计算机应用基础

1. 计算机应用基础 何文善

2. 第1章 计算机基础知识

3. 第1章 • 计算机的发展 • 计算机的应用 • 计算机的工作原理 • 计算机的系统结构 • 计算机的硬件和软件系统 • 微型计算机系统 • 微机的主要性能指标 • 数据信息的编码表示 • 计算机的维护和安全 主要内容

4. 一、计算机的发展 1.计算机的诞生 • 第一台通用电子数字计算机：ENIAC（1946年，美国，宾西法尼亚大学，电子管） 2.计算机的发展阶段

5. 微型计算机（微机、微电脑） 特点：体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、环境要求不高、易学易用。 微处理器（MPU：Micro Processing Unit ）是微型计算机的核心部件，常以它为依据来表述微型计算机的 发展历史。 从字长（计算机运算部件一次能处理的二进制数据的位数）来看，微处理器经历了4位、8位、16位、32位、64位的发展历程。 个人计算机（PC：Personal Computer）是微型计算机。

6. 第五代计算机（新一代计算机） 这是研究中的智能计算机。 特点：采用大规模、超大规模集成电路、非冯·诺依曼体系结构、人工神经网络。 说明：冯·诺依曼体系结构是串行结构，新一代计算机采用的并行结构是非冯·诺依曼体系结构。

7. 二、计算机的应用 1.两大类应用：数值处理和非数值处理。 概念：数值数据（数或数值），非数值数据（文字、表格、图形、声音等） 2.典型应用 科学计算 数据处理 过程控制 计算机辅助设计/制造，计算机集成制造系统 计算机辅助教学 计算机网络 人工智能

8. （一）科学计算（数值计算） 特点：计算量大，数值变化范围广。 示例：导弹、航天飞机、人造卫星、天气预报、水利枢纽、高层建筑、地震测报、地质勘探、机械设计等的设计、控制、测试都离不开计算机的科学计算。

9. （二）数据处理 这是计算机应用最为广泛的领域。 特点：数据输入、输出量大；计算相对简单。 数据处理是一切信息管理、辅助决策系统的基础；各类管理信息系统（MIS）决策支持系统（DSS）、专家系统（ES）以及办公自动化（OA）系统都需要数据处理的支持。 MIS: Management Information System DSS: Decision Support System ES: Expert System （人工智能） OA: Office Automation 示例：报表统计、成本核算、销售分析、财务会计等。

10. （三）过程控制 这是大型企业中的生产过程自动控制。 特点：实时性、高性能、模/数转换、数/模转换。 模/数转换：模拟量 -> 数字量 数/模转换：数字量 -> 模拟量 示例：化工厂中用计算机系统控制物料配比、温度调节、阀门开关

11. （四）计算机辅助设计/制造/教学 计算机辅助设计：CAD（Computer Aided Design） 计算机辅助制造：CAM（ Computer Aided Manufacturing） 计算机集成制造系统：CIMS（ Computer Integrated Manufacturing System）= CAD + CAM + 数据库 + 网络 计算机辅助教学：CAI（ Computer Assisted Instruction）

12. （五）计算机网络 计算机网络是现代计算机技术与通信技术高度发展和密切结合的产物。 美国政府首先以计算机网络为基础，提出了著名的信息高速公路计划，被认为是美国信息高速公路雏形的Internet（因特网）已经得到了普遍应用。

13. （六）人工智能 人工智能（Artificial Intelligence）简称AI，是在计算机和控制论上发展起来的边缘学科，研究如何用计算机模仿人的智能。 示例：具有自学能力的跳棋程序、智能机器人、医疗专家系统、模式识别（如语音识别）、自然语言处理、机器翻译、定理证明等。

14. 三、计算机的工作原理 1.指令和程序 指令：计算机指令是计算机能够识别并执行的操作命令。 程序：计算机程序是完成特定任务的计算机指令系列。 2.冯·诺依曼原理：程序存储 存储程序（事先编制好程序并存入主存储器） 自动地连续执行程序 注意：计算机采用二进制形式表示指令和数据。 3.冯·诺依曼结构计算机的五大部件 存储器，输入设备，控制器，运算器，输出设备。 4.第一台冯·诺依曼结构计算机：EDSAC

