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1、1,第一章 信息与计算机科学,1.1 信息与信息科学 1.2 计算机的发展及应用 1.3 信息在计算机中的表示与编码 1.4 微型计算机系统,2,1.1 信息与信息科学,1.信息及相关术语 信息：目前尚无统一定义，研究角度不同，其定义也不一样。一般是指交流双方要告诉对方的音信，消息和情况。而信息论创史人,美国数学家香农（C.E.Shannon）认为:信息是能够减少或消除不确定性的东西。信息论的发展经历了:经典信息论（由香农创立的，又称之狭义信息论）、一般信息论和广义信息论三个阶段。数据：数字、文字、符号、声音、图像，信号等都称为数据。,3,2.信息技术信息技术：是人类开发和利用信息资源的所有手
2、段的总和。即利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等相关技术。信息技术主要包括：信息技术包括感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。信息技术基础和核心:计算机技术。信息技术基本特征:计算机程序控制化。信息技术发展方向:计算机智能化。人类历史发生的五次信息技术革命是：一是语言的使用，二是文字的创造，三是印刷术的发明，四是电报、电话、广播、电视的发明，五是计算机作为信息处理工具。,4,3.信息科学信息科学：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合
3、性学科。其中认识信息是基础，利用信息是目的。信息科学的基础和核心:是信息和控制。信息科学的出发点:是认识信息的本质和它的运动规律。信息科学的归宿:是利用信息来达到某种具体的目的。,5,4.信息化社会与信息素养信息化：是以信息产业为主的社会演进过程。它包括：信息资源、信息网络、信息技术、信息产业、信息化人才、信息化政策法规和标准等六大要素。信息社会主要特征：信息成为重要的战略资源，信息业上升为最重要的产业，信息网络成为社会的基础设施。信息素养：主要包括文化素养（知识层面）、信息意识（意识层面）、信息技能（技术层面）三个层面。,6,1.2 计算机的发展及应用,1.计算模型与图灵机计算模型：能够对所
4、处理的对象的数据或信息进行表示、加工、变换、接收、输出的数学机器。图灵机：不是一种具体的机器，而是一种抽象计算模型。用来精确定义可计算函数，既凡是可计算的函数都可用图灵机来实现。冯诺依曼计算机：其工作模式为“存储程序，顺序控制”；结构为“控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备”五大部件。,7,艾伦图灵（A.M.Turing，19121954）是英国数学家，计算机科学的创始人。1936年因发表的论文论可计算数及其在判定问题中的应用而获得史密斯奖。该文提出了一种描述计算过程的数学模型，即著名的理论计算机抽象模型，可以把推理化作一些简单的机械动作，后来人们把这个模型称之为图灵机。,8,冯诺依曼（
5、John von Neuman，19031957）是匈牙利的美籍数学家，存储程序式计算机的创始人。1946年提出了更加完善的计算机设计报告电子计算机逻辑设计初探，并开始研制存储程序式的计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Calclator）该机在宾夕法尼亚大学的莫尔学院研制成功。,9,2.计算机划分:根据逻辑元器件所采用的材料，可分成如下四代。第一代计算机(4656):主要特征是逻辑元器件采用电子管；程序用机器语言或汇编语言编写（设计）；主存储储器采用磁鼓与磁芯。第二代计算机(5514)：主要特征是逻辑元器件采用晶体管；程序采用汇高级
