第一章 计算机基础知识.docx

1、第一章 计算机基础知识第一章 第一章 计算机基础知识【本章学习目标】 了解计算机的发展过程、特点、分类及应用领域； 理解计算机的系统结构、软、硬件的基本概念及相互关系； 掌握数制及转换方法；理解编码、指令等概念； 了解微机的基本结构及组成部分的基本功能、性能指标； 熟练掌握微机的基本使用（开、关机、键盘（指法）、鼠标）【重点、难点】 计算机的体系结构；数制及转换方法； 微机的基本结构；微机的基本使用本章主要介绍计算机软、硬件的一些基础知识及计算机系统的组成和层次结构等。通过本章的学习可以使读者对计算机系统有个初步的了解，为更进一步地学习计算机知识打下基础。1.1 1.1 计算机概述在科学实验、

2、生产活动及人类生活的各个领域，电子计算机得到了广泛的应用。从科学计算到工业控制，从数据处理到图像处理，从社会到家庭，计算机无处不在。计算机技术的发展规模、应用水平已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。计算机是一种不需要人的直接干预，能够对各种数字化信息进行算术和逻辑运算的快速运算工具。从这一意义出发，计算机不仅有别于算盘、手摇计算机、电动计算机及袖珍计算器等计算工具，而且有别于用连续物理量表示数据的模拟式计算机。1.1.1 计算机的产生和发展人类在同大自然斗争中，创造并发展了计算工具，我国在春秋时代就有“筹算法”，唐末创造了算盘，南宋已有算盘和歌诀的记载。随着生产的发展，计算日趋复杂，开始出

3、现了比较先进的计算工具。如：机械计算机、计算尺、手摇计算机等，以后又出现了电动计算机。以上计算工具还不能适应近代科学技术发展的要求，主要矛盾是：1. 运算量愈来愈大，人工难以完成。如人造卫星、导弹轨迹的计算往往需要几十万甚至几百万数据，运算公式复杂，人力难以完成。2. 不能满足精度的要求。计算尺只能估计 3 位有效数字，常用的算盘只有 13 档，两个 5 位数的乘法就无法进行计算。3. 速度慢。4. 除计算以外，还要求解决工业的自动控制、图形图象处理、网络通信等问题。总之，科学的发展，迫切要求有计算速度快、精确度高、能按程序的规定自动进行计算和自动控制的新型计算工具。在这种情况下，电子计算机也

4、就应运而生了。可以说电子计算机是现代科学技术发展的必然产物。人们公认的世界上第一台电子计算机是 1946 年 2 月问世，由美国宾西法尼亚大学研制成功的，它的名字是“eniac”(electronic numerical integrator and calculator)，即“电子数字积分计算机”的英文缩写，发明者是两位年青的工程师埃克特和莫克利。eniac 是一个庞然大物，全机重 30 吨，使用电子管 18 000 个，继电器 1 500 个，电阻 70 000 个，耗电 150kw，每秒运算 5 000 次，占地 167 m2。用现在的观点看，eniac 功能比较简单，运算速度也很慢，但

5、它的出现却标志着计算技术的一次革命。从“eniac”问世至今，在短短的 50 年中，计算机的发展经历了四个时代：第一代计算机 (19461957 年)：电子管时代。其待征是采用电子管作为主要元器件。这一代计算机体积大、功率大、结构简单、运算速度低、存储容量小、可靠性差且价格昂贵。它主要用于科学计算，其运行速度为每秒 1 000 次至 10 000 次。第二代计算机 (19581964 年)：晶体管时代。其特征是由电子管改变为晶体管。这一改变不仅使得计算机的体积缩小，同时增加了机器的稳定性并提高了运算速度，而且功耗减小，价格降低。其运行速度为每秒 10 万 100 万次/s，主要用于科学计算。第

