第1章计算机基础知识课件

主讲教师张玉庆计算机学院计算机应用基础第1章计算机基础知识1.1计算机的发展1.2计算机的特点及应用1.3计算机基本组成1.4计算机数据信息及运算经过了多年的科学积累，世界上第一台电子计算机在1946年2月在美国宾西法尼亚大学研制成功，取名ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)即“电子数值积分式计算机”。第一台电子计算机ENIAC计算机的发展与分类ENIAC的特点元器件：18800个电子管耗电：约150kW占地：170m2重量：约30吨速度：每秒可进行5000次加、减法运算主频：0.1MHz用途：主要用于进行弹道轨迹分析计算，被誉为“比炮弹还要快的计算机”。不足：容量小；线路连接工作较繁琐；耗电量大；电子管的寿命短。时代年份器件软件应用一46-57电子管机器语言汇编语言科学计算二58-64晶体管高级语言数据处理工业控制

三65-70中小集成电路操作系统文字、图形处理四71年迄今大规模超大规模集成电路数据库、网络等社会的各个领域电子管晶体管超大规模集成电路集成电路电子计算机的发展过程性能指标第一代1946～1958第二代1958～1964第三代1964～1971第四代1971年～至今逻辑元件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模、超大规模集成电路存储器磁芯，磁鼓（磁带）磁芯存储器（磁盘）半导体（磁盘为主）高集成度半导体（磁盘、光盘、移动存储器）运算速度（秒/次）几千～几万几万～几十万几十万～几百万几百万～百亿软

件机器语言汇编语言编译语言高级编程语言操作系统交互式语言数据库系统网络软件主要特点体积大，可靠性差，耗电大，价格昂贵体积小，重量轻，耗电小，可靠性较高小型化，耗电小，可靠性高微型化，耗电极小，可靠性很高应用场合科学计算数据处理工业控制社会各个领域计算机发展中各个阶段的主要特点美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（VonNeumann）为了解决这些不足，提出了重要的改进理论，主要有两点：★电子计算机采用“存储程序方式”工作。就是把原来改变配线及切换开关等工作以程序的方式预先存放在计算机中，在控制器的控制下自动执行。★明确指出了整个计算机的结构应有五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。冯·诺依曼思想冯·诺依曼计算机工作原理：把程序输入到计算机存储器中，然后执行程序，由控制器向内存储器发出取指令命令；控制器对取出的指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存、取命令和运算命令；经过运算器运算后，运算结果保存到存储器中；最后，在控制器发出取指令及输出指令的作用下，将存储器中的运算结果输出到输出设备。冯·诺依曼计算机工作原理

输出结果信息

运算器

控制器

存储器

输入设备

输出设备

原始数据或程序

表示数据流

表示控制流

计算机的发展趋势

计算机广泛应用于科学研究、数据处理、过程检测与控制、计算机辅助系统、电子商务、多媒体技术、虚拟现实、人工智能、通信网络等方面。随着大规模集成电路的发展，微型机的集成度将不断加强，运行速度和存储能力将不断提高。电子计算机正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化方向发展。当前，世界上许多国家正在研制新一代计算机系统，科学家试图通过纳米技术、光技术、生物技术、量子技术等研制光计算机、生物计算机、分子计算机、量子计算机等。★巨型化:天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量这就需要研制功能更强的巨型计算机。★微型化:专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。★网络化:将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网人们足不出户就可获取大量的信息与世界各地的亲友快捷通信进行网上贸易等等。★智能化:目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言、能识别图形、会自行学习等等这就需要进一步进行研究。近年来通过进一步的深入研究发现，由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机例如：生物计算机、量子计算机、超导计算机等。★光子计算机：在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。人类利用光缆传输数据已有20多年的历史，用光信号来存储信息的光盘也已广泛应用。然而要想制造真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件。科学家们虽然可以实现这样的装置，但所需的条件如温度等较为苛刻，尚难以进入实用阶段。未来的新型计算机★分子计算机（生物计算机）：科学家通过对生物组织体研究，发现组织体中的有些蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。

