第一章计算机基础知识

第一章计算机基础知识

第一节计算机概述

一、计算机的发展

从1946年第一台电子计算机问世以来，根据表示计算机信息逻辑元件的不同，将计算机的

发展分成4代。

1946年2月，世界上第一台计算机于美国宾州大学诞生，取名电子数字积分计算机，简称

ENIACo这台机器使用了近18000个电子管、10000只电容和7000个电阻，总重30吨，功率

150千瓦，占地170平方米，是花了近3年才完成的一项庞大工程。它的原设计目的是为美国陆

军弹道实验室计算弹道特性表。虽然当时达到的速度仅有每秒5000次加、减运算，但它把计算

一条发射弹道的时间从台式计算器所需的7〜10小时缩短到30秒以下，使弹道实验室的近200

名工程师从此摆脱了繁重的计算劳动。ENIAC虽然只使用了九年多就停止使用，并且在我们今

天看来它有诸多不够理想的方面，但是它的问世，表明了电子计算机时代的到来，它的出现具有

划时代的意义。

（―）第一代计算机（1946〜1956年）

它的主要特征如下：

①采用电子管作为逻保开关元件，体积大、耗电量大、成本高，每秒运算速度仅为几千次。

②程序设计使用机器语言或汇编语言，还没有操作系统。

③存储容量小，初期用水银延迟线或静电存储器，容量仅有数千字节（KB）,后期采用磁鼓

与磁心，容量有较大提高。

第一代计算机体积庞大，造价很高，仅限于军事和科学研究工作。

（二）第二代计算机（1955〜1964年）

①采用半导体晶体管作为逻辑开关元件，体积减小、重量减轻、能耗降低、速度加快，每

秒运算速度达几十万次。

②程序采用汇编、高级语言设计，出现FORTRAN、COBOL、ALGOL等语言。

③存储容量增加，使用磁心作为主存储器，辅助存储器采用磁盘和磁带。

第二代计算机体积小、成本低、功能强、可靠性大大提高。除了科学计算外，还用于数据处

理和事务处理。

（三）第三代计算机（1964〜1970年）

①采用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件，从而使体积、重量进一步减小；运算速度

和可靠性有了进一步提高，每秒运算速度达几十万次到几百万次。

②出现了操作系统软件，高级语言的数量增多。

③开始使用半导体存储器，辅助存储仍以磁盘、磁带为主，体积更小，价格更低。

系列化、通用化和标准化，是这一时期计算机设计的基本思想。其结果不但降低了计算机的

成本，也进一步扩大了计算机的应用范围。

（四）第四代计算机（1971年至今）

①采用大规模、超大规模集成电路作为逻辑开关元件；使计算机体积、重量、成本均大幅

度降低，出现微型机。在随后10年间，微机从第一代迅速发展到第四代。

②操作系统不断发展和完善，产生了数据库系统软件。

③硬件更新、软件丰富。主存储器采用半导体存储器，辅助存储器采用大容量的软、硬

磁盘，并开始引入光盘。外部设备有了很大发展，采用扫描仪、激光打印机和各种绘图仪等。

前面所说的四代计算机，都是由控制器、运算器、存储器、输入输出设备组成的冯•诺依曼

体系结构。冯•诺依曼计算机两个重要特点是：存储程序和程序控制。

自日本宣布第五代计算机计划后，关于五代机的讨论，一时成为各国计算机界的热门话题。

日本把它所研制的第五代计算机称为知识信息处理系统。随后，许多国家纷纷开展对新型计算机

的研究；先后出现了神经网络计算机、生物计算机等提法。而把这类新型计算机总称为未来型计

算机或新一代计算机。

新一代计算机是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统，它

不仅能进行一般信息处理，而且能面向知识处理，具有形式推理、联想、学习和解释能力，能帮

助人类开拓未知的领域和获得新知识。

新一代计算机的系统结构将突破传统的冯•诺依曼机器的概念，实现高度并行处理。但至今

仍未有突破性进展。

二、计算机特点

计算机作为一种通用的智能工具，有以下几个特点：

①运算速度快。现代计算机的系统的运算速度已达到几十亿次乃至几百亿次。大量复杂的

科学计算过去需要几年、几十年，而现在用计算机中需要几天或几个小时甚至几分钟就可完成。

②运算精度高。一般计算器只有二、三位有效数字，而微型机就可达到十几位有效数字。

例如圆周率的计算，数学家们经过长期艰苦的努力只算到小数点后500位，而使用计算机很快就

算到小数点后200万位。

③记忆容量大。能把语言、文字、图形、图像、音乐、数据、程序存入计算机进行处理或

计算，并把结果保存起来。微机的内存容量不断增大，可存储记忆的信息量也越来越大。

④具有逻辑判断功能。计算机不仅可以进行算术运算，而且可以进行各种逻辑判断，例如

比较两个数的大小，根据比较的结果自动确定下一步该做什么

⑤具有自动控制能力。计算机的内部操作都是按照事先编制的程序进行的，不要人干预，

这是计算机与计算器本质上的区别。

三、计算机分类

(-)按计算机功能分

①专用计算机：针对某一特定应用领域而设计，功能单一、适应性差，但是在特定用途下

最有效、最经济、最快速。

②通用计算机：针对多种领域而设计，功能齐全、适应性强，但其效率、运算速度和经济

性相对于专用计算机要低一些。

(-)按计算机按型体和性能分为：

