第一章 计算机基本概念和基础知识.docx

1、第一章 计算机基本概念和基础知识教 学 的目的与要求教学目的：了解计算机的发展和应用，掌握计算机的系统组成。教学要求：1了解计算机的产生与发展及应用。2掌握计算机的系统组成。教 学 的重点与难点教学重点：（1）冯诺依曼原理。（2）微机系统组成。教学难点：（1）计算模型与图灵机。（2）字长教学进程教 学 内 容第一章 计算机基本概念和基础知识1.1电子计算机的发展与应用1.1.1电子计算机的产生与发展0信息科学与图灵机1电子计算机的诞生2电子计算机的发展阶段3冯诺依曼思想4计算机发展方向1.1.2电子计算机主要应用1数值计算 2数据处理 3过程控制4辅助系统 5其他应用1.2微型计算机系统组成及

2、工作原理1.2.1微机系统概述1.2.2微型计算机硬件系统1运算器 2控制器 3存储器 4输入设备5输出设备 6其他配件 7计算机的主要技术指标1.2.3微型计算机软件系统1系统软件2应用软件教 学 的目的与要求教学目的：掌握计算机中信息表示的基本知识。教学要求：（1）熟练掌握计算机中信息的计量单位之间的换算。（2）掌握数制的概念和不同数制之间的转换。（3）掌握字符编码的知识。（4）了解几种计算机语言的特点。教 学 的重点与难点教学重点：（1）信息的计量单位和不同数制之间的转换（2）不同数制之间的转换。教学难点：不同数制之间的转换教学进程教 学 内 容1.3计算机中信息表示及计量单位1.3.1

3、计算机中信息的计量单位1位2字节1.3.2数制1不同数制特点2不同数制之间的转换1.3.3字符编码1ASCII码2汉字编码字符集3汉字编码1.3.4计算机语言1机器语言2汇编语言3高级语言第一章计算机基础知识1.1电子计算机的发展与应用1.1.1电子计算机的产生与发展1电子计算机的诞生信息的定义、信息处理、信息与数据图灵机是研究用机器实现计算过程的理论。现代电子计算机是根据图灵机的原理制造出来的。1946年，美国宾西法尼亚大学研制成功了世界上第一台电子数字计算机ENIAC，它标志着人类从此进入了电子计算机时代。2电子计算机的发展阶段从第一台计算机诞生到现在的短短50多年中，根据计算机所采用的逻

4、辑元件通常可划分为：电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四代。第一代计算机（19461957年）以电子管为逻辑开关元件。第二代计算机（19581964年）以半导体晶体管为逻辑开关元件。第三代计算机（19651971年）采用小、中规模集成电路作为逻辑开关元件。第四代计算机（1972年）使用大规模和超大规模集成电路为逻辑开关元件。3冯诺依曼思想美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出了一个通用的计算机设计方案的三个重要的思想：（1）计算机至少应由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个基本功能部分组成。（2）采用二进制数形式表示计算机的指令和数据。（3）将程序（一系列指令的集合）和数据放在存储器中，

5、由程序控制计算机自动执行，即“存储程序控制”。4计算机发展方向未来的计算机将朝着巨型化、微型化、网络化、多媒体化和智能化方向发展。1.1.2电子计算机的主要应用电子计算机在各个领域的应用可概括为以下几个方面。1数值计算2数据处理当今大多数计算机不是用于数值计算，而是用于数据处理。例如：计算机应用于企事业的人事管理、工资管理、文件管理、情报资料管理、人口管理和图书管理等。3过程控制计算机加上感应检测设备及模/数转换器，就构成了自动控制系统。它通过检测设备实时地测量某物理量，经过模/数转换后送入计算机，计算机根据预置的程序对数据进行分析，并采取相应的控制操作，从而实现由计算机控制的自动化的、实时的

6、过程控制。4辅助系统利用计算机软件作为辅助工具的计算机系统叫做辅助系统。它包括计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)，计算机辅助制造(CAM，Computer Aided Manufacturing)，计算机辅助教学(CAI，Computer Aided Instruction)等。5其他应用（1）办公自动化（2）电子商务（3）人工智能1.2微型计算机系统组成及工作原理1.2.1微机软件系统的组成一个完整的微型计算机系统是由硬件系统和软件系统两个部分组成，如图1-1所示。图1-1 微型计算机系统组成1.2.2微型计算机硬件系统微型计算机硬件的基本配置由五个部分组成

