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计算机基础
计算机的发展
⏹计算机的诞生
时间:
1946年2月
地点:
宾夕法尼亚大学
命名:
埃尼阿克(ENIAC)
⏹冯·诺依曼计算机
1、冯·诺依曼,美籍匈牙利科学家,1946年6月提出一个“存储程序”的计算机方案
2、三个要点
1)采用二进制数的形式表示数据和指令
2)将指令和数据按照执行顺序都存放在存储器中
3)有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成
3、工作原理的核心
“存储程序”和“程序控制”,就是通常所说的“顺序存储程序”
4、意义:
冯·诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论,被称为计算机发展史上的里程碑。
知道现在的计算机也都没有完全超出他的理论
⏹计算机的四个发展阶段
根据计算机使用的逻辑部件划分
1、电子管计算机(1946-1958)
特点:
体积大、耗电多、运算速度慢
语言:
机器语言或汇编语言
用途:
科学计算、军事
2、晶体管计算机(1959-1964)
特点:
体积减小、可靠性提高、运算速度显著提高
语言:
高级程序设计语言和编译系统
用途:
信息处理
⏹计算机的特点
计算机是一种能自动、高速、精确地完成数据存储与处理的现代电子设备
特点:
1)运算速度快
2)计算精度高
3)具有记忆和逻辑判断功能
4)具有自动控制运行和连续工作能力。
⏹计算机的分类
计算机有多种分类
按计算机所处理的信号分为:
数字计算机和模拟计算机
按计算机的硬件组合及用途分为:
通用计算机和专用计算机
按计算机的规模大小分为:
个人计算机(PC)、工作站、小型机、小巨型机和巨型机(也叫超级计算机,具有极高的性能和极大的规模,价格昂贵,多用于尖端科技领域,生产这类计算机反映了一个国家的科技水平)
⏹计算机的应用
1、传统分类
1)数值计算:
最早、最成熟,例如卫星飞行轨迹的计算、天气的预测
2)数据处理:
最广泛,例如学生成绩、学籍管理、情报检索
3)过程控制,例如自动检测、记录、控制生产过程
4)计算机辅助系统:
计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助教学(CAI)
5)人工智能:
这是较新领域,它是用计算机执行某些与人的智能活动有关的复杂功能,目前研究方向有:
模式识别、自然语言理解、自动定理证明、自动程序设计、知识表示、机器学习、专家系统、机器人等等
2、新的应用分类
1)办公自动化
2)生产自动化
3)数据库应用
4)网络应用
5)人工智能
6)计算机模拟
7)远程教育
⏹计算机的发展趋势
微型化
巨型化
网络化
智能化
进制
⏹进位计数制
按照进位的方法进行计数的数制称为进位计数制。
我们生活中最常见、最习惯的是十进制;计算机采用的是二进制。
1、数码
用于计数用的符号,例如0~9,a~f
注意:
计数是从0开始的,而不是1
2、基数
计数制允许选用的基本数码的个数称为基数
基数用R表示
例如:
十进制的基数为:
R=10
注意:
几进制基数就是几
X进制的基数是R=X,其使用最大数码为R-1
3、权(位权)
1)在进位计数制中,每一个数位赋予的数值称为位权,简称权。
注意:
同一个数在不同位置表示的值是不同的。
2)权的表示:
以基数R为底,数位的序号i表示整数次幂,即用Ri表示该数位的权。
注意:
小数部分的位权,指数为负数
4、进位计数制
用“逢基数进位”的原则进行计数称为进位计数制
⏹多种进制
在计算机中使用的是二进制,为了便于书写又引入了八进制和十六进制
例如:
十进制逢10进位
在计算机中使用的是二进制,为了便于书写又引入了八进制和十六进制
⏹进制的表示
因为各种进制使用的数目大致相同,所以在书写时容易产生混淆,(法1)我们可在数字后面加填区分符(区分符用字母表示)。
(法2)我们还可以用圆括号将数字扩住,在右括号右下角写下该数制的基数
例如:
十进制123D/不写(123)10
二进制111B(111)2
八进制123O/Q(123)8
十六进制123H(123)16
⏹二进制
1、数码:
2、基数:
3、权:
⏹十六进制
1、数码:
2、基数:
3、权:
⏹数的对比
十进制
二进制
八进制
十六进制
0
0B
0Q
0H
1
1B
1Q
1H
10
1010B
12Q
AH
15
1111B
17Q
FH
⏹二进制、十六进制转十进制
1、进位计数制的按权展开式
