1、第第1章章 计算机计算机应用基础知识应用基础知识1.1 1.1 计算机发展概述计算机发展概述 1.1.1 计算机的产生和发展 1.1.2 我国计算机的发展 1.1.3 计算机的发展趋势 1.1.4 计算机的分类1.2 1.2 计算机的特点及应用计算机的特点及应用 1.2.1 计算机的特点 1.2.2 计算机的应用领域1.3 1.3 计算机系统的组成及工作原理计算机系统的组成及工作原理 1.3.1 计算机硬件系统的组成 1.3.2 计算机软件系统 1.3.3 计算机系统的工作原理1.4 1.4 计算机中数制的表示计算机中数制的表示 1.4.1 数制 1.4.2 不同数制之间的转换 1.4.3 计
2、算机中数据的表示及运算1.5 1.5 计算机中常用编码计算机中常用编码 1.5.1 数字编码 1.5.2 字符编码 1.5.3 汉字编码1.1.1 1.1.1 计算机的产生和发展计算机的产生和发展1.计算工具 远古时期，人类就懂得了手指计数，随后发明了结绳记事和刻计等计算和记录的办法。随着人类生产和交往活动的发展，人们对计算工具不断研究，继而发明了各种各样的计算工具。2.计算机理论 19世纪，人们发明和制造出能够接受和解析计算指令和预设程序，并能进行任何运算的机器“分析机Translate Machine”。1936年，英国人艾兰图灵Alan Turing提出了“图灵机Turing Machi
3、ne”的设想。“图灵机”不是一种具体的机器，而是一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数。20世纪40年代中期，数学家约翰冯诺依曼John Von Nouma提出寄存程序的概念，提出了具有存储器的电子计算机的结构模型。1.1.1 1.1.1 计算机的产生和发展计算机的产生和发展3、现代计算机 1943年，在宾夕法尼亚大学的约翰莫克利（John Mauchly）教授和他的学生普雷斯埃克特的领导下，与陆军阿伯丁弹道研究 实 验 室 共 同 研 制 世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机，取 名ENIAC(Electronic Numerica
4、l Intergrator and Computer),1946年2月15日运行成功。ENIAC使用电子管作为主要元器件，有18000多个电子管，每秒运算5000次加减法，重约130吨。与此同时，由冯诺依曼(John Von Neumann)提出的“存储程序和程序控制”的概念和计算机设计思想被今后的所有计算机所采用,其主要思想：（1）采用二进制形式表示数据和指令，即计算机接受的信息只有0和1两个信号。（2）计算机实现程序存储自动运行。即将程序和数据事先存在存储器中，使计算机在工作时能够从存储器中取出指令加以执行。4、计算机发展的几个阶段 根据计算机所采用的电子元器件及它的功能，我们可以将计算机
5、大致分为四个发展阶段。如下表所示。时期特征第一代第二代第三代第四代1946195719581963196419691970至今主要逻辑器件电子管晶体管中小规模集成电路大规模和超大规模集成电路主存储器水银延迟红存储器磁芯存储器半导体存储器半导体存储器辅助存储器穿孔卡片，纸带磁盘与磁带磁盘与磁带磁盘，光盘等大容量存储器运算速度（次/秒）数千条数百万条数千万条百亿条以上我国电子计算机的研制工作起步较晚，但发展很快。华罗庚教授是我国计算技术的奠基人和最主要的开拓者之一。在计算机研制方面我国与发达国家的差距主要不是推出同类型机器比国外晚几年，而是在于以下两点：（1）原始创新少，我们推出的计算机绝大多数都
6、是参照国外机器做一些改进，几乎还没有一种被用户广泛接受的体系结构由我们自己创新发展出来。（2）研制成果的商品化、产业化落后于发达国家。除了微机取得了令人自豪的产业化业绩外(但自主知识产权不 多)，工作站以上的高性能计算机的产业化道路还在摸索之中。1.1.2 1.1.2 我国计算机的发展我国计算机的发展计算机名称计算机名称研制成功时间研制成功时间运行速度运行速度银河银河-1983年每秒1亿次银河银河-1994年每秒10亿次银河银河-1997年每秒130亿次银河银河-2000年每秒1万亿次天河一号天河一号2009年每秒1206万亿次曙光一号曙光一号1992年每秒6.4亿次曙光曙光-1000-100
