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计算机应用基础,（第二版）中国铁道出版社 蒋加伏,第1章 计算机基础知识,本章介绍计算机的发展概况、分类、特点、技术指标、软硬件和系统结构的基本概念及其应用，为学习后续章节打基础。,1.1 计算机的发展概况,1.1.1 计算机史前史 可以将其划分为3个时代：算盘时代、机械时代和机电时代。1941年，德国人朱斯（Konrad Zuse）制造了第一台使用二进制数的全自动可编程计算机。此外，朱斯还开发了世界上第一个程序设计语言Plankalkul，该语言被当作现代算法程序设计语言和逻辑程序设计的鼻祖。,1.1.2 现代计算机的发展,5000次加法/秒 体重30吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW 字长12位,ENIAC,1946年美国宾夕法尼来大学研制出世界上第一台名为ENIAC的电子计算机。,计算机发展的4个时代,No.1 Super Computer：(2007)-IBM Blue Gene,2007.6 IBM Blue Gene/L 速度：360 TFLOPS 美国能源部/NNSA/LLNL 360 TFLOPS=395824185999360 次/秒信息来源：http:/www.top500.org/,中国No.1：曙光4000A,由国家智能计算机研发中心开发，服务于上海超级计算中心：每秒运行10万亿次=10000000000000已从2006年的第10位大幅跌落到2007年的第31位,第一代（19461957）电子管5千4万(次/秒),第二代（19581964）晶体管几十万百万(次/秒),第三代（19651973）集成电路百万几千万(次/秒),第四代（19741990）集成电路几千万几百亿(次/秒),各阶段出现的电子元件,微处理器集成度发展示意图,0.18微米芯片0.13微米芯片,10微米芯片,摩尔定理,我国的计算机事业,1958年：第一台电子管计算机103机（DJS1）1965年：第一台晶体管计算机108机 1970年：第一台集成电路计算机（DJS100）1983年：银河巨型机 亿次/S 国防科大1984年：长城0520系列（与IBMPC兼容）1992.11：银河巨型机 10亿次/S 国防科大1997.6：银河巨型机 130亿次/S 国防科大2000：曙光3000 3000亿次/S 曙光公司2003：曙光4000L 百万亿次 曙光公司,1.1.3 微型计算机的发展,1981年，IBM公司推出了第一台16位个人计算机IBM PC 5150。这台微机采用英特尔公司的8088作为CPU，工作频率为4.77MHz，内存为16KB，一个160KB的5.25英寸的软盘驱动器，一个11.5英寸的单色显示器，没有硬盘，操作系统为微软公司的DOS 1.0，IBM公司将这台计算机命名为PC（Personal Computer，个人计算机）1984年8月，IBM公司推出了IBM PC/AT微机，它支持多任务、多用户。系统采用英特尔公司的80286 CPU，工作频率为6MHz，操作系统采用微软公司的DOS 3.0，并增加了网络连接能力。,1985年6月，长城0520微机研制成功，这是中国内地第一台自行研制的PC兼容微机。进入20世纪90年代后，每当英特尔公司推出新型CPU产品时，马上会有新型的PC推出。,1.1.4 未来新型计算机,未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、多媒体化、网络化与智能化的方向发展。,1巨型化 巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、功能更强。,2微型化 微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。,3多媒体化 多媒体技术是计算机技术和视频、音频及通信技术相结合的产物。它不但使人类社会变得格外绚丽多彩，而且对政治、经济、军事和工业都产生巨大影响，是当今计算机研究的热点之一。,4网络化 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。,5智能化 计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。