大一学习计算机基础课件puter basics

大学计算机基础哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院

计算机基础教学研究中心赵宝钢第一单元计算机基础知识

（Unit1：ComputerBasics）学习指导（LearningGuide）

概述(Overview)

重要内容(ImportantParts)

教学目标(Objectives)

重要习题(ImportantExercises)

概述（Overview）计算机表示数据原理计算机系统的组成信息在计算机内的表示综合题讲解重要内容（ImportantParts）以下标题出自教学用书2.1数制及其转换2.2数值数据的表示2.3字符数据的表示2.4多媒体信息的表示教学目标（Objectives）理解计算机与“用bit表示信息”的关系能描述ASCII码描述并比较常用的汉字编码掌握不同进制的相互转换掌握数值数据的表示能描述微机的基本硬件组成了解微机的一般工作过程重要习题（ImportantExercises）教学用书第一章习题：一、二、三、四、教学用书第二章习题：一、二、三、四、

1.1数据表示基础(BasicsforDataRepresentation)“计算机数据表示”概念状态的一般表示计算机与“用bit表示信息”的关系信息表示的常用单位1.1.1“计算机数据表示”概念(TheConceptofComputerDataRepresentation)计算机用仅有两个稳定状态的电路来表示数据1.示例e.g.表示光线可调台灯所发出的8种光不亮不同亮度的光最亮0v0.1v0.2v0.3v0.4v0.5v0.6v1v这里将“电灯开关”比作上述仅有二个稳定状态的电路。这样，可视电灯开关的“开状态”为上述电路的一个稳定状态，而视电灯开关的“关状态”为上述电路的另一个稳定状态

s3s2s1Lightoffoffoff0.0voffoffon0.1voffonoff0.2voffonon0.3vonoffoff0.4vonoffon0.5vononoff0.6vononon1.0v可用三个“电灯开关”（s3,s2,s1）来表示上面的8种光2.好处(Advantages)实现简单表示可靠1.1.2电路状态的一般表示(GeneralRepresentationofCircuitStates)就特定表示而言，常用数字0表示上述电路的一个稳定状态，而用数字1表示另一个。就一般表示而言，要用到比特概念。比特指限于0和1的数字。比特译自bit。bit为BinaryDigit之缩写。

用一个比特可表示二个状态中的任一个对于一个状态，让这个比特为0。而对于另一个状态，让这个比特为1。此外，取值限于0和1的变量亦称bit。使用这种含义的bit可使表达更简洁。bit的具体含义要视上下文而定。1.示例：三个bit(b3,b2,b1)有八种组合，可以表示8种不同的光线b3b2b1Light0000.0v0010.1v0100.2v0110.3v1000.4v1010.5v1100.6v1111.0v2.问题16个bit最多可以表示多少个信息？1.1.3计算机与“用bit表示信息”有什么关系？a.一个二状态电路总能对应一个bit。具体而言，二状态其一对应该bit的0值，而二状态的另一个对应该bit的1值。b.信息若能用若干个bit表示，则一定能用若干个二状态电路来表示。c.而计算机具有这样的电路。d.所以，信息亦能被计算机表示。

关系：信息能用bit表示就一定能用计算机来表示意义：计算机信息表示问题转换成了bit信息表示问题1.1.4信息表示的常用单位1.常量：

103106109101210151018

Kilo-

Mega-

Giga-

Tera-

Peta-

Exa-210220230240250260

(在计算机中，K=210=1024，近似1000)

2.常用单位bit（位）:简记为b；0为一个bit;1亦为一个bit;01为二个bitbyte（字节）:简记为B;8bits其它：

Kb/KB:210bits/210bytes

Mb/MB:220bits/220bytes

Gb/GB:230bits/230bytes

TB:240bytes1.2计算机系统的组成

(TheCompositionofComputerSystem)

1.2.1计算机组成概貌(GeneralView)1.基本概念(Basics)硬件:整个系统运行的物理平台程序：为解决某一问题按一定顺序组织在一起的命令序列软件：程序、原始数据及相关资料（程序开发、维护、使用）操作系统：用于方便用户使用计算机、管理计算机系统的各种软硬件资源应用程序：用于某种计算机应用e.g.MicrosoftOffice系统应用程序(亦称计算机平台)：用于为应用程序的开发和运行提供支持

e.g.TurboC++2.示意图(Diagram)系统软件

操作系统系统应用程序应用软件软件外设硬件微机

微机系统

微处理器内存储器(RAM/ROM)输入/输出接口总线外存储器I/O设备1.2.2计算机的基本硬件组成

(BasicCompositionofHardware)

