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计算机基础知识一.计算机发展史略世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它的名称叫ENIAC(埃尼阿克)，是电子数值积分计算机(The Electronic Numberical Intergrator and Computer)的缩写。它使用了17468个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可进行5000次加法运算。虽然它的功能还比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。以圆周率()的计算为例，中国的古代科学家祖冲之利用算筹，耗费15年心血，才把圆周率计算到小数点后7位数。一千多年后，英国人香克斯以毕生精力计算圆周率，才计算到小数点后707位。而使用ENIAC进行计算，仅用了40秒就达到了这个记录，还发现香克斯的计算中，第528位是错误的。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元。有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志。ENIAC诞生后，数学家冯诺依曼提出了重大的改进理论，主要有两点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础，其二是电子计算机应采用存储程序方式工作，并且进一步明确指出了整个计算机的结构应由五个部分组成：运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。冯诺依曼的这些理论的提出，解决了计算机的运算自动化的问题和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯诺依曼方式工作。ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。目前，计算机的应用已扩展到社会的各个领域。电子计算机还在向以下四个方面发展：巨型化 天文、军事、仿真等领域需要进行大量的计算，要求计算机有更高的运算速度、更大的存储量，这就需要研制功能更强的巨型计算机。微型化 专用微型机已经大量应用于仪器、仪表和家用电器中。通用微型机已经大量进入办公室和家庭，但人们需要体积更小、更轻便、易于携带的微型机，以便出门在外或在旅途中均可使用计算机。应运而生的便携式微型机(笔记本型)和掌上型微型机正在不断涌现，迅速普及。网络化 将地理位置分散的计算机通过专用的电缆或通信线路互相连接，就组成了计算机网络。网络可以使分散的各种资源得到共享，使计算机的实际效用提高了很多。计算机联网不再是可有可无的事，而是计算机应用中一个很重要的部分。人们常说的因特网(INTERNET，也译为国际互联网)就是一个通过通信线路联接、覆盖全球的计算机网络。通过因特网，人们足不出户就可获取大量的信息，与世界各地的亲友快捷通信，进行网上贸易等等。智能化 目前的计算机已能够部分地代替人的脑力劳动，因此也常称为电脑。但是人们希望计算机具有更多的类似人的智能，比如：能听懂人类的语言，能识别图形，会自行学习等等，这就需要进一步进行研究。二.计算机的应用(1) 科学计算如：计算量大、数值变化范围大的天文学、量子化学、空气动力学、核物理学和天气预报等领域中的复杂运算。(2) 数据处理是计算机应用的一个重要方面，如：办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等非数值计算的领域。(3) 过程控制如：冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等现代工业生产过程中的自动化控制。(4) 计算机辅助系统计算机辅助设计 CAD：如飞机、船舶、建筑、机械、大规模集成电路等的设计。计算机辅助制造 CAM：用计算机进行生产设备的管理、控制和操作。