《大学计算机基础》 课件 第1章 计算机基础知识

大学计算机基础（Windows10+Office2016）·****教材·本章学习目标（1）能阐述计算机的发展历史、特点及发展趋势。（2）能阐释计算机系统的组成。（3）能根据计算机各硬件指标区分性能好坏。（4）能对不同的进制数进行转换运算。（5）能对我国计算机的创新发展有所了解。第1章计算机基础知识1822年，英国数学家查尔斯·巴贝奇（CharlesBabbage）成功研制出了世界上第一台“机械计算机”——差分机。1936年，英国数学家艾伦·麦席森·图灵（AlanMathionTuring）提出了“图灵机”这一抽象的计算模型。1946年2月14日，由美国军方定制的世界上第一台通用电子计算机——电子数字积分计算机埃尼阿克ENIAC在美国宾夕法尼亚大学问世。标志着电子计算机时代的到来。1.1计算机的诞生与发展第一台电子计算机ENIAC

计算机的诞生与发展计算机的发展大致可以分为以下五个阶段：1.1阶段逻辑元件软件方面特点第1阶段：电子管计算机（1946—1957年）真空电子管机器语言、汇编语言体积大、功率损耗高、可靠性差第2阶段：晶体管计算机（1958—1964年）晶体管多种计算机高级语言及其编译程序出现体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高第3阶段：集成电路计算机（1965—1970年）中、小规模集成电路操作系统逐步成熟速度快、可靠性显著提高第4阶段：大规模和超大规模集成电路（1971年至今）大规模和超大规模集成电路数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等体积小、价格低、运算速度快第5阶段：智能计算机（1981年至今）智能人机接口以人工智能和逻辑程序设计为特色面向知识处理，具有形式化推理、联想和理解的能力1．计算机的特点（1）运算速度快（2）计算精度高（3）可靠性高（4）具有存储与记忆能力（5）具有逻辑判断功能（6）自动化程度高、通用性强1.2计算机的特点、分类与应用1.2.1计算机的特点与分类计算机的特点、分类与应用2．计算机的分类（1）巨型机：巨型机又称为超级计算机，截至2023年，是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，其浮点运算速度已达每秒千万亿次。（2）大型机：大型机是计算机中通用性能最强，功能、速度、存储量仅次于巨型机的一类计算机。（3）小型机：小型机是相对于大型机而言的。（4）微型机：微型机又称为微机、个人计算机等，是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机（5）服务器：可以被网络用户共享、为网络用户提供服务的一类高性能计算机。（6）工作站：工作站是一种高端的通用微型计算机。1.21.2.1计算机的特点与分类计算机的特点、分类与应用1.2.2计算机的应用1．科学计算2．数据处理3．自动控制4．辅助设计5．网络应用6．人工智能7．电子商务8．多媒体技术应用1.2计算机的特点、分类与应用1.2.3未来计算机1．高速超导计算机2．量子计算机3．生物计算机4．光计算机1.2计算机系统计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件是看得见、摸得着的，实实在在存在的物理实体，是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序，以及任何与之相关的文档和数据的集合。1.3计算机系统1.3计算机系统的组成计算机系统1.3.1计算机系统及其工作过程1946年，美籍匈牙利科学家约翰•冯•诺依曼（JohnvonNeumann）提出“存储程序控制”原理，又称为冯·诺依曼原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。该原理确立了现代计算机的基本组成的工作方式，直到现在，计算机的设计与制造依然遵循冯·诺依曼原理。1．存储程序控制原理的基本内容（1）采用二进制形式表示数据和指令。（2）将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中（程序存储），使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行（程序控制）。（3）由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机硬件体系结构。1.3计算机系统冯·诺依曼体系结构计算机的工作原理可以概括为存储程序、程序控制。（1）存储程序：将解题的步骤编成程序（通常由若干指令组成），并把程序存放在计算机的内存储器中（即主存）。（2）程序控制：从计算机主存中读出指令并送到计算机的控制器，控制器根据当前指令的功能，控制计算机执行指令规定的操作，完成指令的功能。重复这一操作，直到程序中指令执行完毕。1.3计算机系统1.3.2计算机硬件系统根据冯·诺依曼体系结构计算机的五大功能部件，通常人们把运算器和控制器合起来称为中央处理器（CPU），把内存储器（简称内存或主存）和外存储器（简称外存或辅存）合称为存储器，与CPU直接交换信息的是内存。1.3龙芯3A6000CPU计算机系统1．CPUCPU是一块超大规模的集成电路，如图1-4所示。作为计算机系统的运算和控制核心，CPU是信息处理、程序运行的最终执行单元。它由运算器（ArithmeticUnit）、控制器（ControlUnit）、寄存器（Register）等组成，以运算器、控制器为核心部分。（1）运算器（2）控制器1.3计算机系统从计算机被发明之初，人们判定计算机的计算速度的最重要指标便是CPU的运算速度，CPU就像是计算机的心脏，牵动着计算机的每一个部分。通常CPU的性能从以下几方面来衡量。①主频②外频③倍频④缓存（Cache）⑤内存总线速度⑥地址总线宽度1.3计算机系统2．内存储器内存储器也称为内存，是计算机中的重要部件，它是外存与CPU进行沟通的桥梁。其作用是暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。内存储器又可分两类：一类是只能读不能写的只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）；另一类则是既可读又可写的随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）。通常所说的“主存储器”或“内存”一般是指随机存储器。1.3

