大学计算机基础教程1

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1、第一章 计算机基础知识学习目标了解计算机工作原理，学习计算机的信息表示方法了解计算机工作原理，学习计算机的信息表示方法掌握常用的软硬件知识，为计算机采购、组装与维护打下良好的基础掌握常用的软硬件知识，为计算机采购、组装与维护打下良好的基础了解计算机的发展简况了解计算机的发展简况 对计算机操作系统有一个大致的了解对计算机操作系统有一个大致的了解主要内容 电子计算机的发展阶段电子计算机的发展阶段电子计算机的发展阶段电子计算机的发展阶段1 1. .1 1 计算机计算机计算机计算机的发展的发展的发展的发展 计算机的分类计算机的分类计算机的分类计算机的分类 未来新型计算机未来新型计算机未来新型计算机未来

2、新型计算机 数制数制数制数制 信息编码信息编码信息编码信息编码 基本运算基本运算基本运算基本运算1.2 1.2 数制和信息编码数制和信息编码数制和信息编码数制和信息编码主要内容 CPUCPU1 1. .3 3 PCPC机硬件配置机硬件配置机硬件配置机硬件配置 存储器存储器存储器存储器 输入设备输入设备输入设备输入设备 键盘的使用键盘的使用键盘的使用键盘的使用 鼠标的使用鼠标的使用鼠标的使用鼠标的使用 显示器的使用显示器的使用显示器的使用显示器的使用1.4 PC1.4 PC机外设的使用机外设的使用机外设的使用机外设的使用 输出设备输出设备输出设备输出设备 打印机的使用打印机的使用打印机的使用打印

3、机的使用主要内容 计算机软件概述计算机软件概述计算机软件概述计算机软件概述 程序设计语言程序设计语言程序设计语言程序设计语言 操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展操作系统的形成与发展1.5 1.5 计算机软件系统计算机软件系统计算机软件系统计算机软件系统1.1计算机的发展 1.1.1 电子计算机的发展阶段电子计算机的发展阶段 1.1.大型计算机阶段大型计算机阶段大型计算机阶段大型计算机阶段 19461946年，在美国宾西法尼亚大学世界上年，在美国宾西法尼亚大学世界上第一台电子数字计算机第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical I

4、ntegrator And CalculatorElectronic Numerical Integrator And Calculator电子数值积电子数值积分和计算机）诞生了（如图所示），它标志着计算机时代的到来。分和计算机）诞生了（如图所示），它标志着计算机时代的到来。人们根据计算机的性能和使用人们根据计算机的性能和使用主要元器件的不同，将计算机的发主要元器件的不同，将计算机的发展划分成几个阶段。展划分成几个阶段。大型机大型机(Mainframe)(Mainframe)经历了四代的发展。经历了四代的发展。 第一代计算机第一代计算机 1946-20世纪世纪50年代末，电子管时代计算机。年代

5、末，电子管时代计算机。 主要特点：采用电子管作为计算机的主要逻辑部件体积大，耗电量大，寿命主要特点：采用电子管作为计算机的主要逻辑部件体积大，耗电量大，寿命短，成本高。电子管如图所示。短，成本高。电子管如图所示。 这一时期的典型机器：这一时期的典型机器： 国外的：国外的：ENIAC 、UNIVAC。 国内的：国内的：103、104等。等。 电子管电子管电子管电子管第二代计算机第二代计算机 19581964年，晶体管计算机时代。年，晶体管计算机时代。 主要特点：主要特点： 采用晶体管作为计算机的主要逻辑部件，体积减小，重量减轻，成本下降，能采用晶体管作为计算机的主要逻辑部件，体积减小，重量减轻，

6、成本下降，能耗降低。晶体管如图耗降低。晶体管如图1-3所示。所示。 这一时期的典型机器：这一时期的典型机器： 国外的：国外的：IBM7090等，如图所示。等，如图所示。国内的：国内的：441B等。等。 晶体管晶体管晶体管晶体管第三代计算机第三代计算机 19641972年，集成电路计算机时代。年，集成电路计算机时代。 主要特点：主要特点： 采用中、小规模集成电路做主要逻辑部件，从而使计算机体采用中、小规模集成电路做主要逻辑部件，从而使计算机体积更小，重量更轻，耗电更省，寿命更长，成本更低，运算运算速度有了更大积更小，重量更轻，耗电更省，寿命更长，成本更低，运算运算速度有了更大的提高。集成电路如图

