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1、模模块一一计算机基算机基础知知识（二）（二）1.计算机系统组成2.数据结构与算法 第第2章章 计算机系统微型机：微型机：是由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。PC(Personal Computer)PC(Personal Computer)：简称“个人计算机”，是微型机的一种,目前使用人数最多、应用范围最广泛。PC是由IBM公司于1981年推出的第一部桌面型计算机。2.1计算机系统概述计计算算机机系系统统 硬硬 件件 软软 件件计算机计算机实体部实体部件件软件：软件：硬件上运行的各种程序和文档硬件上运行的各种程序和文档的的总和。和。硬件硬件：有形的物理设备，是指构成计算机的所有实体
2、部件集合系统系统软件软件应用应用软件软件台式机台式机 笔记本电脑笔记本电脑 计算机工作流程：1存储器存储器2控制器控制器 1 1.计算机的计算机的硬件组成：硬件组成：3运算器运算器4输入设备输入设备5输出设备输出设备u2.1.1 计算机硬件系统和微型机的硬件配置4程序，程序，数据数据控制信号线数据信号线输入设备输入设备输出设备输出设备输出信息输出信息外存储器外存储器存储器存储器运算器运算器控制器控制器第一步：第一步：输入入信息（信息（程序和数据程序和数据）第二步：第二步：处理信息（理信息（数据数据）第三步：第三步：输出信息（出信息（结果）果）内内内把原始数据和程序转换成、代码串输入到计算机的存
3、储器中。计算机的输入设备种类很多，常用的有键盘、鼠标、麦克风、摄像头（网眼）、扫描仪、触摸屏、光笔等。摄像头扫描仪触摸屏手写板l输入入设备l输出出设备6显示器打印机投影仪绘图仪将计算机处理后的结果转换成人们熟悉的形式输出或转换成其它设备能够识别的信息格式输出。输出设备的种类也很多，常见的有显示器、打印机、投影仪、绘图仪、音箱等。l中央中央处理器（理器（运算器和控制器运算器和控制器）（）（Central Processing Unit）l控制器：控制器：计算机的指挥中心，负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列。基本功能是取指令、分析指令、执行指令。l运算器运算器(Arithmetic Un
4、it)(Arithmetic Unit)：是计算机进行算术运算与逻辑运算的主要部件。中央处理器（CPU）的主要功能是控制计算机的操作和处理数据，由控制器、运算器组成。CPUCPU是计算机中是计算机中最核心最核心的部件，它决定的部件，它决定计算机计算机的速度和性能。的速度和性能。CPUCPU的的两个重要的性能指标两个重要的性能指标：主频主频：CPUCPU内内部数字脉冲信息震荡频率，反映了计算内内部数字脉冲信息震荡频率，反映了计算机的工作速度，主频越高，一般计算机的速度也越快。机的工作速度，主频越高，一般计算机的速度也越快。字长字长：计算机能计算机能同时处理的数据的同时处理的数据的0 0，1 1代
5、码串长度。字代码串长度。字长越长，计算精度越高。长越长，计算精度越高。目前微型机目前微型机CPUCPU的字长可达到的字长可达到6464位位，时钟频率达，时钟频率达4 4GHzGHz。双核双核CPUCPU：在一个处理器上集成两个：在一个处理器上集成两个CPUCPU的运算内核，做到的运算内核，做到不提高时钟频率而有效地提高运算速度，避免了时钟频率不提高时钟频率而有效地提高运算速度，避免了时钟频率超过超过4GHz4GHz时，处理器功耗增加导致难以散热问题时，处理器功耗增加导致难以散热问题.我国自主研发的龙芯1号1 位（位（bit）：）：数据的最小单位最小单位，一个位可存放一个二进制数 字节（字节（B
