计算机基础知识

1. 计算机基础知识 计算机基础知识 1. 1.

2. 学习目标 • 了解计算机的发展史 • 掌握计算机的特点和分类 • 掌握计算机中常用数制转换和信息的编码 • 掌握计算机硬件系统和软件系统的组成 • 掌握计算机的工作理 • 掌握衡量计算机性能的主要指标

3. 主要内容 计算机概述 计算机系统的组成 计算机中的信息表示方法 衡量计算机 性能的主要指标 计算机的工作原理

4. 1.1 计算机概述 1.1.1 计算机的发展 世界上第一台电子计算机ENIAC于1946年2月诞生在美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。 但学术界公认，电子计算机的理论和模型是由英国数学家图灵(Alan Mathison Turing，1912－1954)在1936年发表的一篇论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》奠定了基础。因此，当美国计算机协会ACM在1966年纪念电子计算机诞生20周年，即图灵的论文发表30周年之际，决定设立计算机界的第一个奖项——“图灵奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。“图灵奖”也被称为“计算机界的诺贝尔奖”。2000年，ACM第一次将图灵奖授予华裔学者姚期智，以鼓励他在计算机理论、算法设计与分析、密码学等方面所做的贡献。

5. 1.1.1 计算机的发展

6. 1.1.2 计算机的特点及分类 • 1．计算机的特点 （1）运算速度快：运算速度是指计算机每秒能执行多少指令。 常用单位是MIPS，即每秒执行多少个百万 条指令。 计算机的特点 （2）计算精度高：例如，Pentium 4微机内部数据位数为32位（二 进制），可精确到15位有效数字（十进制）。 （3）记忆能力强：计算机的存储器（内存储器和外存储器）类似人 的大脑，能记忆大量的信息。它能存储数据和程 序，进行数据处理和计算，并把结果保存起来。 （4）逻辑判断能力强：逻辑判断是计算机的一个基本能力，在程序 执行过程中，计算机能够进行各种基本的逻辑判断， 并根据判断结果来决定下一步执行哪条指令。这种 能力，保证了计算机信息处理的高度自动化。

7. 1.1.2 计算机的特点及分类 • 2．计算机的分类 模拟电子计算机 数字电子计算机 模拟数字混合计算机 按工作理划分 计算机分类 专用计算机 通用计算机 按功能划分 巨型机 大型机 小型机 微型机 按规模划分 服务器 工作站 按工作模式划分

8. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 1．计算机的应用领域 （1）科学计算 （2）信息处理 （3）计算机辅助设计与计算机辅助制造（CAD/CAM） （4）计算机辅助教学与计算机管理教学（CAI/CMI） （5）自动控制 （6）多媒体应用 （7）电子商务

9. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 2．计算机的发展趋势 （1）巨型化 （2）微型化 （3）网络化 （4）多媒体化 （5）职能化

10. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 2．计算机的发展趋势 （1）巨型化 （2）微型化 （3）网络化 （4）多媒体化 （5）职能化

11. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 2．计算机的发展趋势 （1）巨型化 （2）微型化 • 现代信息社会的发展趋势就是实现资源共享，即 利用计算机和通信技术，将各个地区的计算机互联 起来，形成一个规模巨大、功能强大的计算机网络， 使信息能得到快速、高效地传递。 （3）网络化 （4）多媒体化 （5）职能化

12. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 2．计算机的发展趋势 （1）巨型化 （2）微型化 （3）网络化 （4）多媒体化 （5）职能化

13. 1.1.3 计算机的应用领域及发展趋势 • 2．计算机的发展趋势 （1）巨型化 （2）微型化 • 智能化是让计算机具有模拟人的感觉和思维 过程的能力。图为采用虚拟现实技术生产的汽 车驾驶的模拟器。 （3）网络化 （4）多媒体化 （5）职能化

14. 1.2 计算机中的信息表示方法 1.2.1 数制的定义 • 数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。按进位的方法进行计数，称为进位计数制。例如，生活中常用的十进制数，计算机中使用的二进制数。下面介绍数制的相关概念。 • ① 基数。在一种数制中，一组固定不变的不重复数字的个数称为基数，用R表示。 • ② 位权。某个位置上的数代表的数量大小。 • 一般来说，如果数值只采用R个基本符号，则称为R进制。进位计数制的编码遵循“逢R进一”的原则。各位的权是以R为底的幂。对于任意一个具有n位整数和m位小数的R进制数N，按各位的权展开可表示为： (N)R＝an-1Rn-1＋an-2Rn-2＋…＋a1R1＋a0R0＋a-1R-1＋…＋a-mR-m • 公式中ai表示各个数位上的数码，其取值范围为0～R-1，R为计数制的基数，i为数位的编号。

15. 1.2.2 计算机中常用的数制及其转换 • 1．常用的数制 （1）十进制 十进制数具有以下特点。 ① 有十个不同的数码符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 ② R＝10。每一个数码根据它在这个数中所处的位置（数位），按照“逢十进一”的原则来决定其实际数值，即各数位的位权是10的若干次幂。 除了使用脚码的形式表示十进制数以外，还可以使用字符“D”（Decimal）。

16. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 1．常用的数制 （2）二进制 二进制数具有以下特点。 ① 有两个不同的数码符号0和1。 ② R＝2。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢二进一”的原则来决定其实际的数值。我们还可以使用字符“B”（Binary）表示二进制数，例如1001.01B。计算机中数的存储和运算都使用二进制的形式，主要有以下原因。 ◆ 二进制数在物理上容易实现。例如，可以只用高、低两个电平表示0和1，也可以用脉冲的有无或者脉冲的正负表示它们。 ◆ 可以用二进制数来实现数据的编码、运算等简单规则。 ◆ 易于采用逻辑代数。采用二进制数，就可以在分析和设计计算机时采用逻辑代数，有利于节省设备、提高速度、提高可靠性；可以使计算机具有逻辑判断的能力解决复杂的实际问题，进而实现人工智能的高级应用。

17. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 1．常用的数制 （3）八进制 八进制数具有以下特点。 ① 有八个不同的数码符号0，1，2，3，4，5，6，7。 ② R＝8。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢八进一”的原则来决定其实际的数值。 我们还可以使用字符“O”（Octal）表示八进制数，例如34.125O。

18. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 1．常用的数制 （4）十六进制 十六进制数具有以下特点。 ① 有十六个不同的数码符号0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F。 ② R＝16。每个数码符号根据它在这个数中的数位，按“逢十六进一”的原则来决定其实际的数值。 我们还可以使用字符“H”（Hexadecimal）表示十六进制数，例如3AB.48H。

19. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 1．常用的数制 常用数制的对应关系如表

20. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 2．不同数制间的转换 （1）二进制数转换为十进制数 基本原理：将二进制数从小数点开始，往左从0开始对各位进行正序编号，往右序号则分别为-1，-2，-3 ……直到最末位，然后分别将各个位上的数乘以2的k次幂，对所得的值求和，其中k的值为各个位所对应的上述编号。 （2）二进制数转换为十六进制数 基本原理：将一个二进制整数转换为十六进制数，只要从它的低位到高位每4位组成一组，然后将每组二进制数所对应的数用十六进制表示出来即可。如果有小数部分，则从小数点开始分别向左右两边按照上述方法进行分组计算。不足4位的整数部分左补0，小数部分右补0。

21. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 2．不同数制间的转换 （3）二进制数转换为八进制数 基本原理：将一个二进制数转换为八进制数，只要从它的低位到高位每3位为一组，然后将每组二进制数所对应的数用八进制表示出来即可。如果有小数部分，则从小数点开始分别向左右两边按照上述方法进行分组计算。不足三位的整数部分左补0，小数部分右补0。 （4）十六进制数转换为二进制数 基本原理：采用“一分为四”的原则，即从十六进制整数的低位开始，将每位上的数用四位二进制表示出来即可。如果有小数部分，则从小数点开始，分别向左右两边按照上述方法进行转换。

22. 1.2.2计算机中常用的数制及其转换 • 2．不同数制间的转换 （5）八进制数转换为二进制数 基本原理：采用“一分为三”的原则，即从八进制整数的低位开始，将每位上的数用三位二进制表示出来即可。如果有小数部分，则从小数点开始，分别向左右两边按照上述方法进行转换。 （6）十进制数转换为二进制数 将十进制数转换为二进制数时，分为整数部分和小数部分。 基本原理：整数部分采用“除2取余法”，即将十进制整数不断除以2取余数，直到商为0为止，最先得到的余数排在最低位。小数部分采用“乘2取整法”，即将十进制小数不断乘以2取整数，直到小数部分为0或达到所求的精度为止（小数部分可能永远不会得到0）。最先得到的整数排在最高位。

23. 1.2.3 信息的存储 • 在计算机中讨论减法和除法运算时，提出了加负数的概念。机器中引入了负数，则必然涉及正负数据的机器数编码表示及其相互转换。带符号二进制数据的机内表示叫二进制机器数，也叫机器数编码（同样道理，其他进制也可以有机器数编码）。正数的机器数编码是唯一的，负数的机器数编码则因码制不同，有不同的定义。 • 机器数有两个重要的特征。 ① 位数长度固定。如8位机只能表示 8 位机器数，16 位机只能表示 16 位机器数等。当然可用软件办法做双倍及多倍字长运算，可使 16 位机能表示 32 位长的数据。 ② 正负符号代码化。传统用“+”、“-”号表示数的“正”、“负”，机内二进制则用“0”、“1”表示数的“正”、“负”（一般最高位为符号位，其余为尾数值），称为代码化。

