第1章计算机基础

大学计算机基础

主编刘丕娥第1章计算机基础知识1.1计算机概述1.2计算机信息的表示形式1.3计算机系统的组成1.1计算机概述一、计算机的基本概念----会计算的机器，英文名称为computer。计算机是一种能够按照事先存储好的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备，它具有运算速度快、计算精确度高、记忆能力强、能进行自动控制和逻辑判断等特点。二、计算机的诞生

第一台计算机（ENIAC）电子数值积分式计算机

1943年~1946年2月美国宾夕法尼亚大学研制，为解决复杂的弹道计算而研制的。ENIAC共有17468个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电174KW，每秒钟能计算5000次加法。主要缺点：存储容量小，只能存20个字长为10位的十进制数；用线路连接的方法来编排程序。返回冯·诺依曼数学家，理论主要有两点：电子计算机应以二进制为运算基础。电子计算机应采用“存储程序”方式工作，指明整个计算机的结构由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

冯·诺依曼体系结构图三、计算机的发展过程

—按照电子器件（逻辑元件）划分电子管计算机时代晶体管计算机时代中、小规模集成电路计算机时代大规模与超大规模集成电路计算机时代1946～1957。元器件主要是电子管组成。没有系统软件，低级语言编程；体积庞大、功耗高、运算速度较低，容量小，成本高。主要用于军事、科学计算等领域。计算机的发展过程电子管计算机时代晶体管计算机时代中、小规模集成电路计算机时代大规模与超大规模集成电路计算机时代1958～1964。采用了晶体管元器件，存储器采用磁芯和磁鼓，出现了高级编程语言，提出操作系统概念，出现系统软件。运算速度提高，价格下降，应用涉及数据处理、工程、气象和其他科学研究。计算机的发展过程电子管计算机时代晶体管计算机时代中、小规模集成电路计算机时代大规模与超大规模集成电路计算机时代1965～1970。采用集成电路作为基本器件，半导体做主存，计算机的体积更小、重量更轻、耗电更省、寿命更长、成本更低，大大提高了运行速度。出现分时操作系统共享软、硬件资源，应用范围进一步扩大。计算机的发展过程电子管计算机时代晶体管计算机时代中、小规模集成电路计算机时代大规模与超大规模集成电路计算机时代1971年至今。内存储器为半导体，外存除软硬磁盘外还出现光盘。集成度越来越高，体积越来越小，容量越来越大，计算机的存储器向大容量、高速度的方向发展。90年代PC机使计算机应用大为普及。

计算机的发展过程电子管计算机时代晶体管计算机时代中、小规模集成电路计算机时代大规模与超大规模集成电路计算机时代表1-1计算机发展的四个时代代次起止年份所用电子元器件数据处理方式运算速度应用领域第一代1946~1957电子管汇编语言、代码程序几千~几万次/秒军事、科学计算第二代1958~1964晶体管高级语言简单操作系统几万~几十万次/秒工程设计、数据处理第三代1965~1970中、小规模集成电路模块化程序设计，分时、实时操作系统几十万~几百万次/秒工业控制、数据处理第四代1971~今大规模、超大规模集成电路分时、实时数据处理、计算机网络几百万~千亿条指令/秒工业、生活等各方面第五代、第六代计算机？微型计算机（PC机）的发展1971年出现，属于第四代计算机。突出特点是：将运算器和控制器集成在一块芯片上。根据微处理器的集成规模和功能分以下几个阶段。代次起止年份CPU数据位数主频(MHZ)第一代1971~1973Intel4004、80084位、8位1第二代1973~1975Intel8085、M68008位2第三代1975~1978Intel808616位2~5第四代1978~1981Intel80386、80486HP-3232位>5第五代1981~1993Pentium系列，也称58664位>25第六代1993~今PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ系列64位60~3G四、计算机的分类1、按计算机用途分通用计算机专用计算机2、按数据处理方式分数字式电子计算机模拟式电子计算机混合式电子计算机3、按计算机的规模和处理能力分

