02316计算机应用技术第一章

第一章计算机及其应用概述

第一节计算机的发展历史

一、计算的概念

计算就是映射或基于规则的符号串的变换过程。

算法是求解某类问题的通用法则或方法，即符号串变换的规则。

二、计算工具的发展

人类社会很早就有了各种各样的计算工具，纵观计算工具的发展历史，经过了算筹、算盘、计算尺、机械计算机、电子

管计算机、晶体管计算机、大规模和超大规模集成电路计算机等多个阶段，继而又在生物计算、光计算、量子计算等方

面进行新的探索。

计算工具发展的动力，主要来自两个方面的需求：一是提高计算的速度和精度；二是使计算更方便，降低计算的成本，

减小计算工具的体积。

1.手工计算阶段

算筹，算筹是由木头或竹子做成的小木棍，多个长短粗细相同的小木棍可以通过纵横相间的摆放来表达超过十的数字。

算盘是另一种用来扩展手指运算功能的计算工具。中国很早就出现了算盘，配套有完整的运算口诀和操作方法。口诀是

针对算盘结构特点设计的基本操作规则，算盘从中国传到了日本、朝鲜、东南亚、西亚和欧洲，成为使用最广泛、价格

最低廉的计算工具。

17世纪出现了计算尺。它是一种可滑动的尺子，以长度来模拟运算数字，除了能进行简单的四则运算外，还能进行三角

函数、对数等比较复杂的运算。

2.机械计算阶段

1642年，法国人帕斯卡发明了用齿轮计算的机械加法器。

1666年，英国人莫兰发明了可以进行加减运算的机械计算器。

1673年，德国人莱布尼兹改进帕斯卡的设计在机械计算器中增加了乘除运算。

1822年，英国人巴贝奇首先提出计算过程自动化的概念设计出了第一台通用自动时序控制机械式计算机，称为“巴贝奇

差分机”。这台机器不仅自提高乘法速度，而且改进了对数表等数字表的精确度。

巴贝奇研制的差分机和分析机为现个计算机设计思想的发展奠定了基础。

3.电子计算阶段

20世纪电子技术和电子元器件不断发展，为电子计算机的诞生奠定了基础，尤其是军事对于计算能力的巨大需求，促使

大量的人力物力投入到电子计算机的研究开发之中。1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台真正意义

上的电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer,电子数字积分计算机）。ENIAC体型巨大，其

大小约为：高2.4m、宽0.9m、长30.5m，装有近1.8万个真空电子管、1500个继电器、7万个电阻、1万个电容，总重

量301，每秒能执行5000次加法、400次乘法运算，还能进行除法、平方根等运算。ENIAC被用于弹道计算、原子裂变的

能量计算、气象预报等多个领域，充分体现了电子计算机的巨大优势。ENIAC是划时代的创举，成为现代数字计算机的典

型代表。ENMAC的主要缺点是采用十进制表示和计算数据，而且只能通过手工设置开关和插头并连接线路来编程。为了克

服这一困难，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出了存储程序的概念，其基本思想是把预先编制好的用于控制计算机工作

的程序存储到计算机的存储器中，计算机自动从存储器中读取指令来控制各部分的工作。三年后，英国剑桥大学根据他

的理论，开发出了世界上第一台存储程序的电子计算机EDSAC(Electronic Delay Storage Automatic Calculator,电子

延迟存储自动计算机），之后的计算机都是基于冯·诺依曼的存储程序体系结构的计算机，被统称为冯·诺依曼机。

冯·诺依曼被称为算机之父，冯·诺伊曼机的体系结构，由五大基本部件构成，具体如下:

1）输人数据和程序的输人设备。

2）记忆程序和数据的存储器。

3）完成数据加工处理的运算器。

4）控制程序执行的控制器。

5）输出处理结果的输出设备。

冯·诺依曼机具有如下功能：

1）把需要的程序和数据送至计算机中。

2）必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

3）具有完成各种算术运算、逻辑运算和数据传送的能力。

4）能够根据需要控制程序的走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。

5）能够按照要求将处理结果输出给用户。

三、电子计算机的发展

根据所使用的关键电子器件的不同，电子计算机的发展分为四个时代。

1.第一代计算机

第一代计算机（20世纪40年代中期到50年代末）为电子管计算机。

电子管计算机体积庞大，速度慢，存储容量小。

2.第二代计算机

第二代计算机（20世纪50年代中后期到60年代中期）为晶体管计算机。

3.第三代计算机

第三代计算机（20世纪60年代中期到70年代中期）为集成电路计算机。

4.第四代计算机

始出现各种型号的大型机、巨型机和小型机。

4.第四代计算机

第四代计算机（20世纪70年代末期至今）为大规模、超大规模集成电路计算机。

第二节计算机系统的组成

计算机系统由硬件和软件两部分构成，软件驱动硬件，两者协调配合，共同完成计算机系统的各种功能。

一、计算机的特点和功能

计算机是一种能对数字化信息进行算术和逻辑运算的高速处理装置。

1.计算机的特点

（1）计算速度快

（2）计算精度高

（3）逻辑性强

（4）数据处理量大

（5）自动化程度高

（6）应用领域广泛

2.计算机的功能

虽然计算机的形式多种多样，应用领域也非常广泛，但其最基本的功能可以概括为数据处理、数据存储和数据传输三个

方面。

1)数据处理是计算机系统最主要的功能。

2)数据存储是计算机能采用自动工作方式的基本保证。

3）数据传输是指在计算机内部的各个功能部件、计算机主机与外部设备之间、各个计算机系统之间进行信息交换的操作

功能。

二、计算机的硬件组成

计算机硬件(Computer Hardware)是指计算机系统中由电子、机械和光电元器件等组成的各种物理装置的总称。这些物理

装置按系统结构的要求构成一个有机整体，为计算机软件运行提供物质基础。简而言之，计算机硬件的功能是输人并存

储程序和数据，以及执行程序，把数据加工成可以利用的形式，最终以某种方式输出。从外观上看，微型计算机的硬件

主要由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括中央处理器(Central Procesing Unit，CPU)、内存、主板、硬盘驱动

器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等；外部设备包括鼠标、键盘、显示器、音箱等。通常将这些设备归纳为

计算机硬件的几个基本组成部分：中央处理器、存储器、外部设备和各类总线。

1.中央处理器(CPU)

中央处理器(CPU):专门用来完成读取指令和执行指令的部件称为中央处理器（CPU)，它是计算机运算处理的核心部件，

可以形象地比喻成“计算机的大脑”。

（1）CPU的功能

计算机对信息进行处理是通过程序的执行来实现的，而CPU的作用就是要控制整个程序的执行，具体包括以下基本功能。

1）程序控制

2）操作控制

3）时间控制

4）数据运算 对数据进行处理加工是CPU的心任务。

除此之外，CPU还要负责计算机的输入/输出管理、总线控制、中断处理等任务。

(2）CPU的组成

计算机的CPU主要由运算器、控制器、寄存器组成。

1）运算器。运算器是计算机的加工处理部住，它的运算功能是由一个称为算术逻辑运算单元(Arithmetic Logical

Unit,ALU)的数字电路实现的。

2）控制器。控制器由程序计数器(Progran Counter,PC)、指令寄存器(Instuction Register,IR)、指令译码器(Instruction

Decoder，ID)、操作控制器(Operation Controller，0C)和时序信号产生器等组成，负责协调并控制计算机各功能部件

执行程序的指令序列，是整个计算机的控制指挥部件。

3）寄存器。在CPU芯片中有一组被称为资连器（Re响ster)的存储器件，用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、

