《大学计算机基础》

《大学计算机基础》

桂林电子科技大学汪瑾

适用教材：周娅等 . 大学计算机基础 . 桂林：广西师范大学出版社， 2013

大学计算机基础

1.1 　计算机你知多少

PC 启动时做了什么

计算机是如何工作的

从史前恐龙到现代宠物

计算机的能与不能


1.1.1 　 PC 启动时做了什么

PC 启动需要具备的条件

PC 启动成功的标志

热启动、冷启动

PC 启动时做了什么


CMOS: 存储计算机必备的启动信息和重要系统信息 ( 如日期、时间、启动设置等 ) 的芯片。可读写的 RAM 芯片，由纽扣电池供电。

BIOS （ Basic Input Output

System ）：基本输入输出系统。一组固化在计算机主板

上一个 ROM 芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。

1.1.1 　 PC 启动时做了什么


1.1.2 　计算机是如何工作的计算机的工作原理：

冯 · 诺伊曼

程序控制工作方式


1.1.3 　从史前恐龙到现代宠物

第一台计算机1946 年 2 月由美国宾州大学研制成功的 ENIAC电子计算机时代的到来

1946 年 2 月由美国宾州大学研制成功的 ENIAC电子计算机时代的到来

重达 30 吨占地 250 平方米启动工耗 150000 瓦18000 个电子管保存 80 个字节5000 次加法 / 秒

重达 30 吨占地 250 平方米启动工耗 150000 瓦18000 个电子管保存 80 个字节5000 次加法 / 秒


计算机的演变

电子管时代

迟延线或磁鼓做存储器，主要使用机器语言。速度慢，功耗惊人，用于科学计算和军事方面



计算机的演变

晶体管时代

磁芯做主存储器，磁盘机及磁带机做外存。使用汇编语言，出现 FORTRAN 、 BASIC 等。数据处理，事物管理



计算机的演变

集成电路时代主存采用半导体，出现批处理，分时及实时操作系统。开展了程序设计语言标准化及结构化工作。应用于科学计算、工业控制、数据处理等。



计算机的演变

大规模、超大规模集成电路

摩尔定律：芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。



电子管计算机时代晶体管计算机时代

集成电路计算机时代大规模、超大规模集成电路计算机时代

第五代计算机专家系统知识工程语音合成语音识别

智能机器人

电子计算机

的发展



1642 年 Pascal 加法器

1822 年巴贝奇差分机

1833 年巴贝奇分析机

1944 年阿肯MARK I

1946 年 ENIAC

唐朝

计算工具史料图片


计算机大家族家谱

按信息的表示和处理方式划分数字电子计算机

模拟电子计算机

数字模拟混合电子计算机

用电流、电压等连续变化的物理量直接进行运算的计算机。


气候模拟超级计算机“暴雪”


计算机大家族族谱

按计算机用途划分

专用计算机

通用计算机



“ 天河一号” 6144 个 CPU ， 5120 个

GPU ， 103 个机柜，占地面积近千平方米，总重量达到

155 吨。


按计算机规模与性能分巨型机大型机

中型机小型机微型机

字长 64 位主存 1G~4G

时钟频率 3GHz


天河 1 号

曙光“星云”



1.1.4 计算机的能与不能计算机能做什么

− 科学计算− 实时控制− 数据处理− 计算机辅助设计、制造、教学等− 文字处理和办公室自动化− 人工智能− 计算机网络应用


不能用计算机处理的情况：− 信息不能数字化

− 不能找到处理数据的算法

1.1.4 计算机的能与不能


1.2 　计算机内如何表示信息

计算机内如何表示信息计算机内如何表示英文符号计算机内如何表示汉字符号


1.2.1 　计算机内如何表示信息

计算机为什么采用二进制编码 ? 受制于元器件

二进制的运算规则很简单物理上容易实现数据的存储便于逻辑判断


3. 基数：一个计数制所包含的数字符号的个数。

十进制 :方法：用 0~9十个数字字符表示数的大小规则：逢十进一，借一当十1. 数制：表示数的方法和规则。

4. 权值：基数 R 的 i 次幂Ri 。

2. 进位（计数）制：按进位方式计数的数制。

常用 R来表示，例如：二进制的 R为2 ，十进制的 R为 10 等等

任何一个 R 进制都是由一串数码表示的，其中每一位数码所表示的实际大小，除了数码本身的数值以外，还与它所在的位置有关，由位置决定的值称为位值（或权值）。

一、基本概念


例如：有十进制数如下222.22 =200+20+2+0.2+0.

