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计算机技术基础

第一章　计算机基础知识

　　1.1　计算机的发展和应用

　　1.1.1计算机发展历程

　　1）.计算机的诞生

　　世界上第一台电子数字计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,电子数字积分机和计算机）于1946年诞生于美国宾西法尼亚大学，它的全称为“电子数值积分和计算机”。

　　计算机工具的历史

　　计算机工具的历史可以追溯到远古

　　机械式计算机也可以追溯到17世纪

　　1943-1946年,在美国陆军总部的主持下,宾西法尼亚大学的埃克特（J.P.Eckert）和莫奇勒（J.W.Mauchly）领导研制了ENIAC

　　ENIAC研制背景是出于第二次世界大战的军事需要,但ENIAC的研制成功是人类计算工具研制工作的一个划时代的成就。

　　世界上第一台计算机

　　ENIAC的主要技术指标

（1）以电子管为主要元器件

（2）运算速度为每秒5000次加法，300次乘法

　　（3）使用了18800只电子管，1500个继电器

　　（4）占地170平方米

　　（5）重达30吨

　　（6）耗电150千瓦

　　（7）耗资40万美元

　　这台计算机可以看作为人类电子计算机的一个开端。

　　2）.计算机的发展阶段

（1）第一代（1946－20世纪50年代末）

　　第一代的特点：

　　使用电子管

　　体积大、耗电多、可靠性差、成本高

　　输入输出设备落后

　　处理能力低

　　使用机器语言和汇编语言编制程序

　　主要用于数值计算

（2）第二代（1958－1964）

　　第二代的特点：

　　使用晶体管

　　体积、耗电、可靠性等指标较上一代有大幅度的提高

　　使用了磁芯做主存，磁盘、磁鼓做外存

　　提出了操作系统的概念

　　出现了高级程序设计语言

　　开始进入商业领域

　　（3）第三代（1964－20世纪60年代末）

　　第三代的特点：

　　使用了集成电路

　　体积减小、价格下降，性能大大提高

　　采用了半导体元器件做主存

　　软件有了比较大的发展：

出现了分时操作系统；结构化程序设计思想。

　　（4）第四代（20世纪70年代初－现在）

　　第四代的特点：

　　使用大规模、超大规模集成电路

　　出现了微型机，它的出现是计算机发展的一个跨时代的成就，大大地拉近了人们与计算机的距离，使每个人都有可能使用计算机。

　　计算机应用深入到社会生活的方方面面

　　（5）第五代（正在发展之中）

　　各种计算机图示

　　AppleⅡ电脑开创了微型机发展的阶段。

　　IBMPCXT

　　70年代末Apple公司推出了个人机，在市场上大受欢迎，取得了轰动效果。

IBM的地位受到了挑战，同时也看到了个人机广阔的市场，随后在80年代初IBM推出了IBMPCXT。

　　第一台膝上电脑IBMConvertible

　　曙光4.2万亿次超级计算机

　　曙光4000L

　　中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司

　　曙光4000L超级计算机共有386个节点，772个CPU

　　将应用于地震资料三维叠前深度偏移处理

　　单片机

　　所谓单片机是所有计算机的功能被集成到一个芯片上。

　　单片机主要的应用领域是在控制领域。

　　单板机

　　单板机是所有的计算机部件集成到一个电路板上。

　　单板机的用途是用于控制领域。

　　1.1.2计算机的典型应用

　　1.科学计算

　　地质勘测

　　地震勘探是确定地质构造的重要方法，在石油地质勘探中占据十分重要的位置。

　　石油钻井井位的确定很关键，定错一个井位，达不到勘探目的，损失将十分惨重。

　　一般而言，100平方公里的三维地震资料数据多达30GB-60GB，这些海量数据的分析计算、深度偏移技术和成像技术，需要使用每秒10亿次运算速度的计算机运算60天。

　　2.数据处理

　　3.过程控制

　　战斧

　　BlockⅢ型“战斧”巡航导弹射程为1600公里

　　命中精度可以达到3米以内

　　相对误差不足50万之一

　　古人以“百步穿杨”形容箭法高超，假如照50万之一的相对误差换算下来，该型导弹在100米上的误差是0.2毫米，是“百步穿针”。

　　制导方式

　　采用复合制导系统（惯性制导＋GPS＋数字式景像匹配）

　　战斧巡航导弹在飞行的末段采用了数字式景像相关匹配制导系统

　　当导弹飞行到距目标约80公里的区域后，弹载摄像机开机搜索，实时摄取下方的景物信息，与预先存储在弹载计算机中的目标景物照片进行对比，按图索骥，对号入座，控制导弹寻找到预定攻击的目标。

