計算機基礎(chǔ)第1章—第3章

1、第一章：計算機概述 武漢科技學院教師：陳文計算機科學學院 課程：課程：計算機基礎(chǔ)計算機基礎(chǔ)教材：教材：大學計算機基礎(chǔ)大學計算機基礎(chǔ)出版：出版：中國鐵道出版社中國鐵道出版社主編：主編：朱勇朱勇 孔維廣孔維廣學時：學時：32 32 上課上課 20 20 上機上機 1212第一章第一章 計算機概述計算機概述 計計算機系統(tǒng)統(tǒng)由硬件（Hardware ）和軟軟件（Software）兩兩大部分組組成。 硬件是計計算機系統(tǒng)統(tǒng)中物理裝置的總稱總稱。它們它們是由電電子的、電電磁的、光學學的、機械的元器件集成的芯片，組組裝的電電路板及各種種部件和裝置組組成。 軟軟件是計計算機系統(tǒng)運統(tǒng)運行所需的各種種程序及其相關(guān)資

2、關(guān)資料。 1.1計算機發(fā)展史 1.最早的計算器-算盤 2.計算機的鼻祖-布萊斯.帕斯卡 計算機之父-劍橋大學數(shù)學教授查爾斯.巴貝奇 3.抽象計算機模型-圖靈機 4.馮.諾依曼計算機什么是計算機？武漢科技學院電子管計算機電子管計算機晶體管計算機晶體管計算機集成電路計算機集成電路計算機大規(guī)模大規(guī)模/ /超大規(guī)模集成電路計算機超大規(guī)模集成電路計算機智能化計算機智能化計算機代次代次起止年份起止年份所用電子所用電子元器件元器件數(shù)據(jù)處理方式數(shù)據(jù)處理方式運算速度運算速度應用領(lǐng)域應用領(lǐng)域第一代第一代19461958電子管電子管匯編語言、匯編語言、代碼程序代碼程序5千千3萬次萬次/秒秒國防及高科國防及高科技技第

3、二代第二代19591964晶體管晶體管高級程序設(shè)計高級程序設(shè)計語言語言數(shù)十萬數(shù)十萬幾幾百萬次百萬次/秒秒工程設(shè)計、工程設(shè)計、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理第三代第三代19651970中 、 小 規(guī) 模中 、 小 規(guī) 模集成電路集成電路結(jié)構(gòu)化、模塊結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計、化程序設(shè)計、實時處理實時處理數(shù)百萬數(shù)百萬幾幾千萬次千萬次/秒秒工業(yè)控制、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理第四代第四代1971今今大 規(guī) 模 、 超大 規(guī) 模 、 超大 規(guī) 模 集 成大 規(guī) 模 集 成電路電路分時、實時數(shù)分時、實時數(shù)據(jù)處理、計算據(jù)處理、計算機網(wǎng)絡(luò)機網(wǎng)絡(luò)上億條指上億條指令令/秒秒工業(yè)、生活工業(yè)、生活等各方面等各方面第五代第五代 未來趨

4、勢未來趨勢數(shù)數(shù)字字計計算機的算機的飛飛速速發(fā)發(fā)展展第一代第一代 電子管計算機（電子管計算機（1946-19581946-1958）主要邏輯元件是電子管主要邏輯元件是電子管特點：體積龐大、運算速度低、成本高、可靠性差、內(nèi)存容量小。主要用于特點：體積龐大、運算速度低、成本高、可靠性差、內(nèi)存容量小。主要用于科學計算，從事軍事和科學研究方面的工作科學計算，從事軍事和科學研究方面的工作 第二代第二代 晶體管計算機（晶體管計算機（1958-19641958-1964）主要邏輯元件是主要邏輯元件是 晶體管晶體管特點：體積已減小、速度快、功耗低、性能更穩(wěn)定。應用擴展到數(shù)據(jù)、特點：體積已減小、速度快、功耗低、性