内存计算机系统通常内存性能从以下两方面来衡量。（1）容量（2）内存带宽内存的发展历史1.3计算机系统3．外存储器外储存器，是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，此类储存器一般断电后仍然能保存数据（与内存断电数据就丢失不同）。常见的外存储器如下。（1）硬盘：硬盘是计算机主要的存储设备。硬盘主要有以下几种。①机械硬盘②固态硬盘③混合硬盘（2）U盘：U盘也称为闪盘，可以通过计算机的USB接口存储数据。（3）光盘：是利用光学方式进行信息存储的圆形磁盘。1.3计算机系统常见硬盘1.3SSD固态硬盘HDD机械硬盘计算机系统通常，硬盘性能从以下几方面来衡量。①容量：容量是硬盘最主要的参数，容量的大小决定硬盘中存储数据的多少，单位有MB、GB、TB、PB等。②转速：转速是指机械硬盘盘片在1min内所能完成的最大转数，转速越快，存储（读取）数据的速度就越快。常见的硬盘有5400r/min和7200r/min的，服务器上的硬盘转速能达到15000r/min。③传输速率：硬盘的数据传输速率是指硬盘读写数据的快慢。④缓存：是硬盘电路板上的一块芯片，具有极快的存取速度，它是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。其目的是解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。1.3计算机系统4．输入设备输入设备通过接口电路把原始数据和程序转换成0、1代码串输入计算机的存储器中，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。现在的计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型数据，也可以是各种非数值型数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入计算机中，进行存储、处理和输出。常见的输入设备如下。（1）字符输入设备：键盘等。（2）图形输入设备：鼠标、操纵杆、光笔等。（3）图像输入设备：摄像机、扫描仪、传真机等。1.3计算机系统5．输出设备输出设备计算机硬件系统的终端设备，是将计算机处理的结果以人能识别、能理解的形式表现出来的设备。它是人与计算机系统之间进行信息交换的主要设备。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统等。1.3计算机系统6．显卡显卡（VideoCard，GraphicsCard）全称显示接口卡，又称显示适配器。显卡作为计算机主机里的一个重要组成部分，是计算机进行数/模（Digital/Analog，D/A）信号转换的设备，并向显示器提供逐行或隔行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和计算机主板的重要组件。显卡的分类如下。（1）集成显卡（2）独立显卡（3）核芯显卡1.3显卡计算机系统7．主板主板（MainBoard），又称为主机板、系统板、母板等，是构成复杂电子系统的中心或主电路板，是计算机非常基本的、同时也是非常重要的部件。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有基本输入输出系统（BasicInputOutputSystem，BIOS）芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯连接器、扩展槽、主板和板卡的直流电源连接器等。1.3主板计算机系统1.3.3计算机软件系统只有硬件，没有安装任何软件系统的计算机称为裸机，裸机是不能工作的。软件是程序和文档的总和。计算机的软件系统，是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序和支持文档的总和，由系统软件和应用软件两大部分组成。没有系统软件，计算机无法运行；有系统软件而没有应用软件，计算机还是无法解决实际问题。要了解软件就必须了解程序，要了解程序就必须了解指令、程序设计和程序设计语言。1.3计算机系统1.3.3计算机软件系统1．指令与指令系统（1）运算指令（2）传送指令（3）控制指令（4）输入输出指令2．程序与程序设计语言（1）机器语言（2）汇编语言（3）高级语言1.3计算机系统3．计算机的系统软件（1）操作系统（2）语言处理程序（3）实用程序4．计算机的应用软件（1）专用应用程序（2）应用软件包1.3计算机的信息表示1.4.1进位计数制1.4十进制、二进制、八进制及十六进制比较计算机的信息表示1．十进制数与R进制数的相互转换二进制数转换为十进制数，只要写出其展开式，计算出结果即可。例如，将二进制数11011转换为十进制数，计算方法如下：11011B=(1×24+1×23+0×22+1×21+1×20)10=27DR进位制数转换为十进制数也可以照此方法计算。例如，将八进制数317转换为十进制数，计算方法如下：317Q=(3×82+1×81+7×80)10=207D将十六进制数8DF转换为十进制数，计算方法如下：8DFH=(8×162+D×161+F×160)10=（8×162+13×161+15×160

