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计算机基础知识e
计算机基础知识
1．1计算机概论
一场新的技术革命总会给社会带来巨大的影响，不论是积极的还是消极的，我们都能在生活中感受到。
正如计算机革命使得计算机迅速而全面的进入社会，将计算机作为一种全新的工具带入了人们的工作、学习和生活中。
我们需要基本的计算机技能追求事业上的的目标和在社会中发挥有效的作用，需要足够的计算机知识为工作与生活在一个计算机化的社会中做好准备。
1．1．1认识计算机
最初计算机的确是为了解决繁杂的计算劳动而产生的，但今天的计算机已经远不只是计算器，它可以完成更多的工作，这些工作许多与数学无关，比如写作、制作电视节目、作曲、处理图象等。
计算机可以简单的定义为一种电子设备——一种可以灵活操作数据的机器，它所完成的工作取决它所使用的程序。
程序是一个指令序列，它告诉计算机该做什么和怎么做。
计算机自身包括许多灵活设计的组件（即硬件部分），我们通过使用称为软件的计算机程序，可以把计算机的各个硬件部分转换成用于特定用途的工具。
不管计算机执行什么程序，机器自身只能完成四种基本操作。
被人们广泛接受的计算机的定义包括以下操作：
输入：
计算机接受由输入设备（如键盘）提供的数据。
处理：
计算机对数据进行操作，按一定方式对他们进行转换。
输出：
计算机在诸如显示器或打印机等设备上产生输出，显示操作处理的结果。
存储：
计算机可以存储处理结果供以后使用。
该定义常常被称做IPOS循环。
IPOS循环的四个步骤——输入（Input）、处理（Processing）、输出（Output）、存储（Storage）并不一定严格按照I-P-O-S的顺序出现。
在程序的指挥下，计算机根据需要决定采取哪个步骤，并根据需要反复执行。
1．1．2计算机的发展简介（如表1-1-1）
第一代电子管计算机（1945-1956）
在第二次世界大战中，美国政府寻求计算机以开发潜在的战略价值。
这促进了计算机的研究与发展。
1944年HowardH.Aiken（1900-1973）研制出全电子计算器，为美国海军绘制弹道图。
这台简称MarkI的机器有半个足球场大，内含500英里的电线，使用电磁信号来移动机械部件，速度很慢（3-5秒一次计算）并且适应性很差只用于专门领域，但是，它既可以执行基本算术运算也可以运算复杂的算式。
表1-1-1计算机发展简史
代别
*年代
逻辑元件
第一代
1946－1958
电子管
第二代
1959－1964
晶体管
第三代
1965－1970
集成电路
第四代
1971－现在
大规模集成电路
1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandComputer）在费城公诸于世。
ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，还拥有并行计算能力。
ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发，占地170平方米，重30吨，使用了18，000个电子管，70，000个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，每秒能进行5000次加法运算，其运算速度比MarkI快1000倍，ENIAC是第一台普通用途计算机（如图1-1-1）。
图1-1-1世界上第一台电子计算机
40年代中期，JohnvonNeumann（1903-1957）参加了宾夕法尼亚大学的小组，1945年设计电子离散可变自动计算机EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer），将程序和数据以相同的格式一起储存在存储器中。
这使得计算机可以在任意点暂停或继续工作，VonNeumann结构的关键部分是中央处理器，它使计算机所有功能通过单一的资源统一起来。
第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。
另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。
第二代晶体管计算机（1956-1963）
1948年，晶体管的发明大大促进了计算机的发展，晶体管代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。
1956年，晶体管在计算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生。
第二代计算机体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。
首先使用晶体管技术的是早期的超级计算机，主要用于原子科学的大量数据处理，这些机器价格昂贵，生产数量极少。