15. 四、计算机的系统结构 冯·诺依曼计算机的系统结构 冯·诺依曼计算机的的主要部件 重要概念：CPU、主机和外部设备

16. （一）冯·诺依曼计算机的系统结构 数据流 控制流 运算器 输入设备 （主）存储器 输出设备 指令 控制器

17. （二）冯·诺依曼计算机的的主要部件 运算器：进行算术运算和逻辑运算；通常由算术逻辑部件（ALU：Arithmetic & Logic Unit）、累加器和通用寄存器组成。 控制器：控制和协调计算机各部件自动、连续执行程序；通常由指令部件、时序部件和操作控制部件组成。 存储器：保存程序和数据；分为主存储器（主存，内存）和辅助存储器（辅存，外存）。 输入设备：从外界将信息——数据、命令（程序、指令等）输入到主存储器（内存）中供计算机处理。 输出设备：将计算机处理后的结果转换成外界能够识别和使用的数字、文字、图形、声音、电压等形式并输出。

18. （三）CPU、主机和外部设备 CPU（Central Processing Unit）：中央处理单元= 运算器 + 控制器，是计算机的核心部件。 微处理器：将CPU集成在一块芯片上成为一个独立器件，称为“微处理器”（MP: Micro Processor; MPU: Micro Processing Unit ）。 主机：CPU + 内存储器（主存储器），是计算机系统的主体。 外部设备：输入设备 + 输出设备，即“I/O设备”（包括外存储器，如磁盘，既可用于Input，又可用于Output），简称“外设”，是沟通和与主机的桥梁。

19. （四）小结：冯·诺依曼计算机的系统结构 数据流 控制流 运算器 主机 外设 外设 输入设备 （主）存储器 输出设备 指令 控制器 其他术语：CPU，MP，MPU，I/O设备

20. 五、计算机的硬件和软件系统 计算机系统= 硬件系统 + 软件系统 裸机：指计算机的硬件系统，即没有软件系统的计算机。

21. （一）计算机的硬件系统 总线：计算机系统各部件之间传送信息的公共通道。 计算机的硬件系统= 五大基本部件 + 总线 + 电源

22. 1.中央处理器：CPU CPU是计算机的核心部件。CPU的品质直接影响整个计算机系统的性能。 微处理器（MPU）是微型计算机的核心部件，它的性能指标直接决定了由它构成的微型计算机系统的性能指标。 CPU的主要性能指标：字长，时钟频率（主频）。 字长：计算机的运算部件一次能处理的二进制数据的位数。

23. 2.存储器 根据其在硬件系统中的位置的不同，存储器可以分为两类： 内存储器（内存）：又称主存储器（主存），是主机中的存储器，主要采用半导体集成电路制成，存取速度快，CPU可以直接访问，用于存放CPU当前执行的程序和处理的数据。 外存储器（外存），又称辅助存储器（辅存），是外部设备中的存储器，大多采用磁性或光学材料制成，存取速度较慢，CPU不能直接访问，用于存放暂时不用的程序和数据，或用于长期保存程序和数据。 根据其保存的数据在断电后是否消失，存储器也可以分为两类：临时存储器和永久存储器。

24. （1）内存储器 基本概念 性能指标 常用分类 主要功能

25. 内存的基本概念 位（bit，b）：一个二进制位，是构成存储器的最小单位。 字节（Byte，B）：存储器的基本存储单元，是存储器中相邻的8个二进制位。即：1 Byte = 8 bit 。 210 B = 1024 B = 1 KB 210KB = 1024 KB = 1 MB 210 MB = 1024 MB = 1 GB 内存地址（Address）：为了访问内存储器中的每一个存储单元，给每个存储单元编上一个号码，这个号码称为内存地址。

26. 内存性能的重要指标 存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息量，描述存储容量的单位是字节。（目前的常用存储容量的基本单位是MB，如512 MB，2048 MB。） 存取时间：指存储器收到有效地址到在其输出端出现有效数据之间的时间间隔。（目前存取时间经常以纳秒（ns）为单位，1秒 = 103毫秒 = 106微秒 = 109纳秒 。）

27. 随机存储器和只读存储器 按其工作方式，内存储器可以分为两类： 随机存储器（RAM：Random Access Memory）：可以读，可以写，以任意次序读写任意存储单元所用的时间是相同的；用于存储当前使用的程序、数据、中间结果和与外存交换的数据，CPU可以直接读写；一旦断电，随机存储器中的信息消失且不可恢复。 只读存储器（ROM：Read Only Memory）：只能读出，不能写入（其内的信息是在制造时用专门设备一次性写入的）；用于存放固定不变重复执行的程序，如开机自检程序；关机或掉电后其存储的信息不会丢失。

28. 静态存储器和动态存储器 依据元件结构的不同，随机存储器可分为两类： 静态存储器（SDRAM：Static RAM）：集成度低，价格高，不需要周期刷新，存取速度快；经常用作高速缓冲存储器（Cache）。 动态存储器（DRAM：Dynamic RAM）：集成度高，价格低，其上的电容需要周期性地充电（刷新），存取速度较慢。 微机的内存一般是动态存储器。