①巨型机：巨型机又称超级计算机，它是6种机型中价格最贵、功能最强的一类。它的运算

速度每秒可达1亿次以上，存储容量大，主存容量最高达几百兆字节，字长可达64位。

当前巨型机主要用于尖端科学研究领域，如核武器和反导弹武器的设计、空间技术、石油勘

探、中长期天气预报、以及社会模拟等领域。

我国研制的“银河I”和“银河n”也属于巨型机。

②大型机：大型机的运算速度在每秒100万次至几千万次，字长32〜64位，主存容量在几

十兆或几百兆字节。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。主要用

于计算中心和计算机网络中。

③中型机：中型机的规模介于大型机和小型机之间

④小型机：盛行于20世纪70、80年代，相对于当时的大型机而言，小型机结构简单、成

本较低，运算速度和存贮容量比大型机都差，但价格相对便宜，比较适合于中、小用户。其代表

产品有：美国DEC公司生产的PDP-11系列、VAX-11系列、HP公司HP-3000系列等。

这些对小型机在当时对计算机的应用普及起了很大的推动作用，既可用于科学计算、数据处

理，又可用于生产过程自动控制和数据采集及分析处理。但后来受到微型机的严重挑战，使其市

场大为缩小，现在主要作服务器用。

⑤微型机：微型机采用微处理器、半导体存储器和输入输出接口等芯片组装，使得这较之小

型机体积更小、价格更低、灵活性更好、可靠性更高、使用更加方便。如今计算机家族中微型

机“人丁兴旺”。

⑥工作站：工作站是20世纪70年代后其出现的一种新型计算机系统，它实际上就是一台高

档微机，但它有其独到这处，易于联网，配有大容量主存，大屏幕显示器。特别适合于CAD/CAM

和办公自动化。典型产品有美国的SUN3、SUN4等。

随着大规模集成电路的发展，目前的微型机与工作站、小型机乃至中型机之间的界限已不明

显，现在的微处理器芯片速度已达到甚至超过10年前的一般大型机的CPU速度。

四、计算机应用

随着计算机的高速发展，计算机应用进一步向各行各'业渗透，上至高、新的尖端技术，下

至家庭生活与各种电器，计算机无处不在，无时不在。

(-)科学计算

科学计算也称数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，计算工

作量很大。它是计算机最早的应用领域，世界上第一台计算机的研制就是为科学计算而设计的。

随着科学技术的发展，各领域的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决的这些复杂问题都需要

依靠计算机来进行复杂的运算。

在天气预报中，大量的卫星气象云图、气象资料，如果用人工进行计算，预报一天需要计

算几个星期，就失去了时效，现在用计算机，取得10天的预报只需要计算数分钟，这就使中、

长期预报成为可能。

在航空与航天领域，复杂的微分方程及大量数据测算工作，需要高速瞬间完成计算任务，也

都是计算机应用的重要阵地。

(二)数据处理

数据处理也称为非数值计算，指对大量的数据进行加工处理，例如分析、合并、分类、统计

等，形成有用的信息。与科学计算不同，数据处理涉及的数据量大，但计算方法简单。

在计算机的应用领域中，数据处理占有极大的比重。在经济发达的国家里，约占80%至90%

的份额。目前，数据处理广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等，数据处理

已成为计算机应用的一个重要方面。

(=)过程控制

过程控制又称实时控制，指计算机及时采集数据，将数据处理后，按最佳值迅速地对控制对

象进行控制。从20世纪60年代起，就在冶金、机械、电力、石油化工等产业中用计算机进行实

时控制。现代工业，由于生产规模不断扩大，技术、工艺日趋复杂，从而以实现生产过程的自动

化控制系统的要求也口益增高，利用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，

而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本。现

代化工厂中，生产过程的自动控制是计算机应用的又一重要领域。

(四)计算机辅助系统

计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。

计算机辅助设计CAD(Computer-AidedDesign),就是用计算机帮助各类设计人员进行设

计。由于计算机有快速的数值计算、较强的数据处理以及模拟的能力，使CAD技术得到广泛应用。

例如，飞机设计、船舶设计、建筑设计、大规模集成电路设计等。采用计算机辅助设计后，不但

降低了设计人员的工作量，提高了设计的速度，更重要的是提高了设计的质量。

计算机辅助制造CAM(Computer-AidedManufacturing)是指用计算机进行生产设备的管

理、控制和操作的技术。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行、处理生产过程

中所需的数据、控制和处理材料的流动以及对产品进行检验等。使用CAM技术可以提高产品的

质量、降低成本、缩短生产周期、降低劳动强度。

