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1、大学计算机基础第一单元第一单元 计算机基础知识计算机基础知识（Unit 1：Computer Basics）学习指导学习指导（Learning Guide）概述概述(Overview)重要内容重要内容(Important Parts)教学目标教学目标(Objectives)重要习题重要习题(Important Exercises) 概概 述述（Overview）计算机表示数据原理计算机表示数据原理计算机系统的组成计算机系统的组成信息在计算机内的表示信息在计算机内的表示综合题讲解综合题讲解重要内容重要内容（Important Parts）以下标题出自教学用书2.1数制及其转换2.2数值数据的表示
2、2.3字符数据的表示2.4多媒体信息的表示教学目标教学目标（Objectives）l理解计算机与“用bit表示信息”的关系l能描述ASCII码l描述并比较常用的汉字编码l掌握不同进制的相互转换l掌握数值数据的表示l能描述微机的基本硬件组成l了解微机的一般工作过程重要习题重要习题（Important Exercises）l教学用书第一章习题： 一、二、三、四、l教学用书第二章习题： 一、二、三、四、 1.1 数据表示基础数据表示基础(Basics for Data Representation)l“计算机数据表示”概念l状态的一般表示l计算机与“用bit表示信息”的关系l信息表示的常用单位1.1
3、.1“计算机数据表示计算机数据表示”概念概念(The Concept of Computer Data Representation)计算机用仅有两个稳定状态的电路来表示数据1. 示例e.g. 表示光线可调台灯所发出的8种光不亮不同亮度的光最亮0v0.1v 0.2v 0.3v 0.4v 0.5v 0.6v1v这里将“电灯开关”比作上述仅有二个稳定状态的电路。这样，可视电灯开关的“开状态”为上述电路的一个稳定状态，而视电灯开关的“关状态”为上述电路的另一个稳定状态 s3s2s1Lightoffoffoff0.0voffoffon0.1voffonoff0.2voffonon0.3vonoffof
4、f0.4vonoffon0.5vononoff0.6vononon1.0v可用三个“电灯开关”（s3,s2,s1）来表示上面的8种光2. 好处好处(Advantages)实现简单表示可靠1.1.2 电路状态的一般表示电路状态的一般表示(General Representation of Circuit States)就特定表示而言，常用数字就特定表示而言，常用数字0表示上述电路的表示上述电路的一个稳定状态，而用数字一个稳定状态，而用数字1表示另一个。表示另一个。就一般表示而言，要用到比特概念。比特指限就一般表示而言，要用到比特概念。比特指限于于0和和1的数字。比特译自的数字。比特译自bit。b
5、it为为Binary Digit之缩写。之缩写。 n用一个比特可表示二个状态中的任一个用一个比特可表示二个状态中的任一个l对于一个状态，让这个比特为0。而对于另一个状态，让这个比特为1。此外，l取值限于0和1的变量亦称bit。使用这种含义的bit可使表达更简洁。bit的具体含义要视上下文而定。 1. 示例：三个示例：三个bit(b3,b2,b1)有八种组合，有八种组合，可以表示可以表示8种不同的光线种不同的光线b3b2b1Light0000.0v0010.1v0100.2v0110.3v1000.4v1010.5v1100.6v1111.0v2. 问题问题16个bit最多可以表示多少个信息？1
6、.1.3 计算机与计算机与“用用bit表示信息表示信息”有什么关系有什么关系？a.一个二状态电路总能对应一个bit。具体而言，二状态其一对应该bit的0值，而二状态的另一个对应该bit的1值。b.信息若能用若干个bit表示，则一定能用若干个二状态电路来表示。c.而计算机具有这样的电路。d.所以，信息亦能被计算机表示。 关系：信息能用bit表示就一定能用计算机来表示意义：计算机信息表示问题转换成了bit信息表示问题1.1.4 信息表示的常用单位信息表示的常用单位1. 常量：常量： 103 106 109 1012 1015 1018 Kilo- Mega- Giga- Tera- Peta- E
7、xa- 210 220 230 240 250 260 (在计算机中，K=210=1024，近似1000) 2. 常用单位常用单位lbit（位）（位）: 简记为简记为b；0为一个为一个bit;1亦为一亦为一个个bit;01为二个为二个bitlbyte（字节）（字节）: 简记为简记为B; 8 bitsl其它：其它： Kb/KB: 210bits/210bytesMb/MB: 220bits/220bytesGb/GB : 230bits/230bytes TB: 240bytes1.2 计算机系统的组成计算机系统的组成(The Composition of Computer System) 1.
