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计 算 机 应 用 基 础,授课老师：联系方式：,课件及素材下载地址：http:/,高等院校计算机教育系列教材,清华大学出版社,第1章 计算机基础知识,1.1 计算机的发展和分类 1.2 计算机的特点及应用 1.3 数据在计算机中的表示 1.4 数据与编码 1.5 计算机系统的组成 1.6 软件系统和计算机语言 1.7 计算机的分类及硬件,香侬是现代信息论的著名创始人。1938年，香侬在发表的论文中，首次用布尔代数进行开关电路分析，并证明布尔代数的逻辑运算可以通过继电器电路来实现。阿塔纳索夫提出了计算机的三条原则：1）以二进制的逻辑基础来实现数字运算，以保证 精度；2）利用电子技术来实现控制、逻辑运算和算术运 算，以保证计算速度；3）采用把计算功能和二进制数更新存储功能相分 离的结构。,奠定现代计算机发展的重要人物和思想,Claude Shannon,1.1.1 计算机的产生和发展,图灵与图灵机,为纪念图灵对计算机的贡献，美国计算机博物馆于1966年设立了“图灵奖”,计算机是使用相应的程序来完成任何设定好的任务。,图灵机是一种思想模型，它由三部分组成：一个控制器，一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头。,John von Neumann冯诺依曼,1949 EDSAC,冯诺依曼计算机,存储程序工作原理：计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。,第一台电子计算机（ENIAC）,在ENIAC的研制过程中，美国数学家冯诺伊曼针对它存在的问题，提出一个全新的通用计算机方案，这就是EDVAC方案。在这个方案中，冯诺伊曼提出了三个重要设计思想：(1)计算机由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；(2)采用二进制形式表示计算机的指令和数据；(3)将程序（由一系指令组成）和数据存放在存储器中，并让计算机自动地执行程序这就是“存储程序”思想的基本定义。,5000次加法/秒体重28吨占地170m218800只电子管1500个继电器功率150KW,第一代（19461958）电子管5千4万（次/秒）,第二代（19591964）晶体管几十万百万（次/秒）,第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）,第四代（1971至今）集成电路几百万几亿（次/秒）,1964年911机,1966年112机,计算机的发展,按硬件划分计算机年代(四代电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路),表1.1 计算机的分代,计算机发展大体上经历了三个阶段，即大型机阶段、微型机阶段和计算机网络阶段。19461981年，计算机应用主要是在传统大型计算机中进行的；19811991年，掀起了微型计算机(简称微型机、微机或PC机)的普及应用热潮；从1991年开始进入了以计算机网络为中心的新时代。1965年Intel公司的创始人之一戈登摩尔曾预言，集成电路中的晶体管数每年(后来改成了每隔18个月)将翻一番，芯片的性能也随之提高一倍。这一预言，被计算机界称为“摩尔定律”，近代计算机的发展历史充分证实了这一定律。随着芯片集成度的日益提高和计算机体系结构的不断改进，将会不断出现性能更好、体积更小、价格更低的计算机产品。,从用户使用计算机资源角度来看,晶体管数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,微处理器的发展历程,微型机的核心是微处理器，因此微型机的发展历程，从根本上说也就是微处理器的发展历程。,1.1.微型机的发展,将电脑浓缩在一颗芯片上,0.18微米芯片,10微米芯片,CRAY-,、巨型化,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。,中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、“银河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000”、“曙光200I”和“曙光3000”,银河,1.1.3 计算机的发展趋势,Altair 8800,2、微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。,3、网络化,计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。