第二部分计算机基础知识.docx
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第二部分计算机基础知识
第二部分计算机基础知识
第1章计算机概述
1.1计算机的发展简史
1946年,美国宾夕法尼亚大学研制成功了电子数字积分式计算机(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator,ENIAC)。
在ENIAC的研制过程中,美籍匈牙利数学家冯.诺依曼总结并归纳了以下3点。
●采用二进制:
在计算机内部,程序和数据采用二进制代码表示。
●存储程序控制:
程序和数据存放在存储器中,及程序存储的高年。
计算机执行程序时无需人工干预,能自动、连续地执行程序,并得到预期的结果。
●计算机的5个基本部件:
计算机具有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设置5个基本功能部件。
从第一台电子计算机诞生到现在,计算机技术经历了大型计算机时代和微型计算机时代。
根据计算机采用电子元件的不同将计算机的发展过程划分为四个阶段,分别称为第一代至第四代计算机。
第一代计算机(1946-1958)主要元件是电子管;
第二代计算机(1958-1964)主要元件是晶体管;
第三代计算机(1964-1971)主要元件采用中、小规模集成电路;
第四代计算机(1971年至今)主要元件采用大规模和超大规模集成电路。
1.2计算机的特点
计算机的特点有:
处理速度快、计算精确度高、逻辑判断能力、存储容量大、全自动功能、适用范围广,通用性强。
1.3计算机的用途
归纳起来,电脑的用途主要有以下几个方面。
(1)科学计算
(2)信息处理(3)过程控制(4)辅助功能
(5)网络与通信(6)人工智能(7)数字娱乐(8)平面、动画设计及排版(9)现代教育(10)家庭生活
小提示
计算机辅助是计算机应用的一个非常广泛的领域。
几乎所有过去由人进行的具体设计性质的过程都可以让计算机帮助实现部分或全部工作。
计算机辅助(也称为计算机辅助工程)主要有:
计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CAI、计算机辅助技术
CAT等。
1.4计算机的分类及未来发展趋势
1.依照不同的标准,计算机有多种分类方法,常见的分类有以下几种。
1)按处理数据的类型分类
计算机分为数字计算机、模拟计算机和混合计算机。
2)按适用范围分类
计算机分为专用计算机和通用计算机。
3)按性能分类
计算机依据其主要性能(如字长、存储容量、运算速度、外部设备、允许同时使用一台计算机的用户多少和价格高低),可分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、微型计算机、工作站和服务器6类,这也是常用的分类方法。
2.按计算机未来的发展趋势
(1)计算机的发展趋势
巨型化微型化网络化智能化
(2)未来新一代的计算机
模糊计算机生物计算机光子计算机超导计算机量子计算机激光计算机分子计算机DNA计算机神经元计算机
1.5电子商务
电子商务通常是指在不同地域进行的商业贸易活动中,在因特网开放的网络环境下,基于浏览器/服务器应用方式,买卖双方无需面对面地进行各种商贸活动,而是实现消费者的网上购物、商户之间的网上交易和在线电子支付以及各种商务活动、交易活动、金融活动和相关的综合服务活动的一种新型的商业运营模式。
也可以理解为就是通过电子手段进行的商业事务活动。
从电子商务的含义及发展历程可以看出,电子商务具有如下基本特征。
(1)普遍性
(2)方便性(3)集成性(4)整体性(5)安全性
(6)协调性
1.6信息技术的发展
一般来说,信息技术包括了信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术
