《计算机文化基础》-第1章 计算机基础知识

1.1计算机的发展、分类、特点和用途1.1.1计算机的发展历史1936年，英国数学家图灵发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》，给出了现代电子数字计算机的数学模型，从理论上论证了通用计算机产生的可能性。1945年6月，英英籍匈牙利数学家约翰·冯·诺依曼首先提出在计算机“存储程序”的概念，奠定了现代计算机的结构理论。1946年，世界上的第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。20世纪70年代，随着计算技术的发展，研制出了第一台微型计算机，它是电子技术发展到第四代的产物。微型计算机的中央处理器由一块高度集成的大规模集成电路芯片组成。微型计算机简称微型机或微机，也被称为个人计算机或PC。下一页返回1.1计算机的发展、分类、特点和用途半个世纪以来，计算机主要经历了电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路4个阶段的发展，每一个阶段的计算机也分别称之为第一代、第二代、第三代和第四代计算机。目前，科学家们正朝着发展第五代计算机的方向努力。随着时代的发展，计算机的体积越来越小，速度越来越快，成本越来越低，功能却越来越强，更新换代更快。未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。我国计算机事业始于1956年。1958年8月1日，我国成功的研制出103小型电子计算机，从而实现了计算机技术零的突破。1959年10月1日，我国又研制成功104大型电子计算机，这种计算机的技术指标当时已处于比较先进的水平。上一页下一页返回1.1计算机的发展、分类、特点和用途1973年1月15日至27日，在北京召开了“电子计算机首次专业会议”。1983年12月6日，我国第一台被命名为“银河-Ⅰ”的亿次巨型电子计算机在国防科技大学研制成功。目前，我国高性能计算机已形成了“曙光”、“银河”等系列。1.1.1计算机的分类目前市场上计算机的种类很多，通常根据计算机的技术、功能、体积大小、价格和性能，将其分为4类1.巨型计算机：运算速度最快，精度很高，具有极大的容量。2.大型计算机：拥有多个中央处理器，能够处理大量的数据，可以同时支持上万个用户和几十个大型数据库。上一页下一页返回1.1计算机的发展、分类、特点和用途3.小型计算机：结构简单、设计研制周期短、成本低、规模小、操作简单、易于维护。4.微型计算机：也称个人计算机（PC），微型计算机在家庭和小企业中普遍使用。微型计算机体积小、价格低、结构紧凑。个人计算机可分为台式机和便携机，台式机一般是指放在家里的家用电脑，便携机一般是指带在身边的手提式电脑，即笔记本电脑。1.1.3计算机的特点1.运算速度快：当前，世界上最快的计算机可以达到每秒几十亿次。2.计算精度高：计算机一般的精度有十几位，有的计算机有上百位的精度。3.自动化程度高：人们使用计算机时，只需向计算机发出运行指令即可。上一页下一页返回1.1计算机的发展、分类、特点和用途4.超强的记忆能力：计算机可以存储大量的原始数据、中间结果和运算程序等信息，并且在需要用到这些数据信息的时候，又能够准确无误的读取出来。5.可靠的逻辑判断能力：计算机能够准确的进行逻辑判断，并根据判断结果做出下一步要执行的命令。1.1.4计算机的用途1.科学计算：主要指计算机用于完成和解决科学研究和工程技术中的数学计算问题。2.数据及事务处理：泛指数据管理和计算处理。3.自动控制：用计算机对工业生产工程中的某些信号进行检测，按最佳的方案对检测的数据自动进行处理，实现工业自动化操作。上一页下一页返回1.1计算机的发展、分类、特点和用途4.计算机辅助系统：（1）计算机辅助设计（CAD）；（2）计算机辅助制造（CAM）；（3）计算机辅助教学（CAI）；（4）其他计算机辅助系统5.人工智能：主要研究利用计算机来模拟人类的某些智力活动。上一页返回1.2计算机信息处理技术基础1.2.1什么是数据和信息1.数据的概念：数据是可以输入到计算机并由计算机处理的对象，数据存储的方式包括记录纸、磁介质、光介质和半导体存储器等。2.信息的概念：信息是客观事物在人们头脑中产生的反映，可以理解为消息、数据、资料和知识等。1.2.2计算机计数制的基本概念1.二进制：计算机是由电子器件组成的，在计算机内部数据都是采用二进制表示的。二进制的两种状态是用“0”和“1”表示，另外二进制的“0”和“1”两种状态，符合逻辑值的“假”和“真”，因此采用二进制数进行逻辑运算非常方便。下一页返回1.2计算机信息处理技术基础2.其他进制：在书写计算机程序时，经常用到的有八进制数、十进制数、十六进制数，常见进位计数制转换如表1.1所示。