第1章 计算机基础知识 - 南京信息工程大学

第1章计算机基础知识

本章要求:

■基本知识点

♦了解计算机的发展、特点及用途

♦掌握计算机中使用的数制及数制间的转换

♦弄清计算机的主要组成部件及其功能

■重点及难点

♦#算机豪余中数据的表示形式

♦数制之间的转换

♦原码、反码、补码的概念及计算

♦浮点数

♦码制

♦逻辑运算基础

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主要内容

■1.1计算机概论

■1.2计算机常用的数制及编码

■1.3常见的信息编码

■L4计算机系统的组成

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1.1计算机概述

计算机是一种能按照事

什么是计算机

先存储的程序.

高速进行大量数值计算

和各种信息外理的现代

化智能电子装置。

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1.1.1计算机的发展概况

■1946年第一台计算机ENIAC在美国宾夕法

尼亚大学问世。人们赏捡制造it旬山近因

的主要元器件将计算才体积庞大、速度低、成

」-—rM,/■一

体积大大减小

q可靠性泳速度、可靠性和

♦第一'代电子管计算方IWJ、

有较大内存容量都进一

♦第二代晶体管计算机------步提高，外设种

类繁多

♦第三代中小规模集成电路计算

♦第四代大规模和超大规模集成电路计算机

-------

速度可靠性和内

存容量又有了很

------------------------—大提高

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人类追求的计算工具

1833分析机

奠定现代计算机发展的重要人物和思想

是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中,

首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可

以通过继电器电路来实现。

提出了计算机的三条原则：

1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证

精度；

2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运

算，以保证计算速度；

3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分ClaudeShannon

离的结构。

图灵与图灵机

计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。

图灵机是一种思想模型，

它由三部分组成：

一个控制器，一条可以无限延伸的

带子和一个在带子上左右移动的读

写头。

为纪念图灵对计算机的贡献,

美国计算机博物馆于1966年

设立了“图灵奖”