6、yte）：）：计算容量的最小单位最小单位，一个字节有八个位，可以存放8位二进制数。K（千）字节（千）字节1KB=210 Byte=1024 ByteM（兆）字节（兆）字节1MB=1024 KBG（吉）（吉）字节字节1GB=1024 MB T（太太）字节字节 1TB=1024 GB b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b00p存储容量及存储单位1个字节l存存储器器存储器(Memory Unit)是用来存放数据和程序的部件，可按地址自动存取数据。存存储单元元(地址地址)存存储数据的数据的单元按元按8位或其倍数位或其倍数划分存划分存储单元，每个存元，每个存储单元有元有一个指定一个指定编号，称号
7、，称为存存储单元的元的“地址地址”内部存储器内部存储器主要用来存放计算机当前正要执行的程序和数据。CPU可以直接对内部存储器中的数据进行存、取操作。外部存储器外部存储器主要存放大量计算机暂时不使用而又需长期保存的程序和数据CPU不能直接存、取外部存储器中的数据。通常可分为内部存储器和外部存储器。内存是计算机的数据交换中心内存是计算机的数据交换中心 CPU内存内存外存外存p存储器的分类11内部存储器内部存储器lCPUCPU可直接访问可直接访问l访问速度快访问速度快l信息存储是暂时的信息存储是暂时的l容量小容量小l价格高价格高外部存储器外部存储器lCPUCPU不能直接访问不能直接访问l速度慢速度慢
8、l信息存储是永久性信息存储是永久性l容量大容量大l价格低价格低l内部存内部存储器与外部存器与外部存储器的比器的比较内存：内存：采用半导体存储器，芯片中的电子线路。外存：硬外存：硬盘l微机的内部存储器PC的内部存储器的内部存储器包括包括ROM、RAM和和Cache（缓冲存储器）（缓冲存储器）。RAMRAM和和CacheCache的信息在断电后的信息在断电后会消失。会消失。只读存储器只读存储器(Read Only Memory(Read Only Memory，简称，简称ROMROM）：其中信息由厂家生产时一次性写入，信息不受）：其中信息由厂家生产时一次性写入，信息不受断电影响。断电影响。随机存储
9、器（随机存储器（RAMRAM）：）：，PCPC的主存储器，也即平时说的的主存储器，也即平时说的PCPC“内存内存”。做在条状的。做在条状的电路板上，简称电路板上，简称内存内存条条。内存条可以内存条可以组合使用，所以组合使用，所以RAM的容量都按照单个内存条的存储的容量都按照单个内存条的存储容量成倍数增加，例如容量成倍数增加，例如512MB、1G、2G、4G、8G、16G等等内存容量的大小与速度要与内存容量的大小与速度要与CPU的主频和内核数相匹配。的主频和内核数相匹配。CacheCache：又称为高速缓存，是一种速度较快但造价也较高的随机存储器。又称为高速缓存，是一种速度较快但造价也较高的随机
10、存储器。Cache配置在配置在CPU和内存之间，用来解决和内存之间，用来解决CPU和内存之间速度和内存之间速度不匹配的问题。不匹配的问题。RAMROMROMROM和和RAM RAM 的区的区别：ROMROM的的信息只可信息只可读出，不可定入。断出，不可定入。断电信息不消失。信息不消失。RAM的的信息随信息随时可可读出和写入。断出和写入。断电信息会消失。信息会消失。外部存储器用来保存大量暂时不用的程序和数据。目前主要有硬盘(驱动器)和固态硬盘，移动硬盘和U盘。硬硬盘驱动盘驱动器器l微机的外部存储器固固态硬硬盘移移动硬硬盘U盘外部存储器硬盘硬盘电是脑的主要存储媒介之一硬盘电是脑的主要存储媒介之一，
11、属于PC的外部存储器，包括有有机械式机械式硬盘、固态硬盘、固态硬盘硬盘。机械式机械式硬盘硬盘存储是由存储是由硬盘片、驱动器机械装置和控制电路硬盘片、驱动器机械装置和控制电路组成。组成。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封固定在在硬盘驱动器硬盘驱动器中中固态硬盘固态硬盘是用控制单元和固态电子存储芯片阵列是用控制单元和固态电子存储芯片阵列（FLASH芯片、芯片、DRAM芯片）而制成的硬盘芯片）而制成的硬盘。其。其存取速存取速度快，抗震性能好，但寿命偏短，容量偏小，价格偏高，度快，抗震性能好，但寿命偏短，容量偏小，价格偏高，目前应用于军事、车载、工控、
