第三章 计算机技术基础

计算机的发展与分类计算机的运算基础和信息表示计算机硬件系统计算机软件系统电子计算机的发展简史第一代电子管时代(1946-1958)耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代晶体管时代(1958-1965)

变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言第三代中小规模集成电路时代(1965-1970)存储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒第四代大规模集成电路时代(1971至今)向大型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化根据摩尔定律集成电路大体上每18个月翻一番。ENIAC(1946)iphone4(2011)1945年,美国数学家冯.诺依曼博士发表《电子计算工具逻辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。1946年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC。重28吨，耗电150kW，占地170平米，用电子管18800个，每秒5000次加法。计算机的分类大型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用。代表产品有IBM360，370，4300；国产银河I,银河II,银河III等。小型机可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列工作站用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。典型产品有HP-APOLLO，SUN工作站等。微型机个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉冯.诺依曼计算机结构的基本思想：

“存储程序”+“二进制要点：1．以二进制表示数据和指令(程序)；

2.先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行。输入设备控制器输出设备

CPU

存储器运算器ALU数字化信息编码的概念：信息：数值、文字、语音、图形和图像。在计算机内一切信息必须进行数字化编码（即用二进制代码形式），才能在机内传送、存储和处理。计算机中数据表示方法

数值型数据的表示数值的表示：整数、浮点数；原码、补码、反码常用计数制十进制：数字符号0～9，逢十进一，用D(Decimal)代表。例234.98D或(234.98)D二进制：数字符号0～1，逢二进一，用B(Binary)表示。例1101.11B或(1101.11)B十六进制：数字符号0～9、A～F,逢十六进一,用H(Hex)表示例ABCD.BFH或(ABCD.BF)H整数的表示小数点隐含，位置固定在最低位符号整数采用补码表示，最高位为符号位正整数—符号位为0，其它位为二进制原码负整数—符号位为1，其它位为二的补码，没有负0。采用补码运算实数的浮点表示浮点数由数符、阶码和尾数三部分组成

例：125.12=10**3x0.12512(10.101)=2**2x0.10101=2**2x(+0.10101)000101010100000000000数符阶码尾数西文表示法：

ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美国信息交换标准代码(见教材P55表)文本字符普遍采用ASCII码，有７位版本和８位版本。７Bit版：每个字符用7位编码，编码范围0~127(共128个)

８Bit版：每个元素用8位编码，编码范围0~255(共256个)例如字母A的ASCII码01000001

（65D41H)

字母Z的ASCII码01011010

（90D5AH)例如数字0的ASCII码00110000(48D30H)*中文的表示：⑴汉字字符集与编码国标码GB2312-80:

中文信息的表示与西文相似，采用编码的方法，按国标规定每个汉字采用两个字节表示。区x位=2**7x2**7=128x128=16384个机内码：两个字节的最高位为1，以区别西文编码。⑵汉字键盘输入编码⑶汉字字形码：显示/打印汉字（点阵字库、矢量字库）一个汉字的计算机表示信息构成了一个汉字字模。24x24占72字节，48x48占288字节

行点数列点数/8=一个汉字字模存储空间所有汉字的字模集合构成汉字字库。

一个汉字字模存储空间汉字总数=汉字字库存储空间转换程序英文数字符号汉字键盘显示汉字的处理过程：汉字输入码汉字机内码汉字字形码汉字输入设备管理模块字模库输出设备汉字多媒体信息的表示多媒体信息一般来说，其存储容量大的特点⑴图象由mn个色彩点组成一矩阵，每个点又由若干个字节组成。黑白图象每个点多由一个字节组成，可分成256个灰度等级。彩色图象每个点多由三个字节组成，红、绿、蓝三个基本色。⑵图形

画面内容由几何要素、光照条件、材质等进行描述。（图像——图形）光栅使量化转换。⑶声音

声音是模拟信号，经采样、量化、编码，转换成二进制数表示【例】GB2312-80中一级汉字为3755个，如果每个汉字字模采用16×16点阵，并存放在主存储器中，那么将占用存储器容量多少个字节？假设将汉字显示在屏幕上，一屏24行，每行40字，为保持一屏信息，需存储容量多少字节？解：（16×16÷8）×3755=120160字节（16×16÷8）×24×40=30720字节【例】设一软盘有300kB可用空间，若使用ASCII码存盘，则可存储英文多少个？若存放汉字，则可存储汉字多少个？解：300×1024=307200（个）

300×1024÷2=153600（个）【例】一幅显示图像，分辨率1024×768，24位真彩，所占存储空间为多少？解：1024×768×3=2359296字节=2.25MB存储估算计算机系统组成计算机系统硬件系统软件系统主机应用软件系统软件外部设备有形的物理设备在硬件上运行的程序、相关的数据及文档注：没有软件的硬件机器称为裸机。输入设备输出设备存储器运算器控制器输出命令回答信号输入命令回答信号存取命令取出指令操作信号反馈信号原始数据计算结果程序取数存数

计算机硬件系统组成与运行原理框图★控制器+运算器=中央处理器CPU1.运算器：完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。

