《计算机基础与程序设计实践教程》课件 第1章 计算机基础知识

第1章计算机基础知识主讲：王淞春目录初识计算机计算机的起源计算机的发展阶段计算机的发展趋势未来的计算机计算机的分类计算机的应用领域1.1计算机概述31.1.1初识计算机计算机定义计算机一词是从英文“Computer”翻译而来，也译为电脑。Computer的本意是指从事计算的人，后来演变成从事计算的设备，即计算机。1计算机功能计算机的本质是在程序的控制下操纵数据。可以采用不同的物理形式表达数据、操纵数据。241.1.2计算机的起源机械计算器发展1623年德国科学家施卡德建造出世界已知的第一部机械式计算器“算数钟”。1642年法国科学家帕斯卡发明了滚轮式加法器，可透过转盘进行加法运算。1673年德国数学家莱布尼茨制作出可以进行四则运算的步进计算器。1通用计算机发展1834年英国数学家巴贝奇开始研制分析机。1936年英国数学家图灵提出一台假想的抽象的计算模型。1946年2月15日第一台电子通用计算机在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，这台计算机被称为ENIAC。251.1.3计算机的发展阶段第一代计算机：电子管数字计算机（1946-1958年）硬件方面，逻辑元件采用电子管，主存储器采用磁鼓，外存储器采用磁带。在软件编程方面，采用机器语言、汇编语言。运算速度在几千次/秒。主要应用领域以军事和科学计算为主。1第二代计算机：晶体管数字计算机（1958-1964年）硬件方面，逻辑元件采用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。软件方面出现了以批处理为主的操作系统、高级语言及其编译程序。运算速度一般为每秒数几万次到几十万次。应用领域以科学计算和事务处理为主，开始进入工业控制领域。2第三代计算机：集成电路数字计算机（1965-1970年）硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路，主存储器采用磁芯或半导体存储器，外存为磁盘。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点是速度更快（一般为每秒数百万至数千万次），可靠性有了显著提高，价格进一步降低，产品走向通用化、系列化和标准化。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。3第四代计算机：大规模集成电路计算机（1971年至今）硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路，软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。461.1.4计算机的发展趋势未来的计算机正朝着高性能、微型化、网络化、智能化、多媒体化方向发展。1高性能2022年11月发布的全球超算500强榜单中，排名第一的超级计算机Frontier，算力高达每秒1.1百亿亿次。2微型化2018年3月IBM公司推出比粗盐粒还小的计算机。在边长１mm的矩形中集成了约100万个晶体管，装有光伏电池用于供电，还装有静态随机存储器（SRAM），并采用发光二极管作为通信单元。3网络化目前互联网（Internet）已经将世界上的很多计算机连接在一起，Web网形成一个巨大的分布式信息系统，人们可以非常便利的获取信息。4智能化1956年人工智能先驱在达特莫斯（Dartmouth）会议首次提出“人工智能”这一术语，标志着人工智能学科的诞生。5多媒体化随着计算机性能的提高以及媒体数字化处理技术的发展，出现计算机多媒体化的趋势。71.1.5未来的计算机量子计算机是一类遵循量子力学规律存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机光子计算机是采用光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光子计算机生物计算机的基本思想是利用生物分子的某些特性来代替传统的半导体硅片集成电路,从而制造以生物元件为基本构成的计算机。生物计算机“纳米”是一个长度计量单位，1纳米等于10-9米。纳米技术从20世纪80年代初迅速发展起来。纳米计算机81.1.6计算机的分类按计算机处理的信号的特点可以分为数字式计算机、模拟式计算机、混合式计算机；按计算机的用途可分为通用计算机和专用计算机；按体系结构可以分为冯·诺依曼体系结构计算机和非冯·诺依曼体系结构计算机等等。1．巨型机巨型机，或称为超级计算机（Supercomputers）通常是指由数百、数千甚至更多的处理器（机）组成的、运算速度非常快、用于完成大型复杂计算任务的计算机。2．大型机大型计算机（Mainframe）是用来处理大容量数据的机器。3．小型机小型计算机（Minicomputer）是相对于大型计算机而言的。4．服务器服务器（Server）专指某些高性能计算机，主要用于网络和企业服务。5．微型机微型计算机（PersonalComputer）又称微机、个人计算机、微电脑、PC等，是第4代计算机时期开始出现的一个新机种，是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。6．手持式计算机手持式计算机又称掌上电脑（PDA）。7．工业控制计算机工业控制计算机是一种采用总线结构，对生产过程及其机电设备、工艺装备进行检测与控制的计算机系统的总称，简称工控机。