第二章 计算机基础知识,大学计算机基础,第二章 计算机基础知识,主要内容 2.1 计算机系统组成 2.2 计算机中数据的表示与存储,2.1 计算机系统的组成,计算机系统=硬件系统+软件系统,系统软件 应用软件,硬 件,由电子线路和机电设备组成的设备实体。,为运行、维护管理、应用计算机所编制的计算机程序。,软 件,硬 件,计算机系统层次结构,作为一个完整的计算机系统，硬件和软件是按一定的层次关系组织起来的。 操作系统向下控制硬件、向上支持软件，所有的其他软件都必须在操作系统的支持下运行。对计算机的操作转化为对操作系统的使用。为软件开发、扩充和使用提供了条件。,人是如何处理事务的呢？,接收信息,完成结果,计算 控制眼睛、手 记忆数据,计算机也是模仿人来处理事务的,2.1.1 计算机硬件系统,美籍匈牙利科学家冯诺依曼于1946年首先提出现代计算机的基本工作原理。 EDVAC：冯诺依曼与莫尔小组合作，研制出了EDVAC计算机。该计算机根据冯诺依曼提出的原理制造,由此，奠定了现代计算机的体系结构，这一结构也称为冯诺依曼体系结构。主要有三个特点： 计算机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。 指令和数据以同等地位存储在主存储器中，并按地址访问、以顺序的方式执行。 程序和数据以二进制表示。 目前绝大多数计算机都是基于冯诺依曼计算机模型开发的。,图灵机计算机的理论模型,图灵机的思想 图灵机的模型,冯诺依曼计算机（计算机基本组成结构）,计算机由五大部分组成 程序、数据存放在内存 采用二进制,控制整个计算机所有部件的工作,执行算术运算和逻辑运算,存放程序 和数据,2.1.2 计算机软件系统,系统软件,应用软件,软件包括计算机运行所需的各种程序、数据及其有关技术文档。不装备任何软件的计算机称为裸机。 硬件是软件赖以运行的物质基础，软件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。软件提高了机器的效率、扩展了硬件功能，方便了用户使用。,1.系统软件 （1）操作系统 操作系统是最重要的系统软件,是计算机系统软件的核心，是对计算机硬件、软件资源进行管理、调度、控制和运行的一组程序，它也是用户与计算机之间的接口。用户通过操作系统方便、顺利地操作计算机，而不必过问计算机硬件的具体细节。 常用的操作系统有： Windows 、Unix、Linux等。,（2）程序设计语言及语言处理程序 机器语言：用二进制代码编写，机器能直接执行。 汇编语言：用符号表示指令代码，需要汇编程序将其翻译成机器指令后才能运行。 高级语言：采用接近自然语言的字符或表达式、按照一定的语法规则编写程序，需要高级语言编译程序将源程序编译生成目标程序后才能运行。 程序设计语言分为面向过程和面向对象两类。,1）面向过程语言 特点：强调用计算机能够理解的逻辑来描述解决问题的方法和步骤，不仅要说明做什么，还要说明如何做。过分强调求解过程的描述，程序难以重复使用。 如：Basic、C、FORTRAN 、COBOL、PASCAL。,2）面向对象语言 特点：能够直接描述客观世界的事物，将一切事物都看成具有属性和行为的对象。通过抽象找出同一类对象的共同属性和行为，并抽象成类。通过类的继承实现代码重用，编程效率高。 如：Visual Basic、C+、Java等。,任何一种高级语言或汇编语言编写的程序(称为源程序)，都不能由计算机直接执行，必须通过相应的编译程序翻译成机器语言程序(称为目标程序)后才能执行,或者通过解释程序边解释边执行。不同的语言所对应的语言处理程序也是不同的。,2. 应用软件 应用软件是指除了系统软件以外的所有软件,它是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。 - 用于科学计算的软件包、办公自动化软件 - 计算机辅助设计、辅助制造、辅助教学软件 - 图形软件、工具软件 应用软件是在系统软件支持下开发的，可以分为两种： （1）用户程序 用户程序是用户为了解决自己特定的具体问题而开发的软件，在系统软件和应用软件包的支持下开发。 （2）应用软件包 应用软件包是为实现某种特殊功能或特殊计算，经过精心设计的独立软件系统，可以满足同类应用许多用户需要的软件。,位 (bit ,缩写为b) 计算机中表示信息的最小单位，代码为0和1;n位二进制数能表示2n种状态。 字节 (Byte,缩写为B) 计算机中存储信息的基本单位，每个字节由8位二进制数组成。计算机是以字节来计算存储容量的。 1Byte=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 字（Word） 计算机进行数据处理和运算的单位，即CPU在单位时间内能一次处理的二进制数据的位数。由若干字节组成，如16位、32位、64位等，其包含的二进位个数称为字长。,2.1.3 计算机中常用数据存储单位,（1） 指令和程序的概念 指 令: 计算机硬件可执行的、完成某种操作的命令。 指令由操作码和操作数两部分组成,其格式如下:,2.1.4 计算机的基本工作原理,操作码：指明该指令要完成操作:加、减、乘、除、传送等 操作数: 指出被操作的对象所在存储单元地址,寄存器地址 及立即数。或指出运算的结果应送到哪个单元中。 程 序：根据解决某一问题的步骤，编制的指令序列。,数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传送。 数据处理指令：对数据进行算术、逻辑或关系运算。 如 And Or等 程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序。如条件转移、 无条件转移、子程序调用、返回、停机等。 如 If Goto 等 输入/输出指令:实现外部设备与主机之间的数据传输。 其它指令: 对计算机硬件进行管理等。,一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统，不同种类计算机指令系统所包含的指令数目与格式也不相同。