计算机辅助教育CBE(Computer-BasedEducation)包括：计算机辅助教学CAI、计算机辅

助测试CAT和计算机管理教学CMI。CM1指用计算机实现各种教学管理，例如教务管理、教学计

划制定、课程安排、计算机题库与计算机评分等。近年来由于多媒体技术和网络技术的发展，

推动了CBE的发展，网上教学和远程教学已在许多学校展开。开展CBE使学校教育发生了根本变

化，培养出跨世纪的复合型人才。

（五）人工智能

人工智能AI（ArtificialIntelligence）一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维

过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序让计算机自动探索解题的方法。人工

智能可用于机器人、计算机象棋、机器证明定理、专家系统（如医疗诊断专家系统）等。人工智能

是计算机应用研究的前沿学科。

（六）信息高速公路

信息高速公路的建议最早由美国提出,将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大

网络，把大网络连接到所有的机构和家庭中去，让各种形态的信息（如文字数据、声音、图像等）

都能在大网络里交互传输。这个建议引起了世界各国和地区的极大震动，纷纷提出了自己发展信

息高速公路计划的设想，我国也不例外。

（七）电子商务

电子商务是指通过计算机和网络进行商务活动。世界各地的许多公司已经开始通过

Internet进行商业交易。他们通过网络方式与顾客联系、与批发商联系、与供货商联系、与股

东联系，并且进行相互间的联系。他们在网络上进行业务往来，其业务量往往超出正常方式。

电子商务系统也面临保密性、可测性、可靠性等挑战，但是，我们相信这些挑战将随着技术

的发展和社会的进步是可以战胜的。

第二节数制

计算机是对信息进行高速自动化处理的机器。这些信息是以数字、字符、符号、图形和声音

等形式出现，它们在计算机内部一律采用二进制表示数据信息，而大家常用的则是十进制，有时

为了方便还使用八进制或十六进制。因此,掌握不同计数制及其转换是非常重要的。

一、采用二进制的原因

①二进制码在物理上最容易实现。计算机由逻辑电路组成的,逻辑电路通常只有两个状态。

例如，电压的高与低、脉冲的有与无、开关的接通与断开等。这两种状态正好用来表示二进制数

码“1”和“0”。若是采用十进制，则需表示十个数码，这是困难的。

②运算简单。二进制运算简单，例如二进制的加、减、乘、除四则运算法则只有4条，而

十进制的四则运算法则都各有100条。这里将二进制的减、乘、除经过一定的处理后，都能用

加法和移位操作实现。显然，运算器的构造可以得到很大简化。

③逻辑性强。计算机工作原理是建立在逻辑运算基础上的，二进制的两个符号“1”和

“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”或称“真”和“假”相对应，从为计算机实现逻

辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利条件。

二、权与基数

采用进位计数制进行计数，表示数值大小的数码与它在数中所处的位置有关。

1.位权

位权是指每个数位被赋以一定的权值；

不论多少进制，整数部分最右边一位的权l,r进制数每左移一位，权就增长r倍。

例如：十进制数“111”；

个位上的“1”表示1个1,即权为1；

十位上“1”表示1个10,即权为10；

百位上的“1”表示1个100,即权为100；

2.基数

基数指相邻位的位权之比；

r进制的基数为r。

例如：十进制数的基数为10。

三、数制特点

①每一种数制都有固定的符号集，R进制就只用r个基本符号。如十进制，其符号有10

个：0,1,2,…，9；二进制，其符号有2个：0和1。

②r进制数逢r进一。例如，十进制数逢十进一，二进制数逢二进一。

③任何一种进位计数制表示的数都可以写出其权展开的多项式之和，任意一个r进制数N

可表示为

/X/

N二i-M-1

式中的IX为该数制采用的基本数符，？是权，r是基数，不同的基数表示不同的进制数，ni为

整数部分的位数，k为小数部分的位数。

例：十进制数734.58按权展开可写成：

734.58=7xl0t+3xl01+4xl0,+5xl0'1-+Sxl0'e

二进制数1101.01按权展开可写成：

3S11Z

(1101.11)B=1X2+1X2-+OX2+1X2,-K)X2-+1X2'

各种进制数表示法对照表

进位制二进制人进制十进制十六进制

规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一

基数R=2R=8R=10R=16

0,1,2,3,4,5,

0,b2,3,4,0,1,2,3,4,6,7,8,9,A,B,

敌码0,15,6,75,6,7,8,9C,D,E,F

位权2i8iIO1W

形式表示B0DH

四、数制转换

(-)r进制转换成十进制

r进制转换成十进制，只需按权展开后求和即可。

例：二进制转换成十进制。

3E11!