　　4.CAD/CAM

　　CAD是计算机辅助设计的缩写，CAM是计算机辅助制造的缩写。

　　5.计算机网络

　　6.人工智能

　　卡斯帕罗夫（GarryKasparov）

　　1963年4月13日生于前苏联的阿塞拜疆共和国首府巴库

　　国际象棋史上最伟大的、不可战胜的超级棋手

　　GarryKasparovVSDeepBlue

　　时间：

1997年5月3－11日

　　地点：

纽约曼哈顿

　　奖金：

胜者获70万美元；负者获40万美元

　　结果：

2.5：

3.5

　　DeepBlue

　　ThelatestiterationoftheDeepBluecomputerisa32-nodeIBMRS/6000SPhigh-performancecomputer,whichutilizesthenewPowerTwoSuperChipprocessors（P2SC）.

　　EachnodeoftheSPemploysasinglemicrochannelcardcontaining8dedicatedVLSIchessprocessors,foratotalof256processorsworkingintandem.

　　　IBMRS/6000SP

　　DeepBlue’sprogrammingcodeiswritteninCandrunsundertheAIXoperatingsystem.

　　Thenetresultisascalable,highlyparallelsystemcapableofcalculating100-200billionsmoveswithinthreeminutes,whichisthetimeallottedtoeachplayer’smoveinclassicalchess.

　　1.2　计算机系统组成和工作原理

　　1.2.1计算机系统结构

　　ENIAC的问题

　　尽管ENIAC是计算机历史上一个划时代的成就，但它还存在一些问题，还不是现代意义上的计算机。

　　ENIAC的稳定性差,使用上存在着不少问题。

每做一个计算,都需编制一次程序和人工改变一次线路连接,就象在实验室做接线实验一样。

计算一个算题只需2-3分钟,但为此付出的准备时间却要1-2天。

　　　　　　冯·诺依曼

　　1903出生于匈牙利布达佩斯，毕业于布达佩斯大学数学博士。

　　提出了冯·诺依曼结构，奠定了现代计算机的基础结构，被誉为计算机之父。

　　也是“博弈论”的发展人之一。

　　“博弈论”是为了能在十分复杂的博弈中取胜而制定出战略的一种数学研究,也可以作为经济或军事战略上的模式。

　　诺依曼曾与经济学家摩根斯特恩合著过《博弈论与经济行为》一书,为运筹学领域做出不可磨灭的贡献。

　　冯·诺依曼结构

　　1945年6月，冯·诺依曼将自己的思想撰写成文，题为《关于离散变量自动电子计算机的草案》。

　　文中提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念（StoredProgramConcept）。

　　这是所有现代电子计算机的范式,被称为“冯·诺依曼结构”,按这一结构建造的电脑称为存储程序计算机（StoredProgramComputer）。

　　长达101页的EDIAC方案是计算机发展史上的一个划时代的文献，它向世界宣告:

电子计算机时代开始了。

　　冯·诺依曼结构的要点

　　1.使用二进制；

　　2.全部指令和数据存放在存储器中，数据处理单元到存储器中读取指令并顺序执行。

　　该思想也称“存储程序”，是冯·诺依曼结构的核心思想

　　最主要优点：

结构比较简单，便于控制。

　　冯·诺依曼结构计算机示意图

　　冯·诺依曼结构计算机示意图

　　接口电路:

　　外部设备通常集机械、电子、磁、光学于一体的设备，其数据表达方式多样，速度也较慢，而计算机核心部件是半导体设备，其数据以二进制形式表示，速度也要比外部设备快多。

　　接口电路是位于计算机核心与外部设备之间的电路。

　　主要功能：

转换计算机核心和外部设备之间数据表达形式的不同；

　　平衡计算机核心和外部设备之间速度的差异。

　　1.2.2计算机构成

　　1.中央处理器

　　也称CPU或中央处理器，是计算机的心脏，决定了计算机性能和档次。

　　包括运算器和控制器

　　1）运算器：

进行算术和逻辑运算；包括算术和逻辑运算部件、累加器和寄存器

　　2）控制器：

控制和协调计算机各部件执行指令；由指令部件、时序部件和操作控制部件组成。

　　2.内存储器

　　内存，由半导体元器件构成

　　对于冯·诺依曼结构的计算机来说，由于所有的数据、指令都要首先存放在内存当中，内存的性能对于整个计算机系统有着举足轻重的作用。

　　通常影响内存性能的因素有内存容量和内存速度两个方面。

　　3.外部设备

　　1）输入设备

　　为计算机核心提供处理对象的设备都可视为是输入设备。

　　常见的输入设备有：

键盘、鼠标、扫描仪、数码相机。

　　2）输出设备

　　为计算机核心提供数据表达的设备都可视为是计算机的输出设备。

　　常见的输出设备有：

显示器、打印机、绘图机。

　　3）外存

　　也称外储存器、辅助存储器、辅存

　　外存通常是集机械、电子、磁、光学于一体的储存设备，是和内存相对应的一个概念，是现代计算机的重要部件，计算机中所有需长期保存的数据、指令都要存储在外存中。

　　内存和外存的一个重要区别在于，通常外存可以长时间保留信息，在计算机系统断电以后信息也不会消失，而作为计算机主存这部分的内存当计算机断电以后里面的信息会消失。

　　外存设备主要有硬盘、软驱、光驱、磁带机等等，相应的存储介质有软盘、光盘、磁带等。

　　对于冯·诺依曼结构的计算机来说，具备了CPU和内存就构成了计算机核心。

　　1.2.3微型计算机的主要性能指标

　　1.字长

　　也称基本字长

　　是计算机运算部件一次可同时处理的二进制数据的位数。

　　字长越长，计算机的处理能力越强

　　通常有8、16、32、64位

　　2.速度

　　主频：

MHz、GHz

　　MIPS

　　3.存储系统容量

　　单位

　　基本单位：

Byte（字节）

　　最小单位：

bit（位）

　　辅助单位：

KB、MB、GB、TB

　　关系如下

　　8bit＝1Byte

　　1024B＝1KB

　　1024KB＝1MB

　　1024MB＝1GB

　　1024GB＝1TB

　　4.可靠性

　　5.可维护性

　　6.性能价格比

　　1.2.4计算机软、硬件系统

　　计算机系统P.8图1.2

　　1.计算机的硬件系统

（1）CPU

　　CPU（CentralProcessingUnit，中央处理单元）

　　包括：

控制器、运算器

　　主要性能指标：

字长、时钟频率

（2）存储器

　　1）内存

　　只读存储器（ROM）：

　　　　　　　　　　ROM

　　　　　　　　　　PROM

　　　　　　　　　　EPROM

　　随机存储器（RAM）：

　　　　　　　　　　静态随机存储器（SRAM）

　　　　　　　　　　动态随机存储器（DRAM）

　　内存的相关知识

　　性能指标：

　　　　　　容量

　　　　　　存取速度（ns）

　　2）外存

　　磁盘

　　光盘

　　内存和外存的主要区别：

　　　　　　　　　　　　半导体元器件

　　　　　　　　　　　　用途和特点

　　（3）输入和输出设备

　　输入设备：

键盘、鼠标、手写笔

　　输出设备：

显示器（CRT、LCD）、打印机

　　（4）总线（BUS）

　　是计算机各部件的公共连接通道

　　总线的性能：

　　　　　　　速度（66MHz、100MHz、133MHz）

　　　　　　宽度（32位、64位）

　　总线的类型：

内部总线、系统总线、扩展总线

　　内部总线通常是指同一部件内部的连接，例如CPU内部连接各寄存器和运算部件的总线。

　　系统总线常是指连接同一台计算机的各部件。

　　扩展总线用于负责CPU与外部设备之间的通信。

　　总线的标准：

ISA、PCI、AGP

　　2.计算机的软件系统

（1）系统软件

　　1）操作系统

　　概念：

管理计算机系统软硬件资源、提高计算机系统效率，方便用户的一组数据和指令的集合。

　　主要功能：

CPU管理、作业管理、文件管理、存储器管理、设备管理

　　语言处理程序

　　诊断程序

　　维护程序

　　2）常见的操作系统

　　①Windows

　　特点：

是一个图形用户介面；它是一个多任务单用户的操作系统。