5、能更穩(wěn)定。應用擴展到數(shù)據(jù)、自動控制等方面。自動控制等方面。 第三代第三代 集成電路計算機（集成電路計算機（1965-19711965-1971）特點：可靠性和存儲容量進一步提高，體積更小，運算速度更快，價格更特點：可靠性和存儲容量進一步提高，體積更小，運算速度更快，價格更低，與通信密切結(jié)合起來。廣泛用于科學計算、數(shù)據(jù)處理、事務管理、工低，與通信密切結(jié)合起來。廣泛用于科學計算、數(shù)據(jù)處理、事務管理、工業(yè)控制等領(lǐng)域。業(yè)控制等領(lǐng)域。特點：計算機的存儲容量和可靠性又有了很大提高，功能更加完備。計算機特點：計算機的存儲容量和可靠性又有了很大提高，功能更加完備。計算機的類型除小型、中型、大型機外，開始向巨型

6、機和微型機（個人計算機）兩的類型除小型、中型、大型機外，開始向巨型機和微型機（個人計算機）兩個方面發(fā)展個方面發(fā)展,使計算機開始進入了辦公室、學校和家庭。使計算機開始進入了辦公室、學校和家庭。 第四代第四代 大規(guī)模大規(guī)模/ /超大規(guī)模集成電路計算機（超大規(guī)模集成電路計算機（19711971年迄今）年迄今）第五代第五代 智能化計算機智能化計算機 特點：把信息采集、存儲儲、處處理、通信和人工智能結(jié)結(jié)合在一起 ，具有推理、聯(lián)聯(lián)想和學習學習等人工智能方面的能力 。計算機的發(fā)展趨勢？計算機的發(fā)展趨勢？巨型化巨型化微型化微型化網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化多媒體化多媒體化 智能化智能化計計算機的特點?運算速度快計算精確度高存

7、儲容量大、記憶力強具有邏輯判斷能力、工作全自動可靠性高、通用性強計計算機的應應用?1. 科學計算2. 信息處理（數(shù)據(jù)處理）3. 自動控制4. 人工智能5. 計算機輔助設(shè)計6. 模擬系統(tǒng)7. 娛樂與文化教育8. 網(wǎng)絡(luò)應用9. 電子商務專用計算機 專用計算機是針對某一特定應用領(lǐng)域或面向某種算法而研制的計算機 。計算機的分類計算機的分類? ? 計算機按用途用途可分為通用計算機通用計算機和專專用計算機用計算機。通用計算機 依據(jù)其規(guī)模、速度、功能等綜合性能指標分為超級計算機、大型計算機、小型計算機、微型計算機和工作站。馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)美籍匈牙利數(shù)學家美籍匈牙利數(shù)學家馮馮諾依曼諾依曼 采用

8、二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令 采用存儲程序存儲程序方式 由運算器、存儲器、控制運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成計算機系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能1. 中央處處理器CPU （1）CPU的基本組成 CPU (Central Processing Unit),中央處處理器,又稱稱微處處理器，它它是計計算機的核心部件. 運運算器主要功能是執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算 控制器指揮計算機的各部分協(xié)調(diào)地進行工作 （2）CPU的主要技術(shù)指標和新技術(shù) 字長字長: CPU能夠處理的數(shù)據(jù)寬度、精度和速度等 主頻主頻: CPU的工作時鐘頻率 前端總線前端總線: CPU跟外界溝通的

9、唯一通道 流水線流水線: 運算器的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計 執(zhí)行速度執(zhí)行速度: 每秒鐘能夠執(zhí)行的指令數(shù) 整數(shù)和浮點性能整數(shù)和浮點性能 Cache: CPU和內(nèi)存之間插入高速緩沖存儲器 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng): 指令來計算和控制系統(tǒng) CPU內(nèi)內(nèi)核和I/O工作電壓電壓 超線線程技術(shù)術(shù)2. 主板 也稱為系統(tǒng)板，它是微機系統(tǒng)的最重要部件, 布滿了各種插槽（可連接聲卡/顯卡/MODEM等） 接口（可連接鼠標/鍵盤等） 電子元件內(nèi)存顯卡PCI各種接口CPU3.存儲儲器（1）內(nèi)存儲器(主存)：存放正在處理中的程序和數(shù)據(jù) 是主機的一部分，由CPU直接訪問 按照其性能和特點可分為:只讀存儲器（ Read Only Memory

