计算机基础知识
本章要点：
计算机的发展历程
计算机的软件、硬件基本结构
数据表示
授课方式：采用多媒体教学方式
第一节 计算机概述
一、电子计算机的发展
1946年，第一台全自动电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calcu1ator)即“电子数字积分计算机”诞生了。这台计算机从1946年2月开始投入使用，到1955年10月最后切断电源，共服役9年多。根据电子计算机采用的物理器件的发展演变以及生产计算机的主要技术，一般将电子计算机的发展分成四个阶段。
1.第一代电子计算机
第一代电子计算机是电子管电路计算机，时间大约为1946年～1958年。其基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；由于当时电子技术的限制，每秒运算速度仅为几千次，内存容量仅几个KB（千字节）。
2.第二代电子计算机
第二代电子计算机是晶体管电路电子计算机，时间大约为1958年～1964年。其基本特征是逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，内存所使用的器件大都使用铁淦氧磁性材料制成的磁芯存储器。外存储器有了磁盘、磁带，外设种类也有所增加。运算速度达每秒几十万次，内存容量扩大到几十KB。
3.第三代电子计算机
第三代电子计算机是集成电路计算机，时间约为1964年～1970年。其基本特征是逻辑元件采用小规模集成电路SSI(Small Scale Integration)和中规模集成电路。第三代电子计算机的运算速度每秒可达几十万次到几百万次。
4.第四代电子计算机
第四代电子计算机称为大规模集成电路电子计算机，时间从1971年至今。计算机的速度可以达到上千万次到十万亿次。
二、微型计算机的发展
20世纪70年代计算机发展中最重大的事件莫过于微型计算机的诞生和迅速普及。微型计算机开发的先驱是美国Intel公司年轻的工程师马欣.霍夫(M.E.Hoff)，世界上第一台4位微型电子计算机—MCS-4。1971年诞生的这台微型计算机揭开了世界微型机发展的序幕。
1.第一代微处理器
1972年，Intel公司又研制成功8位微处理器Intel8008，它主要采用工艺简单、速度较低的P沟道MOS(Metal Oxide Semiconductor—金属氧化物半导体)电路。
2.第二代微处理器
1973年，出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器，这就是第二代微处理器。
3.第三代微处理器
1978年，16位微处理器的出现，标志着微处理器进入第三代。首先开发成功16位微处理器的是Intel公司。
4.第四代微处理器
1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器开始问世，标志着第四代微处理器的诞生。
计算机技术发展动向
随着计算机应用的广泛和深入，又向计算机技术本身提出了更高的要求。当前，计算机的发展主要表现为五种趋向；巨型化、微型化、网络化、多媒体化和智能化。
四、计算机的特点和应用
1.计算机的特点
计算机主要具备以下几方面的特点：
①运算速度快
②存储容量大
③具有逻辑判断能力
④程序控制下的工作自动化
⑤通用性强
2.计算机的应用领域
计算机的应用主要表现在以下几个方面。
①科学计算
②数据处理
③过程控制
④计算机辅助系统
计算机辅助系统包括CAD、CAM、CBE等。
计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CBE
⑤人工智能
人工智能AI(Artificial Inte1ligence)一般是指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序让计算机自动探索解题的方法。人工智能是计算机应用研究的前沿学科。
⑥信息高速公路
1991年，美国当时的参议员、后任副总统的吉尔.戈尔提出建立全美“信息高速公路”的建议，即将美国所有的信息库及信息网络连成一个全国性的大网络， 1993年9月美国正式宣布实施“国家信息基础设施”(NII)计划即“信息高速公路”计划，
⑦电子商务(E-Business)
所谓“电子商务”，是指通过计算机和网络进行商务活动。在目前的条件下，因网上支付手段的不完善而最后交付款采取其他形式的，可认为是初级的“电子商务”。
第二节 计算机的硬件和软件
一、计算机结构及其工作原理
美籍匈牙利数学家冯.诺依曼(Von Neumann)于1946年提出了数字计算机设计的基本思想，即“存储程序控制”思想与“五大部件”结构体系，由此奠定了电子数字计算机的基本结构体系。到目前为止，计算机仍然沿用这一体系结构与思想。
1.存储程序的概念
冯.诺依曼计算机设计思想概括起来有以下几点：
(1)采用二进制形式表示数据和指令
(2)存储程序的概念
存储器程序控制原理是计算机的基本工作原理。
(3)计算机的组成
计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大部件组成。
2.计算机的主要部件及功能
(l)运算器或称算术逻辑单元(Arithmetical and Logical Unit)：
运算器的主要功能是对数据进行各种运算。这些运算除了常规的加、减、乘、除等基本的算术运算之外，还包括能进行“逻辑判断”的逻辑处理能力，即“与”、“或”、“非”这样的基本逻辑运算以及数据的比较、移位等操作。
(2)存储器(Memory Unit)：
存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，井能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。
(3)控制器(control Unit)；
控制器是整个计算机系统的控制指挥中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
(4)输入设备(Input device)：
(5)输出设备(Output device).
