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2008年10月 第一章至第六章 计算机应用基础 主要授课内容 第1页 1 1计算机的发展与应用1 计算机发展过程1946年第一台电子计算机ENIAC由美国宾夕法尼亚大学研制成功 全名为 电子数值积分和计算机 根据计算机所使用的电子器件 可将计算机的发展划分4个时代 1 第一代计算机 1946 1958年 使用电子管作为主要电子器件 其主存储器采用磁鼓 外存储器采用磁带 纸带 卡片等 其主要特点是体积大 耗电多 重量重 维修困难 使用不方便 性能低 只在军事或科学研究部门使用 主要用于科学计算 第1章计算机基础知识 第2页 2 第二代计算机 1959 1964年 使用晶体管作为主要电子器件 其主存储器采用磁芯 外存储器使用磁带 磁盘 在体积 重量和功耗方面都比电子管计算机小得多 并且运算速度进一步提高 达几十万次 秒 这一代计算机不仅用于科学计算 还用于数据处理 并开始用于工业控制 3 第三代计算机 1965 1970年 使用中 MSI 小型 SSI 规模集成电路作为主要电子器件 其主存储器采用半导体元件 取代了原来的磁芯存储器 使存储容量和存取速度有了大幅度的提高 磁盘成了不可缺少的辅助存储器 存储容量可达几兆字节 运算速度可达每秒几十万至几百万次 并出现了操作系统和会话式语言 计算机进入普及阶段 广泛用于数据处理 过程控制 教育等各方面 第3页 4 第四代计算机 20世纪70年代初至今 使用大规模集成电路 LSI 和超大规模集成电路 VLSI 为主要电子器件 在硅半导体上集成了1000 100000个以上电子元器件 采用集成度很高的半导体存储器 计算机的速度可以达到每秒上千万次到十万亿次 操作系统不断完善 应用软件已成为现代工业的一部分 计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代 5 未来计算机智能计算机 第五代计算机 此系统中考虑了编制知识库管理软件和推理机 机器本身能根据存储的知识进行判断和推理 6 生物计算机 遗传基因脱氧核糖核酸的双螺旋结构能容纳巨量信息 其存储量相当于半导体芯片的数百万倍 一个蛋白质分子就是一个存储体 而且阻抗低 能耗少 发热量极小 第4页 第5页 2 微型计算机的发展在计算机的发展历程中 微型机的出现开辟了计算机的新纪元 微型机因其体积小 结构紧凑而得名 它的一个重要特点是将中央处理器 CPU 制作在一块集成电路芯片上 这种芯片称为微处理器 1 第一代微型机 1972年 1971年美国Intel公司首先研制成4004微处理器 它是一种4位微处理器 随后又研制出8位微处理器Intel8008 它主要采用工艺简单 速度较低的P沟道MOS MetalOxideSemiconductor 金属氧化物半导体 电路 这就是人们通常所说的第一代微处理器 第6页 2 第二代微型机 1973年 出现了采用速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器 这就是第二代微处理器 具有代表性的产品有Intel公司的Intel 8085 Motorola公司的M6800 Zilog公司的Z80等 3 第三代微型机 1978 1981年 1978年 16位微处理器的出现 标志着微处理器进入第三代 首先开发成功16位微处理器的是Intel公司 典型的产品是Intel8086 此产品在性能上比第二代的Intel8085有了大幅度的提高 第7页 4 第四代微型机 80年代至今 1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器问世 这一阶段的典型产品是Intel80386 80486 Zilog公司的Z80000 HP公司的HP 32等 标志着第四代微处理器的诞生 1993年 Intel公司推出PentiumIV64位的微处理器组成的计算机 