第一章 计算机基本概念和基础知识.docx

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第一章计算机基本概念和基础知识

教学的

目的

与

要求

教学目的：

了解计算机的发展和应用，掌握计算机的系统组成。

教学要求：

1．了解计算机的产生与发展及应用。

2．掌握计算机的系统组成。

教学的

重点

与

难点

教学重点：

（1）冯·诺依曼原理。

（2）微机系统组成。

教学难点：

（1）计算模型与图灵机。

（2）字长

教

学

进

程

教学内容

第一章计算机基本概念和基础知识

§1.1电子计算机的发展与应用

§1.1.1电子计算机的产生与发展

0．信息科学与图灵机

1．电子计算机的诞生

2．电子计算机的发展阶段

3．冯·诺依曼思想

4．计算机发展方向

§1.1.2电子计算机主要应用

1．数值计算2．数据处理3．过程控制

4．辅助系统5．其他应用

§1.2微型计算机系统组成及工作原理

§1.2.1微机系统概述

§1.2.2微型计算机硬件系统

1．运算器2．控制器3．存储器4．输入设备

5．输出设备6．其他配件7．计算机的主要技术指标

§1.2.3微型计算机软件系统

1．系统软件

2．应用软件

教学的

目的

与

要求

教学目的：

掌握计算机中信息表示的基本知识。

教学要求：

（1）熟练掌握计算机中信息的计量单位之间的换算。

（2）掌握数制的概念和不同数制之间的转换。

（3）掌握字符编码的知识。

（4）了解几种计算机语言的特点。

教学的

重点

与

难点

教学重点：

（1）信息的计量单位和不同数制之间的转换

（2）不同数制之间的转换。

教学难点：

不同数制之间的转换

教

学

进

程

教学内容

§1.3计算机中信息表示及计量单位

§1.3.1计算机中信息的计量单位

1．位

2．字节

§1.3.2数制

1．不同数制特点

2．不同数制之间的转换

§1.3.3字符编码

1．ASCII码

2．汉字编码字符集

3．汉字编码

§1.3.4计算机语言

1．机器语言

2．汇编语言

3．高级语言

第一章　计算机基础知识

§1.1　电子计算机的发展与应用

§1.1.1　电子计算机的产生与发展

1．电子计算机的诞生

信息的定义、信息处理、信息与数据

图灵机是研究用机器实现计算过程的理论。

现代电子计算机是根据图灵机的原理制造出来的。

1946年，美国宾西法尼亚大学研制成功了世界上第一台电子数字计算机ENIAC，它标志着人类从此进入了电子计算机时代。

2．电子计算机的发展阶段

从第一台计算机诞生到现在的短短50多年中，根据计算机所采用的逻辑元件通常可划分为：

电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四代。

第一代计算机（1946~1957年）以电子管为逻辑开关元件。

第二代计算机（1958~1964年）以半导体晶体管为逻辑开关元件。

第三代计算机（1965~1971年）采用小、中规模集成电路作为逻辑开关元件。

第四代计算机（1972年~）使用大规模和超大规模集成电路为逻辑开关元件。

3．冯·诺依曼思想

美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出了一个通用的计算机设计方案的三个重要的思想：

（1）计算机至少应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个基本功能部分组成。

（2）采用二进制数形式表示计算机的指令和数据。

（3）将程序（一系列指令的集合）和数据放在存储器中，由程序控制计算机自动执行，即“存储程序控制”。

4．计算机发展方向

未来的计算机将朝着巨型化、微型化、网络化、多媒体化和智能化方向发展。

§1.1.2　电子计算机的主要应用

电子计算机在各个领域的应用可概括为以下几个方面。

1．数值计算

2．数据处理

当今大多数计算机不是用于数值计算，而是用于数据处理。

例如：

计算机应用于企事业的人事管理、工资管理、文件管理、情报资料管理、人口管理和图书管理等。

3．过程控制

计算机加上感应检测设备及模/数转换器，就构成了自动控制系统。

它通过检测设备实时地测量某物理量，经过模/数转换后送入计算机，计算机根据预置的程序对数据进行分析，并采取相应的控制操作，从而实现由计算机控制的自动化的、实时的过程控制。