冯・诺依曼计算机

存储程序工作原理

计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二

是能够自动地执行程序。

计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执

行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存

储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和

执行，直至完成全部指令任务为止。

1949JohnvonNeumann

冯•诺依曼

第一台电子计算机（ENIAC）

5000次加法/秒

体重28吨

占地170m2

18800只电子管

1500个继电器

功率150KW

LL1计算机的发展概况

1.第一代（1946年〜1958年）：电子管阶

段

基本特征采用电子管作为计算机的逻辑元器件，每秒运算速

度仅为几千次，内存容量仅数KB。其数据表示主要是定点数，

使用机器语言或汇编语言编写程序。第一代电子计算机体积庞大,

造价昂贵，用于军事和科学研究工作。其代表机型有IBM650

（小型机）、IBM709（大型机）。

电子管

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LL1计算机的发展概况

2.第二代（1959年〜1964年）：晶体管阶

段

基本特征是采用晶体管作为计算机的逻辑元器件，由于电子

技术的发展，运算速度达每秒几十万次，内存容量增至几十KB。

与此同时，计算机软件技术也有了较大发展，出现了FORTRAN、

COBOL>ALGOL等高级语言。与第一代计算机相比，晶体管电

子计算机体积小、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。其代表机型有IBM7094、

CDC7600o

晶体管

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1.1.1计算机的发展概况

3.第三代（1965年〜197辉）：集成电路阶段

基本特征是采用小规模集成电路作为计算机的逻辑元器件，随

着固体物理技术的发展，集成电路工艺己可以在几平方毫米的单

晶硅集成电路片上集成由十几个甚至上百个电子元器件组成的逻

辑电路。它的运算速度每秒可达几十万次到几百万次，体积越来

越小，价格越来越低，软件越来越完善，在监控程序的基础上发

展形成了操作系统。其代表机型有IBM360。

集成电路

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1.1.1计算机的发展概况

4.第四代（1971年〜须在）：大规模/超大

规模集成电路阶段

基本特征是采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为计算

机的逻辑元器件，20世纪70年代以来，集成电路制作工艺取得了

迅猛的发展，在硅半导体上可集成更多的电子元器件，半导体存

储器代替了磁芯存储器，目前，计算机的速度最高可以达到每秒

几百万亿次浮点运算。操作系统不断完善，高级程序设计语言功

能更加完善，人们的生活与计算机应用息息相关。

超大规模集成电路

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计算机发展的几个阶段

第一代第二代

（1946-1956）（1957-1964）

电子管晶体管

5千~4万（次/秒）几十万~百万（次/秒）

1964年911机1966年112机

第四代第三代

（1971~90年代）（1965T970）

集成电路集成电路

几百万~几亿（次/秒）百万~几百万（次/秒）

计算机发展的几个阶段

时代年份器件软件应用

--46-58电子管机器语言汇编语科学计算

58-64晶体管高级语言数据处理工业控

制

--64-71集成电路操作系统文字处理图形处

理

四71年迄大规模集成电数据库、网络等社会的各个领域

今路

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1.1.2计算机的特点

■高速运算能力

■计算精度高和可靠的判断能力

■具有记忆和逻辑判断能力

■具有自动控制能力

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1.1.3计算机的应用

■科学计算（数值计算）

♦如：天文、地质、气象、航天等涉及的大量计算

■数据处理（信息处理）

♦对数据进行收集、分类、排序、存储、计算等操作

■自动控制无人驾驶飞机的控制

■计算机辅助设计（CAD）和辅助教学（CAI）

■人工智能（AI）方面的研究和应用

♦专家系统（Expertsystem）

♦机器人（Robert）

■多媒体（Multimedia）技术应用

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1.1.3计算机的应用（1）

i.科学计算：解决科学技术和工程设计中存在的大量的数

学计算问题。例如，求解上千阶的微分方程组、几百个

方程的线性方程组、大型矩阵运算等.

2.数据处理：数据处理泛指任何形式的计算机管理和操

纵数据的过程，例如，企业管理、库存管理、帐目计算、

信息情报检索等。

3.实时控制：计算机的速度不断提高，计算机的指令周

期已降到几ns级，使得许多生产过程的实时控制成为可

能。例如，化工生产过程中的压力、流量、温度等参数

的控制o

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1.1.3计算机的应用(2)

4.计算机辅助设计和制造：CAD/CAM系统已发展成为

更高级的计算机集成制造系统(CIMS)。

5.人工智能：是探索和模拟人的感觉和思维过程的科学,

它是在控制论、计算机科学、仿生学、生理学等基

础上发展起来的新兴边缘学科。

6.通信和文字处理：包括文字信息的产生、修改、编辑、

复制、保存、检索、传输等，通信和文字处理是实

现办公自动化、电子邮件、计算机会议和计算机出

版等新技术的必由之路。

7.多媒体技术：图形、声音、静态图像、动画、动态图

像等多媒体技术。

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1.1.3计算机的应用（3）

8.网络技术与信息高速公路：把分布在不同地域的独立

的计算机系统用通信设施连接起来，以实现数据通

信和资源共享。网络从地域范围大小上分为局域网

和广域网。

9.教育：包括计算机辅助教学、知识信息系统、自然语

言处理等。计算机辅助教学生动、形象、易于理解,

是提高教学质量的重要手段之一。

10.军事：包括军队自动化指挥系统、计算机作战模拟、

军事信息处理武器的自动控制、精确制导武器、军

用机器人、数字化部队、后勤保障等。

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1.1.4计算机的发展方向

■未来的计算机以超大规模集成电路为基础，向

♦巨型匕（不是体积大，而是速度高、容量大、功能强）

♦微型化（体积缩小、重量减轻）

♦网络化（分散的计算机联成网）

♦智能化（计算机将具有一定的“思维能力”）

方向发展。

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计算机发展—巨型化

运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机

1975年世界上第一台超级计算机"Cray』”

超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、

石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计

算的高科技领域。

中国超级计算机：

国防科技大学研制的

“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”

