《计算机文化基础》第一章-计算机基础知识

1大学计算机基础教学课件2第1章计算机基础知识1.3

未来计算机的发展趋势

1.1

概述

1.2

计算机科学研究与应用

1.4

信息的表示与存储1.5

信息技术2学时3本章重点

计算机的发展史、特点及应用进位计数制及其转换原码、反码、补码的概念字符和汉字编码41.1

概述

1.1.1电子计算机的产生1.1.2计算机发展的几个阶段1.1.3计算机的特点和应用1.1.4计算机的分类51.1.1电子计算机的产生1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分机1833分析机MARKIENIAC电子计算机时代人类追求的计算工具6ENIAC第一台电子计算机5000次加法/秒体重30吨占地170M218800只电子管1500个继电器耗电150KW耗资40万美元7为什么会产生计算机什么是计算？教育界

一个问题：1900,德国数学家希尔伯特提出"23个数学难题"中,逻辑的完备性问题,即是否所有数学问题原则上都可解.一篇文章：1936年，图灵“论可计算数及其在判定问题中的应用”(OnComputableNumbersWithanApplicationtotheEntscheidungsProblem)一个大神：图灵，1912—1954一个模型：可计算模型一个系统：计算机系统8为什么会产生计算机图灵机模型:

教育界

该模型具有以下两个性质该模型的每个过程都是有穷可描述的；过程必须是由离散的、可以机械执行的步骤组成。FinitecontrolX1BB...X2XnXi带（tape）单元格（cell）带符（tapesymbol）9为什么会产生计算机图灵机模型的直观描述3个部件：有穷控制器（有限状态机）、无穷带（符号集合）和读写头（读、改写、左移、右移）

3个动作：改写当前格、左移或右移一格图灵机的计算：由控制器控制执行的一系列动作10为什么会产生计算机图灵机引出的计算理论问题计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学理论有三个核心领域：自动机理论、可计算性理论和计算的复杂性理论自动机将离散数学系统的构造，作用和关系作为研究对象的数学理论（描述通用计算机计算能力的图灵机模型）可计算性理论的中心问题是建立计算的数学模型，进而研究哪些是可计算的，哪些是不可计算的计算的复杂性理论研究算法的时间复杂性和空间复杂性11为什么会产生计算机图灵机引出的计算方法论问题计算机学科的方法论有三个过程：抽象、理论和自动化设计及实现最根本的问题在于：问题如何进行描述？哪些部分能够被自动化？如何进行自动化描述？建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机学科进行问题描述和求解的重要手段。“可行性”所要求的“形式化”及其“离散特征”使得数学成为重要的工具而计算模型无论从方法还是工具等方面，都表现出它在计算机上科学中的重要作用12为什么会产生计算机图灵机蕴含的计算思想程序也是数据“x+1”图灵机功能是固定的，相当于一个程序通用的图灵机功能根据输入编码的不同而变化存储程序和程序控制M图灵机进一步展示了程序和其输入可以先保存到存储带上，M就按程序一步一步运行直到给出结果，结果也保存在存储带上。通用图灵机的所有规则构成指令集指示指示了操作的对象（当前符号）指令指示了待实施的操作13为什么会产生计算机图灵机蕴含的计算思想通用图灵机模型是计算机的计算能力的极限因为，根据丘奇-图灵论题：不能用图灵机完成的计算任务是不可计算的计算机系统应该有:存储器（相当于存储带）中央处理器（控制器及其状态），并且其字母表可以仅有0和1两个符号；为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入设备和输出设备如键盘、鼠标、显示器和打印机等。14为什么会产生计算机图灵机蕴含的计算思想通用图灵机模型是计算机的计算能力的极限因为，根据丘奇-图灵论题：不能用图灵机完成的计算任务是不可计算的计算机系统应该有:存储器（相当于存储带）中央处理器（控制器及其状态），并且其字母表可以仅有0和1两个符号；为了能将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入设备和输出设备如键盘、鼠标、显示器和打印机等。15为什么会产生计算机冯·诺依曼机对图灵机的实现1944年，冯·诺依曼参与ENIAC研究小组1945年,在ENIAC基础上，冯·诺依曼提出了EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticCompUter)设计方案,计算机的组成包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备16冯·诺依曼思想程序和数据用二进制表示程序存储的概念计算机由五个基本部分组成17电子恐龙的缩骨法——晶体管ENIAC划时代的实验装置晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。18采用中、小规模集成电路代替了独立元件晶体管。第三代计算机19晶体管数目4004奔腾4750,000,0002,300将电脑浓缩在一颗芯片上0.18微米芯片10微米芯片20晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒计算机的CPU性能每18个月，集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。计算机第一定律——摩尔定律211.1.2计算机发展的几个阶段