　　主要版本：

WindowsNT、WindowsXP和Windows2000等。

　　②UNIX

　　特点：

可靠性高，非常稳定。

　　③Linux

　　特点：

以其良好稳健的性能、丰富的功能，以及代码公开和完全免费，正得以迅速发展。

　　相关概念

　　多任务：

在windows操作系统下，允许做若干件事情。

　　多用户：

允许若干人同时使用这个系统。

（2）应用软件

　　应用程序

　　函数库

　　子程序库

　　1.2.5计算机的基本配置和常见外部设备

　　图见教材P13。

　　1.主机

　　主板是整个微型计算机系统的核心部件，由CPU、主存储器、各种接口电路及总线扩展槽组成。

　　2.显示器和显示卡

　　分类：

CRT和LCD

　　单显和彩显

　　技术指标：

　　分辨率、像素的概念、点距

　　显示器尺寸：

15、17、19

　　刷新率（Hz）：

56、60、72、85

　　灰度级：

16色、256色、16位色、24位色、32位色

　　3.键盘

　　机械式/电容式

　　101/104

　　4.鼠标

　　机械鼠标

　　光电鼠标

　　5.磁盘

（1）软盘和软驱

　　相关概念：

　　软盘的工作原理：

软盘是一个塑料机片，上面有一层磁介质，当磁介质通过对这个磁介质的磁化来存储信息。

软盘被分成了若干个同心圆，每个同心圆被称之为一个磁道，最外面的磁道称之为0磁道，通常是有80个磁道，最里面的磁道是79磁道。

磁道又被分成了一段一段的，每一段被称之为一个扇区，在软盘中扇区是软盘基本的存储单位。

　　格式化：

所谓“格式化”，就是对软磁盘进行磁道和扇区的划分。

格式化可删除软盘上的所有信息。

　　类型和特点：

3.5寸/5.25寸、容量小（1.44MB）、速度慢、容易损坏。

（2）硬盘

　　特点：

速度快、容量大

　　移动硬盘

　　优盘：

FlashMemory、体积小、可移动、速度快

　　6.光盘

　　工作机理

　　容量：

约650MB，直径120mm

　　分类：

CD－ROM、CD－R、CD－RW

　　特点：

容量大、价格低、不怕电磁干扰、速度快

　　7.打印机

　　主要技术指标：

DPI、速度（ppm/cps）

　　分类：

　　针式打印机：

针式打印机主要由打印头、运载打印头的小车装置、色带机构、输纸机构和控制电路等几部分组成。

打印头是针式打印机的核心部件，它包括打印针、电磁铁、衔铁和复位弹簧等。

　　喷墨打印机：

喷墨打印机属于非击打式打印机，所以噪音低是它较针式打印机的最大优点。

　　激光打印机：

激光打印机的原理比较复杂，它综合了复印机、计算机和激光技术。

也是一种非击打式打印机，它的优点是无击打噪音，分辨率高，打印速度快等，常用来打印正式公文及图表，其缺点是设备价格高、耗材贵。

　　8.各种接口卡

　　声卡

　　调制解调器：

调制解调器是计算机通信的一种重要工具。

　　调制解调器通过“调制”，可把计算机的数字信号转变成电话线路上传输的模拟信号；相反，通过“解调”，可以把电话线路的模拟信号转变成计算机的数字信号。

　　网卡：

是网络连接设备，用于将计算机和通信电缆连接起来，以便经电缆在计算机之间进行高速数据传输。

　　1.3　进位计数制及其数据信息的编码表示

　　生活中常用数制：

十进制、十二进制

　　计算机中常用的进制：

八进制、十六进制、二进制

　　各种进制的表示

　　十进制：

（56）10、（56）D、56D或56

　　二进制：

（101）2、（101）B或101B

　　八进制：

（56）8、（56）O或56O

　　十六进制：

（56）16、（56）H或56H

　　八进制和十六进制

　　八进制：

有0，1……7共八个数元、逢8进1

　　十六进制：

有0,1……9,A,B,C,D,E,F共十六个数元、逢16进1

　　为何要使用八和十六进制：

二进制表示数的问题，如（）2、容易转换

　　八进制和二进制转换

　　十六进制和二进制转换

十六进制

二进制

十六进制

二进制

0

0000

8

1000

1

0001

9

1001

2

0010

A

1010

3

0011

B

1011

4

0100

C

1100

5

0101

D

1101

6

0110

E

1110

7

0111

F

1111

　　示例

　　相关概念

　　基数：

　　十进制的基数为10

　　二进制的基数为2

　　位权：

　　123.5=1×102＋2×101＋3×100＋5×10－1

　　（101.1）2=1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1

　　二进制转为十进制

