第一章 计算机基础.docx
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第一章计算机基础
第1章计算机基础知识
在计算机出现以前,历史上曾有多种计算工具被发明和创造。
从我国唐朝末年发明算盘开始,人类就在不断地探索发明计算工具,以帮助人类从繁琐的、复杂的和单调的计算中解脱出来。
随着生产力的发展和社会的进步,计算工具也得到了不断的发展。
在国外出现了许多计算工具,如17世纪中叶的计算尺和机械计算器,20世纪的手摇计算机、电子计算器和卡版计算机器等。
这些计算工具在不同时期都成了人们的好帮手,在一定程度上解决了人类在生产、生活和科学实验中所需解决的各种计算任务。
1946年,在美国的宾夕法尼亚诞生了世界上第一台电子计算机——电子数字积分和计算机(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer,ENIAC)。
这台计算机每秒只能进行5000次加法运算,而且体积非常庞大,共用了18000多个电子管,占地约170平方米。
当然,这台机器与现在的计算机相比,性能和速度都远不及现在的普通微型机,但它标志着电子计算机时代的到来。
在此后的50多年中,计算机得到了迅速的发展,体积越来越小、功能越来越强;当初仅仅是为解决计算问题而发明的机器,如今在各行各业都得到了广泛的应用,已逐步成为处理各种数字化信息的工具——信息处理机。
1.1计算机概述
1.1.1计算机发展简述
从第一台电子计算机诞生到现在,计算机技术在不断地发展和创新,其中计算机硬件的发展对电子计算机的更新换代产生了巨大的影响。
在过去的近60年中,计算机时代的划分均以计算机的硬件变革为依据。
计算机硬件的发展受到电子开关器件的极大约束,习惯上是以计算机使用的元器件的更新作为计算机技术逐步发展的标志。
大致可以将计算机的发展过程分为四个时代。
1.第一代计算机
从1946年至1958年,该时期的计算机主要使用电子管为基本元件,体积大、耗电多、发热大、运算速度慢(每秒几千次至几万次)和稳定性差为其特点。
采用磁鼓作为主存储器,程序设计使用机器语言或汇编语言,主要用于科学和工程计算。
其中最具代表性的是1950年出现的第一台商品化计算机UNIVAC-I。
2.第二代计算机
从1958年至1964年,该时期的计算机主要使用晶体管做基本元件,其特点是体积小、耗电省、运算速度快(每秒几十万次)和稳定性高。
采用磁芯存储器作为主存储器,程序设计开始采用高级语言,而且出现了操作系统。
应用范围进一步扩大到数据处理及商业应用。
其中IBM7000系列计算机在20世纪60年代非常流行,被誉为第二代计算机的先导,而且为第三代计算机的发展提供了硬件和软件的雏形。
3.第三代计算机
至20世纪70年代中期,该时期的计算机主要使用小规模集成电路(SSI)和中规模集成电路(MSI)做基本元件,其特点是体积进一步缩小、运算速度更快(达到每秒几百万次)。
采用磁芯作为主存储器,磁盘存储器作为辅助存储器占据了绝对优势,而且价格也大大降低,使得计算机能够进入中小企业,扩大了计算机的应用范围和普及程度。
1964年推出的IBM/360是第三代计算机的代表性产品。
4.第四代计算机
从20世纪70年代中期至今,该时期的计算机主要使用大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)做基本元件,其特点是运算速度可达每秒百万次到亿次。
在系统结构方面,多处理机系统、分布式系统和计算机网络的研究进展迅速,各种应用软件层出不穷,使得计算机的应用范围越来越广。
第四代计算机与第三代计算机相比,表面上是集成电路的集成度发生了数量上的变化,但在性能上却产生了质的飞跃。
第四代计算机的出现进一步开拓了计算机应用的新领域,更重要的是半导体存储器终于取代了磁芯存储器作为主存储器。
1.1.2计算机的特点
计算机能够按照程序引导的确定步骤,对输入数据进行加工处理、存储或传送,以获得人们所期望的输出信息,从而利用这些信息来提高工作效率和社会生产率以及改善人们的生活质量。
