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1、第一章计算机基础知识,优选第一章计算机基础知识,人类追求的计算工具,算盘,基于齿轮技术构造的机械式计算机,可执行加、减、乘、除、指数、三角函数等运算的计算尺,查尔斯.巴贝奇 1834年设计的 分析机,1812年差分机,第一台电子计算机,电子计算机（Computer）,一种能将信息自动、高速存取并且加工的电子设备。,1.1 计算机概述,一、计算机（Computer）的发展第一台计算机：1946年2 月发布的ENIAC（电子数字积分计算机）；运算速度：每秒5000次。,1946年，宾夕法尼亚大学的约翰莫克莱博士和他的研究生普雷斯帕埃克特一起研制了称为ENIAC（电子数字积分计算机），它被公认为是世
2、界上第一台电子计算机。ENIAC的运算速度达到每秒钟5000次，这是划时代的“高速度”。特别是采取了普林斯顿大学数学教授冯诺依曼“存储程序”的建议，即把计算机程序与数据一起存储在计算机中，从而可以方便地返回到前面的指令或反复执行，解决了ENIAC在操作上地不便。ENIAC的诞生，开创了第一代电子计算机地新纪元。,ENIAC(1946,专用计算机),18000个电子管占地170平方米重达30吨耗电150千瓦保存80个字节每秒5千次加、减法运算价值40万美元,主要用于计算弹道和氢弹的研制,第一台通用电子计算机 EDVAC-Electric Discrete Variable Automatic C
3、omputer(电子离散变量自动计算机)采用二进制并能存储程序和数据 为现代计算机在体系结构和工作原理上奠定了基础 亦称之为冯.诺依曼计算机，其运算速度是ENIAC的240倍。,电子计算机时代的杰出科学家 艾伦.图林（1912-1954）建立图灵机模型 奠定了可计算理论的基础 提出了图灵测试的论断 奠定了人工智能的理论基础,明确规划出计算机的五大部件：运算器CA 逻辑控制器LC 存储器M 输入装置I 输出装置O并描述了五大部件的功能和相互关系,冯.诺依曼（1903-1957）,第二代计算机的主要特点是：用晶体管代替了电子管；内存储器采用了磁心体；引入了变址寄存器和浮点运算硬件；利用了I/O处理
4、机提高了输出能力；在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序。,由于二进制电路简单、可靠且具有很强的逻辑功能，因此数据在计算机中均以二进制表示，并用它们的组合表示不同类型的信息。硬 盘每个八进制数对应二进制的三位。机内码是计算机内部存储和处理信息的二进制代码通常也把计算机称作“电脑 Electronic Brain”就是这个原因。每个十六进制数对应二进制的四位。CPU中每个字所包含的二进制代码的位数，称为字长。提出了图灵测试的论断机内码:为区别ASCII码而将字节的最高位置11011 在机器中的表示如下：符号位
5、数值部分 二进制负数 0.Function keys功能随软件而异Garry Kasparov各个数码由于所在数位不同而乘以10的若干次幂称为相应数位的“权”。而小数点右边第一位小数位的6表示的值为60.10M(transistors)表1-2 微型计算机发展的六个阶段例如：十进制数 666.计算机在工作时，RAM能够准确地保存数据，但这种保存功能需要电源的支持，一旦切断电源，其中的所有数据立即完全消失。计算机依靠执行程序来完成指定的任务程序用二进制代码表示；（2）模拟计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据是模拟量（如电压、电流、温度等），这些数据在时间上是连续的。,英国剑桥大学194
6、9年研制的电子数据存储计算机“埃迪萨克”（EDSAC）,IBM公司于1959年生产的IBM 7090型 采用晶体管的第二代电子计算机,第三代计算机的共同特点是：用中、小规模的集成电路代替晶体管等分立元件；用半导体存储器代替磁心存储器；使用微程序设计技术简化处理机的结构；在软件方面则引入功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。,“天河一号”峰值性能4700万亿次,“曙光”5000A，160万亿次/秒,第四代计算机最为显著的特征：使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。每个芯片上可以集成百万个以上的元器件。此外，使用了大容量的半导体存储器作为内存储器；在体系结构方面进一步发展了并
