大学计算机应用基础电子教案.ppt
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1、第第1章章 计算机基础知识计算机基础知识1.1 计算机概述计算机概述1.2 计算机组成及工作原理计算机组成及工作原理1.3 计算机常用的数制及编码计算机常用的数制及编码1.4 计算机病毒简介及其防治计算机病毒简介及其防治1.1 计算机概述计算机概述1946年2月世界上第一台数字电子计算机ENIAC(Electronic Numeric Integrator And Calculator,电子数字积分计算机)在美国宾夕法尼亚大学诞生。1.1.1 计算机的发展计算机的发展电子计算机的发展阶段通常以构成计算机的电子器件来划分,至今已经历了五代。1.第一代(第一代(19461957),电子管计算机),
2、电子管计算机其主要特征如下:(1)电子管元件,体积庞大、耗电量高、可靠性差、维护困难。(2)运算速度慢,一般为每秒钟1千次到1万次左右。(3)使用机器语言,没有系统软件。(4)采用磁鼓、小磁芯作为存储器,存储空间有限。(5)输入/输出设备简单,采用穿孔纸带或卡片。(6)主要用于科学计算。2.第二代(第二代(19581964年),晶体管计算机年),晶体管计算机第二代计算机采用的主要元件是晶体管,称为晶体管计算机。它有如下特征:(1)采用晶体管元件作为计算机的器件,体积大大缩小、可靠性增强、寿命延长。(2)运算速度加快,达到每秒几万次到几十万次运算。(3)提出了操作系统的概念,开始出现了汇编语言,
3、产生了如FORTRAN和COBOL等高级程序设计语言和批处理系统。(4)普遍采用磁芯作为内存储器,磁盘、磁带作为外存储器,容量大大提高。(5)计算机应用领域扩大,从军事研究、科学计算扩大到数据处理和实时过程控制等领域,并开始进入商业市场。3.第三代(第三代(19651969年),中小规模集成电路计算年),中小规模集成电路计算机机计算机开始采用中小规模的集成电路元件,这一代计算机比晶体管计算机体积更小、耗电更省、功能更强、寿命更长,综合性能也进一步得到了提高,具有如下主要特征:(1)采用中小规模集成电路元件,体积进一步缩小,寿命更长。(2)内存储器使用半导体存储器,性能优越,计算速度加快,每秒可
4、达几百万次运算。(3)外围设备开始出现多样化。(4)高级语言进一步发展。操作系统的出现,使计算机功能更强,提出了结构化程序的设计思想。(5)计算机应用范围扩大到企业管理和辅助设计等领域。4.第四代(第四代(1971年至今),大规模集成电路计算机年至今),大规模集成电路计算机随着20世纪70年代初集成电路制造技术的飞速发展,产生了大规模集成电路元件,使计算机进入了一个新的时代,即大规模和超大规模集成电路计算机时代。具有如下主要特征:(1)采用大规模和超大规模集成电路逻辑元件,体积与第三代相比进一步缩小。可靠性更高、寿命更长。(2)计算速度加快,每秒几千万次到几十亿次运算。(3)系统软件和应用软件
5、获得了巨大的发展,软件配置丰富,程序设计部分自动化。(4)计算机网络技术、多媒体技术、分布式处理技术有了很大的发展,微型计算机大量进入家庭,产品更新速度加快。(5)计算机在办公自动化、数据库管理、图像处理、语言识别和专家系统等各个领域得到应用,电子商务已开始进入到了家庭,计算机的发展进入到了一个新的历史时期。5.第五代计算机(从第五代计算机(从90年代开始)年代开始)进入20世纪90年代以来,美国、日本及欧洲共同体都相继开始了新一代计算机FGCS(Future Generation Computer System)的研制开发。新一代计算机的体系结将改变传统的冯诺依曼结构,是一种既能进行信息处理
6、也能进行知识处理,同时具有形式推理、联想、学习、认识等能力的新型智能计算机系统。它是支持逻辑推理和知识库的智能计算机、神经网络计算机和生物计算机等新一代计算机。6.我国计算机发展史我国计算机发展史1.1.2 计算机的特点计算机的特点电子计算机的特点主要有以下几点:1.具有执行程序的能力具有执行程序的能力计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。由于采用存储程序控制的方式,因此一旦输入编制好的程序,启动计算机后,就能自动地执行下去直至完成任务。这是计算机最突出的特点。2.运算速度快运算速度快计算机能以极快的速度进行计算,现在高性能的计算机能以每秒万亿次计算。3.运算精度高运算精度高电子计算机具有以
