大学计算机基础-第1章-宋长龙版-吉林大学现用

大学计算机基础吉林大学公共计算机教学与研究中心授课对象：11级本科生理论学时：

56学时，14周实验学时：计划16学时+课外30学时学分：

4考试形式：平时15+实验15+无纸化考试70考试时间：预计第16周授课教师：公共计算机教学与研究中心李锐E-Mail：

lir@本章概要

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学时

）1.计算机的发展历程、分类及应用2.信息技术概述3.计算机系统组成4.计算机硬件系统和软件分类5.计算机的主要性能指标6.数制及其转换7.数值型数据的存储8.计算机的算术与逻辑运算9.文字信息编码形式一种可以接收输入、处理数据、存储数据、可编程并能产生输出的一种电子装置。计

计算机主要特点：计算精度高、处理速度快、存储容量大、自动化程度高、适用范围广和通用性强。算机1936年英国科学家图灵,首次提出逻辑机模型-图灵机,并建立算法理论,被誉为计算机之父。计算机理论奠基人图灵的主要贡献建立图灵机模型，奠定了可计算理论基础；提出图灵测试，阐述机器智能概念。图灵奖,创于1966,每年由美国计算机学会(ACM)颁发。计算机最高奖项19世纪50年代，英国数学家乔治·布尔创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础。1.1

计算机的发展被测试的有一个人，另一个是声称有人类智力的机器。测试时，测试人通过一些装置向被测试人提问，如果测试人没有分出谁是机器谁是人，那机器就通过了图灵测试，说明具有人类智能。ENIAC存在明显缺点：一是存储容量很小；二是采用外接线路连接的方法设计计算程序。1946年2月诞生于美国宾州大学，电子数值积分计算机，ENIAC—ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）。第一台计算机的诞生5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW存储程序控制：存储程序实现自动计算。采用二进制数:便于硬件实现，运算规则简单。1948年8月，著名美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出EDVAC

(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,离散变量自动电子计算机)体系结构。冯•诺依曼计算机体系结构：计算机硬件结构：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备冯·诺依曼计算机体系结构计算机发展的4个阶段第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：中小规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机

1946～1958主要器件：电子管、汞延迟线存储器和磁鼓。体积大;运算速度慢(1万次/秒)；电子管存储容量(2KB)小；程序设计为机器语言。

1958～1964晶体管、磁芯存储器，内存储器容量可以达到32KB；运算速度为300万次/秒；程序设计有汇编语言、FORTRAN等。

1964～1970小规模集成电路、半导体存储器、磁盘，内存储器容量8MB～256MB；运算速度1～10亿次/秒；软件有操作系统、结构化程序设计语言、数据库等。1971年至今用大规模、超大规模集成电路、半导体存储器、磁盘、U盘、光盘和微处理器，内存储器容量可达GB级；运算速度已经达到数千万亿次/秒；软件增加专家系统、面向对象开发工具和支撑环境等。

•计算机网络技术更加完善

计算机的发展趋势•人工智能进一步发展•未来新型计算机

一些简单的自动装置（如机械手）将得到广泛应用。它们用微电脑内核，带有“眼睛”(摄像机)，甚至用自然语言与人类进行交流，完成特定的使命。

计算机与通信网络相互协调、相互补充，融于一体；世界范围内的高速宽带网即将建成。

采用磁场来控制晶体管,能使每平方厘米所容纳的晶体管数量增加近千倍。磁计算机

利用光的高速和无干扰性，使用光学元件(光触发器)构成处理器。光子计算机

以生物工程技术产生的蛋白分子为主要原料，信息以波的形式传输；有巨大的存储能力。

生物计算机

利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。

量子计算机

计算机分类•高性能计算机是指运算速度最快、处理能力最强的计算机,传统称之为巨型机或大型计算机。中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”高性能计算机的实测运算速度达到每秒2570万亿次。1.2

计算机分类及应用具备强大的数据运算与图形、图像处理能力,为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能计算机。•工作站计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备。软件固化到计算机内部，用户不可修改。

•嵌入式计算机•微型计算机发展速度较快，性能/价格比高，应用广泛。也称个人计算机(PC—PersonalComputer)。•服务器用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员信息请求的高性能计算机。分为文件服务器、应用程序服务器和数据库服务器等。