8、2.1计算机组成概貌计算机组成概貌(General View)1.基本概念基本概念(Basics)l硬件硬件:整个系统运行的物理平台l程序程序：为解决某一问题按一定顺序组织在一起的命令序列l软件软件：程序、原始数据及相关资料（程序开发、维护、使用）l操作系统操作系统：用于方便用户使用计算机、管理计算机系统的各种软硬件资源l应用程序应用程序：用于某种计算机应用e.g. Microsoft Officel系统应用程序系统应用程序(亦称计算机平台) ：用于为应用程序的开发和运行提供支持 e.g. Turbo C+2.示意图示意图(Diagram)系统软件系统软件操作系统操作系统系统应用程序系统应用程
9、序应用软件应用软件软件软件外设外设硬件硬件微微 机机微机系统微机系统 微处理器微处理器内存储器内存储器(RAM/ROM)(RAM/ROM)输入输入/ /输出接口输出接口总线总线外存储器外存储器I/OI/O设备设备1.2.2计算机的基本硬件组成计算机的基本硬件组成(Basic Composition of Hardware) 现在的各种计算机，其基本的硬件结构总是沿袭着冯.诺依曼（Von Neumann）所设计的传统框架。1.1.冯冯 诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构(Von Neumanns Computer Composition)运算器运算器存储器存储器控制器控制器工作原理：工作原理：存储
10、程序控制 输输入入设设备备 输输出出设设备备: 指令/数据流: 控制信号流2.2.现在计算机的基本硬件结构现在计算机的基本硬件结构(Basic Composition of Present-day Computer)运算器运算器 内存储器内存储器控制器控制器输入设备输入设备输出设备输出设备 外存储器外存储器CPU外设主机存储器说明说明1 CPU：由运算器和控制器构成。2 存储器：由内存和外存构成。前者可被 CPU直接访问；后者要通过接口被访问。3 主机：由CPU和内存构成。4 外设：原来只有I/O设备。但外存处于和I/O设备同样的地位，故被纳入其中。3.微机系统的基本硬件结构微机系统的基本硬件
11、结构（1）示图（Diagram）1微处理器微处理器（CPU）3 系统总线系统总线(System Bus)2ROM2RAMI/O接口接口外设外设微机I/O设备和外存4 外部总线外部总线说明说明1 微处理器：即做成芯片的CPU。由运算器、控制器和寄存器组构成。2 内存：由ROM和RAM构成。前者只能被读；而后者既能被读也能被写。3 系统总线：可使微机变大。如：ISA,EISA,PCI4 外部总线：可使更多的设备或系统与计算机相连。如：IDE,EIDE,USB，SCSI（2）ROM和和RAM的存储结构的存储结构l存储器由若干存储单元组成。每个单元容纳的信息量为一个字节。l通过编码给出存储单元的地址，
12、称对存储单元的编址。存储单元编址的方法是：用数字0和1所构成的序列来表示存储单元的地址。全0表示第一个单元的地址。而全1表示最后一个单元的地址。lCPU对存储单元的读写访问是通过其地址码进行的。l存储器的容量是由其所存的信息的数量来度量的。1.2.3微机的一般工作过程微机的一般工作过程(General Process of Computer Work)以求x2为例（1）示意图(2) 工作过程 即: 执行程序的过程 1命令命令1：读入：读入X命令命令2：运算：运算命令命令3：输出结果输出结果求求x2程序程序内存内存微微处处理理器器231.2.4程序设计语言简介程序设计语言简介(Introduct
13、ion to Programming Language)1.机器语言机器语言（Machine Language)机器语言:作为命令能被机器直接识别的bit序列（1）机器指令）机器指令指示机器完成规定动作的bit序列称机器指令p指令系统：某类机器所特有的所有不同类指令的集合p优点：机器能直接识别p缺点：难记忆，易出错2.汇编语言汇编语言(Assembly Language)汇编语言：符号化的“机器语言”l缺点：不能被直接识别。必须要翻译成机器指令l优点：较易编程3.高级语言高级语言(High-Level Language)高级语言：接近人类语言和数学语言l优点：具有通用性。不考虑具体的硬件。l缺
