編程奧賽基礎(chǔ)

1、1計算機概述世界第一臺電子數(shù)字式計算機于1946年美國賓夕法尼亞大學正式投入運行，它的名稱叫ENIAC(埃尼阿克)，是電子數(shù)值積分計算機的縮寫。它使用了17468個真空電子管，耗電174千瓦，占地170平方，重30噸，每秒鐘可進行5000次加法運算。被西方人譽為“計算機之父”的美籍匈牙利科學家、數(shù)學家馮諾依曼于1945年發(fā)表了一個全新的“存儲程序通用電子計算機方案“—EDVAC。EDVAC方案提出了著名的“馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)”理論：(1)

2、采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令在存儲程序的計算機中，數(shù)據(jù)和指令都是以二進制形式存儲在存儲器中的。從存儲器存儲的內(nèi)容來看兩者并無區(qū)別都是由0和1組成的代碼序列，只是各自約定的含義不同而已。計算機在讀取指令時，把從計算機讀到的信息看作是指令；而在讀取數(shù)據(jù)時，把從計算機讀到的信息看作是操作數(shù)。數(shù)據(jù)和指令在軟件編制中就已加以區(qū)分，所以正常情況下兩者不會產(chǎn)生混亂。有時我們也把存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)和指令統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)，因為程序信息本身也可以作為被處理的對

3、象，進行加工處理，例如對照程序進行編譯，就是將源程序當作被加工處理的對象。(2)采用存儲程序方式這是馮諾依曼思想的核心內(nèi)容。如前所述，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲器中，計算機在運行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行。這是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。計算機的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計算機功能的擴展在很大程度上也體現(xiàn)為所存儲程序的擴展。計算機的許多具體工作方式也是由此派生的。馮諾依曼機的這種工作

4、方式，可稱為控制流(指令流)驅(qū)動方式。即按照指令的執(zhí)行序列，依次讀取指令，然后根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進行處理。因此在執(zhí)行程序的過程中，始終以控制信息流為驅(qū)動工作的因素，而數(shù)據(jù)信息流則是被動地被調(diào)用處理。為了控制指令序列的執(zhí)行順序，設(shè)置一個程序(指令)計數(shù)器PC(ProgramCounter)，讓它存放當前指令所在的存儲單元的地址。如果程序現(xiàn)在是順序執(zhí)行的，每取出一條指令后PC內(nèi)容加l，指示下一條指令該從何處取得。如果程序?qū)⑥D(zhuǎn)移

5、到某處，就將轉(zhuǎn)移的目標地址送入PC，以便按新地址讀取后繼指令。所以，PC就像一個指針，一直指示著程序的執(zhí)行進程，就是指示控制流的形成。雖然程序與數(shù)據(jù)都采用二進制代碼，仍可按照PC的內(nèi)容作為地址讀取指令，再按照指令給出的操作數(shù)地址去讀取數(shù)據(jù)。由于多數(shù)情況下程序是順序執(zhí)行的，所以大多數(shù)指令需要依次地緊挨著存放，除個別即將使用的數(shù)據(jù)可以緊挨著指令存放外、一般將指令和數(shù)據(jù)分別存放在該程序區(qū)的不同區(qū)域內(nèi)。(3)由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和

6、輸出設(shè)備五大部件組成計算機系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。上述這些概念奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)思想，到目前為止，絕大多數(shù)計算機仍沿用這一體制，即馮諾依曼型計算機體制。計算機的發(fā)展過程發(fā)展階段發(fā)展時間組成元件特征第一代（19461957）電子管第二代（19581964）晶體管第三代（19651971）中小規(guī)模集成電路第四代（1972...）大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機的發(fā)展方向：巨型化、微型化、多媒體化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化計算機的特點：

