大學計算機基礎

主編劉丕娥第1章計算機基礎知識1.1計算機概述1.2計算機信息的表示形式1.3計算機系統的組成1.1計算機概述一、計算機的基本概念----會計算的機器，英文名稱為computer。計算機是一種能夠按照事先存儲好的程序，自動、高速地進行大量數值計算和各種信息處理的現代化智能電子設備，它具有運算速度快、計算精確度高、記憶能力強、能進行自動控制和邏輯判斷等特點。二、計算機的誕生

第一臺計算機（ENIAC）電子數值積分式計算機

1943年~1946年2月美國賓夕法尼亞大學研制，為解決復雜的彈道計算而研制的。ENIAC共有17468個電子管，1500個繼電器，重達30噸，占地170平方米，耗電174KW，每秒鐘能計算5000次加法。主要缺點：存儲容量小，只能存20個字長為10位的十進制數；用線路連接的方法來編排程序。返回馮·諾依曼數學家，理論主要有兩點：電子計算機應以二進制為運算基礎。電子計算機應采用“存儲程序”方式工作，指明整個計算機的結構由五個部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。

馮·諾依曼體系結構圖三、計算機的發展過程

—按照電子器件（邏輯元件）劃分電子管計算機時代晶體管計算機時代中、小規模集成電路計算機時代大規模與超大規模集成電路計算機時代1946～1957。元器件主要是電子管組成。沒有系統軟件，低級語言編程；體積龐大、功耗高、運算速度較低，容量小，成本高。主要用于軍事、科學計算等領域。計算機的發展過程電子管計算機時代晶體管計算機時代中、小規模集成電路計算機時代大規模與超大規模集成電路計算機時代1958～1964。采用了晶體管元器件，存儲器采用磁芯和磁鼓，出現了高級編程語言，提出操作系統概念，出現系統軟件。運算速度提高，價格下降，應用涉及數據處理、工程、氣象和其他科學研究。計算機的發展過程電子管計算機時代晶體管計算機時代中、小規模集成電路計算機時代大規模與超大規模集成電路計算機時代1965～1970。采用集成電路作為基本器件，半導體做主存，計算機的體積更小、重量更輕、耗電更省、壽命更長、成本更低，大大提高了運行速度。出現分時操作系統共享軟、硬件資源，應用范圍進一步擴大。計算機的發展過程電子管計算機時代晶體管計算機時代中、小規模集成電路計算機時代大規模與超大規模集成電路計算機時代1971年至今。內存儲器為半導體，外存除軟硬磁盤外還出現光盤。集成度越來越高，體積越來越小，容量越來越大，計算機的存儲器向大容量、高速度的方向發展。90年代PC機使計算機應用大為普及。

計算機的發展過程電子管計算機時代晶體管計算機時代中、小規模集成電路計算機時代大規模與超大規模集成電路計算機時代表1-1計算機發展的四個時代代次起止年份所用電子元器件數據處理方式運算速度應用領域第一代1946~1957電子管匯編語言、代碼程序幾千~幾萬次/秒軍事、科學計算第二代1958~1964晶體管高級語言簡單操作系統幾萬~幾十萬次/秒工程設計、數據處理第三代1965~1970中、小規模集成電路模塊化程序設計，分時、實時操作系統幾十萬~幾百萬次/秒工業控制、數據處理第四代1971~今大規模、超大規模集成電路分時、實時數據處理、計算機網絡幾百萬~千億條指令/秒工業、生活等各方面第五代、第六代計算機？微型計算機（PC機）的發展1971年出現，屬于第四代計算機。突出特點是：將運算器和控制器集成在一塊芯片上。根據微處理器的集成規模和功能分以下幾個階段。代次起止年份CPU數據位數主頻(MHZ)第一代1971~1973Intel4004、80084位、8位1第二代1973~1975Intel8085、M68008位2第三代1975~1978Intel808616位2~5第四代1978~1981Intel80386、80486HP-3232位>5第五代1981~1993Pentium系列，也稱58664位>25第六代1993~今PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ系列64位60~3G四、計算機的分類1、按計算機用途分通用計算機專用計算機2、按數據處理方式分數字式電子計算機模擬式電子計算機混合式電子計算機3、按計算機的規模和處理能力分

