第1章计算机基础知识.ppt

计算机应用基础 第一章计算机基础知识 1 1概述 1 2计算机中信息的表示 1 3计算机系统及其工作原理 1 4计算机系统的软件 1 5微型计算机 1 6多媒体技术 目录 电子计算机的出现和发展是当代科学技术的最伟大成就之一 从第一台计算机问世以来 在短短五十多年时间里 计算机的发展取得了瞩目的成就 今天 计算机科学已作为一门先进的学科独立存在 计算机工业已成为改造传统工业 振兴国民经济的重要支柱 计算机在科学研究 工农业生产 国防建设以及社会各个领域的广泛应用已成为国家现代化的一个重要标志 随着计算机技术的飞速发展 今后 计算机作为一种崭新的生产力 将在信息社会及新技术革命中发挥关键的作用 并进一步推动人类社会更快地向前发展 1 1概述 1 1 1计算机的发展 1946年美国宾夕法尼亚大学制造了世界上第一台电子数字计算机 取名为ENIAC 即电子数字积分计算机 ElectronicNumericalIntegratorandCalculator 的缩写 制造ENIAC的电子元件是电子管和继电器 全机共使用了18000多个电子管 重达30吨 占地167平方米 耗电150千瓦 ENIAC作加法的运算速度为每秒5000次 1943年 美国军方为了进行一项复杂的军事计算 在美国陆军的支持下 开始着手第一台计算机的研制 上图为美国总统杜鲁门视察第一台计算机 ENIAC 1946年 在美国宾夕法尼亚大学摩尔电工系的工程师厄克特博士 左一 J PersperEckert 和物理学家毛希利博士 左五 JohisMuachly 带领研制下 第一台计算机诞生了 ENIAC的一角 ENIAC的一角 ENIAC的一角 ENIAC的一角 ENIAC的一角 随着科学技术的发展和计算机应用范围的扩大 计算机也在不断更新换代 到目前为止 计算机的发展已经历了四代 正向第五代过渡 第一代计算机 1946 1957年 电子管时代 基本电子元件为电子管 特点 体积大 耗电多 价格贵 运行速度和可靠性都不高 第二代计算机 1958 1964年 晶体管时代 基本电子元件为晶体管 特点 耗电只有电子管的十分之一 体积比电子管小 机械强度也较高 除科学计算以外 已开始使用计算机进行数据处理和过程控制 第三代计算机 1965 1970年 集成电路 IC 时代 基本电子元件为集成电路 特点 体积和耗电量进一步减小 可靠性 运算速度进一步提高 计算机在科学计算 数据处理和过程控制方面得到更加广泛的应用 第四代计算机 1970年以后 大规模集成电路 LSI 时代 基本电子元件为大规模集成电路 特点 把计算机的运算器 控制器等核心部件制作在一块集成电路上 使计算机朝巨型化和微型化的发展成为可能 同时为计算机网络化创造了条件 新一代计算机新一代计算机是对第四代以后的各种未来型计算机的总称 在习惯上也称为第五代计算机 由于计算机在从第一代到第四代的演变过程中 尽管发展速度惊人 但其工作原理和设计思想去始终一脉相承 即都采用了冯 诺依曼的 存储程序原理 因此 尽管计算机被称为 电脑 但其实在本质上仍然只是一种机器 它们只能按照人们事先设计好的程序运行 只能部分地 有限地模仿人类的智能 而新一代计算机则希望在这方面有重大突破 即希望新一代计算机能最大限度地模拟人脑的功能 具有人类大脑所特有的联想 推理 学习等能力 具有对语言 声音 图像以及各种模糊信息的感知 识别和处理能力 1 1 2计算机的分类 按照计算机的运算速度 存储容量 软件配置等综合指标计算机划分为 巨型机 大型机 小型机 微型机 小巨型机和工作站等几大类 1 巨型机 功能最强 价格最贵 应用于现代科技领域尤其是国防尖端领域中 巨型机的生产和研制具有很高要求 是衡量一个国家经济实力和科技水平的重要标志 