第一章 计算机概述

1. 第一章 计算机概述

2. 目的与要求 通过本章的学习，使学生对计算机系统建立初步的概念。要求学生了解计算机系统的硬件组成和软件组成、计算机的工作原理 ，掌握计算机的数制和编码。 授课要求 重点与难点 重点掌握数制之间的转化，二进制以及计算机中的数据表示。难点二进制和计算机中的数据表示。

3. 授课内容： 计算机的发展及应用 计算机系统的组成 计算机中的数制与编码 1. 发展历史 1.系统的组成 1.计算机的数制 2.数制转换 2.主要特点 2.硬件系统 3.二进制算数运算 3.计算机的分类 3.软件系统 4.数据的表示 4.应用领域 4.程序设计语言 5.字符编码 5.发展趋势

4. 1.1.1 计算机的发展历史 计算机是一种能迅速而高效的自动完成信息处理的电子设备，它能按照程序对信息进行加工、处理、存储。世界上第一台电子数字式计算机由美国宾夕法尼亚大学、穆尔工学院和美国陆军火炮公司联合研制而成，于1946年2月15日正式投入，运行它的名称叫ENIAC，是The Electronic Numerical Integrator and Calculator (电子数值积分计算机)的缩写。

5. 1.1.1 计算机的发展历史 ENIAC使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度、精确度和准确度也是以前的计算工具无法比拟的。

6. 1.1.1 计算机的发展历史

7. 1.1.1计算机的发展历史 ENIAC诞生后短短的几十年间计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管晶体管中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现使得计算机迅速普及进入了办公室和家庭。在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前计算机的应用已扩展到社会的各个领域。

8. 1.1.1计算机的发展历史 第一阶段： 电子管计算机(1946～1957年) 第二阶段： 晶体管计算机(1958～1964年) 第三阶段： 集成电路计算机(1965～1970年) 第四阶段：大规模、超大规模集成电路计算机(1971年至今)

9. 1.1.1计算机的发展历史

10. 1.1.2 计算机的主要特点 1． 运算速度快 2． 计算精度高 3． 记忆能力强 4． 具有逻辑判断能力 5． 可靠性高 6． 通用性强

11. 1.1.3 计算机的分类 • 可以从不同的角度对计算机进行分类。计算处理的信号有数字信号和模拟信号，按计算机处理的信号不同可分为数字计算、模拟计算机和数字模拟混合计算机。数字计算机处理数字信号数据，模拟计算机处理模拟信号数据，数字模拟混合计算机机可以处理数字信号也可以处理模拟信号。 • 计算机按其功能可分为专用计算机和通用计算机。专用计算机功能单一、适应性差但是在特定用途下有效、经济、快速。通用计算机功能齐全、适应性强。目前所说的计算机都是指通用计算机。在通用计算机中又可根据运算速度、输入输出能力、数据存储能力、指令系统的规模和机器价格等因素将其划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器及工作站等。

12. 巨型机：速度最快、处理能力最强，多用于高端 科研。 大型、通用、较快、较强 大型机：作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单。 按综合性能指标分类 微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜 适合普通用户。 工作站：介于PC与小型机之间 ，高分辨率、大容 量内外存，图形功能较强 服务器：大容量的存储设备和丰富的外部设备。运 行速度较快，可供网络用户共享访问。 1.1.3 计算机的分类

13. 1.1.4 计算机的应用领域 • 1． 科学计算 • 2． 数据处理 • 3． 计算机辅助设计／辅助制造(CAD/CAM) • 4． 过程控制 • 5． 多媒体技术 • 6． 计算机网络 • 7． 人工智能

14. 1.1.5 计算机的发展趋势 • 巨型化 • 天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量这就需要研制功能更强的巨型计算机。

15. 1.1.5 计算机的发展趋势 Altair 8800 微型化 专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。

16. 1.1.5 计算机的发展趋势 • 网络化 • 将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网人们足不出户就可获取大量的信息与世界各地的亲友快捷通信进行网上贸易等等。

17. 1.1.5 计算机的发展趋势 • 智能化 • 目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动因此也常称为“电脑”。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言、能识别图形、会自行学习等等这就需要进一步进行研究。 • 近年来通过进一步的深入研究发现，由于电子电路的局限性，理论上电子计算机的发展也有一定的局限，因此人们正在研制不使用集成电路的计算机例如：生物计算机、量子计算机、超导计算机等。

