1、大學計算機基礎教程人民郵電出版社第1章 計算機基礎知識1.1 計算機概述1.計算機的發展簡史 (1)手工到機械自動 (2)機械自動到電動計算 (3)電動計算到電子數字計算 第一代電子管計算機（19461958年） 第二代晶體管計算機（19591964年） 第三代中小規模集成電路計算機（19651969年） 第四代大規模和超大規模集成電路計算機（1971年至今）2. 計算機的發展趨勢(1)超導計算機(2) 生物計算機(3) 光學計算機(4) 量子計算機(5) 神經計算機1.1 計算機概述3. 計算機的分類(1)巨型機(2)大型機(3)小型機(4)微型機(5)服務器(6)工作站1.1 計算機概述4

2、.計算機的特點(1)運算速度快(2)計算精度高(3)具有“記憶”和邏輯判斷能力(4)具有自動運行能力(5)可靠性高1.1 計算機概述5.計算機的應用(1)科學計算(2)數據處理(3)實時控制(4) 辦公自動化(5)計算機輔助工程(6)人工智能(7) 計算機網絡通信1.1 計算機概述1.2 計算機系統1. 計算機系統概述1.2 計算機系統2. 計算機硬件系統(1)控制器 程序計數器 指令寄存器 指令譯碼器 時序部件 微操作控制部件(2) 運算器：它主要由算術邏輯單元、通用寄存器組及累加器組成 (3)存儲器：存儲器是用來存放數據和程序的部件。存儲器分為內部存儲器（又稱內存或主存）和外部存儲器（又稱

3、外存或輔存）。內存用于存放當前正在使用或隨時需要使用的程序和數據，可以被CPU直接訪問。外存用來存放暫時不用的程序和數據，不能被CPU直接訪問。外存中的數據必須先調入內存才能被CPU處理。 度量單位：KB,MB,GB,TB1.2 計算機系統1)內部存儲器 隨機存儲器（RAM） 只讀存儲器（ROM） 高速緩沖存儲器（Cache） 2) 外部存儲器：磁盤存儲器、光盤存儲器、可移動存儲器和U盤 (4) 輸入/輸出設備常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、數碼照像機、攝像機、麥克風等。 常用的輸出設備有顯示器、打印機和繪圖儀 1.2 計算機系統內存外存速度快 慢位置主機內部主機外部CPU訪問可以直

4、接訪問不能直接訪問存儲信息當前正在執行的暫時不使用的斷電內容丟失內容不丟失 內存和外存的區別1.2 計算機系統1.2 計算機系統3 計算機的基本工作原理(1)指令和程序(2)工作過程(3)存儲程序工作原理：馮諾依曼結構有三條重要的設計思想：計算機應包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等基本部件。計算機內部采用二進制來表示數據和指令。每條指令一般具有一個操作碼和一個地址碼。其中操作碼表示運算性質，地址碼指出操作數在存儲器中的地址。程序預先存入存儲器中，使計算機在工作中能自動地從存儲器中取出程序指令并加以執行。4 計算機軟件系統(1)系統軟件 操作系統程序設計語言與語言處理程序數據庫管理

5、系統服務程序(2)應用軟件 辦公軟件反病毒軟件壓縮工具軟件 網絡應用軟件多媒體編輯軟件 工程設計軟件教育和娛樂軟件 其他專用軟件1.2 計算機系統1.2 計算機系統5 微型計算機硬件系統主機箱內部硬件部件圖 5 微型計算機硬件系統(1)CPU頻率(2)主板(3) 內部存儲器(4)外部存儲器外部存儲器主要包括硬盤、光盤、移動硬盤和U盤等 (5)顯卡(6) 輸入設備(7) 輸出設備(8) 總線微型計算機的總線結構1.2 計算機系統1.3數據在計算機中的表示(1)信息和數據信息就是經過加工并對人類社會實踐和生產經營活動產生決策影響的數據。它反映了客觀世界中各種事物特征和變化的知識，由數據構成，是數據

6、經過同化、聚合和加工后的結果。(2)信息技術信息技術是研究信息的獲取、傳輸和處理的技術，主要由計算機技術、通信技術、微電子技術結合而成，簡稱“3C技術”。1 信息和數據(1)計算機中所有的數據均采用二進制數表示，這主要是因為二進制有以下特點。可行性 電子元件一般只有兩個穩定狀態，如開關的接通和斷開，晶體管的導通和截止、磁元件的正負剩磁、電位電平的高與低等，用二進制的“”和“”來模擬這兩個狀態，是二進制在電子器件中有實現的可行性。簡易性 二進制數的運算法則少，運算簡單，使計算機運算器的硬件結構大大簡化。邏輯性 由于二進制和正好和邏輯代數的假（false）和真（true）相對應，有邏輯代數的理論基

