计算机公共课1-信息技术与计算机文化

一、信息与信息技术

1.数据和信息

• 数据，是指存储在某种媒体上可以加以鉴别的符号资料。
  数值(正负号)和非数值数据(文字、图像、声音、动画、视频等)

• 信息是自然界中普遍存在的一切物质和事物的属性。 控制论维纳：信息是我们在适应和感知外部世界的过程中宇外部世界交换的内容。 信息论香农：信息是能够用来消除不确定性的东西。
  信息特性: 价值性、针对性、时效性、可处理性等(了解)

• 数据是信息的具体表现形式，是信息的载体，是信息的符号化；而信息是对数据进行加工后得到的结果，信息是数据的逻辑意义。

2.信息技术

• 信息技术是指人们获取、存储、传递、处理、开发和利用信息资源的相关技术。
  传感技术、计算机技术、通信技术和网络技术是主导技术，计算机作为信息处理机起关键作用。

• 1993年 美国开始建设高速度、大容量、多媒体的信息传输干线，称为“信息高速公路”； NII计划(国家信息基础设施)；中国三金工程（金关、金桥、金卡）。

3.计算机文化

• 文化的基本属性：广泛性、传递性、教育性、深刻性。
• 计算机文化：以计算机为核心，集网络文化、信息文化、多媒体文化于一体，对社会生活和人类行为产生广泛、深远影响的新型文化。
• 二十世纪八十年代初于瑞士洛桑第三届世界计算机教育大会提出。
• 人类文化发展的四个里程碑：语言的产生、文字的使用、印刷术的发明、计算机文化。
• 内涵：具有计算机信息处理能力。

二、计算机技术概论

1.概念和起源

• 计算机是一种具有计算功能、记忆功能和逻辑判断功能的机器设备。

• 1854英国 布尔 最先提出符号逻辑思想；
  19世纪巴贝奇（计算机之父） 最先提出通用数字计算机的基本设计思想；
  图灵 计算机科学之父，人工智能之父；
  冯·诺依曼 现代计算机之父(存储程序工作原理)

• ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer）世界第一台真正意义上的电子数字积分计算机。1946年2月在美国宾夕法尼亚大学投入运行。但此时并没有进入信息化时代，主要运用于军事领域，科学计算。
  特点:采用十进制，只能加法运算，每秒5000次加法、没有采用冯 诺依曼体系架构。

• EDSAC世界上第一台实际运行的存储程序式电子计算机。

2.发展

• 根据计算机采用的主要元器件（物理器件）不同，将电子计算机的发展分为四代

年代	名称	元件	语言	应用
第一代（1946~1956年）	电子管计算机	电子管	机器语言和汇编语言	科学计算
第二代（1956~1964年）	晶体管计算机	晶体管	高级语言、设计语言	数据处理
第三代（1964~1971年）	集成电路计算机	中小规模集成路	操作系统和会话式语言	开始应用到各个领域
第四代（1971年至今）	超大规模集成电路计算机	大规模或超大规模集成电路	面向对象的高级语言	计算机网络时代

• 我国从1956年开始研制计算机，1958年第一台电子管计算机，1964年晶体管计算机，1971年集成电路计算机，1983年巨型计算机。

2.计算机的特点与分类

• 运算速度快 、计算精度高 、存储容量大 、具有逻辑判断能力、 工作自动化和通用性强
• 按处理对象划分为：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。
  按用途(使用范围)划分：专用计算机和通用计算机。
  按性能和规模划分：巨、大、小、微型机（PC机）和工作站。

3.计算机的应用

• 科学计算：科学和工程中的数值计算，是计算机最早的应用领域（天气预报）。
• 信息管理（数据处理）：以计算机技术为基础，对大量数据进行加工处理，形成有用信息。应用于　办公自动化、事务处理、情报检索、企业管理和知识系统等领域，是计算机应用最广泛的领域。
• 过程控制：又称“实时控制”，用计算机及时采集检测数据，按最佳值对控制对象进行自动控制或自动调节，在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械和航空等部门得到广泛应用。
• 人工智能：可以代替人脑的部分功能。
• 计算机网络与通信：利用通信技术，将不同地理位置的计算机互联，实现世界范围内的信息资源共享，并能交互式的交流信息
• 多媒体技术应用系统：利用计算机、通信等技术将文本、图像、声音、动画、视频等多种形式的信息综合起来，使之建立逻辑关系，并对其进行加工处理的技术。
• 嵌入式系统
• 计算机辅助系统：
  计算机辅助设计（CAD）
  计算机辅助制造（CAM）
  计算机辅助教育（CBE）
  计算机辅助教学（CAI）
  计算机辅助测试（CAT）
  计算机管理教学（CMI）
  计算机集成制造系统（CIMS）
  计算机辅助工程（CAE）