6、三代计算机 (19651971 年)：集成电路时代。其特征是用半导体中小规模集成电路作为基本电子元件，它通过半导体集成技术将许多逻辑电路元件集中在只有几平方毫米的硅片上，使计算机的体积显著减小，而计算速度和存储容量有较大提高，其运行速度为 100 万1 000 万次/s。这一时期在软件方面也取得了重大进展，出现了操作系统，使得操作更为简便，可靠性也大大加强，应用范围更为广泛，计算机技术的应用进入到许多科学技术领域。第四代计算机 (1972 年至今)：大规模、超大规模集成电路时代。其特征是以大规模和超大规模集成电路为计算机的主要功能部件。大规模、超大规模集成电路的出现，使计算机进一步向高速小型化

7、方向发展，使计算机的体积越来越小，价格越来越低，而可靠性越来越高，操作越来越简单。此外，软件也越来越丰富，给用户使用计算机带来了更大的方便。正在研制的第五代计算机是一种不同于前面四代的计算机，它采取全新的工作原理和体系结构，更接近于人们的思考方式，即“推理”方式。第五代的电子计算机不仅采用的技术与前不同，而且在概念和功能方面也不同于前四代计算机。这种新型的计算机称为“知识信息处理系统”，也称为智能计算机。其功能从当前单纯的数据处理发展到知识的智能处理，着重于逻辑推理和知识信息处理。人机之间能用自然语言和图形、图像进行对话，能帮助人们进行判断和决策。因此，未来的第五代计算机的研制成功将是计算机科

8、学技术的一项突破性的贡献，有人称它是“第二次计算机革命”。1.1.2 计算机的分类计算机的分类有很多分法，其中按其规模可分为巨型机、大型机、中型机、小型机及微型机。现在计算机已逐渐向超级巨型机和体积更小的微型机方向发展。1、大(巨)型机早期的大型机主要是第一、第二代计算机，体积庞大、功能比现在微型机还要弱。 现在的大型或巨型计算机是现代计算机中功能最强的一种，其速度达万亿次/秒，存贮容量达几百兆以上(指内存)，更重要的是其处理信息的方式发生了变化：多处理机结构，大规模并行处理。主要应用于：军事、空间技术、石油勘探等需要处理大量数据、图像的领域。我国已能生产巨型机，如：银河系列机。 2、（中）小

9、型计算机 盛行于7080年代，相对于当时的大型机而言，规模较小，结构简单，运算速度和存贮容量比大型机都差，但价格相对便宜，比较适合于中、小用户，其代表产品有：美国dec公司生产的pdp11系列、vax11系列、hp公司hp3000系列等。 这些小型机在当时对计算机的应用普及起了很大的推动作用，但后来受到微型机的严重挑战，使其市场大为缩小，现在主要作服务器用。3、微型计算机(pc机)现在广泛流行的是微型计算机，又称个人计算机(personal computer)，简称微机、电脑。其核心部件是以vlsi为基础的微处理器芯片，代表作是美国intel公司生产的80386，80486，80586，pen

10、tium系列等。1.1.3 微机的产生和发展eniac自1946年产生之后，约15年的一段时期内，计算机的体积都很大，还没有今天我们见到的能放在桌面上使用的计算机（台式机、微机）。因为在这段时期内的计算机都是电子管计算机或是晶体管计算机，所以它们不可能造的很小，价格也非常贵，以巨型机、大型机、小型机为主。直到集成电路出现及微芯片产生之后，计算机的体积才得以减小、价格才得以降低，才出现了微机。1974年l2月美国大众电子杂志一反常态，把翌年一月号的刊物提前投放在各书报摊点，用最引人注目的大字标题发布消意“世界第一套微型电脑组件问世，向所有种类的商业电脑挑战！”读者们翻到正文，方得知这台所谓微型电

11、脑名叫“阿尔泰”（altair），意指“牛郎星”，即银河系里那颗明亮的星座。发明者是罗伯茨和他的mits公司。mits公司本是制造台式计算器的一家公司，不料到了1974年，拥有集成电路发明权的德州仪器公司(ti公司)，以雄厚的实力大举“进犯”计算器市场。mits削价竞争不几天就败下阵来，稀里哗啦地滑到宣告破产的边缘。面对即将临头的灭顶之灾，罗伯茨孤注一掷，把8080装成供业余实验的简单电脑进行销售，谁知反应出人意外的好，订货单立即象雪片般纷飞而来，mits公司得救了，救星正是世界上第一台微型计算机阿尔泰。根据杂志介绍，阿尔泰勉勉强强算是一台电脑，在金属制成的小盒内，只装进了两块集成电路，一块即

