计算机的基础知识

第一章

计算机基础知识

1.1计算机概述

■什么是计算机？

计算机是一种高效的信息处理工具，它具有快速运算、逻辑判

断能力和强大的记忆功能，是一种按照指令对数据和信息进行

自动处理的电子设备。

掌上电脑笔记本电脑台式电脑

图灵：英国数学家，最

早提出计算机概念。

1936年，24岁的英国数学家图灵通过数学

证明得出：理论上存在通用数字计算机。

•图灵把人在计算时所做的工作分成五步：

1、存储器；2、一种语言；3、扫描；4、计算

意向；5、执行下一步计算

•这样人的计算过程机械化了。

冯・诺依曼：美籍匈牙利科学家,

计算机之父，最早定义计算机五

大部件并描述功能的人。

1、运算器(CA)

2、逻辑控制器(CC)

3、存储器(M)

4、输入装置(I)

5、输出装置(0)

1.1.1计算机的发展史

一、早期的计算装置

二、电子计算机的四个发展阶段

、早期的计算装置

中国古代算筹

中国古代使用的算筹多用竹子或木头制成，

据古书记载，算筹一般长为13~14cm,直径

0.2-0.3cm,约二百七十枚为一束，放在布袋

里随身携带。纵式和横式两种不同的摆法来表

示任意自然数。从而进行加、减、乘、除、开

方以及其它的代数计算。负数出现后，算筹分

红黑两种，红筹表示正数，黑筹表示负数。这

种运算工具和运算方法，在当时世界上是独一

无二的。我国古代著名的数学家祖冲之，就是

借助算筹计算出圆周率的值介于3.1415926和

3.1415927之间；

算盘

随着计算技术的发展，在求解一些更复

杂的数学问题时，算筹显得越来越不方

便了。于是在大约六、七百年前（公元

1350年左右），中国人发明了算盘，它结

合了十进制计数法和一整套计算口诀，

一直沿用至今，被许多人看作是最早的

数字计算机。

手摇计算机

■手摇计算机是1878年由一位在俄国工作的瑞

典发明家奥涅尔制造的，这是一种齿数可变的

齿轮计算机。在20世纪最初的二三十年间，手

摇计算机已成为人类主要的一种计算工具。

■手摇计算机一般只能做四则运算，平方数，立

方数、开平方，开立方，如果需要输入三角函

数和对数，都需要查表。使用中的正摇几圈，

反摇几圈，还要用纸笔记录。曾被用于我国第

一颗原子弹的研制。

计算器

中国的“两弹一星”

■“两弹一星”是指原子弹、导弹和人造卫星。

“两弹”中的一弹是原子弹，后来演变为原子

弹和氢弹的合称；另一弹是指导弹；“一星”

