重点：计算机系统的组成及其工作原理、数据编码与数制转换。

难点：数据编码与进制转换。

 

1.1 信息与信息社会

1.1.1     信息的定义与特点

信息：信息可以被认为是由信息源（如自然界、人类社会等）发出的被使用者接收和理解的各种信号。

信息的特点：

可识别性：信息是可以识别的，包括直接识别和间接识别。

  可存储性：信息可以通过各种方法进行存储。

  可扩充性：信息随着时间的变化，将不断扩充。

  可压缩性：人们对信息进行加工、整理、概括和归纳，使之精练，从而浓缩。

  可传递性：信息的可传递性是信息的本质特征。

  可转换性：信息可以由一种形态转换成另一种形态。

  特定范围有效性：信息在特定的范围内是有效的，否则是无效的。

  可量度性：信息可采用某种度量单位进行度量，并进行信息编码。

  可处理性：人脑就是最佳的信息处理器。计算机也具有信息处理功能。

  可再生性：信息经过处理后，可以其他形式再生。

  可利用性：信息具有一定的实效性和可利用性。

  可共享性：信息具有扩散性，因此可被共享。

1.1.2    信息技术的概念和发展

信息技术：信息技术是指对信息的获取、传递、存储、处理和应用的技术。

信息技术发展：

自人类诞生以来，信息技术已经历了5次革命。

  第1次信息技术革命是语言的使用

  第2次信息技术革命是文字的创造

  第3次信息技术革命是造纸术和印刷术的发明

  第4次信息技术革命是电报、电话、广播、电视的发明和普及应用

  第5次信息技术革命是计算机的普及应用和计算机与通信技术的结合

1.2  计算机的发展

1.2.1计算机的发展

一、电子数字计算机的诞生

1946年2月14日，美国宾西法尼亚大学莫尔学院研制出了世界上第一台电子数字计算机埃尼阿克（ENIAC）。

ENIAC计算机的诞生，标志着人类进入了电子数字计算机时代。

ENIAC计算机

Ÿ  主要器件：电子管。

Ÿ  占地面积：170平方米\30吨。

Ÿ  耗电：    150KW。

Ÿ  计算速度：5000次加法/秒。比机械式计算机快1000倍。

Ÿ  用途：弹道计算（科学计算）。

二、计算机的发展阶段

 

第一代

1946---1957

第二代

1958---1964

第三代

1965---1970

第四代

1971—至今

电子器件

电子管

晶体管

中小规模集成电路

大规模集成电路

内存

磁芯

磁芯

半导体

半导体

外存

磁带、磁鼓

磁带、磁盘

磁带、磁盘

  磁盘、光盘、U盘

软件

机器语言、汇编语言

高级语言

Fortran、Algol

操作系统

网络操作系统

软件产业

速度

几千次/S

几万次/S

几百万次/S

几百万次----

万亿次/S

代表机种

ENIAC

IBM701

IBM7090

IBM360

IBM430

IBM  PC

用途

军事、科研

科研、工控

各领域

各领域

新一代 人工智能计算机（研制中）

•    新一代计算机将具有形式推理、联想、学习和解释等人工智能。

•    新一代计算机系统的结构将突破传统的冯·诺依曼机器的概念，实现高度的并行处理。

三、计算机的发展趋势

（1）巨型化

 巨型机是指发展速度更快、存储容量更大、功能更强、可靠性更高的计算机。例如, 我国自行研制的面向网格的曙光5000A高性能计算机，运算速度可达230万亿次/秒.

（2）微型化

微型机、掌上机、商务通、嵌入式计算机等

（3）网络化

网络化是指利用通信介质和通信设备将分布在不同地理位置的计算机系统及计算机网络相互联接起来，实现计算机资源共享和通信.

（4）智能化

智能化是指使计算机模拟人的思维活动，利用计算机的“记忆”和“逻辑判断”能力，识别文字、图像和翻译各种语言。使其具有思考、推理、联想和证明等学习和创造的功能，真正替代人的思维活动和脑力劳动的电脑。

