《大学计算机基础》第1章计算机基础知识2

大学计算机基础

〉教学课件(

北京航空航天大学

1

内容提要

L一层次广^二层次

第1章计算机基础知识子课程L数据库技术基础

第2章计算机系统

子课程2：网页设计与制作

子课程4：多媒体动画设计

第6章程序设计基础子课程5：软件工程基础

2

<〉

第1章计算机基础知识

2学时

本章重点

■计算机的发展史、特点及应用

■进位计数制及其转换

■原码、反码、补码的概念

■字符和汉字编码

1.1概述

♦1.1.1电子计算机的产生

♦1.1.2计算机发展的几个阶段

♦1.1.3计算机的特点和应用

♦1.1.4计算机的分类

5

电子计算机的产生

类追求的计算工具=

6

第一台电子计算机

ENIAC

＞5000次加法/秒

＞体重30吨

＞占地170M2

＞18800只电子管

＞1500个继电器

＞耗电150KW

＞耗资40万美元

7

冯・诺依曼思想

■程序和数据用二进制表示

■程序存储的概念

■计算机由五个基本部分组成

8

电子恐龙的缩骨法一晶体管

晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的

电子管的缺点：晶体管的优点：

体积大；体积小；

耗能高、散热量大。耗能低；

性能稳定。

ENIAC划时代的实验装置

9

第三代计算机

集成电路

厂也于元件

隹成电路指包含精细电路的硅晶片，

采用中、小呆有时小于平方厘米，集成电路

1~~一.一厂--=>・

口向3团尸O国像的©0。

规模集成电应用广泛，从简单的记忆电路到包含8®册盟碍理滁

数百万电子元件的中央处理器（CPU）■克。地回同回回黜

路代替了独都是集成电路家族中的一员。

集成电路

立元件晶体；子当回回衿］4@向》回回¥回

管。连接线

塑料底座

10

晶

体

管

数

目

11

■计算机第一定律一摩尔定律

单

位

19)75198198519do19

晶

时

体10MSOO

(tranststors)

//2000师6)间

百

管

1MPentkm,v25

执

4.万

数cnProoessor

80436

每

行

10OKaoaae1.0

秒

1廊286的

1OK._______0.1

指

^080

令

^40040.01

数

计算机有ycpu性能

每露B个月,集成:度）觥期一番,速度

将提高一一倍，F而其价格）邰金低一二半。

1J.2计算机发展的几个阶段

■根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展

分为四个阶段

第一代第二代

（1946^1959）（1959~1964）

电子管晶体管

5千~几万（次/秒）几万~几十万

（次/秒）

第三代第四代

（1964~1972）（1972~至今）

中、小集成电路大规模集成电路

几十万~几百万上千万~万亿

（次/秒）（次/秒）

13

美国夺得全球最快超级计算机宝座

“红杉”（Sequoia）

14

■采用了CPU+GPU的混合架构，总计20多万颗

处理器核心，造价在6亿人民币以上。1

■sil

“曙光星云”超级计算机名列第十

曙光星云高效能计算机系统

DAWNINGNEBULAE

N

系统运算峰值达到3petaflop/s,

是中国第一、世界第三台实现双精度浮

点计算超千万亿次的超级计算机。16

1J.3计算机的特点和应用

■计算机的特点

＞高速、精确的运算能力

＞准确的逻辑判断能力

＞强大的存储能力

＞自动功能

＞网络与通信功能

计算机在信息社会中的应用

计算机的应用十分广泛工商:电子商务、AD/CAM

教育：多媒体教育、远程教育

医药：CAT、MRI、远程医疗

政府：电子政府I,娱乐:虚拟现实、影视特技

士'»

