第1章 计算机基础知识

计算机基础知识第1章讲课人：***目录01计算机是什么02计算机的诞生与发展03数制和信息编码04计算机的基本工作原理05计算思维基础知识导图本章主要通过阐述计算机是什么，将读者带入计算机的世界，从而介绍了计算机的诞生以及计算机的四个发展阶段，重点讲解了计算机的数制与信息编码、计算机的基本工作原理，最后阐述了读者学习计算机的思维是什么，给读者学习计算机指明了方向。本章内容计算机是什么第1章01人们把21世纪称为信息化时代，其标志就是计算机的广泛应用。在人类科学发展的历史上，还没有哪个学科像计算机科学这样发展得如此迅速，并对人类的生活、学习和工作产生如此巨大的影响。计算机是一门科学，但计算机本身也是一种科学工具，掌握计算机知识以及必要的计算机技能，将使我们更有信心地迎接未来。1.1.1信息系统的基础信息系统（Information

System)的一个基本功能是能够为需要者提供特定的信息，例如一个图书信息系统可以包含许多读者需要的图书信息。计算机是一个现代信息系统必要的组成部分。1.1.1信息系统的基础从计算机的角度看，一个信息系统的信息处理只是一个“计算过程”，构成该过程有6个要素：计算过程硬件软件数据/信息用户过程/处理通信1.1.2数据处理机

计算机所进行的工作都和数据相关，这里我们所指的数据是广义的，它可以是数字、数值，也可以是一组代码，比如储户的账号、身份证代码等；也可以是一种标识，如一个图形的形状；也可以是字母、符号等。这样，我们可以把计算机简单地定义为能够处理数据的机器或装置。图1-1计算机作为数据处理机的模型1.1.3

具有程序能力的数据处理机如果考虑到上述计算机模型所存在的问题，如图1-2所示，一个改进的计算机模型，它是在上述模型的基础上增加了一个部分----程序。程序（Program)可以简单地理解为按照一定的步骤进行工作；作为专业术语，程序是指完成特定功能的计算机指令的集合。图1-2

具有程序能力的计算机模型计算机的诞生与发展第1章021.2.1历史上的自动计算装置人类最原始的计数方法是从石块、手指、木棍、贝壳、绳结等物品开始，到了春秋战国时期，我国出现了“算筹”，就是用人工制成的小棒来进行计数，从而进行加、减、乘、除等运算，我们都知道我国著名的数学家祖冲之将圆周率计算到了小数点后7位，就是借助“算筹”来实现的。结绳计数

算筹计数

算盘帕斯卡机械计算机1.2.2第一台电子计算机1939年，美国依阿华大学的阿塔纳索夫（John

Atanasoff)和他的助手贝里（K.Berry)建造了能求解方程的电子计算机。这台计算机后来被称为

ABC(Atanasoff

BerryComputer)。ABC没有投入实际使用，但它的一些设计思想却为今天的计算机所采用。哈佛大学的霍华德，邓肯在IBM公司的资助下，制造了马克1号（Mark

I）计算机，速度很慢，一个乘法运算需要3-5s。有人把ABC作为第一台“电子数字计算机”，也有人认为真正的第一台计算机是ENIAC。ENIAC之所以具有里程碑的意义，是因为它是第一台可以真正运行的并全部采用电子装置的计算机。诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学，研制者为宾西法尼亚大学的毛赫利博士（John

Mauchly)和他的研究生艾克特（J.P.Eckert)。ENIAC参考了ABC的许多设计方法。马克1号（Mark

I）计算机ENIAC计算机1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1946-1959年，第一代计算机为电子管计算机。一台名叫UNIVAC(UniversalAutomaticComputer）通用自动计算机的机器在1952年美国大选中预测艾森豪威尔获胜，预测结果和实际统计结果完全相同，它在当时所产生的轰动效应使计算机披上万能的外衣，达到神话的地步。工作人员正在操作UNIVAC(通用自动计算机）1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1959-1963年，第二代计算机为晶体管计算机。1947年，美国贝尔实验室宣布世界上第一只晶体管研制成功。经过十年多的时间，晶体管替代了电子管成了计算机的主要元件。与电子管相比，晶体管体积小，功耗低，更重要的是它的可靠性比电子管要高很多。晶体管1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1963-1975年，第三代计算机叫做集成电路（Integrated

