第1章 计算机基础知识
第1章计算机基础知识
第1 章计算机基础知识1．1 思考题1．计算机的定义与特点是什么？计算机自1946 年诞生以来，哪几件事情对它的普及影响最大？为什么？【答】计算机的定义：现代计算机通常指电子计算机，这是一种能够存储程序和数据、自动执行程序，快速而高效地完成对各种数字化信息处理的电子设备。
它能部分地代替人的脑力劳动，因此也俗称为电脑。
计算机的特点：运行速度快，计算精确度高，可靠性好，记忆和逻辑判断能力强，存储容量大而且不易损失，具有多媒体以及网络功能等。
计算机自1946 年诞生以来，以下几个方面的发展对它的普及影响最大：（1）组成计算机的主要电子器件，由电子管到中小规模、大规模和超大规模集成电路的变化，使得计算机的成本不断下降，体积不断缩小，功能不断增强，特别是微型计算机的出现，使得计算机广泛普及进而走进寻常百姓家成为可能。
（2）多媒体技术的快速发展，使得多媒体计算机成为学习、办公和家庭电脑的主流。
（3）网络技术特别是1995 年以后网络技术的迅速发展，并进入普通家庭，使计算机的发展进入了网络、微机、多媒体时代，或简称为进入了计算机网络时代，更进一步推动了计算机的普及。
2．什么是计算机的主要应用领域？试分别举例说明。
【答】计算机的主要应用领域有科学计算（也称数值运算）、数据处理（也信息处理）、自动控制（也称是实时控制或过程控制）、人工智能、网络应用、计算机模拟、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助教育等。
计算机的应用实例随处可见，读者可自行列举生活、工作中的许多例子。
3．计算机的主要类型有哪些？自从1975 年到现在的这些年中，PC 发生了哪些巨大的变化试用几句话概括这些变化的特点。
【答】计算机的主要类型有巨型机、大型主机（也称大型机）、小巨型机、小型机、工作站和微型机 6 类。
20 世纪70 年代中期出现的苹果机和20 世纪80 年代初期出现的IBM PC，均属卫星计算机（简称微型机或微机）。
IBM PC 及其兼容机又简称为PC。
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计算机硬件的发展
电子计算机按其性能分类：
巨型计算机 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机
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微型计算机是第四代计算机的典型代表
微型计算机的发展
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发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代， 产生了微型计算机 以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以 集成了计算机主要部件——控制器和运算器的 微处理器为核心所构造出的计算机系统 微处理器(Microprocessor)/微型计算机 (Microcomputer) 1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处 理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机 时代
同余的概念
同余的性质：
a+M=a(mod M)； a+nM=a(mod M)； 例：以12为模，-4+12=-4 (mod 12) 8= -4 (mod 12) 我们称8与-4对模12来说互为补数。
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小结：
通过补数，将负数变成正数(减法变成加法) 计算机字长为n时，其模为2n (1 00······00) 计算机的序数是从0开始的，故2n在n位系统中是无 法表示的，它的表示形式与0的表示形式是一样的。
原码
数0的原码有两种不同形式:
[+0]原=00000000B [-0]原=10000000B
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原码范围：
-127~127 11111111~01111111(0FFH~7FH)
例：8位原码机器数：
真值：x1＝ 84 = +1010100B x2 ＝－84＝－ 1010100B 机器数：[x1]原 = 01010100 [x2]原 = 11010100
符号位 数值位
机器数及真值
当一个数据用16位表示时，用最高位 D15表示符号
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(2)应用软件 在计算机软硬件基础上为某一专门应用目的而设计开发的软件称为应 用软件.应用软件大致可以分为三大类:通用应用软件,用于专门行业的应 用软件和定制软件. 1.2.4 微型计算机系统的硬件组成 1.CPU(Central Processing Unit) CPU即中央处理单元,又称微处 CPU即中央处理单元,又称微处 理器.是一块集成了运 算器和控制器的半导体芯片,是整个计算机系统的 "大脑". 大脑" 2.系统主板(Main board)系统主板又称为母板是微型计算机中最大的一块集 .系统主板(Main board)系统主板又称为母板是微型计算机中最大的一块集 成电路板.
1.2 计算机系统的基本组成及工作原理
1.2.1 计算机系统的组成 一个完整的计算机系统有硬件系统和软件系统两部分组成.
