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计算机知识

计算机专业知识

1、计算机的特点

计算机问世之初，主要用于数值计算，“计算机”也因此得名。

但随着计算机技术的迅猛发展，它的应用范围不断扩大，不再局限于数值计算而广泛地应用于自动控制、信息处理、智能模拟等各个领域。

计算机能处理各种各样的信息，包括数字、文字、表格、图形、图象等。

计算机之所以具有如此强大的功能，这是由它的特点所决定的。

概括地说，计算机主要具备以下几方面的特点：

⑴运算速度快

计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且，由电子管升级到晶体管，再升级到小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路等，其运算速度还以每隔几年提高一个数量级的水平不断提高。

⑵存储容量大

计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。

存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。

计算机的应用使得从浩如烟海的文献、资料、数据中查找信息并且处理这些信息成为容易的事情。

存储器的容量是用字节数来度量的。

由于一般存储器的容量都非常大，现在常用“Ｋ字节”和“Ｍ字节”来度量，1K字节=1024字节，1M字节=1024K字节=1024*1024字节，一台普通的奔腾微机，主存储器32M字节，便可把1600多万汉字全部放入内存，而且能够快速地进行查找、排序、编辑等工作。

⑶具有逻辑判断能力

计算机能够根据各种条件来进行判断和分析，从而决定以后的执行方法和步骤。

还能够对文字、符号、数字的大小、异同等进行判断和比较，从而决定怎样处理这些信息。

计算机被称为“电脑”，便是源于这一特点的。

⑷工作自动化

计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。

只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。

另外，计算机还具有运算精度高、工作可靠等优点。

2、计算机的分类

计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类。

　　模拟计算机的主要特点是：

参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。

　　数字计算机的主要特点是：

参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的"思维"方式进行工作，所以又被称为“电脑”。

　　数字计算机按用途又可分为专用计算机和通用计算机。

　　专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。

　　专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。

我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。

这些东西就是再先进，你也不能用它来玩游戏。

　　通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。

　　通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。

这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。

　　一般来说，巨型计算机的运算速度很高，可达每秒执行几亿条指令，数据存储容量很大，规模大结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算。

它也是衡量一国科学实力的重要标志之一。

单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小，重量轻，结构十分简单，性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机。

它们的性能指标和结构规模则相应的依次递减。

3、计算机的应用

计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。

计算机的主要应用领域如下：

1.科学计算（或数值计算）

科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。

在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。

利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。

例如，建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出一系列复杂方程，长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解。

而计算机不但能求解这类方程，并且引起弹性理论上的一次突破，出现了有限单元法。

2.数据处理（或信息处理）

数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。

据统计，80％以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。

数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是：

①电子数据处理（ElectronicDataProcessing,简称EDP）,它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。

②管理信息系统（ManagementInformationSystem,简称MIS）,它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。

③决策支持系统（DecisionSupportSystem,简称DSS）,它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。

目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等等各行各业。

信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。

3.辅助技术（或计算机辅助设计与制造）

计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。

⑴计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,简称CAD）

计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。

它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。

例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。

又如，在建筑设计过程中，可以利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。

⑵计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing,简称CAM）

计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。

例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。

使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统（CIMS）。

它的实现将真正做到无人化工厂（或车间）。

⑶计算机辅助教学（ComputerAidedInstruction,简称CAI）

计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。

课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。

CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。

4.过程控制（或实时控制）

过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。

采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。

因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。

例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，而且可以使整个车间或工厂实现自动化。

5.人工智能（或智能模拟）

人工智能（ArtificialIntelligence）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。

现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。

例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等等。

6.网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。

计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。

4、信息编码

二－十进制编码

所谓二－十进制编码（BCD码BinaryCodedDecimal）就是将十进制的每一位数用4位二进制数表示。

下表列出了最常用的8421编码对照表：

字符编码

目前，在计算机中普遍采用的一种字符编码方式是“ASCII码”。

在ASCII码中，每个字符用7位二进制代码表示。

例如，要确定字符A的ASCII码，可以从表中查到高位是"100"，低位是"0001"，将高位和低位连起来就是字符A的ASCII码1000001。

一个字节有8位，字符的ASCII码可以存入字节的低7位，最高位用来放奇偶校验位。

奇偶校验是指在代码传送过程中，用来检验是否出现错误的一种方法。

一般分奇校验和偶校验两种。

奇校验规定，正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数，若非奇数，则在最高位b7添1来满足；偶校验规定，正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数，若非偶数，则在最高位b7添1来满足。

