河北省对口升学计算机基础自编教材

计算机基础知识
微机升学班内部资料
目录
第一节计算机的发展阶段、特点、分类应用及发展趋势 (1)
一、计算机概念 (1)
二、计算机的发展历史 (1)
三、计算机的分类 (3)
四、计算机的主要特点 (4)
五、计算机的主要应用领域 (4)
六、计算机的发展趋势 (5)
第二节计算机系统的组成 (6)
一、计算机硬件系统 (6)
二、计算机软件系统: (9)
第三节计算机的工作原理 (11)
一、计算机的指令和指令系统 (11)
二．计算机工作原理 (12)
第四节计算机的硬件组成 (12)
一、主板 (12)
二、外存储器 (13)
三、输入设备 (16)
四、输出设备 (17)
五、计算机的主要性能指标 (19)
第五节计算机病毒知识 (21)
一、计算机病毒的概念 (21)
二、计算机病毒的特点及分类 (21)
第六节数制及其运算 (23)
一、数制的基本概念 (23)
二、常用数制间的转换 (24)
三、计算机中的数据和编码 (27)
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第一节 计算机的发展阶段、特点、分类应用及发展趋势
一、计算机概念
计算机是由一系列电子元器件组成的，能够存储程序并按程序自动、高速地进行数值计算和信息处理的电子装置。

它的处理对象是信息，处理结果也是信息。

计算机的主要工作是数值计算和信息处理，已成为科学研究、工农业生产和社会生活中不可缺少的重要工具。

二、 计算机的发展历史
人类创造计算工具、发展计算技术的历史悠久。

从人类最早的计算工具──中国唐代的算盘，到英国近代的计算尺，以及现代的计算机，人类走过了一段漫长的路程。

20世纪50年代，英国数学家乔治•布尔创立了逻辑代数，奠定了电子计算机的数学理论基础。

1936年英国数学家阿伦•图灵发表了著名的论文《论可计算数在判定问题中的应用》，首次提出了对数字计算机具有深远影响的图灵机理论模型，因此被誉为“计算机之父”。

1942年，由美国的宾夕法尼亚大学的工程师普雷斯珀•埃克特博士和物理学家约翰•莫克利博士等组成的“莫尔小组”开始着手研制ENIAC ，于1946年2月5日世界上第一台真正的现代数字计算机ENIAC 研制成功了，如图1-1所示。

它标志着人类进入了电子计算机的时代。

图1-1 世界上第一台计算机ENIAC
1948年，美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出了数字计算机的冯•诺依曼结构，即： ● 计算机可以使用二进制。

● 计算机的指令和数据可以存储在计算机内并自动进行计算。

计算机的基本结构是：硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五部分组成。

自计算机诞生以来，共经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路四代的变革。

1．第一代计算机（1946年~1958年）
第一代计算机通常称为电子管计算机，其主要特点和性能指标如下：
（1）采用电子管作为基本逻辑器件。

（2）主存储器使用汞延迟线、磁鼓等，容量最大为几千字节；辅助存储器采用磁带等。

（3）没有操作系统，程序设计采用机器语言和汇编语言。

（4）运算速度是每秒钟可进行5000次加法运算。

这一时期的计算机体积庞大，耗电多，速度慢，可靠性差，主要应用于军事和科学研究。

2．第二代计算机（1958年~1964年）
第二代计算机通常称为晶体管计算机，其主要特点和性能指标如下：
（1）采用晶体管作为基本逻辑器件。

（2）主存储器使用磁鼓、磁芯等，容量最大为几十千字节；辅助存储器采用磁带、磁盘等。

（3）提出了操作系统的概念，出现了诸如FORTRAN、COBOL和ALGOL60等高级语言。

（4）运算速度是每秒钟可进行几万至几十万次加法运算。

第二代计算机与第一代相比，体积减小，耗电量减少，速度加快，可靠性增强，主要应用已由军事领域和科学计算扩展到数据和事务处理及工业控制等方面。

3．第三代计算机（1964年~1970年）
第三代计算机通常称为集成电路计算机，其主要特点和性能指标如下：
（1）采用集成电路作为基本逻辑器件，
（2）主存储器使用半导体存储器等，容量最大为几百兆字节；辅助存储器仍以磁带、磁盘为主。

（3）出现了分时操作系统、结构化程序设计语言、数据库等软件。

（4）运算速度是每秒钟可进行几十万至几百万次加法运算。

第三代计算机与第二代相比，体积更小，功耗更低，速度更快，可靠性更高，应用范围更广。

4．第四代计算机（1970年至今）
第四代计算机通常称为大规模、超大规模集成电路计算机，其主要特点和性能指标如下：
（1）采用大规模、超大规模集成电路作为基本逻辑器件。

