第1章 计算机与社会信息化

1第1章计算机与社会信息化教学目的和要求：本章介绍计算机基础知识，主要内容有计算机的发展和应用领域、计算机硬件系统和软件系统的组成及各主要部件的功能、计算机编码和数制。通过学习，了解计算机的发展和应用领域；了解计算机硬件系统的基本配置、主要性能指标、硬件和软件系统的组成；理解和掌握数制转换和数据编码的概念和方法。2第1章计算机与社会信息化1.1计算机发展简介1.2信息技术概述1.3计算机系统组成1.4计算机硬件组成1.5计算机软件分类1.6计算机工作原理及主要技术指标1.7数制及其运算1.8文字信息编码形式31.1.1计算机的发展历程英国数学家乔治·布尔（GeorgeBoole，1815-1864）创立逻辑代数，奠定电子计算机的数学理论基础；英国科学家图灵（AlanTuring,1912-1954）首次提出逻辑机模型—图灵机。建立算法理论和提出图灵测试——即智能机器；第一台电子数值积分计算机（1946）——ENIAC4567美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（JohnVonNeumann,1903-1957）提出EDVAC计算机方案。8三个基本原则:①计算机基本结构：计算机硬件应具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本功能。②采用二进制数：二进制数便于硬件实现，又有简单的运算规则。③存储程序控制：存储程序实现自动计算。这3个基本原则确定了冯·诺依曼型计算机基本结构9计算机经历了四代发展历程:第一代（1946年～1958年）为电子管计算机；第二代（1958年～1964年）为晶体管计算机；第三代（1964年～1970年）为中小规模集成电路计算机；第四代（1971年～）为大规模、超大规模集成电路计算机。以元件作为划分标准。101112131.1.2计算机分类按计算机运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多项性能指标划分：1.高性能计算机指目前运算速度最快、处理能力最强的计算机。2.微型计算机个人计算机（PC—PersonalComputer）。3.工作站介于微计算机与小型计算机之间的高档微机系统144.服务器高性能计算机，用于网络管理、运行应用程序、处理网络工作站成员的信息请求等5.嵌入式计算机计算机作为一个信息处理部件，嵌入到其他设备中，使其成为智能化和自动化程度更高的设备151.1.3计算机的主要应用领域1.科学计算（ScientificComputing）2.数据处理（DataProcessing）3.过程控制（ProcedureControl）4.计算机辅助系统（Computer-AidedSystem）5.人工智能（ArtificialIntelligence）6.信息高速公路（InformationSuper-Highway）7.多媒体技术（Multimedia）16线框图实体图应用举例：计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）17应用举例：生物仿真模拟18应用举例：室外建筑效果图19应用举例：医学里的应用用AVS对焦点区域的图象进行分析处理20应用举例：油气工业21应用举例：天气预报Bosnia上空九小时天气预报图FSL用AVS实现的天气图LAPS用AVS实现的三维局地气象预报实时图221.1.4计算机发展的趋势1.人工智能进一步发展自动装置使用微电脑内核，带有“眼睛”—摄像机，用以完成特定工作。2.计算机与通信相结合计算机应用进入网络时代——信息技术。计算机与通信网络相互协调、相互补充，融于一体。3.未来新型计算机将由磁、光或DNA来制造，即所谓磁计算机、光子计算机、生物计算机和量子计算机。1.2信息技术概述信息技术以计算机技术、通信技术、控制技术为核心1.2.1信息与数据数据是信息的载体和表示形式信息是数据表达的内涵或解释1.信息客观存在的事物及其运动状态的表征2.信息的基本特征①普遍性②寄载性③共享性④时效性⑤可识别性⑥可加工性3.数据数据是信息的载体。4.信息数字化将现实世界中的信息转换为计算机能识别、存储和处理的形式241.2.2现代信息技术信息技术是利用信息科学的原理和方法，研究产生、获取、变换、传输、存储、处理和利用信息的技术。1.2.3信息技术的发展趋势①多学科结合②智能化③多媒体化④高速度、网络化1.2.4信息化社会信息化社会是以信息活动为社会发展的基本活动。信息化水平是衡量一个国家或地区国际竞争力、现代化程度、综合国力和经济成长能力的重要标志。251.3计算机系统组成261.4计算机硬件组成冯•诺依曼计算机结构运算器存储器控制器输入设备输出设备执行指令协调控制存储程序、数据、结果输入程序、数据输出结果27计算机系统的硬件逻辑组成冯.诺依曼思想：程序与数据一样存放在内存存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器中央处理器281.4.1中央处理器（CPU为控制器和运算器的总称）1.运算器计算机用来进行算术、逻辑运算的部件：①算术逻辑运算单元ALU执行算数和逻辑运算的装置,核心是加法器②内部总线运算器和控制器之间的公共信息通道③寄存器组暂存操作数和中间结果有：累加、暂存、标志、通用等291.4.1中央处理器（CPU为控制器和运算器的总称）2.控制器控制、协调计算机各部件自动连续地执行指令，控制整个计算机有条不紊地工作。主要功能有：①取指令——自动形成指令地址②分析指令——分解成微操作③执行指令——执行微操作命令④改变指令执行顺序——根据判断结果⑤输入/输出控制——主机与入/出设备间⑥中断处理——非预期服务30控制器由以下部件组成：①程序计数器（PC）——下条指令地址②指令寄存器（IP）——暂存③指令译码器（ID）——分析指令，分解成微操作④时序控制电路——发出命令⑤微操作控制电路——实际执行命令311.4.2存储器用于存储程序和数据的部件。两种基本操作：①读操作②写操作存储容量：——是存储器的重要性能指标。