8．嵌入式计算机嵌入式计算机（EmbeddedSystem）即嵌入式系统，是一种以应用为中心、以微处理器为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能严格要求的专用计算机系统。91.1.7计算机的应用领域科学计算问题是大量的和复杂的，利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。科学计算信息处理是指用计算机对信息进行收集、加工、存储和传递等工作，其目的是为有各种需求的人们提供有价值的信息，作为管理和决策的依据。信息处理计算机过程控制是指用计算机对工业生产过程或某种装置的运行过程进行状态检测并实施自动控制。过程控制常见的计算机辅助系统有计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助教学（CAI）等。计算机辅助系统利用计算机技术、网络技术和远程通信技术，实现整个商务过程中的电子化、数字化和网络化，实现商务流、信息流、物流、资金流的统一。电子商务虚拟现实（VR）技术囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体。增强现实(AugmentedReality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。虚拟现实与增强现实人工智能(ArtificialIntelligence，AI)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。人工智能计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。网络应用101.2计算机系统的组成111.2.1计算机系统的结构由硬件和软件两部分组成。硬件是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。软件是为运行、管理、维护计算机而编制的各种程序、数据、文档的总称。计算机系统运算器控制器存储器输入设备输出设备冯·诺依曼体系结构121.2.2计算机工作原理取出指令按照程序规定的次序，从内存储器取出需要执行的指令，送到CPU的指令寄存器中暂存。1分析指令将指令寄存器中的指令送到指令译码器，对所取的指令进行分析，即根据指令中的操作码确定计算机应进行什么操作。2执行指令根据指令分析结果，由控制器发出完成操作所需的一系列控制信号，指挥计算机有关部件完成这一操作。3131.2.3微型计算机的硬件系统中央处理器1中央处理器（CPU）是计算机的大脑，是控制器和运算器的组合。存储器2存储器是用于存放程序和数据的部件。按功能和所处位置的不同，存储器分为内部存储器和外部存储器两大类。随着计算机技术的发展，在CPU和内存储器之间又设置了高速缓冲存储器。输入设备3输入设备是人们向计算机输入信息的设备。输出设备4输出设备是将计算机的执行过程和执行结果展示出来的设备。主板5又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)，是计算机部件当中最重要、最基础的硬件设备之一。141.2.4微型计算机的性能指标一台计算机由硬件系统和软件系统共同组成，计算机的性能主要取决于硬件，但与软件也有关系，因此评价一台计算机的性能并不简单。台式机为例介绍主要性能指标。1运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标。计算机运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”来描述。运算速度计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而这组二进制数的位数就是“字长”。字长23内存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就是存放在内存中的。内存外存储器通常是硬盘。外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富，目前的主流的硬盘容量大约在几百GB到几TB。外存4151.2.5微型计算机的软件系统系统软件1）操作系统2）支撑软件3）语言处理程序4）数据库管理系统应用软件软件是针对用户具体的需求而开发的，用于解决实际问题，属于应用软件。常见的类别包括日常办公、图形图像处理、科学计算、会计财务、工程管理、辅助工具、网络通信等。161.3数制与编码171.3.1计算机中的信息表示冯·诺依曼体系计算机对信息（包括程序和数据）采用二进制形式表示，即用0和1两个基本符号的组合来表示所有信息。计算机中的信息人们在自然状况下使用的文字、数值、图像、声音、视频等并不是用二进制表示的，因此人与计算机进行交互时就要进行信息形式转换。人机交互信息转换181.3.2数制基数（Radix）基数是指各种进位计数制中所使用的基本符号的个数，用R表示。例如：十进制使用0~9共10个基本符号；二进制使用0、1共2个基本符号；八进制使用0~7共八个基本符号；十六进制使用0~9以及A、B、C、D、E、F共16个基本符号。进位规则逢R进1。十进制逢10进1，二进制逢2进1，八进制逢8进1，十六进制逢16进1。191.3.2数制位权由多个不同的基本符号组合起来表示较大的数值，一般采用从左到右的排列方式，左边是高位、右边是低位。【案例】