微型机计算机从4位 8位 16位 32位至64位迅速增长 速度越来越快 容量越来越大 其性能已赶上甚至超过20世纪70年代的中 小型机水平 第8页 3 计算机分类计算机从原理可以分为 模拟计算机和数字计算机两大类 1 电子模拟计算机 处理在时间和数值上连续的量 计算机的运算部件由放大器构成 由于其运算过程为连续的 计算精度较低 应用范围窄 目前很少生产 2 电子数字计算机 处理离散的量 运算部件为数字逻辑电路 按数字位进行计算 其特点是运算速度快 精确度高 具有逻辑判断等功能 3 数模混合计算机 兼有数字和模拟两种计算机的优点 即可以接收 处理和输出模拟量 也可以接收 处理和输出数字量 数字计算机又可以按照不同要求进行划分按计算机使用范围 通用计算机 专用计算机按计算机能力大小分类 巨型机 小巨型机 大型机 小型机 工作站 个人计算机 4 计算机的特点 1 运算速度快 2 精确度高 3 具有记忆能力 4 具有逻辑判断能力 5 具有自动控制能力 6 通用性强计算机的发展趋势可以概括为巨型化 微型化 网络化 智能化和多媒体化 5 计算机应用领域 主要用途 1 科学计算 2 自动控制 3 数据处理 信息处理 4 计算机辅助设计 CAD CAM CAE CIMS CAI 5 人工智能 6 计算机网络通信 7 多媒体技术应用 第9页 第10页 6 信息的基本概念信息是人们由客观事物得到的 使用人们能够认知客观的事物的各种消息 情报 数字 信号 图像 语音等包括的内容 信息是人类的一种资源 数据是客观事物的属性的表示 可以是数值数据和各种非数值数据 对计算机而言 数据是指能够为处理的经过数字化的信息 第11页 1 2计算机中的信息表示1 数值在计算机中的表示形式 1 十进制 十进制计数法 遵循 逢十进一 的规则 十进制数有10个数码为 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 123 1 102 2 101 3 100一个十进制数的数值便等于它的各位数上的数字乘以相应权的总和 2 二进制 计算机采用的计数制 二进制数的特点 有两个数码0 1 采用 逢二进一 的原则 基数为2 101 2 1 22 0 21 1 20 5 10 1001011 11 2 1 26 0 25 0 24 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 75 75 10 3 八进制数的特点 有8个数码0 1 2 3 4 5 6 7 采用 逢八进一 的原则 基数为8 例如 八进制数 113 6 8写成展开式 相当于十进制数为 113 6 8 1 82 1 81 3 80 6 8 1 75 75 10 4 十六进制数十六进制数的特点 有16个数码0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 采用 逢十六进一 的原则 基数为16 例如 十六进制数 4B C 16相当于十进制数为 4B C 16 4 161 B 160 C 16 1 75 75 10 第12页 2 各进制之间的转换 1 十进制数转换二进制 八进制 十六进制例如 将十进制数的37转换为二进制数小数部分采用乘2取整法 将十进制小数0 8125转换为二进制小数将十进制数37 81257转换为二进制数 2 十六进制数 八进制数与二进制数之间的相互转换将十六进制数B4 CA7转换为二进制将八进制数64 53转换为二进制数将二进制数110101 01111转换为八进制数 十六进制数 第13页 第14页 3 数据的单位存储容量的表示方法 计算机中表示存储容量的单位有位 字节等 位 也称作比特位 是存储设备的最小信息容量单位 是用0和1表示的二进制数位 记作bit binarybit 或小写字母b 字节是计算机的最小存储单位 微机中一个字节包含了8个bit 字节记作Byte 或大写母B 为了便于表示 人们用一些特定的符号表示容量的大小 1B 