第一章计算机基础知识

大学计算机基础教育科学“十一五”国家规划课题成果教材《大学计算机基础》高等教育出版社第一章计算机基础知识计算机发展简介计算机系统简介计算机中的数制计算机信息编码本章主要内容电子计算机（computer),简称计算机，是用电子技术代替了机械和继电器技术，具有高速计算、内部存储、由程序控制其工作过程的电子设备。

1.1计算机发展简介1.什么是电子计算机？1946年2月14日，在美国宾西法尼亚大学研制出了世界上第一台电子数字计算机ENIAC。ENIAC的诞生，标志着人类进入了电子数字计算机时代。第一台电子计算机的诞生主要器件：电子管占地面积：170平方米耗电功率：150KW计算速度：5000次/秒加减法整机重量：30余吨主要用途：弹道计算

ENIAC计算机

杰出的计算机创始人是英国科学家图灵和美籍匈牙利科学家冯•诺依曼。图灵建立了电子数字计算机的理论模型，冯•诺依曼确立了电子数字计算机的基本结构。冯·诺伊曼和美国控制论专家维纳合作，成功地研制出世界上第一台电子计算机，这台计算机的结构体系在计算机发展中一直占据非常重要的地位。电子计算机的发展计算机的发展随着电子器件的发展而发展，计算机的性能逐步提高，体积逐渐缩小，功能不断增强，应用越来越广泛。人们根据计算机所使用的主要电子器件，把计算机的发展分为四个阶段，这四个阶段研制的计算机也被称为计算机发展的四代。主要器件：电子管主存储器：延迟线和磁鼓辅助存储器：纸带、卡片和磁鼓速度：几千～几万次/秒软件：机器语言和汇编语言用途：科学计算、军事研究第一代电子管计算机（1946-1957年）电子管主要器件：晶体管主存储器：磁芯辅助存储器：磁带、磁盘。速度：几十万次/秒～百万次/秒。软件：高级语言程序（FORTRAN语言）、汇编语言程序及操作系统出现。用途：科学计算、过程控制、数据处理和事物处理。

第二代晶体管计算机（1958-1963年）晶体管主要器件：集成电路主存储器：半导体存储器辅助存储器：磁带、磁盘速度：几百万次/秒～几千万次/秒。软件和外部设备：高级语言程序及操作系统进一步发展和完善，外部设备增加。用途：科学计算、数据处理、远程终端联机系统和工业控制各个领域。第三代集成电路计算机(1964-1971年)集成电路主要器件：大规模、超大规模集成电路。主存储器：半导体辅助存储器：磁盘、光盘。速度：几百万次/秒～数万亿次/秒。软件：高级语言、数据库、语言处理程序、操作系统、各类软件。用途：科学计算、过程控制、数据处理、计算机网络与分布式处理、软件工程、人工智能、应用到各个领域。第四代大规模、超大规模集成电路(1972年-现在)超大规模集成电路（1）巨型化巨型机是指运算速度快、数据处理能力强，存储容量大、功能强大、性能可靠的计算机。例如,美国“Star-100”、我国的“银河”、“曙光”等巨型机。现代巨型机已达到数万亿次每秒的运算速度。（2）微型化人们致力于研制集成度越来越高、体积越来越小、功能越来越强、可靠性越来越高、价格越来越便宜、适用范围越来越广的微型计算机系统。计算机的发展趋势（3）网络化网络化是指利用通信介质和通信设备将分布在不同地理位置的计算机系统及计算机网络相互联接起来，实现计算机资源共享和相互通信。（4）智能化智能化是指使计算机模拟人的思维活动，利用计算机的“记忆”和“逻辑判断”能力，识别文字、图像和翻译各种语言。使其具有思考、推理、联想和证明等学习和创造的功能，真正能替代人的部分思维活动和脑力劳动的电脑。运算速度快运算精度高具有记忆和逻辑判断能力具有存储和自动执行程序的能力通用性强计算机的特点科学研究和科学计算信息处理自动控制计算机辅助系统计算机网络通信娱乐

计算机的应用领域计算机根据运算速度、存储能力、功能强弱、配套设备以及软件系统的丰富成度等因素进行分类。按计算机的规模和数据处理能力可为：巨型机小巨型机大型机小型机微型机笔记本电脑和掌上电脑等计算机的分类(1)字长字长是指计算机一次能直接处理二进制数的位数，它是计算机的一个重要技术性能指标。字长位数多少，决定了计算机的计算精度、寻址速度和处理能力。字长位数越多，运算能力越强，精度越高。计算机系统的主要技术指标(2)运算速度运算速度是指计算机每秒钟内执行指令的数目，单位用MIPS(MillionofInstructionsPerSecond，百万条指令／秒)表示。巨型机的速度已达到每秒几千亿次至万亿次。

