第1章 计算机基础知识62600

大学计算机基础,湖北民族学院计算机系基础教研室,1.1 计算机概述1.2 微型计算机硬件构成 1.3 计算机的数制 1.4 数据信息在计算机中的表示 1.5 信息化社会,本章内容,重点、难点,1.目的 (1)掌握计算机的基本概念与基础知识。 (2)掌握计算机的基本组成、工作原理及主要应用。 (3)了解微型计算机系统的基本组成。 (4)了解数制的基本概念 ，掌握各类进制数间的转换 。 (5)了解信息在计算机中的表示。 2. 重点、难点 计算机系统构成、工作原理 。微型计算机的硬件构成。各类进制数间的转换。信息在计算机中的表示的理解。,1.1 计算机概述,1.1.1 计算机的发展,1. 第一台计算机：,2. 计算机的发展历程,电子计算机：具有快速运算、逻辑判断和存储功能的现代化电子设备。又称电脑。,1946年2月诞生，数字积分计算机(ENIAC)，运算速度每秒5000次。,第一台电子计算机ENIAC,按用途分类,通用机：专用机：,特殊配置，功能单一，解决特定问题,通用性强，综合能力强，解决各种问题,1.1.2 计算机的分类,按处理的数据分类,数字计算机:模拟计算机:混合计算机:,处理的数据是离散的,处理的数据是连续的,集以上两种的优点于一身,按综合性能指标分类,巨型机：大型机：小型机：工作站：微型计算机：(PC机）,大型、通用、较快、较强,通常用于大型数据库系统中，和大型计算机网络中的主机。,规模小，结构简单，设计试制周期短工艺先进、使用维护简单，适合于中小企事业单位,介于PC与小型机之间，高分辨率、大容量内外存，图形功能较强,小、巧、轻、使用方便、价格便宜中央处理器：一个芯片,功能最强、速度最快、价格最贵的计算机。曙光4000A平均运算速度每秒8万亿次，世界排名第十。,量子计算机20年后量子电脑叫板人脑移动式计算机 笔记本式计算机 工作站智能计算机计算、感知、记忆、推理、学习等功能的计算机 数据流计算机神经计算机以人工神经网络为基础构成的计算机 台式计算机DNA计算机和传统硅技术相比，具有的巨大存储能力 网络计算机 光计算机 超导计算机绿色计算机符合环境保护要求的计算机 多媒体计算机 过程控制计算机 容错计算机生物计算机生物计算机离智能并不遥远,计算机种类,1.1.3 计算机系统,计算机系统,计算机系统：任何计算机系统都由硬件系统和软件系统组成,1. 控制器：控制整个计算机其它所有部件协调一致的工作。2. 运算器：算术运算和逻辑运算。3.存储器：存放程序和数据，分内存储器和外存储器。,一、 计算机硬件系统基本组成,计算机硬件：构成计算机系统各物理设备的总称。计算机硬件系统的五大组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备、,4.输入设备：用来接受用户输入的原始数据，并将它们转变为计算机可以识别的形式（二进制）存放到内存中。键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。,5. 输出设备：用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。显示器、打印机、绘图仪等。,软件分类,二、计算机软件,控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务的一类软件。,利用计算机的软硬件资源为某一专门应用目的而开发的软件。,软件 = 程序 + 数据+文档,(1) 操作系统 管理和控制计算机系统的所有资源(包括硬件和软件)，人与计算机的接口。 人和机器的界面CUI(字符界面）、GUI（图形界面）,统一管理和调度资源，提高使用效率和经济效益,不需了解软硬件细节，提高工作效率,目的,1. 系统软件：,(2) 语言处理程序,机器语言,高级语言,汇编语言,面向过程：BASIC、Pascal、 FORTRAN、C等,面向对象：C+ 、 Java、Visual Basic等,面向问题的语言,(3) 实用程序,操作系统自己带一些,第三方开发,反病毒程序：KV3000、金山毒霸、RISING(瑞星）,备份程序：Windows 2000中的备份程序,文件压缩程序:ARJ WinZip,卸载程序：Windows中的添加/删除程序,1.1.4 计算机基本工作原理,1. 指令让计算机完成某个操作发出的命令。 一台计算机所有的指令集合，称为该计算机的指令系统,3. 地址,有序的指令集合。,2. 程序,一、基本概念,指令要完成的操作,参加运算的数或者所在的单元地址,整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数。每个存储单元可以存放数据和程序代码。为了能有效地存取该单元内的内容，每个单元必须有唯一的编号（称为地址）来标识。,二、冯诺依曼的“程序存储”设计思想,冯.诺依曼思想：,3. 程序存储思想 将编好的程序和数据都送入存储器中，无需操作人员干预，能自动逐条取出指令的执行指令。这就是存储程序控制原理。,2. 二进制思想 计算机内部的信息都采用二进制来表示,1. 计算机由五大模块组成 控制器、运算器、存储器、输入、输出设备,三、 计算机的工作原理,1. 取出指令：,2. 分析指令,3. 执行指令,4. 