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1、演示素材 计算机基础知识第1章 计算机基础知识1.1 电子计算机概述电子计算机（Computer）也称电脑，是一种能够按照事先存储的程序和数据，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。它由硬件和软件所组成，两者是不可分割的，人们把没有安装任何软件的计算机称为“裸机”。电子计算机能部分的代替人类的脑力劳动，是20世纪科学技术最卓越的成就之一，也是人类智慧的高度结晶。电子计算机和网络通信技术的发展和应用水平，促进了人类科学技术和生产力水平的高速发展，也是衡量一个国家科学技术发展水平和经济实力的重要标志。因此，学习和应用电子计算机基础知识，对于每个学生、科技人员、教学和管理工

2、作者都是十分必要的。1.1.1 电子计算机的特点与发展史1.电子计算机的特点电子计算机的特点是运算速度快，计算精度高，可靠性好，记忆和逻辑判断能力强，存储容量大而且数据不易损失，具有多媒体及网络功能等。（1）运算速度快。世界上第一台电子管计算机每秒钟能进行5000次加法运算，比中国传统的计算工具算盘或手摇计算机要快几百倍、 上千倍，而现在电子计算机的运算速度已从每秒5000次发展到了千万亿次。（2）计算精度高。从硬件角度来看，电子计算机计算精度取决于计算机的字长，字长越长则计算结果越精确。目前通用的电子计算机有16位、32位、64位、128位等,如果再利用计算机软件的功能扩展，能达到的计算精度

3、是空前的。（3）具有超强的记忆功能。现代电子计算机具有电子元器件构成的主存储器和辅助存储器，可以存储电脉冲信号，并利用这些电脉冲信号在计算机中表示信息。由于电子计算机的存储记忆功能，在运算过程中只需事先将数据输入到计算机的存储单元中，运算时可直接从存储单元中获得数据，从而使处理数据的时间减少到最低限度，并且使用程序控制可以存储和记忆大量数据和信息，这是区别电子计算机于其他机器最本质的特点。（4）自动化程度高。电子计算机的工作过程是由人控制的，人给机器发布指令后，机器则电子计算机孕育于英国，诞生于美国，目前遍布于全世界。在电子计算机发展过程中，最杰出的代表人物是英国的图灵（Alan Mathis

4、on Turing，19121954年）和美籍匈牙利人冯.诺依曼（Johon Von Neumann，19031957年）。 1946年2月14日，美国正式通过验收ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Calculator）电子数值积分计算机，宣告了人类第一台电子计算机的诞生。1949年5月世界第一台实现内存储程序的电子延迟存储自动电子计算器（Electronic Delay Storage Automatic Caculator，EDSAC）由英国剑桥大学的威尔克斯（M.v.Wilkes）根据冯.诺依曼原理设计成功。1952年世界第一台内部存储

5、程序功能的电子离散变量自动计算机（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，EDVAC）根据冯.诺依曼原理制造成功。EDVAC采用了二进制编码的存储器，其硬件系统由运算器、控制器、存储器、输人设备和输出设备五部分组成。习惯上电子计算机（冯.诺依曼原理计算机）发展史（根据电子计算机采用的逻辑元器件划分）可划分为四代： 第一代：计算机时代（1946年一20世纪50年代末期）。硬件方面：逻辑电路由电子管组成，是电子计算机的初创时期，特点是体积大、耗能高、速度慢（每秒数5000次至数万次）、容量小、价格昂贵。主要用于军事和科学计算。软件方面：确定了

6、程序设计概念，出现了高级语言雏形。第二代：晶体管计算机时代（20世纪50年代中期一20世纪60年代末期）。硬件方面：采用晶体管为逻辑元件，并且使用磁芯存储器做为内存储器。特点是具有高速度、高可靠性、耗电省和体积小等。软件方面：出现系列高级程序设计语言，提出了操作系统的概念。计算机设计出现了系列化思想。应用范围也从军事与尖端技术方面延伸到气象、工程设计、数据处学研究领。我知道 第三代：中、小规模集成电路计算机时代（20世纪60年代中期一20世纪70年代初期）。硬件方面：采用中、小规模集成电路（IC）作为逻.多逻辑电路集中做在一块只有几平方毫米的硅片上，构成电子计算机的主要器件。特点是体积缩小，功

