章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識

第1章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東摘要1.1計(jì)算機(jī)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.3信息編碼1.4微型計(jì)算機(jī)的硬件組成中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東21.1計(jì)算機(jī)的基本概念計(jì)算機(jī)的基本概念主要有計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史、計(jì)算機(jī)的分類、計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)、計(jì)算機(jī)的主要用途、信息的相關(guān)概念1.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展1.1.2計(jì)算機(jī)的分類1.1.3計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)1.1.4計(jì)算機(jī)的主要用途1.1.5信息的基本概念中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東31.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的誕生：1946年，第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。第一代計(jì)算機(jī)（1946-1957年）使用電子管作為主要電子元件。第二代計(jì)算機(jī)（1958-1964年）使用晶體管作為主要電子元件。第三代計(jì)算機(jī)（1965-1970年）使用小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路作為主要電子元件。第四代計(jì)算機(jī)（1971年至今）使用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路作為主要電子零件。微型計(jì)算機(jī)是第四代計(jì)算機(jī)的典型代表。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)正朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能和多媒體化的多個(gè)不同的方向發(fā)展。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東41.1.2計(jì)算機(jī)的分類按計(jì)算機(jī)使用范圍分：通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)按計(jì)算機(jī)規(guī)模和處理能力分：巨型機(jī)大型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)工作站中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東51.1.3計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)：自動(dòng)控制能力高速運(yùn)算能力存儲容量很大很高的計(jì)算精度邏輯判斷能力通用性強(qiáng)中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東61.1.4計(jì)算機(jī)的主要用途計(jì)算機(jī)的主要用途：科學(xué)計(jì)算（數(shù)值計(jì)算）數(shù)據(jù)處理（信息處理）自動(dòng)控制計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)人工智能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東71.1.5信息的基本概念信息是由客觀事物得到的、使人們能夠認(rèn)知客觀事物的各種消息、情報(bào)、數(shù)字、信號、圖形、圖像、語音等所包括的內(nèi)容。數(shù)據(jù)是客觀事物屬性的表示，可以是數(shù)值數(shù)據(jù)和各種非數(shù)值數(shù)據(jù)。對計(jì)算機(jī)而言，數(shù)據(jù)是信息的載體，即數(shù)據(jù)是指能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的數(shù)字化信息。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，信息經(jīng)過轉(zhuǎn)化而成為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)，同時(shí)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后作為問題解答而輸入的數(shù)據(jù)也是信息。未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)只是基本素材，僅當(dāng)對其進(jìn)行適當(dāng)加工處理產(chǎn)生出有助于實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的信息時(shí)對人們才有意義。即信息實(shí)際上是指經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東81.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.2.2硬件系統(tǒng)1.2.3計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲的概念1.2.4軟件系統(tǒng)中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東91.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成：硬件系統(tǒng)主機(jī)中央處理器內(nèi)存儲器外設(shè)輸入設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器軟件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東101.2.2硬件系統(tǒng)馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本特點(diǎn)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分構(gòu)成采用存儲程序的方式將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中采用二進(jìn)制碼表示數(shù)據(jù)和指令指令由操作碼和地址碼組成以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都通過運(yùn)算器中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東111.2.3計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)存儲的概念計(jì)算機(jī)中所有數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制表示的。這樣做的主要原因是所需的物理元件簡單、電路設(shè)計(jì)容易、運(yùn)算簡單、工作可靠且邏輯性強(qiáng)。計(jì)算機(jī)的最小存儲單元存放1位二進(jìn)制數(shù)（0或1）。數(shù)據(jù)存儲單位：位（b，bit）：二進(jìn)制的最小單位字節(jié)（B，Byte）：8個(gè)二進(jìn)制位字（word）：計(jì)算機(jī)一次所能處理數(shù)據(jù)的最大位數(shù)稱為該機(jī)器的字長，不同的機(jī)器組成字長的字節(jié)數(shù)可能不同。存儲容量：1B=8b1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB1PB=1024TB中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東121.2.4軟件系統(tǒng)指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，由操作碼和地址碼組成。