12、视频监控、网络监控、网目前应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。机械硬盘固态硬盘现代现代硬盘硬盘的雏形产生于的雏形产生于1956年，是年，是IBM生产的生产的IBM 350，它相当于两个冰箱的体积，其储存容量只有，它相当于两个冰箱的体积，其储存容量只有5MB。1973年年IBM 3340问世，它拥有问世，它拥有“温彻斯特温彻斯特”这这个绰号，也称温盘。这是今天硬盘的祖先。个绰号，也称温盘。这是今天硬盘的祖先。机械式硬盘硬盘构成：有几个同轴的涂有磁性材料的金属盘片，硬盘构成：有几个同轴的涂有磁性材料的
13、金属盘片，磁头固定在一个能沿硬盘片径向移动的臂上，磁头在磁头固定在一个能沿硬盘片径向移动的臂上，磁头在旋转的盘片上旋转的盘片上“飞行飞行”读取磁信号，从而获得存储信读取磁信号，从而获得存储信息。所有盘片和磁头密封在一个金属盒内，称为硬盘。息。所有盘片和磁头密封在一个金属盒内，称为硬盘。第一块硬盘：IBM RAMAC 350 硬盘存储容量计算：硬盘存储容量计算：磁盘片上的数据按照磁道和扇区组织存储。首先在盘片上由外向里划分成一磁盘片上的数据按照磁道和扇区组织存储。首先在盘片上由外向里划分成一个个同心圆称为磁道，每个磁道又等分成若干个孤段，称为扇区，每个扇区上可存储个个同心圆称为磁道，每个磁道又等
14、分成若干个孤段，称为扇区，每个扇区上可存储512个字节的个字节的数据。数据。目前常用的目前常用的3英寸硬盘转速一般在英寸硬盘转速一般在5400540072007200转转/分钟之间。分钟之间。存储容量可达存储容量可达10TB10TB。机械式硬盘硬盘的磁道、扇硬盘的磁道、扇区示意图区示意图扇区扇区磁道磁道0 1 2 i123i记录面数面数磁道数磁道数/面面扇区数扇区数/道道字字节数数/扇区扇区 17l输入设备输入设备键盘键盘键盘是计算机最常用的输入设备之一，其作用是向计算机输入命令，数据和程序，通常配合显示器使用。键盘由一组按阵列方式排列在一起的按键组成。键盘内装有自己的微处理器（一般是单片机）
15、，有通断和译码功能，根据所击的键进行译码，转换成相应的机内码，送到内存和显示器。目前大多数PC配备101键或103键标准键盘。常用键功能 1868 1868年：美国新闻工作者克里斯托夫年：美国新闻工作者克里斯托夫 肖尔斯（肖尔斯（C.SholesC.Sholes）发明了沿用至今）发明了沿用至今的的QWERTYQWERTY键盘键盘 。18731873年使用此布局的第一台商年使用此布局的第一台商用打字机成功投放市场。这就用打字机成功投放市场。这就是为什么有今天键盘的排列方是为什么有今天键盘的排列方式。式。l l第一款键盘：第一款键盘：QWERTYQWERTY键盘键盘 19l输出设备输出设备显示器显
16、示器 显示器用于显示计算机发出的信息。分为阴极射线管显示器（显示器用于显示计算机发出的信息。分为阴极射线管显示器（CRT）和液晶显示）和液晶显示器（器（LCD）两大类。）两大类。CRT分辨率高、色彩丰富、使用寿命长，但体积大、耗电大分辨率高、色彩丰富、使用寿命长，但体积大、耗电大LCD体积小、重量轻、图像清晰，但价格贵体积小、重量轻、图像清晰，但价格贵主要指标：主要指标：分辨率分辨率：屏幕横向和纵向显示的点（像素）数。例如屏幕横向和纵向显示的点（像素）数。例如1024768，指的是屏幕，指的是屏幕横向显示横向显示1024点，纵向显示点，纵向显示768点（即点（即768条扫描线）。分条扫描线）。