(3)内存主存储器简称内存。内存中能存储信息的总字节数称作内存容量。8位(bit)二进制数组成一个字节，用Byte表示（简写为B）。主存储器的容量越大，存储的数据和程序就越多，能运行的软件功能就越丰富，处理能力就越强，处理速度也越快。存储容量单位是：B（字节）、KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）。存储容量的单位之间的换算关系如下：1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B

(4)主频主频是指CPU的时钟频率，即CPU在单位时间（秒）内平均“操作”的次数。英文全称：CPUClockSpeed在很大程度上决定着计算机的运行速度。例如，因特尔的PentiumⅣCPU的主频有2GHz、2.4GHz，AMD的Athlonx2主频为2.2GHz等。主频的单位是兆赫兹(Hz)。(5)外设配置外设是指计算机的输入／输出设备以及外存储器。不同用途计算机的外设配置是不同的,外设要根据其用途进行合理配置。常用输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和数码照相机等。常用输出设备有:显示器、打印机、绘图仪和音箱等。除了以上几个指标外，微型计算机经常还要考虑以下几个方面：1）机器的兼容性。2）系统的可靠性。

3）性能／价格比。JohnvonNeumann冯

诺依曼计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼于1946年首先提出的。主要特点是：采用二进制数表示数据和指令采用存储程序方式计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部分组成。1.2计算机的系统组成基本工作原理计算机硬件系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机的经典结构——冯·诺依曼结构，即采用总线结构将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件连接起来。其中，运算器和控制器构成了计算机的核心部件——中央处理器（CenterProcessUnit，简称CPU）。计算机硬件系统数据流控制流（1）运算器：运算器也称算术逻辑单元(ALU，ArithmeticandLogicUnit)，是进行算术运算和逻辑运算的部件。（2）控制器：控制器是计算机的神经中枢和指挥中心。其功能是控制计算机各部件协调工作，使计算机自动地执行程序。（3）存储器：存储器是存放数据和程序的记忆装。置，是计算机中各种信息存储和交流的场所。存储器通常分为内部存储器（简称内存储器、内存）和外部存储器（简称外存储器、外存）两大类。（4）输入设备：输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序。（5）输出设备：输出设备用于将计算机处理得到的过程数据和结果数据转变为人们能够接受的形式。

计算机硬件系统各部分功能指令和指令系统

指令：指令是人指挥计算机完成一个基本操作的命令，是能被计算机识别并执行的二进制代码。它规定了计算机能完成的某一基本操作,并由计算机硬件来执行。

指令执行过程冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加1。计算机工作流程

计算机系统键盘(输入设备)鼠标(输入设备)主机箱显示器

(输出设备)音箱

(输出设备)微型计算机硬件组成主机箱主机箱是计算机的主体部分，主机箱内有稳压电源、主板、硬盘，以及插在主板上的CPU、内存条、各种接口卡，主机箱的前面和后面有各种接（插）口。并行口连接扫描仪、打印机等主机箱后部接口串行口连接鼠标、扫描仪等USB接口网络接口主板硬盘光驱主机箱主板CPU内存条声卡输入设备输入设备是用户把各种信息和指令传送给计算机的装置。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。扫描仪鼠标键盘光笔

输出设备是用来把计算机处理的各种信息以人们能看到或听到的形式表现（显示、打印、播放）出来，或者以电压、电流以及其它形式传递出来。输出设备显示器打印机音箱

外存储器又称作辅助存储器，用以大数据量存储。其特点是成本低，保存时间长。常用的外存储器有硬盘、光盘、U盘等。外存储器硬盘光盘

U盘软件系统是为运行、管理、维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。软件的分类：按照软件的作用及其在计算机系统中地位，软件分为系统软件和应用软件。计算机的软件系统软件分类操作系统（OperatingSystem，OS）的概念操作系统是计算机中用来控制和管理系统中的硬件资源和软件资源并且提供用户支持的程序以及与之有关的各种文档。它是整个计算机系统的管理指挥中心，主要功能对CPU、内存以及各种设备的运行管理，中断（Interrupt）的处理，任务的协调与管理，提供用户操作界面并且完成用户的各种操作指令等。操作系统的作用操作系统是界于用户和计算机硬件之间的操作平台，只有通过操作系统才能使用户在不必了解计算机系统内部结构的情况下正确使用计算机。所有的应用软件和其他的系统软件都是在操作系统下运行的。主流操作系统目前在微机上运行的操作系统主要有MS-DOS、Windows、Unix、Linux、OS/2等。操作系统

程序设计语言分类

1）机器语言机器语言（Machinelanguage）是一种面向计算机的程序设计语言，用它所设计的程序是一系列的指令。机器语言作为面向机器的语言，机器语言程序的可移植性较差。

