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计算机基础知识

第一章计算机基础知识

一、电子计算机

计算机，是一种能预先存储程序，自动的、高速的、精确的进行信息处理的现代电子设

备。

（一种能够接收输入、存储程序和数据、能够自动执行程序、能快速而高效地自动完成对各种数字化信息处理并产生输出的电子设备。

）

特点：

运算速度快、计算精度高、记忆能力强、具有逻辑判断能力、自动执行程序的能力。

二、计算机的发展简史

1946年2月诞生了第一台计算机，电子数字积分计算机（ENIAC）。

“埃尼阿克”，运算速度为每秒5000次加减法运算。

ENIAC的不足：

运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。

世界上第一台按存储程序控制功能设计的计算机EDVAC，1946～1950，美国.

世界上第一台投入运行的实现存储程序控制功能的计算机EDSAC，1946～1949.5，英国.（冯.诺依曼机）

1、传统的计算机发展

从第一台计算机诞生至今，依据计算机采用的电子器件不同，一般把计算机的发展分成以下四代：

第一代:

电子管计算机时代（1946——1958），采用电子管做基本元件，使用机器语言，主要用处是科学计算；

第二代:

晶体管计算机时代:

（1959——1964），采用晶体管做基本元件，使用高级语言（如：

FORTRAN、COBOL等），运算速度在每秒几十万次到300万次之间，其主要用处是科学计算，数据处理，事务管理；

第三代:

中小规模集成电路计算机时代:

（1965——1971），采用中小规模集成电路替代晶体管做基本元件，使用高级语言，开始使用操作系统，运算速度达到每秒一千万次浮点运算，特点是实现系列化、标准化、广泛应用于各领域；

第四代:

大规模和超大规模集成电路计算机代:

（1971—现在）采用大规模和超大规模集成电路做基本元件，使用高级言，使用操作系统，能够并行处理，特点是微型机和计算机网络被广泛应用，更加普及深入到社会生活各方面。

第五代：

人工智能

2、计算机的发展趋势（巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化等）

1）网络化：

由于集成电路技术和网络技术的发展以及网络的市场需求，网络接口被逐步集成到主机的母板上，使得计算机进入网络极其方便和快捷；

2）巨型化：

并非体积大，主要指的是运算速度特快、存储容量巨大和功能超强的超大型计算机，运算速度一般超过一亿次每秒、存储容量超过百万兆字节，广泛运用于航空航天、军事、气象、电子、人工智能、石油勘探等领域；

3）微型化：

进一步提高集成度，利用高性能的超大规模集成电路研制质量更加可靠、性能更加优良、价格更加低廉、整机更加小巧的微型计算机例如，腕式计算机。

微型化试图利用超大规模集成电路将核心部件——“运算器和控制器”以及存储器、通道处理机、图形卡、声卡等硬件集成到一块芯片上以及软件固化，从而使得计算机作为“个人计算机”成为可能，广泛运用于仪表、家电、导弹弹头以及中小型机无法进入的领域；

4）多媒体化：

多媒体是指“以数字技术为核心的图像、声音与计算机、通讯等融为一体的信息环境”的总称；多媒体技术的目标是：

在任何地方，只需要简单设备就能自由自在地以交互和对话方式收发所需各种信息；多媒体技术的实质是：

让人们利用计算机不分时间和空间以更接近自然的方式交换信息；

5）智能化：

要求计算机具有人的智能，即让计算机模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，能够进行图像识别、定理证明等逻辑推理、研究学习、探索、联想、启发、理解人的语言等等，也就是说让计算机能够具备人的“看、听、说、想、做”等能力；

6）①硬件方面：

体积越来越小、速度越来越快、价格越来越低、外围设备品质越来越高。

②软件方面：

通用性与用户界面越来越好，软件开发从（传统的）面向过程发展到面向对象。

（软件的发展远远落后于硬件的发展，即软件危机）

Cf：

2009年10月29日，“天河一号”超级计算机,成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家。

2010年5月31日，“星云”超级计算机在全球超级计算机TOP500排行榜中排名第二。

2010年11月17日，“天河一号”以峰值速度4700万亿次、持续速度2566万亿次每秒浮点运算的优异性能位居世界第一，“天河一号”运算1小时，就相当于全国13亿人同时计算340年以上的时间。

三、计算机的分类

1.按原理分类:

数字（方波）计算机、电子模拟（正弦波）计算机和数模混合计算机。

2.按用途（领域）分类:

通用计算机和专用计算机。

3.按性能（规模）分类:

巨型机、大/中型机、小型机、微型机

4．按使用方法分类：

掌上电脑、笔记本电脑、台式机、工作站、服务器等。

四、计算机应用

1.传统应用：

科学计算（数值计算）如：

空气动力学、核物理学、量子化学、天文学、导弹的发射与飞行轨道、人造卫星、石油勘探、天气预报等等；最初应用

数据处理（信息管理）：

数据包括文字、数字、声音、图像图形和摄像等的编码；数据处理包括数据采集、转换、分组、计算、存储检索排序等等；最广泛应用

过程控制（实时控制）：

主要包括生产自动化、各种工业控制以及民航系统、铁路系统、城市交通等过程控制；工业应用

2.现代应用：

1）计算机辅助系统：

计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAE、计算机集成制造系统CIMS、计算机辅助测试CAT、计算机模拟CS、计算机教学CAI、计算机辅助工程CBE……

2）办公自动化（OA）：

事务型OA系统、管理型OA系统、决策型OA系统；

3）娱乐休闲：

单机游戏、网络游戏、网络电视、网上聊天等；

4）其它领域的应用：

计算机通信（电子邮件、IP电话等）、计算机模拟、人工智能（AI）、信息高速公路、电子商务等。

五、计算机的基本工作过程：

接收输入、处理数据、存储数据、产生输出

六、微型机系统组成

（1）.计算机的硬件组成

1.输入设备：

进行命令和数据的输入（典型为键盘、鼠标等）；

2.输出设备：

实现数据的输出（典型为打印机、显示器等）；

3.存储器：

分为内存、外存（或主存和辅存）,存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。

4.运算器：

又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，简称ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件。

5.控制器：

控制和指挥各部件协调工作,它是计算机中最关键的部件，主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。

注：

上述电子计算机的结构是由美籍科学家冯诺依曼提出的；现代电子计算机基本采用此结构。

因而冯诺依曼被称为“计算机之父”；

（2）．工作原理

1.相关基本概念

现代计算机是一个自动化的电子设备，它能实现自动化处理的原因就是采用了冯·诺依曼提出的“存储程序”工作原理；

1）、指令（Instruction）:

计算机能够识别（二进制代码）的并能构执行某种基本操作的命令.操作码，操作数

2）、指令集（InstructionSet）:

一台计算机所有能够执行的全部指令.

3）、程序（Program）:

为了完成一项完整的任务，计算机必须执行的一系列指令集合.

4）、源程序（sourceprogram）:

用户为了解决自己的问题用汇编语言或高级语言编制的程序.

5）、目标程序（objectprogram）:

计算机利用编译器将用户的源程序编译成机器能够识别并能执行的二进制代码表示的程序.

2.工作原理

为了完成某一任务事先编制好程序，并将程序存储起来，计算机在运行时逐一取出指令，然后根据指令进行操作.存储程序原理是计算机自动连续工作的基础

1）、一条计算机指令的基本构成：

操作码＋操作数

2）、操作码:

指出执行什么操作.

3）、操作数:

指出需要操作的数据或数据存放的地址.

例如：

说明：

1）、操作码有且仅有一个，而操作数可以有0个、1个或2个；

2）、计算机的工作过程实际上就是执行程序的过程，计算机执行程序的过程也就是按照一定的顺序依次执行一条条指令的过程，

计算机执行每一条指令的全过程包括以下三个过程：

1）、取指令：

按照程序所规定的顺序，从内存中取出当前要执行的指令，并将指令送入控制器的指令寄存器中.

2）、分析指令：

指令取出以后，在控制器的作用下，对指令进行译码分析，即根据指令的造作码确定计算机应进行的具体操作.

3）、执行指令：

控制器根据指令的分析结果，发出一系列的控制信号，指挥相关部件完成该指令需要完成的所有操作，与此同时为取下一条指令做好准备工作.

3、微型机系统的主要技术指标

1）字长:

中央处理器中运算器和寄存器的宽度。

即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。

A.字长决定了计算的精度。

B.字长通常是2的整数次幂。

一般而言：

字长越长，计算精度越高，处理能力越强.

2）主频:

（时钟频率）：

是指计算机CPU在单位时间内输出的脉冲数。

它在很大程度上决定了计算机的运行速度。

单位MHz/GHZ。

1GHz=109Hz（如：

PentiumⅣ2.8,其中PentiumⅣ指CPU型号，2.8指CPU的主频为2.8GHZ。

）

3）运算速度:

用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位.（次／秒：

每秒执行加法运算的次数.）

CPU运算速度的度量单位:

MIPS：

百万条定点指令／秒.