6、语言（汇编语言）编写；用磁盘或磁带作辅助存储器。第三代计算机(6470)：其主要特征是逻辑元器件采用中、小规模集成电路；软件出现了操作系统；用半导体作为存储器。第四代计算机(1971)：主要特征是逻辑元器件采用大或超大规模集成电路；硬件更新快、软件丰富。未来计算机：生物计算机、光子计算机和量子计算机等。,10,3.计算机分类及基本特点按传统分类：巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机；目前流行的分类：巨型机、小巨型机、主机（mainframe）、小型机、个人计算机（亦称PC机）和工作站6类。计算机基本特点：运算、处理速度快，精确度高，具有存储记忆和逻辑判断能力，所有的操作都是在程序控制下自动进
7、行。,11,3.计算机发展的趋势和应用计算机发展的趋势：朝着巨型化、微型化、网络化、多媒体化和智能化，以及非电路化（如生物、光子、量子计算机）的方向发展。计算机应用主要有：科学计算(包括科学研究和工程计算)，数据处理（包括各种数据库的应用、办公自动化中的文字处理以及Internet网的应用），过程控制（主要用于工业生产过程的控制），计算机辅助系统（包括CAD/CAM、CIMS、CAT、CAI，人工智能等。,12,1.3 信息在计算机中的表示与编码,在计算机中，各种信息数据（包括数值数据、符号、图形、图像、声音和其它媒体数据）的存储和表示都是采用二进制形式进行的，其运算和处理也都是以二进制信息的
8、运算和处理为基础的。1.为什么数据在机内采用0和1表示物理上容易实现：因为具有两种稳定状态的电子器件可以用0 和 1表示。数算术运算简单：求和与求积的运算规则仅有 3 种。易于实现逻辑运算：0 和 1正好表示“假”和“真”。,13,2.信息存储单位及换算位（bit、简记为 b）：是计算机内部存储信息的最小单位，一个b只能表示 0 或 1；字节（byte、简记为 B）：是计算机内部存储信息的基本单位，1B=8b；字（word）：一个字通常由一个字节或若干个字节组成，是计算机进行信息处理时一次存取、加工和传送的数据长度；字长：1个字所包含的二进制位数；信息存储单位换算：1KB=1024B，1MB=
9、1024KB，1GB=1024MB，1TB=1024GB。,14,3.信息编码十进制数字编码(BCD码):用4位二进制数表示等值的参与算术运算的1位十进制数。ASCII码：用1个字节的低 7 位表示西文字符集中的1个字母、数字符号、标点符号或特殊符号，这个字节的最高位为0。扩展的 ASCII 码：8 位 ASCII 码称为扩展的 ASCII 码字符集。它可表示 256 个字符，包括兼容的7 位 ASCII 码。,15,汉字编码：汉字输入码：如拼音、智能ABC、五笔字型等；汉字机内码（GB2312-80）：占2个字节，每个字节的最高位都是1；它共可表示7445个符号和汉字，其中符号占682个，汉
10、字占6763个，汉字按其使用频度分为两级，一级汉字占3755个（按拼音排序）、二级汉字占3008个（按偏傍部首排序）。汉字点阵图形：汉字在显示和打印时都是以点阵方式输出，每个bit位代表一个点，1个MN点阵的汉字占MN8个字节，所有汉字点阵图形就组成了汉字库。Unicode 编码：用2个字节表示一个字符，前 128 个字符是标准 ASCII 字符，接下来的是 128 个扩展的 ASCII 字符，其余的字符供不同的语言使用。汉字有27786 个。,16,4.数制及其转换K进制数的书写出格式：如二进制数可以写成1010.11B或（1010.11）2，八进制数可以写成271.37O或（271.37）
11、8，十六进制数可以写成8C2A.9FH或（8C2A.9F）16，十进制数980.362D通常写成980.362数制之间的转换：二（十六、八）进制数转换为十进制数的规则：将二（十六、八）进制数的各位按权展开相加；十进制数转换为二（十六、八）进制数：整数转换规则为除2（16、8）取余，直至商为0，结果为从下向上；小数转换规则为乘2（16、8）取整，结果从上向下。二进制数与十六(八)进制数之间互相转换规则：1位十六(八)进制数对应等值的4（3）位二进制数。,17,例：把二进制数转换成十进制数（简记作210）(11001)2=1*24+1*23+0*22+0*21+1*20=16+8+0+0+1=(2