8b1KB 千字节 1024B 210B1MB 兆字节 1024KB 220B1GB 吉字节 1024MB 230B1TB 太字节 1024GB1PB 拍字节 1024TB 4 字符编码 1 字符编码在计算机中不能直接存储英文字母或专用字符 如果想把一个字符存放到计算机内存中 就必须用二进制代码来表示 同时 这些字符编码涉及世界范围内的有关信息表示 交换 存储的基本问题 因此必须有一个标准 ASCII码大多数计算机采用ASCII作为字符编码 ASCII码即 美国标准信息交换代码 ASCII码采用7位二进制编码 一共可以表示128个字符 包括字母和各种符号 它们必须按规定好的二进制码来表示 计算机才能处理 第15页 汉字编码是针对汉字的计算机输入及机内表示设计的内码用连续的两个字节表示 且规定每个字节的最高位为 1 这是中国国家标准 是人们掌握汉字输入方法的依据 汉字编码有国标码 区位码 机内码 输入码和输出码等 第16页 第17页 1 3计算机系统1 计算机系统的基本组成 计算机系统 硬件系统 软件系统 主机 外部设备 中央处理器 CPU 内存储器 运算器 控制器 只读存储器 ROM 随机存储器 RAM 外存储器 输入设备 输出设备 系统软件 操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 支撑软件 诊断程序及其它 应用软件 应用程序 函数库 第18页 1946年美籍匈牙利数学家冯 诺依曼提出了以二进制程序存储控制原理 奠定了计算机的基本结构和工作原理的技术基础 存储程序原理的主要思想是 将程序和数据存放到计算机内部的存储器中 计算机在程序的控制下一步一步进行处理 直到得出结果 冯 诺依曼结构计算机由五大部分构成如下图 第19页 冯 诺依曼结构的计算机 第20页 1 运算器 又称算术逻辑部件 ALU 是对数据进行各种算术运算和逻辑运算的部件 它由加法器和补码器等组成 2 控制器 是计算机的指挥系统 计算机的工作就是在控制器控制下有条不紊协调工作的 依据程序中规定的控制方式 按照要求控制器通过地址访问存储器进行逐条取出选中单元的指令 分析指令 根据指令产生相应的控制信号作用于其它各个部件 控制其它部件完成指令要求的操作 上述过程周而复始 保证计算机能自动 连续地工作 3 存储器 4 输入设备 5 输出设备 第21页 2 计算机硬件系统 1 微型计算机的结构主机板 微型计算机的主体 采用模块化设计 由十几个功能模块组成 CMOS CPU插座 内存条插座 Cache高速缓冲存储器 BIOS基本输入输出系统 basicinputandoutputsystem I O扩展槽 控制芯片组 键盘插座 软盘驱动器接口 硬盘插座 串口 COM1 COM2 与并口 LPT1 电源插座 总线扩展插槽 ISA PCI等 第22页 CPU 接口和总线的概念 第23页 2 中央处理器CPU又称微处理器 它包括运算器和控制器两个部件 是计算机系统的核心 CPU的主要功能是按照程序给出的指令序列分析指令 执行指令 完成对数据的加工处理 从内存中接收指令和数据 然后处理这些指令 将处理结果再送回内存中 结果可以显示和存储起来 RAM CPU 数据 已处理的数据 RAM中包含了数据和处理这些数据的指令 数据总线将数据和指令从RAM送到CPU处理 数据在此处理 数据总线将处理过的数据送回RAM 这样结果就可以显示 输出或存储到外存上 第24页 3 存储器存储程序和数据的部件 又分内存外存内存 内存也称主存储器 或主存 CPU只能直接存取存储在内存中的程序和数据 特点 存储速度快 存储容量有限分为ROM 只读存储器 RAM 随机存储器 外存也称辅助存储器 或外部存储器 常见的有磁带 磁盘 硬盘 光盘 U盘 移动硬盘 闪存卡 CF卡 SM卡 SD卡 MMC卡等 第25页 软盘存储的信息是按磁道和扇区组织存储的 磁道号从外向内编起越来越大 格式化 就是对磁盘进行划分磁道和扇区并写上个扇区的地址标记 