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计算机基础知识概述,学习目标,了解计算机的发展与应用 掌握计算机硬件系统和软件系统的组成 掌握计算机的工作原理 掌握衡量计算机性能的主要指标 掌握计算机的工作理,主要内容,计算机的发展与应用,计算机系统的基本组成,衡量计算机性能的主要指标,1. 第一台计算机的诞生 世界上第一台数字式电子计算机是由美国宾夕法尼亚大学的物理学家约翰莫克利（John Mauchly）和工程师普雷斯伯埃克特（J-Presper Eckert）领导的科研小组于1943年开始研制并于1946年完成，取名为ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）。,5000次加法/秒体重30吨占地170m217468只电子管6000个继电器功率174KW,第一台电子计算机（ENIAC）,世界上第一台程序存储式计算EDSAC由英国剑桥大学的莫利斯威尔克于1949年研制成功，它标志着计算机时代的真正开始。,第一台程序存储式计算机,冯.诺伊曼（Von Neumann）第一台程序存储计算机 EDSAC 1949,2. 计算机的分代,第一代（1946-1959）电子管5千-4万（次/秒）,第二代（1960-1963）晶体管几十万-百万（次/秒）,第三代（1964-1970）集成电路百万-几百万（次/秒）,第四代（1971-至今）(超）大规模集成电路几百万-几亿（次/秒）,1.1 计算机的发展与应用,第一代（19461959）电子管5千4万（次/秒）,第一代计算机的特点：采用电子管作为基本物理器件。体积大、能耗高、速度慢、容量小，应用也仅限于科学计算和军事目的。,20 世纪50年代，IBM 704型采用电子管的第一代电子计算机。,第二代（19601963）晶体管几十万百万（次/秒）,第二代计算机的特点：采用晶体管作为基本物理器件。体积小、能耗低、稳定性强，这一时期适用于事务处理的FORTRAN语言得到广泛的应用，因此，应用范围从单纯的科学计算和军事目的扩展到事务处理、工程设计、数据处理等方面。,IBM公司于1959年生产的IBM 7090型采用晶体管的第二代电子计算机。它的体积减小了，运算速度却更快。,第三代（19641970）集成电路百万几百万（次/秒）,第三代计算机的特点：采用中小规模集成电路作为基本物理器件。它具有通用化、系列化、标准化的特点。,1964年4月IBM360系统问世。它成为使用集成电路的第三代电子计算机的著名代表,第四代（1971至今）（超）大规模集成电路几百万几亿（次/秒）,第四代计算机的特点：采用大规模和超大规模集成电路作为基本物理器件。这一时期的计算机计算速度可达几百万甚至上亿次每秒。在系统结构方面发展了并行处理技术分布式计算机系统和计算机网络等；软件方面发展了数据库系统，分布式操作系统、高效可靠的高级语言以及软件工程标准化等。,英国国家航空管理局的控制中心，空中交通管制用IBM计算机进行控制,ENIAC,划时代的实验装置,晶体管实质上是按显微比例的真空管建造的。,电子管的缺点：体积大；耗能高、散热量大。,晶体管的优点：体积小；耗能低；性能稳定。,电子恐龙的缩骨法晶体管,1.1 计算机的发展与应用,计算机的特点,运算速度快,计算机精度,记忆能力强,逻辑判断能力强,1.1 计算机的发展与应用,计算机的分类,按工作原理划分,按功能划分,模拟式电子计算机数字式电子计算机,按规模划分,按工作模式划分,专用计算机通用计算机,巨型机大型机小型机微型机,工作站服务器,1按用途划分（1）通用机：适用解决多种一般问题，该类计算机使用领域广泛、通用性较强，在科学计算、数据处理和过程控制等多种用途中都能适应。（2）专用机：用于解决某个特定方面的问题，配有为解决某问题的软件和硬件，如在生产过程自动化控制、工业智能仪表等专门应用。,计算机分类,2按规模划分（1）巨型计算机：应用于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达每秒百万亿次，研制巨型机是衡量一个国家经济实力和科学水平的重要标志。（2）大/中型计算机：具有较高的运算速度，每秒可以执行几千万条指令，而且有较大的存储空间。往往用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用。（3）小型计算机：规模较小、结构简单、运行环境要求较低，一般应用于工业自动控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面。小型机在用作巨型计算机系统的辅助机方面也起了重要作用。