计算机主要有以下基本特点。
1.运算速度快
计算机是一种高速计算的工具,其运算速度是用每秒钟执行基本运算操作的次数来表示的。
现代计算机每秒种的运算次数可从几十万次到几十亿次。
2.计算精度高
由于计算机是根据事先编制好的程序自动、连续地工作,可以避免人工计算因疲劳、粗心而可能产生的各种错误。
3.存储容量大
计算机中拥有容量很大的存储设备,不仅可以存储所需的数据信息,还可以存储指挥计算机工作的程序,同时可以保存大量的文字、图像和声音等信息资料。
4.逻辑判断能力强
计算机的逻辑判断能力是实现计算机工作自动化、具备人工智能的基础,是计算机的基本功能,也是重要的功能之一。
1.1.3计算机的分类
1.按处理方式分类
按处理方式分类,可以把计算机分为模拟计算机、数字计算机以及数字模拟混合计算机。
模拟计算机,主要用于处理模拟信息,如工业控制中的温度、压力等。
模拟计算机的运算部件是一些电子电路,其运算速度极快,但精度不高,使用也不够方便。
数字计算机采用二进制运算,其特点是解题精度高,便于存储信息,是通用性很强的计算工具,既能胜任科学计算和数字处理,也能进行过程控制和CAD/CAM等工作。
混合计算机是取数字、模拟计算机之长,既能高速运算,又便于存储信息,但这类计算机造价昂贵。
现在人们所使用的大都属于数字计算机。
2.按功能分类
按计算机的功能分类,一般可分为专用计算机与通用计算机。
专用计算机功能单一,可靠性高,结构简单,适应性差。
但在特定用途下最有效、最经济、最快速,是其他计算机无法替代的,如军事系统、银行系统属专用计算机。
通用计算机功能齐全,适应性强,目前人们所使用的大都是通用计算机。
3.按规模分类
按照计算机规模,并参考其运算速度、输入输出能力、存储能力等因素划分,通常将计算机分为巨型机、大型机、小型机和微型机等几类。
(1)巨型机
巨型机运算速度快、存储量大、结构复杂、价格昂贵,主要用于尖端科学研究领域,如IBM390系列、银河机等。
如图1.1所示为巨型机。
图1.1巨型机
(2)大型机
大型机体积大、速度快,并且价格昂贵。
大型机也可以通过终端同时为多个用户执行处理任务,但大型机可以同时处理更多用户的任务,并且可以存储更多的数据,速度也更快。
大型机规模次于巨型机,有比较完善的指令系统和丰富的外部设备,主要用于计算机网络和大型计算中心,如IBM4300。
如图1.2所示为大型机。
(3)小型机
小型机可以同时为多个用户执行任务。
通常,小型机通过多个终端来输入处理请求并显示运行结果。
终端由输入键盘和输出显示器组成,但它本身没有处理能力,必须通过小型机的主机处理事务。
图1.2大型机
目前在计算机领域中,小型机的概念逐渐淡化,被分化或融合为不同规模的工作站或服务器。
如图1.3所示为小型机。
图1.3小型机
(4)微型机
微型机由微处理器、半导体存储器和输入输出接口等组成,使得它较之小型机体积更小、价格更低、灵活性更好、可靠性更高、使用更加方便。
微型计算机通常独立使用,也可以与其他计算机相连,但微型计算机通常只能同时处理一个用户的任务。
目前许多微型机的性能已超过以前的大中型机。
如图1.4所示为微型机。
图1.4微型机
4.按其工作模式分类
按照其工作模式分类,可将其分为服务器和工作站两类。
(1)服务器
服务器是一种可供网络用户共享的高性能计算机,一般具有大容量的存储设备和丰富的外部设备,其上运行网络操作系统,要求具有较高的运行速度。
因此,很多服务器都配置了双CPU。
服务器上的资源可供网络用户共享。
(2)工作站
工作站是高档微机。
它的独到之处就是易于联网,配有大容量主存和大屏幕显示器,特别适合于CAD/CAM和办公自动化。
1.1.4计算机的应用领域
计算机广泛应用于各种学科领域,并渗透到人类社会的各个方面。
按其所涉及的技术内容,可将计算机的应用范围概括为以下几个方面。
1.科学计算
在科学实验和工程设计中,往往会遇到各种数学问题,计算量非常大,有时依靠手工计算根本无法完成,此时可以利用计算机的计算能力来完成。
2.过程控制
