計算機基礎(chǔ)知識PPT課件(PPT 57頁)

1、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)（第二版）中國鐵道出版社 蔣加伏 第1頁，共57頁。第1章 計算機基礎(chǔ)知識 本章介紹計算機的發(fā)展概況、分類、特點、技術(shù)指標(biāo)、軟硬件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念及其應(yīng)用，為學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)打基礎(chǔ)。第2頁，共57頁。1.1 計算機的發(fā)展概況1.1.1 計算機史前史 可以將其劃分為3個時代：算盤時代、機械時代和機電時代。 1941年，德國人朱斯（Konrad Zuse）制造了第一臺使用二進制數(shù)的全自動可編程計算機。此外，朱斯還開發(fā)了世界上第一個程序設(shè)計語言Plankalkul，該語言被當(dāng)作現(xiàn)代算法程序設(shè)計語言和邏輯程序設(shè)計的鼻祖。 第3頁，共57頁。1.1.2 現(xiàn)代計算機的發(fā)展 5000次加法/秒

2、 體重30噸 占地170m2 18800只電子管 1500個繼電器 功率150KW 字長12位ENIAC1946年美國賓夕法尼來大學(xué)研制出世界上第一臺名為ENIAC的電子計算機。第4頁，共57頁。計算機發(fā)展的4個時代時 代電子元器件存 儲 部 件系 統(tǒng) 軟 件應(yīng) 用 范 圍第一代19461958年采用電子管，體積大、耗電多、速度低、成本高采用磁鼓作為存儲器基本沒有，使用機器語言和匯編語言編制程序主要用于科學(xué)計算第二代19591964年采用晶體管，體積小、速度快、功耗低、性能穩(wěn)定內(nèi)存儲器主要采用磁芯，外存儲器主要采用磁盤和磁帶使用高級語言（如FORTRAN、COBOL等）編制程序，出現(xiàn)了管理程序

3、（操作系統(tǒng)的前身）從科學(xué)計算逐步擴展到數(shù)據(jù)處理、自動控制等第三代19651970年采用中、小規(guī)模集成電路，體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快半導(dǎo)體存儲器，存儲容量和存取速度大幅度提高出現(xiàn)了操作系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計等進一步拓展到文字處理、企事業(yè)管理等第四代1971年至今采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，性能大幅度提高，價格大幅度降低半導(dǎo)體存儲器集成度越來越高，外存儲器還采用光盤、移動存儲等出現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計（OOP）社會生活的各個領(lǐng)域第5頁，共57頁。No.1 Super Computer：(2007)-IBM Blue Gene2007.6 I

4、BM Blue Gene/L 速度：360 TFLOPS 美國能源部/NNSA/LLNL 360 TFLOPS = 395824185999360 次/秒信息來源：/第6頁，共57頁。中國No.1：曙光4000A由國家智能計算機研發(fā)中心開發(fā)，服務(wù)于上海超級計算中心：每秒運行10萬億次= 10000000000000已從2006年的第10位大幅跌落到2007年的第31位第7頁，共57頁。第一代（19461957）電子管5千4萬(次/秒)第二代（19581964）晶體管幾十萬百萬(次/秒)第三代（19651973）集成電路百萬幾千萬(次/秒)第四代（19741990）集成電路幾千萬幾百億(次/秒)

5、各階段出現(xiàn)的電子元件第8頁，共57頁。微處理器集成度發(fā)展示意圖晶體管數(shù)目4004奔騰4420,000,0002,3000.18微米芯片0.13微米芯片10微米芯片第9頁，共57頁。摩爾定理晶體管數(shù)單位時間執(zhí)行的指令數(shù)百萬條/每秒每18個月芯片能力增長一倍。第10頁，共57頁。我國的計算機事業(yè)1958年：第一臺電子管計算機103機（DJS1）1965年：第一臺晶體管計算機108機 1970年：第一臺集成電路計算機（DJS100）1983年：銀河巨型機 億次/S 國防科大1984年：長城0520系列（與IBMPC兼容）1992.11：銀河巨型機 10億次/S 國防科大1997.6：銀河巨型機 13

