第三章 计算机技术基础

1、计算机的发展与分类计算机的发展与分类计算机的运算基础和信息表示计算机的运算基础和信息表示计算机硬件系统计算机硬件系统计算机软件系统计算机软件系统电子计算机的发展简史 第一代 电子管时代(1946-1958) 耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代(1958-1965) 变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970) 存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒 第四代 大规模集成电路时代(1971至今) 向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化 根据摩尔定律集成电路大体上每1

2、8个月翻一番。ENIAC (1946)iphone4(2011)1945年, 美国数学家冯.诺依曼博士发表电子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。1946年, 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。计算机的分类 大型机 大中型企事业单位作为计算中心的主机使用。代表产品有IBM360，370，4300；国产银河I, 银河II, 银河III等。 小型机 可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列 工作站 用于特殊的专业

3、领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。 微型机 个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉冯.诺依曼计算机结构的基本思想： “存储程序” + “二进制要点：1以二进制表示数据和指令(程序)； 2. 先将程序存入存储器中，再由 控制器自动读取并执行。 CPU数字化信息编码的概念： 信息：数值、文字、语音、图形和图像。 在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。计算机中数据表示方法 数值型数据的表示数值的表示：数值的表示：整数、浮点数；原码、补码、反码常用计数制十进制：数字符号十进制：数字符号 09 ，逢十进

4、一，逢十进一， 用用D(Decimal)代表。代表。 例例 234.98 D 或或 (234.98)D二进制：数字符号二进制：数字符号 01 ，逢二进一，用，逢二进一，用B(Binary)表示。表示。 例例 1101.11B 或或 (1101.11)B十六进制：数字符号十六进制：数字符号09、AF, 逢十六进一逢十六进一, 用用H(Hex)表示表示 例例 ABCD . BFH 或或 (ABCD . BF)H 整数的表示整数的表示 小数点隐含，位置固定在最低位小数点隐含，位置固定在最低位 符号整数采用补码表示，最高位为符号位符号整数采用补码表示，最高位为符号位 正整数正整数符号位为符号位为0，其

5、它位为二进制原码，其它位为二进制原码 负整数负整数符号位为符号位为1，其它位为二的补码，没有负，其它位为二的补码，没有负0。 采用补码运算采用补码运算 实数的浮点表示实数的浮点表示 浮点数由数符、阶码和尾数三部分组成浮点数由数符、阶码和尾数三部分组成 例：例：125.12=10*3 x 0.12512 (10.101)=2*2 x 0.10101=2*2 x (+0.10101)0 00101010100000000000数符数符阶码阶码尾数尾数西文表示法： ASCII ( American Standard Code for Information Interchange )美国信息交换标准

6、代码(见教材P55表)文本字符普遍采用ASCII码，有位版本和位版本。 Bit 版：每个字符用7位编码，编码范围0 127 (共128个) Bit 版：每个元素用8位编码，编码范围0 255 (共256个) 例如 字母A的ASCII 码 01000001 （65D 41H) 字母Z的ASCII 码 01011010 （90D 5AH)例如 数字0 的ASCII 码 00110000 (48D 30H)中文的表示：中文的表示：汉字字符集与编码汉字字符集与编码 国标码国标码GB2312-80: 中文中文信息信息的表示与西文相似，采用编码的方法，的表示与西文相似，采用编码的方法，按国标规定每个汉字采

7、用两个字节表示。按国标规定每个汉字采用两个字节表示。 区区x位位=2*7 x 2*7=128 x 128=16384个个 机内码：机内码：两个字节的最高位为两个字节的最高位为1，以区别西文编码。，以区别西文编码。汉字键盘输入编码汉字键盘输入编码汉字字形码：汉字字形码：显示显示/打印汉字（点阵字打印汉字（点阵字库、矢量字库）库、矢量字库）一个汉字的计算机表示信息构成了一个汉字字模。一个汉字的计算机表示信息构成了一个汉字字模。24x24占占72字节，字节，48x48占占288字节字节 行点数行点数 列列点数点数/8=一个汉字字模存储空间一个汉字字模存储空间 所有汉字的字模集合构成汉字字库。所有汉字

