1、計算機基礎知識概述,學習目標,了解計算機的發(fā)展與應用 掌握計算機硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的組成 掌握計算機的工作原理 掌握衡量計算機性能的主要指標 掌握計算機的工作理,主要內容,計算機的發(fā)展與應用,計算機系統(tǒng)的基本組成,衡量計算機性能的主要指標,1. 第一臺計算機的誕生 世界上第一臺數字式電子計算機是由美國賓夕法尼亞大學的物理學家約翰莫克利（John Mauchly）和工程師普雷斯伯埃克特（J-Presper Eckert）領導的科研小組于1943年開始研制并于1946年完成，取名為ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Calculator）。,5000

2、次加法/秒 體重30噸 占地170m2 17468只電子管 6000個繼電器 功率174KW,第一臺電子計算機（ENIAC）,世界上第一臺程序存儲式計算EDSAC由英國劍橋 大學的莫利斯威爾克于1949年研制成功，它標志 著計算機時代的真正開始。,第一臺程序存儲式計算機,馮.諾伊曼（Von Neumann） 第一臺程序存儲計算機 EDSAC 1949,2. 計算機的分代,第一代 （1946-1959） 電子管 5千-4萬（次/秒）,第二代 （1960-1963） 晶體管 幾十萬-百萬（次/秒）,第三代 （1964-1970） 集成電路 百萬-幾百萬（次/秒）,第四代 （1971-至今） (超）

3、大規(guī)模集成電路 幾百萬-幾億（次/秒）,1.1 計算機的發(fā)展與應用,第一代 （19461959） 電子管 5千4萬（次/秒）,第一代計算機的特點： 采用電子管作為基本物理器件。體積大、能耗高、速度慢、容量小，應用也僅限于科學計算和軍事目的。,20 世紀50年代，IBM 704型采用電子管的第一代電子計算機。,第二代 （19601963） 晶體管 幾十萬百萬（次/秒）,第二代計算機的特點： 采用晶體管作為基本物理器件。體積小、能耗低、穩(wěn)定性強，這一時期適用于事務處理的FORTRAN語言得到廣泛的應用，因此，應用范圍從單純的科學計算和軍事目的擴展到事務處理、工程設計、數據處理等方面。,IBM公司于

4、1959年生產的IBM 7090型采用晶體管的第二代電子計算機。它的體積減小了，運算速度卻更快。,第三代 （19641970） 集成電路 百萬幾百萬（次/秒）,第三代計算機的特點： 采用中小規(guī)模集成電路作為基本物理器件。它具有通用化、系列化、標準化的特點。,1964年4月IBM360系統(tǒng)問世。它成為使用集成電路的第三代電子計算機的著名代表,第四代 （1971至今） （超）大規(guī)模集成電路 幾百萬幾億（次/秒）,第四代計算機的特點： 采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路作為基本物理器件。這一時期的計算機計算速度可達幾百萬甚至上億次每秒。在系統(tǒng)結構方面發(fā)展了并行處理技術分布式計算機系統(tǒng)和計算機網絡等；軟件方

5、面發(fā)展了數據庫系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)、高效可靠的高級語言以及軟件工程標準化等。,英國國家航空管理局的控制中心，空中交通管制用IBM計算機進行控制,ENIAC,劃時代的實驗裝置,晶體管實質上是按顯微比例的真空管建造的。,電子管的缺點： 體積大； 耗能高、散熱量大。,晶體管的優(yōu)點： 體積小； 耗能低； 性能穩(wěn)定。,電子恐龍的縮骨法晶體管,1.1 計算機的發(fā)展與應用,計算機的特點,運算速度快,計算機精度,記憶能力強,邏輯判斷能力強,1.1 計算機的發(fā)展與應用,計算機的分類,按工作原理劃分,按功能劃分,模擬式電子計算機 數字式電子計算機,按規(guī)模劃分,按工作模式劃分,專用計算機 通用計算機,巨型機 大型機

6、 小型機 微型機,工作站 服務器,1按用途劃分 （1）通用機：適用解決多種一般問題，該類計算機使用領域廣泛、通用性較強，在科學計算、數據處理和過程控制等多種用途中都能適應。 （2）專用機：用于解決某個特定方面的問題，配有為解決某問題的軟件和硬件，如在生產過程自動化控制、工業(yè)智能儀表等專門應用。,計算機分類,2按規(guī)模劃分 （1）巨型計算機：應用于國防尖端技術和現代科學計算中。巨型機的運算速度可達每秒百萬億次，研制巨型機是衡量一個國家經濟實力和科學水平的重要標志。 （2）大/中型計算機：具有較高的運算速度，每秒可以執(zhí)行幾千萬條指令，而且有較大的存儲空間。往往用于科學計算、數據處理或作為網絡服務器使