14、点：不能被直接识别。必须要翻译成机器指令。e.g. 将高级语言命令：Answer=FirstNumber+SecondNumber翻译成等价的若干条机器指令。4.命令翻译示例命令翻译示例5.机器语言在系统中的位置机器语言在系统中的位置(How is Machine Language Located?)应用程序应用程序系统应用程序系统应用程序操操 作作 系系 统统 机机 器器 语语 言言 硬硬 件件 系系 统统Note:Note:中间部分存在中间部分存在中间部分存在中间部分存在兼容性兼容性兼容性兼容性6.三种语言的比较三种语言的比较语言通用性被直接识别性机器语言无有汇编语言无无高级语言有无1.2
15、.5外设及其工作原理外设及其工作原理(Peripheral Device and its Work Mechanism)1.硬盘存储容量的计算硬盘存储容量的计算(1)磁盘的逻辑结构l磁盘由记录面组成 l记录面由磁道组成l磁道由扇区组成l 每个扇区的容量是相同的:（512字节）(2)计算公式： 记录面数磁道数扇区数扇区容量(磁头数）（柱面数）(3)例题例题e.g. 已知某硬盘磁头数为16，柱面数为4096，扇区数为63,每扇区的容量为512B。问：该硬盘的容量为多少？Ans. 硬盘容量= (16 4096 63 512)B 2GB2.设备驱动程序设备驱动程序 顾名思义，能驱动外部设备的程序被称作
16、设备驱动程序。使一个新设备安装到微机系统中，除了正确接线外，还必需安装其设备驱动程序。 “即插即用”特性能方便用户安装设备驱动程序。微软从Windows 95 开始支持这种特性。u思考题思考题一台数字化仪产品标准配置如下： 一、数字化仪主机板一块二、16键定标器一个三、数字化仪驱动光盘一张四、USB数据线一条请说出把它与计算机相连的具体步骤。Assignment for Section 1Exercises of Chapter 1 Part 1: allPart 2: allPart 3: excluding 4Part 4: excluding 1,2,51.3 信息在计算机内的表示信息在
17、计算机内的表示(Data Representation in the Computer)l表示实例表示实例:ASCII代码代码l表示实例表示实例:常用汉字编码常用汉字编码l进位计数制及其转换进位计数制及其转换l数值数据表示数值数据表示l声音、图形声音、图形/图像、视频（图像、视频（video)1.3.1表示实例表示实例: ASCII ( The Representation of ASCII)1.1.概述概述用于传信息的国际标准标准符号代码标准的ASCII由7位组成。每位可为0或1，故共有27个编码，可表示27个符号。2.2.码表码表用七个作为变量的bit（ b6b5b4b3b2b1b0）来描
18、述高三位：b6b5b4； 低四位：b3b2b1b0高位高位低位低位b6b5b4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1b3 b2 b1 b00 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 0 space 0 P p 1 A Q a q 2 B R b r 3 C S c s 4 D T d t 5 E U e u 6 F V f v 7 G W g w 8 H X h x 9 I Y i y J Z j z 高位高位低位低位b6b5b4
19、 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1b3 b2 b1 b0 1 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1 ESCCR3. 特点特点l数字字符数字字符按自然数顺序排列l字母字符字母字符按字母表顺序排列1.3.2表示实例表示实例: 汉字编码汉字编码(Codes of Chinese Characters)l区位码l国标码l其他汉字编码:机内码/字型码/外码l例题1. 区位码区位码(1)(1)概述概述：被编码的符号除汉字外，还有其它符号每个区位码由区号和位号两个部分组成；区号和位号各由一个字节组成。(2)(2)码表