运算器 CPU 控制器 主 机 内存(主存) 硬件系统 计 算 机 系 统 输入设备:键盘,鼠标,扫描仪 输出设备:显示器,打印机,绘图仪
系统软件:操作体统,语言处理程序
软件系统
CMOS ISA 插槽 主板电池 控制芯片 PCI 插槽 串 行/并 口 插 槽 Socket7 插槽 键盘插座 CACHE 内存插槽
3.内存储器 (1)随机存取存储器(Random Access Memory,简称RAM) )随机存取存储器(Random Memory,简称RAM)
(2)只读存储器(Read Only Memory,简称ROM) )只读存储器(Read Memory,简称ROM) 只读存储器简称ROM.CPU从它们中读取信息,而不能写入信息. 只读存储器简称ROM.CPU从它们中读取信息,而不能写入信息. (3)高速缓冲存储器(Cache) )高速缓冲存储器(Cache)
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1.1.3 计算机的分类
1、按规模和综合性能指标分类 1) 巨型机：运算速度快，可达到数百亿次/秒。处理能力最强：航天、
气象等尖端领域。我国的“银河”、“神威”和“曙光” 等
2)大型机：运算速度在100万～几千万次/秒，大型、通用、速度较快、
1.2.1 计算机的基本结构
1．冯·诺依曼型计算机的基本结构 1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(Von Neumann)提
出了一个“存储程序”的计算机方案。这个方案包含3个 要点：
⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。
⑵将指令和数据存放在存储器中。
⑶计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输 出设备5大部分组成。
随机存储器 （RAM）
计
内存储器 （内存）
算 机
外存储器（外存）
只读存储器 （ROM） 软盘
硬盘
系
光盘
统
键盘
外设
结
输入
图
显示器、投影机
输出设备（Output）
打印机
微机计算机系统
操作系统
绘图仪
语言处理程序
数据库管理系统
网络通信管理程序
系统软件 应用软件 软件系统
应用软件包 用户程序
几种类型的CPU（奔腾4、赛扬D、AMD）
Pentium 4 506+ 2.66G 接口类型：LGA 775
CPU主频：2.66 针脚数（Pin）：775
CPU外频： 制作工艺：0.09微米 二级缓存容量：1M CPU类型：台式机
64位技术：支持
Celeron D 346 3.06G 接口类型：LGA 775
第1章 计算机基础知识
第一章计算机基础知识1.1 计算机系统的组成硬件系统和软件系统1.11计算机的发展阶段1946-1957年电子管计算机1958-1964年晶体管计算机1965-1970年集成电路计算机1971年以后大规模集成电路计算机1.12“储存程序”工作原理计算机使用储存程序工作原理1.13 计算机指令系统（1）计算机指令系统的发展系列计算机复杂指令系统计算机精简指令系统计算机（2）指令的类型数据传送类指令MOV算术逻辑类指令ADD判定控制类指令CMP（3）指令的寻址方式立即寻址指令中带操作数寄存器寻址指令中带寄存器编号,寄存器中存操作数直接寻址指令中带操作数的地址寄存器间接寻址指令中带寄存器的编号，寄存器中带操作数的地址寄存器相对寻址基址寄存器中的地址加上指令中的地址为操作数的地址1.14 计算机的硬件组成运算器控制器存储器输入设备输出设备运算器和控制器成为中央处理器1.15 微处理器具有中央处理器功能的大规模集成电路分为：通用微处理器嵌入式微处理器数字信号处理器1.16 总线Cpu-内存总线i/o总线有：PCI总线usb 通用串行总线1394 高速串行总线Firewire1.17 计算机的软件组成A : 系统软件包括：程序设计语言处理；操作系统；数据库管理软件；服务性程序机器语言汇编语言翻译为机器语言（目标程序）执行高级语言高级语言(源程序) 编译为机器语言（目标程序）执行或者边解释边执行B: 应用软件1.18 计算机的配置和技术指标运算速度与主频存取周期以及何种指令系统有关主频字长决定了可处理的指令的长度存储容量数据传输率1.19 计算机的应用领域科学和工程计算数据和信息处理过程控制计算机辅助系统工程辅助设计（CAD）辅助制造（CAM）辅助测试（CAT）辅助教学（CAI）人工智能逻辑推理；理解自然语言，辅助疾病诊断等网络应用1.2 