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计算机文化基础讲义

第1章信息技术计算机

1.1信息与信息技术

•1.1.1信息及信息科学

•1.1.2信息技术

1.1.1信息及信息科学

•信息是现代生活中一个非常流行的词汇，但至今对信息这个概念没有一个严格的定义。

到目前为止，关于信息的不同定义已超过百种，有人统计，仅在国内公开发行的刊物上对信息的解释就有近40种。

•对于信息的定义，至今仍是众说纷纭，莫衷一是。

但人们已经认识到，信息是一种宝贵的资源，信息、材料（物质）和能源（能量）是组成社会物质文明的三大要素。

1.1.2信息技术

•至今人类历史上已经发生了4次信息技术革命。

第一次信息革命是文字的使用。

•第二次信息革命是印刷术的发明。

•第三次信息革命是电话、广播和电视的使用。

•从20世纪中叶开始，第四次信息革命已经到来。

这就是当代的电子计算机与通信相融合的信息技术。

现代信息技术是应用信息科学的原理和方法，有效地使用信息资源的技术体系，它以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征。

1.2计算机发展历程

1.2.1早期的计算装置

1.2.2电子计算机的诞生和发展

1．电子计算机的诞生

2．从电子管到超大规模集成电路

计算机的发展简史

摩尔定理

3．软件的发展

1.2.3微型计算机诞生与发展

1.2.4中国计算机的发展

•国内从20世纪50年代开始研制高性能计算机系统，与国际发展的阶段类似，也经历了小型机、大型机、超级计算机和高性能计算机时代。

在这个发展过程中，曙光系列、银河系列和神威系列都做出了突出的贡献。

•从早期的中国第一台小型通用数字电子计算机103机，大型系统104机、107机、第一台晶体管计算机109乙机、109丙机、自行设计的大型系统119机，到757向量机、KJ8920用于石油地质勘探油田开发的大型数据处理系统，都是为科学计算服务的系统；

•从90年代的曙光一号SMP系统、曙光1000MPP系统、曙光2000-Ⅰ、曙光2000-Ⅱ超级服务器，到曙光3000系统，

1.3计算机未来

•1.3.1计算机的发展方向

•1.3.2未来新型计算机

•1．光计算机

•2．生物计算机

•3．分子计算机

•4．量子计算机

1.4计算机系统

1.4.1计算机系统的构成

1.4.2计算机硬件系统的组成

•1．运算器

运算器或称算术逻辑单元（ArithmeticalandLogicalUnit）的主要功能是对数据进行各种运算。

•2．存储器

存储器（MemoryUnit）的主要功能是存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

3．控制器

控制器（ControlUnit）是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。

•4．输入设备

用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫输入设备（InputDevice）。

•5．输出设备

从计算机输出各类数据的设备叫做输出设备（OutputDevice）

1.4.3计算机软件系统

Ø指令：

是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码与操作数组成。

Ø指令系统：

即一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令和其他指令。

Ø指令执行过程

1.4.2指令和指令系统

指令执行过程

Ø冯氏原理：

人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。

把结果回送入内存、或由输出设备输出。

Ø执行步骤：

取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加1

1.4.3计算机系统的基本工作原理

计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利

科学家冯·诺依曼于1946年首先提出的。

Ø采用二进制的形式表示数据和指令

Ø采用存储程序方式

Ø计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成

冯·诺依曼理论要点

冯·诺依曼结构框图

1.4.3计算机软件

从狭义的角度上讲，软件是指计算机运行所需的各种程序；而从广义的角度上讲，还包括手册、说明书和有关的资料。

通常把计算机软件分为“系统软件”和“应用软件”两大类

1．系统软件

•具有代表性的系统软件有

•

（1）操作系统

•

（2）语言处理系统

•（3）数据库管理系统

2．应用软件

目前，在微机上常见的应用软件如下。

•

（1）文字处理软件

•

（2）信息管理软件

•（3）计算机辅助设计软件

•（4）实时控制软件

3．硬件与软件的关系

硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分，它们的关系主要体现在以下几个方面：

•一是硬件和软件互相依存，硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的惟一途径，计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能；

•二是硬件和软件互为替代，有时无严格界线，随着计算机技术的发展，在许多情况下，计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现，因此，硬件与软件在一定意义上说没有绝对严格的界面；