国家职能计算机中心推出的0

“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”银河II

计算机发展—巨型化

♦社会在不断发展，人类对自然世界的认识活

动也越来越多，很多情况要求计算机对数据

进量的运算，如，数学命题的证明、行星轨

迹的计算以及航天飞机、宇宙飞船的设计等

等。这些应用对计算机速度的要求也越来越

IR]o

♦“巨型化”在这里并不是通常意义上的大小,

主要是指机器的性能——运算速度等。

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计算机发展—微型化

计算机不再是单一的计算机器，而是一种

信息机器，一种个人的信息机器。

Altair8800

计算机发展—微型化

♦一方面，随着计算机的应用日益广泛，在一些特定

场合，需要很小的计算机（如航天飞机，由于燃料的

关系，设计原则是为了减少每一克而奋斗），所以计

算机的重量、体积都变得越来越小，但功能并不减

少。

♦另一方面，随着计算机在世界上日益普及，个人电

脑正逐步由办公设备变为电子消费品。人们要求电

脑除了要保留原有的性能之外，还要有时尚的外观、

轻便小巧、便于操作等特点，如平板电脑、手持电

脑等。今后个人电脑在电脑中所占的比重将会越来

越大，使用也将会越来越方便。

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计算机发展网络化

计算机网络：

计算机技术与通信技术结合

的产物。

计算机网络的发展动力：

使用远程资源，共享程序、

数据和信息资源，网络用户

的通讯和合作。

计算机发展—网络化

♦因特网的建立正在改变我们的世界，改变我

们的生活。网络具有虚拟和真实两种特性，

网上聊天和网络游戏等具有虚拟特性，而网

络通信、电子商务、网络资源共享则具有真

实的特性。

♦虽然现阶段我们国家在因特网上的应用还不

是太多，但再过几年，我们就完全可以通过

因特网购买生活必需品，交纳各种费用、教

学、管理个人账务等等。

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计算机发展一智能化

“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的

‘没有灵魂的机械'来”O

笛卡尔（1637）

£人类第一个“工业机器人”：

一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）

f第一代机器人

机械手（1962年出现）

f第二代机器人

具有“感觉”的机器人

f第三代机器人Deepblue

装有启发式计算机的“智能机器人

GarryKasparov

计算机发展一智能化

♦今后，计算机在我们的生活中扮演的角色将

会更加重要。

♦计算机应用将具有更多的智能特性，能够帮

助用户解决一些自己不熟悉或不愿意做的事。

♦如，智能家电、烹调等。

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1.1.5计算机的分类

按处理对数象字计【算"几机

上数模混合计算机

按使用范围L通用计算机：

一专用计算机

.二巨型计算机

按规模，大/中型计算机，

----------八'「小型计算机

微型计算机

工作站或服务器

NanjingUniversityofInformationScience&31

1.2计算机常用的数制及编石3

■数制（计数制）

指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值

的方法。

■编召马

是采用少量的基本符号，选用一定的组合原则,

以表示大量复杂多样的信息的技术。

■计算机只认识“0”和“I”，任何信息必须转换

成二进制形式数据后才能由计算机进行处理、

存储和传输。

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1.2.1二进制数

■二进制数的特点：

♦最多只有两个不同的数字符号，即o和1。

♦逢二进一。

（基数为二，逢二进一，借一为二。）

■二进制优点：

♦0,1两个状态易物理实现；

♦运算规则简单。

♦算术运算与逻辑运算容易沟通。

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1.2.2二进制与其它数制

■进位计数制的三要素：

♦数位：数码在一个数中所处的位置。

♦基数：每个数位上所能使用的数码的个数。

♦位权：处在某一位上的“1”所表示的数值的大小。

(N进制数中，整数部分第i位的位权为NH,小数部

分第j位的位权为NT。

■十进制(101.1)10=1*1()2+0X101+1X10。+1X10-1

■二进制(101.1)2=1X22+0X21+1义2°+1*2“=(5.5)10

■八进制(101・1)8=1X82+0X81+1义8°+1*8“=(65.125)io

■十六进制

(101.1)16=1X162+0X161+1X16°+1X16.=(257.0625)10

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二进制数与其它数制的对照表

进制

进制

I进制

二7

0O十六O进制

0o0o0011

oo122

±

OO1133

±T

O1OO44

X

OO55

6

OX1O6

O177

X

1OOO8O8

9

OO119

±

1o1O1012A

XXXX

1O111113B

11x1

C

11O1214

XXXXD

111315

XXXE

11O1416

XXXXF

11111517

XXXX±X

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1.2.3不同进制数之间的转换

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十进制整数转换为二进制整数

规则：除二取余，直到商为零为止，倒排

♦例：将十进制数86转化为二进制

2|____________86........0

2743........1

221........1

2TO........0

~25........1

22........0

~21.........1

0

所以,(86)］。=(1010110)2

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十进制小数转换为二进制小数

规则：乘二取整，直到小数部分为零或给定的精

度为止，顺排。

例：将十进制数0.875转化为二进制数

0.875

X2

1.750.75

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二进制数转换为十进制数

■规则：按“权”展开，求和。

伤!I：(1999.8)IO=1X1O3+9X102+9Xl^+9X10°+8X10”

“权”

3

(11O1.1)2=1X2+1X22+0X21+1X2°+1X2“

=(8+2+1+0.5+0.25)10

=(11.75)I。

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二进制转换为八进制

■方法----三合一法

♦整数部分：自右向左，三个一组，不够

补零，每组对应一个八进制数码。

♦小数部分：自左向右，三个一组，不够

补零，每组对应一个八进制数码。

■例如：将(10100101.10111)2转换成八进制数。

(10100101.10111)2=(010100101.101110)2

!III!