7、01995年每秒25亿次曙光曙光-1000A-1000A1996年每秒40亿次曙光曙光-2000-20001998年每秒200亿次曙光曙光-2000-20001999年每秒1117亿次曙光曙光-3000-30002000年每秒4032亿次曙光曙光-4000L-4000L2003年每秒4.2万亿次曙光曙光-4000A-4000A2004年每秒11万亿次曙光曙光-5000A-5000A2008年每秒230万亿次曙光曙光-星云星云2010年每秒1271万亿次神威神威-1999年每秒3840亿次神威神威3000A3000A2007年每秒18万亿次深腾深腾180018002002年每秒1万亿次深腾深腾6
8、80068002003年每秒5.3万亿次深腾深腾700070002008年每秒106.5万亿次天河二号天河二号2014每秒5.49亿亿次中国超级计算机谱系表1.计算机未来发展的趋势第五代计算机指具有人工智能的新一代计算机，它具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。第六代计算机将以仿生学为基础研制神经元计算机和生物计算机。同时未来计算机主要朝着巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化以及移动化的方向发展2.未来计算机主要有以下几个方面的突破(1)芯片元器件革新（2）运算速度提升（3）缩小体积（4）降低能耗1.1.3 1.1.3 计算机的发展趋势计算机的发展趋势1.1.4 1.1.4 计算机的分类
9、计算机的分类 一般情况下，电子计算机有多种分类方法，但在通常情况下采用3种分类标准。1按处理的对象分类 电子计算机按处理的对象分可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和混合计算机。2按性能规模分类 按性能规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。3按功能和用途分类 按功能和用途可分为通用计算机和专用计算机。1.2.1 1.2.1 计算机的特点计算机的特点 计算机作为一种信息处理工具，具有运算速度快，存储能力强，计算精确和逻辑判断能力，其主要特点如下：（1）运算速度快。当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，使大量复杂的科学计算问题得以解决。（2）计算机精确度高。由于计算机采用二
10、进制数字表示数据，精度主要取决于表示数据的位数。（3）具有记忆和逻辑判断能力。（4）有自动控制能力.计算机具有存储程序的功能。当用户实际工作需要时，只要按照事先设计好的程序步骤操作，无需人工干预。（5）可靠性高。1.2.2 1.2.2 计算机的应用领域计算机的应用领域 计算机的应用已渗透到社会发展的各个领域，正在多角度帮助人们提高工作，学习和生活方式，积极推动着社会的发展。计算机的应用可以分为以下几个方面：（1）数值计算与分析。（2）数据处理(信息处理)。（3）计算机辅助系统。（4）自动控制。（5）人工智能。（6）多媒体技术应用及计算机网络。1.3计算机系统的组成及工作原理计算机系统的组成及工
11、作原理 计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件系统是指计算机的硬件，包括CPU、主板、内存、显示器、硬盘、鼠标和键盘；软件系统是指运行于硬件系统之上的计算机程序和数据，通过对硬件设备进行控制和操作来实现一定的功能。软件系统的运行需要建立在硬件系统都正常工作的情况下。1.3.1 1.3.1 计算机硬件系统的组成计算机硬件系统的组成 1、计算机硬件基本结构 自从第一台计算机诞生，计算机的基本结构没有发生任何改变，都基于同一个原理：存储和程序控制的原理，这种设计思想是来源于冯诺依曼思想。计算机的硬件基本结构是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。如下图所示。在计算机内部，
12、基本上有两种信息在流动：一种是数据信息；另一种是控制信息。人们把表示计算步骤的程序和计算中需要的原始数据，在控制器输入命令的作用下，通过输入设备送入计算机的内存储器；当计算开始时，在取指令命令的作用下把程序指令逐条送入控制器；控制器向内存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器运算，并把计算结果存放在存储器中；在控制器和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。2、微型计算机硬件系统 （1）中央处理器（CPU）。中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，它是把计算机的运算器和控制器集中在一块芯片上。目前市面上CPU主要由Intel和AMD两家公司生
