第一章 计算机基础知识 东北电力大学 信息工程学院

本章教学目标 掌握计算机系统和微型计算机 系统的组成 2 了解信息在计算机中的表示和 存储方法 4 了解计算机产生和发展 31 掌握计算机的主要性能指标 33

1.1 计算机的产生与发展 计算机的产生  1621 年，英国人威廉 · 奥特瑞发明了计算尺。  1822 年，英国人查尔斯设计及制造了差分机和分析机。  1854 年，英国逻辑学家、数学家乔治 · 布尔出版《 An Investigation of the Laws of Thought 》为现代计算机采用二进制奠定了理论基础。  1936 年，英国数学家图灵发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的 应用》从理论上证明了通用计算机产生的可能性。  1945 年，美籍匈牙利数学家约翰 · 冯 · 诺依曼首先提出在计算机中 “ 存储程 序 ” 的概念，奠定了现在计算机的结构理论。  1946 年 2 月 14 日，标志现代计算机诞生的第一台通用电子数字计算机 ENIAC （ Electronic Numerical Integrator And Computer ）在费城公诸于 世。  1949 年 5 月，英国剑桥大学数学实验室根据冯 · 诺依曼的思想，制成电子 迟延存储自动计算机 EDSAC （ Electronic Delay Storage Automatic Calculator ），这是第一台带有存储程序结构的电子计算机。

1.1 计算机的产生与发展 计算机的发展 逻辑元件及存储器软件特点 电子管时代 46 年 —57 年 电子管 / 磁鼓、磁芯 机器语言 体积大、耗电高、可靠性差、 速度慢、存储空间有限、维 护困难、主要用于科学计算 晶体管时代 58 年 —64 年 晶体管 / 普遍采用磁芯 汇编语言、高级程序设计语言、 批处理系统、简单的操作系统 性能比第一代有所提高、除 科学计算外，用于数据处理 和实时过程控制 中小规模集成 电路时代 64 年 —70 年 集成电路 / 磁芯、半导体 高级语言进一步发展、操作系 统 应用范围扩大到企业管理、 辅助设计等领域 大规模、超大 规模集成电路 71 年至今 超大规模集成电路 / 半导 体 可视化操作系统、数据库、多 媒体、网络软件 办公自动化、数据库管理和 图像处理等领域 智能电子计算 机时代 未来 有知识、会学习、能推理， 人机自然交互

1.1 计算机的产生与发展 计算机的特点 1 、 快速的运算能力 高性能的计算机现在每秒能进行几百亿次以上的加法运算 2 、 足够高的计算精度 精度主要取决于计算机的字长，字长越长，精度越高 3 、 超强的 “ 记忆 ” 能力 计算机可以存储大量的数据、计算机程序以及计算的中间结果 4 、 复杂的逻辑判断能力 在运算过程中随时进行各种逻辑判断，并根据判断的结果自动决定下一步执行的命令 5 、 按程序自动工作的能力 按照预先编制的程序自动执行而不需要人工干预

1.1 计算机的产生与发展 计算机分类 1 、按处理方式分类 模拟计算机 数字计算机 数字模拟混合计算机 2 、按功能分类 专用计算机 通用计算机 3 、按规模分类 巨型机 大型机 小型机 微型机：台式计算机、笔记本、掌中宝、单片机 4 、按工作模式分类 服务器 工作站

1.2 计算机系统 计算机系统 硬件 软件 主机 外部设备 系统软件 应用软件 中央处理器 存储器（主存储器） 运算器 控制器 输入设备 输出设备 外存储器（辅助存储器） 操作系统 编译系统 诊断系统 系统程序库 应用软件包 用户程序

1.2 计算机系统 硬件系统 ：构成计算机的物理设备，组成计算机的物理实体， 由五大部分组成。 1 、运算器：也称算术逻辑单元，是计算机的核心部件。在控制器的指挥 下，从存储器中取数据进行算术运算和逻辑运算，并将结果送到存储器 中保存。 2 、控制器：是计算机的指挥中心，生成指令地址，取出指令，分析指令， 控制各个部件的工作。运算器和控制器合称为中央处理器 CPU 。 CCPU 的类型决定了计算机的档次以及计算机的性能。 CPU 的工作频率 越高，其运算速度越快。 目目前市面上绝大多数 CPU 都来自 Intel 、 AMD （ K6 、 K7 等）和 Cyrix （其 产品包括 Cyrix 686 ， MII 等）三家。但 Intel 占据主导地位， 386 、 486 、 Celeron 、 Pentium II 、 P III P IV 。 早早期的 386 、 486 ，其 CPU 通常被直接焊接在主板上。而现在由于 CPU 新品推出速度的不断加快，一般的主板都支持多种 CPU 。因此， CPU 被 作成了一个模块，可以插在主板上，从而方便用户选择。