02

=2×102+2×101+2×100+2×10-1+2×10-2

=∑ai×10i

i=-2

2由此可知，任何一个十进制数整数都可以表

示为：N10=an×10n+an-1×10n-1+…+a1×101+a0×100

=∑ai×10i

i=0

n

权值

基数

其中： ai为数字字符 0~9中的一个， 10i为第 i项的权值

以这种方式表示数的方法也称为“按权展开法”


种类符号数字字符基数权值规则主要用途

十进制 D 0~9 10 10i 逢十进一计算机数据输入。

二进制 B 0 和 1 2 2i 逢二进一计算机内部使用

八进制 O 0~7 8 8i 逢八进一解决二进制书写不方便而采用，用在计算对地址和字符编码。

十六进制 H 0~9 、 A~F

16 16i 逢十六进一

表 1-1 数制种类

计算机使用八（十六）进制原因：二进制书写麻烦、容易出错、很难记忆，十进制与二进制之间的转换过程复杂，二进制与八（十六）进制之间转换简单。

二、数制的种类


十进制、二进制、八进制和十六进制对照表

十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制

0 0000 0 0 8 1000 10 8

1 0001 1 1 9 1001 11 9

2 0010 2 2 10 1010 12 A

3 0011 3 3 11 1011 13 B

4 0100 4 4 12 1100 14 C

5 0101 5 5 13 1101 15 D

6 0110 6 6 14 1110 16 E

7 0111 7 7 15 1111 17 F

二、数制的种类


二进制与十进制的转换二进制转化为十进制 :

按权相加，逢十进一

例 1:11001101.01011B=?

从“ 0”开始计位

数

11001101.01011B=127+ 126 + 025 + 024 + 123 + 122 + 021 + 120

+ 02-1 + 12-2 + 02-3 + 12-4 + 12-5

= 205.345 或 (205.345)10

76543210


二进制与十进制的转换

例 2:十进制转化为二进制 ,

205.345=?

十进制转化为二进制 :− 整数部分除 2取余 ,逆序排列 ,− 小数部分乘 2取整，顺序排列。


2052

102 1

2

25 12

12 12

6 02

3 0

2

51 0

低位

高位

2

1 12

0 1

余数

205.345=11001101.

01011B

低位

高位

0.3452

0.6902

2 0.760

2 1.520

2

1.380

1.04


转换规则：整数部分：从右向左按三 ( 四 ) 位进行分组小数部分：从左向右按三 ( 四 ) 位进行分组例：

1 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O)1 5 5 6 6 511 0110 1110.1101 01(B)=36E.D4(H) 3 6 E D 4

0100

二进制转换为八（十六）进制


二进制→八（十六）进制：

举例 10011100011（ B ） = (O)= (H)

10011100011（ B ）

= 010 011 100 011

= 2 3 4 3

10011100011（ B ）

= 0100 1110 0011

= 4 E 3

八（十六）进制→二进制：AE5（ H ） = (B) 365(O)= (B)

举例

AE5（ H ） = A E 5

= 1010 1110 0101

365(O)= 3 6 5

=011 110 101

2343

011110101101011100101

4E3

提示数值较大的十进制数转换为二进制数，可以先转化为十六进制。再转化为二进制，这样可减少长除法的步数。


转换规则− 一位八进制数对应三位二进制数− 一位十六进制数对应四位二进制数例如：

144(O)=001 100 100(B) 1 4 4

64(H)= 0110 0100(B) 6 4

八（十六）进制转换为二进制


英文符号指的是英文字母、标点符号和特殊符号，以及作为符号使用的数字。

1.2.2 计算机内如何表示英文符号

ASCII码—美国标准信息交换码用 7 位二进制数表示一个字符的编码，共有 27=128 个不同的编码值 .

计算机内部用一个字节存放一个 7 位ASCII码 .（最高位置 0 ）


ASCII 码表654

3210

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

“A” 所对应的ASCII码为1000001 ，十进制大小是 65

“e” 所对应的 ASCII码为 0101110


附录 1 ASCII 码（美国标准信息交换码）表

B6B5B4

B3B2B1B0

000 001

010

011

100

101

110

111

0000

NUL

DLE

（ sp)空格 32

0(48)

@ P 、 p

0001

SOH

DC1

！

1

A(65) Q

a(97)

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 回车 (13)

GS -

=

M ]

m }

1110 SO

RS · >

N ^

n

～

1111 SI

US

/

? O _

o DEL


空格的 ASCII 码是： 010

0000B=20H=32D

0~9 的 ASCII 码是：

30H(48D)~39H(57D)

A~Z 的 ASCII 码是：

41H(65D)~5AH(90D)

a~z 的 ASCII 码是：

61H(97D)~7AH(122D)

