《计算机导论》电子教案第1章计算机基础知识

第1章计算机基础知识

本章学习目标

本章主要讲解计算机的发展史、基本组成和工作原理以及

数制和编码等最基础的知识。通过本章的学习，读者应该掌握

以下内容：

■•将计算机发展划分为四个阶段的标志

■•计算机的主要特点及其理解

■•冯•诺依曼原理和冯•诺依曼结构图

■•计算机的主要技术指标

■•进制及其相互转换方法

■•计算机中数的表示方法

■•ASCII码和汉字编码

■•计算机的应用领域和计算机应用能力培养方向

第1章计算机基础知识

■1.1概述

■L2数制与编码

■L3计算机的应用

■1.4计算机能力培养方向

1.1概述

■1.1.1计算机的发展简史

■LL2计算机的特点

■LL3计算机系统组成

1.1.1计算机的发展简史

从1946年美国宾夕法尼大学研制出世界

上第一台电子数字计算机ENIAC（电子数字

积分计算机的英文缩写）至今，短短五十多

年的时间内，计算机系统和计算机应用得到

了飞速发展。元件制作工艺水平的不断提高

是计算机发展的物质基础，因此以计算机元

器件的变革作为标志，将计算机的发展划分

为四个阶段，这四个阶段通常称为计算机发

展的四个时代。

1.第一代计算机（1946〜1958年）

其主要特征是采用电子管作为主要元器件。

2.第二代计算机（1958〜1964年）

其主要特征是由电子管改为晶体管。

3.第三代计算计算机导论机（1964〜1974年）

其主要特征是用半导体中小规模集成电路代替分立元件

的晶体管。

4.第四代计算机（1974年至今）

其主要特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机的

主要功能部件。

1.1.2计算机的特点

1.运算速度快、精度高

计算机的运算速度，慢则每秒数万次，快则每秒上亿

次。现在世界上最快的计算机每秒可以运算几十亿次以上

O如果与每秒一百万次的计算机相比，它连续工作一小时

所完成的工作量，一个人一生也做不完。

计算机的字长越长，其精度越高。目前的个人计算机

的精度已经达到了十位、十六有效数字。对于气象预报等

复杂、时间性强的工作，没有计算机进行数据处理，单靠

手工已无法实现。

2.具有逻辑判断和记忆能力

计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力。

可以把庞大的国民经济信息或一个大图书馆的全部文献

资料目录和索引存储在计算机系统中，随时提供情报检

索服务。

计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的

结合，使之可以模仿人的某些智能活动。因此，计算机

已经远远不只是计算的工具，而是人类脑力延伸的重要

助手。有时把计算机称作“计算机”，就是这个原因。

3.高度的自动化和灵活性

计算机采取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算

机，机器便可依次逐条执行。这就使计算机实现了高度的自

动化和灵活性。

每台计算机提供的基本功能是有限的，这是在设计和制造

时就决定了的。然而，计算机区别于其他机器之处，就在于

这些有限的功能，可以在人的精心编排设计下，快速自动地

完成多种多样基本功能序列。从而实现计算机的通用性，达

到计算机应用的各种目的。

■1.1.3计算机系统组成

计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部

分组成。

1.计算机硬件系统

由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，是计

算机系统的物质基础。

2.计算机软件系统

由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件

程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按照预定

的程序运行、工作，从而达到我们预定的目标。

1,计算机硬件系统

■(1)冯・诺依曼原理(VonNeumann)

■(2)计算机的硬件结构

■(3)计算机系统主要技术指标

上口器二FV第

(1)冯•诺依曼原理(VonNeumann)

计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。

该原理最初是由匈牙利数学家冯・诺依曼于1945年提出

来的，故称为冯・诺依曼原理。

按照冯・诺依曼原理构造的计算机又称冯・诺依曼计算

机，其体系结构称为冯・诺依曼结构。目前计算机已发

展到了第四代，基本上仍然遵循着冯・诺依曼原理和结

构。但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并

行化，当今的计算机系统已对冯・诺依曼结构进行了许

多变革，如指令流水线技术。

冯・诺依曼计算机的基本特点如下:

