大学计算机基础第1章计算机系统概述与社会信息化.ppt

1、1/70,公共计算机教学与研究中心,大学计算机基础,曹成志,2/70,课程介绍,非计算机专业本科学生必修课，4学分 理论讲授14周，共计14*4=56学时 实验16学时，共计8次实验课，实验内容参看大学计算机基础实验指导与自测参考书,3/70,成绩：百分制，其中 课堂出勤及作业10分 上机实验10分 期末考试80分 期末考试形式：在计算机中答题，题型为填空、单选和多选题三种。 考试时间：预计第十六周,课程介绍,4/70,课程内容,计算机与社会信息化 微型计算机及常用软件 操作系统基础知识 计算机网络基础 信息安全与社会责任 算法与数据结构基础 数据库技术基础 多媒体技术基础 程序设计基础,5/

2、70,计算机的发展历程、分类及应用；,信息技术概述；,计算机硬件组成及各主要部件的功能；,计算机系统组成；,计算机软件分类；,计算机工作原理及主要技术指标；,数制及其转换；,文字信息编码。,本章主要内容,数值型数据的存储；,计算机的算术与逻辑运算；,6/70,一种可以接受输入、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,7/70,计算机的发展,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

3、，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 。,8/70,1946年2月诞生于美国宾州大学，电子数值积分计算机，ENIACElectronic Numerical Integrator And Calculator）。,第一台计算机的诞生,5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW,ENIAC存在明显缺点： 是存储容量很小； 是采用外接线路连接的方法设计计算程序。

4、,9/70,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，又有简单的运算规则。,1948年8月，著名美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出EDVAC (electronic Discrete Variable Automatic Computer,离散变量自动电子计算机)计算机方案。,冯诺依曼计算机方案：,计算机基本结构：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,10/70,计算机发展的4个阶段,一代： 电子管计算机,二代： 晶体管计算机,三代：中小规模集成电路计算机,四代：大规模、超大规模集成电路计算机,19461958 体积大; 运算速度慢(1万次/秒)； 电

5、子管存储容量(2KB)小； 程序设计为机器语言。,19581964 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。,19641970 小规模集成电路、半导体存储器、磁盘，内存储器容量8MB256MB； 运算速度110亿次/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、磁带、光盘和微处理器，内存储器容量可达256MB4096MB； 运算速度已经达到10亿次以上/秒； 软件增加专家系统、面向对象开发工具和支撑环境等。,11/70, 计算机网络技术更加完

6、善,计算机的发展趋势,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。, 人工智能进一步发展,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。,将由磁、光或DNA来制造，即所谓磁计算机、光子计算机、生物计算机和量子计算机。, 未来新型计算机,12/70,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。预计其性能将比目前微处理器性能提高4万倍。,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

7、料，具有巨大的存储能力；信息以波的形式传输。,生物计算机,是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,13/70,计算机分类,按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多项性能指标划分为：高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器和嵌入式计算机等。, 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。目前，高性能计算机的运算速度可达到35万亿次/秒，峰值运算速度可达到40万亿次/秒。,计算机分类及应用,14/70,介于微机与小型机之间的高档微机系统，配有高速运算处理部件；有很大虚拟存储空间；人机交互图形接口和网络通信接口,有功能齐全的软件；

8、可达20个CPU。, 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（PCPersonal Computer）。,15/70,高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等。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,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。,16/70,计算机的主要应用,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

9、算，虽然数据量大，但计算方法简单。,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,又称实时控制，是指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。, 过程控制,17/70,包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助教学（CAI）等。, 计算机辅助系统,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。,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。,CAM用计算机代替人控

10、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。,18/70,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。, 人工智能,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：是模拟专家智能的一类软件。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（含符号和图像）识别和语言识别，给机器人装备视觉器官和听觉器官。如：指纹识别。,19/70,又称假想现实

11、，是指“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。,信息高速公路（Information Super-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。 。, 信息高速公路, 虚拟现实,多媒体计算机集声音、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,20/70,信息技术概述,信息技术以计算机技术、通信技术和控制技术为核心,客观存在事物及其运动状态的

12、表征。, 信息,信息的载体，是信息的具体表示形式。,数据,听课,21/70,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。,从中提炼出有价值的信息。,22/70, 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

