第1章 计算机应用基础知识概述

第1章 计算机应用基础知识概述,1.1 计算机的起源与发展历程,1.5 计算机中信息的表示与编码,1.4 计算机中的数制与转换,1.6 微型计算机的硬件组成,1.2 计算机在信息社会中的应用,1.3 计算机系统的组成与工作原理,1.1 计算机的起源与发展历程,1.1.1 计算机的起源,1最早的计算工具：人的双手,2劳动实践中发明的计算工具,原始社会：结绳、垒石 春秋战国：算筹 唐代末：算盘,3近代的计算机发展,1822年英国数学家查尔斯巴贝奇 ：差分机 1834年英国数学家查尔斯巴贝奇 ：分析机 1944年美国科学家霍德华艾肯 ：提出用机电方法来实现巴贝奇分析机，制造出Mark I 计算机,1.1.1 计算机的起源,已使计算机具有输入、处理、存储、输出及控制5个基本装置的构想，建构了今天电子计算机硬件系统组成的基本框架 。,1.1.2 电子计算机的问世,世界上第一台电子计算机 ：埃尼亚克（ENIAC）,1946年2月14日诞生于美国。需要功率150 kW，17 000多只电子管、10 000多只电容器、7 000多只电阻、1 500多个继电器，占地160 m2，重30 t，是名符其实的庞然大物。优点：每秒能够完成加法运算5 000次。利用它计算炮弹从发射到进入轨道的40个点仅用了3 s，而用手工操作台式计算机则需710小时，速度提高了8 400倍以上。缺点：不能存储程序、使用十进制数、且在机外用线路连接的方法来编排程序等严重缺陷。 ENIAC宣告了电子计算机时代的到来。,计算机发展的“第一”,第一台“存储程序”式计算机：EDVAC（离散变量自动电子计算机），1952年研制成功并投入使用，其运算速度是 ENIAC的 240倍。 第一台“存储程序”控制的实验室计算机： EDSAC ， 1949年5月在英国剑桥大学完成。 第一台“存储程序”控制的商品化计算机： UNIVAC-I，1951年问世。,1.1.3 电子计算机的发展阶段,1电子管计算机（19461957年 ）,2晶体管计算机（19581964年 ）,3集成电路计算机（19651970年 ）,4大规模和超大规模集成电路计算机(1971年至今),1.1.4 现代计算机的分类,1巨型机：也称为超级计算机,2小巨型机：也称为小型超级电脑或桌上超级计算机,3大型主机：也称为大型电脑,4小型机,5工作站,6个人计算机：也就是PC机,1.1.5 未来计算机发展展望,计算机发展的整体趋势：,1.1.5 未来计算机发展展望,1超越冯诺依曼结构,2高速计算机,3生物计算机,4光学计算机,5量子计算机,1.2 计算机在信息社会中的应用,1.2.1 计算机的特性与应用,1计算机的基本特性,运算速度快 运算精度高,具有逻辑判断能力 具有超强的记忆能力 具有自动控制能力,具有网络功能,1.2.1 计算机的特性与应用,2计算机的应用,（1）科学计算 也称为数值计算，主要是将计算机用于科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。是计算机的传统应用领域，例如，气象预报、地震探测、导弹卫星轨迹的计算等。,（2）数据处理 也称信息处理，是对大量非数值数据（文字、符号、声音、图像等）进行加工处理，例如，编辑、排版、分析、检索、统计、传输等。广泛应用于办公自动化、情报检索、事务管理等。近年来，利用计算机来综合处理文字、图形、图像、声音等的多媒体数据处理技术，已成为计算机最重要的发展方向。目前数据处理已成为计算机应用的主流。,计算机的应用,（3）过程控制 又称实时控制，指用计算机及时采集动态的监测数据，并按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或调节。不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性、准确性和可靠性。主要应用于冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等工业领域，在军事、交通等领域也得到了广泛的应用。,计算机的应用,（4）企业管理 计算机管理信息系统的建立，使各企业的生产管理水平登上了新的台阶。