,（4）微型计算机：中央处理器（CPU）采用微处理器芯片，体积小巧轻便，广泛用于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处理。（5）工作站：工作站是一种以个人计算机和分布式网络计算为基础，主要面向专业应用领域，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。（6）服务器：在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。,3按处理对象划分（1）数字计算机：计算机处理时输入和输出的数值都是数字量。（2）模拟计算机：处理的数据对象直接为连续的电压、温度、速度等模拟数据。（3）数字模拟混合计算机：输入输出既可是数字也可是模拟数据。,计算机是一种高度自动化的信息处理设备。主要特点有：运算速度快；自动连续的高度计算；计算精度高；记忆能力强，存储容量大；可靠的逻辑判断能力；可靠性高，通用性强。,计算机的特点,1.1 计算机的发展与应用,计算机的应用领域,计算机的应用领域,1. 科学计算：指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。一般要求计算机速度快、精度高，存储容量相对大。科学计算是计算机最早的应用方面。 2信息处理：信息处理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作。 3过程控制：把计算机用于科学技术、军事领域、工业、农业等各个领域的过程控制。,4计算机辅助系统：有计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（CIMS）等系统。 5多媒体技术：把数字、文字、声音、图形、图像和动画等多种媒体有机组合起来，利用计算机、通信和广播电视技术，使它们建立起逻辑联系，并能进行加工处理的技术。 目前多媒体计算机技术的应用领域正在不断拓宽，除了知识学习、电子图书、商业及家庭应用外，在远程医疗、视频会议中都得到了极大的推广。,6计算机通信：是计算机技术与通信技术结合的产物，计算机网络技术的发展将处在不同地域的计算机用通讯线路连接起来，配以相应的软件，达到资源共享的目的。7人工智能：研究解释和模拟人类智能、智能行为及其规律的一门学科。其主要任务是建立智能信息处理理论，进而设计可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。人工智能学科包括：知识工程、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人和神经计算等多方面的研究,1.1 计算机的发展与应用,1.2 计算机系统的基本组成,1.2.1 计算机硬件系统,控制器是计算机的指挥中心，负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号；保证各部件协调一致地工作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。,控制器,运算器是计算机的核心部件，它负责对信息的加工处理。它在控制器的控制下，与内存交换信息，并进行各种算术运算和逻辑运算。运算器还具有暂存运算结果的功能，它由加法器、寄存器、累加器等逻辑电路组成。控制器和运算器之间在结构关系非常密切。到了第四代计算机，运算器和控制器集成在一个芯片上，形成中央处理器CPU。,运算器,1.2.1 计算机硬件系统,存储器,主存储器,辅助存储器,随机存储器,只读存储器,存储器,静态RAM,动态 RAM,硬盘光盘U盘,1.2.1 计算机硬件系统,用于接受用户输入的原始程序和数据是重要的人机接口负责将输入的程序和数据转换成计算机能识别的二进制代码，并放入内存中常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。,输入设备,1.2.1 计算机硬件系统,将计算机运算处理的结果以用户熟悉的信息形式反馈给用户通常输出形式有数字、字符、图形、视频、声音等类型常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等,输出设备,1.2.1 计算机硬件系统,相对于计算机硬件而言，软件是计算机的无形部分，是计算机的灵魂。软件可以对硬件进行管理、控制和维护。根据软件的用途可将其分为： 系统软件 应用软件,1.2 计算机系统的基本组成,1.2.2 计算机软件系统,操作系统 操作系统是最基本最重要的系统软件，用来管理和控制计算机系统中硬件和软件资源的大型程序，是其他软件运行的基础。 操作系统负责对计算机系统的全部软、硬件和数据资源进行统一控制、调度和管理。 主要作用就是提高系统的资源利用率、提供友好的用户界面，从而使用户能够灵活、方便地使用计算机。