第1章 信息与计算机

计算机基础

陈怡疆

cyj@

计算机科学系

用户：jichu密码：2011

第一章信息与计算机

1.1信息

1.1.1信息概述

1.1.2信息技术的发展

1.1.3计算机技术的发展

1.2计算机中的信息表示

121进位计数制

122不同记数制之间的转换

123计算机使用二进制数

124计算机信息编码技术

1.3计算机系统

1.3.1硬件系统

1.3.2软件系统

信息-信息概述

1.信息定义：

信息是人类一切生存活动和自然存在所传达的信号和消息，是人类

社会所创造的全部知识的总和。

信息具有以下几个特征：

不灭性。物质和能量是不灭的，但物质和能量的存在形式可以改变。信

息是事物运动的状态和方式，所以信息也是客观存在的、不灭的。但某

些信息具有时效性，如天气预报信息、新闻信息等。过时的信息虽然存

在，但已降低或失去使用价值。

可存储性。信息通过采集或创造，借助于载体可以保存，使其重复、长

磊余微晶成耨息采集或创造需要大量投入’而信息的复制只需

可处理性。一般信息要经过处理才有使用价值，就像物质需要经过加工

制造一样。人们可以对信息进行计算、d_类、汇.总_、排...序..、.压缩.、一形式、

转换等，使原信息增值，为不同的信息使用者提供所需的有价值的信息。

可重用性。信息的可重用性源于信息可传递和可复制，低廉的信息传递

和复制费用方便了信息的重用，使人类可共享信息。但时刻不要忘记，

信凰是有价值的，有产权的。分享别人的信息必须遵守法律法规，遵守

社荟道德准则。

信息-信息概述

2.信息技术IT(InformationTechnology)

信息技术是人类开发和利用信息的方法和手段。

信息技术包括信息的产生、收集、表示、存储、

传递、处理、利用等方面的技术。信息技术涵盖

了计算机技术、通讯技术、多媒体技术、信息处

理技术等。信息技术的基础是微电子技术。与信

息技术相关的技术有自动控制技术、传感技术、

新材料技术等。

信息-信息概述

3.信息产业(IT产业)