7、，它们分别是控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。1运算器运算器是对数据进行加工的部件。它在控制器的指挥下对数据进行算术运算和逻辑运算。2控制器控制器是分析指令并发出控制信号的部件，指挥和控制计算机各部件按时序协调地工作。控制器是计算机的指挥控制中心。（1）CPU运算器、控制器和存储器组成了计算机的主机。人们将运算器和控制器做在一个半导体芯片上，称为中央处理器（CPU）或微处理器。1）CPU的类型8088,80286,80386DX，80486DX；Pentium ，Pentium ，Pentium 4。2）CPU的性能指标CPU的主要性能指标有：主频，内存总线频率（CPU与内存之间的通

8、信速度），数据总线宽度（决定CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量），地址总线宽度（决定CPU可以访问的存储器的物理地址空间），高速缓存数目和容量。人们通常常称486微机、586微机、Pentium 微机或Pentium 4微机，主要根据其所采用的CPU的型号来决定。CPU品质的高低决定了一台计算机的档次。（2）主板主板是计算机最基本、最重要的部件之一。计算机的多种部件都安装在主板上或通过数据线与CPU联结，人们把主板看作计算机硬件系统的“躯干”。主板的性能影响着整个计算机系统的速度和稳定性。主板上有组成如图14所示：图14 主板1）CPU插座图15 Socket

9、与Slot插座2）芯片组芯片组的作用是控制和协调计算机的各部件选型。芯片组决定了计算机所支持的CPU类型、内存类型、总线速度、硬盘接口等关键技术配置。芯片组决定了主板的性能。3）内存插槽内存插槽有SIMM插槽（已淘汰）和DIMM插槽两种，DIMM插槽每边84线，共有168线，用于安装同步动态内存SDRAM。4）外部高速缓存设置在主板上的高速缓存为外部高速缓存，容量大约256K1M，用于缓解CPU与内存之间数据传输率的差异。5）BIOS芯片BIOS存放固化的基本输入输出程序、系统设置信息、通电自检程序、启动自举程序。6）CMOS芯片CMOS芯片中存放系统配置信息，如系统日期、时间、CPU的类型、

10、硬盘的大小和工作模式、串并口设置等。7）总线扩展插槽总线扩展插槽用于扩展主板的功能，是主板总线的延伸，用以插接显卡、声卡、网卡、Modem卡等。主板通常有46个扩展插槽。目前总线扩展插槽常见的类型有：ISA，PCI和AGP。ISA插槽为黑色，PCI插槽是白色的短槽，AGP是显示卡插槽。8）外设接口插座软驱接口（Floppy接口）IDE接口或EIDE接口它们用于连接硬盘驱动器。EIDE为增强IDE接口，是Pentium主板的标准接口，用于连接EIDE设备，如硬盘驱动器和光盘驱动器等。9）串行接口和并行接口并行端口（LPT）为25针的双排插座，标注为LPT，通常用于连接打印机。串行接口（COM1和

11、COM2）为9针的双排插座，通常用于连接鼠标和调制解调器。10）USB接口和PS/2接口图16 COM、LPT、USB、PS/2接口USB接口USB接口又称为通用串行总线。它不是一种新的总线标准，而是计算机系统连接外围设备（如键盘、鼠标、打印机等）的输入/输出接口标准。一个USB接口最多可以连接127个装置，并以极高的速率传输数据。USB接口将逐渐取代PC上的串口和并口。PS/2接口PS/2是6针圆型接口，它是键盘和鼠标专用的接口。通常在主板上会有2个PS/2接头，一个用来连接键盘，另一个则用于连接鼠标。3存储器存储器是计算机的记忆部件，用于存放程序和数据。存储器分为内存储器和外存储器两种。内

12、存储器简称内存，它位于主板上。中央处理器（CPU）可以直接访问内存中的数据，而外存中的数据要先读入内存后才能为CPU访问。（1）内部存储器1）内存分类按读写特性分类按读写特性内存储器通常分为随机存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）。随机存储器RAM是一种既可写入又可读出数据的存储器，通常用于存放程序、数据和中间结果。它的特点是计算机刚启动时没有数据，一旦写入数据，只要电源不断且计算机工作正常，数据就可以保持，断电后其中的信息全部消失。RAM是用户可使用的存储空间。只读存储器ROM是一种只能从中读取代码，而不能以一般方式向

13、其写入代码的存储器。只要接通电源，ROM中固化的信息就建立好了。ROM常用来存放基本输入输出程序、系统设置信息、开机自检程序和系统启动自举程序等。按存储原理分类按存储原理RAM又分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。（2）外存储器在主机的外部可配置外存储器，外存储器属于外部设备，外存储器的特点是容量大、价格低，且不受断电影响，常用于长期保存大量的数据和程序。常用的外存储器有软盘、硬盘、优盘、光盘等。）软盘系统软盘软盘系统主要由软盘、软盘驱动器(软驱)、软驱信号线等组成。当3.5英寸软盘封口的滑块打开，写保护孔可透光时，处于写保护状态，只能读不能写。软盘的数据组织磁道：磁道即磁盘上

