大学计算机基础

1. 大学计算机基础 绪论 2009年秋

2. 大学计算机基础 第1章 计算机基础知识 2009年秋

3. 本章主要内容 • 1.1 计算机概述 • 1.2 数据在计算机中的表示 • 1.3 计算机系统的组成 • 1.4 多媒体技术 • 1.5 计算机安全 大学计算机基础

4. 1.1 计算机概述 • 1.1.1 计算机的产生和发展 • 1. 电子计算机的诞生与发展 计算机的发展历经了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机3 个阶段。 • （1）电子计算机的诞生 • 第1 台电子计算机是1946年2月诞生于美国宾夕法尼亚大学的电子数字积分计算机（ENIAC）。 • 美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼领导的设计小组完成全新的存储程序式的通用电子计算机方案——电子离散变量自动计算机（EDVAC）。 大学计算机基础

5. 1.1 计算机概述 • （2）冯·诺伊曼型计算机的主要内容 • ① 计算机中的指令和数据等一切信息都用二进制方式表示。 • ② 计算机完成的任务是由事先编好的程序完成的。 • ③ 计算机的程序被事先输入到存储器中，程序运算的结果也被存放在存储器中； • ④ 计算机能自动连续地执行程序。 • ⑤ 程序运行所需要的信息和结果可以通过输入/输出设备完成。 • ⑥ 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5个部分组成。 • 由于冯·诺伊曼对现代计算机技术的突出贡献，人们称他为“计算机之父”。 大学计算机基础

6. 1.1 计算机概述 • （3）计算机的发展历程 • ① 第一代是电子管计算机（1946—1957） 使用机器语言，且体积大、耗电量高、运行速度慢、价格昂贵，用磁鼓存储数据。主要为军事和国防尖端技术而研制。 • ② 第二代是晶体管计算机（1957—1964） 使用高级语言 ，且体积小、重量轻、成本低、寿命长、速度快、功耗低，性能更稳定，用磁芯存储器 。 大学计算机基础

7. 1.1 计算机概述 • ③ 第三代是集成电路计算机（1964—1970） 体积变得更小，功耗更低，速度更快，兼容性更好，成本更低，应用范围进一步扩大。这一时期还出现了操作系统。 • ④ 第四代是大规模集成电路计算机（1970到现在） • ⑤ 第五代是未来的智能计算机 第五代计算机是指具有人工智能的新一代计算机，它具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。 大学计算机基础

8. 1.1 计算机概述 • （4）微型计算机的发展 • 微型计算机（Microcomputer）是指以微处理器为核心，由大规模集成电路制成的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机（简称微型机或微机）。 • 有的微型计算机把CPU、存储器和输入/输出接口电路都集成在单个芯片上，称为单片微型计算机，也叫单片机。 • 自从1971年微处理器和微型计算机问世以来，就得到了快速的发展，大约每隔2～4年就更新换代一次。至今，微型计算机经历了4次演变，并进入第五代。微型计算机的换代通常按CPU的字长和功能来划分。 大学计算机基础

9. 1.1 计算机概述 • ① 第一代（1971—1973）是4位或低档8位微处理器。主要的微处理器有： 1971年，Intel公司推出第一片4位微处理器Intel 4004 和1972年，推出了Intel 8008 。 • ② 第二代（1974—1977）是中档的8位微处理器。主要的微处理器有： Intel 8008、Z80、M6800、Rockwell 6502等 。 • ③ 第三代（1978—1985）是16位微处理器。主要的微处理器有： 大学计算机基础

10. 1.1 计算机概述 Intel 8086（集成度为29 000管/片，时钟频率为10 MHz）、Z8000（集成度为17500管/片）和MC68000（集成度为68000管/片）。 • ④ 第四代（1985—1992）是32位微型机。主要的微处理器有： Intel 80386和Intel 80486等。 • ⑤ 第五代（1993～现在）是高档32位或64位微处理器。主要的微处理器有： Intel公司的新一代处理器Pentium（奔腾）系列产品。 大学计算机基础

11. 1.1 计算机概述 • 2．未来计算机的发展 • （1）未来计算机的发展方向 • ① 巨型化。 • ② 微型化。 • ③ 网络化。 • ④ 智能化。 • （2）未来的新型计算机 • ① 能识别自然语言的计算机。 • ② 高速超导计算机。 • ③ 激光计算机。 大学计算机基础

