第一章计算机的基本概念.docx

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第一章计算机的基本概念

第一章计算机的基本概念

◆本章学习目标

通过本章的学习，要求学生了解计算机的基本概念和发展历史。

了解计算机系统运行的一些基础知识，包括计算机中信息的运算、进制位计数和各种进制之间的转换，为本课程后续部分的学习打下基础。

◆本章学习内容

1、计算机信息技术概述

2、计算机系统运算基础

3、计算机常用术语

◆本章重点

进位计数制及其转换。

◆本章难点

进位计数制及其转换。

◆本章学习方法建议

本章基本概念较多，属于基础知识概述内容，重点是理解相关概念，多做练习以熟练掌握进位计数制及其转换。

1.1.1计算机与信息技术

计算机技术与信息技术相辅相成迅速发展是信息时代发展的重要标志，其发展水平也是一个国家或一个经济实体发展水平的标志。

由于计算机技术与信息技术本身也是在不断发展和变化着的，其技术应用、开发与研究的内容也是广泛而持久的。

学习、应用和掌握计算机技术与信息技术的能力与水平则是衡量现代技术型人才专业技术潜力的基准标志。

一、信息与数据

信息是一个不断发展和变化的概念，信息是客观世界通过人的感官感知和头脑的加工而形成的对事物的认识或概念。

数据是载荷信息的载体，计算机数据则可以是数字、文字、图形、图像、语言、声、光、色等有意义描述体的单一载体，也可以是他们的组合，而这种组合具体地表示了信息的内容。

二、计算机信息处理过程

计算机信息处理过程，见图1.1.1。

1.1.2计算机用户与计算机系统

信息技术是计算机技术、网络技术和通讯技术综合发展的产物，在应用中得以拓展和延伸，如图1.1.2-1。

农业信息化的典型案例，已从实验室走到了田间地头，其信息技术应用已超出了简单的数据处理，如图1.1.2-2。

1.1.3现代计算机的演变与发展

人类最早可追朔到中国古代发明而在今天仍在使用的算盘，可誉为“原始计算机”；接下来是1642年法国物理学家帕斯卡（1623～1662）发明了齿轮式加减法器；再者是1673年德国数学家莱布尼兹（1646～1716）制成了机械式计算器，可以进行乘除运算；而1791～1871年间英国数学家查尔斯·巴贝奇提出了差分机和分析机的构想，具有了输入、处理、存储、输出及控制五个基本装置。

现代计算机是真正的数字电子计算机，其特点是运算速度快，计算精确度高，可靠性好，记忆和逻辑判断能力强，存储容量大等。

现代计算机的发展中，杰出的代表人物是英国的艾兰·图灵（AlanMathisonTuring，1912年～1954年），一是建立了图灵机（TuringMachine，缩写为TM）的理论模型；二是提出了定义机器智能的图灵测试（TuringTest），奠定了“人工智能”的理论基础。

另一位杰出的代表人物是美籍匈牙利人冯·诺依曼（JohonVonNeumann，1903年～1957年）。

首先提出了在计算机中存储程序的概念，使用单一处理单元完成计算、存储及控制操作。

“存储程序”是现代计算机的重要标志。

一、第一代——电子管计算机时代（1946年～50年代末期）

电子管计算机时代（1946年到20世纪50年代末期），主要特点是采用电子管作为基本器件，运算速度一般每秒数千次至数万次。

硬件方面没有随机存储介质，软件方面没有文件管理、没有操作系统，但有了程序设计的概念，程序指令由机器代码程序发展到了符号程序。

二、第二代——晶体管计算机时代（20世纪50年代中期～60年代末期）

晶体管计算机时代（从20世纪50年代中期到20世纪60年代末期）。

其主要特征是采用晶体管元件，开始使用磁芯和磁鼓作存储器，由于体积缩小，功耗降低，从而提高了运算速度和可靠性，一般每秒为数十万次，最高可达300万次，而价格却在不断下降。

软件方面产生了ALGOL60、PL/1等高级程序设计语言和批处理操作系统。

三、第三代——中、小规模集成电路计算机时代（20世纪60年代中期～70年代初期）

小规模集成电路计算机时代以中小规模集成电路作为计算机的主要元件，采用了更好的半导体内存，进一步提高了运算速度和可靠性。

软件方面也有了更进一步的发展，出现了操作系统；有了标准化的程序设计语言；出现了结构化、模块化程序设计方法；使操作系统更加完善和普及，形成了操作系统、编译系统和应用程序三个独立的软件系统；这一阶段实时系统和计算机通信网络有了相应的发展。