7、行处理、多机系统、分布式计算机系统和计算机网络系统；在软件方面则推出了数据库系统、分布式操作系统以及软件工程标准等。,英国航空管理局的IBM计算机,计算机发展几个阶段的主要元器件,第一代（19461957）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19581964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）,第四代（1971年至今）大规模集成电路几百万几百万亿（次/秒）,计算机的发展趋势,功能巨型化 天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探、卫星图像处理等等 处理等大量科学计算的高科技领域。体积微型化,ENIAC,PDP-11,CRAY-,Altair 8800,
8、多 极 化,在体系结构方面进一步发展了并行处理、多机系统、分布式计算机系统和计算机网络系统；十六进制记数法也有两个特点：0100反码亦可根据其定义求得（反码定义）运算器又称算术逻辑单元，简称ALU。（1）十进制（Decimal）计算机集成制造系统 CIMS数据处理即使计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，是计算机又一重要的应用领域。（1）十进制（Decimal）（信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理）二进制的基数是2，数位的“权”是以2 为底数的幂。机内码：每个字节最高位为1例如：二进制正数 0.控制器+运算器=处理器（机）在计算机上可以观看影视节目，播
9、放歌曲和音乐等。巨型计算机（supercompter）2003年11月16日小数点前面自右向左，分别为个位、十位、百位、千位等，相应地，小数点后面自左向右，分别为十分位、百分位、千分位等。高速缓存（Cache）此外，在计算机应用于实时控制中还具有故障检测、报警和诊断等功能。ROM RAM 输入设备 输出设备上面将符号数码化的数称为机器数。,网络化,Internet,WWW,GOPHER,E-Mail,FTP,Telnet,利用现代通信和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按网络协 议互相通信，以共享软、硬件和数据资源,Deepblue,资源网络化 使用远程资源，共享程序、数据和信息资
10、源，网络用户 的通讯和合作。处理智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人 一样的没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,1997年5月11日“深蓝”胜卡斯帕罗夫,2003年11月16日卡斯帕罗夫与电脑“X3D-FRITZ”进行了三回合的较量,智 能 化,主要研究领域：1、模式识别 2、机器人 3、专家系统 4、自然语言的 生成与理解,多 媒 体,图、文、声、象等多种媒体有机结合的人机交互系统。,计算机的作用（WSG）,1、Works,2、Studies,3、Games,神经电子计算机（神经芯片）?,未来计算机的发展趋势,神经集成电路,生物计算机,该类计算机也具有较高的运算速度，每秒钟可以执行几
11、千万条指令，并具有较大的存储容量以及较好的通用性，但价格较贵，通常被用来作为银行、铁路、石油等大型应用系统中的计算机网络的主机来使用。216 21016 151第二位小数位的6表示的值为60.Altair 8800保存CPU给外设或接口电路的命令例如：二进制正数 0.1011(X)原=1.目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯诺依曼原理和结构。存储器分为两大类：内存储器和外存储器。每18个月芯片能力增长一倍计算机的作用（WSG）分时、实时数据处理、计算机网络每一位数只能用这十个记数符号之一来表示，称这些记数符号为数码。AZ 41H5AH 65D90D1运算速度快、精度高P DB（Dat
12、a Bus 数据总线）数码在不同的数位所代表的值也是不相同的，各数位的“权”是以2为底的幂。2003年11月16日,超导计算机,量子计算机,激光计算机,光子子计算机,智能计算机,装配智能计算机的玩具,表1-1 计算机发展的四个阶段,表1-2 微型计算机发展的六个阶段,摩尔定理,晶体管数,500(mlps),1975,10M(transistors),1975,1980,1985,1990,1995,1M,100K,10K,25,0.1,1.0,4004,80386,80286,8080,8086,80486,Pentlum Prooossor,Micro 2000,每18个月芯片能力增长一倍,