7、耗降低，功能有了较大改进，可靠性大大提高。软件方面：出现了操作系统及结构化、模块化程序设计方法。软、硬件都向通用化、系列化、标准化的方向发展。第四代：大规模和超大规模集成电路计算机时代（20世纪70年代初期至今）。硬件方面：采用了超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）和极大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration，ULSI）作为逻辑元件。高度集成化是这一代电子计算机的主要特征，无论是体积、重量、耗电量、运算速度和可靠性等诸多方面，都达到了一个新的水平。1.1.2 电子计算机的分类与应用领域1.电子计算机的分类目前国

8、际上沿用的电子计算机的分类方法，是根据美国电气和电子工程师协会（IEEE）于1989年11月提出的标准来划分的，即把计算机划分为巨型机、小巨型机、大型主机、小型机、工作站和个人计算机等六类。 （1）巨型机（Supercomputer）或称为超级计算机。特点是在所有计算机类型中占地最大、价格最贵、功能最强、浮点运算速度最快（每秒千万亿次）。其研制水平、生产能力及应用程度，已成为衡量一个国家经济实力与科技水平的重要标志。 （2）大型主机（Mainframe）或称大型计算机或大型通用机。特点是通用性强，具有很强的综合处理能力，整机处理速度高达每秒30万亿次以上。主要用于大银行、大公司、规模较大的高校

9、和科研院所，所以也被称为“企业级”计算机。 （3）小巨型机（Minisupercomputer）或称小型超级计算机。出现于20世纪80年代中期。特点是浮点运算速度较快，每秒可达10万亿次以上，而价格较低廉，平均只有巨型机的十分之一左右，可满足一些中、小企业、公司和一些特殊用户的需求。 （4）小型机（Minicomputer或Minis）或称小型计算机。特点是整机硬件结构简单，可靠性较高，成本较低，系统维护、管理及操作人员不需要经过长期培训即可维护和使用。（5）工作站（Workstation）或称工作站微机。这是介于PC机与小型机之间的一种高档微机，其特点是运算速度比微机快，且有较强的联网功能，

10、主要用于特殊的专业领域。（6）微型机（Microcomputer）或称PC机。这是20世纪70年代出现的新机种，主流是IBM公司在1981年推出的PC系列及其众多的兼容机。其设计先进（率先采用高性能微处理器），软件丰富，功能齐全，价格便宜，拥有广大的私人用户，大大推动了计算机的普及应用。目前微型机除了家用的台式机外，还有笔记本、膝上型、掌上型等。2.电子计算机的应用领域电子计算机应用是计算机学科与其他学科相结合的边缘学科，也是计算机学科的组成部分。其应用领域可分为数值计算和非数值应用两大领域，非数值应用又包括数据处理和知识处理。（信息系统、工厂自动化、办公室自动化、家庭自动化 、专家系统、模式

11、识别、机器翻译等）电子计算机的应用领域极为广泛，主要可以概括为以下几个方面： （1）数值运算。是电子计算机应用的一个重要领域，它能迅速准确地解决科研、建筑、航天、工程、军事、气象等各领域所提出的大量繁琐复杂的数学问题。知识、能力和素质结构 1.主干课程，核心课程（2）数据处理。是目前电子计算机应用最广泛的一个领域。数据处理是利用电子计算机来加工、处理与操作任何形式的数据及各种信息（声音、图像、图表、数字、文字等），通过计算机迅速准确地记录、分类、计算、判别、检索和制表等加工后，输出符合人们要求信息的过程。数据处理的应用很广，如图书资料检索、数据报表、资料统计和分析、企业管理、档案管理、城市交通

12、管理、银行储蓄管理、航空公司订票管理、仓库管理等。（3）过程检测与控制。企业在生产过程中，可以使用电子计算机采集原始数据，采集后的数据进行某种转换后可以自动进行检测，并把检测到的数据存储至电子计算机加以分析，根据分析结果，进行自动控制、调整生产的过程。（4）计算机辅助系统。为提高设计质量，缩短设计周期，提高设计自动化水平，人们借助于计算机进行辅助设计，称为计算机辅助系统。通常包括计算机辅助设计、制造、测试（CADCAMCAT）、办公自动化（OA）、信息检索自动化、模式识别等。（5）人工智能（智能模拟）。是利用电子计算机模拟人的感觉、推理、思维、理解等某些行为，使计算机具有视觉、语言、行为、思维

13、、逻辑推理、学习、证明等能力。人工智能主要包括专家系统、自然语言处理、图像识别、声音识别、模拟识别、智能检索、机器翻译、定理证明、机器人等方面。（6）计算机辅助教育。是利用计算机技术，按照科学的方法解决教学过程中的一些问题而形成的一种新的教育技术。计算机辅助教育包括两个方面：计算机辅助教学（Computer Assisted Instruction，CAI）和计算机管理教学（Computer Managed Instruction，CMI）。（7）网络应用。利用计算机网络（因特网）在一个地区或一个国家甚至在世界范围内的计算机与计算机之间实现软、硬件资源和信息共享，促进地区间与国际间的通信与各种

