大學計算機基礎

第1章計算機與社會信息化第2章微型計算機及常用軟件第3章操作系統基礎知識第4章計算機網絡基礎第5章信息系統安全與社會責任第6章算法與數據結構第7章數據庫技術基礎第8章多媒體技術基礎第9章程序設計基礎第1章計算機與社會信息化主要內容:

計算機的發展和應用領域

硬件系統和軟件系統組成及各主要部件的功能

計算機編碼和數制

要求：了解計算機的發展和應用領域；了解硬件系統的基本配置、主要性能指標、硬件

和軟件系統的組成；

理解和掌握數制轉換和數據編碼的概念和方法。1.1計算機發展簡介1.2信息技術概述1.3計算機系統組成1.4計算機硬件組成1.5計算機軟件分類1.6工作原理及技術指標1.7數制及其運算1.8文字信息編碼形式1.1計算機發展簡介1.1.1計算機的發展歷程19世紀50年代，英國數學家喬治·布爾(1815—1864)創立邏輯代數，奠定電子計算機的數學理論基礎；1936年英國科學家圖靈(1912—1954)首次提出邏輯機模型一圖靈機；1946年2月美國賓州大學的電子數值積分計算機(ENIAC)是世界上第一臺電子計算機。

1948年8月，著名美籍匈牙利數學家馮·諾依曼(1903—1957)提出離散變量自動電子計算機(EDVAC)方案。EDVAC計算機方案提出3條思想：計算機基本結構：計算機硬件應具有運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等五大基本功能。采用二進制數：二進制數便于硬件實現，又有簡單的運算規則。存儲程序控制：存儲程序實現自動計算。確定了馮·諾依曼型計算機基本結構。

60多年來，雖然計算機系統從性能指標、運算速度、工作方式、應用領域等方面與當時計算機有很大差別，但基本結構沒有發生變化，都屬于馮·諾依曼結構。

計算機經歷了四代發展歷程

第一代（46～58）為電子管計算機：電子管、汞延遲線存儲器和磁鼓等、速度1萬次／秒、內存2KB、機器語言。第二代（58～64）為晶體管計算機：晶體管、磁芯存儲器等、速度為300萬次／秒、內存32KB、匯編語言、FORTRAN和COBOL等。第三代（64年～70年）為中小規模集成電路計算機：中小規模集成電路、半導體存儲器、磁盤等、速度1—10億次／秒、內存8MB一256MB；軟件有操作系統、結構化程序設計語言、并行算法、數據庫等。第四代（1971年至今）為大規模、超大規模集成電路計算機：集成電路等：速度10億次以上／秒：內存256MB—4096MB。

1.1.2計算機分類

按計算機運算速度、字長、存儲容量、軟件配置及用途等多項性能指標劃分：

1.

高性能計算機指目前運算速度最快、處理能力最強的計算機。2.微型計算機個人計算機（PC—PersonalComputer）。

3.工作站介于微計算機與小型計算機之間的高檔微機系統。4.服務器高性能計算機，用于網絡管理、運行應用程序、處理網絡工作站成員的信息請求等。5.

嵌入式計算機計算機作為一個信息處理部件，嵌入到其他設備中，使其成為智能化和自動化程度更高的設備。

1.1.3計算機的主要應用領域1.科學計算：如導彈的發射，宇宙飛船的飛行軌跡計算等。2.

數據處理：指對信息收集、轉換、分類、統計、存儲和輸出等，用日常事務、科學管理方法與決策。3.過程控制：采集、分析處理數據，計算和判斷，對所控制對象進行調整，自動控制。常用于電力、冶金、石油化工、機械等工業。

4.計算機輔助系統：輔助設計、制造、教學等。5.人工智能：機器人、專家系統、模式識別。6.信息高速公路：信息網絡連成一個全國性大網，使各種形態信息在計算機網絡中高速傳輸。7.多媒體技術：將現代聲像技術和通信技術融為一體。1.1.4計算機發展的趨勢

1.人工智能進一步發展

自動裝置使用微電腦內核，帶有“眼睛”—攝像機，用以完成特定工作。

2.計算機與通信相結合

計算機應用進入網絡時代。計算機與通信網絡相互協調、相互補充，融于一體。

3.未來新型計算機

將由磁、光或DNA來制造，即所謂磁計算機、光子計算機、生物計算機和量子計算機。1.2信息技術概述信息技術以計算機技術、通信技術和控制技術為核心

1.2.1信息與數據數據是信息的載體和表示形式，而信息是數據表達的內涵或解釋。

1.