结论：

　　空格＜ 0~9<A~Z<a~z

ASCII 码的比较


1.2.3 　计算机内如何表示汉字符号

我国于 1981 年颁布了国家标准 GB2312-80 ，即信息交换用汉字编码字符集，由两个字节构成一个汉字交换码，简称国标码。为区别 ASCII 码而将字节的最高位置 1 。

国标代码表中，纵向分为 94 行 ,横向分为 94

列。行与列分别为七位，其值（ 0100001-

>1111110 ）


国标码


国标码

例如，汉字“中国”在两个字节中的存放为：

中 5650H国 397AH

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0

0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0


区位码将 GB2312-80 代码表中的行号称为区号，列

号称为位号，共 94 个区和 94 个位。每个汉字的区号和位号连起来就称为汉字的区位码。

区号和位号都用两位十进制数表示，不足前面补零。每个汉字或符号都用 4 位十进制数表示区位码是汉字的输入编码。

将区位码的区号和位号分别由十进制转化成对应的十六进制数，然后加上十六进制数2020H ，就得到对应的国标码。

汉字第一字节第二字节国标码区位码啊 0011 0000 0010 0001 30 21H 16 01D


十六进制编码十进制编码

区位编码

国标码编码

00……20 21 22 23 24 25 26 …………7C 7D 7E 7F

00 ～20

位区

1 2 3 4 5 6 ………………91 92 93 94

21 ～2F

1 ～ 15 非汉字图形符号（常用符号、数字序号、俄文、英文、法文、希腊字母、日文平、片假名等）

30 ～57

16 ～55

啊阿埃一级汉字（ 3755 个）

58 ～77

56 ～87 二级汉字（ 3008 个）

78 ～7E

88 ～94 空白区域

7F

国标字符集结构


机内码

机内码是指在计算机内部实际用来表示汉字的代码。

汉字机内码是以国标码规定的代码为依据，经转换后用两个字节表示一个汉字。每个字节的最高位均为 1.

转换规则：将十六进制的国标码加上8080H


1.3 　计算机如何实现计算

计算机如何实现数值运算计算机如何实现逻辑运算


1.3 　计算机如何实现计算

计算机的计算可以分为数值计算（函数计算、方程求解、微分、积分、概率统计等）和非数值计算（逻辑推理、比较、排序、查找等）两大类，它们都可通过一些基本运算来实现。


所有复杂的数值计算都可以用四则运算来实现

1.3.1 　计算机如何实现数值计算

加法运算规则

0 + 0 = 0

1 + 0 = 1

0 + 1 = 1

1 + 1 = 10

乘法运算规则

0 ×0 = 0

1 ×0 = 0

0 ×1 = 0

1 ×1 = 1


所有复杂的数值计算都可以用四则运算来实现

1.3.2 　计算机如何实现逻辑运算

逻辑“与”

0 AND 0 = 0

1 . 0 = 0

0 AND 1 = 0

1 . 1 = 1

逻辑“或”

0 OR 0 = 0

1 + 0 = 1

0 OR 1 = 1

1 + 1 = 1

逻辑“非”

