第1章 计算机基础知识 本章要点计算机的发展简史、特点、分类及其应用领域数制的基本概念，二进制和十进制整数之间的转换计算机中数据、字符和汉字的编码计算机硬件系统的组成和作用，各组成部分的功能和简单工作原理计算机软件系统的组成和功能，系统软件和应用软件的概念和作用计算机的性能和技术指标计算机的配置本章难点各种进制之间的转换字符和汉字的编码 1.1 计算机概述 1.1.1计算机发展简史 n1946年第一台电子计算机ENIAC问世 n根据电子计算机采用的物理器件，一般将电子计算机的发展分成4个阶段 n（1）第一代计算机(电子管计算机)n（2）第二代计算机(晶体管计算机)n（3）第三代计算机(集成电路计算机)n（4）第四代计算机(大规模、超大规模集成电路计算机,自1971年至今)1.1.1计算机发展简史 n微型计算机时代n微型计算机（简称微机）是传统计算机微型化的发展产物。微机的产生以1971年第一片微处理器诞生为标志，属于第四代计算机。通常人们以微处理器为标志来划分微型计算机，如286机、386机、486机、Pentium机、P机、P机、P4机等。 1.1.1计算机发展简史 n我国计算机技术的发展概况n1958年研制成功第一台电子计算机。n1983年我国第一台亿次巨型电子计算机银河诞生。n1993年第一台10亿次巨型银河计算机型通过鉴定。n1995年曙光1000研制完成，其峰值运算可达每秒25亿次。n1998年，曙光2000-I诞生，它的峰值运算速度为每秒200亿次浮点运算。n2003年推出的曙光4000L，运算能力达到3万亿次。1.1.1计算机发展简史 n计算机发展的趋势n（1）巨型化n（2）微型化n（3）网络化n（4）智能化n（5）多媒体化1.1.2计算机的特点 n1处理速度快n2计算精度高n3存储容量大n4可靠性高n5工作全自动n6适用范围广，通用性强 1.1.3计算机的应用 n1科学计算 n2信息处理 n3过程控制 n4辅助技术 nCAD指计算机辅助设计nCAM指计算机辅助制造nCAE指计算机辅助工程nCAI指计算机辅助教学nCAT指计算机辅助测试n5人工智能 n6网络通信 n7电子商务 1.1.4计算机的分类 n1按照计算机原理分类 n1）数字式电子计算机。数字式电子计算机是用不连续的数字量即“0”和“1”来表示信息，其基本运算部件是数字逻辑电路。 n2）模拟式电子计算机。模拟式电子计算机是用连续变化的模拟量即电压来表示信息，其基本运算部件是由运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。n3）混合式电子计算机。混合式电子计算机是综合了上述两种计算机的长处设计出来的。1.1.4计算机的分类 n2按照计算机用途分类 n1）通用计算机。通用计算机是为能解决各种问题、具有较强的通用性而设计的计算机。n2）专用计算机。专用计算机是为解决一个或一类特定问题而设计的计算机。它的硬件和软件的配置依据解决特定问题的需要而定，并不求全。专用机功能单一，配有解决特定问题的固定程序，能高速、可靠地解决特定问题。一般在过程控制中使用此类计算机。1.1.4计算机的分类 n 3按照计算机性能分类 n计算机的性能主要是指其字长、运算速度、存储容量、外部设备配置、软件配置以及价格高低等。1989年11月美国电气和电子工程师学会(IEEE)根据当时计算机的性能及发展趋势，将计算机分为巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站和个人计算机6大类。1.2 数制与编码 1.2.1数制的基本概念 n 1十进制计数制 n十进制计数法其加法规则是“逢十进一”；任意一个十进制数值可用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个数字符中的数字符串来表示。 n数字符又叫数码，数码处于不同的位置(数位)代表不同的数值。例如666.66这个数中，第一个6处于百位数的数位，代表六百；第二个6处于十位数的数位，代表六十。n十进制数666.66以写成： 666.66=6102+6101+6100+610-1+610-2n上式称为数值的按权展开式，其中10i称为十进制数的权，10称为基数。 1.2.1数制的基本概念 n 2R进制计数制 n从对十进制计数制的分析可以得出，对于任意R进制计数制同样有基数R、权Ri和按权展开式。其中R可以是任意正整数，如二进制的R为2，十六进制的R为16等。 n基数。一个计数制所包含的数字符号的个数称为该数制的基数，用R表示。例如：十进制的基数R=10；二进制的基数R=2；八进制的基数R=8；十六进制的基数R=16。n位值。任何一个R进制的数都是由一串数码表示的，其中每一位数码所表示的实际值大小，与它所处的位置有关，由位置决定的值叫做位值（或称权）。位值用基数R的i次幂Ri表示。