十进制数（123.45）10的位权

二进制数（101.01）2的位权201.3.2数制根据位权的概念，数值中某位表示的是该位的数字与其位权的乘积，则该数值可以写成按位权展开的多项式之和。【案例】（101.01）2

按位权展开：

211.3.2数制整数0~15的四种进制十进制数二进制数八进制数十六进制数000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F221.3.3不同进制之间的转换01非十进制转换为十进制02十进制转为非十进制03二进制、八进制、十六进制之间的转换231.3.3不同进制之间的转换01非十进制转换为十进制

241.3.3不同进制之间的转换02十进制转为非十进制1）整数的转换方法采用除基取余法，将十进制整数转为R进制整数。计算规则为：“除基取余，倒排余数”。具体含义是：将十进制整数整除以基数R，得到商和余数；得到的商继续整除以R，直到商为0为止；将各次整除所得到的余数按倒序排列，即为所需的R进制整数。251.3.3不同进制之间的转换02十进制转为非十进制【案例】将（75）10转换为二进制数结果为（75）10=（1001011）2

。261.3.3不同进制之间的转换02十进制转为非十进制2）小数的转换方法将十进制小数转换为非十进制小数采用乘基取整法。计算规则为：“乘基取整，顺排整数”。具体含义是：将十进制小数乘以基数R，得到积，取出整数部分；对积的小数部分继续乘以R，直到积的小数部分为0或满足精度要求为止；将各次得到的整数按顺序排列，前面加上小数点后即为所需的R进制小数。需要指出十进制小数转换为R进制小数时，有些十进制小数不能用R进制小数准确表示。这种情况下要预先给出精度要求，一般是要求小数点后达到多少位。另外，在操作过程中，是对所得积的小数部分再次进行乘基运算，忽略整数部分。271.3.3不同进制之间的转换02十进制转为非十进制【案例】将十进制小数0.3125转换成二进制小数。结果为（0.3125）10=（0.0101）2281.3.3不同进制之间的转换02十进制转为非十进制【案例】将十进制小数0.4转换成二进制小数。结果为（0.4）10=（0.0110）2

291.3.3不同进制之间的转换03二进制、八进制、十六进制之间的转换八进制转二进制：“一位拆三位”，即对于每个八进制位，写出对应3位二进制数。【案例】将(236.47)8转为二进制数。301.3.3不同进制之间的转换03二进制、八进制、十六进制之间的转换十六进制转二进制：“一位拆四位”，对每个十六进制位写出对应的4位二进制数。【案例】将(2C1.A1)16转换为二进制数。311.3.3不同进制之间的转换03二进制、八进制、十六进制之间的转换二进制转八进制：以小数点为中心向左右进行分组，每三位为1组，两头不足三位

则补0，然后对每个组，写出这三位二进制数的八进制。【案例】将（10110001.10101）2转换为八进制数。321.3.3不同进制之间的转换03二进制、八进制、十六进制之间的转换二进制转十六进制：以小数点为中心向左右进行分组，每四位为1组，两头不足四