2）汇编语言汇编语言（Assemblylanguage）是一种接近机器语言的符号语言。目前汇编语言在实时控制等方面的编程中仍有不少应用。

3）高级语言高级语言（High-levellanguage）是一种完全符号化的语言，其中采用自然语言（英语）中的词汇和语法习惯，容易为人们理解和掌握；它完全独立于具体的计算机，具有很强的可移植性。目前流行的语言有C/C++、VB、Java、Delphi等。语言编译程序数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）是在计算机应用于生产经营活动的过程中逐渐发展起来的。数据库管理系统以数据库的方式组织和管理数据，通过DBMS实现数据的整理加工、存储、检索和更新等日常管理工作。DBMS的功能包括：对数据库的建立与维护功能；对数据库中的数据进行排序、检索和统计的功能；数据或查询结果的输出功能；方便的编程功能。另外，还应具有数据的安全性、完整性以及并发控制等。目前常用的数据库管理系统有Oracle、Sybase、VisualFoxPro，Microsoft公司的Office2000中的Access2000也是常用的数据库管理程序。

数据库管理系统应用软件的各类繁多，以下列举几类常用的应用软件：文字处理软件文字处理软件是一种专门用于各种文字处理的应用软件。目前国内流行的文字处理软件中较著名的有WPS、Word等。图形及图像处理软件图形图像处理软件应该属于计算机辅助设计软件之类，它是在计算机的帮助下，人机共同作用完成处理过程的。目前此类软件很多，比较常用的有：3DSMax、Photoshop等。其他专用软件用于输入、存储、修改、检索、报表制作等各种信息管理的软件，如财务管理系统、仓库管理系统、人事档案管理系统、设备管理系统、计划管理系统等。应用软件计算机的基本功能是进行数据的计算和处理。存储在计算机中的字母、符号、图形、声音都是用二进制数编码表示的.在计算机中数据为什么要采用二进制数表示?（1）容易实现。数在机器中都是以器件的物理状态来表示的。例如可用电子器件的截止和饱和两个稳态即高电平和低电平表示。（2）容易表示。用二进制数表示更为简单和可靠，极大简化计算机的结构，运算速度也可大大提高。1.3计算机中的数制与信息编码进位计数制是一种数的表示方法，它按进位的方法来计数，简称为进位制。例如:十进制数:123.56逢十进一六十进制数:60秒为1分逢六十进一十二进制数:十二月逢十二进一进位计数制一个十进制数有两个主要的特点：（1）它有十个不同的数字符号，即：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。（2）逢“十”进位，借一当十。因此，同一个数字符号在不同的位置（或数位）代表的数值是不同的。例如：999.99999.99

百位十位个位十分位百分位

十进制数对于十进制数：小数点左边第一位的9代表个位，就是它本身的数值9；小数点左边第二位的9代表十位，它的值为9×101；左边第三位的9代表百位，它的值为9×102；而小数点右边第一位9的值就为9×10-1；右边第二位9的值就为9×102。所以，这个数可以写成:

999.99=9×102＋9×101＋9×100＋9×10-1＋9×10-2其中，把

102、101、100、10-1、10-2值称为999.99的位权。对于任意一个十进制数：

可以按下列公式展开：

D=Dn-1×10n-1＋Dn-2×10n-2＋···+D1×101＋D0×100+D-1×10-1＋D-2×10-2＋···＋D-m×10-m

若用i表示数的某一位，Di表示第i位的数码，它可以是0～9的任一个，由具体的数D来确定；其中，10n-1、10n-2

···

101、10-1、100、10-1

···

10-2、10-m

称为位权0，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；Dn-1×10n-1称为第n-1位的数值；10称为该计数制的基数，所以，就是十进制数。与十进制数类似，它也有两个主要特点：（1）它有两个不同的数字符号0和1。（2）它是逢“二”进位的。因此，不同的数码在不同的数位所代表的值也是不同的。例如：11010.001(11010.001)2=1×24＋1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+0×2-2+1×2-3二进制数的表示任意一个二进制数的展开式：B=Bn-1×2n-1+Bn-2×2n-2+···+B1×21+B0×20+B-1×2-1+B-2×2-2+···+B-m×2-m

其中Bi只能取1或0，由具体的数B确定；n、m为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；其中，2n-1、2n-2

···21、2-1、20、2-1

···2-2、2-m

称为位权，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；2是进位制的基数，故称为二进制。十六进制数的特点：（1）

有16个不同的数码符号:0－9及A、B、C、D、E、F，它与十进制和二进制之间的关系如下表所示。

十六进制数的表示十进制数二进制数十六进制数910019101011A………………151111F181001012（2）逢“16”进位对于一个十六进制数，它所在的位置不同，数码所表示的值也是不同的。例如：(43D)16＝4×162＋3×161＋D×160任意16进制的数H，可以表示为：