10、，簡稱ROM）隨機讀寫存儲器（ Random Access Memory ，簡稱RAM）高速緩沖存儲器（Cache） 只讀存儲器只讀存儲器ROM 只能讀出而不能寫入的存儲器只能讀出而不能寫入的存儲器 存儲的信息不會由于斷電而丟失存儲的信息不會由于斷電而丟失只讀存儲器只讀存儲器ROMROM可分為：可分為：掩膜MROM（Mask ROM）可編程只讀存儲器PROM（Programmable ROM）可擦除可編程的只讀存儲器EPROM（Erasable Programmable ROM）電可擦除的只讀存儲器EEPROM快擦型存儲器（閃存，稱為Flash Memory EPROM） 隨機存儲器隨機存儲器

11、RAM 可由CPU直接寫入或讀出信息 存儲的信息將因斷電或機器重新啟動而丟失 隨機存儲器隨機存儲器RAM可分為可分為 動態(tài)動態(tài)RAM(DRAM) （Dynamic RAM，DRAM）需要周期性地刷新才能保持數(shù)據(jù)，通常說的內(nèi)存就是指DRAM。 靜態(tài)靜態(tài)RAM(SRAM) （Static RAM，SRAM）不必周期性地刷新就可以保持數(shù)據(jù)，使用方便，速度快，但功耗較大，集成度低，成本高，常作為Cache用。 視頻視頻VRAM 從外形上又可分為：從外形上又可分為： 普通雙列直插內(nèi)存芯片（簡稱普通雙列直插內(nèi)存芯片（簡稱DIP） 單列直插式存儲模塊，也稱單列直插式存儲模塊，也稱72線內(nèi)存線內(nèi)存(簡稱簡稱S

12、IMM) 雙列直插式存儲模塊，也稱雙列直插式存儲模塊，也稱168線內(nèi)存線內(nèi)存(簡稱簡稱DIMM) （2）外存儲器外存儲器：存放暫時不用的大量程序和數(shù)據(jù)磁介質(zhì)型存儲器 軟盤（Floppy Disk）硬盤 （Hard Disk）光介質(zhì)型存儲器 光盤（Optical Disk）軟盤（軟盤（Floppy Disk）軟 盤軟盤驅(qū)動器 硬盤硬盤 （Hard Disk） 微型計算機的主要外部存儲設(shè)備微型計算機的主要外部存儲設(shè)備 有有IDE、SATA、SCSI等多種接口等多種接口 購買時的容量大于實際的容量購買時的容量大于實際的容量 光盤（光盤（Optical Disk） 光驅(qū)按所處位置可分為內(nèi)置式和外置式光

13、驅(qū)按所處位置可分為內(nèi)置式和外置式 按接口可分為按接口可分為SCSI接口、接口、IDE接口、接口、SATA接口接口 USB閃盤閃盤存儲儲器（USB Flash Disk） 使用通用串行總線（使用通用串行總線（USB）接口與計算機相連，支持熱）接口與計算機相連，支持熱插拔插拔 通常不需要安裝專門的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了即插即用通常不需要安裝專門的驅(qū)動程序，實現(xiàn)了即插即用 優(yōu)盤使用的注意事項：拔下優(yōu)盤前，必須發(fā)出關(guān)閉優(yōu)盤使用的注意事項：拔下優(yōu)盤前，必須發(fā)出關(guān)閉USB設(shè)備的指令操作，否則容易使數(shù)據(jù)丟失；從設(shè)備的指令操作，否則容易使數(shù)據(jù)丟失；從USB接接口取下優(yōu)盤后，再打開或關(guān)閉寫保護口?？谌∠聝?yōu)盤后，再打開

