同济大学计算机基础学科研究室

目录 第 一 章 计算识与信息社会 第 二 章 计算机基础知识 第 三 章 微型计算机硬件组成 第 四 章 系统软件及其常用操作系统 第 五 章 应用软件和办公软件 第 六 章 网络基础 第 七 章 Internet与Intranet 第 八 章 数据库基础 第 九 章 多媒体基础 第 十 章 数据安全 第十一章 程序设计基础

第一章 计算机与信息社会 1.1 计算机的发展 1.2 计算机的分类 1.3 信息技术概述 1.4 计算机在信息社会中的应用

1.1 计算机的发展 1.1.1近代计算机 查尔斯.巴贝奇 1834年设计的分析机 1812年差分机 由许多轮子组成的保存数据的存储库； 查尔斯.巴贝奇 1834年设计的分析机 1812年差分机 由许多轮子组成的保存数据的存储库； 运算装置； 能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。

1.1.1 近代计算机 现代计算机体系结构 冯·诺依曼机：“存储程序”的概念 五十多年来，计算机系统基本结构没有变。 英国科学家艾兰.图灵 建立图灵机（Turing machine）模型，奠定了可计算理论的基础； 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念 。 美籍匈牙利数学家冯.诺依曼

1.1.2 电子计算机的问世 重达30吨 占地250m2 启动工耗150000瓦 18000个电子管 保存80个字节 1946年2月由宾州大学研制成功的ENIAC 电子计算机时代的到来 重达30吨 占地250m2 启动工耗150000瓦 18000个电子管 保存80个字节 电子数字积分计算机 Electronic Numerical Integrator And Calculator

1.1.3 计算机的分代 时代 年份 器件 软件 应用 一 46-58 电子管 机器语言汇编语言 科学计算 二 58-64 晶体管 高级语言 数据处理工业控制 三 64-71 集成电路 操作系统 文字处理图形处理 四 71年迄今 大规模集成电路 数据库、网络等 社会的各个领域

1.1.4 计算机的分类 巨型机：速度最快、处理能力最强 大型机：作“客户机/服务器”的服务器 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 按综合性能指标分类 巨型机：速度最快、处理能力最强 例如：曙光4000L644GB内存，浮点运算达每秒3万亿次 大型、通用、较快、较强 大型机：作“客户机/服务器”的服务器 作“终端/主机”的主机 小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短 工艺先进、使用维护简单 工作站：介于PC与小型机之间 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强 微型计算机：小、巧、轻、使用方便、价格便宜 中央处理器：一个芯片 网络计算机：基于Java技术的瘦客户机系统

1.1.5 未来新型计算机 1．光计算机 2．生物计算机（分子计算机） 利用光作为信息的传输媒体 生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片 3．量子计算机 是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。

1.2 信息技术概述 1.2.1 信息技术基础知识 信息与数据 病历卡上记载病人的体温39oC是数据。数据39oC本身是没有意义的。当数据以某种形式经过处理、描述或与其它数据比较时，才能成为信息。某个病人的体温是39oC，这才是信息，信息是有意义的。 信息 各种事物的变化和特征的反映 数据 信息的载体。 例如：数值、文字、语言、图形、图像等。

1.2.1 信息技术基础知识 信息技术 Information Technology 联合国教科文组织对信息技术的定义 应用在信息加工和处理中的科学、技术与工程的训练方法和管理技巧；上述方面和技巧和应用；计算机及其与人、机的相互作用；与之相应的社会、经济和文化等诸种事物。

1.2.2 现代信息技术的内容 1. 信息基础技术 2. 信息系统技术 3. 信息应用技术  微电子技术 当今世界新技术革命的基石  微电子技术 当今世界新技术革命的基石  光电子技术 采用光子作为信息的载体 2. 信息系统技术  信息获取技术 传感技术、遥测技术和遥感技术  信息处理技术 计算机技术成为现代信息技术的核心  信息传输技术 光纤通信技术、卫星通信技术等  信息控制技术 利用信息传递和反馈来实现  信息存贮技术 缩微品、磁盘、光盘 通信技术、计算机技术和控制技术合称为3C（Communication、Computer和Control ）技术。 3. 信息应用技术 如信息管理、信息控制、信息决策