29. 新型只读存储器 随着半导体技术的发展，出现了多种形式的只读存储器，如： 可编程只读存储器（PROM：Programmable ROM） 可擦除的可编程只读存储器（EPROM：Erasable Programmable ROM ） 在通常情况下，上述只读存储器是不可写入的，但它们的内容可以用特殊的手段来改变（写入）。

30. （2）外存储器 目前最常用的外存储器：磁盘、光盘、磁带等。 特点：容量大，价格较低，在断电的情况下也可以长期保存信息（永久存储器）。 磁表面存储器，如磁盘、磁带，利用磁极的N极和S极来表示0和1。 光盘存储器用激光束照射光盘表面时反射光的有无来表示0和1。

31. 3.输入设备 键盘和鼠标是最常用的输入设备。 其他输入设备：扫描仪、条码阅读器、触摸屏、手写板等。 注意：外存储器用作输入时，是输入设备。

32. 4.输出设备 显示器，又称监视器，是最重要的输出设备，是人机交互必不可少的设备。 其他输出设备：打印机、投影仪、绘图仪等。 注意：外存储器用作输出时，是输出设备。

33. 5.总线（Bus） 总线：计算机系统各部件之间传送信息的公共通道。 优点：简化连线，工艺简单，线路可靠，容易扩充，维护简单。

34. （1）总线的性能指标 总线宽度：一次能并行传输的二进制位数，如32位总线、64位总线。 总线频率：用来表征总线的速度，常见的有66Mhz、100Mhz、133Mhz，甚至更高。

35. （2）总线的分类 按其连接部件的不同，总线可以分为三类： 内部总线：连接同一部件的内部构件，如CPU内部各寄存器间的总线。 系统总线：连接同一计算机的各大部件，如CPU、内存、输入输出设备等接口之间的总线。根据其上传输的信息的不同，系统总线可分为数据总线（DB：Data Bus）、地址总线（AB：Address Bus）和控制总线（CB：Control Bus），分别用来传递数据、地址和控制信号。 扩展总线：用于CPU与外部设备之间的通信。

36. （3）常见的总线标准 ISA（Industry Standard Architecture，工业标准体系结构）总线。 EISA（Extended ISA，扩充的工业标准体系结构）总线。 PCI（Peripheral Component Interconnect，外部设备互连）总线：支持“即插即用”（Play and Plug）。 AGP（Accelerated Graphics Port，图形加速接口）总线：是图形加速卡专用的总线，在图形卡和系统内存之间提供了一条直接的访问途径。 速度比较：ISA< EISA < PCI <AGP 目前常用的总线： PCI 和AGP

37. （二）计算机的软件系统 计算机的软件系统 = 系统软件 + 应用软件 系统软件：是计算机必备的，用以实现计算机系统的管理、控制、运行和维护，完成应用程序的编译、装入等任务的程序，如操作系统、编译程序、数据库管理程序等。 应用软件：是为了解决各种计算机应用领域中的实际问题而编制的程序，如Microsoft 的Office软件等。

38. 1.操作系统（OS：Operating System） 操作系统是系统软件的核心，是用户和计算机的接口（Interface），用户通过操作系统来使用计算机。 操作系统的主要功能：CPU管理；作业管理；文件管理；存储器管理；设备管理。 作业：完成某个独立任务的程序及其所需的数据。 操作系统的其他功能：中断（Interrupt）管理、安全控制、网络通信等。 常用操作系统： Windows：目前在微机中广泛使用。 UNIX：大型主机、小型机、工作站上的工业标准的操作系统；在微机上也得到应用。 Linux：UNIX的一个变种，代码公开且免费。

39. 2.语言处理程序 计算机语言的相关概念 计算机程序的相关概念 计算机语言处理的相关概念 计算机语言和语言处理过程图示

40. （1）计算机语言（程序设计语言）的相关概念（1）计算机语言（程序设计语言）的相关概念 机器语言：特定计算机能识别并执行的所有机器指令（二进制形式）的集合。 汇编语言：特定计算机能识别并执行的所有机器指令对应的助记符的集合。 低级语言：指机器语言和汇编语言，它们都与特定的计算机密切相关，机器不同，语言不同，是“面向机器的语言”。用低级语言编写的程序可移植性很差。 高级语言：独立于特定机器、更接近人类自然语言、更易理解、具有很强的描述解题方法的程序设计语言。用高级语言编写的程序可移植性好。 注意：数据库语言是高级语言。

