大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課件第1章

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程人民郵電出版社第1章 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 計(jì)算機(jī)概述1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史 (1)手工到機(jī)械自動(dòng) (2)機(jī)械自動(dòng)到電動(dòng)計(jì)算 (3)電動(dòng)計(jì)算到電子數(shù)字計(jì)算 第一代電子管計(jì)算機(jī)（19461958年） 第二代晶體管計(jì)算機(jī)（19591964年） 第三代中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（19651969年） 第四代大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1971年至今）2. 計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)(1)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)(2) 生物計(jì)算機(jī)(3) 光學(xué)計(jì)算機(jī)(4) 量子計(jì)算機(jī)(5) 神經(jīng)計(jì)算機(jī)1.1 計(jì)算機(jī)概述3. 計(jì)算機(jī)的分類(1)巨型機(jī)(2)大型機(jī)(3)小型機(jī)(4)微型機(jī)(5)服務(wù)器(6)工作站1.1 計(jì)算機(jī)概述4

2、.計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)(1)運(yùn)算速度快(2)計(jì)算精度高(3)具有“記憶”和邏輯判斷能力(4)具有自動(dòng)運(yùn)行能力(5)可靠性高1.1 計(jì)算機(jī)概述5.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用(1)科學(xué)計(jì)算(2)數(shù)據(jù)處理(3)實(shí)時(shí)控制(4) 辦公自動(dòng)化(5)計(jì)算機(jī)輔助工程(6)人工智能(7) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信1.1 計(jì)算機(jī)概述1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2. 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)(1)控制器 程序計(jì)數(shù)器 指令寄存器 指令譯碼器 時(shí)序部件 微操作控制部件(2) 運(yùn)算器：它主要由算術(shù)邏輯單元、通用寄存器組及累加器組成 (3)存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器是用來存放數(shù)據(jù)和程序的部件。存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器（又稱內(nèi)存或主存）和外部存儲(chǔ)器（又稱

3、外存或輔存）。內(nèi)存用于存放當(dāng)前正在使用或隨時(shí)需要使用的程序和數(shù)據(jù)，可以被CPU直接訪問。外存用來存放暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，不能被CPU直接訪問。外存中的數(shù)據(jù)必須先調(diào)入內(nèi)存才能被CPU處理。 度量單位：KB,MB,GB,TB1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1)內(nèi)部存儲(chǔ)器 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM） 只讀存儲(chǔ)器（ROM） 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） 2) 外部存儲(chǔ)器：磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器、可移動(dòng)存儲(chǔ)器和U盤 (4) 輸入/輸出設(shè)備常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)碼照像機(jī)、攝像機(jī)、麥克風(fēng)等。 常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)和繪圖儀 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存外存速度快 慢位置主機(jī)內(nèi)部主機(jī)外部CPU訪問可以直

4、接訪問不能直接訪問存儲(chǔ)信息當(dāng)前正在執(zhí)行的暫時(shí)不使用的斷電內(nèi)容丟失內(nèi)容不丟失 內(nèi)存和外存的區(qū)別1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3 計(jì)算機(jī)的基本工作原理(1)指令和程序(2)工作過程(3)存儲(chǔ)程序工作原理：馮諾依曼結(jié)構(gòu)有三條重要的設(shè)計(jì)思想：計(jì)算機(jī)應(yīng)包括運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等基本部件。計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示數(shù)據(jù)和指令。每條指令一般具有一個(gè)操作碼和一個(gè)地址碼。其中操作碼表示運(yùn)算性質(zhì)，地址碼指出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。程序預(yù)先存入存儲(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)在工作中能自動(dòng)地從存儲(chǔ)器中取出程序指令并加以執(zhí)行。4 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)(1)系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言與語言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理

5、系統(tǒng)服務(wù)程序(2)應(yīng)用軟件 辦公軟件反病毒軟件壓縮工具軟件 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件多媒體編輯軟件 工程設(shè)計(jì)軟件教育和娛樂軟件 其他專用軟件1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)主機(jī)箱內(nèi)部硬件部件圖 5 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)(1)CPU頻率(2)主板(3) 內(nèi)部存儲(chǔ)器(4)外部存儲(chǔ)器外部存儲(chǔ)器主要包括硬盤、光盤、移動(dòng)硬盤和U盤等 (5)顯卡(6) 輸入設(shè)備(7) 輸出設(shè)備(8) 總線微型計(jì)算機(jī)的總線結(jié)構(gòu)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(1)信息和數(shù)據(jù)信息就是經(jīng)過加工并對(duì)人類社會(huì)實(shí)踐和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)產(chǎn)生決策影響的數(shù)據(jù)。它反映了客觀世界中各種事物特征和變化的知識(shí)，由數(shù)據(jù)構(gòu)成，是數(shù)據(jù)