20、：码表：要点：区号用来确定符号在码表中的区域，位号用来确定符号所在区域中的位置示例：”啊”的区位码为：0001000000000001 PositionSection 第二字节b7b6b5b4b3b2b1b00 0000001000000100000001100000100000001010000011000000111 第一字节 位区1234567b7b6b5b4b3b2b1b0. . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 1 0 0 0 016啊 阿 埃 挨 哎 唉 哀 0 0 0 1 0 0 0 117薄 雹 保 堡 饱 抱 报2. 国标码国标码l信息交换用国家标准
21、符号编码l被编码的符号除汉字外，还有其它符号l每个汉字用两个字节表示3.其它汉字编码其它汉字编码l机内码：用于计算机内部对汉字存储、传输和处理。由两个byte组成。l字型码：用于汉字的输出l外码：用于汉字输入4. 例题例题0001100000011000000110000001100000011000001111000110011011000011l字型码阵列概念：用”1”书写“人”字可形成它的88字型码阵列e.g. 某汉字的字型码排成某汉字的字型码排成1616阵列。阵列。问该码含有多少个问该码含有多少个byte?lAns. 总bit数：1616 1 byte=8 bits, 所以 总字节数：
22、 1616/8 =321.3.3 进位计数制及其转换进位计数制及其转换(The Numeration and its Transform)进位计数制概念十进制与其它进制之间的相互转换二进制转换成十六进制或八进制1. 进位计数制概念进位计数制概念(The Concept of the Numeration)a. 比较十进制和二进制的计数过程比较十进制和二进制的计数过程b. 共同点：通过增一和共同点：通过增一和“逢基数进一逢基数进一”可得到可得到下一个数下一个数c. 问题：问题： （25）10（ ? ）2d. 问题：问题：（1000）10（ ? ）2 2. 十进制与其它进制之间的相互转换十进制与其
23、它进制之间的相互转换a.分析：825=81010+210+511112=122+12+11=72178=288+18+71=143b.权（计数单位）：与数字位置对应的基数的幂。如：22,21,20为二进制的权c.c.转换方法转换方法：对于一个十进制数，求对应的其它进制数，就是求关于其它进制若干权的一组系数l示例示例1：33333秒=( ？)：( ？)：( ？)所求结果为60进制数。即求关于60进制权602,601,600的一组系数l示例示例2：(1000)10=( ？ )2即求关于二进制权29,2820的一组系数 d. 转换示例转换示例3. 二进制与十六进制二进制与十六进制/八进制互相转换八进
24、制互相转换（1）二进制为何要转换成十六进制/八进制？（2）转换要点216: 4 12 8: 3 14. 综综合合题题 已知：字符A的ASCII码为41H（Hexadecimal,十六进制的），则字符R的ASCII码为何？ Ans. 位置之差代码值之差 位置之差为17（11H）, 所以（R）ASCII41H+11H=52H1.3.4数值数据表示数值数据表示l数值数据的表示是为了运算。考虑的因素有：小数点固定否；有无符号；溢出否。溢出是指运算结果超出所能表示的范围。l被表示的数（Number）称真值。而表示真值的数码（Numeral）称机器数。二者的关系是被表示和表示的关系。值得注意的是：机器数是
