1、-_第一章 计算机基础知识1.1 计算机概述 1. 电子计算机的发展 世界上第一台名为 ENIAC 的数字电子计算机于 1946 年诞生在美国宾夕法尼亚大学， 在半个世纪的飞速发展过程中经历了 4 个时代。计算机 第一代 第二代 第三代 第四代 特 征 采用电子管作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒仅几千次，内存容量仅几 KB 。 采用晶体管作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几十万次，内存容量扩大到几十 KB。 采用集成电路作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几十万至几百万次 。 采用大规模和超大规模集成电路作为计算机的逻辑元件，运算速度每秒达几千万至十万亿次 。 时 间 1946-1958
2、1958-1964 1964-1970 1971 年至今 代表机型 IBM 650、IBM709 IBM7094、CDC7600 IBM360 应 用 仅限于军事和科研中的科学计算；用机器语言或汇编语言编写程序。 由科学计算扩展到数据处理和自动控制；出现了FORTRAN 等高级语言。 开始广泛应用于各个领域；高级语言有了很大发展，并出现了操作系统和会话式语言。 应用范围已渗透到各行各业，并进入了以网络为特征的时代；操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分。 2. 微型计算机的发展 1971 年由美国 Intel 公司的工程师马西安霍夫（MEHoff）设计了世界上第一台名为 MCS-4
3、的 4 位微型计算机。该机是由一片 4 位微处理器 Intel 4004 、一片 320 位（40 字节）的随机存取存储器、一片 256 字节的只读存储器和一片 10 位的寄存器通过总线连接起来的。微处理器 第一代(8 位) 第二代 (8 位)第三代 (16位) 第四代 (32 位) -_时 间 1972年 1973年 1978年 1985 年 1993 年 1995 年 1997 年 1999 年 代表产品 Intel 8008 Intel 8085 Intel 8086 Intel 80386 Pentium Pentium Pro Pentium Pentium 3. 计算机的分类 巨型
4、计算机小巨型机 可用作系统的服务器大型机小型计算机 可用作部门的服务器工作站 个人计算机 可用作客户机4.计算机的应用(1) 科学计算如：计算量大、数值变化范围大的天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中的复杂运算。(2) 数据处理是计算机应用的一个重要方面，如：办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等非数值计算的领域。(3) 过程控制如：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等现代工业生产过程中的自动化控制。(4) 计算机辅助系统计算机辅助设计 CAD：如飞机、船舶、建筑、机械、大规模集成电路等的设计。计算机辅助制造 CAM：用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。计算机
5、辅助教育 CBE：如计算机辅助教学 CAI、计算机辅助测试 CAT、计算机管理教学 CMI(5) 人工智能 AI-_是计算机应用研究的前沿学科。(6) 信息高速公路（此即 “国家信息基础设施” NII 的俗称）我国已建立的大型计算机应用工程“金“字工程：金桥工程(全国经济信息网)金卡工程(金融信息网)金关工程(外贸海关信息网)金智工程(教育科研信息网)(7)电子商务利用国际互联网 Internet 进行网上商务活动，始于 1996 年，现已发展迅速，全球已有许多企业先后开展了“电子商务”活动。2.1 信息在计算机内的表示 1. 基本概念数 据：是对事实、概念或指令的一种特殊表达形式，这种特殊的
6、表达形式可以用人工的方式或用自动化的装置进行通信、翻译转换或者进行加工处理。它包括数字、文字、图画、声音、活动图象等。数据处理： 是对数据进行加工、转换、存储、合并、分类、排序与计算的过程。信 息： 是对人有用的数据。媒 体： 是承载信息的载体。包括：感觉媒体、表示媒体、存储媒体、表现媒体、传输媒体。2. 数制（1） 计算机中常用的几种进制一览表进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制 规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一 -_基数 r=2 r=8 r=10 r=16 数符 0，1 0，1，7 0，1，9 0，1，9，A，B，C，D，E，F 权 2i 8i 10i 16i 形式表示