服务器机目前计算机技术正朝着高性能和微型化两个方向发展。计算机的主要应用主要解决科学研究和工程中数值计算问题。

•科学计算

•数据处理

•过程控制•计算机辅助系统

指信息收集、转换、分类、统计、存储和输出等，从中筛选出有价值数据。也称非数值计算，虽然数据量大，但计算方法简单。

即实时控制，是利用计算机的高速度和善判断特点，将计算机用于实时采集和分析处理数据，根据控制模型进行计算和判断，直接干预生产过程，校正偏差，对所控制的对象进行调整，实现对生产过程的自动控制。

计算机辅助设计（CAD）是以计算机为工具，对产品或工程进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。计算机辅助制造（CAM）用计算机代替人控制和操作设备（如车床）进行生产或加工产品（如零件），它的输入可能是产品工艺图或控制开关信号，输出是对相关设备的控制信号。计算机辅助教学（CAI）是借助课件系统完成教学的方法，课件系统是一类教学软件。•人工智能•信息高速公路

•虚拟现实

集声音、图像和文字于一体，集电视、录像、光盘存储、电子印刷和计算机通信技术之大成，将计算机应用引入无所不能的广阔领域。•多媒体技术将人脑演绎推理的思维过程、规则、策略和技巧等编成计算机程序；在计算机中存储一些公理和推理规则，使计算机自动解决问题和推导结论。机器人：是一种自动化机器，具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力。专家系统：将专家的丰富知识和经验总结出来预先存入计算机，配上相应软件。模式识别：重点研究图形识别和语言识别，给机器人装备视觉器官和听觉器官。信息高速公路（InformationSuper-Highway）的概念源于美国，1991年美国参议员戈尔提出：将美国所有信息库及信息网络连成一个全国性大网，使各种形态的信息在计算机网络中高速传输。

指“用计算机及相关设备合成的人工世界”。通过多种传感设备使应用者“投入”到该环境中，实现与环境直接进行交互的目的。信息技术以计算机、通信和控制技术为核心。客观存在事物及其运动状态的表征。•信息计算机化的信息，是信息的载体和表示形式。•数据学生信息

学号姓名性别民族出生日期年级状态21100102

张晓伟男

汉族

1991年6月18日具体学生数据二年闲谈听课1.3信息技术概述时效性信息的基本特征普遍性寄载性共享性可识别性可加工性

只要有事物存在或变化，就存在信息

信息寄载于事物上,不能独立于事物之外

信息是一种资源，可以为人类所共享

信息价值因时间或地点不同而发生变化

直接(通过眼、耳和鼻等)和间接识别对信息可进行加工，从中提炼出有价值的信息。数据

数据是信息的载体。数据包括各种数值数据、字符数据(如英文字母、汉字、标点符号和运算符等)、图形、图像数据和声音数据等。在计算机内，任何形式的数据都用二进制数表示。

数据处理通常是指对各种数据进行采集、存储、传送、转换、分类、排序、计算和输出等操作。信息数字化信息数字化是将事物的信息进一步抽象、提取和规范化，使之成为计算机能够处理的数据。高速度、网络化多媒体化多学科结合智能化现代信息技术

信息技术是利用信息科学原理和方法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术，又称信息工程。信息技术由计算机、通信和控制技术构成。

信息技术的发展趋势信息化社会

是以信息活动为社会发展的基本活动。硬件系统软件系统外存储器运算器控制器应用软件内存储器输出设备主机外设中央处理器(cpu)ROMRAM系统软件输入设备硬盘U盘光盘键盘鼠标显示器打印机绘图仪操作系统语言处理程序编辑程序连接程序调试程序、故障检查程序监控程序、诊断程序各种软件包数据库应用程序汇编程序编译程序解释程序扫描仪1.4

计算机系统组成

借助电、磁、光和机械等原理构造的各种物理部件的有机组合。是组成计算机的物质基础。

为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。是对硬件性能的扩充和完善。

计算机硬件(Hardware)：指计算机系统中看得见、摸得着的物理实体。基本功能是执行计算机的各种指令。1.5

计算机硬件系统计算机硬件组织结构主要由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5大部件组成。1231234561234654控制流数据流计算机工作过程计算机的整个运行过程就是不断地接收数据、执行指令和输出结果。

向控制器提出输入请求，控制器执行到输入指令，根据指令中的内存地址，将数据存储到内存中。控制器向内存发出地址码，从指定内存单元读取指令，向运算器发出运算指令，从内存取操作数运算，将结果保存回内存，向控制器发送反馈信号。向控制器发出输出请求，控制器执行到输出指令，根据指令中的内存地址，将数据发送给输出设备。中央处理器(CentralProcessingUnit)