,1.2 计算机的分类及应用,1.2.1 计算机的特点 运算速度快 计算精度高 记忆能力强 有逻辑推理和判断能力 自动化程度高 通用性强,1.2.2 计算机的分类,计算机类型,高性能计算机,微型计算机,超级计算机：如世界超级计算机500强大型集群计算机：如浪潮天梭TS10000大型服务器等：如IBM公司eServer z990,PC：如Pentium 4桌面微机苹果机：如苹果Power PC G5笔计本：如迅驰2代笔记本PC服务器：如HP ProLiant ML150 G2平板机：如东芝dynabookR10掌上电脑：如惠普iPAQ h6315 Pocket PC,工业控制PC：如西门子SIMATIC IL43工控机 单片机：如80C51系列单片机POS机：如电子收款机系统ATM机：如自动柜员机其他控制：测量、管理、应用系统,图形工作站：如HP XW9300视频工作站：如Sun Blade 2500多媒体工作站：如SGI O2+,嵌入式系统,工作站,1.2.3 计算机的主要应用领域,按其应用特点，大体可归纳为如下几大类。1科学计算2数据处理3自动控制4计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM），计算机辅助教学（CAI）5人工智能6网络应用,1.3 计算机的结构及基本工作原理,1.3.1 计算机的基本结构冯诺依曼的主要思想可概括为以下3点。（1）冯诺依曼结构计算机主要包括：输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器五大组成部分。,功能：算术运算和逻辑运算;其主要部件：ALU（算术逻辑部件),功能：使计算机能自动地执行程序，并使各部分协调工作,功能：用于保存程序和数据.主存储器（内部存储器）：存放当前所执行程序的指令和数据;辅助存储器（外部存储器）：存放暂不参加运算的程序的指令和数据注意：一切程序和数据必须进入内存才能被计算机执行和使用。,用于程序和数据输出（标准设备：显示器、打印机）,用于程序和数据输入（标准设备：键盘、鼠标）,（2）采用二进制形式表示数据和指令 指令是人们对计算机发出的用来完成一个最基本操作的工作命令，它由计算机硬件来执行。指令和数据在代码形式上并无区别，都是由0和1组成的二进制代码序列，只是各自约定的含义不同。,（3）存储程序 这是冯诺依曼思想的核心内容。存储程序意味着事先将编制好的程序（包含指令和数据）存入计算机存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行。,1.3.2 计算机的基本工作原理 计算机的工作过程为：人们预先编制程序，利用输入设备将程序输入到计算机内，同时转换成二进制代码，计算机在控制器的控制下，从内存中逐条取出程序中的每一指令交给运算器去执行，并将运算结果送回存储器指定的单元中，当所有的运算任务完成后，程序执行结果利用输出设备输出。所以，计算机的工作原理可以概括为存储程序和程序控制。,以指令070740H的执行过程来认识计算机的基本工作原理。指令070740H的功能为取0740H存储单元内的数据与累加器中的数据相加，并将求和结果仍存储在累加器中。指令的执行过程分为以下4个步骤：（1）取指令。按照程序计数器的地址（0100H），从内存储器中取出指令（070740H），并送往指令寄存器。,（2）分析指令。对指令寄存器中存放的指令（070740H）进行分析，由译码器对操作码（07H）进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码（0740H）确定操作数地址。（3）执行指令。由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。如做加法指令，取内存单元（0740H）的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器中。,（4）一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到（1）。,1.4 数据在计算机中的表示与运算,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为计算机能够接受和处理的二进制数据 二进制优点：0，1两个状态易物理实现；运算规则简单。算术运算与逻辑运算容易沟通,1.4.1 数值数据的表示（1）数制及其转换进位计数制的三要素：数位：数码在一个数中所处的位置。基数：每个数位上所能使用的数码的个数。位权：处在某一位上的“1”所表示的数值的大小.人们习惯使用十进制，而计算机中常用的数制有：二进制，八进制和十六进制。根据数的表示法，对于任意的r进制数，可以用以下的展开和式表示：ana1a0a-1a-m(r)=anrn+a1r+a0+a-1r-1+a-mr-m 其中r为基数，整数为n+1位，小数为m位。