8、的字模集合构成汉字字库。 一个汉字字模存储空间一个汉字字模存储空间 汉字总数汉字总数=汉字字库汉字字库存储空间存储空间转换程序转换程序英文数字符号英文数字符号汉字汉字键盘键盘显示显示汉字的处理过程：汉字输入码汉字机内码汉字字形码汉字输入设备管理模块字模库输出设备汉字多媒体信息的表示多媒体信息的表示多媒体信息一般来说，其存储容量大的特点多媒体信息一般来说，其存储容量大的特点 图象图象由由m n个色彩点组成一矩阵，每个点又由若干个字节组成。个色彩点组成一矩阵，每个点又由若干个字节组成。黑白图象每个点多由一个字节组成，可分成黑白图象每个点多由一个字节组成，可分成256个灰度等级。个灰度等级。彩色图象

9、每个点多由三个字节组成，红、绿、蓝三个基本色。彩色图象每个点多由三个字节组成，红、绿、蓝三个基本色。 图形图形 画面内容由几何要素、光照条件、材质等进行描述。画面内容由几何要素、光照条件、材质等进行描述。 （图像（图像图形）光栅使量化转换。图形）光栅使量化转换。 声音声音 声音是模拟信号，经采样、量化、编码，转换成二进制数表示声音是模拟信号，经采样、量化、编码，转换成二进制数表示【例】GB2312-80中一级汉字为3755个，如果每个汉字字模采用1616点阵，并存放在主存储器中，那么将占用存储器容量多少个字节？假设将汉字显示在屏幕上，一屏24行，每行40字，为保持一屏信息，需存储容量多少字节？

10、 解：（ 16168） 3755=120160字节 （ 16168） 24 40=30720字节【例】设一软盘有300kB可用空间，若使用ASCII码存盘，则可存储英文多少个？若存放汉字，则可存储汉字多少个？解： 3001024=307200（个） 30010242=153600（个）【例】一幅显示图像，分辨率1024 768，24位真彩，所占存储空间为多少？解： 1024 768 3=2359296字节=2.25MB存储估算计算机系统组成计算机系统组成计算机系统计算机系统 硬件硬件系统系统 软件软件系统系统主主 机机应用软件应用软件 系统软件系统软件 外部设备外部设备 有形的有形的物理设物理

11、设备备在硬件上运行在硬件上运行的程序、相关的程序、相关的数据及文档的数据及文档注：没有软件的硬件机器称为裸机裸机。输入设备输入设备 输出设备输出设备 存储器存储器 运算器运算器 控制器控制器 计算机硬件系统组成与运行原理框图+中央处理器CPUn完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。n控制各部件的工作，使计算机自动地执行程序。计算机的外设 英特尔终于在2006年7月27日发布了全新的采用Core微架构的Core 2 Duo处理器。旗舰级的Core 2 Duo处理器为售价1000美元的Core 2 Extreme X6800，其主频为2.93GHz，是目前运行速度最快的桌面处理器。英特尔

12、还表示今年晚些时候将推出更快的版本。 Conroe核心芯片上面共集成了2.91亿个晶体管。芯片内对称排列的为处理器的两颗核心，与核心相对的为共享二级缓存（Core 2 Duo E6000和T7000系列为4MB，T5000和E4000系列为2MB。） Core 2 Duo处理器 CNET中国ZOL编译报道：AMD即将推出下一代四核心Opteron系列K8L CPU，这个即将推出的Opteron处理器也会作为下一代的AMD Athlon 64 FX桌面处理器出现在市场上。 K8L CPU采用65纳米生产工艺、共享三级缓存、HyperTransport x16互联、FB-DIMM内存支持、动态独立

13、核心管理(DICE)等技术亮点都有体现。 AMD公司07年发布四核心Opteron系列K8L CPU 计世网2006年9月26日N消息 在秋季IDF上，英特尔英特尔CEO Otellini介绍了正在研发之中的数据交换速率达到TB/s级的新一代处理器。 英特尔展示的样片含有80个浮点内核，主频为3.16GHz。英特尔还保证将在五年内拿出产品。英特尔五年内生产80核主频3.16GHz处理器关于多核CPU问题：目前的发展情况，从家用到专业服务器。多核与多物理CPU的区别。计算机的记忆装置。 主存（内存） 与CPU直接进行数据交换。ROM，RAM。 辅存（外存） 经主存的过渡与CPU交换数据。 软盘，

14、硬盘，光盘，磁带。CPUCPURAMRAM外存外存ROMROMWWRR 存储系统PC存储器NAS 架构n存储器的作用 用来存储程序和数据的部件； 存储器还负责向控制器提供指令，与运算器交换数据。n衡量存储器的三个指标： 存储容量 、存储速度、单位价格n存储系统采用典型的存储层次： 高速缓冲存储器、主存储器、 辅助存储器及海量存储器。CPU与内存合起来称为计算机的主机 ALU寄存器 Cache存储器主存储器(DRAM)辅助存储器(软盘、硬盘、光盘)后援存储器(磁带库、光盘库)存储器层次结构 CACHE（超高速缓冲存储器，快存） CPU看到的是CACHE，每次访问是CACHE。 由系统负责将内存的