4.计算机的发展趋势

• 巨型化：向着计算速度更快、存储量更大、功能更强大的方向发展。是一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。

• 微型化：利用微电子技术和超大规模集成电路技术，体积缩小，价格降低。微型化成为发展的重要方向。

• 网络化：对联网计算机不仅实现资源共享，而且提供一个分布式的计算平台。

• 智能化：具有模拟人的感觉和思维过程的能力。

三、计算机中信息的表示

1.数制

• 用进位的原则进行计数称为“进位计数制”，简称“数制”

• 数码：一组用来表示某种数制的符号

• 基数：数值所使用的 数码个数 称为“基数”或“基”，常用“R”表示，称为“R进制”

• 位权：指数码在不同位置上的权值。

• 十进制D、二进制B、八进制O、十六进制H。

2.二进制运算

• 算术运算 + - * /
• 逻辑运算 与（∧）、或（∨）、非、异或

3.计算机中数据的单位

• 位（bit）：也称 “比特” ，简记为b，是计算机存储数据的最小单位。
• 字节（byte）：简记为B 规定 1 B = 8 bit。字节是存储信息的基本单位。
• 1KB=1024B ,1TB=1024GB=2^20 MB= 2 ^30 KB=2 ^40B
  20KB储存单元地址范围为0000H~4fffH
• 字（Word）：计算机处理数据时，CPU通过数据总线一次存取、加工和传送的数据称为“字”，计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数称为“字长”，字长是衡量计算机性能的一个重要指标。字长越长，速度越快，精度越高。不同微处理器的字长是不同的，常见的微处理器字长有8位、16位、32位和64位。

数值的表示

• 在计算机中，所有数据都以二进制的形式表示。
• 规定一个数的最高位为符号位，“0”表示正，“1”表示负。这种采用二进制表示形式的连同正负号一起代码化了的数据，在计算机中统称为“机器数”或“机器码”。
• 与机器数对应的用正、负符号加绝对值来表示的实际数值称为“真值”。
• 机器数分原码、反码和补码
  真值： +1 -1
  原码：00000001 10000001
  反码：00000001 11111110（除首位取反）
  补码：00000001 11111111（反码加1）
• BCD码(8421)： 十进制一位转换二进制四位，是一种二进制转换十进制编码.
• 数据分为:数值数据和非数值数据；数值数据分为：定点数和浮点数；定点数：有符号数和无数号数； 浮点数组成：阶码和尾数。

文字信息的表示

• 计算机处理的对象必须是二进制表示的数据。计算机内部以二进制形式表示和存储数据。

• 数值数据：具有数值大小和正负特征的数据。

• 非数值数据：无数值大小和正负特征的数据（文字、声音、图形等）。

• 字符编码：ASCII码（美国标准信息交换代码），国际通用信息交换标准代码。ASCII是一种西文机内码，有7位和8位两种，7位称为“标准ASCII码”用一个字节（8位）表示，规定最高位为0，可表示128个不同的字符。8位称为“扩展ASCII码”，可表示256个字符。

• ASCII中 空格<数字<大写字母<小写字母
  小写字母=大写字母+32（20H）， A（65），a（97）

• 汉字编码：输入码->|国标码->机内码|->地址码->字形码

• 汉字交换码(存储占用两个字节)两个字节表示一个汉字，1980年(国颁布)也称国标码（GB2312-80）。

• 区位码（外）是一个四位的十进制数，前两位叫做区码(行),后两位叫做位码(列)。区位码将国标码6763个汉字和符号，分为94行，94列。01~94 01~ 94 。无重码。

• 汉字机内码是真正的计算机内部用来存储和处理汉字信息的代码。

        国标码=区位码+2020H
        机内码=国标码+8080H
  

• 汉字输入码：将汉字通过键盘输入到计算机中时采用的代码。也称为“汉字外部码“（外码）。根据编码的不同（读音还是字形进行编码）汉字输入码可分为流水码、音码、形码和音形结合码四种。

• 汉字字形码：将汉字显示到屏幕上或打印到纸上时所需要的图形数据。
  汉字字形码记录汉字的外形，是汉字的输出形式。记录汉字字形通常有点阵法和矢量法，分别对应两种字形编码：点阵码和矢量码，不同字体、字号的所有汉字字形构成汉字库。

