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第１章 计算机基础知识

第１章 计算机基础知识. 本章要求：. 基本知识点 了解计算机的发展、特点及用途 掌握计算机中使用的数制及数制间的转换 弄清计算机的主要组成部件及其功能 重点及难点 计算机系统中数据的表示形式 数制之间的转换 原码、反码、补码的概念及计算 浮点数 码制 逻辑运算基础. 主要内容. 1.1 计算机概论 1.2 计算机常用的数制及编码 1.3 常见的信息编码 1.4 计算机系统的组成. 计算机是一种能按照事先 存储 的程序， 自动 、 高速 进行大量 数值计算 和各种 信息处理 的现代化智能电子装置。. 1.1 计算机概述.

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第１章 计算机基础知识

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  1. 第１章 计算机基础知识

  2. 本章要求： • 基本知识点 • 了解计算机的发展、特点及用途 • 掌握计算机中使用的数制及数制间的转换 • 弄清计算机的主要组成部件及其功能 • 重点及难点 • 计算机系统中数据的表示形式 • 数制之间的转换 • 原码、反码、补码的概念及计算 • 浮点数 • 码制 • 逻辑运算基础 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  3. 主要内容 • 1.1 计算机概论 • 1.2 计算机常用的数制及编码 • 1.3 常见的信息编码 • 1.4 计算机系统的组成 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  4. 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。 1.1计算机概述 什么是计算机 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  5. 速度可靠性和内存容量又有了很大提高 1.1.1计算机的发展概况 • 1946年第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学问世。人们常按制造计算机所用的主要元器件将计算机分为四代： • 第一代 电子管计算机 • 第二代 晶体管计算机 • 第三代 中小规模集成电路计算机 • 第四代 大规模和超大规模集成电路计算机 体积庞大、速度低、成本高、可靠性差、内存容量小 体积大大减小、速度提高、可靠性和内存容量有较大提高 速度、可靠性和内存容量都进一步提高，外设种类繁多 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  6. 加法器 Charles Babbage 1822 差分机 1642 Blaise Pascal 电子计算机时代 MARK I ENIAC 1833 分析机 人类追求的计算工具

  7. Claude Shannon 奠定现代计算机发展的重要人物和思想 香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中， 首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可 以通过继电器电路来实现。 阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则： 1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证 精度； 2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运 算，以保证计算速度； 3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分 离的结构。

  8. 为纪念图灵对计算机的贡献， 美国计算机博物馆于1966年 设立了“图灵奖” 图灵与图灵机 计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。 图灵机是一种思想模型， 它由三部分组成： 一个控制器，一条可以无限延伸的 带子和一个在带子上左右移动的读 写头。

  9. 1949 EDSAC 冯·诺依曼计算机 存储程序工作原理 计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。 John von Neumann 冯诺依曼

  10. 5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW 第一台电子计算机（ENIAC）

  11. 电子管 1.1.1计算机的发展概况 1．第一代（1946年~1958年）：电子管阶段 基本特征采用电子管作为计算机的逻辑元器件，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅数KB。其数据表示主要是定点数，使用机器语言或汇编语言编写程序。第一代电子计算机体积庞大，造价昂贵，用于军事和科学研究工作。其代表机型有IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  12. 晶体管 1.1.1计算机的发展概况 2．第二代（1959年~1964年）：晶体管阶段 基本特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元器件，由于电子技术的发展，运算速度达每秒几十万次，内存容量增至几十KB。与此同时，计算机软件技术也有了较大发展，出现了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级语言。与第一代计算机相比，晶体管电子计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处理和事务处理。其代表机型有IBM 7094、CDC 7600。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  13. 集成电路 1.1.1计算机的发展概况 3．第三代（1965年~1970年）：集成电路阶段 基本特征是采用小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，随着固体物理技术的发展，集成电路工艺己可以在几平方毫米的单晶硅集成电路片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻辑电路。它的运算速度每秒可达几十万次到几百万次，体积越来越小，价格越来越低，软件越来越完善，在监控程序的基础上发展形成了操作系统。其代表机型有IBM360。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  14. 超大规模集成电路 1.1.1计算机的发展概况 4．第四代（1971年~现在）：大规模/超大规模集成电路阶段 基本特征是采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，20世纪70年代以来，集成电路制作工艺取得了迅猛的发展，在硅半导体上可集成更多的电子元器件，半导体存储器代替了磁芯存储器，目前，计算机的速度最高可以达到每秒几百万亿次浮点运算。操作系统不断完善，高级程序设计语言功能更加完善，人们的生活与计算机应用息息相关。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  15. 第一代 （1946~1956） 电子管 5千~4万（次/秒） 第二代 （1957~1964） 晶体管 几十万~百万（次/秒） 第三代 （1965~1970） 集成电路 百万~几百万（次/秒） 第四代 （1971~90年代） 集成电路 几百万~几亿（次/秒） 计算机发展的几个阶段 1964年911机 1966年112机