6、0億次/S 國防科大2000：曙光3000 3000億次/S 曙光公司2003：曙光4000L 百萬億次 曙光公司第11頁，共57頁。1.1.3 微型計算機的發(fā)展 1981年，IBM公司推出了第一臺16位個人計算機IBM PC 5150。這臺微機采用英特爾公司的8088作為CPU，工作頻率為4.77MHz，內(nèi)存為16KB，一個160KB的5.25英寸的軟盤驅(qū)動器，一個11.5英寸的單色顯示器，沒有硬盤，操作系統(tǒng)為微軟公司的DOS 1.0，IBM公司將這臺計算機命名為PC（Personal Computer，個人計算機） 1984年8月，IBM公司推出了IBM PC/AT微機，它支持多任務(wù)、多用

7、戶。系統(tǒng)采用英特爾公司的80286 CPU，工作頻率為6MHz，操作系統(tǒng)采用微軟公司的DOS 3.0，并增加了網(wǎng)絡(luò)連接能力。 第12頁，共57頁。 1985年6月，長城0520微機研制成功，這是中國內(nèi)地第一臺自行研制的PC兼容微機。 進入20世紀(jì)90年代后，每當(dāng)英特爾公司推出新型CPU產(chǎn)品時，馬上會有新型的PC推出。第13頁，共57頁。1.1.4 未來新型計算機未來的計算機將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向巨型化、微型化、多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。1巨型化 巨型化是指計算機的運算速度更高、存儲容量更大、功能更強。2微型化 微型計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設(shè)備中，同時也作為工

8、業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實現(xiàn)“智能化”。隨著微電子技術(shù)的進一步發(fā)展，筆記本型、掌上型等微型計算機必將以更優(yōu)的性能價格比受到人們的歡迎。3多媒體化 多媒體技術(shù)是計算機技術(shù)和視頻、音頻及通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它不但使人類社會變得格外絢麗多彩，而且對政治、經(jīng)濟、軍事和工業(yè)都產(chǎn)生巨大影響，是當(dāng)今計算機研究的熱點之一。4網(wǎng)絡(luò)化 計算機網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代通信技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。計算機網(wǎng)絡(luò)己在現(xiàn)代企業(yè)的管理中發(fā)揮著越來越重要的作用，如銀行系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)等。5智能化 計算機人工智能的研究是建立在現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)之上。智能化是計算機發(fā)展的一個重要方向，新一代計算機，將可以模擬人的感覺行為和思維過

9、程的機理，進行“看”、“聽”、“說”、“想”、“做”，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力。第14頁，共57頁。1.2 計算機的分類及應(yīng)用1.2.1 計算機的特點 運算速度快 計算精度高 記憶能力強 有邏輯推理和判斷能力 自動化程度高 通用性強第15頁，共57頁。1.2.2 計算機的分類計算機類型高性能計算機微型計算機超級計算機：如世界超級計算機500強大型集群計算機：如浪潮天梭TS10000大型服務(wù)器等：如IBM公司eServer z990PC：如Pentium 4桌面微機蘋果機：如蘋果Power PC G5筆計本：如迅馳2代筆記本PC服務(wù)器：如HP ProLiant ML150 G2平板機：如東

10、芝dynabookR10掌上電腦：如惠普iPAQ h6315 Pocket PC工業(yè)控制PC：如西門子SIMATIC IL43工控機 單片機：如80C51系列單片機POS機：如電子收款機系統(tǒng)ATM機：如自動柜員機其他控制：測量、管理、應(yīng)用系統(tǒng)圖形工作站：如HP XW9300視頻工作站：如Sun Blade 2500多媒體工作站：如SGI O2+嵌入式系統(tǒng)工作站第16頁，共57頁。1.2.3 計算機的主要應(yīng)用領(lǐng)域按其應(yīng)用特點，大體可歸納為如下幾大類。 1科學(xué)計算2數(shù)據(jù)處理3自動控制4計算機輔助設(shè)計（CAD）/計算機輔助制造（CAM），計算機輔助教學(xué)（CAI）5人工智能6網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用第17頁，共57頁

11、。1.3 計算機的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1.3.1 計算機的基本結(jié)構(gòu)馮諾依曼的主要思想可概括為以下3點。 （1）馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機主要包括：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存儲器、控制器、運算器五大組成部分。 第18頁，共57頁。功能：算術(shù)運算和邏輯運算;其主要部件：ALU（算術(shù)邏輯部件)功能：使計算機能自動地執(zhí)行程序，并使各部分協(xié)調(diào)工作功能：用于保存程序和數(shù)據(jù). 主存儲器（內(nèi)部存儲器）：存放當(dāng)前所執(zhí)行程序的指令和數(shù)據(jù); 輔助存儲器（外部存儲器）：存放暫不參加運算的程序的指令和數(shù)據(jù)注意：一切程序和數(shù)據(jù)必須進入內(nèi)存才能被計算機執(zhí)行和使用。用于程序和數(shù)據(jù)輸出（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：顯示器、打印機）用于程序和數(shù)據(jù)輸入（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

