计算机系统基础1.ppt

教 师：姚雪梅,大学计算机基础,专 业：道路、测绘、检测,上机安排,时间：,道路3-4班: 周三 3-4节(5-19周) 测绘1-2班: 周三 7-8节(5-19周) 检测1-2班: 周三 中 午(5-19周),计算中心,地点：,考核方式:,平时成绩(10%) 实验成绩(30%) 期末考试卷面成绩(60%),期末总成绩=,大学计算机基础课程主要内容,计算机系统基础 微型计算机系统 计算机网络基础 多媒体信息处理技术 计算机安全与防护技术 数据库基础 (不讲) 程序设计基础,上机课前准备,实验一 指法练习 一、熟悉计算机。 二、 计算机的开机与关机操作。 三、应用程序的启动和退出方法。 四、键盘及鼠标的基本操作。 五、常用打字软件的使用方法。 六、学会使用网络教学平台。,上机课前准备,鼠标的基本操作： 1）指向 2）单击 3）双击 4）拖动 5）右击。,图1.1 键盘指法图,第一章 计算机系统基础,主要教学内容：,1.1 计算机概述 1.2 计算机系统组成及工作原理 1.3 计算机中信息的表示,1.1 计算机概述,（Electronic Computer）简称计算机，是一种处理信息的电子机器，它能自动、高速、精确地对信息进行存储、传送与加工处理。,电子计算机,1.1.1 计算机的发展历程,1834年.英.剑桥.查尔斯.巴贝奇.分析机 1941年.美.约翰.阿塔诺索夫.ABC（雏形） 1946年.美. 莫克特和埃克特.ENIAC,计算：结绳计数 算盘 计算尺 计算器,ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10件普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。据说每次启动，整个费城西区的供电系统都会受到影响。它使用18000个电子管，70000个电阻，10000个电容，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。 (而人最快的运算速度每秒仅5次加法运算)，还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其它一些更复杂的运算。这样的速度在当时已经是人类智慧的最高水平。,根据计算机采用的物理器件，将计算机的发展分成四个阶段。,1946年一1953年.第一代计算机,电子管,代表机型：IBM650,1954年一1963年.第二代计算机,晶体管,101个改变世界的小发明 之一-晶体管,代表机型：IBM7090,1964年一1970年.第三代计算机,中小规模集成电路,代表机型：IBM360,1971年至今.第四代计算,大规模和超大规模集成电路,1.1.2 计算机的分类 综合考虑计算机的性能、应用和市场分布情况，目前大致可以将计算机分类为,1.高性能计算机 2.微型计算机（PC） 3.嵌入式系统,第1位：京 地点：日本理化研究所（2011.6.20） 制造商：日本理化研究所与富士通共同研发 主要参数：运算速度每秒8612万亿次,中国天河一号 主要参数：运算速度达到每秒2570万亿次,1.1.3 计算机的应用,科学计算：弹道轨迹、天气预报、高能物理等; 数据处理：企业管理、物资管理、电算化等; 辅助工程：CAD、CAM、CBE等 ; 过程控制：工业自动化控制，卫星飞行方向控制等； 人工智能：智能机器人、模式识别、知识工程、自然语言处理、和神经计算等 。,1.1.4 未来的新型计算机,超导计算机,电磁超导热水器,电磁核磁共振,超导磁悬浮列车,1911年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度在绝对零度时（-273.1）时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。,对“超导体-绝缘体-超导体”器件两端施加电压时，电子会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中通过，形成微小电流，而该器件两端的电压为零。,目前的计算机大多采用半导体技术，硅集成电路技术起了很大的作用，但要想继续提高计算机的性能和计算速度，能量消耗是一个限制因素，若在硅集成电路中提高计算速度，必然造成芯片的发热，这些热量会对半导体材料产生不良影响，若运算速度提高到某一限度时可能会使内部芯片发热而损坏内部元件。为了解决这一矛盾，利用超导材料可做成约瑟夫结。