1、主 讲：杜 玫 芳E-mail: ,大学计算机基础,课时安排： 40学时（授课） + 32学时（实验） 考核方式： 期末考试成绩山东省统考 2.5学分 实验成绩 2学分,计算机用于在线交易,电子自选商场,证券交易所,计算机可以作什么？,计算机用于大型数值计算、处理 (Scientific Computation),计算机图形图象技术的杰作 (Data Processing),计算机用于辅助教学 (CAE),家用电脑,计算机在军事上得到广泛应用,航空母舰装备 计算机控制系统,导弹用计算机制导 打击目标更加精确,数字化军用地图既准确又方便,工业生产过程控制 (Process Control),人工
2、智能 Artificial Intelligence,第一章 计算机基础知识1.1 计算机的产生与发展 1.2 二进制与数据编码 1.3 计算机的硬件系统 1.4 计算机软件系统 1.5 数据存储 1.6 计算机与信息的安全,1.1.1 计算机的诞生,手工时代机械时代电子时代,1.1 计算机的产生与发展,手工时代远古时期的“掐指一算”；原始社会的结绳法；春秋时代的“筹算”法；公元600多年,中国唐代的算盘；,机械时代17世纪,欧洲出现计算尺（1620年)和计算器（1642年）,机械时代19世纪,各种基础理论和先进思想进一步推动计算机的发展19世纪中期,英国数学家巴贝奇,提出“通用数字计算机”思
3、想;19世纪中叶,英国数学家布尔,提出了“符号逻辑”的思想;1936年,英国数学家图灵,提出“图灵机”模型,证明了通用数字计算机是可以制造出来的.,巴贝奇设计的分析机 他的助手， 英国著名诗人拜伦的独生女阿达奥古斯塔（Ada Augusta）为分析机编制了人类历史上第一批计算机程序。阿达和巴贝奇为计算机的发展创造了不朽的功勋，他们对计算机的预见起码超前了一个世纪以上。,图灵1912年生于英国伦敦，1954年死于英国的曼彻斯特，终生未娶。人们把计算机领域的最高奖以他的名字命名为“图灵奖”，又称“图灵大奖”，是世界电脑界的诺贝尔奖，每年评选一位为计算机科学做出杰出贡献的科学家，奖金2到5万美元。,
4、1945年，美籍匈牙利数学家冯诺依曼（John von Neumann，1903 1958）提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念。这是所有现代计算机的范式，被称为“冯诺依曼结构”，按这一结构建造的计算机称为存储程序计算机，又称为通用计算机。长达101页的EDVAC（Electronic Discrete Variable Computer，“离散变量自动电子计算机”的简称）方案是计算机发展史上的一个划时代的文献.,电子时代1946年2月,第一台数字电子计算机ENIAC在美国宾西法尼亚大学诞生。重30吨，占地170平米，用十进制计算，每秒运算5000次，使用了17468个真空电子管。,
5、1.1.2 计算机的发展,发展史根据计算机采用的主要元器件划分第一代 1946-1957 电子管/真空管计算机 第二代 1958-1964 晶体管计算机 第三代 1965-1970 中小规模集成电路计算机 第四代 1970-至今 大规模或超大规模集成电路计算机 新一代计算机正在研究中,计算机在我国的发展 1956年 开始研制计算机 1958年 研制出第一台电子管计算机. 1964年 研制成功晶体管计算机. 1971年 研制成功集成电路计算机 1983年 研制成功“银河”巨型机.每秒1亿次 1997年 研制成功“银河”巨型机. 每秒130亿次 2001年 研制成功“曙光3000”巨型机. 每秒3
6、000亿 2004年 研制成功“曙光4000-A”巨型机. 每秒10万亿次 2009年 曙光5000A 每秒230万亿次 （magic cube）,补,计算机的特点：,1）运算速度快2）存储容量大区别于其他计算工具的重要特征3）通用性强计算机能够应用于各种领域的基础4）工作自动化5）精确性高,补,计算机的应用,1.科学计算 2.信息管理（数据处理）对大量数据进行加工,形成有用信息 3.过程控制工业自动化,补,4.计算机辅助系统辅助设计 CAD Computer-Aided Design辅助制造 CAM辅助教育 CBE 辅助教学 CAI计算机管理教学 CMI 5.人工智能（AI） 6.计算机网络