（5）多媒体化

 具有处理数字、文本、声音、图像、视频等多媒体信息综合能力。

1.2.2计算机的特点

电子计算机是一种能够存储程序并能自动运行的电子设备。

Ÿ  运算速度快

Ÿ  运算精度高

Ÿ  记忆能力强

Ÿ  具有逻辑判断能力和自动执行程序的能力

Ÿ  通用性强

1.2.3计算机的应用

（1）科学计算 。

（2）过程控制 ：数据采集→运算→控制撒范德萨的

（3）数据处理 ：OA、MIS等，占80%

（4）计算机辅助功能：

辅助设计(CAD)、辅助教育(CBE)、辅助教学（CAI）辅助制造(CAM)、

         集成制造系统(CIMS)、辅助工程(CAE)、辅助测试（CAT）

（5）人工智能（AI）：人机对奕、机器人等

（6）电子商务： 网上交易，企业与企业（B2B）、企业与个人（B2C）

1.2.4计算机的分类

计算机通常分类为：巨型机、小型机、个人机、工作站等

1.3 计算机的结构和工作原理

1.3.1     计算机的基本结构

现代计算机基本结构的奠基人普遍认为是著名美籍匈牙利科学家冯•诺依曼教授。1946年6月，冯•诺依曼和高法斯坦等人发表了《电子计算机装置逻辑结构初探》论文，其中最重要的三点如下：

（1）新型电子计算机应该以二进制为基础，而不是使用十进制。

（2）“存储程序、过程控制”设计思想，即程序设计者按计算要求编好程序，再把程序和数据以二进制的形式存放在计算机的存储器内，让机器自动执行程序，从而完成预定工作。

（3）计算机硬件体系结构由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并初步阐述了五大部件的基本功能：运算器的作用是执行指令进行算术运算和逻辑运算；控制器的作用是控制和调整计算机各部件协调地工作；存储器的作用是存放运行中的程序和数据；输入设备的作用是将数据输入到计算机中或由用户对计算机进行操作控制；输出设备的作用是将计算机处理的结果转换成用户熟悉的形式。

根据这个方案构成的计算机称为“冯•诺依曼”计算机，其硬件体系结构及工作流程如下图所示。

1.3.2    计算机的工作原理

计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序则由按顺序存放的指令组成。计算机在工作时，就是按照预先规定的顺序，取出指令、分析指令、执行指令，完成规定的操作。

第1步：将程序和数据通过输入设备送入存储器。

第2步：运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要做什么事。

第3步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出，送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中。

第4步：运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。

说明： 

指令是指能够控制机器工作的命令。一个指令，也就是一个操作，由操作码和操作数构成，分别表示何种操作和存储地址。

 程序是可以连续执行、并能够完成一定任务的一条条指令的集合。它是人与机器之间进行交流的语言。

1.4 微型计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由“硬件”和“软件”两大系统组成。

 

数据库管理系统

 

1.4.1微型计算机的硬件系统

计算机的硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成。硬件是指组成计算机的各种物理设备，简单地说，就是看得见，摸得着的东西，如主机（CPU、内存、硬盘、主板等）、显示器、鼠标、键盘等，如图1-5所示。它是计算机工作的物质基础。软件是相对于硬件而言的，是指为计算机运行工作服务的各种程序、数据及相关资料。

 

 