信息

客觀存在的事物及其運動狀態的表征

2.

信息的基本特征 ①普遍性②寄載性③共享性 ④時效性⑤可識別性⑥可加工性

3.數據

數據是信息的載體。

4.信息數字化將現實世界中的信息轉換為計算機能識別、存儲和處理的形式1.2.2現代信息技術

信息技術是利用信息科學原理和方法，研究產生、獲取、變換、傳輸、存儲、處理和利用信息的技術。

1.2.3信息技術的發展趨勢①多學科結合②智能化③多媒體化④高速度、網絡化

1.2.4信息化社會

信息化社會是以信息活動為社會發展的基本活動。信息化水平是衡量一個國家或地區國際競爭力、現代化程度、綜合國力和經濟成長能力的重要標志。

計算機系統組成1.3（外）存儲器（內）存儲器中央處理器（CPU）控制器輸入設備輸出設備數據流地址控制流運算器計算機工作原理1.4計算機硬件組成（外）存儲器（內）存儲器中央處理器（CPU）輸入設備輸出設備運算器控制器1.4計算機硬件組成數據流指令控制流1.4.1

中央處理器

（CPU為控制器和運算器的總稱）中央處理器是計算機硬件系統的核心，計算機的主要性能決定于CPU。1運算器是用來進行算術、邏輯運算的部件。在控制器的控制下執行程序中指令，完成算術、邏輯、比較、移位以及字符等運算。運算器中包含：算術邏輯運算單元ALU內部總線

寄存器組

是執行算術和邏輯運算的裝置，其核心是加法器。是中央處理器(即運算器和控制器)中信息傳送公共通道。暫存參加運算的操作數和中間結果。常用的寄存器有累加寄存暫存寄存器、標志寄存器和通用寄存器等。2.控制器是神經中樞，控制、協調各部件自動、連續地執行指令，控制計算機有條不紊地工作。控制器依次從存儲器取出指令，翻譯指令，分析指令，向其他部件發出控制信號，指揮各部件協同工作。①

取指令

②

分析指令③

執行指令

④

改變指令執行順序

⑤

輸入/輸出控制⑥

中斷處理控制器由程序計數器(PC)、指令寄存器(IP)、指令譯碼器(ID)、時序控制電路及微操作控制電路等組成。控制器能自動地形成指令地址，發出取指信號，從存儲器中取出指令送回控制器。由指令譯碼器來識別指令的功能，分析指令的操作要求，將指令分解成一系列微操作，以便發出相應命令，執行相應的操作。按一定順序執行一系列微操作命令，使相應部件完成各種動作。

在編制程序中利用指令系統中的轉移類指令，改變指令執行的正常順序?？刂破饕鶕噶畹囊?，確定是否改變下條指令地址。由控制器通過指令指揮主機與輸入／輸出設備之間交換信息。若收到非預期事件的中斷請求，CPU響應中斷，暫停執行現行指令，轉向為非預期事件服務，待服務完畢，恢復CPU原工作，這一過程就是中斷處理。1.4.2存儲器用于存儲程序和數據的部件。

兩種基本操作：

①讀操作②寫操作

存儲容量單位：B字節、KB（千字節）、MB（兆字節）和GB（千兆字節）。它們之間的換算關系為：1字節（Byte）＝8個二進制位（bits）

1KB＝210B＝1024B1MB＝220B＝1024KB1GB＝230B＝1024MB存儲器分為主存儲器(內存)和輔助存儲器(外存)。主存儲器用于存放現行程序的指令和數據，具有存取速度快、可直接與CPU交換信息等特點而輔助存儲器中數據只有先調入主存儲器后才能由CPU訪問和處理，它主要用于存放需要長期保存的信息。1．主存儲器(內存)系統對主存儲器采取按地址存(寫)取(讀)的工作方式。內存體內包含許多存儲單元，存儲單元按一定順序編號，編號稱為存儲單元地址。主存儲器有隨機存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)：隨機存儲器(RAM--RandomAccessMemory)：保存計算機正在執行的程序和數據，它由記憶元件和電子線路構成，是臨時存儲區域，系統掉電后信息丟失。只讀存儲器(ROM—ReadonlyMemory)：對這部分存儲器只能讀取，不能寫入。系統掉電后信息并不丟失。它存儲計算機出廠前，由廠家通過特殊設備寫入的程序和數據。2．輔助(外)存儲設備