7、与通信,补,计算机的发展趋势巨型化（用于尖端科学）；微型化（PC机）；网络化（与世界接轨）； 智能化（模拟人）,1.1.3 新概念计算机,1. 神经计算机用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成了神经计算机。神经计算机除有许多处理器外，还有类似神经的节点，每个节点与许多点相连。若把每一步运算分配给每台微处理器，使它们同时运算，其信息处理速度和智能会大大提高。,2. 超导计算机超导计算机的性能是目前电子计算机无法相比的。目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到几微微秒的高水平。这是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。超导计算机运算速度比现在
8、的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作。,3. 光子计算机光子计算机利用光子取代电子，通过光纤进行数据传输、运算和存储。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数级提升。光子计算机有以下优势： (1) 光子不带电荷，它们之间不存在电磁场相互作用。 (2) 超高速的运算速度。 (3) 超大规模的信息存储容量和信息传输能力。 (4) 能量消耗小，散发热量低，是一种节能型产品。,4. 生物计算机人类利用遗传工程技术，仿制出用这种蛋白质分子作为元件的计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算
9、机。生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面： 它体积小，功效高。在1平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机可隐藏在桌角、地板等地方. 就像我们的身体创伤具有自动愈合功能一样，生物计算机当它的内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复，所以，生物计算机具有永久性和很高的可靠性。 生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以只需要很少的能量就可以工作，而它的电路间也没有信号干扰。,5. 量子计算机 量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。在这里存在着经典计算机和量子计算机
10、之间的一个关键的区别：传统计算机遵循着众所周知的经典物理规律，而量子计算机则是遵循着独一无二的量子动力学规律（特别是量子干涉）来实现一种信息处理的新模式。 量子计算机使计算的概念焕然一新，这是与其他计算机如光计算机和生物计算机的不同之处，其作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。,1.2 二进制与数据编码,1.2.1 数制与转换 非进位数制：表示数值的数码与它在数中的位置无关的数制。例如罗马数字 进制：用进位的方法进行计数的数制。日常用的进制十进制 十二进制(月份) 六十进制(分、秒) 计算机中常用的进制十进制（D） 二进制(B) 八进制 (O/Q) 十六进制(H),进制的特点：1.每一
11、种进制都允许使用固定个数的数码；(数码的个数称为基数)2.逢N进一，N指基数；如十进制中逢10进1；八进制中逢8进1；二进制中逢2进1；十六进制中逢16进1。3.采用位权表示法（按权展开）。,什么是“权”？处在不同位置上的相同数字所表示的值不同，一个数字在某个位置上所表示的实际数值 = 该数字 * 这个位置的因子上述因子就叫位权，简称权。权与基数的关系：权的值是基数的整数次幂。,此处书上啰嗦，看我的,十进制 八进制 十六进制 二进制,二进制的运算规则： 0+0=0 0+1=1 1+1=10,二.不同进制数的转换,1. 任意进制数转化为十进制数写出按权展开式，得出结果即是。,2 十进制数转化为任
12、意进制数 整数部分：“除基数取余法”余数按逆序排列； 小数部分：“乘基数取整法”乘积的整数部分按正序排然后把整数和小数部分组合，就得结果。,例如：把125.8125转化为二进制数,八进制,十六进制,整数部分：“除基数取余法”,125,2,62,1,2,31,0,2,15,1,2,2,7,1,3,2,2,1,1,1,0,1,逆 序 排 列,故：125=1111101 B,小数部分：“乘基数取整法”,125.8125,故：0.8125=0.1101 B125.8125 = 1111101.1101 B,0.8125X 2 1.6250 1 0.6250X 2 1.25 10.25X 20.5 0X