1.2 计算机系统 3 、存储器：用来存储数据和程序的部件，其中的信息以二进制形式表 示。分为主存储器和辅存储器。 主存储器：当计算机处理数据时，这些数据被首先从硬盘、软盘、光盘 等外存储器中调入内存。此外，当计算机对数据进行处理时可能产生大 量的临时数据，它们也需要占用存储器。当然，用户要运行某个软件时， 该软件自然也会调入内存。分为随机存储器和只读存储器。 内存容量的大小也对计算机的性能具有重要的影响。 衡量内存条的主要指标包括：工作的稳定性（质量差的内存条可能经常 导致死机）和工作频率（目前大多为 100MHZ 或 133MHZ ） 辅存储器：存放信息量大的数据和程序，可以长期保存，系统使用前要 先调入内存中。

1.2 计算机系统 4 、输入设备：将用户需要计算机处理的信息转换成计算 机能接受的电信号送入计算机。例如：键盘、鼠标、扫描 仪、手写板、麦克风等。 5 、输出设备：将计算机的运算结 果或工作过程，以用户可识别的 形式表现出来。例如：显示器、 打印机、绘图仪、音响设备。

1.2 计算机系统 软件系统 ： 在计算机硬件系统上运行的各种程序、相 关文档和数据的总称。包括系统软件和应用软件。 系系统软件主要是指操作系统，操作系统是计算机软件中最基 础的部分，它是用户和裸机之间的接口，其作用是使用户更 方便地使用计算机，以提高计算机的利用率。 在在操作系统支持下，有许多应用软件可供用户使用，如计算 机办公软件 Office2000 ，文字编辑软件 WPS2000 、图像处理软 件 Photoshop 、动画制作软件 Animator 和 3D Studio MAX ，计 算机辅助设计软件 AutoCAD ，网页制作软件 FrontPage2000 ， 各种诸如财务管理系统、工业控制、辅助教育等专用软件，以 及各种高级语言、汇编语言的编译程序和数据库管理系统。

1.3 微型计算机系统 微型计算机硬件组成 ：主机 + 外设。主机、显示器、键 盘、鼠标，打印机、扫描仪、音响设备等。 1 、主板：又称系统板或母板，它是一块控制和驱动微机的电路 板，也是 CPU 与其他部件联系的桥梁。 2 、 CPU ：是微型计算机的核心部件，主要由运算器和控制器构 成，并采用大规模集成电路芯片。 3 、内存储器：内存条是将多个存储芯片并列焊接在一块电路板 上构成的内存组。 4 、外存储器：包括硬盘、光盘和 U 盘等。 5 、基本输入输出设备及其他外部设备。

1.3 微型计算机系统 微型计算机主要性能指标 1 、字长：指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它直接 影响到计算机的性能。 2 、主频：指计算机的时钟频率，即 CPU 在单位时间内的平均操 作次数。 3 、运算速度：指计算机每秒执行的指令数，单位为百万条指 令每秒。 4 、存取速度：指存储器完成一次读（或写）操作所需的时间。 5 、内存容量：是内存储器能够存储信息的总字节数。

1.4 计算机中的信息表示 数制及其转换 1 、计算机中的常用进制：  十进制（ D ）：基数为 10 ，各个位置的有效数字为 0—9 ，位权为 10 的 N 次幂（ N 为数码所在的位置序号）。  二进制（ B ）：基数为 2 ，各个位置的有效数字为 0 、 1 ，位权为 2 的 N 次 幂（ N 为数码所在的位置序号）。  八进制（ O ）：基数为 8 ，各个位置的有效数字为 0—7 ，位权为 8 的 N 次 幂（ N 为数码所在的位置序号）。  十六进制（ H ）：基数为 16 ，各个位置的有效数字为 0—9 （表示前 10 个 数字）和 A—F （表示后 6 个数字），位权为 16 的 N 次幂（ N 为数码所在的 位置序号）。 通常用下标法表示。例如， (123) 10 (123) D