7、用。 （3）小型計算機：規(guī)模較小、結構簡單、運行環(huán)境要求較低，一般應用于工業(yè)自動控制、測量儀器、醫(yī)療設備中的數據采集等方面。小型機在用作巨型計算機系統(tǒng)的輔助機方面也起了重要作用。,（4）微型計算機：中央處理器（CPU）采用微處理器芯片，體積小巧輕便，廣泛用于商業(yè)、服務業(yè)、工廠的自動控制、辦公自動化以及大眾化的信息處理。 （5）工作站：工作站是一種以個人計算機和分布式網絡計算為基礎，主要面向專業(yè)應用領域，具備強大的數據運算與圖形、圖像處理能力，為滿足工程設計、動畫制作、科學研究、軟件開發(fā)、金融管理、信息服務、模擬仿真等專業(yè)領域而設計開發(fā)的高性能計算機。 （6）服務器：在網絡環(huán)境下為多個用戶提供服

8、務的共享設備，一般分為文件服務器、打印服務器、計算服務器和通信服務器等。,3按處理對象劃分 （1）數字計算機：計算機處理時輸入和輸出的數值都是數字量。 （2）模擬計算機：處理的數據對象直接為連續(xù)的電壓、溫度、速度等模擬數據。 （3）數字模擬混合計算機：輸入輸出既可是數字也可是模擬數據。,計算機是一種高度自動化的信息處理設備。主要特點有： 運算速度快； 自動連續(xù)的高度計算； 計算精度高； 記憶能力強，存儲容量大； 可靠的邏輯判斷能力； 可靠性高，通用性強。,計算機的特點,1.1 計算機的發(fā)展與應用,計算機的應用領域,計算機的應用領域,1. 科學計算：指計算機應用于完成科學研究和工程技術中所提出的

9、數學問題（數值計算）。一般要求計算機速度快、精度高，存儲容量相對大。科學計算是計算機最早的應用方面。 2信息處理：信息處理主要是指非數值形式的數據處理，包括對數據資料的收集、存儲、加工、分類、排序、檢索和發(fā)布等一系列工作。 3過程控制：把計算機用于科學技術、軍事領域、工業(yè)、農業(yè)等各個領域的過程控制。,4計算機輔助系統(tǒng)：有計算機輔助教學（CAI）、計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）、計算機集成制造（CIMS）等系統(tǒng)。 5多媒體技術：把數字、文字、聲音、圖形、圖像和動畫等多種媒體有機組合起來，利用計算機、通信和廣播電視技術，使它們建立起邏輯聯(lián)系，并能進行加

10、工處理的技術。 目前多媒體計算機技術的應用領域正在不斷拓寬，除了知識學習、電子圖書、商業(yè)及家庭應用外，在遠程醫(yī)療、視頻會議中都得到了極大的推廣。,6計算機通信：是計算機技術與通信技術結合的產物，計算機網絡技術的發(fā)展將處在不同地域的計算機用通訊線路連接起來，配以相應的軟件，達到資源共享的目的。7人工智能：研究解釋和模擬人類智能、智能行為及其規(guī)律的一門學科。其主要任務是建立智能信息處理理論，進而設計可以展現某些近似于人類智能行為的計算系統(tǒng)。人工智能學科包括：知識工程、機器學習、模式識別、自然語言處理、智能機器人和神經計算等多方面的研究,1.1 計算機的發(fā)展與應用,1.2 計算機系統(tǒng)的基本組成,1.

11、2.1 計算機硬件系統(tǒng),控制器是計算機的指揮中心，負責從存儲器中取出指令，并對指令進行譯碼； 根據指令的要求，按先后順序，負責向其他各部件發(fā)出控制信號； 保證各部件協(xié)調一致地工作。 控制器主要由指令寄存器、譯碼器、程序計數器和操作控制器等組成。,控制器,運算器是計算機的核心部件，它負責對信息的加工處理。 它在控制器的控制下，與內存交換信息，并進行各種算術運算和邏輯運算。 運算器還具有暫存運算結果的功能，它由加法器、寄存器、累加器等邏輯電路組成。 控制器和運算器之間在結構關系非常密切。 到了第四代計算機，運算器和控制器集成在一個芯片上，形成中央處理器CPU。,運算器,1.2.1 計算機硬件系統(tǒng),