13、微处理器的发展,0.18微米芯片,10微米芯片,微处理器集成度发展,微机外观,计算机的特点,1运算速度快、精度高 计算机的运算速度，慢则每秒数万次，快则每秒上亿次。现在世界上最快的计算机每秒可以运算万亿次以上。如果与每秒一百万次的计算机相比，它连续工作一小时所完成的工作量，一个人一生也做不完。计算机的字长越长，其精度越高。目前的个人计算机（PC）的精度已经达到了64位字长。对于气象预报等复杂、时间性强的工作，没有计算机进行数据处理，单靠手工已无法实现。,2具有逻辑判断和记忆能力 计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力。可以把庞大的国民经济信息或一个大图书馆的全部文献资料目录和索引存储在计算
14、机系统中，随时提供情报检索服务。计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合，使之可以模仿人的某些智能活动。因此，计算机已经远远不只是计算的工具，而是人类脑力延伸的重要助手。通常也把计算机称作“电脑 Electronic Brain”就是这个原因。,3高度的自动化和灵活性 计算机采取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算机，机器便可依次逐条执行。这就使计算机实现了高度的自动化和灵活性。每台计算机提供的基本功能是有限的，这是在设计和制造时就决定了的。然而，计算机区别于其他机器之处，就在于这些有限的功能，可以在人的精心编排设计下，快速自动地完成多种多样基本功能序列。从而实现计算机的通用性，
15、达到计算机应用的各种目的。,三、计算机的应用领域：,、科学计算、数据处理、过程控制、计算机辅助系统（CAD、CAI、CAM等）、人工智能、机器人等、信息高速公路、电子商务、电子政务等、办公自动化、计算机模拟仿真,四、计算机的分类（依据 IEEE-美国电气和电子工程师协会 标准）：,、按计算机原理分类 数字计算机（digital computer）模拟计算机（analog computer）数字模拟混合计算机（hybrid computer）（1）数字计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字量，这些数据在时间上是离散的.非数字量的数据（如字符、声音、图形图像等）只要经过编码后也可以
16、处理。（2）模拟计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据是模拟量（如电压、电流、温度等），这些数据在时间上是连续的。（3）数字模拟混合计算机 该类计算机将数字技术和模拟技术相结合，兼有数字计算机和模拟计算机的功能。,按照计算机的用途及其使用的范围可分为两类:(1)通用计算机（general purpose computer）(2)专用计算机（special purpose computer）通用计算机：该类计算机具有广泛的用途，可应用于科学计算、数据处理和过程控制等。专用计算机：该类计算机适用于某一特定的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的模拟等。,2按用途分类,3按规模分类
17、巨型计算机（supercompter）大中型计算机（large mediumscale computer）小型计算机（minicomputer）微型计算机（microcomputer）工作站（workstation）服务器（server）网络计算机（net computer）,巨型机：速度最快、处理能力最强,大型、通用、较快、较强大型机：作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机,小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短，工艺先进、使用维护简单,工作站：介于PC与小型机之间，高分辨率、大容量内外存，图形功能较强,微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜,网络计算机：基于Java技术
18、的瘦客户机系统,1）巨型计算机 指其运算速度每秒超过1亿次的超大型的计算机，该类计算机主要应用于复杂的科学计算及军事等专门的领域。例如，由我国研制的“银河”,“曙光”和“神州”系列计算机就属于这种类型。,（2）大中型计算机 该类计算机也具有较高的运算速度，每秒钟可以执行几千万条指令，并具有较大的存储容量以及较好的通用性，但价格较贵，通常被用来作为银行、铁路、石油等大型应用系统中的计算机网络的主机来使用。,（3）小型计算机 该类计算机的运算速度和存储容量略低于大中型计算机，但与终端和各种外部设备连接比较容易，适合于作为联机系统的主机，或者工业生产过程的自动控制。,（4）微型计算机 微型计算机使用