1.2.1数制的基本概念 n数值的按权展开n类似十进制数值的表示，任一R进制数的值都可表示为：各位数码本身的值与其权的乘积之和。例如：n1)十进制数314.12的按权展开314.12D=3102+1101+4100+110-1+210-2n2)二进制数110.01的按权展开110.01B=122+121+020+02-1+12-2 =4+2+0.25=6.25Dn3)十六进制数A2B的按权展开A2BH=10162+2161+12160=2560+32+12=2604D这种过程叫做数值的按权展开。 1.2.2二、十和十六进制数 n1十进制n基数为10，即“逢十进一”。它含有十个数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。权为10i。 n2二进制n基数为2，即“逢二进一”。它含有两个数码：0、1。权为2i。n计算机内部一律采用二进制存储数据和进行运算，主要原因在于二进制数只有0和1两个基本数码，在计算机中可以通过电子器件的“开”、“关”两个物理状态来表示，降低了硬件的成本；对于系统来说，只有两个状态稳定性较高，容易控制；而且基于二进制的逻辑运算和算术运算都是最简单可靠的。1.2.2二、十和十六进制数 n3十六进制n基数为16，即“逢十六进一”。它含有十六个数字符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，其中A、B、C、D、E、F，分别表示数码10、11、12、13、14、15。权为16i。 n4各种数制间的转换 n1）非十进制数转换成十进制数 n2）十进制整数转换成二进制整数 n3）二进制数与十六进制数间的相互转换 1.2.2二、十和十六进制数 n二进制与十六进制之间的转换二进制与十六进制之间的转换n将二进制整数从右向左四位一组（不足四位的，高位补0）划分，将四位二进制数代之以与其等值的一位十六进制数字即可。把十六进制整数转换成二进制整数时，将每一位十六进制数字代之以与其等值的四位二进制数即可。n例1-6 将3ECH转换成二进制数。 因为 3 E C 0011 1110 1100n故得结果：3ECH=001111101100B。 1.3 计算机中字符的编码 1.3.1西文字符的编码 n计算机中的信息都是用二进制代码表示的。二进制的一位数称为位，英文用bit表示，一个位只能表示0和1两个状态，由8个位构成1个字节，字节的英文用Byte表示，字节是计算机存储和运行的基本单位。用二进制码来表示字母、数字以及一些特殊符号称为字符编码，计算机中常用的字符编码有EBCDIC码和ASCII码（美国标准信息交换码）。IBM系列大型机采用EBCDIC码，微型机采用ASCII码。 1.3.1西文字符的编码 nASCII码的全称是美国国家信息交换标准字符码，已经被国际标准化组织（ISO）指定为国际标准，称为ISO646码，又称为国际5号码，在世界上通用。7位的ASCII码用一个字节的低7位进行编码，最高位为0，因此共有128个不同的编码值，可以表示128个不同字符的编码，包括52个英文大小写字母、10个阿拉伯数字、32个标点符号和34个控制码。 1.3.2汉字的编码 n1输入码n输入码是指在使用键盘输入汉字时对汉字的编码，也称为外码。汉字的输入码一般用键盘上的字母和数字来描述，通过键盘输入计算机。当前已经出现了许多不同特点的汉字输入码，主要有三类，形码、音码和音形码。 n2机内码n汉字机内码（简称内码）是计算机内部对汉字进行存储、处理、传输所使用的编码。当通过键盘输入汉字的的代码（输入码）后，计算机将该输入码转换成机内码，然后才进行其他处理。不同的计算机系统，其汉字的机内码也可能是不同的。 1.3.2汉字的编码 n3交换码n由于汉字的机内码还没有统一的标准，不便用来在计算机系统之间交换信息，因此引入了交换码。汉字信息交换码是专门用于汉字信息交换的统一编码，用于汉字信息处理系统之间或者与通讯系统之间进行信息交换，简称交换码，或者国标码。它是为使系统、设备之间信息交换时采用统一的形式而制定的。1981年我国颁布了简体汉字编码的国家标准信息交换汉字编码字符集基本集，代号为“GB231280”，也称为国标码。 1.3.2汉字的编码 n4字形码n汉字字形码是表示汉字字形的字模数据，通常用点阵、矢量函数等方式表示。字形码也称字模码，它是汉字的输出形式，随着汉字字形点阵和格式的不同，汉字字形码也不同。常用的字形点阵有1616点阵、2424点阵、4848点阵等。字模点阵的信息量是很大的，占用存储空间也很大，如果是NN点阵的字形码，那么每个汉字占用的字节数就是NN8。每种点阵计算中除以8，表示一个字节有8位。以1616点阵为例，每个汉字占用16168=32个字节，两级汉字大约占用256KB。1.3.2汉字的编码 n5汉字地址码n汉字地址码是指汉字库(这里主要指整字形的点阵式字模库)中存储汉字字形信息的逻辑地址码。