过程控制是生产过程自动化的重要技术内容和手段,它是由计算机对采集到的数据按一定方法进行计算,然后将结果输出到指定设备去控制生产的过程。
利用计算机进行过程控制,可以减少劳动人数、减轻劳动强度,提高劳动生产效率。
微机控制系统除了应用于工业生产外,还广泛应用于交通、邮电和卫星通讯等。
3.信息处理
信息处理是指利用计算机加工、管理与操作任何形式的数据资料。
目前,计算机信息处理已被广泛应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、电影电视动画设计、会计电算化、图书管理、医疗诊断等各行各业。
4.计算机辅助系统
将计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助测试和辅助教学等方面,统称为计算机辅助系统。
计算机辅助设计(CAD)是利用计算机帮助设计人员进行产品、工程设计的重要手段,它能提高设计的自动化程度,不仅节省人力和物力,而且速度快、质量高,可以大大缩短产品的设计周期。
目前,计算机辅助设计在电路、机械、土木建筑和服装等领域的设计中得到广泛应用。
计算机辅助制造(CAM)是利用计算机进行生产设备的管理、控制与操作,从而可以提高产品质量、降低生产成本和缩短生产周期,并且还大大改善了生产人员的工作条件。
计算机辅助测试(CAT)是利用计算机进行复杂而大量的测试工作。
计算机辅助教学(CAI)是现代教学的一种新型手段,它通过计算机将教学内容进行科学组织,提供人机交互功能,以帮助学生获取知识。
5.人工智能
人工智能是计算机应用的一个崭新领域,是指如何设计智能性的计算机系统,让计算机具有人类的智能特性,如识别图形、声音、学习过程、探索过程、推理过程以及对环境的适应过程等。
目前已应用于机器人设计、医疗诊断专家系统和推理证明等各方面。
6.网络应用
计算机网络像电话系统连接电话一样把计算机和计算机资源连接到一起,从而实现资源共享和数据传输。
目前,越来越多的院校、科研部门、企事业单位和个人连入Internet,来发布电子新闻、检索信息、收发电子邮件以及进行电子商务等。
1.2计算机系统的组成
1.2.1计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
如图1.5所示。
图1.5计算机系统组成
计算机硬件是组成计算机的物理设备的总称,是计算机完成计算工作的物质基础。
计算机软件是在计算机硬件设备上运行的各种程序的总称。
程序是控制计算机进行工作的指令的集合。
因此,对于计算机系统来说,硬件与软件二者是缺一不可的。
同时,从计算机的发展进程来看,硬件与软件之间是相辅相成、相互促进的关系。
1.2.2计算机硬件系统
1.冯·诺依曼(VonNeumann)计算机模型
在第一台计算机ENIAC诞生的同时,美国数学家冯·诺依曼与莫尔合作研制了EDVAC计算机模型,提出了冯·诺依曼计算机模型。
核心思想包括下面几个方面。
计算机硬件均由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分组成。
计算机内部采用二进制数表示信息。
计算机要自动存储程序,将程序以及程序所需要使用的数据预先存储在内存中,然后自动运算。
2.计算机硬件系统
目前使用的计算机仍是采用冯·诺依曼计算机模型的机器,即计算机硬件均由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备组成。
(1)运算器
运算器(ArithmeticLogicUnit)又称算术逻辑部件,英文简称ALU。
运算器的主要任务是执行算术运算和逻辑运算。
算术运算包括加、减、乘、除及它们的复合运算。
逻辑运算包括一般的逻辑判断和逻辑比较。
运算器的核心部件是加法器和寄存器,加法器用于运算,寄存器用于存储参加运算的各类数据以及运算后的结果。
(2)控制器
控制器(ControlUnit)是控制和指挥计算机的各个部件相互协调、共同完成一定任务的部件。
在控制器的控制下,计算机能够自动、连续、有序地按照给定的指令进行工作。
比如,某个程序需要从键盘(输入设备)输入数据时,控制器就向键盘发出控制信号,要求键盘接收数据。
