2024年2月1日发(作者：)
第一章 计算机基础知识
通过本章的学习，使同学们掌握以下问题：
1. 计算机的发展简史、特点、分类及其应用领域
2. 数制的基本概念、二进制和十进制之间的转换以及数的原码、反码、补码表示法
3. 计算机中数据、字符、和汉字的编码
4. 计算机硬件系统的组成和作用、各组成部分的功能和简单工作原理
5. 计算机软件系统的组成和功能、系统软件和应用软件的概念和作用
6. 计算机的性能和技术指标以及计算机安全操作和计算机病毒的防治
1．1计算机简介
1．1．1 什么是计算机
计算机是一种能快速而高效地完成信息处理的数字化电子设备，它能按照人们编写的程序对原始数据进行加工处理存储或传送，以便获得所期望的输出信息。
1．1．2 计算机的类型
可以从不同的角度对计算机进行分类
1． 依其处理数据的形态分类
按处理数据的形态分类，可以分为数字计算机、模拟计算机
2． 依其使用范围分类
按其使用范围分类，可分为通用计算机和专用计算机
3． 依其本身性能分类
这是最常用的分类方法，所依据的性能主要包括：字长、存储容量、运算速度、外部设备、允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高低等。根据这些性能可将计算机分为：巨型机、大型机、中型机、小型机和 微型机。
1．1．3大型计算机时代
对于大型机，通常根据计算机所采用的电子元件不同而划分为：电子管、晶体
管、集成电路和大规模集成电路等四代。
1． 第一代计算机
起始年代：1946—1958 主要电器元件：电子管
运行速度：几千次/秒—几万次/秒 内存储容量：1000—4000字节
软件：用0和1表示的机器语言进行编程，无操作系统
使用范围：主要用于军事和科学研究领域
特点：体积庞大，造价昂贵，速度低，存储容量小，可靠性差，不易掌握
2． 第二代计算机
起始年代：1958—1964 主要电器元件：晶体管
运行速度：几十万次/秒 内存储容量：几十万字节
软件：出现了BASIC，FORTRAN等高级语言，出现了监控程序并发展为后来的操作系统。
使用范围：扩展到数据处理和事物管理等其它领域
特点：晶体管计算机体积小、成本低、重量轻、功耗小、速度高、
功能强和可靠性高。
3． 第三代计算机
起始年代：1965—1971 主要电器元件：中小规模集成电路
运行速度： 百万次/秒 内存储容量：大幅度增加
软件：系统软件与应用软件都有了很大发展、操作系统在规模和复杂性方面都取得了进展，同时提出了结构化，规模化的程序设计思想，出现了结构化的程序设计语言PASCAL
使用范围：广泛地应用于各领域
特点：同时向标准化、多样化、通用化、机种系列化发展
4． 第四代计算机
起始年代：1971年至今 主要电器元件：大规模和超大规模集成电路 运行速度： 几百万次/秒 —上亿/秒
软件：操作系统向虚拟操作系统发展，数据库管理系统不断完善和提高，程序语言进一步发展和改进
使用范围：普及深入到社会生活各方面
5． 新一代计算机
目标：智能化的机器，使计算机能具有向人一样的听觉、视觉、味觉，具有向人一样的情感
1．1．4 微型计算机的发展及分类
一 微型计算机的发展
微型计算机的发展是以微处理器的发展为特征的。使用大规模集成电路或超大规模集成电路技术，将传统计算机的运算器和控制器集成在一块半导体芯片上作为中央处理器（CPU），这种半导体集成电路就是微处理器。
二 微型计算机的分类
可按多种不同方式分类，常用的分类标准为：按微处理器的型号可分为286微机、386微机、486微机和奔腾微型计算机；按微处理器的字长可分为8位微机、16位微机、32位微机和64位微机
三 IBM PC及其兼容机