7、所示。的提高。集成电路如图所示。 这一时期的典型机器：这一时期的典型机器： 国外的：国外的：IBM-360等。等。 国内的：国内的：709等。等。 第四代计算机第四代计算机 1972年至今，大规模、超大规模集成电路计算机时代。年至今，大规模、超大规模集成电路计算机时代。 主要特点：主要特点： 采用大规模、超大规模集成电路作基本逻辑部件，使计算机采用大规模、超大规模集成电路作基本逻辑部件，使计算机体积、重量和成本大幅度的降低，运算速度和可靠性大幅度的提高。大规模集体积、重量和成本大幅度的降低，运算速度和可靠性大幅度的提高。大规模集成电路如图所示。成电路如图所示。 这一时期典型机器：这一时期典型机

8、器： 国外：国外：IBM-370等。等。 国内：银河等。国内：银河等。1.1计算机的发展 2.2.小型计算机阶段小型计算机阶段小型计算机阶段小型计算机阶段 小型计算机小型计算机(Minicomputer)能满足中小型企事业单位的信息处理要求，而能满足中小型企事业单位的信息处理要求，而且成本较低，其价格能被中小部门接受。且成本较低，其价格能被中小部门接受。1959年年DEC公司推出公司推出PDP-1，首次，首次对大型主机进行了对大型主机进行了“缩小化缩小化”。1965年推出年推出PDP-8小型机获得成功。小型机获得成功。1975年年又推出又推出VAX-11系列小型机，使其成为名副其实的小型机霸主

9、。系列小型机，使其成为名副其实的小型机霸主。DG公司、公司、IBM公司、公司、HP公司公司(如图如图)、富士通公司都生产过小型机。、富士通公司都生产过小型机。 3.3.微型计算机阶段微型计算机阶段微型计算机阶段微型计算机阶段 微型计算机微型计算机(Microcomputer)是对大型计算机进行的第二次是对大型计算机进行的第二次“缩小化缩小化”。1976年苹果计算机公司成立，年苹果计算机公司成立，1977年推出年推出APPLE微型机大获成功，使它成微型机大获成功，使它成为个人及家庭能买得起的计算机。为个人及家庭能买得起的计算机。1981年年IBM公司推出公司推出IBM PC，此后它又经，此后它又

10、经历了若干代的演变，逐渐占领了庞大的个人电脑市场。历了若干代的演变，逐渐占领了庞大的个人电脑市场。 1.1计算机的发展 4. 4. 客户机服务器阶段客户机服务器阶段客户机服务器阶段客户机服务器阶段 20世纪世纪70年代出现了在局部范围内年代出现了在局部范围内(例如在一座大楼内例如在一座大楼内)把计算机连把计算机连在一起的趋势，称为局域网。在局域网中，又有对等网络和非对等网络。在一起的趋势，称为局域网。在局域网中，又有对等网络和非对等网络。 客户机一服务器结构模式是对大型主机结构模式的又一次挑战。由于客户机一服务器结构模式是对大型主机结构模式的又一次挑战。由于客户机一服务器结构灵活、适应面广、成

11、本较低，因此得到广泛的应用。客户机一服务器结构灵活、适应面广、成本较低，因此得到广泛的应用。 5.5.国际互联网阶段国际互联网阶段国际互联网阶段国际互联网阶段 自自1969年美国国防部的年美国国防部的ARPAnet运行以来，计算机广域网开始逐步运行以来，计算机广域网开始逐步发展。发展。1983年，年，TCP/IP(传输控制与网际互联协议传输控制与网际互联协议)正式成为正式成为ARPAnet的协议的协议标准，这使网际互联有了突飞猛进的发展。标准，这使网际互联有了突飞猛进的发展。 1991年年6月我国第一条与国际互联网连接的专线建成，它从中科院高月我国第一条与国际互联网连接的专线建成，它从中科院高