14、一组同心圆环形的信息记录道，它们由外向内编号，高密度盘每面有079道。扇区：每个磁道又划分成相等的若干个区域，称为扇区。每个扇区存储512个字节。软盘的存储容量软磁盘存储容量=软盘面数每面磁道数每道扇区数每扇区的字节数3.5英寸双面高密度磁盘的容量为1 440KB。使用软盘的注意点软盘不能弯曲和挤压；保存软盘时，要远离热源和磁场；要注意防潮，以免发霉。软盘驱动器软盘驱是读写软盘的设备。软盘驱动器既是输入设备，又是输出设备。2）硬盘硬盘按接口分类IDE硬盘：速度快、容量大、价格便宜，是计算机中使用最广泛的硬盘。SCSI（Small Computer System Interface）硬盘：速度快

15、、容量大、运行稳定、价格昂贵，用于数据处理量大的服务器中。USB硬盘：通常作为计算机外接的移动硬盘。硬盘的结构硬盘由驱动马达、硬磁盘片、磁头及定位系统和电子线路组成。这些组成部分被密封在金属壳中。硬盘的读写硬盘的读写不通过磁头与硬盘片的软接触来实现。当硬盘高速旋转时（5400-7200rpm），磁头和盘片之间形成0.10.3um气隙，气流使磁头悬浮在盘片表面进行无接触读写，所以硬盘的读写速度远比软盘快。硬盘的数据组织硬盘的数据组织如图113所示。硬盘的存储容量的计算方法硬盘存储容量=磁头数柱面数每磁道扇区数每扇区的字节数硬盘的格式化硬盘低级格式化：低级格式化是划分硬盘的磁道（柱面）和扇区，硬盘

16、出厂时已经完成低级格式化。图113 硬盘的扇区、磁道和柱面硬盘分区：分区就是将一个物理磁盘被划分为若干个独立的存储区域。主分区一般用于存放操作系统，扩充分区可以划分成若干个逻辑驱动器，用于存放应用程序和数据文件。分区的格式有FAT32和NTFS两种。硬盘高级格式化：高级格式化是用Format命令对逻辑盘进行格式化。3）优盘优盘是一种新型的移动存储器，其尺寸只有打火机大小，采用USB接口，安装、携带和使用都非常方便。优盘的核心存储部件采用闪存（Flash Memory），闪存所存储的数据不需要电压维持，可靠性比较高。优盘集驱动器和存储介质于一体，不需要借助驱动器的支持，只要插在电脑的USB接口上

17、，就可根据用户的指令，完成读写操作。由于优盘没有机械装置，因此不存在磁头与盘片之间接触，不怕震动和磕碰。另外，它还设计有类似于软盘的写保护开关，以防止因误操作而删除数据。优盘的存储容量比软盘大，一般为32256MB，适合于移动存储几十到上百兆容量的数据。优盘使用方便，性能稳定，价格适中，优盘替代传统移动存储设备（软盘）已成趋势。4）CD-ROM光驱和光盘光盘主要有三类：只读光盘（CD-ROM）、一次性写入盘（WORM）和可擦写光盘（CD-RW）。CD-ROM光驱的工作原理光驱内激光二极管产生波长约0.540.68微米（m）的光束，经过光学系统处理后照射到光盘上，然后反射回来，并用光检测器捕获反

18、射光。当激光束照射凹点边界时，反射光束强弱发生变化，读出的数据为“0”；当激光照射平坦部分时，反射光强弱没有发生变化，读出的数据为“1”。然后将所获取的光信号转换为计算机能够处理的电信号，并通过数据电缆与主板上IDE接口连接，从而实现光驱与主板控制芯片之间的数据交换。光驱的数据传输速率光驱的数据传输速率指每秒向主机传输的数据量。制定CD-ROM标准时，把150 kbps作为传输速率的标准。52速光驱（记作“52X”）的传输速率为：52150kbps7800kbps。平均寻道时间是指光驱在接到指令后把光头移动到指定位置，并把光盘的第一块数据读入光驱的高速缓存所花费的时间，单位是ms（毫秒）。平均