=(245.56)8

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八进制转换为二进制

■方法-----一分为三法

八进制01234567

二进制000001010011100101110111

例如：将(207.54)8转换成二进制：

207.54

010000111.101100

所以，(207.54)8=(010000111.101100)2

=(10000111.1011)2

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二进制转换为十六进制

■方法----四合一法

♦整数部分：自右向左，四个一组，不够补零，每组

对应一个十六进制数码。

♦小数部分：自左向右，四个一组，不够补零，每组

对应一个十六进制数码。

例：(11001111.01111)2=(11001111,01111000)2

=(CF.78)16

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十六进制转换成二进制

■方法——一分为四法

£♦十六进制01234567

二进制00000001001000110100010101100111

十六进制89ABCDEF

二进制10001001101010111100110111101111

例如(1E4.2A)16=(000111100100.00101010)2

=(111100100.0010101)2

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1.2.4二进制数在计算机内的表示

■计算机中整数一般用定点数表示。

定点数指小数点在数中有固定的位置。

♦整数（不带符号的整数）

-8位:0〜255,16位:0〜65535

♦带符号整数符号位（0:正；1:负）

,最高位为符号位（原码表示法）

，8位：428727,16位：-32768T32767

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实数的表示

■计算机中实数一般用浮点数表示。

浮点数指小数点在数中位置不固定。

♦一个浮点数由阶码（指数）和尾数两部分组成。

♦阶码：尾数中的小数点应当向左或向右移动的位

数。

♦尾数：表示数值的有效数字，其小数点约定在数符

和尾数之间。

例J：100.101=2+3X0.100101

0100101011

数符尾数阶符阶码

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1.3常见的信息编码

■十进制数的编码与表示

■西文信息的编码与表示

■中文信息的编码与表示

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1.3.1BCD(二-十进制编码)

BCD码

BCD(BinaryCodeDecimal)码是用若干个二进制

表示一个十进制数的编码，BCD码有多种编码方

法，常用的有8421码。

8421码是将十进制数码0〜9中的每个数分别用4位

二进制编码表示，对于多位数，只须将它的每一

位数字用8421码直接列出即可。例如，十进制数

转换成BCD码如下：

(1209.56)10=(0001001000001001.0101

OHO)BCD

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1.3,1十进制数的编码与表示

十进制数8421码十进制数8421码

000001000010000

100011100010001

200101200010010

300111300010011

401001400010100

501011500010101

601101600010110

701111700010111

810001800011000

910011900011001

48

1.3.2西文信息的编码与表示

♦字符编码(CharacterCode)就是用二进制编码来表示

字母、数字以及专门的符号。

♦在计算机系统中有两种重要的字符编码方式：ASCII

和EBCDIC。EBCDIC(扩展的二一十进制交换码)是

西文字符的一种编码。采用8位二进制表示，共有256

种不同的编码，可表示256个字符。

♦目前计算机中普遍采用的是ASCII(American

StandardCodeforInformationInterchange)码，即美

国信息交换标准代码。

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西文信息的编码与表示

数字一二进制数

字符一二进制编码

字符编码：每个字符对应一个整数值

字符编码标准：

ASCII码：美国标准信息交换代码(American

StandardCodeforInformationInterchange)