13、、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。,23/70,高速度、网络化,多媒体化,多学科结合,智能化,信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。,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,信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。,24/70,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,

14、外设,中央处理器(cpu),ROM,RAM,系统软件,输入设备,硬磁盘,软磁盘,光盘,键盘,鼠标,显示器,打印机,绘图仪,计算机系统组成,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,25/70,计算机硬件系统组成,计算机硬件（Hardware）：是指计算机系统中看得见、摸得着的物理实体。硬件系统的基本功能是执行计算机指令系统中的各种指令。,内存储器和中央处理器构成主机。 在计算机硬件系统中不属于主机的设备都是外部设备，简称外设。 主机和外设合在一起构成计算机硬件系统。 通常将一个仅由硬

15、件组成的计算机称为裸机。,26/70,计算机硬件组织结构由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5大部件组成。,27/70,输入数据或程序,1,2,3,1,执行运算指令,2,3,4,5,6,1,输出设备,2,3,4,6,5,4,各部件运行状态,控制流,数据流,28/70,中央处理器, 运算器,中央处理器是计算机硬件系统的核心，计算机的主要性能取决于CPU。,计算机用来进行算术、逻辑运算的部件。,算术逻辑运算单元ALU,寄存器组,内部总线,运算器,算术逻辑运算单元ALU：执行算术和逻辑运算的装置，其核心是加法器。,内部总线：中央处理器内部信息传送的公共通道。,寄存器组：用于暂存参加运算的操作数和

16、中间结果。,29/70,是整个计算机的神经中枢，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。,控制器的功能：, 控制器,程序计数器(PC),指令译码器(ID),指令寄存器(IR),控制器,时序控制电路,微操作 控制电路,取指令：控制器生成指令地址，发出取指令信号，从存储器中取出指令暂存在指令寄存器中。,分析指令：由指令译码器分析指令的操作要求，将指令分解成一系列微操作。,执行指令：执行一系列微操作命令，使各部件完成相应的动作。,中断处理：用于处理非预期事件。,30/70,存储器是用于存储程

17、序和数据的部件。,存储器基本操作：,读操作,写操作,存储器,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。,在计算机内部，程序中的指令和数据都以二进制代码形式存储。存储器的基本功能就是存储二进制形式的各种信息。,31/70,字节（Byte）：在计算机中以字节为单位存储信息,一个字节由8位二进制数组成，简写成大写B。,存储容量单位：,存储器,比特(bit)：1位二进制数为1个比特，简写成小写b。,字长：CPU一次能处理的二进制数的位数。,位(bit),字长,字节Byte (8位),32/70,KB(千字节) MB(兆字节) GB(千兆字节)。,其它常用

18、单位：,1B8b,1GB1024MB,1MB1024KB,1KB1024B,换算关系：,=210B,=220 B,=230 B,33/70,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, 主存储器（内存）, 辅助（外）存储设备,内存包含随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。,34/70,只读存储器（Readonly Memory, ROM）:只读存储器在出厂时已写入含有系统初始化程序、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。系统断电掉电后信息不丢失。, 主存储器（内存）,随机

19、存储器（Random Access Memory, RAM）:保存正在执行的程序和数据，它由记忆元件和电子线路构成，是临时存储区域，系统断电后信息丢失,35/70,软盘存储器, 辅助存储器（外存）,36/70, 硬盘存储器,正面,背面,打开,磁头,电源口,信息口,37/70,输入输出设备,输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。, 输入设备,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。,38/70, 输出设备,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。,39/70,系统软

20、件和应用软件。,计算机软件分类, 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,Int x,y,z； Scanf(“%d%d”, If(xy) z=x； Else z=y；,+,40/70,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。,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。为应用软件提供运行平台，为开发应用系统提供工具。, 操作系统(OS),DOS,硬件,41/70,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、

21、汇编语言和高级语言。如C语言、VB和VC等。, 语言处理系统, 数据库管理系统, 服务程序,完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。,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。,42/70,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。,43/70,计算机工作原理及主要技术指标,计算机工作过程是执行程序的过程。程序为一系列指令的有序集合。,计算机的指令系统,指

