计算机文化基础计算机基础知识

1、清华大学计算机基础教育课程系列教材清华大学计算机基础教育课程系列教材 李李 秀秀 等编著等编著计算机文化基础计算机文化基础（第（第5版）版）计算机发展史计算机发展史计算机软件概述计算机软件概述计算机文化与道德计算机文化与道德计算机工作原理计算机工作原理计算机发展趋势计算机发展趋势计算机基础知识计算机基础知识1642 Blaise Pascal 1822 1822 差分机差分机1833 1833 分析机分析机电子计算机时代电子计算机时代计算机发展史计算机发展史5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170m218800只电子管只电子管1500个继电器个继电器功率功率150KW计算机发展

2、史计算机发展史划时代的实验装置划时代的实验装置晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。电子管的缺点：电子管的缺点：体积大；体积大；耗能高、散热量大。耗能高、散热量大。晶体管的优点：晶体管的优点：体积小；体积小；耗能低；耗能低；性能稳定。性能稳定。计算机发展史计算机发展史晶晶体体管管数数目目4004奔腾奔腾4420,000,0002,3000.18微米芯片微米芯片10微米芯片微米芯片计算机发展史计算机发展史晶晶体体管管数数单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒每每18个月芯片能力增长一倍。个月芯片能力增长一倍。计算机发展史计算机发展

3、史第一代第一代（19461956）电子管电子管5千千4万（次万（次/秒）秒）第二代第二代（19571964）晶体管晶体管几十万几十万百万（次百万（次/秒）秒）第三代第三代（19651970）集成电路集成电路百万百万几百万（次几百万（次/秒）秒）第四代第四代（197190年代）年代）集成电路集成电路几百万几百万几亿（次几亿（次/秒）秒）1964年年911机机1966年年112机机计算机发展史计算机发展史计算机的第一个商业顾客计算机的第一个商业顾客烤面包卖茶点的利昂（烤面包卖茶点的利昂（lyons）改进改进 lyons参与部分投资参与部分投资Lyons复制复制EDSACLEO充当充当会计师会计师计

4、算机发展史计算机发展史计算机应用计算机应用PC机（机（Personal Computer）以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机称为以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机称为PC机（微机）。机（微机）。工作站工作站是一种高档微机系统，其最突出的特点是图形功能强，具有很强的图是一种高档微机系统，其最突出的特点是图形功能强，具有很强的图形交互与处理能力，因此在工程领域、特别是在计算机辅助设计形交互与处理能力，因此在工程领域、特别是在计算机辅助设计（CAD）领域得到广泛应用）领域得到广泛应用。大型通用机大型通用机其特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，其特点表现在通用性

5、强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，主要应用在科研、商业和管理部门。主要应用在科研、商业和管理部门。巨型机巨型机它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂。巨型机主要用于解决大它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂。巨型机主要用于解决大型机也难以解决的复杂问题，它是解决科技领域中某些带有挑战性问型机也难以解决的复杂问题，它是解决科技领域中某些带有挑战性问题的关键工具。题的关键工具。计算机应用计算机应用单主机计算模式（终端主机）单主机计算模式（终端主机）客户机客户机/服务器计算模式（服务器计算模式（Client/Server）网络计算模式网络计算模式提出请求提供服务客户机服务器 产生请求 有

6、效接收数据 用户交互 显示控制网络 处理多个请求 执行相关服务程序 管理连接 提供安全性、完整性及并发控制是现代信息论的著名创始人。是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中，年，香侬在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。以通过继电器电路来实现。提出了计算机的三条原则：提出了计算机的三条原则：1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证 精度；精度；2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运）利用电子技术来实现控制、逻辑

7、运算和算术运 算，以保证计算速度；算，以保证计算速度；3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分 离的结构。离的结构。计算机工作原理计算机工作原理为纪念图灵对计算机的贡献，为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于美国计算机博物馆于1966年年设立了设立了“图灵奖图灵奖”计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。图灵机是一种思想模型，图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读带子和一个在带子上左右移

8、动的读写头。写头。计算机工作原理计算机工作原理John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼1949 存储程序工作原理存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。是能够自动地执行程序。计算机是利用计算机是利用“存储器存储器”（内存）来存放所要执（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。执行，直至完成全部指令任务为止。计算机工作原理计算机工作

9、原理计算机工作原理计算机工作原理是包含、和的机箱，其中电路板上有计算机的和。是计算机的主要输出设备，它将来自计算机的电信号转换为屏幕上的彩色亮点，从而形成图像。一般安装在系统单元内，当其工作时，机箱上的指示灯会亮。将数据写到上，当其工作时，其指示灯就亮，警告用户此时不要取出软盘。采用激光技术从上读取数据。是一种输入指示设备，帮助用户操作对象并选择菜单项。作为多数计算机的主要输入设备。位于系统单元内，提供到、和的连接。计算机工作原理计算机工作原理微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器存储器、输入输入/输出设备输出设备构成；构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过I/O接口接口与系统相连；与系统相

10、连； 各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU计算机工作原理计算机工作原理计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令

11、译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC是微机中各功能部件之间通信的信息通路，主要由、和三大总线组成，每种总线都由若干根信号线（总线宽度）构成。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU计算机工作原理计算机工作原理是计算机的是计算机的心脏，用来实现心脏，用来实现程序控制功能程序控制功能（自动从内存中（自动从内存中读入指令和自动读入指令和自动执行指令）执行指令）。CPU结构示意图结构示意图地址总线地址总线标标 志志寄存器寄存器指令