大型企业生产资源规划管理软件（如MRP II）的开发和使用，为企业实现全面资源管理、生产自动化和集成化、提高生产效率和效益奠定了牢固的基础。,计算机的应用,（5）电子商务 是指通过计算机和网络进行的商务活动。计算机网络的建成，使得金融业务率先实现自动化，电子货币改传统的货币交易方式为“电子贸易” ，不仅方便快捷，且减少了现金的流通量，避免了货币交易的风险和麻烦。以银行为例，自动化的实现可使银行每日处理上百万笔业务，交易价值达上百万美元。,计算机的应用,（6）数据库应用（Database Applications） 是计算机应用的基本内容之一。任何发达国家，从国民经济信息系统和跨国科技情报网到个人的亲友通信、银行储蓄，均与数据库打交道。办公自动化与生产自动化也离不开数据库的支持。,计算机的应用,（7）人工智能（Artificial Intelligence） 也称智能模拟，是将人脑进行演绎推理的思维过程、规则和采取的策略、技巧等编制成程序，在计算机中存储一些公理和规则，然后让计算机去自动进行求解。主要应用在机器人、专家系统、模拟识别、智能检索等方面，此外还在自然语言处理、机器翻译、定理证明等方面得到应用。,计算机的应用,（8）文化教育 利用高速信息公路网可实现远距离双向交互式教学和多媒体结合的网上教学方式。它改变了传统的以教师课堂传授为主、学生被动学习的方式，使学习的内容和形式更加丰富灵活，同时也加强了信息处理、计算机通信技术和多媒体等方面内容的教育，提高了全民族的文化素质与信息化意识。,计算机的应用,（9）计算机模拟（Computer Simulation） 是用计算机程序代替实物模型来做模拟实验。既广泛应用于工业部门，也适用于社会科学领域。20世纪80年代末出现的“虚拟现实（VR）”新技术将成为21世纪初期最有前景的新技术之一。,计算机的应用,（10）计算机辅助系统 包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助教育等。 计算机辅助设计（CAD）,计算机辅助制造（CAM） 计算机辅助教育（CBE）：包括计算机辅助教学（CAI）、计算机辅助测试（CAT）和计算机管理教学（CMI）。主要应用有网上教学和远程教学。,计算机的应用,（11）信息高速公路 实际上是一个交互式多媒体网络，它将通常所使用的通信工具等信息通过通信设施传递到网络所连接的用户终端，从而使人们获得信息的方式发生根本变化。 1993年美国提出建立“国家信息基础设施”计划。 Internet，是以计算机为核心的跨地区、多用户、大容量、高速度的交互式综合网络体系。,计算机的应用,（12）娱乐 随着PC的发展，计算机娱乐也更加丰富。 播放影碟，听音乐。 在网上，可以聊天、游戏和在线影视。 在影视界，可用计算机产生电影特效，使得电影效果更好。如侏罗纪公园和玩具总动员中的角色和动画也都是由计算机制作的。,1.2.2 计算机应用与信息社会,计算机技术被认为是信息技术的核心。现代社会几乎所有的信息工作都与计算机应用及网络技术息息相关。 计算机可以进行科学计算，处理文字、图像和声音等各种信息。计算机的应用已深入到社会的各个领域，成为人们工作、学习和生活中不可缺少的工具。,1.3 计算机系统的组成与工作原理,1.3.1 计算机系统的组成,1计算机系统的基本组成,一套完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，两者不可分割。 硬件：是指计算机的各种看得见、摸得着的实实在在的装置，是计算机系统的物质基础。 软件：是指所有应用计算机的技术，是看不见、摸不着的程序和数据，但用户能感到它的存在。,计算机系统的基本组成,计算机系统,办公软件包、数据库管理系统、实时控制系统,2计算机硬件系统与软件系统的层次关系,硬件系统是计算机系统的物理基础，没有硬件，软件就无从谈起。两者层次关系如图。,计算机系统的层次关系,计算机硬件系统与软件系统的层次关系,软件系统是在硬件系统的基础上，为了更有效地使用计算机而配置的。软件与硬件的关系并不是绝对的，计算机中的任何一个操作，既可以由软件来实现，也可以由硬件来实现，任何一条指令的执行也是如此。