新编计算机基础教程

1、蒀新编计算机基础教程袀目录蒅第 1 章 计算机基础知识1薆 1.1 计算机的发展与应用 1袁1.1.1 计算机的发展 1芈1.1.2 计算机的特点和应用 3薈 1.2 数制与编码 6蚆1.2.1 数制 6节1.2.2 数制之间的转换 6肀1.2.3 计算机的数据单位 7芇1.2.4 二进制的算术运算 8螆1.2.5 字符编码 9蚃 13 计算机系统 10蒈1.3.1 计算机的系统组成 10肆1.3.2 计算机工作原理 11袅1.3.3 中央处理器 12螀1.3.4 存储器 13膀1.3.5 基本输入 /输出设备 13袅1.3.6 总线、主板与接口 14袅膁蚈第 1 章 计算机基础知识袈本章导读

2、羅有些知识点仅需了解即可，有些知识点是作为资料备查的，有些知识点（如标题右上角带有符号“* ”的内容）则是必须熟练掌握的，所以在学习的过程中一定要抓住重点，千万不要机械地记忆“第四代计算机的特点”之类随时可查阅的命题。薂计算机新技术、计算机数制与编码以及计算机系统等内容是本章的学习重点。莀 1.1 计算机的发展与应用蚇 1.1.1 计算机的发展肅早在公元前 5 世纪中国人就发明了算盘，并广泛应用于商业贸易中，因此算盘被认为是最早的计算机， 并一直使用至今。 算盘在某些方面的运算能力要超过目前的计算机，现了中国人民的智慧。算盘体羃直到 17 世纪，计算设备才有第二次重要的进步。 1642 年法国

3、人帕斯卡发明了自动进位加法器； 1694 年德国数学家戈特弗里德改进帕斯卡的加法器，使之可以计算乘法；后来法国人哥伦比亚发明了可以进行四则运算的计算器。袇现代计算机的真正起源来自英国数学教授查尔斯巴贝奇。查尔斯巴贝奇发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时他认为可以利用蒸汽机进行计算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机。巴贝奇的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而它勾画出了现代通用计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。蒅在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方

4、面取得了重要的进步。美国人赫尔曼霍雷斯，根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域。膅腿 1.第一代电子管计算机（ 1946 1957 ）蕿基础理论的研究与先进思想的出现推动了计算机事业的发展。 19 世纪中叶英国数学家布尔成功地将形式逻辑归结为一种代数运算， 即布尔代数， 从此数学开始进入思维领域。 1937 年英国数学家图灵提出了著名的 “图灵机”模型，提出了计算机的基本概念， 证明了通用数字计算机是可以制造出来的。为了纪念图灵对计算机科学的重大贡献，美国计算机协会（ACM ）设立图灵奖，每年授予在计算机科学领域做出特殊贡献的人。膄 1946 年 2 月 15 日，世界上第一台

5、数字计算机 ENIAC（ Electronic Numerical Integrator And Calculator ）在美国的宾夕法尼亚大学诞生。 ENIAC 代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。ENIA 共使用了个电子管，占地，功率为,重达吨，每秒可进行次加法运算。它只能存储个字长为位的十进制数，而且是用线路连接的方法来编制程序的，因此每次解题都要靠人工来改接连线， 准备时间大大超过其实际计算时间。 第一代计算机的特点是，操作指令是为特定任务而编制的，每种机器都有各自不同的计算语言，功能受到限制，速度也慢。 另一个明显的特征是使用真空电子管

6、和磁鼓存储数据。虽然它的功能只相当于现在的普通计算机，但他的问世标志着计算机时代的到来。芅在的开发过程中，美籍科学家冯诺依曼针对它存在的问题，提出了一个全新的通用计算机方案。冯诺依曼理论的要点是:薀?计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备5 个基本部件组成；羇?采用二进制表示计算机的指令和数据；芇?将程序和数据存放在存储其中，并让计算机自动地执行程序。莅人们将冯诺依曼的理论称为冯诺依曼体系结构，从到当前最先进的计算机采用的都是冯诺依曼体系结构，所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。羁. 第二代晶体管计算机（）虿晶体管和磁芯存储器的发明导致了第二代计算机的产生，其主要特点是体积小，

