计算机基础计算机系统数制和编码.ppt
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计算机基础,计算机的诞生：
1946年第一台电子计算机ENIAC（电子数字积分计算机）诞生于美国宾夕法尼亚大学。
是一个庞然大物，占地面积：
170平方米；大约重30余顿；每小时耗电140千瓦；运算速度5000次/秒，相当于手工的20万倍；使用了18000多个电子管、1500多个继电器、10000多只电容和7000多个电阻。
1.1计算机的产生与发展,1.1.1传统计算机的发展,计算机的发展分代是根据电子元器件（主要逻辑部件）发展而划分：
【电子管1946-1958】,【晶体管1958-1964】,【中小规模集成电路1964-1971】,【大规模、超大规模集成电路1971至今】,1.1.1计算机的发展,1.1.2计算机的发展方向,
（一）巨型化
（二）微型化（三）网络化（四）多媒体化（五）智能化：
第五代计算机,1.1.3微型计算机的发展,微型计算机属于第4代计算机，按CPU的字长来划分不同阶段。
第1代：
4位或低档8位微机第2代：
中档8位微机第3代：
16位微机第4代：
32位和64位微机,
（1）运算速度快：
每秒完成加法运算次数
（2）计算精度高：
精确度，小数点后多少位（3）存储容量大（4）具有逻辑判断能力（5）在程序控制下自动操作,7,1.2计算机的特点与应用1.2.1计算机的特点,1.2.2计算机的分类,8,9,1.2.3计算机的应用（领域）,计算机的应用领域相当广泛，涉及到科学研究、军事技术、信息管理、工农业生产、文化教育等各个方面，主要可概括为以下几个方面。
1.科学计算（数值计算）：
最原始的应用2.信息处理：
最广泛的应用3.过程控制：
实时控制、工业控制4.计算机辅助工程：
（1）计算机辅助设计CAD
（2）计算机辅助制造CAM,1.2.3计算机的应用（领域）,（3）计算机辅助教学CAI（4）计算机辅助测试CAT（5）计算机模拟CS5.人工智能：
语音识别、网络对弈6.嵌入式应用7.电子商务,10,11,1.3计算机的组成结构,1.3.1计算机系统组成概述,计算机系统：
由计算机硬件系统和软件系统构成的。
硬件是基础，软件是灵魂。
硬件系统：
构成计算机的物理装置，是计算机运行的物质基础。
软件系统：
由程序和程序运行所需要的数据以及与程序相关的文档组成。
12,1.3.1计算机系统组成,13,电子计算机的逻辑设计思想（冯.诺依曼的设计思想）,电子计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分组成；计算机中的数据以二进制表示；存储程序控制：
将程序和数据存在存储器中，计算机能自动执行程序。
【计算机工作原理：
存储程序控制原理】,14,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,计算机系统硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。
15,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,1、运算器：
主要用来进行算术和逻辑运算，是对信息进行处理和加工的部件。
核心组成：
加法器和寄存器2、控制器：
是计算机的指挥系统。
运算器、控制器合起来称为中央处理器（CPU）。
计算机的性能主要取决于CPU，主要功能是取出指令，解释指令和执行指令，还具有进行算术和逻辑运算的功能。
16,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,3、存储器：
是计算机中具有记忆能力的部件，用来存放程序代码或数据。
分为内存储器、外存储器。
（1）内存储器：
简称内存。
随机存储器（RAM）：
是由插在主板上的若干内存条组成；其信息是由电能来维持，断电后其信息就不存在。
只读存储器（ROM）：
用来存放在无电源的情况下仍保持不变的数据。
提供了微机系统的加电自检、功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序（显示驱动、硬盘驱动、键盘驱动以及通信接口的驱动等）。
17,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,
（2）外存储器：
简称外存。
作为存储数据的一种辅助设备。
存放当前不使用或要永久保存的程序和数据。
如计算机硬盘、磁盘、光盘或U盘等。
（3）高速缓冲存储器Cache：
简称高缓，可以设置在CPU内部，用于使CPU与内存在存取速度上协调匹配。
存储器比较1,随机存储器RAM：
断电信息丢失，容量大，可读可写只读存储器ROM：
断电信息不丢失，容量小，只可读不可写,18,存储器比较2,高速缓冲存储器Cache：
高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小。
CPU可直接访问主存储器/内存：
存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大。
CPU可直接访问外存储器/外存:
存放系统程序和大型数据文件及数据库，存取速度慢，存储容量大。