(1101.11)B=1X2+1X2-+OX2+1X2,-K)X2-+1X2'

=(13.25)»

八进制转换成十进制。

z1,>-1z

(137.56)O=lx8+3x8+7x8+'5x8+6x8'=(95,71875)D

(-)十进制转换成r进制

十进制转换成r进制时,整数部分与小数部分的转换方法是不相同的，下面分别加以介绍。

1.十进制整数转换成r进制数

卜进制整数转换成r进制数采用“逐次除以r取余法”。“逐次除以r取余法”的过程是:

用待转换的十进制整数除以r,取其商的余数作是r进制数最低位的系数，用商的整数部分继续

除以r,取其商的余数作为r高一位的系数……这样逐次相除直到商为0,即得到从低位到高位

的余数序列便构也相应的r进制整数。

例：十进制转换成二进制数。

(25)产(11001)B

余数

1<一最低位

0

0

1------最高位

例：十进制转换成十六进制。

(110)D=(6E)H

16|110

16]6一E<—最低位

064-----最高位

注意：第一位余数是低位，最后一位余数是高位。

2.十进制小数转换成二进制数

卜进制小数转换成r进制数采用“逐次乘以r取整法”。“逐次乘以r取整法”：逐次用r

去乘待转换的十进制小数，将每次得到的整数部分依次记为r进制小数的小数点后的第1位,第

2位……直到小数部分为零或满足一定精度要求时便可终止转换。

例：(0.8125)0=(0.1101)

取整

1<-----最高位

1

0

1V—最低位

将十进制小数0.7转换成二进制小数，保留五位小数。

（0.7）^（0.10110）B

0.7取整

x_2

口.~41<----最高位

x2

~80

x2

&61

X2

&21

x2

殍~40<----最低位

我们发现上面算式从第五位开始循环，形成无限循环二进制小数。

3.混合型十进制转换成r进制数

对混合型十进制转换成r进制数，可先分解为整数和纯小数，按上述方法，各自转换成等

值的二进制数，然后将两个二进制数相加便得到结果。

例如，(25.8125)0=(11011.1101)B

(25.8125)产(25).(0.8125)D

=(11011)B+(0.1101)B

=(11011.1101)B

(三)非十进制数间的转换

方法一：两个非十进制数之间的转换方法是采用上述两种方法的组合，即先将被转换数转换

为相应的十进制数，然后再将卜进制数转换为其他进制数。

方法二：由于二进制、八进制和十六进制之间存在特殊关系，即8'=2:16'=2'，因此转换方

法就比较容易，如下表。

二进制八进制二进制十六进制二进制十六进制

00000000010008

00110001110019

0102001021010A

0113001131011B

1004010041100C

1015010151101D

1106011061110E

1117111171111F

①根据这种关系，二进制转换到八进制十分简单。只要将二进制数从小数点开始，整数部

分从右向左每3位一组，小数部分从左向右每3位一组，最后不足3位补零，然后根据上表即可

完成转换。

例：将二进制数转换成八进制数。

(10100101.011011101)B

=(010100101.010111010)B

=(245.272)“

例：将八进制数转换成二进制数的过程正好相反。

(36.45)o

=(011110.100101)B

=(11110.IOOIODB

②二进制同十六进制之间的转换就如同八进制同二进制之间的转换一样，只是4位一组。

例：将二进制数转换成十六进制数。

(111111100011.100101011)B

=(0001111111000111.100101011000)I)

=(1FC7.958)„

③八进制和十六进制之间的转换，可先转换成:进制。例如：

(245.272)o

=(010100101.010111010)

=(10100101.01011101)B

=(A5.5D)„

五、二进制数的算术运算

二进制数的算术运算包括加法、减法、乘法和除法。基本运算是加法和减法运算。

(一)加法

二进制的加法运算遵循下列3条法则：

①0+0=0

②0+1=1+0=1

③1+1=10(逢二进一，向高位进位)

例如，(1010)B+(101L101)B的算法如下:

1010

+)1011.101

10101.101

(二)减法

二进制的减法运算遵循下列3条法则：

①0-0=1-1=0

②1-0=1

③0-1=1(此时要向高位借位，借1当2)

例如，(11100101)B-(10011010)B的算式如下:

11100101

-)10011010.11

1001010.01

(三)乘法

:进制的乘法运算遵循下列3条法则：

①0X0=0

②1XO=OX1=O

③1X1=1

例如，(1011.01)BX(101)B的算式如下：

1011.01

x101

101101

000000

101101

111000.01

由上述乘法运算过程可知，每个部分积都取决于乘数的相应位是0还是1。若乘数的相应位

为0,则此次部分积为0；若乘数相应位为1,则此次部分积就是被乘数。部分积的数目与乘数的

位数相同，每次的部分积依次左移一位。将各部分积累加起来，就得到最终的乘积。

（四）除法

二进制的除法运算遵循下列3条法则：

①0+0=0

②04~1=0（1+0是无意义的）

③14-1=1

例如,（100100.11）（101）B的算式如下:

111.01

101~100100.11

101

1000

-）101

H0

-）101

m

-）101

10

六、二进制数的逻辑运算

在逻辑代数里，表示“真”与“假”、“是”与“否”、“有”与“无”这种具有逻辑属性

的变量称为逻辑变量。实现逻辑变量这间的运算称为逻辑运算。对二进制数的1和。赋以逻辑含

义,例如用1表示真，用。表示假，这样将二进制数与逻辑取值对应起来。由此可见，逻辑运算是

以二进制数为基础的。计算机的逻辑运算与算术运算的主要区别是：逻辑运算的操作数和结果都

是单个数位的操作，位与位之间没有进位和借位的联系。

逻辑运算包括三种基本运算：逻辑加法（逻辑“或”运算）、逻辑乘法（逻辑“与”运算）

和逻辑否定（逻辑“非”运算）。此外还有逻辑“异或”运算。

（-）逻辑加法（逻辑或运算）

逻辑加法通常用符号“+”或“U”来表示。对于逻辑变量A、B和C,它们的逻辑加运算关

系为：

A+B=C

AUB=C读成“A或B等于C”

若逻辑变量取不同的值，则逻辑加运算规则如下:

0+0=0OU0=0

0+1=1OU1=1

1+0=11UO=1

1+1=11U1=1

由上述运算规则可见，逻辑加法运算有“或”的意义。只要其中有一逻辑变量的值为1,或

两个都为1,那么逻辑加运算的结果就为1;只有当所有参加运算和逻辑运算的值都为0时，其逻

辑加法运算的结果才为0。

在日常生活中，有许多或逻辑的例子。例如，房间里有一盏电灯，为使用方便，装了两个互

相并联的开关。显然,任何一个开关接通或两个开关同时接通，电灯都亮。

（二）逻辑乘法（逻辑与运算）

逻辑乘法通常用符号“*”或“C”来表示。对于逻辑变量A、B和C,它们的逻辑乘运算关

系为：

A*B=C

AOB=CAXB=C

读成“A与B等于CM

若逻辑变量取不同的值，则逻辑乘运算规则如下：

0*0=0on0=00•0=0

0*1=1oni=i0•1=0

1*0=1ino=i1・0二0

1*1=1in1=11•1=1

由上述运算规则可见，逻辑乘法运算有“与”的意义。仅当A和B同时为1时，其逻辑乘积

才等于1,其他情况都等于0。

在日常生活中同样有许多与逻辑的例子。例如，计算机电源要想接通，只有在实验室的电源

总闸、UPS电源开关、计算机箱的电源开关同时接通才行。这些开关是串在一起的，它们按照与

逻辑接通。

（三）逻辑否定（逻辑非运算）

非逻辑通常中逻辑变量上方加一横线来表示,对于逻辑变量A和C,其运算关系为：A=C

其运算规则如下：

0=1

1=0

在日常生活中，说“灯不亮”，就是“灯灭”，因为灯只有亮和灭两个值。

第三节计算机中的数据与编码

计算机最主要的功能是处理信息，如处理数值，文字，声音，图形和图像。在计算机内部，

各种信息，必须经过数字化编码才能被传送、存储和处理。因此，掌握信息编码的概念与处理技

术是至关重要的。

一、数据单位

计算机中数据的常用单位有位、字节和字。

（一）位

计算机采用二进制，运算器运算的是二进制数，控制器发出的各种指令也表示成二进制数，

存储器中存放的数据和程序也是二进制数，在网络上进行数据通信时发送和接收的还是二进制

数。显然，在计算机内部到处都是由0和1组成的数据流。

计算机中最小的数据单位是二进制的一个数位，简称为位（英文名称bit）。计算机中最直

接、最基本的操作就是对二进制位的操作。一个二进制位可表示两种状态（0或I）,两个二进制

位可表示四种状态（00,01,10,11）,每增加一位，所能表示的信息量就增加一倍.位越多，所

表示的状态就越多。

（-）字节

为了表示人类可读形式数据中的所有字符（字母、数字以及各种专用符号，大约有128〜256

个）需要用7位或8位二进制数。因此，人们选定8位二进制数为一个字节（英文名称Byte）,

用B表示。1个字节由8个二进制位组成。一个字节对应计算机中的一个存储单元。如：一个英

文字符或一个十进制数字都在计算机存储器中占有一个字节的长度。而一个汉字字符要占用两个

字节的长度。

字节是衡量计算机存储器容量的一个重要参数。由于字节的单位太小，我们引进千字节KB、

兆字节MB和吉字节GB三个单位，它们之间的换算关系如下：

lB=8bit

1KB=21OB=1O24B

1MB=2IOKB=220B

1GB=2I0MB=22OKB=2MB«

（三）字

计算机数据处理时、一次存取、加工和传送的数据长度称为字。一个字是由若干个字节组成

的（通常取字节的整数倍）。

由于字长是计算机一次所能处理的实际位数的多少，它决定了计算机数据处理的速率，是衡

量计算机性能的一个重要标志。因而字长越长，计算机处理数据的能力也就越强，速度也就越快。

不同档次的计算机有不同的字长。按字长可以将计算机划分为8位机（如AppleH、中华学习机）、

16位机（如286机）、32位机（台386机、486机）、64位机（超级微或巨型机）。计算机的

字长是在设计计算机时规定的。

二、字符数据在计算机内的编码方法

字符编码就是规定用怎样的二进制编码来表示字母、数字以及各种专用符号。由于字符编

码涉及世界范围内有关信息的表示、交换、处理、存储等基本问题，因此，都是以国家标准或国

际标准的形式颁布施行的。

(-)十进制数编码

二进制编码的十进制数(简称二-十进制编码)是指每位十进制数用4位的二进制数码表示。

由于4位二进制可以表示16种状态，丢弃最后6种状态，而选用0000~1001来表示0~9十

个数符。

二-十进制编码方法很多，8421码是最常用的一种，它采用4位二进制数表示1位十进制数,

而4位二进制各位权由高到低分别是2:2\2\2°,即8、4、2、1。

例：卜进制数2001的84十码为0010000000000001,如下图所示:

十进制数：2001

00~lolooooloooolooo_1~

--十进制编码------------------------------------------------------------

(8421码)

位权23222'2°23222'2023222'2023222,2"

