精选第1章 计算机基础知识.docx
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精选第1章计算机基础知识
第1章计算机基础知识
内容提要：
本章将介绍计算机的起源与发展，计算机的特点、应用和发展趋势，计算机中信息的表示，计算机系统的组成和原理，微型计算机系统的性能指标和硬件组成以及多媒体技术相关信息。
教学要求：
要求了解计算机的起源与发展，掌握计算机的发展趋势，掌握各种进制之间的转换，了解信息的编码，掌握计算机系统结构的组成，了解计算机的性能指标和硬件组成，熟悉多媒体相关的概念。
本章重点：
教学重点放在各种进制之间的转换，冯·诺依曼体系结构的组成和运行原理。
本章难点：
各种进制的理解、计算机性能指标的理解。
计算机也称为“电脑”，是一种具有计算功能、记忆功能和逻辑判断功能的机器设备，它是20世纪人类最重大的科学技术发明之一。
随着计算机硬件系统和软件系统的不断升级换代，特别是20世纪后期，计算机技术和通信技术相结合而产生的计算机网络，使得以计算机技术为基础的高新技术迅猛发展，应用领域也日益广泛，极大地促进了生产力和信息化社会的发展，对人类社会的生产方式、生活方式和学习方式都产生了极其深远的影响。
1.1计算机技术概述
知识要点精讲
1.1.1计算机的起源与发展
1.计算机的起源
长久以来，一个悬念一直萦绕在科学家和发明家的脑海里：
我们能够造出像大脑一样工作的机器吗?
早在原始社会，人类就用结绳、垒石或枝条作为辅助进行计数和计算的工具。
在我国，春秋时代就有用算筹计数的“筹算法”。
公元6世纪左右，中国人开始使用算盘作为计算工具。
算盘是我国人民的独特创造，是一种彻底的采用十进制的计算工具。
1642年，欧洲学者发明了对数计算尺；1642年，布莱斯·帕斯卡发明了机械计算机；1854年，英国数学家布尔提出了符号逻辑的思想。
19世纪，英国数学家查尔斯·巴贝奇最先提出通用数字计算机的基本设计思想，并于1822年设计了一台差分机；他于1832年开始设计一种基于计算自动化的程序控制的分析机，在该机的设计中，他提出了几乎是完整的计算机设计方案，被称为“计算机之父”。
在19世纪中期到20世纪初，随着电磁学理论的研究和电能的开发使用，科学家又将电器元件应用于计算工具的研究中，研制成功了Model-K、Z系列和Mark系列等电磁计算机。
1946年2月，美国为计算弹道轨迹，第一台电子计算机ENIAC（埃尼阿克）在美国宾夕法尼亚大学问世，ENIAC用了18000个电子管和86000个其它电子元件，有两个教室那么大，运算速度却只有每秒300次各种运算或5000次加法运算，耗资100万美元以上。
尽管ENIAC有许多不足之处，但它的诞生揭开了计算机时代的序幕，从此开创计算机发展的新时代。
图1-1第一台电子管计算机（ENIAC）
美国数学家冯·诺依曼根据ENIAC提出了改进方案，科学家们研制出了人类第一台具有存储程序功能的计算机—EDVAC。
冯·诺依曼提出的存储程序的思想和结构设计方案时至今日，现代电子计算机仍然被称为冯·诺依曼型计算机。
2.计算机的发展历程
从1946年第一台电子数字计算机至今，按计算机所采用的电子器件来划分，计算机的发展到目前为止共经历了四个时代。
（1）第一代。
从1946年到1956年这段时期称之为“电子管计算机时代”。
第一代计算机的内部元件使用的是电子管。
由于一部计算机需要几千个电子管，每个电子管都会散发大量的热量，因此，如何散热是一个令人头痛的问题。
运算速度仅为每秒几千次，程序设计语言采用机器语言和汇编语言，第一代计算机主要用于科学研究和工程计算。
（2）第二代。
从1956年到1964年，由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以将这段时期称为“晶体管计算机时代”。
晶体管比电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。
运算速度每秒几十万次，出现了ALGOL、FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言，第二代计算机主要用于数据处理。
（3）第三代。
从1964年到1971年，集成电路被应用到计算机中来，因此这段时期被称为“中小规模集成电路计算机时代”。
集成电路（IntegratedCircuit，简称IC）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。
第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度达每秒几十万次到几百万次。
高级程序设计语言在这一时期得到了很多发展，出现了操作系统和会话式语言。
计算机开始应用到各个领域。
（4）第四代。
从1971年到现在，被称之为“大规模集成电路计算机时代”。