19、寻道时间越小越好，目前CD-ROM的平均寻道时间一般小于80ms。高速缓存用于临时存放从光盘中读取的数据，然后再将数据发送给计算机系统进行处理。这样就可以减少光驱读盘的次数，确保稳定的数据流量，提高了数据传输率。光驱高速缓存大小在256kB到1M之间。CD-ROM光盘CD-ROM有三层结构，上层是涂漆保护层，中层是铝反射层，第三层是聚碳酸脂衬底。光盘的表面被划分为间距1.6微米，宽0.6微米的光道。光道上的微小凹坑和平面分别表示0与1。光盘上的光道与磁盘上的磁道不同，光盘上的光道是螺旋线。常用的12厘米光盘有333 000个扇区，每个扇区存放2 048字节，总容量为：2 048字节/扇区333

20、 000扇区681 984 000B650.39MB5）DVD光驱与光盘DVD是“Digital Video Disk”的缩写，意思是“数字视频光盘”。DVD光驱与光盘的结构及工作原理和CD-ROM光驱和光盘都相似，主要的区别在于所用的数据压缩标准不同。图像压缩技术静态图像通常采用JPEG（Joint Photographic Experts Group，译为联合图片专家组）算法标准进行压缩。视频图像（动态图像）则采用MPEG（Moving Picture Experts Group，译为活动图像专家组）算法标准进行压缩，视频信息的特点视频信号就是电影、电视信号。它要求每秒钟播放30帧或24帧

21、位图，由于人们的“视觉暂留”效应，这些不连续位图看起来就变成了动态的连续图像。视频信息压缩技术MPEG-1压缩标准：它是在可接受的图像质量下，把视频及其伴音信号压缩到1.21.5Mbps，使一般的CD-ROM驱动器也能实时播放30帧/s的彩色视频图像。VCD光盘中的视频图像使用MPEG-1标准压缩。MPEG-2压缩标准：MPEG-2把视频及其伴音信号压缩到10Mbps，且图像质量更高，适用性更广。DVD光盘中的视频图像使用MPEG-2标准压缩。DVD的特点由于DVD光盘使用MPEG-2标准压缩，它具有更大的数据容量和更高的质量。6）刻录机刻录机概述刻录机是将数据写入CDR（CD Recorda

22、ble）与CDRW（CD ReWritable）光盘中设备。刻录机的外观与CDROM相似。目前，市面上出售的刻录机多数是支持数据可擦写的CDRW刻录机。刻录光盘CDR光盘：允许写入一次，但可以被反复读取。CDR/W光盘：可擦写，最多可擦写1000次左右。4输入设备输入设备是外界向计算机输入数据的装置。微机的输入设备主要有键盘、鼠标，此外还有扫描仪、光笔等其它输入设备。（1）键盘常用的105键标准键盘可分为五个区。1）主键盘区该区由英文打字机键盘演化而来，包含英文字母键、数字键、符号键、空格键和一些特殊键等。2）功能键区功能键共有12个，用F1F12标示。设置功能键的目的是为了简化键盘操作。按下

23、某功能键，相当于键入一条命令。计算机所运行的软件系统不同，每个功能键上所定义的功能也随之不同。3）小键盘区该区的键位与普通计算器相似，该区各键具有双重功能：既可作为数字键（Numlock灯亮），又可作为编辑键（Numlock灯暗）。4）编辑键区该区的编辑键有插入键（Insert）、删除键（Delete）、翻页键（Page Up 、Page Down）光标移动键（Home、End、）。该区中的Print Screen 键用于连接主机和打印机。Pause键是暂停键。侧面印有Break的键与Ctrl键组合产生中断作用。5）指示灯区它表明键盘所处的状态。（2）鼠标由于图形界面的广泛应用，鼠标（Mous

24、e）已成为计算机系统必备的输入设备。1）鼠标的分类根据按键数目分类：两键鼠标、三键鼠标和3D鼠标。按接口方式分类：串口鼠标、PS/2鼠标和USB鼠标。按工作原理分类：机械式鼠标和光电式鼠标。按控制方式分类：有线鼠标、红外遥控鼠标和无线遥控鼠标。（3）其他输入设备麦克风（话筒） 扫描仪 手写笔 数码相机5输出设备（1）显示器1）按工作原理分类 液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）显示器 球面显示器 阴极射线管显示器 平面直角显示器 （CRT，Cathode Ray Tube） 柱面显示器（索尼牌的柱面显示器叫“特丽珑”， 三菱牌的柱面显示器叫叫“钻石珑”） 纯平面显

