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计算机基础
第1章 计算机基础知识
1.1 概论
计算机是人类社会 20 世纪的重大科技成果之一。
1.1.1 计算机的发展过程
1946 年 第 一 台 电 子 数 字 计 算 机 ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And
Computer)在美国宾夕法尼亚大学诞生。
从第一台电子计算机的诞生到现在,电子计算机的发展大致可分为四代,并正在向
第五代发展:
第一代:电子管计算机时代(从 1946 年第一台计算机研制成功到 50 年代后期)。
主要特点是采用电子管作为基本元件,程序设计使用机器语言或汇编语言;主
要科学和工程计算;运算速度每秒几千次至几万次。
第二代:晶体管计算机时代(从 50 年代中期到 60 年代后期)。主要采用晶体管
为基本元件,体积缩小、功耗降低、提高了速度(每秒去处可达几十万次)可
靠性;用磁芯作主存储器,外存储器采用磁盘、磁带等;程序设计采用高级语
言;出现了操作系统。应用范围除进行传统的科学和工程计算外,还应用于数
据处理等更广泛的领域。
第三代:集成电路计算机时代(从 60 年代中期到 70 年代前期)。采用集成电路
作为基本元件,体积减小,功耗、价格等进一步降低,速度(几十万次到几百
万次)及可靠性有更大的提高;用半导体存储器代替了磁芯存储器;在软件方
面,操作系统日臻完善;计算机设计思想已逐步走向标准化、模块化和系列化,
应用范围更加广泛。
第四代:大规模集成电路计算机时代(从 70 年代初至今)。主要功能器件采用
大规模集成电路(LSI);并用集成度更高的半导体芯片作主存储器;运算速度
可达每秒百万次至亿次;在系统结构方面,多处理机系统、分布式系统、计算
机网络的研究进展迅速;系统软件的发展不仅实现了计算机运行的自动化,而
且正在向智能化方向迈进;各种应用软件层出不穷,极大地方便了用户。
微型机优点:体积小、耗电少、价格低、性能高、可靠性好、使用方便等。
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从结构和功能等方面看,计算机的发展方向为:巨型化、微型化、网络化、多媒体
化。
1.1.2 计算机的工作特点
计算机能快速计算
计算机是具有通用性的计算工具
计算机具有高准确度
计算机具有逻辑判断能力
1.1.3 计算机的应用
科学和工程计算
数据和信息处理
过程控制
辅助设计
人工智能
1.2 计算机基本组成和工作原理
1.2.1 计算机系统组成
计算机的基本组成,包括硬件和软件系统两个部分。
计算机硬件是组成计算机的物理设备的总称,它们由各种器件和电子线路组成,是计
算机完成计算工作的物质基础。
计算机软件是在计算机硬件设备上运行的各种程序及相关的资料的总称。而程序则是由
计算机最基本的操作指令来组成。计算机所有指令的组合称为机器的指令系统。没有软件的
计算机通常称为“祼机”。
硬件和软件的相互依存才能构成一个可用的计算机系统。
1.2.2 计算机硬件的基本组成
以存储程序原理为基础的冯.诺依曼结构的计算机,一般都由五大功能部件组成:运算
器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。P5 图给出计算机各功能部件的关系图。
1. 运算器
运算器是用于对数据进行加工的部件,它可对数据进行算术运算和逻辑运算。
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算术运算包括加、减、乘、除及它们的复合运算。逻辑运算包括一般的逻辑判断和逻辑
比较,如比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑反等操作。
运算器通常由算术逻辑部件(ALU)和一系列寄存器组成。P6 给出了一个最简单的运
算器示意图。
ALU 是具体完成算术逻辑运算的部件;寄存器用于存放运算操作数及计算中间结果。
2. 控制器
控制器是计算机的控制部件,它控制计算机各部分自动协调地工作,完成对指令的解释
和执行。它每次从存储器读取一条指令,经过分析译码,产生一串操作命令发向各个部件,
