第1章计算机基础知识

第1章信息技术与计算机基础知识大学计算机基础2015-2016学年第一学期知识回顾什么是信息？信息的特点？信息技术的支撑技术——3C技术计算机的发展各种进制及进制换转知识回顾——计算机的发展根据逻辑元器件的种类不同,大致上分成4个发展阶段：第一代计算机：

逻辑元器件第二代计算机：

逻辑元器件第三代计算机：

逻辑元器件第四代计算机：

逻辑元件除第一台计算机

外，大多数计算机都是依照“

和

”原理设计制造的，该原理是由美籍匈牙利数学家

提出来。第一台使用上述原理设计的计算机是

。电子管晶体管中小规模集成电路大规模及超大规模集成电路ENIAC冯·诺依曼存储程序程序控制EDVAC进位制数码基数位权表示方法举例1表示方法举例2二进制0122n-1(101)2八进制0-788n-1(101)8十进制0-91010n-1(101)10十六进制0-9,A-F1616n-1(101)16知识回顾2——各种进制及其表示101B101O101D101H知识回顾3——进制转换二进制加法减法100+100=100-1=各种数制之间的转换二进制、十六进制转换为十进制的方法是

：请计算（5D.C3）16

=（）10100011按权展开法进制转换各种数制之间的转换二进制、十六进制等十进制：按权展开相加（1011.101）2

=124+023+122+121+020+12-1+02-2+12-3=（22.625）10（177.25）8＝1×82＋7×81+7×80＋2×8－1＋5×8-2＝（127.328125）10（3D.B2）16＝3×161＋13×160＋11×16－1＋2×16－2＝（61.6953125）10

本讲内容进制转换各类信息在计算机中的表示计算机系统十进制数转换为二进制数（2）十进制数转换为二进制数

整数部分采用“除2取余”法得到相应二进制数的整数部分小数部分则采用“乘2取整”法得到相应的二进制数的小数部分例1：将十进制数26.8125转换为等值的二进制数。整数部分26采用“倒除法”转换为二进制数是11010，这里“取余值”要从下往上取，小数部分0.8125转换为二进制数是0.1101，这里“取整值”则要从上往下取，最后将两部分合起来得到的结果是(26.8125)10=(11010.1101)2

同理，十进制数转换为十六进制数可以用整数部分“除十六取余”法和小数部分“乘十六取整”法求得。

（3）二进制数与十六进制数之间的相互转换

将二进制数转换为十六进制数的方法是：将要转换的二进制数从小数点开始分别向左（整数部分）和向右（小数部分）每4位二进制数码分成一组，在最左或最右不足四位的用0补足，补0的方法是：整数部分补在左边，小数部分补在右边。分别将4位二进制数码转换成一位十六进制数码后，将这些十六进制数码连接起来就是相应的十六进制数了。

例1.4

将二进制数11010011010.11101010011转换为等值的十六进制数。

图1.3二进制数转换为十六进制数

如图1.3所示，此二进制数对应的十六进制数为69A.EA6。将一个十六进制数转换为二进制数的方法是：每位十六进制数码用对应的4位二进制数替换，并去掉整数部分最左边的0和小数部分最右边的0。进制转换对应关系表八/十/十六进制二进制八/十/十六进制二进制00810001191001210A1010311B10114100C11005101D11016110E11107111F1111小结——进制转换各种数制之间的转换二进制、十六进制等十进制：按权展开相加十进制二进制: 整数部分：除以2取余小数部分：乘以2取整4位二进制对应1位十六进制：二进制十六进制：以4换1十六进制二进制：以1换43位二进制对应1位八进制：二进制八进制：以3换1八进制二进制：以1换3数据单位位（bit）也称为比特，是计算机存储数据的最小单位，是二进制数据中的一个位，一位表示二进制信息0或1。例如，10010001一共有8位。

字节（Byte）简记为B，一个字节由8个位组成，即1B＝8bits。字节是计算机数据处理的基本单位，例如“10001100”是一个字节。通常一个字节可以存放一个ASCII码，两个字节可以存放一个汉字机内码。在计算机中，其它经常使用的度量单位主要还有：KB、MB、GB和TB等，下面是它们之间的换算关系：1KB=210Bytes=1024Bytes1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB1.3.3数值在计算机中的表示

我们已经知道，数值信息在计算机中是以二进制形式表示的，但它们究竟是如何被表示的呢？是不是直接存放它们的二进制值呢？事实上，我们除了要表示一个数的值以外，还要考虑它的正负号如何表示，小数点如何表示，甚至也要考虑如何表示更有利于计算机实现，如何设计表示的范围更大，如何表示精度更高等。