13、 21.0 10.0,顺 序 排 列,例：将十进制数 100.125 转化为二、八进制数。,3. 二进制、八进制、十六进制数间的转换,例如: 13.4O1 3 . 4 O001 011 . 100 B,3）B H 法则： “四位合一”，以小数点为准例如：1011.1B化成十六进制。4）H B 例如：5A.9FH化成二进制。5）O H通过二进制作为中介,“一拆四”,例：把二进制数 11111101.101 转化为八、十六进制数。,1.2.2 原码、反码与补码,在计算机中，所有数据都以二进制表示！ 通常规定，一个数的最高位为符号位，用0表示正数，用1表示负数，称作数符。一个数在计算机内部表示称为机
14、器数。机器数所真正表示数值称为真值。例如：-127是真值，11111111是其机器数。机器数常采用原码、反码和补码表示法。,1原码,原码是机器数的一种简单的表示法。其符号用0表示正号，用1表示负号。例如以下的二进制数： X1= +1010101 和X2= -1010101，其原码记作： X1原 = +1010101原 = 01010101 X2原 = -1010101原 = 11010101 原码机器数的表示范围因字长而定，采用8位二进制原码表示时，其真值的表示范围为：-127,127，即二进制的取值范围为：11111111，01111111。 应该注意的是：对数字0的表示有二种原码形式：00
15、000000和10000000。,2反码,机器数的反码可以由原码得到。如果机器数为正数，则该机器数的反码和原码相同；如果机器数为负数，则其反码是对原码除符号位以外的所有数位取反。例如以下的二进制数： X1= +1010101 X2= -1010101其反码记作： X1反= +1010101原 反 = 01010101 反 = 01010101 X2反= -1010101原 反 = 11010101 反 = 10101010,3补码,机器数的补码可以由原码得到。 如果机器数是正数，则该机器数的补码与原码相同。 如果机器数是负数，则该机器数的补码是对它的原码除符号位外的各位取反，并且在末位上加1得
16、到的。 例如以下的二进制数： X1= +1010101 X2= -1010101 其补码记作： X1补= +1010101原 补 = 01010101 补 = 01010101 X2补= -1010101原 补 = 11010101 反 +1 = 10101010+1 = 10101011,写出以下数的反码和补码： （1101010011001011）原=（ ）反=（ ）补 （-11010101111011）原=（ ）反=（ ）补,1.2.3 数的定点表示和浮点表示,一个作为整体来处理的二进制字串称为计算机字。表示数据的字称为数据字，表示一条指令的字称为指令字。这个二进制字所占的位数称为字长。
17、 一般来说，字长为8的倍数，如8位字长、16位字长、32位字长等。 对于数值数据，有定点表示和浮点表示两种表示方法，采用定点表示的数称为定点数，采用浮点表示的数称为浮点数。,1定点数,数的定点表示是指数据字中小数点的位置固定不变。一般用来表示一个纯小数或者整数。 当表示一个纯小数时，小数点固定在符号位之后。 当表示一个整数时，小数点固定在数据字最后一位之后。,例如字长为16时，数据“-2-15”和“+32767”表示如图所示。,2浮点数,数的浮点表示法是指表示一个数时，其小数点的位置是浮动的。它实际上是数的指数记数法在计算机中的具体实现。 在数的浮点表示中，一个数由两部分组成：其一是阶码部分（
18、表示数的指数记数法中的指数，记为E）；其二是尾数部分（相当于指数记数法中的尾数，记为M），因此对于一个数N， 通过浮点表示法可以表示 （注意：E和M中都包含有各自的符号位）为： N=2EM,例如：数据0.00000111011，其M值是0.111011，E值是-101。其32位浮点数的结构如图：,N=2EM,(1)位 b：即一个二进制位，是计算机存储数据的最小单位。 (2)字节 B：8个二进制位，英文字符占一个字节，汉字占两个字节；计算机中，字节是表示信息含义的最小单位，即以字节为基本单位来解释信息。 1B=8bit 1KB=210B=1024B； 1MB=210KB=1024KB； 1GB=