）10=2271D1.4计算机的信息表示【任务1-1】把十进制数转换为二进制数。任务需求：把十进制数150.625转换为二进制数。任务实现步骤（1）十进制整数转换为二进制整数采用“除2取余法”，即将该十进制数除以基数2而取其余数，再将所得的商数除以2，取其余数。依次类推，直到商为0为止，取得的余数从下往上依次排列，即为二进制数。例如将十进制数150转换为二进制数如右图。1.4计算机的信息表示（2）十进制小数转换成二进制小数采用“乘2取整，顺序排列”法。具体做法：小数部分乘以2，将积的整数部分取出，再用2乘以余下的小数部分，直到乘积的小数点后为0。然后把取出的整数部分按从上到下顺序排列起来，先取的整数作为二进制小数的高位有效位，后取的整数作为低位有效位。下面将十进制0.625转换为二进制。0.625×2=1.25…………取出整数部分10.25×2=0.5…………取出整数部分00.5×2=1…………取出整数部分10.625D=0.101B所以150.625D=10010110.101B1.4计算机的信息表示2．二进制数与八进制数、十六进制之间的转换（1）二进制数转换为八进制数，用“三位一并法”。即以小数点为基点，向左右两个方向将每三位二进制数并为一组，不足三位的用0补齐，然后按表1-2中的对应关系用八进制数表示。例如，将11101010110.1001B转换为八进制数，步骤如下：011101010110.1001003526.4411101010110.1001B=3526.44Q反之，由八进制数转换为二进制数为上述过程的逆过程，采用“一分为三法”。例如，将4621.25Q转换为二进制数，先分组为4621.25100110010001.010101则4621.25Q=100110010001.010101B1.4计算机的信息表示（2）二进制数转换为十六进制数，用“四位一并法”，即以小数点为基点，向左右两个方向将每四位二进制数并为一组，不足四位的用0补齐，然后按表1-2中的对应关系用十六进制数来表示。反之，十六进制数转换为二进制数采用“一分为四法”。例如，将二进制11010110101.11001101001B转换为十六进制数。先分组为011010110101.1100110100106B5.CD2则11010110101.11001101001B=6B5.CD2H反之，将十六进制数B34A1.1CH变为二进制数。先分组为B34A1.1C10110011010010100001.00011100则B34A1.1CH=10110011010010100001.00011100B1.4计算机的信息表示1.4.3计算机中字符的编码1．西文字符的编码2．汉字编码（1）国标码（2）外码（3）机内码（4）字形码1.4计算机的信息表示1.41.4.4数据的单位单位名称意义说明b位1个0或1，称为1bit最小的数据单位B字节8位0和1的组合，称为1Byte数据处理的基本单位KB千字节1KB=1024B常用的数据单位MB兆字节常用的计量单位GB吉字节内存、硬盘的计量单位TB太字节硬盘的计量单位Word字长根据CPU型号不同，可分为8B、16B、32B和64BCPU一次能处理的数据位数我国计算机的创新发展1.5.1神威·太湖之光1958年，中科院计算所成功研制出我国第一台小型电子管通用计算机——103型机。该机采用电子管线路，主存容量1--4千字，机器字长30位，64条指令，每秒可进行30次运算，后期型号可进行1500--3000次运算。103型机的制成是我国第一台电子计算机诞生的标志。

1957年至1966年，103型计算机（包括八一、103、DJS-1、DJS-3型计算机）共计生产49台。目前，仅有一台DJS-1保存于曲阜师范大学图书馆。1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙机，之后推出109丙机，该机在两弹试验中发挥了重要作用。1974年，清华大学等单位联合设计、研制成功采用集成电路的DJS-130小型计算机，运算速度达每秒100万次。1.5我国计算机的创新发展1.5.1神威·太湖之光1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，这是中国高速计算机研制的一个重要里程碑。1992年，国防科技大学研究出银河-II通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算，为共享主存储器的四处理机向量机，其向量中央处理机是采用中小规模集成电路自行设计的，总体上达到80年代中后期国际先进水平。它主要用于天气预报。2016年我国发布的神威·太湖之光超级计算机是第一台全部采用中国处理器构建的当时运算速度世界第一的超级计算机。2020年6月，神威·太湖之光首次实现千万核超大规模并行计算，成为我国高性能计算发展史上