基础-01-计算机与信息技术基础

第1章计算机与信息技术基础1.1计算机的发展和应用领域概述1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同数制之间的转换1.5基于计算机的信息处理1.1.1计算机的发展

一、电子计算机的产生

1946年2月，电子数字积分器和计算器ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功，并被称为世界上第一台电子数字计算机。

冯．诺依曼在EDVAC中采用了二进制数，并创立了“存储程序式”的设计思想，EDVAC也被认为是现代计算机的原型。直到由英国剑桥大学威尔克斯（M.V.Wilkes）领导设计的EDSAC于1949年5月投入运行，存储程序计算机才被首次实现。定义：“计算机”是一种高速的、存储程序并能自动运行的电子设备。1.1计算机的发展和应用领域概述二、电子计算机的发展

第一代计算机（1946年～1959年）：逻辑元件采用电子管，第二代计算机（1960年～1964年）：逻辑元件采用晶体管第三代计算机（1965年～1969年）：逻辑元件采用集成电路IC第四代计算机（1970年至今）：采用了超大规模集成电路VLSI

新一代计算机FGCS：即未来计算机的目标是使其具有智能特性，具有知识表达和推理能力，能模拟人的分析、决策、计划和其他智能活动。

三、微型计算机的发展

微型计算机的升级换代主要有两个标志：微处理器的更新和系统组成的变革。第一代（1971～1973年）是低档的4位和8位微机。第二代（1973～1978年）以8位微机为主。第三代（1978～1981年）主要是16位微机。第四代（1981～至今）已经从32位微机为主流机型发展到了将以64位微机为主的时代。四、微型机和大型机用起来有什么不同？传统上，计算机根据其技术、功能、体积大小、价格和性能分为四类：微型，小型，大型及巨型，。但是这些分类随着技术的发展而变化。不同种类计算机之间的分界线非常模糊，随着更多高性能计算机的出现，它们之间相互渗透。因为每种计算机的特性随着技术发展而变化和相互渗透，很难将一台具体的计算机归为某类，除非你具有当今计算机的专业知识。所以，如果你要将一台具体计算机归类，就要查看其销售资料来了解其厂商如何给其归类。1.微型计算机微型计算机也称为个人计算机（PC），是家庭和小型企业中最常见的。一台微型计算机通常价格在5000元左右，其CPU可以每秒钟执行2亿次操作。你看到的微型计算机可能独立存在，也可能与其他计算机相连（因此你可以与其他用户共享数据和软件）。但是，即使你的计算机与其他计算机相连，它通常也只处理一个用户的任务。CPU主板网卡显卡电源硬盘软驱CPU风扇光驱内存2.小型机小型机比微型机稍大并可以为多个用户执行任务。如果使用小型机系统，你将使用终端来输入处理请求并观察结果。终端是一种具有用于输入和输出的键盘和屏幕，但不能用于处理的设备。虽然终端具有键盘和屏幕很像微机，但是终端本身并不具有任何处理能力。当输入处理请求时，终端将其传向小型机。小型机待处理完成后将结果返回到终端。图1-4中的小型机系统是相当典型的小型机。终端作为每个用户主要的输入和输出设备。终端具有键盘作为输入，屏幕作为输出，小型机系统一般能帮助中小型企业完成特定的任务，如记帐、付款和销售。例如，皇家加勒比游船公司就使用小型机来记录旅客的订票情况.3.大型机大型机体积庞大、速度快并且非常昂贵，一般用于为企业或政府的大量数据提供集中的存储、处理和管理。与小型机相比，一台大型机也为多用户执行处理任务，并且这些用户通过终端输入处理请求。但是，大型机比小型机一般能处理更多用户的任务。大型机一般作为在必须要求高可靠性、高数据安全性和中心控制等情况下的候选。大型机系统的价格一般在几十万美元左右。一台大型机放在与衣柜一般大小的机柜中(如图)，其外围设备放在单独的机柜中。使用大型机时，处理请求从终端传送到计算机中。同时，其他用户可能也在传送请求。计算机轮流处理每个请求，并将结果传送回来。大型机快速地服务用户请求。即使有200多人递交处理请求，计算机的响应速度也使你感觉就像只有自己一个用户一样。巨型机是最快和最贵的一类计算机。最初，巨型机主要用于大型计算任务，如天气预报、分子模型和密码破译。当前的巨型机还扩张到商用市场，在这里如果采用传统的大型机，对于非常巨大的数据量将产生很长的处理延迟。例如，MCI公司使用巨型机技术来管理大量客户数据。曾经需要两个多小时的查询，在巨型机中只需要一分钟左右。巨型机的速度可以达到每秒万亿次，可以完成复杂的任务，如为龙卷风中数千个颗粒的运动建模或产生逼真的仿真。4.巨型机五、值得注意的发展趋势1．巨型化2．微型化3．网络化4．智能化5.多媒体１.１.２计算机的应用领域