•三是硬件和软件协同发展，计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。

1.5基于计算机的信息处理过程

1.5.1信息的表示及采集

•1．数值和文字信息的表示及采集

•

（1）数值信息的表示

•

（2）文字信息的表示

•（3）二进制、八进制和十六进制之间的转换

•（4）数值和文字信息的采集

1.5.2不同数制之间的转换

1.二、八、十六进制转换为十进制

Ø对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数

Ø如：

（1101.01）2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-2

1.5.2不同数制之间的转换

2.十进制数换为r进制数

（1）十进制整数转换为r进制

Ø规则：

采用除以r取余数，直到商为零时结束。

所得余数序列，先余为低位，后余为高位。

（2）十进制小数转换为r进制

Ø规则：

采用乘以r取整数，直到余数为0时结束。

所得整数序列，先整为高位，后整为低位。

十进制整数转为二进制整数

十进制小数转成二进制小数

二进制与八进制、十六进制之间的相互转换

•2．多媒体信息

•

（1）声音和图像信息的表示

•

（2）信息采集

•图形图像的途径有：

用软件创作，扫描仪扫描，数码相机拍摄，数字化仪输入，以及从屏幕、动画和视频中捕捉等。

声音的采集可以通过话筒、录音机等设备采集。

•1.5.2信息的组织

•1.5.3信息的传输

1.5.4信息的检索

1.6计算机应用

1.6.1科学与工程计算

•科学与工程计算是指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。

1.6.2信息管理

•信息管理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作，传输和处理的信息有文字、图形、声音和图像等各种信息。

1.6.3电子商务

•电子商务可以概括成所有在Internet上进行的重要事务，包括行业之间的整合、行业内部供应链上合作伙伴之间的联系、企事业单位内部事务的业务活动，以及其他如教育、医疗、政府服务等公众网上事务和活动，所有这些都在朝向数字化发展。

电子商务的应用，将从业务本身改变传统企业的运作模式，改变整个企业组织结构和经营机制，为网络化经营提供完整的解决方案，成为企业重组的有力支持手段，并展现出强大的生命力。

•电子商务最典型的应用实例莫过于亚马逊（A）的奇迹。

1.6.4人工智能

•人工智能是使用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能，通过用计算机模拟人脑的智能行为：

看、听、说和思维，使机器具有类似于人的行为。

当计算机出现后，人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具，在以后的岁月中，无数科学家为这个目标努力着。

1.6.5计算机辅助设计与制造

•计算机辅助设计是利用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品设计和工程技术设计。

•计算机辅助系统包括计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）和计算机辅助教育（ComputerBasedEducation，CBE）等系统。