操作碼規(guī)定操作的性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)和操作結(jié)果的存放地址。計(jì)算機(jī)中指令的集合稱為指令系統(tǒng)。程序是為解決某一問題而設(shè)計(jì)的一系列有序的指令或語句的集合。程序設(shè)計(jì)語言：機(jī)器語言匯編語言高級語言軟件是能夠指揮計(jì)算機(jī)工作的程序、程序運(yùn)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)、及有關(guān)這些程序和數(shù)據(jù)的開發(fā)/使用/維護(hù)所需要的所有文檔/文字說明和圖表資料的集合。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東131.2.4軟件系統(tǒng)（續(xù)）軟件的分類：中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東141.3信息編碼1.3.1數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式1.3.2字符編碼中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東151.3.1數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示形式計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算后，再將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成人們熟悉的十進(jìn)制數(shù)輸出。為了方便，有時(shí)還會(huì)用到八進(jìn)制和十六進(jìn)制的計(jì)數(shù)方法。計(jì)算機(jī)采用二進(jìn)制的主要原因有：二進(jìn)制只有0、1兩種狀態(tài)，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)；二進(jìn)制數(shù)運(yùn)算規(guī)則簡單；二進(jìn)制數(shù)的0和1可分別代表邏輯代數(shù)的“假”和“真”，適合于計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算；二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換容易實(shí)現(xiàn)。各種數(shù)制之間的整數(shù)轉(zhuǎn)換。參見課本例。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東161.3.2字符編碼編碼是指對輸入到計(jì)算機(jī)中的某種非數(shù)值型數(shù)據(jù)用二進(jìn)制數(shù)來表示的轉(zhuǎn)換規(guī)則。不同的機(jī)器、不同類型的數(shù)據(jù)的編碼方式是不同的。字符編碼：大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用ASCII碼作為字符編碼。ASCII碼即“美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼”，采用７位二進(jìn)制編碼，可以表示128個(gè)字符。為使用方便，在計(jì)算機(jī)存儲單元中一個(gè)ASCII碼值占一個(gè)字節(jié)（8位），其最高位置0，ASCII碼占后7位。漢字編碼：我國國家標(biāo)準(zhǔn)采用連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)表示漢字編碼，且規(guī)定每個(gè)字節(jié)的最高位置1。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東171.4微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)包含了多種系列、檔次、型號的計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)的共同特點(diǎn)是體積小，適合放在辦公桌上使用，而且每個(gè)時(shí)刻只能一人使用，因此又稱為個(gè)人計(jì)算機(jī)。下頁圖為PC的典型結(jié)構(gòu)圖。1.4.1微處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念1.4.2CPU、內(nèi)存、接口和總線的概念1.4.3常用的外部設(shè)備1.4.4微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)及配置中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東181.4.1微處理器、微機(jī)和微機(jī)系統(tǒng)微處理器：微型計(jì)算機(jī)的核心部分是由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的，具有運(yùn)算器和控制器功能的中央處理器(CPU)。微型計(jì)算機(jī)：以微處理器為核心，配上由大規(guī)模集成電路制成的存儲器、輸入輸出接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計(jì)算機(jī)，簡稱微型計(jì)算機(jī)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：以微型計(jì)算機(jī)為中心，配以相應(yīng)的外圍設(shè)備、電源和輔助電路，以及指揮微型計(jì)算機(jī)工作的系統(tǒng)軟件，就構(gòu)成了微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意可見上頁圖。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東201.4.2CPU、內(nèi)存、接口和總線概念主板：主板是固定在主機(jī)箱箱體上的一塊電路板，主板上裝有大量的有源電子元件。主板是計(jì)算機(jī)各種部件相互連接的紐帶和橋梁。中央處理器(CPU)：CPU是計(jì)算機(jī)的核心，計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是在它的指揮控制下實(shí)現(xiàn)的，所有的算術(shù)和邏輯運(yùn)算都是由它完成的，CPU是決定計(jì)算機(jī)速度、處理能力、檔次的關(guān)鍵部件。存儲器：存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器，通常簡稱為內(nèi)存和外存。內(nèi)存是計(jì)算機(jī)的主要工作存儲器，一般計(jì)算機(jī)在工作時(shí)，所執(zhí)行的指令及處理的數(shù)據(jù)均從內(nèi)存取出。內(nèi)存的速度快，但容量有限，主要用來存放計(jì)算機(jī)正在使用的程序和數(shù)據(jù)。外存具有存儲容量大、存取速度比內(nèi)存低的特點(diǎn)，常用于存放備用的程序和數(shù)據(jù)等。外存中存放的程序或數(shù)據(jù)必須調(diào)入內(nèi)存后，才能被計(jì)算機(jī)執(zhí)行和處理。

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接口：接口作為計(jì)算機(jī)主機(jī)與外設(shè)之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間交換信息的重要工作。其作用為：匹配主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)形式。匹配主機(jī)與外設(shè)之間的工作速度。在主機(jī)與外設(shè)之間傳遞控制信息。接口的類型決定數(shù)據(jù)傳輸方式，主要有并行接口、串行接口等等。總線（bus）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各部件之間相互連接、傳送信息的公共通道，由一組物理導(dǎo)線組成。在總線中，一次傳輸信息的位數(shù)稱為總線的寬度。按傳送的信息類型可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。中國人民大學(xué)信息學(xué)院尤曉東221.4.3