计算机的处理能力主要是指其字长、运算速度、存储容量、外部设备配置、软件配置以及价格高低等。巨型计算机大中型计算机小型计算机微型计算机工作站服务器五、计算机的特点1.自动运行程序计算机采用存储程序控制方式，自动执行命令直至完成任务。2.运算速度快运算速度是指计算机每秒钟执行多少条指令。常用单位为MIPS。即每秒钟百万条指令。一般计算机的运算速度每秒可达几百万到几亿次。3.运算精度高小数点后上亿位精度，位数越多，计算的精度就越高。4.记忆力、逻辑判断能力强

计算机能够进行各种基本的逻辑判断，并根据判断的结果，决定下一步执行的指令。5.可靠性高、通用性强

数据处理、工业控制、辅助设计、辅助制造和办公自动化六、计算机的应用1、科学计算

科学计算一直是电子计算机的主要应用领域之一。例如在天文学、量子化学、空气动力学、核物理学、人造卫星轨迹的计算、气象预报、土木工程、数学、军事应用等领域。应用计算机进行数值计算，速度快、精度高，可以大大缩短计算时间，节省人力物力。科学计算的特点是计算量大和数值变化范围大。

2、数据处理

当前大部分计算机都用于数据处理。比如银行计算机用来处理储户存款、取款以及其他诸如信用卡系统等业务。在企业的数据处理领域中，计算机应用也发挥着重要角色，比如在财务会计统计和经营管理中，编制生产计划、统计报表、成本核算、销售分析、市场预测、利润估计、采购订货、库存管理、工资管理等都需要计算机辅助完成任务。

3、计算机辅助工程

计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)。计算机辅助教学（CAI）也是利用计算机进行辅助教学的一门技术，它利用图、文、声、像等多媒体方式使得教学过程形象化、改变了传统的教学模式，更有效的激发学生的学习兴趣。

4、过程控制计算机广泛应用于石油化工、电力、冶金、机械加工、通信及轻工业各部门的生产过程控制。如计算机数控车床、实时控制高炉炼铁过程，计算机控制汽车生产线等。一般用于生产过程自动控制的计算都是实时控制，它们对计算机的速度要求不高，但可靠性要求很高，否则将生产出不合格的产品，甚至造成重大设备事故或人身事故。另外，计算机控制技术在现代化国防和空间技术中也有应用，如导弹、人造卫星、宇宙飞船等都是采用计算机控制的。

5、人工智能

人工智能是将人脑在进行演绎推理的思维过程、规则和所采用的策略、技巧等编成计算机程序，使计算机和人一样具有识别文字、图像、语言和推理学习的能力。人工智能的研究已取得一些成果，研制出的智能计算机可以替代人类某些方面的脑力劳动，但离建立真正的智能系统还相差甚远。最新人工智能技术

6、网络应用

1991年美国提出，指将利用计算机网络，将不同地区的计算机之间实现软硬件资源共享，大大促进和发展地区间、国际间的通信和各种数据的传输和处理。比如银行系统、交通订票服务、电子商务（EC）、公用信息通信网、大型企业管理系统都是建立在计算机网络的基础上。人们通过因特网（Internet）相互发送电子邮件（E-mail）、浏览各种网页。7、电子商务

通过计算机和网络进行商务活动，是在Internet的广阔联系与传统信息技术的丰富资源结合的背景下产生的一种网上相互关联的动态商务活动。在1996年开始，具有高效率、低支付、高收益、全球化特点，使世界各地公司在网上进行业务往来。

8、娱乐

欣赏VCD、音乐；游戏娱乐七、我国计算机的发展情况我国的计算机事业始于20世纪50年代。1952年我国的第一个电子计算机科研小组在中科院数学所内成立。1960年，我国第一台自行研制的通用电子计算机107机问世。1964年，我国研制了大型通用电子计算机119机，用于我国第一颗氢弹研制工作的计算任务。20世纪70年代以后，我国生产的计算机进入了集成电路计算机时期。

1974年，我国设计的DJS-130机通过了鉴定并投入批量生产。进入20世纪80年代，我国又研制成功了巨型机。1982年，我国独立研制成功了银河I型巨型计算机，运算速度为每秒1亿次，1997年6月研制成功的银河Ⅲ型巨型计算机，运算速度为每秒130亿次。这些机器的出现，标志着我国的计算机技术水平踏上了一个新的台阶。