Circuits,IC)计算机。它的应用虽然起自1963年，但作为第三代计算机重要标志的集成电路在1958年就被发明了。集成电路对电子计算机的制造是一场变革。它从根本上改变了计算机的制造过程：在拇指大小的硅片上集成成千上万个电子元件，如图1-9所示，这使计算机能够有更大的内存和处理器，而成本却大大降低。计算机不再昂贵，小公司也可以使用了－这个意义是非同寻常的！集成电路板1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1975至今，由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，被称为第四代电子计算机。第四代计算机的另一个重要的发展方向是高速计算机网络。因特网(Interne)的全开放结构使世界上数以亿计的各种计算机被连接到一起，形成了一个覆盖全球的巨大信息网络，因而诞生了被称为继报纸，杂志、广播及电视之后的“第四媒体”，而且是影响最大的新型传媒。Apple

II计算机，1977IBMPC数制和信息编码第1章031.3.1常用数制1.十进制

十进制是我们常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7,8,9共10个数字符号表示。采用“逢十进一，借一当十”规则进行进、退位方法。每一位的权值是10i，关于权值我们会在1.3.2中讲到。2.二进制

二进制是计算机中常用的数制，由0,1共2个数字符号表示。采用“逢二进一，借一当二”规则进行进、退位方法。每一位的权值是2i。1.3.1常用数制3.八进制

八进制是计算机中常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7共8个数字符号表示。采用“逢八进一，借一当八”规则进行进、退位方法。每一位的权值是8i。4.十六进制

十六进制是计算机中常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F共16个符号表示，其中0-9用数字符号表示，A,B,C,D,E,F共6个字符符号分别表示10,11,12,13,14,15。采用“逢十六进一，借一当十六”规则进行进、退位方法。每一位的权值是16i。1.3.2数制的相关概念1.基数数制中所包含的用来表示数值的符号的个数称为该数制的基数。如十进制由0,1,2,3…9十个数字符号表示，所以十进制的基数为10；二进制由0,1两个数字符号表示，所以二进制的基数为2。2.权权就是数字中当前位置所代表的值，也称为位值。如十进制数个位的权是1表示有几个1，十位的权是10，表示有几个10，百位的权是100，表示有几个100。可以看出权值实际上是基数的整数次幂，如十进制数个位的权是1，也就是100，十位的权是10，也就是101，百位的权是100，也就是102，依次类推。小数点右边从第一位开始，权值分别是0.1（10-1）,0.01（10-2）依次类推。同理，对于二进制数据，同样的位权值为从小数点开始往左的每一位权分别是20,21,22….；从小数点开始往右的每一位权分别是2-1,2-2,2-3….。对于八进制和十六进制也是相似的，只不过分别是80,81,82…和160,161,162…而已。1.3.2数制的相关概念3.按权展开

了解了基数和权的概念后，我们来看下数值的按权展开。首先从我们熟悉的十进制来看，十进制的123，按权展开如下：对于二进制的10110，按权展开如下：由此可见，按权展开的方法就是用当前数位上的值乘以该位的位权，展开后各进制数就转换成了十进制对应的数值。1.3.3计算机与二进制