12. 1.1 计算机概述 • ④ 分子计算机。 • ⑤ 量子计算机。 • ⑥ DNA计算机。 • ⑦ 神经元计算机。 • ⑧ 生物计算机。 • 1.1.2 计算机的分类 • 1．按用途划分 • ① 通用机： • ② 专用机 大学计算机基础

13. 1.1 计算机概述 • 2．按处理对象划分 • ① 电子数字计算机 简称电子计算机或数字计算机。 • ② 模拟计算机 • ③ 数模混合机 • 3．按规模划分 指计算机的运算速度、存储容量、存取速度等综合性的性能指标和处理能力。 • ① 巨型计算机 • ② 大/中型计算机 • ③ 小型计算机 大学计算机基础

14. 1.1 计算机概述 • ④ 微型计算机 • ⑤ 工作站 • ⑥ 服务器 • 1.1.3 计算机的特点 • ① 处理速度快 • ② 存储容量大，存储时间久 • ③ 计算精确度高 • ④ 有逻辑判断能力 • ⑤ 自动化工作能力 • ⑥ 应用领域广泛 大学计算机基础

15. 1.1 计算机概述 • 1.1.4 计算机的应用 • 1．科学计算 • 2．数据处理 • 数据处理也称信息处理，是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。 • 数据处理从简单到复杂经历了以下3个发展阶段： • ① 电子数据处理（Electronic Data Processing，EDP） • ② 管理信息系统（Management Information System，MIS） • ③ 决策支持系统（Decision Support System，DSS） 大学计算机基础

16. 1.1 计算机概述 • 3．辅助技术 计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。 • （1）计算机辅助设计 • （2）计算机辅助制造 • 将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。它的实现将真正做到工厂（或车间）无人化。 • （3）计算机辅助教学 • 4．过程控制 • 5．人工智能 大学计算机基础

17. 1.1 计算机概述 • 6．网络与通信 • 7．电子商务与电子政务 • 8．仿真和虚拟现实 大学计算机基础

18. 1.2 数据在计算机中的表示 • 数据作为信息的载体，总是用一系列事先约定的特定符号表示。常用的数据形式有数值数据（定点数、浮点数）和非数值数据（字符、汉字、声音、图形、图像等）。 • 1.2.1 数制 • 进位计数制简称数制 ，是用于计数的方法和规则。计算机中最常用的进制是二进制，为了书写、表示和理解的方便还经常用到十进制、八进制和十六进制。 大学计算机基础

19. 1.2 数据在计算机中的表示 • 1．计数规则 • （1）数码 数码是不同数制中规定的用于计数的符号。在R进制中，一般用0～R−1共R个阿拉伯数字表示。 • （2）基数 数制中规定的实现计数规则的数，R进制的基数为R，运算规则是“逢R进一，借一为R”。 • （3）位权 位权简称为权，是用于决定数据中各数位不同含义的数。因此，即使同一个数码，当出现在不同数位时其含义（即权值）也不同。R进制中第i位（个位为第0位）的权是Ri。 大学计算机基础

20. 1.2 数据在计算机中的表示 • （4）基数和权的关系 • 任一给定的某进制数据都可表示为基数的一系列若干次幂的和的表达式，即权展开式。例如，对于R进制数据anan−1a1a0.a−1a−m，其权展开式如下。 （anan−1a1a0.a−1a−m）R= an×Rn+an−1×Rn−1+…+a1×R1+a0×R0+a−1×R−1+…+a−m×R−m 或（anan−1a1a0.a−1a−m）R= 其中，i为位置序号（i≥0）；m为序号最小值；n为序号最大值；ai为第i位的数码，0≤ai≤R−1；Ri为第i位的权。 大学计算机基础

21. 1.2 数据在计算机中的表示 • 2．常用的数制 • （1）十进制 • ① 数码共10个，分别是： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。 • ② 基数为10。运算特点是： “逢十进一，借一为十”。 • ③ 权，第i位（整数最低位为第0位）的权为10i。 大学计算机基础

22. 1.2 数据在计算机中的表示 • （2）二进制 • ① 数码共2个，分别是： 0、1。 • ② 基数为2。运算特点是： “逢二进一，借一为二”。 • ③ 权，第i位（整数最低位为第0位）的权为2i。 大学计算机基础

23. 1.2 数据在计算机中的表示 • （3）八进制 • ① 数码共8个，分别是： 0、1、2、3、4、5、6、7。 • ② 基数为8。运算特点是： “逢八进一，借一为八”。 • ③ 权，第i位（整数最低位为第0位）的权为8i。 大学计算机基础