7、B O D H （2） 不同进制之间的转换转换方式 示例 二进制 十进制 八进制 十进制 十六进制 十进制 十进制 二进制 (117.625)D=(1110101.101)B 整数部分 “除以 2 取余法” + 小数部分 “乘以 2 取整法” 十进制 八进制 (193.12)D(301.075) O 整数部分 “除以 8 取余法” + 小数部分 “乘以 8 取整法” 十进制 十六进制 （222.6875） D=（DE.B） H整数部分 “除以 16 取余法” + 小数部分 “乘以16 取整法” 八进制 二进制 (16.3)O=(001 110 . 011)B=(1110.011)B 十六进制
8、二进制 (4C.2)H=(0100 1100 . 0010)B=(1001100.001)B 二进制 八进制 (11101.01)B =(011 101 . 010)B=(35.2)O 二进制 十六进制 (11101.01)B =(0001 1101 . 0100)B= (1D.4)H (3) 计算机中采用二进制码的原因 二进制码在物理上最容易实现二进制数的编码、记数、加减运算规则简单-_二进制码的两个符号“1” 和“0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否” 相对应，便于计算机实现逻辑运算。（4）二进制数的运算运算规则一览表加法 减法 乘法 除法 “与”运算 “或”运算 “异或”运算 0+0=
9、0 0-0=0 0x0=0 0+1=1 1-0=1 0x1=0 1+1=10 有进位 1-1=0 1x0=0 1+1+1=11有进位 0-1=1 有借位 1x1=1 与十进制除法类似 按位进行与运算； 两位均为 1 时， 其结果为 1；否则为 0 。与运算用符号或表示。 按位进行或运算；两位中有一位为 1 时， 其结果为 1；两位均为 0 时，结果为 0 。或运算用符号或 + 表示。 按位进行异或运算；两位不相同时，其结果为 1；两位均为 0 时，结果为 0 。异或运算用符号 表示。（5） 计算机中带符号数的表示计算机中规定一个数的最高位代表符号，该位为 0 表示正，该为为 1 表示负。例：
10、00110100 代表 +52 被称作机器数10110100 代表 -52 而： +0110100 代表十进制数 +52 被称作机器数的真值-0110100 代表十进制数 -52 机器数的三种表示法原码 反码 补码 正数表示法 符号位用 0 表示 X反 =X原 X补 =X原 负数表示法 符号位用 1 表示 符号位不变，其余各位按位取反 X补 =X反 +1注意：1 加在最低位上 数 0 表示法 X=+0 X原 =0 0000000X=-0 X 原 =1 0000000 X=+0 X反 =00000000X=-0 X反 =11111111 X=+0 +0补 =00000000X=-0 -0反 =0
11、0000000 -_引进补码的目的：在二进制的算术运算中，乘法采用加法和移位来完成，除法采用减法和移位来完成。而在计算机中为节省设备，只设加法器，故引进补码运算来将减法运算转换成加法运算。计算机中，凡是涉及带符号数都一定是用补码表示的，运算的结果也用补码表示。（6）二进制数的表示范围8 位二进制数 16 位二进制数 无符号数 0255 （0 FFH） 065535 （0 FFFFH） 最大 01111111B +127 7FFFH +32767 最小 10000000B -128 8000H -32767 有符号数 （补码） 一个 0 00000000B 0 0000H 0 3. 常用的信息编
12、码二进制编码的由来： 由于计算机需要处理各种数据，而它只能识别二进制数，故对字符要用若干位二进制码来表示。（1）二 - 十进制码 BCD 码 （二进制编码的十进制）定义： 用二进制编码来表示十进制数的编码。特点： 保留了十进制的权，而数字用 0 和 1 的组合来表示。最常用的 BCD 码 是 8421 码。8421 码：用 4 位二进制数来表示 1 位十进制数，且逢十进位。如：（0110） BCD =（6） D ， （0001 0101） BCD =（15） D 命名由来：因 4 位二进制数中从左至右的各位的权分别为：23=8，2 2=4，2 1=2，2 0=1， 即权重依次为 8，4，2，1
13、， 故被称为 8421 BCD 码。注意不能与二进制数混淆起来。-_例： （0100 0111） BCD =（47） D （01000111） B =（71） D （2） 美国标准信息交换码 ASCIIASCII 码是目前计算机中用得最普遍的字符编码。每个字符用 7 位二进制编码表示，在计算机中用一个字节（8 位）来表示一个 ASCII 码，其第 8 位除在传输中作奇偶校验用外，一般保持为 0。ASCII 码是由 128 个字符组成的字符集， 其中编码值 031（00000000011111）不对应任何可印刷字符，常称为控制符，用于计算机中的通信控制或对计算机设备的功能控制；编码值32（010
14、0000）是空格字符 SP；编码值 127（1111111）是删除控制 DEL；其余 94 个字符称为可印刷字符。（3）汉字的编码数字编码： 用一串数字表示一个汉字的输入。常用的有国标区位码（GB3212-80），它将 6763个两级汉字分成 94 个区，每个区 94输入码： 位，区码和位码各两位十进制数字，即每个汉字用 4 位数字表示。 拼音码： 以汉语读音为基础的输入方法。如：全拼、双拼字形编码： 以汉字的形状确定的编码。如：五笔字形、表形码内部码：在设备和信息处理系统内部存储、处理、传输汉字用的代码。一般用两个字节（2 个8 位码）来存放一个汉字机内码，且最高位均为 1。WIN95 中现
