第1章 计算机与社会信息化
教学目的和要求：
本章介绍计算机基础知识，主要内容有计算机的
发展和应用领域、计算机硬件系统和软件系统的组成
及各主要部件的功能、计算机编码和数制。
通过学习，了解计算机的发展和应用领域；了解
计算机硬件系统的基本配置、主要性能指标、硬件和
软件系统的组成；理解和掌握数制转换和数据编码的
概念和方法。
1
第1章 计算机与社会信息化
计算机发展简介
信息技术概述
计算机系统组成
计算机硬件组成
计算机软件分类
计算机工作原理及主要技术指标
数制及其运算
文字信息编码形式
2
计算机的发展历程
英国数学家乔治·布尔（George Boole，1815-
1864）创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论
基础；
英国科学家图灵（Alan Turing, 1912-1954）首次
提出逻辑机模型 — 图灵机。
建立算法理论和提出图灵测试——即智能机器；
第一台电子数值积分计算机（1946）——ENIAC
3
4
5
6
• 美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John Von Neumann,
1903-1957）提出EDVAC计算机方案。
7
三个基本原则:
① 计算机基本结构：计算机硬件应具有运算器、控
制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本
功能。
② 采用二进制数：二进制数便于硬件实现，又有简
单的运算规则。
③ 存储程序控制：存储程序实现自动计算。
这3个基本原则确定了冯·诺依曼型计算机基本结
构 8
计算机经历了四代发展历程 :
第一代（1946年～1958年）为电子管计算机；
第二代（1958年～1964年）为晶体管计算机；
第三代（1964年～1970年）为中小规模集成电路
计算机；
第四代（1971年～ ） 为大规模、超大规模
集成电路计算机。
以元件作为划分标准。
9
10
11
12
计算机分类
按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用
途等多项性能指标划分：
1. 高性能计算机
指目前运算速度最快、处理能力最强的计算机。
2. 微型计算机
个人计算机（PC—Personal Computer）。
3. 工作站
介于微计算机与小型计算机之间的高档微机系统
13
4. 服务器
高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、
处理网络工作站成员的信息请求等
5. 嵌入式计算机
计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备
中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备
14
计算机的主要应用领域
1. 科学计算（Scientific Computing）
2. 数据处理（Data Processing）
3. 过程控制（Procedure Control）
4. 计算机辅助系统（Computer-Aided System）
5. 人工智能（Artificial Intelligence）
6. 信息高速公路（Information Super-Highway）
7. 多媒体技术（Multimedia）
15
线框图 实体图
应用举例：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）
16
应用举例：生物仿真模拟
17
应用举例：室外建筑效果图
18
应用举例：医学里的应用
用AVS对焦点区域的图象进行分析处理
19
应用举例：油气工业
20
应用举例：天气预报
BosniaBosnia上空上空
九小时天气九小时天气
预报图预报图
FSLFSL用用AVSAVS实实
现的天气图现的天气图
LAPSLAPS用用
AVSAVS实现实现
的三维局的三维局
地气象预地气象预
报实时图报实时图
21
计算机发展的趋势
1.人工智能进一步发展
自动装置使用微电脑内核，带有“眼睛”— 摄像
机，用以完成特定工作。
2.计算机与通信相结合
计算机应用进入网络时代——信息技术。计算机
与通信网络相互协调、相互补充，融于一体。
3.未来新型计算机
将由磁、光或DNA来制造，即所谓磁计算机、光