控制各部件动作,实现该指令的功能。
控制器由程序计数器 PC、指令寄存器 IR、指令译码器 ID 和操作命令产生部件组成。
PC 中存放的是指令地址,它具有自动加 1 的功能;IR 中存入着当前正在执行的指令代码;
ID 用来识别 IR 中的存放指令的操作性质;操作命令产生部件是发送控制命令的。
3. 存储器
存储器是计算机的记忆装置,它的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依
据,数据是计算机操作的对象。存储器一般被划分成许多单元,被称为存储单元;一个存储
单元可存放若干个二进制的位(bit), 8 个二进制位被称作一个字节(Byte);一个存储器
所能容纳的总字节数,被称为存储器的容量,通常将 1024 个字节简记为 1KB;1024KB 则为
1MB;1024MB 称为 1GB。存储单元按一定顺序编号,每个存储单元对应一个编号,称为单
元地址,地址在计算机中也用二进制编码表示。单元地址编码号是唯一且固定不变的,而存
储在该单元中的内容则是可以改变的。
向存储单元中存入(称为写)或从存储单元取出(称为读)信息,称为访问存储器。访
问存储器时,首先需给出存储单元地址,经地址译码器译码后选中所要的存储单元,再由读
写控制电路根据读或写的要求来确定访问方式,然后按规定要求具体完成读写操作。向存储
器传送单元地址是通过地址总线,对存储单元写入或读出的信息,通过数据总线,中间还通
过寄存器缓冲。所以存储器是由存储体、地址寄存器、地址译码器、数据寄存器和读/写控
制电路组成,如 P7 图所示。
通常对存储器可分为内存储器(也称主存储器)和外存储器(也称辅助存储器)。内存
器速度较快、容量较小,它可直接向运算器和控制器提供数据和指令,用于存放计算机当前
正待运行的程序和数据;与内存储器相比,外存储器的速度相对较低,容量则较大,且价格
较低,它用以做为内存储器的延伸和后援,用于存放暂时不用的程序和数据。外存储器中的
信息不能直接被运算器和控制器所访问;但它可与内存储器成批交换信息。现在常用的外存
储器有磁盘、磁带和光盘。而内存储器多为半导体材料制成。
4. 输入设备
输入设备是外部向计算机传送信息的装置。其功能是将数据、程序及其它信息,从人们
熟悉的形式转换成计算机能接受的信息形式,输入到计算机内部。
常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、纸带输入机、模/数转换器、声音识别输入等。
5. 输出设备
输出设备的功能是将计算机内部二进制形式的信息转换成人们所需要的或其它设备能接
受和识别的信息形式。常见的输出设备有打印机、显示器、绘图仪、数/模转换器、声音合
成输出等。
有的设备兼有输入、输出两种功能,如磁盘机、磁带机等。
通常将运算器和控制器合称为中央处理器(CPU);中央处理器和内存储器合称为主机
输入设备、输出设备和外存储器合称为外部设备;外部设备通过接口线路与主机相连。
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1.2.3 计算机语言
计算机语言是一类面向计算机的人工语言,它是进行程序设计的工具,又称为程序设计
语言。
1. 机器语言
机器语言是最初级且依赖于硬件的计算机语言。用机器语言编写程序,程序人员必须熟
悉机器指令的二进制符号代码。记忆指令代码能完成的操作,还应指出这一操作对象的位置 ,
即记忆指令的操作码和地址码。
用机器语言编写的程序被称为机器语言程序,它全部(包括数据)都是二进制代码形式,
它不易被人识别,但它可以被计算机直接执行。由于机器语言直接依赖于机器,所以对于不
同型号的计算机,其机器语言是不同的。
由于机器语文程序是直接在计算机上执行,所以效率比较高,能充分发挥计算机的高速
计算的能力。但机器语言不易记忆和理解且缺乏直观性,所以用机器语言编制程序的难度很
大。
2. 汇编语言
用有助于记忆的符号和地址符号来表示指令,便是汇编语言,也称为符号语言。用汇编
语言编写的程序称为汇编语言程序,它有较直观、易理解等优点。但计算机却不能识别和直
接运行汇编语言程序,必须由一种翻译程序将汇编语言程序翻译成机器语言程序后才能识别
并运行,这种翻译程序即称为汇编程序,其关系 P8 图所示。