17、分分分辨率越高，显示辨率越高，显示的字符和图像越清晰的字符和图像越清晰色彩深度：色彩深度：一点上表示色彩的二进制位数（一点上表示色彩的二进制位数（bit），有），有16位、位、24位、位、32位等。位等。位数越多，色彩变化越多，层次越丰富，图像越精美位数越多，色彩变化越多，层次越丰富，图像越精美。屏幕尺寸：屏幕尺寸：指屏幕对角线的长度。有指屏幕对角线的长度。有14、15、17、19、21、22、23、24、27英寸几种英寸几种。显示器l输出设备输出设备打印机打印机 打印机产生以纸张为载体的输出。打印机产生以纸张为载体的输出。主要种类：主要种类：激光打印机激光打印机：噪音小，打印质量高，打印成本
18、比喷墨打印机的要低。噪音小，打印质量高，打印成本比喷墨打印机的要低。喷墨打印机喷墨打印机：通过控制喷头上的喷嘴直接将墨滴喷射到纸上形成文字或图形。通过控制喷头上的喷嘴直接将墨滴喷射到纸上形成文字或图形。针式打印机针式打印机：通过控制打印头上的钢针击打色带把色带上的墨水打在纸上形成文通过控制打印头上的钢针击打色带把色带上的墨水打在纸上形成文字或图形。成本低，可打印连续的穿孔纸和多层纸等优点，适合打印各种票据和字或图形。成本低，可打印连续的穿孔纸和多层纸等优点，适合打印各种票据和报表。噪音较大，速度慢，打印质量不高。报表。噪音较大，速度慢，打印质量不高。激光打印机激光打印机喷墨式打印机墨式打印机针
19、式打印机式打印机l 主板（系统板）21将CPU和存储器及其附属电路都装在一块电路板上主板上有CPU插座、内存条插座，把不同的外部设备与主机连接起来的扩展槽和接口接口接口有硬盘驱动器和软盘驱动器接口、并行接口和串行接口、USB接口。以及显示器接口、网线接口、声卡输入输出接口l微型微型计算机的硬件算机的硬件组成成u微型计算机的性能评价23主主频（时钟频率）率）：计算机CPU的时钟频率。单位是兆赫兹（MHz）或吉赫兹(GHz)。基本字基本字长：“字长”是计算机一次传送或处理的、代码串长度。基本字长有16位、32位、64位等。存存储器容量：器容量：一般说来，内、外存储器容量越大，能存储的程序和数据量越
20、大，计算机的处理能力就越强。CPU内核数内核数：指封装在一块CPU上、同时运行程序和处理数据的芯片组的数量。通常微型机CPU的主频通常设计在4GHZ以下。为提高微型机的性能，人们设计在CPU中封装多个处理单元，以同时运行多个线程。因此，CPU内核数越多，系统的性能就越高。系系统的可靠性：的可靠性：系统的可靠性用平均无故障时间来衡量。考虑以便上几个方面：考虑以便上几个方面：u2.1.2 计算机的软件系统 软件件是在硬件系统上运行的各种程序、数据和文档的总称。没有安装任何软件的计算机称为“裸机裸机”。软件分为系统软件和应用软件。没有系统软件计算机硬件无法工作，而没有应用软件则计算机无法解决具体的实
21、际应用问题。应用软件必须在系统软件的支持下才能运行。软件系统软件应用软件10111000 00000000 00000000 00000011 10111000 00000000 00000000 00000011 l指令指令u1、指令与指令系统指令：指令：指令：指令：是是指示计算机执行某种操作的命令。它是二它是二进进制形式的代制形式的代码码串，串，能被计算机直接识别和执行。指令由操作码和操作数地址码两部分构成。操作码操作码操作数地址码操作数地址码规定计算机进行何种操作，每条规定计算机进行何种操作，每条指令只有一个操作码。指令只有一个操作码。指出参与操作的数据在存储器的哪个地址指出参与操作的数
22、据在存储器的哪个地址中，操作的结果存放到哪个地址。中，操作的结果存放到哪个地址。数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令If Goto And OrCPU内存I/O设备主机基本指令基本指令 l指令系统指令系统2626指令系指令系指令系指令系统统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。每种类型的计算机都有自己独特的指令系统，不同指令系统中的指令数目和功能有着很大的差异。u2、程序和程序设计语言程序程序是为了得到某种结果而编写的指令或语句序列。程序程序设计就是分析要解决的实际问题，得出解决问题的具体方法和步骤，并用某种计算机语言编写成可执行程序的过程。程序程序设计语言言就是书写程序用的、计