6、經(jīng)過同化、聚合和加工后的結(jié)果。(2)信息技術(shù)信息技術(shù)是研究信息的獲取、傳輸和處理的技術(shù)，主要由計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)結(jié)合而成，簡(jiǎn)稱“3C技術(shù)”。1 信息和數(shù)據(jù)(1)計(jì)算機(jī)中所有的數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示，這主要是因?yàn)槎M(jìn)制有以下特點(diǎn)?？尚行?電子元件一般只有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，如開關(guān)的接通和斷開，晶體管的導(dǎo)通和截止、磁元件的正負(fù)剩磁、電位電平的高與低等，用二進(jìn)制的“”和“”來模擬這兩個(gè)狀態(tài)，是二進(jìn)制在電子器件中有實(shí)現(xiàn)的可行性。簡(jiǎn)易性 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則少，運(yùn)算簡(jiǎn)單，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算器的硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。邏輯性 由于二進(jìn)制和正好和邏輯代數(shù)的假（false）和真（true）相對(duì)應(yīng)，有邏輯代數(shù)的理論基

7、礎(chǔ)，用二進(jìn)制表示邏輯值很自然。 1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示2 進(jìn)位記數(shù)制(2)數(shù)碼：該進(jìn)制中固有的基本符號(hào)。例如，十進(jìn)制有0，1，2，9共10個(gè)數(shù)碼，二進(jìn)制有0、1兩個(gè)數(shù)碼。(3)基數(shù)R：該進(jìn)制中允許選用的基本數(shù)碼的個(gè)數(shù)，用R表示。例如，十進(jìn)制數(shù)的基數(shù)R為10，進(jìn)位原則是“逢十進(jìn)一”，二進(jìn)制數(shù)的基數(shù)R為2，進(jìn)位原則是“逢二進(jìn)一”。(4)位權(quán)Rn：又稱“權(quán)”，是指一個(gè)數(shù)的每一個(gè)固定位置所表示的單位值的大小，它是一個(gè)常數(shù)，用Rn表示。例如，十進(jìn)制數(shù)432，由4、3、2三個(gè)數(shù)碼排列而成，4在百位，代表400（4102），3在十位，代表30（3101），2在個(gè)位，代表2（2100），它們分別具有不同的

8、位權(quán)，4所在數(shù)位的位權(quán)為102，3所在數(shù)位的位權(quán)為101，2所在數(shù)位的位權(quán)為100。再比如二進(jìn)制的111，它的位權(quán)從左至右分別為22，21，20。任何一種進(jìn)位制數(shù)都可以表示成按位權(quán)展開的多項(xiàng)式之和的形式： (X)R=Dn-1Rn-1+Dn-2Rn-2+D0R0+D-1R-1+D-mR-m1.3 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示常見進(jìn)位計(jì)數(shù)制的表示 進(jìn)位制基數(shù)R數(shù)碼規(guī)則位權(quán)Rn標(biāo)識(shí)二進(jìn)制20,1逢二進(jìn)一，借一當(dāng)二2nB或()2八進(jìn)制807逢八進(jìn)一，借一當(dāng)八8nO或()8十進(jìn)制1009逢十進(jìn)一，借一當(dāng)十10nD或()10十六進(jìn)制1609,AF逢十六進(jìn)一，借一當(dāng)十六16nH或()161.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示3

9、. 不同進(jìn)位記數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換(1)將R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù) 方法：按權(quán)展開，然后按十進(jìn)制運(yùn)算法則把數(shù)值相加，即“乘權(quán)求和法”。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示 二、八、十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制 對(duì)任意一個(gè)二、八、十六進(jìn)制數(shù)，均可按照前述r進(jìn)制數(shù)的展開和式方便的轉(zhuǎn)成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù) 如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-2 (2)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù) 十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成R進(jìn)制數(shù)時(shí)，應(yīng)將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別轉(zhuǎn)換，然后再相加起來即可得出結(jié)果。 整數(shù)部分采用“除R倒取余”的方法，即將十進(jìn)制數(shù)除以R，得到一個(gè)商和余數(shù)，再將商除以R，又得到一個(gè)商和一個(gè)余數(shù)，如此繼續(xù)下去