12、存儲器,主存儲器,輔助存儲器,隨機存儲器,只讀存儲器,存儲器,靜態(tài)RAM,動態(tài) RAM,硬盤 光盤 U盤 ,1.2.1 計算機硬件系統(tǒng),用于接受用戶輸入的原始程序和數據 是重要的人機接口 負責將輸入的程序和數據轉換成計算機能識別的二進制代碼，并放入內存中 常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。,輸入設備,1.2.1 計算機硬件系統(tǒng),將計算機運算處理的結果以用戶熟悉的信息形式反饋給用戶 通常輸出形式有數字、字符、圖形、視頻、聲音等類型 常見的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等,輸出設備,1.2.1 計算機硬件系統(tǒng),相對于計算機硬件而言，軟件是計算機的無形部分，是計算機的靈魂。軟件可以對硬件進行管

13、理、控制和維護。根據軟件的用途可將其分為： 系統(tǒng)軟件 應用軟件,1.2 計算機系統(tǒng)的基本組成,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)是最基本最重要的系統(tǒng)軟件，用來管理和控制計算機系統(tǒng)中硬件和軟件資源的大型程序，是其他軟件運行的基礎。 操作系統(tǒng)負責對計算機系統(tǒng)的全部軟、硬件和數據資源進行統(tǒng)一控制、調度和管理。 主要作用就是提高系統(tǒng)的資源利用率、提供友好的用戶界面，從而使用戶能夠靈活、方便地使用計算機。,系統(tǒng)軟件,語言處理程序 人與人交流需要語言，人與計算機之間交流同樣需要語言。人與計算機之間交流信息使用的語言叫做程序設計語言。按照其對硬件的依賴程度通常把程序設計語言分為三類： 機器語言

14、匯編語言 高級語言,系統(tǒng)軟件,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),機器語言 機器語言是一種用二進制代碼“1”和“0”組成的一組代碼指令，是唯一可以被計算機硬件識別和執(zhí)行的面向機器的語言。 優(yōu)點：占用內存小、執(zhí)行速度快 缺點：編寫程序工作量大、程序閱讀性差、調試困難,系統(tǒng)軟件,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),匯編語言 匯編語言是使用一些能反映指令功能的助記符來代替機器指令的符號語言。 匯編語言的指令與機器語言的指令基本上是一一對應的。這些助記符一般是人們容易記憶和理解的英文縮寫， 優(yōu)點：匯編語言在編寫、閱讀和調試方面有很大進步，運行速度快。 缺點：是面向機器的語言，編程復雜，可移植性差。,系統(tǒng)軟件,1.2.

15、2 計算機軟件系統(tǒng),高級語言 高級語言是一種獨立于機器的算法語言。 高級語言的表達方式接近于人們日常使用的自然語言和數學表達式，并且有一定的語法規(guī)則。 缺點：編寫的程序運行要慢一些 優(yōu)點：編程簡單易學、可移植性好、可讀性強、調試容易,系統(tǒng)軟件,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),數據庫管理系統(tǒng) 數據庫管理系統(tǒng)主要面向解決數據處理的非數值計算問題，對計算機中存放的大量數據進行組織、管理、查詢。 目前，常用的數據庫管理系統(tǒng)有SQL Server、Oracle、Mysql和Visual FoxPro等。,系統(tǒng)軟件,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),應用軟件,1.2.2 計算機軟件系統(tǒng),硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng),主機,外

16、設,系統(tǒng)軟件,應用軟件,隨機存儲器,只讀存儲器,高速緩沖存儲器,輸出設備,輸入設備,操作系統(tǒng),語言處理程序,網絡通信管理程序,數據管理系統(tǒng),用戶程序,應用軟件包,控制器,運算器,外存儲器,內存儲器,中央處理器,軟盤,硬盤,光盤,顯示器、投影儀,打印機,繪圖儀,鍵盤,鼠標,掃描儀,計算機系統(tǒng)組成,1.2.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成,微型計算機的核心是微處理器（Microprocessor） 從外觀上看，微型計算機的基本硬件包括： 主機 包括主板、硬盤、光存儲器、電源和插在主板I/O總線擴展槽上的各種功能擴展卡。 顯示器 鍵盤 鼠標 還包含其他一些外部設備：打印機、掃描儀等。,1.2.3 微型計

17、算機系統(tǒng)的基本組成,主板,CPU,按相對于CPU或其他芯片的位置可分為 片內總線和片外總線 按總線的功能可分為 地址總線、數據總線和控制總線 按照總線的傳送方式可分為 并行總線和串行總線,總線,硬盤,光盤,移動存儲器,鍵盤,掃描儀,打印機,微型計算機的軟件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件,應用軟件,Windows操作系統(tǒng),網絡操作系統(tǒng),漢字操作系統(tǒng),計算機程序設計語言,:C、Pascal、Basic,財務報表軟件 文字處理軟件 媒體播放軟件 圖形圖像處理軟件 游戲軟件,1.2.3 微型計算機系統(tǒng)的基本組成,1.3 衡量計算機性能的主要指標,1. 運算速度,2. 存儲器的指標,3. I/O的速度,計算機的運算速度