计算机系统的软件与硬件可以互相转化，互为补充。随着技术的不断发展，软件和硬件之间的界限将变得越来越模糊。,1.3.2 计算机硬件系统的构成,1计算机硬件系统的基本构成,计算机的硬件系统基本上沿袭冯诺依曼提出的传统框架，由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件构成。 计算机的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据的输入、计算、输出等一系列操作。,计算机硬件系统的基本构成,计算机硬件系统的基本结构和工作过程,计算机硬件系统的基本构成,（1）控制器 能够控制中央处理器乃至整个计算机硬件系统的工作，是计算机的指挥中心。 构成部分：主要包括指令寄存器、指令译码器、时序信号发生器、程序控制器等。 功能：可以识别、分析并执行各种指令。,计算机硬件系统的基本构成,（2）运算器 主要用来对信息和数据进行各种处理，如各种算术和逻辑运算等，是计算机的核心部件。 由算术逻辑单元（ALU）构成。,指令的解释和执行部件，是计算机的心脏。,计算机硬件系统的基本构成,（3）存储器 主要的功能是用来“记忆”，也就是用于存储各种信息和数据，它可以分为内存储器和外存储器。 内存储器：又称主存储器、内存，它与CPU一起构成主机。包括三种内存储器。 只读存储器ROM：用户只能读取信息，不能更改 随机存储器RAM：可不断进行各种读写操作 高速缓冲存储器Cache, 外存储器：也称辅助存储器、外存，是内存的延伸和拓展。它存储容量大，通常容量为几十GB，可用来存储CPU暂时不会用到的信息和数据。 外存只与内存交换信息，而CPU则只和内存交换信息。 外存主要有磁盘存储器、光盘存储器、软盘存储器等。,计算机硬件系统的基本构成,（4）输入设备 输入设备可以将各种外部信息和数据转换成计算机可以识别的电信号，从而使计算机能够接收。常见的输入设备有键盘、鼠标等。（5）输出设备 输出设备可以将计算机内部处理后得出的电信号形式的信息传递出来，让人们能够接收，如显示器、打印机等。,2计算机主要性能指标,字长（机器能同时处理的二进制数的位数） 运算速度（用MIPS表示）,内存容量：（一般计算机内存容量是指RAM，不包括ROM。） CPU主频：主频越高，则一个时钟周期里完成的指令数越多，CPU的运算速度也就越快。,计算机主要性能指标,CPU外频：即CPU总线频率，是由主板为CPU提供的基准时钟频率，即系统总线、CPU与周边设备传输数据的频率。 指令系统功能：它的强弱在很大程度上决定了CPU处理数据的能力。 外部设备的配置：是衡量一台计算机综合性能的重要技术指标。 软件的配置：很多任务是通过软件应用来完成的,1.3.3 计算机软件系统的构成,程序,文档,程序是软件的主体，一般保存在存储介质如软盘、硬盘、光盘中。,软件,对程序的使用、维护和修改的说明，包括：功能说明、程序说明、上机操作说明、测试和维护说明。,软件：在硬件设备上运行的各种程序以及有关资料，主要由程序和文档两部分组成。,1.3.3 计算机软件系统的构成,系统软件,应用软件,操作系统,实用系统软件,软件系统的分类,1系统软件,指管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）的软件。它是为整个计算机系统所配置的、不依赖于特定应用领域的通用性软件。它扩大了计算机的功能，提高了计算机的工作效率。系统软件是不可少，一般由生产厂家或专门的软件开发公司研发，其他程序都在它的支持下编写和运行。系统软件主要包括操作系统和实用系统软件。,系统软件主要包括：（1）操作系统 。（2）语言处理程序（3）数据库管理系统（DBMS）（4）各种实用工具程序,系统软件,计算机语言与语言处理程序,三种计算机语言： 机器语言（计算机能直接识别并执行） 汇编语言（汇编语言编制的程序必须用汇编程序翻译成机器语言计算机才能识别和执行。 高级语言（高级语言的翻译方式有两种：解释方式和编译方式。,语言处理程序： 将非机器语言的程序通过翻译成与其相对应的机器指令后，使其被计算机执行。 