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代信息社會最重要的技術支柱，對人類的生產方式、生活方式及思維方式都產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據。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，還具有現代計算機的一些部件：打印機、磁帶、磁盤、內存、操作系統(tǒng)等。在這一時期出現了更高級的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、數據存儲容量、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。可同時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，現在微機的運算速度已經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，實現智能化控制。現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產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。從計算機所處理數據的類型這個角度來看，計算機的應用原則上可分為數值計算和非數值計算兩大類。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．數據處理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進位計數制1.2.2幾種常用數制之間的轉換1.2.3二進制數的運算規(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進位計數制1．進位計數制的概念

在進位計數制中包含兩個基本要素：“基數”和“位權”①基數：一種進位計數制中允許使用的基本數字符號的個數稱為基數。②位權：就是單位數碼在該數位上所表示的數量。2．常用的進位計數制介紹常用的進位計數制有二進制、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實現容易②便于使用邏輯代數③運算簡單④記憶和傳輸可靠21計算機中常用的數制進位制基數數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計算機中常用的數制進位制基數數字符號標識二進制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，FH23k進制轉化成十進制:按權展開幾種常見數制之間的轉換24十進制轉化成k進制整數部分：連除基數，逆序取余；小數部分：連乘基數，順序取整例1：將十進制數143.8125轉換為二進制例2：將十進制數132.525轉換為八進制例3：將十進制數130.525轉換為十六進制幾種常見數制之間的轉換25二、八進制之間的轉換每三位二進制對應一個八進制數。八進制01234567二進制000001010011100101110111(1101101110.110101)B=(1556.65)O155665整數部分：從右向左進行分組。小數部分：從左向右進行分組。幾種常見數制之間的轉換26二、十六進制之間的轉換每四位二進制數對應一個十六進制數。十六進制01234567二進制00000001001000110100010101100111十六進制89ABCDEF二進制10001001101010111100110111101111幾種常見數制之間的轉換27二、十六進制數的相互轉換二進制轉化為十六進制每四位二進制數對應一個十六進制數。整數部分：從右向左進行分組。小數部分：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對應四位二進制。(2C1D)H=(0010110000011101)B2C1D(64)H=(01100100)B6429八、十六進制數的相互轉換？？2、完成下列各數的進制轉換。（10101001.101011）2=（

）10=（

）8=（

）16（A8D）16=（

）10=（

）8=（

）21．二進制數的算術運算規(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=1二進制數的運算規(guī)則2/5/2023312．二進制數的邏輯運算（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：二進制數的運算規(guī)則2/5/2023331.數值型數據在計算機中的表示方式

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

信息在計算機中的表示2/5/202334求負數補碼的方法為：第一步：寫出與該負數相對應的正數的補碼。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.非數值數據在計算機中的表示

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，這個二進制數的值稱為ASCII碼值。碼值可采用十進制或十六進制數來表示。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.各類數據在計算機中的轉換所謂數字化即為對傳統(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數據存儲的最小單位：位（bit）數據存儲的基本單位：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。計算機中數據的存儲單位

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，采用二進制作為數字計算機的數制基礎；

2）提出了程序存儲式電子數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）輸入數據和程序的輸入設備。

（2）記憶程序和數據的存儲器。

（3）完成數據加工處理的運算器。

（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行指令從內存中取出來并送到指令寄存器中。

（2）分析及取數指令：取出指令后，機器立即進入分析及取數階段，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。所有這些指令都會改變指令寄存器的內容。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部一次能同時處理的二進制數據的位數，反映了計算機內部寄存器、ALU(ArithmeticandLogicUnit，算術邏輯單元)和數據總線的位數，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，一次處理的數字位數越大，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秒內發(fā)生的同步脈沖數）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來作參考。主頻僅僅是CPU性能表現的一個方面，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，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)是指計算機內部對數據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(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運算的各種數據，它是CPU中具有存儲特性的內部高速單元。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，產生并發(fā)出各種相應的控制信號完