PC——个人计算机 它是指微处理器芯片采用80X86系列和与之兼容微处理器的微型计算机
世界上第一台PC机是由IBM公司于1981年8月推出的，型号为IBM PC
微机的划分一般从准16位的IBM PC开始算起（但第一片微处理器是在1971年诞生的）
四 微型计算机时代（微处理器芯片的种类）
人们通常以微处理器为标志来划分微型计算机
1． 第一代微型计算机
1981年，IBM公司推出个人计算机IBM PC，83年又推出PC/XT，它使用了Intel 8088芯片为CPU，内部总线为16位，外部总线8位 地址总线为20位，寻址空间达1MB，该芯片集成了2.9万个晶体管，时钟频率达8MHZ
2． 第二代微型计算机
1982年 全16位微处理器Intel 80286芯片问世，集成了13.4万个晶体管，时钟频率达20MHZ，内外部总线均为16位，地址总线为24位，寻址范围16 MB内存。1984年IBM公司以Intel 80286为芯片推出了IBM PC/AT机
3． 第三代微型计算机
1985年，Intel公司推出了全32位微处理器芯片80386，集成度为27.5万个晶体管/片，时钟频率为12.5 MHZ/33 MHZ，内外部总线均为32位，地址总线为32位，寻址范围4GB内存，如IBM公司的PS/2-50型使用的就是80386为CPU芯片。
4． 第四代微型计算机
1989年，Intel公司又研制出了Intel 80486，它是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内，集成度为120万个晶体管/片，时钟频率为25 MHZ/33/50 MHZ，性能比80386机提高了4倍。
5． 第五代微型计算机
1993年，Intel公司推出了Pentium芯片，它是人们原先预料的80586，中文名为“奔腾”，集成度为310万个晶体管/片，时钟频率为60/75/100/120/133等，内部数据总线为32位，外部数据总线为 64位，地址总线为32位
6． 第六代微型计算机
97年，Intel公司推出了PentiumⅡ芯片
7． 第七代微型计算机
99年，Intel公司推出了PentiumⅢ芯片，集成度为800万个晶体管/片，时钟频率为450/500 MHZ/1GHZ。
8． 第八代微型计算机
2000年，又推出了Pentium 4芯片，时钟频率为1.5GHZ
我国计算机技术发展概况：
83年 “银河”巨型机 130亿/秒 全系统内存容量 9.15GB
95年 “曙光”巨型机 200亿/秒
99年 曙光2000—Ⅱ超级服务器问世，峰值速度1117亿次/秒，内存高达50 GB
99年 “神威” 3840亿次/秒
1．1．5 微型计算机的应用领域
一、 科学计算
二、 数据处理
三、 过程控制
四、 计算机辅助系统
1．计算机辅助设计（CAD）
2．计算机辅助制造（CAM）
3．计算机辅助测试（CAT）
4．计算机辅助教育（CAE） 包括计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助教学管理（CMI）
5．仪器仪表控制
6．人工智能
7．民用产品的控制
8．电子商务
1．2数制
1．2．1 几种常用的数制
一、 数制的基本概念
十进位计数制是我们经常接触的一种计数制，它是由0、1、2„„9中十个数码中任意几个组成的。数码所处的位置不同，代表数的大小也不同，如5025，从右起第一位是个数，第二位是十位„„ 这‘个’、‘十’、‘百’、‘千’，在数学中叫做‘权’，每一位上的数码与该位‘权’的乘积表示该位数值的大小。十进制的特点是‘逢十进一’，十进制中的基数是10
例： 236.5=2×102+3×101+6×100+5×10-1
