第1章 计算机基础

大辱计算机基砒

提问：

1、配置一台计算机，需要哪些硬件设施？

2、下面单词对应的中文名称

CPULAN

BIOSOS

IT

3、计算机开机顺序：先开外设，再开主机

4、学会使用常用的快捷键：

2

第一章计算机基础

教学目的：

1、了解计算机的发展概况、分类、特点和应用领域。

2、掌握二进制、数制转换、信息单位与编码的概念。

3、掌握计算机系统的五大组成部件和工作原理。

4、熟悉微型计算机的硬件组成、各硬件特点及性能指标。

5、掌握计算机软件系统的概念和分类。

教学重点：教学目的2和3

教学难点：进制转换和计算机系统的工作原理

教学方法：多媒体教学

教学课时：8课时

3

第一节计算机概述

令一、计算机的发展概况

令二、计算机的分类和特点

令三、计算机的主要应用领域

4

、计算机的发展概况

1、现代计算机的“史前”时代

2、第一台电子数字计算机的诞生

1946年2月，人类第一台电子计算机——电子数值积分计算机ENIAC。

1946年6月，冯・诺依曼等人设计出第一台具有存储程序功能的离散变量自动计算

机EDVAC。1952年投入使用。

1949年5月，EDSAC研制成功并投入使用，是世界上首台实现了“存储程序”的

电子计算机。

5

3、现代计算机发展的四个阶段

分代第一代第二代第三代第四代

时间1946年〜1953年1954年〜1963年1964年〜1970年1971年至今

主要元器件电子管晶体管中小规模集成电路超大规模集成电路

主要元器件图片自、

速度（次/秒）5000-10000几万〜几十万几十万〜几百万几千万〜千百亿

主要特点和应用领体积大、寿命短、可靠性差、体积减小、成本下降、可靠体积更小、速度更快、价性能大幅提高，价格大幅下

域成本高；采用电子射线管、性和运算速度明显提高：普格更便宜；采用半导体存降。计算机体系结构迅速发

磁鼓存储信息，容量很小；遍采用磁芯作为主存储器；储器作为主存储器；系统展，并行处理、多机系统、

使用机器语言和汇编语言编开始有了系统软件，出现了软件出现了分时操作系统，嵌入式系统、多媒体系统、

制程序。主要用于科学计算。高级程序设计语言。不仅用多用户可共享计算机资源。网络通信，网格计算等已进

于科学计算，还用于数据处应用领域进一步拓展到办入实用。应用领域涉及人类

理和事务管理。公处理、自动控制等方面。社会的各个方面。

6

4、微型计算机的发展

微型计算机，简称微机或微电脑。这个“微”字主要体

现在它的体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、环境要求不高、

易学易用等方面，而它的功能、速度、适用性毫不逊色于传统

计算机。微型计算机的产生与发展，完全得益于微电子学及超

大规模成电路技术的飞速发展。微电子技术可将传统计算机心

脏部件——中央处理器（CPU）集成在一块芯片上，这样的芯

片就称之为微处理器。见表1-2微型计算机的发展。

5、我国计算机的发展

6、计算机的发展趋势

A向“高”度的方向发展

A向“广”度的方向发展

»向“深”度的方向发展

7

二、计算机的分类和特点

1、分类

＞按计算机处理数据的形态分类：模拟式计算机、数字式计算

机、混合式计算机

＞按通用性分类：专用计算机、通用计算机

＞按应用市场分类：大型计算机、个人计算机、嵌入式系统

2、特点

＞运算速度快

＞计算精度高

＞存储容量大

＞具有逻辑判断能力

＞通用性强

8

三、计算机的主要应用领域

»科学计算（最早的、最基本）

A数据处理

A过程控制

＞计算机辅助工程

A网络应用

A人工智能

9

第二节计算机中信息的表示和存储

一、信息的数字化——二进制编码

二、常用的数制及其相互转换

三、信息存储单位与编码

10

一、信息的数字化二进制编码

采用二进制编码的优点：

A易于物理实现

»二进制数运算简单

»机器可靠性高

A通用性强

11

二、常用的数制及其相互转换

工、数码：每种数制都有固定的基本符号。

例：十进制数的数码是：0123456789

二进制数的数码是：01

■八进制数的数码是：01234567

十六进制数的数码是：0123456789ABCDEF

2、基数：每种进位计数制中数码的个数。

3、位权值：每一个位数赋予的位值。

位权与基数的关系是：位权值=基数的若干次幕

某一位数码代表的数值的大小=该数码*位权值

例：(237)8=7*8°+3*842*82

12

计算机中常用的各种进制数的表示

进位数二进制八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

基本符号0,10,1,2...,70,1,2…,9

权2i&10116j

形式表示BODH

13

4、常用数制间的转换