则是人造地球卫星。1964年10月16日我国第

一颗原子弹爆炸成功，1967年6月17日我国第

一颗氢弹空爆试验成功，1970年4月24日我国

第一颗人造卫星发射成功。中国的“两弹一

星”，是20世纪下半世纪中华民族创建的辉煌

伟业。

(2)冈特计算尺

英国人冈特生于1581年，在牛津大学获得

硕士学位，后来在格雷沙姆学院任教授。

1621年，冈特在一根木尺上标上对数刻

度，制造出世界上第一把对数刻度尺，人们

把它称为冈特尺。利用两脚规，就可以在冈

特尺上进行对数的加减，免去查对数表的手

续，从而给数的乘除带来了方便。冈特的对

数刻度尺开创了“模拟计算”的先例，是世

界上最早的模拟计算工具。

(3)机械式计算工具

达,分奇

欧洲文艺复兴时期的画家达・芬奇是一位旷世

奇才，他在科学方面的造诣丝毫不亚于其艺术

成就，他很早就提出过计算工具的设想。后人

在达・芬奇的手稿中，发现了关于机械式计算

工具设计方案的记录。

后人根据达芬奇的手稿仿制出了机械式

计算器。

/机械式

?oor计算器

希克尔德的创意

德国科学家希克尔德被许

多人认为是世界上真正的第一

台计算机的发明人，后人在他

的手稿中发现了他对计算机的

设计草图和详尽的文字描述，

并在1960年根据其方案成功

仿制了一台机械式计算机。

帕斯卡加法机

刀快

1642BlaisePascal

1642年，法国数学家、物理学

家和思想家帕斯卡发明加法机，这

是人类历史上第一台机械式计算机,

其原理对后来的计算机械产生了持

久的影响。

从帕斯卡加法机中得出结论

人的某些思维过程与机械过程没有差

别，因此可以设想用机械模拟人的思维活

动。

1971年瑞士人沃斯把自己发明的高级

语言命名为Pascal,以表达对帕斯卡的敬

O

(4)莱布尼兹乘法机

1673年，德国数学家莱布尼兹发

明乘法机，这是第一台可以运行完整的

四则运算的计算机。莱布尼兹同时还提

出了“可以用机械代替人进行繁琐重复

的计算工作”的伟大思想，这一思想至

今鼓舞着人们探求新的计算机。

莱布尼兹因独立发明微积分而与

牛顿齐名，并被《不列颠百科全书》

列为“西方文明最伟大的人之一”O

据记载，莱布尼兹曾把自己的乘

法机复制品送给康熙皇帝。

莱布尼兹认为，中国

的八卦是最早的二进制

计数法。在八卦图的启

迪下，莱布尼兹系统地

提出了二进制运算法则。

八卦

(5)巴贝奇分析机

1822年，英国数学家巴贝奇发明分析机，

专门用于航海和天文计算。这是最早采用寄存

器来存储数据的计算机，体现了早期程序设计

思想的萌芽。

心心第一台分析机从设计到制造完成，花费了

整整十年。它可以处理3个5位数，计算精度达

到6位小数。

巴贝奇分析机特点：

采用了三个具有现代意义的装置：

»保存数据的寄存器（齿轮式装置）；

»从寄存器取出数据进行运算的装置，并且机器

的乘法以累计加法来实现；

»控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出

结果的装置。

（6）赫尔曼•霍勒斯博士

1884年，赫

尔曼・霍勒斯博

士发明穿孔卡

片，这是电脑

软件的雏形。

赫尔曼•霍勒斯制表机

1888年，赫尔曼・霍勒斯又发明了制

表机，它采用穿孔卡片进行数据处

理，并用电气控制技术取代了纯机

械装置。

F

E

S

U

U

a

*

s

1890年，美国人口普

查全部采用了霍勒斯

制表机。在1900年

美国人口普查中，由

于采用了制表机，全

部统计处理工作只用

了1年零7个月时间。

计算效率大大提高。

霍勒斯于1896年创立了制表机公司，1911年

该公司并入CTR（计算制表记录）公司，这就

是著名的旧M公司的前身。1924年，托马

斯・沃森一世把CTR更名为旧M。

制表机公司CTR-IBM

(7)二极管

1904年，英国人弗莱明发明真空电子二极管。

电子管的诞生，是人类电子文明的起点。

弗莱明真空二极管的发明得益于爱迪生发

现的“爱迪生效应”。

mlua

才

二

「

2-妻字-^-

(8)三极管

德弗雷斯特

1906年，美国人德弗雷斯特发明电子

三极管，并在研究中发现，三极管可以

通过级联使放大倍数大增，这使得三极

管的实用价值大大提高，从而促成了无

线电通信技术的迅速发展。德弗雷斯特

因发明三极管而被称为“无线电之父”。

(9)朱斯的Z系列计算机

1938年，德国科学家朱斯制

造出Z」计算机，这是第一台采

用二进制的计算机。在接下来的

四年中，朱斯先后研制出采用继

电器的Z・2、Z・3和Z・4。

Z-3使用了2600个继电器,

它在1944年美军对柏林进行的

空袭中被炸毁。

(10)“巨人”计算机

1943年，英国科学家研制成功第一台“巨人”