7、往计算机无法比拟的计算精度,目前已达到小数点后上亿位的精度。4.具有记忆和逻辑判断能力具有记忆和逻辑判断能力电子计算机的存储器容量可以做得非常大,能记忆大量信息。另外计算机还具有可靠性高、通用性强的特点。微型计算机除具有上述特点外,还具有体积小、重量轻、耗电少、维护方便、可靠性高、易掌握、功能强,使用灵活、价格便宜等特点。1.1.3 计算机的分类计算机的分类根据其用途不同,计算机可分为通用机和专用机两类。通用机能解决多种类型的问题,通用性强;而专用机则配有解决特定问题的软硬件,功能单一,但能高速、可靠地解决特定问题。通常,人们又按照计算机的运算速度、字长、存储容量、软件配置及用途等多方面的综合
8、性能指标,将计算机分为微型机、工作站、小型机、大型机和巨型机等几类。分类的标准只是相对划分,只能就某一时期而言,下面分别加以介绍。1.微型机微型机以微处理器为中央处理单元而组成的个人计算机(PC)简称微型计算机或微机。2.工作站工作站工作站是一种高档微机系统。它具有较高的运算速度,既具有大、中、小型机的多任务、多用户能力,而兼具微型机的操作便利和良好的人机界面。3.小型机小型机小型机可以为多个用户执行任务,通常是一个多用户系统。小型机结构简单、设计试制周期短,便于及时采用先进工艺。4.大型机大型机大型计算机其特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等,主要应用于大公司、大银行、
9、大型科研机构和高等院校等。5.巨型机巨型机巨型计算机是计算机中档次最高的机型,它的运算速度最快、性能最高、技术最复杂。1.1.4 计算机的应用计算机的应用1.科学计算科学计算科学计算即数值计算,是计算机最早、最重要的应用领域。该领域对计算机的要求是速度快、精度高、存储容量大。2.数据处理数据处理所谓数据处理,是指利用计算机对各种数据进行收集、储存、分类、检索、排序、统计、报表打印输出等的一系列过程。数据处理也称事务管理,包括办公自动化(Office Automation,OA)和管理信息系统(Management Information System,MIS),3.过程控制过程控制4.计算机辅
10、助系统计算机辅助系统计算机辅助是指利用计算机代替人工进行一些复杂、繁重的劳动,以减少劳动强度,提高劳动效率。计算机辅助系统包括以下几个方面。(1)计算机辅助设计(Computer-Aided Design,CAD):利用计算机来辅助设计人员进行设计工作,如建筑设计、规划设计、工程设计、电路设计等。利用CAD技术可以提高设计质量,缩短设计周期,提高设计自动化水平。(2)计算机辅助制造(Computer-Aided Manufacturing,CAM):利用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。(3)计算机辅助教育(Computer-Based Education,CBE):包括计算机辅助教学(C
11、omputer-Aided Instruction,CAI),利用计算机帮助学习的系统,将教学内容、教学方法和学生的学习情况等存储在计算机中,使学生在轻松自如的环境中完成课程的学习;计算机辅助测试(Computer-Aided Test,CAT),利用计算机来进行复杂、大量的测试工作;计算机管理教学(Computer Managed Instruction,CMI),以计算机为主要处理手段所进行的教学管理活动,包括用计算机帮助教师监测和评价学生的学习进展情况,收集反映学生学习情况的各种信息,提供帮助教学决策的信息,指导学生的学习过程,存放和管理教学材料、教学计划及学生成绩记录,并向教师做出报告
12、等。5.人工智能人工智能人工智能(Aritificial Intelligence,AI)的主要目的是用计算机来模拟人的智能,目前的主要应用方面有:机器人(Robots)、专家系统(Expert System,ES)、模式识别(Pattern Recognition)及智能检索(Intelligent Retrieval)等。6.网络通信网络通信计算机网络是计算机应用的一个重要领域。计算机网络的发展为计算机的应用提供了更为广阔的前景,如电子商务通过计算机网络技术,以电子交易为手段完成金融、物品、管理、服务、信息等价值的交换,快速而有效地进行各种商务(事务)活动。1.2 计算机组成及工作原理计算
13、机组成及工作原理一个计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统通常是指计算机的物理系统,是看得见摸得着的物理器件,包括计算机主机及其外围设备。硬件系统主要由中央处理器(CPU)、内存储器、输入/输出设备(包括外存储器、多媒体配套设备)等组成。软件系统则是指管理计算机软件和硬件资源,控制计算机运行的程序、指令、数据及文档的集合。广义地说,软件系统还包括电子和非电子的有关说明资料、说明书、用户指南、操作手册等。通常把不装备任何软件的计算机称为裸机。硬件是计算机系统的物质基础,软件是它的灵魂。计算机系统的组成结构如图1-1所示。图1-1 计算机系统示意图1.2.1 计算机硬件组成计算机硬件
