第三章 計算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)

計算機(jī)的發(fā)展與分類計算機(jī)的運算基礎(chǔ)和信息表示計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)軟件系統(tǒng)電子計算機(jī)的發(fā)展簡史第一代電子管時代(1946-1958)耗電高，體積大，定點計算，機(jī)器語言，匯編語言第二代晶體管時代(1958-1965)

變集中處理為分級處理，浮點運算、高級語言第三代中小規(guī)模集成電路時代(1965-1970)存儲容量大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒第四代大規(guī)模集成電路時代(1971至今)向大型機(jī)和微型機(jī)兩個方向發(fā)展現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展方向巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，多媒體化根據(jù)摩爾定律集成電路大體上每18個月翻一番。ENIAC(1946)iphone4(2011)1945年,美國數(shù)學(xué)家馮.諾依曼博士發(fā)表《電子計算工具邏輯設(shè)計》論文，提出二進(jìn)制表達(dá)方式和存儲程序控制計算機(jī)構(gòu)想。1946年,美國賓西法尼亞大學(xué)研制成功電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC。重28噸，耗電150kW，占地170平米，用電子管18800個，每秒5000次加法。計算機(jī)的分類大型機(jī)大中型企事業(yè)單位作為計算中心的主機(jī)使用。代表產(chǎn)品有IBM360，370，4300；國產(chǎn)銀河I,銀河II,銀河III等。小型機(jī)可以滿足部門性的需求，供小型企事業(yè)單位使用，典型產(chǎn)品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列工作站用于特殊的專業(yè)領(lǐng)域，例如圖象處理和輔助設(shè)計等。典型產(chǎn)品有HP-APOLLO，SUN工作站等。微型機(jī)個人或家庭使用，PC機(jī)/個人計算機(jī)，價格低廉馮.諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)的基本思想：

“存儲程序”+“二進(jìn)制要點：1．以二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令(程序)；

2.先將程序存入存儲器中，再由控制器自動讀取并執(zhí)行。輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備

CPU

存儲器運算器ALU數(shù)字化信息編碼的概念：信息：數(shù)值、文字、語音、圖形和圖像。在計算機(jī)內(nèi)一切信息必須進(jìn)行數(shù)字化編碼（即用二進(jìn)制代碼形式），才能在機(jī)內(nèi)傳送、存儲和處理。計算機(jī)中數(shù)據(jù)表示方法

數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示數(shù)值的表示：整數(shù)、浮點數(shù)；原碼、補(bǔ)碼、反碼常用計數(shù)制十進(jìn)制：數(shù)字符號0～9，逢十進(jìn)一，用D(Decimal)代表。例234.98D或(234.98)D二進(jìn)制：數(shù)字符號0～1，逢二進(jìn)一，用B(Binary)表示。例1101.11B或(1101.11)B十六進(jìn)制：數(shù)字符號0～9、A～F,逢十六進(jìn)一,用H(Hex)表示例ABCD.BFH或(ABCD.BF)H整數(shù)的表示小數(shù)點隱含，位置固定在最低位符號整數(shù)采用補(bǔ)碼表示，最高位為符號位正整數(shù)—符號位為0，其它位為二進(jìn)制原碼負(fù)整數(shù)—符號位為1，其它位為二的補(bǔ)碼，沒有負(fù)0。采用補(bǔ)碼運算實數(shù)的浮點表示浮點數(shù)由數(shù)符、階碼和尾數(shù)三部分組成

例：125.12=10**3x0.12512(10.101)=2**2x0.10101=2**2x(+0.10101)000101010100000000000數(shù)符階碼尾數(shù)西文表示法：

ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(見教材P55表)文本字符普遍采用ASCII碼，有７位版本和８位版本。７Bit版：每個字符用7位編碼，編碼范圍0~127(共128個)

８Bit版：每個元素用8位編碼，編碼范圍0~255(共256個)例如字母A的ASCII碼01000001

（65D41H)

字母Z的ASCII碼01011010

（90D5AH)例如數(shù)字0的ASCII碼00110000(48D30H)*中文的表示：⑴漢字字符集與編碼國標(biāo)碼GB2312-80:

中文信息的表示與西文相似，采用編碼的方法，按國標(biāo)規(guī)定每個漢字采用兩個字節(jié)表示。區(qū)x位=2**7x2**7=128x128=16384個機(jī)內(nèi)碼：兩個字節(jié)的最高位為1，以區(qū)別西文編碼。⑵漢字鍵盤輸入編碼⑶漢字字形碼：顯示/打印漢字（點陣字庫、矢量字庫）一個漢字的計算機(jī)表示信息構(gòu)成了一個漢字字模。24x24占72字節(jié)，48x48占288字節(jié)

行點數(shù)列點數(shù)/8=一個漢字字模存儲空間所有漢字的字模集合構(gòu)成漢字字庫。

一個漢字字模存儲空間漢字總數(shù)=漢字字庫存儲空間轉(zhuǎn)換程序英文數(shù)字符號漢字鍵盤顯示漢字的處理過程：漢字輸入碼漢字機(jī)內(nèi)碼漢字字形碼漢字輸入設(shè)備管理模塊字模庫輸出設(shè)備漢字多媒體信息的表示多媒體信息一般來說，其存儲容量大的特點⑴圖象由mn個色彩點組成一矩陣，每個點又由若干個字節(jié)組成。黑白圖象每個點多由一個字節(jié)組成，可分成256個灰度等級。彩色圖象每個點多由三個字節(jié)組成，紅、綠、藍(lán)三個基本色。⑵圖形

畫面內(nèi)容由幾何要素、光照條件、材質(zhì)等進(jìn)行描述。（圖像——圖形）光柵使量化轉(zhuǎn)換。⑶聲音

聲音是模擬信號，經(jīng)采樣、量化、編碼，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)表示【例】GB2312-80中一級漢字為3755個，如果每個漢字字模采用16×16點陣，并存放在主存儲器中，那么將占用存儲器容量多少個字節(jié)？假設(shè)將漢字顯示在屏幕上，一屏24行，每行40字，為保持一屏信息，需存儲容量多少字節(jié)？解：（16×16÷8）×3755=120160字節(jié)（16×16÷8）×24×40=30720字節(jié)【例】設(shè)一軟盤有300kB可用空間，若使用ASCII碼存盤，則可存儲英文多少個？若存放漢字，則可存儲漢字多少個？解：300×1024=307200（個）

300×1024÷2=153600（個）【例】一幅顯示圖像，分辨率1024×768，24位真彩，所占存儲空間為多少？解：1024×768×3=2359296字節(jié)=2.25MB存儲估算計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件外部設(shè)備有形的物理設(shè)備在硬件上運行的程序、相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔注：沒有軟件的硬件機(jī)器稱為裸機(jī)。輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器運算器控制器輸出命令回答信號輸入命令回答信號存取命令取出指令操作信號反饋信號原始數(shù)據(jù)計算結(jié)果程序取數(shù)存數(shù)

計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成與運行原理框圖★控制器+運算器=中央處理器CPU1.運算器：完成對數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算和邏輯判斷等操作。

2.控制器：控制各部件的工作，使計算機(jī)自動地執(zhí)行程序。計算機(jī)的外設(shè)英特爾終于在2006年7月27日發(fā)布了全新的采用Core微架構(gòu)的Core2Duo處理器。旗艦級的Core2Duo處理器為售價1000美元的Core2ExtremeX6800，其主頻為2.93GHz，是目前運行速度最快的桌面處理器。英特爾還表示今年晚些時候?qū)⑼瞥龈斓陌姹尽?/p>