14、或關(guān)閉寫保護口。 輸入設(shè)備（輸入設(shè)備（Input device） 是便于人們向計算機輸入程序和數(shù)是便于人們向計算機輸入程序和數(shù)據(jù)的一種設(shè)備據(jù)的一種設(shè)備 是外部信息與計算機交互的接口是外部信息與計算機交互的接口 常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、數(shù)常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、掃描儀、觸碼相機、數(shù)碼攝像機、掃描儀、觸摸屏、條形碼閱讀器、光學符號閱摸屏、條形碼閱讀器、光學符號閱讀器（讀器（OCR）、光盤驅(qū)動器、磁盤）、光盤驅(qū)動器、磁盤驅(qū)動器等。驅(qū)動器等。 輸出設(shè)備（輸出設(shè)備（Output DeviceOutput Device） 計算機向用戶輸出內(nèi)部信息處理結(jié)果的設(shè)備 常見的輸出設(shè)備

15、有顯示器、打印機、繪圖儀、語音輸出裝置、投影儀、磁盤驅(qū)動器等 注：磁盤驅(qū)動器包括軟盤驅(qū)動器和硬盤驅(qū)動器，它們即是輸入設(shè)備，也是輸出設(shè)備軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng) 計算機軟件（Computer Software,也稱軟件、軟體）是指計算機系統(tǒng)中的程序及文檔。for(;)for(;)alert(alert(別別想想關(guān)關(guān)掉我！哈哈！掉我！哈哈！););（2）軟件系統(tǒng)）軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件操作系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)軟件語言的處理程序語言的處理程序服務性程序服務性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于科學計算的數(shù)學計算軟件、統(tǒng)計軟件用于科學計算的數(shù)學計算軟件、統(tǒng)計軟件文字處理軟件文字處理軟件圖像處理軟

16、件圖像處理軟件各種財務管理軟件、稅務管理軟件、工業(yè)控制軟件、輔助教育等各種財務管理軟件、稅務管理軟件、工業(yè)控制軟件、輔助教育等系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件是負責管理、控制和維護計算機的各種軟硬件資源，擴大計算機功能和方便用戶使用計算機的各種程序的集合。 （1）操作系統(tǒng) （2）程序設(shè)計語言 機器語言(Machine Language) 匯編語言(Assemble Language) 高級語言 第四代語言 （3）各種程序設(shè)計語言的處理程序：匯編程序、編譯程序、解釋程序 （4）數(shù)據(jù)庫管理程序 （5）工具軟件：機器的監(jiān)控管理程序、調(diào)試程序、故障檢查程序和診斷程序等 應用軟件 應用軟件是用戶為了解決實際問

17、題而編制的各種程序 。 常見的應用軟件包括office系列以及工程計算、模擬過程、輔助設(shè)計、管理程序、文字處理和各種圖形處理軟件等 。計算機系統(tǒng)組成總結(jié)我國計算機的發(fā)展 1956年，完成了第一臺電子計算機運算器和控制器的設(shè)計工作，同時編寫了中國第一本電子計算機原理講義。 1963年，第一臺大型晶體管電子計算機109機研制成功。 1965年，第一臺百萬次集成電路計算機DJS-型操作系統(tǒng)編制完成。 1983年，“銀河號”巨型計算機研制成功，運算速度達每秒億次。 1990年，首臺高智能計算機EST/IS4260智能工作站誕生，長城486計算機問世。 1993年，第一臺10億次巨型銀河計算機型通過鑒定

18、，用于天氣中期預報。 1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次。 1997年，銀河并行巨型計算機研制成功。 2000年，我國自行研制成功高性能計算機“神威”。 1997年，銀河并行巨型計算機研制成功。 2000年，我國自行研制成功高性能計算機“神威”。 2006年8月9日，在數(shù)百名觀眾的見證之下，經(jīng)過三個多小時的激烈搏殺，由柳大華等五位中國象棋大師組成的大師隊，在十局博弈當中，以2勝5平3負總成績7：9的比分不敵浪潮天梭超級計算機。 第二章：數(shù)制與編碼 數(shù)數(shù)制的概概念 數(shù)制（Number System）：數(shù)的表示系統(tǒng)，是指用統(tǒng)一的符號規(guī)則來表示數(shù)值的方法。常見的數(shù)制有二進

