大学计算机基础第1章

第1章计算机基础知识1.1计算机概述 1.2计算机系统的运算基础1.3计算机系统的构成1.4微型计算机硬件组成2/5/20231

电子计算机是20世纪最伟大的发明之一，半个世纪的发展，计算机的应用遍及人类社会的各个领域，极大地推动了人类社会的进步与发展。由计算机技术和通信技术相结合而形成的信息技术是现代信息社会最重要的技术支柱，对人类的生产方式、生活方式及思维方式都产生了极其深远的影响。第1章计算机基础知识1了解计算机发展2理解计算机的特点3了解计算机的分类4了解计算机的应用领域

1.1计算机概述计算机的发展第一台计算机是1946年2月15日由美国宾夕法尼亚大学研制的，名为ENIAC。ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468个真空管7,200个水晶二极管,1,500个中转,70,000个电阻器,10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。ElectronicNumericalIntegratorandCalculator2/5/20234计算机的发展第一代：电子管计算机(1946-1957)第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。2/5/20235计算机的发展第二代：晶体管计算机(1957-1964)第二代计算机用晶体管代替电子管，体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。该类计算机，还具有现代计算机的一些部件：打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。2/5/20236计算机的发展第三代：集成电路计算机(1964-1972)集成电路的应用使计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。2/5/20237计算机的发展第四代：大规模集成电路(1972年至今)大规模集成电路的应用得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者。1981年IBM推出了个人计算机，用于家庭、办公室和学校。2/5/20238计算机的发展计算机的发展趋势计算机科学是有史以来发展最快的学科，为了迎合社会对计算机不同层次的应用需求，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。2/5/20239计算机的分类计算机按其规模、速度和功能等可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机等等。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。2/5/202310计算机的分类1.巨型机巨型机指运算速度快、存储容量大、功能最强和价格最贵的高性能计算机，它采用了大规模并行处理的体系结构，CPU由数以千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，巨型机主要用于国家高科技领域和国防尖端技术的研究。巨型机的研制水平是一个国家计算机技术水平的重要标志，这一领域的竞争是世界计算机界的热点。2/5/202311计算机的分类2．大型机大型机的运算速度一般介于百万次/秒至几千万次/秒之间，存储容量比巨型机小，可容纳上百个用户同时工作。它有比较完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。其特点是通用，有极强的综合处理能力。大型机一般用于大型企业、大专院校和科研机构。2/5/202312计算机的分类3．小型机小型机运算速度在几十万次/秒左右，存储容量和机器规模比大型机小，结构相对简单，设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。可同时容纳几十个用户同时工作，价格也相对比较便宜。小型机适用于中小企业、政府部门等。2/5/202313计算机的分类4．微型计算机微型计算机是以微处理器为核心，通过系统总线将存储器、外围控制电路、I/O接口连接起来的系统，简称微机。微机是当前使用最为广泛的计算机，现在微机的运算速度已经赶上某些大中小型机了。2/5/202314计算机的分类5．单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，单片机只缺少了I/O设备。单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。2/5/202315计算机的应用计算机应用范围非常广泛，并且还在不断向各行各业渗透扩展。从计算机所处理数据的类型这个角度来看，计算机的应用原则上可分为数值计算和非数值计算两大类。而后者的应用范围远远超过前者，概括起来主要有以下几个方面。2/5/202316

计算机的几个主要的应用领域：

1．科学计算2．数据处理3．计算机仿真4．实时控制5．计算机辅助系统计算机辅助系统包括CAD、CAM、CAT和CAI等。6．人工智能计算机的应用1.2计算机系统运算基础1.2.1进位计数制1.2.2几种常用数制之间的转换1.2.3二进制数的运算规则1.2.4信息在计算机中的表示1.2.5信息在计算机中的存储2/5/2023181.2.1进位计数制1．进位计数制的概念

在进位计数制中包含两个基本要素：“基数”和“位权”①基数：一种进位计数制中允许使用的基本数字符号的个数称为基数。②位权：就是单位数码在该数位上所表示的数量。2．常用的进位计数制介绍常用的进位计数制有二进制、八进制、十进制和十六进制。（1）二进制二进制，它有两个数码：0和1。进位规则是“逢二进1，退1当二”。在计算机中之所以采用二进制的主要原因是：①实现容易②便于使用逻辑代数③运算简单④记忆和传输可靠21计算机中常用的数制进位制基数数字符号标识二进制八进制十进制十六进制第1章

