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第一章 计算机的基础知识
计算机的定义:
计算机是一种按照事先存储的程序，自动、高速地进行信息处理的现代电子仪器。
数值计算是指对数字进行加工处理的过程。如科学与工程计算。
信息处理是指对字符、文字、图形、图象、声音等信息进行采集、组织、存储、加工和检索的过程。
计算机具有运算能力，它可以进行加、减、乘、除等算术运算。也可以进行逻辑运算和对运算结果进行判断。同时也具有存储信息的能力。
人们也把计算机称为“电脑”，因为它具有记忆能力，也有逻辑推理能力。目前计算机还不具有思维能力。
1946年第一台电子计算机诞生,重达300吨，占地167平方米，虽然每秒钟只能进行5000次加减运算,但它具有划时代的意义.
1.1 计算机的发展历程
第一代电子计算机是电子管计算机，时间大约是1946年~1958年，逻辑元件采用电子管，用机器语言或汇编语言编写程序，运算速度为每秒几千次，内存为几KB。体积大，造价高。仅应用于军事和科学研究。
电子计算机的发展可分为如下几个阶段:
1.第一代电子计算机
2 第二代电子计算机
第二代电子计算机是电子管计算机，时间大约是1958~1964年，其逻辑元件由电子管改为晶体管，运算速度达到每秒几十万次，内存扩大到几十KB .出现了FORTRAN、COBOL 、ALGOL等高级语言。
第三代电子计算机是集成电路计算机，时间大约是1964~1970年。其逻辑元件采用小规模集成电路SSI(Small Scale Integration)。运算速度可达到每秒几十万次到几百万次
4 第四代电子计算机
第四代电子计算机是大规模集成电路计算机，时间是1970年至今。其逻辑元件采用大规模集成电路LSI(Large Scale Integration)。运算速度可达到每秒几千万次到十万亿次。
3 第三代电子计算机
Microcomputer(微型计算机）
Computer(计算机）
Calculator(计算器）
PC机（personal computer)个人计算机
电脑：计算机的俗称
各种名称：
计算机的外观组成
机箱
键盘
显示器
鼠标
音箱
机箱：
机箱分为：立式和卧式两种。
计算机的重要部件都安装在机箱内，如主板、CPU、内存、硬盘驱动器、软盘驱动器、光盘驱动器、声卡、显卡、电源等。
键盘：
键盘是用户向计算机输入字符和命令的设备。键盘有101键盘和104键盘。104键盘是windows95专用键盘，比101键盘多了几个快捷键。此外，还有107和108键盘。如果一台计算机没有键盘，计算机将无法启动。
鼠标：
是一种比键盘更灵活、更方便的输入设备。是计算机上必不可少的设备。
显示器：
是计算机必不可少的输出设备。
音箱：
计算机的发声设备。多媒体电脑的重要组成部分之一。
计算机的主板：
主机主要由CPU、内存、总线、输入 \输出设备（简称I\O接口）和扩展槽等构成。通常制成一块印刷线路板，称为主板。
计算机系统
硬件
软件
CPU
存储器
输入设备
输出设备
系统软件
应用软件
运算器
控制器
随机存储器RAM
只读存储器ROM
1.2 计算机的硬件系统系统及其结构
主存储器
外存储器
操作系统
语言处理程序
计算机语言
数据库管理系统
计算机的硬件系统
硬件系统一般指用电子器件和机电装置组成的计算机实体。
软件系统一般指为计算机运行工作服务的全部数据和各种程序。
计算机的硬件系统由五大部分组成：
运算器
控制器
存储器：内存储器和外存储器
输入设备
输出设备
CPU：中央处理器
运算器：
运算器的主要任务是进行算术运算和逻辑运算，一般包括算术逻辑部件ALU、累加器和寄存器。
运算器的主要技术指标是参加运算的二进制数据的位数与运算精度；前者影响计算机的运算速度，后者则反映计算机的工作效率，它从存储器中取得运算数据，经寄存器数据缓冲，再经过运算后得到运算结果，该结果保留在寄存器中以备下一次运算使用，或者再送回存储器。整个运算过程是在控制器控制下自动进行的。
控制器
控制器从存储器读入指令，并对输入的指令进行分析，然后，控制和指挥计算机的各个部件完成一定的任务。它包括以下几个部分：
①指令寄存器；
②指令计数器（程序计数器）；
③操作码译码器。
控制器的功能可概括为：取指令、分析指令和执行指令。
CPU图例
主频：
CPU 的时钟频率，如PentiumIII550,