社会经济活动中从事信息技术、设备、产品的生产以及提供信

息服务的产业部门的总称，是一个包含信息采集、生产、检测、

存储、传递、处理、分配、应用等门类众多的产业群”。信息产

业的产品和信息资源、信息技术有关。

具体地，信息产业可划分为：

(1)信息技术研究及设备制造业

(a)微电子技术及器件制造业(b)计算机技术及软硬件制造业

(c)通讯与网络技术及设备制造业(d)多媒体技术及设备制造业

(2)信息服务业

(a)科技情报服务(b)图书档案服务(c)标准服务(d)专利服务

(e)计算机信息处理⑴软件生产(g)通讯网络系统

(h)数据库开发应用(i)电子出版物(j)办公自动化

(k)网络信息与咨询服务等。

信息-信息概述

4.信息文化

信息文化也称信息素养。

□能够有效地、高效地获取信息；

□能够熟练地、批评性地评价信息；

□能够精确地、创造性地使用信息；

□能够探索与个人兴趣有关的信息；

□能够欣赏作品及其他对信息进行创造性表达的内容；

□能够力争在信息查询和知识创新中做得最好；

□能够认识到信息对民主化社会的重要性，并对社会做出积极

贝献；

□能够实行与信息及信息技术相关的符合伦理道德的行为；

能够积极参与活动来探求和创造信息。

信息-信息概述

5.信息社会

信息社会具有下列主要特征：

■信息成为重要的战略资源

■信息业上升为最重要的产业

■信息网络成为社会的基础设施

信息一信息技术的发展

■语言的产生、文字的使用和印刷术的发明，是人

类文化发展史上的三个里程碑

■以计算机技术为中心，以通信技术为传播途径，

使人类文明发展越过第四个里程碑

信息技术的新进展主要体现在以下三个方面：

■因特网应用持续扩展

■移动电话方兴未艾

■数码产品蓬勃发展

信息一计算机技术的发展

计算机发展的四个时代：

■电子管第一代计算机

■晶体管第二代计算机

■集成电路第三代计算机

■大规模集成电路第四代计算机

信息表示-计算机使用二进制数

计算机采用二进制数来表示数据，有如下好处：

1.可行性

硬件上可以使用多种方式实现：开关的接通与断开，晶体管

的导通与截止，电压的低和高，脉冲的有和无等等。

2.简易性

二进制计算比较简单，例如：加减法

3.逻辑性

二进制的0和1,可以和逻辑代数中的“假”和“真”对应起

来，使计算机方便实现逻辑运算。

二进制算术运算表

ABA+BA-BA*BA/B

00000

011-100

10110

1110011

信息表示-进位计数制

Decimal

■十进制（用D表示）:十进制基数是10,各数位的

权是以10为底的幕

123.45=1X102+2X101+3X10°+4X10-1+5X10-2

■二进计数制（用B表示）：基数是2,各数位的权

是以2为底的幕

Binary

101.11(B)

=1X22+0X21+1X2°+1X2-1+1义2-2

=4+0+1+0.5+0.25=5.75(D)

信息表示-不同记数制之间的转换

■二进制转换成十进制：

1101.01(B)

=1X23+1X22+OX21+1X2°+0X2-1

+1X2-2

=13.25(D)

信息表示-不同记数制之间的转换

■十进制数转换成二进制数:十进制整

数转换成二进制整数采用逐次除2取

余法

83(D)=2〜

241-

2|200一

2100—

251

220

2|11

0》

83=1X26+0X25+1x24+0x23+0X22+lX21+1X20

41=1X25+0X24+1x23+0x22+0X2"1X2°

信息表示-不同记数制之间的转换

■十进制小数转换成二进制小数：十进制小数

转换成二讲制小数采用连续乘2取整法

0.8125

可得:

(0.8125)10

=(0.1101)