14、组成冯诺依曼计算机的特点:(1)计算机由五个基本部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。(2)采用存储程度的方式,程序和数据存放在同一个存储器中。(3)指令在存储器中按执行顺序存放,由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址,一般按顺序递增,但可按运算结果或外界条件而改变。(4)机器以运算器为中心,输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。计算机结构如图1-2,图中实线为数据流,虚线为控制流。图1-2 计算机硬件组成 1.运算器运算器运算器也称为算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit)。它的功能就是算术运算和逻辑运算。算术运算就是指加、减、乘、除(有
15、些ALU还无乘、除功能)。而逻辑运算就是指“与”、“或”、“非”、“比较”、“移位”等操作。2.控制器控制器控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作,它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。所谓执行指令就是,控制器首先按程度计数器所指出的指令地址从内存中取出一条指令,并对指令进行分析,然后根据指令的功能向有关部件发出控制命令,控制它们执行这条指令所规定的功能。控制器和运算器合在一起被称为中央处理单元,即CPU(Central Processing Unit)。它是计算机的核心。3.内存储器内存储器内存储器(简称内存或主存)
16、。在计算机运行中,要执行的程序和数据存放在内存中。内存一般由半导体器件构成。需要注意的是,存储器分为内存储器和外存储器两种,外存储器也可以作为输入/输出设备。对于存储器的有关术语简述如下:(1)地址:整个内存被分成若干个存储单元,每个存储单元一般可存放8位二进制数(字节编址)。每个存储单元可以存放数据或程序代码。(2)位(Bit):存放一位二进制数即0或1称为位(简写为b)。(3)字节(Byte):8个二进制位为一个字节。为了便于衡量存储器的大小,统一以字节(Byte简写为B)为单位,容量一般用KB、MB、GB、TB来表示,它们之间的关系是1KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=10
17、24MB,1TB=1024GB,其中1024=210。4.输入设备输入设备输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序,并将它们变为计算机能识别的形式(二进制数)存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。5.输出设备输出设备输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有:显示器、打印机、绘图仪等。6.I/O接口电路和总线结构接口电路和总线结构计算机的典型结构如图1-3所示。各部件通过总线互连,构成一个整体。根据总线上传送信息的不同,将其分为数据总线(DB)、地址总线(AB)、和控制总线(CB)。输入设备、输出设备通过I/O接口电路与
18、总线相连。图1-3 微型计算机典型结构(1)数据总线:CPU和内存储器、I/O接口间传送数据的通路。由于它可在两个方向上往返传送数据,故称为双向总线。(2)地址总线:CPU向内存储器和I/O接口传送地址信息的通路,它是单方向的,只能从CPU向外传送。(3)控制总线:CPU向内存储器和I/O接口传送命令以及接收来自外部设备向CPU传送状态信号的通路。1.2.2 计算机软件组成计算机软件组成广义地讲,软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。1.系统软件系统软件系统软件是计算机系统的一部分,它是支持应用软件的运行的。为用户开发应用系统提供一个平台,用户可以使用它,一般不随
19、意修改它。一般常用的系统软件如下:1)操作系统OS(Operating System)为了使计算机系统的所有资源(包括中央处理器、存储器、各种外部设备及各种软件)协调一致,有条不紊地工作,就必须有一个软件来进行统一管理和统一调度,这种软件称为操作系统。它的功能就是管理计算机系统的全部硬件资源、软件资源及数据资源,使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用,为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。操作系统是一个庞大的管理控制程序,它大致包括如下五个管理功能:进程与处理机调度、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。操作系统一般可分为:多道批处理系统;分时系统;实时系统;网络操作系统;分布 式操作系