计算机中的信息表示1.21 计算机中的信息单位二进制1.22 基本的二进制运算1.23 数据在计算机中的表达方式原码反码补码1.24 计算机中的非数值信息一个字节的ASCII码1.3 计算机网络基础1.31 网络的基本概念（1）网络的形成与发展（2）计算机网络的主要特征计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享（资源共享）互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议网络协议三要素：语法，语义，时序语法：规定了用户数据与控制信息的结构与格式语义：规定了用户控制信息的意义以及完成控制的动作与相应时序：是对事件实现顺序的详细说明1.32 网络的分类根据传输技术分为：广播式网络点—点式网络需要通过路由选择算法根据覆盖范围分为：局域网，城域网，广域网广域网（远程网）：主要使用分组交换技术X.25网：建立在速率较低，误码率较高的电缆传输介质上，包括了差错控制，流量控制，阻塞控制等功能。
第一章 计算机基础知识
第一章计算机基础知识主要内容●计算机发展简介●计算机的特点与应用领域●计算机系统的组成●计算机中信息的表示●数制间的转换●计算机病毒知识要点一、计算机发展简介计算机（Computer）：俗称电脑，世界上第一台计算机ENIAC诞生于1946年在美国的宾夕法尼亚大学。
计算机从诞生到现在，根据构成计算机的主要电子元件的不同，可以划分为四个发展阶段。
第一代：主要电子元件为电子管，运算速度以毫秒（ms）为单位；第二代：主要电子元件为晶体管，运算速度以微秒（μs）为单位；第三代：主要电子元件为集成电路，运算速度以纳秒（ns）为单位；第四代：主要电子元件为大规模和超大规模集成电路，运算速度以（ps）为单位。
1956年约翰·麦卡锡提出了人工智能的的概念。
说明：计算机发展趋势向着微型化、巨型化、网络化和智能化四个方向发展。
图灵被称为计算机科学之父、人工智能之父。
二、计算机的特点与应用领域1．计算机的特点运算速度快；计算精度高；存储容量大；具有记忆和逻辑判断能力；自动化程度高。
2．计算机的应用领域（1）数值计算（科学计算）：用计算机来处理科学研究和工程技术中的问题；（2）信息处理（数据处理）：办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等都属于数据处理，计算机应用中有80%以上都属于数据处理。
（3）计算机辅助技术：CAI（计算机辅助教学）、CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）。
（4）过程控制（实时控制）：主要应用于现代化的工业生产中。
（5）人工智能：如机器人、指纹识别、语音识别等。
三、数制间的转换1．二、八、十六进制数转换为十进制数将二、八、十六进制数转换为十进制数采用的“按权展开式”的方法进行计算。
2．十进制数转换为二、八、十六进制数（1）整数部分的转换方法：除基取余倒排法。
（2）小数部分的转换方法：乘基取整顺排法。
3．二进制数转换为八、十六进制数将二进制数从小数点位置划开，向左和向右分别以三位或四位为一个组，然后将每个组表示成八进制数或十六进制数即可。
第一节 计算机基础知识
计算过程在程序控制下自动执行，中间无需人工干预，
每秒可做5000个加法，或500次乘法，或50次除法，工
作一小时完成的计算量相当于100个人用手摇计算机计
算两个月。"埃尼克''被认为是电子计算机的始祖，它开
创了电子计算机的历史。
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▪ 2.计算机的发展
1.1.2 微型计算机的发展 概况
▪1．第一代（1971~1973年）4位型计算机 ▪2．第二代（1974~1978年）8位型计算机 ▪3．第三代（1979~1985年）16位型计算机 ▪4．第四代（1986~1992年）32位型计算机 ▪5．第五代（1993~今）64位型计算机 ▪位：指的是机器的字长，字长越长，其精度 越高。
已达几十亿次。
▪ 我国"银河"计算机
每秒达几亿次。
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▪ 2 .计算精度高
▪ 一般电子计算机可以有十几位有效数字，有的在百位以上甚至更 高。