1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。
第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:
打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。
计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。
在这一时期出现了更高级的COBOL（CommonBusiness-OrientedLanguage）和FORTRAN（FormulaTranslator）等语言，以单词、语句和数学公式代替了含混晦涩的二进制机器码，使计算机编程更容易。
新的职业（程序员、分析员和计算机系统专家）和整个软件产业由此诞生。
第三代集成电路计算机（1964-1971）
虽然晶体管比起电子管是一个明显的进步，但晶体管还是产生大量的热量，这会损害计算机内部的敏感部分。
1958年德州仪器的工程师JackKilby发明了集成电路（IC），将三种电子元件结合到一片小小的硅片上。
科学家使更多的元件集成到单一的半导体芯片上。
于是，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。
这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。
第四代大规模集成电路计算机（1971-现在）
出现集成电路后，唯一的发展方向是扩大规模。
大规模集成电路（LSI）可以在一个芯片上容纳几百个元件。
到了80年代，超大规模集成电路（VLSI）在芯片上容纳了几十万个元件，后来的（ULSI）将数字扩充到百万级。
可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。
从上面的叙述我们看到随着电子技术的飞速发展，电子管被晶体管代替，晶体管又被集成块代替，后来又出现了大规模和超大规模的集成电路，使计算机的内部结构越来越小，功能越来越完善，，这才出现了今天的“微型计算机”。
今后的计算机将朝着巨型化、微型化、网络化、智能化的方向发展。
PC机的发展：
70年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。
这一领域的先锋有Commodore，RadioShack和AppleComputers等。
1981年，IBM推出个人计算机（PC）用于家庭、办公室和学校。
80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体积，从桌上、膝上到掌上。
与IBMPC竞争的AppleMacintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用户可以用鼠标方便地操作。
从此PC机进入迅猛发展的时代：
1982年Intel公司发布80286个人计算机微处理器芯片；
1985年－80386
1989年－80486
1993年，Pentium，主频60－66MHz；
1997年，PentiumⅡ，主频233MHz；
1999年，PentiumⅢ，主频450MHz以上；
2000年，P4，主频1.4G以上
2002最新的Pentium43.2GHz仍然采用0.13微米工艺的Northwood核心
2003年第四季度Prscott发布，这是第一颗采用90纳米工艺的CPUP43.4G
我国计算机的发展
我国从1956年开始计算机的科研和教学工作；
1960年我国第一台自行设计的通用电子计算机107机诞生；
1964年我国研制成大型通用电子计算机119机；
1983年每秒运行一亿次的银河巨型计算机在国防科技大学诞生；
1992年研制成功每秒运行10亿次的“银河Ⅱ”巨型计算机；
1997年又研制成功每秒运行130亿次的“银河Ⅲ”巨型计算机；
2000年自主研制成功“神威Ⅰ”高性能计算机系统，峰值运算速度达到3840亿次/秒，之后又有“曙光3000”——运算速度达4032亿次/秒，“自强2000”——运算速度达4500亿次/秒。
1．3模拟信号和数字信号
有两种类型的电信号：
模拟信号、数字信号。
模拟信号是一种在时间上连续的信号，用信号的某些参数（例如幅值）去模拟信息（例如数值和物理量的大小），所以称为模拟信号或模拟量。
模拟计算机采取模拟信号表示信息。
缺点：
精度低，表示范围小，抗干扰能力差，难于存储，难于表示逻辑信息等。
数字信号是一种在时间或空间上断续的（离散的）信号；它的单个信号仅取有限的几种状态；依靠彼此离散的多位信号的组合表示广泛的信息，处理是可以逐位处理。
数字计算机采用的就是数字信号。
通常所讲的计算机是，其全名是电子数字式计算机，俗称电脑。