,系统软件,语言处理程序 人与人交流需要语言，人与计算机之间交流同样需要语言。人与计算机之间交流信息使用的语言叫做程序设计语言。按照其对硬件的依赖程度通常把程序设计语言分为三类：机器语言汇编语言高级语言,系统软件,1.2.2 计算机软件系统,机器语言 机器语言是一种用二进制代码“1”和“0”组成的一组代码指令，是唯一可以被计算机硬件识别和执行的面向机器的语言。 优点：占用内存小、执行速度快 缺点：编写程序工作量大、程序阅读性差、调试困难,系统软件,1.2.2 计算机软件系统,汇编语言 汇编语言是使用一些能反映指令功能的助记符来代替机器指令的符号语言。 汇编语言的指令与机器语言的指令基本上是一一对应的。这些助记符一般是人们容易记忆和理解的英文缩写， 优点：汇编语言在编写、阅读和调试方面有很大进步，运行速度快。 缺点：是面向机器的语言，编程复杂，可移植性差。,系统软件,1.2.2 计算机软件系统,高级语言 高级语言是一种独立于机器的算法语言。 高级语言的表达方式接近于人们日常使用的自然语言和数学表达式，并且有一定的语法规则。 缺点：编写的程序运行要慢一些 优点：编程简单易学、可移植性好、可读性强、调试容易,系统软件,1.2.2 计算机软件系统,数据库管理系统 数据库管理系统主要面向解决数据处理的非数值计算问题，对计算机中存放的大量数据进行组织、管理、查询。 目前，常用的数据库管理系统有SQL Server、Oracle、Mysql和Visual FoxPro等。,系统软件,1.2.2 计算机软件系统,应用软件,1.2.2 计算机软件系统,硬件系统,软件系统,主机,外设,系统软件,应用软件,随机存储器,只读存储器,高速缓冲存储器,输出设备,输入设备,操作系统,语言处理程序,网络通信管理程序,数据管理系统,用户程序,应用软件包,控制器,运算器,外存储器,内存储器,中央处理器,软盘,硬盘,光盘,显示器、投影仪,打印机,绘图仪,键盘,鼠标,扫描仪,计算机系统组成,1.2.3 微型计算机系统的基本组成,微型计算机的核心是微处理器（Microprocessor）从外观上看，微型计算机的基本硬件包括：主机 包括主板、硬盘、光存储器、电源和插在主板I/O总线扩展槽上的各种功能扩展卡。显示器键盘鼠标还包含其他一些外部设备：打印机、扫描仪等。,1.2.3 微型计算机系统的基本组成,主板,CPU,按相对于CPU或其他芯片的位置可分为 片内总线和片外总线按总线的功能可分为 地址总线、数据总线和控制总线按照总线的传送方式可分为 并行总线和串行总线,总线,硬盘,光盘,移动存储器,键盘,扫描仪,打印机,微型计算机的软件系统,系统软件,应用软件,Windows操作系统,网络操作系统,汉字操作系统,计算机程序设计语言,:C、Pascal、Basic,财务报表软件文字处理软件媒体播放软件图形图像处理软件游戏软件,1.2.3 微型计算机系统的基本组成,1.3 衡量计算机性能的主要指标,1. 运算速度,2. 存储器的指标,3. I/O的速度,计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。影响运算速度的主要因素有：CPU的主频。 字长。 指令系统。,1.3 衡量计算机性能的主要指标,3. I/O的速度,存取速度：内存完成一次读（取）或写（存）操作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。存储容量：内存容量反映了主存储器能够容纳的数据总量。,2. 存储器的指标,1. 运算速度,1.3 衡量计算机性能的主要指标,I/O速度是指CPU与外部设备数据交换的速度。主机I/O的速度取决于I/O总线的设计。I/O速度的提高对于慢速设备（例如键盘、打印机）关系不大，但对于高速设备则效果十分明显。,1. 运算速度,3. I/O的速度,2. 存储器的指标,1.4基本运算,计算机共有三种基本运算：算术运算：+，-，*，/关系运算: ,=, =, (不等于)逻辑运算: .AND.(与) , .OR.(或), .NOT.(非),1.5 数制,2.1 数制的概念 数制又称计数法，是用一组规定的符号和规则来表示数的方法。 