大学计算机信息技术概述.docx
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大学计算机信息技术概述
大学计算机信息技术概述
1.1信息与信息技术
v信息技术：
用来扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。
v信息处理系统：
用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统。
v信息处理系统实例：
•雷达：
是一种以感知与识别为主要目的的系统。
•电视/广播：
系统是一种单向的、点到多点（面）的以信息传递为主要目的的系统。
•电话：
是一种双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统。
•银行：
是一种以处理金融业务为主的系统。
•图书馆：
是一种以信息收藏和检索为主的系统。
•Internet：
是一种跨越全球的多功能信息处理系统。
1.2数字技术基础
1、信息的基本单位－比特
（1）、什么是比特
v比特只有两种状态（取值）：
“0”或“1”
v比特是组成信息的最小单位。
在不同的应用中比特表示的含义不同。
可表示数值、文字或符号、图像或声音等等。
（2）、比特的运算
•当两个多位二进制信息进行逻辑运算时，按位独立进行。
（3）、比特的存储
v存储二进制信息时的存储容量：
•千字节（KB）：
1KB=210字节＝1024B
•兆字节（MB）：
1MB=220字节＝1024KB
•吉字节（GB）：
1GB=230字节＝1024MB
•太字节（TB）：
1KB=240字节＝1024GB
2、比特与二进制数
（1）十进制数与二进制数
v十进制数：
十进制的基数是“10”，使用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9这十个数字符号，逢十进一。
203.4＝2×102＋0×101＋3×100＋4×10－1
v二进制数：
基数是“2”，使用0和1两个不同的数字符号，逢二进一。
（101.01）2＝1×22＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2
＝（5.25）10
v十进制数与二进制数之间的转换分三种情况
•二进制数转换成十进制数：
（包含整数和小数）
将二进制数的每一位乘上其对应的权值再累加起来。
•十进制整数转换成二进制整数：
采用“除2取余法”
••十进制小数转换成二进制小数：
采用乘2取整法。
v八进制数与二进制数的转换：
•转换表：
八进制数二进制数八进制数二进制数
00004100
10015101
20106110
30117111
v十六进制数与二进制数的转换：
•转换表：
十六进制数二进制数十六进制数二进制数
0000081000
1000191001
20010A1010
30011B1011
40100C1100
50101D1101
60110E1110
70111F1111
3、整数（定点数）的表示
v计算机中的数值信息分为整数和实数两大类。
它们都是用二进制表示的，但表示方法有很大差别。
v整数：
整数不使用小数点，或者说小数点始终隐含在个位数的右面，所以整数也叫做“定点数”。
v整数的分类：
•无符号的整数，一定是正整数，取值范围：
8位：
0～28-1；16位：
0～216-1；32位：
0～232-1
•带符号的整数，既可表示正整数，又可表示负整数
使用最高位（最左面的一位）作为符号位，“0”表示
“＋”（正数），“1”表示“－”（负数），其余各位表示数的绝对值。
取值范围：
8位：
-127～＋127（-27+1～＋27-1）
n位：
-2n-1+1～+2n-1-1
【例】：
00101011=＋43,10101011=－43
v使用原码表示时，不能处理两个异号数相加或者两个同号数相减的情况。
为了将减法运算转化成加法运算，引进了补码的概念。
v补码表示法：
在计算机中，负数使用补码表示，符号位也是“1”，但绝对值部分却是原码的每一位取反后再在末位加“1”
【例】：
（－43）原=10101011
绝对值部分每一位取反后：
（－43）反=11010100
末位加“1”得到：
（－43）补=11010101
4、实数（浮点数）的表示
v实数：
既有整数部分又有小数部分的数。
整数和纯小数只是实数的特例。
v任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积，例如：
56.725=102×（0.56725）
－0.0034756=10－2×（－0.34756）
指数部分指出实数中小数点的位置，括号里是一个纯小数。
v任何一个实数在计算机内部都可以用“指数”（称为“阶码”，整数）和“尾数”（纯小数）来表示。
即：
实数=尾数*2指数