19、大规模集成电路芯片制作微处理器、存储器和接口，并配置相应的软件，从而构成完整的微型计算机系统。它的问世在计算机的普及与应用中发挥了重大的推动作用。如果把这种微型计算机制作在一块印刷线路板上，则称其为单板机。如果在一块芯片中包含有微处理器、存储器和接口等微型计算机的最基本的配置，则这种芯片称为单片机。,（5）工作站 由高性能的微型计算机系统、输入输出设备以及专门软件组成,适合于某些特殊用途。例如，图形工作站包括高性能的主机、扫描仪、绘图仪、数字化仪、高精度的屏幕显示器、其他通用的输入输出设备以及图形处理软件，它具有很强的对图形进行输入、处理、输出和存储的能力，在工程设计和多媒体信息处理中有广泛的
20、应用。,（6）服务器 一种在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备。可分为文件服务器、通信服务器、打印服务器等。（7）网络计算机 它是一种在网络环境下使用的终端设备，其特点是内容量大、显示器的性能高、通信功能强，但本机中不一定配置外存，所需要的程序和数据存储在网络的服务器中。,计算机的特点,1、处理速度快（几千次/s至数百万亿次）2、运算精度高3、具有记忆能力（存储容量大）4、具有逻辑判断能力5、存储程序,（1）运算速度快 目前的巨型机运算速度已经达到每秒钟数百万亿次运算，即使是微型计算机，其运算速度也已经大大超过了早期大型计算机的运算速度。因此，计算机可以快速的进行计算和信息处理。,（2）运
21、算精度高 由于计算机内部采用浮点数表示方法，而且微型计算机的字长已从8位、16位增加到32位、64位甚至更长，从而使处理的结果具有很高的精确度。,（3）具有记忆能力 计算机具有内存储器和外存储器，可以记忆大量的信息和程序。,（4）具有逻辑判断能力 能够进行各种逻辑判断，并根据判断的结果自动决定下一步应该执行的指令。（5）存储程序 由于计算机内可以存储程序，从而使得计算机可以在程序的控制下自动地完成各种操作，而无需人工干预。,计算机的用途,科学计算 2.数据处理3.实时控制 4.人工智能5.计算机辅助工程和辅助教育6.娱乐与游戏,1科学计算,科学计算是指使用计算机来完成科学研究和工程技术中所遇到
22、的数学问题的计算，又称为数值计算。,2数据处理,数据处理即使计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，是计算机又一重要的应用领域。在当今信息化的社会中，每时每刻都在生成大量的信息，只有利用计算机才能管理和充分利用浩如烟海的信息。,3实时控制,实时控制是指及时地采集检测数据、使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。此外，在计算机应用于实时控制中还具有故障检测、报警和诊断等功能。,4人工智能,人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能。传统的计算机程序虽然具有逻辑判断的能力，但它只能执行人预先设计好的动作，而不能像人类那样进行思维
23、。例如专家系统属于人工智能的应用范畴，但现在的专家系统还远不能具备像人类那样的分析问题、解决问题的能力。,5计算机辅助工程,计算机辅助工程包括:计算机辅助设计 CAD（computeraided design）计算机辅助制造 CAM（computeraided manufacturing）计算机集成制造系统 CIMS（computerintegrated manufacturing system）,计算机辅助设计（CAD）利用计算机的计算、逻辑判断、数据处理以及绘图等功能与人的经验和判断能力相结合，共同完成各种产品或者工程项目的设计工作，实现设计过程的自动化或半自动化。,计算机辅助制造（CAM
24、）使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务。从对设计文档、工艺流程、生产设备等的管理，到对加工与生产装置的控制和操作，都可以在计算机的辅助下完成。,计算机集成制造系统（CIMS）将计算机技术集成到制造工厂的整个制造全过程中，使企业内的信息流、物流、资金流和人员活动形成了一个统一协调的整体。CIMS的对象是制造业。,6计算机辅助教育,计算机辅助教育 CAI（ComputerAided Instruction）涉及的层面很广，从校园到Internet，从CAI课件的制作到远程教学、从辅助儿童的智力开发到中小学和大学的教学，从辅助学生自学到辅助教师授课，从计算机辅助实验到学校的教学管理等，都可以在计