14、数据的传输与处理（E-mail、MSN、QQ等），从而改变了人类社会的时空观念。 1.2 计算机系统的技术指标1.2.1 信息与数据信息（Information）是人们对数据进行加工、整理、概括、归纳并使之精练、浓缩表示一定意义的符号的集合。它可以是数字、文字、图形、图像、动画、声音等，是人们用以对客观世界直接进行描述、在人们之间进行传递的知识。它是观念性的，与载荷信息的物理设备无关。数据（Data）是指人们感知到的形象和事实，是信息的具体表现形式，是各类物理符号及其组合，它反映了信息的内容。数据的形式要随着物理设备的改变而改变，可以在物理介质上记录或传输，并通过外围设备被计算机接收，经过处理

15、而得到结果。数据是信息在计算机内部的表现形式。1.2.2 数制和数据的存储单位1.数制（Number system）数制也称计数制。是指用一组固定的数字（数码符号）和一套统一的规则来表示数值的方法。数制定义的主要内涵是： （1）数制的种类多，具有R种计数制。例如，二十四进制（24小时为一天）、六十进制（60分为1小时，60秒为1分）、八进制、十六进制和二进制等。 （2）在R进制的数制中，只能使用一组固定的数字来表示数的大小。数字在一个数制中所处的位置称为数位。表示一个数值大小的数字个数称为该数制的基数（Base）。例如，十进制数（Decimal）的基数是10，使用09十个数字，二进制数（Bin

16、ary）的基数为2，使用“0”和“1”两个数字。 （3）在各种进位计数制中，R进制的规则是逢R进1，或者借1为R。2.位权（Weight）位权是指数位上的数字乘上一个固定的数值。十进制数是逢十进一，所以每一位数可以分别赋以位权100，101，102用这样的位权能够表示十进制的数。3.基数（Base）某一计数制中基数的最大数是“基数减1”，而不是基数本身。例如，十进制数中的基数为（09），二进制数中的基数为（0，1），最小数均为“0”。数位、位权和基数是进位计数制中的三个基本要素。4.二进制数（Binary）二进制数是采用“逢二进一，借一为二”的计数方法。其基数是“O”和“1”两个数字。 计算机

17、中的机内数据，不论是数值型（Numeric）的还是非数值型（Non-numeric），如数字、文字、图形、图像、色彩、动画和声音等信息，都是采用二进制数来表示的。 在计算机存储器内部可以用若干位二进制数表示一个数或者一条指令，前者称为数据字，后者称为指令字。总之，在计算机存储器内部存储的所有信息均是用二进制数字表示和计数的，其主要原因是由于二进制数在技术操作上的可行性、可靠性、简易性及其逻辑性（通用性）所决定的。5.数据的存储单位 数据的存储单位有二进制位（bit）、字节（Byte）和字（Word）。 （1）位（bit）是度量信息的最小单位，用0或1来表示的一位二进制信息。 （2）字节（Byt

18、e）是数据存储中最常用的基本单位。由8个二进制位构成一个字节，从最小的00000000到最大的11111111，即一个字节最多可表示256个值，由八个二进制位构成的其他信息。一个字节可存放一个半角英文字符的编码（ASCII码）。两个或4个字节可存放一个汉字编码，1个汉字至少需要两个字节或两个字符（ASCII码字符）来表示。 1Byte=8bit，通常将210（1024个字节）称为1K字节（Kilobytes），记为1KB（普通物理和数学上的1K=1000，计算机中的1K=1024=210）。220个字节约为百万个字节，记为1MB（Megabytes）。230个字节约为10亿个字节，记为1GB（

19、Gigabytes）。240个字节约为万亿个字节，记为1TB（Terabytes）。250个字节约为千万亿个字节，记为1PB（Petabytes）。260个字节约为亿亿个字节，记为1EB。（3）字（Word）又称计算机字，是用二进制代码表示位的组合。通常用来表示数据或信息长度，它的含义取决于机器的类型、字长及使用者的要求。常用的固定字长有16位、32位、48位、64位、128位等。一个字由一个字节或若干字节构成（通常取字节的整数倍）。它可以表示数据代码、字符代码、操作码和地址码或它们的组合。 （4）字长（Word length）表示计算机中央处理器（CPU）内每个字所包含的二进制数码的位数（能