N=KiRi+…+K1R1+K0R0+K-1R-1+…+K-jR-j
例:
347.45
1101.11B
4F8.BH
2、二进制、十六机制转十进制
方法:
按权展开,再相加
练习:
1011.01B
2CF.2H
⏹二进制转十六进制
思考:
4位二进制能表示的最大十进制数是多少
1位十六进制能表示的最大十进制数是多少
例如:
1111B=FH
10000B=10H
11111111B=FFH
⏹二进制十六进制
方法:
整数部分从右向左,小数部分从左往右,每四位二进制分为一组,整数不够左补0,小数不够右补0,每组转为一位十六进制。
例如:
1110111.11B
⏹二进制十六进制
方法:
整数部分从右向左,小数部分从左往右,每四位二进制分为一组,整数不够左补0,小数不够右补0,每组转为一位十六进制。
练习:
将下列二进制转为十六进制
11100100B0.0011010B
110011011.010111B
⏹十六进制转二进制
方法:
每一位十六进制转为4位二进制,整数部分最高位,小数部分最低位若为0,则舍去。
例:
7B.4H
⏹十六进制转二进制
方法:
每一位十六进制转为4位二进制,整数部分最高位,小数部分最低位若为0,则舍去。
计算机系统的组成
⏹计算机系统
微型计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
⏹计算机硬件系统
硬件又称硬设备,是微型计算机系统中实际装置的总称
1、硬件组成
1)包括:
控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件
运算器:
又称算术逻辑单元,完成算术运算和逻辑运算的数据处理装置。
它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算,实现逻辑判断。
硬件又称硬设备,是微型计算机系统中实际装置的总称
1、硬件组成
存储器:
计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。
按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)
输入/输出设备:
简称I/O设备。
用户通过输入设备将程序和数据输入计算机,输出设备将计算机处理的结果(如数字、字母、符号和图形)显示或打印出来。
2)也可以分为:
主机和外部设备,其中主机由中央处理器和内存储器构成;外设由外存储器和输入输出设备组成。
中央处理器:
运算器和控制器的合称,简称CPU
⏹微型计算机
1、中央处理器:
控制器和运算器合称为中央处理器,简称CPU。
通常以其型号称呼
2、微处理器:
把中央处理单元的功能集成在一个芯片上的大规模或超大规模集成电路,称作微处理器,简称MPU,它是微型计算机的核心部件。
3、微处理机:
微处理器插在系统板的微处理器插槽上,它与支持它的部件统称微处理机。
⏹系统总线
总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束
作用:
它用于互联芯片内部的各个装置和芯片外部的存储器及输入/输出接口
⏹微机系统总线
分类:
按功能划分为三类
数据总线(DB):
用于传送数据信息,以实现微处理器、内存及输入输出设备之间数据交换。
数据总线是双向的。
地址总线(AB):
用于微处理器向内存储器、输入输出接口传输地址。
地址总线是单向的.
控制总线(CB):
用于微处理器向其它部件传输控制信息和其它部件向微处理器传输状态信息,使微机各部件协同合作。
控制总线是双向的。
总线参数:
位宽:
位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数;位宽越宽,每秒钟数据传输率越大。
工作频率:
总线的工作时钟频率以MHZ为单位
带宽:
带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量;
数据带宽=总线频率×(数据位宽÷8)
当总线空闲且一个器件要与目的器件通信时,发起通信的器件驱动总线,发出地址和数据。
其他连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后,即接收总线上的数据。
发送器件完成通信,将总线让出。
可以认为,一台微型计算机就是以CPU为核心,其它部件全“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。
⏹微机系统总线
知识扩展:
片总线:
又称元件级总线,是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。
内总线:
又称系统总线或板级总线,是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。
例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。
外总线:
又称通信总线,是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路
其中的系统总线,即通常意义上所说的总线,一般又含有三种不同功能的总线,即数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB
⏹时钟频率
时钟,即脉冲发生器。
单位时间内的脉冲数称为频率,单位为赫兹(Hz)。
⏹时钟脉冲控制着CPU所执行的每一个操作,协调微处理器各个部件协同合作。
主频、外频、倍频
CPU内部的时钟频率称为主频,单位通常为MHz。
主频是表征运算速度的重要参数。
主频越高,CPU的运行速度越快。
但主频并不直接代表运算速度。
系统总线的时钟频率称为外频。
早前,CPU的主频和外频是一致的,但CPU越来越快,内存和硬盘仍比较慢。
主频=外频*倍频
知识扩展:
超频就是改变CPU主频,通常是直接修改主频或者倍频。
⏹运算速度
每秒能执行多少条指令,是衡量CPU工作快慢的指标。
单位是MIPS(每秒多少百万条指令)
运算速度与主频有关,还与内存、硬盘等工作速度计字长有关
⏹高速缓存(cache)
一部分固化在CPU中,一部分在CPU和内存之间。
它的存取速度介于CPU和内存之间。
作用:
解决CPU与内存之间的速度不匹配问题
原理:
随着计算机的发展,CPU的速度越来越快,内存的速度仍然比较低。
一般认为,在执行某个程序时,所需的内存单元是连续的,所以为了减少CPU读取内存的等待时间,系统会把所读到的某内存单元附近的单元内容一并读取到Cache中,那么下一步执行将先在Cache中查找所需数据或指令,如果没有,才到内存查找,从而降低了访问内存的平均等待时间。
⏹字长
字长指CPU一次存取、加工和传递的二进制位数,字长等于CPU中通用寄存器的位数。
目前CPU字长有8位,16位,32位,64位等,通常称为16位机、64位机
字长越宽,计算机数值的有效位越多,处理数据的速度越快,计算精度越高。
⏹字
计算机中作为一个整体参加运算或处理的一组二进制数称为字。
⏹CPU的内部总线
1、数据总线:
用于CPU内部各单元(运算器、控制器、通用寄存器等)、CPU与Cache之间的数据交换。
其位宽决定了一次数据传输的信息量。
CPU内部数据总线与CPU字长、通用寄存器的位数是一致的
通常有8位,16位,32位,64位
2、地址总线:
地址总线宽度决定了CPU可以直接访问的物理地址空间。
通常有20位,24位,32位,36位,64位
⏹微处理器的分类
以Intel公司80x86系列微处理器字长位数分类
类型
处理器
内/外部数据总线
地址总线
准16位
8088
16/8
20
标准16位
8086
16/16
20
80286
16/16
24
准32位
80386sx
32/16
24
标准32位
80386DX
32/32
24
80486
32/32
32
高性能32位
Pentium(奔腾)
64
32
⏹存储器的功能
存储器是计算机记忆信息的装置,主要职能是保存程序和数据
⏹存储器的分类
按照其在计算机中的位置不同,分为:
内存储器和外存储器
1、内存储器简称内存或主存
特点:
容量小、速度快
作用:
存放当前执行的程序和相关数据
2、外存储器简称外存或辅存
特点:
容量大、速度相对内存慢
作用:
存放当前不执行的程序和相关数据
⏹内存的分类
按照其存取方式不同分为
1、随机存取存储器(RAM):
又称为可读写存储器,可以随机读取、写入和修改,但断电后不保留原信息。
随机存取存储器有分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)SRAM主要用于高速缓存,而DRAM主要用于内存条。
2、只读存储器(ROM):
只能读取,不能写入,断电后仍保存原信息,用于存放固定信息。
主要用于BIOS芯片
⏹内存容量单位
每个基本存储单元保存信息量以字节(B)为单位,存储单元的总数即内存容量
常用的国际单位有:
千字节(KB)=210B=1024B
兆字节(MB)=220B=1024KB
吉字节(GB)=230B=1024MB
太字节(TB)=240B=1024GB