234

(0.8125)1。=1X2-1+1x2-+0x2-+1X2-=(0.1101)2

信息表示--不同记数制之间的转换

■二进制数与十六进制数之间的关系

一个数据用二进制表示往往位数很多，不便

于阅读与书写，而把二进制数转化为十六

进制后，人们就可以较方便书写与阅读了。

hex[heks]n.十六进制例子：(E)H+(5)H=(13)H

10进制数2进制数16进制数

o00000

100011

200102

300113

401004

501015

601106

701117

810008

910019

101010A

111011B

121100C

131101D

141110E

151111F

16进制与二进制的互换

24=16,因此四位二进制数刚好对应一位

十六进制数，一个字节刚好可以表示2位

十六进制数。

二进制转化为十六进制数采用四位并一法

例子：110110001.001101

补零00011011000L00110100

化为16进制1B134

信息表示■不算机信息编码技术

1.数值型数据的编码

([)真值

届生活中表示数的时候,如果是正数一般在数值前面加一个

“+”号或数值前不写任何符号；如果是负数，则必须在数值

前面加一个号。这种由正负号表示的数值称为真值。

例如：-324,+45,45

(2)机器数

但计算机中，号和号也必须用计算机能识别的0、

1代码表示。在计算机中通常采用。表示数值的正号，用1表

示数值的负号，这样符号就数字化了。

为了能区分符号和数值，约定数的第一位为符号位，。表

示正，1表示负。这种在计算机中连同符号一起数字化的数

称为机器数。

例如：一个占8个二进制位的数，真值为+1101(B),则

机器数为00001101；如果真值为-1001(B),则机器数为

10001001o机器数中第一位为符号位，其余7位为数值位，

不足7位数值时，左边补0。

(2)原码、反码和补码

为了简化运算，计算机中通过引入数值的

反码和补码表示形式。

数值采用补码形式表示后，运算时不用单

独考虑符号位，即把符号位并入数值位

同时参加运算，这样可以将减法运算转

换为加法运算。

信息表示-计算机信息编码技术

1.数值型数据的编码

(3)数的定点表示与浮点表示

在讨论数值型数据时，经常用到数值范围和精度这

两个概念。数值范围是指数据所能表示的最大

值和最小值；数据精度是指数据的有效数字位

数。在计算机中，数值范围和精度不仅与储存

数据的空间大小有关，还与数据的表示方法有

关。

计算机中二进制数的表示方法有定点表示(定点整

数和定点小数)和浮点表示两种。

1)数的定点表示

在机器中，小数点位置固定的数称为定点数。

(a)一般纯小数采用定点小数表示法。

定点小数表示法把小数点固定在符号位与最高位之间；

纯小数：+0.11010011018位定点小数:01101001

(b)纯整数采用定点整数表示法。

定点整数表示法把小数点固定在数的最低位之后。

纯整数：+100118位定点整数：00010011

定点数的特点：运算规则比较简单，但不适宜表示数值范围

变化比较大的数据。

8位定点整数的最大值：(01111111)B=(127)D

2）数的浮点表示

为了在有限位数的储存空间中，既扩大数的表示范围，又保

持数的精度，可采用小数点位置不固定（浮动）的方法，

即小数点位置根据数值大小确定。这就是数的浮点表示。

在浮点表示中，由于小数点浮动不固定，所以要用阶数和尾

数来表示一个完整的数。其中阶数表示小数点的位置，尾

数表示数的有效位。例如：

-1230=-0.123X104-12300000=0.123X107

任何一个二进制数都可写成：N=M*2E其中E称为阶码，

M称为尾数

1位1位

ElE2...EnMlM2...Mm

符号位符号位

阶符阶码数符尾数

信息表示-计算机信息编码技术

2.文字的编码

(1)字符编码(ASCII码)

键盘上的字符在计算机中都必须转换为二进制数，才能被识

另％现在绝大部分计算机的字符编码采用ASCII码。

ASCII码(AmericanStandardCodeForInformation

Interchange)即美国标准信息交换码，这一编码方案最

初是由美国制订，后来由国际标准组织(IS。)确定为国

际标准字符编码。为了和国际标准兼容，我国根据它制定

了国家标准，即GB1988。其中除了将货币符号转换为人

民币符号外，其他相同。

ASCII码采用七位二进制位编码，七位二进制数最多可表示

的字符数为128(27)。计算机中用8位二进制数(1字节)

存储一个ASCII码，将字节的最高位取0。

信息表示--计算机信息编码技术

2.文字的编码

(1)字符编码(ASCII码)

00000001001000110100010101100111

0000NULDLESP0@pp

0001SOHDC1■f1AQaq

0010STXDC22BRbr

0011ETXDC3#3CScs

0100EOTDC4$4DTdt

0101ENQNAK%5EUeu

0110ACKSYN&6FVfV

0111BELETB7Gwgw

1000BSCAN8HXhX

)■

1001HTEM9IY1

(■y

1010LFSUB*■JZJz

1011VTESC+■Krk

1100FFFS9<LV11

1101CRGS—=M1m

1110SORS■>NAn

1111SIUS/9■O_oDEL

信息表示-计算机信息编码技术

2.文字的编码

(2)汉字编码

汉字信息处理过程包含三个环节：即文字信

息的输入、处理和输出，因此汉字编码分

为输入码、内码、字形码。

输入农字

辆入处射序蝌出处理程序输出汉字

输入码内码字形码

信息表示--计算机信息编码技术

2.文字的编码

（2）汉字编码

①内码

汉字内码是指汉字在计算机内部进行存储、传递和运算所使用的数

至代码。汉字的输入方式可以不同，但是对于每一个汉字，它的

有码是固定的，即每个汉字有唯一的内码。

我国国家标准局公布的“信息交换用汉字编码字符集基本集”即

GB2312-80作为国家标准，共收录最常用汉字（俗称一级汉字）

3755个和次常用汉字（俗称二级汉字）3008个，各种符号、图

形682个，总计7445个。规定用两个字节存储一个汉字。为了区

别汉字和英文字符，英文字符的机内代码（ASCII码）是7位二进

制，其字节的最高位为“0”，汉字机内码中两个字节的最高位均

为“["O

随着计算加的应用范围的扩展，7445个汉字与图形明显不能满足汉

字处理的需要。从2001年1月1日开始执行新的GB18030标准，

GB18030标准采用单、双、四字节混合编码，新的汉字编码字符

集包含27000多个汉字和少数民族文字，并与旧标准兼容。

信息表示-计算机信息编码技术

2.文字的编码

(2)汉字编码

②输入码

借助于标准键盘，用英文字母和数字组合进

行汉字输入，即用若干个键代表一个汉字。

这组字母数字串称为汉字的输入码。

汉字输入码主要有按数字编码、按拼音编码、

按字形编码和按音形编码四类。

信息表示--计算机信息编码技术

2.文字的编码

（2）汉字编码

③汉字字形码（字模码）

汉字字形码（字模码）用于显示或打印汉字

时产生的字形。字形码有点阵方式字形码

和矢量方式字形码两种。

一个汉字信息系统具有的所有汉字字形码的

集合构成了汉字库。

信息表示-计算机信息编码技术

2.文字的编码

(2)汉字编码

③汉字字形码(字模码)