25、算机的辅助下进行，从而提高教学质量和学校管理水平与工作效率。,7娱乐与游戏,随着计算机技术、多媒体技术、动画技术以及网络技术的不断发展，使得计算机能够以图像与声音的集成形式向人们提供最新的娱乐和游戏的方式。在计算机上可以观看影视节目，播放歌曲和音乐等。许多影视节目、歌曲、和音乐也可以从计算机网络上下载，供人们欣赏。,2计算机中常用的名词,（1）位 Bit 计算机中所有的数据都是以二进制来表示的，一个二进制代码称为一位，记为bit。位是计算机中最小的信息单位。,（2）字节 Byte 在对二进制数据进行存储时，以八位二进制代码为一个单元存放在一起，称为一个字节，记为Byte。字节是计算机中次小的存
26、储单位。,（3）字 Word 一条指令或一个数据信息，称为一个字(Word)。字是计算机进行信息交换、处理、存储的基本单元。,（4）字长 Word Length CPU中每个字所包含的二进制代码的位数，称为字长。字长是衡量计算机性能的一个重要指标。,（5）指令 Instruction 指挥计算机执行某种基本操作的命令称为指令。一条指令规定一种操作，由一系列有序指令组成的集合称为程序。,（6）容量 capacity 容量是衡量计算机存储能力常用的一个名词，主要指存储器所能存储信息的字节数。常用的容量单位有B、KB、MB、GB、TB，它们之间的关系是：1KB=1024B，1MB=1024KB，1G
27、B=1024MB,1TB=1024GB，,3.进位计数制,根据不同的进位原则，可以得到不同的进位制。在日常生活中，人们广泛使用的是十进制数，有时也会遇到其他进制的数，例如，钟表上，六十秒钟为一分钟，六十分钟为一小时，即为六十进制。在计算机中，最常使用的是：十进制（Decimal）二进制（Binary）八进制（Octal）十六进制（Hexadecimal）,1.2 数字化信息编码与数据表示,一、数字化信息编码 信息：数值、文字、语音、图形和图象。（信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理）二、进位计数制,1.数字化信息编码的概念,1数字化信息编码的概念 计算机中的信息也称为数据。由于二进制电路简
28、单、可靠且具有很强的逻辑功能，因此数据在计算机中均以二进制表示，并用它们的组合表示不同类型的信息。,（1）十进制（Decimal）十进制记数法有两个特点：它有十个不同的记数符号：0、1、2、9。每一位数只能用这十个记数符号之一来表示，称这些记数符号为数码。它采用逢十进一的原则计数。小数点前面自右向左，分别为个位、十位、百位、千位等，相应地，小数点后面自左向右，分别为十分位、百分位、千分位等。各个数码所在的位置称为数位。,例如：十进制数 666.66 个位的 6表示其本身的数值；而十位的 6，表示其本身数值的十倍，即610，百位的 6，则代表其本身数值的一百倍，即6100；而小数点右边第一位小数
29、位的6表示的值为60.1；第二位小数位的6表示的值为60.01。因此这个十进制数可以用多项式展开写成：666.66 610 2610 1610 061016102,如果用a i表示某一位的不同数码，对任意一个十进制数A，可用多项式表示为：Aa n10 n1a 110 0a1101am10m 在上式中，m、n为正整数，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数，即m、n为相应的数位值。各个数码由于所在数位不同而乘以10的若干次幂称为相应数位的“权”。“权”的底数称为进位制的基数。在这里，因为是十进制数，所以基数是10。以上是十进制数的计数机理，在正常书写时，各数码的“权”隐含在数位之中，即：A
30、a n1 a n2 a 1 a 0.a 1 am,（2）二进制（Binary）二进制记数法也有两个特点：它有两不同的记数符号，即数码0和1。它采用逢二进一的原则计数。也就是说，进位基数是2。数码在不同的数位所代表的值也是不相同的，各数位的“权”是以2为底的幂。,例如：（10110.1）2 12 4 02 3 12 2 12 1 02 0 121（22.5）10 任意一个二进制数B，可以展开成多项式之和,即 B=b n2 n1+b n12 n2+b 22 1+b 12 0+b121+bm2m,其中，b I 的取值为0或1，n为小数点左边的位数，m为小数点右边的位数。二进制记数法各数位的“权”，整
31、数部分从小数点开始向左分别为1，2，4，8，16，32，；小数部分的“权”，从小数点向右分别为0.5,0.25,0.125，。二进制的基数是2，数位的“权”是以2 为底数的幂。一般书写时，各数码的“权”隐含在数位之中，即：B b n b n1 b n2 b 1 b.b 1 bm,（3）八进制数（Octal）八进制记数法的两个特点是：采用八个不同的记数符号，即数码：07。采用逢八进一的进位原则。在不同的数位，数码所表示的值等于数码的值乘上相应数位的“权”。例如：（456.45）8 48 258 168 0481582（302.578125）10,一般地，任意一个八进制数可以表示为：C c n8