这里简单介绍一下它的原理：当它的电流小于临界电流IC，它是零电压输出；当通过它的电流大于IC时，它有毫伏量级电压输出。超导隧道结（又称约瑟夫逊器件）在不出现任何电阻的情况下有零电压和非零电压两种状态，所以用它可以组成逻辑电路，故可用它作为电子计算机的元件，用这种元件做成的计算机有许多优点，首先它的开关时间可达10-10 秒，这样可使计算机运算速度提高一个数量级以上。在军事上，由于现代战争更多使用电子战，计算机的应用显得十分重要，特别是超导计算机具有高的运算速度，可提高部队的应变反应速度，使部队能迅速行动，争取战争的主动权。在工业生产和科研中，提高计算机的速度也很有意义，它可以提高生产效率和工作效率。拿机器人来说，用超导隧道结做成的机器人，它的工作量是普通机器人的十倍以上，真正作到“以一当十“。预计 下个世纪将要诞生的超导计算机在无阻不发热的情况下高效率运行，其运行速度可达到每秒几十亿次。其次超导结的输出电压高，这意味着它输出的信号强，这一点可以使我们获得更加稳定、更加清晰的图象与数据，使我们今天使用的电脑在图象质量、清晰度及稳定性方面相形见绌。其次超导计算机功率损耗小，估计一次快速开关期间消耗的能量小于10-13 焦耳，这样使计算机内部几乎不发热，这一点对提高计算机的稳定性和延长计算机芯的寿命都非常重要，可以想象在下个世纪，谁先研制出超导技术计算机，谁将主宰计算机行业乃至世界经济。,超导计算机,量子计算机 光子计算机 生物计算机 神经网络计算机,1.2 计算机系统组成及工作原理,1.2.1 计算机系统组成,硬件,软件,看得见摸得着的元器件、电路板、零部件等物理实体和物理装置。硬件系统又称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码。,为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。,硬件系统举例：,软件系统举例：,1.2.2 计算机硬件系统,运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备,从逻辑功能分为:,运算器的功能是对数据进行各种运算。(主要是算术运算和逻辑运算以及数据的比较、移位等操作,控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，主要功能是协调并控制计算机硬件系统的各个部件按程序中安排好的指令序列执行指定工作，使整个计算机系统有条不紊地工作。,存储器是计算机系统的记忆部件，用于存放程序、参与运算的数据和运算的结果等，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存放。存储器的操作主要有读和写两种。,与存储器有关的基本概念及术语： 位(Bit)：计算机中的一个二进制位称为Bit。 字节(Byte) ：Byte 八个二进制位称为Byte。 容量：存储器能保存的二进制位的数量，通常用字节表示。 地址：计算机存储器被划分为存储单元来管理，每个单元包含若干个二进制位，每个单元有一个唯一的编号，称为存储单元的地址,输入设备是向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备。,输出设备的作用是将计算机内的处理 结果变成人们认识的形式。,1.2.3 计算机软件系统,软件是指在计算机上运行的程序及其使用和维护文档的总和。计算机软件系统分为系统软件和应用软件两类。,系统软件,应用软件,1、系统软件：在计算机系统中直接服务于计算机系统的由计算机的由计算机厂商或专业软件开发商提供的、供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。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。,包括 （1）操作系统,操作系统是最基本的系统软件，是管理和控制计算机中所有软件、硬件资源的一组程序。操作系统直接运行在裸机之上，对计算机硬件系统的第一次扩充，在操作系统的支持下，计算机才能运行其它软件。它为用户提供了一个方便友好的使用平台，因此，操作系统是计算机硬件系统与其他软件的接口，也是计算机和用户的接口。,（2）计算机语言及语言处理程序,（3）数据库及数据库管理系统,（4）诊断程序,2、应用软件：用户为解决实际问题开发的专门程序。,硬件系统和软件系统关系,1.2.4 计算机工作原理,1.2.4.1 存储程序原理,1、指令 每条指令规定了计算机要执行的一系列基本操作。