第1章计算机与信息技术基础

大学计算机基础甘勇、尚展垒、张建伟等编著人民邮电出版社第1章计算机基础知识知识要点1．计算机的发展；2．计算机的应用领域；3．计算机的组成及各部分的功能；4．二进制及与其他进位计数制间的转换；5．信息的表示及处理。第1章计算机基础知识1.1计算机的发展和应用领域概述1.2计算机系统的基本构成1.3计算机的部件1.4数制及不同数制之间的转换1.5基于计算机的信息处理1．1计算机的发展和应用领域概述1．1．1计算机的发展电子数字计算机（ElectronicComputer）是一种能自动地、高速地、精确地进行信息处理的电子设备。一、电子计算机的产生1946年2月，电子数字积分器和计算器ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功，并被称为世界上第一台电子数字计算机。1．1计算机的发展和应用领域概述1．1．1计算机的发展冯．诺依曼在EDVAC中采用了二进制数，并创立了“存储程序式”的设计思想，EDVAC也被认为是现代计算机的原型。直到由英国剑桥大学威尔克斯（M.V.Wilkes）领导设计的EDSAC1949年5月投入运行，存储程序计算机才被首次实现。定义：“计算机”是一种高速的、存储程序并能自动运行的电子设备。二、电子计算机的发展第一代计算机（1946年～1959年）：逻辑元件采用电子管第二代计算机（1960年～1964年）：逻辑元件采用晶体管第三代计算机（1965年～1969年）：逻辑元件采用集成电路IC第四代计算机（1970年至今）：采用了超大规模集成电路VLSI新一代计算机FGCS：即未来计算机的目标是使其具有智能特性，具有知识表达和推理能力，能模拟人的分析、决策、计划和其他智能活动。1．1计算机的发展和应用领域概述三、微型计算机的发展微型计算机的升级换代主要有两个标志：微处理器的更新和系统组成的变革。第一代（1971～1973年）是低档的4位和8位微机。第二代（1974～1977年）以8位微机为主。第三代（1978～1984年）主要是16位微机。第四代（1985～1992年）32位微机为主流。第五代（1993～至今）以64位微机为主的时代。1．1计算机的发展和应用领域概述四、微型机和大型机用起来有什么不同？传统上，计算机根据其技术、功能、体积大小、价格和性能分为四类：微型，小型，大型及巨型，。但是这些分类随着技术的发展而变化。不同种类计算机之间的分界线非常模糊，随着更多高性能计算机的出现，它们之间相互渗透。因为每种计算机的特性随着技术发展而变化和相互渗透，很难将一台具体的计算机归为某类，除非你具有当今计算机的专业知识。所以，如果你要将一台具体计算机归类，就要查看其销售资料来了解其厂商如何给其归类。1．1计算机的发展和应用领域概述1.微型计算机微型计算机也称为个人计算机（PC），是家庭和小型企业中最常见的。一台微型计算机通常价格在5000元左右，其CPU可以每秒钟执行2亿次操作。你看到的微型计算机可能独立存在，也可能与其他计算机相连（因此你可以与其他用户共享数据和软件）。但是，即使你的计算机与其他计算机相连，它通常也只处理一个用户的任务。CPU主板网卡显卡电源硬盘软驱CPU风扇光驱内存2.小型机小型机比微型机稍大并可以为多个用户执行任务。如果使用小型机系统，你将使用终端来输入处理请求并观察结果。终端是一种具有用于输入和输出的键盘和屏幕，但不能用于处理的设备。虽然终端具有键盘和屏幕很像微机，但是终端本身并不具有任何处理能力。当输入处理请求时，终端将其传向小型机。小型机待处理完成后将结果返回到终端。图1-4中的小型机系统是相当典型的小型机。终端作为每个用户主要的输入和输出设备。终端具有键盘作为输入，屏幕作为输出，小型机系统一般能帮助中小型企业完成特定的任务，如记帐、付款和销售。例如，皇家加勒比游船公司就使用小型机来记录旅客的订票情况.3.大型机大型机体积庞大、速度快并且非常昂贵，一般用于为企业或政府的大量数据提供集中的存储、处理和管理。