计算机
基础知识
1-2
1.1 计算机概述
一、什么是计算机
计算机是一种能对各种信息进行存储和
高速处理的工具或电子机器。
对上述定义要强调两点：
①计算机不仅是一个计算工具，而且还
是一个信息处理机。
②计算机不同于其它任何机器，它能存
储程序，并按程序的引导自动存取和处理数
据。
计算机
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1-3
1.1 计算机概述
二、计算机的分类
1.按计算机用途分类
⑴通用计算机：它是为了能解决多种类
型问题，具有较强的通用性而设计的计算机
⑵专用计算机：它是为了解决一个特定
的问题而专门设计的计算机。
2.按计算机性能分类
⑴巨型机 (Giant Computer)
计算机
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1-4
1.1 计算机概述
⑵大型机 (Large-Scale Computer)
它是指运算速度在每秒 100万次～几千
万次的计算机,如 IBM,DEC,日立等都是大型
机厂商。
⑶中型机 (Medium-Scale Computer)
⑷ 小型机 (Minicomputer)
DEC PDP-11,VAX-II,DJS-130
⑸ 微型机 (Microcomputer)
IBM PC/XT/AT,386,486,Pentium
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1-5
三、计算机的特点
1.运算速度快 (每秒数万亿次 )
2.计算精度高 (理论上不受限制 )
3.存储能力强 (中等规模图书馆 )
4.具有逻辑判断能力
(算术运算、逻辑运算、判断比较 )
5.具有自动执行能力 (无需人工干预 )
1.1 计算机概述
计算机
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1-6
四、计算机的应用领域
1.科学计算
它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。
2.信息处理
信息处理是指对各种信息进行收集、存
储、整理、分类、统计、加工、利用和传播
等一系列活动的统称。
1.1 计算机概述
计算机
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1-7
1.1 计算机概述
3.过程检测与控制
它是指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控
制。
4.辅助技术与制造
⑴计算机辅助设计 --CAD
⑵ 计算机辅助制造 --CAM
⑶ 计算机辅助教学 --CAI
5.人工智能
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1-8
一、数制及其转换
1.什么是进位计数制
⑴非进位计数制
其特点是：表示数值大小的数码与它在
数中的位置无关。典型的非进位计数制是罗
马数字，例如,罗马数字中,Ⅰ,Ⅱ,┄,Ⅹ
⑵ 进位计数制
其特点是：表示数值大小的数码与它在
数中的位置有关。例如，十进制数 123.45
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-9
任何进位计数制的要素：
①基数：它是指各种进位计数制中允许
选用基本数码的个数。例如十进制的数码有：
0,1,2,3,4,5,6,7,8,9
则十进制的基数为 10。
②权值：每个数码所表示的数值等于该
数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，
这个常数叫做权值。例如：
123.4=1× 102+2× 101+3× 100 +4× 10-1
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-10
几种进位计数制
数制 十进制 二进制 八进制 十六进制
数码个数 0,1,…,9 0,1 0,1,…,7
0,1,…,9,
A,B,C,D,E,F
基数 10 2 8 16
规则
逢十进一
借一当十
逢二进一
借一当二
逢八进一
借一当八
逢十六进一
借一当十六
权 10
i
2
i
8
i
16
i
形式表示 Decimal Binary Octal Hexadecimal
注：① i 为整数
② (N) R =a n - 1 R
n - 1
+a n - 2 R
n - 2
+ … +a 1 R
1
+a 0 R
0
+a - 1 R
- 1
+ … +a - m R
- m
其中,R 表示基数,a 表示某进制的数码
1.2 计算机运算基础
③几种进位计数制的对应关系
计算机
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1-11
十进制 二进制 八进制 十六进制
0 0000 0 0
1 0001 1 1
2 0010 2 2
3 0011 3 3
4 0100 4 4
5 0101 5 5
6 0110 6 6
7 0111 7 7
8 1000 10 8
9 1001 11 9
10 1010 12 A
11 1011 13 B
12 1100 14 C
13 1101 15 D
14 1110 16 E
15 1111 17 F
1.2 计算机运算基础
几种进位计数制的对应关系
计算机
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1-12
3.不同进制之间的转换
⑴二进制数与十进制数的互换
①二进制数转换成十进制数
采用按权展开式求和，就可把二进制数转
换成十进制数。例如：
(101.1)2=1*22+0*21+1*20+1*2-1=(?)10
② 十进制数转换成二进制数
十进制数有整数和小数两部分。在转换时,
整数部分采用 除 2取余法,小数部分采用 乘 2取
整法 。例如：
(105.625)10=(?)2
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-13