(1)信息基础技术
信息基础技术是信息技术的基础,包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。
(2)信息系统技术
信息系统技术是指有关信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统的技术。
感测技术、通信技术、计算机与智能技术和控制技术是它的核心和支撑技术。
(3)信息应用技术
信息应用技术是针对种种实用目的的技术,如信息管理、信息控制、信息决策等技术门类。
信息技术在社会各个领域得到了广泛的应用,显示出强大的生命力。
展望未来,现代信息技术将面向数学化、多媒体化、高速度、网络化、宽频带、智能化等的方面发展。
第2章信息的表示与存储
2.1数据与信息
数据是由人工或自动化手段加以处理的事实、场景、概念和指示的符号表示。
字符、声音、表格、符号和图像等都是不同形式的数据。
数据和信息的区别:
信息是客观事物属性的反映,是经过加工处理并对人类客观行为产生影响的数据表现形式。
任何事物的属性都是通过数据来表示的,数据经过加工处理后成为信息,而信息必须通过数据才能传播,才能对人类产生影响。
2.2计算机中数据的单位
计算机内所有的信息均以二进制的形式表示,数据的最小单位是为,存储容量的基本单位是字节。
1.计算机中数据的常用单位
位是度量数据最小单位,代码只有0和1,采用多个数码表示一个数,其中每一个数码称为1位(bit)。
字节是信息组织和存储的基本单位,一个字节由8位二进制数字组成。
字节也是计算机体系结构的基本单位。
为了便于平衡存储器的大小,统一以字节(Byte,B)为单位。
常见存储单位如表所示。
单位
名称
含义
说明
KB
千字节
1KB=1024B=
B
适用于文件计量
MB
兆字节
1MB=1024KB=
B
适用于内存、软盘、光盘计量
GB
吉字节
1GB=1024MB=
B
适用于硬盘计量
TB
太字节
1TB=1024GB=
B
适用于硬盘计量
2.字长
人们通常将计算机一次能够并行处理的二进制数的位数称为字长,也称为计算机的一个“字”。
字长是计算机的一个重要指标,直接反映一台计算机的计算能力和精度,字长越长,说明计算机的数据处理速度越快。
计算机的字长通常是字节的整倍数,如8位、16位、32位,发展到今天,微型机已达到64位,大型机已达128位。
3.计算机数据类型
计算机使用的数据可以分为数值数据和字符数据(非数值数据)。
在计算机中,不仅数值数据用二进制表示,字符数据也用二进制来进行编码。
2.3字符的编码
字符包括西文字符(字母、数字、各种符号)和中文字符,及所有不可做算术运算的数据。
计算机以二进制数的形式存储和处理数据,因此,字符必须按特定的规则进行二进制编码才可以进入计算机。
1.西文字符的编码
用以表示字符的二进制编码称为字符编码。
计算机中常用的字符(西文字符)编码有两种:
EBCDIC码和ASCⅡ码。
ASCⅡ码是美国信息交换标准代码,被国际标准化组织指定为国际标准,它有7位码和8位码两种版本。
微型计算机采用的是ASCⅡ码,而国际通用的则是7位ASCⅡ码,即用7位二进制来表示一个字符的编码,共有27=128个不用的编码之,相应可以表示128个不同字符的编码。
2.汉字的编码
我国于1980年发布了国家汉字编码标准GB2312-1980,全称是《信息交换用汉字编码字符集——基本集》,简称GB码或国标码。
国标码的字符集:
共收录了7445个图形符号和两级常用汉字等。
区位码:
也称国际区位码,是国标码的一种变形,是由区号(行号)和位号(列号)构成,区位码由4位十进制数字组成,前2位为区号,后2位为位号。
●区:
阵中的每一行,用区号表示,区号范围是1-94.
●位:
阵中的每一列,用位号表示,位号范围也是1-94.
