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第1章信息技术计算机1.1信息与信息技术•1.1.1信息及信息科学•1.1.2信息技术1.1.1信息及信息科学•信息是现代生活中一个非常流行的词汇，但至今对信息这个概念没有一个严格的定义。到目前为止，关于信息的不同定义已超过百种，有人统计，仅在国内公开发行的刊物上对信息的解释就有近40种。•对于信息的定义，至今仍是众说纷纭，莫衷一是。但人们已经认识到，信息是一种宝贵的资源，信息、材料（物质）和能源（能量）是组成社会物质文明的三大要素。1.1.2信息技术•至今人类历史上已经发生了4次信息技术革命。第一次信息革命是文字的使用。•第二次信息革命是印刷术的发明。•第三次信息革命是电话、广播和电视的使用。•从20世纪中叶开始，第四次信息革命已经到来。这就是当代的电子计算机与通信相融合的信息技术。现代信息技术是应用信息科学的原理和方法，有效地使用信息资源的技术体系，它以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征。1.2计算机发展历程1.2.1早期的计算装置1.2.2电子计算机的诞生和发展1．电子计算机的诞生2．从电子管到超大规模集成电路计算机的发展简史摩尔定理3．软件的发展1.2.3微型计算机诞生与发展1.2.3微型计算机诞生与发展1.2.4中国计算机的发展•国内从20世纪50年代开始研制高性能计算机系统，与国际发展的阶段类似，也经历了小型机、大型机、超级计算机和高性能计算机时代。在这个发展过程中，曙光系列、银河系列和神威系列都做出了突出的贡献。•从早期的中国第一台小型通用数字电子计算机103机，大型系统104机、107机、第一台晶体管计算机109乙机、109丙机、自行设计的大型系统119机，到757向量机、KJ8920用于石油地质勘探油田开发的大型数据处理系统，都是为科学计算服务的系统；•从90年代的曙光一号SMP系统、曙光1000MPP系统、曙光2000-Ⅰ、曙光2000-Ⅱ超级服务器，到曙光3000系统，1.3计算机未来•1.3.1计算机的发展方向•1.3.2未来新型计算机•1．光计算机•2．生物计算机•3．分子计算机•4．量子计算机1.4计算机系统1.4.1计算机系统的构成1.4.2计算机硬件系统的组成•1．运算器运算器或称算术逻辑单元（ArithmeticalandLogicalUnit）的主要功能是对数据进行各种运算。•2．存储器存储器（MemoryUnit）的主要功能是存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。3．控制器控制器（ControlUnit）是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。•4．输入设备用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫输入设备（InputDevice）。•5．输出设备从计算机输出各类数据的设备叫做输出设备（OutputDevice）1.4.3计算机软件系统指令：是能被计算机识别并执行的二进制代码，由操作码与操作数组成。指令系统：即一台计算机所有指令的集合，包括数据传送指令、数据处理指令、程序控制指令、输入、输出指令和其他指令。指令执行过程1.4.2指令和指令系统指令执行过程冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加11.4.3计算机系统的基本工作原理计算机的基本工作原理是由美籍匈牙利科学家冯·诺依曼于1946年首先提出的。采用二进制的形式表示数据和指令采用存储程序方式计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成冯·诺依曼理论要点冯·诺依曼结构框图1.4.3计算机软件从狭义的角度上讲，软件是指计算机运行所需的各种程序；而从广义的角度上讲，还包括手册、说明书和有关的资料。通常把计算机软件分为“系统软件”和“应用软件”两大类1．系统软件•具有代表性的系统软件有•（1）操作系统•（2）语言处理系统•（3）数据库管理系统2．应用软件目前，在微机上常见的应用软件如下。•（1）文字处理软件•（2）信息管理软件•（3）计算机辅助设计软件•（4）实时控制软件3．硬件与软件的关系硬件和软件是一个完整的计算机系统互相依存的两大部分，它们的关系主要体现在以下几个方面：•一是硬件和软件互相依存，硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的惟一途径，计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能；•二是硬件和软件互为替代，有时无严格界线，随着计算机技术的发展，在许多情况下，计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现，因此，硬件与软件在一定意义上说没有绝对严格的界面；•三是硬件和软件协同发展，计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者密切地交织发展，缺一不可。1.5基于计算机的信息处理过程1.5.1信息的表示及采集•1．数值和文字信息的表示及采集•（1）数值信息的表示•（2）文字信息的表示•（3）二进制、八进制和十六进制之间的转换•（4）数值和文字信息的采集1.5.2不同数制之间的转换1.二、八、十六进制转换为十进制对任意一个二、八、十六进制数，均可按照前述r进制数的展开和式方便的转成相应的十进制数如：（1101.01)2=1X23+1X22+0X21+1X20+0X2-1+1X2-21.5.2不同数制之间的转换2.十进制数换为r进制数(1)十进制整数转换为r进制规则：采用除以r取余数，直到商为零时结束。所得余数序列，先余为低位，后余为高位。(2)十进制小数转换为r进制规则：采用乘以r取整数，直到余数为0时结束。所得整数序列，先整为高位，后整为低位。十进制整数转为二进制整数十进制小数转成二进制小数二进制与八进制、十六进制之间的相互转换二进制与八进制、十六进制之间的相互转换•2．