12、英特尔的8080微处理器芯片，另一块是容量仅256比特的存储器芯片。既没有可输人数据的键盘，也没有显示计算结果的显示器。插上电源后，使用者可以用手拨动几个开关，以开开关关的方式，把二进制数“0”或“1”输进机器。计算完成后，面板上的几个小灯泡忽明忽灭，就象军舰用灯光发信号那样表示输出的结果。阿尔泰诞生时的模样实在不敢恭维，它完全无法与当时的ibm360、pdp-8等筹大中小型计算机相比。所以那时几乎所有的计算机企业都对它不屑一顾。实际上阿尔泰仅仅适合于当作学习计算机原理的实验仪器，如果你的公司想用它处理业务，捧回一台阿尔泰，便会发现它确实没有多大用途。然而，阿尔泰有着上述所有机器不可比拟的优点

13、体积小，小到只能以“微型”相称，价格低，低到阿尔泰只标价每台 397美元。在1974年阿尔泰诞生以后，一些个人爱好者和公司开始对它进行改进，给它配上了键盘和显示器，使之有了一张友好的“面孔”，还有人给它开发了一些小软件，使它具备了一定的使用价值，随之出现了大量的微机厂商。早期的微机厂商，其商品各不兼容、买哪家公司的微机，就必须依靠该公司的软件，即使配件坏了，也只能从该公司购买，若是你看到另外一家公司的微机上有一个比较好的软件，想把它拿来用，这也是不行的，因为其它公司的硬件和软件都是跟它不兼容的。也就是说你买了哪家公司的微机就必须终身依靠该公司的硬件和软件，除非你能忍痛放弃，花钱再去买另一家公司

14、的产品。这一时期比较出名的微机有z-80、柯摩多尔-佩特、trs-80和苹果（apple）系列等。特别值得一提的是苹果机，它曾是那一时期中的佼佼者，由于它的性能价格比高，所配的软件丰富，曾经广为流传，是那一时期销售量最大的微机，在我国国内也有不少。微机市场持续地、空前的兴旺引起了一家公司的注意和反思，他就是美国著名的“蓝色巨人”ibm公司。ibm公司本是美国最大的巨型机、大型机及相关产品生产厂家，当早期阿尔泰出现的时候，他不屑一顾。谁知仅仅过了三年五载，新闻媒介报道的苹果ii型电脑，销售额已让蓝色巨人瞠目结舌，简直不敢相信自己的眼睛。1978年1500万美元、1979年7000万美，到1982

15、年竟然达到了5.83亿美元。短短五年之内，苹果电脑公司进入了美国幸福杂志500家美国大型公司的行列。ibm知道他痛失了一次大好的机会，在经过短暂的反思后，ibm毅然加入了微机领域的竞争。经过一段时期默默无闻的努力，总结了各种微机的优缺点之后，ibm推出了具有微机史上划时代意义的微机产品ibm-pc 8088。ibm-pc 8088一经推出，便大受欢迎，它除了具有优良的性能价格比外，更重要的是它采用了开发策略。即它允许其它厂商为其开发相应的软硬件产品，也就意味着，买了ibm-pc 8088可以使用其它厂商开发的软件，也可以使用其它厂商的硬件产品对其进行替换和升级扩充。ibm的这一策略也得到了众多

16、的硬件和软件厂商的支持。一夜之间，其它微机品牌纷纷被淘汰，与其不兼容的微机基本上从市场上销声匿迹了（苹果公司微机除外）。ibm的ibm-pc 8088统一了微机软硬件的标准，今天我们所使用的微机（除苹果公司的微机外）都是与ibm-pc机兼容的微机。ibm推出ibm-pc 8088之后，ibm和其它厂商又相继推出了80286、80386、0486、pentium（586）、pentium ii（pii）、piii和目前最新的piv及同等档次的微机。目前微机已向更强的功能，更小的体积方向发展，笔记本电脑、掌上电脑就是这方面的一个例子。1.1.4 我国计算机产研现状我国的计算机的发展从解放后开始。解