1.2.3 未来信息技术的发展趋势  数字化 大量信息可以被压缩，并以光速进行传输。  多媒体化  数字化 大量信息可以被压缩，并以光速进行传输。  多媒体化 文字、声音、图形、图像、视频等信息媒体与计算机集成在一起，以接近于人类的工作方式和思考方式来设计与操作。  高速度、网络化、宽频带 下一代的Internet技术。  智能化 在超媒体的世界里，软件代理收集任何可能想要在网络上取得的信息。

1.3 计算机在信息社会中的应用 计算机的应用类型 1. 科学计算 2. 数据处理 3. 电子商务 4. 过程控制 5. CAD/CAM/CIMS 6. 多媒体技术 7. 虚拟现实 8. 人工智能 计算机的主要应用领域 1. 工商：电子商务、CAD/CAM 2. 教育：多媒体教育、远程教育 3. 医药：CAT、MRI、远程医疗 4. 政府：电子政府 5. 娱乐：虚拟现实、电影特技 6. 科研：数据采集、计算分析 7. 家庭：家庭信息化

思考题 1. 计算机的发展经历了哪几个阶段？各阶段的主要特征是什么？ 2. 按综合性能指标，计算机一般分为哪几类？ 3. 信息与数据的区别是什么？ 4. 什么是信息技术？ 5. 为什么说微电子技术是整个信息技术领域的基础？ 6. 信息处理技术具体包括哪些内容？3C的含义是什么？ 7. 试述当代计算机的主要应用。

第二章 计算机基础知识 2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 数制转换及运算 2.3 数据在计算机中的表示

2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.1.1计算机系统的组成 2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.1.1计算机系统的组成 软 件 硬 件 系统软件 应用软件 计算机系统分为：硬件+软件

计算机系统的组成 CPU 主机 硬件 计算机系统 外部设备 系统软件 软件 应用软件 运算器 寄存器 控制器 随机存储器(RAM) 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：显示器、打印机 外 存：软、硬盘、光盘、闪存 网络设备：网卡、调制解调器等 计算机系统 软件 外部设备 系统软件 应用软件 硬件 运算器 寄存器 控制器 主机 内存 CPU 随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器 操作系统：Windows、Unix、Linux 语言处理程序：C、Pascal、VB等 实用程序：诊断程序、排错程序等 办公软件包、数据库管理系统

2.1.2计算机硬件组成 主机 外设 输入设备 输出设备 外存设备 网络设备 计算机硬件包括主机和外设

计算机系统的硬件组成 冯.诺依曼思想： 二进制 存储器 数据流 控制流 运算器 外存储器 输 出 设 备 内存储器 入 控制器 程序与数据一样存放在内存 五大模块

处理器 处 理 器 控制器 运算器 控制整个计算机所有部件的工作 执行算术运算和逻辑运算

存储器 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合， 每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。 存储器通常分为内存储器和外存储器 存放大量信息 的外存储器 信息交流中心 内存储器

存储器 每个记忆单元由8位二进制位组成。 1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB 字节BYTE 7 6 5 4 3 2 1 0 位Bit

数据 内存储器的访问过程 存储器的访问过程：向[0001]单元写数据 11101101 11001101 10001101 11101001 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 地址0001 10000000 数据 10000000 控制:写

输入设备 常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。

2.1.3计算机基本工作原理 指令 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。 操作码 操作数 数据传送指令 数据处理指令 结构 操作码 操作数 指令 分类 操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址 数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令 CPU 内存 ＋ － ×÷ And Or…… If Goto…… I/O设备 主机 对计算机的硬件进行管理等

计算机基本工作原理 指令的执行过程分为以下4个步骤： ① 取指令 按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。 ② 分析指令 对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 ③ 执行指令 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。 ④ 一条指令执行完成，指令计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。

计算机基本工作原理

2.2 数制转换及运算 2.2.1进位计数制 678.34=6×102+7×101+8×100 +3×10-1+4×10-2 数码 基数 权 R进制数用 r个基本符号（例如0，1，2，…，r-1）表示数值 r进制数N可表示 为： N=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-m

10101(B)=24+22+1=21 101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75 101(O)=82+1=65 2.2.2不同进位计数制间的转换 r 进制转化成十进制 r 进制转化成十进制：数码乘以各自的权的累加 例： 10101(B)=24+22+1=21 101.11(B)=22+1+2-1+2-2=5.75 101(O)=82+1=65 71(O)=78+1=5 101A(H)=163+16+10＝4106 进制表示符号 B 二进制 O八进制 D十进制 H十六进制