計算機的處理能力主要是指其字長、運算速度、存儲容量、外部設備配置、軟件配置以及價格高低等。巨型計算機大中型計算機小型計算機微型計算機工作站服務器五、計算機的特點1.自動運行程序計算機采用存儲程序控制方式，自動執行命令直至完成任務。2.運算速度快運算速度是指計算機每秒鐘執行多少條指令。常用單位為MIPS。即每秒鐘百萬條指令。一般計算機的運算速度每秒可達幾百萬到幾億次。3.運算精度高小數點后上億位精度，位數越多，計算的精度就越高。4.記憶力、邏輯判斷能力強

計算機能夠進行各種基本的邏輯判斷，并根據判斷的結果，決定下一步執行的指令。5.可靠性高、通用性強

數據處理、工業控制、輔助設計、輔助制造和辦公自動化六、計算機的應用1、科學計算

科學計算一直是電子計算機的主要應用領域之一。例如在天文學、量子化學、空氣動力學、核物理學、人造衛星軌跡的計算、氣象預報、土木工程、數學、軍事應用等領域。應用計算機進行數值計算，速度快、精度高，可以大大縮短計算時間，節省人力物力?？茖W計算的特點是計算量大和數值變化范圍大。

2、數據處理

當前大部分計算機都用于數據處理。比如銀行計算機用來處理儲戶存款、取款以及其他諸如信用卡系統等業務。在企業的數據處理領域中，計算機應用也發揮著重要角色，比如在財務會計統計和經營管理中，編制生產計劃、統計報表、成本核算、銷售分析、市場預測、利潤估計、采購訂貨、庫存管理、工資管理等都需要計算機輔助完成任務。

3、計算機輔助工程

計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM)。計算機輔助教學（CAI）也是利用計算機進行輔助教學的一門技術，它利用圖、文、聲、像等多媒體方式使得教學過程形象化、改變了傳統的教學模式，更有效的激發學生的學習興趣。

4、過程控制計算機廣泛應用于石油化工、電力、冶金、機械加工、通信及輕工業各部門的生產過程控制。如計算機數控車床、實時控制高爐煉鐵過程，計算機控制汽車生產線等。一般用于生產過程自動控制的計算都是實時控制，它們對計算機的速度要求不高，但可靠性要求很高，否則將生產出不合格的產品，甚至造成重大設備事故或人身事故。另外，計算機控制技術在現代化國防和空間技術中也有應用，如導彈、人造衛星、宇宙飛船等都是采用計算機控制的。

5、人工智能

人工智能是將人腦在進行演繹推理的思維過程、規則和所采用的策略、技巧等編成計算機程序，使計算機和人一樣具有識別文字、圖像、語言和推理學習的能力。人工智能的研究已取得一些成果，研制出的智能計算機可以替代人類某些方面的腦力勞動，但離建立真正的智能系統還相差甚遠。最新人工智能技術

6、網絡應用

1991年美國提出，指將利用計算機網絡，將不同地區的計算機之間實現軟硬件資源共享，大大促進和發展地區間、國際間的通信和各種數據的傳輸和處理。比如銀行系統、交通訂票服務、電子商務（EC）、公用信息通信網、大型企業管理系統都是建立在計算機網絡的基礎上。人們通過因特網（Internet）相互發送電子郵件（E-mail）、瀏覽各種網頁。7、電子商務

通過計算機和網絡進行商務活動，是在Internet的廣闊聯系與傳統信息技術的豐富資源結合的背景下產生的一種網上相互關聯的動態商務活動。在1996年開始，具有高效率、低支付、高收益、全球化特點，使世界各地公司在網上進行業務往來。

8、娛樂

欣賞VCD、音樂；游戲娛樂七、我國計算機的發展情況我國的計算機事業始于20世紀50年代。1952年我國的第一個電子計算機科研小組在中科院數學所內成立。1960年，我國第一臺自行研制的通用電子計算機107機問世。1964年，我國研制了大型通用電子計算機119機，用于我國第一顆氫彈研制工作的計算任務。20世紀70年代以后，我國生產的計算機進入了集成電路計算機時期。

1974年，我國設計的DJS-130機通過了鑒定并投入批量生產。進入20世紀80年代，我國又研制成功了巨型機。1982年，我國獨立研制成功了銀河I型巨型計算機，運算速度為每秒1億次，1997年6月研制成功的銀河Ⅲ型巨型計算機，運算速度為每秒130億次。這些機器的出現，標志著我國的計算機技術水平踏上了一個新的臺階。

銀河I巨型計算機1982年計算機的發展趨勢計算機正朝著巨型化：高速，大存儲容量和強功能微型化：整個微型機系統的集成多媒體化：圖像、聲音多媒體信息網絡化：共享信息、共享資源智能化：視聽說行思推理學習證明能力方向發展。計算機的發展史計算機相關人物簡介圖靈馮.諾依曼高登.摩爾