（2）主存储器使用集成度更高的半导体存储器，内存容量最大为几千兆字节；辅助存储器采用软、硬磁盘和光盘等。

（3）操作系统不断完善，并出现了多种操作系统，数据库管理系统进一步发展，软件已成为现代工业的一部分。

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（4）运算速度是每秒钟可进行高达几百万至十亿次以上加法运算。

第四代计算机日益小型化和微型化，产品覆盖巨型机、大型机、中型机、小型机、工作站和微型计算机等各种类型。

其应用范围急剧扩展，广泛应用于数据处理、工业控制、辅助设计、图像识别、语言识别等方面，已渗透到人类社会的各个领域。

另外，从20世纪80年代初开始，科学家开始研制新一代的智能计算机，其研究目标是能够突破以往计算机固有的冯•诺依曼体系结构，把程序设计变为逻辑设计，使计算机能像人一样具有“能看会想，能听会讲”等功能，向智能化方向发展。

三、计算机的分类
随着计算机技术的发展和应用，计算机已成为一个庞大的家族。

计算机的类型从不同角度有多种分类方法，从计算机的处理对象、规模和处理能力以及使用范围等不同角度，可进行如下分类。

1．按计算机处理的对象（信号）分类
按计算机处理的对象可以分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟混合计算机。

（1）数字计算机
数字计算机的特点是输入、处理、输出和存储的数据都是离散的数字信息，其基本运算部件是数字逻辑电路，运算精度高，通用性强。

（2）模拟计算机
模拟计算机的特点是输入、处理、输出和存储的数据都是连续的模拟信息，其基本运算部件是由运算放大器组成的各类运算电路。

一般来说，模拟计算机的运算精度和通用性不如数字计算机，但其运算速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。

（3）数字模拟混合计算机
数字模拟混合计算机是将数字技术和模拟技术相结合，兼有数字计算机和模拟计算机的功能和优点。

2．按计算机的规模大小分类
（1）大纲分类：巨型机、小巨型机、小型机、工作站和个人计算机（PC）（大纲分类）。

（2）按照1989年由IEEE科学巨型机委员会提出的运算速度分类法，可分为巨型机、大型机、小型机、工作站和微型计算机。

巨型机：巨型计算机亦称超级计算机。

具有极高的性能和极大的规模，价格昂贵，多用于尖端科技领域。

生产这类计算机的能力可以反映一个国家的计算机科学水平。

巨型机主要用于天气预报、地质勘探等尖端科技领域。

我国是世界上生产巨型计算机的少数国家之一，如我国研制成功的“银河”、“曙光”、“神威”等计算机都属于巨型机。

大型机：这种机器也有很高的运算速度和很大的存储容量，它有丰富的外部设备和功能强大的软件，主要用于计算中心和计算机网络中。

IBM3033、V AX8800都是大型计算机的代表产品。

中型机：性能和规模处于大型机和小型机之间。

小型机：结构简单、规模较小、操作简便、成本较低。

小型机在存储容量和软件系统的完善方面占有优势，用途广泛。

代表机型有PDP-11、V AX-11系列。

微型机：人们常简称为微机或PC机。

它具有体积小、价格低、功能全、操作方便等优点，因此发展迅速。

目前它的功能越来越强，速度越来越快，已经达到甚至超过了
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小型机。

例如，Pentium Ⅳ的CPU速度已超过1G。

工作站：它是70年代后期出现的一种新型的计算机系统。

工作站与高档微机的界限并不明显，一般认为，工作站就是一台高档微机。

它的独特之处在于：易于联网、有大容量内存、配置大屏幕显示器和较强的网络通信功能，特别适合CAD/CAM和办公自动化。

代表产品有SUN-Ⅲ、SUN-Ⅳ等。

随着大规模集成电路的出现和迅猛发展，小型机、微型机、工作站乃至中型机的差别越来越小。

微型机的功能已经达到和超过了几年前中型机的功能，成为目前应用最为广泛的计算机。

3．按计算机的硬件组合及用途分类：
按计算机的使用范围可以分为通用计算机和专用计算机。

（1）通用计算机
通用计算机是指该类计算机具有广泛的用途和使用范围，可以解决各种问题，具有较强的通用性，主要应用于科学计算、数据处理和工程设计等。

（2）专用计算机
专用计算机是指该类计算机适用于某一特殊的应用领域，具有运行效率高、速度快、精度高等特点，主要应用于智能仪表、生产过程控制、军事装备的自动控制等。

