计算机基础知识

1第一章计算机基础知识1.1计算机概述1.电子计算机的发展世界上第一台名为ENIAC的数字电子计算机于1946年诞生在美国宾夕法尼亚大学，在半个世纪的飞速发展过程中经历了4个时代。计算机第一代第二代第三代第四代特征采用电子管作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒仅几千次，内存容量仅几KB。采用晶体管作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几十万次，内存容量扩大到几十KB。采用集成电路作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几十万至几百万次。采用大规模和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几千万至十万亿次。时间1946-19581958-19641964-19701971年至今代表机型IBM650、IBM709IBM7094、CDC7600IBM360应用仅限于军事和科研中的科学计算；用机器语言或汇编语言编写程序。由科学计算扩展到数据处理和自动控制；出现了FORTRAN等高级语言。开始广泛应用于各个领域；高级语言有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言。应用范围已渗透到各行各业，并进入了以网络为特征的时代；操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。2.微型计算机的发展1971年由美国Intel公司的工程师马西安·霍夫（M·E·Hoff）设计了世界上第一台名为MCS-4的4位微型计算机。该机是由一片4位微处理器Intel4004、一片320位（40字节）的随机存取存储器、一片256字节的只读存储器和一片10位的寄存器通过总线连接起来的。微处理器第一代(8位)第二代(8第三代(16第四代(32位)2位)位)时间1972年1973年1978年1985年1993年1995年1997年1999年代表产品Intel8008Intel8085Intel8086Intel80386PentiumPentiumProPentiumⅡPentiumⅢ3.计算机的分类巨型计算机可用作系统的服务器小巨型机大型机可用作部门的服务器小型计算机工作站可用作客户机个人计算机4.计算机的应用(1)科学计算如：计算量大、数值变化范围大的天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中的复杂运算。(2)数据处理是计算机应用的一个重要方面，如：办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等非数值计算的领域。(3)过程控制如：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等现代工业生产过程中的自动化控制。(4)计算机辅助系统计算机辅助设计CAD：如飞机、船舶、建筑、机械、大规模集成电路等的设计。计算机辅助制造CAM：用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。计算机辅助教育CBE：如计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试CAT、计算机管理教学CMI(5)人工智能AI3是计算机应用研究的前沿学科。(6)信息高速公路（此即“国家信息基础设施”NII的俗称）我国已建立的大型计算机应用工程��金字工程：金桥工程(全国经济信息网)金卡工程(金融信息网)金关工程(外贸海关信息网)金智工程(教育科研信息网)(7)电子商务利用国际互联网Internet进行网上商务活动，始于1996年，现已发展迅速，全球已有许多企业先后开展了“电子商务”活动。2.1信息在计算机内的表示1.基本概念数据：是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊的表达形式可以用人工的方式或用自动化的装置进行通信、翻译转换或者进行加工处理。它包括数字、文字、图画、声音、活动图象等。数据处理：是对数据进行加工、转换、存储、合并、分类、排序与计算的过程。信息：是对人有用的数据。媒体：是承载信息的载体。包括：感觉媒体、表示媒体、存储媒体、表现媒体、传输媒体。2.数制（1）计算机中常用的几种进制一览表进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一4基数r=2r=8r=10r=16数符0，10，1，…，70，1，…，90，1，…，9，A，B，C，D，E，F权2i8i10i16i形式表示BODH（2）不同进制之间的转换(3)计算机中采用二进制码的原因转换方式示例二进制→十进制八进制→十进制十六进制→十进制十进制→二进制(117.625)D=(1110101.101)B整数部分“除以2取余法”+小数部分“乘以2取整法”十进制→八进制(193.12)D≈(301.075)O整数部分“除以8取余法”+小数部分“乘以8取整法”十进制→十六进制（222.6875）D=（DE.B）H整数部分“除以16取余法”+小数部分“乘以`16取整法”八进制→二进制(16.3)O=(001110.011)B=(1110.011)B十六进制→二进制(4C.2)H=(01001100.0010)B=(1001100.001)B二进制→八进制(11101.01)B=(011101.010)B=(35.2)O二进制→十六进制(11101.01)B=(00011101.0100)B=(1D.4)H5·二进制码在物理上最容易实现·二进制数的编码、记数、加减运算规则简单·二进制码的两个符号“1”和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”相对应，便于计算机实现逻辑运算。（4）二进制数的运算运算规则一览表加法减法乘法除法“与”运算“或”运算“异或”运算0+0=00-0=00x0=0与十进制除法类似按位进行与运算；两位均为1时，其结果为1；否则为0。与运算用符号∧或·表示。按位进行或运算；两位中有一位为1时，其结果为1；两位均为0时，结果为0。或运算用符号∨或+表示。按位进行异或运算；两位不相同时，其结果为1；两位均为0时，结果为0。异或运算用符号○表示。0+1=11-0=10x1=01+1=10有进位1-1=01x0=01+1+1=11有进位0-1=1有借位1x1=1（5）计算机中带符号数的表示计算机中规定一个数的最高位代表符号，该位为0表示正，该为为1表示负。