信息科学与计算机——1.2计算机进制与信息编码22计算机中常用的数制进位制基数数字符号标识二进制20，1B八进制80，1，2，3，4，5，6，7O或Q十进制100，1，2，3，4，5，6，7，8，9D十六进制160，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，FH23k进制转化成十进制:按权展开几种常见数制之间的转换24十进制转化成k进制整数部分：连除基数，逆序取余；小数部分：连乘基数，顺序取整例1：将十进制数143.8125转换为二进制例2：将十进制数132.525转换为八进制例3：将十进制数130.525转换为十六进制几种常见数制之间的转换25二、八进制之间的转换每三位二进制对应一个八进制数。八进制01234567二进制000001010011100101110111(1101101110.110101)B=(1556.65)O155665整数部分：从右向左进行分组。小数部分：从左向右进行分组。几种常见数制之间的转换26二、十六进制之间的转换每四位二进制数对应一个十六进制数。十六进制01234567二进制00000001001000110100010101100111十六进制89ABCDEF二进制10001001101010111100110111101111几种常见数制之间的转换27二、十六进制数的相互转换二进制转化为十六进制每四位二进制数对应一个十六进制数。整数部分：从右向左进行分组。小数部分：从左向右进行分组。(1101101110.110101)B=(36F.D4)H36FD428十六进制转化为二进制每一个十六进制数对应四位二进制。(2C1D)H=(0010110000011101)B2C1D(64)H=(01100100)B6429八、十六进制数的相互转换？？2、完成下列各数的进制转换。（10101001.101011）2=（

）10=（

）8=（

）16（A8D）16=（

）10=（

）8=（

）21．二进制数的算术运算规则（1）加运算：

0＋0=0，0＋1=1，1＋0=1，1＋1=10(进位)（2）减运算：

1－1=0，1－0=1，0－0=0，0－1=1(借位)（3）乘运算：

0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1（4）除运算：

0÷1=0，1÷1=1二进制数的运算规则2/5/2023312．二进制数的逻辑运算（1）逻辑与：逻辑与的运算符表示为“∧”。即：

（2）逻辑或：逻辑或的运算符号为“∨”。即：二进制数的运算规则2/5/202332（3）逻辑非：逻辑非的运算符号为“ˉ”。即：（4）逻辑异或：即：二进制数的运算规则2/5/2023331.数值型数据在计算机中的表示方式

在计算机中，机器数也有不同的表示方法，通常用原码、反码和补码三种方式表示，其主要目的是解决减法运算。

原码：正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，数值部分用二进制形式表示，这种表示法称为原码。反码：正数的反码和原码相同，负数的反码是对该数的原码除符号位外每位取反。补码：正数的补码和原码相同，负数的补码是其反码加1。

信息在计算机中的表示2/5/202334求负数补码的方法为：第一步：写出与该负数相对应的正数的补码。第二步：按位求反。第三步：末位加1。

【例1-5】假设机器字长为8位，求-46的补码。

+46的补码表示为： 00101110

按位求反： 11010001

末位加1： 11010010

所以，-46补码为：

11010010信息在计算机中的表示2/5/2023352.非数值数据在计算机中的表示

1）ASCII码目前在小型机和微型机系统内国际上最广泛使用的字符编码是：“美国信息交换标准码”，简称ASCII码(AmericanStandardCodeForInternationInterchange)。标准ASCII码采用7位二进制编码，可以表示128个字符，每个字符对应一个7位的二进制数，这个二进制数的值称为ASCII码值。码值可采用十进制或十六进制数来表示。在计算机的存储过程中，一个ASCII码值是使用8个二进制位(一个字节），其最高位(bit7)用作奇偶校验位。2/5/202336信息在计算机中的表示2/5/2023372）汉字编码

1981年公布的国家标准GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集－基本集》（国标码、也称汉字交换码），共收录汉字、字母、图形符号共7445个。其中汉字6763个，按其出现的频度分为一级汉字3755个，二级汉字3008个。2001年我国发布了GB18030编码标准，它是GBK的升级，GB18030编码空间约为160万码位，目前已经纳入编码的汉字约为2.6万个。信息在计算机中的表示2/5/2023383.各类数据在计算机中的转换所谓数字化即为对传统信息的进行编码，信息编码的目的就是把用户要求计算机处理的各种形式的信息，转换为计算机所能接受、识别的二进制形式存入到计算机内进行处理，然后把计算机的处理结果以用户需要的形式输出。信息在计算机中的表示2/5/20233940数据存储的最小单位：位（bit）数据存储的基本单位：字节（Byte）各单位之间的换算关系：

1B=8bit1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB

其中，k、M、G、T分别称为千、兆、吉、太。计算机中数据的存储单位

1.3计算机系统的构成1.3.1冯·诺依曼体系计算机的结构特点1.3.2计算机的硬件系统1.3.3计算机的软件系统1.3.4计算机程序及其运行原理1.3.5计算机的性能指标2/5/2023411.3.1冯·诺依曼体系计算机的结构特点

