大学计算机基础 课件-WPS 第1章 计算机基础知识

第1章

计算机基础知识授课教师：授课日期：第1章计算机基础知识电子计算机的发明是20世纪最重大的事件之一，它使得人类文明的进步达到了一个全新的高度，它的出现大大推动了科学技术的发展，同时也让人类社会出现了日新月异的变化。如果说蒸汽机的发明标志着机器代替人类体力劳动的开始，那么计算机的发明和应用则开创了解放脑力劳动的新时代。本章介绍认识计算机、计算机进制与信息编码、计算机系统组成、计算机的维护与安全等内容。目录1.1认识计算机1.2计算机进制与信息编码 1.3计算机系统组成1.4计算机的维护与安全目录1.1认识计算机 1.1.1计算机的发展历史 1.1.2计算机的特点 1.1.3计算机的分类 1.1.4计算机的应用 1.1认识计算机计算技术发展的历史是人类文明史的一个缩影。在远古时代，人们采用石块、贝壳进行简单的计数，唐代发明了算盘进行计算，欧洲中世纪发明了加法计算器、分析机等，直到今天的电子计算机，这些发明记录了人类计算工具的发展史。因此，计算机是人类计算技术的继承和发展，是现代人类社会中不可缺少的基本工具。现代计算机是一种按程序自动进行信息处理的通用工具，它的处理对象是信息，处理结果也是信息。1.1.1

计算机的发展历史1.计算机的诞生第二次世界大战爆发带来了强大的计算需求。美国宾夕法尼亚大学电子工程系的教授莫奇利（JohnMauchly）和他的研究生埃克特（JohnPresperEckert）计划采用真空管建造一台通用电子计算机，帮助军方计算弹道轨迹。1943年这个计划被军方采纳，莫奇利和埃克特开始研制电子数字积分计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，ENIAC），并于1946年研制成功，如图1-1所示。图1-1第一台电子数字积分计算机2.计算机的发展第一代：电子管计算机（1946-1957年）1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC在费城公之于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，拥有并行计算能力。ENIAC使用了18000个电子管、70000个电阻器，有500万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度比MarkI快1000倍，它是第一台普通用途计算机。与此同时，美国数学家冯·诺依曼提出了现代计算机的基本原理-存储程序控制原理。当今的计算机仍属于冯·诺依曼架构。第二代：晶体管计算机（1958-1964年）1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器推动了第二代计算机的产生。第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。在这一时期出现了高级语言COBOL和FORTRAN，以单词、语句和数学公式代替了含混的二进制机器码，使计算机编程更容易。新的职业（如程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。图1-2所示是世界上第一台晶体管计算机。图1-2第一台晶体管计算机第三代：中小规模集成电路计算机（1965-1970年）虽然晶体管相比于电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，会损害计算机内部的敏感部分。1958年，冯·诺依曼（1903-1957年）德州仪器的工程师JackKilby发明了集成电路（IntegratedCircuit，IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上；于是，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。第四代：大规模、超大规模集成电路计算机（1971年至今）出现集成电路以后，扩大规模成为唯一的发展方向。大规模集成电路（Large-ScaleIntegration，LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。到20世纪80年代，超大规模集成电路（Very-Large-ScaleIntegration，VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的ULSI将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件，使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。图1-3所示是大规模集成电路计算机。图1-3大规模集成电路计算机1.1.2计算机的特点运算速度快计算精度高存储容量大具有逻辑判断功能自动化程度高，通用性强可靠性高1.1.3计算机的分类1.按照计算机工作原理分类按照计算机工作原理可划分为模拟式电子计算机、数字式电子计算机和混合式电子计算机。2.