22、令是使计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机能识别并执行的二进制代码。,所有指令集合称为该计算机的指令系统。,操作码,操作数,指令要完成的操作功能及其特性。,操作对象或其所在的内存单元地址。,10111000 00001000 00000000；将8存入累加器A中 10111000 00000111 00000000；7与A中内容相加,存于A,如，计算A=8+7,Int x,y,z； Scanf(“%d%d”, If(xy) z=x； Else z=y；,44/70,执行指令两个阶段：, 取指周期, 执行周期,将要执行的指令从内存中取出送入CPU。,由CPU对指令进行分析译码，判断指令要完成

23、的操作，向各部件发出控制信号，完成指令。,两种信息流：, 数据流, 控制流,指原始数据、中间数据、结果数据和源程序等。,由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令 。,计算机的工作过程,45/70,计算机主要技术指标,主 频,运算速度,存储容量,存储周期,计算机中CPU的时钟频率，单位是兆赫兹（MHz）。主频与CPU运算速度相关。,每秒执行加法指令次数，单位是百万次/秒(MIPS) 。,包括主存容量和辅存容量,主要指主存储器容量。,存储器进行一次完整的存取操作所需时间。,字 长,指CPU一次能处理二进制数的位数。字长总是8的整数倍。,46/70,数制及其转换,现行计算机系统采用二进制

24、。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。,47/70,十进制数的基数是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,3102010111006101810271036104,如：301.6876,=,将此式称为按权展开表达式。,48/70,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

25、的个数。,= an-1Rn-1+an-2Rn-2+a1R1+a0+a-1R-1+a-2R-2+ +a-mR-m,数值的按权展开 :(an-1an-2a1a0 .a-1a-2a-m), R进制计数制,49/70,常用进制数的表示,50/70,(101.11)B,如：(8323.68)D,(E3.F)H,(756.7)O,=8103+3102+2101+3100+610-1+810-2,= 122 +021+120121122,= 782 +581+680781,= 14161 +3160 +15161,进位计数制的共同特点是： 每一种数制都有固定的基本符号（数码）； 处于不同位置的数码所代表的值

26、不同，与它所在位置的“权”值有关。,51/70,方法：用权展开法将任意进制数转换成十进制数。, R进制数转换为十进制数,(301.6875)D,【例1】将二进制数转换为十进制数。,(13.6875)D,(1101.1011)B,123122021120121022 +,123124,【例2】将八进制数转换为十进制数。,48258158058-148-2,(455.54)O,(301.6875)D,2564050.6250.0625,【例3 】将十六进制数转换为十进制数。,(12D.B)H,116221611316011161,思考：,由n个1组成的二进制数对应的十进制数是多少？,各进制间数据的

27、转换,52/70,2|,2|, 十进制数转换为R进制数,将整数与小数两部分分别转换，然后将结果用小数点连接起来。,整数部分转换方法：采用“除R取余法”。,【例】将(301)D 转换成二进制数:,2| 301,1501,余数,750,371,2|,181,2|,90,2|,41,2|,20,2|,10,2|,01,最低位,最高位,(100101101)B,整数商,53/70,小数部分转换方法：采用“乘R取整法”。,【例 】将(0.6876)D 转换成二进制数(保留小数点后4位)。,纯小数,0.68762,1.3752,0.37522,0.7504,0.75042,1.5008,0.50082,1

28、.0016,最高位,最低位,（301.6876）D (100101101.1011)B,(0.1011)B,乘 积,计算到第5位,0.00162,0.0032,注：任何十进制整数都能精确地转换成R进制数；某些十进制小数不能精确地转换成R进制数。,54/70, 二进制、八进制、十六进制数间的相互转换,二进制、八进制和十六进制之间：8123、16124，即一位八进制数对应3位二进制数;一位十六进制数对应4位二进制数。,55/70,【例1】将二进制数100101101.1011转换成十六进制数,（0001 0010 1101.1011 ）B,D,2,1,B,（12D.B4）H,【例2】将二进制数10

29、0101101.1011转换成八进制数,（100 101 101.101 100）B,5,5,4,5,4,（455.54）O,【例3】将八（十六）进制数转换成二进制数,（ ）B,（2C1D.A1）H,0001,0010,1100,0001,1101,.,1010,（7123.14）O,（ ）B,111,001,010,011,.,001,100,56/70,机器数的概念,将机器内存储的带符号数称为机器数， 而由正、负号加绝对值表示的实际数称为真值数。,计算机内部信息只有0和1两种形式。规定最高位为符号位，用0表示“”号；用1表示“”号，称为数符，其余位表示数值。,如：十进制数193的机器数表示

