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王子仁 第 1 章 计算机系统基本知识 主要内容简介 1.1 计算机概述 1.2 计算机软件概述 1.3 文件管理概述 1.4 计算机中的数据 1.1 计算机概述 v计算机发展历史 v计算机的特点 v计算机的分类 v冯诺依曼体系结构 v计算机的组成 v中央处理机（CPU） v输入/输出设备（I/O） v主存储器（内存储器） v辅存储器（外存储器） v总线 v PC机的主要指标 1)计算机发展历史 1946年1957年：第一代计算机 1957年1964年：第二代计算机 1964年1972年：第三代计算机 1972年至今 ：第四代计算机 正在研制： 第五代计算机展望： 一种更接近人的人工智能计算机，它能理 解人的语言、文字和图形，还能“思考” ，人无需编写程序，靠讲话就能对计算机 下达命令，驱使它工作。 2)计算机的特点 处理速度快 存储容量大 可靠性高 准确性高 3)计算机的分类 根据计算机的体积大小、计算速度、 处理能力、价格等分为5大类： 巨型计算机（Super Computer） 小巨型计算机（Mini-Super Computer ） 大型计算机（Mainframe Computer） 小型计算机（Mini-Computer） 工作站（Workstation） 个人计算机（Personal Computer） 巨型机 大型机 小型机 工作站 台式机便携机单片机 4)冯诺依曼体系结构 要点： v数字计算机的数制采用二进制。 v计算机应该按照程序顺序执行。 （程序、存储、控制） 世界第一台计算机：ENIAC 计算机之父-冯诺依曼 4)冯诺依曼体系结构 计算机必须具有如下功能： v把需要的程序和数据送至计算机中。 v必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最 终运算结果的能力。 v能够完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送 等数据加工处理的能力。 v能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控 制机器的各部件协调操作。 v能够按照要求将处理结果输出给用户。 5)计算机的组成 CPU 总线（BUS） 主存储器 I/O设备辅助存储器 6)中央处理机（CPU） q CPU：Central Processor Unit q中央处理器由控制器和运算器组成，是任何计算 机系统中必备的核心部件。 q 控制器用来控制和管理计算机各部分协调动作 。它是计算机的指挥中心。 q 运算器是计算机进行信息加工的场所，所有算 术运算，逻辑运算等都在这里进行。 7)输入/输出设备（I/O） 输入/输出设备是计算机系统与外界联系和沟 通的桥梁。 输入设备是把信息送入计算机系统的设备。 如：键盘、鼠标和扫描仪等。 输出设备是把计算机系统中信息送出的设备 。如：显示器、打印机、绘图仪和音箱等 。 8)主存储器（内存） 主存储器（内存）：主存储器用来存放计 算机的系统程序、即将处理的用户程序、 数据和计算结果等。 主存储器主要有：RAM 和 ROM。 RAM Random Access Memory ROM Read-Only Memory 9)辅存储器（外存） 辅助存储器（外存）：属于海量的、永久 性的存储介质，用于存放计算机系统的几 乎所有的资料。 外存主要有磁带、光盘、磁盘（软盘和硬 盘）等。 10)总线(Bus) 总线是CPU与外围设备之间传送信息的一组 信号线，是计算机的核心部件之一。 总线是计算机数据交换的通道，总线的性 能直接决定了计算机的性能。 11)PC机的主要指标 vCPU主频和字长 v主板带宽 v内存容量 v硬盘容量 音响 显示器键盘 鼠标 网卡 CD-ROM 硬盘 CPU 内存 主板 1.2 计算机软件概述 v计算机软件 v软件的发展历程 v系统软件与应用软件 v操作系统 v数据库系统 v程序设计语言处理系统 v实用程序与工具软件 v常用的桌面应用软件 1)计算机软件 程序：让计算机要做什么事而编写的指令序列。 软件：程序 + 文档。 计算机软件 系统软件 操作系统 应用软件 语言处理程序 数据库管理系统 实用程序与工具 通用软件 专用软件 2)软件的发展历程 机器语言时代。20世纪40年代。 高级语言产生时代。20世纪50年代。 结构化程序设计、操作系统和数据库系统时代。 20世纪60年代-70年代。 软件工程方法形成时代。