大學計算機基礎第1章

第1章計算機基礎知識1.1計算機概述 1.2計算機系統(tǒng)的運算基礎1.3計算機系統(tǒng)的構成1.4微型計算機硬件組成2/5/20231

電子計算機是20世紀最偉大的發(fā)明之一，半個世紀的發(fā)展，計算機的應用遍及人類社會的各個領域，極大地推動了人類社會的進步與發(fā)展。由計算機技術和通信技術相結合而形成的信息技術是現(xiàn)代信息社會最重要的技術支柱，對人類的生產(chǎn)方式、生活方式及思維方式都產(chǎn)生了極其深遠的影響。第1章計算機基礎知識1了解計算機發(fā)展2理解計算機的特點3了解計算機的分類4了解計算機的應用領域

1.1計算機概述計算機的發(fā)展第一臺計算機是1946年2月15日由美國賓夕法尼亞大學研制的，名為ENIAC。ENIAC：長30.48米，寬1米，占地面積170平方米，30個操作臺，約相當于10間普通房間的大小，重達30噸，耗電量150千瓦，造價48萬美元。它包含了17,468個真空管7,200個水晶二極管,1,500個中轉,70,000個電阻器,10,000個電容器，1500個繼電器，6000多個開關，每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。ElectronicNumericalIntegratorandCalculator2/5/20234計算機的發(fā)展第一代：電子管計算機(1946-1957)第一代計算機的特點是操作指令是為特定任務而編制的，每種機器有各自不同的機器語言，功能受到限制，速度也慢。另一個明顯特征是使用真空電子管和磁鼓儲存數(shù)據(jù)。2/5/20235計算機的發(fā)展第二代：晶體管計算機(1957-1964)第二代計算機用晶體管代替電子管，體積小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。該類計算機，還具有現(xiàn)代計算機的一些部件：打印機、磁帶、磁盤、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等。在這一時期出現(xiàn)了更高級的COBOL和FORTRAN等語言，使計算機編程更容易。2/5/20236計算機的發(fā)展第三代：集成電路計算機(1964-1972)集成電路的應用使計算機變得更小，功耗更低，速度更快。這一時期的發(fā)展還包括使用了操作系統(tǒng)，使得計算機在中心程序的控制協(xié)調下可以同時運行許多不同的程序。2/5/20237計算機的發(fā)展第四代：大規(guī)模集成電路(1972年至今)大規(guī)模集成電路的應用得計算機的體積和價格不斷下降，而功能和可靠性不斷增強。70年代中期，計算機制造商開始將計算機帶給普通消費者。1981年IBM推出了個人計算機，用于家庭、辦公室和學校。2/5/20238計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展趨勢計算機科學是有史以來發(fā)展最快的學科，為了迎合社會對計算機不同層次的應用需求，計算機正朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展。2/5/20239計算機的分類計算機按其規(guī)模、速度和功能等可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及單片機等等。這些類型之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等的不同。2/5/202310計算機的分類1.巨型機巨型機指運算速度快、存儲容量大、功能最強和價格最貴的高性能計算機，它采用了大規(guī)模并行處理的體系結構，CPU由數(shù)以千計、萬計的處理器組成，有極強的運算處理能力，巨型機主要用于國家高科技領域和國防尖端技術的研究。巨型機的研制水平是一個國家計算機技術水平的重要標志，這一領域的競爭是世界計算機界的熱點。2/5/202311計算機的分類2．大型機大型機的運算速度一般介于百萬次/秒至幾千萬次/秒之間，存儲容量比巨型機小，可容納上百個用戶同時工作。它有比較完善的指令系統(tǒng)、豐富的外部設備和功能齊全的軟件系統(tǒng)。其特點是通用，有極強的綜合處理能力。大型機一般用于大型企業(yè)、大專院校和科研機構。2/5/202312計算機的分類3．小型機小型機運算速度在幾十萬次/秒左右，存儲容量和機器規(guī)模比大型機小，結構相對簡單，設計試制周期短，便于及時采用先進工藝技術，軟件開發(fā)成本低，易于操作維護?？赏瑫r容納幾十個用戶同時工作，價格也相對比較便宜。小型機適用于中小企業(yè)、政府部門等。2/5/202313計算機的分類4．微型計算機微型計算機是以微處理器為核心，通過系統(tǒng)總線將存儲器、外圍控制電路、I/O接口連接起來的系統(tǒng)，簡稱微機。微機是當前使用最為廣泛的計算機，現(xiàn)在微機的運算速度已經(jīng)趕上某些大中小型機了。2/5/202314計算機的分類5．單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，單片機只缺少了I/O設備。單片機是器件級計算機系統(tǒng)，它可以嵌入到任何對象體系中去，實現(xiàn)智能化控制?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。2/5/202315計算機的應用計算機應用范圍非常廣泛，并且還在不斷向各行各業(yè)滲透擴展。從計算機所處理數(shù)據(jù)的類型這個角度來看，計算機的應用原則上可分為數(shù)值計算和非數(shù)值計算兩大類。而后者的應用范圍遠遠超過前者，概括起來主要有以下幾個方面。2/5/202316