整数的表示

表示一个整数除了要表示其绝对值外，还要表示其正负。由于计算机内部采用二进制，所以计算机最终只能用0或1表示正负号。 历史上曾经出现过的表示整数的编码方案主要有：原码、反码和补码，现在的计算机基本上采用补码。这几种方案都是将最高位作为负号位，其中0表示正数，1表示负数。下面以8位表示一个整数为例，介绍计算机中整数的表示。

（1）原码

最高位为符号位，其余为数值部分，数值部分用二进制数的绝对值表示整数的方法称为原码表示法，如+57和-57的原码表示为：[+68]原=01000100[-68]原=11000100用原码表示时，虽然数的真值和它的原码表示之间的对应关系简单，但原码本身的运算逻辑复杂，所以不常使用。

（2）反码

正数的反码与原码相同，负数的反码则是保持符号位为1，然后将其原码的数值部分按位取反得到的，如+57和-57的反码表示为：[+68]反=01000100[-68]反=10111011虽然计算机中得到反码非常方便，但是反码用于计算还是比较麻烦，因此实际中很少使用，通常只是将反码作为求补码过程的中间形式。

（3）补码

补码的表示法是：正数的补码与原码相同，负数的补码是将其原码除符号位外按位取反后加1得到的。如+57和-57的补码表示为：

[+68]补=01000100[-68]补=10111100由于补码可以用相同的运算规则来进行各种运算，使运算简化，并且运算逻辑的实现也比较容易，所以大多数计算机系统都采用补码来表示整数。

小结：原码、反码、补码习题：请计算+57与-57的原码、反码、补码[+68][-68]原码0100010011000100反码0100010010111011补码0100010010111100小数的表示

定点数小数点位置固定浮点数小数点位置浮动1.3.4文本信息的表示

文本是文字信息在计算机中表示的统称，它是基于特定字符集的具有上下文相关性的一个字符流，每个字符均使用二进制编码表示。文本在计算机中的处理包括输入、编辑、存储、传输和显示等过程，每个环节对文本的编码都可能不同，下面介绍几种主要编码方案。

1.西文字符的编码

常用字符的集合叫做“字符集”。西文字符集由英文字母、数字、标点符号和一些特殊符号组成。字符集中的每一个符号都有一个代码，即字符的二进制编码。 目前计算机中使用得最广泛的西文字符集是ASCII字符集，其编码称为ASCII码，即美国标准信息交换码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），基本ASCII码采用一个字节表示一个字符，但只使用字节的低7位，所以可以表示0~27

共128个字符。其中96个是可打印字符，32个是控制字符。 7位的ASCII码称为标准ASCII码，8位的ASCII码称为扩充ASCII码。

表1.1ASCII码字符编码

b6b5b4b3b2b1b00000010100111001011101110000NULDLESP0@P`p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2"2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB'7GWgw1000BSCAN（8HXhx1001HTEM）9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS，<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N^n~1111SIUS/？O_oDEL要求：会读会比较会计算2.汉字的编码

中文文本的基本组成单位是汉字。目前我国汉字的总数超过6万，数量大，字形复杂，同音字多，异体字多，这就给汉字在计算机内部的表示与处理、传输与交换、输入、输出带来了一系列问题。

汉字输入码顺序码区位码、电报码……音码全拼、智能ABC……形码王码五笔、笔形码……音形码自然码、华夏码……汉字交换码——GB2312-80汉字编码

汉字编码方案有多种，GB2312-80是应用最为广泛的一种。GB2312-80是我国于1981年颁布的一个国家标准—信息交换用汉字编码字符集·基本集（GB2312-80），简称国标字符集，其编码称为国标码。国标码用两个字节编码一个汉字，并且规定每个字节只用低七位，即高位都为0。它对6763个常用汉字和682个其他基本图形字符进行了编码。GB2312国标字符集由三部分组成。第一部分为字母、数字和各种符号；第二部分为一级常用汉字，共3755个，按汉语拼音排列；第三部分为二级常用字，共3008个，因为不太常用，所以按偏旁部首排列。GB2312国标字符集构成一个二维平面，由94行和94列组成，其中的行号称为区号，列号称为位号。每一个汉字或符号都有一个唯一的区号和位号，将区号和位号放在一起，就构成了汉字或符号的区位码。例如，“文”字的区号是46，位号是36，所以它的区位码是4636。下图是GB2312-80字符集及区位分布情况。