四、 计算机系统

1.计算机工作原理

• 一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，并按照“存储程序”的方式工作。
• 指令是指示计算机执行某种操作的命令，包括操作码和地址码两部分。操作码规定了操作的类型，地址码规定了要操作的数据（操作对象）以及操作结果的存放地址。
• 计算机中所有指令的集合，称为该计算机的指令系统，指令系统反映了计算机的基本功能，不同的计算机指令系统也不相同。
• 指令是程序员进行程序设计的基本出发点和最小单位
• 存储程序工作原理：计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是存储程序工作原理。存储程序工作原理是冯·诺依曼提出来的，故称“ 冯·诺依曼原理”，基本思想是存储程序与程序控制
• 计算机执行一条指令需要的时间称为指令周期
• 为解决某一特定问题而设计的指令序列称为程序

2.计算机工作过程

由控制器完成以下步骤：

1. 取指令
2. 分析指令
3. 执行指令
4. 上诉步骤完成后，指令计数器加一，为执行下一条指令做准备。指令计数器中存储的是每个指令的地址。

计算机系统 按照“存储程序”的方式工作 硬件系统 软件系统 运算器 执行数据处理指令 算术逻辑运算单元 寄存器 控制器 存储器 内存储器 只读存储器（ROM） 随机存储器（RAM） 高速缓存（Cache） 外存储器 磁盘（硬盘、软盘）、光盘、磁带、闪存 输入设备 输出设备 系统软件 应用软件 操作系统 语言处理程序 系统支撑和服务程序 数据库管理系统 CPU 中央处理器 外设 外部存储器 输入设备 输出设备 主机 CPU 内部存储器 主存储器 辅助存储器 核心

3.计算机硬件系统

冯诺依曼提出的存储程序工作原理决定了计算机硬件系统由五个基本组成部分组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

• 输入设备：常见的输入设备有 鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机和A/D转换器。

• 运算器：运算器由算术逻辑运算单元和寄存器组成。运算器是计算机中执行数据处理指令的器件。

• 控制器：控制器是整个计算机系统的控制中心，指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
  控制器从内存储器中顺序取出指令，并对指令代码进行翻译，然后向各个部件发出相应的命令，完成指令规定的操作。控制器是指挥和控制计算机各个部件进行工作的“神经中枢”。通常把控制器和运算器合称为“中央处理器”（CPU），是计算机的核心部件。

• 输出设备：最常用的输出设备是显示器、打印机和音箱，还有绘图仪及各种数/模（D/A)转换器等。从信息的输入输出角度来说，磁盘驱动器和磁带机可以看作输入设备，也可以看作输出设备。

• 存储器：存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件，它能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

• 存储器分为内存储器和外存储器两大类，简称“内存”和外存”。内存又称“主存储器”，外村又称“辅助存储器”

  • 内存包括只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和高速缓存（Cache）。只读存储器（ROM）：一般情况下，计算机在工作过程中只能从ROM中读出事先存储的数据而不能改写，ROM中存储的数据在计算机断电后仍能长期保存。ROM的容量较小，一般存放系统的基本输入输出系统（BIOS）；随机存储器（RAM）：既可读出信息又可写入信息，但断电后RAM中所存的信息就会丢失。微机中的内存一般指RAM

  • 高速缓存（Cache）：Cache是介于内存和CPU之间的高速小容量存储器，全称为“高速缓冲存储器”，简称“缓存”。

  • 外存：包括磁盘（硬盘、软盘）、光盘、磁带、闪存等。

• 裸机是指没有配置操作系统和其它软件的计算机（没有安装任何软件的计算机）只有硬件系统。

• 速度：CPU>Cache>RAM>硬板>光盘>软盘

3.计算机软件系统

• 计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。其中，系统软件一般由软件厂商提供，应用软件是为解决某一为题而由客户或软件公司开发的。

• 软件是指能够支持计算机工作，提高计算机使用效率和扩大计算机功能的各种程序、数据和有关文档的总称
  ①程序： 是指为了解决某一问题而设计的一系列指令或语句的有序集合。
  ②数据： 程序处理的对象和处理的结果。
  ③文档： 描述开发程序、使用程序和维护程序所需要的有关资料。