第四代计算机使用的元件依然是集成电路，称之为大规模集成电路（LargeScalelntegratedCircuit，简称LSI）和超大规模集成电路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，简称VLSI）。
1975年，美国IBM公司推出了个人计算机PC（PersonalComputer），运算速度达到了每秒上亿次，甚至上千万亿次的数量级，操作系统不断完善；从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。
（5）新一代计算机
计算机最基本的原件是芯片，为此世界各国的研究人员正在加紧开发以量子计算机、分子计算机、生物计算机、超导计算机和光计算机等为代表的未来计算机。
但是，目前尚没有真正意义上的新一代计算机问世。
3.我国的计算机发展历程
1956年8月25日我国第一个计算技术研究机构——中国科学院计算技术研究所筹备委员会成立，著名数学家华罗庚任主任。
这就是我国计算技术研究机构的摇篮。
1957年，哈尔滨工业大学研制成功中国第一台模拟式电子计算机。
1958年8月1日我国第一台小型电子管数字计算机103机诞生。
该机字长32位、每秒运算30次，采用磁鼓内部存储器，容量为1K字。
1964年我国第一台自行研制的119型大型数字计算机在中科院计算所诞生，其运算速度每秒5万次，字长44位，内存容量4K字。
在该机上完成了我国第一颗氢弹研制的计算任务。
图1-2119机
我国在研制第一代电子管计算机的同时，已开始研制晶体管计算机，1965年研制成功的我国第一台大型晶体管计算机（109乙机）实际上从1958年起计算所就开始酝酿启动。
在国外禁运条件下要造晶体管计算机，必须先建立一个生产晶体管的半导体厂（109厂）。
经过两年努力，109厂就提供了机器所需的全部晶体管（109乙机共用2万多支晶体管，3万多支二极管）。
对109乙机加以改进，两年后又推出109丙机，为用户运行了15年，有效算题时间10万小时以上，在我国两弹试验中发挥了重要作用，被用户誉为“功勋机”。
我国工业部门在第二代晶体管计算机研制与生产中已发挥重要作用。
华北计算所先后研制成功108机、108乙机（DJS-6）、121机（DJS-21）和320机（DJS-8），并在738厂等五家工厂生产。
哈军工（国防科大前身）于1965年2月成功推出了441B晶体管计算机并小批量生产了40多台。
我国第三代计算机的研制受到文化大革命的冲击。
IBM公司1964年推出360系列大型机是美国进入第三代计算机时代的标志，我国到1970年初期才陆续推出大、中、小型采用集成电路的计算机。
1973年，北京大学与北京有线电厂等单位合作研制成功运算速度每秒100万次的大型通用计算机。
进入80年代，我国高速计算机，特别是向量计算机有新的发展。
1983年中国科学院计算所完成我国第一台大型向量机－757机，计算速度达到每秒1000万次。
和国外一样，我国第四代计算机研制也是从微机开始的。
1980年初我国不少单位也开始采用Z80，X86和M6800芯片研制微机。
1983年12电子部六所研制成功与IBMPC机兼容的DJS-0520微机。
30多年来我国微机产业走过了一段不平凡道路，现在以联想微机为代表的国产微机已占领国内市场半壁江山。
中国在超级计算机榜单中有着上佳表现，“天河一号”由国防科学技术大学研制，部署在国家超级计算天津中心，其实测运算速度可以达到每秒2570万亿次（这意味着，它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年，当然，其花费和占据的空间，能耗也是惊人的）。
根据2012年6月的世界超级计算机排名，由美国国际商业机器公司（IBM）最新研制的超级计算机“红杉”（Sequoia），为美国夺得全球最快超级计算机宝座。
这是继2009年后美国再次夺回“世界第一电脑”的头衔。
“红杉”的持续运算测试达到每秒16324万亿次，其峰值运算速度高达每秒20132万亿次，令其他计算机望尘莫及。
而中国超级电脑排名第五。
1.1.2计算机的特点
计算机具有很强的生命力，并能飞速地发展，是因为计算机本身具有很多特点，具体体现在以下几个方面：
1.运算速度快
计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且运算速度还以每隔几个月提高一个数量级的速度在快速发展。
2.计算精度高
计算机的计算精度取决于计算机的字长，而非取决于它所用的电子器件的精确程度。
计算机的计算精度在理论上不受限制，一般的计算机均能达到15位有效数字，经过技术处理可以满足任何精度要求。
3.存储容量大
计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。
计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。
存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。
4.具有逻辑判断能力
思维能力本质上是一种逻辑判断能力，也可以说是因果关系分析能力。
