一、课程内容
1）计算机的发展历史
2）计算机系统的组成
3）计算机中信息的表示
4）计算机技术的应用
重点：掌握冯.诺依曼机的结构和功能、现代计算机的硬件构成和各个功能部件的作用、计算机软件的作用、计算机中数值型和非数值型数据的表示。
难点：数值型数据的表示，不同进制数据的转换、原码、反码、补码和表示三者的转换关系。
第一节 计算机的发展历史
一、计算的概念
计算就是映射或基于规则的符号串的变换过程。
算法是求解某类问题的通用法则或方法，即符号串变换的规则。算法通常由某种精确的语言来表述，算法的执行过程就是计算。
二、计算工具的发展
发展动力:
1）提供计算的速度和精度；
2）计算更方便、降低计算成本、减小计算工具体积；
发展进程：
三年后，剑桥大学根据它的理论，开发出了世界上第一台存储程序的电子计算机EDSAC，之后的计算机都是基于冯.诺依曼的存储程序体系结构的计算机，都被统称为冯.诺依曼机。
冯.诺依曼机
五大基本部件构成及功能：
1）输入数据和程序的输入设备；2）记忆程序和数据的存储器；3）完成数据加工处理的运算器；4）控制程序执行的控制器；5）输出处理结果的输出设备。
三、电子计算机的发展
根据使用的关键电子器件的不同，电子计算机的发展被分为四个时代。
第二节 计算机系统的组成
一、计算机的特点和功能
1.计算机的特点
1）计算速度快
2）计算精度高
3）逻辑性强
4）数据处理量大
5）自动化程度高
6）应用领域广泛：日常生活、气象预报、航天飞行、地质勘探、核爆炸模拟
2.计算机的功能
1）处理数据
对数字、文字、图像、声音、视频等各种形式的信息进行算术运算和逻辑运算。
2）数据存储
是计算机能采用自动工作方式的基本保证。
3）数据传输
是实现信息流动和共享的主要途径。
计算机系统可以认为是由硬件和软件两大部件组成。硬件是各种物理装置的总称，包括芯片、板卡、存储器、外围设备、线路等；软件是指运行在硬件上的程序、数据及相关的文档。
二、计算机的硬件组成
计算机硬件：是指计算机系统中由电子、机械、和光电元器件等组成的各种物理装置的总称。
1.中央处理器
专门完成读取指令和执行指令的部件称为中央处理器（CPU），它是计算机运算处理的核心部件。
CPU的功能：
1）程序控制；2）操作控制；3）时间控制；4）数据运算；
CPU的组成：
计算机的CPU主要由运算器、控制器、寄存器组成。
1） 运算器：负责逻辑运算与算术运算；
2）控制器：控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、操作控制器和时序信号产生器等组成。负责协调并控制计算机各个功能部件执行程序的指令序列。
3）寄存器：用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及各种控制、状态信息。
CPU的性能指标：
1）时钟频率（主频），表示CPU内数字脉冲信号振荡的速度，单位（Hz）
2）外频，CPU与主板之间同步运行的速度
3）指令系统和字长：
指令系统：计算机所能执行的全部指令集合；
字长：CPU一次能并行处理二进制数的位数；
2.存储器
存储器是计算机系统用来存储程序和数据的器件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现程序存储控制的基础。
3.外部设备
外部设备也称为输入/输出设备，为计算机与其使用者提供交互。（键盘、鼠标、传声器、摄像头、触摸屏、显示器、打印机、音响和耳机等）
4.总线
为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路配置适当的接口电路，这组共用的连接线路被称为 总线。
总线的分类
总线的指标
总线的带宽 = 总线的工作频率 * 总线的位宽/8bit
1）总线的位宽：指的是总线能同时传送的二进制数据的位数；
2）总线的工作频率：以 MHz 为单位；
3）总线的带宽（总线数据传输速率）：单位时间内总线上创送的数据量，即每秒钟传送兆节 字（MB）的最大稳态数据传输率。
三、计算机软件的组成
软件是为运行、维护、管理和应用计算机所编制的程序、需要的数据及文档。