19、制、八進制、十進制、十六進制。 數(shù)制（Number System） 數(shù)碼：用不同的數(shù)字符號來表示一種數(shù)制的數(shù)值。 基數(shù)：一個數(shù)制所包含的數(shù)字符號的個數(shù)。 權(quán)：任何一個數(shù)都是由一串數(shù)字表示的，其中每一位數(shù)字所表示的實際值除本身的數(shù)值外，還與它所處的位置有關(guān)，由位置決定的值就叫權(quán)。 權(quán)=Ri(R為基數(shù)，i為整數(shù))。其中i為數(shù)碼所在位的編號，從小數(shù)點向左依次為0，1，2，3，；自小數(shù)點向右依次為-1，-2，-3, 。 十進制： 日常生活中最常見的是十進制數(shù)，它主要使用在計算機外部。 （1）十進制由十個不同的數(shù)碼組成：0、1、2、 3、4、5、6、7、8、9，基數(shù)為“10”； （2）十進制遵循每相鄰兩

20、位“逢十進一、借一當十”的原則。 二進制： 含有2個數(shù)碼0和1；基數(shù)為2，二進制數(shù)據(jù)在進行運算時，遵守“逢二進一，借一當二”的原則。 （1）二進制的特點：表示容易、運算簡單、工作可靠、 邏輯性強 （2）二進制運算規(guī)則 加法：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 減法：0-0=0 0-1=1（借位） 1-0=1 1-1=0 八進制八進制 （1）八進制含有）八進制含有8個數(shù)碼：即個數(shù)碼：即0、1、2、3、4、5、6、7，基數(shù)為，基數(shù)為8； （2）八進制遵循每相鄰兩位）八進制遵循每相鄰兩位“逢八進一、借一當逢八進一、借一當八八”的原則。的原則。 十六進制十六進制 （1）十六進制含有含有）

21、十六進制含有含有16個數(shù)字符號即個數(shù)字符號即0、1、2、3、4、5、6、 7、 8、9、A、B、C、D、E、F；基數(shù)為基數(shù)為16 （2）十六進制遵循每相鄰兩位）十六進制遵循每相鄰兩位“逢十六進一、借逢十六進一、借一當十六一當十六”的原則。的原則。 二、八、十六進制轉(zhuǎn)換對應關(guān)系表二、八、十六進制轉(zhuǎn)換對應關(guān)系表二進制八進制十六進制二進制八進制十六進制二進制八進制十六進制000000011066110014C000111011177110115D0010221000108111016E0011331001119111117F010044101012A010155101113B二、八、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為

22、十進制 規(guī)則：按權(quán)展開求和。只需將每一位數(shù)字乘以它的權(quán)2n，再以十進制的方法相加就可以得到它的十進制的值（注意，小數(shù)點左側(cè)相鄰位的權(quán)為20，整數(shù)部分從右向左，每移一位，冪次加1；小數(shù)部分從左向右，每移一位，冪次減1）。例：二進制轉(zhuǎn)換成十進制例：二進制轉(zhuǎn)換成十進制（11010.10111010.101）2=12=124+124+123+023+02222+1+121+021+020+120+12-1 +02-1 +02-2+12-2+12-3=2-3=（27.62527.625）1010例：八進制轉(zhuǎn)換成十進制例：八進制轉(zhuǎn)換成十進制(107(1071)8=11)8=182+082+081+781+

23、780+180+18 8-1=-1=（71.12571.125）1010例：十六進制轉(zhuǎn)換成十進制例：十六進制轉(zhuǎn)換成十進制(2B)16=2(2B)16=2161+11161+11160=160=（4343）10101、 試將(1011.101)2轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。 解： (1011.101)2 123022121120121022123 80210.500.125 (11.625)10 不同數(shù)數(shù)量級級之間間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 常見存儲單位 位（bit）：用“1”和“0”組成的二進制的形式來表示，是二進制所表示的數(shù)據(jù)的最小單位。 字節(jié)（Byte）：八個二進制位組成一個字節(jié)，簡寫為B，它是計算機中的最小存儲單