借助于逻辑运算，可以让计算机做出逻辑判断，分析命题是否成立，并可根据命题成立与否采取相应的对策。
5.工作自动化
计算机内部的操作运算时根据人们预先编制的程序自动控制执行的。
只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。
6.通用性强
通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。
任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算的逻辑操作，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算的数据，形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。
1.1.3计算机的分类
计算机分类方法较多，根据处理的对象、用途和规模不同可有不同的分类方法，下面介绍常用的分类方法。
1.根据处理的对象划分
计算机根据处理对象划分为模拟计算机、数字计算机和混合计算机。
2.根据计算机的用途划分
根据计算机的用途可以分为专用计算机和通用计算机两种。
（1）专用计算机
专用计算机用于解决某一特定方面的问题，配有为解决某一特定问题而专门开发的软件和硬件，应用于如自动化控制、工业仪表和军事等领域。
嵌入式系统就是一种典型的专用计算机。
（2）通用计算机
通用计算机适用于解决一般问题，其适用性强，应用面广，如科学计算，数据处理和过程控制等，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。
3.根据计算机的规模划分
计算机的规模用计算机的一些主要技术指标来衡量，如字长、运算速度、存储容量、输入和输出能力、价格高低等。
目前，一般把计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机和工作站等。
1.1.4计算机的应用领域
计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。
计算机的主要应用领域如下：
1.科学计算（或数值计算）
科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。
利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。
2.数据处理（或信息处理）
数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。
据统计，80％以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。
数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是：
电子数据处理（ElectronicDataProcessing，简称EDP）、管理信息系统（ManagementInformationSystem，简称MIS）和决策支持系统（DecisionSupportSystem，简称DSS）。
3.辅助技术（或计算机辅助设计与制造）
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD），计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。
计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，简称CAM），计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。
计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction，简称CAI）计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。
CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。
4.过程控制（或实时控制）
过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。
采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。
5.人工智能（或智能模拟）
人工智能（ArtificialIntelligence）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。
现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。
6.网络应用
计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。