汉字库中，字形信息都是按一定顺序(大多数按标准汉字交换码中汉字的排列顺序)连续存放在存储介质上，所以汉字地址码也大多是连续有序的，而且与汉字内码间有着简单的对应关系，以简化汉字内码到汉字地址码的转换。1.3.2汉字的编码 n6各种汉字代码之间的关系内码国标码字形码字形码字形码输入字典汉字字库内 存通 信汉字输入系统内 部 处 理显 示输入码地址码打 印1.3.2汉字的编码 n7汉字字符集简介n1）GB2312-80汉字编码n2）GBK编码(Chinese Internal Code Specification)n3）Unicode和CJK编码n4）GB18030-2000编码n5）BIG-5码1.4 指令和程序设计语言 1.4.1计算机指令 n指令是让计算机完成某个操作发出的命令。一条指令对应于一种基本操作，通常一个复杂的操作可以分解成无数单个不同指令的集合，计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统。n指令的基本格式：操作码|操作数1.4.2程序设计语言 n用以同计算机交往的语言叫程序设计语言。程序设计语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。n指令系统也称为机器语言，也叫做二进制代码语言，它是由一串二进制数0、1构成的指令代码。机器语言是计算机硬件唯一能够识别的,不用翻译直接供机器使用的程序设计语言。不同机型的机器语言是不同的。与其他程序设计语言相比，其执行效率最高。n用助记符(英文单词及其缩写)来表示对应机器语言指令，这种语言就是汇编语言。汇编语言程序占用内存也比较小、执行速度快、效率高。但由于CPU不能直接识别汇编语言，所以汇编语言程序必须先翻译成机器语言，CPU才能执行。1.4.2程序设计语言 n高级语言是一种比较接近自然语言和数学表达式的计算机程序设计语言。用高级语言编写的程序称为“源程序”。把源程序翻译成机器指令，可采用编译和解释两种方式。编译方式产生可执行程序，解释方式不产生目标程序。高级语言容易学习，而且不依赖计算机的型号，通用性好，大大提高了编程的效率，改善了程序的可读性，便于推广和交流，是很理想的一种程序设计语言。1.5 计算机系统的组成 1.5.1“存储程序控制”计算机的概念 n存储程序控制n所谓存储程序，就是把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式（均以二进制编码的形式）储存。计算机运行时，中央处理器依次从内存储器中逐条取出指令，按指令规定执行一系列的基本操作，最后完成一个复杂的工作。这一切工作都是由一个担任指挥工作的控制器和一个执行运算工作的运算器共同完成的，这就是存储程序控制的工作原理。尽管计算机技术发展很快，但“存储程序原理”至今仍然是计算机内在的基本工作原理。 1.5.2计算机硬件系统的组成 n一台完整的计算机硬件系统应该包括冯诺依曼计算机理论体系的五个部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。1.5.2计算机硬件系统的组成 n1运算器。运算器是用来进行算术运算和逻辑运算的部件，是CPU的组成之一，简称ALU（算术逻辑部件）。其中包括算术逻辑单元、累加器（加法器）、数据缓冲寄存器、标志寄存器和控制线路等。 n2控制器。控制器指挥全机各个部件自动、协调地工作。控制器主要包括指令寄存器、译码器、时序节拍发生器、操作控制部件和指令计数器（程序计数器）。n3存储器。存储器是计算机的记忆装置，主要用来保存数据和程序，分为内存和外存。 n4输入设备。输入设备实现信息向计算机中的输入，如输入命令、程序、图像、视频等信息，其主要作用是把现实中的信息转换为计算机可以识别的二进制代码输入到计算机中。n5输出设备。输出设备的主要功能是将计算机处理后的各种信息转换成人们可以理解的形式输出。 1.5.3计算机软件系统的组成 n软件包括程序以及相关文档，计算机软件系统可以分为系统软件和应用软件两大类。n1系统软件n系统软件是计算机用来管理、控制和维护计算机软、硬件资源，使其充分发挥作用，提高效率，并能使用户可以方便地使用计算机的程序集合。主要包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、网络通信管理程序和其他常用的服务程序等。 1.5.3计算机软件系统的组成 n应用软件n应用软件是指利用计算机和系统软件为解决各种实际问题编制的程序，能满足用户在某一领域的特殊要求。常见应用软件按其服务对象的不同分为通用软件和专用软件。n1）通用软件。这类软件是解决人们日常生活中的一些共同问题而设计的。例如，办公和文字处理软件、邮件收发软件、图形图像处理软件、媒体播放软件等。n2）专用软件。专用软件是需要单独开发的应用于特定环境的软件，一般无法在市场上买到。这类软件一般有特定的要求，一般的软件无法满足其需要，所以只有单独开发，开发出来的软件也只适用于这种情况。 