25、示器2）显示器的主要技术指标尺寸显示器的尺寸是指显示屏对角线的长度，一般以英寸为单位。点距点距是两个相同颜色的荧光点之间的距离，如图123所示。图123 点距分辨率象素是指组成图像的一个的荧光点组成。分辨率指屏幕的像素总和，用显示屏的水平方向上的象素乘以垂直方向上的像素表示。扫描方式扫描方式有逐行扫描与隔行扫描两种。目前，所以“隔行”扫描的技术已被淘汰。垂直扫描频率垂直扫描频率又称场频，或屏幕的刷新频率。它表示每秒钟重画屏幕的次数，即完成一帧扫描所花时间的倒数来表示，以赫兹（Hz）为单位。如果刷新率在85Hz以上，屏幕的画面则非常稳定。视频带宽视频带宽=行数列数刷新频率2）显示适配器显示适配器

26、简称显卡。它工作在CPU和显示器之间，用于控制计算机的数据输出。显卡分类显卡有ISA、VESA、PCI和AGP四种，前3种已淘汰，目前AGP显卡是微机的主流显卡。显存（VRAM）显存大小的从4M到128M。（）打印机打印机的分类打印机是计算机的重要输出设备。常见的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。打印机的工作原理及其特点针式式打印机速度慢、噪音大，打印质量不高；但耗材（包括色带和打印纸）便宜，而且能够复打（如打印多层压感纸和票据）。它是使用较广泛的打印机。喷墨打印机无噪音、打印质量较高，且易实现彩色打印；但耗材（墨盒）费用较高。激光打印机无噪音、打印速度快、印字质量高；但设备投资大、耗材（

27、感光鼓和墨粉）费用高。（3）音箱1）音箱的分类有源音箱：带有电源设备，具有功率放大功能。无源音箱：直接输出声卡的音频信号，功率小（24瓦），音质差。6其他配件（1）声卡声卡是多媒体计算机的基本配件之一。它的基本功能是录制、播放数字声音文件。声卡的主要组成声卡的主要性能指标采样频率采样频率即单位时间内采样的次数，单位是赫兹（Hz）。采样频率越高，同一段波形被等分的份数越多，每一份的时间间隔也越小，采样的音质越好，所需的存储空间越大。标准的采样频率有三个：44.1kHz（CD音质）、22.05kHz（广播音质）、11.025kHz（电话音质）。采样位数采样位数是指对波形垂直方向的幅值进行量化时的等

28、分值的大小。8位量化将声音振幅分成256等份，16位量化将声音振幅分成65 536等份。采样位数越多，采样的声音质量越接近于原始声音，所需的存储空间也越大。声道数记录声音时只产生一个波形为单声道。记录声音时产生两个波形为双声道（立体声）。双声道听起来比单声道丰满，具有空间感，但需要两倍的存储空间。（2）不间断电源（UPS）1）UPS概述UPS不间断电源。当计算机的供电电源发生中断时，UPS便发出告警声，同时为计算机持续供电一段时间，让用户保存资料，避免数据丢失。7计算机的主要技术指标（1）字长“字（Word）”是计算机进行数据处理、数据存储、数据传送的单位，即计算机一次能处理的二进制数据的位数

29、。“字”由若干个字节组成。一个“字”所包含的“位”的数目称为“字长”。字长是计算机性能的重要标志。字长大，在相同的时间内就能传送更多的信息，从而使计算机运算速度更快；字长大，计算机的寻址空间更大，从而使计算机内存更大；字长大，计算机的指令数目更多，功能就更强。（2）主频主频是CPU的时钟频率。它在一定程度上决定了计算机速度的高低。主频以兆赫兹（MHz）为单位。一般说，CPU的主频越高，速度越快。Pentium 4 CPU的主频已超过2.4GHZ。（3）运算速度计算机的运算速度指每秒钟所能执行的指令数目。运算速度一般以百万次/秒（MIPS）为单位，这个指标能直观地反映计算机的速度。（4）存储容量

30、计算机的存储容量包括内存容量和外存容量，内存容量对计算机的速度影响很大。目前586微机的内存容量一般为128512MB，硬盘容量一般为4080GB。1.2.3微型计算机软件系统每一台计算机都有一套指令系统，指令就是指挥机器实现一定操作的命令。一条指令包括操作码和操作数两个部分。操作码指明要执行何种操作，操作数（又称为地址码）指明参加操作的数据在何处以及操作结果存放的位置。程序是一系列指令的集合。软件是程序、数据及文档的总称。软件可以分成系统软件和应用软件两大类。1系统软件它是指接近计算机核心的、为方便使用计算机和管理计算机资源而设计的软件。系统软件具有通用性和支持性。系统软件主要包含有操作系统、程序设计语言、服务性程序等。（）操作系统系统软件中最重要的是操作系统（Operating System）。操作系统是一批系统