▪ 3.有较强的记忆能力
▪ 计算机能自动记忆住进入计算机的数据和程序，记忆的数据可以 达到几千万甚至几亿个。
▪ 4. 具有逻辑判断能力，自动化程度高
▪ 计算机并无自己的意志，它不能自己启动，不会自己寻求问题和 制定求解问题的方案，计算机必须接受人的指令。但是，一旦人 们把求解问题的一串指令输入机器启动后，计算机就能按照程序 自动地进行工作直到完成为止，工作过程中一般不需要的人工干 预。它不但能顺序地逐个执行指令，也能按照程序的规定通过逻 辑判断选定下一步要执行的指令，还可按照程序的规定使某些指 令反复执行若干遍。
大家好
1
第一章 计算机基础知识
2
第一章 计算机基础 1.1计算机概述
第一章计算机基础知识
网络攻击防护
要点一
总结词
了解常见的网络攻击手段和防护方法，如防火墙、入侵检 测系统等，加强网络安全意识，不轻易泄露个人信息。
要点二
详细描述
随着网络的普及，网络攻击也日益增多。常见的网络攻击 手段包括拒绝服务攻击、钓鱼攻击、恶意软件感染等。为 了防止网络攻击，需要采取有效的防护措施，如使用防火 墙、入侵检测系统等安全设备，加强网络安全意识，不轻 易泄露个人信息。
互联网计算机时代
总结词
互联网计算机时代始于20世纪90年代，主 要特点是计算机网络技术的发展和应用。
详细描述
互联网计算机时代始于1991年的World Wide Web（万维网），它使得互联网成为 一个全球性的信息共享平台。随着互联网的 普及和深入应用，人们的生活、工作、学习 等方面都发生了深刻的变化。同时，互联网 技术的发展也催生了许多新的产业和商业模 式，如电子商务、在线教育等。
自动控制是指利用计算机对生产过程、机械装置等进行自动化控制，以提高生产效率、减少人工干预的过程。
详细描述
自动控制广泛应用于工业生产、航空航天、交通运输等领域。通过自动控制，可以实现精确控制、快速响应和高 效生产，提高生产效率和产品质量。
辅助设计
总结词
辅助设计是指利用计算机进行产品设计、工程制图、虚拟仿真等过程，以提高设计效率和设计质量。
数据备份与恢复
总结词
定期备份重要数据，并采取多种方式进行备份，确保数 据安全。同时，了解数据恢复的方法和步骤，以应对数 据丢失的情况。
详细描述
数据备份是保护数据安全的重要措施。为了防止数据丢 失或损坏，需要定期备份重要数据，并采取多种方式进 行备份，如本地备份、云备份等。同时，了解数据恢复 的方法和步骤，以应对数据丢失的情况。在数据备份和 恢复的过程中，需要注意数据的完整性和可用性，确保 数据的安全可靠。
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3.字(word) 字是计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送
的一串二进制数。是计算机进行信息交换、处理、存储的 基本单元。通常由一个或几个字节组成。
4.字长 字长是计算机CPU一次处理数据的实际位数，是衡量计算
1.1.3 微型计算机的发展
① 霍夫和Intel 4004
② 8位微处理器8080 ③ APPLEⅡ计算机
④ IBM与“PC机” ⑤ PC之父
当前计算机技术正朝着巨型化、微型化、网络化、智 能化、多功能化和多媒体化的不同方向发展。
1.1.4 计算机的分类 1．超级计算机或称巨型机 2．小超级机或称小巨型机 3．大型主机 4．小型机 5．工作站 6．个人计算机或称微型机 7．专用计算机 8. 模块化计算机 9．服务器
输出设备负责将计算机处理数据的中间过程和最终结果以人 们能够识别的字符、表格、图形或图像等形式表示出来。最常见 的输出设备有显示器、打印机等，现在显示器已成为每台计算机 必配的输出设备。
1.2.2 软件系统
软件是指计算机系统中使用的各种程序，而软件系 统是指控制整个计算机硬件系统工作的程序集合。 计算机软件系统一般可分为系统软件和应用软件两大类。
1.1.5 计算机的主要特点
1. 快速的运算能力 2. 超强的记忆能力 3. 足够高的计算精度 4. 复杂的逻辑判断能力 5. 通用性强
1.1.6 计算机的主要用途
科学计算 数据处理 过程控制 计算机辅助系统 人工智能 计算机网络 多媒体计算机系统 虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR） 云计算（Cloud Computing） 大数据
输入设备: 输入设备是指将数据输入到计算机中的设备，人们要向电脑