存储容量单位：bit(位);Byte(字节)；KB（千字节）MB（兆字节）；GB（千兆字节）；它们之间的换算关系为：1字节（Byte）＝8个二进制位（bits）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B＝1024KB1GB＝230B＝1024MB33……位字，字长位、字节、字及字长字节（8位）数据存储的组织形式34⒈主存储器（内存）分类：随机存储器（RAM）SRAM——静态——用于CacheDRAM——动态——用于内存条用于CMOS只读存储器（ROM）——BIOSPROM——只能写1次EPROM——可多次擦写352．辅助（外）存储设备外部长久存储区域。常用辅助存储器有:磁盘存储器——硬盘、软盘;光盘;U盘;磁带磁鼓36硬磁盘磁盘信息存储格式记录面=磁头数磁道：4096柱面：所有记录面上同一编号的磁道扇区：每个扇区容量为512字节0磁道柱面扇区读/写磁头硬盘片磁盘工作原理3738硬盘的存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×扇区容量例：若已知磁头数为16，柱面数为4096，扇区数为63，扇区容量512字节，则：硬盘容量=16×4096×63×512＝2.1GB391.4.3输入输出设备输入输出（I/O）系统的主要功能是对指定外部设备进行输入输出操作。1.输入设备向主机输入程序、原始数据和操作命令等信息的设备。键盘、鼠标、光笔、图形输入板、触摸屏、数字化扫描仪、图像摄像仪、光学字符阅读器、声音识别器等都是输入设备。2.输出设备将计算机处理后的信息，转换成人们能识别的形式打印机、显示器、绘图仪、音箱等401.5计算机软件分类软件：是计算机完成一定任务所需的程序、数据和资料，分为两大类：系统软件和应用软件。1.5.1系统软件包括4类：操作系统语言处理系统数据库系统服务程序411.操作系统（OS）为了合理方便地利用计算机系统而对其资源进行管理的软件。操作系统管理的资源有4类：①进程管理②存储管理③设备管理④文件管理422.语言处理系统通过计算机语言可以编写程序，控制计算机完成预定任务。计算机语言分为3大类：机器语言汇编语言高级语言433.数据库管理系统管理数据库的软件，主要面向解决数据处理的非数值计算问题。4.服务程序完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务。441.5.2应用软件针对某一应用目的而开发的软件。分为二大类：通用应用软件专用应用软件通用应用软件支持最基本的应用，广泛地应用于几乎所有专业领域。45计算机系统的层次结构用户系统应用程序操作系统机器语言硬件系统461.6计算机工作原理及主要技术指标计算机工作过程是执行程序的过程。程序：为一系列指令的有序集合。47计算机的工作过程(1)计算机的工作过程就是执行程序的过程输入设备输出设备内存储器中央处理器程序执行结果地址/指令/数据控制命令控制命令481.计算机的指令系统指令：是使计算机完成某个操作所发出的命令；指令系统：一台计算机有许多作用不同的指令；所有指令集合称为该计算机的指令系统；49指令和程序程序：按一定顺序组织在一起的指令序列。机器指令：硬件能够直接识别并执行的指令。50一条机器指令由两部分组成：操作码和操作数。①操作码：指明该指令要完成的操作类型或性质，如取数、做加法或输出数据等。②操作数：指明操作对象的内容或所在单元地址。指令格式：说明指令的功能说明指令操作的对象指令码目标操作数源操作数51指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作操作码操作数数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令其它指令ifgoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等指令结构分类操作码要完成的操作类型或性质操作数操作的内容或所在的地址522.计算机工作原理计算机执行指令一般分为两个阶段：第一阶段称为取指周期，第二阶段称为执行周期。指令执行的一般过程取指令分析指令读取操作数执行指令存放结果53计算机的工作过程(2)指令存取命令运算命令输入/输出命令原始数据命令/程序取数读结果存数写I/O设备内存储器运算器控制器数据线：控制线：54计算机执行程序的方式有两种执行方式：顺序执行：一条指令执行完了再执行下一条指令。并行执行：同时执行两条或多条指令。553．计算机主要技术指标①字长——一次并行处理的二进制数的位数；②主频——CPU的时钟频率；③运算速度——每秒执行指令的次数（MIPS）；④存储容量；⑤存储周期——一次完整存取的操作时间；561.7数制及其运算计算机中采用具有两个不同稳态的电子器件表示数，这就是二进制数。为书写和表示方便，引进八进制和十六进制数。1.7.1进位计数制在进位计数制中有基数、位权和数位3个要素。基数—某个计数制中所包含的数码个数；数位--指数码在一个数中所处位置；位权--由位置决定的值；（位权用基数R的i次幂Ri表示）。571.十进制计数制十进制数的基数是10。数码有0—9共10个数字符号（用D表示）。数码处于不同位置代表不同数值——取决于位权。因此，301.6876可写成权展开表示式：301.6876＝3×102＋0×101＋1×100＋6×10－1＋8×10－2＋7×10－3＋6×10－4582.R进制计数制任意R进制计数制同样有基数R、位权Ri和按权展开的表示式。R可以是任意正整数。任意一个R进制数N可以表示为：N=An-1×Rn-1+An-2×Rn-2+…+A1×R1+A0×R0+A-1×R-1+…+A-m×R-m=iR1nmiia59进位制二进制八进制十进制十六进制规则逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一基数R=2R=8R=10R=16基本符号0，10,1,2,…,70,1,2,…,90,1,…,9,A,B,…,F权2i8i10i16i形式表示BODH常用的各种进制数的表示601.7.2不同进制间的转换各种进制数之间存在一定的转换规则。1.R进制数(非十进制）转换为十进制数规则：利用按权展开方法，可以将任一进制数转换成十进制数。方法：只要将各位数码与对应的位权乘积进行相加，和数就是对应的十进制数。61【例1.7.1】将二进制数转换为十