大学计算机基础 (1).ppt

1、大 学 计 算 机 基 础,第1章 计算机基础知识,1.2 数据在计算机中的表示,1.3 计算机硬件组成,1.4 微型计算机的组成,1.5 软件系统,1.6 习题,1.1 计算机的发展,1.1 计算机的发展,1.1.1 电子计算机的产生和发展,1.1.2 计算机发展的几个阶段,1.1.3 中国计算机产业的发展大事记,1.1.5 计算机的类型,1.1.6 计算机的新技术,1.1.7 未来计算机的发展趋势,1.1.8 信息技术的发展,1.1.4 计算机的特点和用途,1.1.1 电子计算机的产生和发展,第二次世界大战的爆发带来了强大的计算机需求。宾夕法尼亚大学电子工程系的教授约翰莫克利(John M

2、auchley)和他的研究生埃克特(John Presper Eckert)计划采用真空管建造一台通用的电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机)，并于1946年研制成功 ENIAC被广泛认为是世界上第一台现代意义上的计算机，美国人也一直为这一点而骄傲。不过直到现在，英国人仍然认为，由著名的英国数学家图灵帮助设计的，于1943年投入使用的一台帮助英国政府破译截获密电的电子计算机COLOSSUS才是世界上的第一台电子计算机。 莫克利和埃克特不久后开始研制新的机型EDVAC(Electronic Discre

3、te Variable Automatic Computer，电子离散变量自动计算机)。几乎与此同时，ENIAC项目组的一个研究人员冯诺依曼来到了普林斯顿高级研究院研制他自己的EDVAC，即IAS计算机。 冯诺依曼机 (1) 计算机的程序和程序运行所需要的数据以二进制形式存放在计算机的存储器中。 (2) 程序和数据存放在存储器中，即程序存储(StoredProgram)的概念。计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地执行程序，并得到预期的结果。 (3) 计算机由输入、存储、运算、控制和输出5个部分组成。,从第一台电子计算机诞生到现在短短的60年中，计算机技术以前所未有的速度迅猛发展。一般

4、根据计算机所采用的物理器件，将计算机的发展进行了分代，如表1.1所示。,1.1.2 计算机发展的几个阶段,表1.1 计算机发展的四个时代,1.1.3 中国计算机产业的发展大事记（1）,1956年，夏培肃完成了第一台电子计算机运算器和控制器的设计工作，同时编写了中国第一本电子计算机原理讲义。 1957年，哈尔滨工业大学研制成功中国第一台模拟式电子计算机。 1958年，中国第一台计算机103型通用数字电子计算机研制成功，运算速度1500次每秒。 1959年，中国研制成功104型电子计算机，运算速度1万次每秒。 1960年，中国第一台大型通用电子计算机107型通用电子数字计算机研制成功。 1963年

5、，中国第一台大型晶体管电子计算机109机研制成功。 1964年，441B全晶体管计算机研制成功。 1965年，中国第一台百万次集成电路计算机DJS-型操作系统编制完成。 1967年，新型晶体管大型通用数字计算机诞生。 1969年，北京大学承接研制百万次集成电路数字电子计算机150机。 1970年，中国第一台具有多道程序分时操作系统和标准汇编语言的计算机441B-型全晶体管计算机研制成功。,1.1.3 中国计算机产业的发展大事记（2）,1972年，运算11万次每秒的大型集成电路通用数字电子计算机研制成功。 1973年，中国第一台百万次集成电路电子计算机研制成功。 1974年，DJS-130、13

6、1、132、135、140、152、153等13个机型先后研制成功。 1976年，DJS-183、184、185、186、1804机研制成功。 1977年，中国第一台微型计算机DJS-050机研制成功。 1979年，中国研制成功运算速度500万次每秒的集成电路计算机HDS-9，王选院士用中国第一台激光照排机排出样书。 1981年，中国研制成功的260机平均运算速度达到100万次每秒。 1983年，“银河号”巨型计算机研制成功，运算速度达亿次每秒。 1984年，联想集团的前身新技术发展公司成立，中国出现第一次微机热。 1985年，华光型汉字激光照排系统投入生产性使用。 1986年，中华学习机投入

7、生产。 1987年，第一台国产的286微机长城286正式推出。 1988年，第一台国产386微机长城386推出，中国发现首例计算机病毒。,1.1.3 中国计算机产业的发展大事记（3）,1990年，首台高智能计算机EST/IS4260智能工作站诞生，长城486计算机问世。 1991年，新华社、科技日报、经济日报正式启用汉字激光照排系统。 1992年，中国最大的汉字字符集6万电脑汉字字库正式建立。 1993年，中国第一台10亿次巨型银河计算机型通过鉴定。 1994年，银河计算机型在国家气象局投入正式运行，用于天气中期预报。 1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达25亿次每秒。 1996