按照计算机应用特点分类可划分为通用计算机和专用计算机。3.按照计算机性能分类可划分为巨型机、大型机、小型机、微型机、服务器和工作站。1.1.4计算机的应用科学计算数据处理实时控制计算机辅助系统网络应用人工智能生活、工作目录1.2计算机进制与信息编码 1.2.1进位计数制 1.2.2数制间转换 1.2.3计算机中字符数据表示1.2计算机进制与信息编码信息是丰富多彩的，有数值、文字、声音、图形、图像、视频等，但是计算机本质上只能处理二进制的“0”和“1”，因此，必须将各种信息转换成计算机能够接收和处理的二进制数据。这种转换往往由外部设备和计算机自动进行。进入计算机中的各种数据都要转换成二进制数存储，计算机才能进行运算和处理。同样，从计算机中输出的数据也要进行逆向转换。1.2.1进位计数制1.进位计数制的定义用数字符号排列，由低位向高位进位计数的方法称做进位计数制。一种进位计数制包含一组数码符号和两个基本因素：数码、基数和位权。（1）数码是一组用来表示某种数制的符号。（2）基数是数制所使用的数码个数，用R表示，称R进制。进位规律是“逢R进一”，如十进制的基数是10，则“逢十进一”。（3）位权是数码在不同位置上的权值。对于任意一个具有n位整数和m位小数的R进制数N，按各位的权展开可表示为：所谓位权，就是某个数字在某一个固定位置上所代表的值，处在不同的位置所代表的值也是不同的。计算机中常用的进位计数制表示如表1-1所示，常用数制的对应关系如表1-2所示。1.2.2数制间转换1.二、八、十六进制转换成十进制将一个非十进制数转换成十进制数，把非十进制数按权展开、相加即得十进制数。（1）将二进制数11001.01转换成十进制数。（2）将八进制数15.8转换成十进制数。（3）将十六进制数3BC.6转换成十进制数。2.十进制转换成二、八、十六进制将十进制数转换成二进制数：整数部分和小数部分分别转换，然后再合并。整数部分：“除以2取余，结果逆序输出”，小数部分，“乘以2取整，结果顺序输出”。将

转换为二进制数，步骤如下：整数部分：除以2取余，结果逆序输出小数部分：乘以2取整，结果顺序输出3.二进制与八进制之间的转换二进制数转换成八进制数的方法：从小数点起，小数点左边整数部分，从右向左每3位一组依次划分，不足3位的整数部分左补0。小数点右边小数部分，从左向右每3位一组依次划分，不足3位的小数部分右补0。然后计算每一组的等值八进制数，顺序排列起来就得到所要求的八进制数。同理，将八进制数转换成二进制数，只需将每一位八进制数用3位二进制数表示即可。4.二进制与十六进制之间的转换二进制数转换成十六进制数的方法：从小数点起，小数点左边整数部分，从右向左每4位一组依次划分，不足4位的整数部分左补0。小数点右边小数部分，从左向右每4位一组依次划分，不足4位的小数部分右补0。然后计算每一组的等值十六进制数，顺序排列起来就得到所要求的十六进制数。同理，将十六进制数转换成二进制数，只需将每一位十六进制数用4位二进制数表示即可。1.2.3计算机中字符数据表示1.英文字符的ASCII编码计算机除了用于数值计算外，还要处理大量的非数值数据，其中文本字符数据占有很大比重。字符数据包括西文字符（字母、数字和各种符号）和汉字字符，它们也需进行二进制编码后，才能存储在计算机中并进行处理。每个字符对应一个唯一的二进制数，这个二进制数称为“字符编码”。对于西文字符与汉字字符，由于形式的不同，使用的编码方式也不同。在计算机发展过程中，出现了多种字符编码，美国标准信息交换码（Americanstandardcodeforinformationinterchange，ASCII）是目前使用得最为广泛的字符编码。1967年，这一编码被国际标准化组织（InternationalStandardOrganization，ISO）确定为国际标准字符编码。ASCII编码如表1-3所示。ASCII编码使用7位二进制数对1个字符进行编码，共计可以表示128个字符的编码。最后一个字符是del（127号），是个控制字符，显示不出来的。由于计算机存储器的基本单位是字节，因此，以1个字节来存放1个ASCII码字符编码，每个字节的最高位为0。（1）国标码，1981年，我国颁布了用于信息处理的汉字国家标准--《中华人民共和国国家标准（GB2312-80）通讯用汉字字符集·基本集》，该标准常称为GB2312-80汉字编码标准，简称为汉字国标，它是汉字交换码的国家标准，所以又称“国标码”。该标准收入了6763个常用汉字（其中一级常用汉字3755个，二级不常用汉字3008个），以及英、俄、日文字母与其符号682个，共有7445个符号。任何汉字编码都必须包括该标准规定的这两级汉字。此外，GBK码是新的国标码，是扩展的汉字国家标准（GB30001-94.1），该标准简称为GBK国标。GBK码除包含了GB2312码外，还收录了其他20982个汉字，因此，现在国标码是指GBK码。国标码规定，每个字符由一个2字节代码组成。每个字节的最高位恒为“0”，其余7位用于组成各种不同的码值，如表1-6所示。目录1.3计算机系统组成 1.3.1计算机硬件系统1.3.2计算机的软件系统 1.3.3微型计算机的硬件系统1.3.4微型计算机的软件系统 1.3计算机系统组成一个完整的计算机系统是由硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统两部分组成的。