四、第四代——大规模和超大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代初期～现在）

1971年起大规模集成电路使计算机进入了第四代。

1971年Intel公司制成了第一批微处理4004，这一芯片集成了2250个晶体管组成的电路，使PC（PersonalComputer）个人计算机得到迅猛发展。

现在不同的国家已在研制和实现高达数万亿次/每秒～百万亿次/每秒的超级计算机。

对于尖端科学研究以及进一步探索新兴科学，诸如核反应技术、航空航天技术、生物工程、天文气象、原子运动等等，没有高精度超大型计算和完成复杂的推理过程是不可想象的。

目前计算机主要朝着巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化五种趋向发展。

1.1.4计算机的分类

计算机的分类可以从不同的方面进行划分，目前国内外较多沿用的分类方法是根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）的一个委员会于1989年11月提出的标准来划分的，即把计算机划分为：

巨型机（Supercomputer）、小巨型机（MiniSuper）、大型主机（Mainframe）、小型机（Minicomputer或Minis）、工作站（Workstation）、个人计算机（PersonalComputer）等6类。

1、巨型计算机

巨型计算机又称超级计算机、超级电脑。

“超级计算机”是指工作速度在每秒以万亿次计算的运算系统。

2005年6月，在每半年评选一次的“超级计算机500强”的最新名单中，美国国际商用机器公司（IBM）的“蓝色基因/L”系统，以每秒136.8万亿次浮点运算速度，再次夺冠。

2008年6月，IBM公司为美国核安全管理局（NNSA）国家实验室提供的又一超级计算机在“超级计算机500强”中，以巨大的领先优势再次夺冠，运算速度高达1.02千万亿次浮点运算，系统中IBMPowerXCell8i芯片执行数学密集型计算，有6562个AMDOpteron双核处理器负责执行基本计算功能。

2008排名前9位均来自美国，而第10位来自中国上海的曙光5000A，该系统采用AMDOpteron1.9GHz四核心处理器，安装了最新的微软WindowsHPC2008操作系统。