程序的执行 CPU不断地取指令，执行指令的过程。,3.字（word）：一个字由若干二进制位组成。一般是字节的整数倍,现在的微型机已达64位。字一般是指运算器处理数据的单位。,1.1.5 计算机的性能指标,位（bit）：是一个二进制数码。其值只有0或1两个。,2. 字节（byte）：一个字节由8个二进制位组成。字节的简称为B。,4. 字长（wordlength）：是指计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。字长越长，计算机的运算精度就越高，数据处理能力就越强。通常，字长总是8的整倍数。,一、 字长,二、 计算机速度,时钟频率：也称主频。它的高低决定了计算机速度的高低。,计算机运算速度：指每秒钟所能执行的加法指令数目。,存储容量单位：最基本的容量单位是字节(byte)，简称B,B（字节） KB（千字节） MB（兆字节）GB（G字节） TB（T字节）,1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB,三、 存储容量,容量单位间的关系：,计算机的应用类型1. 科学计算2. 数据处理3. 电子商务4. 过程控制5. CAD/CAM/CIMS6. 多媒体技术 7. 人工智能,计算机的主要应用领域 1. 工商：电子商务、CAD/CAM 2. 教育：多媒体教育、远程教育 3. 医药：CAT、MRI、远程医疗 4. 政府：电子政府 5. 娱乐：虚拟现实、电影特技 6. 科研：数据采集、计算分析 7. 家庭：家庭信息化,计算机的发展趋势：巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化。,1.1.6 计算机的特点及主要应用领域,计算机的特点：存储容量大、处理速度快、工作全自动、可靠性高、逻辑推理和判断能力强等特点。,（1）EDSAC（电子延迟存储自动计算机） 是世界上首次实现存储程序计算机 EDSAC由英国剑桥大学威尔克斯（Wilkes）领导、设计和制造的，并于1949年投入运行。它使用了水银延迟线作存储器，利用穿孔纸带输入和电传打字机输出。 （2）ENIAC 1943年6月美国宾夕法尼亚大学与军方正式签订合同，开始了研制世界上第一台电子计算机的工作，并把这台机器命名为“电子数值积分和计算机”，英文简称“埃尼阿克”（ENIAC）。这台具有历史性变革意义的计算工具终于在1945年底竣工，1946年2月15日正式举行了揭幕典礼，后来人们就把这一天作为世界上第一台电子计算机的诞生日。 （3）EDVAC 在1946年，当世界上第一台电子计算机ENIAC出现以后，美籍匈牙利数学家冯诺依曼（Von Neumann）等人发表了电子计算机装置逻辑结构初探的论文，为EDVAC奠定了设计基础。EDVAC是电子离散变量计算机的缩写，是世界上首次设计的存储程序计算机（这个是世界上首次“设计”的存储程序计算机，但不是首次“实现”，而“EDSAC”是首次“实现”的），它利用水银延迟作主存，用磁鼓作辅存，但直到1952年才正式投入运行。其速度比ENIAC提高了240倍，主要用于核武器的理论计算。 （4） UNIVAC UNIVAC是通用自动计算机的缩写，它的设计者也是ENIAC的主要研究者莫希莱和埃克特。1951年6月14日，第一台UNIVAC作为商品交付给美国人口统计局使用，它开创了电子计算机专门用来进行数据处理的先河。后来，UNIVAC又参加了美国大选的统计处理工作，并预测了总统当选的情况，在美国引起了巨大的轰动。当时的社会舆论一直公认UNIVAC迎来了一个崭新的计算机时代。,1.2.1 微型计算机硬件系统,常见微机系统,1.2 微型计算机系统的组成,微机基本结构：显示器、键盘和主机,微型计算机硬件构成：主机和外设,CPU系统主板（又称主机板或母板）硬盘驱动器CD-ROM驱动器软盘驱动器显示器适配器内存电源,微型计算机主机构成,一、CPU（Central Processing Unit）,运算器和数据线的位数反映了CPU的档次。80386以下的CPU为16位，80386及以上的CPU为32位的CPU。CPU的功能是计算机主要技术指标之一，人们习惯用CPU的档次来大体表示微机的规格。,最具代表性的微处理器系列美国Intel公司其它公司IBM、Apple、Motorola、AMD、Cyrix,CPU的主要性能指标： 主频：CPU的内部工作频率，主频越高，CPU内指令执行速度越快。 字长：计算机一次能够并行处理的二进制代码的位数，标志计算机的精度。,二、系统主板,主板：AT结构和ATX结构ATX新型主板结构规范：,PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别,存储器：,内部存储器,外部存储器,三、内部存储器,Cache,1. 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) RAM通常指计算机主存，使用动态随机存储器，制作成内存条形式出现。CPU对它们既可读出又可写入数据。(16M、32M、64M、128M、256M）2. 只读存储器(Read only Memory，简称ROM) CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。