17、放后国家领导人就非常重视计算机的产研工作，但由于各方面的原因，很长一段时间内，我国仍然停留在科研和试生产阶段。1982年之后，国家进一步加强了计算机产研的工作力度，终于在1984年，经过相当紧张的工作，生产出了我国的第一台微机长城0520ch。1985年月，在全国计算机应用展览会上，长城0520ch与apple ii和ibm pc 8088并排出现在了展台上。它不仅仅是中国自己制造的第一台微型计算机，而且是世界上第一台能处理汉字的微型计算机。0520ch的诞生，揭开了我国微机产业的序幕。在长城0520ch诞生之后，我国的微机产研状况仍然不容乐观，存在着以下几个问题。一是我国生产的与国外同型号的

18、微机价格要比国外的贵，并且时间上存在着较大的滞后。二是组成微机的各种配件，有许多国内仍然不能自己生产，要依靠国外。三是国内的微机市场超过70%以上的份额被国外微机品牌所占有。计算机技术不能只搞研究，更重要的是要产业化，要通过市场去研究、生产，再研究、再生产，以此形成一个良性循环，若因为生产的微机因为价格贵、技术滞后，而销售不出去的话，将没有后继的资金进行技术上的改良和降低成本，甚至形成恶性循环。值得庆幸的是，在困难面前，经过各种艰辛的努力，我国逐步的减小着跟国外的差距。在1995年，当我国生产的金长城pentium pro在intel公司的pentium pro微处理器发布会上与全球100多家

19、pc整机并肩出现时，国产微机与国外品牌微机终于站在了同一起跑线上，时间滞后的问题被解决了。也是在同年，市场调查表明，国产品牌微机所占市场份额第一次超过了国外品牌微机。今天的中国微机市场，已基本上是国产微机品牌的天下，其市场份额已超过90%，国产品牌微机的价格性能比也已远远超过了国外品牌微机。在我国微机产业蓬勃发展的同时，我国的大型机、巨型机研究领域也取得了不错的成绩。在这方面的成绩主要有我国自行设计研制的巨型机银河i、银河ii等。在取得可喜成绩的同时，我们必须还看到，我国计算机产研方面仍然存在的一些不足。目前存在的问题主要有以下几方面。一是在利润丰厚的国内服务器市场和网络产品市场仍然以国外品牌

20、为主。二是计算机的一些核心配件，我国仍然无法生产或产品技术达不到国际先进水平。三是我国的国际一流it企业仍然太少。值得提到的一点是，台湾是出名的计算机零配件的出口大国，台湾目前能生产大部分的计算机配件（包括一些核心配件），台湾的计算机零配件以其质量较好、价格较低受到了各个国家的欢迎。1.1.5 计算机的特点计算机能得到广泛的应用，与它的特殊性能是分不开的，概括的讲，计算机具有如下一些特点：1、 快速性。由于电子计算机采用了高速电子器件，这使它具备快速处理信息的物质基础；同时，由于计算机采取了存储程序的思想，即将要解决的问题和解决问题的方法、步骤预先存入计算机，使电子器件的快速性得以充分发挥。目

21、前，国外有些巨型机的运算速度已达每秒十几亿次。2、 准确性。计算机运行时精确度高，计算方法科学是人们所共知的事实。由于计算机中的信息采取数字化编码方式，计算的精度取决于运算中数的位数，位数越多则精度越高，采取科学的计算方法，加上高位数的计算功能，保证了计算结果的准确性。3、 记忆性。计算机具有同人的大脑一样的记忆功能，即存储文件和数据的功能，它可以把原始数据、中间结果、计算指令等信息存储起来，以备调用。一旦在存储器上存入信息，若不受到破坏，便可长期保存。4、 逻辑性。计算机不仅能进行计算，还能进行各种逻辑判断，并根据判断的结果自动决定执行的方向。逻辑判断与逻辑运算是计算机的基本功能之一。例如，