8、年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。 1997年，银河并行巨型计算机研制成功。 1998年，中国微机销量达408万台，国产占有率高达71.9%。 1999年，银河第四代巨型机研制成功。 2000年，我国自行研制成功高性能计算机“神威”。 2001年，研制成功第一块32位CPU芯片“方舟1”，其主频为200MHz。 2002年，中国第一个可以批量投产的通用CPU“龙芯1号”芯片研制成功。 2003年，联想承担的国家网格主节点“深腾6800”超级计算机正式研制成功。 2004年，超级计算机“曙光4000A”排名第十，进入全球计算机500强。 2005年，“龙芯二号”正式亮相。 2005年，联

9、想完成并购IBM PC，一跃成为全球第三大PC制造商。,1.1.4 计算机的特点和用途,1. 计算机的特点 1) 高速、精确的运算能力 2) 准确的逻辑判断能力 3) 强大的存储能力 4) 自动功能 5) 网络与通信功能,2. 计算机的用途 1) 科学计算 2) 数据处理 3) 实时控制 4) 计算机辅助 5) 网络与通信 6) 人工智能 7) 数字娱乐 8) 嵌入式系统,1.1.5 计算机的类型 （1）,1. 巨型机 巨型机是指目前速度最快、处理能力最强的计算机，现在称为高性能计算机。 2. 大型通用机 大型通用机是对一类计算机的习惯称呼，本身并无十分准确的技术定义。其特点表现在通用性强、具

10、有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等，主要应用在科研、商业和管理部门。通常人们称大型机为“企业级”计算机。 大型机系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。 3. 微型计算机(个人计算机) 微型计算机又称个人计算机(PC，Personal Computer)。 微型计算机的结构有：单片机、单板机、多芯片机和多板机。,1.1.5 计算机的类型 （2）,4. 工作站 工作站是一种高档微机系统，它比微型机有更大的存储容量和更快的运算速度，而且配备大屏幕显示器。主要用于图像处理和计算机辅助设计等领域，具有很强的图形交互与处理能力。 5. 服务器 “服务器”一词很恰当地描述了计算机在应用中的角色

11、，而不是刻画机器的档次。 服务器可以是大型机、小型机、工作站或高档微机。服务器可以提供信息浏览、电子邮件、文件传送、数据库等多种业务服务。,1.1.6 计算机的新技术,1. 嵌入式技术 嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统中的一种技术，也就是说，它将软件固化集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化。 2. 网格计算 是专门针对复杂科学计算的新型计算模式。 有两个优势：一是数据处理能力超强；二是能充分利用网上的闲置处理能力。 3. 中间件技术 中间件是介于应用软件和操作系统之间的系统软件。,1.1.7 未来计算机的发展趋势,1. 计算机的发展趋势 1) 巨型化 巨型化是指

12、计算速度更快、存储容量更大、功能更强、可靠性更高的计算机。 2) 微型化 微型化是指发展体积更小、功能更强，可靠性更高、携带更方便、价格更便宜、适用范围更广的计算机系统。 3) 网络化 网络化是指利用通信技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。 4) 智能化 智能化是指让计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。,2. 未来新一代的计算机 1) 模糊计算机 1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。 2) 生物计算机 其生物电子元件是利用蛋白质具有的开关特性，用蛋白质分子制成集成电路，形成蛋白质芯片、红血素芯片等。 3) 光

13、子计算机 光子计算机是一种用光信号进行数字运算、信息存储和处理的新型计算机，运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成在一块芯片上，再用光导纤维连接成计算机。 4) 超导计算机 5) 量子计算机 被认为可以进行传统电子计算机无法完成的复杂计算，其运算速度将是传统电子计算机无法比拟的。,1.1.8 信息技术的发展,1. 数据与信息 2. 信息技术 3. 现代信息技术的内容 1) 信息基础技术；2) 信息系统技术；3) 信息应用技术 4. 现代信息技术的特点 1) 数字化；2) 多媒体化；3) 高速度、网络化、宽频带；4) 智能化,1.2 数据在计算机中的表示,1.2.1 计算机采用二进制编码,1