v这种用指数和尾数来表示实数的方法叫“浮点表示法”计算机中的实数也称为“浮点数”，整数为“定点数”。
v浮点数的长度可以是32位、64位或更长。
一般说来，位数越多，可表示的数的范围越大（阶码），精度越高（尾数）。
1.3微电子技术简介
v电子元器件小型化、集成化进程：
电子管->晶体管->小规模集成电路->大规模、超大规模集成电路
v集成电路的使用
•中、小规模集成电路：
一般以简单的门电路或单级放大器为集成对象。
•大规模集成电路：
以子系统或功能部件为集成对象如CPU、芯片组、图形加速器等。
v集成电路的规模：
根据所包含的晶体管数目分为
•根据集成电路的功能分为：
•数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）
•模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等。
v根据用途分为：
▪通用集成电路，如微处理器和存储器芯片。
▪专用集成电路，按某种应用的特定要求专门设计和定制的。
2、集成电路的发展趋势
v集成电路特点：
体积小、重量轻、可靠性高。
v提高速度和集成度。
v集成电路的工作速度：
主要取决于组成逻辑门电路的晶体管的尺寸。
vMoore定律：
单块集成电路的集成度平均每18～24个月翻一番。
第二章计算机组成原理
2.1计算机的组成
计算机硬件的组成：
中央处理器（CPU）,主存储器，辅助存储器，输入设备，输出设备等，它们是通过系统总线互相连接。
中央处理器（CPU）：
包含运算器和控制器。
承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。
（一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务）
CPU内部的组成：
运算器（执行单元）：
对数据进行各种算术运算和逻辑运算
控制器：
取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态
寄存器（由十几个甚至几十个寄存器组成）：
临时存放参加运算的数据和得到的中间
计算机的分类
按计算机的性能、用途和价格分类
⏹巨型计算机（Supercomputer）
⏹大型计算机（Mainframe）
⏹小型计算机（Minicomputer）
⏹个人计算机（PersonalComputer）
2.2指令与指令系统
机器指令（简称指令）
一种使用二进制编码表示的命令语言（称为计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。
用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。
不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们末必互相兼容。
高速缓冲存储器Cache
⏹CPU工作速度很快，内存速度较慢，从内存取数或向外存存数时，CPU需要停下来，难以发挥CPU的高速特性，解决的方法是cache存储器。
⏹计算机在执行程序时，CPU将预测可能会使用哪些数据和指令，并将这些数据和指令预先送入cache。
当CPU需要从内存读取数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存。
2.3PC机的主机
2.3.1主板、芯片组与BIOS
芯片组作用：
集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。
CPU类型或参数不同时，需要使用不同的芯片组。
BIOS（BasicInput/OutputSystem）：
基本输入/输出系统，BIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中。
BIOS主要包含4部分的程序,一般情况下是不能被修改的
⏹POST（PowerOnSelfTest，加电自检）程序（检测计算机故障）
⏹系统自举（装入）程序（启动计算机）
⏹CMOS设置程序
⏹基本外围设备的驱动程序（实现常用外部设备输入输出操作的控制程序）
CMOS芯片：
存放用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”），包括当前的日期和时间等。
CMOS是一种半导体存储器芯片，使用电池供电，成为非易失性存储器，只要电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。
2.3.2内存储器
半导体存储器芯片的类别
RAM（RandomAccessMemory随机存取存储器）：
多采用MOS（金属氧化物半导体）型半导体集成电路芯片制成。
易失性。
⏹DRAM（动态随机存取存储器）
⏹SRAM（静态随机存取存储器）