硬件是指客观存在的物理实体，是构成计算机看得见、摸得着的物理元件的总称。软件是指运行在计算机硬件上的程序、运行程序所需的数据和相关文档的总称。硬件是软件发挥作用的舞台和物质基础，软件是使计算机系统发挥强大功能的灵魂，两者相辅相成，缺一不可。一般将没有安装软件的计算机称为“裸机”。计算机系统的各种功能都是由硬件与软件共同完成的。1.3.1计算机硬件系统以“存储程序”原理为基础的冯·诺依曼结构计算机，一般由5大功能部件组成——运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，运算器和控制器集成在一起称为中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）。计算机的各个部件是通过总线相连的。图1-5计算机的硬件系统结构1.控制器控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和控制电路组成，控制器是用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行，是计算机的指挥中心。它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据各类指令的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。2.运算器运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）。是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算指各种数值运算，包括加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，包括与、或、非、比较、移位等。运算器在控制器的控制下实现其功能，运算结果由控制器指挥送到内存储器中。通常把运算器和控制器集成在一起，合称为中央处理单元（CentralProcessingU-nit，CPU），又称为中央处理器。3.存储器存储器具有记忆功能，它的主要功能是用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。存储器分为内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）两大类。内存也称主存储器（简称主存），它直接与CPU相连接，存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。外存又称辅助存储器（简称辅存），它是内存的扩充。外存存储容量大，价格低，但存储速度较慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果，需要时，可成批地和内存储器进行信息交换。外存不能和CPU直接交换信息，必须通过内存来实现外存和CPU之间的信息交换，不能被计算机系统的其它部件直接访问。4.输入设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序的设备，它是重要的人机接口。它的主要功能是负责将输入的程序和数据转换成计算机能识别的二进制数存放到内存中。5.输出设备输出设备是用于将存放在内存中的数据输出的设备。它的主要功能是负责将计算机处理后的结果转变为人们所能接受的形式并通过显示、打印等方式输出。通常将输入设备和输出设备合称为输入/输出设备，简称I/O（Input/Output）设备。1.3.2计算机的软件系统计算机软件系统可分为系统教件和应用软件两大类，系统软件处于硬件和应用软件之间，具有计算机各种应用所需的通用功能，是支持应用软件的平台，而应用软件则是用户为解决实际问题开发的专门程序，如财务管理软件包、统计软件包等。1.系统软件系统软件是在计算机系统中直接服务干计算机系统的由计算机厂商或专业软件开发商提供的，给用户使用的操作系统环境和控制计算机系统按照操作系统要求运行的软件，它包括操作系统、语言处理程序、编译和连接程序、数据库系统、服务程序等。2.应用软件应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决实际问题而设计的计算机程序，是指除系统软件外的所有软件，是由各种应用软件包和各种应用程序组成。由于计算机已渗透到各个领域，因此，按其服务对象的不同，可以分为通用软件和专用软件。（1）通用软件：是为解决某一类问题而开发的，这类问题是大多数用户都会遇到和使用的。如：办公软件MSOffice、绘图软件AutoCAD、图像处理软件Photoshop等。（2）专用软件：是针对特殊用户的要求而设计的软件。如银行的金融处理系统、交通信号灯的自动控制系统等。1.3.3微型计算机的硬件系统微型计算机是计算机的一种，主要包括个人台式计算机（PC）和笔记本计算机等。微机系统的硬件资源是指计算机系统中看得见、摸得着的物理装置，即电子器件、机械装置等设备。