第1章 计算机基础知识

蚌埠学院

计算机文化基础教程

计算机科学与孩木东

第1章计算机基础知识

1.1计算机概述

1.2计算机组成及工作原理

1.3微型计算机硬件与软件

1.4微型计算机的分类与主要技术指标

1.5计算机中的信息处理

1.6微型机的使用

1.1计算机概述

1.1.1计算机的概念

1.1.2计算机的发展

1.1.3计算机的分类

1.1.4计算机的应用领域

1.1.1计算机的概念

计算机是一种能快速、高效地对各种信息进行

存储和处理的电子设备。具有以下几个特征：

⑴运算速度快

⑵精确度高，可靠性好

⑶具有记忆能力和逻辑运算能力

（4）能自动执行命令

⑸高性能的实时通信和交流能力

（6）信息表达形式的直观性和使用的方便性

1.1.2计算机的发展

i.计算机的诞生

世界上第一台电子数值积分计算机诞生于1946年。

2.计算机的发展历程

计算机从处理数据的方法上分成模拟式计算机和数字

式计算机。

模拟机是以连续变化的物理量表示所测量的数据来模

拟某一变化过程，它主要用于仿真研究。数字机则以数字

量表示数据。模拟机所做的工作都可由数字机来完成。

按照计算机所用的逻辑元件（电子器件）来划分计算

机的时代：

⑴第一代电子计算机（1946年到1958年）：基本逻辑电路由

电子管组成。

⑵第二代电子计算机（1958年到1964年）：基本逻辑电路

由晶体管电子元件组成。

⑶第三代电子计算机（1964年到1970年）：基本逻辑电路

由中、小规模集成电路组成。

（4）第四代电子计算机（1970年以后）：采用大规模、超大

规模集成电路构成逻辑电路。

3.计算机发展趋势

当前计算机的发展趋势概括为四化：巨型化、微型化、

网络化、智能化和多媒体化。

⑴微型化

芯片的集成度越来越高，计算机的元器件越来越小,

而使得计算机的计算速度快、功能强、体积小、价格低。

⑵巨型化

为了满足尖端科学技术、军事、气象等领域的需要,

计算机也必须向超高速、大容量、强功能的巨型化发展。

巨型机的发展集中体现了计算机技术的发展水平。

⑶网络化

计算机网络可以实现资源共享。资源包括了硬件

资源，如存储介质、打印设备等，还包含软件资源和

数据资源，如系统软件、应用软件和各种数据库等。

(4)智能化

智能化是未来计算机发展的总趋势。这种计算机

除了具备现代计算机的功能之外，还要具有在某种程

度上模仿人的推理、联想、学习等思维功能，并具有

声音识别、图像识别能力。

(5)、多媒体化

现代计算机不仅用来进行计算，还能综合处理声音、图像、

文字、视频和音频信号。

1.1.3计算机的分类

1、按规模和综合性能指标分类

1）巨型机：运算速度快，可达到数百亿次/秒。处理能力最强：航天、

气象等尖端领域。我国的“银河”、“神威”和“曙光”等

2）大型机：运算速度在100万〜几千万次/秒，大型、通用、速度较快、

功能较强。作“客户机/服务器”的服务器、“终端/主机”的主机

3）中型机：性能和规模处于大型机和小型机之间。

4）小型机：结构简单、规模较小、操作简单。设计试制周期短，工艺先

进、使用维护简单

5）微型机：体积小、价格低、功能全、操作方便。

6）工作站：易于联网、有大量内存、配置大屏幕显示器、图形功能和的

网络通信功能较强。

2、按用途功能分类

通用机：通用性强，综合能力强，适应性强，解决各

种问题。用于科学计算、数据处理和信息管理

专用机：特殊配置，功能单一，解决特定问题。高速

度、高效率；经济性、适应性差。用于工业控制、

军事、国防等专用设备

3、按工作原理分类

模拟式计算机。

数字式计算机。

1.1.4计算机的应用领域

1.科学计算6.娱乐与文化教育

2.自动控制7.产品艺术造型设计

3.信息处理8.计算机通信

4.人工智能9.电子商务

5.计算机辅助设计

1.2计算机组成及工作原理

计算机系统结构

1.2.1计算机的基本结构

1.2.2总线结构

「控制器

微叶厂微处理器（CPU）Y

型哲L运算器

总线系统（bus）,

计—F随机存储器（RAM）

J内存储器（内存）|

算1只读存储器（ROM）

J

)