計算機的幾個主要的應用領域：

1．科學計算2．數(shù)據(jù)處理3．計算機仿真4．實時控制5．計算機輔助系統(tǒng)計算機輔助系統(tǒng)包括CAD、CAM、CAT和CAI等。6．人工智能計算機的應用1.2計算機系統(tǒng)運算基礎1.2.1進位計數(shù)制1.2.2幾種常用數(shù)制之間的轉換1.2.3二進制數(shù)的運算規(guī)則1.2.4信息在計算機中的表示1.2.5信息在計算機中的存儲2/5/2023181.2.1進位計數(shù)制1．進位計數(shù)制的概念

在進位計數(shù)制中包含兩個基本要素：“基數(shù)”和“位權”①基數(shù)：一種進位計數(shù)制中允許使用的基本數(shù)字符號的個數(shù)稱為基數(shù)。②位權：就是單位數(shù)碼在該數(shù)位上所表示的數(shù)量。2．常用的進位計數(shù)制介紹常用的進位計數(shù)制有二進制、八進制、十進制和十六進制。（1）二進制二進制，它有兩個數(shù)碼：0和1。進位規(guī)則是“逢二進1，退1當二”。在計算機中之所以采用二進制的主要原因是：①實現(xiàn)容易②便于使用邏輯代數(shù)③運算簡單④記憶和傳輸可靠21計算機中常用的數(shù)制進位制基數(shù)數(shù)字符號標識二進制八進制十進制十六進制第1章

信息科學與計算機——1.2計算機進制與信息編碼22計算機中常用的數(shù)制進位制基數(shù)數(shù)字符號標識二進制20，1B八進制80，1，2，3，4，5，6，7O或Q十進制100，1，2，3，4，5，6，7，8，9D十六進制160，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)H23k進制轉化成十進制:按權展開幾種常見數(shù)制之間的轉換24十進制轉化成k進制整數(shù)部分：連除基數(shù)，逆序取余；小數(shù)部分：連乘基數(shù)，順序取整例1：將十進制數(shù)143.8125轉換為二進制例2：將十進制數(shù)132.525轉換為八進制例3：將十進制數(shù)130.525轉換為十六進制幾種常見數(shù)制之間的轉換25二、八進制之間的轉換每三位二進制對應一個八進制數(shù)。八進制01234567二進制000001010011100101110111(1101101110.110101)B=(1556.65)O155665整數(shù)部分：從右向左進行分組。小數(shù)部分：從左向右進行分組。幾種常見數(shù)制之間的轉換26二、十六進制之間的轉換每四位二進制數(shù)對應一個十六進制數(shù)。十六進制01234567二進制00000001001000110100010101100111十六進制89ABCDEF二進制10001001101010111100110111101111幾種常見數(shù)制之間的轉換27二、十六進制數(shù)的相互轉換二進制轉化為十六進制每四位二進制數(shù)對應一個十六進制數(shù)。整數(shù)部分：從右向左進行分組。小數(shù)部分：從左向右進行分組。(1101101110.110101)B=(36F.D4)H36FD428十六進制轉化為二進制每一個十六進制數(shù)對應四位二進制。(2C1D)H=(0010110000011101)B2C1D(64)H=(01100100)B6429八、十六進制數(shù)的相互轉換？？2、完成下列各數(shù)的進制轉換。（10101001.101011）2=（

）10=（

）8=（

）16（A8D）16=（

）10=（

）8=（

）21．二進制數(shù)的算術運算規(guī)則（1）加運算：

0＋0=0，0＋1=1，1＋0=1，1＋1=10(進位)（2）減運算：

1－1=0，1－0=1，0－0=0，0－1=1(借位)（3）乘運算：

0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1（4）除運算：

0÷1=0，1÷1=1二進制數(shù)的運算規(guī)則2/5/2023312．二進制數(shù)的邏輯運算（1）邏輯與：邏輯與的運算符表示為“∧”。即：

（2）邏輯或：邏輯或的運算符號為“∨”。即：二進制數(shù)的運算規(guī)則2/5/202332（3）邏輯非：邏輯非的運算符號為“ˉ”。即：（4）邏輯異或：即：二進制數(shù)的運算規(guī)則2/5/2023331.數(shù)值型數(shù)據(jù)在計算機中的表示方式