十进制转化成 r 进制 整数部分：除以 r取余数，直到商为0，余数从右到左排列。 小数部分：乘以 r取整数，整数从左到右排列。 ~ 例 100.345(D)=1100100.01011(B) 1.380 0.345 2 0.690 0.760 1.520  100 50 25 12 6 3 1 100(D)=144(O)=64(H) 八进制 100 8 12 1 4 16 6 十六进制 1.04

二进制、八进制、十六进制数间的相互转换 144(O)=001 100 100(B) 1 4 4 64(H)=0110 0100(B) 6 4 一位八进制数对应三位二进制数 一位十六进制数对应四位二进制数 二进制转化成八(十六)进制) 整数部分：从右向左按三(四)位进行分组 小数部分：从左向右按三(四)位进行分组 不足补零 144(O)=001 100 100(B) 1 4 4 64(H)=0110 0100(B) 6 4 1 101 101 110.110 101(B)= 1556.65(O) 1 5 5 6 6 5 11 0110 1110.1101 01(B)=36F.D4(H) 3 6 F D 4

二进制、八进制、十六进制数间的关系 八进制 对应二进制 十六进制 000 0000 8 1000 1 001 0001 9 1001 2 010 0010 A 1010 3 011 0011 B 1011 4 100 0100 C 1100 5 101 0101 D 1101 6 110 0110 E 1110 7 111 0111 F 1111

2.2.3 二进制数的算术运算 1101 + 1110 11011 11011 - 1110 1101 1.二进制数的加法运算 加法运算法则 0+0=0 0+1=1+0=1 1+1=0 1101 + 1110 11011 2.二进制数的减法运算 减法运算法则 0-0=1-1=0 1-0=1 0-1=1 11011 - 1110 1101

二进制数的算术运算 3.二进制数的乘法运算 4.二进制数的减法运算 减法运算法则 0÷0=0 0÷1=0 1÷1=1 乘法运算法则 0×0=0 0×1=1×0=0 1×1=1 1101 × 1010 0000 + 1101 10000010 101 1011 111011 1011 1111 100

2.2.4 二进制数的逻辑运算 逻辑非的真值表 逻辑非运算 A F = A 1 逻辑与的真值表 A B F = A×B 1 逻辑与运算

2.2.4 二进制数的逻辑运算 逻辑或运算 逻辑或的真值表 A B F = A+B 1

2.3 数据在计算机中的表示 二进制优点：物理上容易实现，运算简单，可靠性、通用性强 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2.3.1数值 符号数的机器数表示 1 符号位 “0”表示正 、 “1”表示负 S 小数点 定点小数 S 小数点 无符号位 定点整数

浮点数表示 规格化的形式：尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一地规定了小数点的位置。 阶码 数符 阶符 尾数 定点整数 定点小数 110.011(B)=1.10011×2+10=11001.1×2-10=0.110011×2+11 11 110011 N= 数符尾数2阶符阶码 尾数的位数决定数的精度 阶码的位数决定数的范围

带符号数的表示 假定一个数在机器中占用8位。 (1) 原码 (2)反码 (3)补码 0X 1|X| 0<=X X<=0 +7： 00000111 +0：00000000 - 7： 10000111 - 0：10000000 [X]原= +7： 00000111 +0：00000000 0X 1|X| 0<=X X<=0 1|X|+1 +7： 00000111 +0：00000000 -7：11111000 - 0：11111111 - 7：11111001 - 0：00000000 (2)反码 [X]反= (3)补码

2.3.2 字符 西文字符 ACSII码(American Standard Code for Information Interchange) 128个常用字符，用7位二进制编码，从0到127 控制字符：0～32，127；普通字符：94个。 例如：“a”字符的编码为1100001，对应的十进制数是97； 换行 0AH 10 回车 0DH 13 空格 20H 32 ‘0’～‘9’ 30H～39H 48～57 ‘A’～‘Z’ 41H～5AH 65～90 ‘a’～‘z’ 61H～7AH 97～122

汉字编码 (1) 汉字输入码 音码类 全拼、双拼、微软拼音、自然码和智能ABC等 形码类 五笔字型法、郑码输入法等 。 形码类 五笔字型法、郑码输入法等 。 (2) 汉字国标码(GB2312－80) 每个汉字占两个字节。 一级汉字：3755个；二级汉字：3008个。 汉字分区，每个区94个汉字。 (3)机内码 汉字在设备或信息处理系统内部最基本的表达形式。 汉字 国标码 汉字内码 中 8680(01010110 01010000)B (11010110 11010000)B 华 5942(00111011 00101010)B (10111011 10101010)B 区号 区中位置