06年科学家在《自然》上宣布，已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大。★量子计算机：量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机是利用处于多现实态的原子作为数据进行运算。这种多现实态是量子力学的标志。IEEE(美国电气和电子工程师学会)的分类巨型机：即超级计算机。价格昂贵、运算速度快，存储容量大。IEEE分类主机：即大型计算机小型机：结构简单、价格较低，使用方便个人计算机：包括台式计算机、笔记本计算机、掌上电脑（PDA） 小巨型机：即小型化的巨型机工作站：专门处理特殊事务的一种独立的计算机按计算机综合性能指标划分按照运算速度、存储容量、软件配置、价格等指标划分又可分为巨型计算机、大型计算机、小型计算机、工作站和微型计算机。巨型计算机也称超级计算机。

2009年10月，在我国高性能计算学术年会上国防科技大学发布了国内首台峰值性能超千万亿次的超级计算机系统——天河一号。“天河一号”具备每秒钟1206万亿次的峰值速度和每秒563．1万亿次的Linpack实测性能。“天河一号”的成功研制使我国成为继美国之后第二个能研制千万亿次计算机的国家。“天河一号”超级计算机

我国正在研发的千万亿次高性能计算机“曙光6000”将于2010年问世。它采用“混合动力”，最重要的计算部分将采用国产的八核龙芯，是完全自主设计和拥有全部知识产权的处理器。服务分区由近6万个通用处理器核及近5000个通用图形处理器(GPGPU)加速部件组成，峰值性能为每秒近3000万亿次，实测Linpack性能达到每秒1000多万亿次。并计划提供给国家华南超级计算中心使用。这一实测性能超过了落户在天津滨海新区的“天河一号”，后者实测Linpack性能为每秒500多万亿次。计算机的特点1.运算速度快2.计算精度高3.具有记忆和逻辑判断能力4.程序运行自动化计算机的应用7.计算机辅助系统计算机辅助设计（CAD）计算机辅助制造（CAM）计算机辅助测试（CAT）计算机辅助教学（CAI）8.网络与通信1.科学计算 2.数据处理3.实时控制 4.办公自动化5.系统仿真 6.人工智能计算机系统的组成计算机硬件系统

硬件系统是指构成计算机的一些看得见，摸得着的实际物理设备，是计算机工作的物资基础。

1．运算器：是对数据进行加工处理的部件。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。

2．控制器：是对输入的指令进行分析，并统一控制和指挥计算机的各个部件完成一定任务的部件。一般都是把运算器和控制器集成在一片半导体芯片上，称为中央处理器（CPU）。

3．存储器：是计算机的记忆部件，用于保存程序和数据。

4．输入设备：输入设备是计算机从外部获得信息的装置。

5．输出设备：输出设备是将计算机内的信息打印或显示出来的设备。计算机软件系统

1．指令和程序的概念（1）指令：是由二进制代码表示的、能使计算机完成某一操作的命令。如：加、减、乘、除、取数和存数等。一种计算机所能识别并执行的全部指令的集合称做该计算机的指令系统。计算机的指令系统依赖于计算机的硬件系统（主要指CPU），不同类型计算机的指令系统是不完全一样的。指令系统越丰富，计算机对数据运算和处理的能力也就越强。（2）程序：是指能使计算机完成特定任务的一组有序的指令集合。为了完成某一特定的任务，首先将编写好的程序以及程序运行所需的数据通过输入设备输入到计算机并存储在存储器中，然后在程序控制下逐条执行程序中的每条指令。计算机软件系统

2．软件的概念及其分类软件系统是指计算机系统所使用的各种程序的集合。计算机软件一般可分为系统软件和应用软件两大类。（1）系统软件：是管理、监控和维护计算机资源的各种程序的集合。系统软件主要包括以下几个方面：①操作系统：是管理和控制计算机全部资源，保证计算机各部分协调有效工作的各种程序的集合。常用的操作系统有Windows、DOS等。

计算机软件系统

②程序设计语言：是指用来编写程序的各种计算机语言，是人与计算机之间进行信息交换的工具。通常分为机器语言、汇编语言和高级语言几大类。机器语言：以二进制代码表示的指令序列。汇编语言：采用能帮助记忆的英文缩写符号代替机器语言的计算机语言。高级语言：类似于人类语言的计算机语言。③数据库管理系统（DBMS）：是数据库系统中对数据进行管理的系统软件。（2）应用软件：是为了解决各种实际问题而编写的计算机程序，分为通用应用软件和专用应用软件。计算机硬件基础显示器主机键盘鼠标主机主机