12、能物理研究所接到美国斯坦福大学的直线加速器中心。到能物理研究所接到美国斯坦福大学的直线加速器中心。到1994年，我国才实年，我国才实现了采用现了采用TCPIP的国际互联网的全功能连接，可通过四大主干网接入网际互的国际互联网的全功能连接，可通过四大主干网接入网际互联网。联网。 1 1、过去的计算机教材，在介绍计算机发展史时，只谈第一代电子管计算、过去的计算机教材，在介绍计算机发展史时，只谈第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机、第四代超大规模集成电路机、第二代晶体管计算机、第三代集成电路计算机、第四代超大规模集成电路计算机，这实际上只是大型机本身的历史，不能全面反映计算机，

13、这实际上只是大型机本身的历史，不能全面反映6060年来计算机世界发年来计算机世界发生的翻天覆地的变化。本书划分的生的翻天覆地的变化。本书划分的5 5个发展阶段比较全面地反映了信息技术突个发展阶段比较全面地反映了信息技术突飞猛进的发展。飞猛进的发展。 2 2、此外，各个阶段不是串接式的取代关系，而是并行式的共存关系。也、此外，各个阶段不是串接式的取代关系，而是并行式的共存关系。也就是说，并没有在某一个年代大型机全部变成了小型机，小型机并没有使大型就是说，并没有在某一个年代大型机全部变成了小型机，小型机并没有使大型机全部消失，微型机也没有完全取代小型机，直到今天它们仍然在特定的领域机全部消失，微型

14、机也没有完全取代小型机，直到今天它们仍然在特定的领域发挥着各自的优势。发挥着各自的优势。 说明：说明：1.1计算机的发展 1.1.2 计算机的分类计算机的分类 1.1.按设计目的可分为按设计目的可分为按设计目的可分为按设计目的可分为 专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机 2.2.按用途可分为按用途可分为按用途可分为按用途可分为 工业控制计算机工业控制计算机科学计算与工程计算计算机科学计算与工程计算计算机 数据计算机数据计算机1.1计算机的发展 3.3.按大小可分为按大小可分为按大小可分为按大小可分为 小型计算机小型计算机巨型计算机巨型计算机 微型计算机微型计算机巨型计算机巨型计算机(Sup

15、er Computer) 人们通常把最快、最大、最昂贵的计算机称为巨型机（超级计算机）。巨人们通常把最快、最大、最昂贵的计算机称为巨型机（超级计算机）。巨型机一般用在国防和尖端科学领域。型机一般用在国防和尖端科学领域。 世界上只有少数几个国家能生产巨型机，世界上只有少数几个国家能生产巨型机，著名巨型机如：美国的克雷系列著名巨型机如：美国的克雷系列(Cray-(Cray-1,Cray-21,Cray-2，Cray-3Cray-3、Cray-4Cray-4等等) )，我国自行研，我国自行研制的银河制的银河-I-I（每秒运算（每秒运算1 1亿次以上）、银河亿次以上）、银河- -IIII（每秒运算了（

16、每秒运算了1010亿次以上）和银河亿次以上）和银河-III-III（每（每秒运算秒运算100100亿次以上）也都是巨型机，如图示。亿次以上）也都是巨型机，如图示。 目前，计算机运算速度最高的是日本目前，计算机运算速度最高的是日本NECNEC的的Earth SimulatorEarth Simulator（地球模拟器）（地球模拟器），它实测运算速度可达到每秒，它实测运算速度可达到每秒3535万亿次浮点运算，峰值运算速度可达到每秒万亿次浮点运算，峰值运算速度可达到每秒4040万亿次浮点运算。万亿次浮点运算。大型主机大型主机(Mainframe) 大型主机包括大型机和中型机，价格比较贵，运算速度没有

17、巨型机那样快，大型主机包括大型机和中型机，价格比较贵，运算速度没有巨型机那样快，一般只有大中型企事业单位才有必要配置和管理它。美国一般只有大中型企事业单位才有必要配置和管理它。美国 IBM公司生产的公司生产的IBM360、IBM370、IBM9000系列，就是国际上有代表性的大型主机。系列，就是国际上有代表性的大型主机。 小型计算机小型计算机(Minicomputer) 小型计算机一般为中小型企事业单位或某一部门所用，例如高等院校的计小型计算机一般为中小型企事业单位或某一部门所用，例如高等院校的计算机中心都以一台小型机为主机，配以几十台甚至上百台终端机。我国生产的算机中心都以一台小型机为主机，