电脑中的信息采用数字化表示，它有两层含义：
（1）在计算机中各种信息用数字代码表示；
（2）在物理机制上，数字代码的每一位以数字型信号（脉冲或电平信号）表示。
信息数字化有以下优点：
（1）抗干扰能力强，可靠性高；
（2）位数增多则数的表示范围扩大；（3）物理上可以实现，并可以存储；（4）表示信息的类型与范围极其广泛；（5）能用逻辑代数等数字逻辑技术进行处理，这给计算机硬件设计提供了基础。
1．1．4数字计算机的特点
数字计算机是一种能存储程序，能自动连续的对各种数字化信息进行算术、逻辑运算的快速工具。
它有如下特点：
运算速度快、计算精度高、存储能力强、高度自动化、可靠性高。
1．2计算机的系统组成
我们通常看到的计算机只是构成计算机的物质实体，如：
主机、显示器、键盘、鼠标、驱动器和打印机，我们从外观上看到这些部分在计算机领域中称为硬件。
硬件就相当于我们人的没有思想和行为的躯体。
相对于计算机硬件而言，我们把具有一定功能的各种计算机程序称为软件。
硬件在软件的指导下作出一定的行为、完成一定的功能。
如此看来，一个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
1．2．1计算机硬件系统
计算机中的硬件系统是指计算机中看得见、摸得着的部件的总称。
计算机硬件系统由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口电路、总线、输入/输出设备组成。
中央处理器（CPU——CentralProcessingUnit）
中央处理器是计算机系统的核心组成部件，它包含着运算器（ArithmeticLogicalUnit）和控制器（ControlUnit）两大部分，还含有一些寄存器。
运算器（ALU）进行各种算术运算和逻辑运算；控制器（CU）是计算机的指挥系统，它的功能是读取各种指令，并对指令进行分析，发出相应的控制指令，协调计算机各个部分的工作；而寄存器则直接参与运算并存放运算的结果。
CPU的主要性能指标是主频和字长。
主频指的是CPU内部的工作频率，主频以数字表示，单位用“MHz”，如PⅢ700表示其主频为700MHz。
主频越高，CPU运算速度越快。
字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度，位数越多，精度越高，但硬件成本越高，因为它决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数。
intel8086
Pentiumpro
intel80286
Pentiummmx
intel80386
PII
intel80486
PIII
Pentium
Pentium4
图1-2-1Intel公司的CPU发展史
Intel公司是生产CPU的知名厂家，它的每一代新产品的出世都意味着微处理器的跨时代的进步，图1-2-1列出了Intel生产的具有代表性的CPU。
存储器
数字计算机的重要特点之一就是具备存储能力，这是它能够自动连续执行程序、进行广泛的信息处理的重要基础。
CPU中为数不多的寄存器只能暂存少量信息，大部分程序与数据则需要存放在专门的存储器中。
存储器就象是计算机的“库房”，用来存储程序和数据。
各种各样的信息需要计算机具有多层次的存储能力。
目前许多计算机采取的是典型的三级存储体系结构（如图1-2-2），分为“高速缓冲存储器（Cache）——主存（内存）——外存（辅存）”三个层次。
（1）高速缓存（Cache）
由于CPU和主存之间的速度不匹配，许多计算机在CPU和主存之间设置一种高速缓冲存储器。
Cache中存放着最近要使用的的程序和数据，作为主存中当前活跃信息的副本。
（2）主存储器
主存储器是指能由CPU直接编程访问的存储器，它存放正在执行的程序和处理的数据。
因为它通常和CPU一起位于主机内，因此常称为内存，但严格上说，只有当内存中只有主存，而没有高速缓冲存储器（Cache）时，才能称为主存。
图1-2-2三级存储体系
为满足CPU编程直接访问的需要，要求主存能够随机访问、工作速度快并且具有一定的存储容量。
这个容量受地址位数的制约，如8位机能提供16位地址，可直接访问的主存空间只有64K；16位机经扩展后提供20位地址，寻址空间可达1M；32位机能够提供32位地址，寻址空间高达4G（4KM）。
（计算机中存储信息的最小单位是“位”，位是指二进制中的一个数，一般称之为比特—bit，在计算机中常使用字节Byte作为计量单位，一个字节由8个二进制位组成。
）
主存储器按读写功能，又可分只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。
ROM中的信息一般由生产厂家确定，通常只能读出，不能写入或修改，断电后信息也不会消失。
它主要用来存放计算机启动时的引导程序、系统的基本输入/输出程序BIOS等。