计算机辅助教育 CBE：如计算机辅助教学CAI、计算机辅助测试 CAT、计算机管理教学 CMI(5) 人工智能 AI 是计算机应用研究的前沿学科。(6) 信息高速公路(此即 “国家信息基础设施” NII 的俗称)我国已建立的大型计算机应用工程-金字工程： 金桥工程(全国经济信息网) 金卡工程(金融信息网) 金关工程(外贸海关信息网) 金智工程(教育科研信息网)(7)电子商务利用国际互联网Internet 进行网上商务活动，始于1996年，现已发展迅速，全球已有许多企业先后开展了“电子商务”活动。三.计算机系统的组成1.计算机的基本结构冯诺依曼(美籍匈牙利数学家)对计算机结构提出的设计思想：(1)计算机应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) 采用存储程序的方式，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。2.计算机工作原理计算机的工作过程其实就是一个执行指令和程序的过程。指令的执行过程：第一阶段，计算机将要执行的指令从内存取到CPU，此阶段称之为取指周期;第二阶段，CPU对取入的指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，然后向各部件发出完成该操作的控制信号，完成该指令的功能，此阶段称之为执行周期。程序的执行过程：就是逐条执行指令的过程。取指令执行指令取指令执行指令指 令：就是让计算机完成某个操作所发出的命令，是计算机完成某个操作的依据。它包括操作码和操作数两部分。操作码：指明该指令要完成的操作。操作数：是指参加运算的数或者数所在的单元地址。指令的分类：包括： 数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位运算指令、位与位串操作指令、控制转移指令、输入/输出指令、其他指令。指令系统：指一台计算机的所有指令的集合。不同的计算机其指令系统不一定相同。程 序：是由一系列指令构成的有序集合。3. 计算机的硬件系统 计算机硬件主要由中央处理器、主存储器、辅助存储器、输入/输出设备和总线等组成。其中：中央处理器、主存储器和总线构成“主机” ， 辅助存储器和输入/输出设备构成“外设”。微机的主机箱内主要有下列部件：(1) 系统主板 是一块集成电路板，是微机最主要的部件，它包括微处理器模块、内存模块、基本I/O接口、中断控制器、DMA(直接存取存储器)控制器及连接其他部件的总线。微处理器 CPU ：是微机的核心部件，控制计算机的各项工作。 Pentium 处理器主要由执行单元、指令预取部件、指令译码部件、地址转换与管理部件、指令快存(cache)和数据快存(cache)、总线接口部件和控制器等组成。其核心是执行单元(即运算器)，它的任务是高速完成各种算术和逻辑运算。CMOS存储器： 用来存放用户对计算机的配置参数。存放在其中的信息可以在计算机开机时进行修改，关机后可保持设置不变。其中的信息要依靠小电池来维持，电池放电后，会使其中的信息全部丢失。I/O总线： 包括传送数据信号的数据总线DB(是双向的)、传送地址信号的地址总线AB(是单向的)、传送控制信号的控制总线CB 。常用的有PCI(外围设备接口)总线、 ISA(工业标准体系结构)总线、EISA(扩展的工业标准体系结构)总线. 通用串行总线(USB)：可以连接几乎所有外部设备。输入/输出接口电路：并行接口、 串行接口、软盘接口、IDE(智能设备电子接口)硬盘接口、键盘接口 等中断控制器、DMA控制器 (2) 硬盘驱动器 (3) 软盘驱动器 (4) 光盘驱动器 (5) 电源 (6) 显示卡 (7) 其他卡(声卡、视卡、网卡、)计算机常用的外部设备有：(1) 输出设备：显示器：常见的有单色CRT(阴极射线管)显示器、彩色CRT显示器、平板显示器。 主要技术指标是：分辨率、彩色数目、屏幕尺寸打印机：常见的有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机 绘图仪：常见的有平板式绘图仪 、滚筒式绘图仪音箱(2) 输入设备：鼠标： 常见的有机械式、光电式和光机式三类鼠标。