•计算机在辅助设计与制造方面的典型应用实例就是汽车设计与制造。

第2章微机硬件系统

2.1微型系统

微机系统、微机和微处理器是3个不同的概念，它们是微机从全局到局部的3个不同的层次。

2.1.1微机系统的构成

微机系统包括两大部分：

硬件系统和软件系统。

硬件系统除主机系统外，还包括了多种与主机相连的必不可少的外部设备，如键盘、鼠标和显示器等。

图2-1所示为微机硬件系统的示意图。

主机箱中除主机部分外，还包括电源、外存储器（如硬磁盘、光盘驱动器等）和各种外设接口卡等。

显示器、键盘和鼠标等属于外部设备。

它们是微机正常工作必须配置的设备，所以也称其为系统的基本配置。

硬件系统从总体上可分为主机和外部设备两部分。

主机是安装在主控制箱中的物理实体，包括微处理器、存储器、总线和输入/输出接口，是整个系统的控制中心。

外部设备通过输入/输出接口及外设总线与主机相连。

所谓软件，并不仅仅是一般概念中的程序，而是程序、要处理的数据及相关文档的总称。

这里的文档是指与程序开发、维护和使用有关的各种图文资料。

软件系统可以分为两大类：

系统软件和应用软件。

系统应用程序是位于操作系统之上、为应用程序的开发和运行提供支持的软件平台。

它包括如下内容。

各种语言和它们的汇编或解释、编译程序。

计算机的监控管理程序（Monitor）、故障检测和诊断程序，以及调试程序（Debug）。

它们负责监控和管理计算机资源，并为应用程序提供必要的调试环境。

功能子程序库。

为便于用户使用，计算机中设置了各种标准的功能子程序，如键盘输入管理、屏幕显示等。

所有这些子程序的总和就构成了程序库。

支撑软件，如数据库管理系统及各种工具软件等。

微机的一般工作过程

计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序则是由一条条指令组成的。

程序通过系统的输入设备并在操作系统的统一控制下送入内存储器，然后由微处理器按照其在内存中的存放地址，依次取出并执行，执行结再由输出设备送出。

计算机系统的分类

计算机系统的分类方法有很多，一种常见的方法是按照其性能和价格的综合指标来分，分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微机等。

但这种分法不是绝对的，随着技术的不断进步，各种类型的计算机的性能都在不断提高，今天一台微机的性能，甚至比过去一台大型机的性能还高，而价格却要低很多。

计算机的另外一种分类方法称为Flynn分类法，它是根据在计算机中执行的指令和数据的不同组织形式来划分的，具体如下。

单指令流单数据流（SingleInstructionSingleDataStream，SISD）机。

单指令流多数据流（SingleInstructionMultipleDataStream，SIMD）机。

多指令流单数据流（MultipleInstructionSingleDataStream，MISD）机。

多指令流多数据流（MultipleInstructionMultipleDataStream，MIMD）机。

除以上的分类法外，还可以按处理机个数和种类分为单处理机、多处理机、并行处理机、关联处理机、超标处理机、超流水线处理机、大规模并行处理机和机群系统等。

另外，也可以根据计算机面向的应用范围分类。

微机主机系统

微机主机系统安装在主控制箱内，主要包括微处理器、存储器系统、总线及输入/输出接口4个部分。

微处理器

微处理器（Microprocessor）也叫做中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）或微处理单元（MicroprocessingUnit，MPU），它是微机的核心，是计算机完成指令读出、解释和执行的重要部件，主要完成各种算术及逻辑运算，并控制计算机各部件协调地工作。

微处理器内部从总体上讲主要包括3大部分，即运算器、控制器和内部寄存器（见图2-5），它们通过CPU内部总线连接在一起，现代微处理器中还包含有高速缓冲存储器（Cache）。

1．运算器

运算器主要由算术逻辑单元（ArithmeticLogicalUnit，ALU）、内部寄存器（包括标志寄存器，通用或专用寄存器组）及内部总线3个部分组成。

2．控制器

控制器主要完成指令的分析、指令及操作数的传送，产生控制和协调整个CPU工作所需要的时序逻辑等。

3．寄存器

寄存器的功能按其字面意思就可理解为是用来暂时存放数据的部件。

存储器

现代计算机系统中的存储器（Memary）在总体上可分为两大类：

内存和外存。

1．内存储器

内存储器也称为主存（MainMemory）

综上所述，对内存储器的要求主要有3点：

存取速度要快，存储容量要大、成本要低。

存储器的速度应和微处理器相匹配。

当使用计算机解决实际问题时，通常要执行大量的指令，加工处理大量的数据。

2．外存储器

联机外存主要指硬磁盘，脱机外存指软磁盘、光盘和磁带等。

常见的存储系统有两类，一类是由主存和高速缓存（Cache）构成的Cache存储系统，另一种是由主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统。

总线

总线一般分为3个层次

一是微处理器级总线，也叫CPU总线或前端总线，包括地址总线（AddressBus，AB）、数据总线（DataBus，DB）和控制总线（ControlBus，CB），从CPU芯片的引脚上引出，用来实现CPU与外围控制芯片（包括主存、Cache等）之间的连接。