13、产。下面介绍CPU各部分的基本功能：运算器。运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Login Unit，简称ALU），是计算机组成中的。控制器。控制器是整个计算机的指挥中心，主要由指令、寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，它是用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。（2）存储器。存储器作用是用于存储程序和数据。根据工作特性，通常把存储器分为内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）两大类。内存储器。内存储器可以分为两大类，随机存储器（Random Access Memory,简称RAM）和只读存储器（Read Only Memory,简称ROM）。RAM
14、可随时进行读写操作。RAM中主要用来存放用户程序和数据等，当计算机断电后，RAM中的信息就会丢失。ROM中的信息只能读而不能写，ROM中主要用来存放一些固定的程序和数据,当计算机断电后ROM中的信息不会丢失。内存的特点是工作速度快，但由于价格因素，一般计算机中配置的容量较小。目前计算机内存一般有256MB、512MB、1024MB甚至更多。外存储器。外存储器作为计算机中的一种辅助存储器是不可缺少的。它是一种可读写的永久存储器，可以长期保存数据。内存中的数据在关机前需要存入外存储器，在下次开机时需从外存中将数据再读入到内存中，这样就不会因停电或关机而造成数据丢失。外存的特点是容量大，现在大部分都
15、在100G以上，但是其缺点是工作速度较慢。存储器的容量。表示存储容量的基本单位有：位（bit）、字节（byte）。把存储一个二进制（0或1）的空间称为位。位是最基本的存储单位。把8个位称为一个字节，即一个字节等于8位。字节是存储的基本单位。存储器的容量是用字节数来表示的。为表示较大的存储器容量，又可以用千字节（KB）、吉字节（GB）来表示存储器的容量，它们与字节之间的关系如下：1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 字长 指参与运算数据的基本位数，它决定了运算器和数据传输的位数，标志着计算机的精度。在计算机进行存储、传送和运算等基本操作时，作为一个整体被操作的二进制数称
16、为一个字(word)，一个字所包含的二进制位数称为字长。通常所讲的16位、32位计算机代表该计算机的字长分别为16位、32位。输入设备。输入设备是用来将计算机所需的数据，如文字、图形、声音等转变成计算机能识别和接受的信息形式。常用的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机、扫描仪等。输出设备。输出设备是把计算机处理的结果按一定的形式输出出来。常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪等。(5)总线与设备 计算机硬件由上述五大部分组成，而这几部分之间采用总线相连。总线是计算机内的公共信息通道，各部分共同使用它传送数据、指令及控制信息等。1.3.2 1.3.2 计算机软件系统计算机软件系统 计算机的软件按其
17、功能分，可分为两类：系统软件和应用软件。1、系统软件 系统软件是指管理、控制和维护计算机及外部设备、提供用户与计算机之间界面等方面的软件。它一般包括操作系统、语言编译程序和数据管理系统等。（1）操作系统 操作系统是系统软件的重要组成，它负责管理计算机系统的软硬件资源，调度用户作业程序和处理各种中断，从而保证计算机各部分协调有效工作的软件。（2）语言编译程序 人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或称程序设计语言。计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。2、应用软件 应用软件是为解决实际应用问题而编辑的软件。它包括广泛使用的各类应用程序和面向实际问题的各种程序。如文字处理软件、辅
18、助设计软件、信息管理软件等。（1）文字处理软件 文字处理软件主要用于用户对输入到计算机的文字进行编辑并能将输入的文字以多种字形、字体及格式打印输入。目前常用的文字处理软件有Microsoft Word2000、WPS2000等。（2）辅助设计软件 辅助设计软件用于高效地绘制、修改工程纸，进行设计中的常规计算。目前常用的有AUTOCAD等。1基本原理：计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。依此进行下去。直至遇到停止指令。2.