①十进制转换为二进制、八进制、十六进制

•（一）十进制整数转换为二进制整数

十进制整数转换为二进制整数采用“除以2取余数逆排”的方法，

即：将十进制整数及每次产生的商逐次除以2,直到商为0为止，并依次

记下每一次相除所得到的余数，将余数从右到左排列（先得到的余数为

低位，后得到的余数为高位）。

•（二）十进制小数转换为二进制小数

十进制小数转换成二进制采用“乘以2取整数顺排”的方法，即用2连续

乘以要转换的十进制数及各次所得到的小数部分，直到乘积的小数部分

为0或认为不必继续乘为止，并将各次所得乘积的整数部分从左到右排列。

14

十进制整数转换为二进制整数

商余数（低位）

1八

1

0

1

0

0

1

0(高位)

所以，

(75)10=(1001011)2

15

十进制小数转换为二进制小数

积整数(高位)

0.625

X2

1.2501

0.250

X2

0.500________________________0

0.500

X2

1v

(低位)

所以，(0.625)10=(0.101)2

思考：十进制转换为八进制、十六进制的方法？

②二、八、十六进制数转换为十进制数

二、八、十六进制数转换为十进制数的方法是将各进制数的各位按“位

权”展开相加。位权是指各个数码因所在数位不同而所取的不同单位

值。

例如，将二进制数1001011.101转化十进制数：

(1001011.101)2=1X26+0X25+0X24+1X23+0X22+1X21+

1X20+1X2-1+0X2-2+1X2-3

=64+0+0+8+0+2+1+0.5+0+0.125

=(75.625)2

将八进制数174转化为十进制数：

(174)8=1X82+7X81+4X80

=64+56+4

=(124)8

将十六进制数1B2转化为十进制数：

(1B2)16=1X162+BX161+2X160

=256+176+2

二(434)16

17

③二进制数与八、十六进制数之间的转换

二进制数与八进制数之间的相互转换有以下规则：从小数点开始，每三位二进制数对应

一位八进制薮。

同样，二进制数与十六进制数之间的相互转换有以下规则：从小数点开始，每四位二进

制数对应一位十六进制数。

例如：

(60.17)8=110000.001111=(110000.001111)2

6017

(70C.1)16=011100001100.0001=(11100001100.0001)2

70C1

二进制转化成八进制，整数部分从右向左三位一组进行分组；小数部分从左向右三位一

组进行分组；不足补零。

二进制转化成十六进制，整数部分从右向左四位一组进行分组；小数部分从左向右四位

一组进行分组；不足补零。

例如：

(1111100110.10111)2=001111100110.101110=(1746.56)8

174656

(1100001110.100101)2=001100001110.10010100=(30E.94)16

30E94

18

十六进制数

按权相加

除I•取余逆排法

乘I•取整顺排法

用三位二进制数表示

用四位二进制表示19

练习:

H

1、(10A)=(266)D=(100001010)B=(412)0

2、(10110101010111011)B=(16ABB)H=(265273)o

3、数据HIH的最左边的1相当于2的(8)次方。

20

三、信息存储单位和编彳

（一）信息存储单位

1）位（bit）

位是度量数据的最小单位，表示一位二进制信息。

2）字节（byte）

一个字节由8个二进制位组成（lbyte=8bit）。字

节是信息存储中最常用的基本单位。计算机存储器

（包括内存与外存）通常也是以字节来表示它的容量。

常用的单位有：KB、MB、GB、TBo

1KB=1O24byte=210byte=8X210bit=16^512bit

1MB=1O24KBo

’1GB7024MB

21

1TB=1024GB~~

3）字（word）

字是位的组合，并作为一个独立的信息单位处理。

常用的固定字长有8位、16位、32位、64位等。

4）机器字长

一般是指参加运算的寄存器所含有的二进制数的位数，它

代表了机器的精度。

微型机一般的机器字长为16位、32位，64位。

22

(二)字符型信息的表示与编码

字符型数据指字母表中的字母、标点符号和不用于算术操

作的数字组成。

♦1.西文字符的编码---ASCH码

美国标准信息交换码(AmericanStandardCode

ForInformationInterchange)。如：表1・6,记住西

文字符所对应的十进制编码。

♦2.汉字的编码

汉字的编码有三类：输入编码、内部码、字形码。

23

字形码:

1、800个24*24点阵汉字字形码占存储单元的字节数是

56.24KB

2、存储1024个32*32点阵的汉字字形码所需的存储容量是

________128KB

24

（三）多媒体信息编码

1、图形和图像的编码

图形是指通过绘图软件绘制的由直线、圆、圆弧、任意曲

线等组成的画面，以矢量图形文件形式存储。

图像是由扫描仪、数字照相机、摄像机等输入的画面，数

字化后以位图形式存储。

2、视频的编码

视频是由一系列的图像组成的，每一个图像是一幅静止的

图片，称为“帧”。视频要将帧以一定的速度，连续地显示

在屏幕上，所以视频是图像的动态形式。

3、声音的编码

声音或音频数据是以两种不同的方法进行表示的：波形

和MIDI音乐。

25

补充：（四）数值型数据的编码

数值型数据由数字组成，表示数量，用于算术操作中。

工、机器数的概念

数在计算机中的表示统称为机器数。在计算机内，数据

都是用二进制表示的。机器数有三个特点：

①数的符号数值化：在计算机中，因为只有。和工两种形式，为

了表示数的正、负号，也必须要。和1表示。通常把一个数的

最高位定义为符号位，用。表示正，1表示负，称为数符；其

余位表示数值。

②计算机中通常只表示整数和纯小数，因此，小数点约定在一

个固定的位置上，不再占用一个数位。

③机器数的范围受字长和数据类型的限制。

26

2、数的定点和浮点表示

定点数：隐含的小数点位置是固定的。

,浮点数：隐含的小数点位置是可变的。

(1)定点数的表示法

①定点小数：用来表示小于工的纯小数。小数点固定在符

号位和有效数值之间。

例：用16位定点数表示纯小数(・0・75”

解：(-0.75)D=(-0.11)B,所以机器数为:

1110000000000000

27

②定点整数：用来表示纯整数。小数点的位置固定在

数值位的后面

带符号整数：最高位是符号位，其余的各位都是数值位。

不带符号整数：所有位都是数值位。

例：（10101101）B=（）D

1）若是带符号位的整数：10叫101・、.45

符号位数值位小数点位置

2）若是不带符号位整数：IQlOllOP173

若没有指出是带符号的还是不带符号的整数，一般都认为

是带符号的整数，最高位是符号位。28

(2)定点数的范围和精度

当计算机规定数据长度为2个字节时:

定点整数能够表示的整数范围为：

二进制数无符号整数的表示范围有符号整数的表小范围

80~28・1・27~(27・1)

16■215~(215・1)

32Q/V232-1-231<V(231-1)

定点小数的范围和精度是不高的。

29

(3)浮点数的表示法

浮点数的存储格式：

阶符阶码数符尾数(规格：尾数的绝对值大于等

于0・1并且小于1,从而唯一

地规定了小数点的位置。)

例：二进制数101.1的浮点表示:

01101011

N=数符X尾数X2阶符义阶码

注：尾数的位数决定了数的精度

阶码的位数决定了数的大小范围

30

例：设尾数为8位，阶码为6位，则二进制数JIOLOIO的

浮点数的存在形式？

N=-1101.010=-0.1101010X2100

0OOO1OO111010100

31

3.二进制的算术运算

(1)加法

二进制数的加法规则是：逢二进一。

0+0=01+0=0+1=11+1=10(有进位)

(2)减法

二进制数的减法规则是：“借一当二”。

(3)乘法

二进制乘法规则是：

——得一，一0得0(0一得0),00得0。

(4)除法

4.原码、补码和反码

以上介绍的定点和浮点表示，都是用数据的第一位表

示数的符号，用其后的各位表示数（包括尾数和阶码）的绝对

值。这种方法简明易懂，称为“原码”编码方式。但因运算

器既要能作加法，又要能作减法，操作数中既有正数，又有

负数，所以原码运算时常伴随许多判断。例如两数相加，若

符号不同，实际要作减法；两数相减，若符号相异实际要作

加法，等等。其结果是，第一将增加运算器的复杂性，第二

会增加运算的时间。为了克服以上缺点，人们在怎样处理负

数的问题上开动脑筋，又提出了“补码”、“反码”等编码

方法。补码运算的主要优点是通过对负数的适当处理，把减

法转化为加法。不论求和求差，也不论操作数为正为负，运

算时一律只做加法，从而大大简化加减运算。

下面以8为定点整数为例，来介绍这三种编码:

33

(1)原码

原码保持了数的原来形式，只是正数的符号位为0,负数

的符号为1,即机器数。

(2)反码

正数的反码与原码相同，负数的反码是对该数的原码除

符号位外各位取反。

(3)补码

正数的补码与原码相同，负数的补码为反码加1。

34

注：当一个带符号的数用反码或补码表示时，最高位为

符号位。当最高位是0时，表示这个数是正数，后面的各位是

数值部分，但，当符号位是1时，表示这个数是负数，一定要

注意后面各位表示不是该负数的数值位。

例：(XI)反=(00000001)B，(X2)反=(10000001)B，求XI、X2的

值

解：X1=(+OOOOOO1)B=(1)D

X2=(-0000001)B=(-1)DX

X2=(-1111110)B=(-126)D7

35

例：在字长为8位的二进制数字系统中，当x=(64)i0,

y=(lO)io,求x-y

解：x-y=x补+(-y)补

(64)补=0100000

(-10)补=11110110

x-y=00110110=54

返回本节

第三节计算机硬件系统

一、计算机系统的组成

篁术逻辑运算器（ALU）*，

「中央处理器（CPUit控制器（CU），

「主机＜「只读存储器（ROM）3

“内存储器（internalmemory＞高速皴冲存储器（Cache）。

z硬件系统，L随机存取存储器（RAM）“

C外存储器（secondaiymemory）：硬盘、软盘、国查，城重、光盘等

I外设J输入设备：健盘、鼠标、数字化仪、光笔、扫描仪、麦克风等

计算机系统《输出设备：显示器、绘图仪、打印机、音响等*,

＜网络设备：网卡、调制解调器、集线器等

操作系统（OS）：DOS、WINDOWSsLINUX等

「系统软件j语言处理程序：BASIC、FORTRAN、C、FOXPRO等+

软件系统vI实用程序：排错程序等*-1

I应用软件：办公软件包、数据库管理系统、实时控制系统等

图2.1.1计算机系妩蛆成.J

、计算机的基本工作原理

输

存储器输处理结果

入

出

设

设

备

备

控制信号

数据信号

计算机基本结构框图

38

•运算器也称算术逻辑单元（ALU）,是计算机进行算术运算和

逻辑运算的部件。算术运算有加、减、乘、除等。逻辑运算

有比较、移位、与运算、或运算、非运算等。在控制器的控

制下，运算器从存储器中取出数据进行运算，然后将运算结

果写回存储器中。

•控制器负责对操作命令进行处理和执行，对各功能部件发出

控制信息，是各部件运行的指挥者。在现代计算机中，往往

将控制器和运算器集成在一个集成电路芯片内，这个芯片称

为CPU（中央处理单元）。

•存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的

依据，数据是计算机操作的对象。为了实现自动计算，各种

信息必须预先存放在存储器中。存储器采取按地址存取（写

和读）的工作方式。一个内存体内包含许多存储单元，每个

存储星元可以存放一个适当单位的信息。全部存储单元按一

定顺用编号，这些编号就称为存储器的地址。

•输入设备的功能是用来将现实世界中的数据输入到计算机，

如输入数字、文字、图形、电信号等，并且转换成为计算机

熟悉的二进制码。

•输出设备的功能是将计算机处理的结果转换成为用户熟悉的

形式，如数字、文字、图形、声音等。39

三、微型计算机的硬件组成

（一）王机

微型计算机硬件组成一般

包括：主机、显示器、键

盘、鼠标、外存储器等设

备，核心设备在主机内部。

主机是指主机箱内的主要

部件，包括系统主板、中

央处理器CPU、内存储器、

总线和输入输出接口插槽

（I/O接口）等。

40

1.系统主板

.系秦主板，简称主板，是主机箱内最大的一块集成电路板，是整个微机系统平

台的载体。从系统结构的观点看，主板由芯片组和各种总线构成。主板上安装有

微处理器插座、内存芯片插座、处理输入和输出的芯片、各种总线接口和电路系

统等。

41

2、CPU

CPU(CentralProcessingUnit)也称为微处理器(MicroProcessingUnit,

MPU),是一块超大规模集成电路芯片，内部结构是以控制器、运算器及寄存器

为核心组成的，它是整个计算机系统的控制中心，计算机的所有工作都要通过它来

协调处理，完成各种运算、控制等。CPU是计算机系统中最重要的一个部件，决定

了计算机的性能和速度。

图芯片外观形状(左：正面，右：引脚面)