主板主板是一块印刷电路板，是中央处理器（即CPU）与其他部件连接的桥梁。主板上主要包括CPU插座、内存插槽、外设接口插座、串行和并行端口等几部分。

主机中央处理器

中央处理器（CPU）也称为微处理器，是一块超大规模集成电路芯片，是计算机的“心脏”。中央处理器主要由控制器、运算器等部件构成。

主机

显卡和网卡

显卡（也称显示卡）是CPU与显示器之间的接口电路。网卡也叫网络适配器，是计算机与网络连接的接口电路。利用网卡可以实现计算机与网络的连接与通讯。存储器

1．内存储器内存储器简称为内存。通常把向存储器存入数据的过程称为写入，而把从存储器取出数据的过程称为读出。（1）随机存储器（RAM）：RAM在计算机运行过程中可以随时读出所存放的信息，也可以随时写入新的内容。（2）只读存储器（ROM）：ROM里的内容只能读出，不能写入。存储器2．外存储器

硬盘的存储介质是若干个刚性磁盘片，因此叫做硬盘。

光盘是通过光学方式读取和记录信息的。

存储器

闪存具有体积小、重量轻、读写速度快、断电后资料也可以保存的特点。

将一个镀有磁化材料的盘片封装在一个护套内而构成软盘。

输入设备

扫描仪是常用的图像输入设备。

鼠标可以在屏幕中灵活地移动光标，选择各种操作和命令。

键盘是计算机最常用、最主要的输入设备。输出设备

打印机是把计算机处理信息的结果打印出来的设备。

显示器是将电信号转换成可视信号的设备。

多媒体设备

声卡是一块对音频信号进行数/模和模/数转换的电路板。

视频卡是一块处理视频图像的电路板。

数码相机是一种无胶片相机，是集光、电、机于一体的电子产品。

计算机信息采用二进制数表示。原因是：(1)计算机是一种电子设备，电子线路只有“闭合”和“断开”这两种状态，用二进制数“0”和“1”表示低电位和高电位，在电子线路上最容易实现。(2)由于二进制数只有“0”和“1”两个数，表示电路的两种工作状态，工作可靠，稳定性好。(3)二进制数的运算规则简单，通用性强。二、信息的表示及存储(1)计算机中信息的表示位（Bit）是计算机的最小数据存储单位，每8个二进制位为1个字节（Byte），称为一个记忆单元。计算机中的数据就存放在许许多多的记忆单元中，总称为存储器。存储器的存储容量一般用KB、MB、GB、TB来表示，它们之间的换算关系如下：1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字节(Byte)76543210位(Bit)76543210…字长(2)计算机中信息的存储在计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数字串叫做一个字，每个字中二进制位数的长度称为字长。一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统字长不同，常见的有8位、16位、32位、64位等，字长越大，存放数的范围越大，精度越高,字长是衡量计算机性能的一个重要指标。★数制的概念数制：是指表示数值的方法，有进位计数制和非进位计数制。进位计数制：按照进位的原则进行计数的数制称为进位计数制，简称“进制”。非进位计数制：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关的数制称为非进位计数制，简称“非进制”。如罗马数字就是典型的非进位计数制。(3)计算机中的数制★进位计数制的基本特点①使用固定个数的数码表示数值的大小。数码的个数R称为该数制的基数，数码在一个数中所处的位置称为数位。②逢R进一。例如十进制数是由0~9十个数字符号组成，基数为10，逢10进1。③采用位权表示法。处在不同位置上的数字所代表的值不同，一个数字在某个固定位置上所代表的值是确定的，这个固定位上的值称为位权。位权与基数的关系是，各进位制中位权的值恰好是基数的若干次幂。④任何一种数制表示的数都可以写成按位权展开的多项式之和。一个R进制的数AnAn-1…A2A1A0．A-1A-2…A-m，它的按位权展开式的一般形式如下：

An×Rn＋An-1×Rn-1＋…＋A2×R2＋A1×R1＋A0×R0

＋A-1×R-1＋A-2×R-2＋…＋A-m×R-m

例1:十进制数358.72可表示为：

3×102+5×101+8×100+7×10-1+2×10-2

例2:二进制数1011.01可表示为：

1×23+0×22+1×21+1×20+0×2-1+1×2-2十进制二进制八进制十六进制基数102816数字符号0～90～10～70～9ABCDEF例子12D1100B14OCH