・采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，两

者没有区别，指令同数据一样可以送到运算器进行运算，

即由指令组成的程序是可以修改的。

・存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的

位数是固定的。

・指令由操作码和地址码组成。

•通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。

・机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传

送都经过运算器。

■数据以二进制表示。

（2）计算机的硬件结构

计算机硬件通常由五部分组成：输入设备、输出设备、存

储器、运算器和控制器。这五部分之间的联结结构如下图，

称为冯・诺依曼结构图，其以运算器为中心。

・输入设备。如：键盘、鼠标、光笔、扫描仪等。

・输出设备。如：屏幕显示器、打印机、绘图仪、音

箱等。

・存储器。存储器是计算机的记忆装置，为了对存储的

信息进行管理，把存储器划分成单元，每个单元的编号

称为该单元的地址。存储器内的信息是按地址存取的。

向存储器内存入信息也称为“写入”。写入新的内容则

覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息，也称为

“读出”。信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此

信息可以重复取出，多次利用。

计算机的存储器可分为主存储器和辅助存储器两种，

通常分别简称为主存和辅存。

・运算器。

运算器是对信息进行加工处理的部件。它在控制器的控制

下与内存交换信息，负责进行各类基本的算术运算和与、或、

非、比较、移位等各种逻辑判断和操作。止匕外，在运算器中

还含有能暂时存放数据或结果的寄存器。

・控制器。

控制器是整个计算机的指挥中心。它负责对指令进行分析

、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确

保系统自动运行。

控制器和运算器一起组成了计算机的核心，称为中央处理

器,即CPU(CentralProcessingUnit)。通常把控制器、运

算器和主存储器一起称为主机，而其余的输入、输出设备和

辅助存储器称为外部设备。

(3)计算机系统主要技术指标

.字长。

字长的长短直接影响计算机的功能强弱、精度高低和速度

的快慢。目前，IntelPentium系列的微型计算机均为64位机

,随着芯片制造技术的不断进步，各类计算机的字长都有

加长的趋势。

,时钟周期和主频。

计算机的中央处理机对每条指令的执行是通过若干个微操

作来完成的。这些微操作是按时钟周期的节拍来“动作”