从表1.1可看出，用三位二进制数为一组构成一位八进制数，用四位二进制数为一组构成一位十六进制数。八进制数有0，1，2，3，4，5，6，7八个基本数字，而十六进制数有0，1，2，…9和A~F十六个数字符号。二进制、八进制、十六进制之间可以互换。为了区分不同计数制的数，常采用括号外面加数字下标的表示方法，或数字后面加相应的英文字母标识来表示。在计算机中书写不同进制的数时，常用如下的符号来标识。“B”表示二进制数。“O”或“Q”表示八进制数。“H”表示十六进制数。“D”表示十进制数。上一页下一页返回1.2计算机信息处理技术基础任何一种进位制数都可以表示成按位权展开的多项式之和的形式。（X）R=Dn-1Rn-1+Dn-2Rn-2+D0R0+D-1R-1+…+D-mR-m其中：X为R进制数，D为数码，R为基数，n是整数位数，m是小数位数，下标表示位置，上标表示幂的次数。1.2.3数制转换1.将R进制数转换为十进制数把一个R进制数转换成十进制数的方法是：按权展开，然后按十进制运算法则把数值相加。2.十进制数转换成R进制数十进制数转换成R进制数时，应将整数部分和小数部分分别转换，然上一页下一页返回1.2计算机信息处理技术基础后再相加起来可得出结果。整数部分采用“除R取余”的方法，即将十进制数除以R，得到一个商和余数，再将商数除以R，又得到一个商和一个余数，如此继续下去，直至商为零为止，将每次得到的余数按得到顺序逆序排列，即为R进制整数部分；小数部分采用“乘R取整”的方法，即将小数部分连续的乘以R，保留每次相乘的整数部分，直到小数部分为零或达到精度要求的位数为止，将得到的整数部分按得到的顺序排列，即为R进制的小数部分。3.二进制与八进制、二进制与十六进制数的相互转换（1）二进制数与八进制数相互转换由于23=8，即3位二进制数可以对应1位八进制数码，如表1.2所示。利用这种对应关系，可以方便的实现二进制数和八进制数的相互转换。转换方法：以小数点为界，整数部分从右向左每3位分为一组，若不够3位时，在左面补“0”，补足3位；小数部分从左向右每3位一组，不足位右面补“0”，然后将每三位二进制数用1位八进制数码表示，上一页下一页返回1.2计算机信息处理技术基础即可完成转换。（2）八进制数转换成二进制数转换方法：将每位八进制数用三位二进制数替换，按原有的顺序排列，即可完成转换。（3）二进制数与十六进制数相互转换由于24=16，即4位二进制数可以对应一位十六进制数码，如表1.3所示。利用这种对应关系，可以方便的实现二进制数和十六进制数的相互转换。转换方法：以小数点为界，整数部分从右向左每4位分为一组，若不够4位时，在左面补“0”补足4位；小数部分从左向右每4位一组，不足位右面补“0”，然后将每4位二进制数用一位十六进制数码表示，即可完成转换。（4）十六进制数转换成二进制数转换方法：将每位十六进制数用4位二进制数替换，按照原有的顺序排列，即可完成转换。上一页下一页返回1.2计算机信息处理技术基础1.2.4计算机中的字符与汉字的编码1.字符的编码在计算机系统中，字符的编码方法主要采用EBCDIC、ASCⅡ两种，EBCDIC主要用于IBM的大型主机，而ASCⅡ主要用于微型计算机和小型机。ASCⅡ是国际上通用的美国标准信息交换码，简称ASCⅡ码。表1.4为ASCⅡ码编码表，表中前32个与最后一个是不可打印的控制符号。在计算机中，这些字符以约定的二进制形式来表示，即字符的二进制编码。2.汉字的编码国标GB2312-1980规定了信息交换用的6793个汉字和682个非汉字图形字符。国标汉字及符号编码表分为94行、94列，每一行称为一个“区”，每一列称为一个“位”。每个汉字由它的区码和位码组合上一页下一页返回1.2计算机信息处理技术基础形成“区位码”。从而作为唯一确定每个汉字或汉字符号的代码。“区位码”划分为四组，具体如下：1~15区为图形符号区，其中，1~9区为标准区。10~15区为自定义符号区。16~55区为一级常用汉字区，共有3755个汉字，该区的汉字按拼音排序。56~87区为二级非常用汉字区，共有3008个汉字，该区的汉字都按部首排序。88~94区为用户自定义汉字区。对汉字的内码进行换算的规定：高位内码=区码+20H+80H低位内码=位码+20H+80H上一页返回1.3计算机系统的组成一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机系统的组成如图1.1所致1.3.1冯·诺依曼型计算机冯·诺依曼型计算机的基本思想：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大组成部分。数据和程序以二进制代码形式存放在存储器中，存放的位置由地址确定。