银河I巨型计算机1982年计算机的发展趋势计算机正朝着巨型化：高速，大存储容量和强功能微型化：整个微型机系统的集成多媒体化：图像、声音多媒体信息网络化：共享信息、共享资源智能化：视听说行思推理学习证明能力方向发展。计算机的发展史计算机相关人物简介图灵冯.诺依曼高登.摩尔

图灵高登.摩尔1．以二进制和程序控制为基础的计算机结构是由______最早提出的。

A．布尔B．巴贝奇C．冯·诺依曼D．图灵2．世界上第一台电子数字计算机取名为______。

A．UNIVACB．ENIACC.EDSACD．EDVAC3．计算机的发展阶段通常是按计算机采用的来______划分的。

A.内存容量B．电子器件C．程序设计语言D.操作系统4．第4代计算机的逻辑器件，采用的是______。

A晶体管B．大规模、超大规模集成电路

C．中、小规模集成电路D．微处理器集成电路5.个人计算机属于______。

A小巨型机B.小型计算机C．微型计算机D．中型计算机6．我国自行设计研制的银河系列计算机是______。

A微型计算机B小型计算机C．大型计算机D．巨型计算机7.CAD的含义是______。

A.计算机科学计算B.办公自动化

C．计算机辅助设计D．管理信息系统8.巨型计算机指的是______。

A.重量大B．体积大C．功能强D．耗电量大本节课结束，下次课再见！1.2计算机信息的表示形式进位计数制1.按进位的原则进行计数，称为进位计数制。十、二、十六、八。2.进位制表示两要素：基数：计数制中用到的数码个数R

位权：不同数位上固定的常数Ri

一、各种进制（任何一种进制数都可以写成按权展开的多项式之和）

1.十进制D0~9基数为10逢10进1

表示：1395.46D或1395.46或(1395.46)10

按权展开：

1395.46D=1×103+3×102+9×101+5×100+4×10-1+6×10-2

2.二进制B0，1基数为2逢2进1

表示：10110B、1101.011B、(11011.1011)2

按权展开：

1101.011B=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3

3.八进制O0~7基数为8逢8进1表示：653O、271.5O、(137.46)8

按权展开：137.46O=1×82+3×81+7×80+4×8-1+6×8-2

4.十六进制H0~9A,B,C,D,E,F

基数16逢16进1表示：2EA7H、37B.C2H、(13F.4E)16

按权展开：37B.C2H=3×162+7×161+11×160+12×16-1+2×16-2二、数制转换

1．R进制数转换成十进制数将非十进制数N转换成十进制数，只需将数N按位权展开并求出多项式的和即可。例如：110011.101B=1×25+1×24+0×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1

+0×2-2+1×2-3=51.625D531.72O=5×82+3×81+1×80+7×8-1+2×8-2=345.9063D1C.05H=1×161+12×160+0×16-1+5×16-2=28.0195D2．十进制数转换成R进制将十进制数N转换成R进制数时，需将数N分为整数和小数两部分分别转换，然后将结果按照指定的规则连接起来即可。整数部分转换成R进制数，采用除R取余倒序法小数部分转换成R进制数，采用乘R取整顺序法最后，将得到的整数部分和小数部分用小数点直接相连，即得到了最终的转换结果。

整数部分的转换方法一：采用除基取余法。把十进制的整数部分不断去除以欲转换为的数据的基数。其过程为：第一次除取得的余数为目的数的最低位，把得到的商再除以基数，所得余数为目的数的次低位，依次类推，直至商为0，所得余数为目的数的最高位。例：将十进制数75转换成二进制数75237121812

902

412

202

10

01

2高低75D=1001011B整数部分的转换方法二：将要进行转换的十进制整数写成欲转换的数制的基数的整数幂的多项式形式，然后根据欲转换的进制数的表达式写出目的数。

75D=64＋8＋2＋1＝26+23+21+20=1001011B小数部分的转换采用乘基取整法。用欲转换的数据的基数不断去乘以要进行转换的十进制小数，具体过程为：第一次乘的结果的整数部分为目的数的小数部分的最高位，其小数部分再乘以基数，所得结果的整数部分为目的数的次高位。依次类推，直到小数部分为0或达到所要求的精度为止。例：将十进制数0.3125转换成二进制数0.3125×20.6250×21.250×20.50×21.0低高0.3125D=0.0101B3、二进制数和八进制数之间的转换