科研：数据采集、计算分析家庭：家庭信息化虑4

18

计算机的主要应用领域

其它领域：

CAD/CAM/CIMS

网络通信

人工智能

多媒体应用

嵌入式

19

LL4计算机的分类

按速度等指标分类

r专用计算机

按用途及使用范围分类Y

I通用计算机

■

20

<A

1.2计算机科学研究与应用

RAa能傕〜4.云计算

12.网格计算

13.中间件技术I

21

L3未来计算机的发展趋势

■未来新的一代

■发展趋势

＞模糊计算机

＞巨型化

＞生物计算机

A微型化

＞光子计算机

＞网络化

＞超导计算机

A智能化

＞量子计算机

22

1.4信息的表示与存储

1.4.1数据与信息

1.2.2计算机中的数据

123计算机中数据的单位

1.2.4进位计数制及其转换

1.2.5数值的编码

1.2.6字符的编码

23

1.4.1数据与信息

数据：是信息的载体

信息：数值、文字、语音、图形和图像。

信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理。

24

1.4.2计算机中的数据

|ENIAC采用十进制

|冯•诺依曼研制IAS时，

|提出了二进制的表示方法

二进制的优点

物理上容易实现，信息的存储更加容易,

可靠性强，运算简单，通用性强

25

数据在计算机中的转换

输入设备输出设备

r

内存

数值十一二进制转换二一十进制瞽数值

西文ASCII码西文字形码西文

汉字输入码一机内码转换汉字字形码汉字

声音、图像模/数转换数/模转换声音、图像

26

L4.3计算机中数据的单位

位度量数据的最小单位

字节存储容量的基本单位

字长

计算机一次能够并行处理的二进制数

27

数据的单位

字节1Byte=8bit

千字节1KB=1024B

兆字节1MB=1024KB

吉字节1GB=1024MB

太字节1TB=1024GB

拍字节1PB=1024TB

艾字节1EB=1024PB

28

1.4.4进位计数制及其转换

■进位计数制

■进位制中的三个要素：

＞数码：数制中固定的基本符号

＞基数：某种进位制所包含的的数字符号（或

数码）的个数。N进制的基数是N。

＞位权：在某种进位制中，各数码的位权是以

该进位制的基数为底的幕次方。

问：十进制数9788的基数、各数码的位权分别是多少?