7、1.運算速度快：最快可以達到上萬億次s。2.精確度高：微型機可達到十幾位有效數(shù)字。3.存儲功能（有記憶功能）：能存儲程序和數(shù)據(jù)。4.能進行邏輯運算。5.在程序的控制下能自動工作。計算機的主要應用：1、科學計算：密碼破譯，天氣預報，地質(zhì)勘探，衛(wèi)星軌道計算2、數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)庫管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計匯總、辦公自動化3、自動控制：機器人以及各種自動化裝備4、計算機輔助設(shè)計分析制造教學：機械CAD，建筑CAD，計算機輔助教學CAI5、智能模擬：

8、人工智能、專家系統(tǒng)、自學習6、電子商務(wù)：7、休閑娛樂：計算機分類：1、按規(guī)模分：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機2、按用途分：專用機、通用機3、按處理方式分：模擬計算機、數(shù)字計算機以及數(shù)字模擬混合計算機4、照其工作模式分：服務(wù)器、工作站計算機的主要性能技術(shù)指標1.字長字長是計算機運算部件一次能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長愈長，計算機的處理能力就愈強。早期的微型計算機的字長為16位，如：80286等?，F(xiàn)在的微型計算機的字長為32位，

9、如80386，80486，PIV等。對于數(shù)據(jù)，字長愈長，運算精度愈高；對于指令，字長愈長，則功能愈強，而尋址的存儲空間也愈大。2.速度不同配置微型計算機按相同的算法執(zhí)行相同的任務(wù)所需要的時間可能是不同的，這和微型計算機的速度有關(guān)。微型計算機速度指標可以用主頻和運算速度來評價。主頻也稱時鐘頻率，是指CPU工作時的頻率。主頻是衡量微型機運行速度的主要參數(shù)，主頻越高，執(zhí)行一條指令的時間就越短，因而速度就愈快。主頻一般以兆赫茲（MHz）為單位。

10、目前的微機的主頻在500MHz左右，高的可達1000MHz左右，甚至更高。運算速度是以每秒百萬指令數(shù)（MIPS）為單位。這個指標較主頻更能直觀的反映微型計算機的運算速度。速度是一個綜合指標，影響微型計算機速度的因素還有許多，如存儲器的存取時間系統(tǒng)總線的時鐘頻率等。3.存儲系統(tǒng)容量存儲系統(tǒng)主要包括主存儲器（也稱內(nèi)存）和輔助存儲器（也稱外存）。內(nèi)存儲器容量是指為計算機系統(tǒng)所配置的內(nèi)存總字節(jié)數(shù)，CPU可直接訪問的大部分存儲空間。存儲容量以字節(jié)

11、（B）為單位，一個字節(jié)由8位二進制位組成。用KB，MB，GB，TB等表示，具體換算公式為：目前，軟件系統(tǒng)的體積越來越大，對存儲空間要求也越來越高，很多復雜的軟件，要有足夠大的硬盤空間才能裝得下，要有足夠大的內(nèi)存空間才能運行。4.系統(tǒng)可靠性計算機的可靠性以平均無故障時間（MTBF）表示：其中：Ti：第i次無故障時間；N：故障總次數(shù)。MTBF愈大，系統(tǒng)性能愈好。5.系統(tǒng)可維護性計算機的可維護性以平均修復時間（MTTR）表示：其中：Ti：第i

12、次故障修復時間M：修復總次數(shù)。MTTR愈大，系統(tǒng)性能愈好。6.性價比性價比是用來衡量計算機產(chǎn)品優(yōu)劣的概括性指標。性：指性能，代表計算機的使用價值，它包括計算機的運算速度、存儲器容量、存取周期。通道信息流量速率、輸入輸出設(shè)備的配置和計算機的可靠性。價：指價格，代表計算機的售價。性價比愈大，表明計算機系統(tǒng)愈好。2計算機系統(tǒng)的基本組成完整的計算機系統(tǒng)系統(tǒng)包括：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。兩個部分又由若干個部件組成(如圖）。硬件系統(tǒng)是計算機的“軀干”，