1-16CPU42

CPU的主要的技术指标包括：

（1）字长：指CPU内部运算单元通用寄存器一次处理二进制数据的位

数，它体现了一条指令所处理数据的能力。目前主流的CPU字长达到

64位。

（2）主频：指CPU内核电路的实际工作频率，以MHz（兆赫兹）为单位。

提高CPU工作频率可以提高CPU性能，主频越高，CPU运行速度越快。

现在主流的Pentium4CPU工作频率为3QGHz〜6.0GHz。

（3）线宽：指CPU在硅材料上内部各元器件间的连接线宽度，一般以

|jm（微米）或nm（纳米）为单位。线宽数值越小，生产工艺越先进，

CPU内部功耗和发热量就越小。目前CPU生产工艺已经达到45nm的

加工精度。

（4）高速缓存（Cache）：一种其读写速度接近于CPU执行指令速度的

小容量存储器。为了解决低速内存与高速CPU间速度的不匹配，加快

CPU对内存的访问速度，采用了在CPU和内存之间插入高速缓存的方

法,它可以极大地改善CPU的性能。CPU的缓存分为两种，即L1

Cache（一级缓存）和L2Cache（二级缓存）。目前Pentium4

的容量为甚至更高。

CPUCache128KB〜2MB,43

「讷存储器

3、存储器Y

与卜存储器

(1)内存(又称主存)：保存正被CPU使用的程序和数据

①随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM)

我们经常所说的内存就是指RAM。

处理器将正在使用的数据和程序都保存在RAM中。

CPU对它既可以读出数据又可以写入数据。

随机存储器的速度快。但也有一个缺点——具有易失性，

即RAM中存放的所有数据当计算机断电后都会丢失。

思考：关机时RAM中的一切都被抹掉了，那么计算机如何重

新启动呢?44

内存芯片

引脚（金手指）引脚定位口

图1-17内存条

45

②只读存储器（OnlyReadMemory,ROM）

；启动计算机的指令存储在不易失的只读存储器中，只

读存储器在制造时即包含了永久存储的指令。它是不能用普

通计算机写入的，只能用专用设备才能写入，并且写入的内

容在断电后依然保存。

PROM（可编程序只读存储器）芯片

EPROM（可擦可编程序只读存储器）芯片

EEPROM（电可擦可编程只读存储器）芯片

46

③高速缓冲存储器Cache

高速缓冲存储器是介于CPU和内存之间的一种可高速存

取信息的芯片，是CPU和内存之间的桥梁。

当启动一个任务时，计算机预测CPU可能需要哪些数据，

并将这些数据预先送到高速缓冲存储器区域。当指令需要数据

时，CPU首先检查高速缓冲存储器中是否有所需要的数据。如

果有，CPU就从高速缓冲器中直接取数据而不用到RAM中取

Cache>CPU、RAM关系图47

4、总线

总线是指微机中能够为多个部件共享的公共信息通道。

总线按照其功能和它传输信息的种类可以分为：

(1)数据总线(DataBUS,DB)：用来传输各功能部件之间的数据信息，它是

双向传输的总线。例如CPU既可以向其它部件发送数据，也可以接收来自其它部件

的数据。数据总线的宽度是衡量计算机性能的一个重要指标，它通常与CPU的位数

相对应。

(2)地址总线(AddressBUS,AB)：用于传送CPU发出的地址信息。地址信息

包括CPU欲访问的内存单元地址或外部设备地址，它是单向传输的。地址总线的宽

度决定了CPU可以直接寻址的内存范围。

(3)控制总线(ControlBUS,CB)：用于发送各种控制信号。由于数据总线、

地址总线是由总线上的各部件共享的，如何使各部件能在不同时刻占有总线使用权,

需要靠控制总线来完成。

总线按照层次结构和连接部件的不同可以分为

内部总线：通常是指同一部件内部的连接，例如CPU内部连接各寄存器和运算部件

的总线。

系统总线：是指计算机中各插件板与系统主板之间的总线。

外部总线：指主机系统与外部设备之间的总线。

48

5、接口

接口是指计算机系统中，在两个硬件设备之间起连接作用的逻辑电路。主机与

外部设备之间的接口称为输入输出接口，简称为I/O接口。I/O接口的主要功能

是解决主机和外部设备之间的速度、信息格式和时序等方面存在的不匹配的矛

盾，使得主机与外部设备能够协调地工作。

49

表1-7微机外部接口一览表

名称标注色彩接口规格

键盘PS/2KB紫圆形6孔

鼠标PS/2MS绿圆形6孔

通用串行总线接口USB黑扁形4针

串行接口COM蓝D形2排9针

并行接口LPT桃红D形2排25孔

音频输出SPK绿圆形孔

音频线性输出LineOut天蓝圆形孔

话筒音频输入Mic粉红圆形孔

游戏接口MIDI/Game黄D形15孔

火线接口（数码接口）IEEE1394灰扁形4针或6针

局域网接口RJ45/里、、、梯形孔

50