目前市面上常见的内存条容量为2GB、4GB
⏹内存地址、取址
每个存储单元有一个编号,其地址用二进制表示,为了方便书写,常用十六进制。
内存的直接寻址与cpu的地址总线位宽有关,他们的关系是
直接寻址范围=2地址线位宽
例如:
地址线宽度为20,可直接访问220即1MB的空间
⏹外存的分类
外存储器主要有:
软磁盘、硬磁盘、光盘、移动磁盘和闪存盘
⏹硬盘
在一个轴上平行安装若干个圆形的磁盘片,硬盘片的基底通常是用铝合金制成的,盘片表面有磁介质涂层。
它们同轴旋转,每片磁盘的表面都装有一个读写磁头,在控制器的控制下沿着表面径向同步移动,硬盘的盘面数表示为磁头数,所有盘片的两个盘面,依次称为0面,1面……由于每个面都有一个读写磁头,也常称为0头、1头……。
盘上的信息道是同心圆,每个圆周称为一个磁道,最外圈磁道的编号为0,通常称为0磁道,最内圈磁道的编号最大,通常称为末磁道,各面上相同的磁道合起来称为一个柱面。
每个柱面都可以呈放射状分成若干区,称为扇区,扇区的编号从1开始,每个扇区的容量为512字节,用盘面、磁道和扇区的编号来表示磁盘上扇区的位置
目前,硬盘的存储容量为120GB、160GB、250GB、320GB、500GB
硬盘按照盘片直径分为2.5英寸、3.5英寸、5.25英寸
新硬盘必须进行先进行一次低级格式化、分区、高级格式化才能使用
⏹移动硬盘
通过USB端口与计算机连接,目前的存储容量一般为120GB,250GB,500GB
⏹软盘
目前经常使用的软盘为3.5英寸。
软盘是在塑料圆表面涂有磁性材料的盘片,它是以磁性材料的磁化效应来记录信息的,软盘外壳是用硬塑料制成的保护套,在保护套上削掉一个角,用以保证正确地插入到软盘驱动器中,位于软盘上方的长方孔是磁头读写窗口,在磁头读写窗口上套有一个带弹性的金属罩,称为磁头存取套,当软盘未插入驱动器时,使软盘的磁介质不外露。
保护套右下角有一个写保护窗口,当内置保护片遮盖写保护窗口(小方孔)时,可以对软盘进行写操作,否则,写保护窗口(小方孔)露出,禁止对软盘进行写操作。
写保护窗口左下角有一个高密度窗口,用以区分软盘的密度。
3寸软盘分为高密度软盘和扩展高密度软盘,高密度软盘的存储信息量为1.44MB,扩展高密度软盘的存储信息时为2.88MB,高密软盘有两个记录面,即0面和1面,每面由格式化软件划分为80个磁道,编号为0—79,最外磁道为0磁道,每个磁道又划分为18个扇区,磁盘驱动插孔的开始位置为00扇区,每个扇区有512字节。
扇区是软盘的基本存储单位,每次对磁盘的读写均以被称为簇的若干个扇区为单位进行的
⏹光盘存储器
利用能量高度集中的激光光束对记录进行扫描,而实现高密度存储的光电设备。
光盘存储器是由光盘和光盘驱动器组成的
它速度比硬盘慢,易于保存,目前常用的光盘有四种类型:
1、只读光盘(CD-ROM):
用户只能读取光盘上的信息,但不能再写入信息,存储容量为553MB—680MB。
2、一次性写光盘(CD—R):
可由用户一次性写入信息,写后可直接读取,但不能再重写。
3、可擦写光盘(CD—RW):
用户可重复写入信息,但次数有限
4、数字视频光盘(DVD):
具有记录密度高、音像质量好和兼容性强的特点,容量E有4.7GB、8.5GB、9.4GB、17GB
⏹闪存盘
又称U盘,是移动存储器,通过USB与计算机连接,容量有2GB,4GB,8GB,16GB,32GB
⏹输入设备
输入设备是将程序、数据和命令转换成计算机能够接受的代码信息的硬件设备。
常见的有键盘、鼠标、光笔、图像扫描仪等。
⏹输出设备
输出设备是将计算机处理的中间结果和最终结果,以人们通常能识别的字符、表格、图形或图像等形式表示出来。
常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪。
1、显示器
显示器和显示适配器(显卡)构成了显示系统显示器的分类:
CRT阴极射线管显示器
LCD液晶显示器
LED发光二极管
PDP等离子显示器
CRT用于台式机,液晶显示器多用于笔记本。
常用技术参数
1)点距:
指显示器上相邻两个点的水平距离,单位是毫米(mm),点距越小形成的图像越细腻。
2)分辨率:
显示区域内水平和垂直的像素阵列,它用水平像素点和垂直像素点的乘积表示。
显示适配器(显卡)标准包括:
CGA:
彩色图形适配器
EGA:
增强图形适配器
VGA:
视频图形阵列
2、打印机
按输出方式分为并口打印机和串口打印机
按工作方式分为击打式打印机和非击打式打印机,其中击打式打印机针式打印机;非击打式打印机包括喷墨打印机、激光打印机和热敏打印机。