●区位码:
汉字的区号与位号的组合(高两位是区号,低两位是位号)。
实际上,区位码也是一种汉字输入码,其最大优点是一字一码即无重码,最大缺点是难以记忆。
3.汉字的处理过程
从汉字编码的角度看,计算机对汉字信息的处理过程实际上是各种汉字编码间的转换过程,这些编码主要包括:
汉字输入码、汉字内码、汉字地址码、汉字字形码等。
汉字信息处理系统的模型
→输入码→国际码→机内码→地址码→字形码
(1)汉字输入码
汉字输入码是为使用户能够使用西文键盘输入汉字而编制的编码,也叫外码。
好的输入编码应具有编码短,可以减少击键的次数;重码少,可以实现盲打,便于学习和掌握,但目前还没有一种符合上述全部要求的汉字输入编码方法。
汉字输入码大致分为4类:
音码、音形码、形码、数字码。
(2)汉字内码
汉字内码是为在计算机内部对汉字进行处理、存储和传输而编制的汉字编码。
它应能满足存储、处理和传输的要求,不论用何种输入码,输入的汉字在机器内部都要转换成统一的汉字机内码,然后才能在机器内传输、处理。
在计算机内部为了能够区分是汉字还是ASCⅡ码,将国际码每个字节的最高位由0变为1(即汉字内码的每个字节都大于128)。
汉字的国标码与其内码存在下列关系是:
内码=汉字的国标码+8080H
(3)汉字字形码
汉字字形码是存放汉字字形信息的编码,它与汉字内码一一对应。
每个汉字的字形码都是预先存放在计算机内的,称为汉字库。
描述汉字字形的方法主要有点阵字形和矢量表示方式。
点阵字形法:
用一个排列成方阵的点的黑白来描述汉字。
矢量表示方式:
描述汉字字形的轮廓特征,采用数学方法描述汉字的轮廓曲线。
(4)汉字地址码
汉字地址码是指汉字库(这里主要指汉字字形的点阵式字模库)中存储汉字字形信息的逻辑地址码。
在汉字库中,字形信息都是按一定顺序(大多数按照标准汉字国标码中国汉字的排列顺序)连续存放在存储介质中的,所以汉字地址码也大多是连续有序的,而且与汉字机内码间有着简单的对应关系,从而简化了汉字内码到汉字地址码的转换。
3.各种汉字编码之间的关系
汉字的输入、输出和处理的过程,实际上是汉字的各种代码之间的转换过程。
汉子通过汉字输入码输入到计算机内,然后通过输入字典转换为内码,以内码的形式进行存储和处理。
在汉字通信过程中,处理机将汉字内码转换为适合于通信用的交换码,以实现通信处理。
在汉字的显示和打印输出过程中,处理机根据汉字机内码计算出地址码,按地址码从字库中取出汉字输出码,实现汉字的显示或打印输出。
第3章多媒体技术简介
3.1多媒体的概念及特征
多媒体是指能够同时对两种或两种以上的媒体进行采集、操作、编辑、存储等综合处理的技术。
它的实质就是将以各种形式在的媒体信息数字化,用计算机对其进行组织加工,并以友好的形式交互地提供给用户使用。
与传统媒体相比,多媒体具有集成性、控制性、非线性、交互性、互动性、实时性、信息使用的方便性、信息结构的动态性等特点。
其中,集成性和交互性是多媒体的精髓所在。
3.2多媒体数字化
在计算机和通信领域,最基本的三种媒体是声音、图像和文本。
1.声音的数字化
计算机系统通过输入设备输入声音信号,通过采样、量化而将其转换成数字信号,然后通过输出设备输出。
采样是指每隔一段时间对连续的模拟信号进行测量,每秒钟的采样次数即为采样频率。
采样频率越高,则声音的还原性就越好。
量化是指将采样后得到的信号转换成相应的数值,转换后的数值以二进制的形式表示。
声音的主要物理特征包括频率和振幅。
最终产生的音频数据量按照下面公式计算:
音频数据量(B)=采样时间(S)X采样频率(HZ)X量化位数(b)X声道数/8
2.图像的数字化
(1)静态图像的数字化
图像数字化通过采样和量化来实现。
采样就是采集组成一幅图像的点,量化就是将采集到的信息转换成相应的数值。
(2)动态图像的数字化
动态图像是将静态图像以每秒钟N幅的速度播放,当N≥25时,显示在人眼中的就是连续的画面。
(3)点位图和矢量图
表示或生成图像有两种办法:
点位图和矢量图法。
点位图法是将一幅图分成很多小像素,每个像素用若干二进制位表示像素的信息。
矢量图是用一些指令来表示一幅图。
(4)图像文件的格式
✧bmp格式:
Windows采用的图像文件存储格式。
✧gif格式:
联机图形交换使用的一种图像文件格式。
✧tiff格式:
二进制文件格式。
✧png格式:
图像文件格式。
✧wmf格式:
绝大多数Windows应用程序都可以有效处理的格式。
✧dxf格式:
一种向量格式。
✧jpeg格式:
是目前所有格式中压缩率最高的格式。
(5)视频文件格式
✧avi格式:
Windows操作系统中数字视频文件的标准格式。
✧mov格式:
QuickTimeforWindows视频处理软件所采用的格式。
3.3多媒体数据压缩
数据压缩可以分为无损压缩和有损压缩。
1.无损压缩
无损压缩是利用数据的统计冗余进行压缩,又称可逆编码。
其原理是统计被压缩数据中重复数据的出现次数来进行编码。
解压缩对压缩的数据进行重构,重构后的数据与原来的数据完全相同。
无损压缩能够确保解压后的数据不失真,产生原始对象的完整复制。
常用的无损压缩格式:
APE、FLAC、TAK、WavPack、TTA等。
2.有损压缩
有损压缩又称不可逆编码,有损压缩是指压缩后的数据不能够完全还原成压缩前的数据,与原始数据不同但是非常接近的压缩方法。
有损压缩也称破坏性压缩,以损失文件中某些信息为代价来换取较高的压缩比,其损失的信息多是对视觉和听觉感知不重要的信息,但压缩比通常较高。
常用于音频、图像和视频的压缩。
典型的有损压缩编码方法有:
预测编码、变换编码、基于模型编码、分型编码及适量量化编码等。
3.无损压缩和有损压缩的比较
(1)无损压缩
无损压缩方法的优点是能够比较好地保存图像的质量,音质高,不受信号源的影响,而却转换方便。
但是占用空间大,压缩比不高,压缩率较低。
(2)有损压缩
优点是可以减少内存和磁盘中占用的空间,在屏幕上观看不会对图像外观产生不利影响,但若把经过有损压缩技术处理的图像用高分辨率打印出来,图像质量就会有明显的受损痕迹。
4.多媒体的应用邻域
(1)游戏和娱乐
(2)教育与培训(3)商业(4)电子出版物
(6)工程模拟(6)家用多媒体
第4章计算硬件系统
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
其中计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大基本部件组成,运算器也称为算术逻辑部件(ALU),主要功能是对二进制数码进行算术或逻辑运算。
控制器是计算机的神经中枢,指挥计算机各个部件自动、协调地工作。
在计算机的5个基本部件中,运算器和控制器共同组成了中央处理器(CPU),而CPU和存储器又构成了计算机的主机。
4.1运算器
(1)运算器的组成
运算器的基本功能是完成对各种数据的加工处理,即数据的算术运算和逻辑运算。
运算器包括寄存器、执行部件和控制电路三个部分。
运算器中寄存器用于临时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。
执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。
控制电路按照一定的时间顺序发出不同控制信号,使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器,完成规定的操作。
运算器由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。
⏹算术逻辑部件ALU。
ALU主要完成对二进制信息的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作。
ALU能处理的数据位数(即字长)与机器有关。
⏹通用寄存器组:
近期设计的机器的运算器都有一组通用寄存器。
主要用来保存参加运算的操作数和运算的结果。
⏹状态寄存器:
状态寄存器用来记录算术、逻辑运算或测试操作的结果状态。
程序设计中,这项状态通常用作条件转移指令和判断条件,所以又称为条件码寄存器。
(2)与运算器相关的性能指标包括计算机的字长和运算速度
⏹字长:
指计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。
⏹运算速度:
计算机的运算速度通常是指每秒钟所能执行的加法指令数目。
常用百万次/秒(MIPS)表示。
这个指标更能直观地反映机器的速度。
4.2控制器
控制器由指令寄存器、指令译码器、程序计数器和操作控制器四个部件组成。
指令寄存器用以保存当前执行或即将执行的指令代码;指令译码器用来解析和识别指令寄存器中所存放指令的性质和操作方法。
操作控制器则根据指令译码器的译码结果,产生该指令执行过程中所需的全部控制信号和时序信号;程序计数器总是保存下一条要执行的指令地址,从而使程序可以自动、持续地运行。