笔记本电脑上用跟踪球代替鼠标。键盘： 常见的有101键盘、 104键盘。 扫描仪：常见的有手持式扫描仪、平板式扫描仪。其他输入设备：数字化仪、条形码读入器、磁卡阅读机、话筒、摄象机等(3)计算机通讯设备 调制解调器(Modem)： 在Internet 中，微机之间常通过电话线来传送数据，通过电话线传送的信号是模拟信号，而计算机中的信号是数字信号，Modem的作用就是实现这两种信号的转换。调制：将数字信号转换成模拟信号的过程解调：将模拟信号转换成数字信号的过程Modem有外置式、内置式、PC卡式(是专为笔记本电脑设计的)三种。4.计算机软件系统软件：是利用计算机本身提供的逻辑功能，合理地组织计算机的工作，简化或代替人们在使用计算机过程中的各个环节，提供给用户的一个便于掌握操作的工作环境。 不论是支持计算机工作还是支持用户应用的程序都是软件。(1) 计算机软件的发展 机器语言 汇编语言 高级语言 操作系统 网络软件 数据库软件(2)软件分类与简介几个基本概念：系统软件：指那些为整个计算机系统所配置的、不依耐于特定应用的通用软件。系统软件可供所有用户使用。应用软件：指用于解决各种不同具体应用问题的专门软件。它包括定制软件(特定用户使用)和通用应用软件。裸机：没装任何软件的计算机虚拟计算机：具有操作系统的计算机(3)系统软件的基本概念源程序：用高级语言编写出来的程序。目标程序：由源程序翻译出来的机器语言程序或汇编语言程序。编译程序：将高级语言源程序翻译成机器语言或汇编语言的程序，如：FL.EXE 翻译有“编译”和“解释”两种方式。编译方式： 首先将源程序翻译成等价的目标程序，然后再执行此程序，运行速度较快。如：C 、FORTRAN解释方式：是把源程序逐句翻译，翻译一句执行一句，边翻译边执行，运行速度较慢。解释程序不产生将被执行的目标程序，而是借助解释程序直接执行源程序本身。如：BASIC 、 LISP联接程序：把目标程序变成可执行的程序。也称组合编译程序或联接编译程序。将源程序转换成可执行的目标程序一般分为两个阶段：翻译阶段和联接阶段。翻译阶段的目标模块由于没有分配存储器的绝对地址，仍然不能执行，只有经过联接阶段，把目标程序以及所需要的功能库转换成一个可执行的装入程序，该装入程序分配有地址，故可以执行。四 计算机网络基础知识计算机网络就是计算机之间通过连接介质互联起来，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的一种组织形式。什么是连接介质呢?连接介质和通信网中的传输线路一样，起到信息的输送和设备的连接作用计算机网络的连接介质种类很多，可以是电缆、光缆、双绞线等“有线”的介质，也可以是卫星微波等“无线”介质，这和通信网中所采用的传输介质基本上是一样的。在连接介质基础上，计算机网络必须实现计算机间的通信和计算机资源的共享，因此它的结构，按照其功能可以划分成通信子网和资源子网两部分。当然，根据硬件的不同，将它分成主机和通信子网两部分也是正确的。主机的概念很重要，所为主机就是组成网络的各个独立的计算机。在网络中，主机运行应用程序。这里请注意区别主机与终端两个要领终端指人与网络打交道时所必需的设备，一个键盘加一个显示器即可构成一个终端，显然，主机由于要运行应用程序，只有一个键盘和显示器是不够的，还要有相应的软件和硬件才行。因此，不能把终端看成主机，但有时把主机看成一台终端是可以的。协议是什么?拿电报来做比较，在拍电报时，必须首先规定好报文的传输格式，多少位的码长，什么样的码字表示启动，什么样的码字又表示结束，出了错误怎么办，怎地方发报人的名字和地址等，这种预先定好的格式及约定就是协议。这样就也网络协议的定义：为了使网络中的不同设备能进行下沉的数据通信而预先制定一整套通信双方相互了解和共同遵守的格式和约定。协议对于计算机网络而言是非常重要的，可以说没有协议，就不可能有计算机网。每一种计算机网络，都有一套协议支持着。由于现在在计算机网种类很多，所以现有的网络通信协议的种类也很多。典型的网络通信协议有开放系统互连(OSI)协议1、X.25协议等。TCP/IP则是为Internet互联的各种网络之间能互相通信而专门设计的通信协议。