1、大學計算機基礎知識第一章 計算機與信息社會第一節 計算機的發展1.1.1 計算機發展史1、法國物理學家帕斯卡(1623-1662)：在 1642年發明了第一臺機械式加法機。該機由齒輪組成，靠發條驅動，用專用的鐵筆來撥動轉輪以輸入數字。2、德國數學家萊布尼茨：在1673年發明了機械式乘除法器。基本原理繼承于帕斯卡的加法機，也是由一系列齒輪組成，但它能夠連續重復地做加減法，從而實現了乘除運算。 3、英國數學家巴貝奇：巴貝奇設計的分析機是現代通用計算機的雛形。分析機有三部分：有保存數據的數據庫有運算裝置有控制裝置（引入了程序控制的思想）。巴貝奇是現代計算機設計思想的奠基人，巴貝奇是計算機之父。但他未

2、能完成他所設計的計算機。4、英國科學家阿蘭·圖靈計算機科學的奠基人兩個貢獻：建立圖靈機模型：圖靈機的概念是現代可計算性理論的基礎。只有圖靈機能解決的計算問題，實際計算機才能解決。這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了現代計算機中“存儲程序”的基本思想。提出了圖靈測試，闡述了機器智能的概念。5、1941年阿塔諾索夫研制成功的ABC計算機是世界上第一臺電子計算機（電子管計算機）。6、美籍匈牙利數學家馮·諾依曼也被稱作計算機之父研制成第二臺電子計算機EDVAC，EDVAC采用“存儲程序”概念（源自圖靈），它的發明為現代計算機的體系結構和工作原理奠定了基礎：計算機應由運算器、控

3、制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部件組成；應采用二進制簡化機器的電路設計；采用“存儲程序”技術,以便計算機能保存和自動依次執行指令。七十多年來，現代計算機基本結構仍然是“馮·諾依曼計算機”。7、 1946年2月由賓夕法尼亞大學研制成功的ENIAC是世界上公認的第一臺電子數字計算機。“誕生了一個電子的大腦”，應用于軍事 致命缺陷：沒有存儲程序。8、計算機早期只應用于科學計算。1951年誕生了第一臺商用計算機UNIV AC，主要用于公眾領域的數據處理。1.1.2 計算機的分代電子技術的發展促進了電子計算機的更新換代：第一代：電子管計算機 內存很小 機器語言或匯編語言 用于軍事和科學領

4、域第二代：晶體管計算機 磁芯存儲器 創立了高級語言 還用于數據處理和事務處理第三代：集成電路計算機 高級語言有了大發展第四代：大規模集成電路計算機 （VISI技術） 半導體存儲器 目前最快每秒幾十萬億次浮點運算未來將朝著：微型化、巨型化、網絡化、智能化方向發展，但仍屬于馮·諾依曼計算機未來新型計算機：光計算機、生物計算機（分子計算機）、量子計算機1.1.3 計算機的分類 按計算機用途分類：通用計算機和專用計算機按計算機規模分類：巨型機、大型機、小型機、微型機、工作站、服務器、嵌入式計算機按計算機處理的數據分類：數字計算機、模擬計算機、數字模擬混合計算機1.1.4 計算機的特點及應用領

5、域計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數值計算和各種信息處理的現代化智能電子設備。（含義）1、 運算速度快2、 計算精度高3、 存儲容量大4、 具有邏輯判斷能力5、 按照程序自動運行應用領域：科學計算、數據處理、過程與實時控制、人工智能、計算機輔助設計與制造、遠程通訊與網絡應用、多媒體與虛擬現實1.1.5 計算機的新技術嵌入式計算機：應用最廣泛，用于各種家用電器；系統的應用軟件與硬件一體化網格計算 中間件技術 第二節 信息技術概述信息是反映客觀情況的資料，其可由圖、文、聲、像等多媒體形式表現。人類社會的三大基本資源：物質、能源、信息數據是信息的載體。數值、文字、語言、圖形、圖

6、像等都是不同形式的數據。 4次信息革命：文字、造紙和印刷術、電報電話廣播電視、計算機與網絡現代信息技術（3C技術）：通信技術、計算機技術、控制技術（Communication Computer Control）。3C技術是信息技術的主體。 1.2.1 現代信息技術的內容信息技術包括3個層次：信息基礎技術：微電子技術：是現代電子信息技術的直接基礎。 光電子技術：繼微電子技術后的綜合性高新技術信息系統技術：信息的獲取、處理、傳輸、控制技術信息應用技術 具體的技術群類，如辦公自動化、人工智能、通信技術等。1.2.2 現代信息技術的特點數字化、多媒體化、高速度、網絡化、寬帶、智能化第三節 計算機的應用