如十进制数752.65可以表示成：752.65D=7102+5101+2100+610-1+510-2=7100+510+21+60.1+50.01二进制101.1B12202112012-1(5.5)10八进制101.1O18208118018-1(65.125)10十六进制101.1H116201611160116-1(257.0625)10,二进制数与其它数制的对照表,二进制 十进制 八进制 十六进制0000 0 0 00001 1 1 10010 2 2 20011 3 3 30100 4 4 40101 5 5 50110 6 6 60111 7 7 71000 8 10 81001 9 11 91010 10 12 A1011 11 13 B1100 12 14 C1101 13 15 D1110 14 16 E1111 15 17 F,2023/1/22,29,可编辑,2.2.3 不同进制数之间的转换,十进制整数转换为二进制整数,规则：除二取余，直到商为零为止，倒排。例：将十进制数86转化为二进制 2|86 0 2|43 1 2|21 1 2|10 0 2|5 1 2|2 0 2|1 1 0所以,(86)10=(1010110)2,规则：乘二取整，直到小数部分为零或给定的精度为止，顺排。例：将十进制数0.875转化为二进制数 例：将十进制数0.875转化为二进制数 0.875 2 1.75 0.75 2 1.5 0.5 2 1.0 所以(0.875)10=(0.111)2,十进制小数转换为二进制小数,例：(1999.8)10=1103+9 102+9 101+9 100+8 10-1,“权”,(1101.1)2=123+1 22+0 21+1 20+1 2-1=（8+2+1+0.5+0.25）10=（11.75）10,二进制数转换为十进制数,规则：按“权”展开，求和。,二进制转换为八进制,方法三合一法整数部分：自右向左，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。小数部分：自左向右，三个一组，不够补零，每组对应一个八进制数码。例如：将（10100101.10111）2 转换成八进制数。（10100101.10111）2=(010 100 101.101 110)2=（2 4 5.5 6）8,方法一分为三法 八进制 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制 000 001 010 011 100 101 110 111 例如：将（207.54）8转换成二进制：2 0 7.5 4 010 000 111.101 100 所以，（207.54）8=（010000111.101100）2=（10000111.1011）2,八进制转换为二进制,二进制转换为十六进制,方法四合一法整数部分：自右向左，四个一组，不够补零，每组对应一个十六进制数码。小数部分：自左向右，四个一组，不够补零，每组对应一个十六进制数码。例：(11001111.01111)2=(1100 1111.0111 1000)2=(C F.7 8)16,十六进制转换成二进制,方法一分为四法十六进制 0 1 2 3 4 5 6 7二进制 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111十六进制 8 9 A B C D E F二进制 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111例如（1E4.2A）16=（0001 1110 0100.0010 1010）2=（111100100.0010101）2,计算机中数的有关概念（2）数值数据的表示 在计算机中表示一个数值型数据，要考虑如下3个问题。确定数的长度。确定数的符号。小数点的表示方法。根据小数点的位置是否固定，对数可分定点和浮点两种表示法。,数的定点表示方法常用的定点数表示方法有以下两种。定点整数。小数点的位置约定在最低数值位的后面，用于表示整数。定点小数。小数点的位置约定在数符位和数值部分的最高位之间，用以表示小于1的纯小数。,浮点数的表示形式。浮点数分成阶码和尾数两部分。浮点数的思想来源于数学中的指数表示形式：N=MRC。例如，十进制数：2560.256103，0.000 029 50.29510-4,类似地，二进制数：(1011011)2可以表示为0.10110112111(0.00110101)2可以表示为0.1101012-10,（3）BCD码十进制数与BCD编码表,1.4.2 字符数据的表示 在计算机中，字符型数据占有很大比重。字符数据包括西文字符（字母、数字、各种符号）和汉字字符。（1）英文字符的表示 在计算机发展的过程中，出现了若干种字符编码。目前使用最广泛的有3种字符编码，即ASCII码、EBCDIC码和Unicode码。