计算机，专门用于破译德军密码。“巨人”算

不上真正的数字电子计算机，但在继电器计算

机与现代电子计算机之间起到了桥梁作用。

第一台“巨人”有1500个电子管，5个处理

器并行工作，每个处理器每秒处理5000个字

母。二战期间共有10台“巨人”在英军服役,

平均每小时破译11份德军情报

(11)艾肯的MARK—I

1944年，美国科学家艾肯在旧M的支持下，

研制成功机电式计算机MARK』。这是世界上

最早的通用型自动机电式计算机之一，它取消

了齿轮传动装置，以穿孔纸带传送指令。

MARK」外壳用钢和玻璃制成，长15米，高

2.4米，自重31.5吨，使用了15万个元件和800

公里电线，每分钟进行200次运算。

(2)ENIAC诞生

1946年2月15日，世界上第一台通用数字

电子计算机ENIAC的问世，宣告了人类从此进

入电子计算机时代。

二电子计算机的四个发展阶段

■1.电子管时代

■2.晶体管时代

■3.中小规模集成电路时代

■4.大规模集成电路时代

1.电子管时代（约1946〜1957年）

1946年2月15日，在美国宾夕法尼亚大学诞

生世界上第一台通用数字电子计算机ENIAC研

制成功，承担开发任务的“莫尔小组”由埃克

特（总工程师，当时年仅24岁）、莫克利、

戈尔斯坦（数学家）、博克斯（逻辑学家）组

成。

ENIAC：

它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电

容，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000

次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手

工计算的20万倍。长30.48米，占地面积170平方米，

30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达

30吨，耗电量140千瓦，造价48万美元

缺点：配线、存储量太小

特点：计算机语言是机器语言和汇编语言。

主要应用：科学计算

ENIAC编程，从事计算的科学家看上去更像在干体力活

2.晶体管时代（约1959T964）

这一代计算机采用了晶体管代替了电子管，晶体管体积

小、重量轻、寿命长、发热少、功耗低，电子线路的结

构大大改观，运算速度则大幅度提高。

特点：速度每秒百万次，使用磁心存储器为主存储器，

磁盘为辅助存储器，存储容量大。

计算机语言：高级程序设计语言。

主要应用：数据、事务处理，工业控制。

3.中小规模集成电路时代(约1964-1970)F

■1964年4月7日，IBM推出IBM360系列机，采用大规模集成电路

取代磁芯进行存储，以中小规模集成电路作为逻辑元件，被称

为第三代计算机。这代计算机的主要标志是逻辑电路采用集成

电路。

■集成电路：把几十个或几百个分开的电子组件集中做在一块几

个平方毫米(mm2)的单晶体硅片上。集成电路不仅体积小，

耗电更省，而且寿命大大延长。

特点：使用集成电路的半导体代替了原来磁心存储器，有磁盘和磁带

的外存储器，有了操作系统。

计算机语言：标准化程序设计语言和会话的BASIC语言。

主要应用：企业管理，自动控制，辅助设计，辅助制造。

4.大规模集成电路时代

（1971~至今或1988）

■进入20世纪60号代后，微电子技术发展迅猛，

先后出现了大规模集成电路和超大规模集成电

路。集成电路能集成十万到百万个晶体管。

■1975年旧M公司推出了个人计算机PC。

■笔记本电脑是第四代计算机的新贵。

特点：计算机体积更小，运算速度更快，存储容量更高,

大大减少了制造成本，这为计算机走入百姓家创造了不

可缺少的条件。

5.智能计算机时代（今~未来）

•1986年开始研制，最初由日本人提出，1988

年在日本召开了第五代计算机国际会议。

•智能计算机是一种有知识，会学习，能推理

的计算机。具有能理解自然语言，声音，文字

和图像的能力。

•例如：机器人，会下棋的“深蓝”等。

计算机基于构成物理器件的变化

1946-1957电子管计算机

1958-1964晶体管计算机

1964-1970中小规模集成电路计算机

1971-1990大/超大规模集成电路计算机

1990■未来智能计算机时代

1.1.2计算机的特点

1.运算速度快

2.计算精度高

3.记忆能力强

4.具有逻辑能力

5.可靠性高

6.通用性强

1.1.3计算机的分类

■按照处理数据形态分类：模拟计算机和数字计

算机。

■按照用途分类：专用计算机和通用计算机。

■按照性能分类：巨型机、大型机、中型机、小

型机、微型机

■按照工作模式：服务器、工作站

1.1.4计算机的应用

i.数值计算：

2.信息处理：

3.数据库应用：

4.自动控制：

5.辅助设计与制造：(CAD,CAM,CAT,CIMS)

6.人工智能(智能模拟)：

7.网络应用：

8.多媒体技术：计算机进入家庭

1.2数制与计算机中的信息表示

1.2.1计算机中的数制

两个概念：

基数:所谓基数(Radix)是指表示一个进位计数制

所需的不同符号的个数。

位权：一个数的每一个固定位置对应的单位值称

为位权，简称权。

计算机常用的进位计数制

十进制[D]R=10,可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

二进制[B]R=2,可使用0,1

八进制[0]R=8,可使用0,1,2,3,4,5,6,7

十六进制[H]R=16，可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F

“逢R进一，借一当R”