Conroe核心芯片上面共集成了2.91億個晶體管。芯片內(nèi)對稱排列的為處理器的兩顆核心，與核心相對的為共享二級緩存（Core2DuoE6000和T7000系列為4MB，T5000和E4000系列為2MB。）Core2Duo處理器CNET中國·ZOL編譯報道：AMD即將——推出下一代四核心Opteron系列K8LCPU，這個即將推出的Opteron處理器也會作為下一代的AMDAthlon64FX桌面處理器出現(xiàn)在市場上。K8LCPU采用65納米生產(chǎn)工藝、共享三級緩存、HyperTransportx16互聯(lián)、FB-DIMM內(nèi)存支持、動態(tài)獨立核心管理(DICE)等技術(shù)亮點都有體現(xiàn)。AMD公司07年發(fā)布四核心Opteron系列K8LCPU計世網(wǎng)2006年9月26日N消息在秋季IDF上，英特爾CEOOtellini介紹了正在研發(fā)之中的數(shù)據(jù)交換速率達(dá)到TB/s級的新一代處理器。英特爾展示的樣片含有80個浮點內(nèi)核，主頻為3.16GHz。英特爾還保證將在五年內(nèi)拿出產(chǎn)品。英特爾五年內(nèi)生產(chǎn)80核主頻3.16GHz處理器關(guān)于多核CPU問題：目前的發(fā)展情況，從家用到專業(yè)服務(wù)器。多核與多物理CPU的區(qū)別。存儲器：計算機(jī)的記憶裝置。主存（內(nèi)存）與CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。ROM，RAM。輔存（外存）經(jīng)主存的過渡與CPU交換數(shù)據(jù)。軟盤，硬盤，光盤，磁帶。CPURAM外存ROMWWRR

存儲系統(tǒng)PC存儲器NAS架構(gòu)存儲器的作用用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件；存儲器還負(fù)責(zé)向控制器提供指令，與運算器交換數(shù)據(jù)。衡量存儲器的三個指標(biāo)：

存儲容量、存儲速度、單位價格存儲系統(tǒng)采用典型的存儲層次：

高速緩沖存儲器、主存儲器、

輔助存儲器及海量存儲器。CPU內(nèi)存外存存儲容量更大單位價格更高存儲速度更快★CPU與內(nèi)存合起來稱為計算機(jī)的主機(jī)高速緩存海量存儲輔存主存

ALU寄存器

Cache存儲器主存儲器(DRAM)輔助存儲器(軟盤、硬盤、光盤)后援存儲器(磁帶庫、光盤庫)存儲器層次結(jié)構(gòu)CACHE（超高速緩沖存儲器，快存）CPU看到的是CACHE，每次訪問是CACHE。

由系統(tǒng)負(fù)責(zé)將內(nèi)存的信息移入（移出）CACHE，而用戶是感覺不到。各級存儲器的速度差別

CPU---CACHE----MEMORY---DISK--BAK

15ns60nsmss好的存儲系統(tǒng)：

容量大，快，可靠，具有性能價格比高的特點。解決CPU與內(nèi)存的速度差輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)輸出設(shè)備打印機(jī)、顯示器視頻聲音識別光和磁識別輸入/輸出設(shè)備1.掃描儀

描述掃描儀的技術(shù)指標(biāo)，主要包括分辨率（掃描精度）、色彩位數(shù)、灰度、掃描速度幅面等。三維掃描儀平板掃描儀滾筒式掃描儀指紋掃描儀掃描儀基本工作原理2.數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)

數(shù)碼相機(jī)的性能指標(biāo)

分辨率顏色深度存儲能力及存儲介質(zhì)數(shù)據(jù)輸出方式連續(xù)拍攝數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)基本原理數(shù)碼相機(jī)心臟是電荷耦合器件(CCD)3.顯示器

基本常識：1．顯示器的類型2．屏幕的類型3．逐行／隔行顯示4．點距5．刷新頻率6．分辨率7．顏色數(shù)量8．帶寬

陰極射線管顯示器CRT液晶顯示器LCD等離子體顯示器PDP4.打印機(jī)針式打印機(jī)

噴墨打印機(jī)

激光打印機(jī)

激光打印機(jī)

5.顯卡顯卡，即圖形加速卡，它工作在CPU和顯示器之間，基本作用就是控制電腦的圖形輸出。加速器圖形處理器數(shù)模轉(zhuǎn)換器6.聲卡

聲卡是多媒體計算機(jī)必備的部件之一，用來處理各種類型數(shù)字化聲音信息。主要功能：錄制與播放波形音頻文件編輯與合成波形音頻文件MIDI音樂錄制和合成D/A轉(zhuǎn)換文語轉(zhuǎn)換和語音識別。聲卡與外設(shè)連接圖7.視頻采集卡