可见，由于连接介质的不同，通信协议的不同，计算机网络的种类名目繁多。但一般来讲，计算机网络可以按照它覆盖的地理范围，划分成局域网和广域网。局域网一般指分布于几公里范围内的网络，常见的局域中校园网、大楼网等;广域网则在分范围很区域内提供数据通信服务，前面提到的NSFnet，国内的如中国公用分组交换网(CHINAPAC)、中国公用数字数据网(CHINADDA),以及建议中的国家教育和科研网(CERnet)等都属于广域网，建设好的CHINANET也将是一个广域网。1. 网络定义 计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互联起来，以功能完善的网络软件(包括网络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等)实现网络中资源共享和信息交换的系统。2. 网络组成 若干主机、一个通信子网 、一系列通信协议3. 网络功能1)信息交换 如：传送电子邮件、发布新闻、电子购物、远程教育等2)资源共享 如：计算处理能力、磁盘、打印机、绘图仪、数据库、文件等3)分布式处理：由网络内多台计算机分别完成一项复杂任务的各部分4)提高计算机系统的可靠性和可用性：网络中的计算机可互为备用4. 网络分类 按规模和距离分为：广域网WAN(Wide Area Network)、局域网LAN(Local Area Network)5. 网络设备网络传输介质：有双绞线电缆、同轴电缆、光导纤维、激光、红外线、微波和卫星通信等。网内连接设备： 网络适配器(网卡)、中继器、集线器网络互联设备： 传输线网间连接设备：网桥、路由器6. 网络的拓扑结构 网络的拓扑结构指各节点(网络上的计算机、大容量磁盘、高速打印机等)在网络上的连接方式。它影响网络传输介质的选择和控制方法的确定，会影响网上节点的运行速度和网络软、硬件接口的复杂度。常见的拓扑结构有：总线结构、星型结构、环型结构、树型结构、混合型结构7. 网络的体系结构 网络的体系结构是对构成计算机网络的各个组成部分以及计算机网络本身所必须实现的功能的一组定义、规定和说明。ISO制定的开放式系统互连网络模型将网络的通信功能分为七个层次：物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层(由下至上)附:一.计算机中数据的表示方法- 数值数据的编码数值数据在计算机内用二进制编码表示，常用的原码、反码和补码。1.机器数与真值通常，称表示一个数值数的机内编码为机器数，而它所代表的实际值称为机器数的真值。对于带符号数，在机器中通常用最高位代表符号位，0表示正，1表示负 补码，并设机器字长为8位。2.原码 正数的符号位为0，负数的符号为1，其它位按一般的方法表示数的绝对值，用这样的表示方法得到的就是数的原码。3.反码正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原码除符号位外的各位按位取反(即是0的改为1，是1的改为0)4.补码正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反码在最低位加1。二.计算机指令系统1.寻址方式：指CPU指令中规定的寻找操作数所在的地址的方式。操作数: MOV AL , 05H 操作码 目的操作数 ， 源操作数 操作数引用时的字节顺序：若存放的信息是字节，则按顺序存放若存放的信息是字，则将字的低位字节存放在低地址，高位字节存放在高地址注：如果 没有特别说明，寻址方式是指源操作数的寻址方式。2.寻址方式之一：立即寻址操作数作为立即数直接存在指令中，可为字节或字。3.寻址方式之二：寄存器(直接)寻址操作数包含在指令规定的8位、16位寄存器中。寄存器寻址由于无需从存储器中取操作数，故执行速度快。4.寻址方式之三：直接寻址在指令的操作码后面直接给出操作数的16位偏移地址。这个偏移地址也称为有效地址EA。操作数默认在DS段中。如果操作数在DS以外的其他段(CS,SS,ES)中，指令中必须指明段寄存器(段超越)。5.