7、速度快吧，功耗低， 性能更稳定。 年贝尔实验室研制出世界上第一台全晶体管计算机 , 装有只晶体管， 功率仅， 占地也只有3（ 3）年出现了一些成功地用于商业领域、大学和政府的第二代计算机。第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件，如打印机、 磁带、 磁盘、内存和操作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有了很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这一时期出现了更高级的和等语言，是计算机编程更容易， 新的职业（程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。羆第三代集成电路计算机（）莄年基尔比与诺伊斯同时发明了集成电路（），将种电子元件结合到一个小的芯片上。 年德州仪器公

8、司仅用不到一个月的时间，便研制出第一台用集成电路组装的计算机， 标志着计算机从此进入它的第三代历史。该机共有块集成电路，重不过，体积不到3，功率只有。莂更多的元件集成到单一的半导体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统， 使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。膇第四代大规模集成电路计算机（至今）螅大规模集成电路 （） 可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了世纪年代，超大规模集成电路（）在芯片上容纳几十万个元件，后来的特大规模集成电路 （） 将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件，使得计算机的体积不断缩小， 价格不

9、断降低而功能和可靠性不断增强。世纪年代中期， 计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有有好界面的软件包、供非专业人员使用的程序及最受欢迎的字处理和电子表格程序。蒄年公司推出个人计算机（），用于家庭、办公室和学校。世纪年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机体积继续缩小。与竞争的系列于年推出，系列提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。螃衿计算机的特点和应用螈薄计算机的种类很多，因此分类的方法也很多。根据计算机分类的演变过程和近期可能发展趋势，通常将计算机分为巨型机、小巨型机、大型主机、小型机、工作站、个人计算机和特种计算机共大类。 人们常见的计

10、算机主要由通用计算机和特种计算机大类， 特种计算机又称为工业控制计算机，简称工控机。袀薁特种计算机薇（）分类蚄特种计算机是一种加固的增强型计算机，可以作为工业控制器在工业环境中可靠的运行。由于特种计算机的性能可靠，软件丰富，价格低廉， 因此特种计算机在嵌入式工业自动化控制中异军突起， 应用日益广泛。 而根据所使用的微处理器芯片的不同， 目前主流的特种计算机主要有种类型：芁使用架构的特种计算机；聿使用架构的特种计算机。莆（2） 技术特点螄特种计算机是专门为工业无人值守控制而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动、灰尘特别多、有很强的电磁场干扰等特点，切一般工厂均连续作业。特种计算机和个人计算

11、机相比必须具有以下特点：蚂采用全钢标准化结构的机箱，抗电磁干扰、抗振动、抗冲击、防尘；螀采用总线结构、模块化和一体化设计技术；肄机箱内装有双风扇和无风扇2 种散热方式；袄配置高度可靠的工业电源，具有较强的抗干扰能力和过压、过流保护保护电路，平均无故障运行时间达到 250000 小时；肂具有长时间连续工作能力；芈具有自我诊断功能；膇可视需要选配具有各种控制功能的模块；羄设有“看门狗”定时器，在系统出现死机时，无需人工干预而自动复原；艿可配置多种实时操作系统，便于多任务的调度和运行。羀（3） 运用领域袆目前，特种计算机已被广泛运用于工业自动化及人们生活的方方面面，例如控制现场、路桥收费、医疗、环保

12、、通信、智能交通、监控、语言、排队机、 POS、数据机床、加油机、金融、石化、物探、野外便携、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天和地铁等。羄 2. 个人计算机蚀（1） 分类莈根据所使用的微处理器芯片的不同，个人计算机主要分为3 种类型：蚅使用架构的PC机；肃使用 PowerPC架构的 Macintosh苹果机；肁公司推出使用其自己芯片的计算机。膀（）特点蚈个人计算机主要作为一种通用的信息处理工具，具有如下几个特点：膃功能多，配置全，适应面广，通用性强，使用方便；蒂设计先进（总是率先采用高性能微处理器）；薈具有较高的运算速度和较大的储存容量；蒇带有通用的外部设置，配置各种系统软件和应用软件。