1.6 微型计算机的硬件系统 1.6.1微型计算机的基本结构 n在微型计算机技术中，通过系统总线把CPU、存储器、输入设备和输出设备连接起来，实现信息交换。通过总线连接计算机各部件使微型计算机系统结构简洁、灵活、规范，可扩充性好。1.6.2微型计算机的硬件及其功能 n1中央处理器（CPU）n中央处理器（CPU）主要包括运算器（ALU）和控制器（CU）两大部件，属于计算机的核心部件。CPU是一个集成度很高、功能强大的芯片，又称为微处理器。CPU的性能指标主要有字长和时钟主频两个，当前流行的Pentium4的CPU每次能处理32位二进制数据。CPU芯片中集成了高速缓冲寄存器（Cache），高速缓冲寄存器是为了解决高速的CPU与RAM之间速度不匹配的问题而设置的寄存器。 1.6.2微型计算机的硬件及其功能 n2存储器n1）主存储器n内存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类。RAM中的信息随时可以读出或写入，但是一旦断电，RAM中存储的数据就会消失。只读存储器只能做读出操作而不能做写入操作，ROM中的信息只能被CPU随机读取。n2）辅助存储器n辅助存储器又称为外存，特点是存储容量大、读取速度较慢、价格较低，而且在断电的情况下也可以长期保存信息。目前微机常用的外存储器是软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器等。1.6.2微型计算机的硬件及其功能 n存储容量n一个二进制位（bit）是构成存储器的最小单位，由8位二进制位组成一个存储单元，称为字节（Byte）。存储器可容纳的二进制信息量称为存储容量。n1B（字节）=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MBn硬盘的容量n硬盘的容量计算公式是：硬盘的容量=柱面数磁道数扇区数512Bn一片软盘片只有2个磁盘面，其容量计算公式简化为：磁道数2扇区数512B 1.6.2微型计算机的硬件及其功能 n3输入设备n1）键盘n2）鼠标器n3）扫描仪n4）其他输入设备n4输出设备n1）显示器n2）显示卡n3）打印机n4）其他输出设备1.6.2微型计算机的硬件及其功能 n5总线和主板n所谓总线就是系统部件之间传送信息的公共通道，各部件由总线连接并通过它传递数据和控制信号。微机系统的总线分为地址总线、数据总线和控制总线3部分，分别用于传送地址信息、数据信号和控制信号。n根据所连接部件的不同，总线可分为内部总线和系统总线。内部总线是同一部件（如CPU）内部控制器、运算器和各寄存器之间连接总线。系统总线是同一台计算机的各部件，如CPU、内存、I/O接口之间相互连接的总线。1.6.3微型计算机的技术指标 n计算机的性能涉及体系结构、软硬件配置、指令系统等多种因素，一般来说主要有下列技术指标：n1字长。字长是指计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。字长越长，则计算机的运算精度就越高，计算机的处理能力就越强。n2时钟主频。时钟主频是指CPU的时钟频率。一般说，主频越高，速度越快。n3运算速度。计算机的运算速度通常是指每秒钟所能执行加法指令的数目，常用百万次/秒表示。n4存储容量。存储容量分内存容量和外存容量。这里主要指内存储器的容量（RAM+ROM之和）。n5存取周期。内存储器的存取周期也是影响整个计算机系统性能的主要指标之一。 1.6.4微型计算机硬件系统的配置 n1微机硬件系统的基本配置n微型计算机的各个部件可以组合。不同用途、不同档次的微型计算机的配置也不完全一致，可以根据用户的使用能力、经济能力自行进行配置。基本要求是：n1）各组成部件要先进、合理，完全兼容部件选择优质产品。n2）选择市场的主流产品，要有良好的可升级、扩展能力。n3）明确购机目的，微机的配置要与用途相适应。n4）要有好的性能价格比。n5）选择有声誉、有良好售后服务的经销商。 1.6.4微型计算机硬件系统的配置 n2微机硬件系统的增强性配置n目前计算机增强性配置是指配有高速度大硬盘、大内存、图形加速显示、高速的CD-ROM驱动器。如果配置多媒体计算机系统，除此以外还有音频视频采集卡、压缩卡、图形采集卡等多媒体扩展卡，以及刻录机、康宝光驱、扫描仪、录音录像机、音响等外部设备，这些构建成强大的多媒体硬件环境。 1.7 本章小结 本章首先介绍了计算机的发展概况、计算机应用领域等基础常识，进制基本概念及转换、信息编码等基本知识。 其次本章用较大的篇幅对微机系统软硬件构成等基础知识作了详尽的介绍，并简要介绍了微机硬件系统的配置及如何去合理地配置一台微型计算机，掌握这些实用知识有利于理解计算机的工作原理、内部结构和市场情况，也为学习后续内容打下坚实的基础。 1.8 上机实训 实验一 进行计算机硬件认识及配置 实验二 动手组装PC机