12、：鍵盤、鼠標(biāo)）第19頁，共57頁。（2）采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令 指令是人們對計算機發(fā)出的用來完成一個最基本操作的工作命令，它由計算機硬件來執(zhí)行。 指令和數(shù)據(jù)在代碼形式上并無區(qū)別，都是由0和1組成的二進制代碼序列，只是各自約定的含義不同。第20頁，共57頁。（3）存儲程序 這是馮諾依曼思想的核心內(nèi)容。 存儲程序意味著事先將編制好的程序（包含指令和數(shù)據(jù)）存入計算機存儲器中，計算機在運行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令并執(zhí)行。 第21頁，共57頁。1.3.2 計算機的基本工作原理 計算機的工作過程為：人們預(yù)先編制程序，利用輸入設(shè)備將程序輸入到計算機內(nèi)，同時轉(zhuǎn)換成二進制代碼，計算機

13、在控制器的控制下，從內(nèi)存中逐條取出程序中的每一指令交給運算器去執(zhí)行，并將運算結(jié)果送回存儲器指定的單元中，當(dāng)所有的運算任務(wù)完成后，程序執(zhí)行結(jié)果利用輸出設(shè)備輸出。所以，計算機的工作原理可以概括為存儲程序和程序控制。第22頁，共57頁。 以指令070740H的執(zhí)行過程來認識計算機的基本工作原理。指令070740H的功能為取0740H存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)與累加器中的數(shù)據(jù)相加，并將求和結(jié)果仍存儲在累加器中。指令的執(zhí)行過程分為以下4個步驟：（1）取指令。按照程序計數(shù)器的地址（0100H），從內(nèi)存儲器中取出指令（070740H），并送往指令寄存器。 第23頁，共57頁。（2）分析指令。對指令寄存器中存放的指令（

14、070740H）進行分析，由譯碼器對操作碼（07H）進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電位信號；由地址碼（0740H）確定操作數(shù)地址。（3）執(zhí)行指令。由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。如做加法指令，取內(nèi)存單元（0740H）的值和累加器的值相加，結(jié)果還是放在累加器中。第24頁，共57頁。（4）一條指令執(zhí)行完成，程序計數(shù)器加1或?qū)⑥D(zhuǎn)移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到（1）。第25頁，共57頁。1.4 數(shù)據(jù)在計算機中的表示與運算 計算機本質(zhì)上只能處理二進制的“0”和“1”，因此必須將各種信息轉(zhuǎn)換成為計算機能夠接受和處理的二進制數(shù)據(jù) 二進制優(yōu)點：0，1兩

15、個狀態(tài)易物理實現(xiàn)；運算規(guī)則簡單。算術(shù)運算與邏輯運算容易溝通第26頁，共57頁。 1.4.1 數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（1）數(shù)制及其轉(zhuǎn)換進位計數(shù)制的三要素：數(shù)位：數(shù)碼在一個數(shù)中所處的位置?；鶖?shù)：每個數(shù)位上所能使用的數(shù)碼的個數(shù)。位權(quán)：處在某一位上的“1”所表示的數(shù)值的大小.人們習(xí)慣使用十進制，而計算機中常用的數(shù)制有：二進制，八進制和十六進制。根據(jù)數(shù)的表示法，對于任意的r進制數(shù)，可以用以下的展開和式表示：ana1a0a-1a-m(r)=anrn+a1r+a0+a-1r-1+a-mr-m 其中r為基數(shù)，整數(shù)為n+1位，小數(shù)為m位。如十進制數(shù)752.65可以表示成： 752.65D=7102+5101+2100+

16、610-1+510-2 =7100+510+21+60.1+50.01二進制101.1B12202112012-1(5.5) 10八進制101.11(65.125)10十六進制101.1H116201611160116-1(257.0625)10第27頁，共57頁。二進制數(shù)與其它數(shù)制的對照表二進制 十進制 八進制 十六進制0000 0 0 00001 1 1 10010 2 2 20011 3 3 30100 4 4 40101 5 5 50110 6 6 60111 7 7 71000 8 10 81001 9 11 91010 10 12 A1011 11 13