2 大型机 具有大型 通用 综合处理能力强 性能覆盖面广等特点 主要应用于大公司 银行 政府部门 制造企业等大型机构中 是事务处理 商业处理 信息管理 大型数据库和数据通信的主要支柱 大型机的生产和研制技术复杂 耗资巨大 国外只有少数公司能进行大型机的生产和销售工作 3 小型机 具有体积小 价格低 性能价格比高 易于操作和维护等优点 广泛应用于工业控制 数据采集 分析计算 企业管理 以及大学和研究所的科学计算中 也可用作巨型机或大型机系统的辅助机 4 微型机 个人计算机 微型机简称微机 PC机 是当今世界上使用最广泛 产量最大的一类计算机 1971年美国Intel公司成功地在一块芯片上实现了中央处理器的功能 研制出世界上第一片微处理器MPU以来 微机几乎无处不在 轻 小 廉 易是微型机的重要特点 5 工作站 工作站是介于微型机和小型机之间的一种高档微机系统 它具有较强的图形功能和数据处理能力 一般配有大屏幕显示器和大容量的内外存 在工程领域 特别是在计算机辅助设计领域得到迅速推广 SUN HP SGI等公司都是著名的工作站厂家 6 小巨型机 设计小巨型机的目的是 保持或略为降低巨型机性能的前提下 较大幅度地降低巨型机的价格 主要途径有两条 一利用高性能微处理器组成并行多处理系统 使巨型机小型化 二是把部分巨型机技术引入超级小型机 使其功能巨型化 1 1 3计算机的特点与应用 1 计算机的特点 1 运算速度快计算机的运算速度已从最初的每秒几千次发展到现在的最高每秒几万亿次 2 计算精度高计算机的有效数字可达十几位 几十位 甚至上百位 3 存储功能强计算机具有存储 信息 的存储装置 可以存储大量的数据 当需要时 又能准确无误地取出来 4 具有逻辑判断能力计算机既可以进行算术运算又可以进行逻辑运算 可以对文字 符号进行判断和比较 进行逻辑推理和证明 5 具有自动运行能力计算机不仅能存储数据 还能存储程序 2 计算机的应用 1 科学计算利用计算机的高速度 大存储量和连续运算的能力 可以完成许多人工无法实现的科学计算问题 2 数据处理数据处理是指对原始数据进行收集 整理 合并 选择 存储 输出等加工的过程 也称信息处理 3 过程控制过程控制是指实时采集 检测数据 并进行处理和判定 按最佳值进行调节的过程 4 计算机辅助设计 CAD 与辅助教学 CAI CAD是指用计算机帮助工程技术人员进行设计工作 CAI是指用计算机来辅助进行教学工作 5 人工智能人工智能是指用计算机来 模仿 人的智能 使计算机具有识别语言 文字 图形和 推理 学习 适应环境的能力 1 1 4信息社会与计算机文化 1 信息社会是人类发展的必然2 信息社会的特征3 计算机文化 小结 分类 巨型大型小型微型工作站小巨型应用 数值计算数椐处理过程控制辅助设计人工智能特点 速度快精度高存储功能逻辑判断自动运行 计算机所处理的信息都是以二进制形式进行存储和处理的 对于进一步学习和加深对计算机工作过程的理解 很有必要了解一些进制的基本概念 1 2计算机中信息的表示 1 2 1进位计数制 1 进位计数制的概念进位计数制 把一组特定的符号按先后顺序排列起来 从低到高进位 以此来表达一个数字的方法 其中 每个数位上所能使用的符号个数 称为基数 每个数位上1所代表的确定数值 称为位权 位权以指数形式表达 指数的底就是该进位制的基数 例 一个十进制数975310每个数位上所能使用的符号个数 基数为 从右到左第5位 即符号为7 这一位的位权 十进制数的指数形式表达为 10 10 10000 9 105 7 104 5 103 3 102 1 101 0 100 任何一个N位R进制的数都可以用数字与其位权乘积之和的形式来表达 其公式为 D1D2 DN R DiRN i