4．辅助系统

利用计算机软件作为辅助工具的计算机系统叫做辅助系统。

它包括计算机辅助设计（CAD，ComputerAidedDesign），计算机辅助制造（CAM，ComputerAidedManufacturing），计算机辅助教学（CAI，ComputerAidedInstruction）等。

5．其他应用

（1）办公自动化

（2）电子商务

（3）人工智能

§1.2　微型计算机系统组成及工作原理

§1.2.1　微机软件系统的组成

一个完整的微型计算机系统是由硬件系统和软件系统两个部分组成，如图1-1所示。

图1-1微型计算机系统组成

§1.2.2　微型计算机硬件系统

微型计算机硬件的基本配置由五个部分组成，它们分别是控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。

1．运算器

运算器是对数据进行加工的部件。

它在控制器的指挥下对数据进行算术运算和逻辑运算。

2．控制器

控制器是分析指令并发出控制信号的部件，指挥和控制计算机各部件按时序协调地工作。

控制器是计算机的指挥控制中心。

（1）CPU

运算器、控制器和存储器组成了计算机的主机。

人们将运算器和控制器做在一个半导体芯片上，称为中央处理器（CPU）或微处理器。

1）CPU的类型

8088,80286,80386DX，80486DX；

PentiumⅡ，PentiumⅢ，Pentium4。

2）CPU的性能指标

CPU的主要性能指标有：

主频，内存总线频率（CPU与内存之间的通信速度），数据总线宽度（决定CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量），地址总线宽度（决定CPU可以访问的存储器的物理地址空间），高速缓存数目和容量。

