ch01 计算机基础知识

1、计 算 机 应 用 基 础授课老师：张凯斐联系方式件及素材下载地址：http:/showproduct.asp?id=1203高等院校计算机教育系列教材清华大学出版社1第1章 计算机基础知识 1.1 计算机的发展和分类 1.2 计算机的特点及应用 1.3 数据在计算机中的表示 1.4 数据与编码 1.5 计算机系统的组成 1.6 软件系统和计算机语言 1.7 计算机的分类及硬件2香侬是现代信息论的著名创始人。1938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以通过继电器电路来实现。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：1）以二进制的

2、逻辑基础来实现数字运算，以保证 精度；2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运 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 离的结构。 奠定现代计算机发展的重要人物和思想Claude Shannon1.1 计算机的发展及分类1.1.1 计算机的产生和发展3图灵与图灵机为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“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。图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：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写头。4John von Neumann冯诺依曼1949 EDSAC 冯诺依曼计算机存储程序

3、工作原理： 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。 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。5第一台电子计算机（ENIAC） 在ENIAC的研制过程中，美国数学家冯诺伊曼针对它存在的问题，提出一个全新的通用计算机方案，这就是EDVAC方案。在这个方案中，冯诺伊曼提出了三个重要设计思想： (1) 计算机由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备； (2) 采用二进制形式表示计算机的指令和数据； (3) 将程序（由一系指令组成）和数据

4、存放在存储器中，并让计算机自动地执行程序这就是“存储程序”思想的基本定义。 5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW6第一代（19461958）电子管5千4万（次/秒）第二代（19591964）晶体管几十万百万（次/秒）第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）第四代（1971至今）集成电路几百万几亿（次/秒）1964年911机1966年112机计算机的发展 按硬件划分计算机年代(四代电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路)7计算机的发展阶段逻辑器件运算速度起止年代代表的机型特 点第1代电子管几千次/秒19461

5、958UNIVAC-I、IBM650（小型机）和IBM709（大型机）内存储器采用水银延迟线，外存储器有纸带、卡片、磁带和磁鼓。程序设计语言还处于最低阶段，使用机器语方编程，尚无操作系统出现，操作机器困难。第2代晶体管几十万次/秒19591964IBM-7090 IBM-7094CDC7600内存储器使用磁性材料制成的磁芯，外存储器有磁盘、磁带。出现了监控程序并发展为后来的操作系统，出现了高级程序设计语言BASIC、FORTRAN和COBOL，大大提出了计算机的工作效率。第3代集成电路几千万次/秒19651970IBM-360系列富士通F230系列体积、重量、功耗都进一步减小，出现了结构化、模

6、块化的程序设计思想，出现了结构化的程序设计语言PASCAL。第4代大规模集成电路几亿次/秒1971至今IBM-4300系列3080系列、3090系列和9000系列开始引入光盘，外部设备种类和质量都有很大提高。操作系统向虚拟操作系统发展、数据库管理系统不断完善和提高，程序语言进一步发展和改进 表1.1 计算机的分代8 计算机发展大体上经历了三个阶段，即大型机阶段、微型机阶段和计算机网络阶段。19461981年，计算机应用主要是在传统大型计算机中进行的；19811991年，掀起了微型计算机(简称微型机、微机或PC机)的普及应用热潮；从1991年开始进入了以计算机网络为中心的新时代。 1965年In

7、tel公司的创始人之一戈登摩尔曾预言，集成电路中的晶体管数每年(后来改成了每隔18个月)将翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。这一预言，被计算机界称为“摩尔定律”，近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。随着芯片集成度的日益提高和计算机体系结构的不断改进，将会不断出现性能更好、体积更小、价格更低的计算机产品。从用户使用计算机资源角度来看9晶体管数单位时间执行的指令数百万条/每秒每18个月芯片能力增长一倍。 计算机第一定律摩尔定律10微处理器推出时间字长(位)主频(MHz)集成度(晶体管数/片)4004197140.723008028619821662513.4万 803861985年321640

8、27.5万804861989年3225100120万Pentium1993年32606233310万Pentium II1997年32133450750万Pentium III1999年32350550950万Pentium 42000年321400以上4200万Itanium(安腾)2001年648002500万(不包括Cache)Itanium 22002年6490010002.2亿微处理器的发展历程 微型机的核心是微处理器，因此微型机的发展历程，从根本上说也就是微处理器的发展历程。1.1. 微型机的发展11晶体管数目4004奔腾4420,000,0002,300将电脑浓缩在一颗芯片上0.