7、主課本P15P19 了解 第二章 計算機系統第一節 計算機系統的構成一個完整的計算機系統是由硬件和軟件組成。硬件是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五部分組成。硬件系統是指能夠收集、加工、處理數據以及輸出數據所需的設備實體，是看得見、摸得著的部件總和。其中： 中央處理器(簡稱CPU)=運算器+控制器 主機=中央處理器+內存 軟件是指各類程序和數據、文檔 3部分的綜合，計算機軟件包括計算機本身運行所需要的系統軟件和用戶完成任務所需要的應用軟件。 軟件系統是指為了充分發揮硬件系統性能和方便人們使用硬件系統，以及解決各類應用問題而設計的程序、數據、文檔總和，它們在計算機中體現為一些觸摸不到

8、的二進制狀態，存儲在內存、磁盤、閃存盤、光盤等硬件設備上。 在計算機系統中，軟件和硬件沒有明確的界限，軟件實現的功能可以用硬件來實現（硬化）；硬件實現的功能也可以用軟件來實現（軟化），如常用播放軟件代替視頻卡。第二節 計算機的工作原理2.2.1 計算機指令系統 指令：是指計算機執行特定操作的命令，是能夠被計算機識別并執行的二進制代碼。是程序設計的最小語言單位。CPU執行完一條指令即完成一步運算。指令構成：操作碼+操作數指令系統：是指一臺計算機所能執行的全部指令的集合。不同型號的計算機有不同的指令系統。它反映了計算機的處理能力。 指令分類：數據傳送指令 內存CPU 數據處理指令 對數據進行算術、

9、邏輯或關系運算程序控制指令 控制程序中指令的執行順序輸入輸出指令 外部設備主機其他指令程序：是指能完成一定功能的指令序列，是計算機指令的有序集合。2.2.2 計算機的工作原理計算機的工作過程實際上是快速執行指令的過程。程序運行前，將數據、程序存入存儲器中；程序運行后，計算機從存儲器依次取出指令 送往控制器進行分析 根據指令的功能向各有關部件發出操作控制信號最終的運算結果送到輸出設備輸出指令的串行執行取指令分析指令執行指令 依次執行完成3步后才開始執行下一條指令。 一般把計算機完成一條指令所花費的時間稱為一個指令周期，指令周期越短，執行指令越快。CPU的主頻就反映指令周期的長短。指令的并行執行并

10、行執行就是使3個部件并行工作，提高速度，現在的計算機一般采用流水線技術，并行執行的平均速度為串行的3倍。第三節 計算機的硬件系統馮·諾依曼型計算機是將程序和數據事先存放在外存儲器中，在執行時將程序和數據先從外存裝入內存中，然后使計算機在工作時自動地從內存中取出指令并加以執行，這就是存儲程序概念的基本原理。 馮·諾依曼計算機體系結構的主要特點是：(1) 采用二進制形式表示程序和數據。 (2) 計算機硬件是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成 。即：CPU+I/O(3) 程序和數據以二進制形式存放在存儲器中。 (4) 控制器根據存放在存儲器中的指令 (程序)

11、 工作。五大部件：1、 運算器：主要功能是算術運算和邏輯運算，又稱算術邏輯單元。算術運算和邏輯運算都是基本運算。運算器的數據取自內存，結果又送回內存。2、 控制器：功能是一次從存儲器取出指令、分析指令、向其它部件發出控制信號、指揮計算機各部分協同工作。3、 存儲器：能夠按照指定位置存入或取出信息。內存儲器 (簡稱內存)，由半導體材料構成。內存分為只讀存儲器和隨機讀寫存儲器。內存要與計算機各部分打交道，進行數據傳送。訪問速度快。只讀存儲器ROM （Read Only Memory）ü 特點：存儲的信息CPU只能讀出，不能隨機改寫或存入，斷電后信息不會丟失，可靠性高。因此，ROM中一般存