12、寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄存寄存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC数据总线数据总线控制总线控制总线ALU计算机工作原理计算机工作原理8存储器存储器是一种具有保存和存取信息是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备（程序、数据）的设备/ /器件，是器件，是计算机系统不可或缺的资源计算机系统不可或缺的资源。8现代微型计算机的存储系统结构：现代微型计算机的存储系统结构： 高速缓存高速缓存-主存主存-外存外存 为什么采用这种结构？为什么采用这种结构？指令执行速度依赖于内存读写速度指令执行速度依赖

13、于内存读写速度高速高速CPUCPU需配置高速内存需配置高速内存大软件需配置大容量内存大软件需配置大容量内存 高速度高速度 低成本低成本 大容量大容量矛盾矛盾CPU高速缓存高速缓存M1M2.Mn外存外存2外存外存1.外存外存n主存主存外存外存寄存器寄存器SRAMDRAM硬盘、光盘、硬盘、光盘、U盘等盘等计算机工作原理计算机工作原理与处理器直接相连的存放数据的器件称为，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为。随机访问存储器存放操作系统指令、软件指令、处理数据计算机使用磁盘空间来模拟内存的能力只读存储器小型指令集合存储器存放计算机的配置信息，如日期和时间、硬盘容量、RAM容量等计算机工作原理计算机工作原

14、理8信号转换（模拟信号/数字信号、电信号/非电信号等）8数据采样8接口信号，电平标准等8通信协议8工作时序计算机工作原理计算机工作原理存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：存储程序工作原理的计算机决定了它的使用方式：编写程序和运行程序编写程序和运行程序硬件硬件软件软件软件史上的重要人物软件史上的重要人物阿黛阿黛拜伦拜伦格雷斯格雷斯霍普霍普威尔克斯威尔克斯戴维戴维韦勒韦勒计算机软件概述计算机软件概述十进制十进制=10，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制二进制=2 ，可使用，可使用0,1八进制八进制=8 ，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制十六进制=

15、16 ，可使用，可使用0,9,A,B,C,D,E,F“逢逢 进进，借，借当当 ”计算机软件概述计算机软件概述128128瓦瓦3232瓦瓦6464瓦瓦1616瓦瓦8 8瓦瓦4 4瓦瓦1 1瓦瓦2 2瓦瓦我认识她已有我认识她已有11111111年了。年了。信息复制的精确性信息复制的精确性运算规则简单（运算规则简单（R(R+1)/2R(R+1)/2）电子线路制造计算机成为可能电子线路制造计算机成为可能计算机软件概述计算机软件概述是对计算机进行程序控制的是对计算机进行程序控制的。所有的指令的所有的指令的称为计算机的称为计算机的是为完成一项特定任务而用某种语言是为完成一项特定任务而用某种语言编写的编写的

16、。机器指令格式机器指令格式操作码操作码 操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位置）计算机软件概述计算机软件概述位（位（BitBit）：度量数据的最小单位）：度量数据的最小单位字节（字节（ByteByte）：最常用的基本单位）：最常用的基本单位K K 字节字节1K = 1024 byte1K = 1024 byteM M（兆）字节（兆）字节1M = 1024 K1M = 1024 KG G（吉）（吉） 字节字节1G = 1024 M1G = 1024 M T T（太）字节（太）字节1T = 1024 G1T = 1024 Gb7 b6 b

17、5 b4 b3 b2 b1 b0=计算机软件概述计算机软件概述只有版权的拥有者才能复制、出售或分发。你可以合法地制作拷贝并分发，但不能出售。版权拥有申请版权拥有申请制作拷贝他用制作拷贝他用更改软件更改软件软件：软件：指示计算机完成任务的、以电子格式存储的指令序列和相关的数据。 计算机软件概述计算机软件概述软件系统软件应用软件操作系统设备驱动实用工具编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件 上网软件学习课件娱乐软件商务软件协助计算机执行基本任务。协助人们完成某项任务。计算机软件概述计算机软件概述最基本的系统软件，其它的所有软件都是建立在操作系统的基础上。用来提供一种让计算机用户控制分配和

18、使用计算机资源的方法，以增强操作系统的功能。设备驱动程序告诉计算机中的操作系统如何使用某一硬件。即插即用一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准。编译器是程序员将高级语言编写的指令翻译成可以在计算机上执行的代码的软件开发工具，它的特点是目标语言比源语言低级。计算机软件概述计算机软件概述协助计算机完成它的基本硬件操作，并与应用程序进行交互，完成诸如打印和存储数据等应用任务。管理硬件资源协调后台工作提供用户与计算机的交互接口计算机软件概述计算机软件概述Altair 8800计算机不再是单一的计算机器，而是一种计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。信息机器，一种个人的

19、信息机器。计算机发展趋势计算机发展趋势运算速度可达每秒几百亿次运算的运算速度可达每秒几百亿次运算的1975年世界上第一台超级计算机年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。算的高科技领域。中国超级计算机：中国超级计算机：国防科技大学研制的国防科技大学研制的“银河银河1号号”、 “银河银河2号号”和和“银河银河3号号”国家职能计算机中心推出的国家职能计算机中心推出的“曙光曙光1000” 、“曙光曙光200I”和和“曙光曙光3

20、000”计算机发展趋势计算机发展趋势计算机技术与通信技术结合计算机技术与通信技术结合的产物。的产物。使用远程资源，共享程序、使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。的通讯和合作。计算机发展趋势计算机发展趋势“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械没有灵魂的机械来来”。 笛卡尔（笛卡尔（1637）人类第一个人类第一个“工业机器人工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的一头在纺织机上挑纱的“驴驴”（1742年）年）第一代机器人第一代机器人机械手（机械手（1962年出现）年出现）第二代机器人第二代机器人具有具有“感觉感觉”的机器人的机