与小型机相比，一台大型机也为多用户执行处理任务，并且这些用户通过终端输入处理请求。但是，大型机比小型机一般能处理更多用户的任务。大型机一般作为在必须要求高可靠性、高数据安全性和中心控制等情况下的候选。大型机系统的价格一般在几十万美元左右。一台大型机放在与衣柜一般大小的机柜中(如图)，其外围设备放在单独的机柜中。使用大型机时，处理请求从终端传送到计算机中。同时，其他用户可能也在传送请求。计算机轮流处理每个请求，并将结果传送回来。大型机快速地服务用户请求。即使有200多人递交处理请求，计算机的响应速度也使你感觉就像只有自己一个用户一样。巨型机是最快和最贵的一类计算机。最初，巨型机主要用于大型计算任务，如天气预报、分子模型和密码破译。当前的巨型机还扩张到商用市场，在这里如果采用传统的大型机，对于非常巨大的数据量将产生很长的处理延迟。例如，MCI公司使用巨型机技术来管理大量客户数据。曾经需要两个多小时的查询，在巨型机中只需要一分钟左右。巨型机的速度可以达到每秒万亿次，可以完成复杂的任务，如为龙卷风中数千个颗粒的运动建模或产生逼真的仿真。4.巨型机四、发展趋势1．多极化2．网络化3．多媒体4.智能化１.１.２计算机的应用领域1.科学计算2.信息处理3.实时过程控制4.计算机辅助工程5.办公自动化6.数据通信7.智能应用科学计算科学计算，即数值计算，是计算机应用的一个重要领域。计算机的发明和发展首先是为了高速完成科学研究和工程设计中大量复杂的数学计算，没有计算机，许多科学研究和工程设计，例如天气预报和石油勘探，将是无法进行的。信息处理信息是各类数据的总称。数据是用于表示信息的数字、字母、符号的有序组合，可以通过声、光、电、磁、纸张等各种物理介质进行传送和存储。信息处理一般泛指非数值方面的计算，如各类资料的管理、查询、统计等。实时过程控制实时控制在国防建设和工业生产都有着广泛的应用。例如由雷达和导弹发射器组成的防空控制系统、地铁指挥控制系统、自动化生产线等，都需要在计算机控制下运行。计算机辅助工程计算机辅助设计CAD（ComputerAidedDesign）计算机辅助制造CAM（ComputerAidedManufacture）计算机辅助教学CAI（ComputerAssistedInstruction）CAx办公自动化办公自动化OA（OfficeAutomation）指用计算机帮助办公室人员处理日常工作。例如，用计算机进行文字处理、文档管理、资料、图像、声音处理和网络通讯等。它既属于信息处理的范围，又是目前计算机应用的一个较独立的领域。智能应用有如对奕、语言翻译等的一类工作，既不同于单纯的科学计算，又不同于一般的数据处理，它不但要求具备高的运算速度，还要求具备对已有的数据（经验、原则等）进行逻辑推理和总结的功能（即对知识的学习和积累功能），并能利用已有的经验和逻辑规则对当前事件进行逻辑推理和判断。对此，我们称为人工智能。具有人工智能是新一代计算机的标志之一。1．2计算机系统的基本构成计算机系统硬件系统软件系统主机外设系统软件：如Windows,Linux应用软件:学籍管理系统、工资管理，小游戏等。CPU存储器（内存）控制器运算器输出设备输入设备1．2计算机系统的基本构成1．2．1冯.诺依曼计算机简介①基本特征②基本部件③工作过程1．2．2现代计算机系统的构成一、软件系统（可分为系统软件和应用软件两大部分）计算机软件决定了一台计算机能做什么１．计算机指令与程序２．程序设计语言３．系统软件和应用软件二、硬件系统冯.诺依曼计算机的基本特征1.采用二进制数表示程序和数据2.能存储程序和数据，并能自动控制程序的执行3.具备运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部分1．2计算机系统的基本构成计算机中的各种信息均采用了二进制的表示形式。二进制数的记数规则是“逢二进一”，它的每位只有“0”和“1”两个状态，。例如计算：“1+1+1+1+1”＝“101”在计算机中把８位（bit）二进制数称为一字节（Byte），简记为“B”。