位则补0，然后对每个组，写出这四位二进制数的十六进制。【案例】将（101100011.111011）2转为为十六进制数。331.3.4二进制数及其运算二进制的优点计算机内部使用二进制，基本符号只有0和1。计算机内部为什么要使用二进制，而不使用人们熟知的十进制呢？这是因为用二进制有一定的优越性。二进制容易用物理器件实现。（2）二进制运算规则简单（3）容易实现逻辑运算。（4）抗干扰能力强。1二进制的算术运算算术运算包括加、减、乘、除，二进制的算术运算规则比较简单。利用加法、减法可以实现乘法和除法运算。2二进制的逻辑运算如果对二进制数码1和0赋予逻辑含义，分别表示逻辑值“真（True）”和“假（False）”，就可以用二进制进行逻辑运算。具有逻辑属性的变量称为逻辑变量，对逻辑变量可以进行逻辑运算。3341.3.5数值型数据编码计算机三种整数的表示方法：原码、反码、补码。整数带有小数的数据在计算机中常用两种表示方法：定点表示和浮点表示。如果约定数据的小数点隐含在某个固定位置，称为定点表示法。如果小数点位置可以变动，称为浮点表示法。实数计算机内部是二进制的世界，所有信息都用二进制表示。人们日常使用的数值、文字、图像、音频、视频等信息都要用二进制进行编码，才能在计算机中存储、处理、传送。351.3.6英文字符编码文本信息要进入计算机也需要采用二进制形式编码。英文比较简单，字母数量有限，一般采用ASCII码表示。361.3.7汉字编码1输入码输入码也叫外码，是用来将汉字输入到计算机的一组键盘符号。2机内码在计算机内部汉字都用机内码，每一个汉字都有一个确定的。3交换码交换码是指不同的具有汉字处理功能的计算机系统之间交换汉字信息时所使用的代码标准。4输出码输出码又叫字形码、字模码，是为输出汉字将汉字的字形进行数字化处理后得到的一串二进制符号。371.4多媒体技术381.4.1多媒体有关概念80%媒体在这里是指信息的表现形式。90%多媒体融合两种以上媒体的信息综合表现形式，是多种媒体的综合、处理和利用的结果。60%多媒体技术是指以数字化为基础，能够对多种媒体信息进行采集、加工、存储和传递，并能使各种媒体信息之间建立起有机的逻辑联系，集成为一个具有良好交互性的系统的技术。391.4.2多媒体计算机多媒体计算机（MultimediaComputer，MC）是指能把视、听和计算机交互式控制结合起来，将媒体（如图像、音频、视频等）的获取、存储、处理和传输综合数字化所组成的一个完整的计算机系统。多媒体计算机定义包括硬件系统、软件系统、应用程序接口（API）、创作工，以及多媒体应用系统。多媒体计算机系统的组成401.4.3图形与图像图形与图像的区分图形一般指人工绘制的画面，基本组成是直线、圆、圆弧、曲线等几何形状，一般具有比较抽象的形式。图像是由输入设备（如相机）捕捉的自然界真实场景。计算机中常见的图像有两种类型：位图和矢量图。位图图像的基本属性位图图像的基本属性有尺寸、分辨率、颜色深度等。图形图像文件格式常见的位图文件格式有BMP、JPG、TIF、GIF、PNG、PSD等，常见的矢量图形格式有AI、DXF、WMF等。图形图像处理软件常用的图形图像处理软件411.4.4音频音频是指人耳可以听到的频率在20Hz~20kHz之间的声波，包括语言、音乐、自然界的声音、噪音等。计算机内部是二进制的，为了处理音频，需要将声波从模拟信号转换为数字信号，形成数字音频。音频数字化音频数字化的方法是采用固定的时间间隔，对音频信号进行处理，并将结果以数字形式存储。音频文件格式两类主要的音频文件格式：有损格式如MP3，AAC，OggVorbis，Opus；无损格式如WAV，FLAC，APE等。音频处理软件数字音频处理软件的功能主要包括录音、混音、后期效果处理等。421.4.5视频视频又叫活动图像或运动图像，是指随着时间变化的图像。视频技术参数数字视频中几个重要的技术参数影响视频的质量，分别是帧率、分辨率、码率。视频格式视频格式涉及到视频文件格式、视频封装格式、视频编码格式，极易混淆。视频编辑与处理狭义上讲，非线性编辑是指剪切、复制和粘贴素材。从广义上讲，非线性编辑是指在用计算机编辑视频且能实现诸多的处理效果，例如特技等。431.4.6计算机动画计算机动画就是通过计算机生成一系列画面并实现动态播放的技术。计算机动画按画面中物体的空间特征分为二维动画和三维动画。常用的动