第1章信息與計(jì)算機(jī)

第1章信息與計(jì)算機(jī)本章主要內(nèi)容：電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用數(shù)值化信息編碼與數(shù)據(jù)表示計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成上篇計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)1電子計(jì)算機(jī)是什么？

計(jì)算機(jī)是一種能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并可完成一定功能的電子設(shè)備，它由一系列物理元件

組成。

1.1概述2

1.1.1

計(jì)算機(jī)的分類按工作原理分：數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)

按規(guī)模分：巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)按應(yīng)用分：通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)31.1.2

計(jì)算機(jī)的主要特征運(yùn)算速度快計(jì)算精度高具有邏輯記憶和判斷功能自動(dòng)化程度高，具有連續(xù)運(yùn)行的能力4世界上的第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)1.1.3

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用

1946年1月，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問世。 它的出現(xiàn)，開創(chuàng)了一個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)代，引發(fā)了一場(chǎng)由工業(yè)化社會(huì)發(fā)展到信息化社會(huì)的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命浪潮，從此揭開了人類歷史發(fā)展的新紀(jì)元。5ENIAC檔案世界上的一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC體積龐大重達(dá)30噸啟動(dòng)電力150000瓦含18000個(gè)電子管僅能保存80個(gè)字節(jié)使用期：1946～19576第一代（1946～1957）電子管5千~4萬（次/秒）第二代（1958～1964）晶體管幾十萬~百萬（次/秒）第三代（1965～1970）小規(guī)模集成電路百萬~幾百萬（次/秒）第四、五代（1971～?）超大規(guī)模集成電路幾百萬~幾億（次/秒）電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史－－以采用的邏輯元件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)7計(jì)算機(jī)未來的主要發(fā)展方向：多極化網(wǎng)絡(luò)化多媒體智能化8

關(guān)于微型計(jì)算機(jī)(PersonalComputer)微型計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新機(jī)種，其核心是微處理器（MicroProcessingUnit,簡(jiǎn)稱MPU）或中央處理器(CentralProcessingUnit，簡(jiǎn)稱CPU)，它把運(yùn)算器和控制器集成在一個(gè)芯片上。9計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1、數(shù)值計(jì)算2、信息處理3、過程控制4、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)5、人工智能10計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

CAD（Computer-AidedDesign）計(jì)算機(jī)輔助制造CAM

（Computer-AidedManufacturing）計(jì)算機(jī)輔助教育CBE（Computer-BasedEducation）計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI(Computer-AidedInstruction)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試CAT(Computer-AidedTest)計(jì)算機(jī)管理教學(xué)CMI (Computer-ManagementInstruction)。11人工智能人工智能即用計(jì)算機(jī)模擬人的某些智能活動(dòng)具體應(yīng)用：模式識(shí)別（圖形識(shí)別、語音識(shí)別）專家系統(tǒng)（自然語言處理、機(jī)器翻譯）機(jī)器人（工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人）智能檢索121.2