D1RN 1 D2RN 2 DN 1R1 DNR0另外 运算中还要遵守 逢R进一 借一当R 的进位规则 例 一个八进制数5741R N 8 4 D1 D2 D3 D4 5 7 4 1 5 83 7 82 4 81 1 80 2 常用的进位计数制简介十进制十进制数 进位规则为 逢十进一 基数为10 即每一位都有10种状态 分别用10个数字符号0 9表示 第N个位置的位权为10N 1 表示每个符号在数中不同的位置表示不同的大小 任何一个十进制数都可以表示为数字与10的幂次乘积之和 4 103 5 102 4 101 8 100 2 10 1 5 10 2 二进制基数为10的计数制称为十进制数 同理 基数为2的计数制就称为二进制 二进制数 进位规则为 逢二进一 基数为2 即每一位只有两种状态 分别用数字符号0和1表示 第N个位置的位权为2N 1 整数部分的位权从低到高依次是20 21 22 小数部分的位权从高到低依次是2 1 2 2 2 3 位权与十进制数值的对应关系如下表所示 16 8 4 2 1 1 2 1 4 1 8 1 23 0 22 1 21 1 20 0 2 1 1 2 2 2 常用的进位计数制简介二进制在计算机中为什么采用二进制 是因为它具有以下优点 1 易于表示二进制中只有 0 和 1 两种状态 2 运算简单在二进制中 两个整数 和 与 积 的运算规则只有三条 加法 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 10乘法 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 3 易于逻辑运算采用二进制后 可以方便地进行逻辑运算 使逻辑代数成为计算机电路设计的数学基础 2 常用的进位计数制简介八进制和十六进制在计算机中数的表示是采用二进制形式 但在书写或显示时常采用八进制和十六进制作为二进制的缩写 八进制的基数为8 用八个符号0 7表示 进位规则为 逢八进一 位权是8的各次幂 十六进制的基数为16 用16个符号0 9及A B C D E F表示 进位规则为 逢十六进一 位权是16的各次幂 7 82 3 81 5 80 448 24 5 477 3 162 F 161 D 160 768 240 13 1021 例 二进制数1011可表示为 八进制数675可表示为 十进制数824可表示为 十六进制数1FE2可表示为 为表达不同的数制 也可在数字的后面加上字母以区分 其中 B表示二进制数 O表示八进制数 D表示十进制数 H表示十六进制数 1001B 675O 824D 1FE2H 1 2 2 0 125 5 8 1 0 0625 E 16 1 1 2 3 13 375D 4 8 2 478 6875D 8 16 2 0 03125 3 不同计数制的相互转换 1 二 八 十六进制数转换为十进制数按照多项式求和的方法进行计算 1 23 1 22 0 21 1 20 0 2 1 8 4 0 1 0 0 25 7 82 3 81 6 80 448 24 6 0 625 3 163 D 162 F 161 7 160 12288 3328 240 7 0 875 15863 90625D 2 十进制数转换为二 八 十六进制数整数部分和小数部分须分别遵守不同的规则 整数部分 除R取余 规则 先余为低位 后余为高位 60 1 30 0 15 0 7 1 3 1 1 1 0 1 1111001B 小数部分 乘R取整 规则 先整为高位 后整为低位 0 755 0 0 755 1 51 1 0 51 1 02 1 0 02 0 04 0 0 08 0 16 0 0 16 0 32 0 0 32 0 64 0 0 64 