3.计算机的工作过程
(1)确定解题方法（建立数学模型）：即找出计算的方法。
(2)编写计算程序并送入存储器中：
(3)让计算机执行程序获得计算结果：
二、计算机分类
按功能分为通用机、专用机两大类；
按一次所能传输和处理的二进制位数分为8位机、16位机、32位机、64位机等各种类型。
如果按照计算机系统的功能和规模则可以把它们分为以下四大类：
(1)通用机
(2)巨型机
(3)小型机
(4)微型机
微型机也可按系统规模划分，分为单片机、单板机、便携式微机、个人机、微机工作站等几种类型；
①单片机
②单板机
③个人计算机
④便携式微机
⑤多用户微机
⑥工作站
三、计算机软件
1.系统软件
①操作系统(Operating System—OS)
②编译系统
③数据库管理系统
2.应用软件
①文字处理软件：用于输入、存储、修改、编辑、打印文字资料(文件、稿件等)。常用的文字处理软件有WPS，Word等。
②信息管理软件：用于输入、存储、修改、检索各种信息。如工资管理软件、人事管理软件、仓库管理软件、计划管理软件等。这种软件发展到一定水平后，可以将各个单项软件联接起来，构成一个完整的、高效的管理信息系统，简称MIS。
③计算机辅助设计软件：用于高效地绘制、修改工程图纸，进行常规的设计计算，帮助用户寻求较优的设计方案。常用的有AUTOCAD等软件。
④实时控制软件：用于随时收集生产装置、飞行器等的运行状态信息，并以此为根据按预定的方案实施自动或半自动控制，从而安全、准确地完成任务或实现预定目标。
3.硬件与软件的关系
四、程序设计语言
程序设计语言按其发展的先后可分为机器语言、汇编语育与高级语言三类。
1.机器语言
2.汇编语言
3.高级语言
五、数据库管理系统
1.数据库系统
数据库(Database—DB)是为了满足一定范围里许多用户的需要，在计算机里建立的一组互相关联的数据集合。数据库系统有以下主要特点：采用一种称为“数据库管理系统”的软件来集中管理和维护数据库里的数据，对数据的存储、更新、检索(查找)等操作采用统一的处理和控制方式；数据能同时为多个应用程序和用户服务(数据共享)；尽量消除信息的重复存储(减少数据冗余量)；保证数据库中数据的完整性和一致性等。
2.数据库管理系统
数据库管理系统(Database Management Systems，简记为DBMS)是用于创建和管理数据库的系统软件，是数据库系统的核心组成部分。
第三节 计算机中数据表示法
一、数字化信息编码的概念
在计算机中，广泛采用的是只用“0”和“l”两个基本符号组成的“基2码”，或称为二进制码表示各种信息。在计算机中采用二进制码的原因是：
1.二进制码在物理上最容易实现。
2.二进制码用来表示的二进制数及其编码、计数、加减运算规则简单。
3.二进制码的两个符号“1”和¨0”正好与逻辑命题的两个值“是”和“否”相对应。
4.与电子部件的二态性相对应。
二、进位计数制
对于不同的数制，它们的共同特点是：
⒈每一种数制都有固定的符号集：如十进制数制，其符号有十个，即0，l，2，…，9，二进制数制，其符号有两个，即0和1。
⒉其次都使用位置表示法：即处于不同位置的数符所代表的值不同，与它所在位置的权值有关。
例如：十进制数555.555可表示为
555.555=5×102+5×101+5×100+5×10-1+5×10-2+5×10-3
二进制数1011.1011可表示为
1011.1011=1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3 +1×2-4
八进制数327.46可表示为
327.46=3×82+2×81+7×80+4×8-1+6×8-2
十六进制数327D.1AE可表示为
327D.1AE=3×163+2×162+7×161+13×160+1×16-1+10×16-2+14×16-3
在计算机中书写不同进制的数时，常用如下的符号来标识：
“B”表示二进制数；
“O”或“Q”表示八进制数；
“H”表示十六进制数；
“D”表示十进制数（通常省略）。
三、二进制数与十六进制数
1．二进制数（Binary）
⑴二进制数的特点
一个二进制数具有以下三个特征：
·有两个不同的计数符号，即0和1；
·计数规律为“逢二进位”；
·位权关系为（其中:m，m-1，…1，0.-1，-2…-k）。
一个二进制数的值，可以用它的按权展开式来表示。如：
(1011.101)2=1×23+0×22 +1×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3
=(11.625)10
⑵二进制数的运算规律
①加法
0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 (有进位)
②减法
0-0=0 1-1=0 1-0=1 0-1=1 (有借位)
③乘法
0×0=0 0×1=0 1×0=0 1×1=1
④除法
0÷0=0 0÷1=0 1÷0=0 1÷1=1
可以看出，二进制具有极其简单的运算规则。
2．十六进制（Hexadecimal）
表1-2 十进制、二进制和十六进制数对照表
十进制数
二进制数
十六进制数
十进制数
二进制数
十六进制数
0
1
2
3
4
5
6
7
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