17、B1100 12 14 C1101 13 15 D1110 14 16 E1111 15 17 F 第28頁，共57頁。THANK YOUSUCCESS2022/7/2129可編輯第29頁，共57頁。2.2.3 不同進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換二進制八進制十進制十六進制第30頁，共57頁。十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)規(guī)則：除二取余，直到商為零為止，倒排。例：將十進制數(shù)86轉(zhuǎn)化為二進制 2 | 86 0 2 | 43 1 2 | 21 1 2 | 10 0 2 | 5 1 2 | 2 0 2 | 1 1 0所以,(86)10=(1010110)2第31頁，共57頁。規(guī)則：乘二取整，直到小數(shù)部分為零或給定的精度

18、為止，順排。 例：將十進制數(shù)0.875轉(zhuǎn)化為二進制數(shù) 例：將十進制數(shù)0.875轉(zhuǎn)化為二進制數(shù) 0.875 2 1.75 0.75 2 1.5 0.5 2 1.0 所以(0.875)10=(0.111)2 十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制小數(shù)第32頁，共57頁。例： (1999.8)10=1103+9 102+9 101+9 100+8 10-1“權(quán)”(1101.1)2=123+1 22+0 21+1 20+1 2-1 =（8+2+1+0.5+0.25）10 =（11.75）10 二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)規(guī)則：按“權(quán)”展開，求和。第33頁，共57頁。二進制轉(zhuǎn)換為八進制方法三合一法整數(shù)部分：自右向左，三個一組

19、，不夠補零，每組對應(yīng)一個八進制數(shù)碼。小數(shù)部分：自左向右，三個一組，不夠補零，每組對應(yīng)一個八進制數(shù)碼。例如：將（10100101.10111）2 轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)。 （10100101.10111）2 = (010 100 101 .101 110)2 =（ 2 4 5. 5 6）8 第34頁，共57頁。方法一分為三法 八進制 0 1 2 3 4 5 6 7 二進制 000 001 010 011 100 101 110 111 例如：將（207.54）8轉(zhuǎn)換成二進制： 2 0 7. 5 4 010 000 111.101 100 所以， （207.54）8=（010000111.101100）2

20、 =（10000111.1011）2八進制轉(zhuǎn)換為二進制第35頁，共57頁。二進制轉(zhuǎn)換為十六進制方法四合一法整數(shù)部分：自右向左，四個一組，不夠補零，每組對應(yīng)一個十六進制數(shù)碼。小數(shù)部分：自左向右，四個一組，不夠補零，每組對應(yīng)一個十六進制數(shù)碼。例： (11001111.01111)2 = (1100 1111 .0111 1000)2 = ( C F . 7 8)16第36頁，共57頁。十六進制轉(zhuǎn)換成二進制方法一分為四法十六進制 0 1 2 3 4 5 6 7二進制 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111十六進制 8 9 A B C D E F二進制 1000

21、 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111例如（1E4.2A）16=（0001 1110 0100. 0010 1010） 2 =（111100100.0010101） 2第37頁，共57頁。計算機中數(shù)的有關(guān)概念（2）數(shù)值數(shù)據(jù)的表示 在計算機中表示一個數(shù)值型數(shù)據(jù)，要考慮如下3個問題。確定數(shù)的長度。 確定數(shù)的符號。 小數(shù)點的表示方法。根據(jù)小數(shù)點的位置是否固定，對數(shù)可分定點和浮點兩種表示法。第38頁，共57頁。 數(shù)的定點表示方法常用的定點數(shù)表示方法有以下兩種。 定點整數(shù)。小數(shù)點的位置約定在最低數(shù)值位的后面，用于表示整數(shù)。 定點小數(shù)。小數(shù)點的位置約定在數(shù)符位和數(shù)值部分的最

22、高位之間，用以表示小于1的純小數(shù)。第39頁，共57頁。 浮點數(shù)的表示形式。 浮點數(shù)分成階碼和尾數(shù)兩部分。浮點數(shù)的思想來源于數(shù)學(xué)中的指數(shù)表示形式：N=MRC。例如，十進制數(shù)：2560.256103，0.000 029 50.29510-4第40頁，共57頁。類似地，二進制數(shù)：(1011011)2可以表示為0.10110112111(0.00110101)2可以表示為0.1101012-10第41頁，共57頁。（3）BCD碼十進制數(shù)與BCD編碼表 十進制數(shù)二進制數(shù)8421BCD碼十進制數(shù)二進制數(shù)8421BCD碼00000000081000 100010001000191001 1001200100

