第1章 计算机系统基本知识

1. 第1章计算机系统基本知识

2. 主要内容简介 1.1 计算机组成及工作原理 1.2 数据在计算机中的表示 1.3 计算机系统软件 1.4 计算机应用

3. 1.1 计算机组成及工作原理 • 计算机发展历史 • 计算机的特点 • 计算机的分类 • 冯·诺依曼体系结构 • 计算机的组成 • 中央处理机（CPU） • 输入/输出设备（I/O） • 主存储器（内存储器） • 辅存储器（外存储器） • 总线 • PC机的主要指标

4. 1)计算机发展历史 • 1946年—1957年：第一代计算机 • 1957年—1964年：第二代计算机 • 1964年—1972年：第三代计算机 • 1972年—至今 ：第四代计算机 • 正在研制： 第五代计算机展望： 一种更接近人的人工智能计算机，它能理解人的语言、文字和图形，还能“思考”，人无需编写程序，靠讲话就能对计算机下达命令，驱使它工作。

5. 2)计算机的特点 • 处理速度快 • 存储容量大 • 可靠性高 • 准确性高

6. 巨型机 大型机 小型机 工作站 单片机 便携机 台式机 3)计算机的分类 根据计算机的体积大小、计算速度、处理能力、价格等分为5大类： • 巨型计算机 • 大型计算机 • 小型计算机 • 工作站 • 个人计算机

7. 计算机之父-冯•诺依曼 世界第一台计算机：ENIAC 4)冯·诺依曼体系结构 要点： • 数字计算机的数制采用二进制。 • 计算机应该按照程序顺序执行。 （程序、存储、控制）

8. 4)冯·诺依曼体系结构 计算机必须具有如下功能： • 把需要的程序和数据送至计算机中。 • 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。 • 能够完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。 • 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。 • 能够按照要求将处理结果输出给用户。

9. CPU 主存储器 总线（BUS） I/O设备 辅助存储器 5)计算机的组成

10. 6)中央处理机（CPU） • CPU：Central Processor Unit • 中央处理器由控制器和运算器组成，是任何计算机系统中必备的核心部件。 • 控制器用来控制和管理计算机各部分协调动作。它是计算机的指挥中心。 • 运算器是计算机进行信息加工的场所，所有算术运算，逻辑运算等都在这里进行。

11. 7)输入/输出设备（I/O） 输入/输出设备是计算机系统与外界联系和沟通的桥梁。 输入设备是把信息送入计算机系统的设备。如：键盘、鼠标和扫描仪等。 输出设备是把计算机系统中信息送出的设备。如：显示器、打印机、绘图仪和音箱等。

12. 8)主存储器（内存） 主存储器（内存）：主存储器用来存放计算机的系统程序、即将处理的用户程序、数据和计算结果等。 主存储器主要有：RAM 和 ROM。 RAM – Random Access Memory ROM – Read-Only Memory

13. 9)辅存储器（外存） 辅助存储器（外存）：属于海量的、永久性的存储介质，用于存放计算机系统的几乎所有的资料。 外存主要有磁带、光盘、磁盘（软盘和硬盘）等。

14. 10)总线(Bus) 总线是CPU与外围设备之间传送信息的一组信号线，是计算机的核心部件之一。 总线是计算机数据交换的通道，总线的性能直接决定了计算机的性能。

15. 11)PC机的主要指标 • CPU主频和字长 • 主板带宽 • 内存容量 • 硬盘容量 显示器 键盘 音响 鼠标 网卡 主板 CD-ROM 内存 硬盘 CPU

16. 1.2 数据在计算机中的表示 • 计数中的进制 • 二进制 • 位、字节和字 • 十六进制 • 二进制到十进制的转换 • 十进制到二进制的转换 • 二进制到十六进制的转换 • 数值型数据的表示 • 字符数据的表示 • 汉字的表示 • 图形数据的表示 • 声音（音频）数据的表示

17. 1)计数中的进制 • 数制：即进位记数制，是人们利用数字符号进行数据计算的方法。 • 十进制数：逢十进一。 数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 权：10N N=0，1，2，… 如: 1990 • 二进制数：逢二进一。 数码：0、1 权：2N N=0，1，2，… 如: 10010011

18. 2)二进制 • 二进制的数码为0和1，基数为2。逢二进一 • 如： 0 - 0 5 - 101 1 - 1 6 - 110 2 - 10 7 - 111 3 - 11 8 - 1000 4 - 100 9 - 1001 ……