圖靈高登.摩爾1．以二進制和程序控制為基礎的計算機結構是由______最早提出的。

A．布爾B．巴貝奇C．馮·諾依曼D．圖靈2．世界上第一臺電子數字計算機取名為______。

A．UNIVACB．ENIACC.EDSACD．EDVAC3．計算機的發展階段通常是按計算機采用的來______劃分的。

A.內存容量B．電子器件C．程序設計語言D.操作系統4．第4代計算機的邏輯器件，采用的是______。

A晶體管B．大規模、超大規模集成電路

C．中、小規模集成電路D．微處理器集成電路5.個人計算機屬于______。

A小巨型機B.小型計算機C．微型計算機D．中型計算機6．我國自行設計研制的銀河系列計算機是______。

A微型計算機B小型計算機C．大型計算機D．巨型計算機7.CAD的含義是______。

A.計算機科學計算B.辦公自動化

C．計算機輔助設計D．管理信息系統8.巨型計算機指的是______。

A.重量大B．體積大C．功能強D．耗電量大本節課結束，下次課再見！1.2計算機信息的表示形式進位計數制1.按進位的原則進行計數，稱為進位計數制。十、二、十六、八。2.進位制表示兩要素：基數：計數制中用到的數碼個數R

位權：不同數位上固定的常數Ri

一、各種進制（任何一種進制數都可以寫成按權展開的多項式之和）

1.十進制D0~9基數為10逢10進1

表示：1395.46D或1395.46或(1395.46)10

按權展開：

1395.46D=1×103+3×102+9×101+5×100+4×10-1+6×10-2

2.二進制B0，1基數為2逢2進1

表示：10110B、1101.011B、(11011.1011)2

按權展開：

1101.011B=1×23+1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3

3.八進制O0~7基數為8逢8進1表示：653O、271.5O、(137.46)8

按權展開：137.46O=1×82+3×81+7×80+4×8-1+6×8-2

4.十六進制H0~9A,B,C,D,E,F

基數16逢16進1表示：2EA7H、37B.C2H、(13F.4E)16

按權展開：37B.C2H=3×162+7×161+11×160+12×16-1+2×16-2二、數制轉換

1．R進制數轉換成十進制數將非十進制數N轉換成十進制數，只需將數N按位權展開并求出多項式的和即可。例如：110011.101B=1×25+1×24+0×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1

+0×2-2+1×2-3=51.625D531.72O=5×82+3×81+1×80+7×8-1+2×8-2=345.9063D1C.05H=1×161+12×160+0×16-1+5×16-2=28.0195D2．十進制數轉換成R進制將十進制數N轉換成R進制數時，需將數N分為整數和小數兩部分分別轉換，然后將結果按照指定的規則連接起來即可。整數部分轉換成R進制數，采用除R取余倒序法小數部分轉換成R進制數，采用乘R取整順序法最后，將得到的整數部分和小數部分用小數點直接相連，即得到了最終的轉換結果。

整數部分的轉換方法一：采用除基取余法。把十進制的整數部分不斷去除以欲轉換為的數據的基數。其過程為：第一次除取得的余數為目的數的最低位，把得到的商再除以基數，所得余數為目的數的次低位，依次類推，直至商為0，所得余數為目的數的最高位。例：將十進制數75轉換成二進制數75237121812

902

412

202

10

01

2高低75D=1001011B整數部分的轉換方法二：將要進行轉換的十進制整數寫成欲轉換的數制的基數的整數冪的多項式形式，然后根據欲轉換的進制數的表達式寫出目的數。

75D=64＋8＋2＋1＝26+23+21+20=1001011B小數部分的轉換采用乘基取整法。用欲轉換的數據的基數不斷去乘以要進行轉換的十進制小數，具體過程為：第一次乘的結果的整數部分為目的數的小數部分的最高位，其小數部分再乘以基數，所得結果的整數部分為目的數的次高位。依次類推，直到小數部分為0或達到所要求的精度為止。例：將十進制數0.3125轉換成二進制數0.3125×20.6250×21.250×20.50×21.0低高0.3125D=0.0101B3、二進制數和八進制數之間的轉換

三位合一法。即把待轉換的二進制數從小數點開始，分別向左右兩個方向每三位為一組（最后不足三位數的用0補足），然后對每三位二進制數用相應的八進制數碼表示。

例：將二進制數10101011.1011轉換成八進制數10101011.1011010101011.101100253.5410101011.1011B=253.54O4、二進制數和十六進制數之間的轉換