人们通常常称486微机、586微机、PentiumⅢ微机或Pentium4微机，主要根据其所采用的CPU的型号来决定。

CPU品质的高低决定了一台计算机的档次。

（2）主板

主板是计算机最基本、最重要的部件之一。

计算机的多种部件都安装在主板上或通过数据线与CPU联结，人们把主板看作计算机硬件系统的“躯干”。

主板的性能影响着整个计算机系统的速度和稳定性。

主板上有组成如图1－4所示：

图1－4主板

1）CPU插座

图1－5Socket与Slot插座

2）芯片组

芯片组的作用是控制和协调计算机的各部件选型。

芯片组决定了计算机所支持的CPU类型、内存类型、总线速度、硬盘接口等关键技术配置。

芯片组决定了主板的性能。

3）内存插槽

内存插槽有SIMM插槽（已淘汰）和DIMM插槽两种，DIMM插槽每边84线，共有168线，用于安装同步动态内存SDRAM。

4）外部高速缓存

设置在主板上的高速缓存为外部高速缓存，容量大约256K~1M，用于缓解CPU与内存之间数据传输率的差异。

5）BIOS芯片

BIOS存放固化的基本输入／输出程序、系统设置信息、通电自检程序、启动自举程序。

6）CMOS芯片

CMOS芯片中存放系统配置信息，如系统日期、时间、CPU的类型、硬盘的大小和工作模式、串并口设置等。

7）总线扩展插槽

总线扩展插槽用于扩展主板的功能，是主板总线的延伸，用以插接显卡、声卡、网卡、Modem卡等。

主板通常有4~6个扩展插槽。

目前总线扩展插槽常见的类型有：

ISA，PCI和AGP。

ISA插槽为黑色，PCI插槽是白色的短槽，AGP是显示卡插槽。

8）外设接口插座

①软驱接口（Floppy接口）

②IDE接口或EIDE接口

它们用于连接硬盘驱动器。

EIDE为增强IDE接口，是Pentium主板的标准接口，用于连接EIDE设备，如硬盘驱动器和光盘驱动器等。

9）串行接口和并行接口

并行端口（LPT）为25针的双排插座，标注为LPT，通常用于连接打印机。

串行接口（COM1和COM2）为9针的双排插座，通常用于连接鼠标和调制解调器。

10）USB接口和PS/2接口

图1－6COM、LPT、USB、PS/2接口

①USB接口

USB接口又称为通用串行总线。

它不是一种新的总线标准，而是计算机系统连接外围设备（如键盘、鼠标、打印机等）的输入/输出接口标准。

一个USB接口最多可以连接127个装置，并以极高的速率传输数据。

USB接口将逐渐取代PC上的串口和并口。

②PS/2接口

PS/2是6针圆型接口，它是键盘和鼠标专用的接口。

通常在主板上会有2个PS/2接头，一个用来连接键盘，另一个则用于连接鼠标。

3．存储器

存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。

存储器分为内存储器和外存储器两种。

内存储器简称内存，它位于主板上。

中央处理器（CPU）可以直接访问内存中的数据，而外存中的数据要先读入内存后才能为CPU访问。

（1）内部存储器

1）内存分类

①按读写特性分类

按读写特性内存储器通常分为随机存储器RAM（RandomAccessMemory）和只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）。