14、.2.2 进位计数制,1.2.3 R进制转换为十进制,1.2.5 八进制转换为十六进制,1.2.6 计算机中的信息单位,1.2.7 数值,1.2.8 字符,1.2.4 十进制转换为R进制,1.2.1 计算机采用二进制编码,ENIAC计算机是一台十进制的计算机，它采用十个真空管来表示一位十进制数。冯诺依曼在研制IAS时，发觉这种十进制的表示和实现方式十分麻烦，提出了二进制的表示方法，从此改变了整个计算机的发展历史。,1.2.2 进位计数制,表1.2 计算机中常用的几种进位计数制的表示,1.2.3 R进制转换为十进制,在我们熟悉的十进制系统中，9658还可以表示成如下的多项式形式： (9658)D

15、 = 9103 + 6102 + 5101 +8100,表1.3 部分二进制的权值,1.2.4 十进制转换为R进制,将一个十进制整数转换成R进制数采用“除R取余”法，即将十进制整数连续地除以R取余数，直到商为0，余数从右到左排列，首次取得的余数排在最右边。 小数部分转换成R进制数采用“乘R取整”法，即将十进制小数不断乘以R取整数，直到小数部分为0或达到要求的精度为止(小数部分可能永远不会得到0)；所得的整数从小数点自左往右排列，取有效精度，首次取得的整数排在最左边。,1.2.5 八进制转换为十六进制,表1.4 八进制数与二进制数、十六进制数之间的关系,1.2.6 计算机中的信息单位,1. 位(

16、bit) 位是度量数据的最小单位，在数字电路和电脑技术中采用二进制，代码只有0和1，其中无论0还是1在CPU中都是1位。 2. 字节(Byte) 一个字节由八位二进制数字组成(1Byte = 8bit)。字节是信息组织和存储的基本单位，也是计算机体系结构的基本单位。 为了便于衡量存储器的大小，统一以字节(Byte，B)为单位。常用的是： K字节 1KB = 1024B M字节 1MB = 1024KB G字节 1GB = 1024MB T字节 1TB = 1024GB,1.2.7 数值（1）,表示一个二进制数的正负 ： 在数的前面增加一位符号位，用“0”表示正数，“1”表示负数。 通常，我们把

17、用0或1表示正负号的数叫做计算机的“机器数”，而它对应的实际数值叫做机器数的“真值数”，也有的称做尾数。 计算机中根据数的不同运算采用不同的编码方法。主要有原码、反码和补码3种。 一般计算机中的数有两种常用表示格式：定点和浮点。,原码、反码和补码,1. 原码 原码的定义为：一个正数的原码和它的真值相同，负数的原码为这个数真值的绝对值，符号位为1。 2. 反码 反码很少使用，作为编码和求补码的中间码。 正数的反码与原码的表示形式相同。 负数的反码与原码有如下关系：符号位相同(仍用1表示)，其余各位取反(0变1，1变0)。 3. 补码 一个正数的补码与原码相同，一个负数的补码由该数的反码加1获得。

18、,1.2.7 数值（2）,定点数 1) 定点纯小数格式 定点纯小数固定隐含小数点位置在数值部分最高位的左边。 2) 定点纯整数格式 定点纯整数的小数点固定隐含在机器数的最右边 。,浮点数 1) 阶码 阶码的位数表示数的大小范围，它是一个带符号的整数。 2) 尾数 尾数表示数的精度，可以采用整数或纯小数两种形式。,1.2.8 字符,1. 西文字符的编码 计算机中的信息都是用二进制编码表示的，用以表示字符的二进制编码称为字符编码。 2. Unicode编码 它最初是由Apple公司发起制定的通用多文字集，后来被Unicode协会开发为能表示几乎世界上所有书写语言的字符编码标准。 3. 中文字符 A

19、SCII码只对英文字母、数字和标点符号作了编码。 4. 汉字的处理过程 从汉字编码的角度看，计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程。这些编码主要包括：汉字输入码、汉字内码、汉字地址码、汉字字形码等。,1.3 计算机硬件组成,尽管各种计算机在性能、用途和规模上有所不同，但其基本结构都遵循冯诺依曼型体系结构。人们称符合这种设计的计算机是冯诺依曼机。冯诺依曼模型决定了计算机由输入、存储、运算、控制和输出5个部分组成。 1.3.1 运算器 1.3.2 控制器 1.3.3 存储器 1.3.4 输入/输出设备 1.3.5 计算机的结构,1.3.1 运算器,又称算术逻辑部件(ALU，Ar