根据输出汉字的质量要求不同，汉字点阵的多少也

不同。点数越多，汉字输出的质量越高。点数的

多少以横向点数乘纵向点数表示。目前在微机中,

普遍采用16X16,24X24,32X32,48X48的

字形点阵，图124是一个16X16的字形点阵。

不同字体的汉字需要不同的点阵字库

信息表示-计算机信息编码技术

2.文字的编码

(2)汉字编码点阵方式字形码

③汉字字形码(字模码)

汉字字形码0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

0001111111111000

0001111111111000

0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

0111111111111110

0111111111111110

0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

0000000000000000

二字的点阵图字形码

计算机系统

运菖器

广中央处理器

控制器

津机1

内存储器（主存）

「硬件系统V

「输入设备

外部谡备V输出设备

计算机系统I外存储器（辅助存储器）

/操作系统

实用程序

「系统软件

程序设计语言与语言处理程序

（软件系统

I数据库管理系统

'应用软件

计算机系统■■硬件

计算机硬件系统的基本功能是在程序的控制下实现

数据输入、数据存储、数据处理和数据输出等操

作。

计算机硬件仍然采用冯・诺伊曼提出的传统结构，即

计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输

入设备和输出设备五部分组成。

运算器和控制器合在一起称为中央处理器(Central

ProcessingUnit,CPU)O微机的CPU由大规模集

成电路实现，并集成在小硅片上，称为微处理器

(pP,Micro-processor)o

计算机系统■■硬件一中央处理器

运算器和控制器合在一起称为中央处理器

□运算器

■运算器的运算包括算术运算和逻辑运算。

■算术运算指加、减、乘、除等算术操作；逻辑运

算指逻辑乘（与）、逻辑加（或）等逻辑操作。

■在运算过程中，操作结果暂时存放在运算器的累

加器中。

□控制器

■控制器是计算机的控制部件，它根据内存中的程

序控制和协调计算机各部件有序地工作

计算机系统■■硬件

■存储器

存储单位

□存储器的度量单位。

最小的存储单位是比特（bit,简写b）,它表示一个二进制

位。

字节（byte,简写B,1B=8b）

千字节（简写K或者KB,1KB=1024B=210）

兆字节（简写M或者MB,1MB=1024KB=220）

□吉字节（简写G或者GB,1GB=1024MB=230）

存储器的容量是以字节为基本单位的。每个英文字母要占

一个字节，一个汉字要占两个字节。

计算机系统■■硬件

■存储器

存储器分类：内存储器和外存储器

□内存储器(又称主存储器，MainMemory)

■通过系统总线与CPU直接相连的存储器称为内存

储器，用来存放当前正在使用的或随时要使用的

程序或数据，位于主板上。

■内存储器分为只读存储器、随机读/写存储器和高

速缓冲存储器三类。

□只读存储器(ROM)：只读存储器的内容只能读出而不能写

入，断电后信息不丢失。

□随机读/写存储器(RAM)：随机读/写存储器的内容既可以读

出，又可以修改，重新写入。但是，断电后RAM中的信息

将丢失。外存储器(又称辅助存储器，AuxiliaryMemory)0

□Cache即高速缓冲存储器，容量小，但存取速度较RAM快。

计算机系统■■硬件外存储器

□外存储器

外存储器不直接与微处理器打交道，要使用外存中的

数据必须先将其调入内存，再由处理器进行处理。其

上数据断电后仍然存在。

(1)硬盘

■每个硬盘由一组盘片组成，每个盘片的每面对应一个磁

头，每盘面上又划分磁道、磁道又划分扇区。

■硬盘的存储容量为：

盘面数义磁道数(柱面数)义扇区数X512(Byte)

■特点：存储容量大、可靠性高

计算机系统■■硬件外存储器

(2)光盘

■分为只读型(CD-ROM)、只写一次型(CD-R)和可擦

写型(CD-RW)。

■容量为650M

■一般的光驱只能读取光盘，只有称为刻录机的光盘

驱动器才具有对光盘的写入功能，但也只能对可写

性光盘进行写操作

■DVD全称为Dig让alVersatileDisc(数字通用光

盘)，同CD相比,DVD具有更高的存储数据量

■DVD-ROM读取DVD盘片

计算机系统■■硬件外存储器

(3)优盘

■“移动存储器”，要通过USB接口与电脑相

连，属即插即用设备，可带电插拔，在

Window2000或XP系统下无需安装驱动程序

就能直接使用，在Windows98下需要安装驱

动程序。

■U盘的内部封装半导体存储芯片，这一芯片

被称为FlashMemory(即“闪存”).