13、（）（）芃应用袃个人计算机是目前使用最多的一种计算机，广泛应用于一般科学运算、学术研究、 工程设计、数据处理及学习娱乐等，遍及办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别、专家系统、多媒体技术等各个领域，并且开始成为家庭的一种常规电器。芀芆嵌入式系统应用技术莃嵌入式计算机系统的出现，是现代技术及发展史上的里程碑事件。嵌入式系统诞生于微型计算机时代，与通用计算机的发展道路完全不同，形成了独立的单芯片的技术发展道路。由于嵌入式系统的诞生，现代计算机领域中出现了通用计算机与嵌入式计算机的两大分支。不可兼顾的技术发展道路，形成了两大分支的独立发展道路：通用计算机按照高速、海量的技术发展； 嵌入式计算机系

14、统则为满足对象系统嵌入式智能化控制要求发展。 由于分工的独立，世纪末，现代计算机的两大分支都得到了迅猛的发展。羀经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。 嵌入式系统具有很多种类，每类度具有自己独特的个性。 例如，、数码相机和打印机就有很大的不同。 汽车中更是具有多个嵌入式系统， 是汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。螈即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和化航天领域。例如，神舟飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统， 导弹的制导系统也是嵌入式系统， 高档汽车中也有

15、多达几十个嵌入式系统。肅在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲 ）都是嵌入式系统控制的。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。（）（）蒃嵌入式系统的定义莁嵌入式系统诞生于微型计算机，是嵌入到对象体系中，实现嵌入对象智能化的计算机。但是，微型计算机无法满足绝大多数对象体系嵌入式要求的体积、价位与可靠性， 因此，嵌入式系统迅速走上了独立发展的单片机道路。首先是将计算机芯片化集成为单片微型计算机（） ，其后为满足对象体系的控制要求，单片机不断从单片微型计算机向微型控制器（）

16、与片上系统（oC）发展。但无论怎样发展变化，都改变不了“内含计算机” 、“满足对象智能化要求”的技术本质。葿因此，我们可以将嵌入式系统定义成：嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统。肈随着网络、通信时代看的到来，不少嵌入式系统形成了一些独立的应用产品，如手机、 PDA、MP3、数码相机等，这些产品没有像电视机、电冰箱、空调、洗衣机、汽车等那样明显的嵌入对象， 这时嵌入式系统定义中的 “嵌入到对象系统中”含义，可以广义理解成“内嵌有计算机”的含义。薃（）（）螁嵌入式系统的特点袇按照嵌入式系统的定义，嵌入式系统有3 个特点，即嵌入性、专用性与计算机。袆“嵌入性” 有早期微型时代的嵌入式计算机应用而来

17、，专指计算机嵌入到对象体系中，薃实现对象体系的智能控制。当嵌入式系统变成一个独立应用的产品时，可将嵌入式理解为内部嵌有微处理器或计算机。膂“计算机”是对象系统智能化控制的根本保证。随着单片机向MCU、 SoC 发展，片内计算机外围电路、接口电路、控制单元日益增多， “专用计算机系统”演变成为“内涵为处理器” 的现代计算机系统。与传统的电子系统相比较，现代电子系统由于内含微处理器，能实现对象系统的计算机智能化控制能力。虿“专用性是指在满足对象控制要求疾患及要求下的软硬件裁剪性。嵌入式系统的软硬件配置必须依据嵌入对象的要求，设计成专用的嵌入式应用系统。（）（）薅嵌入式系统的相关技术蚃嵌入式系统应是

18、计算机的一个重要分支。但是作为一个重要的计算机工具，有不断完善的基础技术与在各个领域中的应用技术， 并且依靠计算机学科、 电子科学学科、 微电子学科、集成电路设计等学科的交叉与综合。薃（4） 嵌入式系统的技术前沿肇目前，无论是嵌入式系统系统基础器件、开发手段，还是应用对象，都有了很大变化。无论是未来从事8 位、 16 位，还是 32 位的嵌入式系统应用，都应该了解嵌入式系统的技术前沿。这些技术前沿体现了嵌入式系统应用的一些基本观念， 它们是基于集成开发环境的应用技术、应用系统的用户 SoC设计、操作系统的普通应用、 普通的网络接入、 先进的电源技术以及多处理器SoC技术。蚈螂关键知识点螀嵌入式