20、统;单用户操作系统等。目前在微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows XP、NetWare、Windows NT等。(1)实时操作系统是对外来的作用和信号,在限定时间范围内能作出响应的系统。常用的系统有RDOS等。(2)分时操作系统对一台CPU连接多个终端,CPU按照优先级分配给各个终端时间片,轮流为各个终端服务,由于计算机高速的运算,使每个用户感觉到自己独占这台计算机。常用的系统有UNIX、XENIX、LINUX等。(3)批处理操作系统是以作业为处理对象,连续处理在计算机系统运行的作业流。(4)单用户操作系统按同时管理的作业数可分为单用户单任务
21、操作系统和单用户多任务操作系统。目前常用的操作系统有:Windows XP是基于图形界面的32位单用户多任务的操作系统,(5)网络操作系统(NOS)是运行在局域网上的操作系统。目前,常用的网络操作系统有NetWare和Windows NT。2)语言处理程序编写计算机程序所用的语言是人与计算机之间交换的工具,一般可分为机器语言、汇编语言和高级语言。(1)机器语言(Machine Language)。机器语言是计算机系统所能识别的,不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。机器语言中的每一条语句(机器指令)实际是一条二进制形式的指令代码,它由操作码的二进制编码和操作数的二进制编码组成。它的指令二进制
22、代码通常随CPU型号的不同而不同(同系列CPU一般向下兼容)。通常不用机器语直接编写程序。(2)汇编语言(Assemble Language)。汇编语言是一种面向机器的程序设计语言,它是为特定的计算机或计算机系列设计的。汇编语言采用一定的助记符号表示机器语言中的指令和数据,即用助记符号代替了二进制形式的机器指令。这种替代使得机器语言“符号化”,所以也称汇编语言是符号语言。汇编语言的指令可分为硬指令、伪指令和宏指令三类。硬指令是和机器指令一一对应的汇编指令。伪指令是由汇编语言需要而设立的,它不能够像硬指令那样对应机器指令。它的作用是批示汇编程序完成某些特殊的功能。宏指令是用硬指令和伪指令定义的可
23、在程序中使用的指令。计算机硬件只能识别机器指令,执行机器指令,对于用助记符表示的汇编指令是不能执行的。汇编程序是将用符号表示的汇编指令码翻译成为与之对应的机器语言指令码。用汇编语言编写的程序称为源程序,变换后得到的机械语言程序称为目标程序。(3)高级语言。一般将用高级语言编写成的程序称为源程序,而把由源程序翻译成的机器语言程序或汇编语言程序称为目标程序。把用来编写源程序的语言(高级语言或汇编语言)称为源语言,而把和目标程序相对应的语言(汇编语言或机器语言)称为目标语言。计算机将源程序翻译成机器指令时,通常分两种翻译方式:一种为编译方式,另一种为解释方式。所谓编译方式是首先把源程序翻译成等价的目
24、标程序,然后再执行此目标程序。解释程序不产生将被执行的目标程序,而是借助于解释程序直接执行源程序本身。一般将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言的程序称为编译程序。常用的高级语言有:FORTRAN语言在1954年提出,1956年实现的。适用于科学和工程计算,目前应用面还较广。PASCAL语言是结构化程序设计语言,适用于教学、科学计算、数据处理和系统软件开发等,目前逐渐被C语言所取代。C语言程序简练、功能强,适用于系统软件、数值计算、数据处理等,目前成为高级语言中使用得最多的语言之一。BASIC语言是初学者语言,简单易学,人机对话功能强。Java语言是一种新型的跨平台分布式程序设计语言。3)联接
25、程序联接程序又称为组合编译程序或联接编译程序。它可以把目标程序变为可执行的程序。几个被发割编译的目标程序,通过联接程序可以组成一个可执行的程序。将源程序转换成可执行的目标程序一般分为两个阶段:(1)翻译阶段。提供汇编程序或编译程序将源程序转换成目标程序。这一阶段的目标模块由于没有分配存储器的绝对地址,仍然是不能执行的。(2)连接阶段。这一阶段是用连接编译程序把目标程序以及所需的功能库等转换成一个可执行的装入程序。这个装入程序分配有地址,是一个可执行程序。从源程序输入到可执行的装入程序的过程如下图所示。4)诊断程序诊断程序主要用于对计算机系统硬件的检测。5)数据库系统主要是面向解决数据处理的非数
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