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字符

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目前使用最广泛的西文字符集及其编码是ASCII字符集和ASCII码（ASCII是AmericanStandardCodeforInformationInterchange的缩写），它同时也被国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）批准为国际标准。

基本的ASCII字符集共有128个字符，其中有96个可打印字符，包括常用的字母、数字、标点符号等，另外还有32个控制字符。

标准ASCII码使用7个二进位对字符进行编码，对应的ISO标准为ISO646标准。

下表展示了基本ASCII字符集及其编码：

字母和数字的ASCII码的记忆是非常简单的。

我们只要记住了一个字母或数字的ASCII码（例如记住A为65，0的ASCII码为48），知道相应的大小写字母之间差32，就可以推算出其余字母、数字的ASCII码。

虽然标准ASCII码是7位编码，但由于计算机基本处理单位为字节（1byte=8bit），所以一般仍以一个字节来存放一个ASCII字符。

每一个字节中多余出来的一位（最高位）在计算机内部通常保持为0（在数据传输时可用作奇偶校验位）。

由于标准ASCII字符集字符数目有限，在实际应用中往往无法满足要求。

为此，国际标准化组织又制定了ISO2022标准，它规定了在保持与ISO646兼容的前提下将ASCII字符集扩充为8位代码的统一方法。

ISO陆续制定了一批适用于不同地区的扩充ASCII字符集，每种扩充ASCII字符集分别可以扩充128个字符，这些扩充字符的编码均为高位为1的8位代码（即十进制数128~255），称为扩展ASCII码。

下表展示的是最流行的一套扩展ASCII字符集和编码：

汉字编码

对汉字进行编码是为了使电脑能够识别和处理汉字。

⑴国标码（也称交换码）

国家标准汉字编码简称国标码，在国标码表中，共收录了一、二级汉字和图形符号7445个。

其中图形符号682个，一级汉字（常用汉字）3755个，二级汉字（不常用汉字）3008个，每个汉字及特殊字符以两个字节的十六进制数值表示。

在2000年3月我国又推出了《信息技术·信息交换用汉字编码字符集·基本集的扩充》新国家标准，共收录了27000多个汉字，还包括藏、蒙、维吾尔等主要少数民族文字，基本上解决了计算机汉字和少数民族文字的使用标准问题。

⑵机外码（也称输入码）

机外码是指操作人员通过西文键盘上输入的汉字信息编码。

主要有以下四种：

数字编码，如：

电报码、区位码。

字音编码，如：

双拼、全拼、智能ABC输入法等。

字形编码，如：

五笔字型码、表形码。

音形编码，根据语音和字型双重因素确定的输入码。

⑶机内码（也称内码）

机内码是指计算机内部存储、处理加工汉字时所用的代码。

输入码通过键盘被接受后就由汉字操作系统的"输入码转换模块"转换为机内码，每个汉字的机内码用2个字节的二进制数表示。

为了与ASCII相区别，通常将其最高位置为1，大约可表示16,000多个汉字。

虽然某一个汉字在用不同的汉字输入方法时其外码各不相同，但其内码基本是统一的。

⑷字形码

字形码是指文字信息的输出编码。

用来将机内码还原为汉字进行输出。

字形码采用点阵形式，不论一个字的笔划多少，都可以用一组点阵表示。

每个点即二进制的一个位，由"0"和"1"表示不同状态，如明、暗或不同颜色等特征表现字的型和体。

所有字形码的集合构成的字符集称为字库。

根据输出字符的要求不同，字符点的多少也不同。

点阵越大、点数越多，分辨率就越高，输出的字形也就越清晰美观。

汉字字型有16×16、24×24、32×32、48×48、128×128点阵等，不同字体的汉字需要不同的字库。

点阵字库存储在文字发生器或字模存储器中。

字模点阵的信息量是很大的，所占存储空间也很大。

以16×16点阵为例，每个汉字就要占用32个字节。

多媒体信息表示

多媒体（Multimedia）是多种媒体的复合，多媒体信息是指以文字、声音、图形、图像为载体的信息。

⑴音频信息的数字化

计算机中所处理的都是一些二进制信息，为了使计算机能处理声音信号，必须先将这种模拟信号转换成二进制的数字信号，即对声波进行采样，这个过程称为模/数（A/D）转换，反之，将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模（D/A）转换。