19、系统应用技术的核心课程主要有“ C 程序设计”、“单片机应用设计基础” 、“电路分析基础” 、“电子技术基础（模拟部分）”、“电子技术基础（数字部分） ”、“嵌入式系统接口技术” 、“嵌入式系统应用” 、“可编程逻辑器件” 、“操作系统原理与应用”、“嵌入式 Linux 应用程序设计”与“嵌入式 Windows 应用程序设计”相应的专业课，而“新编计算机基础教程”则是这些内容的基础。蝿莇 1.2 数值与编码袂我们一方面赞叹计算机的运算能力是多么强大，能处理非常复杂的数学计算；你一方面又说计算机的智商是多么低下，因为它只认识2 个数 0 和 1. 这样初学者往往会产生疑惑：用 0 和 1 如何表

20、示复杂的数字及如何进行运算呢？膁薁膆十进制是我们在各种数学计算中所用的传统的数制，他用十个阿拉伯符号“0”“ 9”来表示数字“零”九，大于九的数就不能用一位来表示了，必须进位，如它用来表示十”，用“ 100”表示“一百” ，因此它的进位特点是：逢十进一。羂二进制是计算机中所用的数制，他用两个阿拉伯符号“0”和“ 1”来表示数字“零”和“一”，大于“一”的数就不能用一位来表示了，必须进位，则它用“10”；来表示“二” ，用“ 100”表示“四” ，因此它的进位特点是：逢二进一。薂十六进制用十个阿拉伯符号和六个英文字母“0” - “ 9”、“ A” - “ F”来表示数字“零”- “十五”，大于“

21、十五”的数制必须进位，则用“10”表示“十六” ，用“ 100”表示“二百五十六”，因此它的进位特点是：逢十六进一。罿任意一个书都可以用以上三种数制中的任意一种来表示，表1.1为用三种数制来表示“零”“十五” 。羅一般来说，无论采用何种数制，任意一个数N 都尅一表示为：肂N Ki 10i(1.1)羃 i=- 蚁 式中，Ki 为基数 10 的第 i 次幂的系数： 在二进制中可以是 0 或 1；在十进制中可以是 0 9；在十六进制中可以是 0 9、 A F。羈在不同的数制中，式中基数10 所标示的数值是不同的：在二进制中表示“二”；在十进制中表示“十” ；在十六进之中表示“十六”。膂表 1.1不同

22、数制转换对照表肀实际点数膈十进制螇二进制膂十六进制蒀 ?袀 0蒅 0薆 0袁 芈 1薈 1蚆 1节 肀 2芇 10螆 2蚃蒈 3肆 11袅 31004螀膀 4 51015 61106 71117实际点十进制二进制十六进制数 810008 910019 101010A 111011B 121100C 131101D 141110E 151111F1.2.2数值之间的转换下面规定一下以后的论述中数制的表示方法，用后缀D、 B 和 H 分别表示十、二和十六进制。例如： 268D 表示十进制数；101 1001B 表示二进制数；A8C7H表示十六进制数。1. 二进制转化为十进制可以先将二进制数按式 （ 1.1 ）展开，然后将基数 10 换成十进制数 2，再按十进制计算得到十进制数。例如：10 1101B=1 25 024 123 1 22 0 21 1 20 45D2. 十进制转换为二进制可以将十进制数分为整数和小数两部分。将整数部分不断地除以2，把所有余数（只有 0 和 1）按顺序从低（位0 开始）到高位进行排列，直到商为0，所排列的余数即为所求二进制整数。例如：将 39D 转换为二进制数的方法如右式算式所示，则 39D=10 0111B将十进制数的小数部分不断地乘以2，把所有乘积的整数