19、210MB; 1TB=240B (3)字：是计算机处理数据时，一次存取、加工和传送的数据称为字, 一次处理的二进制数据的位数称为字长.表示了处理数据的能力，是衡量计算机性能的一个重要指标。,1.2.4 数据的存储单位,位,字，字长,位、字节、字及字长,字节（8位）,数 据 存 储 的 组 织 形 式,1.2.5 字符编码 1. ASCII码（American Standard Code for Information Interchange）美国标准信息交换代码 ASCII有两种：7位ASCII码 和 8位ASCII码。前者称为标准ASCII码，后者称为扩充ASCII码。ASCII码共包含有2
20、7=128个不同的字符。它包括英文大小写字母 52个，09共10个数字，标点符号、运算符号和其他符号等。,ASCII码表,字符对应的ASCII码的规律：同一个字母的ASCII码值小写比大写字母大32。大写字母、小写字母、数字的ASCII码相临，后面的比前面大1。例如：已知字符“j”的ASCII码是106，那么，字符“I”的ASCII码是（ ）？,2. 汉字的编码,输入码,交换码,机内码,字形码,通过键盘输入汉字需要使用英文字符组成的输入码,输入码需要转换为由数字组成的交换码,交换码需要转换为机内码才能存储、处理而不会与西文编码冲突,输出汉字时把机内码转化为字形码送到显示器或打印机输出,计算机汉
21、字处理原理图,（1） 汉字输入码（外码）目前，汉字的输入方法有键盘、手写、语音、扫描识别等。将汉字通过键盘输入到计算机中采用的代码称为汉字输入码，也称外码。常用的汉字输入码：*流水码（区位码，电报码）:重码少，但难于记忆 *音码 （全拼、简拼、双拼、智能ABC）：容易掌握，但重码率高 *形码 (五笔字型) ：重码少，但不容易掌握 *音形结合码（万能五笔，自然码）：重码少，但不容易掌握,（2） 汉字交换码（国标码或区位码） 汉字输入码需要转化为交换码 用连续的2个字节（16个bit）来表示一个汉字。 1980年，我国颁布了GB2310-80信息交换用汉字编码字符基本集，简称国标码。 该标准收录了
22、6763个常用汉字(其中一级汉字3755个，按汉语拼音排序；二级汉字3008个，按偏旁部首排序)，以及英、俄、日文字母与其它符号682个，共计7445个字符。 1995年12月，汉字扩展内码规范GBK1.0编码发布 2000年，GBK18030取代GBK1.0成为正式的国家标准，共收录了27 484个汉字，同时收录了藏、蒙、维等少数民族文字。,（3） 汉字机内码国标码GB2312不能直接在计算机中使用，因为它没有考虑与基本的信息交换代码ASCII码的冲突。比如：“大”的国标码是3473H，与字符组合“4S”的ASCII相同。为了能区分汉字与ASCII码，在计算机内部表示汉字时把交换码（国标码）
23、两个字节最高位改为1，称为“机内码”。这样，当某字节的最高位是1时，必须和下一个最高位同样为1的字节合起来，代表一个汉字。,机内码和国标区位码的换算关系是：机内码=区位码+A0A0H, 汉字字形码 字形码实际上就是用来将汉字显示到屏幕上或打印到纸上所需要的图形数据。 记录汉字字形有两种编码方式：点阵码和矢量码目前汉字字形的产生方式大多是点阵式。 一般显示用1616点阵，打印用2424、3232、4848等点阵。点阵越多，打印的字体越好看，但汉字可占用的存储空间也越大。 每个点的信息要用一个二进制位来表示。,问题：一个1616点阵的汉字占（ ）字节？,计算机系统由 硬件系统 和 软件系统 组成。
24、 1. 硬件硬件是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件。未配备任何软件的计算机称为“裸机”。,1.3 计算机的硬件系统,计算机的分类,1. 按工作原理分：模拟计算机、数字计算机、混合计算机 2. 根据计算机的用途划分：通用计算机、专用计算机 3. 根据计算机的规模划分：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、工作站根据网络应用的角度划分：客户机、服务器,1.3.1 微型计算机系统的三个层次,微型计算机系统从局部到全局存在三个层次： (1) 中央处理器（CPU）：也称微处理器或微处理机，它是微型计算机的核心部件。 (2) 微型计算机：是以中央处理器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器M