,4、智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”,5、多媒体化,多媒体技术是20世纪80年代中后期兴起的一门跨学科的新技术。采用这种技术，可以使计算机具有处理图、文、声、像等多种媒体的能力(即成为多媒体计算机)，从而使计算机的功能更加完善和提高计算机的应用能力。当前全世界已形成一股开发应用多媒体技术的热潮,计算机世界中的中国,1952年在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组组长 闵大可电机系教授1954年小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所负责人 钱三强1958年完成第一台电子计算机1031959年完成大型电子计算机1041959年中国自行研究的107计算机问世1965年中国开始研制第三代计算机（集成电路）1977年研制成功中国第一台微机DJS050,计算机世界中的日本,辉煌：打败Intel的芯片巨人，迫使Intel 于1985年另辟战场（微处理器）笔记本电脑的领军人物失误：第五代计算机（智能计算机）的开发者高清晰度模拟电视,计算机世界中的印度,世界软件产业王国1985年，印度软件业产值为1000万美元1994年，印度软件业产值为10亿美元2000年，印度软件业产值为50亿美元在软件出口规模和质量与总产值的比例上，印度居世界第一。,计算机文化与道德,计算机是一种“可以传授给人知识的工具”，也是一种“无比有力的知识工具”。真正对人类生活带来直接冲击的，不是计算机硬件本身，而是来自软件这种人类知识的产物。,按处理数据的方式分类：模拟计算机和数字计算机；按应用范围分类：专用计算机和通用计算机；按规模分类：根据计算机规模和性能，可以将计算机分为以下几类：1巨型计算机 运算速度在每秒亿次以上的计算机可称为巨型计算机。2.大型计算机 运算速度在每秒几千万次以上的计算机为大型计算机。3.中型计算机 运算速度在每秒百万次以上千万次以下的计算机为中型计算机，与大型计算机的区别不甚明显，通常用在国家重点科研机构、重点理工科院校。,1.1.4 计算机的分类,4.小型计算机 小型计算机的运算速度在每秒几百万次左右5工作站 工作站实际上是一台高档微机。它的运算速度通常比微机快，配有大容量的存储器和大屏幕显示器，并有较强的网络通信功能。它主要用在计算机图像处理和计算机辅助设计等专业领域。6微型计算机 微型计算机也称为个人计算机，简称微机、PC机。随着计算机技术的发展，各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的高档微机，其速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。,计算机采用了高速电子器件和线路，并利用先进的计算技术，使它可以有很高的运算速度。运算速度是指计算机能执行多少百万条指令每秒。常用单位是MIPS，例如，主频为2 GHz的Pentium 4微型机的运算速度为40亿次每秒，即4000 MIPS。一般的计算机运算速度可达几百万次到几亿次每秒，现在有些高档计算机的运算速度甚至可达几百亿次至十几太次每秒。,1、快速运算能力,2、计算精度高,由于计算机是根据事先编好的程序自动、连续地工作，可以避免人工计算可能因疲劳、粗心而产生的各种错误。例如，圆周率的计算，历代科学家采用人工计算只能算出小数点后500位。1981年日本人曾利用计算机算到小数点后200万位，而目前已计算到小数点后上亿位。,1.1 计算机的特点,计算机中拥有容量很大的存储设备，不仅可以存储所需的数据信息，还可以存储指挥计算机工作的程序，同时可以保存大量的文字、图像、声音等信息资料。,3、存储功能强,4、逻辑判断能力,计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础，是计算机基本的、也是重要的功能。,计算机是自动化电子装置，在工作中无需人工参与，能自动执行存放在存储器中的程序。人们事先编好程序后，向计算机发出指令，计算机即可帮助人类完成那些枯燥乏味的重复性劳动。,5、自动运行程序,科学计算是计算机最早的应用领域，计算机高速、高精确的运算是人工计算望尘莫及的。现代科学技术中有大量复杂的数值计算，如军事、航天、气象、地震探测等，都离不开计算机的精确计算。计算机的应用大大节约了人力、物力和时间。,1、科学计算,2、数据处理,数据处理也称为事务处理。使用计算机可对大量的数据进行分类、排序、合并、统计等加工处理，例如人口统计、人事、财务管理、银行业务、图书检索、仓库管理、预订机票、卫星图像分析等。数据处理已成为计算机应用的一个重要方面。,1.计算机的应用领域,过程控制也称为实时控制，主要是指计算机在工业和军事方面的应用。计算机能及时采集检测数据并按最优方案实现自动控制，如炼钢过程的计算机控制、导弹自动瞄准系统、飞行控制调动等。