第1章
计算机基础
教学目标：
电子计算机(electronic computer)俗称电脑，诞生于20世纪40年代。本章主要介绍计算机的一些基础知识，通过本章的学习，读者可以了解计算机的发展、分类、特点、基本结构及应用领域，对计算机有一个初步的总体印象。
教学重点与难点：
1. 微型计算机的发展概况。
2. 计算机的分类。
3. 计算机的基本结构。
1.1 什么是计算机
人通过人的各种感官将外界的事物通过某种形式传递给人脑，然后存储在大脑中，如果需要某一段信息(即记忆)，则经过刺激大脑皮层会自动重现所需信息。计算机必须在接通电源的情况下，通过输入设备(如键盘或鼠标)将所需的信息输入计算机中或经过处理后存放起来，需要时通过输出设备(如显示器或打印机)体现出来。
1. 键盘
键盘是计算机系统的一个重要的输入设备，同时也是计算机与外界交换信息的主要途径。键盘从内部结构可以分为“机械式键盘”和“电容式键盘”两种。
(1) 机械式键盘的按键全部为触点式，它的按键原理非常简单。每个按键就像一个按钮式的开关，按下去之后，金属片就会和触点接触而连通电路。当然，触点式按键构成的机械式键盘具有击键响声大、手感差、磨损快、故障率较高等缺点，不过它的维修却比较容易。机械式键盘如图3-20所示。
(2) 确定系统的安装方式，通常有两种方法可以安装Windows XP。
· 用Windows XP光盘启动，自动选择安装程序安装。
· 从当前操作系统(如Windows 98)中运行Windows XP的安装程序升级安装。
在此介绍从Windows XP启动光盘中进行全新安装，这就需要准备好Windows XP系统安装盘。
2. 键盘
随着科学技术的飞速发展，计算机的使用范围越来越广，与人们的关系越来越紧密，熟练操作计算机是现代人应具备的一项基本技能。目前，最常用的计算机是个人计算机(即PC)，主要有台式机和笔记本电脑两种类型，如图1-1所示。
图1-1 台式机和笔记本电脑
1.2 计算机的发展概况
自从1946年第一台电子计算机问世以来，计算机科学成为20世纪至今发展最快的一门学科，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，使计算机的应用渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息社会的发展，成为一个国家现代化的重要标志之一。为使读者对计算机知识有一个比较系统的了解，本节主要介绍传统计算机和微型计算机的发展历史。
1.2.1 传统计算机的发展历史
所谓传统计算机是指一般意义上的计算机，主要用以与微型计算机稍加区别。世界上第一台通用电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)诞生于1946年，全称为“电子数值积分和计算机”。
尽管ENIAC占地面积170 m2，使用了18 800只电子管，耗电量极大，其功能还比不上现在的一只掌上可编程计算器。但它毕竟是世界上第一台可以实际使用的电子计算机，标志着电子计算机时代的到来。
电子器件的发展推动了电子电路的发展，为研制计算机奠定了物质技术基础。可以说，电子器件的发展是推动计算机发展的主要动力，所以计算机界常以电子器件作为计算机发展史年代划分的依据。
(1) 第一代(1946年~1958年)是电子管计算机时代，计算机使用的主要逻辑元件是电子管。主存储器先采用延迟线，后采用磁鼓磁芯，外存储器使用磁带，并用机器语言和汇编语言编写程序。
这一阶段是计算机的发祥时期，计算机的特点是体积庞大、运算速度低、成本高、可靠性差、内存容量小。主要用于科学计算，从事军事和科学研究方面的工作，代表机型有ENIAC、IBM650(小型机)和IBM709(大型机)等。
(2) 第二代(1959年~1964年)是晶体管计算机时代，计算机使用的主要逻辑元件是晶体管。由于晶体管较之电子管有体积小、可靠性高、功能强、价格低等优点，所以使计算机以既经济又有效的姿态开始步入商用时期。主存储器采用磁芯，外存储器使用磁带和磁盘。并开始使用管理程序，后期使用操作系统并出现了一些高级程序设计语言。
这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。计算机的运行速度已提高到每秒几十万次，体积大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高，其代表机型有IBM7090、IBM7094和CDC7600等。
1.2.2 微型计算机的发展历史
