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计算机基础知识. 计算机基础知识. 1. 1. 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. 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. 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。
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计算机基础知识 计算机基础知识 1. 1.
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
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
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。
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。
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
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
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
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
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
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
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
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。
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)。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
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)
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)。
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)
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
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)
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
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
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
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
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