进制 特点 数码 基数n 位权十进制 D 逢十进一 09 10 10k,数码的个数,“逢n进一，借一当n”,Eg.1234.5=1x103+2x102 +3x101+4x100 +5x10-1,二进制 B 逢二进一 0、1 2 2k八进制 O 逢八进一 07 8 8k十六进制H 逢十六进一 0-9,A-F 16 16k,二进制计算机的语言,计算机中采用二进制 逢二进一 ， 借一当二 运算规则：0+0=0 0+1=1 1+1=10 00=0 01=0 11=1,数制,(11101010)2=1x27+ 1x26+1x25 + 0 x24 + 1x23 + 0 x22 + 1x21 + 0 x20 =(234)10,举例：二进制数的算术运算,数制,八进制,逢八进一 ， 借一当八二 八 进制之间的对应关系,数制,十六进制,逢16进一 ， 借一当16二 十六 进制之间的对应关系,数制,不同进制数的对应关系：,十进制与二进制之间的转换 十进制与八进制之间的转换 二进制与八进制之间的转换 二进制与十六进制之间的转换,2.2 不同数制的转换,数制,二进制与十进制的转换,二进制 十进制eg. ( 101111 . 101 )2 =(47.625) 10,按 “权” 展开相加 ( 101111 . 101 )2= 125 +024+ 123 + 122 + 121+120 +12-1 + 02-2 + 12-3= 32+0+8+4+2+1+0.5+0+0.125= (47.625) 10,数制,十进制 二进制,(47.625)10= ( 101111 . 101 )2,整数： 除2取余 小数： 乘2取整,2 47 商 余数23 - 12 11 - 1 5 - 12 2 - 1 1 - 0 0 - 1,读出方向,0.625 2 1. 25 - 1 0. 25 取小数部分 2 0. 5 - 0 2 1. 0 - 1,读出方向,数制,练习,( 11001 )2( 101.101 )2( 36 )10( 14.25 )10,= (25)10=(5.625)10= (100100)2=(1110.01)2,数制,十进制与八进制的转换,八进制 十进制eg. ( 57 . 5 )8 =(47.625)10,按 “权” 展开相加 ( 57 . 5 )8 = 5 81 +7 80 + 5 8-1 = 40+7+0.625= (47.625) 10,数制,十进制 八进制eg. (47.625)10= ( 57 . 5 )8,整数： 除8取余 小数： 乘8取整,8 47 商 余数8 5 - 7 0 - 5,读出方向,0.625 8 5.000 - 5,数制,读出方向,总结,二、八、十六进制 十进制 按“权”展开相加十进制 二、八、十六进制 整数部分/ 基数，取余数 小数部分x基数，取整数 2 8 16 注意：读出方向,数制,二进制和八进制之间的转换,每一位8进制数可以用三位2进制数表示 11 101 010 001 . 001 11 二进制 3 5 2 1 . 1 6 八进制 5 6 7 . 7 3 4 八进制 101 110 111 . 111 011 100 二进制,数制,0,0,二进制和十六进制之间的转换,每一位16进制数可以用四位2进制数表示 0111 0101 0001 . 0011 1000 二进制 7 5 1 . 3 8 16进制 5 6 D . 7 C 16进制0101 0110 1101 . 0111 1100 二进制,数制,练习,二进制 十六、八进制 1. (1000101.0101)2=( ) 8=( ) 162.(101111010.1011)2=( ) 8=( ) 16十六、八进制 二进制1. (17C.F) 16 =( ) 2 2.( 36.2 ) 8=( ) 2,数制,105.24 45.5,572.54 17A.B,101111100.1111,11110.01,1.6 数据、信息及编码,数据 数据在计算机中是以二进制编码的形式 来表示 （1）数据存储的最小单位：位（bit） （2）数据存储的最基本单位：字节（Byte） （3）计算机处理数据的基本单位：字（word） 字长=n倍字节数,信息 分为数字信息和非数字信息。 所有信息在处理之前，都要先转换成 二进制数 。 编码 规定如何使用二进制数来表示这些信 息的方法。 （1）数字编码 （2）字符编码 （3）汉字编码,数字编码-机器数,机器数 纯二进制表示数字的方法， 并用“1”表示负号，用“0”表示正号。例如： (-17)10 = ( 1 10001 )2,17 的二进制表示形式,此处的 “1” 表示负号,数字编码-BCD码,BCD 码 十进制形式的二进制数。将十进制数中每一位用相应的4位二进制数表示。 ( 145 . 79 ) 10 =(0001 0100 0101 . 0111 1001)BCD,字符编码,字符 指英文字母和各种符号。这些字 符在计算机内一律按二进制编码表示。 ASCII ( 美国标准信息交换码) 国际 通用的字符的二进制编码形式。 例如： A 1000001 F 1000110 a 1100001 + 0101011 = 0111101,汉字编码,输入码 又称汉字输入法 国标码 GB2312-80 机内码 对国标码的改进（简称内码） 输出码 汉字字库,输入码 国标码 机内码 输出码,输入汉字,输出汉字,第五节完,