1.4.2 微型计算机常用外部设备接口

1.运算器（ALU）

  进行算术和逻辑运算的部件。

2.控制器（CU）

  计算机指挥中心。控制和协调各部件自动、连续、协调工作。

运算器和控制器合称为中央处理器（CPU），是电脑的核心部件，决定计算机的性能。  

主要由INTEL和AMD公司生产。

CPU的主要指标：  字长和 主频（时钟频率）

3.存储器

存储器是用来存放数据和程序信息的部件。待执行的程序和数据必须先从外存储器装入内存储器后才能运行。

（1）内存储器

（2）外存储器

软盘、硬盘、光盘、U盘等

Ÿ 硬盘

硬盘是最常用的外存储器，通常系统软件和应用程序都放在硬盘上。

硬盘容量=512B X 每道扇区数 X 柱面数 X  磁头数

硬盘的盘符为C：、D：、E：等

主要指标有：容量（80G、120G等）、转速（7200转/秒）

Ÿ USB移动硬盘 ： 存取速度快，即插即用

Ÿ U盘 ： 属于一种闪存，但掉电后不会丢失数据。即插即用

             常用规格有：128MB、256MB

Ÿ 光盘

                CD-ROM  只读

      光盘      CD-R    允许用户写入一次，反复读出         650MB

                CD-RW   可重复读写，需要专用光驱

                DVD-ROM  速度比CD-ROM快，容量可达4.7G

4.输入设备

将原始数据和命令输入计算机内存。最常用的有键盘和鼠标。扫描仪、读卡器、光笔、触摸屏、数字摄象机等

（1）鼠标

    鼠标是微机必备的输入设备。鼠标的主要功能是对光标进行快速移动，选中图像或文字等对象，执行命令等。

   鼠标的分类：机械式、光电式（需要带网格的专用拖板）、光学机械式。

（2）键盘
常用键的功能及使用：

《Enter》回车键。确认输入的信息行或命令结束，将光标移到下一行首。

《Shift》为上档键。在输入上档字符时，先按住此键，再按下双字符键，即可输入上档字符。

《Caps lock》为大小写字母输入切换键。

《Ctrl和Alt 》控制键。这两个键往往分别与其它键组合使用。用来表示某个控制和操作。其组合功能，由不同的软件系统来决定。

《ESC》为强行退出键。取消或退出当前操作状态。

《Printscreen》抄屏键。将屏幕内容送到剪贴板上。

《 PgUp和PgDn 》 屏幕翻页键。

《 Ctrl+Space  》 中英文输入状态切换

《 Ctrl+Shift 》 中文输入法切换

《Ins或Insert》为插入/替换键。

《Del或Delete》为删除键。

 

5.输出设备

 最常用的有显示器和打印机。还有绘图仪、投影仪、音响等

（1）显示器

 阴极射线管（CRT）、液晶（LCD）、等离子

主要指标有：分别率、尺寸、灰度级（256色、65536色、真彩）

显卡（显示适配器）：用于连接显示器，常见有PCI、AGP接口

 显示器必须与显卡配合才能发挥效能。

（2）打印机的功能及工作原理

按其工作原理分类： 针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

Ÿ 针式打印机

针式打印机由走纸装置、控制和存储电路、打印头、色带等组成。常见的点阵打印机头有9针、24针。

Ÿ 喷墨打印机

 这种打印机不用色带，而把墨水储存于可更换的盒子之中，通过毛细管作用将墨水直接喷到纸上。喷墨打印机的打印质量较高、噪音小，家庭环境中常选这种打印机。

Ÿ 激光打印机
    激光打印机由激光发生器和机芯组成核心部件。激光头能产生极细的光束，经由计算机处理及字符发生器送出的字形信息，通过一套光学系统形成两束光，在机芯的感光鼓上形成静电潜像，鼓面上的磁刷根据鼓上的静电分布情况将墨粉粘附在表面并逐渐显影，然后转印到纸上。激光打印机打印质量高、速度快、噪音低。

打印机性能指标：

Ÿ 分别率----dpi（点数/英寸），目前喷打和激打都在1200dpi以上

Ÿ 打印速度----一般以（页数/分）、行数/分、字符数/秒 表示

注意：磁盘驱动器既可作为输入设备，有可作为输出设备

 

6.系统总线（BUS）和扩展槽

总线：是指计算机系统部件之间传递信息的公共通道。

数据总线（DB）：用于传输数据

地址总线（AB）：用于传输地址信息

控制总线（CB）：用于传输控制信息

 

7.外设接口（I/O接口）

 是CPU与外设交换信息的“桥梁”

（1）显卡

用于连接主机与显示器，显示器必须与显卡配合才能发挥最大效能。微机中显卡标准有：

    CGA（320X200）、EGA（640X350）、VGA（640X480）

    SVGA（800X600）、TVGA（1024X768）

显卡指标：位数、显存

    16位显卡支持 216=65536种颜色，24位以上称为真彩。

（2）并行接口（LPT1、LPT2）

    一次并行输出一组数据，常用于打印机、绘图仪等。

（3）串行接口（COM1、COM2）

    常有9针和25针之分，常用于调制解调器、鼠标等。

（4）USB接口（通用串行总线标准）

    可热插拔，常用于鼠标、数码相机、U盘等。

（5）声卡的工作原理 

麦克风和喇叭所用的都是模拟信号，而计算机所能处理的都是数字信号，两者不能混用，声卡的作用就是实现两者的转换。目前大多数集成在主板上。按数字化精度分为16位、32位、64位。

（6）Modem（调制解调器）

计算机拨号上网的必备设备。功能是完成模/数转换、数/模转换。

（7）网络接口卡

计算机连接局域网的必备设备。

 

1.4.3 微型计算机的主要技术指标

 

微机的主要技术指标有性能、功能、可靠性和兼容性等，技术指标的好坏由硬件和软件两方面决定。

性能指标：

微机的性能主要指微机的速度与容量。评价计算机的性能指标，一般情况下可参照以下几项：

Ø    CPU核心数和主频速度

       一般说来，CPU主频越高、核心数越多，运算速度就越快。主频是指CPU的时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数目，它在很大程度上决定了计算机的运行速度。