控制器和运算器合在一起称为中央处理器，简称CPU。计算机的主要性能取决于CPU，它是计算机硬件系统的核心。负责从存储器中取出指令、翻译指令、分析指令，向其他部件发出控制信号（指令），控制、协调计算机各组件自动、连续地执行指令，控制整个计算机有条不紊地工作。

控制器微处理器内部的存储单元，存储待使用的操作数或中间结果，可避免频繁访问内存储器，以便提高CPU的运算速度。操作控制器(OC):指令译码器(ID):程序计数器(PC):指令寄存器(IR):通用寄存器组(GR):存放CPU正在执行的指令。存储下一条指令的内存地址，为执行下一条指令做好准备。

分析指令寄存器中的指令,根据指令的功能,将指令分解成一系列的操作控制信号

将指令译码器分析出的各种控制信号发送给相关部件，使其完成要求的操作，这一过程称为执行指令。

执行一条指令分为取指令、分析指令、执行指令和调整程序计数器的值4步骤。

在控制器的控制下执行程序中的运算型指令，完成各种算术和逻辑运算。

执行算术和逻辑运算的装置，核心是加法器。

专用寄存器，用于存储算术逻辑单元运算的两个操作数之一，并且保存当前运算的结果。自动记载算术逻辑单元运算结果的重要状态。为进一步处理累加器A中的数据提供依据。用于存储算术逻辑单元运算的操作数，但不用于保存运算的结果。算术逻辑运算单元(ALU):累加器(A):暂存寄存器(TSR):标志寄存器(FR):运算器用于存储程序和数据的部件。由若干个存储单元组成，每个存储单元存放8位(1个字节)二进制信息，存储单元的总数称为存储容量。

存储器系统对每个存储单元进行编号，将其称为存储单元的物理地址。存储操作读操作：从存储器中取出指定内容，存储器中原有内容不变。写操作：将指定的内容存入存储器中。字节(Byte)：一个字节由8位二进制数组成，简写B。是信息组织和存储的基本单位。比特(bit)：1位二进制数为1个比特，简写b。是度量数据的最小单位。位(bit)字节Byte(8位)存储单位KB(千字节)、MB(兆字节)GB(千兆字节)、TB(百万兆字节)其它常用单位：1B=8b

1GB=1024MB

1MB=1024KB1KB=1024B换算关系：=210B=220

B=230

B

1TB=1024GB=240

B外部长久存储区域。辅助存储器有磁盘、光盘以及U盘等。半导体材料访问速度快暂时性价高光、磁材料访问速度慢永久性价低内存包含随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。存储器分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)。出厂时已写入系统初始化程序、操作系统引导程序及多种硬件驱动等程序，并被固化。只能读取，不能写入。系统断电后信息不丢失。保存正在执行的程序和数据，是临时存储区域，系统断电后信息丢失。主存储器（内存）用于存放正在执行的程序指令和数据，存取速度快、可直接与CPU交换信息。随机存储器(RAM):只读存储器(ROM):计算机启动时，先运行只读存储器中的系统初始化程序对系统进行检测，引导操作系统进入内存，使计算机正式工作。辅助存储器（外存）用于永久性存储信息，其中的数据先调入主存储器后才能由CPU访问和处理。关闭电源后信息不丢失。磁盘存储器正面背面电源口信息口打开磁头柱面扇区磁道主轴盘片每个盘片每一面都划分若干条形如同心圆的磁道，是磁头读写数据的路径。最外层是第0道，每个磁道记录的数据容量一样多，内圈磁道的记录密度高于外圈磁道。一个硬盘由若干个盘片组成，每个盘片有相同数目的磁道。所有盘片上相同半径的磁道组合在一起，称为一个柱面。将每个磁道分为若干个小区段，一个小区段称为一个扇区。每个磁道的扇区数相同，每个扇区能记录的数据容量一样多。主轴的旋转速度决定硬盘内部数据的传输率，主轴转速越快，硬盘寻找文件和存储信息的速度越高。硬盘转速以每分钟多少转表示（RPM）。一个硬盘总容量：磁头(盘面)数×柱面(磁道)数×扇区数×扇区容量由基底层、记录层和保护层组成。

