计算机文化基础

1. 计算机文化基础 信阳师范学院

2. 第一章计算机基础知识 1.1计算机概述 1.1.1什么是电子计算机 电子计算机是用电子技术代替了机械和继电器技术，具有高速计算，内部存储能力，由程序控制其操作过程的电子设备。

3. 1.1.2电子计算机的发展 1.第一台电子计算机的诞生 计算工具的发展是随着生产的发展和社会的进步而发展，从简单到复杂、从低级到高级。算盘是我国最早发明的手动计算工具。后来相继出现了计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算机等。1946年2月14日，美国宾西法尼亚大学莫尔学院研制出了世界上第一台电子数字计算机埃尼阿克（ENIAC）。 ENIAC计算机的诞生，标志着人类进入了电子数字计算机时代。

4. ENIAC计算机： • 主要器件：电子管。 • 占地面积：170平方米。 • 耗电： 150KW。 • 计算速度：5000次加法/秒。比机械式的继电器计算机快1000倍。 • 用途：弹道计算。

5. 2.电子计算机的发展 • 走过了辉煌的半个世纪。杰出的计算机创始人是英国科学家图灵和美籍匈牙利科学家冯•诺依曼。图灵建立了电子数字计算机的理论模型，冯•诺依曼确立了电子数字计算机的基本结构。冯·诺伊曼和美国控制论专家维纳合作已成功发明了世界第一台电子计算机。这台电子计算机的诞生，使人类进入“电子计算机”时代。冯·诺伊曼式计算机体系在计算机发展中一直占据非常重要的地位，他对计算机发展所作出的杰出贡献已成为科技发展史册中光辉的一页。

6. 计算机的发展是随着电子器件的发展而发展，计算机的性能得到了极大提高，其体积大大缩小，功能越来越强，应用越来越广泛。根据电子计算机所采用的电子器件，一般把电子计算机的发展分为四个阶段，这四个阶段通常被称为计算机发展的四代。计算机的发展是随着电子器件的发展而发展，计算机的性能得到了极大提高，其体积大大缩小，功能越来越强，应用越来越广泛。根据电子计算机所采用的电子器件，一般把电子计算机的发展分为四个阶段，这四个阶段通常被称为计算机发展的四代。

7. 第一代 电子管计算机（1946-1957年） • 主要器件： 电子管 • 主存储器： 延迟线和磁鼓 • 辅助存储器：纸带、卡片和磁鼓 • 速度：几千～几万次/秒 • 软件：机器语言和汇编语言。 • 用途：科学计算、军事研究。

8. 第二代 晶体管计算机（1958-1963年） • 主要器件：晶体管 • 主存储器：磁芯 • 辅助存储器：磁带、磁盘。 • 速度：几十万次/秒～百万次/秒。 • 软件：高级语言程序（FORTRAN语言）、汇编语言程序及操作系统出现。 • 用途：科学计算、过程控制、数据处理和事物处理。

9. 第三代 集成电路计算机（1964-1971年） • 主要器件：集成电路 • 主存储器：半导体 • 辅助存储器：磁带、磁盘 • 速度：几百万次/秒～几千万次/秒。 • 软件和外部设备：高级语言程序及操作系统进一步发展和完善，外部设备增加。 • 用途：科学计算、数据处理、远程终端联机系统和工业控制各个领域。

10. 第四代 大规模、超大规模集成电路（1972年-现在） 主要器件：大规模、超大规模集成电路 。 • 主存储器：半导体 • 辅助存储器：磁盘、光盘 • 速度： 几百万次/秒～千亿次/秒 • 软件：高级语言、数据库、语言处理程序、操作系统、各类软件、 • 用途：科学计算、过程控制、数据处理、计算机网络与分布式处理、软件工程、人工智能、应用到各个领域。 • 

11. 1.1.3微型计算机的发展 • 第四代计算机另一个重要分支是以大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。微型计算机是随着微处理器的发展而发展，从1971年以来，微处理器每隔2～4年就更新换代一次。综合起来，共可分为五个阶段，这五个阶段通常被称为微型计算机发展的五代。

12. 第一代 4位或8位微型计算机发展（1971～1977年） • 微处理器有：Intel4004、Intel8008、Intel8080、Z80、M6800。 • 字长：4位或8位 • 主频：1 ～5MHz。 • 微型计算机：1971年Intel公司研制出MCS4型微型计算机（CPU为Intel4040，四位机）。后来又推出以Intel 8008为核心的MCS-8型、APPLE-II型八位微型计算机。