控制器功能如下:
●数据缓冲:
由于I/O设备的速率较低而CPU和内存的速率却很高,故在控制器中必须设置缓冲器。
●差错控制:
设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。
●数据交换:
这是只实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。
为此,在控制器中需设置数据寄存器。
●状态说明:
标识和报告设备的状态控制器应记下设备的状态供CPU了解。
●接收和识别命令:
CPU可以向控制器发送多种不同命令,设备控制器应能接收并识别这些命令。
●地址识别:
系统中的每一个设备都有一个地址,而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。
此外,为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据,这些寄存器都应具有唯一的地址。
4.3存储器
存储器是存储程序和数据的部件。
它可以自动完成程序或数据的存取。
计算机中的全部信息,包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中,存储器是计算机系统中的记忆设备。
按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)两大类。
CPU不能直接访问外存,但需要某一程序或数据时,首先应调入内存,然后再运行。
1.内存
内存一般采用半导体存储单元,包括只读存储器、随机存储器和高速缓冲存储器。
(1)只读存储器(ROM)
只读存储器在制造的时候,信息(数据或程序)就被存入并永久保存。
这些信息只能读出,一般不能写入,即使停电,这些数据也不会丢失。
只读存储器一般用于存放计算机的基本程序和数据,下面介绍几种常用的ROM。
●可编程只读存储器:
一种电脑存储记忆晶片,它允许使用称为PROM编程器的硬件将数据写入设备中。
在PROM被编程后,它就只能专用那些数据,并且不能被再编程。
●可擦除可编程只读存储器:
可实现数据的反复擦写。
使用时,利用高电压将信息编程写入,擦除时将线路曝光于紫外线下,则信息被清空。
EPROM通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。
●电可擦除可编程只读存储器:
可实现数据的反复的擦写。
其实现原理类似EPROM,只是擦除方式是使用高电压完成,因此不需要透明窗曝光。
(2)随机存储器(RAM)
通常所说的计算机内存容量均指RAM存储器容量,即计算机的主存。
RAM有两个特点:
一是CPU可以随时直接对其读/写;当写入时,原来存储的数据被冲掉。
二是易失性,即电源断开(关机或异常断电)时,RAM中的内容立即丢失。
因此微机每次启动时都要对RAM进行重新装配。
RAM又可分为SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)两种。
静态RAM具有集成度低、价格高、存取速度快、不需要刷新的特点;动态RAM具有集成度高、价格低、存取速度较慢、需刷新的特点。
(3)高速缓冲存储器(Cache)
高速缓冲存储器(Cache)主要是为了解决CPU和主存速度不匹配,提高存储器速度而设计的。
Cache一般用SRAM存储芯片来实现,因为SRAM比DRAM存取速度快而容量有限。
CPU向内存中写入或读出数据时,这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。
当CPU再次需要这些数据时,CPU就从高速缓冲存储器读取数据,而不是访问较慢的内存,如果需要的数据在高速缓冲存储器中没有,CPU会再去读取内存中的数据。
高速缓冲存储器主要由以下几部分组成:
✧Cache存储体:
存放由主存调入的指令与数据块。
✧地址转换部件:
建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
✧替换部件:
在缓存满时按一定策略进行数据块替换并修改地址转换部件。
2.外存
外存可存放大量程序和数据,且断电后数据不会丢失,但是CPU不能直接访问外存,必须将要访问的调入内存,才能被CPU访问。
常见的外储存器有硬盘、快闪存储器和光盘等。
(1)硬盘
