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第1章信息技术与计算机一、信息概述1．几个概念（1）数据：将客观事物记录下来的可以鉴别的符号。（2）信息：经过加工以后并对客观世界产生影响的数据。信息的特征是：不灭性，复制性和时效性。（3）信息科学：研究信息及其运动规律的科学。（4）信息技术（IT）：凡是能扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。（5）信息技术的核心：微电子技术，计算机技术，光电子技术，通信技术（微电子技术是基础，计算机技术和通信技术是两大支柱）二、计算机概述1．计算机的发展简史（1）第一台计算机：ENIAC（2）第一台有存储功能的计算机：EDSAC。冯•诺伊曼（现代计算机之父）提出用二进制存储数据的思想。（3）第一台商品化的计算机：UNIVAC（4）计算机四代的发展：a)第一代：逻辑元件：电子管；软件方面：汇编语言和机器语言b)第二代：逻辑元件：晶体管；软件方面：出现程序设计语言c)第三代：逻辑元件：集成电路；软件方面：出现操作系统d)第四代：逻辑元件：大规模和超大规模的集成电路；软件方面：数据库和网络2．计算机的用途和特点e)用途i.科学计算：计算机最基本的用途ii.信息处理（数据处理）：计算机最广泛的用途iii.实时控制（过程控制）：生产自动化iv.计算机辅助设计（辅助工程）：CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAI（计算机辅助教学）v.人工智能f)特点（最主要的特点是：自动控制及存储程序）3．计算机的分类1)按信息表示方式分：数字计算机、模拟计算机、混合式计算机2)按用途分：通用计算机、专用计算机3)按规模分：巨型机、大型机、小型机、微型计算机、工作站、服务器4．计算机的新技术：芯片技术、并行处理技术、网络技术、蓝牙技术、嵌入技术、中间件技术等。第2章计算机系统的组成一、计算机基本工作原理1．指令和程序（1）指令a)定义：让计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机硬件的最大功能，是程序设计的最小单位，计算机工作的命令。b)组成：操作码（规定计算机要执行的基本操作）和操作数（执行对象的存储地址）（2）程序：完成特定任务的一组指令序列的组合（3）指令系统：计算机所能执行的全部指令。指令系统反映了计算机的基本功能，不同的计算机其指令系统也不相同。2．指令的执行过程：读取指令，分析指令，执行指令3．程序的执行过程二、计算机的系统组成（硬件系统和软件系统）1．硬件系统（五大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备）（1）CPU（CentralProcessingUnit）中央处理器a)组成：运算器、控制器b)功能：i.运算器（ALU）：进行算术运算和逻辑运算ii.控制器：从内存中取出指令、分析指令，发出控制信号从而执行指令（2）存储器：内部存储器和外部存储器a)内存：存储正在执行的程序和数据，可以直接和CPU发生数据交换b)外存：不能直接和CPU发生数据交换，必须通过内存进行数据交换（3）输入设备：接收用户输入的原始数据和程序（4）输出设备：存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式2．软件系统（1）系统软件：用于使用和管理计算机的软件。如：操作系统、程序设计语言、数据库管理系统等（2）应用软件：在硬件和系统软件的支持下，面向具体问题和具体用户的软件三、微型计算机的硬件组成1．主机（主板、微处理器、内部存储器）（1）CPU在微型计算机中称为微处理器（2）内部存储器a)RAM：随机存储器，可以进行读写操作，断电以后存储的内容消失b)ROM：只读存储器，一般情况下只能进行读的操作，断电以后存储的内容不消失c)内存按字节编址，按字节存储数据。内存按字节划分单元，每个单元有一个编号，称为内存单元的地址。2．