18、配以几十台甚至上百台终端机。我国生产的太极系列机都是小型计算机的代表。太极系列机都是小型计算机的代表。 小巨型计算机小巨型计算机(Minisupers) 也称为桌上型超级电脑，其发展非常迅速。例如，美国也称为桌上型超级电脑，其发展非常迅速。例如，美国Convex公司的公司的 C系列机等，就是比较成功的小巨型机。系列机等，就是比较成功的小巨型机。微型计算机（微型计算机（Micro Computer) 微型计算机又称个人计算机（微型计算机又称个人计算机（Personal Computer，PC），是第四代计），是第四代计算机时期出现的一个新机种。特点是轻、小、价廉、易用。算机时期出现的一个新机种。

19、特点是轻、小、价廉、易用。 工作站工作站(Workstation) 工作站是介于个人计算机工作站是介于个人计算机PC机和小型计算机之间的一种高档微型机，机和小型计算机之间的一种高档微型机，如图所示。工作站通常配有高档如图所示。工作站通常配有高档 CPU、高分辨率的大屏幕显示器和大容量的、高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内外存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。它主要用于图像内外存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。它主要用于图像处理、计算机辅助设计（处理、计算机辅助设计（CAD）等领域。）等领域。服务器（服务器（Server） 服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务

20、的计算机系统，如图所示。服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统，如图所示。从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当服务器，关键是它要安装网络操从硬件上来说，一台普通的微型机也可以充当服务器，关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。根据提供的服务，服务器可以分为文件服作系统、网络协议和各种服务软件。根据提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。务器、数据库服务器、应用服务器和通信服务器等。嵌入式计算机嵌入式计算机 嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件，嵌入式计算机是指作为一个信息处理部件，嵌入嵌入到应用系统之中的计算机。到应用系统之

21、中的计算机。嵌入式计算机与通用型计算机最大的区别是嵌入式计算机与通用型计算机最大的区别是运行固化的软件运行固化的软件，用户很难或不能，用户很难或不能改变。嵌入式计算机应用最广泛，数量超过微型机。目前广泛用于各种家用电改变。嵌入式计算机应用最广泛，数量超过微型机。目前广泛用于各种家用电器之中，如电冰箱、自动洗衣机、数字电视机和数码照相机等器之中，如电冰箱、自动洗衣机、数字电视机和数码照相机等 1.1计算机的发展 1.1.3 未来新型计算机未来新型计算机 1.1.光子计算机光子计算机光子计算机光子计算机 光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机光子计算机利用光子取代电子进行

22、数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。与传统的硅芯片计算机相比，与传统的硅芯片计算机相比，光子计算机有下列优点：超高速的光子计算机有下列优点：超高速的运算速度、强大的并行处理能力、运算速度、强大的并行处理能力、大存储量、非常强的抗干扰能力、大存储量、非常强的抗干扰能力、与人脑相似的容错性等。与人脑相似的容错性等。 目前几乎所有的计算机都被称为冯目前几乎所有的计算机都被称为冯诺依曼计算机，从目前的研究情况看，诺依曼计算机，从目前的研究情况看，未来新型计算机将可能在下列几个方面取得革命性

23、的突破。未来新型计算机将可能在下列几个方面取得革命性的突破。1.1计算机的发展 2.2.生物计算机（分子计算机）生物计算机（分子计算机）生物计算机（分子计算机）生物计算机（分子计算机） 生物计算机在生物计算机在2020世纪世纪8080年代中期年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片，它由生物工程技术产生的蛋物芯片，它由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。在这种芯片中，信息白质分子构成。在这种芯片中，信息以波的形式传播，速度快、能量耗低，以波的形式传播，速度快、能量耗低，并拥有巨大的存储能力。由于蛋白质并拥有巨大的存储能力。由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的