15、信息移入（移出）CACHE，而用户是感觉不到。各级存储器的速度差别 CPU- CACHE-MEMORY-DISK-BAK 15ns 60ns ms s好的存储系统： 容量大，快，可靠，具有性能价格比高的特点。解决CPU与内存的速度差n 输入设备 键盘、鼠标、扫描仪、数码相机、摄像机 n 输出设备 打印机、显示器n 视频n 声音识别n 光和磁识别输入/输出设备1.扫描仪 描述扫描仪的技术指标，主要包括分辨率（扫描精度）、色彩位数、灰度、扫描速度幅面等。扫描仪基本工作原理2.数码相机、摄像机 数码相机的性能指标 分辨率 颜色深度 存储能力及存储介质 数据输出方式 连续拍摄 数码相机、摄像机基本原理

16、数码相机心脏是电荷耦合器件数码相机心脏是电荷耦合器件(CCD)3.显示器 基本常识：基本常识：1显示器的类型2屏幕的类型3逐行隔行显示 4点距 5刷新频率 6分辨率 7颜色数量8带宽 4.打印机5.显卡 显卡，即图形加速卡，它工作在CPU和显示器之间，基本作用就是控制电脑的图形输出。 加速器图形处理器数模转换器6.声卡 声卡是多媒体计算机必备的部件之一，用来处理各种类型数字化声音信息。 主要功能主要功能：录制与播放波形音频文件编辑与合成波形音频文件MIDI音乐录制和合成D/A转换文语转换和语音识别。声卡与外设连接图7.视频采集卡 视频采集卡又称视频捕获卡，是对模拟视频图像进行捕捉并转化为数字信

17、号的工具。主要功能： 从动态视频中实时或非实时捕获图像并存储。可以将摄像机、录像机和其它视频信号源的模拟视频信号转录到计算机内部，也可以用摄像机将现场的图像实时输入计算机。视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。 视频采集卡的工作原理 多通道视频输入A/D转换视频信号帧存储器D/A转换显示输出 视频采集控制器 计算机主机 视频采集卡与外设连接图8.USB接口现代软件的定义现代软件的定义软件应包括程序、实现此程序功能所采取的方法、规则以及与其相关的文档和在机器上运行它所需要的数据等。(1983年IEEE)早期软件的理解早期软件的理解软件=程序+

18、文档； 程序=数据结构+算法。 软件首先是一个作品，其次是一个产品。它的产生软件首先是一个作品，其次是一个产品。它的产生方法随着计算机技术的发展在进步。方法随着计算机技术的发展在进步。 计算机软件 -软件的概念计算机用户应 用 软 件系 统 软 件硬 件系统层次结构图计算机硬件与软件的关系计算机各类软件的地位 是一台计算机最基本、最重要的软件包，它控制CPU的操作，控制计算机系统的输入/输出，资源的分配，为应用程序提供各种服务与接口。 五大功能： 用户界面 资源管理 任务管理 文件管理 实用程序与支持服务 操作系统分类： 批处理OS、分时OS、实时OS、开源软件（OSS）。1.操作系统Wind

19、ows操作系统UNIX操作系统Linux操作系统OS X 操作系统2.常用操作系统介绍 DOS 曾经是PC机上最常用的操作系统，以简单、可靠赢得了广大用户的青睐。但由于未能紧跟计算机硬件技术的发展，最终退出了历史舞台。 Windows3X 是PC机上最为成功的DOS扩展器，它在DOS的基础上改进了用户接口、内存管理和设备管理，增加了对多媒体的支持，实现了图形用户界面，为PC机操作系统的进一步发展打下了基础。 Windows95 是一个全新的32位PC机操作系统，它充分利用了PC硬件技术发展的新成果，在支持原有16位应用的基础上，把PC操作系统技术向前推进了一大步。 UNIX系统 经过20多年的