1.软件的发展过程
2.软件的分类
根据作用不同，通常将软件大致划分为系统软件和应用软件两大类
（1）系统软件：为了有效地使用计算机系统资源、为应用软件开发与运行提供支持、能为用户管理与使用计算机提供方便的一类软件；
（2）应用软件：应用软件泛指专门用于解决各种具体应用问题的软件或程序
3.程序设计语言
程序设计语言比自然语言更严谨清晰，没有二义性，适合硬件设备的执行。
程序设计语言是人与计算机进行交流的语言，经历了机器语言、汇编语言和高级语言几个阶段。
机器语言：能由计算机直接识别和执行，是最底层的程序语言，工作效率很高，能够直接驱动 硬件工作。但人们记忆和运用都比较困难，语句全部由二进制符号1和0组成。
汇编语言：相对机器语言简明一些，采用约定的符号来表示各种操作命令和操作数。
高级语言：更接近于人类语言的程序设计语言，易懂，符合人的思维习惯。但不能直接被机器识别，需要编译或解释翻译成机器语言变成一条条具体的指令后再执行控制计算机硬件工作。
编译：将高级语言编写的源代码翻译成目标程序，将目标程序链接成可执行程序后再执行。
解释：由解释程序对源程序进行分析，边解释边执行，并立即得到结果，解释过程中不产生目标程序。
计算机指令：计算机硬件执行某种操作的命令。
指令系统：一台计算机所有指令的集合构成改机器的指令集，也称指令系统。
指令集体系结构：规定内容包括：数据类型及格式、指令格式、寻址方式、可访问地址空间大小、程序可访问的寄存器个数、寄存器的位数和编号、控制寄存器的定义、I/O空间的编制方式、中断机制、机器工作状态的定义和切换、输入、输出结构和数据传送方式、存储保护方式等。指令集体系结构向上提供了软件接口、向下规定了计算机硬件要实现的功能。
一条指令中必须明显或隐含地包含以下信息：
1）操作码。指定操作类型，如移位、加、减、乘、除、传送等。
2）源操作数或其地址。指出一个或多个源操作数或其所在的地址，可以是内存地址、寄存器编号或I/O端口，也可在指令中直接给出一个立即数。
3）结果的地址。结果存放的地方志，可以是内存地址、寄存器编号或I/O端口。
4）下一条指令地址。
第三节 计算机中信息的表示
一、计算机中的信息
信息：信息是一个抽象概念，区别于消息。通常，将人类能够感知的描述称为消息，比如看到的事物、听到的声音、嗅到的味道。而细信息理解为消息中包含的有意义的内容，而消息是信息的载体。
数据：信息通过各种数据来承载。数据是对客观事物的性质、状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合，常用的数据形式包括了数字、文字、图像、声音、视频等。
计算机处理的数据分为数值型数据和非数值型数据两大类。
数值型数据：十进制数、二进制、八进制、十六进制等，有大小和正负之分；
非数值型数据：文字、符号、声音、图像等。
二、数值型数据的表示
表示数值型数据，要解决的三个问题：
1) 采用何种进位计数制；2) 如何区分数的正负；3) 如何确定小数点的位置；
1.数制的概念
数制是人们利用数字符号来计数的方法。将数字符号排列，按由低位向高位进位计数的方法称为进位计数制，概况起来可以说“逢几进一”，就是几进制计数制。
基数：是指指数制允许使用的基本数字符号的个数。例如十进制的是0-9的10个基本符号，所以基数是10；
权：一个数字符号出现在数中不同数位上，其所代表的数值是不同的。一个数字符号所表示的数值就等于该数字乘以一个与它所在的数位有关的常数，这个常数称为位权，简称权。
位权等于 基数为底，数字符号所在位置的序号为指数的整数次幂。
任何一种数制，其整数部分最低位的位置序号定义为0，每高一位位置数加1。小数部分的位置序号为负值，小数部分最高位的位置序号为-1，每低一位位置序号减1。
为了方便表示各种进制，通常用括号把数括起来，并在右下角标注数制。
2.二进制数的特点
1）容易实现；2）工作可靠；3）运算简单；4）便于逻辑运算和逻辑设计；
3.制数之间的转换
1）十进制转换成二进制：整数部分“除2取余，自下而上”，小数部分“乘2取整，直到取到需要的位数，自上而下”
拿56.47需要保留3位来说：
56 / 2 = 28 余 0