的。时钟周期的微秒数反映出计算机的运算速度。有时也

用时钟周期的倒数，时钟频率(兆频)，即我们习惯所说

的主频来表示。

・运算速度。

计算机的运算速度是衡量计算机水平的一项主要指标,

它取决于指令执行时间。运算速度的计算方法多种多样，

目前常用单位时间内执行多少条指令来表示。而计算机执

行各种指令所需时间不同，因此常根据在一些典型题目计

算中，各种指令执行的频度以及每种指令执行时间来折算

出计算机的等效速度。

•内存容量。

存储器的容量反映计算机记忆信息的能力。它常以字

节为单位表示。一个字节为八个二进制位，即Ibyte=8bito

210=1024=lKbytes220=lMbytes

230=lGbytes

・数据输入输出最高速率。

主机与外部设备之间交换数据的速率也是影响计算机系

统工作速度的重要因素。由于各种外部设备本身工作的速

层不同，常用主机所能支持的数据输入输出最大速率来表

7J\o

2.计算机软件系统

定义：软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总

和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料。

软件系统的主要任务：提高机器的使用效率、发挥和

扩大机器的功能和用途，为用户使用计算机系统提供方便。

分类：系统软件和应用软件。

系统软件又分为：操作系统、语言处理系统、数据库

管理率绿软件丁旦笺

窗由次件又包就'通用软件包和用户程序。

(1)系统软件

(2)应用软件

(1)系统软件

一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软

件，称为系统软件。

系统软件的功能：主要是简化计算机操作，扩展计算

机处理能力和提高计算机的效益。

两个主要特点：一是通用性。即无论哪个应用领域的

计算机用户都要用到它们；二是基础性，即应用软件要在

系统软件支持下编写和运行。

・操作系统

系统软件的核心是操作系统。操作系统（Operating

System,简称OS）是由指挥与管理计算机系统运行的程

序模块和数据结构组成的一种大型软件系统，其功能是管

理计算机的全部硬件资源和软件资源，为用户提供高效、

周到的服务界面。例如，IBM—PC及其兼容机的运行要有

PC-DOS或Windows的支持。

没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机。裸机向外部世

界提供的界面只是机器指令，为了驯服令人费解且难以使

用的裸机，用户及其他程序都利用了系统软件，即通过操

作系统来使用计算机。

•语言处理系统

程序设计语言按其发展的过程和应用级别分为机器语

言、汇编语言、高级语言。汇编语言也是一种面向机器

的语言。

・数据库管理系统

数据库管理系统就是在具体计算机上实现数据库技术

的系统软件，用户用它来建立、管理、维护、使用数据

库等。

・软件工具

软件工具是软件开发、实施和维护过程中使用的程序

O如输入阶段的编辑程序、运行阶段的连接程序、测试

阶段的排错程序、测试数据产生程序等。

(2)应用软件

应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应

用问题而编写的软件。应用软件一般包括用户程序及其说

明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件

将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种

软件包以方便用户的使用。应用软件的存在与否并不影响

整个计算机系统的运转，但它必须在系统软件的支持下才

能工作。例如,WPS、Word、Excel等。

1.2数制与编码

121进制及其相互转换

122计算机中数的表示

123计算机中的编码

1.2.1进制及其相互转换

1.进位计数制

2.十进制数与二进制数之间的转换

3.十进制数与八、十六进制数之间的转

4.二进制数与八、十六进制数的转换

1.进位计数制

根据不同的进位原则，可以得到不同的进位制。在日常

生活中，人们广泛使用的是十进制数，有时也会遇到其他

进制的数，例如，钟表上，六十秒钟为一分钟，六十分钟

为一小时，即为六十进制。

在计算机中，最常使用的是：

(1)十进制

(2)二进制

⑶八进制

⑷十十进制

(1)十进制

十进制记数法有两个特点：

•它有十个不同的记数符号：0、1、2.........9o每一位

数只能用这十个记数符号之一来表示，称这些记数符号为

数码。

•它采用逢十进一的原则计数。小数点前面自右向左，

分别为个位、十位、百位、千位等，相应地，小数点后面

自左向右，分别为十分位、百分位、千分位等。各个数码

所在的位置称为数位。

例如：十进制数666.66

个位的6表示其本身的数值；而十位的6,表示其本身

数值的十倍，即6X10,百位的6,则代表其本身数值的

一百倍，即6X100；而小数点右边第一位小数位的6表

示的值为6X0.1；第二位小数位的6表示的值为6XO.Olo

因此这个十进制数可以用多项式展开写成：

666.66=6X102+6X10】+6X100+6义10-1+

6X10—2

如果用aj表示某一位的不同数码，对任意一个十进制数A,

可用多项式表示为：

A=an_JOn7+…+aJO1+a010o+a_J()T

-m

+...+a_m10

在上式中，m、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，即m、n为相应的数位值。各个数码由于

所在数位不同而乘以10的若干次哥称为相应数位的“权”。

“权”的底数称为进位制的基数。在这里，因为是十进制数

,所以基数是10。

以上是十进制数的计数机理，在正常书写时，各数码的“

权”隐含在数位之中，即：

a

A-n—1an—2…a]a0.a」・・・a_m

(2)二进制

二进制记数法也有两个特点：

•它有两不同的记数符号，即数码：0和I。

•它采用逢二进一的原则计数。也就是说，进

位基数是2。数码在不同的数位所代表的值也是

不相同的，各数位的“权”是以2为底的哥。

例如：(10110.1)2

=1X24+OX23+1X21+0X2°+1X2-1

=(22.5)10

任意一个二进制数B,可以展开成多项式之和,

B=bn_12nT+bn_22n—2+…+bQ】+b02°+

b_12T+…+b_m2—m

其中，bI的取值为0或1,n为小数点左边的位

数，m为小数点右边的位数。

二进制记数法各数位的“权”，整数部分从小

数点开始向左分别为1,2,4,8,16,32,...；

小数部分的“权”，从小数点向右分别为0.5,0.25,

0.125,...o

二进制的基数是2,数位的“权”是以2为底数

的幕。一般书写时，各数码的“权”隐含在数位

之中，即：

B=bn-1b『2…b1bo.b_]…b_m

(3)八进制数

八进制记数法的两个特点是：

•采用八个不同的记数符号，即数码：0〜7。

•采用逢八进一的进位原则。在不同的数位，

数码所表示的值等于数码的值乘上相应数位的“

权”。例如：

(456.45)&=4X82+5X81+6X8°+

4X8T+5X8—2

(302.578125)10

一般地，任意一个八进制数可以表示为:

C=c_8n_1+c_8n_2+...+c]81+

n1XXJLXX乙n9X

-1-m

c08°+c_18+...+c_m8

在上式中，C1只能取0〜7之一的值；八进制

的基数是8。

(4)十六进制

十六进制记数法也有两个特点：

•它采用十六个不同的记数符号，即数码：0〜9

及A、B、C、D、E、Fo其中A表示十进制数10

,B表示11,C表示12,D表示13,E表示14,F表

示15。

•它采用逢十六进一的进位原则，各位数的“权

”是以16为底数的塞。

例如:

21

(2AF)16=2X16+AX16+FX16°

=2X162+10X16+15X1

=(687)S

一个任意的十六进制数可以表示为：

n1n_2

D=dn_116_+dn_216+...