22、在计算机运行时，可以根据当前运算的结果或对外部设备测试的结果进行判断，从多个分支的操作中自动地选择一个分支，继续运行下去。5、 自动性。计算机内部的操作运算，都是自动控制进行而不需要人工的直接干预。即计算机在运行程序时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种指令，控制计算机完成预定的操作任务。它区别于过去的计算工具，也区别于模拟电子计算机。1.1.6 计算机的用途现代科学的发展使计算机几乎进入了一切领域。从军事部门到民用部门，从尖端科学到消费娱乐，从厂矿企业到个人家庭，无处不出现计算机的踪迹。众所周知，计算机能控制机床自动加工复杂的零件，能使宇宙飞船准确地进入轨道，使导弹准确地击中目标。利用计算

23、机可以管理城市交通、编辑稿件、诊断疾病等。计算机制作的乐曲，水平不在一般谱曲人之下；与计算机下棋，许多优秀的棋手往往败北。具体来说，计算机主要有下面几方面的应用：1、 科学计算，或称数值计算。在科学技术及工程设计应用中，会遇到各种数学问题的计算、计算机的应用，最早是从这一领域开始的。电子计算机在科学计算和工程设计不仅能减轻繁杂的计算工作量，而且能解决过去无法解决或不能及时解决的问题。例如，在 1948 年，美国原子能研究中心有一项计划，要作 900 万道运算，需要 1 500 个工程师计算 1 年。而当时用了一台初期的计算机，只用了 150 个小时就完成了。早在 1671 年，著名的数学家戈特

24、弗利德莱布尼茨说过：“让一些杰出的人才像奴隶般地把时间浪费在计算上是不值得的”，他渴望有朝一日有一种运算工具把科学家从这种奴隶般的计算中解放出来，这个愿望现在可以说已基本实现了。2、 自动控制，特别是工业、交通的自动控制。计算机广泛应用于工业，能够大幅度提高产品性能和劳动生产率，减轻劳动强度，降低能源和材料的消耗。例如：一台带钢热轧机，改用计算机控制后，产量可为人工控制的 100 倍，而且质量显著提高。计算机在传统产业中的广泛使用促进了生产的集成化，大大改变了各部门的装备面貌，促进了产品结构、产业结构、生产方式和管理体制的改革，增加了企业产品的更新换代的能力，提高了经济效益，为生产和管理实现高

25、速化、大型化、综合化、自动化创造了条件。用计算机技术指挥交通，在我国和一些先进国家已被广泛使用。此外，计算机控制技术在军事、航空、航天、核能利用等领域的应用已是“历史悠久”，硕果累累。3、 数据处理和信息加工。所谓信息是指由数据、信号等构成的集合，数据处理是指对数据进行一系列的操作。利用计算机可对大批数据进行加工、分析及处理。如数据报表、资料统计和分析、工农业产品的合理分配、工业企业的合理编制、企业成本核算等；银行可以用计算机记帐、算帐；图书馆可以用计算机自动检索。在数据处理领域中，由于数据库技术和网络技术的发展，信息处理系统已从单功能转向多功能、多层次，管理信息系统(mis)逐渐成熟，它把数

26、据处理与经济管理模型的优化计算和仿真结合起来，具有决策、控制和预测能力。管理信息系统在引入人工智能之后就形成决策支持系统(dss)，它充分运用运筹学、管理学、人工智能。如果将计算机技术、通信技术、系统科学及行为科学应用于传统数据处理中无法处理的一些结构不分明的，包括非数值数据型信息的办公事务上，就形成了办公自动化系统(oa)。mis 系统的建立在我国已经有了一定的规模，随着计算机技术的不断发展，mis 系统在计算机应用中，将会占据更重要的地位。4、 计算机辅助技术。计算机辅助技术包括：计算机辅助设计(cad)、计算机辅助制造(cam)、计算机辅助教学(cai)等。近年来新兴的计算机辅助设计 c

27、ad(computer aided design)，是利用计算机部分代替人工进行飞机、机械、房屋、水坝、电路板以及服装设计等。使用这种技术能提高设计工作的自动化程度，节省人力和时间。现在，计算机都采用这种技术来完成自身的体系结构模拟、逻辑模拟、大规模及超大规模电路设计，以及印制电路板的自动布线等工作，使新型计算机的设计周期大大缩短，设计质量大大提高。计算机辅助制造（cam）是利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的过程。如工厂在制造产品的过程中，用计算机来控制机器的运行，处理制造中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行测试和检验等。采用cam技术能提高产品质量，降低生产成本，改善工作

