大学计算机基础2014-1

12（理论）+12（实验）考试形式：计算机通识课程：全校非计算机专业必修课大学计算机大学计算机基础学习目的大学计算机了解计算机的基础知识。理解计算机科学与技术学科的基本理论与概念。了解计算机主要应用领域。掌握计算机硬件结构、软件结构、网络和操作系统的基础知识与基本应用技能。了解程序设计思想、数据库等基本原理。了解计算机信息安全以及多媒体技术。熟练掌握微型计算机的基本操作技能。大学计算机基础大学计算机课程特点：本课程是一门集知识性、实用性和实时性为一体的公共基础课程，为其他计算机课程的学习提供相关背景知识和辅助技能。学习方法：勤学+多练大学计算机基础学习内容第1章计算机文化与计算思维基础（自学）第2章计算机系统（1讲）第3章操作系统基础（1讲）第4章数制和信息编码（1讲）第5章数据处理（实验）第6章数据库技术基础（1讲）第7章信息浏览与发布（1讲）第8章算法与程序设计语言（1讲）第9章程序设计初步（后续课程）大学计算机基础

人类发明工具的目的是延伸人类自身的能力，包括人的体力和脑力。计算机是对人类脑力的延伸，所以计算机也称为电脑。它引起了人类思维概念和工作方式的改变，创造出一种新的文化领域——“计算机文化”。“计算机文化”的知识结构和能力素质是以“信息获取、信息分析与信息加工”为基础，在信息化社会里，掌握和使用计算机已成为人们必不可少的技能。作为新一代大学生要培养和提高“吸收、处理、创造信息，组织利用、规划资源”的能力。计算机文化与计算思维大学计算机基础

三种科学思维以推理和演绎为特征的逻辑思维。是以数学学科为代表以观察和总结（归纳的方式，不是数学归纳）自然规律（包括人类社会活动）为特征的实证思维。是以物理学科为代表以设计和构造为特征的计算思维。是以计算机学科为代表理论科学、实验科学和计算科学是科学发现的三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。人类科学的三大支柱：大学计算机基础计算思维的培养

计算思维的一般定义，运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及理解人类行为的方法，是涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算机基础教育层次上的计算思维能力的培养（1）对计算机的认识能力（2）具有判断选择计算机工具与方法的能力（3）运用计算机解决专业问题的能力大学计算机基础第一讲计算机系统

电子计算机是20世纪人类最伟大的科学技术发明之一。从1946年诞生第一台电子数字计算机以来，计算机科学是20世纪以来发展最快的一门学科。尤其是微型计算机的出现以及计算机网络的发展，使得计算机及其应用已渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息化社会的发展。

大学计算机基础1.1计算机的形成与发展(1)图灵与图灵机奠定现代计算机发展的重要人物

-------图灵为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机学会于1966年设立了“图灵奖”1937年，著名的英国数学家图灵发表了有关“理想计算机”的论文，提出了被后人称之为“图灵机”的数学模型，奠定了计算机科学的基础。图灵的理论:计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。(2)电子计算机的诞生

公认的第一台电子计算机是由宾夕法尼亚大学从1943年到1946年研制的电子数字积分计算机(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)，简称：ENIAC。

ENIAC共用了18,000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地约170平方米，耗电约150千瓦时。主要技术指标为每秒5000次加法运算。电子管大学计算机基础

1946年到1952年，美籍匈牙利科学家冯诺依曼（VonNeumann）领导的研制小组研制了一种“基于程序存储和程序控制”的计算机。

该计算机根据冯诺依曼提出的原理制造而成，与ENIAC相比有了重要的改进，奠定了现代计算机的体系结构，这一结构也称冯诺依曼体系结构。冯诺依曼----现代计算机之父(3)冯诺依曼体系结构计算机大学计算机基础（4）冯诺依曼原理计算机的硬件模型（冯诺依曼模型）运算器控制器存储器输入设备输出设备运算器和控制器的集合又称为中央处理单元CPU。CPU中央处理器主机+外设（I/O设备）请求信号响应信号1、计算机的硬件由五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。2、计算机的信息是以二进制表示的；3、程序与数据存放在计算机内存，启动后自动执行(存储程序原理)

。大学计算机基础计算机系统＝硬件系统＋软件系统根据冯诺依曼奠定的现代计算机体系结构，计算机采用了程序存储和程序控制原理

。基于这一原理，计算机的硬件是通用的，在同样的硬件条件下，通过执行不同的软件，实现了计算机丰富多样的功能。1.2计算机系统的组成大学计算机基础计算机系统硬件软件主机外部设备内存CPU（中央处理器）控制器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)输入设备输出设备系统软件(操作系统、语言处理程序、数据库等)应用软件(办公处理、辅助设计、用户程序等)运算器计算机系统的组成外部存储器高速缓冲存储器(Cache)大学计算机基础1.2.1运算器（ALU）15功能：进行算术运算和逻辑运算。包括：算术逻辑部件ALU、累加器、通用寄存器、状态寄存器。功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。包括：指令寄存器IR、程序计数器PC、指令译码器ID。1.2.2控制器(CU）中央处理器(CPU)：由算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、以及寄存器组成。计算机硬件系统大学计算机基础CPU模型