1.科学计算2.信息处理3.实时过程控制4.计算机辅助工程5.办公自动化6.数据通信7.智能应用科学计算

科学计算，即数值计算，是计算机应用的一个重要领域。计算机的发明和发展首先是为了高速完成科学研究和工程设计中大量复杂的数学计算，没有计算机，许多科学研究和工程设计，例如天气预报和石油勘探，将是无法进行的。信息处理

信息是各类数据的总称。数据是用于表示信息的数字、字母、符号的有序组合，可以通过声、光、电、磁、纸张等各种物理介质进行传送和存储。信息处理一般泛指非数值方面的计算，如各类资料的管理、查询、统计等。实时过程控制

实时控制在国防建设和工业生产都有着广泛的应用。例如由雷达和导弹发射器组成的防空控制系统、地铁指挥控制系统、自动化生产线等，都需要在计算机控制下运行。计算机辅助工程计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）计算机辅助制造CAM（ComputerAidedManufacture）计算机辅助教学CAI（ComputerAssistedInstruction）CAx办公自动化

办公自动化OA（OfficeAutomation）指用计算机帮助办公室人员处理日常工作。例如，用计算机进行文字处理、文档管理、资料、图像、声音处理和网络通讯等。它既属于信息处理的范围，又是目前计算机应用的一个较独立的领域。数据通信“信息高速公路”主要是利用通信卫星群和光导纤维构成的计算机网络，实现信息双向交流，同时利用多媒体技术扩大计算机的应用范围。利用计算机把整个地球网络起来，使“地球村”成为现实。智能应用

有如对奕、语言翻译等的一类工作，既不同于单纯的科学计算，又不同于一般的数据处理，它不但要求具备高的运算速度，还要求具备对已有的数据（经验、原则等）进行逻辑推理和总结的功能（即对知识的学习和积累功能），并能利用已有的经验和逻辑规则对当前事件进行逻辑推理和判断。对此，我们称为人工智能。具有人工智能是新一代计算机的标志之一。1．2．1冯.诺依曼计算机简介①基本特征②基本部件③工作过程1．2．2现代计算机系统的构成一、软件系统（可分为系统软件和应用软件两大部分）计算机软件决定了一台计算机能做什么１．计算机指令与程序２．程序设计语言

３．系统软件和应用软件

二、硬件系统1．2计算机系统的基本构成冯.诺依曼计算机的基本特征

1.采用二进制数表示程序和数据2.能存储程序和数据，并能自动控制程序的执行

3.具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部分

计算机中的各种信息均采用了二进制的表示形式。二进制数的记数规则是“逢二进一”，它的每位只有“0”和“1”两个状态，。例如计算：“1+1+1+1+1”＝“101”

在计算机中把８位（bit）二进制数称为一字节（Byte），简记为“B”。若不加说明时，本书所写的“位”就是指二进制位。

1024B＝1KB，1024KB＝1MB，

1024MB＝1GB，1024GB＝1TB。二进制数冯.诺依曼计算机的基本部件

运算器（ArithmeticLogicUnit，简记为ALU）的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件，运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）；控制器（Controller）是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号存储器（Memory）用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果）输入设备（Inputeequipment）用来输入程序和数据；输出设备（Outputequipment）用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。其中：运算器和控制器在一起称：CPU

运算器、控制器和存储器（内存）在一起称：主机输入、输出设备在一起称：外设

计算机工作时，操作人员首先通过输入设备将程序和数据送入到存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果要送到输出设备输出。冯.诺依曼计算机工作过程

3+23+2+3和2555+加动作计算机系统硬件系统软件系统主机外设系统软件：如Windows,Linux应用软件:学籍管理系统、工资管理，小游戏等。CPU存储器（内存）控制器运算器输出设备输入设备现代计算机系统的构成计算机指令与程序指令：使微处理器完成指定操作的命令。程序：为解决某一问题而编制的指令的有序序列。指令码：表示指令的代码。指令系统：处理器所能执行的所有指令的集合。指令1指令2指令3指令n开始结束程序程序设计语言程序设计语言：就是程序设计时所允许使用的一系列符号和规则。机器语言由机器指令组成，由机器语言编制的程序只能在特定的计算机上运行，没有通用性，称其为低级语言。汇编语言是为了解决机器语言不直观、阅读记忆困难而设计的一种符号语言，即为每条机器指令给出一个助记符号，并用符号与数字表示操作中要用的数。高级语言由各种不同含义的“关键字”和“表达式”按一定的语言规则组成，脱离了具体的机器指令系统，它有较好的通用性，在不同的计算机上配备同一高级语言的编译程序或解释程序，就能运行同一种高级语言编制的程序。将高级语言转换成机器语言的方法有两种：编译、解释

