《计算机应用基础教程》第一章-计算机基础知识

1第1章计算机基础知识学习目标：通过本章学习使学生掌握计算机基本概念、计算机系统组成、计算机各大硬件设备、计算机的数制和信息的表示与存储，并熟悉计算机的产生、发展、特点和应用领域，了解计算机中字符编码的概念。1.1计算机概述随着微型计算机的出现及计算机网络的发展，计算机的应用已渗透到社会的各个领域，并逐步改变着人们的生活方式。21世纪的今天，掌握和使用计算机成为人们必不可少的技能。1.1.1计算机的诞生及发展1946年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC(埃尼阿克)在美国加州问世。ENIAC使用了17468电子管，1500个继电器，体积3000立方英尺（1立方米＝35.346立方英尺），占地170平方米，重30吨，耗电174千瓦。内存17K，字长12位，运算速度每秒5000多次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快300倍，耗资40万美金。在当时用它来处理弹道问题，将人工计算使用20小时缩短到30秒。但是ENIAC却有一个严重的问题，它不能存储程序。如图1-1所示。图1-1世界上第一台电子计算机2几乎在同一时期，著名数学家冯·诺依曼提出了“存储程序”和“程序控制”的概念。其主要思想为：1）采用二进制形式表示数据和指令。2）计算机应包括运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大基本部件。3）采用存储程序和程序控制的工作方式。所谓存储程序，就是把程序和处理问题所需的数据均以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里。计算机运行时，中央处理器依次从内存储器中逐条取出指令，按指令规定执行一系列的基本操作，最后完成一个复杂的工作。这一切工作都是由一个担任指挥工作的控制器和一个执行运算工作的运算器共同完成的，这就是存储程序控制的工作原理。冯·诺依曼的上述思想奠定了现代计算机设计的基础，所以后来人们将采用这种设计思想的计算机称为冯·诺依曼型计算机。从1946年第一台计算机诞生至今，虽然计算机的设计和制造技术都有了极大的发展，但今天使用的绝大多数计算机其工作原理和基本结构仍然遵循着冯·诺依曼的思想。计算机由于所使用的元器件的迅速发展经历了五个时代，如表1-1所示。代日期逻辑元件主存辅存速度(次/秒)软件代表产品第一代1946-1957电子管水银延迟线磁鼓磁带5千~4万机器语言、汇编语言UNIVAC第二代1958-1964晶体管磁芯磁带、磁盘几十万~几百万高级语言、管理程序IBM7000、UNIVACII第三代1965-1970中小集成电路半导体存储器磁盘几百万~几千万操作系统诊断程序IBMsystem/360第四代1971-现在超大规模集成电路半导体存储器磁盘、光盘上亿固件、网络、数据库第五代智能机能听、说、看、有思维能力等的新一代的计算机被称为智能计算机。1.1.2计算机分类计算机按工作原理分可分为：模拟电子计算机、数字电子计算机、模拟数字混合计算机；按功能分可分为专用计算机和通用计算机；按工作模式分可分为工作站和服务器；按规模分可分为：巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机。如银河系列计算机：运行速度每秒上百亿次，如图1-2所示。表1-1计算机年代的划分31.1.3计算机特点1．运算速度快当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、24小时天气预报的计算等，过去人工计算需要几年、几十年，而现在用计算机只需几天甚至几分钟就可完成。2．计算精确度高科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。一般计算机可以有十几位甚至几十位(二进制)有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。3．存储容量大计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，以供用户随时调用。计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。计算机的“记忆”功能是与传统计算工具的一个重要区别。4．具有逻辑判断能力计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有对各种信息进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。5．自动化程度高，通用性强图1-2银河系列计算机4计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制进行的。用户根据解题需要，事先设计好运行步骤与程序，计算机十分严格地按程序规定的步骤操作，整个过程不需人工干预，自动化程度高，这一特点是一般计算工具所不具备的。计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用各个领域。1.2计算机系统组成及应用完整的计算机系统包括：硬件系统和软件系统。硬件系统是计算机的“躯干”，是基础。软件系统是建立在“躯干”上的“灵魂”。其结构如图1-3所示。在计算机系统中，硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。所以软件与硬件一样，都是计算机工作必不可少的组成部分。那么，计算机由用户来使用，用户与计算机硬件系统和软件系统的层次关系如图1-4所示。硬件系统计算机系统软件系统外设主机外（辅）存储器（硬盘、软盘、光盘等）系统软件（Windows98/2000/2003/XP、WIN7、Linux等）应用软件（Word、Excel、Photoshop等）中央处理单元（CPU）控制器内(主)存储器随机存储器（RAM）输出设备（显示器、打印机、绘图仪等）只读存储器（ROM）输入设备（键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪、触摸屏等）运算器图1-3计算机系统的组成结构5图1-4用户、软件和硬件的关系1.2.1硬件系统基本组成电子计算机从诞生至今，其体系结构基本没有发生变化，仍旧沿用冯·诺依曼体系结构，即计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备组成，如图1-5所示。