13、是物質(zhì)基礎(chǔ)。而軟件系統(tǒng)則是建立在這個“軀干”上的“靈魂”。（一）計算機硬件文件分配表用于描述文件在磁盤上存放的位置以及整個軟盤扇區(qū)的使用情況。文件目錄表區(qū)用來存放軟盤根目錄下所有子目錄文件文件屬性、文件在軟盤上的存放的開始位置、文件長度以及文件建立和修改的日期和時間。數(shù)據(jù)區(qū)是存放文件內(nèi)容的區(qū)域。引導區(qū)和文件分配表這些供系統(tǒng)使用和管理軟盤的重要信息存放在軟盤的0磁道上，所以如果磁盤的0磁道損壞會導致整個軟盤無法使用。軟盤的特點是成本低，重

14、量輕，價格便宜，便于攜帶，缺點是存儲容量小，且軟盤容易損壞。硬盤硬盤也稱固定盤。硬盤的存儲容量，讀寫速度均比軟盤高得多。磁盤是按柱面磁頭號和扇區(qū)的格式組織存取信息的，(如圖4所示)的柱面由一組盤片的同一磁道在縱向上所形成的同心圓柱面構(gòu)成。柱面從外想內(nèi)編號，同一柱面上的各個磁道和扇區(qū)的劃分與軟盤基本相同。數(shù)據(jù)在硬盤上的位置通過柱面號，磁頭號和扇區(qū)號三個參數(shù)來確定的，硬盤與硬盤驅(qū)動器固定在一起，硬盤格式化后，其使用方式與軟盤一樣，也是通過盤

15、符標識符來確認。硬盤的盤符通常為“C：”，若系統(tǒng)配有多個硬盤或?qū)⒁粋€物理硬盤劃分為多個邏輯硬盤，則盤符可依次為“C：”、“D”、“E”、“F”等。(圖4)目前微型計算機中普遍使用了3英寸和5英寸硬盤，大都采用溫切斯特（wenchester）技術(shù)，所以有時稱這類硬盤為溫盤。硬盤的特點是可靠性高，存儲容量大，讀寫速度快，對環(huán)境要求不高。缺點是不便于攜帶，切工作時應避免振動。光盤光盤是用光學的方式制成的，光盤盤片上有一層可塑材料。寫入數(shù)據(jù)時，

16、永高能激光束照射光盤片，可在可塑層上灼出極小的坑，并以有無小坑表示數(shù)字“0”和“1”，當數(shù)據(jù)全部寫入光盤后，再在可塑層上噴涂一層金屬材料，這樣光盤就不能再寫入數(shù)據(jù)。再讀出數(shù)據(jù)時，永低能激光束入射光盤，利用盤表面上的小坑和平面處的不同反射來區(qū)分“0”和“1”。目前微型計算機中大都配有只讀式光盤（COMPACTDISKREADONLYMEMY，簡稱CDROM），每張關(guān)盤容量可達650MB，可存放程序，文本，圖象，音樂和電影等各種信息。光盤需

17、要語光盤驅(qū)動器配合使用。光盤驅(qū)動器（簡稱光驅(qū)）是多媒體電腦的重要輸入設(shè)備。光驅(qū)的盤符一般為緊鄰著硬盤盤符后的那一個英文字母來表示。根據(jù)使用方式及性能不同，光盤分為三類：①只讀式關(guān)盤（CDROM）：用戶只能讀取而無法修改其中的數(shù)據(jù)。②一次性寫入光盤（WriteOnceReadManytime簡稱WM）：用戶可以寫入一次，但可多次讀取。③可擦除光盤：用戶可以像用軟盤一樣對其進行多次讀寫操作。④光盤的特點:1)存儲容量大價格低2)不怕電磁干擾

18、存儲密度高可靠性高3)存取速度在不斷增高。＊輸入設(shè)備鍵盤（Keyboard）：104、107鍵盤鼠標（Mouse）:機械和光電鼠標兩種手寫筆觸摸屏麥克風掃描儀（Scanner）視頻輸入設(shè)備條形碼掃描＊輸出設(shè)備顯示器：CRT和液晶顯示器。打印機：針式、噴墨、激光打印機。繪圖儀音箱＊總線＊總線計算機總線是一組連接各個部件的公共通信線。計算機中的各個部件是通過總線相連的，因此各個部件間通信關(guān)系變成面向總線的單一關(guān)系(如圖所示）。但是任一瞬間總