29

常用的进位制

数制类型基数数码权形式表示

二进制20,121B

八进制80,1,2,3,4,5,6,781O

十进制100,1,2,3,4,5,6,7,8,9101D

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,

十六进制16161H

A,B,C,D,E,F

二一不同\进制数的表示方法、h

在该数的后面加上字母B（二进制）、0（八进制）、

D（十进制）、H（十六进制）来表示。

例：（10100101）B表示二进制数。

30

不同进制数的对照表

-H吐制（D）3制（D）八进制（O）十六进制（H）

0000

1111

21022

31133

410044

510155

611066

711177

81000108

91001119

10101012A

11101113B

12110014C

13110115D

14111016E

15111117F

31

不同进制间的转换

〉〈十进制

R进制〉■

■〈十进制

R进制＞＞—

八进制:一

，＜［十六进制

■转换基本原则：

对整数部分和小数部分分别进行转换

32

R进制转换为十进制

R进制十进制

方法把各个R进制数按权展开求和

运用三要素：

数码、基数、位权

33

十进制表示形式

任意一个十进制数D,可表示成如下形式：

n1n21

(D)10=Dn.lX10-+Dn_2x10-+--+D1X1O+Dox1O0

1-2-m+1m

+D^xIO+D_2X10+■-+D.m+1x1O+D.mx1O

式中Dj是数码，其取值范围为。〜9；i为数码的编号(整数位

取n・1〜0,小数位取・1〜・m)；10为基数。

21

例：(123.45)D=1X10+2X10+3X10°

+4X10-1+5X10-2=(123.45)D

34

二进制表示形式

任意一个二进制数B,可表示成如下形式：

n2

(B)2=Bn-ix2n・1+Bn-2x2-++B〔X21+B0x2°

-2-m+1-m

+B.[X2"+B.2X2+--+B.m+1x2+B.mx2

式中Bj是数码，其取值范围为。〜1；i为数码的编号（整数

位取n・1〜0,小数位取・1〜・m）；2为基数。

21

例：(110.01)B=1X2+1X2+0X2°

12

+0X2-+1X2-=(6.25)D

35

八进制表示形式

任意一个八进制数Q,可表示成如下形式：

xn-1n-21-1

(Q)8=Qn-i8+Qn_2x8+■■■+Q-jxS+Q0x8°+Q^XS

-2-m+1-m

+Q.2X8+■..+Q.m+ix8+Q.mx8

式中Qi是数码，其取值范围为。〜7；i为数码的编号(整数位

取n・1〜0,小数位取・1〜・m)；8为基数。

例：八进制(123.45)o=1X82+2X81+3X8°

1

+4X8-+5X8-2=(83.578125)D

36

十六进制表示形式

任意一个十六进制数H,可表示成如下形式：

n21

(H)16=Hex16n-1+Hn.2x16-++H1X16+H0x16°

2m+1m

+H-X16-1+H2x16-++Hm+1x16-+Hmx16

式中Hj是数码，其取值范围为0〜F；i为数码的编号(整数位

取n・1〜0,小数位取〜・m)；16为基数。

例：十六进制(123.45)产1X162+2X1&+3X16。

+4X16-1+5X16-2=(291.26953125)D

37

R进制转换为十进制（例）

方法把各个R进制数按权展开求和

例把下面的二进制数转换成十进制数

(1101.101)B

=1x23+1x22+0x21+1x2O+1x2-1+0x22+1x23

=8+4+0+1+0.5+0+0.125

=(13.625)D

38

]R进制转换为十进制(例)

例~把下面的八进制数转换成十进制数。

2113

(456.124)0=4x8+5x8+6x8°+1x8+2x81+4x8'

=256+40+6+0.125+0.03125+0.0078125

=(302.1640625)D

例把下面的十六进制数转换成十进制数。

(32CF.48)H=3x163+2x162+Cx161+Fx16O+4x161

+8x162

=12288+512+192+15+0.25+0.03125

=(13007.28125)D

39

।十进制转换为R进制

十进制一。＜R进制

（1）整数转换用“除基取余法”,直到

商为零；每次相除所得余数为对应的R

方进制整数的各位数码。

法（2）小数转换用“乘基取整法”,直到乘

积的小数部分为零，或达到所要求的位

数（当小数部分永不可能为零时）。

40

十进制转换为二进制

二进制

(1)整数转换用“除2取余法”,直到商

为零；每次相除所得余数为对应的二

方进制整数的各位数码。

法

(2)小数转换用“乘2取整法”,直到乘

积的小数部分为零，或达到所要求的

位数(当小数部分永不可能为零时)。

41

十进制数125.6875转换成二进制数

91125余数

2I621A二进制整数低位

2I310

2I151

2I71

2U-1

2U____1

二进制整数高位

07商为零1

辂O故整数部分(125)D=(1111101)B

42

小数部分的转换

取整0.6875

二进制小数首位x)2

11.3750

0.3750

X)___2_

o0.7500

0.7500

x)2

11.5000

0.5000

魂*寒二进制小数末位▼1x)____2_

1.0000

故小数部分（,6875）D=0000为零'转换结束

43

十进制转换为十六进制（例）

将十进制数（197.734375b转换成十六进制数

16\197_余数0.734375取整

16|125X16

0C11.75B

X16__

12"~5^一、

(197.734375)D=(C5.BC)H

44

八进制转换为十六进制

首先二进制八进制

（1）二进制数转换成八进制数：以小数点为

界，向左（小数点之前）或向右（小数点之后）

每3位二进制数用相应的一位八进制数取代

方（不足3位的二进制数先用。补足）。

法（2）八进制数转换成二进制数：以小数点为

界，向左或向右每一位八进制数用相应的3

位二进制数取代；如果不足3位，则用零补

足。.