視頻采集卡又稱視頻捕獲卡，是對模擬視頻圖像進(jìn)行捕捉并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的工具。主要功能：

從動態(tài)視頻中實時或非實時捕獲圖像并存儲?？梢詫z像機(jī)、錄像機(jī)和其它視頻信號源的模擬視頻信號轉(zhuǎn)錄到計算機(jī)內(nèi)部，也可以用攝像機(jī)將現(xiàn)場的圖像實時輸入計算機(jī)。視頻采集卡能在捕捉視頻信息的同時獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時同步保存、同步播放。視頻采集卡的工作原理多通道視頻輸入A/D轉(zhuǎn)換視頻信號幀存儲器D/A轉(zhuǎn)換顯示輸出視頻采集控制器計算機(jī)主機(jī)視頻采集卡與外設(shè)連接圖8.USB接口現(xiàn)代軟件的定義——軟件應(yīng)包括程序、實現(xiàn)此程序功能所采取的方法、規(guī)則以及與其相關(guān)的文檔和在機(jī)器上運行它所需要的數(shù)據(jù)等。(1983年IEEE)早期軟件的理解——軟件=程序+文檔；程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。軟件首先是一個作品，其次是一個產(chǎn)品。它的產(chǎn)生方法隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在進(jìn)步。計算機(jī)軟件

---軟件的概念計算機(jī)用戶應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件硬件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖計算機(jī)硬件與軟件的關(guān)系計算機(jī)各類軟件的地位是一臺計算機(jī)最基本、最重要的軟件包，它控制CPU的操作，控制計算機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出，資源的分配，為應(yīng)用程序提供各種服務(wù)與接口。五大功能：用戶界面資源管理任務(wù)管理文件管理實用程序與支持服務(wù)操作系統(tǒng)分類：批處理OS、分時OS、實時OS、開源軟件（OSS）。1.操作系統(tǒng)Windows操作系統(tǒng)UNIX操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)OS

X操作系統(tǒng)2.常用操作系統(tǒng)介紹DOS曾經(jīng)是PC機(jī)上最常用的操作系統(tǒng)，以簡單、可靠贏得了廣大用戶的青睞。但由于未能緊跟計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，最終退出了歷史舞臺。Windows3X是PC機(jī)上最為成功的DOS擴(kuò)展器，它在DOS的基礎(chǔ)上改進(jìn)了用戶接口、內(nèi)存管理和設(shè)備管理，增加了對多媒體的支持，實現(xiàn)了圖形用戶界面，為PC機(jī)操作系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展打下了基礎(chǔ)。Windows95是一個全新的32位PC機(jī)操作系統(tǒng)，它充分利用了PC硬件技術(shù)發(fā)展的新成果，在支持原有16位應(yīng)用的基礎(chǔ)上，把PC操作系統(tǒng)技術(shù)向前推進(jìn)了一大步。UNIX系統(tǒng)經(jīng)過20多年的錘煉，以高可靠性、高效率和強(qiáng)大的TCP/IP支持、支持并行處理和多處理器和獨有的64位計算使其成為企業(yè)級應(yīng)用的首選。作為UNIX風(fēng)格的操作系統(tǒng)。LINUX秉承了UNIX系統(tǒng)的優(yōu)秀特性，以可靠、高效和近乎為零的使用成本而成為一種重要的操作系統(tǒng)。NetWare以其獨特的結(jié)構(gòu)、良好的運行效率和強(qiáng)大的目錄管理服務(wù)，成為PC局域網(wǎng)絡(luò)的最主要的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。WindowsNT繼承了微軟公司W(wǎng)indows系列操作系統(tǒng)的優(yōu)良特性，是一種可移植性好，支持多種硬件平臺，功能強(qiáng)大，可靠性好、靈活性高的企業(yè)級操作系統(tǒng)。它采用了先進(jìn)的操作系統(tǒng)技術(shù)，如虛存管理、優(yōu)先權(quán)多任務(wù)、結(jié)構(gòu)化異常處理和操作系統(tǒng)對象等，支持對稱式多處理器，提供了Windows圖形用戶界面，兼容WIN32程序、16Windows程序、MS-DOS程序、POSIX程序和OS/2程序等。WindowsNT以其靈活、強(qiáng)大的功能和穩(wěn)定可靠的性能成為了目前最為重要的操作系統(tǒng)之一。3.幾種操作系統(tǒng)比較根據(jù)最新消息（2006.10.3），WindowsVistaRTM版發(fā)布前最后一個測試版本——VistaRC2將在本周五發(fā)布。