數(shù)據(jù)化信息編碼與數(shù)據(jù)表示

計(jì)算機(jī)最主要的功能是處理各種各樣的信息，比如：數(shù)值、文字、聲音、圖形和圖象等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，各種信息都必須經(jīng)過數(shù)字化編碼后才能被傳送、存儲(chǔ)和處理。因此，掌握信息編碼的概念與處理技術(shù)是至關(guān)重要的。計(jì)算機(jī)信息編碼和數(shù)據(jù)表示13數(shù)的基本概念數(shù)：表示事物的量。數(shù)制：用一組固定數(shù)字（元素）和一套規(guī)則來表示數(shù)值的方法?；鶖?shù)：在一種數(shù)制中，一組固定的不重復(fù)數(shù)字的個(gè)數(shù)稱為基數(shù)，用R表示。如十進(jìn)制數(shù)基R=10，數(shù)字有｛０,1,2…,9｝；二進(jìn)制數(shù)基R=2，數(shù)字有｛０,１｝。數(shù)制的規(guī)則：進(jìn)位制，逢R進(jìn)一，即計(jì)數(shù)達(dá)到基數(shù)時(shí)向高位進(jìn)一。如十進(jìn)制，逢十進(jìn)一；二進(jìn)制逢二進(jìn)一。位權(quán)：某個(gè)位置上的數(shù)代表的實(shí)際大小（權(quán)重）。如二進(jìn)制數(shù)碼各位的權(quán)是以２為底的冪。由于不同位置的權(quán)值不同，因此同一數(shù)碼在不同的位置上，其表示的值也不同。每個(gè)數(shù)位上的值等于該位置上的數(shù)字與位權(quán)的乘積。如2×10表示20；2×100表示20014常用數(shù)值簡(jiǎn)介（1）十進(jìn)制數(shù)(Decimal)元素：十進(jìn)制有O,1,2,3,4,5,6,7,8,9共10個(gè)元素。基數(shù)：十進(jìn)制的基數(shù)為10，即R=10。進(jìn)位規(guī)則：逢十進(jìn)一(向高位進(jìn)一)。位權(quán)：Rn-1=10n-1。十進(jìn)制數(shù)的寫法：(168)10或168D，D是Decimal的縮寫。（2）二進(jìn)制數(shù)(Binary)。元素：二進(jìn)制數(shù)只有0和1兩個(gè)元素。基數(shù)：二進(jìn)制的基數(shù)為2，即R=2。進(jìn)位規(guī)則：逢二進(jìn)一(向高位進(jìn)一)。位權(quán)：Rn-1=2n-1。二進(jìn)制數(shù)的寫法：(1001)2

或1001B，B是Binary的縮寫。15（3）八進(jìn)制數(shù)(Octal)。元素：八進(jìn)制有O,1,2,3,4,5,6,7共8個(gè)元素。

注意：八進(jìn)制數(shù)中沒有8,9這兩個(gè)數(shù)?；鶖?shù)：八進(jìn)制的基數(shù)為8，即R=8。進(jìn)位規(guī)則：逢八進(jìn)一(向高位進(jìn)一)。位權(quán)：Rn-1=8n-1。八進(jìn)制數(shù)的寫法：(1667)8或1667Q，八進(jìn)制Octal的縮寫是字母O，但容易與數(shù)字0混淆，所以一般用Q表示八進(jìn)制的縮寫。16（4）十六進(jìn)制數(shù)(Hexadecimal)。元素：十六進(jìn)制有O,1,2,3,4,5,6,7,9,A,B,C,D,E,F共16個(gè)元素。

注意：英文字母大小寫一樣?；鶖?shù)：十六進(jìn)制的基數(shù)為16，即R=16。進(jìn)位規(guī)則：逢十六進(jìn)一(向高位進(jìn)一)。位權(quán)：Rn-1=16n-1。十六進(jìn)制數(shù)的寫法：(3A8F)16或3A8FH，H是Hexadecimal的縮寫。17看下面的數(shù)值案例：(321)10=1×100+2×101+3×102(101)2=1×(10)20+0×(10)201+1×(10)210(735)8=5×(10)80+3×(10)81+7×(10)82(2A)16=A×(10)160+2×(10)161

1018

對(duì)任何一種進(jìn)位計(jì)數(shù)制表示的數(shù)都可以寫出按其權(quán)展開的多項(xiàng)式之和，其通式如下：

(N)R=An*Rn+A

n-1*Rn-1+``````+A1*R1+A0*R0結(jié)論:19進(jìn)位制二進(jìn)制八進(jìn)制十進(jìn)制十六進(jìn)制規(guī)則逢二進(jìn)一逢八進(jìn)一逢十進(jìn)一逢十六進(jìn)一基數(shù)r=2 r=8r=10r=16數(shù)符0，10,1,…,70,1,…,9

0,1,…,9,A,B,C,D,E,F位權(quán)2i8i10i16i下標(biāo)表示BODH表1計(jì)算機(jī)中常用進(jìn)制數(shù)的表示201、r進(jìn)制→十進(jìn)制:

按權(quán)展開相加

只要把R進(jìn)制中出現(xiàn)的每一位上的數(shù)符乘以基數(shù)對(duì)應(yīng)位的位權(quán)相加即可。例如：(101)B=1×20+0×21+1×22=4+0+1=(5)D(101)O=1×80

+0×81+1×82=64+0+1=(65)D(101)H=1×160

+0×161+1×162=256+0+1=(257)D不同進(jìn)位制之間的轉(zhuǎn)換21例如：(100)D＝()B

余數(shù)

2|1000(最低位)2|5002|2512|1202|602|312|11(最高位) 0結(jié)論：(100)D＝(1100100)B2、十進(jìn)制→

r進(jìn)制1）整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換

除r取余,從末位取起

即：把一個(gè)十進(jìn)制的整數(shù)不斷除以所需要的基數(shù)r，取其余數(shù)（除r取余法），就能夠轉(zhuǎn)換成以r為基數(shù)的數(shù)。22進(jìn)制轉(zhuǎn)換練習(xí)題：1.(25)D＝()B2.(25)D=()O3.(19)H=()D

4.(11001)B=()H23例如：(0.625)D=()B

乘2取整：

整數(shù)部分

0.625

×2

1.2501

×2

0.5000

×2

1.0001結(jié)論：(0.625)D=(0.101)B2）小數(shù)部分轉(zhuǎn)換乘r取整，順序取起即：將一個(gè)十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)換成r進(jìn)制小數(shù)時(shí)，將十進(jìn)制小數(shù)不斷地乘以r，并取整，這稱為乘r取整法。24混小數(shù)的轉(zhuǎn)換如果十進(jìn)制數(shù)包含整數(shù)和小數(shù)兩部分，則必須將十進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)兩邊的整數(shù)和小數(shù)部分分開，分別完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，然后，再把r進(jìn)制整數(shù)和小數(shù)部分組合在一起。十進(jìn)制

R進(jìn)制轉(zhuǎn)換的總結(jié)整數(shù)部分：除r取余,從末位取起小數(shù)部分：乘r取整，順序取起練習(xí)：

(25.125)D=()B253非十進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換常規(guī)轉(zhuǎn)換方法（橋梁式轉(zhuǎn)換）： 先將要轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，然后再將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為其它進(jìn)制數(shù)。例如：(19)H=(25)D=(11001)B(11001)B=(25)D=(31)O特別轉(zhuǎn)換方法（直接轉(zhuǎn)換）：利用二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的特殊關(guān)系直接轉(zhuǎn)換。26表2二進(jìn)制、八進(jìn)制和十六進(jìn)制之間的關(guān)系二進(jìn)制八進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制

000 0 0000010008001100011100190102001021010A0113001131011B1004010041100C1015010151101D1106011061110E1117011171111F27八和十六進(jìn)制之間的特別轉(zhuǎn)換方法二進(jìn)制轉(zhuǎn)換到八進(jìn)制，只要將二進(jìn)制數(shù)從小數(shù)點(diǎn)開始，整數(shù)部分從右向左3位一組，小數(shù)部分從左向右3位一組（不足3位補(bǔ)零），根據(jù)表2完成轉(zhuǎn)換。例1： (110

110.001

100)B＝(66.14)O (12.34)O=(001010.011100)B

二進(jìn)制同十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換就如同八進(jìn)制同二進(jìn)制之間一樣，只是4位一組。例2： (10A1)H=(0001

0000

1010

0001)B (101

0111)B=(57)H28

數(shù)據(jù)的單位最小單位：位(Bit)基本單位：字節(jié)(Byte)，也是常用單位常用單位：字（Word），有若干個(gè)字節(jié)組成的1.2.2計(jì)算機(jī)中的編碼d0d1d2d3d4d5d6d7位字節(jié)29