1 28 1 0 01100001B 任意数 既包含有整数又包含有小数的数 先求整数部分 再求小数部分 最后将整数与小数相拼 则可得到结果 例 将十进制数121 3775D转换成二进制数 整数部分 121D 小数部分 0 3775D 结果 121 3775 1111001B 0 01100001B 1111001 01100001B 3 二进制数与八 十六进制数间的转换由于每位八进制数都可以固定地由3位二进制数表示 23 8 每位十六进制数也都可以固定地由4位二进制数表示 24 16 因此 二进制数与八进制数 十六进制数的转换十分方便 例 将二进制数11010110101B转换成八进制数 2 将八进制数1762O转换成二进制数 8 101 5 110 6 010 2 011 3 3265 8 1 001 7 111 6 110 2 010 1111110010 2 例 将二进制数1010100111111010B转换成十六进制数 2 将十六进制数7EF9O转换成二进制数 16 1010 A 1111 F 1001 9 1010 A A9FA 16 7 0111 E 1110 F 1111 9 1001 111111011111001 2 4 几个重要的概念 位 字节及其他 1 位 bit 位是计算机中最小的信息单位 它只有两种可能的状态 用 0 和 1 表示 2 字节 Byte 字节是信息的基本单位 8个二进制 位 构成一个字节 一个字节可以表示28 256种状态 可以存放一个整数 0 255 或一个字符的编码 计算机中常以字节为单位来表示文件或数据的长度以及存储容量的大小 3 K 兆 M 吉 G 计算机中 1K 210 1024字节1M 220 1024K 约104万 1G 230 1024M 约10亿 1 2 2机器中数的表示 二进制数在计算机中的表示形式称为机器数 要在计算机中表示一个数值型的数 首先将它转换为二进制数 然后还要考虑以下几个问题 1 字长机器数的位数由机器中存放一个数所使用的电子器件位数所固定的 这个固定的二进制位数就称为机器的字长 由于字长的限制 如果计算机运算的结果超过了机器数所能表示的范围 就会产生 溢出 CPU8086286386 486586WORD16163264ABUS20 1M 24 16M 32 4G 64 1T 1 2 3字符的表示 为了符合人们的习惯 使用计算机时能用十进制数及常用的字母 字符完成信息的输入和输出 在机器内又能以二进制数进行处理 因此信息必须用二进制编码 所谓编码是用一串二进制数码代表一位十进制数字或一个字符 现在国际上广泛采用美国标准信息代码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 表示字符 简称为ASCII码 1 ASCII码 从表中看到 1 ASCII码是7位码 共有128个符号 2 表中包括33个控制符 主要用于打印控制及数据传输等的控制 3 其余95个为可打印字符 其中包括大小写英文字母各26个 数字0 9共10个 以及标点符号 运算符等其他符号 ASCII码字符可存放在一个字节中 最高位用 0 填充 2 汉字编码 1 国标码 区位码 内码按国标GB2312 80作为汉字系统必须遵守的国家标准 收入了6763个常用汉字 及其他687个图形符号 共计7445个字符 并按94行 94列排列在一张大码表中 其中行号称为区号 列号称为位号 所以又叫区位码 为了使汉字编码与ASCII码相区别 通常把汉字交换码两个字节的最高位都置1 作为计算机内部存储 处理和传输汉字信息时使用的编码 所以又称为机器内码 输出设备 查字库 翻译程序 输入设备 2 汉字的外码在输入方法上 汉字的键盘输入必须采用编码方法 