23、算机能够理解的语言。是人工语言，进行程序设计的工具和人机对话的手段。包括机器语言、汇编语言、高级语言。特点：语言比较简单，严格，无二义性。1011000000000101.MOV A,5ADD A,2.LET X=5+220 PRINT X.机器机器语言言能够直接被机器能够直接被机器执行的机器指令执行的机器指令汇编语言言采取助记符号来表采取助记符号来表示二进制代码的程示二进制代码的程序设计语言序设计语言高高级语言言与人类语言近似的与人类语言近似的一种程序设计语言一种程序设计语言机器语言机器语言是用二进制代码表示的一组机器指令集合，是计算机的设计者通过计算机的硬件结构赋予计算机的操作功能。不同型
24、号的计算机，其机器语言不相通。机器语言面向特定计算机系统，优点是计算机可以直接执行，运行速度快，执行时间短，缺点是直观性差，不便于阅读和理解，编写程序相当复杂与繁琐。是其计算机只能接受机器语言编写的程序，也称目目标程序。程序。l例：例：做算式做算式7+10，并将，并将结果放入果放入6号存号存储单元中元中汇编语言l例：用例：用汇编语言做算式言做算式7+10，并将，并将结果放入果放入6号存号存储单元中元中汇编语言是一种符号语言。使用汇编语言写的程序必须翻译成机器语言后才能被计算机执行。使用汇编语言编写的程序是源程序。它必须要通过汇编程序翻程序翻译成机器语言后才能被计算机执行。高级语言l例：用高例：
25、用高级语言做算式言做算式7+10，并将，并将结果放入果放入6号存号存储单元中元中高级语言是一种接近人类自然语言的程序设计语言。高级语言程序可读性强，编程方便，通用性强，可以在不同类型的计算机上使用。使用高级语言编写的程序是源程序。它必须要通过编译或翻或翻译成机器语言程序后才能被计算机执行。常用的高级语言：BASIC（初学者通用符号指令代码）语言、PASCAL语言、C语言、COBOL语言、面向对象的 C+、Python、Javau3、计算机的系统软件和应用软件 系系统软件件是运行、管理、维护计算机必不可少的最基本软件。包括：操作系统、语言处理程序、实用程序。l操作系统：管理软、硬件资源。l语言处
26、理程序：也称编译器或解释器。包括汇编程序、解释程序、编译程序。l实用程序：机器维护、软件 开发所必须的软件工具。软件系统软件应用软件协助计算机执行基本任务。协助人们完成某项任务。操作系统操作系统设备驱动设备驱动实用工具实用工具编译系统编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件 上网软件学习课件娱乐软件商务软件 应用用软件：件：针对各各类应用用问题而开而开发的，其用途各不相同。的，其用途各不相同。u2.1.3、数据结构与算法u程序的实质程序数据结构算法=+对数据的描述 对操作的描述N.Wirthn对数据的描述：指定解题过程中所使用的数据类型与组织形式。n对操作的描述：解题的操作步骤。u 1
27、 1、数据结构、数据结构（Data StructureData Structure）数据结构是计算机存储、组织数据的方式，是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。数据结构逻辑结构物理结构运算结构数据结构逻辑结构物理结构运算结构集合结构线性结构树形结构图形结构数据的数据的逻辑结构：构：数据元素之间的逻辑关系，即数据元素之间的前后关系数据结构逻辑结构物理结构运算结构dbca顺序结构链接结构abcdbacd数据的物理数据的物理结构：构：数据元素在计算机存储空间的存放形式。数据的运算数据的运算结构：构：一一组与数据与数据结构相关操作。构相关操作。算法是解决特定问题的步骤和方法，是为解决问题