24、微型电分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，能够自动修复芯片发生的故些特点，能够自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。障，还能模仿人脑的思考机制。1.1计算机的发展 3.3.量子计算机量子计算机量子计算机量子计算机 所谓量子计算机，是指利用处于多所谓量子计算机，是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。在某种种多现实态是量子力学的标志。在某种条件下，原子世界存在着多现实态，即条件下，原子世界存在着多现实态，即原子和亚原子粒子可以同时存在于此处原子和亚原

25、子粒子可以同时存在于此处和彼处，可以同时表现出高速和低速，和彼处，可以同时表现出高速和低速，可以同时向上和向下运动。可以同时向上和向下运动。与传统的电子计算机相比，量子计与传统的电子计算机相比，量子计算机具有：解题速度快、存储量大、搜算机具有：解题速度快、存储量大、搜索功能强和安全性较高等优点。索功能强和安全性较高等优点。1.2 数制和信息编码 1.2.1 数制数制 1.1.什么是数制什么是数制什么是数制什么是数制 所谓数制，就是人们利用符号来计数的科学方法，又称为计数制。所谓数制，就是人们利用符号来计数的科学方法，又称为计数制。数制有很多种，例如最常使用的十进制，钟表的六十进制（每分钟数制有

26、很多种，例如最常使用的十进制，钟表的六十进制（每分钟60秒、秒、每小时每小时60分钟），年月的十二进制（一年分钟），年月的十二进制（一年12个月）等。个月）等。 无论哪种数制，都包含两个基本要素：无论哪种数制，都包含两个基本要素：基数基数和和位权位权。 基数基数基数基数 在一个计数制中，表示每个数位上可用字符的个数称在一个计数制中，表示每个数位上可用字符的个数称为该计数制的基数。例如：为该计数制的基数。例如：可使用可使用可使用可使用0 0、1919，共，共，共，共1010个数个数个数个数十进制十进制十进制十进制基数为基数为基数为基数为1010逢十进一逢十进一逢十进一逢十进一可使用可使用可使用可

27、使用0 0、1 1，共，共，共，共2 2个数个数个数个数二进制二进制二进制二进制基数为基数为基数为基数为2 2逢二进一逢二进一逢二进一逢二进一可使用可使用可使用可使用0 0、1717，共，共，共，共8 8个数个数个数个数八进制八进制八进制八进制基数为基数为基数为基数为8 8逢八进一逢八进一逢八进一逢八进一可使用可使用可使用可使用0 0、1919、AFAF，共，共，共，共1616个数个数个数个数十六进制十六进制十六进制十六进制基数为基数为基数为基数为1616逢十六进一逢十六进一逢十六进一逢十六进一位权位权位权位权 是以基数为底、数码所在位置的序号为指数的整数次幂。是以基数为底、数码所在位置的序号

28、为指数的整数次幂。 问题的提出：一个数码处在不同位置所代表的值是不同的。问题的提出：一个数码处在不同位置所代表的值是不同的。例如十进制中，数字例如十进制中，数字5 5在个位、十位、小数点后在个位、十位、小数点后1 1位分别代表位分别代表5 5、5050和和0.50.5，这是为什么呢？，这是为什么呢？ 回答：其奥妙就在于位权。因为在十进制中，个位、十位、回答：其奥妙就在于位权。因为在十进制中，个位、十位、小数点后小数点后1 1位的位权不同，分别为位的位权不同，分别为1 1、1010和和0.10.1。各位位权各位位权各位位权各位位权 10 103 3 10 102 2 10 101 1 10 10

29、0 0 10 10-1-1 10 10-2 -2 位权的两要素：基数和位置序号。位权的两要素：基数和位置序号。其中位置序号的排列规则如下：小数点左边，从右至左分别为其中位置序号的排列规则如下：小数点左边，从右至左分别为0 0，l l，2 2，3 3，小数点右边从左至右分别为，小数点右边从左至右分别为-1-1，-2-2，-3-3，。基数：基数：10；位置序号；位置序号 3 2 1 0 -1 -2 十进制十进制十进制十进制各位位权各位位权各位位权各位位权 2 23 3 2 22 2 2 21 1 2 20 0 2 2-1-1 2 2-2 -2 基数：基数：2；位置序号；位置序号 3 2 1 0 -1 -2 二进制二进制二进制二进制