■容量大，存储速度快，体积小，便于携带，

性能可靠等。

存储系统的三级层次结构

■CPU并不直接与外存储器

交换数据，而是采用速度

快的内存与之交流

■微机中一般都在CPU与内

存之间放置高速缓存。高

速缓存的速度接近CPU的

速度。

■高速缓存将该段时间常用

指令先由内存读入，CPUm®犬®

需要时先在高速缓存中寻

找，如果都找到，就不需

再访问内存。

输入设备

■掌握各设备的用法

□键盘

□鼠标

□麦克风

□手写输入设备

■手写板和手写

输出设备

■显示器：阴极射线管显示器和液晶显示器

显示器和显示适配器配套使用

□阴极射线管显示器

■技术指标，分辩率、颜色数或灰度级、刷新频率。

□分辩率：分辩率是指整屏能显示的像素的多少。分辩率

越高，图像越清晰。

□颜色数或灰度级：颜色数指一幅彩色位图图像中最多能

使用的颜色数，而黑白图像则用灰度级来表示明暗程度。

□刷新频率指每秒钟出现新图像的数量，单位为Hz（赫

兹）。刷新频率越高，图像的质量就越好，闪烁越不明

显。

输出设备■■显示器

□液晶显示器

■性能指标：亮度/对比度、响应时间和可视角度

口亮度以平方烛光(cd/m2)为测量单位。一般而

言，整个画面亮度越高同时亮度越均匀越好

□对比度则是最大亮度和最小亮度值的对比值,

对比度越高，图像愈清晰。

□响应时间是指液晶显示器上各像素点对输入

信号反应的速度。响应时间越小，响应越快。

□液晶显示器在一定的观赏角度范围内，才能

够获得最佳的视觉效果，这个角度就是可视

角度。

输出设备

■打印机

□点阵针式打印机：通过打印头中的钢针打击色带，在

打印纸上以点阵形式构成字符。速度慢、打印质量差

且打印过程中噪声大。

□激光打印机：印刷原理类似于静电复印。输出速度快、

打印质量高。

□喷墨打印机：将墨水直接喷到纸上实现印刷。印刷质

量好，但速度和质量比不上激光打印机。

■绘图仪

□用于一些工程设计图的输出

总线

■按连接方式分

□内鄢总线：内部总线是同一功能部件内部各

部件之间的总线。

口系统总线：系统总线是计算机系统内部各部

件之间的总线，

□外部总线：多台计算机之间及计算机与其他

设备之间的总线，用于设备级的互连。

CPU内存外设控制器■-----

总线

■总线的组成

□数据总线：传送数据的总线称为数据总线。数据总线的数

量一般和CPU的字长相同，它决定了CPU和计算机其它部

件之间每次交换数据的位数。

口地址总线：传送地址信息的总线称为地址总线。它用于传

送CPU发出的地址信息

-地址总线的数量限制了CPU的最大寻址能力，也就是计算机

所能配置的最大内存容量。例如，80286CPU有24根地址线,

其最大寻址能力为224个地址，即16MB,可配内存最大容量

为16MB。

□控制总线：传送控制信息的总线称为控制总线。

■通用串行总线(USB,UniversalSerialBus)一种外部总线

□USB接口提供了外部设备和主机的无接口卡连接方式。

■■卫计算机系统主要技术指标

■字长

□字长表示CPU在一次操作中能处理的最大二进位数。字长越长，CPU可同时

处理的数据位数就越多，功能就越强。

■时钟周期和主频

时钟周期的长短反映出计算机的运算速度。时钟频率是时钟周期的倒数，

它等于CPU在1秒钟内能够完成的工作周期数，称为主频。主频越高，计算

机的运算速度越快。

■运算速度：MIPS(百万条指令/s)。

■内存容量：内存容量以字节(Byte)为基本单位。运行速度很