CPU不可直接访问,19,20,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,4、输入设备：
用来向计算机输入程序和数据的设备。
将输入信息转换为计算机能接收的二进制形式，并输入到计算机的内存中。
如计算机键盘、鼠标、扫描仪、读卡器、麦克风、摄像头等。
21,1.3.2计算机硬件系统的基本组成,5、输出设备：
将计算机内存中的数据信息传送到外部媒介，并转化为人们所需要的表示形式。
如：
计算机显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音箱等。
输入/输出设备也可写作I/O设备，常称为外部设备。
同时具有输入输出功能的外设：
刻录机、耳麦、硬盘,22,1.3.3计算机软件系统,软件是指使计算机运行所需的程序、数据和有关文档的总和。
计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。
23,1.3.3计算机软件系统,1、系统软件包括：
操作系统、语言处理软件、数据库管理系统、机器的监控管理程序、故障检查和诊断程序等
（1）操作系统（OS）处理器管理作业管理存储器管理设备管理文件管理,24,操作系统是最基本的系统软件，其他的所有软件都是建立在操作系统的基础上。
管家婆管理硬件资源协调后台工作,服务生提供用户与计算机的交互接口,
（2）语言处理程序将计算机无法识别的源程序转换成计算机能够识别的机器语言的程序编译程序解释程序连接装配程序测试程序诊断程序,25,（3）数据库管理系统DBMS用来管理数据库的系统软件。
Access、Oracle、DB2、SQLServer、MySQL等,26,27,1.3.3计算机软件系统,2、应用软件：
除系统软件以外的所有软件都是应用软件，是为解决用户实际问题而设计、开发的软件。
办公处理软件计算机辅助设计软件实时控制软件娱乐软件用户程序软件,28,1.3.4计算机的性能指标,1、字长：
指计算机的CPU一次可以处理的二进制数据的最大位数。
有8位、16位、32位、64位等。
字长主要影响计算机的精度、寻址速度和处理能力。
一般情况下，字长越长，计算精度越高，处理能力越强。
2、主频：
是指CPU的时钟频率，指CPU在单位时间内的脉冲数。
单位是Hz赫兹。
一般情况下，主频越高，计算机的处理速度越快。
3、运算速度：
一般指CPU每秒能执行的加法的次数。
单位用MIPS（百万条指令/秒）表示。
29,1.3.4计算机的性能指标,4、内存容量：
指计算机内配置的内存的存储单元总数，在系统中直接与CPU相连，向CPU提供程序和原始数据。
5、可靠性：
平均无故障工作时间（MTBF），这里指硬件故障。
6、外存容量7、外部设备配置：
包括键盘、显示器、软件驱动器、硬盘驱动器、鼠标等。
8、软件配置：
包括操作系统、程序设计语言、数据库管理系统、网络通信软件、汉字软件和其他各种应用软件等。
30,1.6数据表示与信息编码1.6.1数据的常用存储单位,位（bit）比特（bit，binarydigit的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”，用bit或b表示比特只有2种取值：
0，1如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小组成单位一样，比特是计算机中的最小数据单位数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以使用比特来表示，其具体的表示方法就称为“编码”或“代码”,31,1.6数据表示与信息编码,字节（Byte）字节是计算机中用来表示存储器空间大小的最基本的容量单位，也是计算机存取的最小单位。
8个比特1个字节（byte，用大写B表示）计算机内存储器容量的计量单位：
KB:
1KB=210字节=1024B（千字节）MB:
1MB=220字节=1024KB（兆字节）GB:
1GB=230字节=1024MB（吉字节、千兆字节）TB:
1TB=240字节=1024GB（太字节、兆兆字节）,32,1.4微型计算机1.4.1主板,主板：
又称母板。
是整个微型机的核心部件，由各种接口电路及插槽组成。
它们将机箱内的各种设备连接起来。
33,1.4.1主板,34,1.4.2中央处理器,在微型计算机中，将控制器和运算器集成在一块芯片中，称为中央处理单元，它是计算机的核心，所有操作都受CPU控制。
Intel公司（Pentium/奔腾、Core/酷睿）和AMD公司（Athlon/速龙）双核处理器、多核处理器,35,1.4.3主存储器,插在主板的插槽中，称主存储器或内存，用于存放当前运算的程序和程序所用的数据。
内存一般由半导体器件构成。
内存容量指的是RAM的容量。
36,1.4.4外部存储器,外存储器（也称辅助存储器）：
在现实生活中要存储的数据很多，内存中无法存放更多的数据，另外，如上所述，系统一旦断电或关机，其中存放的数据将全部自动消失，因此，通常将数据保存在外存储器中，使用时调入内存。
常用的外存储器有：
硬盘、软盘、光盘、闪存盘和数据备份设备（如磁带机、光磁驱动器和活动硬盘）等。
37,1.4.4外部存储器,1）软盘（软磁盘）,十几年前常用的软盘为3.5英寸软盘，容量为1.44MB。