此式称为数值的按权展开式，其中10i称为权
二、 R进制计数制
对于任意R进制，同样有基数R，权Ri和按权展开表达式，如二进制R为2，十六进制R为16。
1．
基数：一个计数制所包含的数字符号的个数称为该数制的基数，用R
表示。
十进制：可用0、1、2、3„„9十个数字表示 R=10
二进制：可用0、1两个数字表示 R=2
八进制：可用0、1、2„„7八个数字表示 R=8
十六进制：可用0、1、2„„9、A、B、C、D、E、F十六个数字表示 R=16
为了区分不同数制的数，书写中约定，对于任一R进制的数N，记作（N）R
如：（011010）2 （625）7
（ABD1）16
还规定：一个数后面加上字母D（十进制），B（二进制），O（八进制），H（十六进制）来表示前面的数用的是什么进位制。如：1010B、AE5H
2．位值（权）
任何一个R进制的数都是由一串数码表示，其中每一位数码所表示的实际值的大小，除数码本身的数值外，还与它所处的位置有关，由位置决定的值就叫位值（或称‘权’）。位值用基数R的i次幂表示
3．数值的按权展开
（1） 十进制数 256.24
256.24D=2×102+5×101+6×100+2×10-1+4×10-2
（2） 二进制数 101.01
101.01B=1×22+0×21+1×20+0×2-1+1×2-2
（3）十六进制数 A2B
A2BH=10×162+2×161+11×160
1．2．2 各种数制间的转换
1． 把其他进制的数转换成十进制
方法：利用按权展开的方法，可将任意数制的数转换成十进制数
2． 把十进制数转换成其他进制的数
（1）十进制转换成二进制
通常一个十进制包含整数和小数部分，整数和小数的转换方法不同，把十进制整数转换成二进制整数的方法是：“除二取余”法，即不断除以2，直到商等于0为止，每次相除所得的余数，便是二进制整数的各位数字。
注意：第一次得到的余数为最低有效位，最后一次得到的余数为最高有效位
把十进制小数转换成二进制小数的方法是：“乘二取整”法，不断乘以2
（多数情况下是无限的，保留小数即可）
注意：第一次得到的整数为最高有效位，最后一次得到的整数为最低有效位
（2）十进制转换成八进制
十进制整数可通过“除八取余”法，小数采用“乘八取整”
（3）十进制转换成十六进制
整数可通过“除16取余”法，小数采用“乘16取整”法
3．二进制与十六进制间的相互转换
由于十六进制数的一位相当于二进制数的四位数，因此，十六进制数转换二进制数，只需以小数点为界，整数部分向左，小数部分向右，每位十六进制数用相应的二进制数取代，即可分别转换成二进制整数和小数，无论向左还是向右，最后不足四位二进制时，用零补足。
4．二、八进制数之间的相互转换
由于八进制数的一位相当于二进制数的三位数，因此与上面不同之处为每三位为一组，其余相同。
1．2．3 二进制与计算机
计算机内部为什么要采用二进制呢？因为二进制具有如下特点：
1．可靠性
2．可行性
3．简易性
4．逻辑性
1．2．4 二进制数的算术运算
1． 二进制数的加法运算
二进制数的加法运算按下列四条运算法则进行：
（1）0+0=0 （2）0+1=1+0=1 （3）1+1=0（本位为0，按逢二进一向高位进1）
（4）1+1+1=1（本位为1，按逢二进一向高位进1）
两个二进制数相加时，每一位上其实有三个数相加，即本位的被加数、加数
和从低位来的进位（这进位可能是0，也可能是1）
2． 二进制数的减法运算
（1）0-0=1-1=0 （2）1-0=1 （3）0-1=1（向高位借位）
（4）0-1-1=0（本位为0，向高位借位）
两个二进制数相减时，每一位上其实有三个数参与减法运算，即本位的被减数、减数和向高位的借位（这借位可能是0，也可能是1）