发出指令，就必须通过输入设备进行。在计算机产生初期，输入 设备是一台读孔的机器，它只能输入“0”和“1”两种数字。随 着高级语言的出现，人们逐渐发明了键盘、鼠标、扫描仪和手写 板等输入设备，使数据输入变得简单也更容易操作了。 输出设备:
第一代计算机---电子管时代（1946年～1957年） 第二代计算机---晶体管时代（1958年～1964年） 第三代计算机---集成电路时代（1965年～1970年） 第四代计算机---超大规模集成电路时代（1971年～至今）
电子管计算机Biblioteka 第一台晶体管计算机大型计算机
1.1.2 超级计算机
超级计算机是一个国家综合国力的体现。2013年6月1 7日国际TOP500组织公布了最新全球超级计算机500强排行 榜榜单，中国国防科学技术大学研制的“天河二号”以每 秒33.86千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计 算机。此次是继天河一号之后，中国超级计算机再次夺冠。
1.2 计算机系统的组成
控制器
中央处理器CPU
运算器
主机
ROM（只读存储器）
内存 RAM（读写存储器）
硬件系统
Cache（高速缓冲存储器）
输入设备—键盘、鼠标、扫描仪等
计 算
外设
输出设备—显示器、打印机、音响等
机 系
外存—硬盘、光盘、闪存等
统
操作系统
系统软件
编译程序和解释程序 数据库管理
软件系统 应用软件
世界上第一台电子数字积分计算机于1946年在美国宾夕法尼亚大 学诞生，取名为ENIAC（埃尼阿克）。
该机的特征: 占地面积为170平方米；运算速度为每秒5000次；18000 多个电子管；
耗电150千瓦；重量达30吨。
世界第一台电子计算机“ENIAC” 计算机的创始人，莫奇利和他的学生爱克特
按其结构中采用的主要电子元器件划分，一般 分成4个时代。
机性能的一个重要指标。字长越长，一次可处理的数据二进制 位越多，运算能力就越强，计算精度就越高。 5.存储容量
存储容量是衡量计算机存储能力的重要指标，是用字节 （B）来计算和表示的。除此之外，还常用KB、MB、GB、TB作 为存储容量的单位，其换算关系如下： • 1B=8b；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB ；1PB=1024TB。
常用的系统有DOS操作系统、WINDOWS操作系统、UNIX 操作系统和Linux、Netware等操作系统
应用软件（application software）是用户可以使用 的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应 用程序的集合，分为应用软件包和用户程序。
指令、程序与计算机语言： 指令是计算机执行某种操作的命令。由操作码和地址
码组成。其中操作码规定操作的性质。地址码表示操作数 和操作结果存放的地址。
（1）机器语言。
（2）汇编语言。
（3）高级语言。
1.2.3 计算机中数据存储概念
1.位（b） 位是计算机中存储数据的最小单位。指二进制数中的
一个位数，其值为“0”或“1”，其英文名为“bit”。
2.字节(B) 字节是计算机存储容量的基本单位，计算机存储容量
各种字处理系统 各种软件包
1.2.1 硬件系统
“冯·诺依曼”体系结构计算机
运算器和控制器:
运算器和控制器合称为中央处理单元，即Central Proces sing Unit，简称CPU。CPU是整个计算机系统的中枢，它通过 对各部分的协同工作，实现数据的分析、判断和计算等操作， 以完成程序所指定的任务。
第1章 计算机 基础知识
本章要点
计算机的分类、特点及应用
了解云计算及大数据 计算机硬件和软件系统组成 微机常用硬件及性能指标 信息编码方法
内容导航
1.1
计算机的基本概念
1.2
计算机系统的组成
1.3
微型计算机的硬件组成
1.4 计算机在生命科学领域中的应用
1.1 计算机的基本概念
1.1.1 计算机的发展
运算器被集成在CPU中，用来进行数据处理，其功能是完 成数据的算术运算和逻辑运算。控制器也被集成在CPU中，其 功能是进行逻辑控制，它可以发出各种指令，以控制整个计算 机的运行，指挥和协调计算机各部件的工作。
存储器 :
存储器用来存放计算机中的数据，存储器分为内存储 器和外存储器。内存储器又叫内存，其容量小、速度快， 用于存放临时数据；外存储器的容量大、速度慢，用于存 放计算机中暂时不用的数据。外存储器的代表就是每台电 脑必备的硬盘。