在計算機中，機器數(shù)也有不同的表示方法，通常用原碼、反碼和補碼三種方式表示，其主要目的是解決減法運算。

原碼：正數(shù)的符號位用0表示，負數(shù)的符號位用1表示，數(shù)值部分用二進制形式表示，這種表示法稱為原碼。反碼：正數(shù)的反碼和原碼相同，負數(shù)的反碼是對該數(shù)的原碼除符號位外每位取反。補碼：正數(shù)的補碼和原碼相同，負數(shù)的補碼是其反碼加1。

信息在計算機中的表示2/5/202334求負數(shù)補碼的方法為：第一步：寫出與該負數(shù)相對應的正數(shù)的補碼。第二步：按位求反。第三步：末位加1。

【例1-5】假設機器字長為8位，求-46的補碼。

+46的補碼表示為： 00101110

按位求反： 11010001

末位加1： 11010010

所以，-46補碼為：

11010010信息在計算機中的表示2/5/2023352.非數(shù)值數(shù)據(jù)在計算機中的表示

1）ASCII碼目前在小型機和微型機系統(tǒng)內(nèi)國際上最廣泛使用的字符編碼是：“美國信息交換標準碼”，簡稱ASCII碼(AmericanStandardCodeForInternationInterchange)。標準ASCII碼采用7位二進制編碼，可以表示128個字符，每個字符對應一個7位的二進制數(shù)，這個二進制數(shù)的值稱為ASCII碼值。碼值可采用十進制或十六進制數(shù)來表示。在計算機的存儲過程中，一個ASCII碼值是使用8個二進制位(一個字節(jié)），其最高位(bit7)用作奇偶校驗位。2/5/202336信息在計算機中的表示2/5/2023372）漢字編碼

1981年公布的國家標準GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集－基本集》（國標碼、也稱漢字交換碼），共收錄漢字、字母、圖形符號共7445個。其中漢字6763個，按其出現(xiàn)的頻度分為一級漢字3755個，二級漢字3008個。2001年我國發(fā)布了GB18030編碼標準，它是GBK的升級，GB18030編碼空間約為160萬碼位，目前已經(jīng)納入編碼的漢字約為2.6萬個。信息在計算機中的表示2/5/2023383.各類數(shù)據(jù)在計算機中的轉換所謂數(shù)字化即為對傳統(tǒng)信息的進行編碼，信息編碼的目的就是把用戶要求計算機處理的各種形式的信息，轉換為計算機所能接受、識別的二進制形式存入到計算機內(nèi)進行處理，然后把計算機的處理結果以用戶需要的形式輸出。信息在計算機中的表示2/5/20233940數(shù)據(jù)存儲的最小單位：位（bit）數(shù)據(jù)存儲的基本單位：字節(jié)（Byte）各單位之間的換算關系：

1B=8bit1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB

其中，k、M、G、T分別稱為千、兆、吉、太。計算機中數(shù)據(jù)的存儲單位

1.3計算機系統(tǒng)的構成1.3.1馮·諾依曼體系計算機的結構特點1.3.2計算機的硬件系統(tǒng)1.3.3計算機的軟件系統(tǒng)1.3.4計算機程序及其運行原理1.3.5計算機的性能指標2/5/2023411.3.1馮·諾依曼體系計算機的結構特點