RAM中的信息可以随机的读出和写入，主要存放用户的程序和数据，断电后信息就会丢失。
计算机中的内存条（如图1-2-3）就是RAM，它安装在主板（如图1-2-4）的内存条插槽中。
图1-2-3内存条
图1-2-4主板
（3）外部存储器
中央处理器不能直接访问的存储器称为外部存储器，外部存储器中的信息必须调入内存后才能为中央处理器处理。
外存储器也称为辅助存储器，一般容量较大，速度比主存较慢，它存放需要联机保存但暂不使用的程序和数据。
目前常见的外部存储器有（如图1-2-5）：
✧硬盘（Harddisk）：
目前的硬盘大多采用了温彻斯特技术，所以又称为“温盘”；温氏技术的特点是：
将盘片、读写磁头及驱动装置精密地组装在一个密封盒里；采用接触式起停，非接触式读写的方式（磁盘不工作时，磁头停在磁盘表面的起停区，一旦加电后，磁头随着盘片旋转的气流“飞”起来，悬浮在磁盘表面，进行读写）。
✧软盘（FloppyDisk）：
目前常见的是3.5英寸大小，容量为1.44MB的软盘。
✧光盘存储器（CD-ROM）：
普通的CD-ROM，只能读，不能写；CD盘片的存储量大约是650MB。
现在有CD-R/W（可读写光驱），能从光盘读出信息又能向光盘上写入信息。
✧U盘：
USB接口的可移动存储器，又叫闪存。
闪存是FlashMemory的意译，具备快速读写掉电后仍能保留信息的特性。
拥有容量超大、存取快捷、轻巧便捷、即插即用、安全稳定等许多传统移动存储设备无法替代的优点，此外，我们也把闪存称之为“电子软盘”或“闪盘”。
图1-2-5常见的外部存储器
U盘
这些外部存储器拥有一些共同的特点：
在各自的驱动程序管理下通过相应的驱动器和接口向存储体上记录信息。
3）总线
计算机的操作基本上可以归结为信息传送。
总线是连接计算机各个部件，并在各个部件之间传送数据、信息的一组公共信号通道。
总线可以分时地接收与发送各部件的信息。
计算机系统中的各级部件中都广泛应用了总线，按其任务可分为四种：
CPU内部总线。
即CPU内部各个寄存器与算术逻辑运算部件之间的总线；
部件内总线。
在计算机中按功能模块制作成插件，在插件上也常采用总线结构连接有关芯片。
这一级是芯片之间的总线。
系统总线，它是连接整机系统的基础。
用来在系统内部连接各大组成部件，如CPU、主存，通过各接口连接各I/O设备。
系统总线包含地址总线（AB）、控制总线（CB）和数据总线（DB）3种。
外部总线，是系统与其他设备间或系统之间的通讯总线。
4）输入/输出接口电路
接口泛指设备部件（软、硬件）之间的交接部分，包括软件接口和硬件接口。
主机（系统总线）与外围设备或其他外部系统之间的接口逻辑，称为输入/输出接口，简写为I/O接口，或称为外围接口。
比如软盘和硬盘的驱动器、打印机接口、U盘接口等。
5）输入和输出设备
输入/输出设备是实现计算机系统与人或其他设备、系统之间进行信息交换的装置。
以主机为基准点，送入主机称为输入，由主机送往外部称为输出。
有些设备既是输入设备又是输出设备，如软盘。
常见的输入设备（如图1-2-6所示）
·键盘（Keyboard）：
目前大多使用104或107键盘
·鼠标（Mouse）：
主要有机械型鼠标和光电型鼠标两种，目前还出现了无线鼠标
·手写笔
·触摸屏
·麦克风
·扫描仪（Scanner）
·视频输入设备（如图1-2-7摄像头、数码摄像机）
·条形码扫描器
图1-2-6常见的输入设备
摄像头图1-2-7视频输入设备
数码摄象机
常见的输出设备
·显示器（Monitor）：
目前主要有CRT（阴极射线管）显示器（如图1-2-8）和LCD液晶显示器（如图1-2-9）。
·打印机（Printer）：
主要有针式打印机（如图1-2-10）、喷墨打印机（如图1-2-11）、激光打印机（如图1-2-12）。
·绘图仪
·音箱
图1-2-8CRT显示器
图1-2-9LCD显示器
图1-2-10针式打印机
图1-2-11喷墨打印机
图1-2-12激光打印机
1．2．2计算机软件系统
计算机软件泛指各类程序和文件。
人们针对某一需要而为计算机编制的指令序列称为程序。
程序连同有关的说明资料称为软件。
一般可将软件分为应用软件和系统软件。
配上软件的计算机才成为完整的计算机系统。
软件是计算机的灵魂，没有软件的计算机就如同没有磁带的录音机和没有录像带的录像机一样，与废铁没什么差别。
1）应用软件
应用软件是专门为某一应用目的而编制的软件，较常见的如：
文字处理软件：
用于输入、存贮、修改、编辑、打印文字材料等，例如WORD、WPS等。
信息管理软件：
用于输入、存贮、修改、检索各种信息，例如工资管理软件、人事管理软件、仓库管理软件、计划管理软件等。
这种软件发展到一定水平后，各个单项的软件相互连系起来，计算机和管理人员组成一个和谐的整体，各种信息在其中合理地流动，形成一个完整、高效的管理信息系统，简称MIS。
辅助设计软件：