由于这种汉字输入编码通常只在汉字录入时使用 因此 它与计算机内用于存储和处理数据的内码相对应 称为汉字的外码 其中常见的输入方法有 区位 拼音 五笔 电报码 自然码等十几种 存储 处理 外码 内码 内码 字模 CPU 3 汉字字形码汉字在计算机中以内码形式存储和处理 在输出时 还需要把内码转换成人们熟悉的印刷体字形 这个字形的编码 就是汉字字形码 下面以点阵字形为例来简单说明字形码的概念 如果用一个存储位的 0 1 表示点阵字形中一个点的亮灭 则存储一个16 16点阵汉字需要位 共字节 存储24 24点阵汉字需要位 共字节 256 32 576 72 1 3 1计算机系统的组成 计算机硬件由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备五个基本部分组成 如下图所示 硬件系统 主机 外部设备 中央处理器 主存储器 内存 运算器 控制器 输入设备 输出设备 辅助存储器 外存 1 3计算机系统及其工作原理 1 3 2计算机基本工作原理 指令每个动作对应一组二进制编码指令系统全部指令的集合 视机器而不同程序据算法编写的指令组合序列存储程序原理 运算器 存储器 控制器 输出设备 输入设备 数据程序 结果 冯 诺依曼机计算机由五大部件组成采用存储程序的工作方式事先编程将程序 含数据 存入存储器控制器依程序自动控制全机协调完成任务 1 3 3计算机存储器 1 内存处系统中心 依字节编址 半导体材料 速度快 价格高 RAM随机存储器 切断电源 数据丢失 ROM只读存储器 信息可长期保存 2 外存磁鼓 磁带 磁盘 光盘 容量大 价格低 速度慢 软盘保护8忌 脏 摸 弯 压 热 晒 磁 潮 CACHE高速缓存 不参加编址 计算机软件分为系统软件和应用软件两大类 1 4计算机系统的软件 硬件 操作系统 应用系统 用户程序 1 4 1系统软件 系统软件是一组用于管理计算机系统资源 提高机器使用效率 方便用户使用的程序的集合 系统软件主要包括操作系统 语言处理程序和各种服务程序 1 操作系统操作系统是用来管理计算机软硬件资源 控制计算机工作流程 并能方便用户使用的一系列程序的总和 功能 一是通过资源管理 提高计算机的使用效率 二是向用户提供良好的使用环境 提高用户的工作效率 分类 批处理 分时 实时 分布式 网络操作系统 2 程序设计语言程序设计语言 机器语言 汇编语言 高级语言 语言处理程序 处理程序是把源程序翻译成机器能识别的目标程序的程序 它包括汇编程序和编译程序 3 服务程序机器的监控管理程序 调试程序 故障检测和诊断程序 4 系统程序库系统程序库是计算机公司把具有公用价值的 最有效的程序收集并组织在一起而形成的 1 5微型计算机 1 5 1微型计算机系统概述 其硬件结构的特点是各部件都 挂 在系统总线上 中央处理器 CPU 主存储器 磁盘驱动器接口 磁盘驱动器 输入 输出接口 输入 输出设备 键盘打印机等 通信线路接口 总线 通过前面的结构图可以看到 在微型计算机系统中 微处理器是整个系统的核心 微处理器通过系统总路线与其他部件相联系 系统中的部件全部 挂 在系统总线上 所有地址信号 数据信号和控制信号全都通过系统总路线进行传送 微处理器配上存储器和输入 输出接口电路 就构成了微型计算机的主机 如果再进一步连接相关外部设备并配以系统软件 则构成一个完整的微型计算机系统 主机是微型计算机最主要的组成部分之一 打开微型计算机主机箱盖板后 可以看到安放在其中的主板 电源 硬盘 软盘驱动器以及一些功能卡 典型的主机箱内部结构如下图所示 1 5 2主机 1主板 在主机箱中最大的一块电路板称为主板 也称为母板 其外观如下图所示 主板是整个微型计算机系统内部结构的基础 虽然市场上的主板种类繁多 