25、数码而不是数。对于一个机器数，它被直接使用，还是间接地当作数来用，要通过上下文而定。事实上，它经常被当作数来用以进行真值和机器数之间的互相转换。l机器数可分为：有符号机器数；无符号机器数；定点机器数；浮点机器数。1.1.无符号数的表示无符号数的表示e.g. 压缩的BCD码:l定义：用四位二进制数来表示一位十进制数所形成的代码l实例：e.g. (76)d-(01110110)BCD2.2.有符号数表示有符号数表示l分类：有原码，反码，补码l三种表示的共性：a.正数的三种表示是相同的 b.最高位为符号位：0表示正，1表示负（1）原码表示）原码表示l方法：绝对值前加符号位 le.g. 数值数据+3,
26、-3的三位原码表示 X2 x1 x0 数值 0 1 1 +3 1 1 1-3（2）反码表示）反码表示l方法：负数的绝对值取反 le.g. 数值数据+3,-3的三位反码表示 X2 x1 x0 数值 0 1 1 +3 1 0 0-3（3）补码表示）补码表示l方法：负数的绝对值取反加1le.g. 数值数据+3,-3的三位补码表示 X2 x1 x0 数值 0 1 1 +3 1 0 1-3（4）表示范围：以三位补码为例）表示范围：以三位补码为例 x2 x1 x0数值 1 0 0-4 1 0 1-3 1 1 0-2 1 1 1-1 0 0 00 0 0 1+1 0 1 0+2 0 1 1+3a. 给出全部
27、表示b. 分析表示范围分析表示范围l对于三位补码,其范围: -22,22-1l对于n位补码，其范围: -2n-1,2n-1-1（5）机器数的还原）机器数的还原 通过上表可知：若将补码视作数来用，则有 x补补|x|=23所以所以 X 23 x补补l一般地，对于n位负数x补码，有 x补补|x|=2n所以所以|X| 2n x补补 事实上，上述运算等同于操作：事实上，上述运算等同于操作：“x补补变反加一变反加一”下面以负数x的三位补码为例对补码到真值的还原加以分析 （6）三种表示的）三种表示的比较比较假设：机器码的长度为8。对于“产生”和“还原”仅考虑真值为负数的情况机器数产生范围还原（|x|）原码添
28、加符号位(-27,27)符号位取反反码补齐变反(-27,27)变反补码补齐变反加一-27,27)变反加一Assignment for Section 2Exercises of Chapter 2 Part 1: 1-5Part 2: 1-5Part 3: 1Part 4: 1-41.3.5声音、图形声音、图形/图像、视频图像、视频(Sound, Graphics/Image and Video) 声音、图形/图像，视频等多媒体信息要通过数字化才能被计算机表示。因此，要涉及：声音数字化、图像数字化和视频数字化等方面。1.声音的数字化声音的数字化(Sound Digitization)l声音数字
29、化的通俗解释l数字化示例l数字化的二个要素l简单的信息量计算(1) 声音数字化的通俗解释声音数字化的通俗解释a. 根据可能的信号最大幅度造一把带编码的“刻度尺”b. 用这种尺子对测得(Sample,采样)的信号进行度量(Measure,量化)1086420110101100010001000(2) 声音数字化示例声音数字化示例 采样点t1t2t3t4t5t6t7. 编码0011010101111001101111011110.l示例要点示例要点l将可能的音频信号最大幅度分成若干等份将可能的音频信号最大幅度分成若干等份(16份份)l对得到的若干离散幅值进行编码对得到的若干离散幅值进行编码(000
30、0-1111) l通过通过“采样采样”(sampling)和和“量化量化”(measuring)实现实现数字化数字化(3) 数字化的二个要素数字化的二个要素l位深度（采样精度，样本位数）：表示幅值的bit个数（上例为4）l采样频率：反映多久采一个（柰奎斯特理论：采样频率不小于信号分量最高频率的二倍）(4) 简单的信息量计算简单的信息量计算l一段时间声音的信息量：采样频率位深度时间单位时间信息量2.图像的数字化图像的数字化(Image Digitization)l数字化示意l二个要素l数字化实例l简单的信息量计算（1）数字化示意）数字化示意0000000000000000000001000011