19、系统架构：由冯诺依曼奠定了现代计算机的基本结构。3.指令：人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。1.3.3 1.3.3 计算机系统的工作原理计算机系统的工作原理1.4 计算机中数制的表示计算机中数制的表示1进位计数制在计算机中，二进制并不符合人们的习惯，但是计算机内部却采用二进制表示信息，其主要原因有如下4点：（1）电路简单。在计算机中，若采用十进制，则要求处理10种电路状态，相对于两种状态的电路来说，是很复杂的。而用二进制表示，则逻辑电路的通、断只有两个状态。例如：开关的接通与断开，电平的高与低等。这两种状态正好用
20、二进制的0和1来表示。（2）工作可靠。在计算机中，用两个状态代表两个数据，数字传输和处理方便、简单、不容易出错，因而电路更加可靠。（3）简化运算。在计算机中，二进制运算法则很简单。例如：相加减的速度快，求积规则有3个，求和规则也只有3个。（4）逻辑性强。二进制只有两个数码，正好代表逻辑代数中的“真”与“假”，而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。用二进制计算具有很强的逻 辑性。用户在用计算机解决实际问题时输入和输出使用的是十进制数，而计算机内部采用二进制数。但是在计算机应用中又常常需要使用到十六进制或者是八进制的数，因为二进制数与十六进制数和八进制数正好有倍数
21、关系，如23=8，24=6，所以便于在计算机应用中进行表示。v1 十进制数日常生活中，人们习惯用十进制数来计数。十进制数，按“逢十进一”的原则进行计数，即每高位满10时向高位进1。对于任意一个十进制数，可用小数点把数分成整数部分和小数部分。十进制数的特点是：有10个数字字符0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；在数的表示中，每个数字都要乘以基数10的幂次。例如：十进制的数“124.58”可以表示为：（124.58）10=1102+2101+4100+510-1+810-2v2 二进制数按照“逢二进一”的原则计数，就是二进制数。二进制数基数为2，只有0和1两个数字符号。在数值的表示中，都要乘以
22、基数2的幂次。例如二进制数“1011.11”可以表示为：（1011.11）2=123+022+121+120+12-1+12-2v3 十六进制数十六进制数有16个符号，基数是16，分别用符号0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F表示，其中A、B、C、D、E、F这5个字符表示的是10、11、12、13、14、15这 6个数。计数时“逢十六进一”。十六进制的数“5A3F”表示为：v4 八进制数八进制数有8个符号，基数是8，分别用8个符号来计数，即0、1、2、3、4、5、6、7，计数时“逢八进一”。八进制数“457”可以表示为：（457）8=4182+5181+7801.4.
23、1 1.4.1 数制数制1.4.2 不同数制之间的转换不同数制之间的转换 1、二进制与十进制之间的转换用计算机处理十进制数，必须先把它转化成二进制数才能被计算机接受；同样，要把计算结果显示出来的话，也应该将二进制转化成人们习惯的十进制数。(1)十进制转换成二进制 在计算十进制与二进制之前的转换时，常常把整数部分和小数部分分别进行转换，然后将两部分连接起来就可以了。整数部分采用“除2取余法”，将被转换的十进制数连除2，直到商为0，每次相除所得的余数按相反的次序排列起来就是对应的二进制数。小数部分采用“乘2取整法”。将被转换的十进制数连乘以2，每次相乘后所得的乘积的整数部分就是对应的二进制数。v例
24、例1：将十进制（57）10转化成二进制数。例例1 1：将十进制（46）10转化成二进制数。所以（46）10=(101110)2。余数0011余数15 4622322余数0余数1低位高位22212余数1余数1例例2 2：将十进制（0.25）10转化成二进制数。所以（0.25）10=(0.01)2。(2)二进制转换成十进制 二进制数转换成十进制数，只要分别将个位乘以20，十位乘以21，依此类推，乘到最后一位，小数点后第一位乘以2-1，依此类推，将各项相加，得到十进制数。例3：将(10111.101)2转化成十进制数。(10111.101)2=124+023+122+121+120+12-1+02-
25、2+12-3=(23.625)10 所以(10111.101)2=(23.625)10 2、二进制与八进制、十六进制之间的转换。(1)二进制数转换为八进制数。将二进制数从小数点起，向左和向右每三位分为一组（不足三位的补0），然后分别写出每组对应的八进制数，即可得到所求的结果。二进制数转换为十六进制数。将二进制数从小数点起，向左和向右每四位分为一组（不足四位的补0），然后分别写出每组对应的十六进制数，即可得到所求的结果。八进制、十六进制数转换为二进制数。只需将每位八进制数或十六进制数写成三位二进制数或四位二进制数连接在一起就是对应的二进制数。整数最前面的0和小数最后面的0可以去掉。二进制0000