以盘片中心为圆心，把盘片分成若干个同心圆，称为磁道。
将圆形的盘片划分成若干个扇形区域，称为扇区。
每个扇区的大小为512B。
每张盘片有两个面，都可以储存数据。
软盘的存储容量=磁面数每面磁道（数每道扇区数每扇区字节数。
38,39,1.4.4外部存储器,硬盘由一组盘片组成；是将盘片、磁头小车、电机驱动部件、控制电路等做成一个不可随意拆卸的整体，并密封起来，所以防尘性能好、可靠性高，对环境要求不高。
它有很大的容量，常以GB或TB为单位。
转速一般为7200转/分。
2）硬盘,40,1.4.4外部存储器,硬盘的内部是金属盘片，将圆形的盘片划分成若干个扇形区域，这就是扇区。
硬盘每个扇区的大小一般为4KB。
以盘片中心为圆心，把盘片分成若干个同心圆，那每一个划分圆的“线条”，就称为磁道。
硬盘内的盘片有两个面，都可以储存数据，而硬盘内的盘片往往不止一张，常见的有两张，那么，两张盘片中相同位置的磁道，就组成一个“柱面”，盘片中有多少个磁道，就有多少个柱面。
盘片两面都能存数据，要读取它，必须有磁头，所以，每一个面，都有一个磁头，一张盘片就有两个磁头。
硬盘的存储容量=磁头数磁道（柱面）数每道扇区数每道扇区字节数。
41,1.4.4外部存储器,定义：
是一种利用激光技术存储信息的装置。
构成：
由盘片和光盘驱动器构成。
分类：
CD光盘和DVD光盘。
注意CD-ROM,CD-R,CD-RW的区别读取数据的速度：
用倍速表示，一倍速是每秒150KB，48X，52X，其后的X就是倍速的意思。
3）光盘,42,闪存盘,大容量的USB移动存储设备，不仅具有RAM内存可擦、可写、可编程的优点，而且还具有ROM内存写入数据在断电后不会消失的优点。
采用USB接口，不需要驱动器及外接电源，体积小、重量轻、抗振性强，具有易扩展、可热擦拔和容量大等特点。
常用的移动设备有：
USB优盘，USB移动硬盘，存储卡,43,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,计算机输入输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。
常用的有显卡、声卡、网卡、串行口卡、并行口卡等。
1、输入输出接口,44,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,键盘鼠标显示器打印机扫描仪,2典型的输入/输出设备,45,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,104键盘按照功能和排列位置，可将键盘分为四个主要部分：
基本键区、功能键区、编辑控制键区（光标移动键）和数字小键盘区，还有一个状态指示灯区。
46,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,鼠标的组成
（1）按键
（2）滚球（3）鼠标插头,鼠标的分类：
分为机械鼠标、光电鼠标两种。
47,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,显示器组成：
监视器和显示控制适配器（显示卡）。
分类：
阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）。
分辨率：
是显示器的一个重要指标，它是指能显示像素的数目，像素是可显示的最小单位。
例如800*600显卡的核心部件是显示芯片，用来处理图形数据；显卡也有存储单元，称为显存。
显示芯片的工作频率和显存的大小、频率决定了显卡性能的高低。
48,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,打印机分类：
击打式和非击打式打印机。
常见打印机：
1针式打印机：
票据打印、多联打印2喷墨打印机：
彩色打印机3激光打印机：
质量高、速度快、噪声小,49,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,1、总线（BUS）的概念总线技术是目前微型机中广泛采用的连接方法。
所谓总线（BUS），是一组公用信号线，是外围设备与内存、CPU之间传送信息的公共通道，计算机各部件由总线连接并通过它传递数据、地址和控制信号。
根据总线传输信号的不同，总线分为三类：
数据总线（DataBUS/DB）、地址总线（AddressBUS/AB）和控制总线（ControlBUS/CB）。
I/O总线,50,51,1.4.5输入输出接口和典型输入输出设备,2、总线标准ISA总线：
16位的总线结构PCI总线：
32位的局部总线AGP总线：
64位显示系统的局部总线PCI-E总线：
最新的总线和接口标准USB总线：
通用串行总线，是一个外部标准,52,1.5指令、程序和程序设计语言1.5.1指令,指令是被计算机理解并执行的一个最基本的操作命令，它由一串二进制数码组成，这串二进制数码包括操作码和地址码（操作数）两部分。
一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。
指令系统反映了计算机的基本功能，因此不同计算机其指令系统也不相同。
53,1.5.1指令,指令的执行过程可以分为四步。