ROM（ReadOnlyMemory只读存储器）
⏹MaskROM（掩膜ROM）
⏹PROM（ProgrammableROM）和EPROM（ErasableProgrammableROM）
⏹FlashROM（快擦除ROM，或闪速存储器）
2.3.3I/O总线与I/O接口
I/O操作：
将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备
I/O操作特点：
⏹多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。
为了提高系统的效率，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的
⏹多个I/O设备必须能同时进行工作
⏹除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新
⏹I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同
I/O操作过程:
1.CPU执行I/O指令，向I/O控制器发出启动命令
2.I/O控制器接受命令，负责对I/O设备进行全程控制
3.当需要传输数据时，I/O控制器发出请求
4.I/O控制器获得授权后，直接向（从）存储器传输数据
5.所有数据传输完毕后，I/O控制器向CPU报告I/O操作完成
I/O总线：
1.20世纪80年代的IBMPC/AT机的总线作为I/O总线的标准，即工业标准体系（ISA）总线。
2.1991起PC机开始使用一种称为PCI的总线，它具有高性能（数据线宽度32位时传输速率为133MB/S,数据线宽度64位时传输速率为266MB/S）
PCI总线的数据传输速率高于ISA总线。
I/O总线上的信号类别:
数据信号、地址信号、控制信号
I/O总线上线路类别:
数据线、地址线、控制线
USB（UniversalSerialBus）接口：
通用串行总线式接口
特点：
1.高速、可连接多个设备、串行传输,符合即插即用规范，支持热拔插
2．使用“USB集线器”扩展机器的USB接口，最多连接127个设备
3.传输速率：
USB的1.1版达1.5Mb/s。
USB2.0版：
高达480Mb/s（60MB/s
4．可通过USB接口由主机向外设提供电源（＋5V，100～500mA）
IEEE-1394接口简称1394：
主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。
数据传输速度特别快（高达400MB/s）
2.4常用输入设备
键盘与主机的接口：
PS/2接口；USB接口；无线接口（用于无线键盘）
鼠标器连接到主机的接口：
RS－232串行口（9针D形）；PS/2接口（6针圆形）；USB接口；无线鼠标
扫描仪的性能指标
1.分辨率（dpi）
反映了扫描仪扫描图像的清晰程度，用每英寸生成的像素数目（dpi）来表示。
例如，600*1200dpi，1200*2400dpi。
2.色彩位数（色彩深度）
反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，色彩位数越多，扫描仪所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实。
例如，24bit，32bit，36bit，42bit，48bit
数码相机主要性能指标
CCD像素个数决定照片图像能达到的最高分辨率。
例如，照片分辨率达1600*1200时，共有192000个像素（200万像素），这种数码相机能满足一般应用要求
2.5常用输出设备
监视器（俗称显示器）常见类型:
1.阴极射线管显示器（简称：
CRT）2.液晶显示器（简称：
LCD）
显示器主要性能指标:
1．显示屏的尺寸：
对角线的长度。
例如，15吋，17吋，21吋.屏幕横向与纵向的比例，一般为4∶3
2.显示器的分辨率：
整屏可显示的像素的个数，分辨率越高,图像越清晰。
一般用“水平像素个数*垂直像素个数”表示。
例如,1024*1024,1024*768,800*600,640*480
3.刷新速率：
显示图像每秒钟更新的次数，速率越高图像稳定性越好
4.像素的颜色数目：
一个像素可以显示出的颜色数量，由表示一个像素颜色编码的二进制数的位数决定。
彩色显示每个像素用三个数分别表示R、G、B三个色点的灰度。
例如，R、G、B分别用8位二进制数表示则可以显示224=1680万种不同颜色。
打印机分类：
1.针式打印机一种击打式打印机，其工作原理主要体现在打印头上。
特点：
耗材成本低；能多层套打；打印质量低；工作噪声大
2.激光打印机（LaserPrinter）特点：
高速度、低噪声、分辨率较高，打印质量好
3.喷墨打印机（InkjetPrinter）特点：
能输出彩色图像，经济，打印效果好，低噪音，使用低电压，环保，但墨水成本高，消耗快。