计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。
1.1.5计算机的发展趋势
计算机强大的功能和良好的通用性，使得其应用领域扩大到社会各行各业，推动着社会的发展。
计算机的主要发展趋势主要是：
1.巨型化
指研制速度更快、存储容量更大和功能更强大的超大型计算机。
主要用于大型工程计算、科学计算、数值仿真、大范围天气预报、地质勘探、核反应处理等尖端科学技术研究和军事领域。
2.微型化
指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低。
3.网格化
网格（Grid）技术可以更好地管理网上的资源，它把整个互联网虚拟成一台空前强大的一体化信息系统，犹如一台巨型机，在这个动态变化的网络环境中，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，从而让用户从中享受可灵活控制的、智能的、协作式的信息服务，并获得前所未有的使用方便性和超强能力。
4.智能化
计算机智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。
智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等等。
示范题组解析
1.计算机的发展过程经历了四代，其划分依据是________。
A.计算机体积B.计算机速度C.构成计算机的电子元件D.内存容量
【答案】C
【解析】按照构成计算机的电子元件，计算机的发展过程分为四个阶段：
电子管计算机、晶体管计算机、中小规模集成电路计算机、大规模或超大规模集成电路计算机。
2.在计算机的应用领域，下面叙述不正确的是_______。
A.CAM的全称是ComputerAidedManufacturating
B.CAI即是计算机辅助教学
C.人工智能是研究怎样让计算机做一些常认为需要智能才能做的事情
D.电子计算机一经问世就广泛应用于社会各个部门
【答案】D
【解析】电子计算机问世时，其价格异常昂贵，操作复杂，仅有大型研究机构才可能拥有，当时其主要作用是用于科学计算，不可能一问世就应用于社会各个部门。
只是后来随着计算机软硬件技术的高速发展，计算机的价格越来低，操作越来越简单，功能越来越强大，其应用范围才迅速扩张。
CAM、CAI、AI等术语的含义：
CAM（ComputerAidedManufacturing）是计算机辅助制造，CAI（ComputerAidedInstruction）是计算机辅助教学，AI（ArtificialIntelligence）是人工智能。
3.目前，制造计算机所用的电子器件是_______。
A.大规模集成电路B.晶体管C.集成电路D.大规模、超大规模集成电路
【答案】D
【解析】制造计算机所用的电子器件经历了电子管、晶体管、集成电路、.大规模和超大规模集成电路四个阶段，现在所处的阶段就是大规模、超大规模集成电路。
1.2计算机中信息的表示
知识要点精讲
1.2.1进制及其转换
所谓进位计数制，是指用进位的方法进行计数的数制，简称进制。
在一般情况下，人们习惯用十进制来表示数。
在生活中人们也采用其他进制，例如用六十进制来进行计时，满六十秒就是1分钟，满六十分钟就是1小时。
在计算机中采用不同的数制表示数据。
在计算机内所有的数据都是用二进制来表示的，但是在输出或显示时，我们仍习惯用十进制。
在计算机编程中，有时还采用八进制和十六进制，这样就存在同一个数可用不同的数制表示及它们之间相互转换的问题。
首先来介绍一下数制中的几个名词术语：
数码：
一组用来表示某种数制的符号。
例如：
1、2、3、A、B、C等。
基数：
数制所使用的数码个数称为“基数”或“基”，常用“R”，表示，称为R进制。
例如十进制的数码是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，基数为10。
位权：
数码在不同位置上的权值称为位权。
在进位计数制中，处于不同数位的数码代表的数值不同。
例如十进制数222，个位数上的2的权值为100，则此处的2代表2*100，即2，十位上的2的权值为101，则此处的2代表2*101，即20，百位上的2的权值为102，则此处的2代表2*102，即200。
1.常用的进位计数制
（1）十进制（DecimalSystem）
十进制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这10个数码组成，也就是说它的基数是10。
十进制的特点是：
逢十进一，借一当十。
十进制各位的权是以10为底的幂。
（2）二进制（BinarySystem）
二进制由0、1这2个数码组成，也就是说它的基数是2。
二进制的特点是：
逢二进一，借一当二。
二进制各位的权是以2为底的幂。
（3）八进制（OctalSystem）
八进制由0、1、2、3、4、5、6、7这8个数码组成，也就是说它的基数是8。
八进制的特点是：
逢八进一，借一当八。
八进制各位的权是以8为底的幂。