9、18微米芯片10微米芯片12CRAY-、巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975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、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。中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、 “银河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000” 、“曙光200I”和“曙光3000”银河1.1.3 计算机的发展趋势13Altair 8800 2、微型化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。14 3、网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力

10、：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。15 4、智能化“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来”。 笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”DeepblueGarry Kasparov 16 5、多媒体化 多媒体技术是20世纪80年代中后期兴起的一门跨学科的新技术。 采用这种技术，可以使计算机具有处理图、文、声、像等多种媒体的能力(即成为多媒体计算机)，从而使计算机的功能更加完善和提高计算机的应用能

11、力。当前全世界已形成一股开发应用多媒体技术的热潮 17 计算机世界中的中国1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长 闵大可电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人 钱三强1958年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的107计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）1977年研制成功中国第一台微机DJS05018计算机世界中的日本辉煌：打败Intel的芯片巨人，迫使Intel 于1985年另辟战场（微处理器）笔记本电脑的领军人物失误：第五代计算机（智能计算机）的开发者高清晰度模拟电视19计算

12、机世界中的印度硅谷慧谷世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一。20计算机文化与道德计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无比有力的知识工具”。真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。21 按处理数据的方式分类 ：模拟计算机和数字计算机；按应用范围分类：专用计算机和通用计算机；按规模分类：根据计算机规模和性能，可以将计算机分为以下几类：1巨型计算机 运算速度在每秒亿次以上的计算机可称为巨型计算机。

13、2. 大型计算机 运算速度在每秒几千万次以上的计算机为大型计算机。 3. 中型计算机 运算速度在每秒百万次以上千万次以下的计算机为中型计算机，与大型计算机的区别不甚明显，通常用在国家重点科研机构、重点理工科院校。 1.1.4 计算机的分类224. 小型计算机 小型计算机的运算速度在每秒几百万次左右5工作站 工作站实际上是一台高档微机。它的运算速度通常比微机快，配有大容量的存储器和大屏幕显示器，并有较强的网络通信功能。它主要用在计算机图像处理和计算机辅助设计等专业领域。 6微型计算机 微型计算机也称为个人计算机，简称微机、PC机。 随着计算机技术的发展，各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的高

14、档微机，其速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。23 计算机采用了高速电子器件和线路，并利用先进的计算技术，使它可以有很高的运算速度。运算速度是指计算机能执行多少百万条指令每秒。常用单位是MIPS，例如，主频为2 GHz的Pentium 4微型机的运算速度为40亿次每秒，即4000 MIPS。一般的计算机运算速度可达几百万次到几亿次每秒，现在有些高档计算机的运算速度甚至可达几百亿次至十几太次每秒。1、快速运算能力2、计算精度高 由于计算机是根据事先编好的程序自动、连续地工作，可以避免人工计算可能因疲劳、粗心而产生的各种错误。例如，圆周率的计算，历代科学家采用人工计算只能算出小数点后500位。

15、1981年日本人曾利用计算机算到小数点后200万位，而目前已计算到小数点后上亿位。1.计算机的特点及应用1.1 计算机的特点24计算机中拥有容量很大的存储设备，不仅可以存储所需的数据信息，还可以存储指挥计算机工作的程序，同时可以保存大量的文字、图像、声音等信息资料。3、存储功能强4、逻辑判断能力计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础，是计算机基本的、也是重要的功能。 计算机是自动化电子装置，在工作中无需人工参与，能自动执行存放在存储器中的程序。人们事先编好程序后，向计算机发出指令，计算机即可帮助人类完成那些枯燥乏味的重复性劳动。5、自动运行程序25科学计算是计算机最早的应用

16、领域，计算机高速、高精确的运算是人工计算望尘莫及的。现代科学技术中有大量复杂的数值计算，如军事、航天、气象、地震探测等，都离不开计算机的精确计算。计算机的应用大大节约了人力、物力和时间。1、科学计算2、数据处理数据处理也称为事务处理。使用计算机可对大量的数据进行分类、排序、合并、统计等加工处理，例如人口统计、人事、财务管理、银行业务、图书检索、仓库管理、预订机票、卫星图像分析等。数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。1. 计算机的应用领域26 过程控制也称为实时控制，主要是指计算机在工业和军事方面的应用。计算机能及时采集检测数据并按最优方案实现自动控制，如炼钢过程的计算机控制、导弹自动瞄准系