现在的各种计算机，其基本的硬件结构总是沿袭着冯.诺依曼（VonNeumann）所设计的传统框架。1.冯•

诺依曼计算机结构

(VonNeumann’sComputerComposition)运算器存储器控制器工作原理：存储程序控制

输入设备

输出设备:指令/数据流:控制信号流2.现在计算机的基本硬件结构

(BasicCompositionofPresent-dayComputer)运算器

内存储器控制器输入设备输出设备

外存储器CPU外设主机存储器说明[1]CPU：由运算器和控制器构成。[2]存储器：由内存和外存构成。前者可被CPU直接访问；后者要通过接口被访问。[3]主机：由CPU和内存构成。[4]外设：原来只有I/O设备。但外存处于和I/O设备同样的地位，故被纳入其中。3.微机系统的基本硬件结构（1）示图（Diagram）[1]微处理器（CPU）[3]

系统总线(SystemBus)[2]ROM[2]RAMI/O接口

外设微机I/O设备和外存[4]

外部总线说明[1]微处理器：即做成芯片的CPU。由运算器、控制器和寄存器组构成。[2]内存：由ROM和RAM构成。前者只能被读；而后者既能被读也能被写。[3]系统总线：可使微机变大。如：ISA,EISA,PCI[4]外部总线：可使更多的设备或系统与计算机相连。如：IDE,EIDE,USB，SCSI（2）ROM和RAM的存储结构存储器由若干存储单元组成。每个单元容纳的信息量为一个字节。通过编码给出存储单元的地址，称对存储单元的编址。存储单元编址的方法是：用数字0和1所构成的序列来表示存储单元的地址。全0表示第一个单元的地址。而全1表示最后一个单元的地址。CPU对存储单元的读写访问是通过其地址码进行的。存储器的容量是由其所存的信息的数量来度量的。1.2.3微机的一般工作过程(GeneralProcessofComputerWork)

以求x2为例（1）示意图(2)工作过程即:执行程序的过程1命令1：读入X命令2：运算命令3：输出结果求x2程序内存微处理器231.2.4程序设计语言简介(IntroductiontoProgrammingLanguage)1.机器语言（MachineLanguage)机器语言:作为命令能被机器直接识别的bit序列（1）机器指令指示机器完成规定动作的bit序列称机器指令指令系统：某类机器所特有的所有不同类指令的集合优点：机器能直接识别缺点：难记忆，易出错2.汇编语言(AssemblyLanguage)汇编语言：符号化的“机器语言”缺点：不能被直接识别。必须要翻译成机器指令优点：较易编程3.高级语言(High-LevelLanguage)高级语言：接近人类语言和数学语言优点：具有通用性。不考虑具体的硬件。缺点：不能被直接识别。必须要翻译成机器指令。e.g.将高级语言命令：Answer=FirstNumber+SecondNumber翻译成等价的若干条机器指令。4.命令翻译示例5.机器语言在系统中的位置(HowisMachineLanguageLocated?)应用程序系统应用程序操作系统

机器语言

硬件系统Note:中间部分存在兼容性6.三种语言的比较语言通用性被直接识别性机器语言无有汇编语言无无高级语言有无1.2.5外设及其工作原理(PeripheralDeviceanditsWorkMechanism)

1.硬盘存储容量的计算

(1)磁盘的逻辑结构磁盘由记录面组成记录面由磁道组成磁道由扇区组成每个扇区的容量是相同的:（512字节）(2)计算公式：记录面数×磁道数×扇区数×扇区容量

(磁头数）（柱面数）(3)例题

e.g.已知某硬盘磁头数为16，柱面数为4096，扇区数为63,每扇区的容量为512B。问：该硬盘的容量为多少？Ans.硬盘容量=(16×4096×63×512)B

≈2GB2.设备驱动程序

顾名思义，能驱动外部设备的程序被称作设备驱动程序。使一个新设备安装到微机系统中，除了正确接线外，还必需安装其设备驱动程序。“即插即用”特性能方便用户安装设备驱动程序。微软从Windows95开始支持这种特性。思考题一台数字化仪产品标准配置如下：一、数字化仪主机板一块