机「软盘

「外存储器（外存）Y

系硬盘

统光盘

遂键盘

结首

输入设备（Input）

构斗鼠标

鞭扫描仪

图告

洲显示器、投影机

打印机

激输出设备（Output）

绘图仪

淑「操作系统

渗

与语言处理程序

I

3

*

寺数据库管理系统

s

刑I网络通信管理程序

渗—

」■应用软件包

工用户程序

1.2.1计算机的基本结构

1.冯•诺依曼型计算机的基本结构

1945年美籍匈牙利科学家冯•诺依曼(VonNeumann)提

出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含3个

要点：

⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。

⑵将指令和数据存放在存储器中。

⑶计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输

出设备5大部分组成。

其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”，

就是通常所说的“顺序存储程序”概念。我们把按照这一

原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。

冯•诺依曼型计算机的基本结构

中外（辅助）存储器

;：

存储器1

输入设备S3输出设备

图122硬件系统中五大功能部件

说明：-表示控制流<=>表示数据流

1.2.2总线结构

所谓总线，是指微型计算机各部件之间

传送信息的通道。CPU内部的总线为内部

总线，连接微型计算机系统各部件的总线

称为外部总线。

总线结构图

地址总线

CPU

数据总线

控制总线

微型计算机的系统总线从功能上分为地址总线、

数据总线和控制总线。

1.地址总线

地址总线是单向的。地址总线的位数决定了CPU

的寻址能力，也决定了微型机的最大内存容量。

2.数据总线

数据总线用于传输数据。数据总线的传输方向是

双向的，是CPU与存储器、CPU与I/O接口之间的双

向传输。

3福）总*线（

控制短线是CPU对外围芯片和I/O接口的控制以

及这些接口芯片对CPU的应答、请求等信号组成的总

线。

1.3微型计算机硬件与软件

■1.3.1计算机硬件系统

■1.3.2微型计算机硬件发展展望

-1.3.3计算机软件系统

1.3.1计算机硬件系统

微处理器CPU

是计算机中最关键的部件，它由控制器、运算器、寄

存器组和辅助部件组成。

运算器：用来进行算术运算和逻辑运算的元件。

控制器：从存储器中取出指令、分析指令、确定指令

类型并对指令进行译码，负责向其他各部件发出控制信号。

寄存器：用来存放当前运算所需的各种操作数、地址

信息、中间结果等内容。

几种类型的CPU（奔腾4、赛扬D、AMD）

AMDAM2Sempron2800+

Pentium4506+2.66GCeleronD3463.06G

（64位/940Pin）

接口类型：LGA775接口类型：LGA775

接口类型：SocketAM2

CPU主频：2.66CPU主频：3.06G

CPU主频：1.6GHz

针脚数（Pin）：775针脚数（Pin）：775

针脚数（Pin）：940

CPU外频：CPU外频：133MHz

CPU外频：200MHz

制作工艺：0.09微米制作工艺：0.09微米

制作工艺：0.09微米

二级缓存容量：1M二级缓存容量：256K

二级缓存容量：128K

CPU类型：台式机CPU类型：台式机

CPU类型：台式机

64位技术：支持64位技术：支持

64位技术：支持

二、存储器

存储器是计算机的记忆部件，负责存储程序和数据。存

储器一般分为内存储器和外存储器

J主存储器（内存）

存储器i辅助存储器（外存）

J随机存储器RAM

内存L只读存储器ROM

1、内存储器

ROM存放固定不变的程序、数据和系统软件；其

中的信息只能读出不能写入；断电后信息不会丢失。

RAM是一种读写存储器，其内容可以随时根据需

要读出或写入；断电后信息丢失。

常见的几种内存条

关于存储的几个重要概念

位：是计算机中存储数据的最小单位。指二进制数中

的一个位数，其值为“0”或“1”，其英文名为“bit”。

字节：是计算机存储容量的基本单位，计算机存储容

量的大小是用字节的多少来衡量的。其英文名为

“byte”，通常用表示。

字节经常使用的单位还有KB（千字节）、MB（兆

字节）和GB（千兆字节）等，它们与字节的关系是：

1B=8bit

1KB=21OB=1024B