18. 1.2.1 计算机系统的组成

19. 1.2.2 计算机硬件系统 • 计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合。通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成，它们都是能看得见、摸得着的，因此通称为“硬件”，是进行一切工作的基础。计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。

20. 1.2.2 计算机硬件系统 • （1) 运算器 • 运算器是计算机的运算部件，进行算术运算和逻辑运算并暂存中间结果。常把运算器称为算术与逻辑运算部件,即ALU。运算器是计算机的核心部件,它的技术性能的高低直接影响着计算机的运算速度和性能。 • （2) 控制器 • 控制器是计算机的控制中心，按照人们事先给定的指令步骤统一指挥各部件有条不紊地协调动作。控制器的主要功能是从内存中取出一条条指令，并指出当前所取指令的下一条指令在内存中的地址,对所取指令进行译码和分析，并产生相应的电子控制信号，启动相应的部件执行当前指令规定的操作，周而复始地使计算机实现程序的自动执行。控制器功能决定了计算机的自动化程度。 • 随着大规模集成电路技术的发展，运算器和控制器通常做在一块半导体芯片上，称为中央处理器或微处理器简称CPU，CPU是计算机核心和关键,计算机的性能主要取决于 CPU。

21. 1.2.2 计算机硬件系统 AMD处理器-Athlon 64*2 Intel处理器-Core 2 Duo

22. 1.2.2 存储器硬件系统 • （3) 存储器 • 存储器是具有记忆功能的部件。计算机在运行过程中所需要的大量数据和计算程序，都以二进制编码形式存于存储器中。存储器分为许多小的单元，称为存储单元。每个存储单元有一个编号，称地址。存储器中的数据被读出以后，原存储器中的数据仍能保留，只有重新写入，才能改变存储器存储单元的存储状态。 • 计算机的存储器分为内存储器和外存储器。

23. 1.2.2 存储器硬件系统 • 内存是程序存储的基本要素，存取速度快，但价格较贵，容量不可能配置的非常大；而外存响应速度相对较慢但容量可以做得很大（如一张3.5英寸软盘片容量1.44MB，一张光盘片容量640MB,硬盘容量可达几百GB及以上）。外存价格比较便宜并且可以长期保存大量程序或数据，是计算机中必不可少的重要设备。 • 外存储器用来放置需要长期保存的数据,它解决了内存不能保存数据的缺点。微型计算机中的外存储器有软磁盘驱动器、硬磁盘驱动器、光盘驱动器。

24. 内存 1.2.2 存储器硬件系统 • 内存储器简称内存又称主存，是CPU能根据地址线直接寻址的存储空间，由半导体器件制成。其特点是存取速度快基本上能与CPU速度相匹配。计算机工作时将用户需要的程序与数据装入内存。内存按其功能和存储信息的原理又可分成两大类即随机存储器和只读存储器。

25. 1.2.2 存储器硬件系统 • 随机存储器简称RAM(Random Only Memory)。RAM在计算机工作时既可随时从中读出信息也可随时写人信息，所以RAM是在计算机正常工作时可读／写的存储器。当机器掉电时RAM的信息会丢失。因此用户在操作电脑过程中应养成随时存盘的习惯以防断电丢失数据。 • 只读存储器简称Rom(Read only Memory)。计算机工作时只能从Rom中读出信息而不能向Rom写信息，当机器掉电时Rom的信息不会丢失。利用这一特点常将操作系统基本输人输出程序固化其中。机器加电后立刻执行其中的程序ROM BIOS， 就是指含有这种基本输入输出程序的ROM 芯片。

26. 1.2.2 存储器硬件系统 • 外存储器简称外存，它作为一种辅助存储设备，主要用来存放一些暂时不用而又需长期保存的程序或数据。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须通过CPU 输入／输出指令将其调入BAM中才能被CPU执行处理。 外存

27. 1.2.2 存储器硬件系统 硬 盘 移动硬盘 光 盘 软 盘 U 盘 数码伴侣(存储卡) 外存

28. 1.2.2 存储器硬件系统 • （4) 输入设备 • 计算机在与人进行会话、接受人的命令或是接收数据时需要的设备叫做输入设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、游戏杆等。

29. 1.2.2 存储器硬件系统 • （5) 输出设备 • 输出设备是将计算机处理的结果以人们能够认识的方式输出的设备。常用的输出设备有显示器、音箱、打印机、绘图仪等。 液晶LCD 阴极射线管CRT 打印机