多媒体信息•（1）声音和图像信息的表示•（2）信息采集•图形图像的途径有：用软件创作，扫描仪扫描，数码相机拍摄，数字化仪输入，以及从屏幕、动画和视频中捕捉等。声音的采集可以通过话筒、录音机等设备采集。•1.5.2信息的组织•1.5.3信息的传输1.5.4信息的检索1.6计算机应用1.6.1科学与工程计算•科学与工程计算是指计算机应用于完成科学研究和工程技术中所提出的数学问题（数值计算）。1.6.2信息管理•信息管理主要是指非数值形式的数据处理，包括对数据资料的收集、存储、加工、分类、排序、检索和发布等一系列工作，传输和处理的信息有文字、图形、声音和图像等各种信息。1.6.3电子商务•电子商务可以概括成所有在Internet上进行的重要事务，包括行业之间的整合、行业内部供应链上合作伙伴之间的联系、企事业单位内部事务的业务活动，以及其他如教育、医疗、政府服务等公众网上事务和活动，所有这些都在朝向数字化发展。电子商务的应用，将从业务本身改变传统企业的运作模式，改变整个企业组织结构和经营机制，为网络化经营提供完整的解决方案，成为企业重组的有力支持手段，并展现出强大的生命力。•电子商务最典型的应用实例莫过于亚马逊（Amazon.com）的奇迹。1.6.4人工智能•人工智能是使用人工的方法在机器（计算机）上实现的智能，通过用计算机模拟人脑的智能行为：看、听、说和思维，使机器具有类似于人的行为。当计算机出现后，人类开始真正有了一个可以模拟人类思维的工具，在以后的岁月中，无数科学家为这个目标努力着。1.6.5计算机辅助设计与制造•计算机辅助设计是利用计算机的计算、逻辑判断等功能，帮助人们进行产品设计和工程技术设计。•计算机辅助系统包括计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）、计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）和计算机辅助教育（ComputerBasedEducation，CBE）等系统。•计算机在辅助设计与制造方面的典型应用实例就是汽车设计与制造。第2章微机硬件系统2.1微型系统微机系统、微机和微处理器是3个不同的概念，它们是微机从全局到局部的3个不同的层次。2.1.1微机系统的构成微机系统包括两大部分：硬件系统和软件系统。硬件系统除主机系统外，还包括了多种与主机相连的必不可少的外部设备，如键盘、鼠标和显示器等。图2-1所示为微机硬件系统的示意图。主机箱中除主机部分外，还包括电源、外存储器（如硬磁盘、光盘驱动器等）和各种外设接口卡等。显示器、键盘和鼠标等属于外部设备。它们是微机正常工作必须配置的设备，所以也称其为系统的基本配置。硬件系统从总体上可分为主机和外部设备两部分。主机是安装在主控制箱中的物理实体，包括微处理器、存储器、总线和输入/输出接口，是整个系统的控制中心。外部设备通过输入/输出接口及外设总线与主机相连。所谓软件，并不仅仅是一般概念中的程序，而是程序、要处理的数据及相关文档的总称。这里的文档是指与程序开发、维护和使用有关的各种图文资料。软件系统可以分为两大类：系统软件和应用软件。系统应用程序是位于操作系统之上、为应用程序的开发和运行提供支持的软件平台。它包括如下内容。各种语言和它们的汇编或解释、编译程序。计算机的监控管理程序（Monitor）、故障检测和诊断程序，以及调试程序（Debug）。它们负责监控和管理计算机资源，并为应用程序提供必要的调试环境。功能子程序库。为便于用户使用，计算机中设置了各种标准的功能子程序，如键盘输入管理、屏幕显示等。所有这些子程序的总和就构成了程序库。支撑软件，如数据库管理系统及各种工具软件等。微机的一般工作过程计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序则是由一条条指令组成的。程序通过系统的输入设备并在操作系统的统一控制下送入内存储器，然后由微处理器按照其在内存中的存放地址，依次取出并执行，执行结再由输出设备送出。计算机系统的分类计算机系统的分类方法有很多，一种常见的方法是按照其性能和价格的综合指标来分，分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微机等。但这种分法不是绝对的，随着技术的不断进步，各种类型的计算机的性能都在不断提高，今天一台微机的性能，甚至比过去一台大型机的性能还高，而价格却要低很多。计算机的另外一种分类方法称为Flynn分类法，它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，具体如下。单指令流单数据流（SingleInstructionSingleDataStream，SISD）机。单指令流多数据流（SingleInstructionMultipleDataStream，SIMD）机。多指令流单数据流（MultipleInstructionSingleDataStream，MISD）机。多指令流多数据流（MultipleInstructionMultipleDataStream，MIMD）机。除以上的分类法外，还可以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、大规模并行处理机和机群系统等。另外，也可以根据计算机面向的应用范围分类。微机主机系统微机主机系统安装在主控制箱内，主要包括微处理器、存储器系统、总线及输入/输出接口4个部分。微处理器微处理器（Microprocessor）也叫做中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU）或微处理单元（MicroprocessingUnit，MPU），它是微机的核心，是计算机完成指令读出、解释和执行的重要部件，主要完成各种算术及逻辑运算，并控制计算机各部件协调地工作。微处理器内部从总体上讲主要包括3大部分，即运算器、控制器和内部寄存器（见图2-5），它们通过CPU内部总线连接在一起，现代微处理器中还包含有高速缓冲存储器（Cache）。1．运算器运算器主要由算术逻辑单元（ArithmeticLogicalUnit，ALU）、内部寄存器（包括