CPU速度与主频的关系

主频：

指CPU的时钟频率，单位是MHz或GHz;

CPU的内部频率:

它决定着CPU内部数据传输和指令执行的每一步的时间。

显然，CPU的工作频率越高，它的处理速度就越快。

CPU速度=主频*IPC（每个时钟可执行的指令条数）

注意：

A.主频为2G的CPU速度≠主频为1G的CPU速度的2倍

B.Intel的2G主频CPU的速度≠AMD的2G主频CPU的速度

4）存储容量：

微机所配置的内存总字节数。

度量单位：

B，KB，MB，GB，TB

1B（字节,Byte）=8位二进制数（个人计算机主存的地址编码单元,bit）

1KB=1024B=2^10B；1MB=1024KB=2^20B；1GB=1024MB=2^30B；1TB=1024GB=2^40B

5）存取周期：

存储器连续二次独立地“读”或“写”操作所需的最短时间，单位为纳秒。

度量单位：

纳（10^-9）,微（10^-6）,毫（10^-3）n，u，m

千（10^3），兆（10^6），吉（10^9），太（10^12）K,M,G,T

6）其他指标：

机器的兼容性（包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容）、系统的可靠性（平均无故障工作时间MTBF）、系统的可维护性（平均修复时间MTTR）、机器允许配置的外部设备的最大数目、计算机系统的汉字处理能力、数据库管理系统及网络功能等。

性能/价格比是一项综合性评价计算机性能的指标。

4、微型机的基本工作原理

冯、诺依曼结构:

冯.诺依曼的计算机设计思想简要概括为三点

①计算机应包含运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备；五大部件

②计算机内部采用二进制来表示指令与数据，一条指令一般具有一个操作码和一个地址码。

其中操作码表示操作性质，地址码指出操作数在存储器的地址；二进制

③将编好的程序送入内存储器中，然后启动计算机自动逐条取出指令、分析指令和执行指令。

存储程序

5、微型机的总线：

是一组连接各个部件的公共通信线路。

1）．总线：

是一组连接各个部件的公共通信线路,通俗地说就是连线。

根据传送的信号不同,总线可分为控制总线、地址总线、数据总线。

总线宽度以位长为度量值32位AB16位DB

地址总线（AB）：

传送地址信息，它的宽度决定了微机的直接寻址能力。

和内存直接相关

数据总线（DB）：

传送数据和指令，它的宽度与CPU的字长有关。

控制总线（CB）：

传送控制信号。

2）.常用的总线标准：

ISA总线：

ISA总线（Industry Standard Architecture）工业标准体系结构, 16位总线传输速率为8 MB/s。

EISA总线：

是ISA总线的扩展，是一种支持多处理器的32位高性能的32位标准总线，兼容ISA总线。

VESA总线:

VESA（videoelectronicsstandardassociation）总线是1992年由60家附件卡制造商联合推出的一种局部总线，简称为VL（VESAlocalbus）总线。

它定义了32位数据线，且可通过扩展槽扩展到64位。

PCI总线：

由Intel公司推出的一种局部总线。

它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。

PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。

PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA（microchannelarchitecture）总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

。

AGP总线（Accelerated Graphics Port）加速图形接口，是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用总线。

AGP总线实际上也是由PCI总线发展而来，虽然目前已经达到8X接口，带宽也提升至较高的2.1GB/s.

6、CPU包括：

运算器、控制器和一组寄存器三个部分合在一个芯片上称之为CPU（CentralProcessingUnit）也叫中央处理器；它是用来控制电脑的各种操作；

运算器:

用来快速地进行各种算术运算和逻辑计算。

控制器:

用来控制和管理计算机各部件协调一致地工作。

7.计算机存储器体系结构

1）.主存储器

①.随机存取存储器RAM：

既可读，又可写，断电后信息全部丢失。

②.只读存储器ROM：

只能读，不能写，断电后信息仍保留。

③.高速缓存（Cache）：

为了提高DRAM与CPU之间的传输速率，在CPU和主存储器之间增加了一层用静态存储器SRA构成的高速缓冲存储器.

