计算机基础知识

计算机基础知识

电子计算机的产生和计算机技术的迅速发展是当代科学技术最突出的

成就之一。计算机的发明和应用延伸了人类的大脑，提高和扩展了人类脑力

劳动的效能，发挥和激发了人类的创造力，标志着人类文明的发展进入了一

个崭新的阶段。同任何先进的科学技术的发展一样，计算机也是社会生产和

科学技术发展到一定阶段的产物，计算机技术也随着社会生产和科学技术的

进一步发展而不断发展。

1.1计算机的发展和应用

1.1.1计算机的产生

1.第一台电子计算机

世界上第一台电子计算机ENIAC(electronicnumericalintegratorand

calculator),即“电子数字积分计算机”，于1946年2月诞生在美国宾夕法

尼亚大学。ENIAC以电子管为基本部件，其体积约85加，重达303使用

了18000个电子管，1500个继电器，70000个电阻，10000个电容，功率

为140kW,占地170m2,真可谓是“庞然大物”。它每秒可进行五千多次加

法运算。ENIAC产生后立即用于军事计算。原先，美国陆军部用人工计算

发射弹道需七个多小时，而用ENIAC来计算只需3s,速度提高了8400倍,

显示了巨大的威力,至今人们仍公认，ENIAC的问世表明了电子数字计算

机时代的到来，具有划时代的伟大意义。

2.存储程序式计算机

虽然ENIAC的研制成功把世界带入了一个新的时代，但是ENIAC在

计算题目时，需事先根据计算步骤花费儿天时间连接好外部线路。而且每换

一个题目又得重新连线，所以只有少数专家才能使用。

美籍匈牙利人冯•诺依曼(JohnvonNeumann)教授针对ENIAC应用

中的问题，于1946年6月发表的论文中提出了“存储程序”的设想。按照

这种设想，将组成解题程序的一条条指令像数据一样事先存入计算机中，运

行时，只须顺序取出这些指令，经译码后执行相应的操作即可，从而可以实现真正的全

自动运算。冯•诺依曼的“存储程序”的思想成了后来计算机设计的主要依据。半个多

世纪以来，计算机技术有了飞速的发展，但是其工作原理还是没有跳出“存储程序”这

个范围。基于以上原因，有时也将以“存储程序”方式工作的计算机称为冯•诺依曼机。

第•台存储程序计算机是EDSAC（electronicdelaystorageautomaticcalculator,电子延时

存储自动计算机），在英国剑桥大学研制成功，1949年5月投入运行。

1.1.2电子计算机的发展

半个多世纪以来，根据电子计算机所采用的电子器件，一般将电子计算机的发展分

成以下几个阶段，其主要性能见表1-1。

表各代电子计算机比较

第一代第二代第三代第四代

（1946—1956年）（1957—1964年）（1965—1970年）（1971年至今）

电子器件电子管晶体管中、小规模集成电路大规模、超人规模集

成电路

主存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓、半导体存储器

半导体存储器

辅助存储器磁带、磁鼓就带、磁鼓、磁盘磁带、磁鼓、磁盘磁盘、磁带、光盘

处理方式机器语言作业连续处理多道程序网络结构

汇编语言编译语言实时处理实时、分时处理

运算速度/5000~4万几十万~百万百万~几百万几百万~几十亿

（次・s*

代表机种ENIAC、EDVAC、IBM7090、IBM360、PDPH、IBM370,CRAYII、

IBM705CDC6600NOVA1200VAX1KIBMPC

1.第一代电子计算机

电子管（又称真空管）是1913年发明的，起初用于雷达等电子设备中。它于1946

年才被用于ENIAC及其之后的电子计算机。电子器件是电子管的计算机被统称为第一

代电子计算机，开创了电子数字计算机的新时代。

2.第二代电子计算机

第二代电子计算机的特点是用晶体管代替了电子管。半导体晶体管于1948年由贝

尔实验室研制出来，从1956年开始用于制作电子计算机部件。晶体管的优点是体积小、

发热少、耗电少、寿命长、价格低，特别是工作速度比电子管更快C

另外，第二代计算机普遍采用磁芯存储器作内存，采用磁盘与磁带作外存，使存储

容量增大，可靠性提高，加快了汇编语言取代机器语言的步伐，并为FORTRAN和COBOL

等高级语言的应用提供了条件。

3.第三代电子计算机

第三代电子计算机的主要特征是以中、小规模集成电路取代了晶体管。集成电路

（IC）是将许多个晶体管和电子元件集中制造在同一块很小的硅片上。集成电路的体积更

小，耗电更少，功能更强，存储器开始集成电路化，内存容量大幅增加。随着计算机硬

件技术的更新，系统软件和应用软件也有了很大发展，出现了结构化、模块化程序设计

方法，为电子数字计算机进一步快速发展奠定了基础。

第三代计算机的典型机型有IBM360系统、PDPII系列等。其主存储器容量达1〜

4MB,运算速度达200万次/s。

4.第四代电子计算机

第四代电子计算机的主要特点就是用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路

（VLSI）取代中、小规模集成电路。由于微电子学理论和计算机控制工艺方面的发展，

为集成电路的集成度大幅度提高创造了条件。

在这个过程中出现了微处理器，从而产生了微型计算机，由于微型计算机的突出优

点，使其得以迅速发展和普及，开始形成信息时代的特征。

第四代电子计算机的代表机种有IBM370、CRAYII等。

从20世纪80年代开始，日、美等国家开展了新一代称为“智能计算机”的计算机

系统的研究，并将其称为第五代电子计算机。

实际上，目前计算机的发展有如下四个重要的方向。

（1）巨型化.用于天气预报、军事计算、飞机设计、工艺系统模拟等v运算速度达

千亿次每秒以上。

（2）微型化。微型计算机已从台式发展到便携式、掌上型。主要满足人们日常生活

和学习娱乐的要求等。

（3）网络化。计算机网络技术的发展，使得单个计算机的实际效用得到很大的提高。

（4）智能化。使计算机具有更多的类似人的智能，包括学习能力和逻辑推理能力及

感情表达能力等。

1.1.3微型计算机的发展