根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展分为四个阶段第一代(1946~1959)电子管5千~几万（次/秒）第二代(1959~1964)晶体管几万~几十万（次/秒）第三代(1964~1972)中、小集成电路几十万~几百万（次/秒）第四代(1972~至今)大规模集成电路上千万~万亿（次/秒）22美国夺得全球最快超级计算机宝座“红杉”(Sequoia)23“天河一号”超级计算机名列第五采用了CPU+GPU的混合架构，总计20多万颗处理器核心，造价在6亿人民币以上。24“曙光星云”超级计算机名列第十系统运算峰值达到3petaflop/s，是中国第一、世界第三台实现双精度浮点计算超千万亿次的超级计算机。251.1.3计算机的特点和应用计算机的特点高速、精确的运算能力准确的逻辑判断能力强大的存储能力自动功能网络与通信功能26计算机在信息社会中的应用计算机的应用十分广泛工商：电子商务、AD/CAM 教育：多媒体教育、远程教育医药：CAT、MRI、远程医疗家庭：家庭信息化政府：电子政府娱乐：虚拟现实、影视特技科研：数据采集、计算分析27计算机的主要应用领域1.科学计算3.过程控制2.数据处理其它领域：CAD/CAM/CIMS电子商务

嵌入式多媒体应用

人工智能网络通信

281.1.4计算机的分类专用计算机通用计算机按用途及使用范围分类巨型机微型计算机按速度等指标分类工作站服务器大型通用机291.2计算机科学研究与应用1.人工智能3.中间件技术2.网格计算4.云计算301.3未来计算机的发展趋势发展趋势巨型化微型化网络化智能化

未来新的一代模糊计算机生物计算机光子计算机超导计算机量子计算机311.4

信息的表示与存储

1.4.1数据与信息1.2.2计算机中的数据

1.2.3计算机中数据的单位1.2.4进位计数制及其转换1.2.5数值的编码1.2.6字符的编码321.4.1数据与信息数据：是信息的载体信息：数值、文字、语音、图形和图像。信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理。331.4.2计算机中的数据

二进制的优点物理上容易实现，信息的存储更加容易，可靠性强，运算简单，通用性强ENIAC采用十进制

冯·诺依曼研制IAS时，提出了二进制的表示方法

34数据在计算机中的转换351.4.3计算机中数据的单位字长计算机一次能够并行处理的二进制数

位度量数据的最小单位

字节存储容量的基本单位36数据的单位

字节

1Byte=8bit

千字节

1KB=1024B

兆字节

1MB=1024KB

吉字节1GB=1024MB

太字节1TB=1024GB拍字节1PB=1024TB艾字节

1EB=1024PB371.4.4进位计数制及其转换进位计数制进位制中的三个要素:数码：数制中固定的基本符号基数：某种进位制所包含的的数字符号（或数码）的个数。N进制的基数是N。位权：在某种进位制中，各数码的位权是以该进位制的基数为底的幂次方。问：十进制数9788的基数、各数码的位权分别是多少？38常用的进位制不同进制数的表示方法在该数的后面加上字母B（二进制）、O（八进制）、D（十进制）、H（十六进制）来表示。例：（10100101）B