8
9
A
B
C
D
E
F
四、不同进制数之间的转换
1.十进制数转换成二进制数
转换方法是，整数部分“倒除2取余数反序排列”；小数部分“乘2取整数正序排列”。
[例1] 将十进制整数156转换成二进制数。
用除2取余法，转换过程如下：
2| 156
2 | 78 取余数 0 （最低位）
2| 39 取余数 0
2| 19 取余数 1
2| 9 取余数 1 ↑
2| 4 取余数 1
2| 2 取余数 0
2| 1 取余数 0
0 取余数 1 (最高位)
故十进制数156转换成二进制数为10011100B。即
156 =10011100B
[例2]将十进制小数0.625转换成二进制数。
用乘2取整法，转换过程如下：
0.625×2=1.25 取出整数 1 (最高位)
0.25×2=0.5 取出整数 0 ↓
0.5×2=1.0 取出整数 1 (最低位)
故十进制小数0.625对应的二进制数为0.101B。即
0.625 =0.101B
需要说明的是，有的十进制小数不能用二进制数精确表示，也就是说上述乘法过程永远不能达到小数部分为零而结束。这时可根据精度要求取够一定位数的二进制数即可。
[例3]将十进制小数0.1转换成二进制数。
用乘2取整法，转换过程如下：
0.1×2=0.2 取整 0 （最高位）
0.2×2=0.4 取整 0 ↓
0.4×2=0.8 取整 0 ↓
0.8×2=1.6 取整 1 ↓
0.6×2=1.2 取整 1 ↓
0.2×2=0.4 取整 0 ↓
↓ ↓
运算到这里可以看出，乘法过程进入了循环状态，永远无法结束。这时可根据要求取够一定位数的二进制数即可。如取小数点后5位，结果就是0.00011B。
对于既有整数部分又有小数部分的十进制数的转换，可以将两部分的转换分开进行，最后再将结果合并在一起即可。例如，十进数156.625转换成二进制数为10011100.101B。即
156.625 = 10011100.101B
2.二进制数转换成十进制数
转换方法是，把一个二进制数转换成十进制数，只需根据前面讲过的按位权展开后相加求和即得结果。
[例4]把11010.011B转换成十进制数。
按位权展开相加得：
11010.011B=1×24+1×23+0×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3
=16+8+2+0.25+0.125
=(26.375)10
3.二进制数与十六进制数的相互转换
二进制数转换成十六进制数的方法是：“四位合一位”法，
[例5]将1110101.01B转换成十六进制数。
0111 0101 . 0100
↓ ↓ ↓
7 5 . 4
转换结果为1110101.01B = 75.4H。
十六进制数转换成二进制数方法，正好与二进制数转换成十六进制数的方法相逆，即“一位扩展四位”法。按表1.3.2中的对应关系将每位十六进制数化成4位二进制数书写，便可得到转换结果。
[例6]将3A6.C5H转换成二进制数。
3 A 6 . C 5
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
0011 1010 0110 . 1100 0101
转换结果为3A6.C5H = 1110100110.11000101B。
4.十进制数与十六进制数的转换
即整数部分“除16取余”，小数部分“乘16取整”。
十六进制数转换为十进制数，可按位权展开式求和获得。
[例7]将十进制数156.625转换成十六进制数。
按整数部分“除2取余”，小数部分“乘2取整”先将156.625分别转换成二进制数，再将该二进制数缩写为十六进制数。即
156.625 → 10011100.101 → 9C.AH
[例8]将十六进制数9C.AH转换成十进制数。
先将9C.AH写成二进制数，再把该二进制数按位展开求和即可获得十进制数。即
9C.AH → 10011100.101 → 156
计算机系统中有些应用还使用到八进制数，请读者参考上述各进位计数制的有关关系自行理解，此处不再赘述了。
五、数的表示范围和精度
1.整数的表示范围
2.实数的表示范围
3.误差与浮点表示法
六、字符的二进制编码表示法
1.BCD (Binary Coded Decimal)码
2.ASCII码
ASCII码又称为美国标准信息交换码。
七、汉字的表示方法
计算机中汉字的处理分为如下几类编码；
(1)汉字交换码
(2)汉字机内码
(3)汉字输入码
(4)汉字字形码
八、图形数字化编码
九、音频和视频信息的表示形式
第四节 微型计算机组成
微型机是由微处理器、存储器、外存储器和输入输出设备构成一个完整的计算机系统。
一、微处理器的结构与性能
1.CPU的基本结构
CPU的基本组成部分包括：一组称为“寄存器”的高速存储单元；算术逻辑单元(ALU)；程序控制单元
2.CPU性能
CPU性能的高低直接决定了一个微型机系统的档次，CPU性能是由以下几个主要因素决定的：
(1)CPU执行指令的速度
(2)CPU的“字长”
(3)指令本身的处理能力
二、内存储器的结构与性能
对内存储器的要求主要有三点：存取的速度要快，存储容量要大、成本要低。
三、总线的作用与标准
四、外存储器及其工作方式
1.软磁盘
2.硬磁盘
3.光盘
4.磁带等其它外存储器
五、常用输入输出设备