13. 第二代 十六位微型计算机的发展（1978～1981年） • 微处理器有：Intel8086、Intel8088、Z8000、MC68000。 • 字长：十六位。 • 主频： 4 ～ 10MHz • 微型计算机：IBM-PC（CPU为8086）机。 • APPLE公司的Macintosh机。 • IBM公司的PC／AT286机。

14. 第三代 十六位微型计算机的发展 （1982～1984年 ） • 微处理器有：Intel8088、Intel8086、Intel80286。 • 字长：十六位。 • 主频：10～30MHz。 • 微型计算机：IBM-PC（CPU为8086，十六位机）。 1984年产品：APPLE公司的Macintosh机。 IBM公司的PC/XT机 和PC/AT286机。

15. 第四代 32位微型计算机的发展 （1985 ～ 1989年） • 微处理器有：Z80000、Intel80386、Intel80486、 Pentium 。 • 字长：32位。 • 主频：10～60MHz。 • 微型计算机： IBM-PC/80386、IBM-PC/80486和IBM-PC/80586机和PC兼容机。

16. 第五代 64位微型计算机的发展 （1990 ～现在） • 微处理器有：Pentium(586)、 Pentium II 、 Pentium III 、 Pentium IV 。 • 字长：64位。 • 主频：70～2.4GHz。 • 微型计算机：IBM-P III-1.06G 、 康柏Evo D510商用微机、联想开天4800 P4-2.0G 机和P4 PC兼容机等。

17. 第五代 人工智能计算机 • 第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。第五代计算机系统的结构将突破传统的冯·诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。 • 微处理器技术的发展推动了计算机的更新换代, 今后计算机的发展将出现微型机和超大型机的两极分化现象. 多媒体技术和计算机网络也将得到更快的发展

18. 1.1.4计算机的发展趋势 1. 巨型化 巨型机是指发展速度更快、存储容量更大、功能更强、可靠性更高的计算机。 例如,美国“Star-100”和我国的“银河”机。 现代巨型机已达到万亿次每秒的运算速度.

19. 2.微型化 • 微型化主要是朝着以下几个方面发展： （1）体积越来越小 （2）集成度越来越高 （3）功能更强和可靠性高 （4）价格更便宜 （5）适用范围广的微型计算机系统

20. 3. 网络化 • 网络化是指利用通信介质和通信设备将分布在不同地理位置的计算机系统及计算机网络相互联接起来，实现计算机资源共享和通信.

21. 4. 智能化 • 智能化是指使计算机模拟人的思维活动，利用计算机的“记忆”和“逻辑判断”能力，识别文字、图像和翻译各种语言。使其具有思考、推理、联想和证明等学习和创造的功能，真正替代人的思维活动和脑力劳动的电脑。

22. 1.1.5计算机的特点与分类 1．计算机的特点 • 运算速度快 • 运算精度高 • 具有记忆和逻辑判断能力 • 具有存储和自动执行程序的能力 • 通用性强

23. 2．计算机的分类 • 计算机根据运算速度、存储能力、功能强弱、配套设备与软件系统的丰富成度等因素可划分为： • 大型机、 中型机、 小型机、 微型机、 服务器、 工作站。

24. 1.1.6计算机的应用 • 1．科学研究和科学计算 • 2．数据处理 • 3．自动控制 • 4．计算机辅助系统 • 5．计算机网络 • 6．娱乐

25. 1.1.7计算机系统的主要技术指标 • 1．字长 • 字长是指计算机一次能直接处理的二进制数的位数 .它是计算机的一个重要技术性能指标。 • 字长的位数多少，决定了计算机的计算精度、寻址速度和处理能力强弱。字长的位数越多，计算机的运算能力越强，精度越高。

26. 2．运算速度 • 运算速度是指计算机每秒钟内执行指令的数目，单位用MIPS(Million of Instructions Per • Second，百万条指令／秒)表示。巨型机的速度已达到每秒几十亿次乃至上百亿次。