20世纪70年代计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。

微型计算机开发的先驱是美国Intel公司年轻的工程师马西安•霍夫（M.E.Hoff）01969

年，他接受日本一家公司的委托，设计台式计算器系统的整套电路c他大胆地提出了一

个设想，把计算机的全部电路做在四个芯片上，即中央处理器芯片、随机存取存储器芯

片、只读存储器芯片和寄存器电路芯片。这就是一片4位微处理器Intel4004、一片320

位（40B）的随机存取存储器、一片256B存储空间的只读存储器和一片10位的寄存器,

通过总线把它们连接起来，就组成了世界上第一台4位微型电子计算机MCS-4o1971

年诞生的微型计算机揭开了世界微型计算机发展的序幕。

1.第一代微处理器

1972年，Inlel公司研制成功8位微处理器Inlel8008,它主要采用工艺技术简单、

速度较低的P沟道MOS（metaloxidesemiconductor,金属氧化物半导体）电路。这就是

人们通常称作的第一代微处理器，由它装备起来的微型计算机称为第一代微型计算机。

2.第二代微处理器

1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，称为第二代微

可以说，计算机以上几个方面的特点是促使计算机迅速发展并获得极其广泛应用的

最根本原因。

1.1.5计算机的应用领域

目前，计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生

活方式，推动着社会的发展。概括起来，计算机的应用上要表现在以下几个方面。

1.科学计算

科学计算又称为数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计

算。它是电子计算机的重要应用领域之一，世界上第一台计算机就是为科学计算而设计

的。随着科学技术的发展，使得各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决

这些复杂的计算问题。例如，在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报

等领域中，都需要依靠计算机进行高速和高精度的运算。科学计算的特点是计算量大且

数值变化范围大。

2.数据处理

数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，例如，分析，合并.

分类、统计等，最后形成有用的信息。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量一般

很大。

人类在很长一段时间内，只能用自身的感官去收集信息，用大册存储和加工信息，

用语言交流信息。当今社会正从工业社会进入信息社会，面对积聚起来的浩如烟海的各

种信息，为了全面、深入、精确地认识和掌握这些信息所反映的事物本质，就必须借助

于计算机进行处理。目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情

报检索等，数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。

3.过程控制

过程捽制又称实时捽制,指用计算机及时采集现场数据,将数樨处理后,再按系统

要求迅速地对控制对象进行控制。

现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而对实现生产过程自

动化控制系统的要求也日益增高。利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的

自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节

约能源、降低成本。计算机过程控制已在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天

等部门得到广泛的应用。

4.计算机辅助系统

计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。

计算机辅助设计CAD(computer-aideddesign),就是利用计算机帮助各类设计人员

进行设计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，使CAD

技术得到广泛应用，例如，飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电

路设计等。采用计算机辅助设计，不但降低了设计人员的工作量，提高了设计的速度，

更重要的是提高了设计的质量。

计算机辅助制造CAM(computer-aidedmanufacturing),是指用计算机进行生产设备

的管理、控制和操作的技术。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器设备的运

行、处理生产过程中所需的数据、控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。使用

CAM技术可以提高产品的质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度。

计算机辅助教育CBE(computer-basededucation),包括计算机辅助教学CAI

(computer-assistedinstruction),近年来由于多媒体技术和网络技术的发展，推动了CBE

的发展，许多学校已经开展了网上教学和远程教学。开展CBE不仅使学校教育发生了根

本变化，还可以使学生在学校里就能体验计算机的应用，为毕业后应用计算机奠定基础。

5.人工智能

人工智能AI(artificialintelligence),一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的