12、5)10(101.1011)2=1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3+1*2-4=4+0+1+0.5+0+0.125+0.0625=(5.6875)10,18,十进制数转换成二进制数（简记作102）,例如：对于25，可按如下方法转换得(25)10=(11001)2。,0,19,十进制数转换成二进制数（简记作102）用乘2取整法对小数部分转换的口诀是：“乘2取整，顺序排列”。例如：对于0.15625，可按如下方法转换得(0.15625)10=(0.00101)2,0.15625,即得到0.00101,20,十进制数转换成二进制数（简记作102）由于在乘2取整的过程中积
13、始终不会为0，故需要按精度要求进行舍入处理，常用的舍入处理方法为截断法（从有效位数之后截断）和0舍1入法（类似于十进制的四舍五入法，按有效位数的下一位0舍1入），如上例若保留小数点后七位，截断法为(0.6)10=(0.1001100)2，舍入法为(0.6)10=(0.1001101)2。对于既有整数部分又有小数部分的十进制小数可分整数部分和小数部分分别转换，如25.15625可按下式转换得(25.15625)10=(11001.00101)2,21,二进制数的原码、反码及补码表示：正数的原码、反码和补码表示相同，即最高位为0表示+，1表示-，其余位表示数值的大小；负数的反码：除符号位外，对其值
14、逐位取反；负数的补码：在其反码的末位加1。二进制数的算术运算：相加时“逢2进1”，相减“借1当2”，且二进制的加减乘除运算法则最多只有3条。二进制的逻辑运算：与、或、非、异或4种基本运算。,22,23,1.4 微型计算机系统,1.计算机系统组成：由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件：计算机中看得见、摸得着的物理装置。任何冯诺依曼型计算机的硬件都是由“输入设备、存贮器、运算器、控制器、输出设备”五大部件组成。软件：程序和有关文档的统称。裸机：没有装配任何软件的计算机。,24,2.微机硬件系统,25,（1）控制器：计算机指挥控制中心，其作用是指挥、控制计算机各部件自动、协调地工作；（2）运算器：对
15、各种信息能进行算术运算和逻辑运算的部件；（3）中央处理器 CPU（亦称微处理器）:是微机的核心。CPU字长：处理信息时一次能存取、加工和传送的一串二进制数码称为字（Word），字所包含的二进制位数称为字长。字长越长，处理速度越快、运算精度就越高。CPU主频：指CPU工作时的时钟频率，即每秒钟处理器发出的电子脉冲数，计量单位一般为MHz或GHz。主频越高则工作节拍越快，运行速度也越快。,26,（4）只读存储器 ROM（Read-Only Memory）：存放168的ASCII码字符点阵、机器自检、监控、诊断等的微机重要软件，一旦其内容有所改变，系统就无法正常运行。ROM的主要特点：ROM的内容只
16、允许读出,不允许写入；即使在断电，ROM中的信息也不会消失（关机时，由CMOS电池供电）；（5）随机存取存储器RAM（Random Access Memory）：用来存放由输入设备送来的数据、程序，由运算器送来的运算结果等。RAM内存地址的编号是从0开始；存储容量由地址总线的条数决定，一般来说，若地址总线为N位，则内存容量为2 NB。RAM的主要特点为：RAM的内容允许用户读出/写入；断电其内容全部丢失；,27,（6）高速缓冲存储器Cache：处于RAM和CPU之间，主要解决RAM和CPU速度不茶杯的矛盾。（7）虚拟内存：一整块硬盘空间，主要缓解RAM容量小与处理的数据大的矛盾。（8）外存储器
17、:用来存放“暂时不用”的程序或数据。常风的有硬盘及驱动器、光盘及驱动器（CD、CD-R、CD-RW）、U盘及UBS接口。其主要特点为：计算机若要运行外存中的某个程序时必须将它从外存读到RAM内存中才能运行；外存只与RAM成批交换数据，它通常不与计算机内其它装置直接交换数据；外存不怕停电，信息保存时间久；外存容量大、价格便宜；存取速度比内存慢。,28,（9）输入设备：如键盘、鼠标器、笔输入设备、图形扫描仪等。（10）输出设备：如显示器、打印机（针式、喷墨、激光）、绘图机等。注：微机的输入、输出设备是针对RAM而言，能把信息送入RAM的外部设备均为输入设备，能接收RAM信息的外部设备均为输出设备。