子计算机、生物计算机和量子计算机。
22
信息技术概述
信息技术以计算机技术、通信技术、控制技术为核心
信息与数据
数据是信息的载体和表示形式
信息是数据表达的内涵或解释
1. 信息 客观存在的事物及其运动状态的表征
2. 信息的基本特征
① 普遍性 ② 寄载性 ③ 共享性
④ 时效性 ⑤ 可识别性 ⑥ 可加工性
3. 数据 数据是信息的载体。
4. 信息数字化
将现实世界中的信息转换为计算机能识别、存储和处理的形式 23
现代信息技术
信息技术是利用信息科学的原理和方法，研究产生、
获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术。
信息技术的发展趋势
① 多学科结合 ② 智能化
③ 多媒体化 ④ 高速度、网络化
信息化社会
信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。
信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代
化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。
24
计
算
机
系
统
组
成
25
计算机硬件组成
冯 • 诺依曼计算机结构
运算器
存储器
控制器
输入设备 输出设备
执行指令
协调控制
存储程序、
数据、结果
输入程序、
数据 输出结果
26
计算机系统的硬件逻辑组成
冯.诺依曼思想：
程序与数据一
样存放在内存
存储器
数据流 控制流
运算器
外存储器
输
出
设
备
内存储器
输
入
设
备
控制器
中央处理器
27
中央处理器 （CPU为控制器和运算器的总称）
1. 运算器
计算机用来进行算术、逻辑运算的部件：
① 算术逻辑运算单元ALU
执行算数和逻辑运算的装置,核心是加法器
② 内部总线
运算器和控制器之间的公共信息通道
③ 寄存器组
暂存操作数和中间结果
有：累加、暂存、标志、通用 等
28
中央处理器 （CPU为控制器和运算器的总称）
2. 控制器
控制、协调计算机各部件自动连续地执行指令，
控制整个计算机有条不紊地工作。
主要功能有：
① 取指令 —— 自动形成指令地址
② 分析指令 —— 分解成微操作
③ 执行指令 —— 执行微操作命令
④ 改变指令执行顺序—— 根据判断结果
⑤ 输入/输出控制 —— 主机与入/出设备间
⑥ 中断处理 —— 非预期服务
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控制器由以下部件组成：
① 程序计数器（PC） —— 下条指令地址
② 指令寄存器（IP） —— 暂存
③ 指令译码器（ID） —— 分析指令，
分解成微操作
④ 时序控制电路 —— 发出命令
⑤ 微操作控制电路 —— 实际执行命令
30
存储器
用于存储程序和数据的部件。
两种基本操作：
① 读操作
② 写操作
31
存储容量： ——是存储器的重要性能指标。
存储容量单位：
bit (位);
Byte (字节)；
KB（千字节）
MB（兆字节）；
GB（千兆字节）；
它们之间的换算关系为：
1字节（Byte）＝8个二进制位（bits）
1KB＝210 B＝1024 B
1MB＝220 B＝1024 KB
1GB＝230 B＝1024 MB 32
……
位
字，字长
位、字节、字及字长位、字节、字及字长
字节（8位）
数
据
存
储
的
组
织
形
式
33
⒈ 主存储器（内存）分类：
随机存储器（RAM）
SRAM——静态 —— 用于Cache
DRAM——动态 —— 用于内存条
用于CMOS
只读存储器（ROM） ——BIOS
PROM ——只能写1次
EPROM——可多次擦写
34
2．辅助（外）存储设备
外部长久存储区域。常用辅助存储器有:
磁盘存储器——硬盘、软盘;
光盘;
U盘;
磁带
磁鼓
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硬磁盘
磁盘信息存储格式
记录面 = 磁头数
磁道：4096
柱面：所有记录面上同一编号的磁道
扇区：每个扇区容量为512字节
0磁道
柱面
扇区
读/写磁头
硬盘片
磁盘工作原理
36
37
硬盘的存储容量
=磁头数×柱面数×扇区数×扇区容量
例：
若已知磁头数为16，柱面数为4096，扇
区数为63，扇区容量512字节，则：
硬盘容量=16×4096×63×512＝