17、统、飞行控制调动等。3、过程控制4、计算机辅助系统计算机辅助系统包括计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助教学(Computer Aided Instruction，CAI)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等。 27人工智能主要表现在以下三个方面：机器人。主要分为“工业机器人”和“智能机器人”两类。前者用于完成重复性的规定操作，通常用于代替人进行某些作业(如海底、井下、高空作业等)；后者具有某些智能，具有感知和识别能力，能

18、“说话”和回答问题。专家系统。计算机具有某些方面专家的专门知识，使用这些知识来处理这方面的问题。例如，医疗专家系统能模拟医生分析病情、开出药方和假条。模式识别。重点研究图形识别和语音识别。例如，机器人的视觉器官和听觉器官，公安机关的指纹分析器，识别手写邮政编码的自动分信机等，都是模式识别的应用。5、人工智能28十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2 ，可使用0,1八进制R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16 ，可使用0,9,A,B,C,D,E,F“逢R进一，借一当R”1.数据在计算机中的表示1.1 数制的概念29表1.2 各进制之间数值

19、的对应关系十进制二进制八进制十六进制十进制二进制八进制十六进制000091001119111110101012A2102211101113B3113312110014C41004413110115D51015514111016E61106615111117F71117716100002010810001081710001211130 十进制数转换成二进制数，分两种情况进行：整数部分和小数部分。具体规则如下： 整数部分：除2取余，直到商为0；先取的余数在低位，后取的余数在高位。 小数部分：乘2取整，直到值为0或达到精度要求。先取的整数在高位，后取的整数在低位。1、十进制转换成二进制数1. 各进制

20、数之间的转换312、二进制数转换成十进制数 32 十进制数转换成八进制数和十六进制数与转换成二进制数相似，具体规则如下： 整数部分：除以 8(或 16)取余，直到商为0；先取的余数在低位，后取的余数在高位。 小数部分：乘以 8(或 16)取整，直到值为0或达到精度要求。先取的整数在高位，后取的整数在低位。3、十进制数转换成八进制数和十六进制数 4、八进制数和十六进制数转换成十进制数八进制数和十六进制数转换成十进制数，只需以 8(或 16)为基数，按权展开求和即可。33二进制数转换成八进制数的方法是：整数部分：从低位向高位每3位一组，高位不足3位用0补足3位，然后每组分别按权展开求和即可。小数部

21、分：从高位向低位每3位一组，低位不足3位用0补足3位，然后每组分别按权展开求和即可。二进制数转换成十六进制数的方法是：整数部分：从低位向高位每四位一组，高位不足四位用0补足四位，然后每组分别按权展开求和即可。小数部分：从高位向低位每四位一组，低位不足四位用0补足四位，然后每组分别按权展开求和即可。5、二进制数转换成八进制数和十六进制数 6、八进制数和十六进制数转换成二进制数 八进制数和十六进制数转换成二进制数的方法是：将八进制数(或十六进制数)的每一位用相应的3位(或4位)二进制数代替即可 34 二进制的概念128瓦32瓦64瓦16瓦8瓦4瓦1瓦2瓦11111000我认识她已有1111年了。信

22、息复制的精确性运算规则简单（R(R+1)/2）电子线路制造计算机成为可能35表1.3 一般字符的ASCII编码(二进制表示) 高三位低四位01001110010111011100000P、p0001！1AQaq00102BRbr0011#3CScs0100$4DTdt0101%5EUeu0110&6FVfv01117GWgw1000(8HXhx1001)9IYiy1010*：JZjz1011+；Kk1100，Nn1111/?O-oDEL1.4数据与编码1.4.1 ASCII编码361 国标码 国标码规定：一个汉字用两个字节来表示，每个字节只用前7位，最高位均未作定义，如图所示。2 内码与外码