,EBCDIC(扩展的二十进制交换码)是西文字符的一种编码。采用8位二进制表示，共有256种不同的编码，可表示256个字符。目前计算机中普遍采用的是ASCII(American Standard Code for Information Interchange)码，即美国信息交换标准代码。,西文信息的编码与表示,数字二进制数字符 二进制编码字符编码：每个字符对应一个整数值字符编码标准：ASCII码：美国标准信息交换代码(American Standard Code for Information Interchange)规定：字节(位)最高位为,位给出128个编码。,16*8=128个字符,ASCII码表,Sp:ASII码0100000 十进制数：32数字0:ASII码0110000十进制数：48A:ASII码1000001 十进制数：65小写a:ASII码1100001十进制数：97控制符(除del)数字大写英文字母小写英文字母del,（2）中文字符的表示汉字是象形文字，每个汉字字符都有自己的形状。所以，每个汉字在计算机中都有一个二进制代码。所有国标汉字与图形符号94个区划分为以下4个组。0115区：是图形符号区。其中0109区为标准区，1015区为自定义符号区。1655区：是一级常用汉字区，包括一级常用汉字3 755个。这些区中的汉字是按汉语拼音排序的，其中55区的9094位未定义汉字。,5687区：是二级非常用汉字区，包括二级非常用汉字3 008个。这些区中的汉字是以部首排序的。8894区：是自定义汉字区。输入码：音码、形码、音形码国标码（GB2312-80）：一个汉字占两个字节啊：区位码1601(十进制)1001H(十六进制)国标码：00110000 00100001十六进制3021H0!机内码：每个字节最高位的0写为1(十六进制B0A1H)啊：10110000 10100001区位码+(分别)20H=国标码国标码+80H(每个字节)=机内码区位码+(分别)A0H=机内码字形码：16*16点阵中一个汉字占 2*16=32字节32*32 4*32=128,为了利用计算机系统中现有的西文键盘来输入汉字，还要对每个汉字编一个西文键盘输入码（简称输入码），主要的输入码有：拼音、五笔字型、区位码等。1.4.3 多媒体数据的表示 在计算机中，数值数据和字符数据都是转换成二进制来存储和处理的，但多媒体数据的表示方式是完全不同的。在计算机中，声音往往用波形文件、MIDI音乐文件或压缩音频文件方式表示；图像的表示主要有位图编码和矢量编码两种方式；视频由一系列“帧”组成。,1.4.4 计算机的运算基础计算机中的基本运算包括以下几种。（1）算术运算：加、减、乘、除。（2）逻辑运算：与、或、非。（3）数据比较：大于、小于、等于、不等于、大于等于、小于等于。（4）数据传送：输入、输出、赋值。,1.5 信息技术与信息社会,1.5.1 信息科学与信息技术 信息可包括两个基本含义：一是经过计算机技术处理的资料和数据（文字、声音、图形、图像等）；二是经过科学收集、存储、分类、检测等处理后的信息产品集合。信息科学是信息时代的必然产物，它以信息为主要研究对象，是一门新兴的跨越多个学科的科学。,信息科学的研究内容包括：（1）阐明信息的概念和本质（哲学信息论）。（2）探讨信息的度量和变换（基本信息论）。（3）研究信息的提取方法（识别信息论）。（4）澄清信息的传递规律（通信理论）。（5）探明信息的处理机制（智能理论）。（6）探究信息的再生理论（决策理论）。（7）阐明信息的调节原则（控制理论）。（8）完善信息的组织理论（系统理论）。,1.5.2 信息社会与信息素质（1）信息社会信息价值观 信息素质是信息化社会对人们提出的一种高要求。信息价值观是指对信息及其信息技术的看法、态度。（2）信息素质的内涵与标准 信息素质的内涵 关于信息素质，目前尚未统一的定义和解释。其内涵主要包括信息意识、信息知识、信息能力和信息品质4个方面。,信息素质的标准信息素质的9条标准。a.能够有效地、高效地获取信息。b.能够熟练地、批判性地评价信息。c.能够精确地、创造性地使用信息。d.能够探求与个人兴趣有关的信息。e.能够欣赏作品和其他对信息创造性表达的内容。f.能够力争在信息查询和知识创新中做得更好。g.能够认识信息对民主化社会的重要性。h.能够履行与信息和信息技术相关的符合伦理道德的行为规范。i.能够积极地参加活动来探求和创建信息。,（3）增强信息素质，培养良好的信息道德素养 信息时代的公民不仅要接受、传递数字信息，而且要创造、享受这种数字化、精确化、高速化的生活。不但要遵守现实社会的秩序，而且应该遵守虚拟社会的秩序。所有这些都对信息时代公民提出了新要求。,2023/1/22,57,可编辑,