控制器根据存放在存储器中的指令序列进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行，控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的工作流程。下一页返回1.3计算机系统的组成1.3.2计算机硬件系统冯·诺依曼提出的计算机“存储程序”工作原理决定了计算机硬件系统由5大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1.2所示。图中，表示控制流，表示数据流。1，存储器存储器是用来存储数据和程序的部件，根据功能的不同，存储器一般分为主存储器和辅存储器两种类型。（1）主存储器用来存放正在运行的程序和数据，可直接与运算器及控制器交换信息。按照存取方式，主存储器又可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM两种。只读存储器用来存放监控程序、系统引导程序等专用程序，对于只读存储器只能读取其中的指令，而不能修改或写入信息。随机存储器用来存放正在运行的程序及所需要的数据，但断电后，信息将自动丢失。上一页下一页返回1.3计算机系统的组成（2）辅存储器辅存储器是用来存放多种大信息量的程序和数据，可以长期保存。外存储器中的程序和数据不能直接被运算器、控制器处理。必须先调入内存储器。2.运算器运算器是计算机中处理数据的核心部件，主要由执行算术运算和逻辑运算的算术逻辑单元ALU、存放操作数和中间结果的寄存器组及连接各种部件的数据通路组成，用以完成各种算术运算和逻辑运算。3.控制器控制器是计算机中控制管理的核心部件。主要由程序计数器（PC）、指令计数器（IR）、指令译码器（ID）、时序控制电路和微操作控制电路等组成。在系统运行过程中，不断的生成指令地址、取出指令、分析指令、向计算机的各个部件发出微操作控制信号，指挥各个部件高速协调的工作。上一页下一页返回1.3计算机系统的组成4.输入/输出设备输入/输出设备又称为外部设备，它是与计算机主机进行信息交换，实现人机交互的硬件环境。1.3.3计算机软件系统软件包括可在计算机上运行的各种程序、数据及其有关文档。通常把计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。1。系统软件：系统软件也称为系统程序，是完成对整个计算机系统进行调度、管理、监控及服务等功能的软件。利用系统程序的支持，用户只需使用简便的语言和符号等就可编制程序，并使程序在计算机硬件系统上运行。2.应用软件上一页下一页返回1.3计算机系统的组成应用软甲也称为应用程序，是专业软件公司针对应用领域的需求，为解决某些实际问题而研制开发的程序，或由用户根据需要编制的各种应用程序。应用程序通常需要系统软件的支持，才能在计算机硬件上有效运行。1.3.4计算机硬件系统和软件系统之间的关系现代计算机不是一种简单的电子设备，而是由硬件与软件结合而成的一个十分复杂的整体，计算机硬件是支持软件工作的基础，没有足够的硬件支持，软件没法正常工作。相对于计算机硬件而言，软件是无形的。但是不安装任何软件的计算机不能进行任何有意义的工作。系统软件为现代计算机系统正常有效的运行提供良好的工作环境；丰富的应用软件使计算机强大的信息处理能力得以充分发挥。上一页返回1.4计算机主机及其内部结构1.4.1计算机主机外观结构如图1.3所示是一台计算机的正面和背面的外部结构图。在机箱的正面，都有电源开关、电源指示灯、硬件指示灯和RESET（重启动）按钮，如图1.3（a）所示。其主要部件有以下几种。电源开关：用于开启和关闭电脑。在很多机箱上都会标有POWER字样。电源指示灯：当按下电源开关后，电源指示灯就会亮起，表示电脑已经接通电源。硬盘指示灯：当硬盘在读写数据时，硬盘指示灯就会亮起来，表示硬盘正在工作。RESET按钮：按下这个按钮，计算机就会重新开机。在电脑主机机箱背面，有电源、显示器、鼠标、键盘、音箱、话筒和打印机各类设备的端口，如图1.3（b）所示。下一页返回1.4计算机主机及其内部结构1.4.2计算机主机内部结构拆开主机机箱，可以看到机箱的内部结构，它由主板、中央处理器（CPU）、内存条和硬盘灯核心部件组成，如图1.4所示。1。主机板机箱内最大的一块电路板，CPU、内存条、声卡、显示卡及其其他许多小板卡和接口线路等都需要插在主板上，主板的性能很大程度上决定了CPU及其其他板卡性能的发挥，从而影响计算机运行的速度与稳定性。如图1.5所示是一款主板。2.中央处理器CPU统一指挥调度计算机所有的工作，它的速度决定了计算机处理信息的能力。CPU的优劣直接决定了计算机的系统性能。如图1.6所示是一款目前主流的酷睿二代双核CPU。上一页下一页返回1.4计算机主机及其内部结构3.