24. 1.2.3 信息的存储 • （1）原码表示法 原码表示方法中，数值用绝对值表示，在数值的最左边用“0”和“1”分别表示正数和负数，使用[X]原表示X的原码。 例如，在 8 位二进制数中，十进制数+23和-23的原码表示为： [+23]原=00010001 [-23]原=10010001 • （2）反码表示法 正数的反码等于这个数本身，负数的反码等于其绝对值各位求反。例如： [+23]反=00010001 [-23]反=11101110

25. 1.2.3 信息的存储 • （3）补码表示法 一般在做两个异号的原码相加时，实际上是做减法运算，然后根据两数的绝对值的大小来决定符号。能否统一用加法实现呢？我们先举一个例子，对于一个钟表，将时针从6拨到2，可以顺拨 8，也可以倒拨 4，即6+8-12＝2和6-4＝2。 这里12称为它的“模”，8与-4对于模12来说是互为补数。计算机中是以2为模对数值做加法运算的，因此引入补码的概念，将减法运算转换成加法运算。 求一个二进制数补码的方法是：正数的补码与原码相同；负数的补码是把其原码除符号位以外的各位取反，然后最低位加1。通常用[X]补表示X的补码。例如： [+23]补=00010001 [-23]补=01101111 总结以上规律，可得到如下公式：X-Y=X+（Y的补码）=X+（Y的反码+1）

26. 1.2.4 二进制的算术运算 • 二进制数的算术运算包括加、减、乘、除。在计算机内部，二进制加法是基本运算，乘、除可以通过加、减和移位来实现，而减法实质是加上一个负数，主要应用补码运算。 • 1．二进制数的加法运算 二进制数的加法运算法则是： 0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 10 （被加数和加数为1，结果本位为0，按“逢二进一”法向高位进位1） 两个二进制数相加，每一位有3个数相加，即本位的被加数、加数和来自低位的进位（进位为1，否则为0）。

27. 1.2.4 二进制的算术运算 • 2．二进制数的减法运算 二进制数的减法运算法则是： 0 － 0 = 0 1 － 0 = 1 0 － 1 = 1（被减数为0，减数为1，结果本位为1，向高位借位）

28. 1.2.4 二进制的算术运算 • 3．二进制数的乘法运算 二进制数的乘法运算法则是： 0 × 0 = 0 1 × 0 = 0 0 × 1 = 0 1 × 1 = 1

29. 1.2.4 二进制的算术运算 • 4．二进制数的除法运算 二进制数的除法运算法则是： 0 ÷ 0 = 0 0 ÷ 1 = 0（1 ÷ 0 无意义）

30. 1.2.5 信息的编码 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）是美国信息交换用标准代码。用一个8位二进制数（1字节）表示，每个字节只占用7位，基本ASCII码最高位恒为0。7位ASCII码可以表示27＝128种字符，其中通用控制字符34个，阿拉伯数字10个，大、小写英文字符52个，各种标点符号和运算符号32个。当编码最高位为1时，形成扩充的ASCII码，它表示范围为128~255，可表示128种字符。 1. ASCII码 2.汉字编码

31. 1.2.5 信息的编码 （1）汉字信息交换码（国标码） 《信息交换用汉字编码字符集.基本集》标准选出6 763个常用汉字和683个非常用汉字字符，为每个字符规定了标准代码。GB2312字符集构成一个94行、94列的二维表，行号为区号，列号为位号，每个汉字和符号在ASCII码表中的位置用它所在的区号和位号来表示。为了处理与存储方便，每个汉字在计算机内部分别用两个字节来表示。 1. ASCII码 2.汉字编码

32. 1.2.5 信息的编码 （2）汉字机内码 汉字机内码是供计算机系统内部进行存储、加工处理、传输使用的代码，又叫汉字内部码。由于文本中通常混合使用汉字和西文字符，汉字信息如不特别标识，就会与单字节的ASCII码混淆。因此将一个汉字看成是两个扩展的ASCII码，使表示GB2312汉字的两个字节的最高位都为1，并且汉字的区码和位码都加上A0H，保证把两个字节的最高位一律由“0”变成“1”，其余7位不变。 1. ASCII码 2.汉字编码

33. 1.2.5 信息的编码 （3）汉字输入码（外码） 汉字输入码是为了将汉字通过键盘输入计算机而设计的代码。汉字输入编码方案很多，综合起来可分为流水码、拼音类输入码、字形类输入码和音形结合输入码。 汉字的输入编码和汉字的机内码是不同范畴的概念。对同一个字，不管采用什么样的输入法，其机内码都是相同的。 1. ASCII码 2.汉字编码

34. 1.2.5 信息的编码 （4）汉字字形码 汉字字形码是汉字字库中存储的汉字字形的数字化信息，用于汉字的显示和打印。 汉字字形点阵有16×16点阵、24×24点阵、32×32点阵、64×64点阵等。一个汉字方块中行数、列数分得越多，描绘的汉字越细微，但占用的存储空间也就越多。汉字字形点阵中每个点的信息要用一位二进制码表示。16×16点阵的字形码，需要用32个字节表示。 1. ASCII码 2.汉字编码