若不加说明时，本书所写的“位”就是指二进制位。1024B＝1KB，1024KB＝1MB，1024MB＝1GB，1024GB＝1TB。二进制数冯.诺依曼计算机的基本部件运算器（ArithmeticLogicUnit，简记为ALU）的主要功能是进行算术及逻辑运算，是计算机的核心部件，运算器每次能处理的最大的二进制数长度称为该计算机的字长（一般为8的整倍数）；控制器（Controller）是计算机的“神经中枢”，用于分析指令，根据指令要求产生各种协调各部件工作的控制信号存储器（Memory）用来存放控制计算机工作过程的指令序列（程序）和数据（包括计算过程中的中间结果和最终结果）输入设备（Inputeequipment）用来输入程序和数据；输出设备（Outputequipment）用来输出计算结果，即将其显示或打印出来。其中：运算器和控制器在一起称：CPU运算器、控制器和存储器（内存）在一起称：主机输入、输出设备在一起称：外设计算机工作时，操作人员首先通过输入设备将程序和数据送入到存储器中。启动运行后，计算机从存储器顺序取出指令，送往控制器进行分析并根据指令的功能向各有关部件发出各种操作控制信号，最终的运算结果要送到输出设备输出。冯.诺依曼计算机工作过程3+23+2+3和2555+加动作计算机指令与程序指令：使微处理器完成指定操作的命令。程序：为解决某一问题而编制的指令的有序序列。指令码：表示指令的代码。指令系统：处理器所能执行的所有指令的集合。指令1指令2指令3指令n开始结束程序程序设计语言程序设计语言：就是程序设计时所允许使用的一系列符号和规则。机器语言由机器指令组成，由机器语言编制的程序只能在特定的计算机上运行，没有通用性，称其为低级语言。汇编语言是为了解决机器语言不直观、阅读记忆困难而设计的一种符号语言，即为每条机器指令给出一个助记符号，并用符号与数字表示操作中要用的数。高级语言由各种不同含义的“关键字”和“表达式”按一定的语言规则组成，脱离了具体的机器指令系统，它有较好的通用性，在不同的计算机上配备同一高级语言的编译程序或解释程序，就能运行同一种高级语言编制的程序。将高级语言转换成机器语言的方法有两种：编译、解释计算机的软件分为：系统软件和应用软件系统软件处理内部的计算机功能，协助计算机使用外围设备，它是为使用者能方便地使用、维护、管理计算机而编制的程序的集合，它与计算机硬件相配套，也称之为软设备。但它却并没有把计算机转换成可以写报告、处理数据、学习打字或绘制图形等各种用途的机器。1.操作系统：Windows,UNIX,Linux,DOS等2.语言处理程序：C,PASCAL,VisualBasic等3.实用程序：诊断程序，排错程序等应用软件使计算机成为多用途的机器，完成许多不同的工作。主要面向各种专业应用和某一特定问题的解决，一般指操作者在各自的专业领域中为解决各类实际问题而编制的程序。协助你使用计算机完成一项特定工作的软件归类于应用软件。应用软件帮你产生文档、完成计算、管理金融资源、生成图片、创作乐曲、维护文件或信息等等。应用软件包有时也简单地称为应用。1.通用应用软件：办公软件包，数据库管理系统，实时控制软件等。2.专用应用软件：如各企业的管理信息系统等。计算机硬件操作系统应用软件用户硬件系统在微机中，主机板（母板）由微处理器（简记为MPU）、存储器、输入／输出（I／O）接口、总线电路和基板组成，其上安装了基本硬件系统，形成了主机部分。其它的外部设备均通过相应的接口电路和主机总线相连。微型计算机的硬件系统结构示意图总线根据传输信息的性质分类：1.数据总线：DataBus2.地址总线：AddressBus3.控制总线：ControlBus1．3计算机的部件产品1.3.1微处理器产品简介1.3.2存储器的组织结构和产品分类一、存储器的组织结构二、主存储器三、辅助存储器1.3.3常用总线标准和主板产品1.3.4常用的输入输出设备主存储器（Memory）存储器辅助存储器(Storage）高