1.4 计算机中的信息表示 数制及其转换 2 、进制转换： 将将 R 进制数转换成十进制数（ R 可以是 2 、 8 、 16 ） 方法：利用按权展开公式。每个数码乘以它的权，再以十进制的方法相加。 例题：将 ( ) 2 、 (2576.2) 8 、 (1A4D) 16 转换成十进制数。 进制原始数按位权展开对应十进制数 十进制 × × × × × 二进制 ×2 3 +1×2 2 +0×2 1 +1×2 0 +1× 八进制 ×8 2 +7×8 1 +2×8 0 +4× 十六进制 3B4.43×16 2 +B× × ×

1.4 计算机中的信息表示 将将八、十六进制数转换为二进制数 方法：以小数点为中心，将每个八（十六）进制数字用三位（四位）二进 制数字代替。 例题：将 (150.72) 8,(B7.A8) 16 转换成二进制数 将将二进制数转换为八、十六进制数 方法：以小数点为中心，向左或向右每三位（四位）二进制数一组，每组 都用位权展开公式计算它们所对应的数字。位数不足时，整数部分左补零， 小数部分右补零。 例题：将 ( ) 2 转换成八进制数， ( ) 2 转换成十六进 制数。 将将十进制数转换成 R 进制数（ R 可以是 2 、 8 、 16 ） 方法：整数部分除 R 求余，直到商为零，先余为低位，后余为高位；小数 部分乘 R 取整，直到小数位为零，先整为高位，后整为低位。 例题：将 (11) 10 、 (0.625) 10 转换成二进制数，将 ( ) 10 转换成八进制 数。

信息单位 计算机中的信息 数值信息（直接转换成对应的二进制数据） 非数值信息：字符、图像、声音等。 （采用二进数编码来表示）  位（ bit ）：是二进制中的一个数位，简称比特，可以是 “0” 或 “1” 。它是计算机中的最小的单位。  字节（ Byte ）：是计算机中最基本的单位。 1Byte=8bit 。

1.4 计算机中的信息表示 字符编码  字符：数字、字母、通用符号和控制字符统称为字符。  用来表示字符的二进制编码称为字符编码。  微型计算机中常用的字符编码是 ASCII 码。  每个字符都由 7 个二进位 b6b5b4b3b2b1b0 表示，这样，从 到 共有 128 种编码，可用来表示 128 个不同的字符，其中包括 10 个数字、 26 个小写字母、 26 个大写字母、算术运算符、标点符号、 商业符号等。  扩充的 ASCII 码采用八位二进制数字表示一个字符，增加了许多 外文和表格等特殊字符。 如表所示

1.4 计算机中的信息表示 字符编码 b6b5b4 =000 b6b5b4 =001 b6b5b4 =010 b6b5b4 =011 b6b5b4 =100 b6b5b4 =101 b6b5b4 =110 b6b5b4 =111 b3b2b1b0=0001SOHDC1!1AQaq b3b2b1b0=0010STXDC2“2BRbr b3b2b1b0=0011ETXDC3#3CScs b3b2b1b0=0100EOTDC4$4DTdt b3b2b1b0=0101ENQNAK%5EUeu b3b2b1b0=0110ACKSYN&6FVfv b3b2b1b0=0111BELETB‘7GWgw b3b2b1b0=1000BSCAN(8HXhx b3b2b1b0=1001HTEM)9IYiy b3b2b1b0=1010LFSUB*:JZjz b3b2b1b0=1011VTESC+;K[k{ b3b2b1b0=1100FFFS’<L\l| b3b2b1b0=1101CRGS-=M]m} b3b2b1b0=1110SORS.>N^n~ b3b2b1b0=1111SIUS/?O_oDEL

1.4 计算机中的信息表示 汉字编码 在利用计算机处理汉字时，必须对汉字进行编码。汉字编码 主要有以下三种： 1 、汉字输入、输出码（机外码） 数字编码（区位码） 字形码 2 、国际码 3 、汉字内码（机内码）