计算机系统的组成—软件系统
(1)
完成下列结构图________________
_______
主机________________
内存
硬件系统
计算机系统外设
软件系统
一、计算机系统
微型计算机系统由硬件系统和软件系统组成。
二、软件系统的组成
计算机中所有程序、数据及其相关文件统称为软件系统,它又分为:
系统软件和应用软件
系统软件:
用于运行、维护和管理计算机的软件。
应用软件:
利用计算机所提供的系统软件,为解决各种实际问题而编制的程序。
三、系统软件
系统软件有三大部分:
1)操作系统:
用于管理计算机软、硬件资源。
例如WindowsXP等
2)程序设计工具集:
提供用户程序设计的语言和语言处理程序。
例如Basic语言和VisualBasic集成开发环境。
3)诊断、维护程序:
用于计算机本身的维护。
例如杀毒软件,360安全卫士等
四、操作系统(OperatingSystem简称OS)
1、操作系统是计算机硬件和软件之间的接口,也是用户与计算机之间的接口,它是一种大型的计算机管理程序,是软件系统的核心。
2、三大功能:
1)管理计算机软、硬件资源(包括存储器管理、输入输出设备管理、文件管理),以充分发挥计算机系统的效率
2)组织协调计算机的运行,以增强计算机系统的处理能力
3)提供人机对话接口,为用户提供方便。
3、常见的操作系统
DOS、Windows系列、Unix、Linux等等
计算机系统的组成—软件系统
(2)
一、软件系统可以分为操作系统、程序设计工具集、诊断和检测程序
二、程序设计工具集
1、计算机语言
①机器语言:
计算机执行各种操作的命令称为指令,用二进制编码表示的指令称为机器指令,用机器指令编写的程序称为机器语言程序,机器语言程序能被计算机直接执行,又能直接执行,且执行速度快。
但机器语言无明显特征,不便于理解和记忆,编程困难,易于出错。
机器语言是一种低级语言
②汇编语言:
是用与机器语言一一对应的字母代码表示的语言,根据汇编语言符号的英文词意很容易掌握计算机所完成的操作,它便于理解和记忆,能够提高编程效率。
但汇编语言是面向机器的程序设计语言,在不同的计算机上没有通用性。
③高级语言:
又称为算法语言,它是用接近人们习惯的自然语言和数学语言表示的语言用高级语言编写程序类似用英语单词和数学公式写解题步骤,简短明了,易于查错和修改,高级语言不受机种的限制,其程序具有很强的通用性。
常见的高级语言有:
Basic是一种入门语言;Pascal是一种结构化语言;C/C++语言,主要用于系统程序的设计与开发;VisualBasic、VisualC++和Delphi,是一种可视化、面向对象的程序设计语言,用于编写Windows环境下的应用程序;Java也是种面向对象的程序设计语言,主要用于Internet环境下分布应用程序和多媒体应用程序的设计与开发。
2、语言处理程序
编写程序可以用机器语言、汇编语言或高级语言,但计算机只能直接执行用机器语言编写的程序,不能直接执行用汇编语言或高级语言编写的程序,汇编语言程序或高级语言程序必须翻译成为机器语言程序,计算机才能执行
计算机语言程序称为“目标程序”,汇编语言程序或高级语言程序称为“源程序”,把源程序翻译成目标程序的翻译程序称为语言处理程序。
语言处理程序一般分为以下三种:
①汇编程序是将汇编语言编写的源程序翻译成目标程序的一种软件
②解释程序是将高级语言编写的源程序按动态的运行顺序逐句翻译并执行的一种软件。
③编译程序是将高级语言编写的源程序翻译成目标程序的一种软件。
3、程序设计工具集
①文本编辑程序:
指由字母、数字、符号组成的信息,它可以是用汇编语言或高级语言编写的源程序。
文本编辑程序是用来建立、显示和修改源程序的处理程序,它具有插入、删除、显示、编辑和存盘等功能。
②连接程序:
该程序把要执行的程序和相应的语言库程序连接在一起,形成计算机能执行的程序。
③调试程序:
是一种监督和控制用户程序的工具软件,它能使程序设计人员观察并修改计算机内部寄存器和存储单元的内容,能临视目标程序的执行情况。
4、数据库及数据库管理系统
早期的关系数据库管理系统有dbaseⅡ、dbaseⅢ、FOXBASE,现在广泛应用的小型数据库系统有Foxpro、Access等,大型数据库系统有SQLServer、Oracle和Informix等。
5、诊断、维护程序
诊断、维护程序是一种查找计算机故障的软件,它能测试计算机系统的故障,显示故障的位置和原因,以便维修人员进行故障定位和维修。
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