32、n1+c n18 n2+c 18 0+c181+cm8m 在上式中，C i 只能取07之一的值；八进制的基数是8。,（4）十六进制（Hexadecimal）十六进制记数法也有两个特点：采用十六个不同的记数符号，即数码09及A、B、C、D、E、F。其中：A表示十进制数10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15。它采用逢十六进一的进位原则，各位数的“权”是以16为底数的幂。,例如：（2AF）16 216 2A16 1F16 0216 21016 151（687）10,一个任意的十六进制数可以表示为：D d n16 n1+d n116 n2+d 216 1+d 116 0+d
33、1161+dm16m 在上式中，d i可以取0F之一的值；十六进制的基数是16。,4、不同进制之间的转换,(1).r 进制转换成十进制（按位权展开）（an.a1 a-1.a-m)r=anrn-1+a1 r0+a-1r-1+a-m r-m(10101)2=24+22+1=(21)10(101.11)2=22+1+2-1+2-2=(5.75)10(101)8=82+1=(65)10(71)8=7x81+1=(57)10(101A)16=163+16+10=(4122)10,整数部分：除以r取余数，直到商为0，余数从下到上排列小数部分：乘以r取整数，整数从上到下排列例：(100.345)10(110
34、0100.01011)2(100)10=(144)8=(64)16(100)10=(144)8=(64)16=(1100100)2,(2).十进制转化成 r 进制,(“或”),(“与”),(3).八进制和十六进制转换成二进制,每个十六进制数对应二进制的四位。每个八进制数对应二进制的三位。（2C1D）16=（0010 1100 0001 1101）2 2 C 1 D（7123）8=（111 001 010 011）2 7 1 2 3（64）16=（0110 0100）2 6 4（144）8=（001 100 100）2 1 4 4,(4).二进制转化成八进制和十六进制,整数部分:从右向左进行分组
35、。小数部分:从左向右进行分组。转化成八进制时三位一组。转化成十六进制时四位一组,不足补零。(11 0110 1111.1101 0100)2=(36F.D4)16 3 6 F D 4 后边补两个零,变成 0100(1 101 101 110.110 101)2=(1556.65)8 1 5 5 6 6 5,5、带符号数的代码表示(1)、真值与机器数 前面我们都没有涉及到数的符号可以认为是正数。但在算术运算中总会出现负数，通常我们都是在数值（绝对值）左边加上“+”（正号，可省略）或“-”（负号）。例如：二进制正数 0.1011 可写为+0.1011 或 0.1011 二进制负数 0.1011 记
36、作 0.1011 这种直接用正号“+”和负号“-”表示的二进制数，称为“带符号数的真值”。计算机是如何表示数的真值形式呢？计算机中，数字是存放在由存储元件构成的寄存器和存储器中，二进制的数字符号1 和 0 是用两种不同稳定状态（如高、低电位）来表示的。数的符号“+”或“-”也是用着两种状态来区别。比如，正数的符号用“0”表示，负数的符号用“1”表示。这样就使数的符号也“数码化”了。,例如：二进制正数+0.1011 在机器中的表示如下：符号位 数值部分 二进制负数 0.1011 在机器中的表示如下：符号位 数值部分,上面将符号数码化的数称为机器数。在计算机中，机器数有三种表示，即：原码、补码、反
37、码。(2).原码（True Form)用原码表示数的真值时，第一位是符号位，其余各位是数的绝对值部分。若二进制小数的真值为 X=0.X-1X-2X-m 则（X)原=0.X-1X-2X-m 若二进制小数的真值为 X=-0.X-1X-2X-m 则（X)原=1.X-1X-2X-m 例如：真值X=+0.1011（X)原=0.1011 X=-0.1011（X)原=1.1011,一个数的原码亦可用原码的定义求得（原码定义）从以上例子可以看出：原码的表示形式与真值的形式非常相似，因此也比较简单。但是，计算机做原码的算术运算比较麻烦。例如，在进行加减运算时，要根据参加运算的两个数的符号（正或负）来确定两数值的
38、加、减运算。在做数值减运算时，还需比较两个数的绝对值，才能确定谁减谁。手算倒容易实现，可是如果逻辑电路来实现这个过程，电路结构将很复杂。,为此，人们设想，如果能将加、减法按一种来运算，显然电路结构也会简单些。人们又找到其它两种机器数的表示方法，这就是反码和补码。(3).反 码（Ones complement)反码也称之为1的补数。其形成规则是：对于正数，反码与其原码相同。对于负数，反码的数值部分是将其原码的数值部分按位求反，但符号位不变。例如：X=+0.1011(X)原=0.1011(X)反=0.1011 X=-0.1011(X)原=1.1011(X)反=1.0100反码亦可根据其定义求得（反