2）.外部存储器

①.磁盘类存储器

软盘：

3.5英寸高密度容量=2面×80磁道×18扇区×512字节=1.44MB

硬盘：

由若干个磁性圆盘组成。

存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数

要点：

转速：

5400/7200/10000r/min

磁头数：

存储数据的面数

磁道：

含义同软盘，但远多与软盘

柱面：

不同盘片同一磁道

抗震性好

存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数

所有磁表面存储器应远离强磁场。

②.光盘存储器：

CD-R:

"只读存储器",它只能读取数据

CD-RW:

"可写可读存储器",可以重复写,读.

CD-ROM（光驱）:

是针对前面两种存储介质的读取设备,可以读取CD-R.CD-RW的数据.

DVD-R和CD-R的性质一样,但是制作材料和工艺不同,它采用更高级的编码和技术,所以存储容量能达到4G多,是普通CD的6倍.

DVD-RW:

可读写DVD

一倍速率：

150KB/s；24倍速率：

24×150KB/s=3.6MB/s。

③.U盘（优盘）是一种可以直接插在通用串行总线USB端口上进行读写的新一代外存储器。

由于它容量大、体积小、保存信息可靠和易携带等优点。

8、显示器：

显示器是微型机最基本的输出设备。

显示器常用参数：

分辨率：

显示器水平方向和垂直方向的像素点数。

（横向点╳纵向点）。

颜色数：

显示器能显示的颜色数量。

目前流行的显示卡是VGA显卡，其分辨率在640*480（基本分辨率）之上，颜色数在256色之上，除此之外，还有更高分辨率的显卡，如：

SVGA（增强型的VGA）,分辨率为1024*768，AVGA（加速的VGA），分辨率为1600*1200等。

刷新频率：

CRT75HZ以上。

阴极射线管LCD：

液晶国家彩电：

50HZ隔行扫描

分辨率越高，光点越细腻，色彩越丰富，其清晰度也越高。

9、打印机：

打印机也是计算机重要的并行输出设备。

按输出方式可分为击打式和非击打式，击打式以针式打印机为主要代表，非击打式以激光打印机和喷墨打印机为主流

10、扫描仪：

计算机输入图片和文字使用的设备。

它内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信息转换成计算机图像数据，并传送给计算机，再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印输出或传送给其他设备。