20世纪80年代。 面向对象的程序设计时代。从20世纪90年代至今 。 3)系统软件和应用软件 系统软件： 控制、管理和协调计算机硬件工作的一组 程序。它主要包括操作系统、各种语言处 理程序、数据库管理系统和实用程序等。 应用软件： 针对某一特定问题或任务所开发的系统 。它可以分为通用软件和专用软件。 4)操作系统 操作系统是指管理、控制和协调计算机各部分工作 的一组程序。它是软件中最基础的部分，是用户和 裸机之间的接口，其作用是使用户更方便地使用计 算机，以提高计算机的运行效率。 尽管操作系统各不相同，但所有操作系统都必须具 备以下功能： 资源管理（CPU、内存、进程、作业、打印等） 。 用户操作界面 控制输入/输出处理 实现计算机之间的通信 操作系统：是Windows 2000、UNIX、Lunix等 。 5)数据库系统 最流行的是关系型数据库。 数据库由许多个相互关联的表组成。表由若干行若 干列组成。表中的行称为记录，表中的列称为字段 。 对数据库进行操纵和管理的软件称为数据库管理系 统（Data Base Management System）。 DBMS提供了访问和使用数据库的方法，其中包括 建库、建表、存储、查询、恢复、权限控制、增加 记录、修改记录、删除记录等操作。 当前流行的关系型数据库系统有SQL Server、 Oracle、Sybase、DB2、FoxPro和Access等。 6)程序设计语言处理系统 程序设计语言：人们与计算机打交道的一套规则。 计算机只能识别二进制数。 语言处理系统：将汇编语言或高级语言编写的程序 转换成二进制的目标程序。 语言处理程序分类：解释程序和编译程序。 。 解释程序：边翻译、边执行。 编译程序：将源程序翻译成二进制的机器指令，生 成相应的可执行文件，然后运行 。 计算机语言示例（计算“3+5”） 10110000 00000011 00000100 00000101 MOV AL, 03 ADD AL, 05 S = 3 + 5 8086（CPU）机器语言 （第一代语言） 8086（CPU）汇编语言 （第二代语言） Visual BASIC 语言 （第三代语言） 7)实用程序和工具软件 实用程序与工具软件：公用的工具程序，它能配合 其它系统软件为用户提供更好更有效的操作。如磁 盘分区和文件管理的相关工具软件PcTools、 Norton、QAPlus和PartitionMagic等。 通常将实用程序归入系统软件。 随着计算机应用的日渐普及，实用程序功能的日益 丰富，一些实用程序可以升级为应用软件。 8)常用的桌面应用软件 1. 文字处理软件：Word，PDF Reader等。 2. 电子表格软件：Excel。 3. 网络通信应用软件： 电子邮件：Foxmail邮件软件、微软的Outlook等； 下载工具：讯雷、BT、电驴、FlashGet、网际快车和超 级旋风等； 实时聊天工具：QQ和MSN等。 4. 实用绘图软件：Photoshop、Coreldraw和AutoCAD等 。 8)常用的桌面应用软件（续） 5. 搜索软件：Archie、Gopher、百度、Google和搜狗等 。 6. 病毒工具：瑞星、江民、360安全卫士、Norton和卡巴 斯基等。 7. 多媒体软件： 媒体播放：网络电视、网上VOD和网上影院等。 网页制作：Dreamweaver、FrontPage等。 动画制作：Flash、3D Max等。 视频制作：Premiere、Movie Maker等。 8. 其它：PowerPoint、GHOST、RAR等。 1.3 文件系统概述 v文件基本概念 v文件系统概述 v目录与文件 1)文件基本概念 文件是存储在存储器上的数据的集合。 文件基本分类：文本文件和二进制文件。 文件命名：文件名由主名和扩展名两部分 组成。通常使用扩展名用来表示文件的性 质或类型。 2)文件系统概述 Windows操作系统通常支持FAT32和NTFS两种文件 系统。 FAT32：是对早期的FAT16的改进。FAT32可 以支持的分区大小可以达到2TB；分区的簇大小 减小到了4KB。 NTFS：是New Technology File System的缩 写。NTFS可以支持的分区大小可以达到2TB； 分区的簇可以小到4KB；NTFS具有更高的可靠 性和安全性；NTFS还能提供诸如文件与文件夹 权限、加密、磁盘配额以及压缩之类的高级特性 ；等等。 在安装Windows系统时，通常将系统盘格式化 成NTFS。 3)目录与文件 D:AAA BBB CCC AAA1 BBB1 BBB2 完整地指定一个文件， 除了要给出文件名以外，还要 指出该文件存放的位置。