VistaRC2版本號5743，將通過MSDN、TechNet發(fā)布給測試人員，微軟上月推出的VistaRC1版本號5728。

內(nèi)部文檔顯示，目前VIsta依舊有1400個Bug等待解決，微軟內(nèi)部決議希望將RTM版Vista內(nèi)Bug減少到500個以下，相比之下，九月22日發(fā)布時的Vista還有2479個Bug。WindowsVistaRTM版發(fā)布微軟2009年10月22日于美國、2009年10月23日于中國正式發(fā)布Windows7，2011年2月22日發(fā)布Windows7SP1（Build7601.17514.101119-1850）。Windows7同時也發(fā)布了服務(wù)器版本——WindowsServer2008R2。同2008年1月發(fā)布的WindowsServer2008相比，WindowsServer2008R2繼續(xù)提升了虛擬化、系統(tǒng)管理彈性、網(wǎng)絡(luò)存取方式，以及信息安全等領(lǐng)域的應(yīng)用，其中有不少功能需搭配Windows7。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）OracleSybaseMSSQLserver通信管理器系統(tǒng)支持程序3.其他系統(tǒng)管理軟件

機(jī)器語言---是計算機(jī)能夠直接識別語言，它是由0和1的排列組成的代碼，由這樣的代碼構(gòu)成指令序列。例：15+3寫為：0011111000001111程序設(shè)計語言特點：采用二進(jìn)制代碼指令隨機(jī)器而異效率高，執(zhí)行速度快編程繁瑣，工作量大，不直觀難懂、易出錯、通用性差。匯編語言---把由0和1的排列組成的代碼用一種符號代表，更接近自然語言，一般采用英語表達(dá)，便于理解、記憶、掌握。使得可讀性得到極大的提高，這種與機(jī)器指令基本上是一一對應(yīng)符號集合稱為匯編語言。例：15+3寫為：LDA15優(yōu)點：它保持了機(jī)器語言的優(yōu)點，克服了部分缺點，目前仍具有很高的應(yīng)用價值，并且被許多專業(yè)人員使用。高級語言編寫的程序短小，易于編寫、調(diào)試。可移植性強(qiáng)。高級語言---為克服匯編語言的缺點，提高計算機(jī)的應(yīng)用價值，人們才去用自然語言和數(shù)學(xué)表達(dá)形式來編寫程序的思想，并且在1959年時在計算機(jī)上實現(xiàn)了，這就是最早的Fortran語言，隨后出現(xiàn)Algol60、Basic、Pascal、C語言等等。特點：不依賴計算機(jī)硬件、通用性強(qiáng)、易理解。傳統(tǒng)的高級語言面向過程處理：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來量化描述需要解決的問題，算法設(shè)計則研究如何用快捷、高效的方法解決問題的具體過程。面向?qū)ο蟮恼Z言---面向?qū)ο蟮恼Z言應(yīng)該是高級語言一個分支，事實上面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想在20世紀(jì)60年代在英國就已經(jīng)提出，由于種種原因在80年代末才引起人們的重視并得到發(fā)展，目前是最活躍的高級語言，它的應(yīng)用價值非常高。它繼承了面向過程的高級語言的合理部分：結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計、模塊化、并行處理等，克服了數(shù)據(jù)與對數(shù)據(jù)的處理（代碼）分離的弊端，代表了新穎的程序設(shè)計思維方法。典型的面向?qū)ο蟮恼Z言有：C++、PB、VF、VB、VC、Delphi、Java、.Net等等。高級語言不能被計算機(jī)直接識別和執(zhí)行，必須先翻譯成用機(jī)器指令表示的目標(biāo)程序。翻譯的方式有兩種：解釋執(zhí)行編譯執(zhí)行編譯程序是把源程序翻譯