通常格式化后在软盘上会产生四个区域 即引导区 BOOT 文件分配表 FAT 文件目录表区 FDT 和数据区 硬盘是按柱面 磁头号和扇区的格式存储信息的 数据在硬盘上的位置通过柱面号 磁头号和扇区号三个参数来确定 第26页 第27页 4 主机 在硬件系统中 CPU 内存和连接输入输出装置的接口 5 外部设备 输入设备 输出设备统称外部设备 简称I O设备 6 I O接口 外部设备品种繁多 不同的外设物理性能相差极大 因而不能与主机相连 而必须在主机与外设之间通过称之为 I O接口电路 的逻辑部件 才能实现主机与外设之间的信息交换 7 总线 是一组连接各个部件的公共通信线 即各个有联系的部件不是单独地使用导线连接 而是一律连接到总线上 因此各部件间的通信关系变成面向总线的单一关系 所以总线是各部件公用的 第28页 总线英文为BUS 意思是说任何一部件的信息都可BUS传送 然而 任一瞬时总线上只能出现一个不见发往另一部件的信息 这意味着总线只能分时使用 根据总线传送信息的不同 分为地址总线 AB 数据总线 DB 和控制总线 CB 目前微型机总线已经标准化 586广泛采用的是ISA和PCI两种总线标准 ISA 是一种16位的总线结构PCI 是一种32位的高性能的局部总线 可扩展到64位与ISA总线兼容 EISA 是一种32位的总线 与ISA总线兼容 即ISA卡可以直接插入EISA插曹 是一个开放的体系结构 在微机中广泛应用 第29页 常用外部设备的性能指标 1 键盘 2 鼠标 3 扫描仪 4 显示器 5 打印机 6 绘图仪微机的性能指标及配置 1 基本字长 是CPU一次可以处理的二进制位数 字长主要影响计算机的精度和速度 2 运算速度 衡量计算机CPU工作快慢的指标 一般以每秒完成多少次运算来度量 3 主存容量 衡量计算机记忆能力的指标 4 输入输出数据传输速率 决定了可用外设与外设交换数据的速度 5 可靠性 连续无故障运行时间的长短 6 兼容性 向下兼容 第30页 3 计算机软件系统根据各种软件在系统中所处的不同的地位和作用 可以将软件分为系统软件和应用软件两大类 1 系统软件 是管理 监控 维护计算机资源 使计算机高效率工作的一组文件和程序 分为 操作系统 语言处理系统和例行服务程序三类 2 应用软件 在计算机硬件和系统软件的支持下由软件开发人员编制的为解决计算机各类应用问题而编制的软件系统 它具有很强的实用性 应用软件是由系统软件开发的 分为 用户程序和应用软件包 计算机软件是有层次关系的 这种层次关系是指处在内层的软件要向外层的软件提供服务 处在外层的软件要在内层软件的支持下才能运行 第31页 3 计算机语言机器语言 即二进制语言 这是直接用二进制代码指令表示的计算机语言 是计算机唯一能直接识别 直接执行的计算机语言 汇编语言 用一些助记符表示指令功能的计算机语言 它和机器语言基本上是一一对应的 便于记忆 高级语言 与具体的计算机指令无关 其表达方式更接近人们对求解过程或问题的描述方式 这是面向程序的 易于掌握和书写的程序设计语言 练习 1 在下图表示的计算机硬件方框图中 方框 1 5 各表示什么 其中表示信息传递 表示控制信号 第26页 第27页 1 4信息编码1 数值在计算机中的表示形式 1 十进制 十进制计数法 123 1 102 2 101 3 100一个十进制数的数值便等于它的各位数上的数字乘以相应权的总和 2 二进制 计算机采用的计数制 101 2 1 22 0 21 1 20 5 10 1001011 11 2 1 26 0 25 0 24 1 23 0 22 1 21 1 20 1 2 1 1 2 2 75 75 10 第28页 3 八进制 二进制数每三位合并成 一位 得到八进制位数 101 2 5 8 5 80 5 10 1001011 11 2 113 6 8 1 82 1 81 3 80 6 8 1 75 75 10 101 8 1000001 2 1 26 1 20 65 10 323 5 8 11010011 101 2