23、0101010100001 00003001100111110110001 00014010001001211000001 00105010101011311010001 00116011001101411100001 01007011101111511110001 0101第42頁，共57頁。1.4.2 字符數(shù)據(jù)的表示 在計算機中，字符型數(shù)據(jù)占有很大比重。字符數(shù)據(jù)包括西文字符（字母、數(shù)字、各種符號）和漢字字符。（1）英文字符的表示 在計算機發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了若干種字符編碼。目前使用最廣泛的有3種字符編碼，即ASCII碼、EBCDIC碼和Unicode碼。第43頁，共57頁。EBCDIC(擴

24、展的二十進制交換碼)是西文字符的一種編碼。采用8位二進制表示，共有256種不同的編碼，可表示256個字符。目前計算機中普遍采用的是ASCII(American Standard Code for Information Interchange)碼，即美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼。 第44頁，共57頁。西文信息的編碼與表示數(shù)字二進制數(shù)字符 二進制編碼字符編碼：每個字符對應(yīng)一個整數(shù)值字符編碼標(biāo)準(zhǔn)： ASCII碼：美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼(American Standard Code for Information Interchange)規(guī)定：字節(jié)(位)最高位為,位給出128個編碼。b7 b6 b5 b4 b

25、3 b2 b1 b00 0 0 1 0 1 0 1第45頁，共57頁。0(000)1( 001)2(010)3(011)45670 0000sp01 00011Aa2 00102BbCcdefdel16*8=128個字符ASCII碼表第46頁，共57頁。Sp:ASII碼0100000 十進制數(shù)：32數(shù)字0: ASII碼0110000十進制數(shù)：48A: ASII碼1000001 十進制數(shù)：65小寫a: ASII碼1100001十進制數(shù)：97控制符(除del)數(shù)字大寫英文字母小寫英文字母del第47頁，共57頁。（2）中文字符的表示漢字是象形文字，每個漢字字符都有自己的形狀。所以，每個漢字在計算機

26、中都有一個二進制代碼。所有國標(biāo)漢字與圖形符號94個區(qū)劃分為以下4個組。 0115區(qū)：是圖形符號區(qū)。其中0109區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)，1015區(qū)為自定義符號區(qū)。 1655區(qū)：是一級常用漢字區(qū)，包括一級常用漢字3 755個。這些區(qū)中的漢字是按漢語拼音排序的，其中55區(qū)的9094位未定義漢字。第48頁，共57頁。 5687區(qū)：是二級非常用漢字區(qū)，包括二級非常用漢字3 008個。這些區(qū)中的漢字是以部首排序的。 8894區(qū)：是自定義漢字區(qū)。輸入碼：音碼、形碼、音形碼國標(biāo)碼（GB2312-80）：一個漢字占兩個字節(jié)?。簠^(qū)位碼1601(十進制) 1001H(十六進制) 國標(biāo)碼：00110000 00100001十六進

27、制3021H0 !機內(nèi)碼：每個字節(jié)最高位的0寫為1(十六進制B0A1H)?。?0110000 10100001區(qū)位碼+(分別)20H=國標(biāo)碼國標(biāo)碼+80H(每個字節(jié))=機內(nèi)碼區(qū)位碼+(分別)A0H =機內(nèi)碼字形碼：16*16點陣中一個漢字占 2*16=32字節(jié)32*32 4*32=128第49頁，共57頁。 為了利用計算機系統(tǒng)中現(xiàn)有的西文鍵盤來輸入漢字，還要對每個漢字編一個西文鍵盤輸入碼（簡稱輸入碼），主要的輸入碼有：拼音、五筆字型、區(qū)位碼等。1.4.3 多媒體數(shù)據(jù)的表示 在計算機中，數(shù)值數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)都是轉(zhuǎn)換成二進制來存儲和處理的 ，但多媒體數(shù)據(jù)的表示方式是完全不同的。 在計算機中，聲音往往用波形文件、MIDI音樂文件或壓縮音頻文件方式表示；圖像的表示主要有位圖編碼和矢量編碼兩種方式；視頻由一系列“幀”組成。 第50頁，共57頁。1.4.4 計算機的運算基礎(chǔ)計算機中的基本運算包括以下幾種。（1）算術(shù)運算：加、減、乘、除。（2）邏輯運算：與、或、非。（3）數(shù)據(jù)比較：大于、小于