Ø    字长

      指CPU一次能处理的二进制数据的位数。字长都是字节的1，2，4，8倍，如8位、16位、32位等。目前，64位计算机已基本普及。

Ø  运算速度

       运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。通常所说的计算机运算速度（平均运算速度）是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令/秒”（MIPS）来描述。

Ø    存储容量

       存储容量分为内存容量和外存容量。内存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在主存中的，其容量的大小反映了计算机即时存储信息的能力；外存储器容量通常是指硬盘容量（包括内置硬盘和移动硬盘）。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。存储容量目前基本都达到GB，甚至达到TB级别。

Ø    外部设备配置

       微机外部设备的性能对系统也有直接影响，如硬盘的配置、硬盘接口的类型与容量、显示器的分辨率、打印机的型号与速度等。

功能指标：

微机的功能指标指它提供服务的类型。随着微机的发展，3D图形功能、多媒体功能、网络功能、无线通信功能等，都已在微机中实现，语音识别、笔操作等功能也在不断探索解决之中，微机的功能将越来越多。微机硬件提供了实现这些功能的基本硬件环境，而功能的多少，实现的方法主要由软件实现。例如，网卡提供了信号传输的硬件基础，而浏览网页、收发邮件、下载文件等功能则由软件实现。微机的所有功能用户都可以通过软件或硬件的方法进行测试。

可靠性：

可靠性指在给定时间内计算机系统能正常运转的概率，通常用平均无故障时间表示，无故障时间越长表明系统的可靠性越高。

兼容性：

兼容性是指硬件之间、软件之间或是软硬件之间协调工作的程度。

软件兼容性指软件运行在某一个操作系统下时，可以正常运行而不发生错误；硬件兼容性指不同硬件在同一操作系统下运行性能的好坏。硬件产品的兼容性不好，一般可以通过驱动程序或补丁程序解决；软件产品的不兼容，一般通过软件修正包或产品升级解决。

1.4.4 微型计算机的软件系统

 

1.系统软件

     是指管理、控制和维护计算机系统，开发各种应用软件的支撑程序。

 

（1）操作系统

 是计算机系统的核心软件，是用户与计算机的接口。

 

用户面对的计算机

Ÿ 操作系统的主要功能包括：

 

 CPU管理、设备管理、存储器管 理、文件管理、作业管理。 目的是提高计算机运行效率和用户使用效率。

 

常见操作系统有：Windows、Unix、Linux、Dos

 

（2）语言处理程序

（3）数据库管理系统

用于建立和管理各种数据资源库（VFP、ACCESS、SOL SERVER）

（4）系统支撑服务程序

系统诊断程序、调试程序、编辑程序、杀毒程序等

2.应用软件

为解决计算机应用问题，利用系统软件开发的各种应用程序

（1）专用应用软件

为解决用户特定任务而开发的软件（如售票系统、财务管理等MIS）

（2）通用应用软件

为解决某一类问题而开发的软件（如Office、AutoCAD等）

 

1.5 计算机中数据的表示

信息在计算机中是以二进制数制进行处理和存储的。数制就是用一组固定的数字符号和一套统一的规则来表示数值的方法，也称计数制。

1.5.1 常用数制的表示方法

在计算机领域中，常用的计数进位制有4种：十进制、二进制、八进制和十六进制，下表列出了这4种常用进位制的表示。

数制按照进位制原则，而数位、基数和位权是进制中的三要素。

数位：指的是数字在数中的位置。

基数：某进位计数制允许选用的基本数字符号的个数。如：R进制数的基数为R。

位权：某进位计数制中各位数字符号所表示的数值等于该数字符号值乘以一个与数字符号有关的常数，该常数称为“位权”（简称“权”），即第i位位权的大小=基数的i次方。

i 的取值法为：以小数点为基准，整数部分自右向左依次为0，1，2，…，递增，小数部分自左向右依次为-1，-2，…，递减。

1．十进制数（Decimal）

基数为10，有十个数字符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，采取逢十进一的计数方法。

2．二进制（Binary）

基数为2，只有两个数字符号，即0、1，采取逢二进一的计数方法。在给定的数中不能有其他的数字出现，例如2310不是二进制数。

3．八进制（Octal）

基数为8，有八个数字符号，即0、1、2、3、4、5、6、7，采取逢八进一的计数方法。在给定的数中不能有大于7的数字出现，例如592不是八进制数。

4．十六进制（Hexadecimal）

基数为16，有十个数字符号和六个字母符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F，采取逢十六进一的计数方法。在给定的数中不能有大于F的字母出现，例如37H.4A不是十六进制数，2D3.E5是一个正确的十六进制数。