这里要注意，4位十进制数用16位二进制数并列表示，它不是一个16位的二进制数，实

质上是十进制数，运算规则和数值都是十进制的。

2001的BCD码是(0010000000000001)产2"+1=(8193)D

十进制数与BCD码的对应关系

十进制数BCD码十进制数BCD码

000001000010000

100011100010001

200101200010010

300111300010011

401001400010100

501011500010101

601101600010110

701111700010111

810001800011000

910011900011001

(~)ASCII码

ASCII码是英文AmericanStandardCodeforInformationInterchange的缩写，意为"美

国标准信息交换代码”。该编码后被国际标准组织ISO采纳，作为国际通用的信息交换标准代码。

ASCII码有7位版本和8位版本，国际上通用的是7位版本。7位版本的ASCII码是用7位

二进制表示一个字符，由于2'=128,所以共有128种不同组合，表示128个不同的字符，其中包

括：数码0-9、26个小写字母、26个大写字母以及各种运算符号、标号符号及控制字符等。

微机采用7位ASCII码作为机内码时，每个字节的8位只占用了7位，而把最左边的一位

（最高位）置为0,常用作奇偶校验位。所谓奇偶校验，是在代码传送过程中，用来检验是否出

现错误的一种方法。

至于8位ASCII码，这是使用8位二进制数进行编码，当最高位为0时，称为基本ASCII

码（编码与7位ASCII码相同），当最高位为1时，形成扩充的ASCH码，它表示数的范围为

128〜255,可表示128种字符。

要确定某个字符的ASCII码,在表中可先查到它的位置，然后确定它所在位置的相应行和列，

最后根据列确定高位码，根据行确定低位码。将高位码和低位码合在一起就该是字符的ASCH

码。

英文字母、数字的编码值分别满足各自正常的排序关系，且同一个字母的小写字符的ASCII

码比大写字符的ASCII码值大32。比如，已知大写字母D的ASCII码为68,则小写字母d的ASCII

码为68+32=100。其对应关系相当简便。

（三）汉字编码

我国用户在使用计算机进行信息处理时，一般都要用到汉字，因此必须解决汉字的输入输出

以及汉字处理等一系列问题。这里，关键问题是将汉字代码化，即对汉字进行编码。

由于汉字是象形文字，字的数目很多，常用汉字有3000〜5000个，加上汉字的形状和笔画

多少差异很大，因此，不可以用少数几个确定的符号将汉字完全表示出来，或像英文那样将汉字

拼写出来。汉字必须有它自己独特的编码，而且在一个汉字处理系统中，输入、内部处理、输出

对汉字代码的要求不尽相同，所以用的代码也不尽相同。

1.输入码

为了能直接使用西文标准键盘进行输入，必须为汉字设计直应的编码方法。

①数字编码。数字编码就是用数字串代表•个汉字的输入，常用的国标区位码。它收录了

汉字、图形符号共7445个，其中汉字6773个，按照汉字使用频度分为两级，其中一级汉字3755

个，以汉语拼音为序排列；二级汉字3008个，以偏旁部首进行排列。

国标GB23112-80中规定，全部7445个汉字及符号组成94'94的矩阵。在这个正方形的矩

阵中，每一行称为一个''区"。每一列称为一个“位”，因此共有94个区，编号为01〜94。每

区内有94个位，编号为01〜94,每一个汉字或符号都对应一个区位编号，区号在前、位号在后，

这就是区位码。一个汉字的国标码使用编码表对应的二进制值编码，用两个字节表示，每个字节

只用低七位，而最高位置为“0”。

作为汉字输入码，它特点是没有重码，4个数字可以惟一地确定一个汉字或符号，可以实现

快速录入汉字，但是每个编码都是等长的数字串，代码难以记忆。

②拼音码。拼音码是以汉语读音为基础的输入方法。由于汉字同音字太多，输入重码率很高，