輔助存儲器是—個外部長久存儲區域。當電源關閉時，其存儲信息不會丟失，因此稱其為非丟失存儲器、外存儲器或永久存儲器。輔助存儲設備用于長期存放信息，一般只與內存進行信息交換。常用輔助存儲器有磁盤存儲器、光盤以及U盤等。

硬盤的結構柱面、磁頭、扇區唯一確切的扇區：0柱面、1磁頭、2扇區柱面扇區磁道容量=磁頭數

柱面數

扇區數（字節數/扇區）1.4.3輸入輸出設備輸入輸出(I／O)輸入是通過外設將信息送入主機，而輸出是將主機中數據送到外設。1．輸入設備輸入設備是指向主機輸入程序、原始數據和操作命令等信息的設備。目前，使用最普遍的輸入設備是鍵盤、鼠標。還有光筆、圖形輸入板、觸摸屏、數字化掃描儀、圖像攝像儀、光學字符閱讀器、聲音識別器等都是輸入沒備。2．輸出設備

輸出設備將計算機處理后的信息，轉換成人們能識別的形式：如數字、符號、文字、圖形、圖像或聲音等輸出。常見輸出設備:

打印機輸出信息打印在紙質載體上，能長久保存，故又稱硬拷貝設備。顯示器是以屏幕作為記錄輸出信息的載體它輸出的信息是臨時的。繪圖儀可以繪制各種圖形、圖表，記錄在繪圖紙載體上。聲音合成器能將計算機輸出的信息變換成聲音，通過揚聲器輸出。1.5計算機軟件分類軟件是計算機硬件完成一定任務所需的程序、數據和資料，即為運行、管理和維護計算機所編制的各種程序和文檔的總和。軟件分為兩大類：系統軟件和應用軟件。1.5.1系統軟件

是指用于計算機系統內部的使用、管理、維護、控制和運行，以及計算機程序編輯、翻譯、裝入、控制和運行等軟件。為應用軟件提供運行平臺，為開發應用系統提供工具。

系統軟件包括操作系統、語言處理系統、數據庫系統和服務程序4大類。1.操作系統（OS）

為了合理方便地利用計算機系統而對其資源進行管理的軟件。操作系統的功能：①進程管理、②存儲管理③設備管理、④文件管理

操作系統各種應用程序DOS通過4種管理，對計算機系統的軟、硬件資源實施管理。是計算機軟件系統的核心

2.語言處理系統通過計算機語言系統可以編寫程序，控制計算機完成預定任務。計算機語言分為機器語言、匯編語言和高級語言。3.數據庫管理系統

管理數據庫的軟件，主要面向解決數據處理的非數值計算問題。目前多用于檔案管理、財務管理、圖書資料管理及倉庫管理等。4.服務程序完成一些與管理計算機系統資源及文件有關的任務。如：診斷、反病、卸載、備份、文件壓縮程序。1.5.2應用軟件針對某一應用目的而開發的軟件。分為二大類：通用應用軟件專用應用軟件

通用應用軟件支持最基本的應用，廣泛地應用于幾乎所有專業領域。如：Office、PhotoShop、多媒體創作軟件Authorware等。專用于某一個專業領域，如醫院、律師事務所、學籍及成績管理等。1.6計算機工作原理及主要技術指標計算機工作過程是執行程序的過程。程序是由一系列指令的有序集合，執行程序即執行指令。1．計算機的指令系統指令是使計算機完成某個操作所發出的命令。是計算機能識別并執行的二進制代碼，所有指令集合稱為該計算機的指令系統。一條指令通常由兩部分組成：操作碼：操作數：指令系統是提供編制程序的基本依據。指明該指令要完成的操作類型或性質，如取數、做加法或輸出數據等。指明操作對象的內容或所在單元地址。2.計算機工作原理兩個階段：首先將要執行的指令從內存中取出送入CPU;然后由CPU對指令進行分析譯碼，判斷該條指令要完成的操作，向各部件發出完成操作的控制信號，完成指令功能。當執行完一條指令再處理下一條指令。第一階段稱為取指周期，第二階段稱為執行周期。計算機工作時，有兩種信息在執行指令過程中流動：數據流控制流指原始數據、中間數據、結果數據和源程序等?？刂屏魇怯煽刂破鲗χ噶钸M行分析、解釋后向各部件發出的控制命令，指揮各部件協調地工作。3．計算機主要技術指標字長：指一次能并行處理二進制的位數。主頻：計算機中CPU的時鐘周期。運算速度：計算機每秒所能執行加法指令的次數。存儲容量：存儲容量包括主存容量和輔存容量。存儲周期：存儲器進行一次完整存取操作所需的時間。1.7數制及其運算在計算機內部，數用物理器件的狀態表示，能區分十種不同物理狀態的物理器件很難實現，因此計算機中采用具有兩個不同穩態的電子器件表示數，這就是二進制數。為書寫和表示方便，引進八進制和十六進制數。1.7.1進位計數制在計算機的進位計數制中有數位、位權和基數3個要素。數位--指數碼在一個數中所處位置；位權--由位置決定的值；（位權用基數R的i次冪Ri表示）基數--一個計數制所包含的數碼個數。