思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序，让计算机自动探索解

题的方法。人工智能是计算机应用研究的前沿学科。

6.信息高速公路

1993年9月美国正式宣布实施“国家信息基础设施(Nil)”计划，俗称“信息高速

公路”计划，即将所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络，把大网络连接到

所有的机构和家庭中去，让各种形态的信息(如文字、数据、声音、图像等)都能在大

网络里交互传愉v该计划引起了世界各发达国家，新兴工业国家和地区的极大震动，纷

纷提出了自己的发展信息高速公路计划的设想,积极加入到这场世纪之交的大竞争中去。

国家信息基础设施，除了通信、计算机、信息本身和人力资源四个关键要素外，还

包括标准、规则、政策、法规和道德等软环境，其中最主要的当然是“人才针对我国

信息技术落后、信息产业不够强大、信息应用不够普遍和信息服务队伍还没有壮大的现

状，有关专家提出我国的“信息基础设施”应该加上两个关键部分，即民族信息产业和

信息科学技术。

我国政府不失时机地抓紧了国家经济信息化的建设，党的十四届五中全会把“加速

国民经济信息化进程”写入了“关于制定国民经济和社会发展九•五计划和2010年远

景目标”的建议中.把信息产化的发展摆在突出的地位.有力地促进了我国信息产亚的

发展。例如，上海市提出用15〜20年的时间完成上海“信息港”的全面建设，到2010

年将率先建成地区“信息高速公路”和信息化的国际大都市。

7.电子商务(E-business)