换一次墨盒能打印的页数，例如，100页
2.6外存储器
1.软盘存储器常见操作
软盘格式化：
定义磁道和扇区，标记坏扇区，在软盘上建立四个区域：
引导扇区，文件分配表（FAT），根目录区和数据区
全盘复制
软盘碎片整理
2.硬盘上的一块数据要用三个参数来定位：
柱面号、扇区号和磁头号。
硬盘驱动器与主机的接口电路主要有:
IDE接口（IntegratedDriveElectronics）:
PC机主要使用IDE接口
SCSI接口（SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口）:
较贵，需购买SCSI卡，适用于服务器
3.移动存储器
闪存盘也称为“优盘”，体积小，重量轻，容量可以按需要而定（8MB～2GB），具有写保护功能，数据保存安全可靠，使用寿命可长达10年之久。
利用通用的USB接口，它的读写速度比软盘快15倍，且可以与几乎所有计算机连接
移动存储器（移动硬盘）存储容量：
10GB——60GB，采用USB或IEE1394接口、可以随时插拔、小巧而便于携带的硬盘存储器。
其容量大，兼容性好，即插即用，速度快，体积小，安全可靠。
4.光盘存储器
光盘存储器优点:
成本低，存储密度高，容量大，可靠性高，不易受损，耐用，易于长期保存数据
光盘存储器缺点:
读出速度和数据传输速度比硬盘慢得多
光盘存储器分的两大类型:
CD光盘存储器。
DVD光盘存储器
CD-ROM光盘片（CompactDisc-ReadOnlyMemory）固定型光盘，只读光盘
特点：
把需要记录的信息事先制作到光盘上，光盘上的数据不能删除也不能再写入，只能读出盘中的信息。
CD-R光盘片（CD-Recordable）追记型光盘，只写一次式光盘
特点：
可以由用户自己将信息写入光盘，但只能写一次，写后不能删除和修改，只能读出。
CD-RW光盘片（CDRewritable）可改写型光盘，可擦写型光盘
特点：
利用金属合金材料的相变原理达到可重复读写的功能，用户可以自己写入信息，也可以对写入的信息进行擦除和改写。
CD-RW光盘片搭配CD-RW刻录器使用可反复读写1000次以上。
DVD光盘存储器
⏹DVD光盘片分类
⏹DVD-ROM——DVD只读光盘，用途类似CD-ROM
⏹DVD-R（或称DVD-Write-Once）——限写一次的DVD，用途类似CD-R
⏹DVD-RAM（或称DVD-Rewritable）——可多次读写的光盘，用途类似CD-RW
⏹DVD-Video——家用影视光盘，用途类似LD或VCD
⏹DVD-Audio——音乐光盘，用途类似CD唱片
第三章计算机软件
3.1计算机软件
3.1.1计算机软件
1．什么是计算机软件
计算机软件指的是能指示（指挥）计算机完成特定任务的、以电子格式存储的程序、数据和相关的文档。
程序是指示计算机如何去解决问题或完成任务的一组详细的、逐步执行的语句（或指令），程序是软件的主体，单独的数据和文档一般不认为是软件。
数据是程序所处理的对象及处理过程中使用的参数。
文档则是程序开发、维护和使用所涉及的资料，软件必须有完整、规范的文档作为支持。
2．软件的分类：
软件分为系统软件和应用软件
（1）系统软件泛指那些为了有效地运行计算机系统、给应用软件开发与运行提供支持、或者能为用户管理与使用计算机提供方便的一类软件。
例如：
基本输入/输出系统（BIOS）、Windows操作系统、C语言编译器、数据库管理系统、常用的实用程序（磁盘清理程序、备份程序）等都是系统软件。
（2）应用软件泛指那些专门用于解决各种具体应用问题的软件。
应用软件可分为通用应用软件和定制应用软件。
3.1.2计算机软件的发展
软件的发展大致经历了如下三个主要阶段：
（1）第一阶段：
应用领域主要是科学与工程计算，处理对象为数值数据，以个体工作方式使用低级语言编制程序。
（2）第二阶段：
在此阶段研制出第一个高级程序语言FORTRAN，此后又推出ALGOL、COBOL等多种高级语言。
为了充分利用系统资源，就产生了操作系统。
设计和编制程序的工作方式逐步走向合作方式。
（3）第三阶段：
出现了“软件”工程的概念。
3.1.3计算机软件技术
计算机软件技术是指研制和开发计算机软件所需技术的总称。
计算机软件技术主要包括七个方面：
（1）软件工程技术
（2）程序设计技术
（3）软件工具环境技术
（4）系统软件技术
（5）数据库技术
（6）网络软件技术
（7）与实际工作相关的软件技术
3.2操作系统
3.2.1操作系统的作用
1．操作系统有三个重要作用：
（1）管理系统中的各种软硬件资源
（2）为用户提供友善的人机界面
操作系统向用户提供了一种图形用户界面，它通过多个窗口分别显示正在运行的各个程序的状态和输出。
（3）为应用程序的开发和运行提供一个高效率的平台
操作系统屏蔽了几乎所有物理设备的技术的细节，它以规范、高效的方式（例如系统调用、库函数等）向应用程序提供了有力的支持，从而为开发和运行应用程序提供了一个平台。