  16. 计算机发展的几个阶段 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  17. 1.1.2计算机的特点 • 高速运算能力 • 计算精度高和可靠的判断能力 • 具有记忆和逻辑判断能力 • 具有自动控制能力 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  18. 1.1.3计算机的应用 • 科学计算（数值计算） • 如：天文、地质、气象、航天等涉及的大量计算 • 数据处理（信息处理） • 对数据进行收集、分类、排序、存储、计算等操作 • 自动控制 无人驾驶飞机的控制 • 计算机辅助设计（CAD）和辅助教学（CAI） • 人工智能（AI）方面的研究和应用 • 专家系统 (Expert system） • 机器人 (Robert) • 多媒体（Multimedia）技术应用 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  19. 1.1.3计算机的应用（1） 科学计算：解决科学技术和工程设计中存在的大量的数学计算问题。例如，求解上千阶的微分方程组、几百个方程的线性方程组、大型矩阵运算等. 数据处理 ：数据处理泛指任何形式的计算机管理和操纵数据的过程，例如，企业管理、库存管理、帐目计算、信息情报检索等。 实时控制 ：计算机的速度不断提高，计算机的指令周期已降到几ns级，使得许多生产过程的实时控制成为可能。例如，化工生产过程中的压力、流量、温度等参数的控制 。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  20. 1.1.3计算机的应用（2） 4. 计算机辅助设计和制造：CAD/CAM系统已发展成为更高级的计算机集成制造系统(CIMS)。 5. 人工智能：是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学，它是在控制论、计算机科学、仿生学、生理学等基础上发展起来的新兴边缘学科。 6. 通信和文字处理：包括文字信息的产生、修改、编辑、复制、保存、检索、传输等，通信和文字处理是实现办公自动化、电子邮件、计算机会议和计算机出版等新技术的必由之路。 7.多媒体技术：图形、声音、静态图像、动画、动态图像等多媒体技术。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  21. 1.1.3计算机的应用（3） 8. 网络技术与信息高速公路 ：把分布在不同地域的独立的计算机系统用通信设施连接起来，以实现数据通信和资源共享。网络从地域范围大小上分为局域网和广域网。 9. 教育：包括计算机辅助教学、知识信息系统、自然语言处理等。计算机辅助教学生动、形象、易于理解，是提高教学质量的重要手段之一。 10.军事：包括军队自动化指挥系统、计算机作战模拟、军事信息处理武器的自动控制、精确制导武器、军用机器人、数字化部队、后勤保障等。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  22. 1.1.4计算机的发展方向 • 未来的计算机以超大规模集成电路为基础，向 • 巨型化（不是体积大，而是速度高、容量大、功能强） • 微型化（体积缩小、重量减轻） • 网络化（分散的计算机联成网） • 智能化（计算机将具有一定的“思维能力”） 方向发展。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  23. CRAY-Ⅱ 银河Ⅱ 计算机发展——巨型化 运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计 算的高科技领域。 中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”、 “银河2号”和“银河3号” 国家职能计算机中心推出的 “曙光1000” 、“曙光200I”和“曙光3000”

  24. 计算机发展——巨型化 • 社会在不断发展，人类对自然世界的认识活动也越来越多，很多情况要求计算机对数据进量的运算，如，数学命题的证明、行星轨迹的计算以及航天飞机、宇宙飞船的设计等等。这些应用对计算机速度的要求也越来越高。 • “巨型化”在这里并不是通常意义上的大小，主要是指机器的性能——运算速度等。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  25. Altair 8800 计算机发展——微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是一种 信息机器，一种个人的信息机器。