28 / 2 = 14 余 0
14 / 2 = 7 余 0
7 / 2 = 3 余 1
3 / 2 = 1 余 1
1 / 2 = 0 余 1
所以整数部位是：111000
(小数部分乘2取整，剩下的小数部分继续乘2取整，直到取到需要的位数)
0.47*2 =0.96 取整0
0.96*2 =1.88 取整1
0.88*2 =1.76 取整1
所以二进制是：111000.011
2）十六进制转换为二进制
法则：将十六进制的每位数字用等值的4位二进制数代替即可。
3BF.6A=0011 1011 1111 . 0110 1010
3）二进制转换为十六进制
法则：整数部位由底向高位方向每四位一组。最后一组不足四位补0.小数部分由高向低位方向每四位一组，最后一组不足4位补0，然后用等值的十六进制数代替每四位一组的二进制数即可。
1111010010.001101 = 0011 1101 0010.0011 0100 =3D2.34
一个二进制码元0或1是最小的信息表示单位，称为bit（比特）或位。通常用8位二进制数构成一个Byte（字节），简写为B，作为计算机存储系统中基本的数据单位。字母在计算机存储器中占一个字节，一个汉字在计算器中占2个字节。
4.二进制编码的表示
一个数在计算机内的表达形式称为“机器数”，它代表的数制，称为此机器数的“真值”。
在计算机中，数值型信息在计算机内是采用二进制编码表示的。一般用“0”表示正号，“1”表示负号，将二进制数的最高位用作符号位。
例两个8位二进制数：A=(+1011011) B=(-1011011)，则他们在机器中可以表示为：
A:01011011 B:11011011
为了改进带符号数的运算方法和简化运算器的硬件结构，人们研究了符号数的多种二进制编码方法，常用的二进制编码包括了原码、反码和补码。
补码的原理其实利用到了一种“取模运算”，通常使用“mod” 或 “%”作为取模的运算符，比如12 mod 8 = 4。
在模数系统中（例如模数为12），一个数减去另一个数（即一个数加上一个负数），等于第一个数加上第二个数的补数：8-2=8+10（mod 12）
5.定点与浮点表示
通常计算机通过约定小数点的位置来实现小数点的表示。小数点位置约定在固定位置的数称为定点数，小数点位置约定为可浮动的数称为浮点数。
（1）定点表示
定点表示是指计算机约定：所有数的小数点固定在同一位置不变。
定点表示格式使得计算机只能处理纯整数或者纯小数，限制了计算机程序处理数据的范围。为了能让程序处理任意的数值，计算机中更多地采用浮点格式表示数值信息。
（2）浮点表示
浮点表示法类似于科学计数法。一个数N可以表示为
N =（-1)^s * M * R^E
其中s取值为0或1，决定定数N的符号。M为数N的全部有效数字，称为数N的尾数，奇位数反映了数据的精度。R表示基数，如对于十进制，R=10。 E表示R的幂，称为数N的阶数。阶数决定了小数点的位置，其位数反映了该浮点数所表示的数的范围。
三、非数值型数据的表示。
1.西文字符的表示。
采用7位二进制数编码，最常用的编码方案是ASCII码。
1）表中前32个字符和最后一个字符为控制字符，在通信中起控制作用；
2）10个数字字符和26个英文字母由小到大排列，且数字在前，大写字母次之，小写字母在最后，这个特点可用于字符数据的大小比较。
3）数字0～9由小到大排序，ASCII码分别是48-57
4）A的ASCII码值为65，a的为97，由小到大依次排列，由此可推导出其他字母的值；
2.汉字的表示
汉字的编码分为以下四类：
（1）输入码（外码）
每个汉字用一个或几个键来表示，这种对每个汉字用相应键进行编码的表示方法称为汉字的输入码，又称外码。
（2）交换码
（3）机内码
（4）汉字的字形码
3.位图的表示
用矩阵表示
4.声音的表示
对声音进行采样、量化和编码，
四、计算机指令的表示
第四节 计算机技术的应用
一、计算机用途
（1）科学计算（2）信息管理（3）自动控制（4）人工智能（5）辅助工程（6）学习娱乐（7）电子商务
二、未来计算机发展趋势
（1）网络化（2）智能化（3）巨型化（超级计算机）和微型化（物联网、微型计算机）；