11m

+d1160+dJ6°-+1d116-+..—.+mdA6-

在上式中，叫可以取0〜F之一的值；十六进制

的基数是16。

2.十进制数与二进制数之间的转换

(1)二进制数转换成十进制数

(2)十进制整数转换成二进制整数

(3)十进制小数转换成二进制小数

(4)任意十进制数转换成二进制数

(1)二进制数转换成十进制数

根据公式：

B=b12nT+b12n—2+…+b?】+

XI.J.JL14JL

1m

b02°+b_12_+...+b_m2-

将待转换的二进制数按各数位的权展开成一

个多项式，求出该多项式的和就可以了。

例如：

(1101.01)2=1X23+1X22+0X21+

1X20+OX2T+1X2-2

=(13.25)s

（2）十进制整数转换成二进制整数

逐次除2取余法：

用2逐次去除待转换的十进制整数，直至商为

0时停止。每次所得的余数即为二进制数码，先

得到的余数在低位，后得到的余数排在高位。

例如，将83转换成二进制数，逐次除2取余:

2|831

2411

2201

2100

250

221

10

得到的余数从先至后依次为：

1、1、0、0、1、0、1

可得到：(83)=(1010011)

1JL0?

(3)十进制小数转换成二进制小数

乘2取整法：

逐次用2去乘待转换的十进制小数，将

每次得到的整数部分(0或1)依次记为二

进制小数b_〃b_2，・・.，b_o

例如，将0.8125转换为二进制小数，逐

次乘2取整：

0.8125

X2

1.625

X2

1.25

可得:

X2

0.5

(0.8125)10

X2

1.0=(0.1101)?

值得注意的是：

并非每一个十进制小数都能转换为有

限位的二进制小数，此时可以采用0舍1入

的方法进行处理（类似于十进制中的四舍

五入的方法）。

例如,将0.335转换为二进制小数,

精确到0.001。

0.335

X2

0.67

X2

1.34

X2

0.68

X2

1.536

可得:(0.335)10=(0.0101...)产(0.011)

（4）任意十进制数转换成二进制数

对于任意一个既有整数部分，又有小数部

分的十进制数，在转换为二进制数时：

只要将它的整数部分和小数部分分别按

除2取余和乘2取整的法则转换，最后把所

得的结果用小数点连接起来即可。

必须注意:

逐次除2取余的余数是按从低位到高位的

排列顺序与二进制整数数位相对应的；逐

次乘2取整的整数是按从高位向低位的排列

顺序与二进制小数数位相对应的。其共同

特点是以小数点为中心，逐次向左、右两

边排列。

(1)八进制、十六进制数转换成十进制数

同二进制数到十进制数的转换，分别套用

相应公式。

（2）十进制数转换成八进制、十六进制数

分别采用除8取余法（对小数部分为乘8取

整法）、除16取余法（对小数部分为乘16取

整法）。

注意：

’第进行十进制数转换成十六进制数的过程

中，对于采用除16取余法得到的余数和采用

乘16取整法得到的整数，若为10〜15之间的

数值，最后要分别用字符A、B、C、D、E、F

代替。

4.二进制数与八、十六进制数的转换

(1)二进制数转换成八进制数

(2)八进制数转换成二进制数

(3)二进制数转换成十六进制数

(4)十六进制数转换成二进制数

(1)二进制数转换成八进制数

因为23=8,所以三位二进制数位相当于一个八

进制数位，它们之间存在简单直接的关系。

三彳立一并:去：

一从待.换的二进制数的小数点开始，分别向左

、右两个方向进行，将每三位合并为一组，不足三

位的以0补齐(注意：整数部分在前面补0,小数部

分在末尾补0)。然后每三位二进制数用相应的八

进制码(0-7)表示，即完成二一八转换工作。

K例IE将(101010001.001)2转换成

八进制数。

首先以小数点为中心，分别向左右两

个方向每三位划分成一组(以逗号作为分

界符)：

101,010,001.001,

然后，每三位用一个相应八进制数码

代替，即得：

(101010001.001)2(521.1)8

（例2』将（10010001.0011）2转换成八进制

数。

。首先分组（以逗号作为分界符）：

10,010,001.001,1

小数点的左边，有一组“10”不足三位，应该

补一位0,即应补为“010”；小数点的右边，有

一组“1”不足三位，应该补两位0,即应补为

“100”。则补0后的分组情况为:

010,010,001.001,100,

即得：

(10010001.0011)2(221.14)8

(2)八进制数转换为二进制数

此为上述转换的逆过程。将每一位八进

制数码用三位二进制数码代替，即“一分为

—v

-ZZ.o

K例3H将(576.35)&转换成二进制数。

将八进制数的每位数码依次用三位二进

制数代替，即得：

(576.35)o-(1011o11110.011101)Z9

(3)二进制数转换为十六进制数

因为24=16,因此四位二进制数与一位

十六进制数是完全对应的。

四位一并法：

从待转换的二进制数的小数点开始，分

别向左、右两个方向进行，将每四位合并

为一组，不足四位的以0补齐。然后每四位

二进制数用一个相应的十六进制码(。〜F

)表示，即完成二-十六转换工作。

K例4H将(10110001.0011)2转换成十

六进制数。

首先以小数点为中心，分别向左右两个

方向每四位划分成一组(以逗号作为分界符

):

101b0001.001L

然后，每四位用一个相应十六进制数码

代替，即得：

(10110001.0011)2(B1.3)16

(4)十六进制数转换为二进制数

与八一二转换类似，采用“一分为四

”的方法，把每个十六进制数码用四位二

进制数代替就完成了十六一二转换工作。

K例61将(576.35)16转换成二进制数。

将八进制数的每位数码依次用三位二进

制数代替，即得：

(576.35)16=

(010101110110.00110101)c

1.2.2计算机中数的表示

1.正数与负数

2,原码、补码、反码

3.定点数和浮点数

1.正数与负数

在计算机中数的符号也是用数码来表示

的，一般用“0”表示正数的符号，“1”

表示负数的符号，并放在数的最高位。

例如：

(01011)9=(+11)10

(11011)2(-11)10

2.原码、补码、反码

在计算机中一个数可以采用原码、补

码或反码表示，上面讲到的正数与负数表

示法即为原码表示法。

一个正数的原码、补码、反码是相同

的，而负数就不同了。

假设X为n位小数，用小数点左面一

位表示数的符号，贝I」：

X(0<l)

⑴乂原=<

1—X(-1<X<O)

数的范围：

(1—2—n)(1一2一口)

零有两种表示：

正零为0.0.・.0；负零为1.0…0。

X(0<X<l)

⑵[X]=<

#2+X(-l<X<0)mod2

数的范围：

(1—2-n)〜一1。

零的表示是唯一的，即:

0.0...Oo

(O<X<1)

⑶[X卜

反(2-:n)+X(-1<X<O)

数的范围：

-n

(1_2)〜•(1—2-n)o

零的表示有两种：

正零为0.0・・.0,负零为LI…1。

3.定点数和浮点数

(1)定点数表示法

在机器中，小数点位置固定的数称为定

点数，一般采用定点小数表示法，即小数

点固定在符号位与最高位之间。有时也采

用定点整数表示法，此时将小数点固定在

数的最低位的后面。定点数的运算规则比

较简单，但不适宜对数值范围变化比较大

的数据进行运算。

(2)浮点数表示法

浮点数可以扩大数的表示范围。

浮点数由两部分组成，一部分用以表示数据的

有效位，称为尾数；一部分用于表示该数的小数

点位置，称为阶码。

一般阶码用整数表示，尾数大多用小数表示。

一个数N用浮点数表示可以写成：

N=MRe

M表示尾数，e表示指数，R表示基数。基数一

般取2,8,16。一旦机器定义好了基数值，就不

能再改变了。因此，在浮点数表示中基数不出现

,是隐含的。

1.2.3计算机中的编码

计算机只能识别1和o,因此在计算机内表示的数字、字

母、符号等都要以二进制数码的组合来代表，这就是二进

制编码。根据不同的用途，有各种各样的编码方案，较常

用的有ASCII码、EBCDIC码、汉字编码等。

1.ASCII码

2.二-十进制编码（BCD码）

3.汉字编码

1.ASCII码

ASCII码(AmericanStandardCodeFor

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