3．二进制数的乘法运算
有三条法则： （1）0×0=0 （2）0×1=1×0=0 （3）1×1=1
两个二进制数相乘时，每一个部分积都取决于乘数相应位的值。若乘数相应位为0，则部分积为0，若乘数相应位为1，则部分积就是被乘数。乘数有几位，就有几个部分积。每次的部分积依次要左移一位，然后将各部分积累加起来即得到最终的乘积。
4．二进制数的除法运算
（1）0÷0=0 （2）0÷1=0（1÷0无意义） （3）1÷1=1
1．2．5二进制数的逻辑运算
在逻辑代数中，有三种基本逻辑运算，即逻辑加法（又称‘或’运算）、逻辑乘法（又称‘与’运算）和逻辑否定（又称‘非’运算）
1． 逻辑加法
逻辑加法通常用‘+’或‘∨’符号表示两逻辑变量间的‘或’关系。
如 Y=A+B或Y=A∨B
‘或’运算遵循下列运算规则：Y=0+0=0 Y=0+1=1 Y=1+0=1 Y=1+1=1
即：两值相‘或’时，只有两值都为0时，运算结果才为0，有一个值为1，相‘或’的结果必为1
2． 逻辑乘法
逻辑乘法通常用‘×’或‘∧’或‘·.’符号表示两逻辑变量间的‘与’关系。
如 Y=A×B或Y=A∧B，Y=A·B
‘与’运算遵循下列运算规则：Y=0×0=0 Y=0×1=0 Y=1×0=0 Y=1×1=1
即：两值相‘与’时，只有两值都为1时，运算结果才为1，有一个值为0，
相‘与’的结果必为0
3． 逻辑否定
逻辑否定又称‘非’运算，‘非’的意义是否定，表示方法是在逻辑变量上方画一横线，如B应理解为‘非B’即0的‘非’为1，1的‘非’为0
4．‘异或’运算
‘异或’运算用符号‘⊕’表示，如：Y=A⊕B
‘异或’运算遵循下列运算规则：Y=0⊕0=0 Y=0⊕1=1 Y=1⊕0=1 Y=1⊕1=0
即：两值相‘异或’时，如果它们的值相同时（即都为0或都为1），则运算结果为0，只有当它们的值各不相同时（即0和1或1和0），‘异或’的结果才为1
1．3 计算机的数据与编码
1．3．1 计算机的数据存储单位
计算机内部的信息可分为两大类：一类是控制信息，主要是指令，他指挥计算机的各种操作；另一类是数据信息，是计算机加工处理的对象，包括数值数据和非数值数据。
计算机能识别和处理的只能是二进制数。在计算机内部，各种操作命令、程序和数据都是二进制数。
一个二进制位称为比特（bit）它是数据的最小单位，通常将八位二进制位组成一个单元，称为字节（Byte），它是数据处理和数据存储的基本单位。八位二进制可表示28=256种状态。此外还有KB、MB、GB，换算关系如下：
1KB=1024B
1MB=1024KB
1GB=1024MB
在计算机和信息处理系统中，当存储、传送和操作时，作为一个单元的一组字符或一组二进制位，称为字（Word）。一个字由若干个字节组成，如两个字节组成的一个字，字长为16位，还有32位、64位等。
1．3．2 字符及编码
1． 字符集
字符是用来组织、控制或表示数据的字母、数字以及计算机能识别的其他符号。在微机系统中通常采用的是国际通用的键盘字符。它由0～9，10个十进制数码及52个大、小写英文字母及32个标点符号、运算符号、专用符号和34个控制符组成，共128个字符。
2． ASCII码
计算机中的信息都使用二进制编码表示的，表示字符的二进制编码称为字符编码。常用的字符编码有EBCDIC码和ASCII码，后者用于微机。
ASCII码是美国标准信息交换码，有7位和8位码两种版本，国际通用7位ASCII码是用7位二进制数表示一个字符的编码，其编码范围从0000000B～1111111B，共有27=128个不同的编码值。当微机采用7位ASCII码作机内码时，每个字节的8位只占用7位，而把最左边的1位（最高位）置为0。