⑵二进制数与八进制数的互换
①二进制数转换成八进制数
可概括为 三位并一位 。即以小数点为基准，
整数部分从右到左，小数部分从左到右，每三
位一组，不足三位添 0补足,然后把每组的三位
二进制数按权展开相加，得到相应的一位八进
制数码，再按权的顺序连接即得相应的八进制
数。例如,(1011100.00101011)2=(?)8
(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8
1 3 4, 1 2 6
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-14
1.2 计算机运算基础
②八进制数转换成二进制数
可概括为 一位拆三位 。即把每一位八进制
数写成对应的三位二进制数，然后按权连接即
可。例如：
(123.67)8=(?)2
1 2 3, 6 7 (八进制 )
001,010,011.110111 (二进制 )
(123.67)8=(1010011.110111)2
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1-15
1.2 计算机运算基础
⑶二进制数与十六进制数的互换
①二进制数转换成十六进制数
可概括为 四位并一位 。即以小数点为基准，
整数部分从右到左，小数部分从左到右，每四
位一组，不足四位添 0补足,然后把每组的四位
二进制数按权展开相加，得到相应的一位十六
进制数码，再按权的顺序连接即得相应的十六
进制数。例如,(1011110.00011)2=(?)16
(0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16
5 E, 1 8
计算机
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1-16
1.2 计算机运算基础
②十六进制数转换成二进制数
可概括为 一位拆四位 。即把一位十六进
制数写成对应的四位二进制数，然后按权连
接即可。例如,(123.EF)16=(?)2
1 2 3, E F (十六进制 )
0001,0010,0011.1110,1111 (二进制 )
(123.EF)16=(100100011.11101111)2
十进制数,512D或 512 二进制数,1011B
八进制数,127Q 十六进制数,A8H
计算机
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1-17
1.2 计算机运算基础
4.计算机采用二进制的原因
⑴电路简单：计算机是由逻辑电路组成，
而逻辑电路通常只有两个状态。
⑵可靠性高：两个状态表示的二进制两
个数码，数字传输和处理不容易出错。
⑶运算简单：二进制运算法则简单。
⑷逻辑性强
计算机工作原理是建立在逻辑运算基础
上的，逻辑代数是逻辑运算的理论依据。
计算机
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1-18
二、信息存储单位
1.位 (bit)
位是计算机存储信息的最小单位，表示
一位二进制数据。
2.字节 (Byte,拜特 )
字节是信息处理的基本单位，一个字节
由八位二进制数组成，即 1Byte=8bit。
计算机存储器容量大小是以字节数来度
量的，常用的单位有 KB,MB或 GB。
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-19
1.2 计算机运算基础
1KB=210=1024B
1MB=210× 210=1024× 1024=1048576B
1GB=210× 210× 210=1024× 1024× 1024
=1073741824B
3.字 (Word)
字是 CPU通过数据总线一次存取、加工和
传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个
字节组成，字长越长，性能越强。
常用的字长有 8位,16位,32位,64位。
计算机
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1-20
1.2 计算机运算基础
三、信息编码
1.ASCII码
ASCII码是 American Standard Code for
Information Interchange,即美国标准信息
交换代码的简称,它被国际标准化组织 ISO采纳
为 国际通用的信息交换标准代码,称为 ISO
646。
ASCII码是用七位二进制表示一个字符,它
可表示 128个不同的字符，即
0000000→1111111
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1-21
000 001 010 011 100 101 110 111
0000 NUL DLE SP 0 @ P, p
0001 SOH DC1 ! 1 A Q a q
0010 STX DC2, 2 B R b r
0011 ETX DC3 # 3 C S c s
0100 EOT DC4 $ 4 D T d t
0101 ENQ NAK % 5 E U e u
0110 ACK SYN & 6 F V f v
0111 BEL ETB ‘ 7 G W g w
1000 BS CAN ( 8 H X h x
1001 HT EM ) 9 I Y i y
1010 LF SUB *, J Z j z
1011 VT ESC + ; K [ k {
1100 FF FS,< L \ l |
1101 CR GS - = M ] m }
1110 SO RS, > N ^ n ~
1111 SI US /? O _ o DEL
ASCII码表 (7位 ) 高三位b6b5b4
低四位
b3b2b1b
0
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-22
一个字节中 ASCII编码位的使用
b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0