18、其关系如下图所示：,29,（11）I/O接口：外部设备与主机之间的信息交换接口。其主机侧（内部）、外设（外部）侧各有一个接口。内部接口：主机侧的接口，它通过系统总线和内存、CPU相连。外部接口：外设侧接口，它通过各种接口电缆（如，串行电缆、并行电缆、网线或SCSI电缆等）将其连到外设上；,30,（12）系统总线：CPU与其它部件之间传送数据信息、地址信息和控制信息的公共通道；分为：控制总线：传送控制信号和时序信号；地址总线：用于CPU访问RAM或外设时，传送相关的地址；地址总线为N条（亦称位），可寻址空间为2 NB；数据总线：用于CPU与RAM、CPU与I/O接口之间互相传送数据，宽度与CPU
19、字长一致。,31,（13）主板：是一块电路板，主要由芯片组、CPU插座、内存插槽、软盘插槽和硬盘插槽、PCI插槽、AGP插槽、外部接口、电源接口、BIOS等组成；几乎微机中所有的零部件，不是直接安装在主板上，就是利用数据线与主板相连，因此主板性能的好坏直接影响计算机的总体性能。现在大多数主板上的芯片组一般被分为南桥和北桥。南桥芯片：负责管理PCI、USB、COM、LPT以及硬盘和其他外设的数据传输；北桥芯片：负责管理CPU、Cache和内存以及AGP接口之间的数据传输等功能。,32,33,（14）BIOS和CMOSBIOS（Basic Input-Output System）：计算机基本输入/
20、输出系统，它是一组固化在计算机主板上的一个ROM（现在采用EEPROM）芯片上的程序。BIOS内容包括：计算机开机自检程序、CMOS设置程序、系统启动自举程序、基本输入/输出程序等。CMOS：主板上一块可读写的RAM芯片。它保存微机当前的配置信息，如日期和时间、硬盘的格式和容量、内存容量等。这些信息也是计算机加载操作系统之前必须知道的信息。CMOS由主板上的电池来供电，关闭计算机电源后，CMOS中的信息仍能保留。,34,（15）计算机的性能指标字长：指微机一次能直接处理的二进制信息的位数。字长越长，微机运算速度就越快，运算精度越高。内存容量：表示内存所能容纳信息的字节数，内存容量越大，它所能存
21、储的数据和运行的程序就越多，程序运行效率就越高，微机处理能力就越强；主频：微机CPU的时钟频率，单位是MHz；运算速度：指微机每秒钟能执行的多少条指令，单位为MIPS(百万条指令1秒)；存取周期：指存储器进行一次完整的存取(即读写)操作所需的时间，即存储器进行连续存取操作所允许的最短时间间隔，存取周期越短，则存取速度越快。,35,3.微机软件基础,（1）软件概念：由程序和有关的文档组成，软件一般保存在外存中，要用时读入RAM内存。程序：指令符号的集合，它是软件的主体；计算机软件系统软件应用软件操作系统语言处理系统数据库管理系统实用程序汇编程序解释程序编译程序界面工具程序编辑程序连接装配程序诊断
22、排错程序其它程序库软件包套装软件文档：软件开发过程中建立的技术、说明资料。（2）软件分类：,36,37,系统软件：由一组控制计算机系统并管理其资源的程序所组成。操作系统：是系统软件的核心。常用的有Windows 2003/XP/NT/2000 Server、Linux、Netware等。计算机语言的发展：机器语言汇编语言高级语言（最早出现的是FORTRAN语言）面向对象语言。目标程序：只含机器（二进制）指令代码的程序。计算机只能识别和执行目标程序。源程序：由非机器语言编制的程序。源程序必须翻译成目标程序才能被执行，翻译方式有解释（边翻译边执行，不产生目标代码）和编译（）。应用软件：为解决各类实际问题而设计的程序称为应用软件。如学生管理程序、图书检索程序、Microsoft Office等都属于应用软件。,38,（3）软件发展及开发软件发展：分三个阶段：高级语言出现之前属第一阶段，高级语言出现后到软件工程出现前属第二阶段，第三阶段是软件工程出现后迄今。软件开发：需求分析、设计、编程、调试和运行五个阶段。,