20、直接参与运算寄存器所含有的二进制数据的位数）或字符的数目。字长通常表示机器的精度。一般情况下，基本字长越长，容纳的数据位数越多，内存配置的容量就越大，运算速度就越快，计算精度也越高，处理能力就越强。1.2.3 指令、指令系统、程序和源程序1.指令（Instruction）指令是指计算机能够识别并执行的某种基本操作的命令（指令）。机器中的每条指令均明确规定了计算机运行时必须完成的一次基本操作，一条机器指令对应着一种基本操作。 计算机中的指令是一系列二进制代码，是对计算机进行程序控制的最小单位。计算机能直接识别并能执行的指令称为机器指令。用机器指令编写的程序称为机器语言程序，所以指令也称为机器语言

21、的语句。2.指令系统（Instruction System）指令系统是指某种计算机所能执行的全部指令或指令集合。指令系统集中了计算机的基本功能。不同型号的计算机其指令系统也不同，这是人为规定的。所以指令必须按照机器的指令系统编写，不能随心所欲。从计算机系统结构的角度来看，指令系统是软件和硬件相结合的界面。 指令系统的内核是硬件，当一台计算机指令系统确定之后，计算机硬件设计师可以根据指令系统的约束条件，构造硬件结构，由硬件支持指令系统功能得以实现。而软件设计师在指令系统的基础上可以构建程序系统，扩充和发挥机器的功能。3.程序（Program）、源程序（Source program）程序是指计算机

22、系统为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的指令序列的集合。一般分为系统程序和应用程序两大类。程序是用机器语言、汇编语言或高级语言编制的可运行的文件，在计算机中称可执行文件（后缀名一般为.exe）。而目前的游戏程序也都是应用程序（后缀名一般为.swf的Flash影片）。源程序是使用高级语言编写的未经编译的计算机程序代码，它可以用编辑软件打开修改，可移植性好、阅读方便、语言简洁，可以利用相应操作系统编译的软件，将同一源程序经编译后在不同的操作系统或机器上使用。将源程序代码编译成机器可以执行的二进制代码，就是对源程序的编译。1.2.4 CPU主频与运算速度1.CPU主频CPU主频是指计算机

23、CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed），也称主时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。表示为时钟周期的倒数，等于CPU在1秒钟内能够完成的工作周期数。通常以兆赫兹（MHz）为单位。计算机主频越高表示CPU的运算速度越快。例如Pentium（奔腾）机系列的主频在60MHz4.7GHz，甚至更高。CPU主频不能直接表示每秒运算次数，但提高主频对于提高CPU运算速度却是至关重要的。例如，某计算机CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令，当CPU运行在100MHz主频时，将比它运行在50MHz主频时速度快一倍。因为工作在100MHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间为10n

24、s比工作在50MHz主频时的20ns时间缩短了一半，运算速度也就快了一倍。2.运算速度 运算速度是衡量计算机性能的一项主要指标，通常所说的计算机运算速度（平均运算速度），是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令/ 秒”来描述。它取决于指令的执行时间。运算速度的计算方法有多种，目前常用单位时间执行多少条指令来表示，直接描述运行次数的指标为每秒百万条指令（MIPS）。微机一般采用主频来描述运算速度，主频越高，运算速度就越快。例如，某一Intel Pentium的速度可达400MIPS，即表示每秒执行4亿条指令以上。为了确切地描述计算机的运算速度，一般采用“等效指令速度描述法”，根据不同类型

25、指令在使用过程中出现的频繁程度，乘上不同的系数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速度。1.2.5 主存储器容量和外存储器容量1.主存储器容量主存储器（Mainmemory）简称主存，是计算机硬件的一个重要部件，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。 主存储器容量也称内存储器容量，简称主存容量或内存容量，反映计算机内存存储信息（字节数）的能力，这是标志计算机处理信息能力强弱的一项技术指标，以字节为单位。常用单位是KB、MB、GB或 TB。在主存储器中容纳的存储单元总数称为主存储器的存储容量。主存储容量用字或字节数（B）来表示，如64K字，512KB，10MB

26、。在计算机外存储器中，为了表示更大的存储容量，通常采用MB，GB，TB，PB，EB等单位。其中1KB=210B，1MB=220B，1GB=230B，1TB=240B，1PB=250B，1EB=260B。存储容量概念反映了存储空间的大小。2.外存储器容量 外存储器容量也称外存容量或辅存容量，反映计算机外存所能容纳信息的能力，这是标志计算机处理信息能力强弱的又一项技术指标。微机的外存容量一般指硬驱磁盘，也就是常说的硬盘大小。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、光盘、U盘已经是微机系统中不可缺少的外部设备。目前所有的计算机系统都是基于冯诺依曼存储程序的原理，内、外