,2、程序,程序,完成处理功能的所有指令的有序集合,计算机之父冯.诺依曼1946年提出了存储程序原理，奠定了计算机的基本结构、基本工作原理，开创了程序设计的新时代，其基本内容有 ： (1)用二进制形式表示数据与指令； (2)指令与数据都存放在存储器中，计算机工作时能够自动高速地从存储器中取出指令并执行； (3)计算机系统有五大部件组成。,3、存储程序原理,冯.诺依曼,1.2.4.2 计算机的工作原理,1、取指令,2、分析指令,3、执行指令,1.3 计算机中信息的表示,1.3.1 数制及其转换,1.计算机采用二进制的原因,二进制只有0和1两种状态，正好与物理部件的两种状态相对应，如门电路的高电平与低电平，如果采用十进制，则需要寻找有十个稳定状态的物理部件对应表示十个数字，或者采用其它方法描述十种状态，必然使得电路结构复杂。,二进制的0和1可以与逻辑代数中的“真”和“假”对应，便于应用逻辑代数理论研究计算机理论,2、计算机中常用的数制及相互转换,(1)数制的概念 按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称“数制”。,进位计数制有两个共同点,即按基数来进位或借位,按位权值来计算。 逢r进一 位权表示,十进制数制, 有十个不同的计数符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，故其基数为10； 按“逢十进一”的规则进行计数。,例：666.66 =,610261016100610-1610-2,二进制数制, 仅有两个不同的计数符号：0和1，其基数为2；,例：(101101.11) 2 =,12502412312202112012-112-2,=,=,32 + 0 + 8 + 4 + 0 +1 + 0.5 + 0.25,(45.75)10, 按“逢二进一”的规则计数。,八进制数制, 有八个不同的计数符号：0、1、2、3、4、5、6、7，其基数为8；,例：(642)8 = 682 + 481 + 280 = (418)10,(10, 100 , 101 . 010, 110, 1)2 = (245.264)8,(267.435)8 = (010110111.100011101)2, 按“逢八进一”的规则计数。,十六进制数制, 有16个不同的计数符号：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A(10)、B(11)、C(12)、D(13)、E(14)、F(15)，其基数为16位；,例: (9B4.4)16 =, 按“逢十六进一”的规则计数。,9162 + 11161 + 4160 + 416-1,=,(2484.25)10,3、二进制与十进制之间的相互转换,（1）十进制整数转换为二进制整数-“除2取余”,（2）十进制小数转换为二进制小数-“乘2取整”,（3）带整数和小数的二进制数转换为十进制 数由方法一和方法二综合组成。,1 3,6,3,1,0,2,2,2,2,余数,1,0,1,1,二进制数低位,二进制数高位,例1：(13)10 = ( )2,例1：(13)10 = ( )2,1 3,6,3,1,0,2,2,2,2,余数,1,0,1,1,二进制数低位,二进制数高位,1101,(0.6875)10 = ( )2,0. 6 8 7 5,2,3 7 5 0,1.,2,7 5 0,2,0.,5 0,1.,2,0,1.,整数,1,0,1,1,二进制数高位,二进制数低位,例2：,例2： (0.6875)10 = ( )2,0. 6 8 7 5,2,3 7 5 0,1.,2,7 5 0,2,0.,5 0,1.,2,0,1.,整数,1,0,1,1,二进制数高位,二进制数低位,0.1011,4、二进制与八进制、十六进制之间的相互转换,(1) 二进制数转换成八进制数：以小数点为分界点，左右三位一节，不足三位以零补足三位。,例: (101101.01) 2=(101，101.010)=(55.2)8,(2)八进制数转换成二进制数：将每位八进制数码以三位二进制数表示。,例: (76.42) 8=(111110.100010)2=(111110.10001)2,(3)二进制数转换成十六进制数：以小数点为分界点，左右每四位一节，不足四位以零补足四位。,(4)十六进制数转换成二进制数：将每位十六进制数码以四位二进制数表示。