20、锤炼，以高可靠性、高效率和强大的TCP/IP支持、支持并行处理和多处理器和独有的64位计算使其成为企业级应用的首选。 作为UNIX风格的操作系统。 LINUX 秉承了UNIX系统的优秀特性，以可靠、高效和近乎为零的使用成本而成为一种重要的操作系统。 NetWare 以其独特的结构、良好的运行效率和强大的目录管理服务，成为PC局域网络的最主要的网络操作系统。 Windows NT 继承了微软公司Windows系列操作系统的优良特性，是一种可移植性好，支持多种硬件平台，功能强大，可靠性好、灵活性高的企业级操作系统。它采用了先进的操作系统技术，如虚存管理、优先权多任务、结构化异常处理和操作系统对象等

21、，支持对称式多处理器，提供了Windows图形用户界面，兼容WIN32程序、16 Windows程序、MS-DOS程序、POSIX程序和OS/2程序等。Windows NT以其灵活、强大的功能和稳定可靠的性能成为了目前最为重要的操作系统之一。操作系统特点 DOS16位，只能用于640K常规内存。文字界面。 Win95、Win9832位， 图形界面操作系统， 多任务、 网络功能， 可用于Internet（把 Web 嵌于 Win98 中） 、可方便把声、图、文本等多媒体组合在一起。 Win NT32 位，网络操作系统，多用户多任务，支持多处理机。支持以前的DOS应用程序。图形界面。支持不同计算机

22、。 OS/2 （ operationSystim/2）32位，多任务，网络 UNIX用于 PC、小型机、网络工作站，多用户多任务，支持各种硬件的计算机。命令复杂，打错命令有可能破坏数据库。要求内存及磁盘容量大。3.几种操作系统比较根据最新消息（2006.10.3），Windows Vista RTM版发布前最后一个测试版本Vista RC2将在本周五发布。Vista RC2版本号5743，将通过MSDN、TechNet发布给测试人员，微软上月推出的Vista RC1版本号5728。内部文档显示，目前VIsta依旧有1400个Bug等待解决，微软内部决议希望将RTM版Vista内Bug减少到50

23、0个以下，相比之下，九月22日发布时的Vista还有2479个Bug。Windows Vista RTM 版发布 微软2009年10月22日于美国、2009年10月23日于中国正式发布 Windows 7 ，2011年2月22日发布 Windows 7 SP1 （Build7601.17514.101119-1850）。Windows 7 同时也发布了服务器版本Windows Server 2008 R2。同2008年1月发布的 Windows Server 2008 相比，Windows Server 2008 R2 继续提升了虚拟化、系统管理弹性、网络存取方式，以及信息安全等领域的应用，其

24、中有不少功能需搭配 Windows 7 。 数据库管理系统（DBMS） Oracle Sybase MS SQL server 通信管理器 系统支持程序3.其他系统管理软件 机器语言机器语言- 是计算机能够直接识别语言，它是由0和1的排列组成的代码，由这样的代码构成指令序列。 例：15+3 写为：00111110 00001111程序设计语言特点：采用二进制代码指令随机器而异效率高，执行速度快编程繁琐，工作量大，不直观难懂、易出错、通用性差。汇编语言汇编语言- 把由0和1的排列组成的代码用一种符号代表，更接近自然语言，一般采用英语表达，便于理解、记忆、掌握。使得可读性得到极大的提高，这种与机器

25、指令基本上是一一对应符号集合称为汇编语言。例：15+3 写为： LD A 15 优点：它保持了机器语言的优点，克服了部分缺点，目前仍具有很高的应用价值，并且被许多专业人员使用。高级语言编写的程序短小，易于编写、调试。可移植性强。高级语言高级语言-为克服汇编语言的缺点，提高计算机的应用价值，人们才去用自然语言和数学表达形式来编写程序的思想，并且在1959年时在计算机上实现了，这就是最早的Fortran语言，随后出现 Algol60、Basic、Pascal、C语言等等。 特点：不依赖计算机硬件、通用性强、易理解。 传统的高级语言面向过程处理：数据结构用来量化描述需要解决的问题，算法设计则研究如何用快捷、高效的方法解决问题的具体过程。 面向对象的语言面向对象的语言- 面向对象的语言应该是高级语言一个分支，事实上面向对象的程序设计思想在20世纪60年代在英国就已经提出，由于种种原因在80年代末才引起人们的重视并得到发展，目前是最活跃的高级语言，它的应用价值非常高。它继承了面向过程的高级语言的合理部分：结构化程序设计、模块化、并行处理等，克服了数据与对数据的处理（代码）分离的弊端，代表了新颖的程序设计思维方法。 典型的面向对象的语言有：C+、PB、VF、VB、VC、Delphi、Java、.Net 等等。 高级语言不能被计算机直接识别和执行，必须先翻译成用机器指令表示的目标程