例：00110100代表+52被称作机器数10110100代表-52而：+0110100代表十进制数+52被称作机器数的真值-0110100代表十进制数-52机器数的三种表示法原码反码补码正数表示法符号位用0表示[X]反=[X]原[X]补=[X]原负数表示法符号位用1表示符号位不变，其余各位按位取反[X]补=[X]反+16注意：1加在最低位上数0表示法X=+0[X]原=00000000X=-0[X]原=10000000X=+0[X]反=00000000X=-0[X]反=11111111X=+0[+0]补=00000000X=-0[-0]反=00000000引进补码的目的：在二进制的算术运算中，乘法采用加法和移位来完成，除法采用减法和移位来完成。而在计算机中为节省设备，只设加法器，故引进补码运算来将减法运算转换成加法运算。计算机中，凡是涉及带符号数都一定是用补码表示的，运算的结果也用补码表示。（6）二进制数的表示范围8位二进制数16位二进制数无符号数0～255（0～FFH）0～65535（0～FFFFH）有符号数（补码）最大01111111B→+1277FFFH→+32767最小10000000B→-1288000H→-32767一个000000000B→00000H→03.常用的信息编码二进制编码的由来：由于计算机需要处理各种数据，而它只能识别二进制数，故对字符要用若干位二进制码来表示。（1）二-十进制码��BCD码（二进制编码的十进制）定义：用二进制编码来表示十进制数的编码。特点：保留了十进制的权，而数字用0和1的组合来表示。最常用的BCD码是8421码。8421码：用4位二进制数来表示1位十进制数，且逢十进位。如：（0110）BCD=（6）D，（00010101）BCD=（15）D7命名由来：因4位二进制数中从左至右的各位的权分别为：23=8，22=4，21=2，20=1，即权重依次为8，4，2，1，故被称为8421BCD码。注意不能与二进制数混淆起来。例：（01000111）BCD=（47）D（01000111）B=（71）D（2）美国标准信息交换码ASCIIASCII码是目前计算机中用得最普遍的字符编码。每个字符用7位二进制编码表示，在计算机中用一个字节（8位）来表示一个ASCII码，其第8位除在传输中作奇偶校验用外，一般保持为0。ASCII码是由128个字符组成的字符集，其中编码值0～31（0000000～0011111）不对应任何可印刷字符，常称为控制符，用于计算机中的通信控制或对计算机设备的功能控制；编码值32（0100000）是空格字符SP；编码值127（1111111）是删除控制DEL；其余94个字符称为可印刷字符。（3）汉字的编码数字编码：用一串数字表示一个汉字的输入。常用的有国标区位码（GB3212-80），它将6763个两级汉字分成94个区，每个区94输入码：位，区码和位码各两位十进制数字，即每个汉字用4位数字表示。拼音码：以汉语读音为基础的输入方法。如：全拼、双拼字形编码：以汉字的形状确定的编码。如：五笔字形、表形码内部码：在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。一般用两个字节（2个8位码）来存放一个汉字机内码，且最高位均为1。WIN95中现采用中西文统一编码“Unicode”（2字节编码），支持2万多汉字，我国确定为GB13000。为兼容GB2312，又推出了“国标汉字扩充码”GBK。字形码：用点阵、矢量函数等方式表示的汉字字形的字模码。由于一个16×16点阵的汉字就要占用32个字节，故字模点阵只能用来构成字库，而不能用于机内存储。各种代码之间的关系：81．3计算机系统1.计算机系统的组成2.计算机的基本结构冯·诺依曼（美籍匈牙利数学家）对计算机结构提出的设计思想：(1)计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；(2)采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中；(3)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变；(4)机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。9由上图可以看出，微机与通用计算机没有本质上的差别，但微机广泛采用了集成度相当高的器件和部件（如：将算术逻辑单元和控制器集成在一个单片上，形成微处理器），并采用了独特的总线结构，任何一个部件只要符合总线标准，就可以挂到采用这种总线标准的系统中去。3.计算机工作原理计算机的工作过程其实就是一个执行指令和程序的过程。指令的执行过程：第一阶段，计算机将要执行的指令从内存取到CPU，此阶段称之为取指周期；第二阶段，CPU对取入的指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，然后向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能，此阶段称之为执行周期。程序的执行过程：就是逐条执行指令的过程。取指令→执行指令→取指令→执行指令……指令：就是让计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机完成某个操作的依据。它包括操作码和操作数两部分。10操作码：指明该指令要完成的操作。操作数：是指参加运算的数或者数所在的单元地址。指令的分类：包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、位与位串操作指令、控制转移指令、输入/输出指令、其他指令。指令系统：指一台计算机的所有指令的集合。不同的计算机其指令系统不一定相同。程序：是由一系列指令构成的有序集合。4.计算机的硬件系统计算机硬件主要由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备和总线等组成。其中：中央处理器、主存储器和总线构成“主机”，辅助存储器和输入/输出设备构成“外设”。微机的主机箱内主要有下列部件：(1)系统主板是一块集成电路板，是微机最主要的部件，它包括微处理器模块、内存模块、基本I/O接口、中断控制器、DMA（直接存取存储器）控制器及连接其他部件的总线。微处理器CPU：是微机的核心部件，控制计算机的各项工作。Pentium处理器主要由执行单元、指令预取部件、指令译码部件、地址转换与管理部件、指令快存（cache）和数据快存（cache）、总线接口部件和控制器等组成