表示二进制数。数制类型基数数码权形式表示二进制20，121B八进制80，1，2，3，4，5，6，781O十进制100，1，2，3，4，5，6，7，8，9101D十六进制160，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F161H39不同进制数的对照表40不同进制间的转换转换基本原则：对整数部分和小数部分分别进行转换R进制十进制R进制十进制八进制十六进制41R进制转换为十进制R进制十进制方法

把各个R进制数按权展开求和运用三要素:数码、基数、位权42十进制表示形式任意一个十进制数D，可表示成如下形式：(D)10=Dn-110n-1+Dn-210n-2+···+D1101+D0100

+D-110-1+D-210-2+···+D-m+110-m+1+D-m10-m

式中Di是数码，其取值范围为0～9；i为数码的编号（整数位取n-1～0，小数位取-1～-m)；10为基数。例：(123.45)D=1×10²+2×10¹+3×100+4×10-¹+5×10-²=(123.45)D43二进制表示形式任意一个二进制数B，可表示成如下形式：(B)2=Bn-12n-1+Bn-22n-2+···+B121+B020+B-12-1+B-22-2+···+B-m+12-m+1+B-m2-m 式中Bi是数码，其取值范围为0～1；i为数码的编号（整数位取n-1～0，小数位取-1～-m)；2为基数。例：(110.01)B=1×2²+1×2¹+0×20+0×2-¹+1×2-²=(6.25)D44八进制表示形式任意一个八进制数Q，可表示成如下形式：(Q)8=Qn-18n-1+Qn-28n-2+···+Q181+Q080+Q-18-1

+Q-28-2+···+Q-m+18-m+1+Q-m8-m式中Qi是数码，其取值范围为0～7；i为数码的编号（整数位取n-1～0，小数位取-1～-m)；8为基数。例：八进制(123.45)O=1×8²+2×8¹+3×80+4×8-¹+5×8-²=(83.578125)D45十六进制表示形式

任意一个十六进制数H，可表示成如下形式：(H)16=Hn-116n-1+Hn-216n-2+···+H1161+H0160

+H-116-1+H-216-2+···+H-m+116-m+1+H-m16-m式中Hi是数码，其取值范围为0～F；i为数码的编号（整数位取n-1～0，小数位取-1～-m)；16为基数。例：十六进制(123.45)H=1×16²+2×16¹+3×160+4×16-¹+5×16-²=(291.26953125)D46R进制转换为十进制（例）方法

把各个R进制数按权展开求和例把下面的二进制数转换成十进制数

(1101.101)B

=123+122+021+120+12-1+02-2+12-3=8+4+0+1+0.5+0+0.125=(13.625)D47R进制转换为十进制（例）例把下面的八进制数转换成十进制数。(456.124)O=482+581+680+18-1+28-2+48-3

=256+40+6+0.125+0.03125+0.0078125=(302.1640625)D例把下面的十六进制数转换成十进制数。（32CF.48)H=3163

+2162+C161+F160+416-1

+816-2

=12288+512+192+15+0.25+0.03125=(13007.28125)D48十进制转换为R进制十进制R进制方法

（1）整数转换用“除基取余法”，直到商为零；每次相除所得余数为对应的R进制整数的各位数码。（2）小数转换用“乘基取整法”，直到乘积的小数部分为零，或达到所要求的位数（当小数部分永不可能为零时）。49十进制转换为二进制十进制二进制方法（1）整数转换用“除2取余法”，直到商为零；每次相除所得余数为对应的二进制整数的各位数码。（2）小数转换用“乘2取整法”，直到乘积的小数部分为零，或达到所要求的位数（当小数部分永不可能为零时）。50十进制数125.6875

转换成二进制数31015171311101二进制整数低位二进制整数高位2余数125162结果故整数部分(125)D

=(1111101)B222222商为零51小数部分的转换取整0.68751.3750)

21二进制小数首位二进制小数末位00.37500.7500)20.75001.50001)20.50001.00001)2为零,转换结束0000故小数部分（.6875)D=（.1011)B