外部设备（外部存储器、输入设备、输出设备）（1）外部存储器：软盘、硬盘、光盘（既是输入设备又是输出设备的是外部存储器）光盘的分类：CD-ROM（只读型光盘），CD-R(只写一次型光盘)，CD-RW(可重复读写)（2）输入设备：键盘、鼠标等（3）输出设备：显示器（分辨率越高图像越清晰）、打印机（针式打印机，喷墨打印机和激光打印机）等3．三总线结构（1）DB（DataBus）：数据总线，传输数据信号（2）AB（AddressBus）：地址总线，传输地址信号（3）CB（ControlBus）：控制总线，传输控制信号4.接口在微型计算机系统中，I/O接口位于主机和I/O设备之间，最常用的是USB（通用串行接口），支持热插拔，即插即用。四、微型计算机的主要性能指标1.字长：字长表示参与运算的一个字所含的二进制位数。字长越长计算速度越快，精度越高，处理能力越强。2.存储容量：主要指内存容量，以字节为单位。主存容量大，可以快速运行程序，对大量数据进行连续操作，减少对外存的存取次数。3.主频：CPU的时钟频率。一般来说，主频决定计算机的运算速度，时钟频率越高，计算机的运算速度也越高。4.运算速度：计算机每秒所能执行的指令条数，其单位为百万次/秒，百万次/秒又称MIPS。五、数字化信息编码和数据表示1．编码的定义：•采用少量的基本符号，选用一定的组合原则，以表示出大量复杂多样的信息。2．计算机中的二进制编码（1）组成：0，1（2）原因：a)物理上容易实现b)运算规则简单c)与逻辑运算的“真假”、“是否”相对应3．进制的概念（1）基r数制：用r个基本符号0、1、…、r-1表示数值，r称为该数制的基。（2）常见的几种进制a)十进制（D）：0，1，…，9；r＝10b)二进制（B）：0，1；r＝2c)八进制（O）：0，1，…，7；r＝8d)十六进制（H）：0，1，…，9，A，B，…，F；r＝16（3）几种进制之间的转换a)十进制与非十进制之间的转换i.非十进制转换为十进制：用按权展开式进行计算ii.十进制转换为非十进制：整数部分：除以r，取余，倒排；小数部分：乘以r，取整，顺排b)二进制与八进制、十六进制之间的转换i.二进制转换为八进制、十六进制1.二进制转换为八进制：小数点往左往右，三位为一组，位数不够添0补足，分别求出每组二进制对应的八进制数。2.二进制转换为十六进制：小数点往左往右，四位为一组，位数不够添0补足，分别求出每组二进制对应的十六进制数。ii.八进制、十六进制转换为二进制1.八进制转换为二进制：一位八进制数用三位二进制来表示2.十六进制转换为二进制：一位十六进制数用四位二进制来表示4．计算机中数据的表示（1）整数的表示：带符号数（原码、反码、补码）和不带符号数（2）浮点数的表示：由阶码和尾数组成5．常用的信息编码（1）字符编码：最常用的字符编码ASCII码（编码原则为7位编码，存储按8位存储），编码顺序是：空格数字编码大写字母小写字母（2）汉字编码：输入码（数字编码：唯一一种没有重码的输入方法；拼音码；字形编码：常用的五笔输入法）、国标码（两个字节的最高位为0）、内部码（两个字节的最高位为1，存放一个汉字的内部码需要两个字节）、字模码（按点阵输出汉字字形：存储一个16×16点阵的汉字字形需要32个字节）6．常用的信息单位：（1）位：计算机所能表示的最基本最小的数据单元（2）字节（Byte）：计算机中存储数据的基本单位a)1B＝8bitsb)1KB＝210B＝1024Bc)1MB＝210KB＝220Bd)1GB＝210MB＝220KB＝230Be)1TB＝210GB＝220MB＝230KB＝240B（3）字：计算机中处理数据的基本单位（4）字长：计算机中每个字包含的二进制位数。字长是衡量比较计算机的功能、精确度及运算速度的主要性能指标之一。如：32位机，32表示计算机的字长。7．二进制数的算术运算：加法规则：逢二进一（能进行运算）8．二进制数的逻辑运算：与、或、非（能进行运算）第3章操作系统基础3.1操作系统概述3.1.1操作系统的作用和目的1.概念2.操作系统的作用和目的操作系统的定义：操作系统是一组有效控制和管理计算机硬件和软件资源、合理组织计算机工作流程并方便用户使用计算机的程序的集合。它是配置在计算机上的第一层软件，是对硬件功能的首次扩充，是用户和计算机之间的接口。3.1.2操作系统的形成和发展1.