27、存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈，但由于硬盘的存取速度不断提高，目前这种现象已经有所改善。ssB 1.2.6 数据传输率数据传输率（Data Transfer Rate）是考核外存储器（微机通常指硬盘）的一个重要指标。它分为内部传输率（Internal Transfer Rate）和外部传输率（External Transfer Rate）。通常称内部传输率为最大或最小持续传输率（Sustained Transfer Rate），是指硬盘在盘片上读写数据的速度。外部传输率称为突发数据传输率（Burstdata Transfe

28、r Rate）或接口传输率，是指从硬盘的缓存中向外输出数据的速度。由于硬盘的内部传输率要小于外部传输率，所以内部传输率的高低才是评价一个硬盘整体性能的决定因素。因此，只有内部传输率才可以作为衡量硬盘性能的真正标准。一般来说，在硬盘转速相同时，单碟容量越大则硬盘的内部传输率越大；在单碟容量相同时，转速高的硬盘内部传输率也高；在转速与单碟容量相差不多的情况下，新推出的硬盘由于处理技术先进，所以它的内部传输率也会较高。数据传输率单位一般采用MB/s或Mbit/s，尤其在内部数据传输率上官方数据中多采用Mbit/s为单位。目前主流的PC级硬盘，内部数据传输率基本保留在60 MB/s左右，而且在连续工作

29、时，该数据传输率会降到更低。1.2.7 系统兼容性所谓系统兼容性，是指计算机系统中硬件之间、软件之间或软、硬件之间的相互配合的程度。兼容的概念比较广，对于硬件来说，几种不同的电脑部件，如CPU、主板、显示卡等，如果在工作时能够相互配合、稳定地工作，则它们之间的兼容性比较好，反之就是兼容性不好。而相对于软件，首先，某个软件能稳定地工作在某操作系统之中，就说明该软件对该操作系统是兼容的。其次，在多任务操作系统中，几个同时运行的软件之间，如果能稳定地工作不出现错误，则称它们之间的兼容性好，否则就是兼容性不好。最后，从软件共享来看，若系统中几个软件之间无需复杂的转换，即能方便地共享相互间的数据，也称为

30、兼容。系统兼容性从软、硬件总体性能来看可分为向上兼容和向下兼容两种情况。1.向上兼容向上兼容是指在较低档计算机上编写的程序，可以在同一系列的较高档计算机上运行，或者在某一平台的较低版本环境中编写的程序可以在较高版本的环境中运行，均称为向上兼容，前者是硬件兼容，而后者是软件兼容。向上兼容具有非常重要的意义，一些大型软件的开发，工作量极大，如果这些软件都能做到向上兼容，则无需在其他机器上重新开发，就可节省庞大的人力和物力。 2.向下兼容向下兼容对于软件来说是指较高版本的程序能顺利处理较低版本程序的数据。例如，对于动画制作软件的两个版本 Flash 5 与 Flash MX 来说，虽然两个版本保存的

31、文件都是.fla，可是文件内容的结构有所不同。尽管如此，Flash MX 仍然能处理 Flash 5 保存的.fla 文件，因此，Flash MX 是向下兼容的。l.3 计算机系统的基本组成1.3.1 计算机系统概述计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机硬件系统是构成计算机各功能部件的集合，是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机硬件是看得见、摸得着的实际存在的物理实体。计算机软件系统是与计算机硬件系统相关的各种程序及与之相关的文档数据的集合。计算机系统的组成如图1.1所示。算术逻辑运算器 (ALU)控制器 (CU)中央处理器 (

32、CPU)随机存储器 (RAM) 只读存储器 (ROM)高速缓冲存储器（cache）内存储器 硬盘(Hard Disk)磁盘 软盘(Floppy Disk)磁带 光盘 (CD-ROM/ DVD-ROM等) 外存储器 硬件系统键盘、鼠标/扫描仪光笔、数字化仪显示器、打印机、绘图仪联网通讯设备等输入输出设备 (I/O Devices)计算机系统WindowsXenix/LinuxMacintosh操作系统语言处理程序 (汇编及各种高级语言的编译、解释程序) 界面工具程序编辑程序 链接装配程序 其他网络软件系统软件系统服务程序软件系统数据库管理系统字处理及电子表格(Word、Excel等)程序库软件包套装软件用户自己开发的软件系统应用软件 图1.1 计算机系统基本组成1.3.2 冯.诺依曼计算机工作原理及系统结构1944年，美籍匈牙利