  26. 计算机发展——微型化 • 一方面，随着计算机的应用日益广泛，在一些特定场合，需要很小的计算机(如航天飞机，由于燃料的关系，设计原则是为了减少每一克而奋斗)，所以计算机的重量、体积都变得越来越小，但功能并不减少。 • 另一方面，随着计算机在世界上日益普及，个人电脑正逐步由办公设备变为电子消费品。人们要求电脑除了要保留原有的性能之外，还要有时尚的外观、轻便小巧、便于操作等特点，如平板电脑、手持电脑等。今后个人电脑在电脑中所占的比重将会越来越大，使用也将会越来越方便。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  27. 计算机发展——网络化 计算机网络： 计算机技术与通信技术结合 的产物。 计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、 数据和信息资源，网络用户 的通讯和合作。

  28. 计算机发展——网络化 • 因特网的建立正在改变我们的世界，改变我们的生活。网络具有虚拟和真实两种特性，网上聊天和网络游戏等具有虚拟特性，而网络通信、电子商务、网络资源共享则具有真实的特性。 • 虽然现阶段我们国家在因特网上的应用还不是太多，但再过几年，我们就完全可以通过因特网购买生活必需品，交纳各种费用、教学、管理个人账务等等。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  29. 人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人机械手（1962年出现） 第二代机器人具有“感觉”的机器人 第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人” Deepblue Garry Kasparov 计算机发展——智能化 “总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 ‘没有灵魂的机械’来”。 ——笛卡尔（1637）