二、16键定标器一个

三、数字化仪驱动光盘一张

四、USB数据线一条请说出把它与计算机相连的具体步骤。AssignmentforSection1ExercisesofChapter1Part1:all

Part2:all

Part3:excluding4

Part4:excluding1,2,51.3信息在计算机内的表示(DataRepresentationintheComputer)表示实例:ASCII代码表示实例:常用汉字编码进位计数制及其转换数值数据表示声音、图形/图像、视频（video)1.3.1表示实例:ASCII(TheRepresentationofASCII)1.概述用于传信息的国际标准符号代码标准的ASCII由7位组成。每位可为0或1，故共有27个编码，可表示27个符号。2.码表用七个作为变量的bit（b6b5b4b3b2b1b0）来描述高三位：b6b5b4；低四位：b3b2b1b0高位低位b6b5b4000

011110011001101010101b3b2b1b000000001001000110100010101100111100010011010

space

0Pp

1AQaq2BRbr3CScs4DTdt5EUeu6FVfv7GWgw8HXhx9IYiyJZjz

高位低位b6b5b4

0

0001

111

0

0110011

0

1010101b3b2b1b0……………………………………………………10111100110111101111

ESCCR3.特点数字字符按自然数顺序排列字母字符按字母表顺序排列1.3.2表示实例:汉字编码(CodesofChineseCharacters)区位码国标码其他汉字编码:机内码/字型码/外码例题1.区位码(1)概述：被编码的符号除汉字外，还有其它符号每个区位码由区号和位号两个部分组成；区号和位号各由一个字节组成。(2)码表：要点：区号用来确定符号在码表中的区域，位号用来确定符号所在区域中的位置示例：”啊”的区位码为：0001000000000001

PositionSection第二字节b7b6b5b4b3b2b1b000000001000000100000001100000100000001010000011000000111

第一字节

位区1234567b7b6b5b4b3b2b1b0............

..0001000016啊阿埃挨哎唉哀

0001000117薄雹保堡饱抱报2.国标码信息交换用国家标准符号编码被编码的符号除汉字外，还有其它符号每个汉字用两个字节表示3.其它汉字编码机内码：用于计算机内部对汉字存储、传输和处理。由两个byte组成。字型码：用于汉字的输出外码：用于汉字输入4.例题0001100000011000000110000001100000011000001111000110011011000011字型码阵列概念：用”1”书写“人”字可形成它的8×8字型码阵列e.g.某汉字的字型码排成16×16阵列。问该码含有多少个byte?Ans.

总bit数：16×16 1byte=8bits,所以 总字节数：16×16/8=321.3.3进位计数制及其转换(TheNumerationanditsTransform)进位计数制概念十进制与其它进制之间的相互转换二进制转换成十六进制或八进制1.进位计数制概念(TheConceptoftheNumeration)a.比较十进制和二进制的计数过程b.共同点：通过增一和“逢基数进一”可得到下一个数c.问题：（25）10＝（?）2

d.问题：（1000）10＝（?）2

2.十进制与其它进制之间的相互转换a.分析：825=8×10×10+2×10+5×11112=1×2×2+1×2+1×1=72178=2×8×8+1×8+7×1=143b.权（计数单位）：与数字位置对应的基数的幂。如：22,21,20为二进制的权c.转换方法：对于一个十进制数，求对应的其它进制数，就是求关于其它进制若干权的一组系数示例1：

33333秒=(？)：(？)：(？)

所求结果为60进制数。即求关于60进制权602,601,600的一组系数示例2：

(1000)10=(？)2

即求关于二进制权29,28…20的一组系数

d.转换示例3.二进制与十六进制/八进制互相转换（1）二进制为何要转换成十六进制/八进制？（2）转换要点2→16:4→12→8:3→14.综合题

已知：字符A的ASCII码为41H（Hexadecimal,十六进制的），则字符R的ASCII码为何？

Ans.

位置之差＝代码值之差位置之差为17（11H）,所以（R）ASCII＝41H+11H=52H1.3.4数值数据表示数值数据的表示是为了运算。考虑的因素有：小数点固定否；有无符号；溢出否。溢出是指运算结果超出所能表示的范围。被表示的数（Number）称真值。而表示真值的数码（Numeral）称机器数。二者的关系是被表示和表示的关系。值得注意的是：机器数是数码而不是数。对于一个机器数，它被直接使用，还是间接地当作数来用，要通过上下文而定。事实上，它经常被当作数来用以进行真值和机器数之间的互相转换。机器数可分为：有符号机器数；无符号机器数；定点机器数；浮点机器数。1.无符号数的表示e.g.压缩的BCD码:定义：用四位二进制数来表示一位十进制数所形成的代码实例：e.g.