27. 3．内存容量 • 主存储器简称内存。内存中能存储信息的总字节数为内存容量。8位(bit)二进制数称为一个字节，用1Byte表示。 • 主存储器的容量越大，存储的数据和程序量就越多，能运行的软件功能越丰富，处理能力就越强。 • 存储容量单位：B（字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）。 • 存储容量的单位之间的换算关系如下： • 1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=220B • 1GB=1024MB=230B 1TB=1024GB=240B

28. 4．主频 • 主频是指CPU的时钟频率，即CPU在单位时间（秒）内平均“操作”的次数。英文全称：CPU Clock Speed， • 在很大程度上决定着计算机的运行速度。例如，Pentium Ⅲ的主频有500、733，赛扬400A等。主频的单位是兆赫兹(MHz)。目前微型计算机的主频都在800MHz～2.4GHz。

29. 5．外设配置 • 外设是指计算机的输入／输出设备以及外存储器。不同用途的微型机的外设配置是不同的,外设配置要根据其用途进行合理配置。 • 输入设备有:扫描仪,数码照相机等. • 输出设备:打印机,绘图仪等.

30. 除了以上几个指标外，微型计算机经常还要考虑以下几个方面： （1）机器的兼容性。兼容性强有利于计算机的推广；（2）系统的可靠性也是一项重要性能指标；（3）选择性能／价格比高的计算机。

31. 1.2计算机中的数据与编码 • 计算机的基本功能是进行数的计算和处理加工。 • 存储在计算机中的字母、符号、图形、声音都是用二进制数编码表示的.在计算机中数据为什么要采用二进制数表示? （1）容易实现。数在机器中都是以器件的物理状态来表示的。例如可用电子器件的截止和饱和两个稳态即高电平和低电平表示。 （2）容易表示。用二进制数表示更为简单和可靠，极大简化计算机的结构，运算速度也可大大提高。

32. 1.2.1进位计数制 • 进位计数制是一种数的表示方法，它按进位的方法来计数，简称为进位制。 • 例如:十进制数: 123.56 逢十进一 • 六十进制数: 60秒为1分 逢六十进一 • 十二进制数: 十二月 逢十二进一

33. 1．十进制数 • 一个十进制数有两个主要的特点： • （1）它有十个不同的数字符号，即：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 • （2）逢“十”进位，借一当十。因此，同一个数字符号在不同的位置（或数位）代表的数值是不同的。 • 例如：999.99 • 9 9 9 . 9 9 • 百位 十位 个位 十分位 百分位

34. 对于十进制数： • 小数点左边第一位的9代表个位，就是它本身的数值9；小数点左边第二位的9代表十位，它的值为9×101；左边第三位的9代表百位，它的值为9×102；而小数点右边第一位9的值就为9×10-1；右边第二位9的值就为9×102。所以，这个数可以写成 999.99=9×102＋9×101＋9×100＋9×10-1＋9×10-2 其中，把102 、101 、100 、10-1 、10-2值称为999.99的位权。

35. 对于任意一个十进制数： • 可以按下列公式展开： • D=Dn-1×10n-1＋Dn-2×10n-2＋···+D1×101＋D0×100 • +D-1×10-1＋D-2×10-2＋···＋D-m×10-m • 若用i表示数的某一位，Di表示第i位的数码，它可以是0～ 9的任一个，由具体的数D来确定；其中，10n-1 、10n-2···101 、10-1 、100 、10-1···10-2 、10-m称为位权0，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数； Dn-1×10n-1 称为第n-1位的数值；10称为该计数制的基数，所以，就是十进制数。

36. 2．二进制数的表示 • 与十进制数类似，它也有两个主要特点： • （1）它有两个不同的数字符号0和1。 • （2）它是逢“二” 进位的。因此，不同的数码在不同的数位所代表的值也是不同的。 • 例如：11010.001 • (11010.001)2=1×24＋1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+0×2-2+1×2-3

37. 任意一个二进制数的展开式： • B=Bn-1×2n-1+Bn-2×2n-2+···+B1×21+B0×20 • +B-1×2-1+B-2×2-2+···+B-m×2-m • 其中Bi只能取1或0，由具体的数B确定；n、m为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；其中，2n-1 、2n-2··· 21 、2-1 、20 、2-1··· 2-2 、2-m称为位权，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数； 2是进位制的基数，故称为二进制。