15、采用中西文统一编码“Unicode”（2 字节编码），支持 2 万多汉字，我国确定为 GB13000。为兼容 GB2312，又推出了“国标汉字扩充码”GBK。字形码：用点阵、矢量函数等方式表示的汉字字形的字模码。由于一个 1616 点阵的汉字就要占用 32 个字节，故字模点阵只能用来构成字库，而不能用于机内存储。各种代码之间的关系：13 计算机系统 1. 计算机系统的组成-_2. 计算机的基本结构冯诺依曼（美籍匈牙利数学家）对计算机结构提出的设计思想：(1)计算机应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；(2) 采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中；(3)
16、 指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变；(4) 机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。-_由上图可以看出，微机与通用计算机没有本质上的差别，但微机广泛采用了集成度相当高的器件和部件（如：将算术逻辑单元和控制器集成在一个单片上，形成微处理器），并采用了独特的总线结构，任何一个部件只要符合总线标准，就可以挂到采用这种总线标准的系统中去。3. 计算机工作原理计算机的工作过程其实就是一个执行指令和程序的过程。指令的执行过程：第一阶段，计算机将要执行的指令从内存取到 CPU，此阶段称之为取指
17、周期；第二阶段，CPU 对取入的指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，然后向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能，此阶段称之为执行周期。程序的执行过程：就是逐条执行指令的过程。取指令执行指令取指令执行指令 指 令：就是让计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机完成某个操作的依据。它包括操作码和操作数两部分。 操作码：指明该指令要完成的操作。操作数：是指参加运算的数或者数所在的单元地址。指令的分类：包括： 数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、位与位串操作指令、控制转移指令、输入/输出指令、其他指令。指令系统：指一台计算机的所有指令的集合。不同的计算机其指令系统
18、不一定相同。程 序：是由一系列指令构成的有序集合。4. 计算机的硬件系统-_计算机硬件主要由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备和总线等组成。其中：中央处理器、主存储器和总线构成“主机” ， 辅助存储器和输入/输出设备构成“外设”。 微机的主机箱内主要有下列部件： (1) 系统主板 是一块集成电路板，是微机最主要的部件，它包括微处理器模块、内存模块、基本 I/O接口、中断控制器、DMA（直接存取存储器）控制器及连接其他部件的总线。微处理器 CPU ：是微机的核心部件，控制计算机的各项工作。Pentium 处理器主要由执行单元、指令预取部件、指令译码部件、地址转换与管理部件、指令快存
19、（cache）和数据快存（cache）、总线接口部件和控制器等组成。其核心是执行单元（即运算器），它的任务是高速完成各种算术和逻辑运算。 主（内）存储器： 用来存放要执行的程序和要使用的数据。系统板上的主存一般都采用 DRAM。目前微机中的半导体存储器主要有三种类型：动态随机存取存储器 DRAM：一般由 MOS 型电路构成，其中的信息是以电荷形式保存在小电容器（属于无源器件），由于电容器放电，超过一定时间其中的信息就会丢失，需用外部支持逻辑电路来刷新。存放在其中的信息断电后丢失。其特点是：与 CPU 的接口较 SRAM 复杂，但功耗低，集成度高，成本低。静态随机存取存储器 SRAM 通过一个双
20、稳态电路来保存其中的信息，只要电源不断，其中的信息就不会丢失，其特点是：与 CPU 接口简单，使用方便，速度快，但功耗大，成本高。只读存储器 ROM 存放在其中的信息断电后不丢失，但不可以随便修改。用来存放基本输入/输出系统BIOS（BIOS 是一组机器语言程序，负责对计算机进行加电后自动检测）。掩膜 ROM：其中信息由厂家写入，只能读出不能改变。可编程 ROM（PROM）：由用户编程写信息，但只能写一次。用光擦除的可编程 ROM（EPROM）：可用紫外线照射来重复擦写全部内容。ROM 分类用电擦除的可编程 ROM（EEPROM）：通过加擦除电压来重复擦写，可以全部也可以以字节为单位进行擦除和改写。CMOS 存储器： 用来存放用户对计算机的配置参数。存放在其中的信息可以在计算机开机时进行修改，关机后可保持设置不变。其中的信息要依靠小电池来维持，电池放电后，会使其中的信息全部丢失。I/O 总线： 包括传送数据信号的数据总线 DB（是双向的）、传送地址信号的地址总线 AB（是单向的）、传送控制信号的控制总线 CB 。常用的有 PCI（外围设备接口）总线、 ISA（工业标准体系结构）总线、EISA（扩展的工业标准体系结构）总线.