1MB=210X1KB=210X210B=1024KB

1GB=210X1MB=210X210X210B=1024MB

字：是计算机内部作为一个整体参与运算、处理和

传送的一串二进制数，其英文名为“Word”。

字长：是计算机CPU一次处理数据的实际位数，是

衡量计算机性能的一个重要指标。

字长越长，一次可处理的数据二进制位越多，运算

能力就越强，计算精度就越高。

2、外部存储器

外部存储器包括软盘存储器、

硬盘存储器、光盘存储器、磁带存

储器等几大类。

・软盘存储器

写保护口，现处于保护状态

3.5寸磁盘外形

旋转方向

磁盘内部

3.5寸磁盘内部结构示意图

2.硬盘存储器

3.光盘存储器

光盘(OpticalDisk)是利用激光进行

读写信息的盘。

光盘及光盘驱动器

4.其他外部存储设备

光盘库磁带机

AGP外设

三、主板PCI接口

插槽插槽

H心-H片NL

CPU

插座

-心4-H片|_L

IDE插槽PCI插槽

1.CMOS只读存储器

CMOS只读存储器中装载着BIOS程

序。BIOS负责处理主板与操作系统之间

的接口问题。

2.I/O扩充插槽

在主板上备有一些扩充插槽，用

来插入部件或连接外部设备。

3.外围设备连接口

USB接口串口

_________.I（9针）

四、输入设备

1.键盘鼠标

104键盘

3.扫描仪

4.光笔

5.数字化仪

数字化仪是一种图形输入设备，它可将各种

图纸的图形信息转换成计算机可识别的数字信号

输入计算机中。它与绘图仪一起常用于工程设计

单位。

6.麦克风

利用话筒可以进行语音输入。其硬件系统是

由声卡和话筒（麦克风）组成。

7.数码相机

8.其他输入设备

条形码阅读器游戏手柄

五、输出设备

输出设备是用来输出经过计算机运算或处理后

所得的结果，并将结果以字符、数据、图形等人们

能够识别的形式进行输出。常见输出设备有显示器、

打印机、投影机、绘图仪、声音输出设备等。

1.显示器

显示器显示控制适配器（显卡）

显示器的主要技术指标有屏幕尺寸、点距、显示分

辨率和颜色深度及刷新频率。

分辨率：屏幕能显示像素的数目，像素是可以显示的最

小单位。分辨率越高，则像素越多，能显示的图形就越

清晰。

点距：两个像素点之间的距离，点距越小图像越清晰。

颜色深度：指计算机中表示色彩的二进制位数

刷新频率：指每秒钟内屏幕画面刷新的次数。刷新频率

越高，画面闪烁越小，通常是75Hz〜90Hz。

3.绘图仪

4.声音输出设备

声音输出设备包括声卡和扬声器两部分。声

卡可分为8位、16位、32位、64位，位数越高，效

果越好。

声卡的总线接口有ISA和PCI两种，PCI已经

成为主流。声卡除了发声以外，还提供录入、编

辑、回放数字音频和进行MIDI音乐合成的能力。

扬声器主要有音箱和耳机两类。

半

K

I

u

d

5.投影机

六、电源与机箱

微机电源要求输入220V、50Hz的交流电，

经过变压整流稳压后，输出四种直流电，供微

机不同部件使用。

如果对供电可靠性要求较高可使用不间断电

源(UPS)o

UPS电源

1.3.2微型计算机硬件发展展望

1.功能强大

微机的运算速度、存储器容量大大加强。

2.微型化、集成化

半导体材质不断改进，目前已研制出了铜芯片,

使计算机的结构与形式发生了变化。如笔记本电脑、

掌上电脑。

笔记本电脑掌上电脑

1.3.3软件系统

相关概念：

程序:为了让计算机完成某种操作任务,

而编写的能被自动识别、转化和执行的

符号化指令（语句）序列。

文档：用自然语言来描述程序的内容、组成、

功能、设计、开发和使用说明的文字资料或

图表。

软件：计算机程序及其相关文档的集合。

软件系统又可分为和两大类。

1.系统软件

系统软件是管理、监控、维护计算机资源(包

括硬件与软件)的软件。包括：

⑴操作系统

⑵程序设计语言

⑶各种程序设计语言的处理程序

(4)工具软件

用来控制和管理系统资源、方便用户使用计算机

的程序的集合，是人一机交互的接口。

操作系统的功能

CPU的控制与管理

不存的?配与管理______2

一pb部设备的控制与管理

厂1文件管理

作业管理和控制

操作系统的分类

单用户单任务

单用户多任务

多用户多任务分时

网络\

UNIX

WindowsNTLinux

操作系统用户界囱

命令行界面

IQMicrosoftPowerPointHEIB

文件国）编辑幽）视图包）插入9格式@）工具位）

幻灯片放映①）窗口也）帮助

DS昌少尉骷

I宋体▼40▼B/

曾HHJC-2a

□

窗口图形界面绘图®▼5&I自选图形也▼\\□O