四、计算机的主要特点
计算机作为一种通用的信息处理工具，它具有极高的处理速度、很强的存储能力、精确的计算和逻辑判断能力，其主要特点如下：
1. 运算速度快
当今计算机系统的运算速度已达到每秒万亿次，微机也可达每秒亿次以上，使大量复杂的科学计算问题得以解决。

例如：卫星轨道的计算、大型水坝的计算、2 4小时天气预报的计算等，过去人工计算需要几年、几十年，而现在用计算机只需几天甚至几分钟就可完成。

2. 计算精确度高
科学技术的发展特别是尖端科学技术的发展，需要高度精确的计算。

计算机控制的导弹之所以能准确地击中预定的目标，是与计算机的精确计算分不开的。

一般计算机可以有十几位甚至几十位(二进制)有效数字，计算精度可由千分之几到百万分之几，是任何计算工具所望尘莫及的。

3. 具有记忆和逻辑判断能力
随着计算机存储容量的不断增大，可存储记忆的信息越来越多。

计算机不仅能进行计算，而且能把参加运算的数据、程序以及中间结果和最后结果保存起来，以供用户随时调用；还可以对各种信息(如语言、文字、图形、图像、音乐等)通过编码技术进行算术运算和逻辑运算，甚至进行推理和证明。

4. 具有自动控制运行和连续工作的能力
计算机内部操作是根据人们事先编好的程序自动控制进行的。

用户根据解题需要，事先设计好运行步骤与程序，计算机十分严格地按程序规定的步骤操作，整个过程不需人工干预。

五、计算机的主要应用领域
传统的计算机的主要应用领域归纳起来可分为以下几个方面。

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1．科学计算
科学计算也称为数值计算，主要解决科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算，是计算机最早的，也是最重要的应用领域之一。

2．数据处理
数据处理也称为非数值计算，是指对数据进行采集、转换、分组、计算、存储、检索和排序等操作。

3．过程控制
过程控制又称为实时控制，是指用计算机实时采集数据，分析处理数据，按最佳值迅速地对控制对象进行自动调节，直接干预生产过程，实现对生产过程的自动控制。

4．计算机辅助工程
计算机辅助工程是以计算机为工具，利用专用软件辅助人们完成特定的工作，以提高工作效率和工作质量。

（1）计算机辅助设计（CAD）：是设计人员以计算机为工具，利用相应的CAD应用软件，对工程或产品进行分析、设计和绘图等设计活动的技术。

（2）计算机辅助制造（CAM）：是指在工业制造领域中，利用计算机对生产设备进行管理、控制和操作等制造过程的技术。

（3）计算机辅助教学（CAI）：是借助课件系统，使学生通过与计算机的交互进行学习，以实现教学的技术。

5．人工智能
人工智能是将人脑演绎推理的思维过程、规则、策略和技巧等编制成计算机程序，使计算机模拟人类的某些智能活动，如学习、推理、判断、感应、问题求解等。

（6．信息高速公路
信息高速公路是美国的参议员戈尔在1991年提出的，指将美国的所有信息库及信息网络连成一个全国性大网，使各种各样的信息在这个大网络里交互传输。

）新的应用分为：办公自动化、生产自动化、数据库应用、网络应用、计算机模拟、远程教育。

（大纲）
随着计算机技术的不断发展，它已渗透到科学计算、信息处理、自动控制、辅助工具、计算机网络和多媒体等社会和人们生活的各个领域。

六、计算机的发展趋势
计算机自诞生以来，历经半个多世纪的发展，其发展速度之快是其他任何技术都不能比的。

今后计算机的发展趋势将朝着巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。

1．巨型化
巨型化不是指计算机的体积大，而是指计算机的运算速度更快、存储容量更大和功能更强等。

2．微型化
随着电子技术的发展，制造工艺水平的提高，大规模和超大规模集成电路的集成度越来越高，计算机的体积越来越小，重量越来越轻，而其功能则会越来越强。

3．网络化
利用网络技术，将分布在不同地点的计算机通过通信线路和通信设备互相连接成一
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6 个大规模、功能强的网络系统，使计算机之间可以交互传递信息，共享数据和软、硬件资源。