25、（ROM和RAM）、I/O（输入输出）接口和系统总线组成的。该层次即微型计算机的主机。 (3) 微型计算机系统：以微型计算机为核心，再配以相应的外围设备,电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统。,冯诺依曼结构的计算机五个基本组成部分：运算器控制器存储器输入设备输出设备,运算器： 负责对信息进行加工和运算，它的速度决定了计算机的运算速度。 功能是对二进制编码进行算术运算和逻辑运算。 控制器： 功能是指示程序的执行过程，即决定在什么时间根据什么条件进行什么操作。 控制器与运算器合在一起称为中央处理器（CPU）,这种结构的特点是： (1) 由运算器、控制器、存储器、输入设备和
26、输出设备五大部分组成； (2) 数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址指定，地址码也为二进制形式； (3) 控制器是根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作的，并由一个程序计数器（即指令地址计数器）控制指令的执行。控制器有判断能力，能按计算结果选择不同的动作流程。,1.3.3 常见微型计算机的硬件设备,中央处理器（CPU）,微处理器是将运算器、控制器集成在一起的超大规模集成电路芯片，是计算机中最重要的核心部件。 我们平时所说的286、586、PII、PIII都是指CPU的型号。,CPU的主要性能指标：,主频,主频即时钟频率，是指计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数，
27、它在很大程度上决定了计算机的运算速度。 主频的单位是兆赫兹（MHZ）或千兆赫兹（GHZ）。 目前INTER的cpu的最高主频达到4 GHZ,字长,字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数。 计算机的字长越长，计算机处理信息的效率就越高，计算机内部所存储的数值精度就越高，计算机所能识别的指令位数就越多，功能也就越强。,内核 Intel和AMD分别推出了双核心处理器Pentium D和Athlon 64 X2。 双核心处理器指在一块cpu基板上集成两个处理器核心。,存储器,存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件。存储器分为两大类：内存储器和外存储器，简称内存和外存。内存储器又称为主存
28、储器，外存储器又称为辅助存储器。,存储器分类,内存,PC机的内存主要有ROM、RAM和Cache三种：ROM只读存储器 只能读不能写，用来固化一些重要的系统程序；RAM随机读写存储器 是PC机的主存储器，做成内存条插在插座上。计算机一旦掉电，RAM中的信息全部丢失。 微机中的内存一般指RAM。目前常用的内存有SDRAM 和 DDR SDRAM两种。,Cache高速缓冲存储器 A. 为解决CPU速度提高很越来越快和内存速度提高较慢不匹配的瓶颈问题； B. 内存中的部分数据放在Cache中，CPU读写数据时，先访问Cache，不能满足时才访问内存，这样既可提高数据的存取速度，又有较好的性能价格比。
29、,前面我们所说的系统内存称为物理内存，当系统运行的程序数据量过大，或者进程数量过多时，经常会发生物理内存资源不足的情况，这时系统将把一些暂时不用的数据放到硬盘上保存，这样虽然降低了一些运行速度（这是由于硬盘的存取速度远低于内存），但是却保证了系统的正常运行，在硬盘上开辟的用来保存内存数据的这块空间就称这虚拟内存。目前的操作系统都支持虚拟内存技术。,虚拟内存：,外存：存储容量大、可靠性较高、价格低、断电后可永久保存信息。,一张普通光盘能 容纳两摞 17米 高的纸所容纳的 信息。,主板,主板，又称为母板或系统板。,PCI槽,(1) 芯片组（Chipset） (2) CPU插座 (3) 内存插槽 (
30、4) BIOS芯片 (5) ATA接口 (6) 电源插口及主板供电部分 (7) 扩充插槽,系统总线和扩展槽,总线（Bus）是计算机各功能部件之间传送信息的公共通信干线。 微机中的总线一般分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址及控制信号。 主板上有一系列扩展槽，它是用来插各种可选的接口板，显示适配器(显卡)、网络适配器（网卡）和声卡都插在扩展槽中。,输入设备,输入设备是将原始信息转化为计算机能接受的二进制数，以便计算机能够处理的设备。,常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪和音箱等。,输出设备,CRT显示器,LCD显示器,等离子显示器,显卡,针式打印机,喷墨打印机,激光打印机,声卡,漫步者音箱,金河田音箱,