四位合一法。即把待轉換的二進制數從小數點開始，分別向左右兩個方向每四位為一組（最后不足四位數的用0補足），然后對每四位二進制數用相應的十六進制數碼表示。例：將二進制數110101011.10111轉換成十六進制110101011.10111000110101011.101110001CB.B8110101011.10111B=1CB.B8H5、八進制數和十六進制數的轉換

先把八進制數轉換為二進制數，再把轉換得到的二進制數轉換為十六進制數。三、字符與漢字編碼ASCII碼在計算機中，所有的數據在存儲和運算時都要使用二進制數表示，美國有關的標準化組織就出臺了ASCII編碼，統一規定了常用符號用哪些二進制數來表示。

ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)——美國標準信息交換碼,是由美國國家標準學會制定的，標準的單字節字符編碼方案。

ASCII碼有52個英文大小寫字母，32個標點符號、運算符，10個數字和34個控制字符，共128個。每個字符用一個7位的二進制數來表示，以一個字節來存儲，最高位D7為0。如A01000001->65Da01100001->97DASCII碼針對英文字母、數字和其它特殊字符編碼，不能對漢字編碼。2.漢字編碼（1）漢字輸入碼漢字輸入碼，又稱“外部碼”，簡稱“外碼”，是指用戶從鍵盤上輸入的能代表漢字的編碼。根據所采用的方法的不同，外碼大體可分為數字編碼（如區位碼）、字形編碼（如五筆輸入碼）、字音編碼（如拼音輸入碼）和音形碼等幾類。不同的漢字輸入碼，同一個漢字的編碼也不盡相同。

（2）漢字機內碼漢字機內碼又稱“漢字ASCII碼”、“機內碼”，簡稱“內碼”，是指計算機內部存儲、處理加工和傳輸漢字時所采用的由0和1符號組成的代碼。機內碼是漢字最基本的編碼，不管是什么漢字系統和漢字輸入方法，輸入的漢字外碼到機器內部都要轉換成機內碼，才能被存儲和處理。內碼的形式有很多種，人們通常所說的內碼是指國際內碼，即GB內碼，是用兩個字節來表示一個漢字，每個字節的高位為1。如漢字“大”的機內碼是1011010011110011，用十六進制表示就是B4F3H。（3）漢字字形碼字形碼是指漢字字形存儲在字庫中的數字化代碼。字形碼是計算機顯示和打印文字時的漢字編碼，是以點陣形式來表示漢字，一般用于顯示的字形碼是16×16點陣的。點數越多，打印的字體就越美觀，同樣其漢字字庫所占的存儲空間也就越大。本節課結束，下次課再見！

1.3計算機系統的組成

根據馮·諾依曼的設計思想，計算機系統有硬件系統和軟件系統兩大部分組成。

硬件是指構成計算機的所有物理部件，是看得見、摸得著的實際設備，它是計算機進行信息處理的物質基礎，包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個部分。一、常見的硬件設備1.中央處理器中央處理器CPU（CentralProcessingUnit），是構成計算機的核心部件，起到控制計算機工作的作用，主要有運算器和控制器組成。CPU性能的高低，直接決定著一個計算機系統的檔次。反應CPU性能的最重要的指標是：時鐘頻率字長2．存儲器存儲器按照功能可分為主存儲器（簡稱主存或內存）和輔助存儲器（簡稱輔存或外存）。（1）內存內存分為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）兩種。（2）外存外存儲器用于存儲暫時不用的程序和數據，它的存儲容量較大，訪問時間相對內存要慢的多。外存儲器主要有軟盤、硬盤、光盤和移動存儲器等。3．輸入設備

輸入設備是向計算機輸入數據和信息的設備。是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。輸入設備是用戶和計算機系統之間進行信息交換的主要裝置之一。鍵盤，鼠標，攝像頭，掃描儀，光筆，手寫輸入板，游戲桿，語音輸入裝置等都屬于輸入設備。4．輸出設備

輸出設備是對將外部世界信息發送給計算機后，將處理結果返回給外部世界的設備的總稱，它把各種計算結果信息以數字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。常見的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀、影像輸出系統、語音輸出系統等。二、計算機軟件系統系統的程序以及開發、使用和維護程序所需要的所有文檔稱為軟件，它是微機的靈魂。沒有安裝軟件的微機稱為“裸機”，無法完成任何工作。計算機軟件根據其功能和面向的對象分成系統軟件和應用軟件兩大類。特點：復雜，研制周期長，成本高，已成為商品，有售后服務。