微型计算机中个人台式计算机的硬件构成如图1-7所示。图1-7计算机硬件主要组成部分微型计算机一般由主机和外部设备两部分组成。主机外部向用户提供了必需的设备：指示灯、按钮与开关、I/O插座、插槽（插入U盘、光盘）等。主机内有主板、中央处理器、内存储器、显卡、声卡、网卡、外部存储器（磁盘驱动器、光盘驱动器）等。外部设备有键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、外置刻录机、摄像头、数码相机、绘图仪、U盘等。1.主板主板是微机硬件系统中最大的一块电路板，如图1-8所示。主板上布满了各种电子元件、插槽和接口，为各种存储设备、输入设备、输出设备、多媒体设备、通信设备提供接口。图1-8计算机主板主板将CPU、内存、显卡、网卡、声卡、键盘、鼠标等各种部件有机结合组成一个完整的系统，各部件通过主板三总线（地址总线、数据总线、控制总线）进行传输，有序协调地工作。主板是微机系统中重要的交通枢纽，主板的稳定性直接影响整个微机系统工作时的稳定性，主板的类型直接决定微机系统的类型。2.中央处理器微型计算机的中央处理器（CPU）习惯上称为微处理器（Microprocessor），安装在主板的CPU插槽中，是微型计算机的核心。CPU主要由控制器和运算器两大部件组成，它是整个微机系统的运算和控制中心。CPU运算器的性能指标是衡量微机系统性能的主要因素，主要包括运算速度和计算机的字长。3.内存储器目前，微型计算机的内存储器由半导体器件构成。内存储器按功能可分为两种：只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）和随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）。ROM的特点是：存储的信息只能读出（取出），不能改写（存入），断电后信息不会丢失；一般用来存放专用的或固定的程序和数据。RAM的特点是：可以读出，也可以改写，又称读写存储器；读取时不损坏原有存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容；断电后，存储的内容立即消失。内存通常是按字节为单位编址的，一个字节由8个二进制位组成。一般微机硬件中所配置的内存就是指的RAM，目前常用容量有2GB、4GB、8GB、16GB甚至更多。如图1-9所示是常见的内存条。图1-9计算机内存条4.外存储器外存储器主要可分为硬磁盘存储器、光盘存储器和移动存储设备等几类。（1）硬磁盘存储器硬磁盘存储器简称硬盘（HardDisk），由涂有磁性材料的合金圆盘组成，是微机系统的主要外存储器。硬盘按盘径大小可分为3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸等。目前大多数微机上使用的硬盘是3.5英寸的。硬盘有一个重要的性能指标是存取速度。影响存取速度的因素有平均寻道时间、数据传输率、盘片的旋转速度和缓冲存储器容量等。一般来说，转速越高的硬盘寻道的时间越短，数据传输率也越高。一个硬盘一般由多个盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，硬盘在使用时，要将盘片格式化成若干个磁道（称为柱面），每个磁道再划分为若干个扇区。硬盘内部示意图如图1-10所示。图1-10硬盘内部结构硬盘的存储容量计算：存储容量＝磁头数x柱面数x扇区数x每扇区字节数（512B）现在常见硬盘的存储容量有500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB等，不同存储容量的硬盘外观如图1-11所示。图1-11不同存储容量的硬盘（2）光盘存储器光盘（OpticalDisk）存储器是一种利用激光技术存储信息的装置，如图1-12所示。目前用于计算机系统的光盘有三类；只读型光盘，一次写入型光盘和可抹型（可擦写）光盘。图1-12光盘（3）移动存储设备移动存储是指强调便携型的外存储设备，常见的有U盘、移动硬盘等。（4）其他外部存储设备除了上面介绍的较为常见的外存储设备之外，外存储设备家族还包括：已经逐渐被取代和淘汰的软盘、磁带存储；在笔记本和移动设备中使用的固态硬盘（SolidStateDisk，SSD）；以及在数码产品中广泛使用的各类存储卡，如SD（SecureDigital）、TF（TransFlash）、CF（CompactFlash）等。5.其他硬件设备（1）显卡显卡承担处理显示信息并正确输出的任务，将计算机系统所需显示的信息进行转换驱动，向显示器提供信号，并控制显示器的正确显示。显卡是连接显示器和微机主板的功能部件，是实现“人机对话”功能的重要设备。目前显卡大致分为三类：独立显卡、集成显卡和核芯显卡，显卡的性能直接决定显示效果和计算机处理图形的能力，图1-13所示是显卡外观图。图1-13

显卡外观图（2）声卡声卡是微机系统实现多媒体功能的基本硬件设备，主要功能是进行声波／数字信号之间的相互转换。声卡分为模数转换电路和数模转换电路两部分，模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采集到的模拟声音信号转换为计算机能处理的数字信号；而数模转换电路负责将计算机使用的数字声音信号转换为喇叭等功放设备能使用的模拟信号。图1-14所示是声卡外观图。图1-14