10、，直至商為0為止，將每次得到的余數(shù)按得到順序逆序排列，即為R進(jìn)制整數(shù)部分。 小數(shù)部分采用“乘R正取整”的方法，即將小數(shù)部分連續(xù)地乘以R，保留每次相乘的整數(shù)部分，直到小數(shù)部分為0或達(dá)到精度要求的位數(shù)為止，將得到的整數(shù)部分按得到的順序排列，即為R進(jìn)制的小數(shù)部分。 1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(3)二、八、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換 由于23=8，即3位二進(jìn)制數(shù)可以對(duì)應(yīng)1位八進(jìn)制數(shù)碼。24=16，即4位二進(jìn)制數(shù)可以對(duì)應(yīng)1位十六進(jìn)制數(shù)碼。利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以方便地實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)和八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換。 八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù) 方法：將每位八進(jìn)制數(shù)用3位二進(jìn)制數(shù)替換或?qū)⒚课皇M(jìn)制數(shù)用4位

11、二進(jìn)制數(shù)替換，按照原有的順序排列，即可完成轉(zhuǎn)換。若整數(shù)部分最高位為0，可以把高位的0舍掉；若小數(shù)部分最低位為0，可以把低位的0舍掉。1.3 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法：以小數(shù)點(diǎn)為界，整數(shù)部分從右向左每3位分為一組，若不夠3位時(shí)，在左面用“0”補(bǔ)足3位；小數(shù)部分從左向右每3位一組，不足3位右面補(bǔ)“0”，然后將每3位二進(jìn)制數(shù)用1位八進(jìn)制數(shù)碼表示，即可完成轉(zhuǎn)換。二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法：以小數(shù)點(diǎn)為界，整數(shù)部分從右向左每4位分為一組，若不夠4位時(shí)，在左面用“0”補(bǔ)足4位；小數(shù)部分從左向右每4位一組，不足4位右面補(bǔ)“0”，然后將每4位二進(jìn)制數(shù)

12、用1位十六進(jìn)制數(shù)碼表示，即可完成轉(zhuǎn)換。八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換如果將一個(gè)八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，首先將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，再把該二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)。反之，如果將一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)八進(jìn)制數(shù)，首先將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，再把該二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù)。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示例題:(1) 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)：以小數(shù)點(diǎn)為分界點(diǎn)，左右三位一節(jié)，不足三位以零補(bǔ)足三位。例:(101101.01) 2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將每位八進(jìn)制數(shù)碼以三位二進(jìn)制數(shù)表示。例:(76.42) 8=(111110.100010)2=(111110.10

13、001)21.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(3)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)：以小數(shù)點(diǎn)為分界點(diǎn)，左右每四位一節(jié)，不足四位以零補(bǔ)足四位。(1111011011.100101011)2 = (11,1101,1011.1001,0101,1000)2 = (3DB.958)16(4)十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)：將每位十六進(jìn)制數(shù)碼以四位二進(jìn)制數(shù)表示。例:(A3B.C) 16 = (101000111011.1100)2= (101000111011.11)21.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示1位八進(jìn)制數(shù)012345673位二進(jìn)制數(shù)000001010011100101110111二進(jìn)制與八進(jìn)制轉(zhuǎn)換對(duì)照表 1位十六進(jìn)制數(shù)0

14、12345674位二進(jìn)制數(shù)000000010010001101000101011001111位十六進(jìn)制數(shù)89ABCDEF4位二進(jìn)制數(shù)10001001101010111100110111101111二進(jìn)制與十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換對(duì)照表 1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示4 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算(1) 二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算包括加法、減法、乘法、除法運(yùn)算。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示加法 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（進(jìn)位）減法 0-0=0 1-0=1 1-1=0 0-1=1 (借位）乘法 0 x0=0 1x0=0 0 x1=0 1x1=1除法 與十進(jìn)制類似例 計(jì)算(11010110)2(1