H=Hn-1×16n-1+Hn-2×16n-2+···+H1×161+H0×160+H-1×16-1+H-2×16-2+···+H-m×16-m

其中，Hi可取0－F之间的数，取决于数值H；n、m为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；其中，16n-1、16n-2

···

161、16-1、160、16-1

···

16-2、16-m

称为位权，m和n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数；16为十六进制的基数，故称为16进制。

综上所述,可以把它们的特点概括为:（1）每种计数制都有一个固定的基数J，它的每一位取J个数符中的一个。（2）它是逢“J”进位的。它的每一个数位i,对应一个固定的值Ji，Ji就称为该位的“位权”，小数点左边各位的权依次是基数J的正次幂；而小数点右边各位的权依次是基数J的负次幂。与此相关，若小数点向左移一位，则等于减少了J倍；若小数点向右移一位，则等于增加了J倍。计算机中数的存储和运算都使用二进制数。计算机在处理其它进制数时，都必须转换成二进制数，处理完后，输出结果时，再把二进制数转换成常用的数制。下面介绍不同数制间的转换方法。

不同数制之间的转换（1）十进制数整数的转换成二进制数方法：除2取余，逆序读数例如：将十进制数28转换为二进制数。(28)D=(11100)B

十进制数与二进制数的转换方法：乘2取整，顺序读数

例如：将十进制数0.125转换为二进制数(101.11)

B=(5.75)D

十进制小数转换成二进制数（1）原码

原码是机器数的一种简单的表示法。其符号用0表示正号，用1表示负号。举例：二进制数X1=和X2=-1010101

其原码记作：

[X1]原=[]原=01010101[X2]原=[-1010101]原=11010101。原码机器数的表示范围因字长而定，采用8位二进制原码表示时，其真值的表示范围为：[-127,127]，即二进制的取值范围为：[11111111，01111111]。注意：对数字0的表示有二种原码形式：00000000和10000000。

数据的原码、反码和补码（2）反码

机器数的反码可以由原码得到。如果机器数为正数，则该机器数的反码和原码相同；如果机器数为负数，则其反码是对原码除符号位以外的所有数位取反。举例：二进制数X1=和X2=-1010101

其反码记作：

[X1]反=[[]原]反=[01010101]反=01010101[X2]反=[[-1010101]原]反=[11010101]反=10101010

（3）补码

机器数的补码可以由原码得到。如果机器数是正数，则该机器数的补码与原码相同；如果机器数是负数，则该机器数的补码是对它的原码除符号位外的各位取反，并且在末位上加1得到。举例：二进制数X1=和X2=-1010101，其补码记作：

[X1]补＝[X1]原=01010101[X2]补＝10101010+1=10101011机器数的补码表示范围因字长而定，采用8位二进制补码表示时，其真值的表示范围为：[-128,127]，即二进制整数补码的取值范围为：[10000000，01111111]。对于数字0的补码表示只有一种形式：00000000。

（1）定点数数的定点表示是指数字中小数点的位置固定不变。一般用来表示一个纯小数（不含整数位的数）或者整数。当表示一个纯小数时，小数点固定在符号位之后。当表示一个整数时，小数点固定在数据字最后一位之后。例：字长为16时，数据“”和“”表示如图所示。

数的定点表示和浮点表示数的定点表示其数值的取值范围有限，为了扩大数的表示范围，也可以通过编程技术，采用多个字节表示一个定点数。（2）浮点数数的浮点表示法是指表示一个数时，其小数点的位置是浮动的。在数的浮点表示中，一个数由两部分组成：其一是阶码部分（表示数的指数记数法中的指数，记为E）；其二是尾数部分（相当于指数记数法中的尾数，记为M），因此对于一个数N，通过浮点表示法可以表示(注意：E和M中都包含有各自的符号位)为：

尾数M的小数点位置位于尾数部分的数符位之后。M为一纯小数，并且最高位从数据中第一个非零数位开始；阶码E为一整数。例：数据“0.”的M值为“0.111011”；阶码N为“-101”，如图所示。在计算机中，数据存储的最小单位为比特（bit），1比特为1个二进制位。由于1比特太小，无法用来表示出数据的信息含义，所以又引入了“字节”（Byte，简写为B；注意：这里B作为数据量大小的单位，不要和数的表示中表示为二进制数的‘B’混淆）作为数据存储的基本单位。在计算机中规定，1个字节为8个二进制位。除字节外，还有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）。它们的换算关系是：

1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB=1048576KB1TB=1024GB数据的存储单位(1)

ASCII码

在计算机中，最常用的是英文字符，常用的编码为ASCII码（AmericannationalStandardCodeforInformationInterchange，美国信息交换标准码。）在ASCII中，用7个二进制位表示1个字符，共可以表示128个字符，其中95个可打印或显示的字符，其他的则为不可打印或显示的字符。在ASCII码的应用中，也经常用十进制表