幻灯片8/50通用信息面法）/

2.应用软件

应用软件是用户为了解决实际问题

而编制的各种程序。如各种工程计算、模

拟过程、辅助设计和管理程序、文字处理

和各种图形处理软件等等。

1.4微型计算机的分类与主要技

术指标

1.4.1微S1计算机的分类

1.4.2微型计算机的主要技术指标

1.4.1微型计算机的分类

(1)按字长可分：8位机、16位机、32位机和64位机等。

(2)按结构可分：单片机、单板机与多芯机、多板机等。

(3)按用途可分：工业过程控制机与数据处理机等。

(4)按CPU芯片型号可分：P4机、赛扬机和AMD微机等。

(5)组装形式分：兼容机和品牌机

1.4.2微型计算机的主要技术指标

1.字长

字长是指计算机能直接处理的二进制信息的

位数。

2.运算速度

运算速度是指计算机每秒钟能执行的指令条

数。单位是次/秒或百万次/秒。

3.时钟频率（主频）

时钟频率是指CPU在单位时间（s）内发出

的脉冲数。时钟频率越快，计算机的运算速度也

越快。主频的单位是兆赫兹（MHz）。

4.存取速度

存储器连续进行读/写操作所允许的最短

时间间隔，称为存取周期。存取周期越短，则

存取速度越快，它是反映存储器性能的一个重

要参数。通常，存取速度的快慢决定了运算速

度的快慢。

5.存储容量

⑴内存容量。指内存储器能够存储信息的总字节数。

容量越大，运行速度越快。

⑵外存容量。指外存储器所能容纳的总字节数。

6.外部设备的配置

主机所配置的外部设备的多少和好坏，也是

衡量计算机综合性能的重要指标。

7.软件的配置

丰富的软件可以充分地发挥计算机的效率,

方便用户的使用。

8.可靠性、可用性和可维护性

可靠性是指在给定时间内，计算机系统能

正常运转的概率。可用性是指计算机的使用效

率。可维护性是指计算机的维修效率。可靠性、

可用性和可维护性越高，则计算机系统的性能

越好。

1.5计算机信息处理原理

1.5.1数制基础

1.5.2数制换算

1.5.3数据编码

1.5.1数制基础

1.数制定义

用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数

目的方法称为数制。数制有进位计数制与非进位计

数制之分，目前一般使用进位计数制。

计算机中常使用二进制、十进制、八进制、十

六进制等。

2.十进制数

十进制数的数码为0、1、2、3、4、5、6、7、8、

9共10个，进数规则为逢十进一，借一当十。

3.二进制数

二进制数的数码为0、1共2个，进数规则为

逢二进一，借一当二。

4.八进制数

八进制数的数码为0、1、2、3、4、5、6、7共8

个，进数规则为逢八进一，借一当八。

5.十六进制数

十六进制数的数码为0、1、2、3、4、5、

6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共16个,

其中数码A、B、C、D、E、F分别代表十进

制数中的10、11、12、13、14、15,进数规则

为逢十六进一，借一当十六。

1.5.2数制换算

1.十进制数、二进制数、八进制数和十六进制数的

对应关系如表所示。

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

000091001119

111110101012A

2102211101113B

3113312110014C

410044-I110115D

51015514111016E

666111117F

T~I

71117716100002010

__________121

81000108171000111

2.十进制数换算成二进制、八进制、十六进制数

将一个十进制数转换为二进制、八进制、十六进制数

时，其整数部分和小数部分分别用“除R取余法”和“乘

R取整法”转换，然后将结果加小数点三部分合在一起

（R为某进制的基数）。

转换规则如下：

•整数部分：用除R取余法转换。将十进制的整数部分除

以R,得到一个商数和余数；再将这个商数除以R,又得

到一个商数和余数；反复执行这个过程，直到商为0为止。

将每次所得的余数从后往前读（先得的余数为低位，后得

的余数为高位）即为等值的二进制数。

2.十进制数换算成二进制、八进制、十六进制数

・小数部分：用乘R取整法转换。将小数部分乘以R,

记下乘积的整数部分，再用余下的纯小数部分乘以R,

记下乘积的整数部分；不断重复此过程，直至乘积小

数部分为0或已满足要求的精度为止。将所得各乘积的

整数部分顺序排列（先得的整数为高位，后得的整数

为低位）即可。

例：将(35.6875)10转换为二进制数。