  30. 计算机发展——智能化 • 今后，计算机在我们的生活中扮演的角色将会更加重要。 • 计算机应用将具有更多的智能特性，能够帮助用户解决一些自己不熟悉或不愿意做的事。 • 如，智能家电、烹调等。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  31. 数字计算机 模拟计算机 按处理对象 数模混合计算机 按使用范围 通用计算机 专用计算机 按规模 巨型计算机 大/中型计算机 小型计算机 微型计算机 … … 工作站或服务器 1.1.5 计算机的分类 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  32. 1.2计算机常用的数制及编码 • 数制（计数制）指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。 • 编码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的技术。 • 计算机只认识“0”和“1”，任何信息必须转换成二进制形式数据后才能由计算机进行处理、存储和传输。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  33. 1.2.1二进制数 • 二进制数的特点： • 最多只有两个不同的数字符号，即 0 和 1 。 • 逢二进一。 (基数为二，逢二进一，借一为二。) • 二进制优点： • 0，1两个状态易物理实现； • 运算规则简单。 • 算术运算与逻辑运算容易沟通。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  34. 1.2.2二进制与其它数制 • 进位计数制的三要素： • 数位：数码在一个数中所处的位置。 • 基数：每个数位上所能使用的数码的个数。 • 位权：处在某一位上的“1”所表示的数值的大小。（N进制数中，整数部分第i位的位权为Ni-1,小数部分第j位的位权为N-j 。 • 十进制(101.1)10＝1×102＋0×101＋1×100＋1×10-1 • 二进制(101.1)2＝1×22＋0×21＋1×20＋1×2-1 ＝(5.5) 10 • 八进制(101.1)8＝1×82＋0×81＋1×80＋1×8-1 ＝(65.125)10 • 十六进制 (101.1)16＝1×162＋0×161＋1×160＋1×16-1 ＝(257.0625)10 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  35. 二进制数与其它数制的对照表 二进制十进制 八进制十六进制 0000 0 0 0 0001 1 1 1 0010 2 2 2 0011 3 3 3 0100 4 4 4 0101 5 5 5 0110 6 6 6 0111 7 7 7 1000 8 10 8 1001 9 11 9 1010 10 12 A 1011 11 13 B 1100 12 14 C 1101 13 15 D 1110 14 16 E 1111 15 17 F Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  36. 二进制 八进制 十六进制 十进制 1.2.3不同进制数之间的转换 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  37. 十进制整数转换为二进制整数 规则：除二取余，直到商为零为止，倒排。 • 例：将十进制数86转化为二进制 2 | 86…… 0 2 | 43…… 1 2 | 21…… 1 2 | 10…… 0 2 | 5…… 1 2 | 2…… 0 2 | 1…… 1 0 所以,(86)10=(1010110)2 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  38. 十进制小数转换为二进制小数 规则：乘二取整，直到小数部分为零或给定的精度为止，顺排。 例：将十进制数0.875转化为二进制数 0.875 ╳ 2 1.75 0.75 ╳ 2 1.5 0.5 ╳2 1.0 所以(0.875)10=(0.111)2 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  39. 二进制数转换为十进制数 • 规则：按“权”展开，求和。 例： (1999.8)10=1╳103+9 ╳102+9 ╳101+9 ╳100+8 ╳10-1 “权” (1101.1)2=1╳23+1 ╳22+0 ╳21+1 ╳20+1 ╳2-1 =（8+2+1+0.5+0.25）10 =（11.75）10 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  40. 二进制转换为八进制 • 方法——三合一法 • 整数部分：自右向左，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。 • 小数部分：自左向右，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。 • 例如：将（10100101.10111）2 转换成八进制数。 （10100101.10111）2 = (010100101 .101110)2 =（ 2 4 5. 5 6）8 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  41. 八进制转换为二进制 • 方法——一分为三法 八进制 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制 000 001 010 011 100 101 110 111 例如：将（207.54）8转换成二进制： 2 0 7. 5 4 010 000 111.101 100 所以， （207.54）8=（010000111.101100）2 =（10000111.1011）2 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  42. 二进制转换为十六进制 • 方法——四合一法 • 整数部分：自右向左，四个一组，不够补零，每组对应一个十六进制数码。 • 小数部分：自左向右，四个一组，不够补零，每组对应一个十六进制数码。 例：(11001111.01111)2= (11001111 .01111000)2 = ( C F . 7 8)16 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  43. 十六进制转换成二进制 • 方法——一分为四法 • 十六进制 0 1 2 3 4 5 6 7 • 二进制 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 • 十六进制 8 9 A B C D E F • 二进制 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 例如（1E4.2A）16=（000111100100. 00101010） 2 =（111100100.0010101） 2 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  44. 1.2.4二进制数在计算机内的表示 • 计算机中整数一般用定点数表示。定点数指小数点在数中有固定的位置。 • 整数(不带符号的整数) • 8位：0~255，16位：0~65535 • 带符号整数符号位（0：正；1：负） • 最高位为符号位（原码表示法） • 8位：-128~127，16位：-32768~+32767 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  45. 0 100101 0 11 实数的表示 • 计算机中实数一般用浮点数表示。浮点数指小数点在数中位置不固定。 • 一个浮点数由阶码（指数）和尾数两部分组成。 • 阶码：尾数中的小数点应当向左或向右移动的位数。 • 尾数：表示数值的有效数字，其小数点约定在数符和尾数之间。例：100.101=2+3×0.100101 数符 尾数 阶符 阶码 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  46. 1.3常见的信息编码 • 十进制数的编码与表示 • 西文信息的编码与表示 • 中文信息的编码与表示 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  47. 1.3.1 BCD(二 -十进制编码） BCD码 BCD(Binary Code Decimal)码是用若干个二进制表示一个十进制数的编码， BCD码有多种编码方法，常用的有8421码。 8421码是将十进制数码0～9中的每个数分别用4位二进制编码表示，对于多位数，只须将它的每一位数字用8421码直接列出即可。例如，十进制数转换成BCD码如下： (1209.56)10＝(0001 0010 0000 1001.0101 0110 )BCD Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  48. 1.3.1 十进制数的编码与表示 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  49. 1.3.2 西文信息的编码与表示 • 字符编码(Character Code)就是用二进制编码来表示字母、数字以及专门的符号。 • 在计算机系统中有两种重要的字符编码方式：ASCII和EBCDIC。EBCDIC(扩展的二—十进制交换码)是西文字符的一种编码。采用8位二进制表示，共有256种不同的编码，可表示256个字符。 • 目前计算机中普遍采用的是ASCII(American Standard Code for Information Interchange)码，即美国信息交换标准代码。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

  50. 0 0 0 1 0 1 0 1 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 西文信息的编码与表示 数字→二进制数 字符→ 二进制编码 字符编码：每个字符对应一个整数值 字符编码标准： ASCII码：美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange) 规定：字节(８位)最高位为０,７位给出128个编码。 Nanjing University of InformationScience & Technology,Dept.Computer Science

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