一般将用高级语言或汇编语言编写的程序称为源程序，而将已翻译成机器语言的程序称为目标程序，不同高级语言编写的程序必须通过相应的语言处理程序进行翻译。,语言处理程序,计算机将源程序翻译成机器指令时，通常有两种翻译方式：编译方式和解释方式。,高级语言源程序,编译程序,目标程序,链接程序,执行,（编译）,高级语言源程序,解释程序,执行,（解释）,（a）语言处理程序的编译 （b）语言处理程序的解释过程计算机语言处理程序的翻译过程,应用软件是指为解决用户某个实际问题而编写的程序和有关资料。应用软件可分为通用软件和专用软件，前者往往具有一定的通用性，为各行各业的人所使用，如Word、Photoshop等；后者没有通用性，只完成某一特定专业的任务，往往是针对某行业、某用户的特定需求而专门开发的，如某个公司的ERP系统。,2应用软件,嵌入式系统是把计算机的硬件与软件嵌入到各种应用产品中的系统，包括构成软件基本运行环境的硬件和操作系统两部分 。 嵌入式处理器可以分为3类：嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP（Digital Signal Processor）。,3嵌入式系统,1）程序设计的基本概念 程序=算法+数据结构 算法可以看作是由有限个步骤组成的、用来解决问题的具体过程。,4程序设计语言,2）程序设计语言的分类 第一代程序设计语言机器语言 机器语言是由CPU可以识别的一组由0、1序列构成的指令码，是计算机硬件所能“理解”的唯一语言 。 第二代程序设计语言汇编语言 用助记符来表示每一条机器指令 。 第三代程序设计语言高级语言、算法语言,1.3.4 计算机的基本工作原理,冯诺依曼体系结构： 1、计算机采用二进制。 2、计算机分为存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备五大部件。 3、采用存储程序方式。,计算机的指令 指令就是由二进制代码表示的，要求计算机完成各种操作的命令。一条指令对应一种操作。指令系统是指某一台计算机能执行的所有指令。,计算机的程序 程序就是完成既定任务的一组指令序列，计算机按照程序规定的流程依次执行一条条的指令，最终完成程序所要实现的目标。,计算机的工作原理图,1.数制的定义与表示,1.4.1 计算机中的数制,数制是以表示数值所用的数字符号的个数来命名的，并按一定进位规则进行计数的方法。其中，数制中所用的数字符号的个数称为数制的基数，数制中每一个数值所具有的值（Rk)称为数制的位权。对于R进制数，有数字符号0，1， ，R-1，共R个数码，基数是R，进位规则是逢R进1。 在R进位计数中，任意一个数值均可以表示为如下形式：anan-1a1a0.a-1a-2a-m 上述数值对应的 十进制数（设为S）为：,1.4 计算机中的数制与转换,主要特点： 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 = 610261016100610-1610-2,2.十进制（Decimal)数制,3.二进制（Binary)数制,主要特点：, 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。,4.八进制（Octonal)数制,主要特点：, 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, 按“逢八进一”的规则计数。,5.十六进制（Hexadecimal)数制,主要特点：, 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)10,1. R进制转换为十进制,（1）十进制整数转换为R进制整数“除基取余”,（2）十进制纯小数转换为二进制小数“乘基取整”,（3）带整数和小数的十进制数转换为R进制数由（1）和（2）综合组成。,1.4.2 常用数制间的转换,2. 