1.2.2二进制数据运算

1.算术运算:

■加法

0+0=00+1=11+0=11+1=0（进位）

■减法

0-0=01-0=11-1=00-1=1（借位）

■乘法

0x0=01x0=00x1=01x1=1

■除法

0+0=（无）1+0=（无）0+1=01^1=1

2.逻辑运算

♦逻辑加（逻辑“或”运算）

0+0=00+1=11+0=11+1=1

♦逻辑乘（逻辑“与”运算）

0x0=00x1=01x0=01x1=1

♦逻辑“非”运算（取反）

Not0=1Not1=0

123不同进制间的转换

1,二进制转换十进制（2—10）

■规则：

二进制转十进制时，将其按权的塞展开，并

求多项式的和（进行乘法和加法运算，得出结

果即可。）

例子：

1101.1B=13.5D

2.十进制转换二进制（10-2）

■规则：

十进制转换二进制时，需要整数部

分和小数部分分别进行转换。

■整数部分的转换规则：除2取余数方法

■小数部分的转换规则：乘2取整方法

整数部分的转换规则：除2取余数方法

①用2除，取其余数，作为转换后的二进制数的最低位,

即紧靠小数点左侧的整数位中的第一位。

②再用2去除所得的商，取其余数，作为转换后二制数

的高一位。

③重复②的步骤，直到商为0,结束转换过程。

④先余为低位，后余为高位，从高位到低位依次排列。

十进制化成二进制举例（整数）

小数部分的转换规则：乘2取整方法

①用2去乘给出的十进制数的小数部分，取乘积的整数

部分，作为转换后的二进制数的最高位，即紧靠小数点

右侧的小数位中的第一位。

②再用2去乘上一步乘积的小数部分，再取新乘积的整数

部分，作为二进制数中的低一位数字。

③重复②的步骤，直到乘积为。或已得到满足精度要求

的倍数，结束转换过程。

④先整为高位，后整为低位，从高位到低位依次排列。

X°K吩整数

十进制化成二进制入乙

举例（小数）1.6250...1

0.6250

（0.8125）10=（?）2X2

1.2500...1

0.2500

X2

0.5000…0

0.5000

(0.8125)I。=X2

(0.1101),1.0000...1V

3.其它进制之间的转换

(1)八进制转换十进制：

210

(710)=7x8+1x8+0x8=448+8+0=(456)

81in0

(2)十进制转换八进制：

十进制转换八进制时，需要整数部分和小数

部分分别进行转换。

■整数部分的转换规则：除8取余数方法

■小数部分的转换规则：乘8取整方法

■(A)十六进制转换十进制：

十六进制转十进制时，将其按权的哥展开，并求

多项式的和(进行乘法和加法运算，得出结果即

可。)

■(B)十进制转换十六进制：

■十进制转换十六进制时，需要整数部分和小数部分

分别进行转换。

■整数部分的转换规则：除16取余数方法

■小数部分的转换规则：乘16取整方法

(3)二进制数转化为八进制数

23=8,二进制数转换成八进制数，概括为

“三位合一”、即：

以小数点为基准，整数部分从右至左，小数部

分从左至右，每三位一组，不足三位时，整数

部分在高端补齐，小数部分在低端补齐。然后,

把每一组二进制数用一位相应的八进制数表示,

小数点位置不变，即得到八进制数.

举例:2进制到8进制

(001011010101110)2

13256为八进制的13256

(OilOil111.011100)2

337.34为八进制的337.34

(4)八进制数转化为二进制数

■规则：

■八进制数转换成二进制数，概括为“一位拆三

位”，即把一位八进制数写成对应的三位二进

制数，然后按权连接，再去掉首尾的零即可。

例如：

(163.64)8

001110011.110100

(5)二进制数与十六进制数互换

□2-16

・24=16,二进制数转换成十六进制数，概括为

“四位合一”、即：

■以小数点为基准，整数部分从右至左，小数

部分从左至右，每四位一组，不足四位时，整

数部分在高端补齐，小数部分在低端补齐。然

后，把每一组二进制数用一位相应的十六进制

数表示，小数点位置不变，即得到十六进制数。

举例:

(0001011010101110)2

16AE为十六进制的16AE

(onolooimi.oinlooo)2

69F.78为十六进制的69E78

□16―2

■十六进制数转换成二进制数，概括为“一位拆

四位”，即把一位十六进制数写成对应的四位

二进制数，然后按权连接，再去掉首尾的零即

可。

例如:

(C2.A8)16

11000010.10011000

1.2.4数据的存储单位

■位：一个二进制位称为1位或1个比特(bit)；

■字节：8个连续的二进制位(bit)组成1字节(byte;B),

1Byte=8Bit,通常把字节作为最小的存取单位；

10

1KB=2B=1024B

1MB=1024KB=1048576B

1GB=1024MB=1048576KB=1073741824B

1TB=1024GB=1048576MB=1073741824KB

■字:字是位的组合，记WORD或W,计算机字长是CPU一

次能处理的最大位数,、字越太、，计算机的能力越强。例

茹:8位、16位、32位、64位计算痂。

1.3汉字的计算机编码

1.西方字符编码

•字符：字符包括大小写26个英文字母,数

字，各种符号。

•目前普遍采用的编码是美国标准信息交换

码-ASCII码。ASCII码就是解决了一个以

数字形式表示文本的问题。

•ASCII规定：八个二进制位的最高位为零,

余下的位可进行编码。所以ASCII码是7位

0b6b5b4b3b2b1bO

ASCIIControlASCIIASCIIASCII

valueCharactercharactervalueCharactervalueCharactervalueCharacter

000(null)NUL032(space)064@096

001oSOH033I065A097a

002❸STX034066B098b

003VETX035#067C099c

004EOT036$068D100d

005呆ENQ037%069E101e

006AACK038&070F102f

t

007(beep)BEL039071G103g

008OBS040(072H104h

009(tab)HT041)073I105i

010(linefeed)LF042074I106j

on(home)VT043+075K107k

012(formfeed)FF044076L1081

013(carriagereturn)CR045•077M109m

014SO046.078N110n

015aSI047/079O111o

016DLE0480080P112P

017VDC10491081Q113q

018IDC20502082R114r

019nDC30513083S115s

020ITDC40524084T116t

021§NAK0535085U117u

022MOBSYN0546086V!18V

0231ETB0557087W119w

024tCAN0568088X120X

025EM0579089Y121y

026—►SUB058•090Z122z

ESC059t091[123{

027*

028(cursorright)FS060<0921241

029(cursorleft)GS061=093]125)

030(cursorup)RS062>094A126〜

031(cursordown)US063?095—127

Copyrighl1998.JimPricc.ComCopyrighl1952,LendingEdgeCompvlcrProduct，.Inc

2汉字编码

•(1)汉字国标码:

•⑵汉字内码:

•(3)汉字外码:

•(4)汉字字形码:

汉字国标码

■1980年国家标准总局颁布了GB2312-1980《中华人

民共和国国家标准信息交换汉字编码》，通称国标码

（或标准码或交换码）o

■在此标准中，收录了7445个汉字和符号，其中汉字

6763个（一级汉字3755个，二级汉字3008个），图形

符号682个。并且规定一个汉字编码占2字节（Byte）

■所有汉字字符共分为94个区（01-94区），每个区分

为94个位（01-94位），汉字所在的区号和位号

共同组合成该汉字的区位码，即国标码（或称交换

码）。

系统代码交换流程

各种汉字输入码（外码）

交换码（国标码）

内码

字形码

显示汉字打印汉字

蒙文输入法

＞北大方正蒙文输入法

＞蒙科立蒙文输入法

＞赛音蒙文输入法

＞明安图蒙文输入法等

1.4计算机系统的组成

■完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

计算机使用

II主板

f运算器

U

P

C

主机《中央处理器()〈

［控制器

计硬件系统<

f内存储器

1

存储器《

算［［外存储器

1

机「输入设备：键盘，鼠标，扫描仪

I外部设备<

系［［输I出设备：显示器，打印机，绘图仪

1

f操作系统

1

统1

1

1语言处理系统

1

系统软件

1

1

1数据库管理系统

1

1

1

［系统服务系统

1

1

11

1

「文字处理软件

1

1软件系统

1

1表格处理软件

1

1

11

1图形软件

1

1应用软件

11辅助设计软件

1

1

B

11

A

L

T

A

M

1数学软件

11

[