图1.5

GB2312-80字符集及区位分

位码中的区号和位号都是十进制数，区位码与国标码之间的关系如下：国标码首字节=区号(二进制表示)B国标码尾字节=位号(二进制表示)B为了与ASCII码进行区分，必须将汉字转换为机内码存放在计算机内部。机内码首字节=国标码首字节B机内码尾字节=国标码尾字节B

汉字在计算机中的表示——方法1区位码国标码机内码的转换（方法1）“杭”的区位码2628区位码的二进制形式表示1101011100补足8位0001101000011100加固定值0010000B0010000000100000国标码0011101000111100首位置11011101010111100得到机内码（十六进制表示）BABC浙江警官职业学院大学计算机基础汉字在计算机中的表示——方法2直接用十六进制进行计算分别将区位码转换为十六进制区位码H,得到国标码：国标码H,得到机内码：区位码国标码机内码的转换（方法2）“杭”的区位码2628区位码的十六制形式表示1A1C加固定值2020H+2020国标码3A3C加固定值8080H+8080机内码BABC浙江警官职业学院大学计算机基础Unicode

随着国际互联网的迅速发展，进行数据交换的需求越来越大，不同的编码体系越来越成为信息交换的障碍，而且多种语言共存的文档不断增多，单靠ANSI代码页已很难解决这些问题，于是Unicode应运而生。

Unicode采用两个字节编码体系，因此它允许表示65536个字符，这已能满足目前大多数场合的需要。前128个Unicode字符是标准ASCII字符，接下来的128个扩展的ASCII字符，其余的字符供不同语言的文字和符号使用。其版本V3.0于2000年公布，内容包括字母和符号10236个、汉字27786个、韩文拼音11172个、造字区6400个、保留20249个，控制符65个。在Unicode中，ASCII字符也采用两个字节表示，这样，ASCII字符与其他字符的处理就统一起来了，这就大大简化了处理的过程。

汉字字库

汉字信息存储在计算机内采用机内码，但输出时必须转换成字形码，以人们熟悉的汉字形式输出才有意义。因此对每一个汉字，都要有对应的字的模型（简称字模）储存在计算机内，字模的集合就构成了字模库，简称字库。汉字输出时，需要先根据内码找到字库中对应的字模，再根据字模输出汉字。构造汉字字形有两种方法：向量（矢量）法和点阵法。向量法是将汉字分解成笔画，每种笔画使用一段的直线（向量）近似地表示，这样每个字形都可以变成一连串的向量。点阵方式又称“字模点阵码”。每一个汉字以点阵形式存储在记录介质上，有点的地方为“1”，空白的地方为“0”。例如，可以将“字”字画在图1.6所示的64×64的方格上，每一行为64位（8个字节），共64行组成一个汉字的字形码，即共需要8（字节）×64=512字节。

缩放困难，比较容易失真

图1.6用点阵组成的汉字字形

如果对显示或打印的质量要求不是很高，也可以采用16×16点阵或24×24点阵。表示一个16×16点阵的汉字的字形只要2（字节）×16=32字节。点阵规模越大，每个汉字存储的字节数就越多，字库也就越庞大。但字形分辨率越好，字形也越美观。大多数汉字信息处理系统把汉字字库存放在磁盘上，这样的字库称为“软字库”，使用时全部或部分调入内存储器，并通过专门的软件实现从汉字机内码转变为对应的汉字字模点阵码的地址，根据地址找到相应的字形码。

小数部分用计算器计算的方法：二进制—八、十六进制：先在后面补0，再计算八、十六进制—二进制：先计算，再在前面补0信息在计算机中的表示（图像）4.常用的数字音频文件格式常用的音频格式有WAVARAMP3WMAMIDI●RGB——红、绿、蓝R

GBRGBR数组—8bit表示(256阶梯)G数组—8bit表示(256阶梯)B数组—8bit表示(256阶梯)1.3.5图像数字化——彩色图像1.3.5图像数字化（1）取样。将画面划分为MN个网格，每个网格称为一个取样点。这样，一幅模拟图像就转换为MN个取样点组成的一个阵列。（2）分色。将彩色图像取样点的颜色分解成3个基色（如R、G、B三基色），即每个取样点用3个亮度值来表示，称为3个颜色分量；如果不是彩色图像（即灰度图像或黑白图像），则每一个取样点只有一个亮度值。（3）量化。对取样点的每个分量进行A/D转换，把模拟量的亮度值使用数字量（一般是8位到12位正整数）来表示。

1.3.5图像数字化 从现实世界中获取数字图像的过程称为图像的获取（Capturing），所使用的设备称为图像获取设备，如扫描仪、数码相机和数字摄像机等。图像获取的过程实质上是模拟信号的数字化过程，如图1.7所示它的处理步骤大体分为三步：取样、分色和量化。