19、線上只能出現(xiàn)一個部件發(fā)往另一個部件的信息，這意味著總線只能分時使用，而這是需要加以控制的?？偩€使用權(quán)的控制是設(shè)計計算機系統(tǒng)時要認真考慮的重要問題。總線是一組物理導線，并非一根。根據(jù)總線上傳送的信息不同，分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。①地址總線地址總線傳送地址信息。地址是識別信息存放位置的編號，主存儲器的每個存儲單元及IO接口中不同的設(shè)備都有各自不同的地址。地址總線是CPU向主存儲器和IO接口傳送地址信息的通道，它是自CPU向外傳輸?shù)?/p>

20、單向總線。②數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線傳送系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)或指令。數(shù)據(jù)總線是雙向總線，一方面作為CPU向主存儲器和IO接口傳送數(shù)據(jù)的通道。另一方面，是主存儲器和IO接口向CPU傳送數(shù)據(jù)的通道，數(shù)據(jù)總線的寬度與CPU的字長有關(guān)。③控制總線控制總線傳送控制信號?？刂瓶偩€是CPU向主存儲器和IO接口發(fā)出命令信號的通道，又是外界向CPU傳送狀態(tài)信息的通道。我們通常用總線寬度和總線頻率來表示總線的特征?？偩€寬度為一次能并行傳輸?shù)亩M制位數(shù)，即32位總線一次能傳

21、送32位數(shù)據(jù)，64位一次能傳送64位數(shù)據(jù)?？偩€頻率則用來表示總線的速度，目前常見的總線頻率為66MHZ，100MHZ，133MHZ或更高?？偩€在發(fā)展過程中已逐步標準化，常見總線標準有ISA總線PCI總線、EISA總線和AGP總線。ISA（IndustryStardArchiitecture，工業(yè)標準）總線是一種16位的總線結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，因為很多的接口卡都是根據(jù)ISA標準生產(chǎn)的。PCI（PeripheralComponentInter

22、connection，外部設(shè)備互連）總線是一種32位的高性能總線，可擴展到64位，與ISA總線兼容。目前，高性能微型機主板上都設(shè)有PCI總線。該總線標準性能先進，成本較低，可擴充性好，特別是對于微軟提出的“即插即用”方案的很好支持，現(xiàn)已成為奔騰級以上普遍采用的外設(shè)接插總線。AGP（AcceleratedGraphicspt，圖形加速接口）總線是隨著三維圖形的應用而發(fā)展起來的一種總線標準。三維圖形對計算機速度提出了很高的要求，使得PIC總

23、線傳送速度變得很緊張，AGP在圖形與內(nèi)存之間提供了一條直接的訪問途徑。EISA（ExtendedIndustryStardArchitecture，擴展工業(yè)標準結(jié)構(gòu)）總線是對ISA總線的擴展。（二）計算機軟件計算機軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件是計算機必備的，用以實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、控制、運行、維護，并完成應用程序的裝入、編譯等任務(wù)的程序。系統(tǒng)軟件與具體應用無關(guān)，是在系統(tǒng)一級上提供的服務(wù)。常用的系統(tǒng)軟件：操作系

24、統(tǒng)、編譯程序、語言處理程序和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。例如：操作系統(tǒng)：DOS、Windows95982000、Unix、Linux、WindowsNT；編譯系統(tǒng)：機器語言，匯編語言和高級語言數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：Foxpro，Access，ale，Sybase，DB2和Infmix應用軟件：應用軟件是為了解決計算機應用中的實際問題而編制的程序。它包括商品化的通用軟件和實用軟件，也包括用戶自己編制的各種應用程序。按照應用軟件的應用領(lǐng)域與開發(fā)方式，可以把應用