24. 1.2 数据在计算机中的表示 • （4）十六进制 • ① 数码共16个，分别是： 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A（10）、B（11）、C（12）、D（13）、E（14）、F（15）。 • ② 基数为16。运算特点是： “逢十六进一，借一为十六”。 • ③ 权，第i位（整数最低位为第0位）的权为16i。 大学计算机基础

25. 1.2 数据在计算机中的表示 • 3．二进制数的运算 • （1）二进制数的特点 计算机之所以用二进制表示指令和数据，其主要原因有以下几方面。 • ① 技术上容易实现。 • ② 运算规则简单。 • ③ 便于逻辑运算。 • ④ 可靠性高。 • ⑤ 通用性强。 大学计算机基础

26. 1.2 数据在计算机中的表示 • （2）二进制的算术运算 • ① 加法运算。二进制加法运算的运算规则是： 0＋0=0，0＋1=1，1＋0=1，1＋1=0（向高位进位）。 • ② 减法运算。二进制减法运算的运算规则是： 0−0=0，0−1=1（向高位借位），1−0=1，1−1=0。 • ③ 乘法运算。二进制乘法运算的运算规则是： 0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1。 • ④ 除法运算。二进制除法运算的运算规则是： 0÷0=0，0÷1=0，1÷0=0（无意义），1÷1=1。 大学计算机基础

27. 1.2 数据在计算机中的表示 • （3）二进制的逻辑运算 位逻辑运算最常用、最基本的只有三种：（位）逻辑与、（位）逻辑或、（位）逻辑非。 • ①（位）逻辑与，也称为逻辑乘，简称为位与，用符号“^”或“×”表示。运算规则是：0^0=0，1^0=0， 0^1=0，1^1=1。 • ②（位）逻辑或，简称为位或，用符号“∨”或“+”表示。运算规则是：0+0=0，1+0=1，0+1=1，1+1=1。 • ③（位）逻辑非，简称位非，用符号“−”表示。 运算规则是： =0， =1。 大学计算机基础

28. 1.2 数据在计算机中的表示 • 1.2.2 不同数制间的转换 • 1．R进制转换为十进制 要把R进制（二进制或八进制或十六进制等）数转换为十进制数，只需将该数按权展开后，将各数位数码与位权相乘的积相加，所得到的和即为R进制数对应的十进制数。 【例1】将数据（10110.1011）2转换为十进制数。 （10110.1011）2=1×24+0×23+1×22+1×21 +0×20+1×21+0×22+1×23+1×24=16+0+4+2+0+0.5+0.25+0.0625 =（22.8125）10 大学计算机基础

29. 1.2 数据在计算机中的表示 【例2】将数据（237.45）8转换为十进制数。 （237.45）8=2×82+3×81+7×80+4×81 +5×82=128+24+7+4×0.125+5×0.015625 =159+0.5+0.078125 =（159.578125）10 【例3】将数据（1A3.4F）16转换为十进制数。 （1A3.4F）16=1×162+10×161+3×160+4×161 +15×162=256+160+3+0.25+0.05859375 =（419.30859375）10 大学计算机基础

30. 1.2 数据在计算机中的表示 • 2．十进制转换为R进制 • 要将十进制数转换为R进制（二进制或八进制或十六进制等）数，应把数据分成整数部分和小数部分分别转换，然后再将转换结果拼接起来，可得到转换后的R进制数。 • 十进制整数转换为R进制的方法是：将待转换的数用R整除后，保留余数，然后不断将所得到的商用R整除，并保留余数，直到商为零为止。运算得到的余数即为转换得到的R进制数，且先得到的余数为最低位，最后得到的余数为最高位。 • 十进制小数转换为R进制的方法是：将待转换的数与R相乘后，忽略积的整数部分，把剩下的小数部分继续用R去乘，然后继续忽略整数部分，把剩下的小数部分与R相乘，直到小数部分为零为止。相乘运算中所取得的整数值即为转换得到的R进制数，且最先得到的为最高位，最后得到的为最低位。 大学计算机基础

31. 2 123 2 30……1 2 15……0 1.2 数据在计算机中的表示 【例4】将数据（123.375）10转换为二进制数。 （123.375）10=（1111011.011）2 （1）整数部分如下 （2）小数部分如下。 余数 0.375 × 2 余数 61……1 低位 高位 0.750 ……0 0.750 × 2 2 2 7……1 1.500 ……1 0.500 × 2 3……1 2 2 1……1 高位 低位 0……1 1.000 ……1 大学计算机基础