1.十進制計數制十進制數的基數是10。數碼有0—9共10個數字符號。數碼處于不同位置(位數)代表不同數值。

例如301.6876可寫成權展開表示式：301.6876＝3×102＋0×101＋1×100＋6×10－1＋8×10－2＋7×10－3＋6×10－42.R進制計數制 任意R進制計數制同樣有基數R、位權Ri和按權展開的表示式。R可以是任意正整數?；鶖担阂粋€計數制所包含的數碼個數。用R表示權位：每一位數碼所表示的實際實際值大小，與其所處的位置及自身值有關，由位置決定的值稱為位權。用基數R的的i次冪Ri表示。假設一個R進制數具有n位整數，m位小數，那么其位權為Ri，其中i=-m~n-1。數值的權展開

對任何一種進位計數制表示的數都可以寫出按其權展開的多項式之和，任意一個R進制數N可以表示為：數碼位權R是基數不同數制有共同特點：

一、每一種數制都有固定的基本符號，稱“數碼”：二、都使用位置表示法，即處于不同位置的數碼所代表的值不同，與它所在位置的“權”值有關。常用各種進制數的表示1.7.2不同進制間的轉換各種進制數之間存在一定的轉換規則。1.R進制數轉換為十進制數用按權展開方法，可將任一進制數轉換成十進制數。只要將各位數字與對應的位權乘積相加，和數就是對應的十進制數?！纠?.7.1】將二進制數轉換為十進制數。（1101.1011）B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20+1×2-1+0×2-2+1×2－3+1×2－4

＝（13.6875）D【例1.7.2】將八進制數轉換為十進制數。（455.54）O＝4×82＋5×81＋5×80＋5×8-1＋4×8-2＝256＋40＋5＋0.625＋0.0625＝（301.6875）D

【例1.7.3】將十六進制數轉換為十進制數。（12D.B）H＝1×162＋2×161＋13×160＋11×16－1＝（301.6875）D2.十進制數轉換為R進制數將此數分成整數與小數兩部分分別轉換，再將結果拼接起來即可。整數部分轉換步驟：采用“除R取余法”。小數部分轉換步驟：采用“乘R取整法”。

每次相除所得余數便是對應R進制整數的各位數碼。第一次得到的余數為最低位，最后一次得到的余數為最高位。將十進制小數部分不斷乘以R取整數，直到小數部分為0或達到所求精度為止(小數部分可能永遠不為0)：所得整數序列從小數點自左往右排列，取有效精度，首次取得的整數位于小數部分的最高位?！纠?.7.4】將(301.6876)D轉換成二進制數。①

整數部分

②

小數部分2|3012|150余數為1最低位2|75余數為0

2|37余數為1

2|18余數為10.6876×2＝1.3752整數為1最高位2|9余數為00.3752×2＝0.7504整數為0

2|4余數為10.7504×2＝1.5008整數為1

2|2余數為00.5008×2＝1.0016整數為1

2|1余數為0最低位0余數為1最高位因此(301)D＝(100101101)B，(0.6876)D≈(0.1011)B。轉換結果：（301.6876）D≈(100101101.1011)B?！纠?.7.5】將十進制數(301．6876)D轉換成八進制數。①