Celeron433等指的就是时钟频率。
外频：
就是CPU总线的频率，是主板为CPU提供的基准时钟频率。
早期的外频为60\66MHz，1998年下半年提高到100MHz，1999年中期提高到133MHz，
主频和外频
存储器：
（1）内存储器：
存储器是计算机存储程序和数据的部件。计算机的存储器分为两大类：
内部存储器
外部存储器
内存储器又称为主存储器，简称内存（主存）。用于存储计算机正在运行的程序、原始数据。通常8个二进制位(bit用b表示)称为一个字节（byte用B表示),字节是用来度量存储器大小的基本单位，1024B为1KB 。
内存储器包括ROM和RAM两部分：
①只读存储器ROM（Read Only Memory）
只读存储器是一种用专用设备才能写人的可擦可编程存储芯片，用户只能读取其中的内容；不能修改，断电后其中的内容也不会消失。该芯片装配在系统主板上。
BIOS（基本输人／输出系统）软件就存放在ROM内,它提供了最基本的和初步的操作系统服务，同时也是硬件与操作系统上层软件之间的接口。
BIOS的主要功能有：
系统冷启动、热启动
上电自检程序
基本外部设备驱动程序、
硬件中断管理程序、
系统配置分析程序。
系统配置程序、
系统诊断程序、
字符图形发生器。
时钟管理程序、
DOS装人引导程序等。
②随机存取存储器RAM（Random Access Memory）
随机存取存储器又称为读写存储器RAM，用于存放现场程序和数据，因为RAM中的信息是由电路的状态表示的，所以断电后信息一般会立即丢失。
用半导体集成电路制成的RAM．又可分为静态随机存储器(SRAM）和动态随机存储器（DRAM）两种：
SRAM是通过有源电路，即一个双稳态电路来保持存储器中的信息。只要存储体的电源不断，存放在它里面的信息就不会丢失；
DRAM是以无源元件存放数据，并且需要周期性的刷新来保持数据。目前微机上的随机存取存储器RAM一般都采用动态随机存储器 DRAM，其内存容量为 64MB、128MB、256MB，甚至更多。
内存条：
　　计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中读取数据。
　　Cache 的容量一般在32～256KB之间，存\取速度在15~35ns (纳秒）之间，
RAM的存取速度一般大于80ns。
是在CPU与内存之间设置一级或两极高速小容量存储器。
高速缓冲存储器（Cache)
（2）外存储器
外存储器又称为辅助存储器，简称外存（辅存）。外存作为主存储器的后备和补充而广泛使用。
外存储器的特点是：存储容量大、成本低、存取速度慢，可以永久地脱机保存信息。
常用的外存储器有：软磁盘、硬磁盘、磁带和光盘等。一台微机配备的硬盘容量越大越好，但容量越大，价格越高。 。
软盘和硬盘
软盘写保护
1.44MB软盘有80个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区可存储512B，每个磁盘有两个面。
磁道是以盘片中心为圆心的同心圆，每一个圆周为一个磁道，最外面的磁道为0磁道。
80×18×512B×2=1474560B=1.44MB
磁道和扇区
硬盘
光盘存储器
光盘也称为CD—ROM，
光盘的容量一般为650MB
CD—R 和 CD—RW
光盘刻录机
各种光盘
4、输入设备
输人设备是向计算机中输人信息（程序、数据、声音。文字。图形。图像等）的设备。
常用的输人设备有键盘。鼠标器。图形扫描仪、数字化仪、光笔、触摸屏等。
（1）键盘
键盘是微型机必配的输人设备，它供用户向主机输人命令、程序和数据。
大键盘
小键盘
（2）鼠标器
鼠标器是取代传统键盘的光标移动键，使光标移动定位更加方便、准确的输人装置，它是一般窗口软件和绘图软件的首选输人设备。
（3）扫描仪
扫描仪是一种捕获图像并将之转换为计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入的设备。这里所说的图像是指照片、文本页面、图画和图例等，甚至三维对象也可以作为扫描图像。
5、输出设备
输出设备是用来保存计算机的处理结果。
常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。
（1）显示器
显示器又称为监视器（Monitor）,是计算机最基本的，也是必配的输出设备。使用的阴极射线管显示器简称CRT。
CRT显示器
