《计算机应用基础教程》第一章-计算机基础知识

第1章计算机基础知识

学习目标：

通过本章学习使学生掌握计算机基本概念、计算机系统组成、计算机各大硬件设备、计算机的数制和信息的表示与存储，并熟悉计算机的产生、发展、特点和应用领域，了解计算机中字符编码的概念。

1.1计算机概述

随着微型计算机的出现及计算机网络的发展，计算机的应用已渗透到社会的各个领域，并逐步改变着人们的生活方式。21世纪的今天，掌握和使用计算机成为人们必不可少的技能。

1.1.1 计算机的诞生及发展

1946年2月，世界上第一台电子计算机ENIAC (埃尼阿克)在美国加州问世。ENIAC 使用了17468电子管，1500个继电器，体积3000立方英尺（1立方米＝35.346立方英尺），占地170平方米，重30吨，耗电174千瓦。内存17K，字长12位，运算速度每秒5000多次加法运算，300多次乘法运算，比当时最快的计算工具快300倍，耗资40万美金。在当时用它来处理弹道问题，将人工计算使用20小时缩短到30秒。但是ENIAC却有一个严重的问题，它不能存储程序。如图1-1所示。

图1-1 世界上第一台电子计算机

几乎在同一时期，著名数学家冯·诺依曼提出了“存储程序”和“程序控制”的概念。其主要思想为：

1）采用二进制形式表示数据和指令。

2）计算机应包括运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大基本部件。

3）采用存储程序和程序控制的工作方式。

所谓存储程序，就是把程序和处理问题所需的数据均以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里。计算机运行时，中央处理器依次从内存储器中逐条取出指令，按指令规定执行一系列的基本操作，最后完成一个复杂的工作。这一切工作都是由一个担任指挥工作的控制器和一个执行运算工作的运算器共同完成的，这就是存储程序控制的工作原理。

冯·诺依曼的上述思想奠定了现代计算机设计的基础，所以后来人们将采用这种设计思想的计算机称为冯·诺依曼型计算机。从1946年第一台计算机诞生至今，虽然计算机的设计和制造技术都有了极大的发展，但今天使用的绝大多数计算机其工作原理和基本结构仍然遵循着冯·诺依曼的思想。

计算机由于所使用的元器件的迅速发展经历了五个时代，如表1-1所示。

表1-1计算机年代的划分

1.1.2 计算机分类

计算机按工作原理分可分为：模拟电子计算机、数字电子计算机、模拟数字混合计算机；按功能分可分为专用计算机和通用计算机；按工作模式分可分为工作站和服务器；按规模分可分为：巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机。如银河系列计算机：运行速度每秒上百亿次，如图1-2所示。

图1-2 银河系列计算机

1.1.3 计算机特点

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、24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．存储容量大

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。计算机的存储器可以存储大量数据，这使计算机具有了“记忆”功能。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。计算机的“记忆”功能是与传统计算工具的一个重要区别。

4．具有逻辑判断能力

计算机的运算器除了能够完成基本的算术运算外，还具有对各种信息进行比较、判断等逻辑运算的功能。这种能力是计算机处理逻辑推理问题的前提。

5．自动化程度高，通用性强

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，自动化程度高，这一特点是一般计算工具所不具备的。

计算机通用性的特点表现在几乎能求解自然科学和社会科学中一切类型的问题，能广泛地应用各个领域。

1.2 计算机系统组成及应用

完整的计算机系统包括：硬件系统和软件系统。硬件系统是计算机的“躯干”，是基础。软件系统是建立在“躯干”上的“灵魂”。其结构如图1-3所示。

图1-3 计算机系统的组成结构

在计算机系统中，硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作，且充分发挥其硬件的各种功能。所以软件与硬件一样，都是计算机工作必不可少的组成部分。那么，计算机由用户来使用，用户与计算机硬件系统和软件系统的层次关系如图1-4所示。

图1-4 用户、软件和硬件的关系

1.2.1 硬件系统基本组成

电子计算机从诞生至今，其体系结构基本没有发生变化，仍旧沿用冯·诺依曼体系结构，即计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备组成，如图1-5所示。

图1-5 计算机的基本结构

1．运算器

运算器又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件，也就是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算，或进行与、或、非等的基本逻辑运算，从而实现逻辑判断。运算器是在控制器的控制下实现算术逻辑运算功能，运算结果由控制器送到内存中。

2．控制器

控制器是计算机指挥和控制中心。它负责从内存中取出指令，确定指令类型，并对指令进行译码，按时间的先后顺序，向计算机的各个部件发出控制信号，使整个计算机系统的各个部件协调一致地工作，从而一步一步地完成各种操作。

控制器主要由指令寄存器、指令译码器、程序计数器、时序部件、操作控制部件等部件组成。

3．存储器

存储器是计算机存储数据的部件，用于保存程序及数据，以及运算的结果。包括数据寄存器和地址寄存器。数据寄存器用于暂存操作数和运算结果，地址寄存器用于存放