随机存储器RAM是一种既可写入又可读出数据的存储器，通常用于存放程序、数据和中间结果。

它的特点是计算机刚启动时没有数据，一旦写入数据，只要电源不断且计算机工作正常，数据就可以保持，断电后其中的信息全部消失。

RAM是用户可使用的存储空间。

只读存储器ROM是一种只能从中读取代码，而不能以一般方式向其写入代码的存储器。

只要接通电源，ROM中固化的信息就建立好了。

ROM常用来存放基本输入输出程序、系统设置信息、开机自检程序和系统启动自举程序等。

②按存储原理分类

按存储原理RAM又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。

（2）外存储器

在主机的外部可配置外存储器，外存储器属于外部设备，外存储器的特点是容量大、价格低，且不受断电影响，常用于长期保存大量的数据和程序。

常用的外存储器有软盘、硬盘、优盘、光盘等。

１）软盘系统

①软盘

软盘系统主要由软盘、软盘驱动器（软驱）、软驱信号线等组成。

当3.5英寸软盘封口的滑块打开，写保护孔可透光时，处于写保护状态，只能读不能写。

②软盘的数据组织

磁道：

磁道即磁盘上一组同心圆环形的信息记录道，它们由外向内编号，高密度盘每面有0～79道。

扇区：

每个磁道又划分成相等的若干个区域，称为扇区。

每个扇区存储512个字节。

③软盘的存储容量

软磁盘存储容量=软盘面数×每面磁道数×每道扇区数×每扇区的字节数

3.5英寸双面高密度磁盘的容量为1440KB。

⑤使用软盘的注意点

软盘不能弯曲和挤压；保存软盘时，要远离热源和磁场；要注意防潮，以免发霉。

⑤软盘驱动器

软盘驱是读写软盘的设备。

软盘驱动器既是输入设备，又是输出设备。

2）硬盘

①硬盘按接口分类

IDE硬盘：

速度快、容量大、价格便宜，是计算机中使用最广泛的硬盘。

SCSI（SmallComputerSystemInterface）硬盘：

速度快、容量大、运行稳定、价格昂贵，用于数据处理量大的服务器中。

USB硬盘：

通常作为计算机外接的移动硬盘。

②硬盘的结构

硬盘由驱动马达、硬磁盘片、磁头及定位系统和电子线路组成。

这些组成部分被密封在金属壳中。

③硬盘的读写

硬盘的读写不通过磁头与硬盘片的软接触来实现。

当硬盘高速旋转时（5400-7200rpm），磁头和盘片之间形成0.1～0.3um气隙，气流使磁头悬浮在盘片表面进行无接触读写，所以硬盘的读写速度远比软盘快。

④硬盘的数据组织

硬盘的数据组织如图1－13所示。

⑤硬盘的存储容量的计算方法

硬盘存储容量=磁头数×柱面数×每磁道扇区数×每扇区的字节数

⑥硬盘的格式化

硬盘低级格式化：

低级格式化是划分硬盘的磁道（柱面）和扇区，硬盘出厂时已经完成低级格式化。

图1－13硬盘的扇区、磁道和柱面

硬盘分区：

分区就是将一个物理磁盘被划分为若干个独立的存储区域。

主分区一般用于存放操作系统，扩充分区可以划分成若干个逻辑驱动器，用于存放应用程序和数据文件。

分区的格式有FAT32和NTFS两种。

硬盘高级格式化：

高级格式化是用Format命令对逻辑盘进行格式化。

3）优盘

优盘是一种新型的移动存储器，其尺寸只有打火机大小，采用USB接口，安装、携带和使用都非常方便。

优盘的核心存储部件采用闪存（FlashMemory），闪存所存储的数据不需要电压维持，可靠性比较高。

优盘集驱动器和存储介质于一体，不需要借助驱动器的支持，只要插在电脑的USB接口上，就可根据用户的指令，完成读写操作。

由于优盘没有机械装置，因此不存在磁头与盘片之间接触，不怕震动和磕碰。

另外，它还设计有类似于软盘的写保护开关，以防止因误操作而删除数据。

优盘的存储容量比软盘大，一般为32~256MB，适合于移动存储几十到上百兆容量的数据。

优盘使用方便，性能稳定，价格适中，优盘替代传统移动存储设备（软盘）已成趋势。

4）CD-ROM光驱和光盘

光盘主要有三类：

只读光盘（CD-ROM）、一次性写入盘（WORM）和可擦写光盘（CD-RW）。

①CD-ROM光驱的工作原理

光驱内激光二极管产生波长约0.54~0.68微米（μm）的光束，经过光学系统处理后照射到光盘上，然后反射回来，并用光检测器捕获反射光。

当激光束照射凹点边界时，反射光束强弱发生变化，读出的数据为“0”；当激光照射平坦部分时，反射光强弱没有发生变化，读出的数据为“1”。

然后将所获取的光信号转换为计算机能够处理的电信号，并通过数据电缆与主板上IDE接口连接，从而实现光驱与主板控制芯片之间的数据交换。

②光驱的数据传输速率

光驱的数据传输速率指每秒向主机传输的数据量。

制定CD-ROM标准时，把150kbps作为传输速率的标准。

52速光驱（记作“52X”）的传输速率为：

52×150kbps＝7800kbps。

平均寻道时间是指光驱在接到指令后把光头移动到指定位置，并把光盘的第一块数据读入光驱的高速缓存所花费的时间，单位是ms（毫秒）。

平均寻道时间越小越好，目前CD-ROM的平均寻道时间一般小于80ms。

高速缓存用于临时存放从光盘中读取的数据，然后再将数据发送给计算机系统进行处理。

这样就可以减少光驱读盘的次数，确保稳定的数据流量，提高了数据传输率。

光驱高速缓存大小在256kB到1M之间。

③CD-ROM光盘

CD-ROM有三层结构，上层是涂漆保护层，中层是铝反射层，第三层是聚碳酸脂衬底。

光盘的表面被划分为间距1.6微米，宽0.6微米的光道。

光道上的微小凹坑和平面分别表示0与1。

光盘上的光道与磁盘上的磁道不同，光盘上的光道是螺旋线。

常用的12厘米光盘有333000个扇区，每个扇区存放2048字节，总容量为：

2048字节/扇区×333000扇区＝681984000B＝650.39MB

5）DVD光驱与光盘

DVD是“DigitalVideoDisk”的缩写，意思是“数字视频光盘”。

DVD光驱与光盘的结构及工作原理和CD-ROM光驱和光盘都相似，主要的区别在于所用的数据压缩标准不同。

①图像压缩技术

静态图像通常采用JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，译为联合图片专家组）算法标准进行压缩。