十进制转换为R进制,按权展开,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 = ( )2,1101,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,(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,0.1011,3、二进制与八进制间的转换,(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,(1) 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。,(2) 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。,3、二进制与十六进制间的转换,1.4.3 二进制运算,1二进制的算术运算,(1) 加法：逢二进一 (2) 减法 ：借一当二 (3) 乘法(4) 除法,2. 二进制的逻辑运算,“真”值：“TRUE”、“T”、“1”等 “假”值 ：“FALSE”、“F”、“0”等,逻辑值及其表示,逻辑值只有两个值：“真”和“假” 。,(2) 基本的逻辑运算, 逻辑与 00=0，01=0，100，11=l 逻辑或 00= 0，01= l，l0l，ll=l 逻辑非 对l求“非” 结果为0，对0求“非” 结果为l 逻辑异或 两个逻辑变量的值不同时，异或的结果为1；否则为0,1.5 计算机中信息的表示与编码,1.5.1 计算机中信息的编码,1计算机中的信息采用二进制编码,采用基2码表示信息，有以下几个优点：(1) 二进制数易于物理实现(2) 二进制数运算简单(3) 二进制数能使机器可靠性高 (4) 基于二进制数的编码通用性强,1.5.2 数值型信息的表示与编码,1原码,正数：符号位为0，其他位按一般的方法表示数的绝对值负数：符号位为1，其他位按一般的方法表示数的绝对值,2. 反码,正数：与原码相同 负数：原码除符号位外的各位按位取反,3. 补码,正数：与原码相同 负数：反码在其最低位加1,1.5.3 字符型信息的表示与编码,1. 字符编码(ASCII码),用一个字节中的低7位(最高位为0)来表示128个不同的字符，包括键盘上可敲入并显示和打印的95个字符(包括大、小写各26个英文字母，09共10个数字，还有33个通用运算符和标点符号等)及33个控制代码。,2. 汉字编码,汉字的字形码,汉字的内码,汉字的输入码,汉字输入码也称外码，是专门用来向计算机输入汉字的编码。例如，全拼编码、五笔字型码。,目前使用最广泛的一种国标码是GB 231280。,在汉字系统中，一般采用点阵来表示字形。如256256点阵表示汉字。,1.5.4 图形图像信息的表示与编码,1. 位图图像(Bitmap),通过图像扫描仪或数码摄像机采集并输入到计算机的图像，是由离散行列组成的图像点阵，称为数字图像。文件扩展名为： .BMP、 .PCX、.TIF、.JPG和.GIF等。,2. 矢量图形(Vector Graphics),用一组描述构成该图形的所有图形单元(如点、直线、圆、矩形、曲线等)的位置、形状等参数的指令来表示该图形。,1.5.5 视频信息的表示与编码,视频(Video)是由一幅幅静止的图像(称为帧frame)组成的序列。 视频图像(包括静止图像)都是先经过压缩，再进行存储、传送和显示的，而显示时要进行解压。常见的视频文件格式：.rmvb.rm.avi.asf.mpeg,1.5.6 音频信息的表示与编码,声音或者音频信息在计算机中常以数字音频的形式表示。数字音频是声(音)波(形)数字化的结果，将连续的声音波形离散化，主要包括采样和量化。数字音频的质量取决于采样频率和量化位数，采样频率越高、量化位数越多，音频质量就越好。常见的音频文件格式：.wav .mp3 .mid,1.5.7 计算机中数据的存储单位,1位（bit）,在计算机中数据的最小单位是位。位是指一位二进制数，英文名称是bit。,2字节（Byte）,1个字节由8个二进制数位组成。字节是计算机中用来表示存储空间大小的最基本的容量单位。如计算机的内存容量、磁盘的容量等都是以字节为单位表示的。自己用大写的B表示。,3字（Word）,1KB1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB注意