30. 1.2.2 存储器硬件系统 • 2． 计算机的工作原理 • 美籍匈牙利数学家冯．诺依曼在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想。到现在为止，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯•诺依曼结构计算机。 • 3． 计算机的工作过程 • 计算机的工作过程就是执行程序的过程。程序是若干指令的序列执行程序过程是： • （1）取出指令： • （2）分析指令： • （3）执行指令： • （4）为执行下一条指令做好准备即形成下一条指令地址。

31. 1.2.2 存储器硬件系统 4． 计算机的性能指标 （1） 主频 （2） 字长 （3） 内存容量 （4） 运算速度 （5） 存取周期

32. 1.2.3 计算机的软件系统 • 只有硬件系统而没有软件系统的计算机称为裸机是无法工作的。要想让计算机完成某项工作必须配备相应的软件系统。计算机的软件系统分为系统软件和应用软件。 • １．系统软件 • 系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，是计算机必备的软件。它负责管理和控制计算机的资源，提供用户使用计算机的界面。包括操作系统、各种程序设计语言的编译与解释程序、监控和诊断程序等。最重要的系统软件是操作系统。 • ２．应用软件 • 应用软件是为了解决各种实际问题而设计的程序。包括各种管理软件、办公自动化软件、工业控制软件、计算机辅助设计软件包、数字信号处理及科学计算程序包等。

33. 1.3.1 计算机中的数制 • 数制是以表示数值所用的数字符号的个数来命名的，并按一定进位规则进行计数的方法叫做进位计数制。每一种数制都有它的基数和各数位的位权。所谓某进位制的基数是指该进制中允许使用的基本数码的个数。例如，十进制数由十个数字组成，既0，1，1，3，4，5，6，7，8，9，十进制的基数就是10，逢十进一。其中数制中所用的数字符号的个数称为数制的基，数制中每一个数值所具有的值称为数制的位权。对于R进制数，有数字符号0，1，2，…，R–1，共R个数码，基数是R。在采用进位计数的数制系统中，如果用R个基本符号，例如：0，1，2， ，R-1表示数值，则称其为基R数制（Radix-r Number System），R成为该数制的基（Radix）。例如取R=2，即基本符号为0，1，则为二进制数。

34. 1.3.1 计算机中的数制 2.常用进位计数制 （1)二进制 二进制（binary）由0和1两个数字组成，2就是二进制的基数，逢二进一。二进制的位权是2i,i为小数点前后的位序号。 （2)八进制 八进制由八个数字组成，即0,1,2,3,4,5,6,7 这八个数字组成,八进制的基数就是八,逢八进一。 （3)十进制 十进制由十个数字组成，即0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 这十个数字组成,十进制的基数就是十,逢十进一。 （4)十六进制 十六进制由十六个数字组成，即0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,a,b,c,d,e,f 这十六个数字组成,十六进制的基数就是16,逢十六进一。

35. 1.3.1 计算机中的数制

36. 1.3.2 不同数制之间的转换 对于不同的数制，它们的共同特点是： • 首先，每一种数制都有固定的符号集：如十进制数制，其符号有十个：0，1，2， ，9，二进制数制，其符号有两个：0和1。 • 其次,都是用位置表示法：即处于不同位置的数符所代表的值不同，与他所在位置的权值有关。可以看出，各种进位计数制中的权的值恰好是基数的某次幂。因此，对任何一种进位计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r进制数N可表示为： N = an ...a1a0...a-1...a-m (r) = an×rn + … + a1×r1 + a0×r0 +a-1×r-1+...+a-m×r-m

37. 1.3.2 不同数制之间的转换

38. 二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数 • r 进制转化成十进制：数码乘以各自的权的累加。二进制数转换成十进制数的常用方法就是按权展开，然后按十进制规则计算。 • 例1-1 将二进制数（1101.011）B转换成十进制数。采用按权展开法，过程如下： • （1101.011）B • =1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3 • =8+4+0+1+0+0.25+0.125 • = （13.375）D

39. 二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数 例1-2：将八进制数5675转换成十进制数。 (5675)O = 5× 83 + 6×82 + 7× 81 + 5× 80 = 2560 + 384 + 56 + 5 = (3005)D 例1-3：将十六进制数3B转换成十进制数。 (3B)H = 3 ×161 + 11×160 = 48 + 11 = (59)D