38. 3.十六进制数的表示 • 十六进制数的特点： • （1）有16个不同的数码符号:0－9及A、B、C、D、E、F，它与十进制和二进制之间的关系P6表1-1所示。 • 十进制数 十六制数 • 10 A • 15 F • 112 1C

39. （2）逢“16”进位。 • 对于一个十六进制数，它所在的位置不同，数码所表示的值也是不同的。例如：(43D)16＝4×162＋3×161＋D×160 任意16进制的数H，可以表示为： H=Hn-1×16n-1+Hn-2×16n-2+···+H1×161+H0×160 +H-1×16-1+H-2×16-2+···+H-m×16-m 其中，Hi可取0－F之间的数，取决于数值H；n、m为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；其中，16n-1 、16n-2···161 、16-1 、160 、16-1···16-2 、16-m称为位权，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；16为十六进制的基数，故称为16进制。

40. 综上所述，可以把它们的特点概括为: • （1）每种计数制都有一个固定的基数J，它的每一位位可能取J个不同的数值。 • （2）它是逢“J”进位的。因此，它的每一个数位i,对应一个固定的值Ji，Ji就称为该位的“位权”，小数点左边各位的权依次是基数J的正次幂；而小数点右边各位的权依次是基数J的负次幂。与此相关，若小数点向左移一位，则等于减少了J倍；若小数点向右移一位，则等于增加了J倍。

41. 1.2.2不同数制之间的转换 • 计算机中数的存储和运算都使用二进制数。计算机在处理其它进制数时，都必须转换成二进制数，处理完后，输出结果时，再把二进制数转换成常用的数制。下面介绍不同数制间的转换方法。

42. 1．十进制数与二进制数的转换 • （1）十进制数整数的转换成二进制数 • 方法：除2取余，逆序读数 • 例如：将十进制数28转换为二进制数。 ( 28 )D=( 11100 )B

43. （2）十进制小数转换成二进制数 • 方法：乘2取整，顺序读数 • 例如：将十进制数0.125转换为二进制数 • (101.11)B=(5.75)D

44. 2．二进制数与十六进制数的转换 • （1） 十六进制数转换成二进制数 • 方法：将每一位十六进制数用4位二进制数代替，小数点不动。 • 例如：将十六进制数7A8E.6C转换成二进制数 • 7 A 8 E . 6 C • 0111 1010 1000 1110 .0110 1101 • ( 7A8E.6C )H=( 111101010001110.01101101 )D

45. （2）二进制数转换成十六进制数 • 方法：从小数点开始，向左或向右每4位二进制数分成一组（不足4位补0），然后按对应位置写出每组二进制数等值的十六进制数及对应的小数点，即可得到转换后的十六进制数。 • 例如：将二进制数11010111.1011转换成十六进制数。 • 1101 0111 . 1011 • D 7 . B • 即：( 11010111.1011 )D=( D7.B )H

46. 3．十进制数与十六进制数的转换 （1）十进制整数转换成十六进制数 • 方法：除16取余，逆序读数。 • 例如：将十进制数4586转换成十六进制数。 • (4586 )D=( 11DA )H

47. （2）十进制小数转换成十六进制数 • 方法：乘16取整，顺序读数。 • 例如：将十进制数0.32转换成十六进制数。 • 即：( 0.32 )D=( 0.51E )H

48. （3）十六进制数转换成十进制数 • 方法：把每一位的二进制数码乘以其相应位的位权值，然后将各乘积相加。 • 例如：将十六进制数5EA.11转换成十进制数 • （5EA.11）H=5×162+14×161+10×160+1×16-1+1×16-2=(1514.0664062)D • 即：(5EA.11)H=(1514.0664062)D • 注意：十进制数与十六进制数之间的转换也可以以二进制数为媒介，分两步完成，即先把待转换的数转换成二进制数，然后再把二进制数转换为要求的数制形式。

49. 1.2.4 计算机中数据的单位 • 1．位（bit） • 计算机只识别二进制数，即在计算机内部，运算器运算的是二进制数。在计算机中数据的最小单位是位。位是指一位二进制数码 “0”或“1”,英文名称是bit。

50. 2．字节（Byte） • 为了表示计算机数据中的所有字符（包括各种符号、数字、字母等），大约在128到256个，需要用7到8位二进制数表示。因此，人们选定8位为1个字节。即1个字节由8个二进制数位组成。字节是计算机中用来表示存储空间大小的最基本的容量单位。