定点小数：,定点整数：,定点数,符号位,隐含小数位（+0.5),符号位,隐含小数位（-3),数据在计算机中的表示方式,第二节数制和数据编码,2）浮点数表示法浮点数可以扩大数的表示范围。浮点数由两部分组成，一部分用以表示数据的有效位，称为尾数；一部分用于表示该数的小数点位置，称为阶码。一般阶码用整数表示，尾数大多用小数表示。一个数N用浮点数表示可以写成：NMReM表示尾数，e表示阶码，R表示基数。,31302423220,如：0.27E-2+0.27*10-2,浮点数,数据在计算机中的表示方式,第二节数制和数据编码,浮点数的基数一般取2，8，16，一旦机器定义好了基数值就不能再改变了因此，在浮点数表示中基数不出现是隐含的。五、基本运算1、算术运算主要包括加、减、乘、除等。,二进制数算术运算规则,第二节数制和数据编码,2、逻辑运算逻辑运算也叫布尔运算，包括与、或、非、异或，其中与、或、异或运算属双目运算，非运算属单目运算。“逻辑非”（取反）运算（运算符：）-0=1-1=0,非运算非运算即反相运算。,“非”逻辑真值表,第二节数制和数据编码,“逻辑与”运算也称为逻辑乘【运算符】或00=010=001=011=1,与运算它的一般定义是：当决定一件事发生的所有条件均具备时，事件才发生，否则不会发生。,“与”逻辑真值表,第二节数制和数据编码,“逻辑或”运算（运算符：或）又称为逻辑加。【一般定义】在决定一件事发生的各种条件中，只要有一个或一个以上条件具备时，事件便可发生；只有当条件都不具备时，事件才不会发生。00=010=101=111=1,“或”逻辑真值表,第二节数制和数据编码,“逻辑异或”运算00=001=110=111=0【思考】异或运算有何特点？有同或运算么？怎么定义的？,第二节数制和数据编码,六、计算机中的码制计算机处理的数据分两类：数值型数据和符号型数据。由于计算机只能识别二进制数，所以数值型和符号型数据都要用二进制来表示，计算机才能识别处理。如何用二进制数来表示各种符号型数据方法的问题，即编码方法。【问题】为什么在计算机中采用二进制数表示数据？,第二节数制和数据编码,1、二进制编码的十进制数：十进制数的每一位用四位二进制编码表示，此编码称为BCD码。四位二进制数表示24即16种状态。只取前10种状态来表示09，从左到右每位二进制数的权分别为8，4，2，1，因此又叫8421码。优点：直观，与十进制之间容易转换缺点：不能直接与二进制数之间转换,第二节数制和数据编码,【例如】（0010100001011001.01110010）BCD可以方便的认出2859.72是它代表的十进制数。,2、西文字符的编码：在IBM-PC中常用ASCII码来表示符号型数据。ASCII码（美国标准信息交换码AmericanStandardCodeforInformationInterchange）采用8位二进制来表示一个英文字符或符号，一种在不同厂家生产的设备之间为信息交换而定义编码的标准。ASCII码只用低七位对字符编码，最高位留作它用（一般为0），所以共可表示27128个字符。,第二节数制和数据编码,ASCII码,计算机中的字符可以用ASCII码表示,ASCII000001002003004005006007:010012:,字符NULSOHSTXETXEOTENOACK(振铃):LFFF:,ASCII:032033034:048049050:063064:,字符:space!“:012:?:,ASCII:065066067:097098099:254255,字符:ABC:abc:空格FF,10进制扩展ASCII码表,第二节数制和数据编码,【注意】小写字母的ASCII码值=大写字母的ASCII码值+32字母的ASCII码数字的ASCII码如：字母A的ASCII=65D，字母a的ASCII码=97D,第二节数制和数据编码,3、汉字编码：1）汉字输入码（机外码）汉字输入码是在通过键盘输入汉字时，使用英文符号对汉字的编码。所以汉字输入码也称汉字机器外部码简称机外码。用户要求汉字的输入码编码简单（容易学习）重码率低（输入速度快、便于盲打）汉字输入码一般可以分为三类：音码、型码和音形码。常见的输入法有五笔字型输入法,第二节数制和数据编码,拼音、表形码和自然码等。2）汉字机内码汉字机器内部码简称机内码，是用二进制数对汉字进行编码。汉字在计算机内部是以机内码形式存储、处理和传送，汉字的内码在机器中占2个字节的存储空间。3）汉字字型码（输出码）汉字字型码是用来显示和输出汉字的编码。,第二节数制和数据编码,字型码采用汉字的字型来表示汉字，常用点阵的方式来表示汉字的字型。点阵方式是以一定精度的方形网格，在有汉字笔划的方格涂黑（用1表示），没有笔划的方格不涂（用0表示）。汉字字型码有1616点阵（256个方格）、2424点阵（576个方格）和4848点阵（2304个方格），所以一个汉字字型码存储时分别占32Bytes、72Bytes和288字节,第二节数制和数据编码,1616点阵字型,12345678910111213141516,12345678910111213141516,第二节数制和数据编码,4）汉字库汉字库可以存放字型码，还可以实现机内码到字型码的转换。按存储形式分：压缩型字库和非压缩型字库按存放介质分：软字库和硬字库4、国标码1980年，我国颁布了第一个汉字编码的国家标准:信息交换用汉字编码字符集基本集，即GB2312-80。汉字用2个字节（Byte）表示。,第二节数制和数据编码,GB2312-80是目前国内所有汉字系统的统一标准，因此又称为“国标码”。亦称为“汉字交换码”。GB2312-80国标码字符集收录了6763个常用汉字和各种符号682个，合计7445个。其中一级汉字3755个，是最常用的，在编码表中按汉语拼音字母顺序排列；二级汉字3008个，按偏旁部首的笔画顺序排列。,第二节数制和数据编码,5、区位码GB2312给出了一个二维双字节编码表，该表有94行、94列。行又称为“区”（Section），由第一字节表示；列又