结果52十进制转换为十六进制（例）将十进制数（197.734375)D

转换成十六进制数(197.734375)D=(C5.BC)H结果53八进制转换为十六进制二进制八进制方法

（1）二进制数转换成八进制数:以小数点为界，向左(小数点之前)或向右(小数点之后)每3位二进制数用相应的一位八进制数取代（不足3位的二进制数先用0补足）。（2）八进制数转换成二进制数:以小数点为界，向左或向右每一位八进制数用相应的3位二进制数取代；如果不足3位，则用零补足。一位八进制数对应着3位二进制数首先54二进制转换为八进制（例）将二进制数1101101110.11011转换成八进制数1556.66(001

101

101

110.110

110)B=(?)O55八进制转换为二进制（例）(135.23)O=(001

011

101.

010

011)B135.23(7123.56)O=(111

001

010

011.

101

110)B7123.56将八进制数135.23和7123.56转换成二进制数56（1）二进制数转换成十六进制数:以小数点为界，向左(小数点之前)或向右(小数点之后)每4位二进制数用相应的一位十六进制数取代（不足4位的二进制数先用0补足）。（2）十六进制数转换成二进制数:以小数点为界，向左或向右每一位十六进制数用相应的4位二进制数取代；如果不足4位，则用零补足。一位十六进制数对应着4位二进制数二进制与十六进制转换二进制十六进制方法57二进制转换为十六进制（例）将二进制数1101101110.11011转换成十六进制数36E.D8（0011

0110

1110.1101

1000）B=（?）H58十六进制转换为二进制（例）将十六进制数6A.B1和2C1D.6转换成二进制数(6A.B1)H=(0110

1010.

1011

0001)B6A.B1(2C1D.6)H=(0010

1100

0001

1101.0110)B2C1D.659八进制与十六进制间的转换（2731.62）O=（010

111

011

001.110

010）B2731.62

（0101

1101

1001.1100

10）B=（5D9.C8）H

借助于二进制将八（十六）进制数转换成十六（八）进制数方法是：将1位转换为3（4）位二进制数（2D5C.74）H

=（0010

11010101

1100.0111

0100）B2D5C.74（0010110101011100.01110100）B=（26534.35）O60二进制数的运算二进制加法运算：逢二进一61二进制数的三种逻辑运算与（AND）

1AND1=1，1AND0=0，0AND1=0，0AND0=0。即当两个参加“与”运算的逻辑变量都为“1”时，逻辑积才为“1”，否则为“0”。

或（OR）1OR1=1，1OR0=1，0OR1=1，0OR0=0。即当两个参加“或”运算的逻辑变量都为“0”时，逻辑和才为“0”，否则为“1”。

非（NOT）

对单一的逻辑变量进行求反运算。意思是将一个二进制数据的0变为1，1变为0。62二进制数的三种逻辑运算（例）631.4.5数值的编码用0或1表示正负号的数机器数机器数对应的实际数值，也称尾数。真值数

例：真值数（－1001101）B其机器数为11001101，存放在计算机中。64问题的提出100001010000010010001001+=-9错误的结果为解决此类问题，提出了：原码、反码和补码符号位参加运算，-5+4=？651、原码原码表示相当于：

1.正数的符号位是0，负数的符号位是1。2.数值位就是这个数的绝对值的二进制表示。X

0≤X＜2n

[X]

原=

2n－X

－2n＜X≤0（负整数）

（n表示X数值部分的位数66原码表示（例）以8位原码表示下列各数：(0.25)D、(-0.8125)D、(228)D、(-12)D(0.25)D=(0.01)B=(-0.8125)D=(-0.1101)B=(228)D=(11100100)B=(-12)D=(-1100)B=018位原码表示范围：-127<=X<=+127101000001101000110000067原码表示说明