7、礎，用二進制表示邏輯值很自然。 1.3數據在計算機中的表示2 進位記數制(2)數碼：該進制中固有的基本符號。例如，十進制有0，1，2，9共10個數碼，二進制有0、1兩個數碼。(3)基數R：該進制中允許選用的基本數碼的個數，用R表示。例如，十進制數的基數R為10，進位原則是“逢十進一”，二進制數的基數R為2，進位原則是“逢二進一”。(4)位權Rn：又稱“權”，是指一個數的每一個固定位置所表示的單位值的大小，它是一個常數，用Rn表示。例如，十進制數432，由4、3、2三個數碼排列而成，4在百位，代表400（4102），3在十位，代表30（3101），2在個位，代表2（2100），它們分別具有不同的

8、位權，4所在數位的位權為102，3所在數位的位權為101，2所在數位的位權為100。再比如二進制的111，它的位權從左至右分別為22，21，20。任何一種進位制數都可以表示成按位權展開的多項式之和的形式： (X)R=Dn-1Rn-1+Dn-2Rn-2+D0R0+D-1R-1+D-mR-m1.3 數據在計算機中的表示常見進位計數制的表示 進位制基數R數碼規則位權Rn標識二進制20,1逢二進一，借一當二2nB或()2八進制807逢八進一，借一當八8nO或()8十進制1009逢十進一，借一當十10nD或()10十六進制1609,AF逢十六進一，借一當十六16nH或()161.3數據在計算機中的表示3

9、. 不同進位記數制之間的轉換(1)將R進制數轉換為十進制數 方法：按權展開，然后按十進制運算法則把數值相加，即“乘權求和法”。1.3數據在計算機中的表示 二、八、十六進制轉換為十進制 對任意一個二、八、十六進制數，均可按照前述r進制數的展開和式方便的轉成相應的十進制數 如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-2 (2)十進制數轉換成R進制數 十進制數轉換成R進制數時，應將整數部分和小數部分分別轉換，然后再相加起來即可得出結果。 整數部分采用“除R倒取余”的方法，即將十進制數除以R，得到一個商和余數，再將商除以R，又得到一個商和一個余數，如此繼續下去

10、，直至商為0為止，將每次得到的余數按得到順序逆序排列，即為R進制整數部分。 小數部分采用“乘R正取整”的方法，即將小數部分連續地乘以R，保留每次相乘的整數部分，直到小數部分為0或達到精度要求的位數為止，將得到的整數部分按得到的順序排列，即為R進制的小數部分。 1.3數據在計算機中的表示(3)二、八、十六進制數的相互轉換 由于23=8，即3位二進制數可以對應1位八進制數碼。24=16，即4位二進制數可以對應1位十六進制數碼。利用這種對應關系，可以方便地實現二進制數和八進制數、十六進制數的相互轉換。 八進制數、十六進制數轉換成二進制數 方法：將每位八進制數用3位二進制數替換或將每位十六進制數用4位

11、二進制數替換，按照原有的順序排列，即可完成轉換。若整數部分最高位為0，可以把高位的0舍掉；若小數部分最低位為0，可以把低位的0舍掉。1.3 數據在計算機中的表示二進制數轉換成八進制數、十六進制數二進制數轉換成八進制數的方法：以小數點為界，整數部分從右向左每3位分為一組，若不夠3位時，在左面用“0”補足3位；小數部分從左向右每3位一組，不足3位右面補“0”，然后將每3位二進制數用1位八進制數碼表示，即可完成轉換。二進制數轉換成十六進制數的方法：以小數點為界，整數部分從右向左每4位分為一組，若不夠4位時，在左面用“0”補足4位；小數部分從左向右每4位一組，不足4位右面補“0”，然后將每4位二進制數

12、用1位十六進制數碼表示，即可完成轉換。八進制數和十六進制數的相互轉換如果將一個八進制數轉換為一個十六進制數，首先將其轉換為二進制數，再把該二進制數轉換為十六進制數。反之，如果將一個十六進制數轉換為一個八進制數，首先將其轉換為二進制數，再把該二進制數轉換為八進制數。1.3數據在計算機中的表示例題:(1) 二進制數轉換成八進制數：以小數點為分界點，左右三位一節，不足三位以零補足三位。例:(101101.01) 2=(101,101.010)=(55.2)8(2)八進制數轉換成二進制數：將每位八進制數碼以三位二進制數表示。例:(76.42) 8=(111110.100010)2=(111110.10