有红、绿、蓝（RGB)三支电子枪
显示器常用术语
点距：显示器上两个颜色相同的磷光点之间的距离。如.28mm , .26mm等
点距数值越小，显示器的聚焦性能越好。
尺寸：显示屏对角线的长度
分辨率一般有640×480、800× 600 、1024 ×768等
分辨率：显示屏水平方向和垂直方向上像素的数目
行频：水平扫描频率
场频：垂直扫描频率（刷新频率）
每秒对水平偏转信号的刷新次数
每秒对垂直偏转信号的刷新次数
刷新频率越快，画面越稳定。一般应在85Hz以上。
（2）打印机
打印机也是计算机系统最常用的输出设备。在显示器上输出的内容可当场察看，但不能保存，打印机正好弥补了这个不足。
目前常用的打印机有：点阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。
各种打印机图
针式打印机原理
（3）绘图仪
绘图仪是将计算机的输出信息绘制成图形的输出设备。
通常人们将运算器与控制器合称为中央处理器，简称CPU。而将中央处理器与内存储器合称为主机，将输人设备和输出设备称为外部设备或外围设备。
接口
接口是指不同设备为实现与其他系统或设备的连接和通讯而具有的对接部分。
实现不同设备对接的接口电路称为接口。
I/O接口是计算机的重要组成部分，它实现了各种设备与CPU之间的连接。如显示器、打印机、磁盘等。
I/O接口分为总线接口和通讯接口
机箱后接口
PS/2并口
USB 接口
25针并口
9针串口
USB的特点：
可连接多个不同设备，即插即用连接，支持热插拔。最多可连接127个设备。传输速率为480Mb/s，是并口的几百倍。不需要给设备单独提供电源
UBS接口
显卡和声卡接口
网卡
扫描仪及手写笔
数码相机
1.3 计算机软件系统及其结构
软件系统是指计算机运行所需要的程序、数据及有关资料等。一般分为系统软件和应用软件。
1．系统软件
系统软件是指控制和协调微机及其外部设备、支持应用软件的开发和运行的软件。一般包括：操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和服务程序等。
（1）操作系统
操作系统是用来管理和控制计算机系统中所有的软、硬件资源，使其协调、高效地工作，并为用户提供一个使用计算机的良好运行环境的软件。
（2）语言处理程序
将使用某种语言编写的程序编译成计算机可以识别的机器语言目标程序。
（3）计算机语言
计算机语言是用户和计算机之间进行交流的工具，可分为三种：机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言（Machine Language）
能直接被计算机接受并执行的指令称为机器指令。全部机器指令构成计算机的机器语言。机器语言是二进制代码语言。
机器语言程序可以直接在计算机上运行，但是，用机器语言编写程序不利于记忆、阅读、书写。
由于计算机只能接受以二进制代码形式表示的机器语言，所以任何高级语言最后都必须译成二进制代码程序,才能为计算机所接受并执行。
汇编语言容易记忆，便于书写，但机器不能直接识别和执行用汇编语言编写的程序，必须将其翻译成机器语言才能在计算机上运行。这种翻译过程被称为汇编过程。
用助记符号表示二进制代码形式的机器语言称为汇编语言，汇编语言是为特定的计算机或计算机系统设计的面向机器的语言。汇编语言指令与机器指令基本上保持了一一对应的关系。
汇编语言（Assembler Language）
高级语言（High Level Language）
机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，它们虽然有较高的运行效率，但人们编写程序的效率却很低；高级语言是同自然语言。数学语言比较接近的计算机程序设计语言，它容易为人们掌握，用来描述一个解题过程或问题的处理过程十分方便、灵活，由于它独立于机器，因此具有一定的通用性。
（4）数据库管理系统
数据库是为满足某部门中多个用户多种应用的需要，按照一定的数据模型在计算机中组织。存储、使用的互相联系的数据集合。数据库管理系统则是为数据库的建立、使用和维护而配置的软件集合，它为人们提供了统一的管理和操作数据库的手段。
目前，在微机上广泛使用的数据库管理系统有： FoxPro、SQL Sever、Access、Oracle等。
（5）服务程序