编码位奇偶校验位
1 0 0 0 0 1 1 字符 C
1 1 0 1 0 0 0 字符 h
1 1 0 1 0 0 1 字符 i
1 1 0 1 1 1 0 字符 n
1 1 0 0 0 0 1 字符 a
[例 ]将 China五个字
符的 ASCII码查出并
存放在内存中。
1.2 计算机运算基础
计算机
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1-23
以 16*16点阵为例,把一个方块横向和纵
向都分为 16格。若用 1表示黑点,用 0表示白点,
则一个 16*16的点阵汉字可用 256位二进制数
来表示，存储时占用 32B。汉字“宝”的
16*16点阵的数字化信息可用下列一串十六进
制数表示。 02H 00H 01H 04H 7FH FEH 40H 04H
80H 08H 00H 00H 3FH F8H 01H 00H
01H 00H 1FH F0H 01H 00H 01H 40H
01H 20H 01H 20H 7FH FCH 00H 00H
所 有不同字体、字号的汉字
字形码的集合构成汉字库。
1.2 计算机运算基础
计算机
基础知识
1-24
⑶各种汉字编码的关系
汉字编码转换都需要各自的转换程序来实现。
交 换 码 (国 标 码 )
字 形 码
内 码
显示汉字 打印汉字
流水编码 字音编码 字形编码
1.2 计算机运算基础
计算机
基础知识
1-25
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
一、计算模型
可计算理论起源于对数学基础问题的研
究从 20世纪 30年代开始，为了讨论所有问题
是否都有求解的算法，数学家从不同角度提
出了几种不同的算法精确化定义。例如：
A.Church于 1935年提出了 λ -转换演算 ；
K.Godel于 1936年定义了 递归函数 ；
A.Turing于 1936年提出了 图灵机 ；
计算机
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1-26
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
二、图灵机的特征
①图灵机由一条两端可无限延长的带子、
一个读写头以及一组控制读写头工作的命令组
成。
┄ b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b ┄
状态
q1
读写头
控制器
读写头可以沿带子方向左右移动，并可以
在每个方格上进行读写。
计算机
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1-27
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
②写在带子上的符号为一个有穷字母表：
{S0,S1,S2,¨¨,Sp}
可以认为这个有穷字母表仅有 S0,S1两个
字符，其中 S0可以看作是 0,S1看作是 1。
③机器的控制状态为,{q1,q2,¨,qm}。将
图灵机初始状态设为 q1,结束状态为 qw。
一个给定机器的程序认为是机器内五元组
(qiSjSkR(LN)q1)的指令集，它定义了机器在特
定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。
计算机
基础知识
1-28
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
五元组元素的含义如下：
☆ qi表示机器目前所处的状态；
☆ Sj表示机器从方格中读入的符号；
☆ Sk表示机器用来代替 Sj写入方格的符号
☆ R,L,N分别表示右移一格、左移一格、
不移动；
☆ q1表示下一步机器的状态。
三、图灵机的工作原理
机器从给定带子上的某起始点出发，其动
作完全由其初始状态及机内五元组来决定。
计算机
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1-29
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
计算结果是从机器停止时带子上的信
息得到的。注意避免指令死循环和二义性。
实例
设 b表示空格,q1表示机器的初始状
态,q4表示机器的结束状态，如果带子上的
输入信息为 10100010，读入头位对准最右
边第一个为 0的方格，状态为 q1。
按照以下规则执行后，输出正确的计
算结果。
计算机
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1-30
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
q101Lq2
q110Lq3
q1bbNq4
q200Lq2
q211Lq2
q2bbNq4
q301Lq2
q310Lq3
q3bbNq4
┄ b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b ┄
q1
命令计算是函数,S(x)=x+1
计算机
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1-31
1.4 图灵机与冯 ·诺依曼机
四、冯 ·诺依曼的设计思想
冯 ·诺依曼设计思想可概括为以下三点：
⑴计算机应由运算器、控制器、存储器、
输入设备和输出设备五个基本部件组成
⑵计算机应采用二进制来表示指令和数据
⑶计算机能自动逐条取出指令和执行任务
上述设计思想集中到一点，就是“存储程
序”的概念。这样的计算机被称为冯 ·诺依曼
结构计算机。
计算机
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1-32
数据传送线
控制信号线
存储器输入设备 输出设备
运算器 控制器
结果程序或数据
1.5 计算机结构及工作原理
一、计算机原理框图
按, 存储程序, 思想组成的计算机应由运