而个人电脑运算速度多数在每秒10亿次左右，快的也只有几十亿次。

2、小巨型机

小巨型机又称小超级计算机，可以满足一些科学研究、工程设计的特定需要。

3、大型主机

大型主机包括过去所说的大型机和中型机，主要用于规模较大的银行、企业、高校和科研院所，有很强的管理和处理功能。

4、小型计算机

小型计算机相对结构简单，可靠性高，成本也较低，比昂贵的大型主机有更大的应用空间。

5、工作站

工作站，包括工程工作站和图形工作站等。

是介于PC机与小型机之间的一种高档微型计算机，其运算速度比微机快，有较强的联网功能；主要用于图像处理、计算机辅助设计等特殊的专业领域。

6、个人计算机

个人计算机，又称微型计算机，也称个人电脑、PC机或微机。

自20世纪70年代出现后，以其设计先进和不断采用高性能微处理器升档为标志，以操作简单、价格便宜、软件丰富、功能齐全等优势而广为普及和应用。

现在PC机到处用，到处都有，不仅有台式机，还有膝上电脑、笔记本电脑、掌上电脑、手表型电脑等等，技术、款式、功能集成方面都在不断推新。

1.1.5计算机的应用

1、数值计算或称科学计算

2、数据处理或信息处理

3、自动控制或实时控制

4、计算机辅助系统

5、人工智能AI（ArtificialIntelligence）

6、计算机网络通信技术（ComputerNetwork）

7、多媒体（MultiMedia）技术

8、数据库应用

1.2.1计算机中信息的运算

计算机采用二进制计数系统，二进制数的求和、求积法则分别为：

求和：

0＋0=0，0＋1=1，1＋0=1，1＋1=10

求积：

0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1

1.2.2进位计数制

一、十进制

人们最熟悉的计数制就是十进制，它有以下特点：

1、基本计数符号有十个0～9

2、逢10进位，10是进位基数

例如一个十进制数2768.34，它的实际值与基数的关系可以这样表示：

2×103+7×102+6×101+8×100+3×10-1+4×10-2=2768.34

二、二进制

二进制是计算机使用的进位计数制。

其特点是：

1、基本计数符号只有两个0、1

2、逢2进位，2是进位基数

例如：

（101）2=（5）10=1×22+0×21+1×20

三、八进制

八进制的特点是：

1、基本计数符号有8个0～7

2、逢8进位，8是进位基数

例如：

（71）8=（57）10=7×81+1×80

四、十六进制

十六进制特点是：

1、有16个基本符号，0～9，A、B、C、D、E、F。

其中A～F对应十进制的10～15

2、逢十六进位，进位基数为十六

例如：

（A8）16=（168）10=10×161+8×160

总结起来，对任何一个L进制就有以下特点：

1、有0～（L-1）个基本计数符号

2、逢L进位

3、任何一个L进制的数都可以表示成：

（xn-1…x1x0）L=xn-1×Ln-1+…+x1×L1+x0×L0

1.2.3几种计数制之间的转换

一、二进制数转换为十进制数

根据前面的公式，任何进制的数都可以展开成为一个多项式，其中每项是各位权与系数的乘积，这个多项式的结果便是所对应的十进制数。

例如：

（11001.01）2=1×24+1×23+0×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2=16+8+1+0.25=25.25

二、十进制转换为二进制数

1、将十进制整数转化成二进制数，只需将十进制整数不断被2除，取其余数即可。

例如，求（11）10的二进制形式，如图1.2.3-1。

最后一个余数为a0，从下往上依次为a0，a1，……an。

因此，（11）10=（1011）2。

2、将十进制小数转化成二进制数，用2乘取整法，并将每次所得的整数从上往下列出即可。

例如，求0.825的二进制形式，如图1.2.3-2。

解得（0.825）10=（0.110）2。

三、二进制转换为八进制

二进制转化为八进制数，整数部分只需从右向左（从低位向高位），小数部分则从小数点开始往右划分，每3位分为一组，然后分别将改组二进制数化成八进制数即可。

如：

所以，（100111101）2=（475）8。

所以，（0.11011）2=（0.66）8。

四、八进制转为二进制

八进制转为二进制是上述方法的逆过程，即将每一位八进制数分别转换为三位二进制数。

例如：

所以（4675）8=（100110111101）2。

五、二进制转换为十六进制数

二进制数转化为十六进制数，只需将二进制整数从右到左，小数部分从左到右，每4位为1组，不足4位用0补齐，每组二进制数换成对应的十六进制数。

例如：

所以，（1010110.11101）2=（56.E8）16。

六、十六进制数转换成二进制数

反过来，将十六进制数转换成二进制数为上述的逆过程。

例如：

所以（6BC.D8）16=（11010111100.11011）2。

七、几种进制间对照表

几种进制间对照表，见表1.2.3。

表1.2.3

十进制

二进制

八进制

十六进制

十进制

二进制

八进制

十六进制

0

0

0

0

9

1001

11

9

1

1

1

1

10

1010

12

A

2

10

2

2

11

1011

13

B

3

11

3

3

12

1100

14

C

4

100

4

4

13

1101

15

D

5

101

5

5

14

1110

16

E

6

110

6

6

15

1111

17

F

7

111

7

7

16

10000

20

10

8

1000

10

8

1.2.4西文信息在计算机中的表示

计算机不仅用于数值计算，还常常要存储大量的英文字母和其他专用字符。

计算机不能直接存储英文字母和专用字符，需要用标准的二进制编码来表示存放，即为每一个字符指定一个唯一的二进制代码。

西方文字在计算机中的表示如表1.2.4所示：

表1.2.4

0

1

2

3

4

5

6

7

000

0001

010

011

100

101

110

111

0

0000

NUL

DLE

SP

0

@

P

‵

p

1

0001

SOH

DC1

！

1

A

Q

a

q

2

0010

STX

DC2

”

2

B

R

b

r

3

0011

ETX

DC3

#

3

C

S

c

s

4

0100

EOT

DC4

$

4

D

T

d

t

5

0101

ENQ

NAK

%

5

E

U

e

u

6

0110

ACK

SYN

&

6

F

V

f

v

7

0111

BEL

ETB

、

7

G

W

g

w

8

1000

BS

CAN

（

8

H

X

h

x

9

1001

HT

EM

）

9

I

Y

i

y

10

1010

LF

SUB

×

：

J

Z

j

z

11

1011

VT

ESC

＋

；

K

[

k

{

12

1100

FF

FS

，

<

L

\

l

︱

13

1101

CR

GS

－

＝

M

]

m

}

14

1110

SO

RS

·

>

N

n

～

15

1111

SI

US

/

？

O

o

DEL

1.2.5中文信息在计算机中的表示

一、汉字国标码

汉字是象形文字，用英文的26个字母是不能表达的，我国在1981年公布了＜中华人民共和国国家标准信息交换汉字编码字符集-基本集＞，代号是“GB2312-80”，称为国标码，见表1.2.5-1。