计算机的软件分为：系统软件和应用软件系统软件处理内部的计算机功能，协助计算机使用外围设备，它是为使用者能方便地使用、维护、管理计算机而编制的程序的集合，它与计算机硬件相配套，也称之为软设备。但它却并没有把计算机转换成可以写报告、处理数据、学习打字或绘制图形等各种用途的机器。

1.操作系统：Windows,UNIX,Linux,DOS等

2.语言处理程序：C,PASCAL,VisualBasic等

3.实用程序：诊断程序，排错程序等应用软件使计算机成为多用途的机器，完成许多不同的工作。主要面向各种专业应用和某一特定问题的解决，一般指操作者在各自的专业领域中为解决各类实际问题而编制的程序。协助你使用计算机完成一项特定工作的软件归类于应用软件。应用软件帮你产生文档、完成计算、管理金融资源、生成图片、创作乐曲、维护文件或信息等等。应用软件包有时也简单地称为应用。1.通用应用软件：办公软件包，数据库管理系统，实时控制软件等。2.专用应用软件：如各企业的管理信息系统等。计算机硬件操作系统应用软件用户硬件系统

在微机中，主机板（母板）由微处理器（简记为MPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、总线电路和基板组成，其上安装了基本硬件系统，形成了主机部分。其它的外部设备均通过相应的接口电路和主机总线相连。微型计算机的硬件系统结构示意图总线根据传输信息的性质分类：

1.数据总线：DataBus

2.地址总线：AddressBus

3.控制总线：ControlBus1.3计算机的部件1.3.1微处理器产品简介

1.3.2存储器的组织结构和产品分类

一、存储器的组织结构

二、主存储器

三、辅助存储器

1.3.3常用总线标准和主板产品

1.3.4常用的输入输出设备

主存储器（Memory）

存储器辅助存储器(Storage）高速缓冲存储器（Cache）存储器的组织结构

主存储器

主存储器又称内存，CPU可以直接访问它，其容量一般为8～256MB,主要存放将要运行的程序和数据。微机的主存采用半导体存储器。半导体存储器按功能可分为:

静态存储器SRAM

随机存取存储器RAM

动态存储器DRAM

只读存储器ROM(PROM,EPPROM,EEPROM)RAM:1.可读可写2.一旦电源断电，里面的信息将全部丢失ROM：1.只读2.断电后，信息不会丢失辅助存储器

辅助存储器属外部设备，又称为外存，常用的有磁盘、光盘、磁带等。主要用来存放后备程序、数据和各种软件资源。磁盘分为软磁盘和硬磁盘两种（简称软盘和硬盘）。软盘

在磁盘使用前要先进行初级格式化操作（目前基本上由生产厂家完成），即在磁盘上用磁信号划分出如图所示的若干个有编号的磁道和扇区，以便计算机通过磁道号和扇区号直接寻找到要写数据的位置或要读取的数据。计算机每次要读完或写完一个扇区的内容。有一个小灯显示软盘驱动器是否正在使用，此灯警告你在灯灭之前不要取走软盘（1.44M）；

CD-ROM驱动器是使用激光技术读取CD-ROM中数据的外存设备（680M）。大多数CD-ROM只包含你购买时所带的信息，不能增加或修改其中的内容。2面*90磁道*16扇区*512B≈1.44M硬盘驱动器硬盘驱动器可以在一个不可拆卸的磁盘中存放几十个GB的字符。硬盘驱动器安装在系统单元中，有一个外部指示灯指示硬盘驱动器是否在用。外存介质是为计算机数据提供永久性存储的物理材料。1.3.3常用总线标准和主板产品

通用微机系统中常用的总线标准有ISA、EISA、VESA、PCI等:１．ISA(IndustrialStandardArchitecture)总线２．EISA(ExtendISA)总线３．VESA(也称VL--BUS)总线４．PCI(PeripheralControllerInterface)总线常用的输入输出设备

一、键盘

二、显示器三、鼠标器

四、打印机

五、标准并行和串行接口

1.4数制及不同数制之间的转换1.4.1进位计数制

十进制（Decimal）二进制（Binary）八进制（Octal）十六进制（Hexadecimal）任意的K进制

1.4.2不同数制之间的相互转换

1.4.3二进制数的算术运算

进位计数制进位计数制：按进位的方法进行计数。基数：某种进位计数制所使用数码的个数。位权：计算每个“数码”在所在位上代表的数值时所乘的常数。它是一个指数，以“基数”为“底”，其幂是数位的“序号”.序号为以小数点为界，其左边的数位序号为0，向左每进一位序号加一，先后向右每走一位序号减一。十进制（Decimal）