取指令,分析指令,执行指令,形成下一条指令地址,54,1.5.2程序,程序就是为了完成某一特定任务而编写的一系列指令所组成的有序集合，计算机执行程序就是执行一系列指令。
为了让计算机解决实际问题，使计算机按人的意图进行工作，人们主要通过用计算机能够“懂得”的语言和语法格式编写程序并提交计算机来执行实现。
编写程序所采用的语言就是程序设计语言。
55,1.5.3程序设计语言,程序设计语言一般分为：
机器语言、汇编语言、高级语言和面向对象的语言四种。
将汇编语言翻译成计算机能够执行的机器语言程序，需要将汇编语言源程序进行汇编。
将高级语言翻译成计算机能够执行的机器语言程序，需要将高级语言源程序进行编译或解释。
56,1.5.3程序设计语言,编译和解释编译是把源程序的每一条语句都编译成机器语言,并保存成二进制文件（即目标程序）,这样运行时计算机可以直接以机器语言来一次性运行此程序,速度很快;而解释则是只在执行程序时,才一条一条的解释成机器语言给计算机来执行,所以运行速度是不如编译后的程序运行的快。
注意：
完成汇编、编译和解释功能的程序即汇编程序、编译程序和解释程序，它们都是语言处理程序，属于系统软件。
此外，语言处理程序还包括连接程序、调试程序等。
57,1.6数据表示与信息编码1.6.1数据的常用存储单位,位（bit）比特（bit，binarydigit的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”，用bit或b表示比特只有2种取值：
0，1如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小组成单位一样，比特是计算机中信息表示的最小数据单位数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以使用比特来表示，其具体的表示方法就称为“编码”或“代码”,58,1.6数据表示与信息编码,字节（Byte）字节是计算机中用来表示存储器空间大小的基本单位，也是计算机存取的最小单位。
8个比特1个字节（byte，用大写B表示）计算机内存储器容量的计量单位：
KB:
1KB=210字节=1024B（千字节）MB:
1MB=220字节=1024KB（兆字节）GB:
1GB=230字节=1024MB（吉字节、千兆字节）TB:
1TB=240字节=1024GB（太字节、兆兆字节）,59,1.6.2数值数据的表示,1.进位计数制数制：
指用一组固定的数和一套统一的规则来表示数目的方法。
如：
十进制；钟表计时；一年等于12个月的十二进制；计算机中使用的二进制等。
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。
如二进制的基数为2。
权值（权）：
数制中每一固定的位置对应的单位值称为“权”。
单位值用基数R的i次幂Ri表示。
60,61,1.6.2数值数据的表示,常见的几种进位计数制：
1.十进制（Decimal）2.二进制（Binary）3.八进制（Octal）4.十六进制（Hexadecimal）不同的进位计数制的书写方法：
将数制的基数以下标的形式写在数的右下方，如（101.1）2，（101.1）8，（101.1）10，（101.1）16用B、O、D、H写于数的后面，如101.1B、101.1D、101.1O、101.1H,62,1.6.2数值数据的表示,十进制每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）低位与高位的关系是：
逢10进1各位的权值是10的整数次幂（基数是10）标志：
尾部加“D”或缺省例：
204.96=21020101410091016102,63,1.6.2数值数据的表示,二进制每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用1个“比特”表示低位与高位的关系是：
逢2进1各位的权值是2的整数次幂（基数是2）标志：
尾部加B例：
101.01B=122021120021122=5.25,64,1.6.2数值数据的表示,八进制每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）低位与高位的关系是：
逢8进1各位的权值是8的整数次幂（基数是8）标志：
尾部加O例：
365.2O=382+681+580+281=245.25,65,1.6.2数值数据的表示,十六进制每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F）逢16进1,基数为16各位的权值是16的整数次幂（基数是16）标志：
尾部加H例：
F5.4H=15161+5160+4161=245.25,66,1.6.2数值数据的表示进制对应表,数据在计算机内部采用二进制表示。
二进制的特性:
可行性：
实现最为容易可靠性：
只有两个状态，不易出错简易性：
运算法则简单逻辑型：
0、1对应“真”、“假”,67,1.6.2数值数据的表示,68,1.6.2数值数据的表示3、进制之间的转换,二进制转换为十进制的转换方法：
二进制数的每一位数码乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值例：