按色彩来分，扫描仪分成单色和彩色两种；按操作方式分，可分为手持式和台式扫描仪。

扫描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、扫描速度等。

11、调制解调器（Modem）

Modem也称为调制解调器，俗称“猫”，是用于多媒体计算机联接互联网的专门设备。

Modem分为内置式和外置式两种。

内置式的为板卡形式，插于主板的扩展槽中；

外置式MODEM的外形像个盒子，置于主机外。

调制（Modulation）：

将数字信号转换成模拟信号。

解调（Demodulation）：

将模拟信号转换成数字信号。

速率：

28.8kbps、33.6kbps和56kbps。

窄带

七、微型机系统计算机软件基础（软件=程序+数据+文档）

软件是微机的灵魂。

没有安装软件的微机称为“裸机”，无法完成任何工作。

计算机软件根据其功能和面向的对象分成系统软件和应用软件两大类。

1.系统软件：

系统软件一般是指用户能够使用计算机而提供的基本软件，用于计算机的管理、维护、控制、运行和语言翻译处理等，它管理和控制计算机的各种操作。

系统软件又分为：

操作系统、数据库管理系统、各种语言及其汇编、解释或编译程序等。

常用的系统软件有Dos、Windows等。

1）.操作系统（OperatingSystem）

它起着指挥、控制、协调内存与外设的工作，是计算机所有资源的管理者和组织者，是辅助应用程序的开发者和执行者，也是其它软件运行时所必须的依赖基础。

管家婆+服务生

任务：

1、管理好计算机的所有资源2、担当人和机器的接口（计算机与应用程序的借口）

2）.语言处理程序

机器语言：

使用计算机指令系统的程序语言。

用机器语言编写的程序，全部都是二进制代码形式，可以被计算机直接执行。

机器语言直接依赖机器的指令系统，不同类型甚至不同型号的计算机，其机器语言是不同的。

机器语言不易记忆和理解，所编写的程序也难于修改和维护。

汇编语言：

用助记符来代替机器指令的操作码和操作数，如用ADD表示加法，用SUB表示减法等。

这样就能使它的每条指令都有明显的符号标识。

用汇编语言编写程序与编写机器语言程序相比，比较直观和易记忆，但汇编语言仍然是面向机器指令系统的，还保留了机器语言的各项缺点。

机器语言与汇编语言依赖机器，统称为低级语言。

高级语言：

接近于数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于计算机硬件，编出的程序能在所有机器上通用。

分类：

面向过程（Fortran、Pascal、C语言）、面向对象（VB、VC、VFP、Delphi、JAVA）。

用汇编语言和各种高级语言编写出来的程序称为源程序，将高级语言或汇编语言经编译后产生的机器语言程序称为目标程序。

类比：

英语翻译笔译和口译

3）.常用服务程序

现代计算机系统提供多种服务程序，它们可供用户共享，方便用户使用计算机和管理人员维护管理计算机。

编辑程序：

能提供方便的编辑环境，使用户通过简单的操作就可建立、修改程序或其它文件。

连接装配程序：

可以把几个分别编译的目标程序连接成一个目标程序，并在必要时和系统提供的库程序相连接，得到一个可执行程序。

测试程序：

能检查出程序中的某些错误，方便用户对错误的排除。

诊断程序：

能检测计算机硬件故障并对故障定位，方便用户对计算机维护。

BIOS：

BIOS是主板上ROM存储器中的基本输入/输出模块（程序），其中包含有计算机所配置的一些典型外设驱动程序，用来管理外设的工作。

CMOS参数：

CMOS参数是指存储在CMOS芯片中的关于计算机启动和正常运行的基本程序和数据。

在计算机运行过程中，硬件的配置情况（如存储器的型号及容量、软盘驱动器的类型、硬盘容量等），由CMOS参数提供；一些重要的参考数据（如系统的日期和时间、键盘速度、内存奇偶错误检查、内存存取等待时间、启动盘顺序等），由CMOS参数提供。

CMOS参数设置，计算机启动时，根据显示器的屏幕提示，按下“DEL”键，即可进入CMOS参数设置程序。

2.应用软件:

为解决实际问题而编制的程序。

1）.文字处理软件

用来编辑各类文件，对文件进行排版、存储、传送、打印等。

常用的有：

WPS、Word等。

2）.表格处理软件（电子表格软件）常用的有：

Excel。

3）.辅助设计软件具有建立图形、编辑图形、输出图形等功能。

常用的有：

AutoCAD

4）.实时控制软件

5）.图形图象处理软件

3.硬件与软件的关系

硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分，它们的关系主要体现在以下几个方面。

⑴.硬件和软件互相依存

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。

⑵.硬件和软件无严格界线

随着计算机技术的发展，在许多情况下，计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现。

因此，硬件与软件在一定意义上说没有绝对严格的界面。

⑶.硬件和软件协同发展计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。

八、数制和编码

（1）、数制

1、数制概念：

数制是数的表示及计算的方法。

2、任何一种数制，都具有三个要素：

①数码：

二进制（0，1）、八进制（0~7）、十进制（0~9）、十六进制（0~F）

（N进制N个数码）。

②进位规则：

N进制逢N进一,二进制逢2进一、八进制逢8进一、十进制逢十进一、十六进制逢十六进一。

③位“权”：

进制N的幂。

3.进位记数制对应表

十进制（D）

二进制（B）

八进制（Q）

十六进制（H）

0

0

0

0

1

1

1

1

2

10

2

2

3

11

3

3

4

100

4

4

5

101

5

5

6

110

6

6

7

111

7

7

8

1000

8

9

1001

9

1010

A

1011

B

1100

C

1101

D

1110

E

1111

F

4、计算机中数的表示法——二进制

在计算机内部，无论何种数据，都以二进制数表示。

5、不同进制之间的转换

1）.任意N进制转化成十进制

原则：

按权展开，相加之和。

例:

（10110.011）B=1×24+0×23+1×22+1×21+0×20+0×2-1+1×2-2+1×2-3=（22.375）D

A01B（H）=10*163+0*162+1*161+11*160=407

2）.十进制转化成任意N进制

原则：

整数部分：

除以N取余数，直到商为0，第一个余数是N进制数的最低位，最后的余数是最高位。

小数部分：

乘以N取整数，第一个整数是N进制数的最高位，最后的整数是最低位。

3）.八进制转化成二进制原则：

一分为三法。

一个八进制数对应二进制的三位。

2371（Q）：

2371

010011111001（B）

4）.二进制转化成八进制

原则：

三位一组法。

整数部分：

从右向左进行分组。

小数部分：

从左向右进行分组。

不足3位补零。

001101101110.110100（B）=1556.64（O）

5）.十六进制转化成二进制

原则：

一分为四