科學家馮·諾依曼在1945年提出了現(xiàn)代計算機的基本工作原理：

1）拋棄十進制，采用二進制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎；

2）提出了程序存儲式電子數(shù)字自動計算機的方案；

3）確定了計算機硬件體系結構的5個基本部件：

（1）輸入數(shù)據(jù)和程序的輸入設備。

（2）記憶程序和數(shù)據(jù)的存儲器。

（3）完成數(shù)據(jù)加工處理的運算器。

（4）控制程序執(zhí)行的控制器。

（5）輸出處理結果的輸出設備。2/5/2023421.3.2計算機的硬件系統(tǒng)2/5/202343計算機硬件的各部分主要是采用總線結構連接起來

為了控制、管理、維護和開發(fā)計算機系統(tǒng)資源而編制的各種程序及其相關資料的集合稱為軟件。硬件若是計算機系統(tǒng)的軀體，軟件則是計算機系統(tǒng)的靈魂。計算機的軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。系統(tǒng)軟件是負責對整個計算機系統(tǒng)資源的管理、調度、監(jiān)視和服務。應用軟件是指各個不同領域的用戶為各自的需要而開發(fā)的各種應用程序。1.3.3計算機的軟件系統(tǒng)2/5/2023441．指令及指令系統(tǒng)指令是指計算機完成某個基本操作的命令。指令能被計算機的硬件理解并執(zhí)行，一條指令就是計算機機器語言的一個語句，是程序設計的最小語言單位。一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令用一串二進制代碼表示，通常包括操作碼和地址碼兩部分信息。1.3.4計算機程序及運行原理2/5/2023452．指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行分為以下三個階段過程。（1）取指令：取指令階段完成將現(xiàn)行指令從內(nèi)存中取出來并送到指令寄存器中。

（2）分析及取數(shù)指令：取出指令后，機器立即進入分析及取數(shù)階段，指令譯碼器可識別和區(qū)分不同的指令類型及各種獲取操作數(shù)的方法。（3）執(zhí)行：執(zhí)行階段完成指令規(guī)定的各種操作，產(chǎn)生運算結果，并將結果存儲起來。1.3.4計算機程序及運行原理2/5/2023463．程序程序是指一組指示計算機每一步動作的指令，通常用某種程序設計語言編寫，運行于某種目標體系結構上。在一臺基于馮·諾依曼體系結構的計算機上，程序從某種外部設備（通常是硬盤），被加載到計算機的內(nèi)存里。指令序列順序執(zhí)行，直到一條跳轉或轉移指令被執(zhí)行，或者一個中斷出現(xiàn)。所有這些指令都會改變指令寄存器的內(nèi)容。1.3.4計算機程序及運行原理2/5/202347

一臺計算機的功能或性能涉及體系結構、硬件組成、軟件配置等多方面的因素。表示計算機性能的主要指標有以下幾個：

1．字長字長是指計算機內(nèi)部一次能同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，反映了計算機內(nèi)部寄存器、ALU(ArithmeticandLogicUnit，算術邏輯單元)和數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，直接影響著計算機的硬件規(guī)模和造價。字長是衡量計算機性能的一個重要標志。字長越長，一次處理的數(shù)字位數(shù)越大，速度也就越快。1.3.5計算機的性能指標2/5/2023482．主頻

主頻，就是CPU的時鐘頻率，電腦中的系統(tǒng)時鐘是一個典型的頻率相當精確和穩(wěn)定的脈沖信號發(fā)生器。簡單地說就是CPU運算時的工作頻率（1秒內(nèi)發(fā)生的同步脈沖數(shù)）的簡稱。通常來講，在同系列處理器中，主頻越高就代表計算機的速度也越快，但對與不同類型的處理器，它就只能作為一個參數(shù)來作參考。主頻僅僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，并不代表CPU的整體性能。1.3.5計算機的性能指標2/5/2023493．主存容量主存容量是指主存儲器（內(nèi)存）所能存儲二進制信息的總量。計算機的主存容量一般以字節(jié)(Byte)數(shù)來表示。

4．MIPSMIPS是英文MillionInstructionsPerSecond的簡稱，意思是每秒百萬條指令，即“百萬條指令／秒”。它是指CPU每秒處理的百萬級的機器語言指令數(shù)，它是處理器運行速度的測量方法，是衡量計算機運行速度的一個主要指標。1.3.5計算機的性能指標2/5/2023501.4.1中央處理器1.4.2主板1.4.3內(nèi)存儲器1.4.4微機總線1.4.5常用外部設備1.4.6外存儲器1.4.7鍵盤及其基本操作1.4微型計算機硬件組成2/5/2023511.3.4微型計算機系統(tǒng)目前，微型計算機（簡稱微型機或微機）主要包括臺式電腦即PC機和筆記本電腦，如圖1-6、圖1-7所示的分別是臺式電腦和筆記本電腦的外觀。

中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)是指計算機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為微處理器MPU(MicroProcessorUnit)。1.4.1中央處理器2/5/2023531.CPU的組成1）算術邏輯單元ALU：算術邏輯單元ALU(ArithmeticLogicalUnit)即運算器。運算器主要完成各種算數(shù)(加、減、乘、除)和邏輯運算(與、或、非運算)。2）寄存器組：寄存器(Register)是用來臨時存放參與ALU運算的各種數(shù)據(jù)，它是CPU中具有存儲特性的內(nèi)部高速單元。3）控制單元：控制單元即控制器。它負責讀取指令寄存器中的指令并對指令進行分析和邏輯譯碼，產(chǎn)生并發(fā)出各種相應的控制信號完