声卡外观图（3）网卡网卡是微机在计算机网络中进行通信所需的硬件设备，它是微机通过传输介质（网线、光纤等）与网络相互连接的接口。根据不同的传输介质，网卡可分为有线网卡和无线网卡两种。传输速度是网卡的主要性能指标。（4）基本输入设备1）键盘。键盘（Keyboard）是用户与计算机进行交流的主要工具，是计算机最重要的输入设备，也是微型计算机必不可少的外部设备。2）鼠标。鼠标（Mouse）又称为鼠标器，也是微机上的一种常用的输入设备，是控制显示屏上光标移动位置的一种指点式设备。在软件支持下，通过单击鼠标器的键，向计算机发出输入命令，或完成某种特殊的操作。3）扫描仪。扫描仪是一种常用的纸面输入设备，它可以迅速地将图形、图像、照片、文本等从外部环境输入到计算机，进行编辑、加工处理。（5）基本输出设备1）显示器。显示器（Monitor）是微型计算机不可缺少的输出设备。用户可以通过显示器方便地观察输入和输出的信息。2）打印机。打印机（Printer）是计算机产生硬拷贝输出的一种设备，提供用户保存计算机处理的结果。打印机的种类很多，按工作原理可粗分为击打式打印机和非击打式打印机。目前微机系统中常用的针式打印机（又称点阵打印机）属于击打式打印机；喷墨打印机和激光打印机属于非击打式打印机。1.3.4微型计算机的软件系统软件系统是为运行、管理、维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。软件是计算机系统必不可少的组成部分，是用户与硬件之间的接口，用户通过软件管理、控制计算机硬件资源。微型计算机的软件系统分为系统软件和应用软件两类。系统软件一般包括操作系统、语言编译程序、数据库管理系统。应用软件是指计算机用户为某一特定应用而开发的软件，如文字处理软件、表格处理软件、绘图软件、财务软件、过程控制软件等。下面简单介绍微机软件的基本配置。1.操作系统操作系统（OperatingSystem，OS）是最基本、最重要的系统软件。它负责管理计算机系统的全部软件资源和硬件资源，合理地组织计算机各部分协调工作，为用户提供操作和编程界面。（1）单用户操作系统计算机系统在单用户单任务操作系统的控制下，只能串行地执行用户程序，个人独占计算机的全部资源，CPU运行效率低。DOS操作系统属于单用户单任务操作系统。（2）批处理操作系统批处理操作系统是以作业为处理对象，连续处理在计算机系统运行的作业流。这类操作系统的特点是：作业的运行完全由系统自动控制，系统的吞吐量大，资源的利用率高。（3）分时操作系统分时操作系统使多个用户同时在各自的终端上联机地使用同一台计算机，CPU按优先级分配各个终端的时间片，轮流为各个终端服务，对用户而言，有“独占”这一台计算机的感觉。分时操作系统侧重于及时性和交互性，使用户的请求尽量能在较短的时间内得到响应。常用的分时操作系统有UNIX、VMS等。（4）实时操作系统实时操作系统是对随机发生的外部事件在限定时间范围内做出响应并对其进行处理的系统。外部事件一般指来自与计算机系统相联系的设备的服务要求和数据采集。实时操作系统广泛用于工业生产过程的控制和事务数据处理中。常用的系统有RDOS等。（5）网络操作系统为计算机网络配置的操作系统称为网络操作系统，它负责网络管理、网络通信、资源共享和系统安全等工作。常用的网络操作系统有NetWarc、Windows、UNIX、Linux。微软的网络操作系统主要有：WindowsNT4.0Server、Windows2000Server／AdvanceServer、Windows2003Server／AdvanceServer、WindowsServer2008以及最新的WindowsServer2012。（6）分布式操作系统分布式操作系统是用于分布式计算机系统的操作系统。分布式计算机系统是由多个并行工作的处理机组成的系统，提供高度的并行性和有效的同步算法及通信机制，自动实行全系统范围的任务分配并自动调节各处理机的工作负载。如MDS、CDCS等。2.语言编译程序人和计算机交流信息使用的语言称为计算机语言或程序设计语言。计算机语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。（1）机器语言机器语言（MachineLanguage）是一种用二进制代码“0”和“1”形式表示的，能被计算机直接识别和执行的语言。用机器语言编写的程序，称为计算机机器语言程序。它是一种低级语言，不便于记忆、阅读和书写。通常不用机器语言直接编写程序。（2）汇编语言汇编语言（AssembleLanguage）是一种用助记符表示的面向机器的程序设计语言。汇编语言的每条指令对应一条机器语言代码，不同类型的计算机系统一般有不同的汇编语言。用汇编语言编制的程序称为汇编语言程序，机器不能直接识别和执行，必须由“汇编程序”（或汇编系统）翻译成机器语言程序才能运行。这种“汇编程序”就是汇编语言的翻译程序。汇编语言适用于编写直接控制机器操作的低层程序，它与机