扩展的ASCII码使用8位码，可表示28=256个不同字符的编码。
3． 汉字的编码
计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码的转换过程，这些编码主要包括：汉字输入码、汉字内码、汉字字型码、汉字地址码及汉字信息交换码。
1） 汉字信息交换码（国标码）
1981年，我国颁布了国家标准——《信息交换用汉字编码字符集》，因此也称国标码。了解下列概念：
⑴ 常用汉字及其分类
国标码规定了7445个字符编码，其中6763个汉字代码（一级常用字3755个，二级次常用字3008个），682个非汉字图形字符。
⑵ 两个字节存储一个国标码
一个字节（8位二进制）只能表示256种编码，因此必须用2个字节来表示国标码。
⑶ 国标码的编码范围
国标规定：所有汉字和字符的每个字节的编码范围与ASCII码表中的94个字符编码相一致，所以编码范围是 2121H～7E7EH
⑷ 区位码
把7445个国标码放置在一个94行×94列的阵列中，行称为‘区’，列称为‘位’，所以一个汉字的区号与位号的组合即为该汉字的“区位码”，区位码与每个汉字之间具有意义对应的关系。
⑸ 区位码和国标码之间的关系
具体方法是：将一个汉字的十进制区号和位号分别转换为十六进制数，然后在分别加上20H，就称为此汉字的国标码。
2） 汉字输入码
将汉字输入计算机而编制的代码称为汉字输入码，也叫外码。
目前流行的汉字输入码的编码方案有许多，如全拼、双拚、五笔字型输入法等。
3） 汉字内码
汉字内码是在计算机内部对汉字进行存储、处理的汉字代码。
目前，对应于国标码一个汉字内码常用2个字节存储，并把每个字节最高位置“1”，所以，将一个最高位置1就相当于加上80H。
汉字内码=汉字国标码+8080H
4） 汉字字形码
是指确定一个汉字字型点阵的代码，也叫字模或汉字输出码。
汉字字形点阵有16×16点阵、24×24点阵、32×32点阵、64×64点阵等。一位二进制可以表示点阵中一个点的信息，这样，16×16点阵的字型码需要32字节，以次类推。
汉字的点阵字型在输出时要经常使用，所以要把各个汉字的字形码固定地存储起来，存放各个汉字的字形码的实体称为汉字库。
5） 汉字地址码
是指汉字库中存储汉字字形信息的逻辑地址码，汉字库中，字型信息都是按一定顺序连续存放在存储介质上，所以汉字地址码也大都是连续有序的，而且与汉字内码间有着简单的对应关系，以简化汉字内码到汉字地址码的转换。
6） 各种汉字代码之间的关系
汉字字库
输入字典
地址码
内码
字形码
字形码
输入码
汉字输入
系统
内部处理
显示
打印
内码 国标码
内存 通信
1．3．3 计算机中数的表示
1． 小数点的表示
数在计算机中表示形式称为机器数。具有三个特点。
（1） 机器数表示的数的范围受计算机字长的限制
（2） 机器数的符号位被数值化（正号用0表示，负号用1表示）
（3） 机器数的小数点处于约定的位置
小数点的位置可以有两种约定：一种是小数点的位置固定不变，这样表示的机器数称为定点数。另一种是允许小数点浮动，这样表示的机器数称为浮点数。
2． 数的定点表示
在实际计算机中，采用把小数点固定在最低位的右边或在最高位的前面，即把所有参加运算的数都化为纯整数或纯小数。
例如：二进制数N可写成
N=2×S
PS—数N的尾数 P—数N的阶码 2—阶码的底
P和S都是二进制数，尾数S表示数N的全部数字，P指明了小数点的位置。如果阶码P的值固定，这种表示方法为定点表示法，这种数称为定点数。
3． 数的浮点表示
数的浮点表示就是一个数的小数点的位置不是固定的，而是可以浮动的。即
如果阶码P可变，称这种表示方法为数的浮点表示法。
式子
N=2P×S