39、码定义）,(4).补码（Twos complement)补码也称之为2的补数。其形成规则是：对于正数，补码与其原码相同。对于负数，补码是将原码的数值部分“求反加1”（即按位求反，最低位加1），符号位不变。例如：X=+0.1011(X)原=0.1011(X)补=0.1011 Y=-0.1011(Y)原=1.1011(Y)补=1.0101补码亦可根据其定义求得（补码定义）,补码的用途 变减法为加法,10-4=6 倒拨10+8=6 顺拨,10+8=12+6,模,8与-4对模12互为补数,变减法为加法,尾数的位数决定数的精度.阶码的位数决定数的范围.,浮点数：,阶符,阶码,数符,尾数,N=,数符,尾数
40、,2,阶符,阶码,二进制数在计算机中的表示-浮点数,常用的信息编码,(1).码(8421)每位十进制数用四位二进制数编码表示。(25)10=（0010 0101）BCD 2 5(2).西文字符编码 每一个字符有一个编码，计算机中常用的有ASCII码（Amercian Standard Code for Information Interchange)09 30H39H 48D57D AZ 41H5AH 65D90D az 61H7AH 97D122D 每个字符占一字节（8 bits），用7位，最高位为“0”(校验位)。,图形和图像的二进制编码表示,电子射线扫描计算机屏幕形成像素点.位图图像是一
41、种对视觉信号直接量化的媒体形式,当像素点用1位来表示时,只能有黑白两种(21)颜色;用4位来表示时，有16(24)种颜色；用八位来表示时,有256(28)种颜色;用32位来表示时,有232种颜色(真彩色),栅格图形BMP格式,16色、256色、24位位图,(3).汉字编码,汉字的编码有:输入码、国标码、内码、字形码。（A）汉字的键盘输入码 国标区位码 全拼 智能全拼 自然码 双拼 五笔字形.,（B）汉字机内码 汉字内码实际是国标码在设备或信息处理系统内部的表达形式。国标码（GB2312-80）及其机内码：国标码：用两字节二进制数表示214；一级汉字：3755个；二级汉字：3008个。机内码：每
42、个字节最高位为1 例：汉字 国标码 汉字机内码 沪 2706（1001101110000110B）（1001101110000110B）,(C)汉字字形码 汉字字形的字模数据，以点阵或矢量函数表示。点阵有：1616 2424 3232 4848图2.5 16*16点阵字形示例,汉字的字型表示,128,72,每个汉字占用字节数=点阵列数行数8,288,汉字信息的数字化,数 字 码拼 音 码字 形 码,内部数据处理,汉字信息的数字化,国标码：国家标准信息交换用汉字编码。国标码采用双字节的编码方式。,国标码采用 ASCII 码表中的可显示字符的代码21H7EH 作为汉字的区码和位码，构成 9494
43、的矩阵，对收入的 6763 个汉字、682 个西文字符和图符进行编码。矩阵的每一行称为“区”，每一列称为“位”国标区位码。可以作为汉字输入码。,机内码是计算机内部存储和处理信息的二进制代码,0 0 1 1 0 0 0 0,汉字国标码与机内码,0 0 1 0 0 0 0 1,“啊”的国标码 3021H“,“啊”的机内码 B0A1H“,所以 国标码 3021 H+8080 H=机内码 B0A1 H,所以，区位码 1601D=1001 H+2020 H=国标码 3021H+8080 H=机内码 B0A1 H,汉字区位码与机内码,0 0 0 1 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 1,“啊”的
44、国标码 3021H,“啊”的机内码 B0A1H,（D）各种代码之间的关系：,某种输入编码方案的汉字,输入编码向内部码的转换,机内码,汉字的显示或打印,内部码向字形码的转换,计算机系统的组成,CS,Hardware,Software,硬件系统组成,冯诺依曼型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成。运算器和控制器合在一起叫做中央处理器，简称CPU。运算器又称算术逻辑单元，简称ALU。输入设备和输出设备与计算机的信息交换都必须通过输入/输出接口，即I/O接口。,存放程序和数据,三大总线（DB、AB、CB）,所谓总线(Bus)即计算机内部传送数据的公用通道，主机的三大部件之间通过它们传