人工操作2.批处理系统特点：在内存中只能存放一道作业，因而称为单道批处理系统。而其中的监督程序就是操作系统的雏形。3．执行系统通道和中断技术的出现，实现了主机、通道和输入输出设备的并行操作，提高了系统效率，方便用户对输入输出设备的使用。3.多道程序系统（多道批处理系统）在批处理系统中，采用多道程序设计技术，形成了多道批处理系统。多道程序设计技术是指在内存中同时存放若干个作业，当正在执行的作业因I/O等原因而暂停执行时，CPU可立即调度给另一道作业，而系统中众多的I/O设备可与CPU并行地工资源管理的角度管理者用户的角度用户和计算机硬件之间的接口资源管理的角度管理者任务组织的角度合理地组织工作流程，以提高资源利用率软件的角度重要的程序和数据的集合作。在单处理机环境下，这些作业仅在宏观上同时运行，在微观上则是交替进行。为了使系统中的多道程序能协调地运行，在多道批处理系统中必须配置一组软件来解决多道程序对系统资源的共享和竞争问题，并对作业进行合理的组织和调度，正是这样一组软件形成了现代意义上的操作系统。特点：资源利用率高、系统吞吐量大。4.分时系统分时系统是指一台主机上连接了多个终端（带有显示器和键盘）用户，同时允许多个用户共享主机中的资源，每个用户都可通过自己的终端以交互方式使用计算机，好象自己独占机器一样。分时技术：将处理机的时间划分成很短的时间片，规定每个程序只运行一个很短的时间，只要所分配时间片到，便暂停该程序的运行并立即调度下一个程序运行。5.实时系统实时系统的主要特点是提供即时响应和高可靠性。计算机对于外来信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内作出快速响应，其响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更短。实时操作系统可分为两大类：（1）实时控制系统：以计算机为中心的生产过程系统和武器控制系统。（2）实时信息处理系统：对信息进行实时处理的系统。6.通用操作系统通用操作系统可以同时兼有多道批处理、分时、实时处理的功能，或其中两种以上的功能。7.操作系统的进一步发展一个是随着计算机系统结构的发展，形成多处理机操作系统、网络操作系统和分布式操作系统；另一个则是把操作系统应用于微机，并随微机的发展而形成微机操作系统。由此，先后形成了微机操作系统、多处理器操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。3.1.3操作系统的基本类型1.批处理操作系统特点：（1）成批处理（2）无交互性（用户脱机使用计算机）（3）多道程序运行（提高系统资源利用率和作业吞吐量）2.分时操作系统特点：交互性、多路性、独立性、及时性3.实时操作系统特点：及时性、可靠性、多路性、独立性、交互性实时系统的主要特点是提供即时响应和高可靠性实时操作系统可分为两大类：（1）实时控制系统：以计算机为中心的生产过程系统和武器控制系统。（2）实时信息处理系统：对信息进行实时处理的系统。批处理系统、分时系统和实时系统是三种基本的操作系统类型。4.网络操作系统由于是基于计算机网络，所以，网络操作系统是在通常的操作系统基础之上，按网络体系结构协议标准，增加了实现网络低层协议（一般到传送层）功能和网络设备管理功能。网络操作系统的目标是很好地实现相互通信及资源共享。特点：（1）具有普通操作系统的功能；（2）网络通信功能6.分布式操作系统分布式操作系统是一种基于多处理器系统或多计算机系统（网络）的操作系统，是网络操作系统的更高级的形式，它能够使计算机软件运行在不具有共享内存的多台计算机上。分布式操作系统以协作完成任务为目的，实现信息交换和资源共享。3.1.4操作系统的特征四大特征：（1）并发：两个和多个事件在同一时间间隔内发生（2）共享：共享系统资源（3）虚拟：通过虚拟技术，将一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物（4）异步：在多道程序的环境下，每个程序不知何时执行、何时暂停，即它们以不可预知道速度向前推进。①并发和共享是操作系统最基本的特征。②并发和共享互为存在的条件。③