因此，按拼音输入后还必须进行同音字选择，影响了输入速度。

③字形编码。字形编码是以汉字的形状确定的编码。汉字总数虽多，但都是由笔一画组成,

全部汉字的部件和笔画是有限的。因此，把汉字的笔画部件用字母或数字进行编码，按笔画书写

顺序依次输入，就能表示一个汉字，五笔字形、表形码等便是这种编码。五笔字形编码是最有影

响的编码方法。

2.内部码

汉字内部码是汉字在机器内部存储、运算的信息代码。汉字数量多，用一个字节无法区分，

一般用两个字节来存放汉字的内码。现在我国的汉字信息系统一般都采用与ASCII码相容的8

位码方案，用两个8位码字符构成一个汉字内部码。另外，汉字字符必须和英文字符能相互区

别开，以免造成混淆，英文字符的机内代码是7位ASCH码，只用了一个字节的低7位，最高位

为“0”，汉字机内代码中两个字节的最高位均为“1”，用作汉字标记。

3.字形码

汉字的字形码是汉字字库中存储的汉字字形的数字化信息，用于汉字的显示和打印。目前汉

字大多以点阵方式形成汉字，因此，汉字字形码主耍是指汉字字形点阵的代码。

根据输出汉字的要求不同，点阵的多少也不同，简易型汉字为16X16点阵，提高型汉字为

24X24点阵、32X32点阵、48X48点阵、64X64点阵、96X96点阵、128X128点阵、256X256

点阵等。

一个汉字块中行数、列数分得越多，描绘的汉字也越细微，但占用的存储、空间也就越多。

汉字字形点阵中每个点的信息要用一位二进制码来表示。对于16X16点阵的字形码，一个汉字

字模图形有16行，每行有16个像素。16个像素用2个字节来存储，16行就需要32个字节来存

储。国标码中收录的6773个汉字就需要6773X32B=216736BQ2U.66KB。因此，字模点阵只能

用来构成“字库”，而不能用于机内存储。字库中存储了每个汉字的点阵代码，当需要输出汉字

时，计算机便根据汉字的机内码从汉字库中取出相应的汉字点阵图形。

三、数值数据在计算机内的编码方法

（-）真值数与机器数

在计算机中，因为只有“0”和“1”两种形式，所以数的正、负号也必须以“0”和“1”表

示。通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正、1表示负，称为数符。其余位仍表示数

值。

机器数：在计算机内部，数字和符号都用二进制位代码表示，两者合在一起构成机内表示形

式，称为机器数。

真值：机器数真正表示的数值称为这个机器数的真值。

例：一个数的真值为+90,在机器中用8位二进制表示，其格式为:

01011010

f符号位，“0”表示正

一个数的真值为-89,而用8位二进制表示，其格式为：

l|l|o|l|l|o|o|l

t符号位，“1”表示正

要注意的是，机器数表示的范围受到字长和数据类型的限制。字长和数据类型定了，机器

数能表示的数值也就定了。例如，使用8位字长的计算机，它可以表示无符号整数的最大值是

o运算时，若数据超出机器数所能表示的范围，就会停止运算和处理，这种现象称为溢出。

(-)定点数与浮点数

在计算机中运算的数，有整数，也有小数，如何确定小数位置呢？通常有两种约定：一种是

规定小数点的位置固定不变，这时的机器数称为定点数。另一种是小数点的位置是可以浮动的，

这时的机器数称浮点数。微机多使用定点数。

1.定点小数

定点小数是指小数点准确固定在数据某一个位置上的小数(小数点不占二进制位)，一般把小

数点固定在最高数据位的左边，小数点前边再设一位符号位。按此规则，任何一个小数都可以写

成：

表示符号位

即在计算机中用m+1个二进制位表示一个小数，最高一个二进制位表示符号，后面用m个二

进制位表示该小数的数值。小数点不用明确表示出来，因为它总是定在符号位与最高位之间。

例：假定机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，于是机器数

1000000000000001

・小数点

其等效的十进制数为-2"

对用m+1个一进制位表示的小数来说，其值的范围:

INIW1-2-

2.定点整数

定点整数是指小数点固定在二进制数的最后面（小数点不占二进制位），这时数据字就表示

一个纯整数。整数分为带符号和不带符号两类。

对带符号的整数，符号位放在最高位，可以写成：

助:符号位

例：假定机器字长为16位，符号位占1位，数值部分占15位，于是机器数

1111111111111111

・小数点

其等效的十进制数为+32767

对于用n+1位二进制位表示的带符号整数，其值的范围为：|N|W2"T

对不带符号的整数，所有的n+1个二进制位均看成数值，此时数值表示范围为：

0WNW

3.浮点数

在数的定点表示法中，由于数的表示范围较窄，常常不能满足各种数值问题的需要。为了扩

大数的表示范围，方便用户使用，就要采用浮点表示法。在同样字长的情况下，浮点表示法能表

示的数的范围就扩大了。

计算机中的浮点表示法包括两个部分：一部分是阶码（表示指数，记作E）。另一部分是尾

数（表示有效数字，记作M）。设任意一数N,可以表示为：N=2EXM

浮点数在机器中的表示方法如下：

阶符E数符M

阶码部分•尾数部分

阶码只能是一个带符号的整数，它用来表示尾数中的小数点应当向左或向右移动的位数，阶

码本身的小数点约定在阶码最右面。尾数表示数值的有效数字，其本身的小数点约定在数符和尾

数之间。在浮点数表示中，数符和阶符都各占一位，阶码的位数随数值表示的范围而定，尾数的

位数由该数的精度要求而定。

例：设尾数为4位，阶码为2位，则二进制数N=2"X1011的浮点数表示形式为：

01101011

阶符阶码数符尾数

应当注意：浮点数的正、负是由尾数的数符确定，而阶码的正、负只决定小数点的位置，

即决定浮点数的绝对值大小。

（三）原码、补码和反码

机器数中，数值和符号全部数字化。计算机在进行数值运算时，采用把各种符号位和数值

位一起编码的方法。为了运算方便（把减法变为加法0,计算机中的机器数有3种表示法：原码、

补码和反码。

1.原码表示法

正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，数值一般用二进制形式表示，这种机器数

的表示法就称为原码。设有一数为X,则原码表示记作[X]如

例：XF+1010110,则[X」Mi=[+1010110]版=01010110

X2=-1001010,则Dth=[-1001010],=11001010

在原码表示法中，对0有两种表示形式：

[+0]»=00000000

[-0]»=10000000

2.反码表示法

机器数的反码可由原码得到。如果机器数是正数，则该机器数的反码与原码一样。如果机器

数是负数，则该机器数的反码是对它的原码（符号位除外）各位取反而得到的。设有一数为X,

则反码表示记作[Xk.

例：XF+1010110,则[XJXOIOIOUO

[X>]K=[X,]B,=01010110

x2=-iooioio,looioio

[X」反=10110101

在反码表示法中，对-0有两种表示形式：

[+0]反=00000000

[-0].=11111111

3.补码

在日常生活中人们早就选用补数的概念了，我们以钟表对时为例说明补码的概念。假设现在

的标准时间为4点，而有一只表却已是7点了，为了校准时间，可以将时针退3格，也可以将

时针向前拨9格，都能对准到4点。由此看出，减3和加9是等价的。我们把+9称作-3对12

的补码。可以表为〈为-3三+9（mod）12

mod12的意思就是以12为模，这个模表示可以丢掉的数值。本例中7-3和7+9（mod）12

等价，原因中表指针超过12时;将12自动丢掉，最后才得到16-12=4。从这里可以得到一个

启示。负数用补码表示时，可以把减法转化成加法。

机器数的补码可由原码或反码得到。如果机器数是正数，则该机器数的补码与原码、反码

一样。如果机器数是负数，则该机器数的补码等于它的反码加1。设有一数为X,则补码表示记

作DCU

假设计算机可以表示的数据为n位，如果n位数全为1,且在最低位再加1这样就出现了

n+1位，此时模数的值超过了机器所能表示的范围，将被自动丢掉。

例：XF+1010110,则[XJ肝01010110

[XJ"=[XI]R=[XJ反=01010110

X2=-1001010,则[X」反=10110101

[Xj^EXils+^lOl10101+1=10110110

在补码表示法中，对0只有一种表示形式：

[+0]H=00000000

[-0]U=[-0]E+l=l1111111+1=00000000（由于受设备字长限制，最后进位丢失）

即[+0]产[-0]200000000

运算规则：[[X]房产[X|]K

[X+Y]tt=[X]tt+[Y]*

[X-Y]H=[X]"+[-Y]K（负数用补码表示时，可以把减法转换为加法）

例：X=64-10

[X产[64]K+[-10]

[64]»=(01000000)；(11110110)

[+10](01110110)

[TO]产(11110110)

于是，做减法做加法

0100000001000000

-00001010+11110110

00110110[1100110110

t自然丢失

第四节计算机系统的组成

、计算机系统组成

一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

(一)硬件(hardware)

硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备。具体地说，硬件系统由运算器、控

制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆

部件。