（4）十六进制（HexadecimalSystem）
十六进制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F这16个数码组成，也就是说它的基数是16。
十六进制的特点是：
逢十六进一，借一当十六。
十六进制各位的权是以16为底的幂。
书写时，一般用一下两种数制表示方法：
把一串数用括号括起来，再加上这种数制的下标。
例如：
（6523）10、（10001）2、（25B）16，对于十进制可以省略下标。
这种表示简单明了，但不宜被计算机表示。
用字母符号标号表示。
用进制的字母符号B（二进制）、O（八进制）、D（十进制）、H（十六进制）来表示，对于十进制可以省略。
例如：
二进制数1001可表示为1001B，十六进制数521可表示为521H，这种表示易被计算机表示。
2.数制的转换
（1）二进制、八进制、十六进制转化为十进制数
对于任何一个二进制数、八进制数、十六进制数，均可以先写出它的位权展开式，然后再按十进制进行计算即可将其转换为十进制数。
例如：
1101.11B=1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+1*2-2=8+4+0+1+0.5+0.25=13.75
A2B.4H=10*162+2*161+11*160+4*16-1=2560+32+11+0.25=2603.25
（2）十进制数转换为二进制数
十进制数的整数部分和小数部分在转换时需作不同的计算，分别求值后再组合。
整数部分采用除2取余法，即逐次除以2，直至商为0，得出的余数倒排，即为二进制各位的数码。
小数部分采用乘2取整法，即逐次乘以2，从每次乘积的整数部分得到二进制数各位的数码。
例：
将十进制数100.25转化为二进制数
先对整数100进行转换：
有上述得出，100=1100100B。
对于小数部分0.25的转换：
0.25×2=0.5整数……0→a-1
0.5×2=1整数……1→a-2
由上得出，0.25D=0.01B。
将整数和小数部分组合，得出：
100.25D=1100100.01B。
（3）二进制数与八进制数的相互转换
因为8=23，所以每一个八进制数都可用三位二进制数表示。
见表1-1。
表1-1二-八对照表
二进制数
000
001
010
011
100
101
110
111
八进制数
0
1
2
3
4
5
6
7
二进制数转换成八进制数的方法是：
将二进制数从小数点开始，对二进制整数部分向左每3位分成一组，不足3位的向高位补0；对二进制小数部分向右每3位分成一组，不足3位的向低位补0凑成3位。
每一组有3位二进制数，分别转换成八进制数码中的一个数字，全部连接起来即可。
例：
把二进制数11101100.01转换为八进制数。
二进制3位分组
011
101
100．
010
转换为八进制数
3
5
4．
2
由上得出：
11101100.01B=354.2O。
将八进制数转换成二进制数，只要将每一位八进制数转换成相应的3位二进制数，依次连接起来即可。
（4）二进制数与十六进制数的相互转换
因为16=24，所以每一个十六进制都可用四位二进制数表示，见表1-2。
表1-2二-十六进制对照表
二进制数
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
十六进制数
0
1
2
3
4
5
6
7
二进制数
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
十六进制数
8
9
A
B
C
D
E
F
二进制数转换成十六进制数，只要把每4位分成一组，再分别转换成十六进制数码中的一个数字，不足4位的分别向高位或低位补0凑成4位，全部连接起来即可。
十六进制数转换成二进制数，只要将每一位十六进制数转换成4位二进制数，然后依次连接起来即可。
例：
把二进制数11101100.01转换为十六进制数。
二进制4位分组
1110
1100．
0100
转换为十六进制数
E
C．
4
由上得出：
11101100.01B=EC.4H。
其他数值之间的转换可以通过二进制数作为中间桥梁，先转化为二进制，再转化为其他进制数。
3.二进制的运算规则
（1）算术运算规则
加法规则：
0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10（向高位有进位）
减法规则：
0-0=0；10-1=1（向高位借位）；1-0=1；1-1=0;
乘法规则：
0×0=0；0×1=0；1×0=0；1×1=1
除法规则：
0/1=0；1/1=1
（2）逻辑运算规则
逻辑与运算（AND）：
0∧0=0；0∧1=0；1∧0=0；1∧1=1;
逻辑或运算（OR）：
0∨0=0；0∨1=1；1∨0=1；1∨1=1;
逻辑非运算NOT）：
逻辑异或运算（XOR）：
0⊕0=0；0⊕1=1；1⊕0=1；1⊕1=0;
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