既然人们已经习惯使用十进制数，其书写也很方便，而二进制数书写起来位数长，看起来也不能一目了然、那么在计算机中为什么要使用二进制数呢？在计算机内采用二进制编码比其他进制数具在如下优点：工作可靠性高适合逻辑运算易于物理实现运算规则简单1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算二进制数只需要使用两个不同的数字符号，任何可以表示两种不同状态的物理器件都可以用来表示二进制数的一位。具有两种稳定状态的物理器件容易实现，如电压的高和低、电灯的亮和灭、开关的通和断、这样的两种状态恰好可以表示二进制数中的“0”和‘1’。二进制与高、低电平状态1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算从运算操作的简便性上考虑，十进制的加法和乘法运算规则各有55条，而二进制的加法和乘法规则只有3条，在进行算术运算时非常简便，简化了运算器等物理器件的设计。1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算由于电压的高低、电流的有无两种状态分明，因此采用二进制的数字信号可以提高信号的抗干扰能力，可靠性高。1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算

二进制的“0”和“1”两种状态，可以表示逻辑值的“真（True)”和“假（False)”，因此采用二进制数进行逻辑运算非常方便。1.3.4数制间的转换1.二进制转换成十进制

在1.3.2的按权展开中，我们已经学到，将二进制数按权展开即可转换为十进制数，这里不在重复介绍。1.3.4数制间的转换2.十进制转换成二进制

因十进制整数部分与十进制小数部分与二进制之间转换的规则不同，所以应该分别对整数部分和小数部分进行转换。下面我们分别介绍十进制整数部分与十进制小数部分与二进制之间的转换。（1）十进制整数部分与二进制之间的转换

十进制整数部分转换为二进制数的方法概括起来就是“除2取余，取倒序”。也就是将一个十进制数不断的除以2，如果除尽余数为0，如果除不尽余数为1，直至商为0为止，然后将每次得到的余数倒序取出，就是对应的二进制数。1.3.4数制间的转换【例1-1】将十进制整数27转换为二进制数。1.3.4数制间的转换（2）十进制小数部分与二进制之间的转换

十进制小数部分转换为二进制的方法概括起来就是“乘2取整，取正序”。也就是将一个十进制小数乘以2，记录下得到的整数部分，然后再对得到的积的小数部分再乘以2，然后记录下得到的整数部分，依次循环，直到小数部分为0或者达到所要求的精度为止。然后将得到的整数部分按正序取出，即转换后的二进制数。1.3.4数制间的转换【例1-2】将十进制数0.375转换成二进制数。1.3.4数制间的转换3.简便的8421法转换

对于二进制和十进制之间的转换，按照位权的理解，可以不必使用上面所讲的“除2取余，取倒序”和“乘2取整，取正序”的方法，而是用位权填充的8421法快速的得出转换结果。转换时首先从小数点开始左右各位的位权依次标出，然后按照转换的数值依次填充即可。1.3.4数制间的转换【例1-3】使用8421法进行十进制数据145.625转换为二进制，二进制数据1011.011转换为十进制。1.3.4数制间的转换对于二进制转换为十进制的方法也类似：1.3.4数制间的转换4.二进制与八进制、十六进制的转换（1）二进制数转换为八进制、十六进制数

将二进制数转换为八进制、十六进制数的方法类似，由于八进制数0-7的表示，需要3位二进制，十六进制0-F的表示需要4位二进制，因此二进制转换为八进制和十六进制时，只需要三位一组或四位一组进行转换即可，划分时从小数点开始分别往左往右进行划分，如果遇到高位不足三位或者四位时，可用0补齐。1.3.4数制间的转换【例1-4】将（100101101）2转换为八进制数。1.3.4数制间的转换【例1-5】将（100101101）2转换为十六进制数。1.3.4数制间的转换（2）八进制、十六进制数转换为二进制数

八进制、十六进制数转换为二进制数与二进制数转换为八进制、十六进制数是一个逆运算。将八进制数、十六进制数的每一位数展开成三位、四位的二进制数即可。1.3.4数制间的转换【例1-6】将（341）8转换成对应的二进制数。【例1-7】将（1A4）16转换成对应的二进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换（2）八进制、十六进制数转换为二进制数