科学家冯·诺依曼在1945年提出了现代计算机的基本工作原理：

1）抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础；

2）提出了程序存储式电子数字自动计算机的方案；

3）确定了计算机硬件体系结构的5个基本部件：

（1）输入数据和程序的输入设备。

（2）记忆程序和数据的存储器。

（3）完成数据加工处理的运算器。

（4）控制程序执行的控制器。

（5）输出处理结果的输出设备。2/5/2023421.3.2计算机的硬件系统2/5/202343计算机硬件的各部分主要是采用总线结构连接起来

为了控制、管理、维护和开发计算机系统资源而编制的各种程序及其相关资料的集合称为软件。硬件若是计算机系统的躯体，软件则是计算机系统的灵魂。计算机的软件系统可分为系统软件和应用软件两部分。系统软件是负责对整个计算机系统资源的管理、调度、监视和服务。应用软件是指各个不同领域的用户为各自的需要而开发的各种应用程序。1.3.3计算机的软件系统2/5/2023441．指令及指令系统指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机的硬件理解并执行，一条指令就是计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令用一串二进制代码表示，通常包括操作码和地址码两部分信息。1.3.4计算机程序及运行原理2/5/2023452．指令的执行过程指令的执行分为以下三个阶段过程。（1）取指令：取指令阶段完成将现行指令从内存中取出来并送到指令寄存器中。

（2）分析及取数指令：取出指令后，机器立即进入分析及取数阶段，指令译码器可识别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法。（3）执行：执行阶段完成指令规定的各种操作，产生运算结果，并将结果存储起来。1.3.4计算机程序及运行原理2/5/2023463．程序程序是指一组指示计算机每一步动作的指令，通常用某种程序设计语言编写，运行于某种目标体系结构上。在一台基于冯·诺依曼体系结构的计算机上，程序从某种外部设备（通常是硬盘），被加载到计算机的内存里。指令序列顺序执行，直到一条跳转或转移指令被执行，或者一个中断出现。所有这些指令都会改变指令寄存器的内容。1.3.4计算机程序及运行原理2/5/202347

一台计算机的功能或性能涉及体系结构、硬件组成、软件配置等多方面的因素。表示计算机性能的主要指标有以下几个：

1．字长字长是指计算机内部一次能同时处理的二进制数据的位数，反映了计算机内部寄存器、ALU(ArithmeticandLogicUnit，算术逻辑单元)和数据总线的位数，直接影响着计算机的硬件规模和造价。字长是衡量计算机性能的一个重要标志。字长越长，一次处理的数字位数越大，速度也就越快。1.3.5计算机的性能指标2/5/2023482．主频

主频，就是CPU的时钟频率，电脑中的系统时钟是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。简单地说就是CPU运算时的工作频率（1秒内发生的同步脉冲数）的简称。通常来讲，在同系列处理器中，主频越高就代表计算机的速度也越快，但对与不同类型的处理器，它就只能作为一个参数来作参考。主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，并不代表CPU的整体性能。1.3.5计算机的性能指标2/5/2023493．主存容量主存容量是指主存储器（内存）所能存储二进制信息的总量。计算机的主存容量一般以字节(Byte)数来表示。

4．MIPSMIPS是英文MillionInstructionsPerSecond的简称，意思是每秒百万条指令，即“百万条指令／秒”。它是指CPU每秒处理的百万级的机器语言指令数，它是处理器运行速度的测量方法，是衡量计算机运行速度的一个主要指标。1.3.5计算机的性能指标2/5/2023501.4.1中央处理器1.4.2主板1.4.3内存储器1.4.4微机总线1.4.5常用外部设备1.4.6外存储器1.4.7键盘及其基本操作1.4微型计算机硬件组成2/5/2023511.3.4微型计算机系统目前，微型计算机（简称微型机或微机）主要包括台式电脑即PC机和笔记本电脑，如图1-6、图1-7所示的分别是台式电脑和笔记本电脑的外观。

中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为微处理器MPU(MicroProcessorUnit)。1.4.1中央处理器2/5/2023531.CPU的组成1）算术逻辑单元ALU：算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicalUnit)即运算器。运算器主要完成各种算数(加、减、乘、除)和逻辑运算(与、或、非运算)。2）寄存器组：寄存器(Register)是用来临时存放参与ALU运算的各种数据，它是CPU中具有存储特性的内部高速单元。3）控制单元：控制单元即控制器。它负责读取指令寄存器中的指令并对指令进行分析和逻辑译码，产生并发出各种相应的控制信号完