,3、过程控制,4、计算机辅助系统,计算机辅助系统包括计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助教学(Computer Aided Instruction，CAI)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等。,人工智能主要表现在以下三个方面：机器人。主要分为“工业机器人”和“智能机器人”两类。前者用于完成重复性的规定操作，通常用于代替人进行某些作业(如海底、井下、高空作业等)；后者具有某些智能，具有感知和识别能力，能“说话”和回答问题。专家系统。计算机具有某些方面专家的专门知识，使用这些知识来处理这方面的问题。例如，医疗专家系统能模拟医生分析病情、开出药方和假条。模式识别。重点研究图形识别和语音识别。例如，机器人的视觉器官和听觉器官，公安机关的指纹分析器，识别手写邮政编码的自动分信机等，都是模式识别的应用。,5、人工智能,十进制R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制R=2，可使用0,1八进制R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制R=16，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,“逢R进一，借一当R”,1.数据在计算机中的表示,1.1 数制的概念,表1.2 各进制之间数值的对应关系,十进制数转换成二进制数，分两种情况进行：整数部分和小数部分。具体规则如下：整数部分：除2取余，直到商为0；先取的余数在低位，后取的余数在高位。小数部分：乘2取整，直到值为0或达到精度要求。先取的整数在高位，后取的整数在低位。,1、十进制转换成二进制数,1.各进制数之间的转换,2、二进制数转换成十进制数,十进制数转换成八进制数和十六进制数与转换成二进制数相似，具体规则如下：整数部分：除以 8(或 16)取余，直到商为0；先取的余数在低位，后取的余数在高位。小数部分：乘以 8(或 16)取整，直到值为0或达到精度要求。先取的整数在高位，后取的整数在低位。,3、十进制数转换成八进制数和十六进制数,4、八进制数和十六进制数转换成十进制数,八进制数和十六进制数转换成十进制数，只需以 8(或 16)为基数，按权展开求和即可。,二进制数转换成八进制数的方法是：整数部分：从低位向高位每3位一组，高位不足3位用0补足3位，然后每组分别按权展开求和即可。小数部分：从高位向低位每3位一组，低位不足3位用0补足3位，然后每组分别按权展开求和即可。二进制数转换成十六进制数的方法是：整数部分：从低位向高位每四位一组，高位不足四位用0补足四位，然后每组分别按权展开求和即可。小数部分：从高位向低位每四位一组，低位不足四位用0补足四位，然后每组分别按权展开求和即可。,5、二进制数转换成八进制数和十六进制数,6、八进制数和十六进制数转换成二进制数,八进制数和十六进制数转换成二进制数的方法是：将八进制数(或十六进制数)的每一位用相应的3位(或4位)二进制数代替即可,二进制的概念,我认识她已有1111年了。,信息复制的精确性运算规则简单（R(R+1)/2）电子线路制造计算机成为可能,表1.3 一般字符的ASCII编码(二进制表示),1.4.1 ASCII编码,1 国标码 国标码规定：一个汉字用两个字节来表示，每个字节只用前7位，最高位均未作定义，如图所示。,2 内码与外码 国标码是一种机器内部编码，也称内码，其主要作用是统一不同的系统之间所用的不同编码。通过将不同系统使用的不同编码统一转换成国标码，不同系统之间的汉字信息就可以相互交换。与内码相对应，输入法编码称为外码。,1.4.2 汉字编码,3 汉字字形码 汉字的内码代表的是汉字惟一性的交换码，即给出汉字一个名，而这个汉字的外形如何却不在内码之内。汉字笔画多、外形千差万别，这就需要为每个汉字给出一个外形，一般用点阵表示，这就是汉字字模。如图所示是“啊”字的点阵外形。图1.2中有1616个方格，称1616点阵，每一个方格用一个二进制代码表示，用1表示黑点，用0表示白点。存储在计算机中的汉字和符号的外形集合称为汉字库。常用的汉字字库除1616点阵汉字库之外，还有2424点阵汉字库、3232点阵汉字库等。,各种汉字编码的关系如图所示,1.5.1 计算机系统的基本组成,（外）存储器,（内）存储器,中央处理器（CPU）,控制器,输入设备,输出设备,运算器,1.5.2 计算机的硬件系统结构,计算机的总线结构,存储单位,字节（Byte）：最常用的基本单位,K 字节1K=1024 byteM（兆）字节1M=1024 KG（吉）字节1G=1024 M T（太）字节1T=1024 G,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+24+22+20,=149,输入输出设备,字长：指计算机能直接处理的二进制信息的位数。