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输入输出设备
输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备
进行输入输出操作。
1. 输入设备
向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的
设备。
键盘、鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、数字
化扫描仪、图像摄像仪、光学字符阅读器、声音
识别器等都是输入设备。
2. 输出设备
将计算机处理后的信息，转换成人们能识别的形式
打印机、显示器 、绘图仪 、音箱等 39
计算机软件分类
软件：是计算机完成一定任务所需的程序、数据
和资料，分为两大类：系统软件和应用软件。
系统软件
包括4类：
操作系统
语言处理系统
数据库系统
服务程序
40
1.操作系统（OS）
为了合理方便地利用计算机系统而对其资源进行管
理的软件。
操作系统管理的资源有4类 ：
① 进程管理
② 存储管理
③ 设备管理
④ 文件管理
41
2. 语言处理系统
通过计算机语言可以编写程序，控制计算机
完成预定任务。
计算机语言分为3大类：
机器语言
汇编语言
高级语言
42
3. 数据库管理系统
管理数据库的软件，主要面向解决数据处
理的非数值计算问题。
4. 服务程序
完成一些与管理计算机系统资源及文件有
关的任务。
43
应用软件
针对某一应用目的而开发的软件。
分为二大类：
– 通用应用软件
– 专用应用软件
通用应用软件支持最基本的应用，广泛地
应用于几乎所有专业领域。
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计算机系统的层次结构
用 户
系统应用程序
操 作 系 统
机 器 语 言
硬 件 系 统
45
计算机工作原理及主要技术指标
计算机工作过程是执行程序的过程。
程序：为一系列指令的有序集合。
46
计算机的工作过程(1)
计算机的工作过程就是执行程序的过程
输入设备 输出设备内存储器
中央处理器
程序
执行结果
地址/指令/数据
控制命令控制命令
47
1.计算机的指令系统
指令：
是使计算机完成某个操作所发出的命令；
指令系统：
一台计算机有许多作用不同的指令；
所有指令集合称为该计算机的指令系统；
48
指令和程序
程序：
按一定顺序组织在一起的指令序列。
机器指令：
硬件能够直接识别并执行的指令。
49
一条机器指令由两部分组成：操作码和操作数。
① 操作码：指明该指令要完成的操作类型或性质，
如取数、做加法或输出数据等。
② 操作数：指明操作对象的内容或所在单元地址。
指令格式：
说明指令
的功能
说明指令操
作的对象
指令码 目标操作数 源操作数
50
指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作
操作码 操作数
数据传送指令
数据处理指令
程序控制指令
输入输出指令
其它指令
if goto……
＋ － ×÷ And Or……
CPU内存
I/O设备主机
对计算机的硬件进行管理等
指令 结构
分
类
操作码 要完成的操作类型或性质
操作数 操作的内容或所在的地址
51
2.计算机工作原理
计算机执行指令一般分为两个阶段：
第一阶段称为取指周期，
第二阶段称为执行周期。
指令执行的一般过程
取指令 分析指令 读取操作数
执行指令 存放结果
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计算机的工作过程(2)
指令 存取命令
运算命令输入/输出命令
原始数据
命令/程序 取数读
结果 存数写
I/O设备 内存储器 运算器
控制器
数据线：
控制线：
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计算机执行程序的方式
有两种执行方式：
顺序执行：一条指令执行完了再执行下一条指令。
并行执行：同时执行两条或多条指令。
54
3．计算机主要技术指标
① 字长——一次并行处理的二进制数的位数 ；
② 主频——CPU的时钟频率 ；
③ 运算速度——每秒执行指令的次数（MIPS）；
④ 存储容量 ；
⑤ 存储周期——一次完整存取的操作时间；
55
数制及其运算