和十进制与二进制间转换类似，可用八进制与十六进制的定义规则来完成向十进制的转换，反向的转换同样可采用“除8取余“和“乘8取整”的方法可将十进制数转化为八进制数，而用“除16取余”和“乘16取整”的方法可将十进制数转化为十六进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换【例1-8】将十进制整数396转换为八进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换【例1-9】将十进制数0.71875转换成八进制数。十进制转换成十六进制得方法与例1-8与1-9类似，将“除八”与“乘八”改为“除十六”与“乘十六”即可1.3.5二进制数的运算1.算数运算

二进制数的算术运算与十进制数的算术运算一样，也包括加、减、乘和除四则运算，但运算更简单、其实，在计算机内部，二进制的加法是基本运算，乘、除可以通过加、减和移位来实现、面减法实质是加上一个负数，这主要是应用了补码运算，这样就可使计算机的运算器结构更加简单，稳定性更好。1.3.5二进制数的运算（1）二进制数的加法运算二进制数的加法运算规则是：0=0+00+1=11+0=11+1=10(被加数和加数为1时，结果本位为0,按逢二进一向高位进1)【例1-10】二进制数1011+1110的算式如下：1.3.5二进制数的运算（2）二进制数的减法运算二进制数的减法运算规则是：0-0-01-1-01-0=110-1=1(被减数个位为0,减数为1时，结果本位为1,向高位借1)【例1-11】二进制数11011-1110的算式如下：1.3.5二进制数的运算2.逻辑运算

计算机不仅可以进行算术运算，而且也能够进行逻辑运算，这是因为计算机中使用了实现各种逻辑功能的电路，并利用逻辑代数的规则进行各种逻辑判断。1.3.5二进制数的运算（1）逻辑数据的表示

二进制数的1和0,在逻辑上可代表真与假、是与非、对与错、有与无。这种具有逻辑性的量称为逻辑量，逻辑量之间的运算称为逻辑运算，逻辑运算是以二进制数为基础的。1.3.5二进制数的运算（2）逻辑运算在计算机中，逻辑数据的值用于判断某个事件成立与否，成立为真，反之为假，例如，“今天是晴天”这个事件用A表示，则事件A成立为1,不成立为0。逻辑运算主要包括三种基本运算；逻辑或（逻辑加）、逻辑与（逻辑乘）、逻辑非。在逻辑运算中，把逻辑变量的各种可能组合与对应的运算结果列成表格，这种表格称为真值表，一般在真值表中用1表示真，用0表示假。1.3.5二进制数的运算①逻辑非运算逻辑非表示同原事件A含义相反，可用表示，逻辑非的运算规则如下：1.3.5二进制数的运算②逻辑与运算逻辑与也称为逻辑乘，通常用“AND”、“x”、“，”、“A”表示，逻辑与表示当A、B两个事件同时为真时，结果才为真，A,B两个事件只要有一个为假，则结果为假。1.3.5二进制数的运算③逻辑或运算逻辑或也称为逻辑加，通常用“OR”、“＋”、“V”表示。逻辑或表示当A、B两个事件只要有一个为真，结果就为真，只有当A、B两个事件都为假时，结果才为假。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。（1）无符号整数无符号整数常用于表示地址等正整数，可以是8位、16位、32位或更多位数。1.3.6数值型数据的表示及处理（2）有符号整数

有符号整数使用一个二进制位作为符号位，一般最高位为符号位，“0”代表正号“＋”（正数）、“1”代表负号“－”（负数），其余各位用来表示数值的大小，可以采用不同的方法表示有符号整数、一般有原码、反码和补码。原码：表示是将最高位作符号位，其余各位用数值本身的绝对值（二进制形式）表示。反码：如果一个数值为正，则它的反码与原码相同；如果一个数值为负，则符号位为1,其余各位是对数值位取反。补码：正数的原码、反码、补码都是相同的；负数的最高位为1,其余各位为数值位的绝对值取反，然后对整个数加1。1.3.6数值型数据的表示及处理2.浮点数表示