ID大学计算机基础171.2.3存储器功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。内存RAM随机存取存储器ROM只读存储器存储器内存储器计算机直接从内存存取数据外存储器与内存进行数据交换可长期存放数据Cache高速缓冲存储器大学计算机基础内存储器存储器由一个个大小相同的基本单元组成。（每个单元存放8位二进制数）为了区分各个单元，给每个单元一个编号。称为存储单元的地址。各单元内存放的是数据。CPU对内存可以读（取）可以写（存），要由控制信号控制。存储器的访问要三类信号共同配合才能完成：

地址信号、数据信号、控制信号1、存储器的逻辑结构111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址存放内容地址

内部存储器的作用是存放执行的程序和程序中需要使用的数据，是整个数据存储和变换的枢纽。大学计算机基础2.存储器的容量

存储器的每个单元存放8位二进制，8位二进制组成一个数据单元称为字节(Byte)，字节是存储的基本单元，是访问内存的最小单位。与存储器地址相关的概念:地址总线的宽度决定了可以访问内存单元的个数。每一根地址线对应一位二进制。一位二进制可以区分两个状态。10根地址线，可访问的单元数是：210=1024103=1K20根地址线，可访问的单元数是：220=1024K106=1M30根地址线，可访问的单元数是：230=1024M109=1G32根地址线可以访问多大内存？“4GB”1K=1024B，1M=1024K，1G=1024M，1T=1024G字节BYTE76543210位Bit大学计算机基础1.2.4

输入输出系统输入输出系统实现主机和用户之间的通讯，通讯是通过外部设备及其接口实现的。外部设备是输入和输出设备的总称，简称为外设，外设是计算机和用户之间或设备与主存储器之间交换数据的工具。输入输出接口

由于主机是由集成电路芯片连接而成，而I/O设备通常是机电结合的装置，在它们之间存在着速度、时序、信号电平、信号格式和类型等方面的差异。I/O接口的功能主要是解决上述的不匹配，使主机与I/O设备能协调地工作，并实现主机对外设的控制。输入、输出设备21内存输入设备接受用户输入的原始信息转换成计算机可识别的信息形式（二进制）存放到内存中输出设备将内存中的处理结果信息转变为用户可接受的形式输出或成为其它机器所能接受的形式输出大学计算机基础计算机中的一些基本I/O接口电路IDE接口：光盘、硬盘与主机的通信。并行接口：打印机、绘图仪串行接口：鼠标USB接口：U盘、打印机等

USB2.0：传输速率60MBps，USB3.0传输速率600MBpsIEEE1394接口：摄像机、音响等多媒体设备HDMI接口：高清晰度多媒体接口，可以同时传输视频和音频信号。。。大学计算机基础常用接口23大学计算机基础1.2.5总线微型计算机结构是以总线为核心的将微处理器、存储器、输入/输出设备智能地连接在一起的。所谓总线，是指微型计算机各部件之间传送信息的通道。主机内部连接CPU与内存以及I/O接口的总线称为系统总线；而连接主机与外设的总线称为设备总线。大学计算机基础总线计算机模型地址总线(Abus):用来传递地址信息，CPU通过地址总线传送需要访问的内存单元地址或外部设备地址。数据总线(Dbus):用来传送数据信息，是CPU与各部件交换信息的通道。控制总线(Cbus):用来传送控制信号，以协调各部件之间的操作。CPU内存I/O接口ABDBCB外设系统总线的分类：大学计算机基础常见的系统总线简介系统总线是连接主机内部各部件的总线。其中地址信号线的宽度决定了总线可访问的内存单元数量，如果地址总线宽度为32位，则访问的字节单元数是232（4G）。数据总线的宽度反映了总线上一次传送的字节数，如果数据总线的宽度是32位，那么总线上一次可以传送4个字节。控制总线则用于控制信息的传输。总线标准包括了各种物理、电气等详细的规范。由计算机系统提供标准的总线接口(也称总线插槽)，系统总线从结构上提供了扩展设备的连接，只要按照总线标准设计的设备都可以连接到计算机系统中。微型计算机常用的总线标准有：ISA、PCI和AGP等。大学计算机基础计算机硬件和总线的基本组成（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大学计算机基础1.2.6计算机的主要指标字长：字长是指计算机能直接处理的二进制信息的位数。字长是由CPU内部的寄存器、加法器和数据总线的位数决定的。字长越长，精度越高，速度越快，但价格也越高。当前微机字长有32位、64位。主频：指时钟脉冲发生器在单位时间(s)内发出的脉冲数。频率越高，计算机的处理信息的速度也越快。主频的单位是兆赫兹(MHz)。存储容量:(1)内存容量。指内存储器能够存储信息的总字节数。容量越大，运行速度越快。内存储器容量大小，受限于CPU的地址总线。(2)外存容量。指外存储器所能容纳的总字节数。写拍读拍周期T主频f=1/T运算速度：计算机系统每秒能执行的指令条数。单位是条/秒。大学计算机基础1.3计算机指令的执行1.指令：是用来规定计算机一个基本操作的二进制代码。一条指令对应着CPU的一种基本操作。(如：存、取数据，加法运算等。)一条指令由两个部分组成：操作码和操作数。(1)操作码：操作码指明了操作的性质，如加、减等。(2)操作数：操作数指明了操作的对象，如两个加数。