24、元。在分配存儲器空間時，最小的分配單位是字節(jié)而不是位。 字長（Word）：若干個字節(jié)構(gòu)成一個字（Word），其位數(shù)稱為字長。 字長是指CPU可一次并行處理的二進制數(shù)碼的位數(shù)，它決定了計算機的運算精度存儲單位之間的轉(zhuǎn)換 1B（字節(jié)）=8b（位）1KB(千字節(jié)) = 1024B=210B1MB(兆字節(jié)) =1024KB=210KB=220B1GB(千兆字節(jié)) =1024MB=210MB=220KB =230B1TB=1024GB=210GB=220MB =230KB=240B1PB=1024TB=210TB=220GB =230MB=240KB=250B計計算機的數(shù)數(shù)據(jù)編碼編碼 在計算機中只能識別

25、二進制數(shù)碼信息，因此在計算機中只能識別二進制數(shù)碼信息，因此一切非二進制數(shù)碼的信息，如數(shù)字、字母、漢一切非二進制數(shù)碼的信息，如數(shù)字、字母、漢字等都要用二進制數(shù)的特定編碼表示。編碼有字等都要用二進制數(shù)的特定編碼表示。編碼有多種方法，多種方法， 但為了便于交換、處理，必須采但為了便于交換、處理，必須采用統(tǒng)一的編碼方法。所謂編碼，是指用一組規(guī)用統(tǒng)一的編碼方法。所謂編碼，是指用一組規(guī)定的二進制碼來表示特定的字符集合。定的二進制碼來表示特定的字符集合。BCD碼 二進制具有很多優(yōu)點，所以計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)進行運算。采用若干位二進制數(shù)碼表示一位十進制數(shù)的編碼方案，稱為二進制編碼的十進制數(shù)，簡稱為二十進制編

26、碼，即BCD碼。BCD碼的編碼方案很多，其中最常用的是8421碼。 例如，十進制數(shù)5862的8421編碼為 0101 1000 0110 0001ASCII碼 ASCII碼是由美國國家標準委員會制定的一種包括數(shù)字、字母、通用符號、控制符號在內(nèi)的字符編碼集，全稱叫美國國家信息交換標準代碼（American Standard Code for Information Interchange），是目前微型計算機中使用最普遍的字符編碼集 漢漢字的編碼編碼 （1）漢字輸入碼（外碼）：拼音輸入、數(shù)字輸入、字形輸入、音形輸入等方法。 （2）漢字交換碼（國標碼）：GB231280，簡稱國標碼。 （3）漢字機內(nèi)

27、碼（內(nèi)碼）。機內(nèi)碼是計算機內(nèi)部存儲和加工漢字時所用的代碼。一般用兩個字節(jié)表示一個漢字的內(nèi)碼。 （4）漢字字形碼（輸出碼）。字形碼是漢字在顯示器上顯示或在打印機上打印時用來區(qū)分各種字體的編碼。字形碼有點陣碼和矢量碼兩種，目前大多采用點陣碼。什么么是多媒體？1什么是媒體 媒體有兩種含義： 一是指存儲信息的實體，如磁盤、光盤等； 二是指傳遞信息的載體，如數(shù)字、文字、聲音、圖形、圖像等 多媒體的概念是指能夠同時采集、處理、編輯、存儲和展示兩個或以上不同類型信息媒體的技術(shù)，這些信息媒體包括文字、聲音、圖形、圖像、動畫和活動影像等。 多媒體技術(shù)的特性 （1）多樣性：指計算機所能處理的信息從最初的數(shù)值、文字、圖形圖像擴展到聲音、動畫和視頻信息(運動圖像)。視頻信息的處理是多媒體技術(shù)的核心。 （2）集成性：是指將文字、圖形、圖像、聲音、視頻和動畫等信息媒體有機地組織在一起，綜合地