一旦完成一条指令的工作,控制器又会进一步发出控制信号继续执行下一条指令。
随着超大规模集成电路制作工艺的成熟,把控制器和运算器集成在一块集成电路芯片上,构成了中央处理器(CentralProcessingUnit,简称CPU),如图1.6所示。
中央处理器是计算机的核心部件,是计算机的心脏。
图1.6CPU芯片
(3)存储器
存储器是计算机的记忆装置,主要用来保存数据和程序。
存储器又分为内部存储器(InternalMemory,又称内存、主存)和外部存储器(SecondaryMemory,又称外存)。
内存大都以半导体作为介质,用于临时保存信息,可以直接向CPU传送数据,一般作为主机的一部分;特点是存取速度较快、容量较小(相对外存而言),但造价高。
程序在运行时,必须将指令及所需数据存放在内存中。
外部存储器的存取速度相对较低,但容量较大,属于输入输出设备,用于永久性存放程序文件及数据文件,不能直接向CPU传送数据,一般作为外部设备。
存储器以字节(Byte)作为最基本的存储单元,每个字节保存8位(bit,比特)二进制信息(即1B=8b)。
计算机中内存最多能保存的字节数称为存储容量。
一般情况下,内存的存储容量越大,能存储的信息就越多,计算机的整体性能就越好,运行速度也越快。
为了方便度量存储容量的大小,引入千字节(KB)、兆字节(MB)和千兆字节(GB)等度量单位。
它们之间的换算关系如下:
1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB
计算机在运行过程中,从外存将数据输入内存称为“读”或“取”操作;从内存将数据存入外存称为“写”或“存”操作。
内存按工作方式的不同,又可以分为只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)和随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)。
ROM中存放的信息一般只能“读”不能“写”,计算机断电后,其中的信息不会丢失。
因此,ROM中存放的是一些重要的且经常要使用的程序或系统配置信息。
RAM可以随时“读”数据和“写”数据,计算机断电后,其中的信息会消失。
我们所说的内存条就属于RAM一种,如图1.7所示。
图1.7内存条
运算器、控制器和内存合起来被称为主机。
(4)输入设备
输入设备(InputDevices)是将外界的信息(或称数据)输入到计算机中的设备。
输入信息形式不同,使用的输入设备也不同。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等,如图1.8所示。
键盘是最常用的输入设备,用于输入各种文字信息及键入计算机的命令等。
鼠标是一种快速、灵活的定位设备,通常用于绘制图形以及基于图形的软件应用。
扫描仪用于将图形、图像和文字信息通过扫描方式输入到计算机中。
摄像头用于将捕获的图像输入到计算机中。
图1.8输入设备
输入设备要通过输入接口与主机相连。
(5)输出设备
输出设备(OutputDevices)是将计算机处理的结果以人们容易识别的形式输出的设备。
输出信息的形式不同,使用的输出设备也不同。
常见的输出设备有显示器、音箱、打印机、投影仪和绘图仪等,如图1.9所示。
显示器、音箱和打印机是最常用的输出设备。
显示器用于将计算机中的各种文字、图形和图像等显示出来供人们参考或使用。
打印机可以将计算机处理的结果打印在打印纸上,常用于打印文字、数值和图表等。
投影仪用于将计算机中的各种文字、图形和图像等在墙壁或银幕上显示出来。
绘图仪用于将计算机处理产生的图形在绘图纸上以较高的精度绘制出来。
输出设备要通过输出接口与主机相连。
图1.9输出设备
我们通常把输入输出设备称为外部设备。
有些设备,如磁盘机和磁带机等,它们既可以将磁盘或磁带中的程序和数据读入到内存中,又可以将内存中的数据信息写入到磁盘或磁带中存放,因此,它们既是输入设备,又是输出设备。
(6)总线(BUS)
所谓总线,就是各部件之间信息传送的公共通道,在物理上是一组导线。