15、101)2。計(jì)算(11010110)2(1101)2。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示計(jì)算(1101)2(110)2。計(jì)算(1101001)2(101)2。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(2) 二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算邏輯“與”運(yùn)算 0 x1=0 1x0=0 0 x0=0 1x1=1 邏輯“或”運(yùn)算 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1邏輯“非”運(yùn)算 Not 0= 1 Not 1 = 01.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示例：設(shè)A11101100，B=11011110，對(duì)A、B兩數(shù)進(jìn)行與、或、非運(yùn)算。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示5 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示(1)機(jī)器數(shù)和真值數(shù)值數(shù)據(jù)有正負(fù)之分，那么在計(jì)算機(jī)中如何表示正、負(fù)

16、數(shù)值數(shù)據(jù)呢？由于在計(jì)算機(jī)中使用的二進(jìn)制只有0和1兩種值。人們規(guī)定把一個(gè)數(shù)的最高位定義為符號(hào)位，用“0”表示正號(hào)，用“1”表示負(fù)號(hào)，其余位仍為數(shù)值。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示原碼 原碼就是用最高位表示數(shù)的正、負(fù)號(hào)，0表示正，1表示負(fù)，而數(shù)值部分用最高位以后的若干位來表示。例：二進(jìn)制數(shù) + 1000110的原碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù) 1000110的原碼表示為：110001101.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(2)原碼、反碼、補(bǔ)碼的表示反碼 原碼變反碼的規(guī)則為：正數(shù)的反碼與原碼相同；負(fù)數(shù)的反碼是將它的原碼除符號(hào)位外逐位取反。二進(jìn)制數(shù) 1000110的反碼表示為：10111001例：二進(jìn)制數(shù) +

17、 1000110的反碼表示為：010001101.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示 補(bǔ)碼的取碼原則是：正數(shù)的補(bǔ)碼和其原碼相同；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是它的原碼除符號(hào)位外逐位取反（即0變1，1變0），最后在末位加1。例：二進(jìn)制數(shù) + 1000110的補(bǔ)碼表示為：01000110二進(jìn)制數(shù) 1000110的補(bǔ)碼表示為：10111010補(bǔ)碼1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示十進(jìn)制 原 碼 補(bǔ) 碼 87 -87 127-127 0 -0 010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000 注意

18、：采用補(bǔ)碼來表示正、負(fù)整數(shù)時(shí)，+0 和 0 的取碼是完全相同的，而原碼對(duì)+0和 0 的取碼是不相同的。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示例：補(bǔ)碼的加減法公式 X + Y 補(bǔ) = X 補(bǔ) + Y 補(bǔ) X Y 補(bǔ) = X 補(bǔ) + Y 補(bǔ) X 補(bǔ) 補(bǔ)= X 原1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示例題例： 設(shè) X=44 Y=59 求X +Y = ？ XY = ？由 X 補(bǔ) = 0101100 Y 補(bǔ)= 00111011 -Y 補(bǔ)=11000101 -Y 原=10111011故 X + Y 補(bǔ) = X 補(bǔ) + Y 補(bǔ)= 01100111得X + Y = + 1100111 = ( + 103)10由 X Y 補(bǔ) = X

19、補(bǔ) + Y 補(bǔ)=11110001 X Y 原 = XY 補(bǔ)求補(bǔ)=10001111得XY = -0001111 = (- 15)101.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(1)數(shù)的定點(diǎn)表示：將計(jì)算機(jī)中的小數(shù)點(diǎn)的位置視為是固定不變的。格式：3. 定點(diǎn)數(shù)表示方法1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示圖：定點(diǎn)數(shù)的表示方法 假設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為16位，寫出十進(jìn)制整數(shù)-234，-0.375在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示。-234=-11101010B=-000000011101010B-0.375=-0.011B=-0.011000000000000B所以-234的表示形式為：1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示-0.375的表示形式為：1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示(2)浮點(diǎn)數(shù)的表示方法 階碼是指數(shù)部分的值，表示冪次，其基數(shù)通常取2。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示例：求出-234.375的浮點(diǎn)數(shù)表示形式。 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。-234.375=-11101010.011B 轉(zhuǎn)換為N=M2E形式。-234.375=-11101010.011B=-0.1110101001121000，可以看出階符是正數(shù)，數(shù)符是負(fù)數(shù)。 寫出浮點(diǎn)數(shù)的表示形式，如圖 階碼部分相當(dāng)于定點(diǎn)整數(shù)的表示方法，尾數(shù)部分相當(dāng)于定點(diǎn)小數(shù)的表示方法。1.3數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示32位浮點(diǎn)數(shù)的范圍最大正數(shù)：(1223)2127最小正數(shù)：212128 2129最大負(fù)數(shù)：2