寻址方式之四：寄存器间接寻址操作数地址的偏移量(有效地址EA)存放在寄存器中。以SI,DI, BX间接寻址，默认操作数在DS段中;以BP间接寻址，默认操作数在SS段中。6.寻址方式之五：基址寻址基址寻址将规定的基址寄存器的内容加上指令中给出的偏移量，即可得到操作数的有效地址。基址寄存器包括基址寄存器BX和基址指针寄存器BP。7.寻址方式之六：变址寻址变址寻址将规定的变址寄存器的内容加上指令中给出的偏移量，即可得到操作数的有效地址。变址寄存器包括源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI。8.寻址方式之七：基址-变址寻址指令中规定一个基址寄存器和一个变址寄存器，同时还给出一个8位或16位偏移量，将三者的内容相加得到操作数的有效地址。三.存储器的基本组成及其读写操作(1)存储器的基本组成主存储器由存储体、地址译码电路、驱动电路、读写电路和控制电路等组成。主存储器主要功能是:存储体:是信息存储的集合体，由某种存储介质按一定结构组成的存储单元的集合。通常是二维阵列组织，是可供CPU和计算机其他部件访问的地址空间。地址寄存器、译码电路与驱动器:即寻址系统，将CPU确定的地址先送至地址寄存器中，然后根据译码电路找到应访问的存储单元。在存储体与译码器之间的驱动器的功能是减轻译码线驱动负载能力。由于一条译码线需要与它控制的所有存储单元相联，其负载很大。需要增加驱动器，以译码线连接驱动器的输入端，由驱动器的输出端控制连接在译码线上的所有存储单元。读写电路与数据寄存器:根据CPU的命令，将数据从数据寄存器中写入存储体中特定的存储单元或将存储体中指定单元的内容读到数据寄存器中。控制电路:接收CPU传来的控制命令，经过控制电路一系列的处理，产生一组时序信号控制存储器的操作。在存储器的组成中，存储体是核心，其余部分是存储体的外围线路。不同的存储器都是由这几部分组成，只是在选用不同的存储介质和不同的存取方式时，各部分的结构与工作方式略有变化。(2)存储体阵列计算机存储器中存储的是“0”和“1”的信息，每一个能存储一位二进制并能保持两种状态的元件称为记忆元件。若干记忆元件组成存储单元，一个存储单元能够存储一个或几个字节的二进制信息。每个存储单元都有一个地址编号，用以唯一标识存储单元的位置。信息按地址存入指定的存储单元中，按地址从指定的存储单元中取出。存储单元的集合称为存储体。由于存储体中存储单元的每个二进制位必须并行工作，因此将存储单元按其地址的顺序组成存储阵列。(3)存储器的地址译码系统 CPU要访问存储单元的地址由地址总线输入到地址寄存器中。地址译码器将地址转换为对应地址线(字线)上的控制信号，以表示选中某一单元，并驱动相应的读写电路，完成对存储单元的读写操作。地址译码为两种方式:一种是单译码方式，仅有一个译码器。译码器输出的每条译码线对应一个存储单元。如地址位数N=10，即译码器可以有2 10 =1024种状态，对应有1024条译码线(字线)即1024个存储单元。另外一种是双译码方式，将译码器分成X向和Y向两个译码器，通过双译码器的相互作用确定存储单元的地址。设地址长度n仍为10，将其中的前5位输入到X地址译码器中，译出X 0 到X 31 译码线，分别选择031行。将后5位输入到Y地址译码器中译出Y 0 到Y 31 译码线，分别选择031列。X向译码器和Y向译码器引出的地址线都是2 5 =32条。若采用X向和Y向交叉选择，可以选择从存储单元(0，0)至(31，31)共2 5 2 5 =1024个存储单元地址。即同样可以提供1024种状态，而地址线只需要64条，比单译码器节省93.75%的地址线。(4)存储器的读写操作在CPU向存储体发生读操作命令时，首先由CPU将相应存储单元的地址码送至地址寄存器中;地址译码器将地址寄存器中的地址编码译成相应地址线(字线)的高电位，标志指定的存储单元;然后在CPU的统一控制下，由控制电路将读命令转换成读写电路的操作，执行将指定存储单元的内容传送到数据寄存器的操作，完成了整个存储器读的操作。存储器写的操作与读的操作相类似。
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