P为可变的整数，且可正、可负，尾数S也可正、可负。
4． 原码、反码和补码
（1） 原码表示法
把真值的符号部分用0或1来替换即可（“真值”是指用‘+’或‘－’号表示的数）
例如：X1=+1001010 X2=－1010110
其原码表示记为：［X1］原=［+1001010］原=01001010
［X2］原=［－1010110］原=11010110
由原码定义可导出下列性质：
◆ 当X＞0时，［X］原与X的区别仅在于符号位用0表示
◆ 当X＜0时，［X］原与X的区别仅在于符号位用1表示
◆ 当X=0时，有［+0］原和［－0］原两种不同的表示
（2） 反码表示法
正数的原码和反码完全一样，负数的反码是由原码的数值部分求反，即由0变1、1变0而得到的。
例如：X1=+1001010 X2=－1010110
则有
［X1］原=［X1］反=01001010
［X2］原=11010110
［X2］反=10101001
由反码定义可导出下列性质：
◆ 当X＞0时，［X］反=［X］原
◆ 当X＜0时，［X］反是保留［X］原的符号位不变，而将数值部分求反
◆ 当X=0时，有［+0］反和［－0］反两种不同的表示
（3） 补码表示法
正数的补码与原码和反码一样。
有 X=+1010110
则
［X］原=［X］反=［X］补=01010110
负数的补码是对其原码除符号位外各数值位求反并在末位加1得到。即负数的补码可由其反码的末位加1得到。
例如：X=－1010110
［X］原=11010110
［X］反=10101001
［X］补=［X］反+1=10101010
由补码定义可导出下列性质：
◆ 当X＞0时，［X］补=［X］反=［X］原
◆ 当X＜0时，［X］补=［X］反+1
◆ 当X=0时，有［+0］补=［－0］补只有一种表示形式
码
BCD码又称为二–十进制码，它是用二进制编码来表示十进制数的编码，最常用的BCD码是8421码。
1．3．4 多媒体数据简介
1． 多媒体的概念
媒体——指信息的表示和传输的载体，通常指广播、电视、电影、和出版社等。
多媒体——指综合集成两种以上媒体而构成的共同表示传播和存储同一信息的全新媒体。
多媒体的实质是将以不同形式存在的各种媒体信息数字化，然后用计算即对他们进行组织、加工并以友好的形式提供给用户使用。
用多媒体传播的信息称为多媒体信息，能产生、储存、传播多媒体信息的系统称为多媒体系统。
2． 多媒体数据类型
1）数字字符型关系数据：由字符和数值构成，具有规范的结构化形式。
2）文本数据：文本是最常见的媒体形式。
3）声音数据：声音包括话音、音乐、机器声、雷声、雨声、风声以及各种动物发出的声音等。
4）图像数据
3． 多媒体数据的特点
1）数据量大，且不同媒体间差异十分明显，因而使数据在库中的组织和存储变得复杂。
2）媒体种类繁多使数据处理变得复杂。
3）多媒体不仅改变了数据库的接口，使图、文、声并茂，而且也改变了数据库的操纵形式，其中最重要的是查询机制和查询方法。
4． 视频信息和音频信息的获取
1）视频信息获取技术的简单原理和主要组成
2）音频信息获取技术的简单原理和主要组成
5． 多媒体数据压缩技术
数字化了的视频和音频信号的数据量很大，必须采用压缩技术。数据的压缩可以看成是一种变换，所以解压缩（数据恢复）可以看成是一种反变换。这种变换的实现方法又称为编码技术。
（1） 数据压缩方法的分类
分类方法很多，大致可分为无失真压缩和有失真压缩两大类
（2） 压缩的国际标准
目前数据压缩标准有以下两种
1）静止图像压缩标准JPEG
2）动态图像压缩标准MPEG
MPC=PC+CD-ROM+音频卡+视频卡
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