31、101000100010010000010100000100000000Notes:l使图像由像素组成。l用黑白两种色块对像素作近似l用1表示黑。0表示白l将色块用颜色代码来代（2）数字化的二个要素）数字化的二个要素l图像分辨率：像素总数( 上例：88)l位深度（像素深度）：表示颜色的bit个数( 上例：1)（3）数字化实例）数字化实例（4）简单的信息量计算）简单的信息量计算l求一幅图像的信息量：图像分辨率位深度3.视频的数字化视频的数字化(Video Digitization)l视频概念l数字化示意l数字化的特点l简单的信息量计算（1）视频概念）视频概念l视频即静态图像的有序集合（2）数字化
32、示意）数字化示意0/1阵列0/1阵列0/1阵列1/25s1/25s1/25s数字化数字化数字化（3）数字化的特点）数字化的特点l时间和空间上存在大量信息冗余，可以压缩（4）简单的信息量计算）简单的信息量计算l求一段时间视频的信息量：图像分辨率位深度采样频率时间一幅图像的信息量单位时间的信息量1.4综合题讲解p ROM和RAM的存储结构存储器由若干存储单元组成。每个单元容纳的信息量为一个字节。通过编码给出存储单元的地址，称对存储单元的编址。而存储单元编址的方法是：用数字0和1，从码值0开始，然后以一递增。存储器的容量由所存的信息量来度量。一般地，对于任一存储器，其容量数满足下式：容量数最大地址码
33、值容量数最大地址码值1e.g. 容量为容量为4KB的存储器，至少需多少的存储器，至少需多少bit进行编址？进行编址？分析：由容量4KB易知该存储器有4K个存储单元。而4K个存储单元需要4K个地址。而4K个地址需要4K个地址码。而4K=212。故至少需要12个bit。存储器的编址示意图存储器的编址示意图特点: 1111111111112+1=10000000000002=212=4K01(2121)#000000000000 (000H)000000000001 (001H)111111111111 (FFFH)e.g. 已知某存储器的最大地址码为已知某存储器的最大地址码为3FFFFFH。求该存
34、储器的容量。求该存储器的容量。分析：因任一存储器满足下式：容量数最大地址码值1, 因此所求容量数为：3FFFFFH+1。这里该地址码被用作数。而3FFFFFH+1=400000H=2224M 所以所求容量为4MB。 p区位码到国标码的转换 对于一个汉字的区位码，将其位号和区号分别与十六进制数20相加可得到其相应的国标码。例如：“保”字的国标码为3123H，它是经过下面的转换得到的：1703D（区位码）1103 H 1103 H + 2020 H 3123 HNote：对于“保”字的区位码，其区号的十进制形式为17，而其位号的十进制形式为03。p国标码到机内码的转换 对于一个汉字的国标码，将其两
35、个字节分别与十六进制数80相加可得到其相应的机内码。 例如：“保”字的机内码为B1A3H。它是经过下面的转换得到的：即：3123 H（国标码）+ 8080 H B1A3 H lSUMMARYl信息能用bit表示则一定能被计算机表示l计算机的一般工作过程即执行程序的过程l通过系统总线可使计算机变大。通过外部总线可使更多的设备或系统与计算机相连l思路图思路图(Mental Map)计算机二状态电路信息bit声音数字化图像数字化数字声音数字图像采样频率/位深度分辨率/位深度表示实例非数值汉字编码ACSII代码数值无符号有符号BCD码原码/反码/补码二进制数十六/八进制字母/数字位置差等于码值差二进制与十进制相互转换简化和还原数据表示对应 表示 应用计算机三个概念层次微机系统/微机/微处理器Von Neumann型计算机程序计算机语言设计高级语言低级语言驱动程序驱动外设存储程序工作原理工作过程兼容性兼容性(Compatibility)compatible: (1) operating in essentially the same way (2) (of a device) that can be integrated into or used with another device of its kind