如： D:A.TXT D:AAAB.DOC D:BBBBBB2C.HTML 1.4 数据在计算机中的表 示 v计数中的进制 v二进制 v位、字节和字 v十六进制 v二进制到十进制的转换 v十进制到二进制的转换 v二进制到十六进制的转换 v数值型数据 v字符数据 v汉字 v图片 v声音（音频） v视频与动画 1)计数中的进制 数制：即进位记数制，是人们利用数字符 号进行数据计算的方法。 十进制数：逢十进一。 数码：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 权：10N N=0，1，2， 如: 1990 二进制数：逢二进一。 数码：0、1 权：2N N=0，1，2， 如: 10010011 2)二进制 二进制的数码为0和1，基数为2。逢二进 一 如： 0 - 0 5 - 101 1 - 1 6 - 110 2 - 10 7 - 111 3 - 11 8 - 1000 4 - 100 9 - 1001 3)位、字节和字 位(bit) 计算机数据的最小单位，只有 0 和 1 。 字节(Byte) 1字节 = 8个二进制位。 字(Word) 累加器的位数。如 32 位。 1 KB = 1024 字节 1 MB = 1024*1024 字节 1 GB = 1024*1024*1024 字节 4)十六进制 十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制 000810008 111910019 2102101010A 3113111011B 41004121100C 51015131101D 61106141110E 71117151111F 161000010 5)二进制到十进制的转换 如二进制数：10010011 1*27 + 1*24 + 1*21 + 1*20 = 147 如二进制数：0.1101 1*2-1 + 1*2-2 + 0*2-3 + 1*2-4 = 0.6875 二进制数111010001.1011=？ 6)十进制到二进制的转换 l整数部分：采用“除二取余”的方法，直 到被除数为0为止。 将余数从低位向高位排列，得到相应的二 进制数。 l小数部分：采用“乘二取整”的方法，直 到某次乘积的小数部分为0为止。 将整数从高位向低位排列，得到相应的二 进制数。 “ “除二取余除二取余” (” (以以3737为例为例) ) 37 2 18 1 (a0) 余 18 2 9 0 (a1) 余 9 2 4 1 (a2) 余 4 2 2 0 (a3) 余 2 2 1 0 (a4) 余 1 2 0 1 (a5) 余 (37)10=(a5a4a3a2a1a0)2=(100101)2 “ “乘二取整乘二取整” (” (以以0.81250.8125为例为例) ) 0.8125 2 1.625 1 取整 (0.8125)10=(0.1101)2 0.625 2 1.25 1 取整 0. 25 2 0.5 0 取整 0.5 2 1.00 1 取整 7)二进制到十六进制的转换 一个十六进制位对应于四个二进制位。 2/16：从二进制数小数点开始向左（整数 部分）或向右（小数部分）每四位分成一 组，转化为十六进制数码中的一个数字。 16/2：将每个十六进制数码用相应的二进 制数表示。 2 to 16： 二进制数： (1110010111011011011.0111101)2 分段： 0111,0010,1110,1101,1011.0111,1010 转换： 7 2 E D B 7 A 十六进制数（结果）: (72EDB.7A)16 16 to 2： 十六进制数： (5A7F.E8)16 转换： 0101,1010,0111,1111.1110,1000 二进制数： (1011010011111111.11101)2 8)数值型数据 计算机中的整型数用补码的形式表示。 原码：将数据转换成二进制数，用二进制数 的最高位来代表符号位， 0为正数，1为负数 ，符号。 补码：正数的补码就是该数的原码；负数的 补码就是将反码数值部分加1，符号位不变。 引入补码，为了解决CPU累加器的减法问题 。 