结构布局也各不相同 但其主要功能和组成部件却是基本一致的 主板上的主要部件包括 控制芯片组 CPU插座 内存插槽 总线扩展槽 BIOS芯片以及各种外设接口等 微型计算机正是通过主板将CPU 内存 显卡 声卡 键盘 鼠标等部件连接成一个整体并协调工作的 微处理器是整个微型计算机系统的核心 它安装在主板的CPU插座中 微处理器是由制作在一块芯片上的控制器 运算器 若干寄存器以及内部数据通路构成的 其主要功能是控制整个微机的运行并完成相应的算术运算和逻辑运算 外观如下图所示 2微处理器 其中 寄存器用于暂存指令和进行运算的数据 寄存器的位数也是影响计算机性能与速度的一个重要因素 计算机的字长首先是指操作数寄存器的长度 也要考虑出入处理器的数据宽度 处理器的字长可分为8位 16位 32位 64位等多种 字长越长 则表示数的有效位数就越多 精度也越高 由于微处理器性能对整个微机系统的性能具有重大影响 因此 人们往往用CPU型号作为衡量PC机档次的标准 内部存储器是直接与CPU相连的存储部件 主要用来存放即将执行的程序以及相关数据 微机的内部存储器包括 只读存储器ROM 随机存储器RAM和高速缓冲存储器Cache CMOS等 3内部存储器 只读存储器ROM 随机存储器RAM 高速缓冲存储器Cache CMOS存储器 总线是连接微机CPU 存储器和输入 输出设备等的公共信息通道 总线好像人的神经系统 它在微机各部件之间传递信息 4总线 在微机CPU 存储器和输入 输出接口之间传递数据的通道称为数据总线 在数据传送时 必须指定数据的传递地址 传递地址信息的通道就称为地址总线 微机工作时由CPU的控制部件向存储器及输入 输出电路发出控制信号 这种传递控制信号的通道称为控制总线 时钟电路是为计算机设置的产生最小基本节拍信号的信号源 时钟可作为基本计时单元 用于产生同步信号和形成各种控制信号 5时钟电路和电源 电源是微型计算机硬件系统必不可少的部分 通常要求提供几伏到几十伏的直流电压 电源装置通常设置有保护电路 出故障时 电源会自动断开 直到故障排除为止 输入 输出接口 I O接口 是CPU与外设进行信息交换的部件 由于主机是由集成电路芯片连接而成的 而外设通常是机电结合的装置 因此在它们之间通常存在着速度 时序和信息格式等方面的差异 输入 输出接口的主要功能就是解决上述不匹配的问题 使各种外部设备能与主机协调工作 6输入 输出接口 辅助存储器又称为外部存储器 简称外存 辅助存储器与内存的区别在于 存放在辅助存储器中的数据必须调入内存后才能被CPU使用 辅助存储器在结构上大多由存储介质和驱动器两部分组成 其中 存储介质是一种可以表示两种不同状态并以此来存储数据的材料 例如 生产磁盘用的磁介质 而驱动器则负责向存储介质中写入或读出数据 在微型计算机中 常见的辅助存储器包括 软盘 硬盘 光盘和磁带等 1 5 3辅助存储器 1磁盘 磁盘是计算机系统中最常用的辅助存储器 它以铝合金或塑料作为基盘 在基盘两面涂以磁性材料 通过电子方式控制磁盘表面的磁化状态 以达到记录 0 1 信息的目的 在计算机中 磁盘信息的读写是通过磁盘驱动器来完成的 当磁盘工作时 磁盘驱动器带动磁盘片高速转动 磁头掠过盘片的轨迹形成一个个同心圆 这些同心圆称为磁道 磁盘可分为软盘和硬盘两大类 硬盘 软盘 在微型计算机中的磁盘通常包括 安装在主机箱内的1 2个软盘驱动器 称为A 驱 B 驱 一个硬盘称为C 驱 如果还安装有第二个硬盘或光盘驱动器则以此类推 分别称为D 驱 E 驱 F 驱等等 2光盘 光盘的工作原理 光盘驱动器的速度 光盘的分类 光盘的使用 DVD ROM 3其他存储设备 USB闪存存储器 USB移动硬盘 输入设备的功能是将数据 程序 命令或用户应答等信