• 系统软件

  1.操作系统（核心）：操作系统（OS）是一组对计算机资源进行控制与管理的系统化程序集合，它是用户和计算机硬件系统之间的接口，为用户和应用软件提供了访问和控制计算机的桥梁。
  2.语言处理程序：用各种程序设计语言编写的源程序，计算机时不能直接执行的，必须经过翻译程序的处理才能执行，这些翻译程序就是语言处理程序，包括汇编程序、编译程序和解释程序等。
  3.系统支撑和服务程序：这些程序又称为“工具软件”，如系统诊断程序、调试程序、排错程序、编辑程序、查杀病毒程序等，都是为维护计算机系统的正常运行或支持系统开发所配置的软件系统。
  4.数据库管理系统：数据库管理系统主要用来建立存储各种数据资料的数据库，并进行操作和维护。

• 应用软件：为解决计算机各类应用问题而编写的软件称为“应用软件”。

4.程序设计语言

• 程序=算法+数据结构

• 算法的三种基本结构是顺序结构、选择结构、循环结构。

• 算法具有有穷性、确定性和可行性的性质。

• 程序设计语言主要经历了机器语言、汇编语言和高级语言三个发展阶段。

  • 机器语言：机器语言是计算机系统唯一能识别的、不需要翻译直接就可供机器使用的程序设计语言

  • 汇编语言：汇编语言是“符号化”的机器语言。汇编语言和机器语言基本上是一一对应的，但在表示方法上做了改进，他用一种助记符来代替操作码，用符号来表示操作数地址（地址码）

  • 高级语言：可以分为两类，解释型（边翻译边执行，不产生目标文件）和编译型

• 编译过程：

  • 预处理阶段：将文件头文件插入程序文本中。

  • 编译阶段：翻译成汇编语言程序。

  • 汇编阶段：将汇编程序翻译成机器语言，hello.o是一个二进制文件。

  • 链接阶段：合并一些预编译好的目标文件（如标准C库中的printf函数），得到可执行文件，可以被加载到内存中，由系统执行。

五、 微型计算机系统

1.微机的分类

• 微型计算机是指以微处理器为核心,配上存储器、输入/输出接口电路等组成的计算机(又称为主机)。微型计算机系统(Microcomputer System)是指以微型计算机为中心,配以响应的外围设备、电源和辅助电路(统称硬件)以及指挥计算机工作的系统软件所构成的系统。
• 微型计算机可分为：单片机、单板机、PC（个人计算机）和便携式微机。

2.微型计算机的主要性能指标

• 主频：即时钟频率，是计算机CPU在单位时间内发出的脉冲数，在很大程度上决定了计算机的运算速度。主频的单位是赫兹（Hz）
• 字长：字长是计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，与计算机的功能和用途有很大的关系。计算机的字长越长，计算机处理信息的效率越高，计算机内部所存储的数值精度也越高，计算机所能识别的指令数量就越多，功能也就越强。
• 内核数：随着人类社会对CPU处理效率要求的提高，尤其是对多任务处理的要求的提高，Intel（英特尔）和AMD（超威半导体公司）分别推出了多核心处理器。所谓多核心处理器，简单地说就是在一块CPU、基板上集成两个或两个以上的处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。
• 内存容量：内存容量是指内存储器中能存储信息的总字节数。一般来说，内存容量越大，计算机的处理速度越快。
• 运算速度：运算速度是一项综合性的性能指标，其单位是MIPS（每秒106条指令）和BIPS（每秒109条指令）。一般来说，主频越高，运算速度越快，字长越长，运算速度越快，内存容量越大，运算速度越快，存取周期越小，运算速度越快。

3.常见的微型计算机硬件设备

• 微处理器：微型计算机的CPU也称“微处理器”，是将运算器、控制器和高速缓存集成在一起的超大规模集成电路芯片，是计算机的核心部件。
• 微型计算机常见总线标准：总线（Bus）是计算机各功能部件之间传送信息的公共通信干线，有导线组成的传输线束。微型计算机中的总线一般分为数据总线、地址总线和控制总线。分别用来传输数据、数据地址及控制信号。
• 主板：主板是微型计算机系统中最大的一块电路板，有时又称为“母板”或“系统板”，是一块带有各种插口的大型印刷电路板（PCB），集成有电源接口、控制信号传输线路（控制总线）和数据传输线路（数据总线）以及相关控制芯片等。
  主板中最重要的部件之一是芯片组，芯片组是主板的灵魂，它决定了主板所能够支持的功能。
• CMOS芯片：主要用途是储存时间、日期、硬盘参数与计算机配置信息。