 

1.5.2 常用数制之间的转换

一、非十进制数转换成十进制数

十进制数是人们经常接触的进制形式，一般将非十进制数转换为十进制数较为容易比较其大小。非十进制数转换成十进制数只需要将其按位权展开求和，其最后相加的结果即为对应的十进制数。

方法是：将其他进制按权位展开，然后各项相加，就得到相应的十进制数。

【例1-1】  N=（101101.01）B

=1×25 + 0×24 + 1×23 + 1×22 + 0×21 + 1×20 + 0×2-1 + 1×2-2

=32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 + 0 + 0.25

=（45.25）D

【例1-2】  N=（634.03）O

=6×82 + 3×81 + 4×80 + 0×8-1 + 3×8-2

=384 + 24 + 4 + 0 + 0.046875

=（412.046875）D

【例1-3】  N=（3A6E.5）H

=3×163 + 10×162 + 6×161 + 14×160 + 5×16-1

=12288 + 2560 + 96 + 14 + 0.3125

=（14958.3125）D

二、十进制数转换成二进制数

整数部分是不断地除以2，然后采用倒序取余数的方法。小数部分是不断地乘以2，采用顺序取整数的方法。

【例1-4】  N=（25.625）D =（11001.101）B

将25.625的整数部分和小数部分分开处理：

三、二进制数与八进制或十六进制数之间的转换

【例1-5】  二进制转换成八进制

N=（1100.110101）B =（14.65）O

（001 100.110 101）B =（14.65）O（整数高位补0）

Ø      1   4  6   5

【例1-6】  二进制转换成十六进制

N=（10011111.101001）B =（9F.A4）H

（1001 1111.1010 0100）B =（9F.A4）H（小数低位补0）

Ø      9   F    A   4

十六进制与八进制转换成二进制的方法同上。

【例1-7】  八进制转换成二进制

N=（52.74）O =（101010.111100）B

（5  2 .  7  4）O =（101010.111100）B

Ø      101 010.111 100

 

1.5.3 字符编码

一、ASCII码

字符是计算机中使用最多的信息形式之一。在计算机中，要为每个字符指定一个确定的二进制编码，作为识别与使用这些字符的依据。字符编码就是规定用二进制数表示文字和符号的方法。

       目前，普遍采用的字符编码是ASCII码（美国标准信息交换码），使用指定的7位或8位二进制数组合来表示128或256种可能的字符。标准ASCII码也叫基础ASCII码，它使用7位二进制数来表示所有的大写和小写字母，十进制数字符号0～9，各种运算符、标点符号，以及在美式英语中使用的特殊控制字符。

       ASCII码是唯一的，不可能出现两个字符的ASCII码值一样。

二、汉字编码

汉字编码是为汉字设计的一种便于输入到计算机的代码。由于电子计算机现有的输入键盘与英文打字机的键盘完全兼容，因此如何输入非拉丁字母的文字（包括汉字）便成了多年来人们研究的课题。汉字信息处理系统一般包括编码、输入、存储、编辑、输出和传输。编码是关键，不解决这个问题，汉字就不能进入计算机。根据应用目的的不同，汉字编码分为外码、交换码、机内码和字形码。

Ø 外码（输入码）

       外码也叫输入码，是用键盘将汉字输入到计算机中的编码方式。目前，常用的输入码有拼音码、五笔字型码、自然码、表形码、认知码、区位码和电报码等（一种好的输入码应具有编码规则简单、易学好记、操作方便、重码率低、输入速度快等优点），用户可根据自己的需要进行选择。

 

Ø   交换码（国标码）

       为了满足国内在计算机中使用汉字的需要，中国国家标准总局发布了一系列的汉字字符集国家标准编码，统称为GB码。其中最有影响的是于1980年发布的《信息交换用汉字编码字符集•基本集》，标准号为GB 2312—1980，因其使用非常普遍，也常被通称为国标码。

Ø 机内码

       根据国标码的规定，每一个汉字都有了确定的二进制代码。在微机内部，汉字代码都用机内码，在磁盘上记录汉字代码也使用机内码。

Ø 汉字的字形码

       字形码是汉字的输出码，输出汉字时都采用图形方式，无论汉字的笔画多少，每个汉字都可以写在同样大小的方块中，通常用16×16点阵来显示汉字。