32. 8 432……1 8 54……0 1.2 数据在计算机中的表示 【例5】将数据（3457.05）10转换为八进制数。 （3457.05）10≈（6601.03）8 （1）整数部分如下 （2）小数部分如下 余数 3457 余数 0.05 × 2 低位 高位 8 0.40 ……0 0.40 × 8 8 6……6 0……6 高位 8 3.20 ……3 …………… 低位 大学计算机基础

33. 1.2 数据在计算机中的表示 【例6】将数据（345.5）10转换为十六进制数。 （345.5）10=（159.8）16 （1）整数部分如下。 （2）小数部分如下。 余数 16 345 余数 0.5 × 16 16 21……9 低位 16 1……5 8.0 ……8 0.0 高位 0……1 注 意 ① 任何进制的零是相当的，所以进制转换不改变数的正负号。 ② R进制数总能精确地转换为十进制数，但十进制的小数不一定能精确地转换为R进制的小数。 大学计算机基础

34. 1.2 数据在计算机中的表示 • 3．二进制和八进制、十六进制之间的转换 • 要实现二进制和八进制、十六进制之间的转换，可以首先将待转换的数据转换为十进制，然后再将十进制数转换为目标进制。可是，要以十进制作为转换的桥梁，其运算过程略显复杂。 • 23=8，24=16，这说明三种进制的权存在某种内在关系，即1位八进制数对应3位二进制数，1位十六进制数对应4位二进制数，其对应关系如表1.1所示。 大学计算机基础

35. 1.2 数据在计算机中的表示 表1.1二进制和八进制、十六进制数之间的关系 • 表1.1 二进制和八进制、十六进制数之间的关系 大学计算机基础

36. 1.2 数据在计算机中的表示 • （1）二进制数和八进制数的互换 • 二进制数转换为八进制的规则是：以小数点为界，向左右两侧每3位为一组进行划分，若整数部分不足3位时在高位补0，若小数部分不足3位时在最低位补0，然后依据表1.1所示的二进制和八进制数之间的对应关系进行转换。例如，将（1101100.1101011）2转换为八进制数。 001 101 100 . 110 101 100 1 5 4 . 6 5 4 所以，（1101100.1101011）2=（154.654）8 大学计算机基础

37. 1.2 数据在计算机中的表示 • 八进制数转换为二进制数的规则和二进制数转换为八进制数正好相反，只要按表1.1所示，将1位八进制数转换为3位二进制数即可。例如，将（154.654）8转换为二进制数。 1 5 4 . 6 5 4 001 101 100 . 110 101 100 所以，（154.654）8 =（1101100.1101011）2 大学计算机基础

38. 1.2 数据在计算机中的表示 • （2）二进制数和十六进制数的互换 • 二进制数转换为十六进制的规则和二进制数转换为八进制的规则的区别是，按4位为一组进行划分，并在整数部分不足4位时在高位补0，小数部分不足4位时在最低位补0，最后依据表1.1所示的二进制和十六进制数之间的对应关系进行转换。例如，将（1101100.1101011）2转换为十六进制数。 0110 1100 . 1101 0110 6 C . D 6 所以，（1101100.1101011）2=（6C.D6）16 大学计算机基础

39. 1.2 数据在计算机中的表示 • 十六进制数转换为二进制数的规则和二进制数转换为十六进制数正好相反，同样按表1.1所示将1位十六进制数转换为4位二进制数即可。例如，将（6C.D6）16转换为二进制数。 6 C . D 6 0110 1100 . 1101 0110 所以，（6C.D6）16 =（1101100.1101011）2 大学计算机基础

40. 1.2 数据在计算机中的表示 • 4．八进制和十六进制之间的互换 • 八进制数和十六进制数之间没有直接的转换规则，只有先将其中的一种进制转换为其他进制后，再转换为目的进制。 • 实现八进制数和十六进制数间转换的中间进制可以十进制，也可以是二进制，但由于以十进制为中间进制的运算量较大，所以，一般都采用以二进制作为中间进制进行转换。例如，将数据（2375.35）8转换为十六进制，将数据（3FA9.4B）16转换为八进制的方法如下。 大学计算机基础