NOT 0 = 1

1 = 0


1.4 　计算系统如何组成

计算机的基本结构和部件的功能

微型机的硬件系统组成

微型机的软件系统组成

计算机的性能如何评价


1.4.1 　计算系统如何组成

计算机系统由硬件（ hardware ）和软件（ software ）两大部分组成

计算机所有实体部件的集合

各种程序和文档的总和


冯 . 诺依曼式计算机的基本结构

1 运算器

2 存储器

3 控制器

4 输入设备

5 输出设备


冯 · 诺依曼式计算机工作流程

程序、数据

控制信号线数据信号线

存储器主机

中央处理器

输入设备输出设备

外存储器

内存储器

运算器控制器


1.4.1 计算机的基本结构和部件的功能运算器

运算器是计算机进行算术、逻辑运算的主要部件。

控制器控制器是计算机的指挥中心，控制和指挥计算各个部件的工作。控制器的工作过程就是按预先编制好的程序，不断地从存储器取指令、分析指令和执行指令的过程。

CPU


存储器存储器是计算机存储数据和程序的部件。存储的基本单位（字节 Byte ），最小单位（位 Bit ）。

1KB = 1024B = 210B

1MB = 1024KB = 220B

1GB = 1024MB = 230B

1TB = 1024GB = 240B

字节 BYTE

7 6 5 4 3 2 1 0

位 Bit

1.4.1 计算机的基本结构和部件的功能


容量大，存取速度慢，造价低

容量大，存取速度慢，造价低

容量小，存取速快，造价高

容量小，存取速快，造价高

内部存储器

外部存储器

存储器 RAM

ROM

只能读 , 不能写 ,但断电以后数据不丢失

能够随机读写 ,但断电以后数据立即丢失

CPU 内存外存Cache



输入设备功能：把数据或者程序输入到计算机

存储器中。常见设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、触摸屏和光笔等。

摄像头扫描仪触摸屏手写板



输出设备功能：把计算机处理后的信息以人们熟悉的形式输出。

常见设备：显示器、打印机、绘图仪、喇叭或者音箱等。



1.4.2 微型机的硬件系统组成

台式机

主机箱

鼠标键盘

音箱

显示器

笔记本电脑


电源

主机板

CPU 硬盘

光驱

内存条内存条显卡

主机箱


主机箱后面板键盘口鼠标口

LPT并口COM串口

显示器口

USB口

网络接口

麦克风口

音箱接口


主机板

内存条插座

IDE 接口IDE 接口

PCI插槽

显卡插座

主板芯片

主板电池

CPU插座


中央处理器 CPU

CPU是计算机最核心的部件，主要决定计算机的速度和性能。 CPU 的重要指标：字长和主频

字长：计算机一次同时能处理的二进制位数。字长越长，精度越高，运算速度越快。

主频： CPU 内核工作时的时钟频率。主频越高，速度越快。


中央处理器 CPU

英特尔 (Intel)

酷睿 i7 3960X盒装 CPU

32纳米六核处理器三级缓存


国产 CPU “ 龙芯”

采用 65nm 制程工艺和 BGA封装格式，具备 4 个 64 位超标量处理器核心，运行频率为 900MHz至 1GHz ，功耗在 15W左右。


内存条

微型机的存储器用来存放程序和数据，存储器容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微型机系统的性能。

内存条的正面

内存条的背面


外部存储器 - 硬盘

硬盘片

读写磁头

硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成

读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面

硬盘容量视具体类型而定

转速： 5400 ~7200转 / 分钟容量越大转速越高。

容量：硬盘是按柱面、磁头号和扇区来组织数据存储的。 160G~2T 不等。

柱面扇区

磁道


硬盘的磁道、扇区示意图

扇区

磁道

0 1 2… i

1

23

…

i

磁盘

记录面数 ×磁道数 /面 ×扇区数 /道 × 字节数 /扇区

软盘容量 = 2×80×18×512 = 1.44MB


第一块硬盘： IBM RAMAC 350

1956 年由蓝色巨人 IBM 公司展示的RAMAC （ Random Access Method of Accounting and Control ），而现代硬盘的雏形“温切斯特”硬盘也同样是出自 IBM公司。

RAMAC 具体规格为：容量： 5MB

磁盘数量： 50 个 24 英寸磁盘每英寸磁道数： 20

每英寸位数： 100

存储密度：每英寸 2kb

传输率： 0.0088MB/s


外部存储器 – 光盘

原理：运用光盘盘面的凸凹不平，表示“ 0” 和

“ 1” 的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘盘面，读取“ 0” 和“ 1” 的信息。

倍速 :

衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速率 = 150KB/秒。


DVD-ROM光盘存储器

DVD 光盘使用波长更短的红色激光，凹坑更小，轨道更紧密，具有更高的数据存储密度，信息存储量巨大。

一倍倍数 = 1358KBps （最高 16 ）光盘刻录机光盘种类：

• CD-ROM (只读型光盘 )• CD-R ( 一次性刻写 )• CD-RW (多次性擦除、重写和读

出 )

4.7G~17G


优盘：又名闪存盘。存储介质是由半导体材料做的闪存。体积小，容量大，读写速度快，可靠性高，抗震防潮。

特点：

移动硬盘：存储介质是硬盘片，一般在 20G-1TB之间，主要用于拷贝海量数据。

移动存储器


输入设备—键盘

PC 的输入设备，装有自己的微处理器，除了有通断功能外，还有一定的智能作用。

功能键专用键

编辑数字键

光标移动键

打字键


第一款键盘： QWERTY键盘 1868 年：美国新闻工作者克里斯托夫•肖尔斯（ C.Sholes ）发明了沿用至今的 QWERTY键盘。

1873 年使用此布局的第一台商用打字机成功投放市场。这就是为什么有今天键盘的排列方式。


输入设备—鼠标

Point-and-click 工作方式： − Windows 操作环境下的标准输入设备。用于选择窗口、菜单、控件等操作。− 鼠标器分机械式和光电式。− 鼠标的一个主要技术参数是分辨率（ dpi ），即鼠标每移动 1 英寸所能测出的点数。一般鼠标的分辨率为 200～ 400dpi 。