11101.1011B=124123122021120121022123124=29.6875,69,1.6.2数值数据的表示3、进制之间的转换,
（1）二、八、十六进制转换成十进制（按权展开,累加求和）,（2A.8）H=2161+A160+816-1=32+10+0.5=（42.5）D,（165.2）O=182+681+580+28-1=64+48+5+0.25=（117.25）D,70,1.6.2数值数据的表示3、进制之间的转换,熟练之后，若有些数码为0，则可以简化式子。
（10101）2=24+22+1=21,（101.11）2=22+1+2-1+2-2=5.75,（101）8=82+1=65,（71）8=78+1=57,（101A）16=163+16+10=4122,71,1.6.2数值数据的表示
（2）十进制数转换为二进制数,转换方法：
整数和小数部分分开转换整数部分：
除2逆序取余。
具体步骤：
将整数部分除以2，将余数取出；商继续除以2，重复上述过程，直到商为0为止。
小数部分：
乘2顺序取整具体步骤：
将小数部分乘以2，将乘积的整数取出；乘积的小数部分继续乘以2，重复上述过程，直到乘积为0或满足精度为止。
72,1.6.2数值数据的表示,例：
29.6875=（？
）2,先转换整数部分，利用除2取余法，得到29=（11101）2,73,注意：
1.十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似2.转换时，先得到的数总是紧靠小数点,再转换小数部分，利用乘2取整法，得到0.6875=（0.1011）2故有29.6875=（11101.1011）2,74,（3）二进制数与八进制数的相互转换,
（1）二进制数转换为八进制数：
将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每3位分成一组，小数部分不够3位在后面用0补齐3位，将每组二进制数转换成一位八进制数。
1101010.01,0,（152.2）8,
（2）八进制数转换为二进制数：
将每位八进制数用3位二进制数表示。
=（011111100.010110）2,（374.26）8,75,（4）二进制数与十六进制数的相互转换,111010100.011,0,（1D4.6）16,=（101011110100.01110110）2,（AF4.76）16,
（1）二进制数转换为十六进制数：
将二进制数由小数点开始，整数部分向左，小数部分向右，每4位分成一组，小数部分不够4位在后面用0补齐4位，将每组二进制数转换成一位十六进制数。
（2）十六进制数转换为二进制数：
将每位十六进制数用4位二进制数表示。
二进制算术运算,二进制加法法则：
二进制减法法则：
0+0=00-0=00+1=10-1=1（借一当二）1+0=11-0=11+1=10（逢二进一）1-1=0,77,二进制乘法法则：
二进制除法法则：
00=000（无意义）01=001=110=010（无意义）11=111=1,例1：
已知m=10011.11B,n=110.101B，求m+n和m-n分别是多少？
78,例2：
已知m=1001011B,n=11B,求mn和mn分别是多少？
79,二进制逻辑运算,逻辑量的运算称为逻辑运算。
二进制1和0在逻辑上可代表“真”与“假”。
1.逻辑加法（“或”运算）：
常用符号“+”、“”、“OR”来表示，运算规则如下：
0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=12.逻辑乘法（“与”运算）：
常用符号“”、“”、“”、“AND”来表示。
运算规则如下：
00=0，01=0，10=0，11=1,3.逻辑非（“非”运算）：
又称逻辑否运算，即求“反”运算。
“非”运算规则如下：
非0等1，非1等于04.“异或”逻辑运算：
通常用符号表示，其运算规则为：
00=00同0异或，结果为001=10同1异或，结果为110=11同0异或，结果为111=01同1异或，结果为0,4.数值数据的编码,
（1）机器数（机器码）与真值二进制的数也有正负之分，如A=+1011，B=-1110，A是一个整数，而B是一个负数。
然而，机器并不能表示“+”、“-”。
为了在计算机中表示正，我们引入了符号位，即用一位二进制数表示符号。
机器数-数的符号数字化后用“0”、“1”表示。
常用的机器码有原码、反码和补码。
真值-机器数所表示的实际值，数的符号以通常的习惯用“+”、“-”表示。
82,
（2）数的原码、补码和反码原码表示法在原码表示法中，用机器数的最高位表示符号，0代表整数，1代表负数；机器数的其余各位表示数的有效数值，为带符号数的二进制的绝对值。
【例】+1010110=01010110-1010110=11010110+0.1010110=0.1010110-0.1010110=1.1010110关于零的原码：
对于0来讲，正负0的原码是不同的。
+0000=00000-0000=10000,反码表示法正数的反码和原码相同；负数的反码，符号位为“1”，数值部分按位取反，
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