26、01010011100101110111八进制01234567二进制00000001001000110100010101100111十六进制01234567二进制10001001101010111100110111101111十六进制89ABCDEF二进制与八进制之间转换表二进制与十六进制之间转换表 经过收集、整理和组织起来的数据，就能成为有用的信息。数据是指能够输入计算机并被计算机处理的数字、字母和符号的集合。平常所看到的景象和听到的事实，都可以用数据来描述。可以说，只要计算机能够接受的信息都可叫数据。1计算机中的数据 计算机数据的表示经常用到以下几个概念。在计算机内部，数据都是以二进制的形
27、式存储和运算的。（1）位。二进制数据中的一个位（bit）简写为b，音译为比特，是计算机存储数据的最小单位。一个二进制位只能表示0或1两种状态，要表示更多的信息，就要把多个位组合成一个整体，一般以8位二进制组成一个基本单位。（2）字节。字节是计算机数据处理的最基本单位，并主要以字节为单位解释信息。字节（Byte）简记为B，规定一个字节为8位，即1B=8bit。每个字节由8个二进制位组成。一般情况下，一个ASCII码占用一个字节，一个汉字国际码占用两个字节。1.4.3计算机中数据的表示及运算计算机中数据的表示及运算（3）字。一个字通常由一个或若干个字节组成。字（Word）是计算机进行数据处理时，一
28、次存取、加工和传送的数据长度。由于字长是计算机一次所能处理信息的实际位数，所以，它决定了计算机数据处理的速度，是衡量计算机性能的一个重要指标，字长越长，性能越好。（4）数据的换算关系。1Byte=8bit，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB。计算机型号不同，其字长是不同的，常用的字长有8、16、32和64位。一般情况下，IBM PC/XT的字长为8位，80286微机字长为16位，80386/80486微机字长为32位，Pentium系列微机字长为64位。例如，一台微机，内存为256MB，软盘容量为1.44MB，硬盘容量为80GB，则它实际的存储字节数分别为：内存容量
29、=25610241024B=268435456B 软盘容量=1.4410241024B=1509949.44B 硬盘容量=80102410241024B=85899345920B 如何表示正负和大小，在计算机中采用什么计数制，是学习计算机的一个重要问题。数据是计算机处理的对象，在计算机内部，各种信息都必须通过数字化编码后才能进行存储和处理。由于技术原因，计算机内部一律采用二进制，而人们在编程中经常使用十进制，有时为了方便还采用八进制和十六进制。理解不同计数制及其相互转换是非常重要的。1.5计算机中的常用编码计算机中的常用编码 人类用文字、图表、数字表达和记录着世界上各种各样的信息，便于人们用来
30、处理和交流。现在可以把这些信息都输入到计算机中，由计算机来保存和处理。计算机最主要的功能是处理信息，信息有数值、文字、声音、图形和图像等各种形式。在计算机系统中，所有信息都是用电子元件的不同状态表示的，即以电信号表示。各种信息必须经过数字化编码后才能被传送、存储和处理，因此，掌握信息的存储是非常重要的。在数字系统中，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，而人们习惯于使用十进制数，所以在数字系统的输入输出中仍采用十进制数，这样就产生了用4位二进制数表示一位十进制数的方法，这种用于表示十进制数的二进制代码称为二十进制代码（Binary Coded Decimal），简称为BCD码v常见的BCD码
31、有以下几种表示（1）8421BCD编码（2）2421BCD编码（3）余3码1.5.11.5.1数字编码数字编码 vASC码目前国际上最流行的字符编码是“美国信息交换标准码”（American Standard Code for Information Interchange），简称ASC码。国际上通用的ASC码是一种位码，即每个字符的ASC码由七位二进制数组成。这种ASC码版本由个阿拉伯数字、个英文大小写字母、个标点符号和运算符以及个控制码，总共个字符(详表见课本)1.5.2 1.5.2 字符编码字符编码 到目前为止，汉字输入技术有三种类型。（1）汉字编码技术。把汉字的“字形表示”存储在计算机
32、中，在汉字输入过程中，对文字信息编码，当用户从键盘输入汉字的编码，即可得到相应的汉字。目前已有几百种汉字输入编码方案，通过评选，发展成为统一化和标准化。目前汉字编码的研究发展趋势是：词语输入，智能取码（指上、下文联想取字，取词）；适用不同类型的用户，以字为基础，词为主导，音形结合，智能处理，具体来说有音码、形码和音形结合码三种。（2）语音的合成和识别 用人工智能方式直接对文字或语音进行识别输入。其目标是实现计算机对自然语言的正确识别和准确理解，最终实现真正的人机对话。（3）手写体和印刷体的字形识别 通过扫描输入和手写输入汉字的办法实现汉字输入。目前，市场已具有语音的合成与识别、印刷体和手写体识别的系统成品，例如：汉王听写输入系统、紫光笔等。1.5.3 汉字信息处理技术汉字信息处理技术