30、：,（193）D （11000001）B,数符,1,数值部分,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,思考题：用一个字节，分别表示无符号数和有符号数，各自的最大和最小十进制数是多少？,数值型数据的存储,57/70,机器内部小数点是隐含的，位置可以固定，也可以可变动。前者称为定点数，后者称为浮点数。,定点整数,定点小数,小数点位置固定在数值最低位后面，表示整数。,小数点位置定在数值最高位前面,表示纯小数,（193）D （11000001）B,数符,0,数值部分,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,小数点位置,数符,1,数值部分,1,0,1,1,0,0,

31、0,0,0,0,0,小数点位置,(0.6875)D =(0.1011)B,0,0,0,0,定点数表示方法,58/70,当用M位二进制数存储数据时，, 定点数范围和精度,定点整数N的取值范围是:-（2M-1-1）N（2M-1-1）,定点小数N的取值范围是:-(1-2-（M-1）)N(1-2-(M-1),例:计算机内用2个字节（16位二进制数）,能够存储定点小数N的范围是：,能够存储定点整数N的范围是：,-（215-1）N（215-1），即 -32767N32767；,-（1-2-15）N（1-2-15）， 即-0.999969482421875N0.999969482421875。,59/70,

32、任何R进制数都可以表示成：NSR j,阶码,尾数,数符,阶符,如：十进制数 356.21,0.35621103,二进制数 0.0011001,0.110011010,1100110111,35621102,浮点数存放形式,阶符,阶码,数符,尾数,(110.11)B =(0.1101110+11)B,0,11,1,11011,浮点数表示方法,规范化形式规定：尾数值的最高位为1。,1.10011011,60/70,要考虑机器字长。,原码,补码,反码,最高位存放数的符号（0为正,1为负）,数值部分以二进制形式表示。,如：X=+1010011,【X】原0101 0011,Y=-1010011,【Y】原

33、1101 0011,正数的反码是原码本身；负数的反码为对原码按位（除符号位外）取反，即0变1，1变0。,【X】反0101 0011,【Y】反1010 1100,正数的补码表示与原码相同；负数的补码等于其相应反码加1（在最低位加1）。,【X】补0101 0011,【Y】补1010 1101,原码、反码和补码,61/70,(1010)B+(1101)B,=(10111)B,(1101)B-(1010)B,=(11)B,(1101)B(1010)B,=(10000010)B,(10111)B(11)B,=(111)B, 补码运算规则,两个n位二进制数之和（差）的补码等于这两个数的补码之和（差）,即：

34、XY 补=X 补Y 补 。,计算机的算术与逻辑运算,二进制算术运算,补码运算,例:用补码进行加法运算：(+20)+(-10)=(+10)。,0001 0100,+20 补,+,1111 0110,-10 补,10000 1010,进位，自然丢掉,+10 补,62/70, 通过补码加法实现减法运算,设两个带符号数分别为X和Y，X-Y=X+（-Y） X-Y 补=（X+-Y ）补=X 补+-Y 补,进位，自然丢掉,例:设X=-20，Y=15，用加法进行X-Y运算。,X 补=11101100,Y 补=00001111,-Y 补=11110001,1110 1100,-20 补,+,-35 补,-15

35、补,1111 0001,11101 1101,63/70,逻辑值用于判断某个条件成立与否，成立为1(真)，反之为0(假)。,逻辑与运算,逻辑或运算,逻辑非运算,用“”、“”或“and”表示,用“+”、“”或“or”表示,用“-” 或“not”表示,逻辑运算,64/70,采用ASC码。即美国信息交换标准字符码。用7位二进制数表示一个字符编码，用8位二进制存储，最高位为“0”。,文字信息编码形式,西文字符编码,注意：表中从09、AZ、az都是顺序排列的，且同一字母的小写比大写码值大32。,65/70,中文字符编码,输入码,国标码,汉字内码,字型码,指使用键盘输入汉字时的编码，也称外码。方法有区位码、 拼音和字形等。,国家标准GB23l2-80定义的信息交换用汉字基本字符集规定了7 445个字符编码，其中有6 763个汉字和6