　　将二进制按权展开就得到十进制的值

　　例

　　（101.11）B=1×22＋0×21＋1×20＋1×2－1＋1×2－2

　　　　　　=（5.75）D

　　十进制转为二进制

　　整数部分除以2（二进制的基数）取余

　　例（117）D

　　十进制转为二进制

　　小数部分乘以2取整

　　例（0.8125）D　

　　十进制转为二进制

　　带有整数和小数的十进制转为二进制分别转换后再合起来

　　例

　　（117.8125）D=（.1101）B

　　八进制转为十进制

　　将八进制按权展开就得到十进制的值

　　例

　　（227）O=2×82+2×81＋7×80=（151）D

　　十六进制转为十进制

　　将十六进制按权展开就得到十进制的值

　　例

　　（1FC）H=1×162+15×161＋12×160

　　=（508）D

　　十进制转为八进制

　　除以8取余数

　　例

　　（151）D

　　十进制转为十六进制

　　除以16取余数

　　例

　　（508）D

　　数据信息的编码表示

　　1.数值数据的表示

（1）定点数的表示

　　定点整数

　　定点小数

（2）浮点数表示

　　N＝（数符）M×R（阶符）CR为基数

　　例（假设是十进制）

0

7

0

3245

　　　　N=.3245×107

　　2.字符数据的表示

（1）ASCII码：

　　（AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美国国家信息交换标准编码）

　　是7位二进制编码：

　　使用一个字节表示，一个字节有8位，使用了其中的7位，第一位永远为0

　　范围是：

－

　　可以有128个组合

　　组成：

数字、字母、符号、控制符

　　P.25表1.1的使用方法：

　　A：

41H，B，65D

　　9：

39H，B，57D

（2）汉字编码

　　汉字表示的困难

　　国标GB2312－1980：

　　国家信息交换用汉字编码字符集－－基本集

　　6763个汉字

　　两级：

　　一级3755常用

　　二级3008不太常用

　　其他符号682个

　　使用2个字节：

2字节共有16位，如果全部使用可描述65536种情况

　　示例：

　　如：

“中”

　　汉字编码共使用了14个二进制位最多可描述16384种情况

　　区位码：

　　　　　94区

　　　　　94位

　　　　　1－15区是非汉字图形符号区

　　　　　16－55区是一级汉字

　　　　　56－87区是二级汉字

　　　　　88－94区是保留区

　　每个汉字和字符都有唯一的区位码：

如“中”，5448

　　汉字输入方法：

　　　　　　　　拼音输入法：

重码率高

　　　　　　　　五笔字型输入法：

重码率低，比较适合专业人员

　　汉字的字库：

　　　　　　　16×16点阵

　　　　　　　24×24点阵

　　　　　　　32×32点阵

　　其他汉字编码方案

　　GB18030－2000：

　　　　　　　　　27000多个汉字

　　　　　　　　　使用了单、双、四字节混合编码

　　GBK：

　　　　21003个汉字

　　　　883个符号

　　BIG-5：

　　　　13053个汉字

　　　　408个符号

　　　　在港台地区使用

　　3.音频和视频数据的表示

　　通过接口设备转化为二进制后，由计算机核心处理

　　1.4　计算机的维护和安全

　　1.4.1计算机的一般维护和安全

　　1.电源：

　　　　　稳压器

　　　　　UPS

　　2.温度和湿度：

　　　　　　　　5－45摄氏度

　　　　　　　　20%－85%

　　3.开关顺序：

　　　　　　　先开外设，后开主机

　　　　　　　先关主机，后关外设

　　1.4.2计算机病毒

　　1.什么是计算机病毒

　　是一种能自我复制的程序，会占用计算机系统的资源，破坏计算机正常的工作

　　2.主要特征：

　　　　　　　破坏性

　　　　　　　传染性

　　　　　　　寄生性

　　　　　　　隐蔽性和欺骗性

　　3.其主要传染途径：

　　　　　　　　　　文件复制途径

　　　　　　　　　　网络途径

　　4.识别病毒的特征P30

（1）磁盘文件数目无故增多。

（2）微型计算机系统内存空间明显变小。

　　（3）文件的日期时间值被修改成新近的日期或时间（用户自己并没有修改）。

　　（4）感染病毒的可执行文件长度通常会明显增加。

　　（5）正常情况下可以运行的程度却报告内存不足而不能装入。

　　（6）程序加载的时间比平时明显变长。

　　（7）经常出现死机或不正常启动。

　　（8）显示器出现一些莫名其妙的信息和异常现象。

　　（9）蜂鸣器出现异常声音。

　　（10）一些正常的外部设备无法使用，如无法正常读写软盘