4．智能化
目前，新一代的计算机正朝着智能化的方向发展，人工智能系统主要有机器人、专家系统和模式识别等。

第二节 计算机系统的组成
一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，如图所示。

硬件系统是计算机系统的物质基础，软件系统是对硬件系统性能的扩充和完善。

计算机运行时软、硬件系统协同工作，二者缺一不可。

计算机系统的组成结构图
一、计算机硬件系统
计算机硬件系统指构成计算机的所有物理部件的集合。

从外观上看，由主机、输入和输出设备组成。

根据冯·诺依曼原理，将计算机分成输入设备、存储设备、运算器、控制器和输出设备。

RAM
硬件系统软
件
系
统
微处理器 存储器
运算器 控制器
内存
外存 ROM 硬盘、软盘、光盘 键盘、鼠标、光笔、扫描仪等 显示器、打印机、绘图仪等
系统软件 应用软件
操作系统
语言及处理程序 服务诊断程序
通用软件
系统图解
1. 运算器:是计算机实施算术运算和逻辑判断的主要部件。

例：＋、－、×、÷、＜、＞、＝、≠等。

通常由算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、加法器及通用寄存器组成。

2. 控制器：指挥、控制计算机运行的中心。

作用：从存储器中取出信息进行分析，根据指令向计算机各个部分发出各种控制信息，使计算机按要求自动、协调地完成任务。

控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

说明：中央处理器（CPU）是运算器和控制器的合称，是微型计算机的核心，习惯上用CPU型号来表示计算机的档次。

例：80286、386、486、Pentium、PⅡ、PⅢ、P4。

3. 存储器:是用来存放各类程序和数据信息。

可分为内存储器（简称内存或主存储器）和外存储器（简称外存或辅助存储器）。

一般我们说到的存储器，指的是计算机的内存。

内存储器主要采用半导体集成电路制成，可分为随机存储器（Random Access
内存容量较小，但存取速度快。

常与中央处理器一起组成计算机的主机。

外存一般采用磁性介质或光学材料制成，容量大，但存取速度较慢，如磁盘、磁带和光盘等。

外存作为计算机的外部设备来使用。

关于存储器，常用到以下一些术语。

⑴位：二进制数所表示的数据的最小单位，就是二进制的1位数，简称位（bit）。

⑵字节：把８个bit称为１个字节（Byte），字节是计算机中的最小存储单元。

⑶字长：若干个字节组成一个字（Word），其位数称为字长。

字长是计算机能直接处理的二进制数的数据位数，直接影响到计算机的功能、用途及应用领域。

常见的字长有8位、16位、32位、64位等。

⑷字节、字的位编号
我们把字最左边的一位称为最高有效位，最右边的一位称为最低有效位。

在16位字中，我们称左边８位为高位字节，右边８位为低位字节。

⑸关于KB、MB、GB、TB和PB
为了便于表示存储器的大小或容量，统一以字节为单位表示。

一般用KB、MB、GB、
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TB和PB来表示，它们之间的换算关系如下：
1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=220B 1GB=1024MB=230B 024GB=240B 1PB=1024TB=250B
⑹地址：计算机存储单元的编号。

计算机的整个内存被划分成若干个存储单元，每个存储单元可存放8位二进制数。

每个存储单元可以存放数据或程序代码。

为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元必须有唯一的编号来标识，这个编号称为地址。

阅读资料：主（内）存储器
目前，微型机的内存储器由半导体器件构成。

内存储器按其性能和特点可分为只读存储器ROM（Read Only Memory）和随机存储器RAM（Random Access Memory ）两大类。

只读存储器（ROM）：只能从ROM中读出数据，不能写入。

存放在ROM中的信息，在没有电源的情况下，也能保持。

目前，常用的只读存储器有三类:
可擦除可编程的EPROM:用户可通过编程器将数据或程序写入EPROM，如需重新写入的话，可通过紫外线照射EPROM，将原来的信息擦除，然后再重新写入。

电可擦除的EEPROM:擦除不像EPROM那样用紫外线照射，而是需要一个擦除电压。

同RAM一样，写入时擦除原有的信息，写入时的速度较慢。

快擦型存储器（闪存）Flash Memory:具有EEPROM的特点，可在计算机内进行擦除和编程，它的读取时间同DRAM相似，而写时间较慢。

一般在系统板上都装有只读存储器ROM，在它里面固化了一个基本输入/输出系统，称为BIOS
．．．．（基本输入输出系统）。

其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。

BIOS提供了许多低层次的服务，如软盘和硬盘驱动程序、显示器驱动程序、键盘驱动程序、打印机驱动程序以及串行通信接口驱动程序等，使程序员不必过多地关心这些具体的物理特性和逻辑结构细节（如端口地址、命令及状态引式等），从而能方便地控制各种输入/输出操作，这些服务是相当可靠的，很少改变。

