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第1章计算机基础1.1概述1.1.1计算机的发展历程1.电子计算机的诞生和发展电子管到晶体管、集成电路、大规模集成电路及超大规模集成电路。第一代计算机的主要部件是电子真空管和继电器。2.微型计算机的发展微型计算机也称个人计算机。与微型计算机的发展相伴随的是微处理器的发展。3.未来计算机技术的发展电子计算机技术正在向巨型化、微型化、网络化和智能化这四个方向发展。巨型化指运算速度高、储存容量大、功能更完善的计算机系统。计算机的微型化得益于大规模和超大规模集成电路的飞速发展。人工智能是目前乃至未来可见的时间里计算机科学的研究热点。至少有三种技术有可能引发全新的革命：光子计算机、生物计算机和量子计算机。1.1.2计算机系统的分类按性能和价格的综合指标来分：巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机。目前的电子计算机从性能、价格等综合指标上来讲主要朝两个方向发展：一个发展方向是具有高运算速度、大存储容量、用于解决各种复杂问题的巨型计算机。另一个发展方向是低价格、小型化的个人计算机。Flynn分类法是根据在计算机中执行的指令和数据的不同组织形式来划分的：单指令流单数据流机，单指令流多数据流机，多指令流单数据流，多指令流多数据流。按处理机个数和种类分为单处理机、多处理机、并行处理机、关联处理机、超标处理机、超流水线处理机、大规模并行处理机、机群系统等。根据不同的应用领域：科学计算机、事务处理机、实施控制机等。1.2微型计算机系统1.2.1微型计算机系统的组成计算机系统包括硬件系统和软件系统。1.硬件系统硬件系统包括主机和外部设备两部分。主机位于主机箱内，主要包括微处理器（CPU）、内存储器、I/O接口、总线和电源等。外设包括输入设备和输出设备。计算机正在运行的所有程序和数据，无论其曾经存放在哪里，在运行前都必须送人内存，这样才能保证计算机工作的高速度。相对于主机，外部设备的主要特点是不能与处理器直接进行数据交换，数据的传输必须通过接口。2.主板主板也称系统版。主板的类型和档次决定了整个微机系统的类型和档次，主办的性能影响着整个微机系统的性能。主板均采用开放式结构。主板位于主机箱内，包括芯片、扩展槽和对外接口。1）芯片包括微处理器、控制芯片组和BIOS。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。典型的芯片组由南桥芯片和北桥芯片（芯片组的核心）组成。BIOS是存储器芯片，系统BIOS程序主要包含：上电自检、初始化和系统设置。2）扩展槽包括内存插槽和总线接口插槽两大类。3）对外接口硬盘接口：IDE接口、SATS接口等。连接各种外部设备的串行和并行接口插座：COM接口（串行接口，连接鼠标和外置Modem等设备）、PS/2接口（串行接口，专用于连接见键盘和鼠标）、USB（目前最为流行的外设接口）。3.软件系统软件系统分为系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统和各种系统应用程序。软件系统的核心是系统软件，系统软件的核心是操作系统。系统应用程序主要包括：各种语言及其汇编程序或解释程序、编译程序，计算机的监控管理程序、故障检测和诊断程序及调试程序负责监控和管理计算机资源，各类支撑软件如数据库管理系统及各种工具软件等。4.微机系统的主要性能指标1）主频2）运算速度3）内存容量4）字长5）外部设备的配置及扩展能力1.2.2.主机系统1.微处理器微处理器是整个系统的运算和指挥控制中心，主要包括控制器、运算器和寄存器组。寄存器组是CPU内部的若干个用于暂时存放数据的存储单元。2.存储器存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）。外存包括联机外存和脱机外存。联机外存就是硬磁盘，脱机外存有光驱、磁带、移动存储器等。相对于内存，外存具有存储容量大、速度慢、单位字节容量价格低、不能与处理器直接进行信息交换等特点。外存储器虽然也安装在主机箱中，但属于外部设备的范畴。