13、001)21.3數據在計算機中的表示(3)二進制數轉換成十六進制數：以小數點為分界點，左右每四位一節，不足四位以零補足四位。(1111011011.100101011)2 = (11,1101,1011.1001,0101,1000)2 = (3DB.958)16(4)十六進制數轉換成二進制數：將每位十六進制數碼以四位二進制數表示。例:(A3B.C) 16 = (101000111011.1100)2= (101000111011.11)21.3數據在計算機中的表示1位八進制數012345673位二進制數000001010011100101110111二進制與八進制轉換對照表 1位十六進制數0

14、12345674位二進制數000000010010001101000101011001111位十六進制數89ABCDEF4位二進制數10001001101010111100110111101111二進制與十六進制轉換對照表 1.3數據在計算機中的表示4 二進制數的運算(1) 二進制數的算術運算二進制數的算術運算包括加法、減法、乘法、除法運算。1.3數據在計算機中的表示加法 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0（進位）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 與十進制類似例 計算(11010110)2(1

15、101)2。計算(11010110)2(1101)2。1.3數據在計算機中的表示計算(1101)2(110)2。計算(1101001)2(101)2。1.3數據在計算機中的表示(2) 二進制數的邏輯運算邏輯“與”運算 0 x1=0 1x0=0 0 x0=0 1x1=1 邏輯“或”運算 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1邏輯“非”運算 Not 0= 1 Not 1 = 01.3數據在計算機中的表示例：設A11101100，B=11011110，對A、B兩數進行與、或、非運算。1.3數據在計算機中的表示5 數值數據的表示(1)機器數和真值數值數據有正負之分，那么在計算機中如何表示正、負

16、數值數據呢？由于在計算機中使用的二進制只有0和1兩種值。人們規定把一個數的最高位定義為符號位，用“0”表示正號，用“1”表示負號，其余位仍為數值。1.3數據在計算機中的表示原碼 原碼就是用最高位表示數的正、負號，0表示正，1表示負，而數值部分用最高位以后的若干位來表示。例：二進制數 + 1000110的原碼表示為：01000110二進制數 1000110的原碼表示為：110001101.3數據在計算機中的表示(2)原碼、反碼、補碼的表示反碼 原碼變反碼的規則為：正數的反碼與原碼相同；負數的反碼是將它的原碼除符號位外逐位取反。二進制數 1000110的反碼表示為：10111001例：二進制數 +

17、 1000110的反碼表示為：010001101.3數據在計算機中的表示 補碼的取碼原則是：正數的補碼和其原碼相同；負數的補碼是它的原碼除符號位外逐位取反（即0變1，1變0），最后在末位加1。例：二進制數 + 1000110的補碼表示為：01000110二進制數 1000110的補碼表示為：10111010補碼1.3數據在計算機中的表示十進制 原 碼 補 碼 87 -87 127-127 0 -0 010101110101011111010111101010010111111101111111111111111000000100000000000000001000000000000000 注意

18、：采用補碼來表示正、負整數時，+0 和 0 的取碼是完全相同的，而原碼對+0和 0 的取碼是不相同的。1.3數據在計算機中的表示例：補碼的加減法公式 X + Y 補 = X 補 + Y 補 X Y 補 = X 補 + Y 補 X 補 補= X 原1.3數據在計算機中的表示例題例： 設 X=44 Y=59 求X +Y = ？ XY = ？由 X 補 = 0101100 Y 補= 00111011 -Y 補=11000101 -Y 原=10111011故 X + Y 補 = X 補 + Y 補= 01100111得X + Y = + 1100111 = ( + 103)10由 X Y 補 = X

19、補 + Y 補=11110001 X Y 原 = XY 補求補=10001111得XY = -0001111 = (- 15)101.3數據在計算機中的表示(1)數的定點表示：將計算機中的小數點的位置視為是固定不變的。格式：3. 定點數表示方法1.3數據在計算機中的表示圖：定點數的表示方法 假設機器字長為16位，寫出十進制整數-234，-0.375在計算機內的表示。-234=-11101010B=-000000011101010B-0.375=-0.011B=-0.011000000000000B所以-234的表示形式為：1.3數據在計算機中的表示-0.375的表示形式為：1.3數據在計算機中的表示(2)浮點數的表示方法 階碼是指數部分的值，表示冪次，其基數通常取2。1.3數據在計算機中的表示例：求出-234.375的浮點數表示形式。 轉換為二進制。-234.375=-11101010.011B 轉換為N=M2E形式。-234.375=-11101010.011B=-0.1110101001121000，可以看出階符是正數，數符是負數。 寫出浮點數的表示形式，如圖 階碼部分相當于定點整數的表示方法，尾數部分相當于定點小數的表示方法。1.3數據在計算機中的表示32位浮點數的范圍最大正數：(1223)2127最小正數：212128 2129最大負數：2