用于高效地绘制、修改工程图纸，进行设计中的常规计算，帮助人寻求好设计方案。
实时控制软件：
用于随时搜集生产装置、飞行器等的运行状态信息，以此为依据按预定的方案实施自动或半自动控制，安全、准确地完成任务。
2）系统软件
各种应用软件，虽然完成的工作各不相同，但它们都需要一些共同的基础操作，例如都要从输入设备取得数据，向输出设备送出数据，向外存写数据，从外存读数据，对数据的常规管理，等等。
这些基础工作也要由一系列指令来完成。
人们把这些指令集中组织在一起，形成专门的软件，用来支持应用软件的运行，这种软件称为系统软件。
系统软件在为应用软件提供上述基本功能的同时，也进行着对硬件的管理，使在一台计算机上同时或先后运行的不同应用软件有条不紊地合用硬件设备。
例如，两个应用软件都要向硬盘存入和修改数据，如果没有一个协调管理机构来为它们划定区域的话，必然形成互相破坏对方数据的局面。
按用途系统软件分为：
操作系统、数据库系统、程序设计语言和编译软件。
1、操作系统
管理计算机的硬件设备，使应用软件能方便、高效地使用这些设备。
在微机上常见的有：
DOS、WINDOWS、UNIX、OS/2、LINUX等
如下图：
单任务：
DOS
单用户多任务：
Windows3.0Windows9x
多用户多任务多进程WindowsNT、Windows2000
Unix、Linux
2、数据库管理系统
有组织地、动态地存贮大量数据，使人们能方便、高效地使用这些数据。
现在比较流行的数据库有FoxPro、DB-2、Access、SQL-server等
3、程序设计语言和编译软件
程序设计语言是人与计算机交流的工具，又叫做计算机语言。
它可以分为机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言机器语言是能够直接被计算机识别和执行的一种目标语言，又叫机器指令。
不同的计算机的指令系统不一样，所使用的机器语言也不同。
用机器语言编写的程序，能直接被计算机识别，而且运行速度快，但不够直观，且程序缺乏通用性。
汇编语言汇编语言是用英文缩写和数字等“助记符”来代替机器指令的符号式语言。
相对于机器语言，汇编语言比较直观、易于记忆、检查和编程。
不同的机器所设计的汇编语言也不同，因此所编写的程序也不具有通用性，必须通过汇编程序翻译成与之对应的机器语言，计算机才可以执行。
汇编语言与机器语言一样，随机器不同而变，它们都是面向机器的程序设计语言，被称为初级语言。
高级语言CPU执行每一条指令都只完成一项十分简单的操作，一个系统软件或应用软件，要由成千上万甚至上亿条指令组合而成。
直接用基本指令来编写软件，是一件极其繁重而艰难的工作。
为了提高效率，人们规定一套新的独立与机器的算法语言，称为高级语言。
它接近于自然语言和数字公式的表示方式，编写的程序易读、易记、通用性强。
常见的高级语言如Basic、Fortran、Pascal、C、VisualBasic、Java。
用高级语言来编写程序（称为源程序）就象用预制板代替砖块来造房子，效率要高得多。
但CPU并不能直接执行这些新的“指令”，需要编写一个软件，专门用来将源程序中的每条指令翻译成一系列CPU能接受的基本指令（也称机器语言）使源程序转化成能在计算机上运行的程序。
完成这种翻译的软件称为高级语言编译软件，通常把它们归入系统软件。
目前常用的高级语言VB、C++、JAVA等，它们各有特点，分别适用于编写某一类型的程序，它们都有各自的编译软件。
随着计算机领域发展的日新月异，软件也越来越多，为了保护知识产权，推出了软件保护法，用来保护软件的著作权。
1．2．3计算机的性能指标
衡量计算机的性能主要有下面几个指标：
基本字长、运算速度、主存容量、外存容量。
基本字长是指参与运算的数的基本位数，它标志着计算精度。
位数越多，精度越高。
目前常见的微处理器有32位、64位。
运算速度可以用CPU时钟频率或者每秒平均执行指令数（ips）描述。
例如：
PIII450表示CPU的工作频率是450MHz，PIII700表示CPU的工作频率是700MHz，PIII700的CPU运算速度高于PIII450。
由于一条指令能实现一次定点加减运算，因此ips值相当于每秒钟能完成的定点加减的次数。
主存容量在很大程度上决定了计算机的处理能力。
主存容量可以用两种方法描述：
✧字节数每个存储单元有8位（bit），称为一个字节（Byte），用字节数可以表示存储容量的大小。
微机大多采用字节为单位，如640KB（B是Byte缩写，1K=210=1024），128MB（1M=220=1K×1K=1024K）
✧单元数有些计算机的主存按字编址，即每个单位存放一个字。
字长超过8位，则采用另一种容量描述，即注明这个存储器有多少个单元，每个单元多少位，例如
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