计算机中采用具有两个不同稳态的电子器件表示
数，这就是二进制数。为书写和表示方便，引进
八进制和十六进制数。
进位计数制
在进位计数制中有基数、位权和数位3个要素。
基数—某个计数制中所包含的数码个数；
数位--指数码在一个数中所处位置；
位权--由位置决定的值；
（位权用基数R的i次幂Ri表示）。
56
1.十进制计数制
十进制数的基数是10。数码有0—9共10个数字符号
（用D表示）。
数码处于不同位置代表不同数值——取决于位权。
因此，可写成权展开表示式：
＝3×102＋0×101＋1×100＋6×10－1＋
8×10－2＋7×10－3＋6×10－4
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2. R进制计数制
任意R进制计数制同样有基数R、位权Ri和按权展
开的表示式。R可以是任意正整数。
任意一个R进制数N可以表示为：
N=An-1×R
n-1+An-2×R
n-2+…+A1×R
1+A0×R
0+A-1×R
-1+…+A-m×R
-m
=
58
进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制
规则 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一
基数 R=2 R=8 R=10 R=16
基本符号 0，1 0,1,2,…,7 0,1,2,…,9 0,1,…,9,A,B,…,F
权 2i 8i 10i 16i
形式表示 B O D H
常用的各种进制数的表示
59
不同进制间的转换
各种进制数之间存在一定的转换规则。
1. R进制数(非十进制）转换为十进制数
规则：利用按权展开方法，可以将任一进制数转换成
十进制数。
方法：只要将各位数码与对应的位权乘积进行相加，
和数就是对应的十进制数。
60
【例】将二进制数转换为十进制数。
（）
B
＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20 ＋
1×2－1＋0×2－2＋1×2－3＋1×2－4 ＝（）
D
【例】将八进制数转换为十进制数。
（）
o
＝4×82＋5×81＋5×80＋5×8-1 ＋4×8-2
＝256＋40＋5＋＋＝（）
D
【 例 】将十六进制数转换为十进制数。
（） H ＝1×16
2＋2×161＋13×160＋11×16－1
＝（）
D 61
2. 十进制数转换为R进制数（非十进制）
规则：
将此数分成整数与小数两部分分别转换，
然后再将结果拼接起来即可。
方法：
① 整数部分转换步骤：采用“除R取余法”。
即将十制制整数不断除R取余数，直到商为0。
余数从右到左排列，首次取得的余数在最右。
62
② 小数部分转换步骤：采用“乘R取整法”。
即将十进制小数不断乘以R取整数，
直到小数部分为0或达到所求的精度为止
（小数部分可能永远不会得到0）；
所得的整数从小数点自左往右排列，取
有效精度，首次取得的整数放在最左。
63
【 例 】将()D 转换成二进制数。
① 整数部分
2|301
2|150 余数为 1 最低位
2|75 余数为 0
2|37 余数为 1
2|18 余数为 1
2|9 余数为 0
2|4 余数为 1
2|2 余数为 0
2|1 余数为 0
0 余数为 1 最高位
64
【 例 】将()D 转换成二进制数。
② 小数部分
×2＝ 整数为 1 最高位
×2＝ 整数为 0
×2＝ 整数为 1
×2＝ 整数为 1 最低位
因此 (301)
D
＝ (100101101)
B
()
D
≈ ()
B
转换结果：
（）
D
≈()
B
65
3. 二进制、八进制、十六进制数（非十）间的
相互转换
二进制、八进制和十六进制之间存在特殊关系：
81＝23 一位八进制数对应三位二进制数；
161＝24 一位十六进制数对应四位二进制数
因此转换方法比较容易（表）。
66
一位八进制数 二进制 一位十六进制数 二进制
0 000 0 0000
1 001 1 0001
2 010 2 0010
3 011 3 0011
4 100 4 0100
5 101 5 0101
6 110 6 0110
7 111 7 0111
8 1000
9 1001
A 1010
B 1011
C 1100
D 1101
E 1110
F 1111 67
八进制和十六进制转换成二进制
每一位八进制数对应三位二进制数。 （1分3）