2．操作系统的启动
当加电启动计算机工作时，CPU首先执行BIOS中的自检程序，测试计算机中各部件的工作状态是否正常。
若无异常情况，CPU将继续执行BIOS中的自检程序，它从硬盘中读出引导程序并装入到内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续装入操作系统。
3.2.2多任务处理
除了操作系统本身相关的一些程序正在运行之外，用户还可以启动多个应用程序同时工作，它们可以互不干扰的独立运行。
分时的基本思想：
为了支持多任务处理，操作系统中有一个处理器调度程序负责把CPU分配给各个任务，这样才能使多个任务“同时”执行。
调度程序一般采用时间片（比如1/20）轮转的策略，即每个任务都能轮流得到一个时间片的CPU时间，在时间片用完之后，调度程序再把CPU交给下一个任务，就这样一遍遍地循环下去。
3.2.3存储管理：
管理内存资源的高效、合理使用
存储管理的主要内容：
内存的分配和回收、内存的共享和保护、内存自动扩张等。
现在，操作系统一般都采用虚拟存储技术（也称虚拟内存技术）进行存储管理。
当内存不够用时，可把内存和外存结合起来管理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的“虚拟存储器”。
3.2.6常用操作系统介绍
1．Windows操作系统
从Windows95开始，Windows均是机器字长32位的单用户、多任务的操作系统。
2．UNIX操作系统
•（美）Bell实验室开发的一种通用多用户交互式分时操作系统。
•自1970年UNIX系统第一版问世以来，以UNIX系统为基础已研制出许多新的操作系统软件。
如：
–微型计算机、大型计算机上的各种UNIX系统的变种
–用于计算机网络及分布式计算机系统上的UNIX系统等
•UNIX系统已成为国际上目前使用最广泛、影响最大的主流操作系统之一。
•UNIX系统的主要特色：
结构简练。
以树形目录结构的文件系统为基础，且将各种设备都定义为特殊文件，统一处理。
–功能强大
–可移植性好，由于UNIX系统90%以上的代码是用C语言编写的，因此有很好的可移植性。
–可伸缩性和互操作性强
–容纳新技术的能力强，在具有重要突破意义的“客户机/服务器”结构中，一般均把系统作为服务器首选的操作系统平台。
–网络通信功能强，著名的TCP/IP网络协议也是在UNIX系统上开发成功的。
3.3程序设计语言及语言处理程序
3.3.1程序设计语言分类
程序设计语言按其级别可以划分为机器语言、汇编语言和高级语言三大类。
–机器语言
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。
–汇编语言
汇编语言：
用助记符来代替机器指令的操作码和操作数，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。
3.3.2程序语言中的数据成分和控制成分
程序语言基本成分
高级语言种类千差万别，但是其基本成份都可归纳为四种：
–数据成分，如对数据类型和数据结构进行说明
–运算成分，如算是表达式和逻辑表达式
–控制成分，如条件语句和循环语句
–传输成分，如I/O语句
1．数据成分
数据作为程序操作的对象，具有名称、类型、作用域等特征。
使用前要对数据的这些特征加以说明。
数据名称由用户通过标识符命名，类型说明数据需占用存储单元的多少和存放形式，作用域说明数据可以使用的范围。
2．控制成分
理论上已经证明求解可计算问题的程序框架都可用顺序、选择和重复这三种控制结构的成分来描述。
3.3.3语言处理系统
按照不同的翻译处理方法，可把翻译程序分为以下三类：
（1）汇编程序（assembler）：
从汇编语言到机器语言的翻译程序
（2）解释程序（Interpreter）：
按源程序中指令（或语句）的执行顺序，逐条翻译并立即执行相应功能的处理程序
（3）编译程序（Compiler）：
从高级语言到机器语言或汇编语言的翻译程序
1．解释程序
解释程序对源程序进行翻译的方法相当于两种自然语言间的“口译”。
这种翻译方式并不形成机器语言形式的目标程序。
2．编译程序
编译程序对源程序进行翻译的方法相当于“笔译”。
在编译程序的执行过程中，要对源程序扫描一遍或几遍，最终形成一个可在具体计算机上执行的目标程序。
3.4计算机软件理论基础和算法
3.4.1算法和数据结构
1．算法的性质
尽管算法由于求解问题的不同而千变万化、简繁各异，但它们都必须满足下列基本性质：
（1）确定性：
每一步运算必须有确切的定义
（2）有穷性：
总是在执行了有穷步的运算后终止
（3）能行性：
算法中有待实现的运算都是可执行的
（4）输入：
具有0个或多个输入量，即算法
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