汉字字形编码 (4) 汉字字形码 点阵：汉字字形点阵的代码 有16×16、24×24、32×32、48×48等 编码、存储方式简单、无需转换直接输出 放大后产生的效果差 矢量：存储的是描述汉字字形的轮廓特征 矢量方式特点正好与点阵相反 （5）汉字地址码 每个汉字字形码在汉字字库中的相对位移地址 地址码和机内码要有简明的对应转换关系

UCS编码 (6) 其他汉字编码 UCS码、Unicode码、GBK码、BIG5码等 国际标准： 通用多八位编码字符集UCS(Universal Code Set) 世界各种文字的统一的编码方案，一个字符占4个字节。分为： 组 平面 行 字位 最高位为0 基本多文种平面（BMP）：0组0平面，包含字母、音节及表意文字等。 例如：‘A’ 41H(ASCII) 00000041H(UCS) ‘大’ 3473H(GB2312) 00005927H(UCS

其他汉字编码 Unicode码 另一国际标准：采用双字节编码统一地表示世界上的主要文字。 其字符集内容与UCS的BMP相同。  GBK码 GBK等同于UCS的新的中文编码扩展国家标准，2字节表示一个汉字 第一字节从81H~FEH，最高位为1； 第二字节从40H~FEH，第二字节的最高位不一定是1。  BIG5编码 台湾、香港地区普遍使用的一种繁体汉字的编码标准，包括440个符号，一级汉字5 401个、二级汉字7 652个，共计13 060个汉字。

思 考 题 1．计算机由哪几个部分组成？ 2．内存和外存有什么区别？ 3．指令和程序有什么区别？ 4．浮点数在计算机中是如何表示的？ 思 考 题 1．计算机由哪几个部分组成？ 2．内存和外存有什么区别？ 3．指令和程序有什么区别？ 4．浮点数在计算机中是如何表示的？ 5． “D”、“d”、“3”和空格的ASCII码值？ 6．简述媒体和多媒体技术。 7．简述多媒体与流媒体的关系。 8．WAVE文件与MIDI文件区别？ 9．矢量图文件与位图图像区别？

第三章 微型计算机硬件组成 3.1 微型计算机 3.2 微型计算机硬件系统

3.1 微型计算机 3.1.1 微型计算机概述 1．微型计算机基本结构 系统主板（又称母板） CPU 硬盘驱动器 DVD-ROM驱动器 软盘驱动器 显示器适配器 内存 电源

3.1.1微型计算机概述 2．微型计算机的主要性能指标 ① CPU指标 CPU字长、时钟频率。 ② 运算速度 每秒钟所能执行的指令条数。 ② 运算速度 每秒钟所能执行的指令条数。 ③ 内存容量 内存储器存储数据的能力。 3．微型计算机的分类 1）按组成结构分类 ① 单片机 组成部分集成在一个超大规模芯片上 ② 单板机 各组成部分装配在一块印刷电路板上 ③ 多板机 各组成部分装配在多块印刷电路板上 2）按用途分类 微型计算机按用途可分为台式、便携式、手持式等。

常见微机系统 计算机、电视、影音三模式 平板电脑 移动计算机 家庭网络计算机

3.1.2 微型计算机的发展方向 ① 高速化 处理器主频 ② 超小型化 典型的标志是笔记本电脑和PDA的流行。 ① 高速化 处理器主频 ② 超小型化 典型的标志是笔记本电脑和PDA的流行。 ③ 多媒体化 全新的多媒体处理芯片、多媒体和超媒体系统的开发和标准化、虚拟现实技术和发展多媒体通信等。 ④ 网络化 网络计算机、具有联网功能的PDA以及各种类型的个人计算机等正在飞速发展。 ⑤ 隐形化 今后将摆脱显示屏、键盘加主机的传统形像，电视计算机、影音计算机等将大量出现。

32 年 微型计算机发展--摩尔定律 每2年芯片能力增长一倍 晶 体 管 数 目 4004 奔腾 2,300 42,000,000 P4 3,500,000 晶 体 管 数 10K 100K 1M 10M 100M 1975 1980 1985 1995 1990 2000 单 位 时 间 执 行 的 指 令 百万条/每秒 0.1 1 10 25 500 4004 Pentium 每2年芯片能力增长一倍 8080 8088 8286 8386 8486 2000年的 微处理器