视频图像（动态图像）则采用MPEG（MovingPictureExpertsGroup，译为活动图像专家组）算法标准进行压缩，

②视频信息的特点

视频信号就是电影、电视信号。

它要求每秒钟播放30帧或24帧位图，由于人们的“视觉暂留”效应，这些不连续位图看起来就变成了动态的连续图像。

③视频信息压缩技术

MPEG-1压缩标准：

它是在可接受的图像质量下，把视频及其伴音信号压缩到1.2~1.5Mbps，使一般的CD-ROM驱动器也能实时播放30帧/s的彩色视频图像。

VCD光盘中的视频图像使用MPEG-1标准压缩。

MPEG-2压缩标准：

MPEG-2把视频及其伴音信号压缩到10Mbps，且图像质量更高，适用性更广。

DVD光盘中的视频图像使用MPEG-2标准压缩。

④DVD的特点

由于DVD光盘使用MPEG-2标准压缩，它具有更大的数据容量和更高的质量。

6）刻录机

①刻录机概述

刻录机是将数据写入CD－R（CDRecordable）与CD－RW（CDReWritable）光盘中设备。

刻录机的外观与CD－ROM相似。

目前，市面上出售的刻录机多数是支持数据可擦写的CD－RW刻录机。

②刻录光盘

CD－R光盘：

允许写入一次，但可以被反复读取。

CD－R/W光盘：

可擦写，最多可擦写1000次左右。

4．输入设备

输入设备是外界向计算机输入数据的装置。

微机的输入设备主要有键盘、鼠标，此外还有扫描仪、光笔等其它输入设备。

（1）键盘

常用的105键标准键盘可分为五个区。

1）主键盘区

该区由英文打字机键盘演化而来，包含英文字母键、数字键、符号键、空格键和一些特殊键等。

2）功能键区

功能键共有12个，用F1～F12标示。

设置功能键的目的是为了简化键盘操作。

按下某功能键，相当于键入一条命令。

计算机所运行的软件系统不同，每个功能键上所定义的功能也随之不同。

3）小键盘区

该区的键位与普通计算器相似，该区各键具有双重功能：

既可作为数字键（Numlock灯亮），又可作为编辑键（Numlock灯暗）。

4）编辑键区

该区的编辑键有插入键（Insert）、删除键（Delete）、翻页键（PageUp、PageDown）光标移动键（Home、End、↑、↓、←、→）。

该区中的PrintScreen键用于连接主机和打印机。

Pause键是暂停键。

侧面印有Break的键与Ctrl键组合产生中断作用。

5）指示灯区

它表明键盘所处的状态。

（2）鼠标

由于图形界面的广泛应用，鼠标（Mouse）已成为计算机系统必备的输入设备。

1）鼠标的分类

①根据按键数目分类：

两键鼠标、三键鼠标和3D鼠标。

②按接口方式分类：

串口鼠标、PS/2鼠标和USB鼠标。

③按工作原理分类：

机械式鼠标和光电式鼠标。

④按控制方式分类：

有线鼠标、红外遥控鼠标和无线遥控鼠标。

（3）其他输入设备

①麦克风（话筒）②扫描仪③手写笔④数码相机

5．输出设备

（1）显示器

1）按工作原理分类

液晶显示器（LCD，LiquidCrystalDisplay）

显示器球面显示器

阴极射线管显示器平面直角显示器

（CRT，CathodeRayTube）柱面显示器（索尼牌的柱面显示器叫“特丽珑”，

三菱牌的柱面显示器叫叫“钻石珑”）

纯平面显示器

2）显示器的主要技术指标

①尺寸

显示器的尺寸是指显示屏对角线的长度，一般以英寸为单位。

②点距

点距是两个相同颜色的荧光点之间的距离，如图1－23所示。

图1－23点距

③分辨率

象素是指组成图像的一个的荧光点组成。

分辨率指屏幕的像素总和，用显示屏的水平方向上的象素乘以垂直方向上的像素表示。

④扫描方式

扫描方式有逐行扫描与隔行扫描两种。

目前，所以“隔行”扫描的技术已被淘汰。

⑤垂直扫描频率

垂直扫描频率又称场频，或屏幕的刷新频率。

它表示每秒钟重画屏幕的次数，即完成一帧扫描所花时间的倒数来表示，以赫兹（Hz）为单位。

如果刷新率在85Hz以上，屏幕的画面则非常稳定。

⑥视频带宽

视频带宽=行数×列数×刷新频率2）显示适配器