28、条件和缩短产品的生产周期。计算机辅助教学（cai）则是帮助教师进行课程内容的教学和测验，学生可以通过人机对话的方式学习有关章节的内容并回答计算机给出的问题，教师利用 cai 系统可指导学生的学习、命题和阅卷等。目前，cai 软件已大量涌现，从小学、中学到大学的许多课程都有成熟的 cai 软件产品，有些软件图文并茂，提高了学生的学习兴趣和积极性。今后的 cai 系统将是一个多媒体计算机系统，在这个系统中图、文、声、像俱全，在学校、家庭或实现无校舍教学中将发挥积极作用。5、 人工智能。在人工智能的研究和应用方面，利用计算机来模拟人脑的一部分职能，如语言的翻译、计算机辅助诊断、分析病情并开出药方等。

29、计算机还可以用来对弈、作曲、画像等等。1.2 计算机的工作原理1.2.1 计算机的工作原理从 1946 年出现的第一台计算机直到今天被称之为第四代的计算机，它们的基本工作原理大体相同，这一原理由美籍匈牙利数学家冯诺依曼(john von meumann)于 1946 年提出，故称为冯诺依曼原理。冯诺依曼原理可简单叙述为：将完成某一计算任务的步骤，用机器语言程序预先送到计算机存储器中保存，然后启动机器，按照程序编排的顺序，一步一步地取出指令，控制计算机各部分的运行。因此，冯诺依曼原理也称为“存储程序”工作原理，它是当代计算机最基本的工作原理，根据这一原理组成的计算机称为冯诺依曼型计算机。近 50

30、 年来，尽管计算机的结构有了重大的变化，性能有了惊人的提高，但就其结构原理来说，至今占统治地位的仍是存储程序式的冯诺依曼型计算机，这种计算机的的组成结构如图1-18 所示。图1-18 冯诺依曼计算机的工作原理图中虚线之内的部分表示计算机的主机，虚线之外是计算机的外设。从图中可以看出计算机的主机由 cpu（运算器、控制器）、内存储器（ram、rom）和i/o接口几部分组成，这几部分是通过总线相连接的。总线是计算机内传输数据和各种信号的公共通道。计算机内的总线有三种，它们是地址总线(address bus)、数据总线（data bus）和控制总线(control bus)。从图中还可以看出外部设备

31、不是直接与总线相连接的，而是通过i/o接口与总线连接的。冯诺依曼计算机的每一条指令，其执行过程都可分为两个阶段。取指阶段：开始时，微机进入取指令阶段。在cpu控制下，从内存种取出一条指令送入cpu，经cpu分析后产生完成此指令的各种定时控制信号。执行阶段：取指阶段结束后，就进入了执行阶段。执行阶段在cpu产生的该指令的对应控制信号作用下，执行该指令规定的操作。实际程序的执行过程就是在cpu控制下不断的取指令，执行指令、再取指令，再执行指令，直至程序所有指令都执行完毕的过程。执行一条指令的时间称为指令周期。指令周期又可分为取指周期和执行周期。取指周期对任何一条指令都是一样的，而执行周期则不然，由

32、于指令性质不同，要完成的操作有很大差别，因此不同指令的执行周期不尽相同。122 数制及编码计算机最基本的功能是进行数据的计算和处理加工，这里所说的数据包括数字，也包括由各种字符和符号组成的非数值型数据，因此广义的说，计算机的功能是进行信息加工处理。数据在计算机中是以器件的物理状态来表示的，为了使其方便可靠，在计算机中采用了二进制数字系统；或者说，计算机只认得二进制数。想要用计算机处理的所有的数，都必须用二进制数字系统来表示，计算机处理的所有字符或符号也要用二进制码来表示。1.1.1进位计数制计数方法有多种，在日常生活中我们最熟悉的也是国际上通用的计数方法是十进制计数法,除了十进制外，还有很多计数制，如一天24小时，称之为24进制，1小时是60分钟，称之60进制，这些统称为进位计数制，在计算机中经常使用的是二进制、十六进