12、放計算機系統管理程序。隨機存儲器RAM（Random Access Memory） ü 特點：通常RAM指計算機的主存，CPU既可讀出數據又可向它寫入數據。斷電后數據消失。 外存儲器外部存儲器通常用來存放需要長期保存的各種程序和數據。當需要執行或處理這些程序和數據時，必須將其先調入到內存中然后再被CPU處理，所以外存實際上屬于輸入輸出設備。訪問速度慢。4、 輸入/輸出設備 見后第四節 微型計算機的硬件系統2.4.1 微型計算機概述1. 微型計算機的特點：體積小、價格低、可靠性強、操作簡單（微型機屬于第四代電子計算機產品）2. 微型機基本是由顯示器、鍵盤和主機構成。在主機箱內有CPU、

13、主板、內存、硬盤、光驅、電源等。主機=CPU+內存儲器；微機的CPU芯片也稱作微處理器。3. 微機的發展方向：高速化、超小型化、多媒體化、網絡化、隱形化（不再是傳統樣子）4. 微機的分類：按組成結構分類：依據微機的CPU、內存、I/O接口、系統總線所在位置分:單片機 各部分集中在超大規模集成電路芯片上，屬芯片級；最小的完整微機系統，應用于各種家電。單板機 集中在一塊印刷電路板上，結構簡單，應用于儀器儀表的控制部件。多板機 集中在多塊印刷電路板上，如臺式機。按用途分類：臺式、便攜式、手持式5. 微機主要性能指標：ü CPU指標 見下ü 運算速度 每秒執行的指令條數。ü

14、; 內存容量 內存越大，運算速度越快。2.4.2 微型計算機的硬件組成主板 主板是電腦中各種設備的連接載體。主板采用開放式結構，它提供CPU、各種接口卡（如聲卡、顯示卡、網卡）、內存條和硬盤、軟驅、光驅的插槽，其它的外部設備也會通過主板上的I/O接口連接到計算機上，與CPU結合。芯片組是系統主板的“靈魂”，決定了主板的結構及CPU的使用。根據芯片功能，芯片分為南橋芯片和北橋芯片。南橋芯片 主要負責I/O接口控制、IDE設備（硬盤等）控制以及高級能源管理；北橋芯片 負責與CPU的聯系并控制內存、AGP、PCI數據在北橋內部傳輸，由于北橋芯片的發熱量較高，所以芯片上會裝有散熱片。中央處理器 CPU

15、ü CPU：運算器部件、寄存器部件和控制器部件。 寄存器 CPU內部用于暫時存儲數據和指令的存儲單元。ü CPU從存儲器取出指令，放入CPU內部的指令寄存器，并對指令譯碼。它把指令分解成一系列的微操作，然后發出各種控制命令，執行微操作系列，從而完成一條指令的執行。ü CPU分類： 嵌入式CPU：處理特定問題，應用于特定領域。 通用CPU：功能比較強，微機一般采用通用CPU。ü CPU的主要性能指標 ： CPU外頻，外頻提高，CPU與內存間的交換速度也提高。 CPU字長，指CPU單位時間內一次處理的二進制數的位數。反映CPU內部運算速度和效率。 CPU 主

16、頻，CPU內核的實際運行頻率。位寬，CPU通過外部數據總線與外部設備之間一次能夠傳遞的數據位數。x位CPU，通常用CPU的字長和位寬來表示CPU。微機的內存儲器地址 為了能存取內存的數據，每一個內存單元必須有一個唯一的編號，稱為地址。微機廣泛采用動態隨機存儲器（DRAM）作為主存。Cache （高速緩沖存儲器)是一種介于CPU和內存之間的一種可高速存取信息的芯片。用于存儲CPU最常訪問的指令，提高CPU對內存的訪問效率。高速緩沖存儲器的存取速度比主存要快一個數量級，大體與CPU的處理速度相當。 CPUCacheRAM外存儲器外部存儲器通常用來存放需要長期保存的各種程序和數據。當需要執行或處理這

17、些程序和數據時，必須將其先調入到內存中然后再被CPU處理。常用外存儲器有：軟盤 聚酯材料的圓片，涂有磁性材料硬盤 涂有磁性材料的鋁合金或玻璃材質的硬盤片；容量可高達上百吉字節；機械讀取數據。移動硬盤 由硬盤和硬盤盒組成，硬盤盒帶有USB接口。Flash存儲設備 =閃存盤=優盤，新型非易失性半導體存儲器，方便與計算機交換，無機械裝置。光介質存儲器 利用激光在光盤上寫入信息，再用激光讀出信息。從光盤中讀取數據的設備我們稱之為光驅。光盤的分類: a) 只讀型光盤 只讀光盤中的數據是在制作時寫入的，用戶只能讀數據，而不能寫入或修改光盤中的數據。音頻光盤CD-DA、數據光盤 CD-ROM、 VCD、DV