23、国标码是一种机器内部编码，也称内码，其主要作用是统一不同的系统之间所用的不同编码。通过将不同系统使用的不同编码统一转换成国标码，不同系统之间的汉字信息就可以相互交换。与内码相对应，输入法编码称为外码。 1.4.2 汉字编码373 汉字字形码 汉字的内码代表的是汉字惟一性的交换码，即给出汉字一个名，而这个汉字的外形如何却不在内码之内。汉字笔画多、外形千差万别，这就需要为每个汉字给出一个外形，一般用点阵表示，这就是汉字字模。 如图所示是“啊”字的点阵外形。图1.2中有1616个方格，称1616点阵，每一个方格用一个二进制代码表示，用1表示黑点，用0表示白点。存储在计算机中的汉字和符号的外形集合称为

24、汉字库。常用的汉字字库除1616点阵汉字库之外，还有2424点阵汉字库、3232点阵汉字库等。 38各种汉字编码的关系如图所示391.5 计算机系统的组成1.5.1 计算机系统的基本组成40（外）存储器（内）存储器中央处理器（CPU）控制器输入设备输出设备数据流地 址控制流运算器1.5.2 计算机的硬件系统结构41CPU内存I/O控制器I/O控制器I/O控制器I/O控制器总线计算机的总线结构42存储单位位（Bit）：度量数据的最小单位字节（Byte）：最常用的基本单位K 字节1K = 1024 byteM（兆）字节1M = 1024 KG（吉） 字节1G = 1024 M T（太）字节1T =

25、 1024 Gb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b01 0 0 1 0 1 0 1=27+ 24+ 22+ 20=14943 输入输出设备44字长：指计算机能直接处理的二进制信息的位数。当前计算机的字长有16位、32位和64位。 运算速度：指计算机能直接用可以执行的百万条指令数每秒(MIPS)来衡量。 时钟频率(主频)：指CPU在单位时间(秒)内所发出的脉冲数，单位为兆赫兹(MHz)。 内存容量：内存的大小表示存储数据的容量大小，在微型机中一般以字节为单位。 存取速度 ：存储器完成一次读/写操作所需的时间称为存储器的存取时间或访问时间，存储器连续进行读/写操作所允许的最短时间间隔称为存

26、取周期。存取周期越短，则存取速度越快。 磁盘容量 ：硬盘和软盘存储量的大小。1.5.3 计算机的主要性能指标45运算（处理）存储（记录）控制（协调）1.5.4 计算机的工作原理46程序和指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。机器指令格式操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）47程序的执行流程PC+1启动地址 PC取指PC 地址寄存器指令 IR指令译码 ？形成转移地址完成本条指令操作PC+1 PC程序结束非转移指令停机指令转移指令 微型计算机每执行一条指令都分成3个阶段进行：获取指

27、令(fetch)、分析指令(decode)和执行指令(execute)。48 1.6 软件系统和计算机语言1.6.1 计算机系统的层次关系(1) 内层是外层的支撑环境，而外层则可不必了解内层细节， 只需根据约定调用内层提供的服务。(2) 最内层(亦称最低层)是硬件，表示它是所有软件的物质基础。(3) 与硬件直接接触的是操作系统，它把硬件和其他软件分割开来，表示它向下控制硬件，向上支持其他软件。(4) 在操作系统之外的各层分别是各种语言处理程序、各种实用程序，最外层才是最终用户使用的应用程序。49 单用户操作系统：DOS、Windows 批处理操作系统：IBM的DOS/VSE。 分时操作系统：U

28、NIX、VMS 实时操作系统：RDOS 网络操作系统 ：NetWare、Linux、Windows NT、Windows 2000 Server 等 分布式操作系统 ：MDS、CDCS1.6.2 系统软件50 单用户操作系统：DOS、Windows 批处理操作系统：IBM的DOS/VSE。 分时操作系统：UNIX、VMS 实时操作系统：RDOS 网络操作系统 ：NetWare、Linux、Windows NT、Windows 2000 Server 等 分布式操作系统 ：MDS、CDCS1.6.3 应用软件51 机器语言：一种用二进制代码，以0和1表示的、能被计算机直接识别和执行的语言。 汇编语言：一种用助记符表示的面向机器的程序设计语言。 高级语言：一种比较接近自然语言和数学表达式的一种计算机程序设计语言。 BASIC：该语言是一种简单易学的计算机高级语言。尤其是Visual Basic语言，具有