第二层为系统总线，也称为I/O通道总线，同样包括地址线、数据线和控制线，用于CPU与接口卡的连接。

常见的总线标准有ISA总线、PCI总线和AGP总线等。

ISA（IndustryStandardArchitecture）总线是工业标准体系结构总线的简称

PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是外设互连总线的简称

AGP（AcceleratedGraphicsPort）总线，亦即加速图形端口。

最后一层为外设总线，是指计算机主机与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。

除了以上这种按层次结构来划分总线的方法外，还有一种方式就是按总线所处的位置简单地将其分为CPU片内总线和片外总线。

按这种分类法，CPU芯片以外的所有总线都称为片外总线。

输入/输出接口

外部设备的种类多种多样，由于以下几个方面的原因，它们与微处理器或内存储器之间的信息交换不能够直接进行。

①速度匹配问题。

②信号电平和驱动能力问题。

③信号形式匹配问题。

④信息格式问题。

⑤时序匹配问题。

微机主机板

主机部分在物理上主要安装在机箱内的主机板（也称主板）上，外部设备通过输入/输出接口及系统总线与主板相连。

主板几乎集中了系统的全部功能，控制着整个系统中各部件之间信息的流动，能够根据系统的需要，有机地调度微机各个子系统并为实现系统的科学管理提供充分的硬件保证。

主板上主要包括CPU、控制芯片组、Cache、内存储器插槽、I/O接口、总线扩展槽、键盘/鼠标接口、软盘接口、IDE（ATA）接口（可接硬盘和光驱）、可充电电池以及各种开关和跳线等。

最主机部分在物理上主要安装在机箱内的主机板（也称主板）上，外部设备通过输入/输出接口及系统总线与主板相连。

下边简要介绍一下微机系统主机板上主要部件的功能。

1．CPU及CPU插座

2．芯片组

3．内存储器插槽

4．CMOS

5．系统BIOS

系统BIOS程序包含以下几个模块。

①上电自检（Power-OnSelfTest，POST）

②系统初始化

③系统设置（Setup）

系统设置指装入或更新CMOSRAM保存的信息。

主要设置选项如下。

基本参数设置

硬盘驱动器设置

键盘设置

存储器设置

Cache设置

ROMShadow设置

安全设置

总线周期参数设置

电源管理设置

PCI总线设置

主板集成接口设置

其他参数设置

6．总线扩展槽

7．串行和并行接口

常用外部设备

2.3.1外存储器

1．硬磁盘存储器

（1）硬盘的基本结构

（2）硬盘上信息的存储格式

（3）硬盘的工作原理

（4）硬盘与主机的接口标准

2．光盘存储器

（1）光盘的种类

目前我们所见到的光盘从读写方式上讲，主要有以下几种。

只读光盘

DVD数字视盘

一次性刻录光盘CD-R

可擦写的光盘

（2）光盘及光盘驱动器的主要技术指标

容量：

一张光盘的数据存储量。

数据传输率

读取时间

3．可移动外存储器（USB硬盘）

（1）闪存盘（优盘）

（2）USB硬盘

输入输出技术

1．输入输出系统概述

2．基本输入输出方法

输入输出设备

1．输入设备

键盘

IBMPC系列键盘具有如下两个基本特点。

①按键开关均为无触点的电容开关。

②PC系列键盘属于非编码键盘。

（2）鼠标

2．输出设备

（1）显示器

荫罩式CRT显示器的特点是显示分辨率高，价格便宜，使用寿命较长，电源消耗大，体积大。

主要技术指标如下。

尺寸

形状

分辨率。

逐行/隔行扫描

点距

刷新频率

（2）打印机

①打印机工作方式

②主要性能指标

分辨率

打印速度

汉字打印、中西文字库及打印字体

打印缓冲存储器

打印幅面

接口类型

设备驱动程序

1．设备驱动程序的一般概念

2．硬件设备的“即插即用”概念

即插即用计算机系统的具体内容如下。

①支持“即插即用”的BIOS

②“即插即用”操作系统

③“即插即用”硬件

④“即插即用”设备驱动程序

3．Windows9x设备驱动程序的安装

以下是PnP设备和非PnP设备的安装步骤。

（1）安装“即插即用”设备

关闭计算机。

根据生产商的说明将设备连接到计算机上。

打开计算机并启动Windows。

（2）安装非“即插即用”设备

关闭计算机。

根据生产商的说明将设备连接到计算机上。

选择“开始”/“设置”/“控制面板”命令，然后在“控制面板”窗口中双击“添加新硬件”，也可以打开“添加新硬件向导”。

按照屏幕提示操作。

系统安装及主要性能指标

2.4.1BIOS设置

1．BIOS简介

BIOS是基本输入输出系统（BasicInput/OutputSystem）的缩写，是集成在主板上的一块存储器芯片。

BIOS程序中主要包括4个方面的功能：

加电自检及初始化、系统设置、系统引导和基本输入/输出系统。

2．硬件参数设置

（1）CMOS设置程序的启动

（2）标准CMOS设置

（3）BIOS特性设置

（4）管理员和用户口令设置

（5）保存设置与退出设置

微机系统主要性能指标

1．CPU

在选购CPU时，主要需考虑以下几项技术指标。

（1）主频

（2）外频

（3）倍频

（4）前端总线频率

（5）高速缓存（Cache）

（6）CPU的“字长”