在一定的字长下，整数表示的数值范围是有限的，这在许多应用特别是科学计算中是不够用的。因此，为了能在计算机中表示既有整数部分又有小数部分的数以及一些特别大的数或特别小的数，通常引入浮点表示方法来表示实数。1.3.7文字的表示及处理1.西文字符编码

目前，计算机中使用最广泛的西文字符编码是ASCII码，另外还有EBCDIC码。（1）ASCII码

我们常用的字符编码是ASCII（AmericanStandardCodeInformationInterchange，美国标准信息交换代码）。它是美国国家标准学会制定的一个标准，规定了常用的字符对应的编号，目前该标准已经被认定为国际标准，适用于所有拉丁文字字母。（2）EBCDIC码

符号数据的表示方法除了最常用的ASCII编码外，还有一种用8位二进制数位表示一个字符的扩充二-十进制转换码EBCDIC。1.3.7文字的表示及处理2．汉字编码

汉字信息较为复杂，不像英文信息都是由26个字符的组合而成。计算机的键盘上只有对应的字符、字母按键，那么汉字信息如何编码，如何存储呢？读者会说我们现在不都用键盘输入吗？键盘上的字母对应汉字的拼音不就可以了？可是大家有没有想过？如过计算机就是按拼音对应的ASCII码来进行存储，那么多同音字不都是一个编码了吗？如果不是，每一个汉字是如何编码的？（1）GB2312-80汉字编码（2）GBK汉字内码扩展规范（3）UCS/Unicode汉字编码（4）GB18030-2000编码（5）BIG5编码1.3.7文字的表示及处理3.汉字的输入输出（1）汉字输入键盘输人联机手写文字识别汉字语音识别脱机文字识别（2）汉字输出点阵表示矢量表示1.3.7文字的表示及处理4.文本处理

在计算机中，用文本表示一串有意义的文字及符号信息，是最常用也是最基本的一种数字媒体，使用计算机作为文本制作的工具，比传统的手写、打字或铅字排版等具有许多优点，它提高了文本制作的质量与效率，可以方便地进行编辑、排版和各种分析处理（如统计、排序、分类、索引、检索等）。（1）文本的编辑（2）文本的处理（3）常用文本处理软件（4）常见文本类型1.3.7文字的表示及处理4.文本处理

在计算机中，用文本表示一串有意义的文字及符号信息，是最常用也是最基本的一种数字媒体，使用计算机作为文本制作的工具，比传统的手写、打字或铅字排版等具有许多优点，它提高了文本制作的质量与效率，可以方便地进行编辑、排版和各种分析处理（如统计、排序、分类、索引、检索等）。（1）文本的编辑（2）文本的处理（3）常用文本处理软件（4）常见文本类型计算机的基本工作原理第1章041.4.1图灵机的基本思想图灵认为，计算是计算者（人或机器）对一条两端可无限延长的纸带上的一串0或1,行指令一步一步地改变纸带上的0或1,经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串变换过程。

图灵机原理示意图1.4.2冯.诺依曼计算机

冯·诺依曼计算机的基本思想是存储程序的思想，即“将指令和数据以同等地位事先存于存储器中，可按地址寻访，机器可从存储器中读取指令和数据，实现连续和自动地执行”，它将存储和执行分别进行实现，解决了计算速度（快）与输入输出速度（慢）的匹配问题。为实现存储程序的思想，冯·诺依曼将计算机分解为5大部件：计算思维基础第1章051.5.1计算技术与计算系统的奠基性思维“程序”的思维：

一个复杂系统是怎样实现的？系统可被认为是由基本动作（注：基本动作是容易实现的）以及基本动作的各种组合所构成（注：多变的、复杂的动作可由基本动作的各种组合来实现）。因此实现一个系统仅需实现这些基本动作以及实现一个控制基本动作组合与执行次序的机构。对基本动作的控制就是指令；而指令的各种组合及其次序就是程序。系统可以按照“程序”控制“基本动作”的执行以实现复杂的功能