指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础。,计算机的指令系统,程序的执行过程,(2) 计算机的工作原理,计算机的工作过程就是执行指令的过程（三个阶段）,计算机根据程序计数器的内容，将要执行的指令从内存单元中取出，并送到CPU指定的寄存器中。,CPU对取出的指令通过译码器进行分析译码，判断指令要完成的操作。,CPU根据指令分析结果，向各部件发出完成该操作的控制信号，相关部件进行工作，完成指令规定的动作，并为下一条指令做好准备。,思考：我们日常生活中的进制 最常用的十进制 星期：七进制 小时：24进制，分钟：60进制，秒：60进制 月份：12进制,在计算机中采用二进制，使信息数字化容易实现，并可以用二值逻辑元件进行表示和处理。,2.2 数据在计算机中的表示与存储,理 解 0 和 1,计算机中普遍采用的计数制二进制。 物理上容易实现，适合逻辑运算，运算规律简单，可靠性好、通用性强,2.2.1 数的进位计数制及其转换,1.数的进位计数制,数的进位计数制定义： 按进位的原则进行计数 逢R进1 采用位权表示法,基数：若某种进位计数制中使用了R个符号（0，1，2，,R-1），R称为该进位计数制的基数。 位权：指一个数字在某个位置上所代表的值，在不同的位置上所代表的值是不同的，每个数字的位数决定了数字位权，而各进位制中位权的值是基数的某次幂。,任何一种进位计数制表示的数都可以写成按权展开的多项式之和,基数,位权,数码,十进制,基数：10 102，101，100，10-1，10-2分别是数的百位、十位、个位、十分位、百分位的权 数码：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9,r进制,基数：r rn-1，rn-2，,r0，r-1，r-2， r-m分别是数某位的权 数码：0，1，2，r-1,二进制,基数：2 2n-1，2n-2，,20，2-1，2-2, 2-m分别是数某位的权 数码：0，1 进位规则： 低位向高位进位规则逢二进一，小数点向右移一位，数值扩大一倍，小数点向左移一位，数值缩小一倍。 1001.1111 10011.111 100.1111,八进制和十六进制（便于书写和记忆）,2. 二进制数的运算,加法： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0,减法： 0-0=0 0-1=1（可向高位借位） 1-0=1 1-1=0,二进制算数运算,乘：00=0 01=0 10=0 11=1,除：00=0 01=0 10=（无意义） 11=1,在计算机内部，二进制的加法是基本运算，乘、除可以通过加、减和移位来实现。,二进制的逻辑运算,逻辑与：00=0 01=0 10=0 11=1,逻辑与真值表,两个运算对象都成立，结果为真。,逻辑运算是指对某一给定条件，判断其是否成立的一种运算。运算结果不表示数值的大小，而是表示条件成立与否。 生活中处处体现着逻辑。举例。,二进制的逻辑运算,逻辑或：00=0 01=1 10=1 11=1,逻辑或真值表,两个运算对象有一方成立，结果为真,逻辑非： 0 =1 1 =0,逻辑非真值表,当开关A合上，电灯两端被短路。电流从开关A流走，灯不亮。,3.不同进位计数制间的转换,(1) r进制数（非十进制数）转化成十进制数 方法：数码乘以各自的权的累加。 分别写出r进制数的按权展开式，计算所得的值即 为转换后的十进制数。 ,其中：a-m,a-1,a0，a1,a2,，an-1 为系数（数码） r为基数 n为项数,例2： (3506.2) 8 = 383+582 +081 + 6 80 +2 8-1 = 1536+320+6+0.25 = (1862.25)10,例1:（10101)2 =124+0 23+1 22+0 21+ 120 = 24 +22+1=(21)10,例3：(A3E.5)16= = 10162+3161+14160+516-1 = 2560+48+14+0.31 = (2622.31)10,(2) 十进制数转化成r进制数,方法：分整数和小数两部分分别处理。 整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从右到左排列 （除r取余，逆序排列） 小数部分：乘以r取整数，整数从左到右排列。 （乘r取整，顺序排列）,例：将（100.23）10 化为二进制。,若小数保留4位,结果为:(100.23)10 =(1100100.0011)2,例：将(100)10分别化为八进制和十六进制数。,结论： 由十进制转换到r进制，可以把小数点作为分隔点，对于其整数部分和小数部分分别进行转换，然后再组合起来。,结果为: (100)10 =(144)8=(64)16,(3) 二进制、八进制、十六进制数间的相互转换,每3位二进制对应一位八进制数,进制表示符号 B ：二进制 O：八进制 D：十进制 H：十六进制,15 =8+4+2+1 =（1111）2 11 =8+0+2+1 =（1011）2 6 =0+4+2+0 =（0110）2,每4位二进制对应一位十六进制数,例：将二进制数1 101 101 110.110 101转换为八进制数。 001 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O) 1 5 5 6 6 5 例：将二进制数11 0110 1110.1101 01转换为十六进制数。 011 0110 1110.1101 0100(B)=36E.D4(H) 3 6 E D 4,二进制转化成八(十六)进制 整数部分：小数点为基准从右向左按三(四)位进行分组 小数部分：小数点为基准从左向右按三(四)位进行分组 不足补零,（4）二-十进制数（BCD码）,日常习惯使用十进制，为了让计算机能够识别、存储十进制数，向计算机输入数据时仍采用十进制。 计算机先将十进制按位编码，