()O=(111 001 010 100)B
7 1 2 3 1 4
每一位十六进制数对应四位二进制数。（1分4）
()H=(0010 1100 0001 0001)B
2 C 1 D A 1
68
二进制转换成八进制和十六进制
转换成 八 进制时三位二进制一组。 （3合1）
转换成十六进制时四位二进制一组。 （4合1）
分组方法：从小数点向两边三（四）位一组，
位数不足整数前补0，小数后补0。
( 11 0110 1110. 1101 01)B
= (0011 0110 1110. 1101 0100)B =()H
( 11 0110 1110. 1101 01)B
=(001101 101 110. 110 101)B =()O 69
例：将二进制数转换成十六进制数：
（0001 0010 ）
B
＝（）
H
1 2 D. B
即： 整数高位补零
又如将二进制数转换成八进制数：
（100 101 100）
B
＝（）
O
4 5 5 . 5 4
即：小数低位补零
70
数值表示及运算
1. 机器数的概念
计算机内部,表示数的正、负的符号必须数码化。
将一个带符号数在机器中的表示形式称为机器数;
而在机器外部由正负号表示的数称为真值数。
若一个数占16位:
规定最高位为符号位，
用0表示“＋”号；
用1表示“－”号，
其余位表示数值。
例如：真值数为：-000000011000001
其机器数为：1000000011000001
称为数符
71
数据在计算机中的表示方式
2、真值数： + 1001101
0 1 0 0 1 1 0 1+77
符号位 值
机
器
数
/
真
值
数
3、机器数
1、自然数
72
2. 定点数和浮点数
定点整数
隐含小数点位置
定点数—— 固定隐含位置
浮点数——不固定隐含位置
定点小数
在定点数中,小数点位置一旦固定,就不再改变。
定点数中又有定点整数和定点小数之分。
73
2. 定点数和浮点数
定点小数：小数点位置固定在数值最高位前面，用
来表示小于1的纯小数
定点整数：小数点位置固定在数值最低位后面，
用来表示整数。
1000001100000000
数值部分 小数点位置数符
74
定点整数的表示范围：
27 26 25 24 23 22 21 20
1 0 0 0 0 0 0 0
128
27 26 25 24 23 22 21 20
1 1 0 0 0 0 0 0
符号 64
-（27-1）≤N ≤（27-1）
即-127 ≤N ≤127
75
任何浮点数都可表示为：
N=±S×10±j
j: N的阶码
J前面的±：阶符
S： N的尾数；
S前面的±：数符
二进制浮点数的规范化：
尾数的最高位为1。
例如：的规范化格
式为：
×2+11
阶符 阶码 数符 尾数
76
机器数、定点数和浮点数都是用数据第一位表示数
的符号，用其后各位表示数的绝对值。这种方法简
单易懂，称为“原码”编码方式。
3. 原码、反码和补码
77
① 原码：
最高位存放数的符号（0为正，1 为负）。
数值部分用剩余的位以二进制形式表示。
例如：X＝＋1010011 [X]原＝01010011
X＝－1010011 [X]原＝11010011
② 反码：
–正数的反码是原码本身；
–负数的反码表示为该数对应的正数按位取反
（包括符号位）。
例如：正数 [ + 0000100]的反码
= 00000100
负数 [ - 0000100]的反码
= 11111011 78
③ 补码：
– 正数的补码表示与原码相同；
– 负数的补码等于其相应反码加1（在最低位加1）
例如：
正数 [＋ 0000100]补
＝ 00000100
负数 [- 0000100]补
＝[－ 0000100]反＋1
＝ 11111011＋1＝11111100
79
机器数可以有三种表示法：
原码
反码
补码
80
1 0 1 1 0 0 1 0
1 1 0 0 1 1 0 1
1 0 1 1 0 0 1 1
在计算机内部数据是
以补码形式出现
带
符
号
的
机
器
数
-77 原码
反码
补码
数据在计算机中的表示方式
81
补码运算主要优点是:
对负数处理后将减法转化为加法。
不论求和或求差，也不管参加运算的数正与负，
运算时一律只做加法,大大简化运算。
82
二进制加法运算规则
0 0 1 1
+0 +1 +0 +1 （加法）
0 1 1 10
（向高位进位）
01001110 01100101
+ 1 + 1
01001111 01100110
83