服务程序指协助用户进行软件开发和硬件维护的软件。例如各种开发调试工具软件、编译程序、连接程序、计算机工具软件、诊断测试软件、病毒清除软件等。
2 、应用软件
应用软件一般指用户在各自的应用领域中为解决某些实际问题而编制的程序。由于计算机的应用领域极其广泛，因此，应用软件种类繁多
1.4 计算机的分类及应用
1.4.1 计算机的性能指标主要有以下几个方面：
1．字长
字长是计算机的一项重要指标。字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，字长直接影响到计算机的性能及应用领域。
2．主频
主频是指CPU的时钟频率，例如，PⅢ／800，即CPU的主频率是800MHz,主频很大程度上决定了计算机的运算速度，主频越高，意味着计算机的速度也越快。
3．存储容量
存储容量是指微型机主机内的存储容量（简称内存容量），单位为字节。待运行的程序和数据必须先装人内存储器后才能执行，所以存储容量决定了计算机能否运行较大的程序，并直接影响运行速度。
4．数据传输率
指计算机主机与外部设备交换数据的速度，一般来讲，传输率高的计算机可以配置高速外部设备。
5．兼容性
计算机的兼容性是指运行各种操作系统。应用软件包和在其他类型机器上开发程序的可能性。
6．运算速度
计算机运算速度是衡量计算机水平的一项主要指标，它取决于指令执行时间。运算速度通常用单位时间内执行多少条指令表示。
计算机的规模指它的体积、字长、运算速度、存储容量、外部设备、输入和输出能力等技术指标。计算机从规模上可分为：
1、巨型机（Computer）
运算速度快，存储容量大，运算速度达1000亿次以上，字长为32位或64位。价格昂贵，主要应用于尖端科学研究和军事科学。
2、大/中型机（super computer）
运算速度在100万次以上，字长为32位或64位，允许多用户同时使用。主要用于科学计算或数据处理或网络服务器。
计算机的分类 ：
3、小型机（Mini-Computer）
具有规模小、结构简单、成本低、操作简单、易于维护、与外部设备连接容易等特点。字长一般为16位，主要应用在微型计算机出现以前。
4、微型计算机（Micro-Computer）
由大规模集成电路构成的体积小、结构紧凑、价格低且又具有一定功能的微型计算机。
5、工作站（Workstation）
为了某种特殊的用途而将高性能的计算机系统输入/输出设备与专用软件结合在一起就构成工作站。工作站具有大容量的主存和大屏幕显示器，一般包括主机、扫描仪、图形显示器、绘图仪等。
6、服务器（Server）
是在网络环境下为多用户服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通讯服务器等。这些设备连接在网络上，网络用户在通讯软件的支持下远程登录，共享各种服务。
目前，微型计算机与工作站、小型机、中型机和大型机之间的界限越来越模糊。
1.4.2 计算机的应用
1、科学计算
2、信息处理
3、过程控制
4、计算机的辅助功能
5、人工智能
6、网络应用
1.5.1 计算机中数据的表示
十进制 二进制
由十个符号组成 由二个符号组成
逢十进一 逢二进一
运算规则多 运算规则简单
物理上实现容易
此外，常用的进制还有八进制和十六进制
1.5.2 不同进制之间的转换
1、十进制数转换成二进制数
将整数部分和小数部分分别转换，最后将两部分和在一起。
整数部分的转换：除2取余法
小数部分的转换：乘2取整法
整数部分
(34)10 = (100010)2
小数部分
（0.3125)10=(0.0101)2
(34.3125) 10 = (100010.0101)2
2、二进制数转换成十进制数
(100010.0101)2 = ？
1×25 + 0 ×24 + 0 ×23 + 0 ×22 + 1 ×21 + 0 ×20
= 1×32+0×16 + 0 ×8 + 0 ×4 + 1 ×2 + 0 ×1
= 34
( 1 0 0 0 1 0 )10
(0.0101)2
=0 ×2－1 + 1 ×2－2 + 0 ×2－3 + 1×2－4
=0 ×0.5 + 1 ×0.25 +0×0.125 +1 ×0.0625
=(0.3125)10
(100010.0101)2 = 34 + 0.3125 = (34.3125)10
十进制数：123.75－>表示为(123.75)10
可以分解为：
123.75=1×102＋2×101＋3×100＋7×10－1＋5×10－2