★几种常用的进位计数制

★进位计数制的书写①在数据右下角加脚注：(14)8、(1100)2、(2C)16②在数据后加一特定的字母表示它所采用的进制：

B

—

二进制O—

八进制

D或省略—

十进制，H

—

十六进制十进制数二、八、十六进制数二、八、十六进制数十进制数二、八、十六进制之间的转换(4)不同数制间的转换十进制数二、八、十六进制数

规则：整数部分---除R取余法小数部分---乘R取整法例：(9.6875)10=(?)229----余数为

124----余数为

022----余数为

021----余数为

10∴(9)10=(1001)20.6875×2=1.375……

取出整数10.375×2=0.75……

取出整数00.75×2=1.50……

取出整数10.5×2=1.00……

取出整数1∴（0.6875）10=（0.1011）2

（9.6875）10＝（1001.1011）2用乘2取整法求出小数部分0.6875的二进制数位权法：把各非十进制数按权展开求和转换公式：（an…a1a0.a-1…a-m)

r

=an*rn+…+a0*r0+a-1*r-1+…+a-m*r-m示例：

(1011.1)2=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1=8+0+2+1+0.5 =(11.5)10二、八、十六进制数十进制数整数从右向左（规则）小数从左向右

一位拆三位三位并一位二进制八进制二、八、十六进制之间的转换100

101

110

111.011

100447365.100101110111.011100B=4567.34O010

111

110

101.100

111275467.2765.47O=0111110101.100111B

计算机中的字符包括数字、字母及各种符号。三、计算机中的字符编码(1)数值的表示

★无符号数无符号数的最高位为数值位，即表示数值。以8位字长为例，无符号十进制数215的表示是：11010111数值位128640160421无符号数数在计算机中可以定义为无符号数或有符号数。

一位拆四位四位并一位二进制十六进制10010100101.1111B=8A5.FH1000

1010

0101.11118F5A.0111

1011

1100.10107ACB.7BC.AH=111101111001010B数制及其转换1．进位计数制的表示方法（1）十进制以10为基数的计数体制称为十进制。采用10个数码0～9，进位规则是逢10进1。在十进制中，每个数码的位置不同时，它所代表的数值也不同。如：123=1×102+2×101+3×100

（2）二进制以2为基数的计数体制称为二进制。采用2个数码0、1，进位规则是逢2进1。在二进制中，每个数码的位置不同时，它所代表的数值也不同。如：(101.01)2＝1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2数制及其转换

（3）八进制以8为基数的计数体制称为八进制。采用8个数码0～7，进位规则是逢8进1。在八进制中，每个数码的位置不同时，它所代表的数值也不同。如：(621.13)8=6×82+2×81+1×80+1×8-1+3×8-2

（4）十六进制以16为基数的计数体制称为十六进制。采用16个数码0～9、A～F，用A～F分别表示10～15，进位规则是逢16进1。在十六进制中，每个数码的位置不同时，它所代表的数值也不同。如：(12A.C)16＝1×162+2×161+10×160+12×16-1数制及其转换四种进制对照表

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制1111910011192102210101012A3113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117715111117F8100010816100002010数制及其转换2．不同数制之间的转换（1）二进制转换成十进制

将二进制数的每一位系数与对应的权值相乘，再将所得的乘积相加就可以得到该数的十进制数。

【例1.1】把(101.01)2转换成十进制数。解：(101.01)2＝1×22

+0×21

+1×20

+0×2-1+1×2-2

＝(5.25)10数制及其转换

（2）十进制转换成二进制分为整数部分的转换和小数部分的转换两个部分。整数部分采用除2反序取余法。将十进制整数连续除以2，求得各次的余数，直到商等于零，再将余数变换为二进制的数码，将余数反序排列，得到该数的二进制整数。小数部分采用乘2顺序取整法。将十进制小数连续乘以2，求得各次的整数部分，将整数顺序排列，得到该数的二进制小数。数制及其转换【例1.2】将十进制数13、0.3125转换成二进制数。

解：取余数

2

13

……1

2

6

……02

3

……1反序

2

1

……10(13)10

＝(1101)2

取整数0.3125×2＝0.625……00.625×2＝1.25……10.25×2

＝0.5……0

顺序

0.5×2

＝1.0……1(0.3125)10

＝(0.0101)2数制及其转换

（3）二进制转换成八进制以小数点为界，将二进制数整数部分从低位开始，小数部分从高位开始，每3位一组，头尾不足3位的补0，然后将各组的3位二进制数分别转换为相应的八进制数，顺序排列。

【例1.3】把(1101010110011.1111)2转换为八进制数.