最终结果以及各种控制、状态信息，寄存器可以分为通用存器和专用寄存器两大类

（3）CPU 的性能指标

CPU是计算机的核心部件，它的性能在很大程度上直接影响整个计算机的性能，主要的性能指标如下。

1）时钟频率（主频），表示CPU内数字脉冲信号振荡的速度、主频越高，CPU在一个时钟周期里所能完成的指令数就越多，

CPU的运算速度也就越快，主频的单位为赫兹Hz。

2）外频。外频是CPU与主板之间同步运行的速度，外频速度越高，CPU同时接收的外围设备传来的数据就越多。

3)指令系统和字长。指令系统是指计算机所能执行的全部指令集合。

2.存储器

存储器是计算机系统用来存储程序和数据的器件，它是一个记亿装置，也是计算机能够实现程序存储控制的基础。

随着计算机系统结构和存储技术的发展，存储器的种类越来越多，容量也越来越大。根据不同的特征，存储器可以有

以下几种分类方式。

（1）按存储介质分类

用来记录存储信息的物质称为存储介质。存储介质必须具有两个不同的物理状态，才能用来表示二进制的0和1。目前使

用的存取介质主要有半导体元器件、磁性材料和光介质。

（2）按存取方式分类

根据存取方式不同，存储器可分为随机存取存储器、顺序存取存储器、直接存取存储器、按内容访问存储器等几类。

（3）按信息的可更改性分类

按信息是否可以更改，存储器分为读写存储器和只读存储器。

（4)按断电后信息的可保存性分类

按断电后信息的可保存性分成非易失性存储器和易失性存储器。

（5）按所处位置及功能分类

按所处位置及功能分为内部存储器和外部存储器。内部存储器包括高速缓冲存储器和主存储器，位于主机内，容量小，

速度快，能被CPU直接访问。外部存储器又称辅助存储器、位于主机外部。

3.外部设备

外部设备也称为输入/输出(Input/Output，I/O)设备，计算机与其使用者的交互是通过输/输出设备来实现的。输人设备

将数据、命令和程序等来自外部的信息，转换成计算机能接收并识别的形式，送入计算机。输出设备是将计算机运算处

理的结果，转换成人或其他设备能接收和识别的形式并展现出来，输出信息的形式有数字、字符、文字、图形、图像、

声音、视频等。外部设备通常是由机械部分和电子部分组成，并且两部分可以分开。

常见的外部机械设备说明如下。

（1）键盘

（2）鼠标

（3）传声器

（4）摄像头

（5）触摸屏

（6）显示器

（7）打印机

（8）音箱和耳机

4.总线

计算机的CPU必须与一定数量的部件和外部设备连接，但如果将各部件和每一种外围设备都分别用一组线路与CPU直接

连接，那么连线将会错综复杂，甚至难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路配置适当的接口

电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了

统一的总线标准使不同设备间的互联更容易实现。

计算机总线的分类方法有很多种，按总线在计算机系统中不同的层次位置，可将总线分为内部总线、系统总线和外部总

线；按总线的通信传输方式，可将总线分为串行总线和并行总线；按总线传输数据的时钟特性，可将总线分为同步总线

和异步总线；按总线传输的信号性质，可将总线分为地址总线、数据总线和控制总线。本节重点介绍按信号性质划分的

总线类型。

数据总线（Data Bus)是CPU用来向各个部件传送数据信息的信号线。

地址总线（Address Bus)是计算机用来传送地址信息的信号线。

控制总线（Control Bus）用来传送控制信号、时序信号和状态信号等信息。

计算机总线的技术指标主要包括以下几个方面。

1）总线的位宽：指的是总线能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总线宽度的概念。

总线的位宽越宽，数据的传输率越大，总线的带宽越宽。

2）总线的工作时钟频率：以MHz为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。

3）总线的带宽（总线数据传输速率)：指的是单位时间内总线上传送的数据量，即每秒钟传送兆字节（MB）的最大稳态

数据传输率。与总线的带宽密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率，它们之间的关系:

总线的带宽=总线的工作频率x总线的位宽/8bit

三、计算机的软件组成

软件是为运行、维护、管理和应用计算机所编制的程序、需要的数据及文档。

1.软件的发展过程

软件的发展受计算机硬件和计算机应用的推动和制约，其发展过程大致经过了三个阶段。

从世界上第一台计算机ENAC诞生(1946年）到开始出现实用的高级语言（1956年）为第一个阶段。

从高级语言应用的普及到20世纪60年代末软件工程概念的出现为第二个阶段。

软件工程出现至今为第三个阶段。

2.软件的分类

根据软件作用的不同，通常将软件大致划分为系统软件和应用软件两大类。

（1）系统软件

系统软件泛指那些为了有效地使用计算机系统资源、为应用软件开发与运行提供支持、能为用户管理与使用计算机提供

方便的一类软件。

系统软件的主要特征是：操作系统、编译系统等系统软件与计算机硬件有很强的交互性，能对硬件资源进行统一的控制、

调度和管理；系统软件有一定的通用性，它并不是专为解决某个具体应用而开发的，如数据库管理系统。

（2）应用软件

应用软件泛指专门用于解决各种具体应用问题的软件或程序。

1）通用应用软件。

生活在现代社会，无论是学习还是工作，无论从事何种职业、处于什么岗位，人们都需要阅读、书写、通信、娱乐、查

找信息、发送消息等。软件使人们完成这些活动更方便、高效。由于这些软件被广泛使用，所以把它们称为通用应用软

件。

2）定制应用软件。

定制应用软件是按照不同领域用户的特定应用要求而专门设计、开发的软件。

3.程序设计语言

程序设计语言是人与计算机进行交流的语言，随着时代的发展，经历了机器语言、汇编语言和高级语言几个阶段。

机器语言能由计算机直接识别和执行，是最底层的程序设计语言，工作效率很高，能够直接驱动硬件工作，但记忆和运

用都比较困难，语句全部由二进制符号1和0组成。汇编语言相对于机器语言要简单明了一些，采用约定的英文符号（助

记符）来表示各种操作命令和操作数。高级语言是更接近于人类语言的程序设计语言，易学易懂，符合人的思维习惯比

如C、C++、C#、Java等。

一台计算机所有指令集的集合构成该机器的指令集，也称指令系统。

一条指令中必须明显或隐含地包含以下信息。

1）操作码。

2）源操作数或其地址。

3）结果的地址。

4）下一条指令地址。

第三节 计算机中信息的表示

一、计算机中的信息

通常，将人类能够感知的描述称为消息，比如视觉系统看到景象和事物、听觉系统听到的声音、嗅觉系统闻到气味等统

称为消息。

而信息是一个抽象的概念，可以理解为消息中所包含的有意义的内容，而消息是信息的载体。

在计算机中表示数值型数据，要解决三个问题：一是采用何种进位计数制；二是如何区分数的正负；三是如何确定数中

小数点的位置。

1.数制的概念

数制是人们利用数字符号来计数的方法。将数字符号排列，按由低位向高位进位计数的方法称为进位计数制，概括起来

可以说“逢几进一”，就是几进制计数制。

基数是指数制允许使用的基本数字符号的个数。

2.二进制数的特点

1)容易实现。

2)工作可靠。

3)运算简单。

4)便于逻辑运算和逻辑设计。

3.数制之间的转换

4.二进制数的编码表示

（1）原码

将符号位数字置为0或1，数的绝对值与符号一起编码称为原码。

第四节计算机技术的应用

一、计算机的用途

计算机应用广泛，在现代社会的各个领域都发挥着巨大的作用，主要的用途包括以下几个方面。

（1）科学计算

（2）信息管理

（3）自动控制

（4）人工智能（Artificial Inteligent,Al)

（5）辅助工程

（6）学习娱乐

（7）电子商务

二、未来计算机发展趋势

（1）网络化

（2）智能化

（3）巨型化和微型化

习题

一、单项选择题

1.在中国古代出现过一种由木头或竹子做成的小木棍，用来模拟和扩展手指运算功能的计算工具，这种工具被称为（B）

A.算盘B.算筹C.计算尺D.计算器

2.最早发明算般计算工具的国家或地区是（A）

A.中国B.印度C.埃及D.西欧

3.下列选项中，不属于第一台电子计算机ENIAC特点的是（D）

A.体型巨大B.用于弹道计算、原子裂变能量计算、气象预报等多个领域C.采用十进制表示和计算数据D.不能进行除法和

平方根运算

4，目前所使用的计算机采用的电子元器件是（C）

A.电子管B.晶体管C.超大规模集成电路D.中小规模集成电路

5.计算机能够直接识别的语言是（B）

A.高级语言B.机器语言C.汇编语言D.自然语言

6.为了便于分析和设计，通常用来描述计算机指令的语言是（B）

A.机器语言B.汇编语言C.高级语言D.自然语言

7，二进制数10111101等于十进制数（B）

A.187B.189C.191D.193

二、填空题

1.计算机存储器的存储容量以为字节单位。

2.标准ASCII码是7位编码，存储一个ASCll码占1字节。

3.十六进制数D7对应的十进制数是215。

4.冯·诺依曼提出的存储程序结构思想是目前计算机体系的基础。

5.4位二进制数可以表示16种不同的状态。

6.计算机系统中由电子、机械和光电元器件等组成的各种物理装置统称为硬件

7.专门用来完成读取指令和执行指令的部件称为中央处理器

8.运算器是计算机的加工处理部件，受控制器发出的控制信号指挥。

中用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及各种控制、状态信息的器件是寄存器。

10.字长是CPU一次能并行处理的二进制数的位数。

11.一台计算机所有指令的集合构成该机器的指令系统（指令集）

12.一条机器指令的基本格式包括操作码和操作对象（源操作或地址）

13.用来将汉字输人到计算机中的一组键盘符号称为输入码（外码）

三、简答题

1.简述计算和算法概念的含义。

2.简述人类计算工具发展所经历的各个阶段。

3.简述冯·诺依曼“存储程序”计算机的基本结构和功能。

4.电子计算机发展经历了几个阶段？各个阶段的使用的关键器件各是什么？

5.简述CPU的主要功能。

6.描述CPU性能的指标有哪些?这些指标各自的含义是什么?

7.简述计算机的三级存储器体系结构。

8.写出常见的计算机输入/输出设备。

9.简述总线的含义和分类。

10.简述计算机软件解决实际问题的一般步骤。

11.将（110110）2和（2CE）16转换成十进制数。

12.将四个十进制数表示的IP地址202.205.140.52分别写成二进制和十六进制形式。

13.请写出十进制数-120、36、0.78的原码、反码和补码(机器字长为8位）。

14.设在计算机中用16位二进制数表示浮点数，阶数占4位，采用补码表示；尾数占12位，用原码表示。请写出

110.0101001、-1011011.00101的浮点数二进制编码。

15.设某显示字库一般采用64×64点阵字库，则每个显示汉字在计算机中占多少字节?

16.简述计算机的应用领域和未来发展趋势。