十进制数由0～9十个数字组成（基数）
逢十进一（权是10）
组成进制数的数字或字符叫做这个进制的基数
使进制数产生进位的数字叫做权
上面的这种表达式我们称作按权展开式
所有各种进制的数都可以用按权展开式来表示。
小数点左面数字权的幂次为0
二进制的基数是： 权为：
0和1
2
例如：(1111011.11)2
=( )10
(0)2=(0)10 (1)2=(1)10
(10)2=(2)10 (11)2=(3)10
(100)2=(4)10 (101)2=(5)10
(110)2=(6)10 (111)2=(7)10
(1000)2=(8)10 (1001)2=(9)10
使用按权展开法(即把进制数用按权展开式表示)
(1111011.11)2＝
1×26
＋1×25
＋1×24
＋1×23
＋0×22
＋1×21
＋1×20
＋1×2－1
＋1×2－2
＝64＋32＋16＋8＋0＋0＋2＋1＋0.5+0.25
＝(123.75)10
使用按权展开法可以把所有非十进制数转换为十进制数
(123.75)10=( )2
短除取余法(整数部分) 乘权取整法(小数部分)
123
1
2
61
2
30
2
1
15
2
7
2
3
2
1
2
0
0
1
1
1
1
(123)10=(1111011)2
0.75
×
2
1.50
1
0.50
×
2
1.00
1
0
(0.75)10=(0.11)2
(123.75)10=(1111011.11)2
八进制：基数 1～7 权 8
（173.6）8－>( )10
(123.75)10－>( )8
(123.75)10－>(1111011.11)2
1111011.11
00
0
3
7
1
6
(1111011.11)2－>(173.6)8
－>(173.6)8
十六进制: 基数 0~9;A;B;C;D;E;F 权 16
(7B.C)16－> ( )10
(123.75)10－>( )16
(123.75)10－>(1111011.11)2
1111011.11
0
00
B
7
C
(1111011.11)2－>(7B.C)16
－>(7B.C)16
3、八进制数转换成二进制数
原则：将每位八进制的数转换成三位二进制数
最后去掉左右两端的“0”
( 3 2 . 2 6 )8 = ( 011 010 . 010 110 )2
= ( 11010.01011 )2
4、二进制转换成八进制
将二进制数从小数点开始，整数部分从右向左三位一组，小数部分从左向右三位一组，将三位二进制数转换成一位二进制数即可。
(11010.01011)2 = ( 011 010 . 010 110 )2
= ( 3 2 . 2 6 )8
5、二进制与十六进制的转换
将每四位二进制数转换成一位十六进制数
(111010.010111)2 = ( 0011 1010 . 0101 1100)2
= ( 3 A 5 C )8
有时，分别用B、O、D、H代表二进制、八进制、十进制、十六进制的数据
十进制、二进制、八进制和十六进制之间的比对
1.5.3 字符编码
计算机只能识别二进制编码
数值型数据----方便地转换成二进制
非数值型数据----也应转换成二进制
需要对其进行编码----ASCII码
（American Standard Code Information Interchange) 美国信息交换标准代码
ASCII的每个字符用7位二进制数表示，而计算机中实际上是用8位二进制数表示，因此，最高位一般置0。
ASCII码的代码表
汉字的编码表示
西文的基本字符比较少，编码比较容易
中文常用字有7000个左右，编码比较复杂
在汉字处理系统中，输入、内部处理和输出采用不同的编码方式，因此汉字的编码分为：
输入码、机内码和汉字交换码
汉字的输入码的编码方式主要分三类：
（1）数字编码、
（2）拼音编码
（3）字形码
（1）数字编码
用数字串代表一个汉字的输入
常用的是国标区位码，它将国家标准局公布的6763个一、二级汉字分成94个区，每个区分94个位，因此输入汉字需用4个十进制数字。
（2）拼音码
以汉字读音为基础的输入方法
由于汉字同音字较多，重码率很高，输入速度比较慢。
（3）字形编码
以汉字字形作为编码基础，把汉字的笔画进行拆分，再用字符或数字进行编码。常用的如：五笔字形。

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