内存分为随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。RAM可读可写，但掉电后信息会丢失，ROM只能读不能写，但掉电后信息不丢失。内存按单元组织，内存的每个单元都存放8位二进制码，即1B数据。内存的容量就是指它具有的单元数（以字节为单位）。通过硬件、软件或软/硬件结合的方式将不同类型的存储器组合在一起，从而获得更好的性价比，这就是存储器系统。常见的存储系统：一类是由内存和高速缓冲存储器（Cache）构成的Cache存储系统，另一种由内存和磁盘存储其构成的虚拟存储系统。前者的主要目的是提高存储器的速度，后者主要是为了增加存储器的存储容量。Cache存储系统由硬件系统管理，对虚拟存储系统的管理（内存与磁盘间的数据交换）则由操作系统负责。3.总线总线是一组信号线的集合，是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通路。从物理结构来看，它由一组导线和相关的控制、驱动电路组成。总线从传输信息的角度可分为三种类型：一是用于传输数据信息，二是用于传输地址信息，三是用于传输控制信息。现代微型计算机系统中的总线属于多总线结构。在这种结构中，总线按传输信息的种类可以分为DB、AB、CB等三种类型，从层次结构上可分为CPU总线（前端总线）、系统总线和外设总线。前端总线包括地址总线、数据总线和控制总线。系统总线也成为I/O通道总线，同样包括地址总线、数据总线和控制总线，是主机系统与外围设备之间的通信通道。1）PCI总线是外设互联总线的总称。2）AGP总线，也即加速图形端口。它是一种专为提高视频带宽而设计的总线规范。3）PCI-E总线是目前最新的系统总线标准，串行方式。外设总线是指计算机主机与外部设备接口的总线，实际上是一种外设接口标准。目前在微型计算机系统中最常用的外设接口标准就是USB（通用串行总线）。按总线所处的位置简单地将其分为CPU片内总线和片外总线。按这种分类法，CPU芯片以外的所有总线都称为片外总线。硬盘接口标准有ATA、SCSI、SATA等，它们定义了外存储器与主机的物理接口。目前最为流行的是使用SATA接口的硬盘，又叫串口硬盘。4.输入/输出接口I/O接口是将外设连接到系统总线上的一组逻辑电路的总称，也称为外设接口。功能：1）CPU与外设的速度匹配。2）信息的输入/输出。3）信息的转换。4）总线隔离。1.2.3输入/输出系统计算机的输入/输出系统由三个部分构成：输入/输出接口、输入/输出软件、输入/输出设备。1.主机与外部设备的数据交换过程2.CPU与外部设备的数据传输控制（1）对极低速或简单的外部设备：CPU只要接收或发送数据即可。（2）对低俗或中速的外部设备：应答式数据交换方式。（3）对高速外部设备：同步工作方式。3.基本输入/输出方法CPU管理外部设备的方法：程序控制方式、中断控制方式、直接存储器存取（DMA）方式及通道控制方式。（1）程序控制方式主要用于低速或简单外部设备的控制。特点是控制系统简单，但速度较慢、实时性差、CPU效率低。目前，这种输入/输出防止主要用于工业控制和单片机系统。（2）中断控制方式外部设备“主要”通知CPU，主要特点是实时性好。（3）直接存储器存取（DMA）方式总体上速度比较低，只适合中、低速的外部设备。（4）“通道”技术主要应用于大型计算机系统，可基本独立于主机工作，完成输入/输出控制及码制转换、错误校验、格式处理等。通道还是一种概念，一种具有综合性及通道性的输入/输出方式。1.3操作系统1.3.1操作系统的概念和分类1.操作系统的概念操作系统是一个程序，是控制其他程序运行、管理系统资源并为用户提供操作界面的系统软件。操作系统的作用：（1）隐藏硬件。（3）管理系统资源。（2）为用户和计算机之间的“交流”提供统一的界面，使用户不必考虑不同硬件系统可能存在的差异。2.操作系统的分类从应用领域划分：桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统和嵌入式操作系统等。根据所支持的用户数不同：单用户系统和多用户系统。从硬件结构的角度：网络操作系统、分布式操作系统和多媒体操作系统。