,1.3.2、数值在计算机中的表示,计算机中的数据：,数值型数据：128，(32.56)8；,非数值型数据：“学生”、。,1. 计算机中数的有关概念, 数的长度,1字节（byte)=8比特（bit）,在计算机中，数的长度按比特（bit)来计算。但因存储容量常以“字节”为计量单位，所以数据长度也常以字节为单位计算。, 数的符号,一般用数的最高位（左边第一位）来表示数的正负号，并约定以“0”表示正，以“1”表示负。, 小数点的表示方法,在计算机中表示数值型数据，其小数点的位置总是隐含的。 定点数表示方法:数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。 浮点数的表示方法,2、 带符号数的表示,假设直接用机器数进行计算，由于符号问题，会怎样？ 例：-5+8=？ 如何解决：计算机中存储机器数常用原码、反码和补码三种方式将机器数作进一步处理。,（1）原码,特点： (1)出现了正0和负0的形式不同 (2)原码表示数值数据简单、直观、与真值转换方便 (3)但不能用原码对两个同号数相减或异号数相加，否则会出现错误结果。？,用最高位表示数值的符号，右边各位表示数值的绝对值的方法叫原码表示法。,(+1100110)2,01100110,(+0000000)2,00000000,(-0000000)2,10000000,（2）反码,特点： (1)出现了正0和负0的形式不同 (2)但不能用反码对两个同号数相减或异号数相加，否则会出现错误结果。？,对于正数，反码与其原码相同；对于负数，反码是除符号外其它各位变反。,(+1100110)2,01100110,(+0000000)2,00000000,(-0000000)2,11111111,01100110,(-1100110)2,10011001,（2）补码,特点： (1) 正0和负0的形式相同； (2)计算机的加减法运算可以利用其补码直接统一做成加法，最后再把结果求补码得到真值。,对于正数，补码与其原码相同；对于负数，补码是其反码加1。,(+1100110)2,01100110,(+0000000)2,00000000,(-0000000)2,00000000,01100110,(-1100110)2,10011010,数的定点表示：将计算机中的小数点的位置视为是固定不变的。,(1) 定点整数,格式：,3. 定点数与浮点数表示方法,(2) 定点小数,格式：,(3) 浮点数的表示方法,格式：,阶码是指数部分的值,表示幂次,其基数通常取2。,X = + d 2+E,例如： (256.5)10 的浮点格式(32位)为：,所以（256.5)10 =,(100000000.1)2=,阶码:7位,数符,尾数:23位,阶符,(0.1000000001)229,1.3.3 非数值数据的表示,西文字符,汉字字符,多媒体数据,1西文字符编码-ASCII码 目前，国际上使用的字母、数字和符号的信息编码系统是采用美国标准信息交换码 （American Standard Code for Information Interchange），简称为ASCII码。,ASCII码表,2. 汉字编码,汉字编码比常用字符的编码要复杂得多，这是因为汉字的数量比较多，而且汉字的字形也是复杂多变。,汉字输入码 汉字输入码是指用户从键盘上输入汉字时所使用的编码。主要代表有： 音码如标准拼音、全拼双音、双拼双音等； 形码如五笔字型、郑码等 音形码如自然码等 数字码如电报码、区位码等。,(2) 汉字交换码（国标码） 汉字交换码是用于电脑信息交换的一种汉字编码，是电脑之间传递信息（汉字）的一种协议，计算机只能识别二进制编码，故所有的汉字都得转成二进制编码形式，要想在计算机中识别汉字必须在电脑中包含汉字交换码。就相当于人们说话都用汉语一样，大家才能沟通。,1981年我国颁布了GB2312国家标准。该标准选出6763个常用汉字和682个非汉字字符，并为每个字符规定了标准代码，以便在不同的计算机系统之间进行汉字文本交换。 GB2312字符集构成一个94行、94列的二维表，行号称为区号，列号称为位号，每一个汉字或符号在码表中的位置用它所在的区号和位号来表示国标码规定，每个汉字由一个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。,啊,区号16,位号01,区位码：“1601” 用十六进制表示为：1001H,区位码无法用于汉字通信，因为它可能与通信使用的控制码（00H1FH）（即031）发生冲突。又规定每个汉字的区