3.2 微型计算机硬件系统 3.2.1系统主板 主板：AT结构和ATX结构 ATX新型主板结构规范： 优化板上元件布局 3.2 微型计算机硬件系统 3.2.1系统主板 优化板上元件布局 配合ATX电源，实现软关机 MODEM远程遥控开关机 需要配合专门的ATX机箱使用 主板：AT结构和ATX结构 ATX新型主板结构规范： PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别

3.2.1系统主板 内存 CPU 芯片组 串行接口 USB接口 总线插槽 接口卡

3.2.1系统主板 芯片组决定了主板的结构及CPU的使用。根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。 南桥芯片主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等； 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片上会装有散热片。

3.2.2 CPU • CPU字长：内部各寄存器之间一次能够传递的数据位 • 位宽 与外部设备之间一次能够传递的数据位 • 位宽 与外部设备之间一次能够传递的数据位 • x位CPU 通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。例如，Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 • CPU外频：CPU总线频率 • CPU主频：CPU内核电路的实际工作频率 • 生产工艺技术：通常用微米数字来描述

3.2.3 存储器 微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器 内部存储器 访问速度快 信息暂时性 相对价格高 外部存储器 访问速度慢 信息永久性 相对价格低

内部存储器 （1）随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) CPU对它们既可读出又可写入数据。 （2）只读存储器(Read only Memory，简称ROM) CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。 （3）高速缓冲存储器Cache 是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于解决它们之间的速度冲突问题， CPU Cache RAM

外部存储器 用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成 读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB （1）软盘 用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成 读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB 新型磁盘具有100MB~250MB容量 （2）光盘 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速率= 150KB/秒 常用： 只读型光盘CD-ROM 一次性可写入光盘CD-R，需要光盘刻录机完成数据的写入 后继产品DVD-ROM，DVD-ROM一倍速率是1.3MB/秒

硬盘 磁道 柱面 扇区 硬盘的磁道、扇区、柱面 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成 读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面 硬盘容量视具体类型而定 硬盘片 读写磁头 磁道 柱面 扇区 硬盘的磁道、扇区、柱面

移动存储产品 Flash存储设备 闪存芯片为存储介质 采用USB的接口 可擦写100万次以上 磁光技术移动存储产品 磁盘技术与光技术结合

3.2.4 总线与接口 总线：微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路 处理器 存储子 系统 I/O子

总线分类 内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备 连接对象 地址总线:传输地址信息 数据总线:传输数据信息 控制总线:传输控制信息 传输对象 并行总线:通信速度快、实时性好 串行总线:简易、方便、灵活 通信方式

总线 微 处 理 器 地址总线 数据总线 控制总线 接口电路 微处理器、总线、存储器、接口电路和外设逻辑关系 内存插槽 外存接口 I/O接口 微 处 理 器 地址总线 数据总线 控制总线 内存插槽 外存接口 I/O接口 其他I/O 主存储器 硬盘等 各种外设 键盘显示 接口电路 微处理器、总线、存储器、接口电路和外设逻辑关系

PCI总线

I/O设备与处理器间的连接 3.2.5 输入\输出设备 数据寄存器P0 控制寄存器P1 I/O设备 状态寄存器P2 3.2.5 输入\输出设备 I/O设备与处理器间的连接 数据寄存器P0 控制寄存器P1 状态寄存器P2 I/O设备 数据寄存器: 用来存放主机与外设之间传送的数据 控制寄存器: 用来存放处理器发给外设的命令信息 状态寄存器: 用来保存外设及接口的状态信息

思 考 题 1．微型计算机的基本结构由哪几部分构成？主机主要包括了哪些部件？ 2．微型计算机的发展方向是什么？ 思 考 题 1．微型计算机的基本结构由哪几部分构成？主机主要包括了哪些部件？ 2．微型计算机的发展方向是什么？ 3．系统主板主要包括了哪些部件？ 4．衡量CPU性能的主要技术指标有哪些？ 5．微型计算机的内部存储器按其功能特征可分为几类？各有什么区别？ 6．外部存储器上的数据能否被CPU直接处理？ 7．高速缓冲存储器的作用是什么？ 8．常用的外存储器有哪些？各有什么特点？ 9．什么是总线？按总线传输的信息特征可将总线分为哪几类？各自的功能是什么？ 10．什么是接口？计算机上常见的接口有哪些？