解：001

101

010

110

011.111

100

1

5

2

6

3.7

4

即(1101010110011.1111)2

＝(15263.74)8数制及其转换

（4）八进制转换成二进制将八进制数每一位分别转换为3位二进制数并顺序排列。

【例1.4】把(376)8转换为二进制数。解：3

7

6

011

111

110

即(376)8

＝(11111110)2

数制及其转换

（5）二进制转换成十六进制以小数点为界，将二进制数整数部分从低位开始，小数部分从高位开始，每4位一组，头尾不足4位的补0，然后将各组的4位二进制数分别转换为相应的十六进制数，顺序排列。

【例1.5】把(1110101101.01011)2转换为十六进制数。解：0011

1010

1101.0101

1000

3AD.5

8

即(1110101101.01011)2

＝(3AD.58)16数制及其转换

（6）十六进制转换成二进制将十六进制数每一位分别转换为4位二进制数并顺序排列。

【例1.6】把(25B.3C)16转换为二进制数。解：2

5

B .3

C

0010

0101

1011 .0011

1100

即(25B.3C)16

＝(1001011011.001111)21．算术运算（1）加法运算。（2）减法运算。

2．逻辑运算（1）逻辑加法（“或”运算）。（2）逻辑乘法（“与”运算）。（3）逻辑否定（“非”运算）。二进制的运算★有符号数有符号数将符号位和数值位一起编码。符号位（最高位）用0表示正数，用1表示负数。有符号数的表示法有3种：原码、反码和补码。①正数的原码、反码与补码相同。原码由符号部分和数值部分组成。其中，符号部分正数用0表示，负数用1表示，数值部分是该数的绝对值的二进制数。②负数的反码：符号位为1，其余位对应原码按位取反（即0变1，1变0）。③负数的补码是在反码上加1。几个数的原码、反码、补码计算机的数据与编码2．字符编码（1）ASCII码字符是计算机的主要处理对象，在计算机中是以二进制代码的形式来表示字符的。ASCII码是“美国标准信息交换码”的简称，用7位二进制数进行编码，可以表示128个字符。列出了ASCII码字符表。

（2）汉字编码汉字也是一种字符数据，在计算机中同样用二进制数表示，称为汉字的机内码。用计算机显示或打印汉字时，是把每个汉字看成一个图形，这个图形用点阵信息来描述，所有汉字的点阵信息按照机内码的顺序存储起来，叫汉字库。

★BCD码

在电子计算机和数字式仪器中，往往采用二进制码表示十进制数。通常，把用一组四位二进制码来表示一位十进制数的编码方法称作二─十进制码，亦称BCD码（BinaryCodeDecimal）。

4位二进制码共有16种组合，可从中任取10种组合来表示0～9这10个数。根据不同的选取方法，可以编制出很多种BCD码，如8421码，5421码，2421码，5211码和余3码。其中的8421BCD码最为常用。

由于每一组4位二进制码，只代表一位十进制数，因而ｎ位十进制数就得用n组4位二进制码表示。

【例】把十进制数369.74编成8421BCD码。

369.7400110110100101110100(369.74)10=(00110110100101110100)BCD

字符是各种文字和符号的总称，包括各国家文字、标点符号、图形符号、数字等。字符集是多个字符的集合，字符集种类较多，每个字符集包含的字符个数不同，常见字符集名称有：

★ASCII字符集

★GB2312字符集

★BiG5字符集

★GB

18030字符集

★Unicode字符集等。计算机要准确的处理各种字符集文字，需要进行字符编码，以便计算机能够识别和存储各种文字。(2)字符编码ASCII(American

Standard

Code

for

Information

Interchange，美国信息互换标准代码）是基于罗马字母表的一套电脑编码系统，它主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO

646。包含：控制字符(回车键、退格、换行键等)，可显示字符(A～Z、a～z、1～9和西文符号)字符集扩展(表格和计算符号、希腊字母和特殊的拉丁符号)。注意：在计算机的存储单元中，一个ASCII码值占一个字节(8个二进制位)，其最高位(b7)用作奇偶校验位。

★ASCII

字符