图1.7图像的数字化过程

一幅不经压缩的图像数据量可按下面的公式计算（以字节为单位）:图像数据量=图像水平分辨率图像垂直分辨率像素深度/8由此可见，不压缩的图像数据量是非常大的，不利于平时的使用与传输。图像数据量的计算

图像数据压缩可分成两种类型无损压缩：哈夫曼（Huffman）有损压缩：JPEG编码常见图像格式BMPGIFJPEG1.3.5图像数字化－压缩和格式计算机系统1.4计算机系统

随着计算机功能的不断增强，应用范围不断扩展，计算机硬件系统也越来越复杂，但是其基本组成和工作原理还是大致相同的，一个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成，本节主要介绍计算机硬件系统的相关内容。

§4计算机系统硬件系统简称为硬件，是指组成计算机的物理设备的总称，它是由电子器件和机电装置组成的计算机实体。软件系统简称为软件，是指在计算机硬件设备上运行的各种程序、数据和相关资料的总称，而程序是由计算机最基本的操作指令组成，计算机所有指令的集合称为机器的指令系统。

1.5计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。例如计算机的处理芯片、主板、机箱、键盘、鼠标、显示器、打印机、软盘、硬盘等等。从硬件体系结构来看，计算机硬件系统采用的基本上还是计算机的经典结构——冯·诺依曼结构，即由运算器（Calculator，也叫算术逻辑部件ALU）、控制器（Controller）、存储器（Memory）、输入设备（InputDevice）和输出设备（OutputDevice）5大部件组成，其中的运算器和控制器构成了计算机的核心部件—中央处理器（CenterProcessUnit，简称CPU）。冯·诺依曼（VonNeumann）计算机模型核心思想计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。计算机内部采用二进制形式表示信息。计算机的工作原理是采用存储程序、程序控制原理。图1.13计算机硬件的体系结构

控制器运算器输出设备存储器输入设备指令流控制流数据流1、运算器运算器是计算机中运算数据和执行指令的部件，它由算术逻辑单元ALU、寄存器和一些控制门电路等组成。2、控制器控制器是计算机中的指挥中心，其功能是解释指令的含义，控制运算器的操作和记录内部状态。它由指令寄存器、指令译码器、指令计数器、时序电路和控制电路组成。3、存储器：存储器是用来保存如数据、程序和运算结果等信息的，存储器可分为两大类：⑴内部存储器只读存储器（简称ROM）：其特点是容量较小，只能读不能写，计算机断电后信息不会丢失。随机存取存储器（简称RAM）：又称为读写存储器，其特点是容量相对较大，计算机运行时可随时读取和写入信息，计算机断电后信息将全部丢失。⑵外部存储器：其特点是容量大、价格低、信息可长期保存，存储速度较慢，而且不能被计算机系统中的其他部件直接访问，只能与内存储器交换信息。4、输入设备将原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码输入到存储器中，以供系统调用和处理。5、输出设备将计算机处理的数据、运算结果等内部信息转换为人们能够接收的信息，然后将其输出。一、中央处理器（CPU）CPU的组成CPU是计算机的核心部件，包括运算器、控制器和寄存器阵列等部件构成组成。运算器：对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控制器：CPU的指挥中心，解释指令的含义，控制运算器的操作，记录内部状态。寄存器：临时存放参加运算的数据和计算的中间结果。一、中央处理器（CPU）CPU的组成CPU是计算机的核心部件，包括运算器、控制器和寄存器阵列等部件构成组成。运算器：对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控制器：CPU的指挥中心，解释指令的含义，控制运算器的操作，记录内部状态。寄存器：临时存放参加运算的数据和计算的中间结果。一、中央处理器（CPU）CPU的性能指标：CPU主频主频是CPU工作的时钟频率，是指计算机CPU在单位时间内工作的脉冲数。主频的单位是MHz或GHz。高速缓冲存储器（Cache）Cache是位于CPU和内存之间的规模较小但速度很高的存储器。CPU中往往集成了一级缓存（L1Cache）和二级缓存（L2Cache），从而大大提高CPU的处理速度。二级缓存的容量还成为衡量CPU性能的重要指标。字长所谓字长就是CPU一次所能处理的最大的二进制数据的位数。指令集指令集是指CPU能够执行的全部指令的集合。指令集指令集是指CPU能够执行的全部指令的集合。不同CPU的指令系统是不同的。指令是一种采用二进制表示的命令语言，它用来规定计算机执行的操作及操作对象所在的位置。指令一般由两部分组成：操作码和操作数。如Intel公司推出MMX（MultiMediaeXtension，多媒体扩展指令集）指令集和SSE、SSE2指令集，由AMD公司提出的3DNow!和3DNOW！+指令集等图1.14