以(+57)10为例：（假设用16位表示 ） 原码：0 000000000111001 反码：0 000000000111001 补码：0 000000000111001 以(-37)10为例：（假设用16位表示） 原码：1 000000000100101 反码：1 111111111011010 补码：1 111111111011011 整型数的原码、反码和补码 计算机的基本运算 - 加法运算 57 + 37 0 000000000111001 0 000000000100101+ 0 000000001011110 94 0 000000000111001 1 111111111011011+ 20 57 - 37 57 + (- 37) 0 000000000010100 1 浮点数的表示 指数E 尾数M 8位24位 一个浮点数 N 可以表示为：N = M RE M：表示尾数 R：表示基 E：表示指数 基数R一般取一个固定值（如2、8或16），在 存储格式中不出现，是隐含的。 9)字符 ASCII码：美国标准信息交换码，是国际 通用的信息交换用标准代码。 ASCII码码共有128个字符，用7位二进进制数 编码编码 。（另外增加一位奇偶校验验位，共8 位） ASCII在(32)10之前为控制字符，之后为可 显示字符。 10)汉字 国标码：GB2312-80。 国标码字符集（字库）： 收录了6763个常用汉字； 其中：一级汉字3755个； 二级汉字3008个； 各种符号682个； 合计7445个。 一个汉字用两个字节表示，每个字节只用7位。 字库分成94个区，每个区包含94个位。每个汉字 与一个区号和位号（各占1字节）对应，给出一 个区号和位号就能确定一个汉字或汉字字符。 机内码：在计算机内表示汉字的代码是汉 字机内码。（把表示国标码的两个字节的 最高位分别加“1”，就变成汉字机内码 。） 输入码：汉字输入码是指直接从键盘输入 的各种汉字输入方法的编码，属于外码。 编码的转换举例：（以全拼输入为例） 汉字 输入码 国标码 机内码 文 wen 4E44H CEC4H 字库（字型点阵）：用点阵方 式来构造汉字字型，然后存储 在计算机内，构成汉字字模库 。 目的是为了能显示和打印汉字 。 输入码机内码字型点阵码 编 码 变 换 编 码 变 换 输入法程序系统编码变换 11)图片 一幅图片：由颜色的点阵组成。 如：一幅800*600的图片，水平方向有800个 点，垂直方向有600个点。 用三基色表示一点颜色：Red、Green、Blue 。 每个基色用1个字节表示。 将图片组织到计算机的三个步 骤： 采样：将图片划分为MN个网格，每个网格作为 一个采样点（像素）。采样是获取MN个离散点 的颜色，生成图像。分辨率越高，图像就越清晰。 量化：将采样点上的颜色变换为二进制数。量化的 二进制数的位数称为颜色深度。（黑白图像只有两 种颜色，颜色深度为1；灰度图像用0255表示 在黑白之间的255个不同灰度，颜色深度为8；一 个彩色像素由RGB三基色表示，颜色深度为24。 编码：经过量化后得到的图像数据非常大，不利于 图像的存储和传输，必须采用编码技术来进行压缩 ，这就是编码。 互联网中普遍使用的格式是JPG、GIF和PNG。 常见的图片文件： BMP文件：Bitmap的简写，也称位图文件。如使 用颜色深度为24的位图文件表述800*600的图片 ，其存储空间约为800*600*31.4MB。 JPG文件：Joint Photographic Experts Group （联合图像专家组）的缩写，文件后辍名为JPG或 JPEG。压缩比通常在10:1到40:1之间。 GIF文件：Graphics Interchange Format（图 像互换格式）的缩写。压缩比也比较高，可以达到 10:1以上。 PNG文件：Portable Network Graphics（可移 植性网络图像）的缩写。PNG能够提供比GIF小 30的无损压缩图像文件。 声音在空气中传播的是声波。驱动喇叭发出 声响的是电压信号。在计算机中只能被表示 成二进制数。 数字化过程的三个步骤：采样、量化和编码 。 数字化过程的核心部件是ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器)，功能是 将模拟信号转换为数字数据。 数字化两个指标：采样频率和量化分辨率。 12)声音（音频） 声音数字化的三个步骤： 采样：按照一定的频率将模拟信号转换为数 字的操作。常见声卡的采样频率为44.1kHz ，即每秒要采集44100个数据。 量化：将采样值进行二进制编码。当前声卡 的分辨率主要取16位，即用16个二进制位 存放每一个采样数据。 编码：将声音信号量化后的数值按一定的格 式记录下来，由于量化后的数据文件太大， 通常要对它进行压缩处理。 ADC：模拟到数字 的转换。 时间 幅度 经过麦克风后的声音信号 01101101 01011100 第