3. 高速缓冲存储器Cache 是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于解决它们之间的速度冲突问题。,四、外部存储器,用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成。 读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB,1. 软盘,磁盘容量=磁道数扇区数面数扇区字节数,一个硬盘由若干个磁性圆盘组成，一个圆盘有2个面，为0面、1面。硬盘的磁道、扇区柱面：各面上磁道相同的磁道 全称为柱面。硬盘总容量=磁头数柱面数扇区数扇区字节数,2. 硬盘,硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面硬盘容量视具体类型而定,3. 光盘,倍速衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速。 一倍速率= 150KB/秒 DVD-ROM一倍速率是1.3MB/秒,CD-ROM只读型光盘CD-Audio数字音乐光盘CD-MIDI音乐数字接口光盘CD-MO(MagnetoOptical)重复读写的光盘CD-R（CD-Recorder）CD-WORM只能写入一次的光盘。 CD-RW可重复刻录的光盘DVD(Digital Versatile Disc)数字多功能光盘,五I/O (Input-Output)总线与扩展槽,总线是计算机中的传输数据信号的通道，按并行方式传输信息。计算机中各个部件是通过总线相连的。,扩展槽的作用,ISAPCIAGPUSB,微型计算机硬件结构的最重要特点是总线(Bus)结构信号线分成三大类数据总线(Date Bus)地址总线(Address Bus)控制总线(Control Bus)总线结构适合计算机部件的模块化生产，促进了微计算机的普及,六、输入输出设备,输入设备,输出设备,微机上不可少的两种输入输出接口是并行端口和串行端口。并行端口可以同时传送8路信号，传输距离相对较近。（设备名：LPT）串行端口在一个方向一次只能传送1路信号。（设备名：COM）,处理结果,数字、字符、图像、声音,键盘、鼠标、光笔、触摸屏、数字化仪等,显示器、打印机、绘图仪等,1.2.2 多媒体微型计算机系统,一、基本概念 1. 媒体（Multimedia）,两种含义：一是指用以存储信息的实体；二是指用以承载信息的载体。,2. 多媒体(Multimedia),就是指多种信息载体的表现形式和传递方式。,3. 多媒体计算机,汇集了计算机体系结构，计算机系统软件、视频、音频信号的获取、处理、特技以及显示输出等技术。,4. 多媒体技术,多媒体技术是处理文字、图像、动画、声音和影像等的综合技术，它包括各种媒体的处理和信息压缩技术、多媒体计算机系统技术、多媒体数据库技术、多媒体通信技术以及多媒体人机界面技术等。,5. 多媒体的几个基本元素,文本指以ASCII码存储的文件，是最常见的一种媒体形式。图形指由计算机绘制的各种几何图形。图像指由摄像机或图形扫描仪等输入设备获取的实际场景的静止画面。动画指借助计算机生成一系列可供动态实习演播的连续图像。,声音文件格式：.WAV、MIDI图像文件格式：.PCX、.BMP、.GIF、.TIF、.JPG、.RGB动画文件格式：.PLC、.MMM视频文件格式：.MPG、AVI格式、MOV格式,视频指由摄像机等输入设备获取的活动画面。由摄像机得到的视频图像是一种模拟视频图像。模拟视频图像输入计算机需经过模数(A/D)转换后，才能进行编辑和存储。,二、多媒体信息的计算机表示,1. 多媒体信息的文件格式,音频指数字化的声音，它可以是解说、背景音乐及各种声响。,计算机辅助系统,计算机辅助系统是指：以人为主、计算机为辅共同完成某项作业的人机系统，有以下几个方面组成： 计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助制造（CAM） 计算机辅助教学（CAI） 计算机辅助测试（CAT）,2. 多媒体数据压缩编码技术,数据压缩技术是多媒体技术的关键技术。,3. 多媒体计算机系统的构成,多媒体计算机系统是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来，对音频信号和视频信号的获取、生成、存储、处理、回收和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。,4.多媒体技术的应用,1.3 计算机的数制,信息：数值、文字、语音、图形和图像。信息必须数字化编码，才能传送、存储和处理。,采用二进制优点： 物理上容易实现，可靠性强；运算简单，通用性强； 适合逻辑运算。,缺点： 数字冗长，容易出错。,1.3.1 基本概念,3.数 符：不同进制的数学符号,一、R进制计数制,1.数 制：数的表示系统称为数制。,2.基 数：一个数制所包含的数字符号的个数称为该数制的基数。用R表示。,R确定，数符为0，1，2，3，R-1,进位方法：逢R进一，借一当R,任何一个R进制的数都是由一串数码表示的，其中每一位数码所表示的实际值大小，除数字本身的数值外，还与它所处的位置有关。