例：数5678.4可表示为：5678.4＝5×103＋6×102＋7×101＋8×100+4×10-1

二进制（Binary）二进制有两个特点：数码仅采用“0”和“1”，所以基数是2；相邻两位之间为“逢二进一”或“借一当二”的关系。例：数1100.1可表示为：

1100.1＝1×23＋1×22＋0×21＋0×20+1×2-1

八进制（Octal）

八进制用的数码共有8个，0～7，则基数是8；相邻两位之间为“逢八进一”和“借一当八”的关系，例：八进制数1537.6可表示为：

1537.6＝1×83＋5×82＋3×81＋7×80+7×8-1

十六进制（Hexadecimal）

十六进制用的数码共有16个，除了0～9外又增加了6个字母符号A、B、C、D、E、F，分别对应了10、11、12、13、14、15。其基数是16，相邻两位之间为“逢十六进一”和“借一当十六”的关系。例：数3AC7.D可表示为：

3AC7.D＝3×163＋10×162＋12×161＋7×160+13×16-1

任意的K进制K进制用的数码共有K个，其基数是K，相邻两位之间为“逢K进一”和“借一当K”的关系。该表达式就是数的一般展开表达式：

nD=∑AkNk

其中：N为基数，Ak为第K位上的

k=-m数码，Nk为第K位上的位权

不同数制之间的相互转换二进制数、八进制数、十六进制数转换成十进制数

方法：按位权展开十进制数转换成二进制数

方法：整数部分连续除以二，直到商数为零，逆向取余

小数部分连续乘二，直到小数部分为零或已得到足够的整数位，正向取整。十进制数转换成八进制数和十六进制数八进制数与二进制数的转换

方法：将每一位八进制数用3位二进制数代替十六进制数与二进制数的转换方法：将每一位十六进制数用4位二进制数代替八进制和十六进制转化为二进制每一个八进制数对应二进制的三位。每一个十六进制数对应二进制的四位。(2C1D)H=(0010

1100

0001

1101)B(64)H=(0110

0100)B2C1D64(7123)O=(111

001

010

011)B(144)O=(001

100

100)B

71231444、二进制转化成八进制和十六进制整数部分：从右向左进行分组。小数部分：从左向右进行分组。转化成八进制时三位一组。转化成十六进制时四位一组，不足补零。(11

0110

1111.1101

01)B=(36F.D4)H36FD4(1

101

101

110.110

101)B=(1556.65)O155665后边补两个零，变成0100二进制数的算术运算二进制数的加法运算

规则：0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=0（向高位进1）

1001被加数

+1011加数

10101和二进制数的减法运算规则：0-0=0；1-0=1；1-1=0；0-1=1（向高位借1）

1010–01110011二进制数的乘法运算规则：0*0=0；0*1=0；1*0=0；1*1=11.5基于计算机的信息处理1.5.1数值信息的表示1.5.2非数值数据的编码数的定点和浮点表示定点数小数点位置固定的数据定点纯整数小数点固定在数的最低位之后

11001010.0定点纯小数小数点固定在符号位之后，最高数值位之前

0.10110101浮点数小数点位置浮动的数据一个任意二进制数N都可表示为：

N=2j*S尾数阶码计算机中数的浮点表示数的浮点表示形式：阶码和尾数在IBMPC系列微机中阶码：采用补码表示的定点纯整数，占一个字节，阶符占一位。

尾数：采用补码表示的定点纯小数，占三个字节，数符占一位。浮点数：110.001=1.10011×2+10=11001.1×2-10=0.110011×2+11N=数符×尾数×2阶符×阶码尾数的位数决定数的精度。阶码的位数决定数的范围。将十进制数转换为浮点数格式的步骤：

1、将十进制数转换为等价的二进制数

2、将二进制数转换为定点小数的表示格式

3、用“阶符+阶码+数符+尾数”的形式表示00000011011001100000000000000000数的编码表示原码在计算机中，用“0”表示正号，用“1”表示负号反码对于正数：与原码同形对于负数：符号位保持不变，其他位按位求反补码（作加减法时用）对于正数：与原码同形对于负数：先求反码，再在最低位加“1”

机器数的表示

机器数：一个数及其符号在机器中的数值化表示。真值：机器数所代表的数。假定一个数在机器中占用8位。

(1)原码

+7:00000111+0:00000000-7:10000111-0:10000000(2)反码

+7:00000111+0:00000000-7:11111000-0:11111111(3)补码

+7:00000111+0:00000000-7:11111001-0:00000000补码运算举例补码运算规则

[X]补+[Y]补=[X+Y]补

25-36=-11[25]补=00011001[-36]补