19. 3)位、字节和字 • 位(bit) 计算机数据的最小单位，只有 0 和 1 。 • 字节(Byte) 1字节 = 8个二进制位。 • 字(Word) 累加器的位数。如 32 位。 1 KB = 1024 字节 1 MB = 1024*1024 字节 1 GB = 1024*1024*1024 字节

20. 十进制 二进制 十六进制 十进制 二进制 十六进制 0 0 0 8 1000 8 1 1 1 9 1001 9 2 10 2 10 1010 A 3 11 3 11 1011 B 4 100 4 12 1100 C 5 101 5 13 1101 D 6 110 6 14 1110 E 7 111 7 15 1111 F 16 10000 10 4)十六进制

21. 5)二进制到十进制的转换 • 如二进制数：10010011 1*27 + 1*24 + 1*21 + 1*20 = 147 • 如二进制数：0.1101 1*2-1 + 1*2-2 + 0*2-3 + 1*2-4 = 0.6875 • 二进制数111010001.1011=？

22. 6)十进制到二进制的转换 • 整数部分：采用“除二取余”的方法，直到被除数为0为止。 将余数从低位向高位排列，得到相应的二进制数。 • 小数部分：采用“乘二取整”的方法，直到某次乘积的小数部分为0为止。 将整数从高位向低位排列，得到相应的二进制数。

23. 余 2 37 1 (a0) 余 余 余 余 余 2 18 0 (a1) 1 (a2) 1 (a5) 0 (a4) 0 (a3) 18 2 9 9 2 4 4 2 2 2 2 2 1 0 “除二取余” (以37为例) (37)10=(a5a4a3a2a1a0)2=(100101)2

24. 取整 取整 取整 取整 2 2 2 2  0. 25  0.625  0.8125  0.5 0 1 1 1 0.5 1.25 1.625 1.00 “乘二取整” (以0.8125为例) (0.8125)10=(0.1101)2

25. 7)二进制到十六进制的转换 • 一个十六进制位对应于四个二进制位。 • 2/16：从二进制数小数点开始向左（整数部分）或向右（小数部分）每四位分成一组，转化为十六进制数码中的一个数字。 • 16/2：将每个十六进制数码用相应的二进制数表示。

26. 2 to 16： 二进制数： (1110010111011011011.0111101)2 分段： 0111,0010,1110,1101,1011.0111,1010 转换： 7 2 E D B 7 A 十六进制数（结果）: (72EDB.7A)16

27. 16 to 2： 十六进制数： (5A7F.E8)16 转换： 0101,1010,0111,1111.1110,1000 二进制数： (1011010011111111.11101)2

28. 8)数值型数据的表示 • 计算机中的数用补码的形式表示。 • 原码：将数据转换成二进制数，用二进制数的最高位来代表符号位， 0为正数，1为负数，符号。 • 补码：正数的补码就是该数的原码；负数的补码就是将反码数值部分加1，符号位不变。 • 引入补码，为了解决CPU累加器的减法问题。

29. 原码、反码和补码 • 以(+57)10为例：（假设用16位表示） 原码：0 000000000111001 反码：0 000000000111001 补码：0 000000000111001 • 以(-37)10为例：（假设用16位表示） 原码：1 000000000100101 反码：1 111111111011010 补码：1 111111111011011

30. + 0 000000000100101 94 20 57 - 37 57 + (-37) + 1 111111111011011 0 000000000010100 1 计算机的基本运算 - 加法运算 0 000000000111001 57 + 37 0 000000001011110 0 000000000111001

31. 9)字符数据的表示 • ASCII码：美国标准信息交换码，是国际通用的信息交换用标准代码。 • ASCII码共有128个字符，用7位二进制数编码。（另外增加一位奇偶校验位，共8位） • ASCII在(32)10之前为控制字符，之后为可显示字符。

32. 10)汉字的表示 • 国标码：GB2312-80。 • 国标码字符集（字库）： 收录了6763个常用汉字； 其中：一级汉字3755个； 二级汉字3008个； 各种符号682个； 合计7445个。 • 一个汉字用两个字节表示，每个字节只用7位。 • 字库分成94个区，每个区包含94个位。每个汉字与一个区号和位号（各占1字节）对应，给出一个区号和位号就能确定一个汉字或汉字字符。