计算机各部件是通过总线连接的。
也就是说,计算机各部件是靠总线来相互传送信息的。
按照在总线上传送的信息的类型,总线可分为以下三类。
数据总线:
各部件之间数据信息传送的通道。
地址总线:
地址总线通常是单向传送地址信息的。
由CPU输出,用于指定内存的某个存储单元的地址或输入输出接口的地址。
控制总线:
用于传送保证计算机各部件同步和协调的控制信号。
1.2.3计算机工作原理
为使计算机自动解决各种实际问题,必须先把各种程序、数据以及图形图像等信息输入到计算机的内存中。
若将信息长期保存,还须将内存的信息存储到外存中,需要时再将外存中的信息取回内存。
所谓“程序”,是一组有序的操作命令(或称指令)。
程序中的指令是通过二进制编码来表示的,数据则既可通过编码表示,也可通过二进制数表示。
计算机的工作原理:
当接通计算机电源后,首先启动控制器,控制器从内存中取出第一条指令,分析该指令应执行什么样的操作,然后将计算结果保存到内存中。
一条指令执行完毕,控制器再从内存中取出第二条指令,执行相应操作,如此,控制器周而复始地取出程序中的一条条指令,然后分析、执行,直到程序的所有指令执行结束为止。
必须强调,程序和程序所需的数据必须装入内存,这是因为处理器只能直接存取内存中的数据。
1.2.4计算机软件系统
计算机只有硬件还不能工作,还必须在计算机中装上软件。
软件是相对于硬件而言的,如果把硬件看作是物质资源,那么软件就是指挥硬件工作以完成指定任务的指令集合。
计算机硬件是支撑软件工作的基础,没有硬件支持,软件就无法工作。
同样,如果没有软件,硬件就是毫无用途的机器。
打个比方,乐器是硬件,乐谱和演奏方法就是软件,只有两者完美结合,才能演奏出优美的音乐。
实际上,在计算机技术的发展过程中,计算机软件随着硬件技术的发展而发展;反过来,软件的不断发展与完善又促进了硬件的发展。
两者的发展密切地交织在一起,缺一不可。
软件是计算机系统的重要组成部分,是为方便使用计算机和提高使用效率而组织的程序以及用于开发、使用和维护的有关文档。
软件内容丰富,种类繁多。
按照软件功能的不同,可粗略地分为系统软件和应用软件两大类。
1.系统软件
系统软件是指管理、监控和维护计算机系统资源的软件。
系统软件包括操作系统(OperatingSystem,OS)、数据库管理系统(DatabaseManagementSystem,DBMS)、语言处理程序以及工具软件等。
(1)操作系统
操作系统是管理、控制计算机系统的软、硬件和数据资源的大型程序。
它负责协调计算机系统的各部分之间、系统与用户之间、用户与用户之间的关系,并提供用户与计算机之间的接口,为用户提供服务。
它是用户和硬件之间以及硬件和应用软件之间的媒介。
操作系统的管理功能主要有以下五大部分。
CPU管理CPU管理是整个计算机硬件的核心,在硬件系统中,它是最宝贵的资源。
如何充分发挥CPU的作用、提高其效率是CPU管理的主要任务。
内存储器管理内存的存储单元的数量(即存储容量)在计算机系统中是有限的,它是程序必须使用的资源之一。
如何合理地分配内存以满足不同程序的需要,是内存储器管理的任务。
设备管理输入/输出操作需要用到外部设备,不同的程序需要的外部设备也就不同。
操作系统应该有效管理各种外部设备,使其发挥效率,并且还要为用户提供简单而易于使用的接口。
文件管理计算机系统所处理的大量数据有的是需要长期保存的,但是这些数据只能存放在外存储器(如磁盘)中。
我们把逻辑上具有完整意义的数据集合称为文件,那么,如何唯一地标识、有条不紊地组织这些文件以便计算机能够安全、方便地进行处理就成为文件管理必须完成的任务之一。
作业管理当有多个程序需要计算机运行时,如何按照一定规则选择某个程序运行就是作业管理需要解决的问题。
操作系统是计算机系统中的核心软件,在计算机系统中,它的作用非常重要。
对于计算机资源来说,操作系统是一个管理员。
打个比方:
现在只有一个篮球(这是计算机系统的某种资源),但是有3支球队(多个程序)需要使用这个篮球进行训练,那么怎样才能做到让这3支球队进行训练又不造成混乱局面呢?