一位八进制数对应着3位二进制数［

45

二进制转换为八进制（例）

将二进制数1101101110.11011转换成八进制数

(001101101110,1101W)B=(?)0

1556.66

对应二十对应二十对应

八六六

00000000081000

10011000191001

201020010A1010

301130011B1011

410040100C11001

510150101D1101

611060110E1110

711170111F111146

八进制转换为二进制（例）

将八进制数135.23和7123.56转换成二进制数

135.23

对应二十对应二十对应

(135.23)=(001Oil101010011)A六六

oB00000000081000

i0011000191001

7123.56201020010A1010

3on30011B1011

410040100C11001

(7123.56)o=(U1001010011,101110)E

510150101D1101

611060110E1110

711170111Fmi

47

二进制与十六进制转换

二进制十六进制

（1）二进制数转换成十六进制数：以小数点为

界，向左（小数点之前）或向右（小数点之后）每4

位二进制数用相应的一位十六进制数取代

生（不足4位的二进制数先用0补足）。

方

法（2）十六进制数转换成二进制数：以小数点为

界，向左或向右每一位十六进制数用相应的

4位二进制数取代；如果不足4位，则用零补

足。一位十六进制数对应着4位二进制数|

148

二进制转换为十六进制（例）

将二进制数1101101110.11011转换成十六进制数

(001101101110.11011000)(?)H

36E.D8_______

对应二十对应二十对应

A六六

00000000081000

10011000191001

201020010A1010

301130011B1011

410040100C11001

510150101D1101

611060110E1110

711170111F1111

十六进制转换为二进制（例）

将十六进制数6A.B1和2clD.6转换成二进制数

对应二十对应二十对应

6A.B1六六

00000000081000

(6A.BI)H=(onolow.ionoooi)10011000191001

B201020010A1010

3Oil30011B1011

410040100C11001

510150101D1101

611060110E1110

2C1D.6711170111Fmi

(2C1D.6)H=(00D110000011101.0110)B

50

八进制与十六进制间的转换

■借助于二进制

将八（十六）进制数转换成十六（八）进制数

方法是：将1位转换为3（4）位二进制数

■(2731.62)0=(Q10111011001.110010)B

2731.62

(010111011001.110010)B=(5D9.C8)H

■(2D5C.74)H

=(0010110101011100.01110100)B

2D5C.74

(0010110101011100.01110100)B

=(26534.35)051

二进制数的运算

♦二进制加法运算：逢二进一

1011010011

111010111

10010101010

52

二进制数的三种逻辑运算

♦与(AND)

1AND1=1,1AND0=0,OAND1=0,OANDO=

Oo即当两个参加“与”运算的逻辑变量都为“1”时，逻

辑积才为“1”，否则为。

♦或(OR)

1OR1=1,1ORO=1,0OR1=1,OORO=Oo即

当两个参加“或”运算的逻辑变量都为“0”时，逻辑和

才为才"否则为才”。

♦非(NOT)

对单一的逻辑变量进行求反运算。意思是将一个二进

制数据的。变为1,1变为0。

53

二进制数的三种逻辑运算（例）

10110101111011010111

AND1110010101OR1110010101

10100101011111010111

NOT1111010111

0000101000

54

1.4.5数值的编码

机器数用0或1表示正负号的数

真值数机器数对应的实际数值,

也称尾数。

例：真值数(-1001101)B

其机器数为11001101,

存放在计算机中。

O

55

问题的提出

符号位参加运算，・5+4=?

.9）错误的结果

为解决此类问题，提出了:

原码、反码和补码

56

工、原码

「X0<X<2n

凶原=(

I2n-X-2n<X<0(负整数)

(n表示X数值部分的位数

原码表示相当于：

1.正数的符号位是0,负数的符号位是1。

2.数值位就是这个数的绝对值的二进制表示。

57

原码表示（例）

以8位原码表示下列各数：(0.25)D、

(■0.8125)D、(228结、(-12)D

(0.25)D=(0.01)B=00100000

(-0.8125)D=(-0.1101)B=11101000

位原码表示范围:

(228)=(11100100)=8

DB-127<=X<=+127

(-12)D=(-1100)B=10001100

58

原码表示说明

原码。的表示有两种：（以4位带符号定点整数为例）

正0：0000)负0：1000

4位带符号定点整数的原码表示范围:

1111^0111,即・7〜7

也就是-241+1<=X<=2=-I

原码运算

♦：♦原码中符号位不参加运算

♦：♦同符号数相加做加法；不同符号数相

运算加做减法

规则大数的数值部分减去小数的数值部

分一小数值部分

符号位取大数的符号

10000101

-5+4=?00000000100

60

原码运算

原码表示法简单、易懂，与真值的转换方便。

缺点：原码0的有两种表示，不唯一。

加减法运算使得运算器电路结构复而

且运算时间也较长。很少采用。

O

61

2、反码

rX0<X<2n

[X]反=4（n表示X数值部分的位数）

l2n+1-l）+X-2n<X<0（负整数）

反码表示相当于:

1.正数的符号位是0,负数的符号位是1；

2.正数的数值位同原码相同,

负数的数值位将原码的数值位各位取反。

62

反码表示（例）

以8位反码表示下列各数：（0.25）D、

（。8125"、（228/、（-12）D

(0.25)D=(0.01)B=(00100000)原(00100000)反

(-0.8125)D=(-0.1101)B=(11101000)原(10010111)反

位反码表示范围:

(228)=(11100100)=8

DB-127<=X<=+127

(-12)D=(-1100)B=(10001100)原(11110011)反

63

反码表示的说明

反码。的表示有两种：（以4位带符号定点整数为例）

正0：0000)负0：1111

4位带符号定点整数的反码表示范围:

1111^0111,即・7〜7

也就是-241+1<=X<=2=-I

反码运算

反码的符号位和数值一起参

运算加运算。如果符号位产生了进位,

规则则此进位应加到和数的最低位，

称为循环进位。

8位反码表示的最大值、最小值和表示

数的范围与原码相同。0在反码表示出不唯

一，反码运算也不方便。

O65

3、补码

rX0<X<2n（正整数）

[x]补=<

I2n+1+X-2n<X<0（负整数）

补码表示相当于：

1.正数的符号位是0,负数的符号位是1；

2.正数的数值位同原码相同，负数的数值

位将反码的数值位+1。

66

补码表示(例)

以8位补码表示下列各数：(0・25)D

(-0.8125)D(228)D(・12)D

(00100000)反(o0100000)补

(0.25)D=(0.01)B=

)补

(-0.8125)D=(-0.1101)B=(10010111)R(10011000

(228)=(11100100)=8位补码表示范围:

DB-128<=X<=+127

(-12)D=(-1100)B=(11110011)反(11110100)补

67

补码表示的说明

补码。的表示只有一种：

以4位带符号定点整数为例0000

4位带符号定点整数的补码表示范围:

1000^0111,即・8〜7

也就是-241+1<=X<=24'1-1

补码运算（例1）

-5+4=?

・5的原码、反码

11111011-5

+|o|o|o|o|()Ho阿4

=|i|i|i|i|i|i|i|i|CH

除符号位外取反加1则为原码10000001

69

补码运算(例2)

(-9)+(-5)=?

补码可方便地实现正、负数的加法运算。

补码0的表示只有一种

补码规则简单，符号位如同数值一样参加运算。

|补码被广泛应用。

70

几种表示的比较

(1)原码

—"0X0<=X+127：01111111+0：00000000

[X]原=

XX<=0-127：11111111-0：10000000

（2）反码

IX0<=X+127：01111111+0：00000000

日反二L11

j|x|X<=0-127：10000000-0：11111111

(3)补码

I—PX0<=X+127：011111110：00000000

[x]补=

1—X+1X<=0-127：10000001—128：10000000

(+0)补=(-0)补=00000000

原码、反码和补码

符号位数值位

原码该数绝对值的二进制表示

工表负数〕

反码正数同原码，负数为原码的各位取反

补码I0表正数J正数同原码，负数为反码的末尾+1

原码、反码、补码优缺点

>整数表示范围

>0的表示

72

%定点数

定点小数:

定点整数:|1

7-----------

数值位点

73

5、浮点数

阶符阶码数符尾数

01010100

阶，定点整数表示尾数，定点小数表示

10

X=(11.01)B=0.1101X2

阶和尾数均为原码阶为补码，尾数为原码）

@1001101@10阳101

74

浮点表示（续）

阶符阶码数符尾数

001101010100

J__________________________________________J

VV

阶，定点整数表示尾数，定点小数表示

%=(-0.00011)B=-0.11x2

阶和尾数均为原码［阶为补码，尾数为原码J

01101100