随机存储器RAM：数据、程序在使用时从外存读入内存RAM中，使用完毕后在关机前再存回外存中。

从特性上可以分为三类：DRAM、 VRAM、SRAM。

从外形上又可分为DIP （普通双列直插内存芯片）、SIMM（单列直插式存储模块，也称72线内存）和DIMM（双列直插式存储模块，也称168线内存）。

⑴DRAM：动态随机存取存储器是RAM家族中最大的成员，通常意义上的RAM是指DRAM内存。

须使用一个刷新逻辑来定期对其刷新保持存储器中的信息。

目前，DRAM一般都由MOS型电路构成，最低刷新频率为每隔1~2ms刷新一次。

在系统板上的随机存取存储器RAM，也称为内存，一般都采用DRAM。

目前微机的内存容量为64MB、128MB和256MB，甚至更多，内存条的引脚从30芯、72芯到现在的168芯。

⑵VRAM：视频随机存取存储器是一种专为视频图像处理设计的RAM。

通常安装在显示卡或图形加速卡上。

与DRAM不同，VRAM采用双端口设计，允许同时从处理器向视频存储器和数字－模拟存储器传送信息。

⑶SRAM：静态随机存取存储器通过有源电路，即：一个双稳态电路来保持存储器中的信息。

只要存储体的电源不断，存放在它里面的信息就不会丢失。

静态存储器从器件的原理上分为双极型和MOS型。

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双极型SRAM常作为系统的高速缓冲存储器Cache
．．．．．。

为了缓和CPU与主存储器之间速度的矛盾，在CPU和主存储器之间设置一个缓冲性的高速存储部件Cache，其工作速度接近CPU的工作速度，但其存储容量比主存储器小得多。

Cache分为两种，CPU内部Cache （L1 Cache）和CPU外部Cache（L2 Cache）。

4. 输入设备
输入设备用于从计算机外部将数据、命令输入到计算机的内部，供计算机处理。

常用的输入设备有键盘、鼠标器、磁盘驱动器、磁带机、光笔、CD ROM驱动器、扫描仪、数字化仪和摄像机等。

5. 输出设备
输出设备将计算机处理后的结果信息，转换成人们能够识别和使用的数字、文字、图形、声音、电压等形式。

常用的输出设备有显示器、磁盘、打印机、绘图仪、音响
二、计算机软件系统:
软件内容丰富，种类繁多，通常根据软件用途将其分为两大类：系统软件和应用软件。

1、系统软件
系统软件是指管理、监控、维护计算机正常工作和供用户操作使用计算机的软
件。

根据功能又可分为操作系统（OS）、程序设计工具集和诊断、维护程序。

⑴操作系统（Operating System）
操作系统是一个管理计算机系统资源、控制程序运行的系统软件,实际上是一组程序的集合。

对操作系统的描述可以从不同角度来描述。

从用户的角度来说，操作系统是用户和计算机交互的接口。

从管理的角度讲，操作系统又是计算机资源的组织者和管理者。

操作系统的任务就是合理有效地组织、管理计算机的软硬件资源，充分发挥资源效率，为方便用户使用计算机提供一个良好的工作环境。

操作系统：
①操作系统的功能
从操作系统管理资源的角度看，操作系统有作业管理、文件管理、处理器管理、存贮管理和设备管理等五大功能。

作业管理：作业就是交给计算机运行的用户程序。

它是一个独立的计算任务或事务处理。

作业管理就是对作业进入、作业后备、作业执行和作业完成四个阶段进行宏观控制，并为其每一个阶段提供必要的服务。

文件管理：文件管理就是要为用户提供一种简单、方便、统一的存贮和管理信息的方法。

用文件的概念组织管理系统及用户的各种信息集，用户只需要给出文件名，使用文件系统提供的有关操作命令就可调用和管理文件。

处理器管理：它主要是解决处理器的使用和分配问题。

提高处理器的利用率，采用多道程序技术，使处理器的资源得到最充分的利用。

存贮管理：由操作系统统一管理存贮器，采取合理的分配策略，提高存贮器的利用率。

存贮管理是特指对主存贮器进行的管理，实际上是管理供用户使用的那部分空间。

设备管理：为了有效地利用设备资源，同时为用户程序使用设备提供最大的方便，操作系统对系统中所有的设备进行统一调度、统一管理。

它的任务是接受用户的输入输。