该位置上的基准值就称为位权（或称位值）。,5.数的按权的展开：各位数码本身的值与其所在位权的乘积。,N=an-1 .a1a0.a-1.a-m (r) = an -1 rn-1 + + a1 r1 + a0 r0 +a-1 r-1+.a-m r-m,ai数码 r基数 ri权,4.位权：,例：888.8=8 102+ 8 101+ 8 100+ 8 10-1,以上的数字中数码8在不同的位置上表示了不同的数值。说明相同的数字在数中的位置不同，其实际表示的数值是不一样的。,例：常用进制数的按位权展开,2103+ 3102+4101+5100+ 410-1+ 510-2,124+023+122+121+120+ 12-1+ 12-2 + 12-3,182+381+680+ 18-1,3162+6161+14160+1316-1+416-2,1.3.2 计算机中常用的几类进制数,计算机中常用的各种进制数之间关系,an .a1a0.a-1.a-m (r) = an rn + + a1 r1 + a0 r0 +a-1 r-1+.a-m r-m ai 是数码，r是基数，ri是权；不同的基数，表示是不同的进制数 R 进制转化成十进制：数码乘以各自的位权的累加,例：(10101)B=124+ 023+ 122+021 120 (101.11)B=122+021 + 120 +12-1+12-2 (101)O= 182+081 + 1 80 (71)O=781+180 (101A)H= 1163+ 0162+ 1161 + 10160,1.3.3 各类数制间的转换,一、非十进制转化成十进制,=(21)D,=(5.75)D,=(65)D,=(57)D,=(4106)D,整数部分：除以 r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。小数部分：乘以 r取整数，整数从左到右排列。,二、十进制转化成 r 进制,1100100,.01011(B),144(O),=64(H),2,将每一个十六进制数写成对应的四位二进制数。,三、八进制和十六进制转化成二进制,将每一个八进制数写成对应的三位二进制数。,100,.001,0100,0001,001,100,111,001,010,011,100,0010,1100,1101,0110,分组规则: 整数部分：以小数点为中心从右向左进行分组。 小数部分：以小数点为中心从左向右进行分组。二进制八进制： 将二进制数按分组规则分成三位一组，不足补0。二进制十六进制： 将二进制数按分组规则分成四位一组，不足补0。注意：整数不足补0补在高位，小数不足补0补在低位,例： ( 1101101110.110101 )B=( )H ( 1101101110.1101001 )B= ( )O,四、二进制转化成八进制和十六进制,36E. D4,1556. 644,00,00,00,00,(69.625)D=（ ）B=( )H=( )O(670.56)O=( )B(3E1.A)H=( )B(10 1101 0110 1011.11)B=( )H(11 1111 1100 0011.001)B=( )O,1000101.101,45.A,105.5,110 111 000.101 110,0011 1110 0001.1010,2D6B.C,37703.1,课堂练习:,一、 计算机中数据的分类,数值型数据：用以表示量的大小、正负。如整数、小数等。非数值型数据：用以表示一些符号、标记。如英文、各种符号等。,1.4 数据信息在计算机的表示,1.4.1 基本概念,二、 计算机中数据的表示,无论是数值数据还是非数值数据，在计算机内部都是用二进制编码形式表示。,三、用二进制表示数据的优点,在物理上容易实现 便于逻辑运算便于表示不同种类的数据信息,符号位：将一个数的最高位定义为符号位，其余表示数值。 0表示正 1表示负 机器数：一个数及其符号在机器中的数值化表示。 真值数：把机器外部由正、负号表示的数称为真值数。,例：十进制数：-44 二进制数：-101100 真值数：-101100 机器数：10101100,1.4.2 数值数据的表示,一、机器数,三、带符号数的表示,机器数：一个数及其符号在机器中的表示数值化。真 值：机器数所代表的数。 以整数为例，假定一个数在机器中占用8位。,（1）原码最高位为符号位，其余为数值部分，数值部分用二进制数的绝对值表示，这种整数的方法称为原码表示法，如+57和57的原码表示为：【+57】原=00111001【57】原=10111001,（2）反码 正数的反码与原码相同，负数的反码则是保持符号位为1，然后将其原码的数值部分按位取反得到的，如+57和57的反码表示为：【+57】反=00111001【57】反=11000110,（3）补码 补码的表示法是：正数的补码与原码相同，负数的补码是将其原码除符号位外按位取反后加1得到的。如+57和57的补码表示为：【+57】补=00111001【57】补=11000111,1.4.3 字符的编码,每一个字符有一个唯一的编码,1.ACSII码(American Standard Code for Information Int