微型计算机简称微机，“微”字主要体现在它的体积小、重量轻、功耗低、成本低、价格廉、环境要求低、易学易用等方面，而它的功能、速度和适用性并不逊色于传统计算机。正是由于微型计算机的这些特点，才使计算机应用解脱了传统计算机昂贵的羁绊，走进了各行各业及寻常百姓家。所以，微型计算机又称个人计算机，即PC(Personal Computer)。
注意：以上介绍的分类方法是国际上比较流行的一种看法。我国计算机界长期流行着巨、大、中、小、微的分法，即将计算机分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机5大类。虽然这种分类有通俗易懂、顺口好记的特点，但是在与国际同行交流中可能会遇到某些问题。因此，关于计算机的分类，还是应该向国际上流行的标准靠拢。
1.3 计算机的特点
计算机作为一种通用的信息处理工具，具有极高的处理速度、很强的存储能力、精确的计算和逻辑判断能力，其主要特点如下。
1. 运算速度快
当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微型计算机也可以达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如，卫星轨道的计算、大型水坝的计算、天气预报的计算等。过去人工计算需要几年甚至更长，而现在用计算机只需几天，甚至几分钟就可以完成。
2. 计算精确度高
科学技术的发展尤其是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能够准确地命中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位(二进制)有效数字，计算精度可达到千分之几到百万分之几，令其他任何计算工具望尘莫及。
1.4 计算机的基本结构
任何一台计算机都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成，缺一不可，其结构如图1-2所示。
图1-2 计算机的基本结构
1.4.1 运算器
运算器又称算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，简称ALU)，是计算机对数据进行加工处理的部件。其主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，并实现逻辑判断。运算器在控制器的控制下实现其功能，运算结果由控制器指挥送到内存储器中。
1.4.2 控制器
控制器是计算机的指挥中心，主要由指令译码器、指令寄存器、控制逻辑等部件组成。控制器完成一条指定指令的过程如下：根据预先编好的程序，依次从存储器取出指令，存放在寄存器中。由指令译码器对指令进行分析，判断应该进行的操作。然后通过控制逻辑发出相应控制信号，指挥确定的部件执行指令规定的操作。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。
提示：通常把运算器和控制器合称为中央处理器，简称为CPU。CPU是计算机的核心部件，担负着主要的运算和分析任务，因此CPU的性能常常代表一台计算机的基本性能。
1.4.3 存储器
存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。一般可分为内存储器(RAM)和外存储器两大类。
1. 内存储器
内存储器简称内存，也称主存储器。它一般安插在主板上相应的插槽中，用于存放当前计算机正在执行的程序和数据，数据必须调入内存储器后才能由CPU调用和执行。因此，内存的大小影响着计算机运行的速度。也就是说，在其他条件相同的配置下，内存越大，计算机的运行速度越快；内存越小，计算机运行的速度越慢。
2. 外存储器
外存储器又称辅助存储器，简称辅存。它是内存的扩充，用于存放备用的程序和数据，需要时，可成批地和内存进行信息交换。外存只能与内存交换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。目前，常用的外存储器主要有硬盘、软盘和光盘等。
提示：内存储器与外存储器的区别主要在于：内存储器的容量相对较小、成本和价格相对较高、速度快，计算机断电或重新启动后，内存中的信息将全部消失；外存储器的容量相对较大、成本和价格相对较低、其中的数据与信息可以永久存放，即使关闭计算机，一般也不会丢失。
本章主要介绍了计算机的一些基础知识，旨在让读者对计算机有一个初步的全面认识。
1.8.1 选择题
1. 第一台电子计算机ENIAC诞生于 年。
A) 1946 B) 1958 C) 1964 D) 1978
2. 第四代计算机所采用的主要逻辑元件是 。
A) 电子管 B) 晶体管 C) 集成电路 D) 大规模和超大规模集成电路
3. 我们通常使用的计算机属于 。
A) 巨型机 B) 小型计算机 C) 工作站 D) 个人计算机