千字節(jié)(KB) 1KB=1024B兆字節(jié)(MB) 1MB=210KB=220B吉字節(jié)(GB) 1GB=210MB其它單位及其轉(zhuǎn)化301.3

數(shù)據(jù)的表示計(jì)算機(jī)中處理的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制形式表示的，以字節(jié)形式存放的。

字節(jié)

符號(hào)位數(shù)值位d7d6d5d4d3d2d1d031原碼、反碼、補(bǔ)碼原碼：將整數(shù)化為二進(jìn)制數(shù)，符號(hào)位置0（正數(shù)）或1（負(fù)數(shù)）反碼：負(fù)數(shù)的反碼：符號(hào)位為1，絕對(duì)值部分與原碼相反。負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼表示：符號(hào)位也是“1”，其余為反碼的最低位加“1”。32二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算加法進(jìn)位規(guī)則：逢二進(jìn)一。加法運(yùn)算法則：

0＋0＝0 0＋1＝1 1＋0＝1 1＋1＝10(進(jìn)位)例：二進(jìn)制數(shù)1101＋1010＝？

1101

＋1010

10111練習(xí)：求二進(jìn)制數(shù)之和。

10001111+01100001=？答案：1111000033二進(jìn)制數(shù)的減法運(yùn)算當(dāng)計(jì)算機(jī)處理減法運(yùn)算時(shí)，把減號(hào)連同后面的數(shù)一起作為負(fù)數(shù)，用補(bǔ)碼“做加法”運(yùn)算。例如：十進(jìn)制運(yùn)算6+（-2）

00000110

+1111111010000010034關(guān)于編碼編碼的定義： 采用少量的基本符號(hào)，選用一定的組合原則，表示大量復(fù)雜多樣的信息。即把一些常用的字母、符號(hào)、數(shù)字和文字等非數(shù)值信息用規(guī)定的代碼表示，這一過程稱為計(jì)算機(jī)信息編碼，使用二進(jìn)制表示的文字和符號(hào)稱為二進(jìn)制編碼。35字符的編碼字符的編碼

ASCII碼（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼）漢字編碼輸入碼交換碼(國(guó)標(biāo)碼)內(nèi)部碼字型碼(輸出碼)36字符代碼化（輸入）機(jī)內(nèi)碼交換碼（外部碼

內(nèi)部碼）機(jī)內(nèi)碼向字形碼轉(zhuǎn)換機(jī)顯示輸出打印輸出漢字編碼371.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成本節(jié)概要計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序工作原理計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)38計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件cpu內(nèi)存外存運(yùn)算器控制器寄存器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件存儲(chǔ)器外部設(shè)備(I/O)39計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

計(jì)算機(jī)性能是由體系結(jié)構(gòu)、所用器件、配置外設(shè)以及軟件資源等多方面因素決定的。決定計(jì)算機(jī)性能的因素包括CPU的性能，存儲(chǔ)器的容量和速度，以及外設(shè)的配置、軟件配置等綜合因素，主要的性能指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面:401．字長(zhǎng)

字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線的寬度，是CPU一次能夠直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，表明計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力越強(qiáng)，運(yùn)算精度越高，速度相應(yīng)也越快。2．主頻

主頻是時(shí)鐘脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)頻率，用于同步CPU運(yùn)算的各種操作，它用于協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)操作的節(jié)拍，同時(shí)也決定了計(jì)算機(jī)處理信息的速度，主頻越高，速度越快。3．存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配備的內(nèi)存總字節(jié)(Byte)數(shù)。它決定計(jì)算機(jī)能否運(yùn)行較大程序，并直接影響運(yùn)行速度，內(nèi)存越大，能同時(shí)運(yùn)行的軟件越大、越多，信息處理能力越強(qiáng)，運(yùn)算速度也會(huì)越快。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)414．運(yùn)算速度

運(yùn)算速度可用每秒所能執(zhí)行指令的條數(shù)表示，也常用MIPS(MillionofInstructionPerSecond)表示，即每秒執(zhí)行百萬條指令。5．存取周期(存取速度)