（1）分时操作系统：多用户通过终端共享一台主机CPU的工作方式。（2）网络操作系统：向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。（3）分布式操作系统：通过网络将大量计算机连接在一起，以获取极高的运算能力、广泛的数据共享及实现分散资源管理等功能为目的的一种OS。（4）个人计算机操作系统：单用户的OS。典型的个人计算机OS是Windows操作系统。1.3.2操作系统功能概述操作系统的基本功能：进程管理、存储器管理、文件管理、设备管理、用户接口。1.作业管理作业管理又称处理机管理或进程管理。作业管理所运用的一项技术是“分时”。2.文件管理文件管理也称信息管理。文件管理系统。文件管理的功能就是有效地管理文件的存储空间，合理地组织和管理文件系统，并为文件访问和文件保护提供更有效的方法及手段。硬盘是按磁道和扇区组织的。操作系统会维护一个显示所有文件在磁盘中的起始扇区信息的表。起始扇区。“链指针”，就是在每个文件块的末尾处给出的下一块文件的扇区地址。磁盘碎片整理工具。3.存储器管理存储器管理解决的是内存的分配、保护和扩充问题。（1）存储分配（2）地址变换（3）存储保护（4）存储扩充。即虚拟存储技术。虚拟存储器由内存和部分硬磁盘组成。4.I/O设备管理设备管理主要是对计算机系统中的输入/输出设备进行分配、回收、调度和控制。5.系统启动6.系统调用1.4计算机应用技术1.4.1普适计算是一种无处不在的计算模式。1.4.2网格计算是利用互联网上计算机CPU的闲置处理能力来解决大型问题的一种计算科学。1.4.3云计算是分布式计算、并行计算和网格计算的发展，或者说是这些科学概念的商业实现，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。云计算的核心思想：将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池，向用户按需服务。1.4.4人工智能基本研究内容：机器感知、机器思维、机器学习、机器行为、智能系统及智能计算机构造技术。图灵测试。1.4.5物联网物物相连的互联网。它是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网。第2章计算机中的信息表示2.1计算机中的数制2.1.1位、字节和字长常用单位的含意（位、字节、字长，K、M、G）：每个“0”或“1”是计算机中的最小数据单位，称为位，bit，b。将8位二进制码作为一个整体，称为1字节，byte，B。字节是计算机中表示存储空间大小的基本容量单位。1B是8位二进制码，能够表示的最大数是2^8-1=255。KB千字节，MB兆字节，GB十亿字节，TB万亿字节。1B=8bit1KB=2^10B1MB=2^10KB=2^20B1GB=2^10MB=2^20KB=2^30B1TB=2^10GB=2^20MB=2^30KB=2^40B将计算机一次能够并行处理的二进制位数称为该机器的字长。字长是计算机的一个重要性能指标。2.1.2计算机中的数制十进制数（D，可省略），二进制数（B），十六进制数（H），八进制数（O）。2.1.3各种数制之间的转换见书P37。2.2二进制数的表示和运算2.2.1二进制数的表示定点表示法。优点是运算方便，缺点是要处理转化再折算，且表示的数范围小，精度低。浮点表示法。规定浮点数的尾数用纯小数表示，即小数点右边第一位不为0；阶码用整数表示，称这样的浮点数为规格化浮点数。详见PPT。2.2.2机器数的表示计算机中存储和处理的二进制数可统称为机器数。原码，反码，补码。2.2.3二进制数的算术运算加减乘除。2.2.4二进制数的逻辑运算与、或、非、异或。2.3计算机中的信息表示与处理2.3.1计算机中信息处理的一般过程利用计算机实现对信息的处理和利用，需要经过以下过程，即信息采集、信息表示和压缩、信息存储和组织、信息传输、信息发布和检索。1.信息采集将信息转换成具体的符号就是数据，数据是信息的符号化，是信息的具体表示形式。数据可以是文字、数值、声音、图像和视频等。采集文字和数值信息的方法：键盘输入、语音输入、手写输入、扫描加