算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备
五大部件组成，其原理框图是：
计算机
基础知识
1-33
1.5 计算机结构及工作原理
⑴运算器 (Arithmetic Logic Unit--ALU)
它是用来对数据进行算术运算或逻辑运算
的部件。即在控制器的操纵下，它对取自内存
或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算，其
结果暂存内部寄存器或送到内存。
⑵控制器 (Controller)
控制器的功能是使计算机能够自动执行程
序，并控制各部件协调工作。即程序执行时，
控制器按顺序先从内存取出一条指令，并对指
令进行分析，然后向有关部件发出控制命令，
计算机
基础知识
1-34
控制它们执行这条指令所规定的任务。这样周
而复始，保证了计算机自动、连续地工作。
⑶存储器 (Memory)
它是用来存放大量程序或数据的部件。
存储器可分为内部存储器和外部存储器两
类。内存的特点是存取速度快、存储容量小；
外存的特点是存取速度慢、存储容量大。
⑷输入设备 (Input Device)
输入设备是用来接受用户输入的原始数据
和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式
存放的内存中。
1.5 计算机结构及工作原理
计算机
基础知识
1-35
常用的输入设备有：键盘、鼠标器、扫描
仪、触摸屏、光笔、磁盘机等。
⑸输出设备 (Output Device)
输出设备是用来将处理结果转变为人们或
现场所能接受的形式。
常用的输出设备有：显示器、打印机、绘
图仪、磁盘机等。
中央处理器 (CPU)=运算器 +控制器
主机 =CPU+内部存储器
外部设备 =输入设备 +输出设备
1.5 计算机结构及工作原理
计算机
基础知识
1-36
1.5 计算机结构及工作原理
二、计算机工作原理
1.指令和程序的概念
指令是计算机硬件可执行的、完成一个基
本操作所发出的命令。一台计算机的基本指令
的集合称为该计算机的指令系统。
一条指令是用一串二进制代码表示，它可
分成两部分：
操作码 操作数
程序是指用户根据某一问题的解决步骤，
选用一条条指令进行有序排列的集合。
计算机
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1-37
1.5 计算机结构及工作原理
2.指令的执行过程
计算机执行指令可分为两个阶段：一是将
要执行的指令从内存取到 CPU中；二是 CPU对该
指令进行分析译码，再向各部件发出完成该操
作的控制信号。
例如：要求计算简单算题 5+4=?
计算步骤 解题命令
1
2
3
4
从存储器中取出 5 到运算器
从存储器中取出 4 到运算器中与 5 相加得 9
将结果 9 存入存储器中
从输出设备将结果 9 打印输出
计算机
基础知识
1-38
指令顺序 执行操作 操作数
1
2
3
4
取数
加法
存数
打印
5
4
9
9
执行操作 操作码
取数
加法
存数
打印
0 10 0
0 01 0
0 10 1
1 00 0
数的存放地址 存放的数
0 00 1
0 01 0
0 01 1
0 10 1
0 10 0
计算结果
计算程序文字简写形式
指令操作码表 操作数存放单元
计算机
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1-39
指令地址 操作码 地址码
0 10 1
0 11 0
0 11 1
1 00 0
0 10 0
0 01 0
0 10 1
1 00 0
0 00 1
0 01 0
0 01 1
0 01 1
用二进制表示的计算程序
0 0 0 0 0 10 1
0 0 0 0 0 10 0
0 1 0 0 0 00 1
0 0 1 0 0 01 0
0 1 0 1 0 01 1
1 0 0 0 0 01 1
存储单元地址 存储单元内容
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
┋
5
4
计算结果
取数指令
加法指令
存数指令
打印输出指令
存
储
器
布
局
计算机
基础知识
1-40
1.5 计算机结构及工作原理
三、计算机系统的层次结构
1.硬软组成的层次结构
语言处理程序
各种应用程序、软件包
用户程序
数学模型、算法
机器硬件
操作系统
系统分析级
用户程序级
计算机
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1-41
1.5 计算机结构及工作原理
2.语言功能的层次结构
汇编语言虚拟机
高级语言虚拟机
专用语言虚拟机
实际机器 (机器语言物理机 )
计算机
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1-42
1.5 计算机结构及工作原理
四、计算机系统的性能指标
1.字长
字长是计算机 CPU能直接处理二进制数
据的位数，它决定了系统数据总线的位数。
字长越长，运算精度越高，处理速度越
快,但价格也越高。微型机的字长一般为 8位、
16位,32位,64位不等。
2.运算速度
运算速度是用每秒能执行多少条指令来
表示。运算速度的计算方法有以下三种：
计算机
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1-43
⑴每秒执行定点加法指令的条数 ;
⑵ 每秒执行机器指令的条数 ;
⑶ 执行定点加、减、乘、除指令和浮点加、
减、乘、除指令的平均时间。
3.内存容量
内存容量是指计算机系统所配置的主存总
字节数，这部分内存 CPU可以直接访问。
很多复杂软件要求足够大的内存空间才能
运行，因此现在高档微机的内存容量一般配置
32MB或更多。
1.5 计算机结构及工作原理
计算机
基础知识
1-44
4.外部设备的配置
主机允许配置的外设数量和实际配置的具
体外设，常常是衡量一台计算机综合性能的重
要技术指标。
5.软件的配置
另外，还要考虑计算机的可靠性、可维护
性、兼容性、外部设备和软件的配置以及汉字
处理等方面。
1.5 计算机结构及工作原理