存取周期是指連續(xù)進(jìn)行兩次獨(dú)立的存取操作之間所需的最短時(shí)間。這個(gè)時(shí)間越短，說明存儲(chǔ)器的存取速度越快。6．軟件配置

選擇先進(jìn)的軟件可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件功能，因此，軟件配置也是決定計(jì)算機(jī)指標(biāo)的重要因素。7．外設(shè)配置

由于總線技術(shù)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，外部設(shè)備的配置也成為衡量微機(jī)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)42計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序工作原理

馮

諾依曼

(Johnvoneumann)美籍匈牙利科學(xué)家，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父，率先奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。43馮

諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五大部件組成使用單一的處理部件進(jìn)行各項(xiàng)工作可存儲(chǔ)程序使用低級(jí)機(jī)器語言編寫指令程序控制：自動(dòng)取指令并加以執(zhí)行44總線總線的概念

總線是一組為系統(tǒng)部件之間各種數(shù)據(jù)信號(hào)傳送的公共通道。按信號(hào)類型分為三總線結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)總線DB(DataBus)

地址總線AB(AddressBus)

控制總線CB(ControlBus)45計(jì)算機(jī)的工作原理 工作原理：

不斷的取指令和執(zhí)行指令，最后將計(jì)算的結(jié)果放入指令指定的存儲(chǔ)器地址中。46

計(jì)算機(jī)指令指令是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。機(jī)器指令格式操作碼操作數(shù)機(jī)器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對(duì)象（具體數(shù)、存放位置）47計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備48中央處理器(CPU)CPU(CentralProcessingUnit)組成： 控制器 運(yùn)算器

寄存器CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。微型計(jì)算機(jī)的CPU稱為微處理器。不是單獨(dú)的元件，存在于控制器和運(yùn)算器中！49控制器--------計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞控制器對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析，并統(tǒng)一控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件以完成一定的任務(wù)。它是指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)有條不紊地自動(dòng)執(zhí)行程序的元件。50運(yùn)算器運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元ALU

其主要任務(wù)是執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算運(yùn)算器算術(shù)邏輯單元累加器狀態(tài)寄存器通用寄存器運(yùn)算暫存操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果存放算術(shù)邏輯單元在工作中產(chǎn)生的狀態(tài)信息暫存操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址51存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)器訪問速度快暫時(shí)性價(jià)高存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶裝置。外部存儲(chǔ)器訪問速度慢永久性價(jià)低52存儲(chǔ)器的組成內(nèi)存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器：可讀寫，斷電后內(nèi)容消失。ROM(ReadOnly)

只讀存儲(chǔ)器：只讀不寫，內(nèi)容永久保存。高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

是介于CPU和內(nèi)存之間的一種可高速存取信息的芯片，用于解決它們之間的速度沖突問題。

53存儲(chǔ)器的組成外存儲(chǔ)器軟磁盤(3.5英寸的軟盤)硬磁盤光盤移動(dòng)存儲(chǔ)器（U盤、可移動(dòng)硬盤）54計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備輸入設(shè)備： 鍵盤 鼠標(biāo) 掃描儀 手寫輸入筆 數(shù)碼相機(jī)輸出設(shè)備： 顯示器 打印機(jī) 繪圖儀55微機(jī)的主要部件與指標(biāo)主板CPU芯片組內(nèi)存光盤驅(qū)動(dòng)器和光盤磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤鍵盤鼠標(biāo)顯示器顯示卡音箱掃描儀打印機(jī)機(jī)箱調(diào)制解調(diào)器數(shù)碼相機(jī)561.5計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件的概念： 軟件是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序及其使用和維護(hù)文檔的總和軟件系統(tǒng)的分類：系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件57軟件系統(tǒng)的分類 系統(tǒng)軟件： 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中供給用戶使用的操作系統(tǒng)環(huán)境和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按照操作系統(tǒng)要求運(yùn)行