显示适配器简称显卡。

它工作在CPU和显示器之间，用于控制计算机的数据输出。

①显卡分类

显卡有ISA、VESA、PCI和AGP四种，前3种已淘汰，目前AGP显卡是微机的主流显卡。

②显存（VRAM）

显存大小的从4M到128M。

（２）打印机

①打印机的分类

打印机是计算机的重要输出设备。

常见的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。

②打印机的工作原理及其特点

针式式打印机速度慢、噪音大，打印质量不高；但耗材（包括色带和打印纸）便宜，而且能够复打（如打印多层压感纸和票据）。

它是使用较广泛的打印机。

喷墨打印机无噪音、打印质量较高，且易实现彩色打印；但耗材（墨盒）费用较高。

激光打印机无噪音、打印速度快、印字质量高；但设备投资大、耗材（感光鼓和墨粉）费用高。

（3）音箱

1）音箱的分类

①有源音箱：

带有电源设备，具有功率放大功能。

②无源音箱：

直接输出声卡的音频信号，功率小（2~4瓦），音质差。

6．其他配件

（1）声卡

声卡是多媒体计算机的基本配件之一。

它的基本功能是录制、播放数字声音文件。

①声卡的主要组成

②声卡的主要性能指标

采样频率

采样频率即单位时间内采样的次数，单位是赫兹（Hz）。

采样频率越高，同一段波形被等分的份数越多，每一份的时间间隔也越小，采样的音质越好，所需的存储空间越大。

标准的采样频率有三个：

44.1kHz（CD音质）、22.05kHz（广播音质）、11.025kHz（电话音质）。

采样位数

采样位数是指对波形垂直方向的幅值进行量化时的等分值的大小。

8位量化将声音振幅分成256等份，16位量化将声音振幅分成65536等份。

采样位数越多，采样的声音质量越接近于原始声音，所需的存储空间也越大。

声道数

记录声音时只产生一个波形为单声道。

记录声音时产生两个波形为双声道（立体声）。

双声道听起来比单声道丰满，具有空间感，但需要两倍的存储空间。

（2）不间断电源（UPS）

1）UPS概述

UPS不间断电源。

当计算机的供电电源发生中断时，UPS便发出告警声，同时为计算机持续供电一段时间，让用户保存资料，避免数据丢失。

7．计算机的主要技术指标

（1）字长

“字（Word）”是计算机进行数据处理、数据存储、数据传送的单位，即计算机一次能处理的二进制数据的位数。

“字”由若干个字节组成。

一个“字”所包含的“位”的数目称为“字长”。

字长是计算机性能的重要标志。

字长大，在相同的时间内就能传送更多的信息，从而使计算机运算速度更快；字长大，计算机的寻址空间更大，从而使计算机内存更大；字长大，计算机的指令数目更多，功能就更强。

（2）主频

主频是CPU的时钟频率。

它在一定程度上决定了计算机速度的高低。

主频以兆赫兹（MHz）为单位。

一般说，CPU的主频越高，速度越快。

Pentium4CPU的主频已超过2.4GHZ。

（3）运算速度

计算机的运算速度指每秒钟所能执行的指令数目。

运算速度一般以百万次/秒（MIPS）为单位，这个指标能直观地反映计算机的速度。

（4）存储容量

计算机的存储容量包括内存容量和外存容量，内存容量对计算机的速度影响很大。

目前586微机的内存容量一般为128～512MB，硬盘容量一般为40~80GB。

§1.2.3　微型计算机软件系统

每一台计算机都有一套指令系统，指令就是指挥机器实现一定操作的命令。

一条指令包括操作码和操作数两个部分。

操作码指明要执行何种操作，操作数（又称为地址码）指明参加操作的数据在何处以及操作结果存放的位置。

程序是一系列指令的集合。

软件是程序、数据及文档的总称。

软件可以分成系统软件和应用软件两大类。

1．系统软件

它是指接近计算机核心的、为方便使用计算机和管理计算机资源而设计的软件。

系统软件具有通用性和支持性。

系统软件主要包含有操作系统、程序设计语言、服务性程序等。

（１）操作系统

系统软件中最重要的是操作系统（OperatingSystem）。

操作系统是一批系统