原码0的表示有两种：（以4位带符号定点整数为例）

正0：0000）负0：1000

4位带符号定点整数的原码表示范围：

1111~0111，即-7~7

也就是-24-1+1<=X<=24-1-1

n位带符号定点整数原码表示范围：

-2n-1+1<=X<=2n-1-168原码运算原码中符号位不参加运算同符号数相加做加法；不同符号数相加做减法大数的数值部分减去小数的数值部分—小数值部分符号位取大数的符号运算规则100001010000010010000001=-1-5+4=？69原码运算原码表示法简单、易懂，与真值的转换方便。缺点：原码0的有两种表示，不唯一。

加减法运算使得运算器电路结构复杂，而且运算时间也较长。很少采用。702、反码反码表示相当于：

1.正数的符号位是0，负数的符号位是1；2.正数的数值位同原码相同，

负数的数值位将原码的数值位各位取反。X

0≤X＜2n

[X]

反=（n表示X数值部分的位数）

2n+1－1）+X－2n＜X≤0（负整数）71反码表示（例）以8位反码表示下列各数：(0.25)D、(-0.8125)D、(228)D、(-12)D(0.25)D=(0.01)B=(-0.8125)D=(-0.1101)B=(228)D=(11100100)B=(-12)D=(-1100)B=(00100000)原(11101000)原8位反码表示范围：-127<=X<=+127(10001100)原(00100000)反(10010111)反(11110011)反72反码表示的说明

反码0的表示有两种：（以4位带符号定点整数为例）

正0：0000）负0：1111

4位带符号定点整数的反码表示范围：

1111~0111，即-7~7

也就是-24-1+1<=X<=24-1-1

n位带符号定点整数的反码表示范围：

-2n-1+1<=X<=2n-1-173反码运算

反码的符号位和数值一起参加运算。如果符号位产生了进位，则此进位应加到和数的最低位，称为循环进位。运算规则

8位反码表示的最大值、最小值和表示数的范围与原码相同。0在反码表示中不唯一，反码运算也不方便。743、补码补码表示相当于：正数的符号位是0，负数的符号位是1；2.正数的数值位同原码相同，负数的数值位将反码的数值位+1。X

0≤X＜2n（正整数）[X]

补

=

2n+1+X－2n＜X≤0（负整数）75补码表示（例）以8位补码表示下列各数：(0.25)D

(-0.8125)D(228)D(-12)D(0.25)D=(0.01)B=(-0.8125)D=(-0.1101)B=(228)D=(11100100)B=(-12)D=(-1100)B=8位补码表示范围：-128<=X<=+127(00100000)反(10010111)反(11110011)反(00100000)补(10011000)补(11110100)补76补码表示的说明

补码0的表示只有一种：以4位带符号定点整数为例0000

4位带符号定点整数的补码表示范围：

1000~0111，即-8~7

也就是-24-1+1<=X<=24-1-1

n位带符号定点整数的补码表示范围：

-2n-1<=X<=2n-1-177补码运算（例1）111110110000010011111111-5

-1

-5+4=？4

除符号位外取反加1则为原码10000001+=1000010111111010-5的原码、反码78补码运算（例2）111101111111101111110010-9

的补码-14

的补码

（-9）+（-5）=？-5

的补码除符号位外取反加1则为原码10001110

补码可方便地实现正、负数的加法运算。补码0的表示只有一种

补码规则简单，符号位如同数值一样参加运算。

补码被广泛应用。1进位丢弃+79几种表示的比较0XX<=01|X|+10<=X+127：011111110：00000000－127：10000001（3）补码[X]补=－128：100000000X1|X|0<=XX<=0+127：01111111+0：00000000－127：10000000－0：11111111（2）反码[X]反=0<=X0X1|X|+127：01111111+0：00000000－127：11111111－0：10000000[X]原=

（1）

原码X<=0（+0）补

=（-0）补

=0000000080原码、反码和补码符号位数值位原码该数绝对值的二进制表示反码正数同原码，负数为原码的各位取反补码正数同原码，负数为反码的末尾＋1原码、反码、补码优缺点整数表示范围0的表示1表负数0表正数814、定点数定点小数：定点整数：825、浮点数X=(11.01)B=0.1101×210101101阶和尾数均为原码0101101阶为补码，尾数为原码000阶符阶码数符尾数83浮点表示（续）阶符阶码数符尾数X1=(-0.00011)B=-0.11×2-11