第一款鼠标：“搜寻点击”

恩格尔巴特是电脑界的一位奇才，被称为“人机交互”领域里的大师。 1963 年，美国国家专利局批准恩格尔巴特几年前提交的一份申请，确认一种叫“搜寻点击”的输入装置是一项独创的技术，“搜寻点击”装置又称为鼠标。

1982 年，技公司发明了第一款光机鼠标。次年苹果公司推出的 Iisa 电脑上第一次使用了鼠标作为 GUI界面操作工具。


第一款鼠标


输入设备

扫描仪

数码相机

条码扫描仪

摄像仪


输出设备—显示器显示器的分类阴极射线管显示器、液晶显示器。显示器的分辨率是显示器所能显示的像素的个数。像素越多，分辨率越高。如： 1024（行） ×768(列 ) 。

显示器的色彩位数指每一个像素点上表示色彩的二进制位数，表示该像素点最多能显示多少种不同的颜色。如： 24 位称为真彩色。 224=16777216 种不同色彩


输出设备—打印机打印机是计算机的基本输出设备，利用它，我们将

计算机处理信息以后的结果以书面形式表示出来。

点阵打印机

喷墨打印机

激光打印机

噪声大速度慢效果差

价格低廉耗才价格高喷头易坏

效果好速度快价格昂贵


输出设备—接口卡

显示卡： PC 机中负责图形图像信号处理的接口部件。

网卡： PC 机连入网络的接口部件。

声卡：实现声波／数字信号相互转换的一种硬件。


主机外部设备

CPU

计算机硬件系统

运算器控制器

内存储器外存储器

存储器输入设备

硬件

输出设备


1.4.3 微型机的软件系统组成

指令：指示计算机执行某种操作的命令。是二

进制形式的编码。由操作码与操作数地址码组成。

指令系统：即一台计算机所有指令的集合。

运算指令传送指令控制指令

输入输出指令特殊指令

运算指令传送指令控制指令

输入输出指令特殊指令


程序和程序设计

程序：指挥计算机实现某一种特定功能的一组命令序列。

1指令

2指令

3指令

n指令

┊

开始

结束

程

序

操作码操作数地址码

说明指令的功能说明指令操作的对象

传送指令： MOV AX , BX


程序设计语言机器语言二进制编码形式的机器指令及其使用规则的集合。计算机直接执行，速度快，直观性差。汇编语言是一种符号语言，它由基本字符集、指令助记符标号以及一些规则构成。较直观，易检查。但针对特定的计算机系统设计，对机器硬件依赖性强。高级语言接近人们自然语言的程序设计语言。通用性强。必须经过编译或解释程序翻译成机器语言后才能执行。


软件

为运行、管理和应用计算机所编制的所有的程序和支持文档的总和

应用软件

系统软件

用户程序应用软件包通用应用工具软件

编译程序连接装配程序诊断程序调试程序时序库

汇编程序编译程序解释程序

实用程序

语言处理程序

操作系统

计算机软件系统负责管理、控制和维护计算机的各种软硬资源的最基本的软件


1.4.4 计算机的性能如何评价

主频（时钟频率）基本字长存储器容量运算速度系统的可靠性


1.5 如何用计算机解决实际问题

用计算机解决问题的过程算法与程序程序设计


1.5 .1 用计算机解决问题的过程

人类解决问题的过程– 提出问题– 分析问题，建立数学模型– 找出解决问题的方法– 验证结果

用计算机解决问题的过程按照我们给出的方法和步骤进行计算，使我们更快更好地解决问题。


1.5 .2 算法与程序

算法的基本概念在规定的条件下能够执行的基本操作所组成的序列。从广义角度而言，这些可执行的解题操作序列都可以称为“算法”。

生活中的算法例：一位商人有 9枚银元，其中一枚略轻的是假银元。你能用天平将银元找出来吗？


1.5.2 算法与程序

计算中的算法例：已知三角形的三边 a,b,c 的长度，求三角形的面积。

开始

输入三边长

计算 p值

计算面积 S

输出面积

结束


1.5.2 算法与程序

算法的特征– 有零个或多个输入– 确定性– 有穷性– 有一个或多个输出– 可行性

算法的表达– 用自然语言来表达– 用图形符号来表达– 用程序实现算法


1.5.3 程序设计

程序的基本结构指程序执行时的控制

构。基本的控制结构有顺序结构、选择结构和循环结构。

程序设计的基本过程– 分析问题– 设计算法– 编写程序– 调试、运行程序– 编写文档


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《 大学计算机基础 》

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