每秒钟的采样数叫做采样频率，目前通用的标准采样频率有3个：

44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz。

将采样的声音信号幅值转换为二进制表示，则声音就被数字化了。

采样的频率越高，声音的保真度越高，质量越好。

⑵视频信息的数字化

动态图像也称视频信息，人们所看到的视频信息实际上是由许多幅静止的画面所构成的。

每一幅画面称为一帧，帧是构成视频信息的最小、最基本的单位。

视频信息的采样和数字化视频信号的原理与音频信息数字化相似，也用两个指标来衡量，一是采样频率，二是采样深度。

采样频率是指在一定时间以一定的速度对单帧视频信号的捕获量，即以每秒所捕获的画面帧数来衡量。

例如，要捕获一段连续画面时，可以用每秒25～30帧的采样速度对该视频信号加以采样。

采样深度是指经采样后每帧所包含的颜色位（色彩值）。

如：

采样深度为8位，则每帧可达到256级单色灰度。

5、数据表示

处理机硬件能够辨认并进行存储、传送和处理的数据表示方法。

一台处理机的数据表示方法是处理机设计人员规定的，尽管数据的来源和形式有所不同，但输入这台处理机并经它处理的全部数据都必须符合规定。

软件设计人员还可以依此来规定各数据类型（如虚数、向量等）和组织复杂的数据结构（如记录、文卷等）。

　　早期的机械式和继电式计算机都用具有10个稳定状态的基本元件来表示十进制数据位0,1,2,…,9。

一个数据的各个数据位是按10的指数顺序排列的，如386.45＝3×102+8×101+6×100+4×10-1+5×10-2。

但是,要求处理机的基本电子元件具有10个稳定状态比较困难，十进制运算器逻辑线路也比较复杂。

多数元件具有两个稳定状态，二进制运算也比较简单,而且能节省设备,二进制与处理机逻辑运算能协调一致，且便于用逻辑代数简化处理机逻辑设计。

因此，二进制遂得到广泛应用。

　　定点表示法　在二进制中，0和1分别由处理机电子元件的两个稳定状态表示,2为数的基底。

二进制数

为0和1。

例如，11001表示十进制整数25；0.101表示十进制小数0.625。

在处理机运算器中,数据小数点的位置是隐含固定的。

通常，小数点隐含固定在数据最右端的，称定点整数,如11001；小数点隐含固定在数据最左端的，称定点小数，如0.101。

　　浮点表示法　把处理机处理的数据都化为定点整数或定点小数会给用户带来很多麻烦和限制：

①用户的初始数据、中间结果，或最后结果可能在很大的范围里变化，程序员不得不在运算的各个阶段预先引入比例因子，把数据统一放大或缩小；②一定长度的定点数据所能表示的数据范围和精度是很有限的。

例如，15位二进制定点整数能表示的最大值是111111111111111（即215-1）,最小值是000000000000001（即1）；同理，15位二进制定点小数能表示的最大值是0.111111111111111（即1-2-15），最小值是0.000000000000001（即2-15）。