内存储器内存储器分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。ROM的特点是只能从中读取信息而不能用一般的方法写入信息，断电或关机后里面存储的信息也不会丢失。RAM是一种既可以写入、又可以从中读取信息的存储器，但计算机断电后，其中的信息就会丢失。SDRAM内存如图1.7所示，RDRAM内存如图1.8所示，DDR内存如图1.9所示。4。硬盘硬盘是存储数据的地方，也是PC中最重要的外部存储设备。计算机的操作系统、应用软件、文档、数据等，都是存储在硬盘上。它具有体积小、容量大、读写速度快、可靠性高和使用方便等特点。如图1.10所示为一款目前常见的希捷500GB硬盘。5.光驱与光盘上一页下一页返回1.4计算机主机及其内部结构光盘驱动器分为只读型光驱（CD-ROM）、数字视频光盘驱动器（DVD-ROM）、可记录光盘驱动器（CD-R）和读写光盘驱动器（CD-RW），后两种习惯上被称为刻录机，如图1.11所示。光盘可分为只读性光盘、一次性写入光盘、可擦写光盘。只读性光盘：其内容由生产厂家写入，用户在使用过程中只能读取，不能修改、删除和重新写入。一次性写入光盘：一般是由用户用光盘刻录机写入信息，只能写入一次，写入后不能修改、删除，是一次写入多次读取的光盘。可擦写性光盘：用户既可以对这种光盘读取信息，又可以用光盘刻录机对光盘上的信息进行删除和改写，如图1.12所示常见的光盘即为可擦写性光盘。6.显示器与显示卡计算机的显示系统包括显示器和显示卡，显示卡是一种常见的计算机上一页下一页返回1.4计算机主机及其内部结构功能扩展卡，是一个控制计算机发送信号到显示器的扩充插件版，显示器的质量和显卡的能力决定了计算机显示的是否清晰。如图1.13所示是两款显示卡。7.声卡声卡也是一种常见的计算机功能扩展卡，其作用是将CPU的处理结果输出给扬声器。常见的声卡有PCI接口的，如图1.14所示；也有USB接口的，如图1.15所示。8.调制解调器调制解调器是个人计算机与网络连接的主要设备。目前，大多数用户都是通过调制解调器和电话线上网的，其传输速率最高只能达到56KB/s。近年随着技术的发展，调制解调器的种类增加了ADSL调制解调器、ISDN调制解调器，用于有线电视网的线缆调制解调器。调制解调器由内置式（如图1.16所示）和外置式（如图1.17所示）两种。上一页返回1.5计算机外部设备1.键盘键盘与鼠标都是计算机最常用的输入设备。按键数和键位分，键盘有101键键盘，102键键盘、104键键盘、108键键盘等。按传输信息的方式还分为有线键盘和无线键盘。各种款式的键盘外观如图1.18所示。2.鼠标鼠标是操作计算机时使用最频繁也是最重要的输入设备之一。从内部结构和原理来分，鼠标可分为机械式、光电式和光机式3大类。以接口来分，鼠标可以分为串行口、PS/2接口、USB接口和无线鼠标。如图1.19所示是PS/2鼠标、USB接口鼠标和光电式鼠标的外观。3.扫描仪扫描仪是一种光机电一体化的产品。用于捕获图片并传送到计算机中。目前常见的扫描仪主要有平板式扫描仪和胶片扫描仪两种。不同样式下一页返回1.5计算机外部设备的扫描仪如图1.20所示。4.显示器显示器是计算机部件中最重要的输出设备，显示器依据材料的不同可分为液晶显示器（LED），如图1.21所示，阴极射线管显示器（CRT），如图1.22所示。5.打印机打印机也是计算机的重要输出设备。它可以把计算机处理的信息包括文本、图像等输出到纸张上，以便保存与传播。目前常用的打印机有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机，如图1.23所示的几种打印机。6.USB闪存USB闪存也称为U盘，是采用半导体存储介质存储数据信息，通过微机的USB端口相连，可以热插拔。如图1.24所示的U盘。上一页返回1.6常用计算机术语1.数据可由计算机进行处理的对象，在计算机中数据是以二进制的形式进行存储和运算的，它共有三种计量单位：位、字节和字。2.位（bit）数据的最小单位为二进制的1位，每个0或1就是一个位。3.字节（byte）通常将8位二进制数编为一组，称为一个字节。从键盘上输入的每一个数字、字母、符号的编码用一个字节来存储。一个汉字的机内码由二个字节来存储。4.字（word）字是指计算机进行算术运算或数据处理的一组二进制数。一个字由若干个字节组成。每个字中所含的位数，是由CPU的类型所决定的，通常运算器是以字节为单位进行运算的，而控制器是以字为单位进行接收和传递的。下一页返回1.6常用计算机术语5.字长字长是计算机每个字所含的位数，通常将组成一个字的位数称为该字的字长。微机中的字长是由该计算机的算术逻辑单元一次可以并行处理的二进制数的位数来决定的。字长是计算机性能的一个重要标志