28、而给出的一个确定的、有限长的操作序列。求n!的算法流程图u 2 2、算法（Algorithm）输出输入评价算法优劣的指标一个实际问题算法1算法2算法3算法4时间复杂度空间复杂度评价算法的优劣指标时间复杂度时间复杂度T(n)T(n)执行算法需要消耗的时间资源。通常是指算法中所有语句的执行频度之和(T(n)。时间复杂度是一个函数，定性描述算法的运行时间。记作：T(n)=(f(n)语句执频度渐渐近近时间复杂度时间复杂度 渐近时间复杂度：不包括函数的低阶项和首系项。O问题的的规模模：【案例】对n个元素进行排序；当n=1时，几乎不需要计算；n=2时，只要1次比较即可；n=3时，要作3次比较，当n=100
29、万时，问题就不容易处理了。求n!的算法流程图T(n)=4+2n+2*(n-1)+2=4n+4记作：T(n)=(n)例：(1)T(n)=n2+3n+4 (2)T(n)=4n2+2n+1在时间频度不相同时，时间复杂度有可能相同。第40页 共268页汉诺塔问题现实中难以计算的问题印度教天神汉诺（Hanoi）创造地球时，建了一座神庙，神庙竖有三根柱子，柱子由一个铜座支撑。汉诺将64个直径大小不一的盘子，按照从大到小的顺序依次套放在第一根柱子上，形成一座汉诺塔。天神让僧侣们将第一根柱子上的64个盘子借助第二根柱子，全部移到第三根柱子上，即将整个塔迁移，同时定下了三条规则：一是每次只能移动一个盘子；二是盘
30、子只能在三根柱子上来回移动，不能放在他处；三是在移动过程中，三根柱子上的盘子必须始终保持大盘在下，小盘在上。汉诺塔全部可能的状态数为3n个（n=盘子数），最佳搬动次数为：2n-1。第41页 共268页3个盘子汉诺塔问题解决过程如图所示。3个盘子的最佳搬移次数为：23-1=7；64个盘子时，最佳移动盘子次数为：264-1=18 446 744 073 709 551 615。假设僧侣们移动一次盘子需要1秒钟，僧侣们不停来回搬动，需要大约5 849亿年的时间。空间复杂度S(n)指算法需要消耗的空间资源，即算法执行过程中需要的空间资源。渐近空间复杂度算法的特征有穷性确定性有输入有输出可行性一个算法的
31、操作步骤为有限个，且每个步骤能在有限的时间内完成算法每步必须有确切的定义，且算法的执行路径唯一一个算法有0个或多个输入，以刻画运算对象的初始情况一个算法有一个或多个输出，以反映对输入数据加工后的结果算法描述的所有操作都能够精确地运行，并得到确定的结果算法的特征小小 结一、计算机的工作原理：二、电子计算机的发展存储程序，逐条执行（程序控制）1、第一台电子计算机：ENIAC.1946年，美国2、分代（以组成电子元件划分）：四代第一代：电子管第二代：晶体管第三代：集成电路第四代：大规模集成电路三、三、计算机的算机的应用用领域域1、传统领域：科学计算、实时控制、数据处理、辅助（教学CAI、设计CAD、
32、制造CAM),文字处理和办公自动化、网络应用2.应用新技术：u 云云计算：算：一种新兴的商业模式。通过网络以自助形式免费或付费租用所需要的IT资源。u大数据：大数据：规模在10TB以上u人工智能：人工智能：一门新兴的技术科学。研究计算机模拟、延伸、扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统。u3D3D打印：打印：1 1、数值数据：、数值数据：数字化数字化：采用二进制代码串形式表示信息。按照十进制与二进制之间的转换方法。四、计算机中的信息表示 2、英文字符：、英文字符：3、汉字：、汉字：ASCIIASCII码。码。7 7位位二进制代码串表示一个英文字母，二进制代码串表示一个英文字母，或者：一个字符占或者：一个字符占1 1个字节个字节 ，最高位为，最高位为0 0机内码。机内码。1616位位 二进制代码串表示一个汉二进制代码串表示一个汉字字符。或者：一个字符占字字符。或者：一个字符占2 2个字节，每个个字节，每个字节的最高位为字节的最高位为1.1.