补码运算：
已知：X=11 ; Y=－3 ; 求：
X+Y=? 求：[X+Y]补＝[X]补＋[Y]补
[X]反＝ 00001011 [Y]反＝ 11111100
00001011
+ 11111101
= 00001000
[ X]补＝ 00001011 [Y]补＝ 11111101
补码的优点：
数符也当数值参与运算。
[Y]原＝ 10000011[X]原＝ 00001011
84
算术与逻辑运算
计算机中数据采用二进制编码形式实现算术运算
和逻辑运算。
1.二进制数算术运算
二进制数算术运算与十进制数算术运算基本相同，
也包括加、减、乘和除四则运算，但运算更简单。
85
2. 二进制数逻辑运算
逻辑数据值用于判断某个条件成立与否，
成立为1 —— 真
反之为0 —— 假
当要对多个条件进行判断时，则需要用逻辑运算符
构成逻辑表达式，结果还为逻辑值。
逻辑运算主要包括三种基本运算。
① 逻辑与运算：通常用“×”或“∧”符号表示两个
逻辑量间的与关系。
② 逻辑或运算：通常用“＋”或“∨”符号表示两个
逻辑量间的或关系。
③ 逻辑非运算：表示同原条件A含义相反，用A表示 86
在逻辑运算中，将逻辑量的各种可能的组合与对应运
算结果列成表格，称为真值表，它是全面描述逻辑运
算关系的工具之一。一般在真值表中可用1或
T（True）表示真，用0或F（False）表示假。
逻辑运算真值表
A B A×B A＋B
0 0 0 0 1
0 1 0 1 1
1 0 0 1 0
1 1 1 1 0
87
西文字符编码
采用ASCⅡ码。即美国国家信息交换标准字符码。
用7位二进制数表示一个字符编码
文字信息编码形式
字符必须按特定规则进行二进制编码才能进行存储。
88
d6d5d4
d3d2d1d0，
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
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 GS － = M ] m }
1110 SO RS . > N ↑ n ~
1111 SI US / ? O ← o DEL
000 001 010 011 100 101 110 111
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中文字符编码
汉字编码包括三个方面：
输入编码(外码)
内码
字型码(字模)
1.输入码
2. 指输入汉字时的编码，由键盘上字符和数字组成。
3.
4. 如：区位码 、拼音输入编码 、字形输入编码
90
2. 国标码（汉字信息交换码）
汉字用双字节表示。国家标准GB23l2-80
规定7445个字符编码，其中有682个非汉
字图形符和6763个汉字代码。有一级常
用字3755个，二级常用字3008个。
区位码: GB2312－80基本字符集构成一个二维表，
分成94行，94列，行号称为区号，列号称为位号。
每一个汉字和符号在码表中都有惟一位置编码，即
区号（行号）和位号（列号）为该汉字（或字符）
的区位码。
汉字国标码＝ 区号（十六进制数）＋20H
接位号（十六进制数）＋20H
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3. 内码
计算机内部对汉字存储和处理的代码。一个汉字
输入计算机后便转换为内码。
将某汉字的国标码加上8080H，作为汉字内码。
4. 字型码（也称字模或汉字输出码 ）
将汉字作为一幅平面图画 ，分别从纵、横两个方
向分成相等的N×N小方块，得到一幅由“1”组成
的汉字轮廓画，是一幅数值化的图形。按顺序编
成二进制代码串存入计算机中，数值化的图形为
某汉字的N×N点阵字模。
92
5. 地址码
所有汉字字模的集合称为字库。汉字地址码是指
汉字库中存储汉字字型信息的逻辑地址码。它与
汉字内码有着简单的对应关系。
6. 各种汉字代码之间的关系
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94
第1章 作业
• 习题一、二、三
• 将下列进制数分别转换为十进制数：
（）B、()o、（)H
• 将十进制数 分别转换成其它进制数。
• 求下列各数的补码：
195、127、138、-1、-105、-127
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