为此，处理机常采用小数点位置可以浮动的二进制浮点表示法。

在浮点表示法中，一个数据分为阶码（或指数）和尾数（或数值）两部分，阶码用二进制定点整数表示，尾数用二进制定点小数表示。

例如,6.5=23×0.8125=24×0.40625，表示为二进制浮点形式是011；11010或100；01101。

两个表示式的左端3位是定点整数表示的阶码，右端5位是定点小数表示的尾数。

浮点表示的小数点不固定并可随小数点浮动并有多种表示式，其中尾数最高位为有效数值的浮点数称为规格化浮点数（如011；11010）。

　　数据符号表示　数据的符号也用一个二进制数据位表示，一般以0表示正号，1表示负号，习惯上常将符号位放在数据左端。

于是前例浮点数的完整表示是0，011；0,.11010或0，100；0，01101。

以一个16位的二进制浮点数据为例，如它的阶码为5位，尾数为9位，阶码和尾数符号各1位，则它能表示的最大正数是0，11111；0，.111…11〔即2

×（1-2-9），〕最小正数是1，11111；0，.000…01（即2-31×2-9）。

它比15位数值、1位符号的16位二进制定点整数和定点小数所能表示的数据范围大得多。

　　数据的原码、反码和补码　给出的数据表示式与数据符号无关，称为数据的原码。

在两个数据进行加减运算时，需要判定它们的符号和绝对值大小才能确定操作关系和操作类型。

为了简化处理机加减运算，通常采用二进制反码或二进制补码表示数据。

对于正数，反码和补码的表示式和原码相同；对于负数,如以n个二进制位表示，数据x的反码为（2-2-n）+x，补码为2+x，即负数的二进制反码表示式是将二进制数值表示式中的0改为1,1改为0，再冠以负号1；负数的二进制补码表示式是将二进制反码的最低位再加以1而得到。

例如，-0.375（即-0.011）的反码是1,.100,补码是1,.101。

同一负数的原码、反码和补码的表示式是不同的，对应的运算方法也不同。

　　二-十进制表示法　把通常使用的十进制数据改为二进制形式既不直观又很麻烦，因而程序员的初始数据还可使用简便直观的二-十进制编码,即每个十进制数据位用若干二进制位表示。

这种编码表示法很多，常用的是以四个二进制位的数值直接表示一个十进制位的编码，称8421码。

它以0000表示“0”，0001表示“1”，…，1001表示“9”。

多数计算机都具有二-十进制编码和二进制码之间互相转换的指令或程序，商用计算机还可以直接执行二-十进制编码数据的算术运算。

字符数据表示法　用二进制位序列组成供输入、处理和输出用的编码称为字符数据。

字符数据包括各种运算符号、关系符号、货币符号、字母和数字等。

中国通用的是1980年颁布的国家标准GB1988-80《信息处理交换用的七位编码字符集》（见表），它以7个二进制位表示128个字符。

它包括32个控制字符集、94个图形字符集、一个间隔字符和一个抹掉字符。

6、数制及其转换

一、进位计数制的基本概念

将数字符号按序排列成数位，并遵照某种由低位到高位的进位方式计数表示数值的方法，称作进位计数制。

1.十进制

　　十进制计数制由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共10个数字符号组成。

相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满十就向高位进一，即“逢十进一”。

　　如：

555.5可以表示成

　　555.5＝5×100+5×10+5×1+5×（1/10）

数学上把100，10，1和（1/10）称为对应数位上的权重（简称权），分别表示了对应位上的数字对整个数值的“贡献”。

对于10进制数来说，各位权从小到大分别是……10-1、100、101、102……，都是10的各次幂。

其他进制数也存在同样的问题，例如2进制数各位权重分别是2的各次幂，8进制数是8的各次幂等等。

需要说明的是，各种进制数都是人们为了理解数而进行的一种表述，在计算机计算过程中，是不存在进制这种概念的，例如表示数的三种形式：

12（16进制）、18（10进制）和22（8进制），在内存中都是一样的。

2.八进制

　　八进制计数制由0、1、2、3、4、5、6、7共8个数字符号组成。

相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满八就向高位进一，即“逢八进一”。

　　如：

（555.5）8可以表示成

　　（555.5）8＝5×82+5×81+5×80+5×8-1

3.二进制

　　二进制计数制由0和1共2个数字符号组成。

相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值，每个数位计满二就向高位进一，即“逢二进一”。

　　如：

（1011.1）2＝1×23+0×22+1×21+1×20+1×2-1

4.其他进制

　　在日常生活和日常工作中还会使用其他进制数。

如：

十二进制数、十六进制数、百进制数和千进制数等。

无论哪种进制数，表示的方法都