电子商务是在Internet的广阔联系与传统信息技术系统的丰富资源相结合的背景下

应运而生的一种网上相互关联的动态商务活动。简单地讲，电子商务是通过计算机和网

络进行商务活动。

电子商务发展前景广阔，可为人们提供众多的机遇。世界各地的许多公司己经开始

通过Internet进行商业交易。他们通过网络方式与顾客、批发商、供货商、股东等进行

相互间的联系，迅速快捷，费用很低，其业务量往往超出传统方式同时，电子商务系

统也面临诸如保密性、可测性和可靠性的挑战。但这些挑战将随着网络信息技术的发展

和社会的进步得以克服。

电子商务旨在通过网络完成核心业务，改善售后服务，缩短周转时间，从有限的资

源中获取更大的收益，从而达到销售商品的目的。它向人们提供新的商业机会和市场需

求，也对有关政策和规范提出挑战。

电子商务始于1996年，起步虽然不长，但其高效率、低支付、高收益和全球性的

优点，很快受到各国政府和企业的广泛重视，发展势头不可小觑。目前，电子商务交易

额正以10倍的速度增长，2002年全球电子商务交易额已超过1000。亿美元。

1.2计算机中的数据与编码

数据是指能够输入计算机并被计算机处理的数字、字母和符号的组合，在计算机内

部，各种数据都必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理。因此，掌握数据信息

编码的概念与处理技术是很重要的。

1.2.1数字化信息编码的概念

所谓编码，就是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示大量复杂多样

的信息。基本符号的种类和这些符号的组合规则是一切信息编码的两大要素。例如，用

10个阿拉伯数码表示数字，用26个英文字母表示英文词汇等，都是编码的典型例子。

在计算机中，广泛采用的是只用“0”和“1”两个基木符号组成的基2码，或称为

二进制码。在计算机中采用二进制码的原因如下。

（1）二进制码在物理上最容易实现。例如，可以只用高、低两个电平表示“1”和

“0”，也可以用脉冲电压的有无或者脉冲电压的正负极性表示它们。

（2）二进制码用来表示的二进制数，其编码、计数和加减运算规则都很简单。

（3）二进制码的两个符号“1”和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”或称

“真”和“假”相对应，为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利的条件。

1.2.2进位记数制

在采用进位记数的数字系统中，如果只用/•个基本符号（例如0,1,2,…，r-1）

表示数值，则称其为基「数制（Radix-rNumberSystem）,「称为该数制的基（Radix）。

如日常生活中常用的十进制数，就是r二10,即基本符号为0,1,2,…，9。如取r=2,

即基本符号为0和1,则为二进制数。

对于不同的数制，它们的共同特点如下。

（1）一种数制都有固定的符号集：如十进制数制，其符号有10个：0,1,2,…，

9；二进制数制，其符号有两个：0和1。

（2）数制都使用位置表示法：即处于不同位置的数符所代表的值不同，与它所在位

置的权值有关。例如，十进制数5555.555可表示为

5555.555=5xl（p+5x1。2+5x10'+5x10°+5x101+5xlOU5x10-3

可以看出，各种进位记数制中的权的值恰好是基数的某次暴。因此，对任何一种进

位记数制表示的数都可以写出按其权展开的多项式之和，任意一个”2位整数，2位小数

的r进制数N可表示为

-k

N=E。x/

i=m-l

式中的。为该数制采用的基本数符，/是权，r是基数，不同的基数表示不同的进制数。

表1・2所示的是计算机中常用的几种进位数制。

表1・2计算机中常用的几种进制数的表示

-进制八进制十进制十六进制

规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一

基数r=2r=8r=10r=16

数符0,10,1,…，70,1,…，90.1,9,A.

B,C,D,E,F

权2，8r10,16，

形式表示B0DH

1.2.3不同进制之间的转换

1.，进制与十进制

将/•进制数值转换为十进制数值，其转换公式为

N=Z0x/

i=m-l

公式本身就提供了将r进制数转换为十进制数的方法。比如，把二进制数转换为相

应的十进制数，只要将二进制数只出现1的数位权相加即可。

例如，把二进制数11010转换成相应的十进制数：

(11010)8=1X24+1X23+0X22+1X2I+0X2°=(26)D

例如，把二进制数100110.101转换成相应的十进制数：

(100110.101)8=1X25+1X22+1X2'+1x2-'+1x2-3=<38.625)D

其中，下标B和D分别表示括号内是二进制数和十进制数。

2.十进制与，进制

将十进制数值转换为「进制数值，整数部分和小数部分的转换方法是不相同的，下

面分别加以介绍。

(1)整数部分的转换。把一个十进制的整数不断除以基数r,取其余数(除r取余

法)，就能够转换成以「为基数的数，例如，为了把十进制的数转换成相应的二进制数，

只要把十进制数不断除以2,并记下每次所得余数(余数总是1或0),所有余数连起来

即为相应的二进制数。这种方法称为除2取余法。

例如，把十进制数25转换成二进制数，计算过程2125余数

2l12……1—-最低位

如图1-1所示。

2|_6……0

所以(25)/(1100DB。2[1……0

注意：第一位余数是低位，最后一位余数是高位。2|_1_…I

01——最高位

(2)小数部分转换。要将一个十进制小数转换成r

图I」十进制整数转换成二进制数

进制小数时，可将十进制小数不断地乘以一,取其整数，

这称为乘「取整法。

例如，将十进制数0.3125转换成相应的二进制

数，计算过程如图1-2所示。0.3125取整

X2

所以(0.3125)D=(0.0101%。0.6250••,0V最高位

如果十进制数包含整数和小数两部分，则必须X2

0.2500••••1

将十进制小数点两边的整数和小数部分分开，分别X2

0.5000••••••0

完成相应转换，然后再把「进制整数和小数部分组X2

合在一起。o.oooo…•1—最低位

例如，将十进制数25.3125转换成二进制数，图1-2十进制小数转换成二进制数

只要将上例整数和小数部分组合在一起即可，即

(25.3125)D=(11001.0101)BO

例如，将十进制数193.12转换成八进制数，运算过程见图

81193余数0.12取整

X8

8|_24,-…J—最低位

0.96••.…0——最高位

8LX--0X8

0……3--最高位0.68••….7

X8

0.44……5—-最氐位

图1・3十进制数转换成八进制数

所以(193.12)D=(301.075)0。其中，下标O表示括号内是八进制数。

3.非十进制数间的转换

通常两个非十进制数之间的转换方法是采用上述两种方法的组合，即先将被转换数

转换为相应的十进制数，然后再将十进制数转换为其他进制数。由于二进制、八进制和

十六进制之间存在特殊关系，即卬=23,161=2力因此转换方法就比较容易，如表1.3

所示。

根据这种对应关系，二进制转换到八进制十分简单。只要将二进制数从小数点开始,

整数从右向左3位一组，小数部分从左向右3位一组，最后不足3位补零，然后根据

表1-3即可完成转换。

表1-3二进制、八进制和十六进制之间的关系

二进制八进制二进制十六进制二进制十六进制

00000000010008

00110001110019

0102001021010A

0113001131011B

1004010041100C

1015010151101D

11060110611101•：

1117011171111F

例如，将二进制数(JB转换成八进制数:

010100101.010111010

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