例如一个实现2+3功能的指令序列：MOVR1，2;将2存放到CPU内部的寄存器R1中ADDR1，3;将R1的内容加上3，结果5再存放到R1中HLT;结束

计算机完成某个任务的过程实际是执行一个程序的过程，而程序是由一条条指示CPU完成某一个基本操作的指令组成。

大学计算机基础软件=程序+文档2.指令系统：指令系统是某种CPU能够执行的所有指令的集合，不同类型的CPU结构其指令系统也不同。3.程序：

是计算机能够识别和执行的指令序列。是由一连串指令按一定顺序组成的能完成某种任务的指令序列。4.软件：是计算机的程序、数据、方法、规则、文档的总称。大学计算机基础5.指令的执行过程

冯.诺依曼原理决定了计算机的工作方式是计算机能够存储程序，并能够自动执行程序。根据冯.诺依曼的原理，计算机利用存储器存放需执行的程序，中央处理器（CPU）依次从存储器中取出每一条指令，并经过分析后加以执行，直到全部指令执行完成。这就是计算机的存储程序原理。指令的执行过程分为以下几个步骤：⑴取指令⑵分析指令⑶执行指令⑷重复

大学计算机基础计算机自动执行程序的过程1、从内存中取出一条指令2、翻译并执行这条指令取出指令分析指令完成本条指令的操作启动地址PCPC+1PC形成转移地址PC程序结束停机指令非转移指令转移指令指令性质？启动大学计算机基础指令的执行过程图例①取指令按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。②分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号由地址码确定操作数地址。③执行指令由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。如：加法指令一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。33大学计算机基础1.4计算环境的发展34（1）集中计算电子计算机时代开始标志物：ENIAC和IBM深蓝目的：计算速度的提升和计算能力的提高。（2）个人计算机独立性高，可靠性强（3）互联网多台计算机通过网络连接起来，实现数据和资源的共享及协同工作（4）云计算信息增长具无限性的趋势，摩尔定律的终结；如何解决无限增长信息的存储和计算基于互联网的超级计算模式，集中信息和处理器资源通过终端连接和使用主机，所有的软件、数据和控制都在大型机的主机大学计算机基础计算机发展——微型化Altair8800

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。大学计算机基础2010年11月16日，中国国防科学技术大学研制的“天河一号”系统，在国际TOP500组织正式发布的第36届世界超级计算机500强排行榜上，取代美国“美洲虎”超级计算机系统，排名位居世界第一。“天河一号A”系统，峰值速度4700万亿次，直接参与“天河一号A”研发的科技人员有200多人，平均年龄36岁，投资为6亿人民币。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。

计算机发展——巨型化运算速度可达每秒几万亿次运算的超级计算机大学计算机基础计算机发展——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：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。计算机网络带来的新技术：

移动互联网、物联网、大数据、云计算大学计算机基础

移动互联网(MobileInternet,简称MI)，就是将移动通信和互联网二者结合起来。主要三部分组成：智能移动终端：智能手机、平板电脑、电子书等软件：操作系统、中间件、数据库和安全软件等应用层：休闲娱乐类、工具媒体类、商务财经类

等不同应用与服务。移动互联网大学计算机基础物联网“物联网就是物物相连的互联网”，是传感网加互联网。把人与人之间的互联互通扩大到人与物、物与物之间的互联互通。实行物理世界与信息世界的融合，构成一个“无所不在的网络社会”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。大学计算机基础物联网物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是通过各种传感技术（RFID、传感器、GPS、摄像机、激光扫描器……）、各种通讯手段（有线、无线、长距、短距……），将任何物体与互联网相连接，以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现“管理、控制、营运”一体化的一种网络。

典型应用：物流系统大学计算机基础互联网、移动互联网、物联网产生的数据量呈爆炸性发展的趋势，“如何收集、保存、维护、管理、分析、共享正在呈指数级增长的数据是当前必须面对的一个重要挑战。”

大数据时代，研究热点从计算速度转为大数据处理，从编程为主转变为数据处理为中心。大数据时代大学计算机基础大数据的数量级应该是“TB”（240B）大数据的4V特征，即：

数据量大（volume）

数据种类多样（variety）

实时性强（velocity）

隐藏的价值大（value）。大数据将成为全世界下一个创新、竞争和生产率提高的前沿。大学计算机基础云计算

云是对网络、互联网的一种比喻。它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。

云计算（CloudComputing）是分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（ParallelComputing）、效用计算（UtilityComputing）、网络存储（NetworkStorageTechnologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（LoadBalance）等传统计算机和网络技术发展融合的产物。

云计算是一种商业计算模型