(76)d----(01110110)BCD2.有符号数表示分类：有原码，反码，补码三种表示的共性：

a.正数的三种表示是相同的

b.最高位为符号位：0表示正，1表示负（1）原码表示方法：绝对值前加符号位e.g.数值数据+3,-3的三位原码表示X2x1x0

数值011+3111-3（2）反码表示方法：负数的绝对值取反e.g.数值数据+3,-3的三位反码表示X2x1x0

数值011+3100-3（3）补码表示方法：负数的绝对值取反加1e.g.数值数据+3,-3的三位补码表示X2x1x0

数值011+3101-3（4）表示范围：以三位补码为例x2x1x0数值100-4101-3110-2111-10000001+1010+2011+3a.给出全部表示b.分析表示范围对于三位补码,其范围:[-22,22-1]对于n位补码，其范围:[-2n-1,2n-1-1]（5）机器数的还原

通过上表可知：若将补码视作数来用，则有

[x]补＋|x|=23所以｜X｜＝23－[x]补

一般地，对于n位负数x补码，有

[x]补＋|x|=2n

所以

|X|＝2n

－[x]补事实上，上述运算等同于操作：“[x]补变反加一”下面以负数x的三位补码为例对补码到真值的还原加以分析（6）三种表示的比较

假设：机器码的长度为8。对于“产生”和“还原”仅考虑真值为负数的情况机器数产生范围还原（|x|）原码添加符号位(-27,27)符号位取反反码补齐变反(-27,27)变反补码补齐变反加一[-27,27)变反加一AssignmentforSection2ExercisesofChapter2Part1:1-5

Part2:1-5

Part3:1

Part4:1-41.3.5声音、图形/图像、视频(Sound,Graphics/ImageandVideo)

声音、图形/图像，视频等多媒体信息要通过数字化才能被计算机表示。因此，要涉及：声音数字化、图像数字化和视频数字化等方面。1.声音的数字化(SoundDigitization)声音数字化的通俗解释数字化示例数字化的二个要素简单的信息量计算(1)声音数字化的通俗解释a.根据可能的信号最大幅度造一把带编码的“刻度尺”b.用这种尺子对测得(Sample,采样)的信号进行度量(Measure,量化)1086420110101100010001000(2)声音数字化示例

采样点t1t2t3t4t5t6t7...编码0011010101111001101111011110...示例要点将可能的音频信号最大幅度分成若干等份(16份)对得到的若干离散幅值进行编码(0000-1111)通过“采样”(sampling)和“量化”(measuring)实现数字化(3)数字化的二个要素位深度（采样精度，样本位数）：表示幅值的bit个数（上例为4）采样频率：反映多久采一个

（柰奎斯特理论：采样频率不小于信号分量最高频率的二倍）(4)简单的信息量计算一段时间声音的信息量：采样频率×位深度×时间单位时间信息量2.图像的数字化(ImageDigitization)数字化示意二个要素数字化实例简单的信息量计算（1）数字化示意0000000000000000000001000011101000100010010000010100000100000000Notes:使图像由像素组成。用黑白两种色块对像素作近似用1表示黑。0表示白将色块用颜色代码来代（2）数字化的二个要素图像分辨率：像素总数(上例：8×8)位深度（像素深度）：表示颜色的bit个数(上例：1)（3）数字化实例（4）简单的信息量计算求一幅图像的信息量：图像分辨率×位深度3.视频的数字化(VideoDigitization)视频概念数字化示意数字化的特点简单的信息量计算（1）视频概念视频即静态图像的有序集合（2）数字化示意0/1阵列0/1阵列0/1阵列1/25s1/25s1/25s数字化数字化数字化（3）数字化的特点时间和空间上存在大量信息冗余，可以压缩（4）简单的信息量计算求一段时间视频的信息量：图像分辨率×位深度×采样频率×时间一幅图像的信息量单位时间的信息量1.4综合题讲解ROM和RAM的存储结构存储器由若干存储单元组成。每个单元容纳的信息量为一个字节。通过编码给出存储单元的地址，称对存储单元的编址。而存储单元编址的方法是：用数字0和1，从码值0开始，然后以一递增。存储器的容量由所存的信息量来度量。一般地，对于任一存储器，其容量数满足下式：

容量数＝最大地址码值＋1e.g.容量为4KB的存储器，至少需多少bit进行编址