当前计算机的字长有16位、32位和64位。运算速度：指计算机能直接用可以执行的百万条指令数每秒(MIPS)来衡量。时钟频率(主频)：指CPU在单位时间(秒)内所发出的脉冲数，单位为兆赫兹(MHz)。内存容量：内存的大小表示存储数据的容量大小，在微型机中一般以字节为单位。存取速度：存储器完成一次读/写操作所需的时间称为存储器的存取时间或访问时间，存储器连续进行读/写操作所允许的最短时间间隔称为存取周期。存取周期越短，则存取速度越快。磁盘容量：硬盘和软盘存储量的大小。,1.5.3 计算机的主要性能指标,1.5.4 计算机的工作原理,程序和指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。,程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。,机器执行什么操作,执行对象（具体数、存放位置）,程序的执行流程,微型计算机每执行一条指令都分成3个阶段进行：获取指令(fetch)、分析指令(decode)和执行指令(execute)。,1.6.1 计算机系统的层次关系,(1)内层是外层的支撑环境，而外层则可不必了解内层细节，只需根据约定调用内层提供的服务。(2)最内层(亦称最低层)是硬件，表示它是所有软件的物质基础。(3)与硬件直接接触的是操作系统，它把硬件和其他软件分割开来，表示它向下控制硬件，向上支持其他软件。(4)在操作系统之外的各层分别是各种语言处理程序、各种实用程序，最外层才是最终用户使用的应用程序。,单用户操作系统：DOS、Windows 批处理操作系统：IBM的DOS/VSE。分时操作系统：UNIX、VMS 实时操作系统：RDOS 网络操作系统：NetWare、Linux、Windows NT、Windows 2000 Server 等 分布式操作系统：MDS、CDCS,1.6.2 系统软件,单用户操作系统：DOS、Windows 批处理操作系统：IBM的DOS/VSE。分时操作系统：UNIX、VMS 实时操作系统：RDOS 网络操作系统：NetWare、Linux、Windows NT、Windows 2000 Server 等 分布式操作系统：MDS、CDCS,1.6.3 应用软件,机器语言：一种用二进制代码，以0和1表示的、能被计算机直接识别和执行的语言。汇编语言：一种用助记符表示的面向机器的程序设计语言。高级语言：一种比较接近自然语言和数学表达式的一种计算机程序设计语言。BASIC：该语言是一种简单易学的计算机高级语言。尤其是Visual Basic语言，具有很强的可视化设计功能。FORTRAN：它是最早使用的高级语言，它具有相当完善的工程设计计算程序和工程应用软件。COBOL：它是通用的面向商业语言，主要用于进行数据处理，用于商业和管理。其特点是源程序接近英语口语。C：该语言具有灵活的数据结构和控制结构，表达力强，可移植性好。用C语言编写的程序兼有高级语言和低级语言两者的优点，表达清楚且效率高。C语言主要用于系统软件的编写，也适用于科学计算等应用软件的编制。C+：该语言是在C语言基础上发展起来的。C+保留了结构化语言C的特征，同时融合了面向对象的能力，是一种有广泛发展前景的语言。PASCAL：它是一种描述算法的结构化程序设计语言，适用于教学、科学计算、数据处理和系统软件的开发。Java：该语言是近几年发展起来的一种新型的高级语言。它简单、安全、可移植性强。适用于网络环境的编程，多用于交互式多媒体应用。LISP：它是20世纪60年代开发的一种表处理语言，适用于人工智能程序设计，具有较强的表达能力，可以进行符号演算、公式推导及其他各种非数值处理。Prolog：它是一种逻辑程序设计语言，广泛应用于人工智能领域。其他高级语言：DBASE、Foxbase、Visual FoxPro、Sybase、Oracle、DB2、SQL Server 等,1.6.4 计算机语言,微型计算机可分为笔记本电脑、移动PC和台式机。计算机包括很多种硬件，硬件就是看得见、摸得着的各种计算机部件，就像人们常见的电视机和VCD机一样，有一个形象的外观，是用手能够触摸到的一个实体。主机包括：中央处理器(CPU)、内存和主板。,1.7.1 主机,1、CPU,2、内存条,3、主板,1 软盘和软驱,1.7.2 外存储器,2、硬盘,3、光盘、CD驱动器、DVD驱动器,4、刻录机,5、U盘,1、键盘,1.7.3 输入设备,2、机械鼠标、光电鼠标、无线鼠标,1.7.1 输入设备,3、扫描仪,4、MP3播放机、数码照相机、数码摄像机和投影仪,1、显示器和显卡,1.7.4 输出设备,2、喷墨打印机和激光打印机,1、声卡和网卡,1.7.5 多媒体设备,2、内置式和外置式调制解调器,本章结束！谢谢大家！,