显然,需要有人(操作系统)来对这个篮球进行管理。
对用户来说,操作系统是一个服务员。
需要打印文稿时只须将文稿交给操作系统,操作系统会通知打印机进行打印;需要听音乐时,只须将声音文件交给操作系统,操作系统会通知声卡播放出优美的音乐。
目前常用的操作系统有Windows2000,WindowsXP,Unix和Linux等。
(2)数据库管理系统
数据库是指按照一定关系组织、存储的数据集合,是存放数据的仓库。
数据库管理系统是对数据库进行管理的系统软件。
它能够有效地组织和存储数据、获取和管理数据,接受和完成用户提出的访问数据的各种请求。
常见的数据库管理系统有:
Oracle、SQLServer、SyBase、MySQL、Access等。
(3)语言处理程序
语言处理程序的功能是各种软件语言的处理程序,它把用户用软件语言书写的各种源程序转换成为可为计算机识别和运行的目标程序,从而获得预期结果。
(4)工具软件
工具软件有时又称为服务软件,它是开发和研制各种软件的工具。
常见的工具软件有诊断程序、调试程序等。
2.应用软件
应用软件是应用于特定领域中的某种具体软件。
由于计算机已渗透到了各个领域,因此,应用软件是多种多样的;而且应用程序的内容也很广泛,难以确切地进行分类。
例如:
文字处理软件有Word、WPS,电子表格处理软件Excel,演示文稿软件PowerPoint,图像处理软件Photoshop、PhotoDraw、CorelDraw,三维图形处理软件3DSMAX等。
我们将在后面的章节中介绍一些常用的办公软件。
1.2.5计算机语言
计算机语言是人与计算机之间交流的工具,人通过计算机语言来指挥计算机完成特定的工作。
为了完成一个具体工作,往往需要给出一系列的实现步骤,这些步骤用计算机语言来描述就成为程序。
程序设计是指编写一系列能被计算机所识别并执行的指令。
这些指令用程序设计语言编写。
程序设计语言是一组专门用来生成一系列可被计算机处理和执行的指令的符号集合。
随着计算机的发展,程序设计语言经历了不同的发展过程。
人们开发出各种编程语言以适应不同时期的编程需要。
目前的程序设计语言一般分为五类。
1.机器语言
计算机编程最先使用的就是机器语言。
机器语言是计算机唯一能够识别的语言。
它全部是二进制数形式,机器语言直接依赖于硬件,所以对于不同型号的计算机,其机器语言也是不同的。
在某种类型的计算机上编写机器语言程序,在另一种不同型号的计算机上不一定能运行。
但由于机器语言能被计算机直接识别,因此机器语言程序的运行效率比较高,能够充分发挥计算机的运算能力。
2.汇编语言
由于机器语言不易记忆,而且容易出错误,于是人们为每一条机器指令定义一条唯一的助记符,以一种容易理解、容易记忆且有一定语法规则的形式来表示每一条机器指令,我们将这种语言称为汇编语言。
汇编语言与机器语言一样,都是面向机器的语言,它与机器语言的指令是一一对应的,因此,用汇编语言编写的程序执行速度快,占用内存小,运行效率也较高,所以经常用汇编语言编写系统软件、实时控制程序、外部设备或端口数据的输入输出程序。
用汇编语言编写程序与用机器语言编写程序一样,都需要了解CPU结构,依赖于具体的机器,都是面向机器的低级语言,用它们编写程序工作量较大,而且通用性和可移植性差。
用汇编语言编写的源程序不能直接被计算机识别,因为计算机硬件只识别机器语言。
因此,需要一种工具将汇编语言程序翻译成机器语言,这个工具就是汇编程序。
用汇编语言编写的程序经过编译后就可以由计算机进
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