2.控制器：控制各部件的工作，使计算机自动地执行程序。计算机的外设英特尔终于在2006年7月27日发布了全新的采用Core微架构的Core2Duo处理器。旗舰级的Core2Duo处理器为售价1000美元的Core2ExtremeX6800，其主频为2.93GHz，是目前运行速度最快的桌面处理器。英特尔还表示今年晚些时候将推出更快的版本。

Conroe核心芯片上面共集成了2.91亿个晶体管。芯片内对称排列的为处理器的两颗核心，与核心相对的为共享二级缓存（Core2DuoE6000和T7000系列为4MB，T5000和E4000系列为2MB。）Core2Duo处理器CNET中国·ZOL编译报道：AMD即将——推出下一代四核心Opteron系列K8LCPU，这个即将推出的Opteron处理器也会作为下一代的AMDAthlon64FX桌面处理器出现在市场上。K8LCPU采用65纳米生产工艺、共享三级缓存、HyperTransportx16互联、FB-DIMM内存支持、动态独立核心管理(DICE)等技术亮点都有体现。AMD公司07年发布四核心Opteron系列K8LCPU计世网2006年9月26日N消息在秋季IDF上，英特尔CEOOtellini介绍了正在研发之中的数据交换速率达到TB/s级的新一代处理器。英特尔展示的样片含有80个浮点内核，主频为3.16GHz。英特尔还保证将在五年内拿出产品。英特尔五年内生产80核主频3.16GHz处理器关于多核CPU问题：目前的发展情况，从家用到专业服务器。多核与多物理CPU的区别。存储器：计算机的记忆装置。主存（内存）与CPU直接进行数据交换。ROM，RAM。辅存（外存）经主存的过渡与CPU交换数据。软盘，硬盘，光盘，磁带。CPURAM外存ROMWWRR

存储系统PC存储器NAS架构存储器的作用用来存储程序和数据的部件；存储器还负责向控制器提供指令，与运算器交换数据。衡量存储器的三个指标：

存储容量、存储速度、单位价格存储系统采用典型的存储层次：

高速缓冲存储器、主存储器、

辅助存储器及海量存储器。CPU内存外存存储容量更大单位价格更高存储速度更快★CPU与内存合起来称为计算机的主机高速缓存海量存储辅存主存

ALU寄存器

Cache存储器主存储器(DRAM)辅助存储器(软盘、硬盘、光盘)后援存储器(磁带库、光盘库)存储器层次结构CACHE（超高速缓冲存储器，快存）CPU看到的是CACHE，每次访问是CACHE。

由系统负责将内存的信息移入（移出）CACHE，而用户是感觉不到。各级存储器的速度差别

CPU---CACHE----MEMORY---DISK--BAK

15ns60nsmss好的存储系统：

容量大，快，可靠，具有性能价格比高的特点。解决CPU与内存的速度差输入设备键盘、鼠标、扫描仪、数码相机、摄像机输出设备打印机、显示器视频声音识别光和磁识别输入/输出设备1.扫描仪

描述扫描仪的技术指标，主要包括分辨率（扫描精度）、色彩位数、灰度、扫描速度幅面等。三维扫描仪平板扫描仪滚筒式扫描仪指纹扫描仪扫描仪基本工作原理2.数码相机、摄像机

数码相机的性能指标

分辨率颜色深度存储能力及存储介质数据输出方式连续拍摄数码相机、摄像机基本原理数码相机心脏是电荷耦合器件(CCD)3.显示器

基本常识：1．显示器的类型2．屏幕的类型3．逐行／隔行显示4．点距5．刷新频率6．分辨率7．颜色数量8．带宽

阴极射线管显示器CRT液晶显示器LCD等离子体显示器PDP4.打印机针式打印机

喷墨打印机

激光打印机

激光打印机

5.显卡显卡，即图形加速卡，它工作在CPU和显示器之间，基本作用就是控制电脑的图形输出。加速器图形处理器数模转换器6.声卡

声卡是多媒体计算机必备的部件之一，用来处理各种类型数字化声音信息。主要功能：录制与播放波形音频文件编辑与合成波形音频文件MIDI音乐录制和合成D/A转换文语转换和语音识别。声卡与外设连接图7.视频采集卡

视频采集卡又称视频捕获卡，是对模拟视频图像进行捕捉并转化为数字信号的工具。主要功能：

从动态视频中实时或非实时捕获图像并存储。可以将摄像机、录像机和其它视频信号源的模拟视频信号转录到计算机内部，也可以用摄像机将现场的图像实时输入计算机。视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。视频采集卡的工作原理多通道视频输入A/D转换视频信号帧存储器D/A转换显示输出视频采集控制器计算机主机视频采集卡与外设连接图8.USB接口现代软件的定义——软件应包括程序、实现此程序功能所采取的方法、规则以及与其相关的文档和在机器上运行它所需要的数据等。(1983年IEEE)早期软件的理解——软件=程序+文档；程序=数据结构+算法。软件首先是一个作品，其次是一个产品。它的产生方法随着计算机技术的发展在进步。计算机软件