图1-5计算机的基本结构1．运算器运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件，也就是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算，或进行与、或、非等的基本逻辑运算，从而实现逻辑判断。运算器是在控制器的控制下实现算术逻辑运算功能，运算结果由控制器送到内存中。2．控制器控制器是计算机指挥和控制中心。它负责从内存中取出指令，确定指令类型，并对指令进行译码，按时间的先后顺序，向计算机的各个部件发出控制信号，使整个计算机系统的各个部件协调一致地工作，从而一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、时序部件、操作控制部件等部件组成。3．存储器存储器是计算机存储数据的部件，用于保存程序及数据，以及运算的结果。包括数据寄存器和地址寄存器。数据寄存器用于暂存操作数和运算结果，地址寄存器用于存放输出设备计算结果(输出信息)程序、原始数据输入设备(输入信息)操作系统等软件系统应用软件计算机硬件系统运算器存储器控制器6需要访问的存储单元的地址。4.输入设备输入设备负责把用户命令，包括程序和数据输入到计算机中，是人与计算机之间对话的重要工具。文字、图形、声音、图像等信息都要通过输入设备才能被计算机接受。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。5.输出设备输出设备是将计算机运算或处理的结果转换成用户所需要的各种形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机等。1.2.2软件系统计算机软件是各种程序和文档的总称，程序是人们为使计算机完成某向特定的任务而编写的按一定次序排列和执行的命令和数据的集合，文档则是应用各种编辑系统编写的文本或带格式的文本。计算机软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件是指控制、管理和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件的总称。系统软件包括：操作系统、语言处理程序和服务程序。1．操作系统操作系统是管理、控制和监督计算机软、硬件资源协调运行的程序系统，由一系列具有不同控制和管理功能的程序组成，它是直接运行在计算机硬件上的、最基本的系统软件，是系统软件的核心。操作系统是计算机发展中的产物，它的主要目的有两个：一是方便用户使用计算机，是用户和计算机的接口。比如用户键入一条简单的命令就能自动完成复杂的功能，这就是操作系统帮助的结果；二是统一管理计算机系统的全部资源，合理组织计算机工作流程，以便充分、合理地发挥计算机的效率。有关操作系统的知识将在第3章做进一步的介绍。2．程序设计语言计算机语言是人们根据描述实际问题的需要而设计的、用于书写计算机程序的语言。程序设计语言就是人们设计出来的能让计算机读懂并且能完成某特定事的语言。程序设计语言从低级到高级依次为机器语言、汇编语言、高级语言三类。低级语言包括机器语言和汇编语言。按照语言对机器的依赖程度，可分为：1）机器语言（MachineLanguage）是以二进制代码形式表示的机器基本指令的集合。它的特点是运算速度快，每条指令都是0和1的组合，不同计算机其机器语言不同，难阅读，难修改，难移植。2）汇编语言(AssembleLanguage)是为了解决机器语言难于理解和记忆，用易于理解和记忆的名称和符号表示的机器指令。例如，加法指令ADD，传送指令MOV。汇编语言虽比机器语言直观，但基本上还是一条指令对应一种基本操作，对同一问题编写的程序在不同类型的机器上仍然是互不通用。汇编语言必须经过语言处理程序（汇编程序）的翻译才能被计算机识别。3）高级语言（HighLevelLanguage)是人们为了解决低级语言的不足而设计的程序设计语言。它是由一些接近于自然语言和数学语言的语句组成。易学、易用、易维护。7但是由于机器硬件不能直接识别高级语言中的语句，因此必须经过“翻译程序”，将用高级语言编写的程序翻译成机器语言的程序才能执行。一般说来用它的编程效率高，执行速度没有低级语言高。高级语言必须经过语言处理程序（编译程序等）的翻译才能被计算机识别。目前最常用的高级语言有：C语言、C++、Java、Delphi等。除机器语言外，采用其他程序设计语言编写的程序，计算机都不能直接识别其指令，这种程序称为源程序，必须把源程序翻译成等价的机器语言程序，即计算机能识别的0与1的组合，承担翻译工作的即为语言处理程序。语言处理程序是把源程序翻译成与之等价的另一种语言表示的程序。其工作方法有解释和编译二种。如图1-6(a)、(b)所示。3．应用软件应用软件是为计算机在特定领域中的应用而开发的专用软件。应用软件具体可分为两类：面向问题的应用程序，如现代企业管理系统、财务软件、订票系统、电话查询系统、仓库管理系统、旅馆服务系统。为用户使用而开发的各种工具软件，如诊断程序、调试程序、编辑程序、链接程序、字处理软件、图形处理软件、系统操作、维护软件等。应用软件包括的范围是极其广泛的，可以这样说，哪里有计算机应用，哪里就有应用软件。如办公应用Office、WPS；平面设计PhotoShop、Illustrator、CorelDraw；视频处理Premiere、AfterEffects、会声会影；网站建设FrontPage、Dreamwerver；辅助设计AutoCAD；三维制作3DSMax；多媒体开发Authorware、Flash等等。1.2.3计算机应用1．科学计算科学计算通常是指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，如应用于天气预报、地震分析、导弹拦截大量的数值计算与分析等，是计算机最早的应用领域。在计算机诞生初期，计算机主要用于科学计算，在弹道计算上显示了它的巨大威力。当时，用ENIAC计算炮弹从发射到弹道轨道40个点的位置只用了3秒，代替了7个小时的人工计算，速度提高了8400倍。随着科学技术的发展，使得各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复杂的计算问题。科学计算的特点是计算工作量大、数值变化范围大。2．信息处理信息处理是指对大量的数据进行加工处理