45、送数据、地址和控制信息。中央处理器CPU，存储器和I/O接口安装在主机箱的主机板上，它们之间由三总线连接，即：数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。,一、.计算机硬件系统 存储器 输入设备 运算器 输出设备 控制器冯诺依曼思想：二进制；程序和数据一样存放在内存；五大模块,（1）冯诺依曼原理（Von Neumann）计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。该原理最初是由匈牙利数学家冯诺依曼于1945年提出来的，故称为冯诺依曼原理。按照冯诺依曼原理构造的计算机又称冯诺依曼计算机，其体系结构称为冯诺依曼结构。目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的
46、运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术。,冯 诺依曼原理,计算机依靠执行程序来完成指定的任务程序用二进制代码表示；,Von Neumann,程序预先存放在计算机内部存储器之中存储程序；,计算机不要人的干预而自动执行程序程序控制。,计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备所组成。,程序+,数据,操作命令,处理,结果,反馈信号,响应信号,请求信号,响应信号,请求信号,输入设备,输出设备,冯诺依曼结构框图,冯诺依曼计算机的基本特点如下：采用存储程序方式，程序和数据放在同一个存储器中，两者没有区别，指令同数据一样可以送到运算器进行运算，即由
47、指令组成的程序是可以修改的。存储器是按地址访问的线性编址的唯一结构，每个单元的位数是固定的。指令由操作码和地址码组成。通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。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经过运算器。数据以二进制表示。,（2）五大模块（冯诺伊曼原理）控制器:发出控制命令，控制整个计算机各部件有条不紊地工作 运算器：算术运算和逻辑运算。控制器+运算器=处理器（机）内存：（主存储器）1.有关术语：地址：每个存储单元的编号。字节8位（Bit）一个字节 2.容量单位:8位（bit）称为1个字节(byte）1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1T
48、B=1024GB 内存+处理器=主机（注：主机以外的设备称为外围设备）输入设备：键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：打印机,3、微型计算机 C AB（Address Bus 地址总线）P DB（Data Bus 数据总线）U CB（Control Bus 控制总线）接口 接口 只读存储器 随机存储器 ROM RAM 输入设备 输出设备微型计算机典型结构,微型计算机的微处理器,中央处理器（CPU），由大规模和超大规模集成电路构成，做在一个芯片上。这样的CPU称为微处理器。,4 位微处理器Intel 40048 位微处理器Intel 808016位微处理器Intel 8086、Intel 8028632
49、位微处理器Intel 80386、Intel 80486、Pentium、Pentium II、Pentium III、Pentium 4 主频：微机运算速度的指标，单位是MHz,存储器,存储器分为两大类：内存储器和外存储器。内存储器也称主存，它直接与CPU相连接，存储容量小，但速度快，用来存放当前运行的程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内存能进行快速的存数和取数操作。外存储器又称为辅助存储器，是内存的扩充外存容量要比内存大得多，但它存取信息的速度比内存慢。通常外存不和计算机内其它装置交换数据，只和内存交换数据常用的外存储器有磁带、磁盘和光盘等。外存用来永久存放“暂时不用”的程序和数据
50、。,内存储器（RAM）和（ROM）,内存大部分是可存可取的（可读可写），称为随机存储器，简称RAM。计算机在工作时，RAM能够准确地保存数据，但这种保存功能需要电源的支持，一旦切断电源，其中的所有数据立即完全消失。内存中有一小部分用于永久存放特殊的专用数据，CPU对它们只取（只读）不存（不写），这部分称为只读存储器，简称ROM。,内存(条),外存储器,软盘上都有一个写保护口，3寸盘的写保护口是一个小滑块，当写保护口“透光”时，则该软盘不可写。硬盘及硬盘驱动器一般是装在计算机机箱内的大容量外部存储器，硬盘驱动器是密封的，其读写数据的速度可达到软盘存取速度的几十倍。优盘（或U盘）：是用“闪存”作为