CPU的外观

图1.15

CPU的组成及其与内存的关系

内存储器外存储器

购买硬盘时需要考虑：(1)容量4TB/3TB/2TB/1.5TB/1TB/500GB(2)转速

7200rpm/5900rpm/5400rpm(3)价格

几百到上千图1.20硬盘

光盘存储器的分类

光盘存储器可以分为只读型光盘、一次写入型光盘和可擦写型光盘三种类型。光盘驱动器只读型光盘驱动器：其主要性能指标就是数据传输率，它的标称方法以第一代光盘驱动器的传输速率（150Kb/s）的倍数来表示。刻录机：其性能指标最主要的是信息的读取速度和最大CD刻录速度。移动存储设备

常见的移动设备有“优盘”和“移动硬盘”两种，他们共同的特点是可以反复存取数据，不需要另外的设备。图1.21优盘图1.22移动硬盘

4.常用输入/输出设备常用输入设备键盘

鼠标

笔输入设备扫描仪数码相机常用输出设备

显示器显示器是计算机必不可少的一种图文输出设备，通常由两部分组成：监视器和显示控制器，监视器就是我们日常所说的“显示器”，显示控制器是主机内的一块扩展卡，就是通常说的“显示卡”，或简称“显卡”，它们都是独立的产品。计算机使用的显示器主要有两类：CRT显示器和液晶显示器。

图1.25液晶显示器图1.26显卡

打印机

打印机也是PC机的一种常用输出设备，用来把字符、图形、图像打印在纸上。主要分为：击打式：主要是指针式打印机非击打式：主要有激光打印机和喷墨打印机。主要的性能指标分辨率：指在打印输出时横向和纵向两个方向上每英寸最多能够打印的点数，可用dpi表示。打印速度：指打印机每分钟打印输出的纸张页数，单位用PPM（PagesPerMinute）表示。主板计算机的各个部件都是通过主板相结合，主板性能的好坏对计算机系统的性能影响很大。主板是CPU、显卡、声卡、网卡等设备的工作平台，它的性能直接影响系统的综合性能。

北桥芯片组：负责与CPU的接口，控制Cache、内存及AGP接口数据的传输和转换。南桥芯片组：负责I/O接口以及IDE设备的控制等。CPU往往必须和主板芯片组搭配才能发挥最佳性能。

主板的结构

主板的类型千差万别，形态各异，但是基本的结构大致相同总线⑴数据总线（DBUS）用来传输数据信息，它是双向传输的总线。

⑵地址总线（ABUS）用来传输地址信息，通常是单向传输的，由中央处理器发出，用于指定内存的某个存储单元的地址或输入输出接口的地址。

⑶控制总线（CBUS）用来传送控制信号、时序信号和状态信息等

1.5.4微型计算机的主要性能指标微型计算机功能的强弱或性能的好坏是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。评价计算机的性能主要有以下指标：运算速度存储容量系统的可靠性⑴运算速度计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数，它是一项综合性的性能指标。单位为每秒百万条指令(简称

MIPS)。影响运算速度主要因素有:CPU的主频：即CPU运算时的工作频率。字长：又称“数据宽度”，是计算机进行数据处理时一次存取、加工和传送的数据长度。内存储器存取速度与容量输入输出数据传输速率

指令系统的合理性：指令系统功能的强弱直接影响系统的性能。⑵存储容量主要指计算机硬盘容量大小，直接反映计算机存储信息能力。⑶系统的可靠性 一般以无故障时间来衡量1.6计算机软件系统

计算机软件也是计算机系统重要的组成部分，如果把计算机硬件看成是计算机的躯体，那么计算机软件就是计算机系统的灵魂。没有软件支持的计算机称为“裸机”，只是一些物理设备的堆砌，几乎是不能工作的。

计算机软件的定义程序≠软件计算机软件是指计算机程序、数据及其相关文档的总和。软件的分类计算机软件可以分为系统软件和应用软件两大类。

系统软件（注意具体例子）系统软件主要包括：操作系统：在软件系统中居于核心地位，负责对所有的软、硬件资源进行统一管理、调度及分配。是用户和计算机的一个接口。程序设计语言：供程序员编制软件，实现数据处理的特殊语言，语言处理程序提供对程序进行编辑、解释、编译、连接的功能。数据库管理系统（DBMS）

系统服务程序编辑程序连接装配程序测试、诊断程序应