硬盘是微型机上主要的外部存储设备。
它由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。
硬盘具有容量大、存取速度快等优点,操作系统、可运行的程序文件和用户的数据文件一般都保存在硬盘上。
硬盘的结构和原理
Ø磁头:
磁头是硬盘中最昂贵的部件,也是硬盘技术中最重要和最关键的一环。
Ø磁道:
当磁盘旋转时,磁头若保持在一个位置上,则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹,这些圆形轨迹就叫做磁道。
因此,磁盘上的磁道是一组同心圆。
Ø扇区:
磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段,这些弧段便是磁盘的扇区。
Ø柱面:
硬盘通常由重叠的一组盘片构成,每个盘面都被划分为数目相等的磁道,并从外缘的“0”开始编号,具有相同编号的磁道形成一个圆柱,称之为磁盘的柱面。
a)硬盘的容量
硬盘的容量是由以下几个参数决定的,即磁头数H、柱面数C、每个磁道的扇区数S和每个扇区的字节数B。
将以上几个参数相乘,乘积就是硬盘容量。
硬盘容量参差不齐。
b)硬盘接口
硬盘与主板的连接部分就是硬盘接口,常见的有高级技术附件(ATA)、串行高级技术附件(SATA)和小型计算机系统接口(SCSI)。
硬盘接口的性能指标主要是传输率,也就是硬盘支持的外部传输速率。
c)硬盘转速
硬盘转速是指硬盘内电动机主轴的旋转速度,也就是硬盘盘片在一分钟内旋转的最大转数。
硬盘转速单位为r/min,即转/每分钟。
(2)快闪存储器
快闪存储器简称闪存,是电子可擦除可编程只读存储器的一种形式。
快闪存储器允许在操作中多次擦或写,并具有非易失性,即单只保存数据而言,它并不需要耗电。
(3)光盘
光盘按类型划分可分为:
不可擦写光盘和可擦写光盘。
不可擦写光盘有CD-ROM、DVD-ROM等;可擦写光盘有CD-RW、DVD-RAM等,用户可多次对他们进行读/写。
4.4输入/输出设备
1.输入设备
输入设备是向计算机输入数据和信息的设备,是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。
键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入版、游戏杆、语音输入装置等都属于输入设备。
其中,键盘和鼠标是最常用的输入设备。
3.输出设备
输出设备的功能是将内存中计算机处理后的信息,以各种形式输出。
常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。
但是,在微机的硬件设备中,磁盘驱动器在程序设计中即可以当做输出设备,又可以当做输入设备。
4.5计算机的结构
计算机的结构反映了各部件之间的连接方式。
1.总线结构
在这种网络拓扑结构中,所有设备都直接与总线相连,传输介质一般为同轴电缆(包括粗缆和细缆),也有采用光缆作为总线型传输介质的。
根据信号不同的性质,可以将总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
(1)数据总线
用于传送数据信息。
因为数据总线是双向三态形式的总线,所以它既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。
(2)地址总线
又称位址总线,地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,地址总线的宽度,随可用寻址的内存元件大小的改变而改变,决定有多少内存可以被存取。
(3)控制总线
主要用来传送控制信号和时序信号。
控制信号中,即有微处理器送往存储器和输入输出设备接口电路的,也有是其他部件反馈给的CPU。
因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。
2.直接连接。
4.6计算机的主要性能指标
1.字长
字长是指计算机CPU能够直接处理的二进制数据的位数。
2.时钟频率
时钟频率是指计算机CPU的时钟频率。
主要单位为兆赫兹(MHZ)或吉赫兹(GHZ)。
3.运算速度
通常所说的计算机的运算速度一般用百万次/秒(MIPS)来描述。
4.存储容
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