40. 二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数二、八、十六进制数（非十进制数）转换为十进制数 • （1001.111）B=（ ）D • （1234）O =（ ）D • （4C）H=（ ）D 此页需要启用宏，方可生效

41. 十进制数转换为二、八、十六进制数（非十进制数）十进制数转换为二、八、十六进制数（非十进制数） • 十进制转化成r 进制的方法： • 整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列，称为基数除法。 • 小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列，称基数乘法。 • 数值由十进制转换成二进制，要将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再组合起来。 • 十进制整数转换成二进制数的最简便方法是基数除法，也称“除2取余”法。 • 十进制小数转换成二进制数的常用方法是基数乘法，也称“乘2取整”法。

42. (25.3125)D转换为二进制数。 • 整数部分和小数部分的转换方法不同。整数部分的转换（除基2取余法）:除以2取余数，直到商为0，余数从右到左排列。 • 整数部分：25 • 除数 被除数 余数 • 2 25 • 2 12 1 • 2 6 0 • 2 3 0 • 2 1 1 • 0 1 • (25)D = (11001)B先取的余数为低位，后取的余数为高位。

43. (25.3125)D转换为二进制数。 小数部分的转换（乘基2取整法）：乘以2取整数，整数从左到右排列。 0.3125 乘2 整数 0.3125 × 2 0.6250 0 × 2 0.2500 1 × 2 0.5000 0 × 2 0.0000 1 (0.3125)D = (0.0101)B先取的整数为高位，后取的整数为低位 则：(25.3125)D = (11001)B+ (0.0101)B = (11001.0101)B

44. 十进制数转换为二、八、十六进制数（非十进制数）十进制数转换为二、八、十六进制数（非十进制数） • （11.125）D=（ ）B • （1234）D =（ ）O • （745）D=（ ）H 此页需要启用宏，方可生效

45. 二进制和八进制、十六进制间转换 • 八进制和十六进制转化成二进制 • 由于每一个八进制数对应二进制的三位。八进制数转换成二进制数的方法是：用3位二进制数取代每一位八进制数。同样每一个十六进制数对应二进制的四位。十六进制数转换成二进制数的方法是：用4位二进制数取代每一位十六进制数。 • （2C1D）H=（0010 1100 0001 1101）B • 2 C 1 D • （7123）O=（111 001 010 011）B • 7 1 2 3

46. 二进制和八进制、十六进制间转换 • 二进制转化成八进制和十六进制 • 整数部分：从右向左进行分组。小数部分：从左向右进行分组。转化成八进制三位一组。转化成十六进制四位一组，不足补零。 • （11 0110 1110.1101 0100）B=（36F.D4）H • 3 6 F D 4 • （001 101 101 110. 110 101）B= （1556.65）O • 1 5 5 6 6 5

47. 二进制和八进制、十六进制间转换 • （11011010）B=（ ）O • （11011001）B=（ ）H • （121）O=（ ）B • （536）H=（ ）B 此页需要启用宏，方可生效

48. 1.3.3二进制数的算术运算和逻辑运算 算术运算 基本的算术运算有四种，即加、减、乘、除，且规则简单，举例如下： 加法运算 规则: 0+0=0；0+1=1； 1+0=1；1+1=10 例1-5 1101+1011=11000 1101 + 1011 11000 减法运算 规则: 0-0=0； 1-0=1； 1-1=0 ； 10-1=1 例1-6 1101-0110=0111 1101 - 0110 0111

49. 1.3.3二进制数的算术运算和逻辑运算 • 乘法运算 • 规则: 0×0=0 ；0×1=0 ；1×0=0 ；1×1=1 • 例1-7 1101×110=1001110 • 1101 • * 110 • 0000 • 1101 • + 1101 • 1001110 • 除法运算 • 规则: 0/1=0；1/1=1； • 例1-8 • 11011÷101=101余10

50. 1.3.3二进制数的算术运算和逻辑运算 • 逻辑运算 • 逻辑“或” • 逻辑“或”亦称为逻辑加，使用的运算符有“∨”或者“∪”，均读为“或”。它的运算规则是参加运算的两个数中至少有一个为1时，“或”的结果为1。 • 规则如下： 0∨0=0 ；0∨1=1 ； 1∨0=1； 1∨1=1 ； 例1-9 1001∨1101=1101 1001 ∨1101 1101