41. （2）计算机程序的相关概念 目标程序：用二进制的机器指令编写成的程序，即“二进制代码程序”，可以被机器语言对应的计算机直接识别并执行（不需要翻译）。 源程序：用汇编语言或高级语言编写成的程序，不能被计算机直接识别并执行（需要翻译）；有时称之为“符号程序”。

42. （3）计算机语言处理的相关概念 汇编程序：把用汇编语言编写的源程序翻译为等价的二进制代码形式（机器语言）的目标程序的翻译程序。该翻译过程称为“汇编”。 编译程序：把用高级语言编写的源程序翻译为等价的二进制代码形式（机器语言）的目标程序的翻译程序。该翻译过程称为“编译”。 解释程序：把用高级语言编写的源程序逐句翻译成与之等价的二进制代码形式的机器语言指令并立即执行的翻译程序。该翻译过程称为“解释”，其特点是：一边翻译，一边执行，并不产生完整的目标程序。 语言处理程序：指汇编程序、编译程序和解释程序。

43. （4）计算机语言和语言处理过程图示 编程 机器语言 目标程序 低级语言 （面向机器） 汇编语言 程序设计语言 （计算机语言） 汇编语言源程序 汇编 编程 汇编程序 高级语言 （独立于机器） 编译 机器语言指令 源程序 编译程序 编程 高级语言源程序 解释 解释程序

44. （三）硬件系统和软件系统的关系 原则上说，计算机硬件系统的功能和软件系统的功能在逻辑上是等效的。 由软件实现的操作，在原理上也可以由硬件来实现；反之，部分硬件实现的功能也可以用软件来实现。如乘法运算，既可以用软件实现，也可以用硬件乘法器实现。 硬件实现比软件实现在速度上要快得多。

45. 六、微型计算机系统 硬件系统： 基本配置：主机箱、显示器、键盘、鼠标等部分。 其他设备：打印机、扫描仪、手写板、音响等。 软件系统： 系统软件：操作系统、语言处理程序等。 应用软件：通用软件（如办公自动化程序）和用户程序（用户自己编写的）。 目前多数微机配有微软的Windows操作系统和Office办公软件。

46. （一）主机（箱）部分 主机箱的样式：立式、卧式等。 主机箱内的部件：主板、外设接口卡（如显卡、声卡、网卡等，集成或独立插卡）、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、开关电源、扬声器等。 主板（Mainboard）：又称“主机板”或“母板”（Motherboard），是一块集成了总线等部件的电路板。 主板是微机的核心部件，其上可安装或集成有CPU（MP，MPU）、主存储器（内存）、各种接口电路/接口卡、总线扩展槽。 主板上的总线扩展槽用来插各种外设接口卡，如独立显卡、声卡、网卡、多功能卡等。

47. （二）显示器和显示卡 显示器又称“监视器”，是必不可少的人机交互设备。 显示卡连接并驱动显示器，它们一起组成显示系统。

48. 1.显示器的分类 按可以显示的颜色，分为黑白显示器（单显）和彩色显示器（彩显）。 按显示器件的工作原理分类，有：阴极射线管（CRT：Cathode Ray Tube）显示器、液晶显示器（LCD：Liquid Crystal Display）、等离子显示器等。 CRT显示器经常以扫描方式的不同，分为光栅扫描显示器和随机扫描显示器。 按分辨率的高低，分为高分辨率显示器和低分辨率显示器。

49. 2.显示器的性能指标1 分辨率：显示设备能显示的像素个数。常见的分辨率为640×480、800×600、1024×768或更高。 相同面积上的像素越多，分辨率就越高，显示的图像和文字就越细腻、清晰。 点距（像素间距）：两个相邻像素点中心之间的距离。目前微机显示器普遍使用的为0.28mm。 点距（像素间距）越小，相同面积上的像素就越多，显示的内容就越多，但内容却显示得越小。 显示器尺寸：一般指对角线的长度。每屏显示的字数没有成熟的标准，通常为每行80个字符，每屏最多为25行，最后一行用于显示机器状行或其他信息。

50. 2.显示器的性能指标2 灰度级：指黑白显示时像素点的亮暗程度或彩色显示时像素点的颜色数量。 灰度级越多，图像层次越清晰越逼真。 目前微机常见的颜色数量有16色（24）、256色（28）、65536色（216，有时叫16位色），更高的还有24位色，32位色、真彩色等。 刷新频率：CRT显示器需要不断刷新才能保持显示图像的稳定；每秒刷新的次数称为刷新频率。 刷新频率越高，显示图像就越稳定。 刷新频率过低，图像闪烁，容易损伤视力；过高而超过设计标准，则会损害显示器。 目前微机的主流显示刷新频率为75Hz，有的高达120Hz。