2．主板选购要点

选购主板时需要考虑以下几个方面。

①控制芯片组是否与所选CPU相配。

②主板上提供的各种插槽能否满足要求。

③是否集成有声卡、显卡和网卡。

④是否带有IEEE1394接口。

3．内存

在选购内存时主要需考虑以下几项技术指标。

（1）内存的总线频率和数据带宽

（2）内存容量

（3）内存速度

4．硬盘

5．光盘驱动器

第三章操作系统基础

3.1.1基本概念

Ø操作系统的定义

Ø操作系统分类

Ø操作系统特征

计算机系统

操作系统的定义

操作系统的作用

Ø定义：

操作系统的作用是调度、分配和管理所有的硬件设备和软件系统统一协调地运行，以满足用户实际操作的需求。

Ø主要作用方面：

（1）有效的管理计算机资源

（2）方便用户使用计算机

操作系统的分类

Ø批处理系统

Ø分时系统

Ø实时操作系统

Ø嵌入式操作系统

Ø网络操作系统

Ø分布式操作系统

操作系统的特征

Ø并发性：

可同时执行多个程序

Ø共享性：

多个并发执行的程序可共同使用系统的资源

Ø虚拟性：

将逻辑部件和物理实体有机结合为一体的处理技术

Ø不确定性：

程序运行顺序、完成时间及运行结果都是不确定的

3.1.2操作系统的功能

进程管理

Ø进程的概念

Ø进程的特征

Ø进程的状态和转化

Ø进程协调

Ø观察Windows操作系统中进程的运行状态

Ø线程（Threads）

进程的概念

Ø定义：

进程是一个具有独立功能的程序对数据集的一次执行

Ø进程与程序的差异：

Øa.程序是一系列静态的指令，而进程是一个动态活动，这种活动的属性随时间而变化

Øb.一个单独的程序能够同多个进程有关联

进程的特征

Ø动态性：

进程有一定的生命期

Ø并发性：

系统中可以同时有几个进程在活动

Ø独立性：

进程是一个能够独立运行的基本单位

Ø异步性：

进程按各自独立的、不可预知的速度前进

进程调度程序

Ø功能：

Ø记录系统中所有进程的情况

Ø根据即定的调度算法，确定将CPU分配给就绪队列中的某个进程

Ø回收和分配CPU

Ø调度方式：

Ø非剥夺式（不可抢占式）

Ø剥夺式（抢占式）

进程调度程序

Ø算法选择要考虑的因素：

•提高资源利用率，减少CPU空闲时间

•对一般程序采用较合理的平均响应时间

•应避免有的程序长期得不到响应的情况

Ø算法分类：

•到先服务算法

•短进程优先算法

•优先级高先算法

•时间片轮转法

进程的状态和转化

观察Windows操作系统中进程的运行状态

线程（Threads）

Ø定义：

线程又称为轻量级进程，描述进程内的执行，是操作系统分配CPU时间的基本单位。

Ø属性：

•线程不拥有资源

•独立调度的基本单元

•可并发执行

•共享进程资源

操作系统的基本功能

Ø处理机管理

Ø存储器管理

Ø文件系统管理

Ø设备管理

Ø操作系统接口

处理机管理

Ø创建和撤消进程（线程）

Ø对进程（线程）的运行进行协调

Ø实现进程（线程）之间的信息交换

Ø进程（线程）的调度

存储器管理

•内存分配：

为每道程序分配内存空间，提高存储器利用率

•地址的转换：

将程序中的逻辑地址变换成存储空间中的物理地址

•内存的保护

•虚拟内存：

使用硬盘空间模拟内存，为用户提供一比实际大得多的内存空间

文件系统管理

Ø文件的

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