20、ithmetic and Logic Unit)，主要功能是进行算术逻辑运算，是计算机实现数据处理的核心部件。 1. 字长(Length Word) 运算器所能并行处理的二进制数的位数通常称为计算机的字长。机器的字长一般为8位、16位、32位、64位等。 2. 运算速度 衡量计算机速度的性能指标一般用计算机每秒所能完成的指令数来表示。 SPEC基准测试程序(System Performance Evaluation Cooperative),1.3.2 控制器,图1.12 控制器结构简图,1. 机器指令 机器指令是计算机硬件真正可以“执行”的命令。机器指令是一个按照一定的格式构成的二进制代码串

21、，它用来描述一个计算机可以理解并能执行的基本操作。 一条机器指令包括操作性质部分和操作对象部 2. 指令的执行过程 程序是由指令序列组成的，计算机的工作过程就是自动执行指令的过程。 一条机器指令的执行需要获得指令、分析指令、执行指令。,1.3.3 存储器,图1.14 内存储器的结构简图 1. 存储单元 存储单元是可以独立访问的基本单位，由若干个二进制代码单元组成。 2. 地址寄存器和地址译码器 3. 读/写控制电路,1.3.4 输入/输出设备,计算机的输入/输出系统实际上包含输入/输出设备和输入/输出接口两部分。 输入/输出设备简称I/O(Input/Output devices)设备，有时也

22、称为外部设备。 外部设备分输入设备和输出设备两大类，最常用的输入设备是键盘和鼠标，像扫描仪、数字化仪等也属于输入设备。输出设备最常见的是显示器、打印机、绘图仪等。,1.3.5 计算机的结构,1. 直接连接 2. 总线结构：数据总线 ，地址总线 ，控制总线,1.4 微型计算机的组成,1.4.1 主机 1.4.2 输入设备 1.4.3 输出设备,1.4.1 主机（1）,微型计算机系统的硬件资源是指计算机系统中可以看得见摸得着的物理装置，即机械器件、电子线路等设备。具体来说，现在流行的PC机，从结构上来分，可以将硬件分为主机、外设两大部分。,图1.17 微型计算机,1.4.1 主机（2）,1. 主机

23、箱 台式计算机的主机安装在主机箱内，主机箱内有系统主板(又称主机板或母板)、CPU、内存、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器、显示器适配器(又称图形加速卡或显示卡)、电源、机箱及其他一些外围设备接口等部分。 2. 主板 系统主板又称为主机板或母板，是微型计算机中最大的一块集成电路板，是微型计算机中各种设备的连接载体。 3. 存储器 1) 内存储器； 2) 高速缓冲存储器Cache 3) 内存储器的性能指标：容量和速度。 4) 外存储器：软盘和软盘驱动器；硬盘和硬盘驱动器 ；光盘存储器；移动存储产品。,1.4.2 输入设备,输入设备是用来向计算机输入命令、程序、数据、文本、图形、图像、音

24、频和视频等信息的设备。其主要作用是把人们可读的信息转换为计算机能识别的二进制代码输入计算机，供计算机处理。是人与计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。 键盘、鼠标、扫描仪、光笔、压感笔、手写输入板、语音话筒、数码相机、数码录像机、触摸屏、光电阅读器、游戏操作杆等都属于输入设备。最为常用的输入设备是键盘和鼠标。,1.4.3 输出设备,输出设备的主要功能是将计算机处理后的各种内部格式的信息转换为人们能识别的形式(如文字、图形、图像和声音等)表达出来。 常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和音箱等。,1.5 软 件 系 统,软件系统是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。

25、,计算机系统由硬件(Hardware)系统和软件(Software)系统组成。硬件系统也称为裸机，裸机只能识别由0和1组成的机器代码。没有软件系统的计算机是无法工作的，它只是一台机器而已。,1.5.1 进程与线程,1.5.2 软件系统及其组成,1.5.3 计算机语言,1.5.4 应用软件,1.5.1 进程与线程,1. 进程 进程是程序的一次执行过程，是系统进行调度和资源分配的一个独立单位。 现代操作系统把进程管理归纳为：“程序”成为“作业”进而成为“进程”，并被按照一定规则进行调度。 进程是正在内存中被运行的程序，当一个作业被选中后进入内存运行，这个作业就成为进程。等待运行的作业不是进程。同样，所有的进程都是作业，但不是所有的作业都是进程。,2. 线程 目前许多操作系统把进程再“细分”成线程(Threads)。 单线程；轻量级进程(LWP，Light Weight Processes)；重量级线程(WP，Weight Processes)。 核心级线程(Kernel Threads)