表1.2.5-1

二、区位码

按国标GB2312-80规定，全部国标汉字和图形符号排列在94×94的矩阵内，如把行号称为区号，把列号称为位号，并用十进制表示，则每个汉字和图形符号，一定有确定的区号和位号，规定区号在前，位号在后，即组成了区位码。

1、字输入码

汉字输入码也称为外码，每个汉字输入码对应一个汉字，用于输入汉字时的汉字编码。

汉字输入编码方法可分为四类，即字音编码法、字形编码法、音形编码法和整字编码法。

2、汉字机内码

汉字机内码常常称为汉字的内码，是一个汉字被系统内部处理和存储而使用的代码。

汉字的内码是统一的，ASCII码为单字节7位编码，最高位为0。

为了区别用ASCII码表示的西文和两个字节表示的汉字，汉字内码的最高位均置为1。

3、汉字字形码

要显示汉字的字形就需要用点阵形式来组成每一个汉字的字形，称汉字字形码。

所有汉字字形码的集合就是我们通常所说的“汉字库”。

一个汉字的点阵越多，输出的字越细腻，但占用空间越大，见表1.2.5-2。

表1.2.5-2

三、汉字地址码

汉字库中每个汉字字形都有一个连续的存储区域，该存储区域的首地址，就是汉字的地址码。

汉字库的设计，大多数是按汉字国标码的次序排列的，每个汉字通过汉字机内码换算求得相应汉字字形码在汉字字库中的地址，以取出该汉字的字模，即字型。

四、汉字的输入方法

1、全拼输入法

拼音输入法分为全拼、简拼、双拼、微软拼音输入法等等。

2、五笔字型汉字输入法

这种汉字输入方法用130个字根组字或词，主要以击四键定一个汉字，不需要选字，基本没有重码，便于盲打，另外还有词组输入等。

§1.3计算机常用术语

1、软件

软件（Software）计算机可以执行的程序与执行程序所需要数据与文档资料。

2、硬件

硬件（Hardware）构成计算机系统的物质实体。

如芯片、网线、机箱、线路板等。

3、位

一个二进制位称为一个位（bit），位是计算机最小操作存储单位。

4、字节

八个二进制位称为一个字节（Byte），字节是计算机的最小存储单元。

5、存储单位

千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节/千兆字节（GB）、太字节（TB）等。

6、字长

字长（Word）是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。

7、运算速度

指每秒钟能执行多少条指令，单位一般用MIPS。

8、容量

通常指计算机存储容量。

9、主频

指计算机的时钟频率。

10、存取周期

存储器完成一次读或写信息操作所需的时间称存储器的存取或访问时间。

11、传输速率

传输速率是指每秒传送的位数。

单位是bps（位/秒）。

12、版本

版本原是一种商业标志，不是计算机的技术指标，但是计算机的软件和硬件是以版本序号标识推出时间的先后、功能多少、档次高低和性能的优劣。

13、可靠性

可靠性是针对系统而定的，通常用平均无故障时间（MTBF）来表示，一般主要指硬件故障，不是指用户误操作引起的故障。

14、带宽

带宽主要针对网络通信中计算机的数据传输速率，反映计算机的通信能力。

15、机器指令

机器指令是一系列二进制代码。

16、指令系统

指令系统是软件和硬件的界面，内核是硬件。

第一章计算机的基本概念

◆本章主要学习内容总结

当今是信息经济时代，也是网络信息时代。

以计算机技术、网络通信技术和多媒体技术为主要标志的信息技术迅速发展，其应用涉及所有专业领域，已渗透到社会经济的各行各业，不同学科有不同的专业发展方向和知识背景，计算机信息技术则是拓展专业研究领域的有效工具。

本章要了解计算机的基本概念与计算机的演变与发展，理解计算机的分类和利用，重点掌握计算机中信息的运算、进制位计数和各种进制之间的转换。