用汇编语言编写程序与机器语言相比,除较直观和易记忆外,仍然存在工作量大、面向
机器、无通用性等缺点,所以一般称汇编语言为“低级语言”。
3. 高级语言
高级语言是一类人工设计的语言,因为它对具体的算法进行描述,所以又称为算法语言。
高级语言是一类面向问题的程序设计语言,且独立于计算机的硬件,其表达方式接近于
被描述的问题,易于人们的理解和掌握。用高级语言编写程序,可简化程序编制和测试,其
通用性和可移植性好。目前,计算机高级语言很多(几百种),广泛应用的有十几种,它们
有各自的特点和适用范围。如 BASIC 语言,是一类普及型的会话语言;FORTRAN 语言,多
用于科学及工程计算;COBOL 语言,多用于商业事务处理和金融业;PASCAL 语言,它有
利于结构化程序设计;C 语言,常用于软件的开发;PROLOG 语言,多用于人工智能。
在计算机上,高级语言程序不能直接执行,必须将它们翻译成具体机器语言程序才能执
行。这种翻译是由编译程序来完成的,其过程如 P9 图所示。
用汇编语言或高级语言编写的程序一般称为源程序,源程序在机器上不能直接执行;源
程序经汇编或编译后得到的机器语言程序称为目标程序,目标程序才能在机器上直接执行。
1.2.4 计算机软件
软件:程序和与程序相关的文档的集合。软件按其功能划分,可分为系统软件和应用软
件两大类型。
1. 系统软件
系统软件是随计算机出厂并具有通用功能的软件,由计算机厂家或第三方厂家提供,它
一般包括:操作系统,语言处理程序和数据库管理系统以及服务程序等。
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操作系统:是管理计算机软硬件资源,调度用户作业程序和处理各种中断,从而保
证计算机各部分协调有效工作的软件。操作系统可分为批处理操作系统、分时操作
系统及实时操作系统等。
语言处理程序
语言处理程序的任务,就是将各种高级语言编写的源程序翻译成机器语言表示的目
标程序。语言处理程序可分为解释型程序与编译型程序两大类。
数据库管理系统(DBMS):数据库管理系统是对计算机中所存放的大量数据进行
组织、管理、查询并提供一定处理功能的大型系统软件。当前数据库管理系统可以
划分为两类,一类是基于微型计算机的小型数据库管理系统,它具有数据库管理的
基本功能,易于开发和使用,可以解决对数据量不大且功能要求较简单的数据库应
用,常见的有:FoxBASE 和 FoxPRO 等;另一类是大型的数据库管理系统,其功能
齐全,安全性好,能支持对大数据量的数据库系统的开发,还提供了数据库系统应
用的开发工具,常见的有:Oracle、Sybase、DB2、Informix 等。国产化的数据库管
理系统有:Cobase、DM2、Openbase 等。
服务性程序:服务程序是一类辅助性的程序,它提供各种运行所需的服务。如腄程
序的装入、连接、编辑及调试用的装入程序、连接程序、编辑程序及调试程序以及
故障诊断程序、纠错程序等。
2. 应用软件
应用软件是为解决实际应用问题而编制的软件的总称,它涉及到计算机应用的所有领域,
各种科学和工程计算的软件和软件包、各种管理软件、各种辅助设计软件和过程控制软件都
属于应用软件范畴。
计算机系统的组成见 P11 图所示。
1.2.5 计算机的基本工作过程
计算机的任务:执行指令,其工作过程是由所存储并执行的程序控制的。在计算机工作
前,先将待执行的程序装入计算机的内存储器,启动计算机工作后,控制器逐条地从内存中
取出指令,分析其操作性质,然后按一定顺序发出指定操作所需的控制命令,直至该条指令
执行完毕。具体过程见 P11 图所示。一条指令执行的全过程,可以分为三个阶段:取出指令、
分析指令、执行指令。
若遇“转移指令”要实现程序分支时,会自动修改 PC 的值。
1.2.6 计算机的主要技术指标
计算机的功能和性能由其系统结构、硬件组成、指令系统、软件配置等多种因素所决定。
选购计算机时,要考虑其性价比。
计算机的主要技术指标:
基本字长:标志计算机的计算精度,反映计算机的处理能力
存储容量
运算速度:每秒钟能执行基本指令的操作次数,每秒百万次记作 MIPS
外部设备
软件配置
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