111100阶和尾数均为原码1011100阶为补码，尾数为原码11184浮点加法运算1例：已知两浮点数X=2001

×(-0.1101)，Y=2011

×(-0.1010)。设定浮点数的阶码占3位，尾数占4位（都不包括符号位）。阶码和尾数均采用含双符号位的补码表示，运算结果的尾数取单字长（含符号位共5位），舍入规则用“0舍1入”法。试用浮点运算方法计算X+Y。解：阶码[EX]补=00001，尾数[MX]补=00.1101

阶码[EY]补=00011，尾数[MY]补=11.0110（1）对阶，小阶向大阶对齐Y的阶码比X的阶码大，X的阶码[EX]补加2，与Y阶码对齐，同时尾数[MX]补应右移2位，得：[EX]补=00011，[MX]补=00.0011(01)

其中(01)表示MX]补右移2位后移出的最低两位数。85浮点加法运算2

尾数左移1位，阶码减1，用“0舍1入”法舍入处理后，得：[EX+Y]补=00010，[MX+Y]补=11.0011（2）尾数进行加法运算即[EX+Y]补=00011，[MX+Y]补=11.1001(01)尾数[MX]的补码尾数[MY]的补码（3）结果规格化并进行舍入处理86浮点加法运算3（4）判断溢出阶码的双符号位均相同，故无溢出。由尾数[MX+Y]补可以求得其原码为11.1101故:

X+Y=2010×（-0.1101）87计算机中数的表示正负号和小数点数定点数浮点数（阶码＋尾数）定点小数（原码、反码、补码）定点整数不带符号带符号（原码、反码、补码）881.4.6字符的编码ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美国国家信息交换标准码

常用字符有128个，编码从0到127。用若干位二进制符号表示数字、字母、命令以及特殊符号的方法称为字符编码。ASCII码用7位二进制符号（b7b6b5b4b3b2b1）来表示字符和命令，编码为000

0000~111

111189ASCII码编码表90ASCII码字符

十六进制表示

十进制表示

空格

20H 32‘0’～‘9’

30H～39H

48～57‘A’～‘Z’41H～5AH65～90

‘a’～‘z’61H～7AH

97～122控制字符：0～32，127；普通字符：94个。例：“a”字符的编码为1100001，十进制数是97ASCII码的排列有大小之分：空格<数字<大写字母<小写字母91汉字的编码国标码（GB2312-80）一级汉字：3755个，按汉语拼音排列二级汉字：3008个，按偏旁部首排列

区位码由94个区号和94个位号构成每个汉字占两个字节92区位码分布01区键盘上没有的各种符号02区各种序号03区键盘上的各种符号04-05区日文字母06区希腊字母07区俄文字母08区标识拼音声调的母音及拼音字母名称09区制表符号10-15区未用16-55区一级汉字（按拼音字母顺序排列）56-87区二级汉字（按部首笔划顺序排列）88-94区自定义汉字图形符号区一级汉字区二级汉字区自定义汉字区93区位码转换为国标码例“中”区位码（5448）转换为国标码（5448）D

+区、位分别加32

=（8680）D十六进制形式（3630）H

＋（2020）H=（5650）H二进制形式（0011011000110000）+（0010000000100000）B

=（0101011001010000）B区、位分别加32国标码“华”字的区位码是2710，那么国标码是什么？思考ASCII表中的控制码94汉字的处理过程汉字输入码五笔字型法、郑码输入法等形码类其它语音、手写输入或扫描输入等

全拼、双拼、微软拼音、自然码和智能ABC等音码类

为将汉字输入计算机，利用计算机标准键盘上按键的不同排列组合来对汉字的输入进行编码95国标码转换为机内码汉字在计算机内部进行存储、处理的代码汉字内码汉字内码：2个字节存储

每个字节最高位置“1”

目地：区分于ASCII码方法：汉字的国标码＋8080H“中”字的国标码转换为汉字内码：国