盘中内容在生产时确定，一旦制成，内容不可修改，只能读取。

最初为空白盘，通过刻录机可多次写入数据，写操作采用追加方式，已写入的内容不可修改删除。通过刻录机可写入和删除数据，通过普通光盘驱动器只能读取数据。只读光盘(CD-ROM):追记只读光盘(CD-R):可擦写光盘(CD-RW):数字化视频光盘(DVD):光盘存储器也称闪存，半导体移动存储器，插入USB口即可使用。

优（U）盘与CD外形相似，但容量更大，一般为4.7GB。输入输出设备主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。

向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备，常用输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。输入设备

将计算机处理后的信息转换成人们能识别的形式。常用输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。输出设备系统软件和应用软件。软件分类：

为运行、管理和维护计算机所编制的各种程序和文档的总和。软件：数据及相关文档Intx,y,z；Scanf(“%d%d”,&x,&y);If(x>y)z=x；Elsez=y；+1.6

计算机软件分类系统软件用于计算机系统内部管理、维护、控制和运行；计算机程序编辑、翻译、装入、控制和运行等软件。

操作系统(OS)操作系统其他软件DOS硬件管理计算机系统资源，指挥计算机系统自动协调地运行，高效率地工作，是用户与计算机之间的接口。

语言处理系统数据库管理系统服务程序通过计算机语言可以编写程序，控制计算机完成预定任务。计算机语言分为机器语言、汇编语言和高级语言。如C语言、VB和VC等。管理数据库的软件，主要面向解决数据处理的非数值计算问题。反病毒程序文件压缩程序备份程序诊断程序卸载程序

完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。应用软件针对某一应用目的而开发的软件。通用应用软件专用应用软件支持最基本的应用，广泛地应用于几乎所有专业领域。如:PhotoShop、AuthorWare等。

专用于某一个专业领域的应用软件，如:应用于医院、金融、铁路、无纸化考试、选课和成绩管理等方面。硬件扩充能力计算机同时能处理的一组二进制数称为一个计算机的字，一个字中二进制数的位数为字长。也指参加一次定点运算数的二进制位数，一般是8的整数倍。性能指标决定计算机的数据运算能力、程序执行速度、数据存储容量和硬件扩充能力等。1.7

计算机的主要性能指标字长字长标志着计算机的计算能力和精度。字长越长，一次能运算的位数越多，计算精度越高。主存储器外存储器是CPU直接访问的存储器。主存储器容量的大小反映计算机即时存储信息的能力，主存储器的存取时间影响程序的运行速度。容量较大的主存储器，减少主存储器与外存储器的信息交换次数、增加CPU工作效率，提高程序运行速度。常指硬盘(包括内置硬盘和移动硬盘)，其容量体现了计算机存储信息的能力。

外存储器容量越大，可存储信息量越大，可安装软件越丰富。允许配接哪种类型设备，可配接多少设备，是否允许扩充或更换部件等。1.7

计算机的主要性能指标运算速度CPU频率每秒执行指令条数CPU主频率：CPU的时钟频率称为主频率，反映了CPU的操作速度，单位是兆赫兹（MHz）。CPU外频率：CPU与周边部件（内存储器和芯片组）之间传输数据的频率。主频率=外频率×系数计算机执行指令的速度主要取决于CPU的频率。系数称为倍频。时钟每秒发出脉冲的个数，反映CPU的操作速度。是一个估算值，多数计算机依据每秒执行定点或浮点数加法指令的次数。

现行计算机系统采用二进制。为书写和表示方便，引进八进制和十六进制。进位计数制三要素:位权是按所采用的基数和对应数位来表示一个固定数。

数码基数位权基数是指在某种进位计数制中所使用的数码个数。

1.8

数制及其转换

十进制数的基数是10。数码有0、1、2、3、4、5、6、7、8和9共10个数字符号。

数码处于不同位置代表不同数值。十进制计数制3×102＋0×101＋1×100＋6×10－1＋8×10－2＋7×10－3＋6×10－4

如：301.6876=将此式称为按权展开表达式。

任意R进制计数制同样有基数R、位权Ri和按权展开的表达式。R可以是任意正整数。

用基数R的i次幂Ri表示。数码基数位权一个计数制所采用基本符号的个数。

=

an-1×Rn-1+an-2×Rn-2+……+a1×R1+a0+a-1×R-1+a-2×R-2+……+a-m×R-m数值的按权展开

:(an-1an-2……a1a0.a-1a-2……a-m)R进制计数制进位制