整數部分

②

小數部分最低位

最高位

8|301

8|37余數為50.6875×8=5.5008整數為58|4余數為50.5008×8=4.0064整數為40余數為40.0064×8=0.0512整數為0最高位最低位因此（301）D=（455）o，（0.6875）D≈（0.54）o轉換結果：(301．6876)D≈（455.54）o3.二進制、八進制、十六進制數間相互轉換

由于二進制、八進制和十六進制之間存在特殊關系：

81＝23、161＝24，即一位八進制數對應三位二進制數；一位十六進制數對應四位二進制數。因此轉換方法比較容易八進制對應二進制十六進制對應二進制十六進制對應二進制0000000008100010011000191001201020010A1010301130011B1011410040100C1100510150101D1101611060110E1110711170111F1111由對應關系，二進制數轉換成八進制數時，以小數點為中心向左右兩邊每3位為一組，兩端不足3位補0，將每組3位二進制數代以1位八進制數即可。同樣二進制數轉換成十六進制數只要四位為一組進行分組轉換?！纠?.7.6】將二進制數100101101.1011轉換成十六進制數：（000100101101.1011）B＝（12D.B）H（整數高位補零）12D.B又如將二進制數100101101.1011轉換成八進制數：（100101101.101100）B＝（455.54）O（小數低位補零）455.54【例1.7.7】將八（十六）進制數轉換成二進制數的方法采用一位化三（四）位即可。

（2C1D.A1）H＝（0010110000011101.10100001）B

2C1D.A1

（7123.14）O＝（111001010011.001100）B

7123.141.7.3數值表示及運算1機器數的概念機器數將一個帶符號數在機器中的表示形式。真值數而在機器外部由正負號表示的數。計算機內部,表示數的正、負的符號必須數碼化若一個數占16位，規定最高位為符號位，用0表示“＋”號；用1表示“－”號，稱為數符，其余位表示數值。

例如，真值數（-0000000011000001），其機器數為1000000011000001。2.定點數和浮點數

機器內部難以表示小數點，故小數點位置是隱含的。小數點位置可以是固定的，這種表示形式稱定點數。小數點位置也可是可變的，這種表示形式稱浮點數。

定點整數：小數點位置固定在數值最低位后面，用來表示整數。已知(193)D=(11000001)B，故機器內表示形式如下

0000000011000001數符數值部分小數點位置定點小數：小數點位置固定在數值最高位前面，用來表示小于1的純小數。用定點數表示純小數-0.6875，已知(-0.6875)D=（-0.101100000000）B1101100000000000數值部分數符小數點位置定點數范圍：數據長度為2個字節時，定點整數能表示數N的范圍是：-32768≤N≤32767。浮點數表示方法任何十進制數或二進制浮點數都可表示為：其中j稱為N的階碼，j前面的正、負號稱為階符，S稱為N的尾數，S前面的正、負號稱為數符。規格化形式規定，尾數值的最高位為1。例如，對二進制數110．011，其規格化浮點數形式惟一地表示為0．110011×10+11。在計算機中一般浮點數的存放形式如下階符階碼數符尾數階碼是定點整數，階碼位數決定所表示數的范圍尾數是定點小數，尾數位數決定數的精度3.原碼、補碼和反碼機器數、定點數和浮點數都是用數據第一位表示數的符號，用其后各位表示數（包括尾數與階碼）的絕對值。這種方法簡單易懂，稱為“原碼”編碼方式在處理負數問題上，提出“補碼”、“反碼”等編碼方法。補碼運算主要優點是:它對負數處理后將減法轉化為加法。不論求和或求差，也不管參加運算的數正與負，運算時一律只做加法。機器數有三種表示法：原碼、反碼和補碼。①原碼：假設用8位二進制，最高位存放數的符號（0為正，1為負）。數值部分用其余7位以二進制形式表示。反碼：正數的反碼是原碼本身；負數的反碼表示為該數對應負數按位取反（不包括符號位）。③補碼：正數的補碼表示與原碼相同；負數的補碼等于其相應反碼加1（在最低位加1）。例如：真值X=+1001011[X]原=01001011又如真值X=-1001011[X]原=11001011例如：真值X=+1001001[X]反=01001001又如真值X=-1001001[X]反=10110110例如：真值X=+1001011[X]補=01001011又如真值X=-1001011[X]補=101101011.7.4算術與邏輯運算1.二進制數算術運算①二進制數加