41. 1.2 数据在计算机中的表示 所以，（2375.35）8=（4FD.74）16 （3FA9.4B）16=（37651.226）8 大学计算机基础

42. 1.2 数据在计算机中的表示 • 1.2.3 带符号数的编码 • 带符号数的编码是针对带符号的定点整数的一系列编码规则，包括原码、反码和补码等。 • 1．真值 • 当数据用二进制形式表示时，在数据的最高位前用“+”和“−”分别表示数据正负的数叫做数据的真值。 • 2．机器数 • 由于计算机只能识别“0”和“1”这两个符号，因此，数的正负也用“0”和“1”表示。一般情况下，数的最高位作为符号位，用“0”表示正数，用“1”表示负数。这种把符号位数字化后的数据叫做机器数。 例如，真值为（−00101101）2的机器数是10101101。 大学计算机基础

43. 1.2 数据在计算机中的表示 • 3．原码 用“0”和“1”分别表示数据的正负号，有效值用二进制的绝对值表示的数据称为原码。例如+60和−60的原码（8位二进制形式）分别是00111100和10111100。 • 4．反码 正数的反码和原码相同，负数的反码是对其原码除符号位以外按位取反的结果值。这样，+0和−0的反码不同，（+0）反=00000000，（−0）反=11111111。 • 5．补码 正数的补码和原码相同，负数的补码用其反码加1表示。+0和−0的补码相同。数据用补码表示后可以用加法运算实现两个数相减的运算。 大学计算机基础

44. 1.2 数据在计算机中的表示 • 1.2.4 数据在计算机中的表示 • 1．数值数据 • 数据除了正负号、有效位外，还有小数点。无符号数据没有符号位，数的最高位是数据的有效位。有符号数据的最高位是用“0”或“1”表示数据正负的符号位。根据小数点事先约定的默认位置的不同，数值数据分为定点数和浮点数两种。 • （1）定点数 定点数是指小数点位置固定在指定位置不变的数据。根据事先约定的小数点位置的不同，可分为定点小数、定点整数和定点混合小数（既含整数又含小数的数）。定点数的数据格式如图1.1所示。 大学计算机基础

45. 1.2 数据在计算机中的表示 图1.1 定点数的不同格式 大学计算机基础

46. （2）浮点数 浮点数是指由整数和小数两部分组成的包含小数点的数据，并且小数点的位置可以随意改变。对于任一浮点数X可表示如下。 X=M×RE 其中，M为尾数，R为基数，E为阶码（即指数）。例如，以下各数均为浮点数34.6789的正确表达格式：3.46789×101，0.346789×102，346.789×10−1。 • 计算机中的浮点数用指定长度的二进制数表示。其中阶码用带符号的二进制定点整数表示，阶码决定数据的表示范围；尾数用二进制定点小数（纯小数）表示，尾数决定数据的精确度。 大学计算机基础

47. 1.2 数据在计算机中的表示 • 浮点数的表示格式如图1.2所示。 • 2．字符数据 • 字符数据是指一切可以在计算机中表示的西文字符、特殊符号及汉字等。不论哪种字符数据，在计算机中都用按一定规则编码的二进制数据表示，只是不同的计算机对字符信息的编码方式不同。 • （1）西文字符及ASCII码 图1.2 浮点数的存储格式 大学计算机基础

48. 西文字符包括拉丁字母、数字、标点符号和一些特殊符号等。针对西文字符的编码方式很多，诸如BCD码、余3码、格雷码等，但在微型计算机中应用最广泛的是ASCII码和EBCDIC码。ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码即美国标准信息交换代码，是微型机中使用最为广泛的西文字符的编码规则。 大学计算机基础

49. 1.2 数据在计算机中的表示 • ASCII码用7位二进制数（d6d5d4d3d2d1d0）表示，共有128个不同的状态，可表示128个不同字符组成的字符集，其中编码值0～31（0000000～0011111）对应不可打印的各种控制字符；编码值32（0100000）表示空格字符SP；编码值127（1111111）表示“删除”控制码DEL；其余94个编码对应可打印字符。 大学计算机基础

50. 1.2 数据在计算机中的表示 • 在所有可打印字符中，为了便于比较，数字及字母均采用正常数字顺序及字母顺序连续编排的方式。其中数字0～9对应的ASCII码是48～57；大写字母A～Z对应的ASCII码是65～90；小写字母a～z对应的ASCII码是97～122。所有ASCII码值及含义如表1.2所示。控制码含义的进一步解释如表1.3所示。 大学计算机基础