18、D等都屬于只讀光盤。 b) 一次寫入光盤 這種光盤允許一次寫入數據（需要光盤刻錄機完成數據的寫入），但不能修改和擦除數據， 如 CD-R。c) 可擦寫光盤 這種光盤可多次寫入或修改數據，如CD-RW。 總線與接口總線：是一組連接各個部件的公共通信線路，是計算機內部傳輸指令、數據和各種控制信息的高速通道，是計算機硬件的一個重要組成部分。USB接口 用來連接外設。支持即插即用，傳輸效率較高。n 按傳輸信息的種類分為： 地址總線 傳輸的是地址信號，一般是單向傳輸。當CPU需要訪問某個外設時，它向地址總線發出相應外設的地址信號，以選擇某個外設。 數據總線 傳輸的是數據，一般是雙向傳輸。CPU進行“讀”

19、時，數據由外設流CPU，當CPU進行“寫”時，數據由CPU流向外設。 控制總線 有的是CPU向內存或外部設備發出的信號；有的是內存或外部設備向CPU發出的信號。對每條控制線而言信號是單向傳送，但作為整體是雙向的。n 按處于計算機硬件系統中的位置來分：內部總線 是指CPU芯片內部的總線。系統總線(又稱輸入/輸出總線) 是微機中各插件板與系統主板之間的總線，用于插件板一級的互連。外部總線 是微機和外部設備之間或外設與主機連接的總線。輸入/輸出設備n 輸入設備 將數據、程序轉化成計算機能接受的二進制碼，并將它們送入內存。常用輸入設備 鍵盤 鼠標 掃描儀 光筆（圖像輸入） 觸摸屏 游戲操作桿n 輸出設

20、備 將計算機處理的結果處理成人能夠識別的數字、字符、圖像、聲音等形式顯示、打印、播放出來。常用輸出設備： (1) 顯示器 分為CRT顯示器和液晶顯示器；需要在擴展槽插入顯示卡。 (2) 打印機 分為 針式打印機特點。利用鋼針擊打色帶把色帶上的墨打印在紙上形成文本或圖形。缺點是打印質量差、速度慢、噪聲大；優點是可以打多聯紙，耗材相對較便宜。 噴墨打印機特點。打印頭上有若干個噴頭，打印時，墨水以每秒近萬次的頻率噴射到紙上。與其它兩類打印機相比，在打印質量、速度、噪聲及成本方面處于中等層次。 激光打印機特點。利用激光可以形成很細的光點，將碳粉固著在紙上，加熱后碳粉固定在紙上，最后印出文字和圖片。優點

21、是打印速度快、噪音低、質量好，缺點是價格及打印成本較高。 對三種打印機的打印效果對比來說，激光最好，噴墨其次，而針式相對較差。 n 常用多媒體設備主課本P52-P55第五節 計算機的軟件系統軟件系統是指為了充分發揮硬件系統性能和方便人們使用硬件系統，以及解決各類應用問題而設計的程序、數據、文檔總和，它們在計算機中體現為一些觸摸不到的二進制狀態，存儲在內存、磁盤、閃存盤、光盤等硬件設備上。常將計算機軟件分為 系統軟件 和 應用軟件 。實際上，系統軟件和應用軟件的界限不十分明顯，如數據庫管理系統既可以算作系統軟件，也可算應用軟件。2.5.1 系統軟件系統軟件是指控制計算機運行、管理計算機資源、為應

22、用軟件提供支持與服務 的一類軟件。系統軟件通常包括：操作系統、語言處理程序、各種實用程序。1、操作系統操作系統是最基本的系統軟件；典型的操作系統：Windows、UNIX、Linux；目的： 計算機與人交互的接口，不必了解計算機內部結構。 合理地使用系統內包含的各種軟、硬件資源，提高整個系統的使用效率和經濟效益。2、語言處理程序程序設計語言 機器語言 有二進制代碼組合成的能被計算機直接理解和執行的指令集合。計算機執行機器語言速度最快。機器語言隨機而異，通用性差。匯編語言 （=符號語言）使用一些助記符號來表示機器語言的符號語言。可讀性依然差。但占用內存少、執行快，所以應用于對實時性要求較高的程序設計，如過程控制等。匯編語言編寫的程序，必須翻譯成機器語言，才能被計算機執行。 機器語言、匯編語言稱為低級語言。高級語言 是一種接近自然語言和數學公式的程序設計語言。 使程序員不必與計算機的硬件打交道。高級語言