三位合一法。即把待转换的二进制数从小数点开始，分别向左右两个方向每三位为一组（最后不足三位数的用0补足），然后对每三位二进制数用相应的八进制数码表示。

例：将二进制数10101011.1011转换成八进制数10101011.1011010101011.101100253.5410101011.1011B=253.54O4、二进制数和十六进制数之间的转换

四位合一法。即把待转换的二进制数从小数点开始，分别向左右两个方向每四位为一组（最后不足四位数的用0补足），然后对每四位二进制数用相应的十六进制数码表示。例：将二进制数110101011.10111转换成十六进制110101011.10111000110101011.101110001CB.B8110101011.10111B=1CB.B8H5、八进制数和十六进制数的转换

先把八进制数转换为二进制数，再把转换得到的二进制数转换为十六进制数。三、字符与汉字编码ASCII码在计算机中，所有的数据在存储和运算时都要使用二进制数表示，美国有关的标准化组织就出台了ASCII编码，统一规定了常用符号用哪些二进制数来表示。

ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)——美国标准信息交换码,是由美国国家标准学会制定的，标准的单字节字符编码方案。

ASCII码有52个英文大小写字母，32个标点符号、运算符，10个数字和34个控制字符，共128个。每个字符用一个7位的二进制数来表示，以一个字节来存储，最高位D7为0。如A01000001->65Da01100001->97DASCII码针对英文字母、数字和其它特殊字符编码，不能对汉字编码。2.汉字编码（1）汉字输入码汉字输入码，又称“外部码”，简称“外码”，是指用户从键盘上输入的能代表汉字的编码。根据所采用的方法的不同，外码大体可分为数字编码（如区位码）、字形编码（如五笔输入码）、字音编码（如拼音输入码）和音形码等几类。不同的汉字输入码，同一个汉字的编码也不尽相同。

（2）汉字机内码汉字机内码又称“汉字ASCII码”、“机内码”，简称“内码”，是指计算机内部存储、处理加工和传输汉字时所采用的由0和1符号组成的代码。机内码是汉字最基本的编码，不管是什么汉字系统和汉字输入方法，输入的汉字外码到机器内部都要转换成机内码，才能被存储和处理。内码的形式有很多种，人们通常所说的内码是指国际内码，即GB内码，是用两个字节来表示一个汉字，每个字节的高位为1。如汉字“大”的机内码是1011010011110011，用十六进制表示就是B4F3H。（3）汉字字形码字形码是指汉字字形存储在字库中的数字化代码。字形码是计算机显示和打印文字时的汉字编码，是以点阵形式来表示汉字，一般用于显示的字形码是16×16点阵的。点数越多，打印的字体就越美观，同样其汉字字库所占的存储空间也就越大。本节课结束，下次课再见！

1.3计算机系统的组成

根据冯·诺依曼的设计思想，计算机系统有硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件是指构成计算机的所有物理部件，是看得见、摸得着的实际设备，它是计算机进行信息处理的物质基础，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。一、常见的硬件设备1.中央处理器中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），是构成计算机的核心部件，起到控制计算机工作的作用，主要有运算器和控制器组成。CPU性能的高低，直接决定着一个计算机系统的档次。反应CPU性能的最重要的指标是：时钟频率字长2．存储器存储器按照功能可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。（1）内存内存分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。（2）外存外存储器用于存储暂时不用的程序和数据，它的存储容量较大，访问时间相对内存要慢的多。外存储器主要有软盘、硬盘、光盘和移动存储器等。3．输入设备

输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。4．输出设备

输出设备是对将外部世界信息发送给计算机后，将处理结果返回给外部世界的设备的总称，它把各种计算结果信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统等。二、计算机软件系统系统的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档称为软件，它是微机的灵魂。没有安装软件的微机称为“裸机”，无法完成任何工作。计算机软件根据其功能和面向的对象分成系统软件和应用软件两大类。特点：复杂，研制周期长，成本高，已成为商品，有售后服务。