---软件的概念计算机用户应用软件系统软件硬件系统层次结构图计算机硬件与软件的关系计算机各类软件的地位是一台计算机最基本、最重要的软件包，它控制CPU的操作，控制计算机系统的输入/输出，资源的分配，为应用程序提供各种服务与接口。五大功能：用户界面资源管理任务管理文件管理实用程序与支持服务操作系统分类：批处理OS、分时OS、实时OS、开源软件（OSS）。1.操作系统Windows操作系统UNIX操作系统Linux操作系统OS

X操作系统2.常用操作系统介绍DOS曾经是PC机上最常用的操作系统，以简单、可靠赢得了广大用户的青睐。但由于未能紧跟计算机硬件技术的发展，最终退出了历史舞台。Windows3X是PC机上最为成功的DOS扩展器，它在DOS的基础上改进了用户接口、内存管理和设备管理，增加了对多媒体的支持，实现了图形用户界面，为PC机操作系统的进一步发展打下了基础。Windows95是一个全新的32位PC机操作系统，它充分利用了PC硬件技术发展的新成果，在支持原有16位应用的基础上，把PC操作系统技术向前推进了一大步。UNIX系统经过20多年的锤炼，以高可靠性、高效率和强大的TCP/IP支持、支持并行处理和多处理器和独有的64位计算使其成为企业级应用的首选。作为UNIX风格的操作系统。LINUX秉承了UNIX系统的优秀特性，以可靠、高效和近乎为零的使用成本而成为一种重要的操作系统。NetWare以其独特的结构、良好的运行效率和强大的目录管理服务，成为PC局域网络的最主要的网络操作系统。WindowsNT继承了微软公司Windows系列操作系统的优良特性，是一种可移植性好，支持多种硬件平台，功能强大，可靠性好、灵活性高的企业级操作系统。它采用了先进的操作系统技术，如虚存管理、优先权多任务、结构化异常处理和操作系统对象等，支持对称式多处理器，提供了Windows图形用户界面，兼容WIN32程序、16Windows程序、MS-DOS程序、POSIX程序和OS/2程序等。WindowsNT以其灵活、强大的功能和稳定可靠的性能成为了目前最为重要的操作系统之一。3.几种操作系统比较根据最新消息（2006.10.3），WindowsVistaRTM版发布前最后一个测试版本——VistaRC2将在本周五发布。

VistaRC2版本号5743，将通过MSDN、TechNet发布给测试人员，微软上月推出的VistaRC1版本号5728。

内部文档显示，目前VIsta依旧有1400个Bug等待解决，微软内部决议希望将RTM版Vista内Bug减少到500个以下，相比之下，九月22日发布时的Vista还有2479个Bug。WindowsVistaRTM版发布微软2009年10月22日于美国、2009年10月23日于中国正式发布Windows7，2011年2月22日发布Windows7SP1（Build7601.17514.101119-1850）。Windows7同时也发布了服务器版本——WindowsServer2008R2。同2008年1月发布的WindowsServer2008相比，WindowsServer2008R2继续提升了虚拟化、系统管理弹性、网络存取方式，以及信息安全等领域的应用，其中有不少功能需搭配Windows7。数据库管理系统（DBMS）OracleSybaseMSSQLserver通信管理器系统支持程序3.其他系统管理软件

机器语言---是计算机能够直接识别语言，它是由0和1的排列组成的代码，由这样的代码构成指令序列。例：15+3写为：0011111000001111程序设计语言特点：采用二进制代码指令随机器而异效率高，执行速度快编程繁琐，工作量大，不直观难懂、易出错、通用性差。汇编语言---把由0和1的排列组成的代码用一种符号代表，更接近自然语言，一般采用英语表达，便于理解、记忆、掌握。使得可读性得到极大的提高，这种与机器指令基本上是一一对应符号集合称为汇编语言。例：15+3写为：LDA15优点：它保持了机器语言的优点，克服了部分缺点，目前仍具有很高的应用价值，并且被许多专业人员使用。高级语言编写的程序短小，易于编写、调试。可移植性强。高级语言---为克服汇编语言的缺点，提高计算机的应用价值，人们才去用自然语言和数学表达形式来编写程序的思想，并且在1959年时在计算机上实现了，这就是最早的Fortran语言，随后出现Algol60、Basic、Pascal、C语言等等。特点：不依赖计算机硬件、通用性强、易理解。传统的高级语言面向过程处理：数据结构用来量化描述需要解决的问题，算法设计则研究如何用快捷、高效的方法解决问题的具体过程。面向对象的语言---面向对象的语言应该是高级语言一个分支，事实上面向对象的程序设计思想在20世纪60年代在英国就已经提出，由于种种原因在80年代末才引起人们的重视并得到发展，目前是最活跃的高级语言，它的应用价值非常高。它继承了面向过程的高级语言的合理部分：结构化程序设计、模块化、并行处理等，克服了数据与对数据的处理（代码）分离的弊端，代表了新颖的程序设计思维方法。典型的面向对象的语言有：C++、PB、VF、VB、VC、Delphi、Java、.Net等等。高级语言不能被计算机直接识别和执行，必须先翻译成用机器指令表示的目标程序。翻译的方式有两种：解释执行编译执行编译程序是把源程序翻译