①用除2取余法将整数部分(35)1。转换为二进制整数：

2L35_余数为1低位

2|[7余数为1

218余数为0

214余数为0

212余数为0

2|1余数为1高位

0

故：(35)io=(100011)2

验证：1X25+0X24+0X23+0X22+1X21+1X2°=32+2+1=35

②用乘2取整法将小数部分(0.6875)1。转换为二进制形式：

0.6875

X2

1.3750……整数部分为1高位

0.3750

X2

0.7500……整数部分为0

0.7500

义2

L5000...整数部分为1即：(0.6875)[0=(0.1011)2

0.5000

X2

1.0000……整数部分为1低位

③整数部分与小数部分合并，可得:

(35.6875)10=(100011.1011)2

注意：

在上例中，将十进制小数转换成为二进制小数

的过程中，乘积小数部分变成“0%表明转换

结束。实际上将十进制小数转换成二进制、八

进制、十六进制小数过程中小数部分可能始终

不为零，因此只能限定取若干位为止。

将十进制数转换为八进制、十六进制数的规则

和方法与之相同，只是R(基数)的取值不同。

3.二进制数与八进制、十六进制数间的

转换

因为23=8,24=16,

所以，一位十六进制数可由四位二进制数来表示

一位八进制数可由三位二进制数来表示。

作反向转换：

三位二进制数可用一位八进制数表示

四位二进制数可用一位十六进制数来表示

二进制数转换为八进制、十六进

制数

转换原则：以小数点为中君分别向前、后每三(或

四)位一组，不足三(或四)位时以“0”补足，并将

每组二进制数转换为相应的八(或十六)进制数即可。

例：将二进制数11010111100.11011转换为八进制数和

十六进制数。

(11010111100.11011)2=(011111.110110)2=

(3274.66)8

(11010111100.11011),=(01011.11011000),=

(6BC.D8)16

八进制、十六进制数转换为二进制数

转换原则：将每位八进制(或十六进制)数码用相

应的三位(或四位)二进制数来代替，再去掉整数

首部的零和小数尾部的零即可。

例：将八进制数214.74和十六进制数1C2.A4转换为

二进制数。

(214.74)8=(010001100.111100)2=(10001100.1111)2

(1C2.A4)16=(000111000010.10100100)2=

(111000010.101001)2

1.5.3数据编码

规定用什么样的二进制码来表示字母、数字以

及专门符号。有两种字符编码方式：ASCII码和

BCD码。

1.BCD码

BCD码：二〜十进制编码

采用若干位二进制数码表示一位十进制数的编码

方案。BCD码的编码方案很多，8421码是最常用的一

种。

十进制数8421编码十进制数8421编码

0000081000

1000191001

200101000010000

300111100010001

401001200010010

501011300010011

601101400010100

701111500010101

2.ASCH码

目前，国际上使用的字母、数字和

符号的信息编码系统是采用美国标准信息

交换码(AmericanStandardCodefor

InformationInterchange),简称为

ASCII码。它有7位码版本和8位码版本两

种。

ASCII码表

%b6b,

000001010Oil100101110111

*

0000NULDLESP0@Pp

0001SOHDC1I1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3野3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETBJ7GWgw

1000BSCAN(8HXhX

1001HTEM)9IYiy

♦

1010LFSUB•JZJz

1011VTESC+K[k(

<

1100FFS9L\11

1101CRGS-=M]m}

1110SORS•>NAn

miSIUS/?0.0DEL

3.汉字编码

汉字编码比常用字符的编码要复杂得多，这是因

为汉字的数量比较多，而且汉字的字形也是复杂多变。

⑴汉字输入码

汉字输入码是指用户从键盘上输入汉字时所使用

的编码。

⑵汉字交换码（国标码）

我国制定了“中华人民共和国国家标准信息交换

汉字编码”，代号为“GB2312-80”，又称国标码。

国标码规