规定：字节(8位)最高位为0,7位给出128个编码。

00010101

b7b6b5b4b3b2瓦b0

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西文信息的编码与表示

编码字符或动作对应十进制教

0111101A61

100000165

a

110000197

换

行

000101010

响

铃

0000111回7

车

000110113

128种字符：95个可见字符，33个控制字

符；

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1.3.3汉字编码

■汉字字符集与编码

♦1981年，GB2312.80国家标准，其中有6763

个汉字和682个非汉字字符，其字符及编码

称为国标码又叫国际交换码。

♦GB2312字符集的构成：

/一级常用汉字3755个，按汉语拼音排列

/二级常用汉字3008个，按偏旁部首排列

/非汉字字符682个

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1.3.3中文信息的编码与表示⑴

♦汉字也是字符，是中文的基本组成单位。

♦汉字数量大（目前汉字的总数已超过6万个）、

字形复杂、异体字多、同音字多。

♦汉字信息的处理相对较复杂，汉字信息的处

理一般包括汉字的编码、输入、输出、存储、

处理与传输。

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1.3.3中文信息的编码与表示⑵

1.汉字字符集与编码：1981年我国颁布了《信

息交换用汉字编码字符集—基本集》

（GB2312-80）o

2.汉字的输入：（1）数字编码、（2）拼音编码、（3）

字形编码

3.汉字的机内码：是指计算机系统内部为存储、

处理和传输汉字而使用的代码，简称内码，

是汉字在设备或信息处理系统内部最基本的

表达形式。

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汉字编码

4、汉字的输出：如要显示或打印出来，必须把

汉字的机内码转换成人们可以阅读的方块字

形式。

5、汉字信息处理的工作过程

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汉字编码（续）

■输入码

♦数码：由数字组成的编码，代码和汉字一一对应，无重

码，但编码规则较难记忆，如区位码，电报码。

♦音码：用汉字拼音字母组成的编码，容易学，但重码多,

输入速度不高，如拼音码等。

♦形码：把汉字的基本构件偏旁、部首和字根等分类，和

不同的键相对应，如五笔字型码、表形码、首尾码等。

♦音形码：根据汉字的读音并兼顾汉字字型而设计的编码,

如自然码、声韵部形码、快速输入码等。

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汉字编码

■汉字国标码(GB2312—80)

每个汉字占两个字节。

一级汉字：3755个；二级汉字：3008个。

汉字分区，每个区94个汉字。

区号区中位置

■机内码

计算机系统内部处理和存储汉字时所用的代码，简

称内码。

汉字国标码汉字内码

中8680(0101011001010000)B(11010110U010000)B

华5942(0011101100101010k(1011101110101010k

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汉字编码（续）

输出码：又称字型码或字模点阵码。

/点阵字形（“I”表示对应位置是黑点、“0”

表示是空白）

/轮廓字形（用曲线描述，精度高、字形可变，如:

Windows中的TrueType）

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汉字编码（续）

汉字字形码0123456789101112131415十六进制码

00300

1□□0300

点阵：汉字字形点阵的代码2□□0300

3•••0304

4□□□□□□□□□□□□□□□■FFFE

5nn0300

有16X16、24X24、32X32、48X486••0300

70300

8□□0300

等编码、存储方式简单、无需转换直9□□•0380

10*••0640

11••■0C20

接输出，放大后产生的效果差12••••1830

13•••1018

14•••200C

矢量：存储的是描述汉字字形的轮廓15*••••c007

特征

矢量方式特点正好与点阵相反

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1.3.4计算机中信息的表示

■在计算机中把符号位和数值一起数码化

来表示相应的真值，此编码称为机器码。

有原码、反码、补码等方法。

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数据在计算机中的表示方式

机

器

数

/

真

值

即：+77­►01001101

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计算机中信息的表示

■原码：将整数化为二进制数，符号位

置0（正数）或1（负数）

■负数的反码：符号位为L绝对值部分

与原码相反。

■负数的补码表示：符号位也是“1”，

其余为反码的最低位加“1”。

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原码表示法

■原码的最高位为符号位；其余的位是真值X的绝对值。

■定点小数的原码j\>

LrrIAY1zYA勺nU

[XI

原11-X=1+|X|02X>-1

例x=+0.1001[x]原=0.1001；1001["原=1.1001

■定点整数的原码

n

「」rX2>Xm0

X原二j

nn

I2-x=2+1XI0与x〉-2n

例X:-1011101[x]原=11011101

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原码表示法

1.原码：用最高位表示符号位，符号位为0,则

表示正数；符号位为1,则表示负数。

十进制二进制真值原码

87101011101010111

-87-101011111010111

127111111101111111

-127-111111111111111

0000000000000000

-0-ooooooo10000000

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反码表示法

■正数的反码同原码;

■负数的反码只需将其相应正数的原码按位求反;

■负数的反码是将该负数的原码符号位不变，其

他位取反。

例：X=-1101001

则［-x］原=onoiooi［x］反=10010110

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反码表示法

反码：原码变反码规则为：正数的反码和其原

码形式相同，负数的反码是将符号位除外，

其他各位逐位取反。

二进制真值原码反干马

+10101110101011101010111

-10101111101011110101000

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补码表示法

■正整数的补码与原码相同；

■负数的补码等于其反码末位加1。

例：x=-o.1011

则［X］反=1.0100［X］补=1.0101

X=-1011000

则［X］反=10100111［X］补=10101000

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补码表示法

3.补码：补码规则为：正数的补码和其原码形式相同，

负数的补码是将它的原码除符号位以外逐位取反（即

0变为1,1变为0）,最后在末位加1。

十进制二进制真原码补码

值

86+1010110