4. 是计算机应用中最广泛的领域。
A) 科学计算 B) 自动控制 C) 数据处理 D) CAD/CAI
1. 前四代计算机都基于 ，统称为 体系计算机。
2. 通常把 和 合称为中央处理器，简称为 。
3. 存储器主要分为 和 ，其中 简称为RAM。
1. 简述微型计算机的发展历程。
2. 根据计算机的规模和处理能力，可以分为哪几类？
3. 计算机主要有什么特点？
第2章
计算机中信息的表示
教学目标：
目前，计算机能够处理文本、图像、音频、视频等多种信息和数据，这些信息都是以“0”和“1”两个二进制符号表示的。本章主要介绍计算机中信息的表示方法，使读者进一步认识计算机的原理。
教学重点与难点：
1. 计算机常用的计数制。
2. 二进制的运算规则。
3. 不同进制数之间的转换。
4. 基本术语。
5. 常见的信息编码。
其实，我们每天都在和进位计数制打交道，只不过没有把它上升到理论而已。本节主要介绍进位计数值的概念及表示方法。
将数字符号按顺序排列成数位，并遵照某种从低位到高位的进位方式计数来表示数值的方法，叫做进位计数制，简称计数制。进位计数制是一种计数方法，最常用的是十进制计数制。
2.2 计算机常用的计数制
计算机是信息处理的工具，任何信息必须转换成二进制形式数据后才能由计算机进行处理、存储和传输。在实际应用中，有时还会用到八进制、十进制和十六进制。
尽管计算机可以处理各种数据和信息，但计算机内部使用的数字符号只有“0”和“1”两个，即计算机内部使用的是二进制。所有的数值数据和非数值数据，都是由0、1这两个数字符号加以组合而成的，称之为“二进制代码”。
二进制具有以下基本特点。
(1) 只有0、1两个不同的数字符号。
(2) 基数是2。
(3) 在第i位上的位权为2i-1。
(4) 逢二进一。
★例2.1：写出二进制数10110的表示方法、按权展开式及各位的位权。
二进制数10110可以表示为(10110)2或者10110B。
按权展开如下：(10110)2=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20，即从左向右其位权分别为24、23、22、21、20。
八进制具有以下基本特点。
(1) 有0、1、2、3、4、5、6、7共8个不同的数字符号。
(2) 基数是8。
(3) 在第i位上的位权为8i-1。
(4) 逢八进一。
★例2.2：写出八进制数5107.3的表示方法、按权展开式及各位的位权。
八进制数5107.3可以表示为(5107.3)8或者5107.3O。
按权展开如下：(5107.3)8=5×83+1×82+0×81+7×80+3×8-1，即从左向右其位权分别为83、82、81、80、8-1。
2.3 二进制的运算规则
二进制的运算比较简单，主要包括算术运算和逻辑运算。
二进制的算术运算主要是指加、减运算，两个1位二进制数的算术运算规则见表2-1。
表2-1 二进制数的算术运算规则
加法规则
减法规则
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1+1=10
0-0=0
0-1=1(借位1)
1-0=1
1-1=0
至于多位二进制数的算术运算，只要掌握“逢二进一”和“借一作二”，并利用1位二进制数运算规则即可实现。
技巧：为验证二进制数的算术运算值的正误，可以选中Windows XP中的“计算器”程序，选择“查看”|“科学型”命令，切换到科学型计算器的界面。选中“二进制”单选按钮，如图2-1所示，可以在此进行二进制的运算。
图2-1 科学型计算器的界面
本章介绍了计算机中信息的表示方法。通过本章的学习，读者应该明确，计算机虽然可以显示各种丰富多样的信息，但所有信息都是通过0和1两个二进制符号表示的，其转换过程是由计算机完成的。
1. 人们日常最常用的进位计数制是 ，计算机中的所有信息都以 数据表示。
A) 二进制 B) 八进制 C) 十进制 D) 十六进制
2. 和是 相等的。
A) 1001010 B) (1001010)2 C) 1001010B D) 1001010H
3. 在二进制的算术运算中，1+1= 。
A) 2 B) 01 C) 11 D) 10
4. 下列存储单位中最大的是 。
A) Byte B) KB C) MB D) GB
1. 二进制的基数是 ，在第i位上的位权为 。
2. 十进制数215转换成二进制数为 ；将(10110101110.11011)2转换成八进制数为 。
3. 常见的信息编码标准主要有 、 和 。一个汉字通常用 个字节存储。
1. 分别简述二进制、八进制、十进制和十六进制的基本特点。
2. 计算机采用二进制有什么优点？
3. 计算机是如何识别汉字的？