18、是指計算機每秒鐘執(zhí)行的指令數。影響運算速度的主要因素有： CPU的主頻。 字長。 指令系統(tǒng)。,1.3 衡量計算機性能的主要指標,3. I/O的速度,存取速度：內存完成一次讀（?。┗驅懀ù妫┎僮魉璧臅r間稱為存儲器的存取時間或者訪問時間。 存儲容量：內存容量反映了主存儲器能夠容納的數據總量。,2. 存儲器的指標,1. 運算速度,1.3 衡量計算機性能的主要指標,I/O速度是指CPU與外部設備數據交換的速度。主機I/O的速度取決于I/O總線的設計。I/O速度的提高對于慢速設備（例如鍵盤、打印機）關系不大，但對于高速設備則效果十分明顯。,1. 運算速度,3. I/O的速度,2. 存儲器的指標,1.4

19、基本運算,計算機共有三種基本運算： 算術運算：+，-，*，/ 關系運算: ,=, =, (不等于) 邏輯運算: .AND.(與) , .OR.(或), .NOT.(非),1.5 數制,2.1 數制的概念 數制又稱計數法，是用一組規(guī)定的符號和規(guī)則來表示數的方法。 進制 特點 數碼 基數n 位權 十進制 D 逢十進一 09 10 10k,數碼的個數,“逢n進一，借一當n”,Eg.1234.5=1x103+2x102 +3x101+4x100 +5x10-1,二進制 B 逢二進一 0、1 2 2k 八進制 O 逢八進一 07 8 8k 十六進制H 逢十六進一 0-9,A-F 16 16k,二進制計算

20、機的語言,計算機中采用二進制 逢二進一 ， 借一當二 運算規(guī)則：0+0=0 0+1=1 1+1=10 00=0 01=0 11=1,數制,(11101010)2=1x27+ 1x26+1x25 + 0 x24 + 1x23 + 0 x22 + 1x21 + 0 x20 =(234)10,舉例：二進制數的算術運算,數制,八進制,逢八進一 ， 借一當八 二 八 進制之間的對應關系,數制,十六進制,逢16進一 ， 借一當16 二 十六 進制之間的對應關系,數制,不同進制數的對應關系：,十進制與二進制之間的轉換 十進制與八進制之間的轉換 二進制與八進制之間的轉換 二進制與十六進制之間的轉換,2.2 不

21、同數制的轉換,數制,二進制與十進制的轉換,二進制 十進制eg. ( 101111 . 101 )2 =(47.625) 10,按 “權” 展開相加 ( 101111 . 101 )2 = 125 +024+ 123 + 122 + 121+120 +12-1 + 02-2 + 12-3 = 32+0+8+4+2+1+0.5+0+0.125 = (47.625) 10,數制,十進制 二進制,(47.625)10= ( 101111 . 101 )2,整數： 除2取余 小數： 乘2取整,2 47 商 余數 23 - 1 2 11 - 1 5 - 1 2 2 - 1 1 - 0 0 - 1,讀出方向

22、,0.625 2 1. 25 - 1 0. 25 取小數部分 2 0. 5 - 0 2 1. 0 - 1,讀出方向,數制,練習,( 11001 )2 ( 101.101 )2 ( 36 )10 ( 14.25 )10,= (25)10 =(5.625)10 = (100100)2 =(1110.01)2,數制,十進制與八進制的轉換,八進制 十進制eg. ( 57 . 5 )8 =(47.625)10,按 “權” 展開相加 ( 57 . 5 )8 = 5 81 +7 80 + 5 8-1 = 40+7+0.625 = (47.625) 10,數制,十進制 八進制eg. (47.625)10= (

23、 57 . 5 )8,整數： 除8取余 小數： 乘8取整,8 47 商 余數 8 5 - 7 0 - 5,讀出方向,0.625 8 5.000 - 5,數制,讀出方向,總結,二、八、十六進制 十進制 按“權”展開相加 十進制 二、八、十六進制 整數部分/ 基數，取余數 小數部分x基數，取整數 2 8 16 注意：讀出方向,數制,二進制和八進制之間的轉換,每一位8進制數可以用三位2進制數表示 11 101 010 001 . 001 11 二進制 3 5 2 1 . 1 6 八進制 5 6 7 . 7 3 4 八進制 101 110 111 . 111 011 100 二進制,數制,0,0,二進制和十六進制之間的轉換,每一位16進制數可以用四位2進制數表示 0111 0101 0001 . 0011 1000 二進制 7 5 1 . 3 8 16進制 5 6 D . 7 C 16進制 0101 0110 1101 . 0111 1100 二進制,數制,練習,二進制 十六、八進制 1. (1000