33. 机内码：在计算机内表示汉字的代码是汉字机内码。（把表示国标码的两个字节的最高位分别加“1”，就变成汉字机内码。）机内码：在计算机内表示汉字的代码是汉字机内码。（把表示国标码的两个字节的最高位分别加“1”，就变成汉字机内码。） • 输入码：汉字输入码是指直接从键盘输入的各种汉字输入方法的编码，属于外码。 编码的转换举例：（以全拼输入为例） 汉字 输入码 国标码 机内码 文 wen 4E44H CEC4H

34. 输入法程序 系统编码变换 编 码 变 换 编 码 变 换 输入码 机内码 字型点阵码 • 字库（字型点阵）：用点阵方式来构造汉字字型，然后存储在计算机内，构成汉字字模库。 • 目的是为了能显示和打印汉字。

35. 11)图形数据的表示 • 三基色（RGB） ：Red、Green、Blue。 • 用1个字节来表示一个基色。 • 用4个字节的整型数来表示一个点的颜色。 • 一幅图片：由颜色的点阵组成。 • 如一幅1024*768的图片，水平方向有1024个点，垂直方向有768个点，每个点用一个RBG值来表示。(1024×768×4≈3MB) • 在互联网中，JPG、GIF和PNG的图片格式最为普遍。

36. 经过麦克风后的声音信号 幅度 时间 原始的声音文件 01101101 01011100 第1次采样 01110101 11011100 第2次采样 01111101 11110101 第3次采样 …… …… …… …… 10101101 01011101 第n次采样 12)音频数据的表示 采样频率：44.1Khz ADC：模拟到数字的转换。

37. DAC：数字到模拟 信号的转换 数字音频文件的播放 01101100 10100011 01110011 01010110 01111111 00111100 10100010 00001101 …… 播放频率：44.1Khz

38. 原始的音频（声音）文件是由一系列整型数据组成。原始的音频（声音）文件是由一系列整型数据组成。 • 假设以2字节来表示一个数据，则一首单声道的原始音乐文件的大小： (5×60×44100×2≈25MB) • 在互联网中，MP3（MP4）的格式最为普遍。（压缩比在10倍以上）

39. 1.3 计算机系统软件 • 软件系统 • 软件的发展历程 • 系统软件-操作系统 • 应用软件 • 指令系统 • 计算机语言

40. 操作系统 语言处理程序 系统软件 数据库管理系统 实用程序与工具 计算机软件 专用软件 应用软件 通用软件 1)软件系统 程序：让计算机要做什么事而编写的指令序列。 软件：程序 + 文档。

41. 2)软件的发展历程 • 机器语言时代。20世纪40年代。 • 高级语言产生时代。20世纪50年代。 • 结构化程序设计、操作系统和数据库系统时代。20世纪60年代-70年代。 • 软件工程方法形成时代。20世纪80年代。 • 面向对象的程序设计时代。从20世纪90年代至今。

42. 3)系统软件-操作系统 • 操作系统是指管理、控制和协调计算机各部分工作的一组程序。它是软件中最基础的部分，是用户和裸机之间的接口，其作用是使用户更方便地使用计算机，以提高计算机的运行效率。 • 尽管操作系统各不相同，但所有操作系统都必须具备以下功能： • ·资源管理（如CPU、内存、进程等的管理）。 • ·控制输入/输出处理。 • ·实现用户与操作系统之间的通信。 • 操作系统：是Windows 2000、UNIX、Lunix等。

43. 4)应用软件 • 为实现/完成某个任务而编写的软件。 • 专用软件：如管理软件（财务管理、档案管理等）、工业控制软件（车床控制等）、数字信号处理软件等。 • 通用软件：如文字处理软件、电子表格软件、绘图软件等。

44. 5)指令系统 • 指令：计算机（CPU）能执行各种各样操作的命令，如加法指令、移位指令。 • 指令系统：一台计算机（CPU）所具有的各种各样指令的集合称为计算机的指令系统。指令系统的多少决定了计算机（CPU）运算处理能力的强弱。 • 不同的CPU，指令系统是不一样的。

45. 6)计算机语言 • 计算机语言也叫程序设计语言。是人们与计算机打交道的一套规则。 • 机器语言：第一代计算语言。 • 汇编语言：第二代计算语言。 • 高级语言：第三代计算语言。

46. 计算“3+5” 10110000 00000011 00000100 00000101 8086（CPU）机器语言 MOV AL, 03 ADD AL, 05 8086（CPU）汇编语言 S = 3 + 5 Visual BASIC 语言

47. 1.4 计算机应用 略！