編程奧賽基礎(chǔ)

1、1計(jì)算機(jī)概述世界第一臺(tái)電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)于1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)正式投入運(yùn)行，它的名稱叫ENIAC(埃尼阿克)，是電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)的縮寫。它使用了17468個(gè)真空電子管，耗電174千瓦，占地170平方，重30噸，每秒鐘可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。被西方人譽(yù)為“計(jì)算機(jī)之父”的美籍匈牙利科學(xué)家、數(shù)學(xué)家馮諾依曼于1945年發(fā)表了一個(gè)全新的“存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)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(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令在存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)和指令都是以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的。從存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容來(lái)看兩者并無(wú)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(jì)算機(jī)在讀取指令時(shí)，把從計(jì)算機(jī)讀到的信息看作是指令；而在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，把從計(jì)算機(jī)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(huì)產(chǎn)生混亂。有時(shí)我們也把存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和指令統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)，因?yàn)槌绦蛐畔⒈旧硪部梢宰鳛楸惶幚淼膶?duì)

3、象，進(jìn)行加工處理，例如對(duì)照程序進(jìn)行編譯，就是將源程序當(dāng)作被加工處理的對(duì)象。(2)采用存儲(chǔ)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(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)就能自動(dòng)地、連續(xù)地從存儲(chǔ)器中依次取出指令且執(zhí)行。這是計(jì)算機(jī)能高速自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計(jì)算機(jī)功能的擴(kuò)展在很大程度上也體現(xiàn)為所存儲(chǔ)程序的擴(kuò)展。計(jì)算機(jī)的許多具體工作方式也是由此派生的。馮諾依曼機(jī)的這種工作

4、方式，可稱為控制流(指令流)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行處理。因此在執(zhí)行程序的過(guò)程中，始終以控制信息流為驅(qū)動(dòng)工作的因素，而數(shù)據(jù)信息流則是被動(dòng)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(gè)程序(指令)計(jì)數(shù)器PC(ProgramCounter)，讓它存放當(dāng)前指令所在的存儲(chǔ)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(biāo)地址送入PC，以便按新地址讀取后繼指令。所以，PC就像一個(gè)指針，一直指示著程序的執(zhí)行進(jìn)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(jìn)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(gè)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(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和

6、輸出設(shè)備五大部件組成計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)思想，到目前為止，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)仍沿用這一體制，即馮諾依曼型計(jì)算機(jī)體制。計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程發(fā)展階段發(fā)展時(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：

7、1.運(yùn)算速度快：最快可以達(dá)到上萬(wàn)億次s。2.精確度高：微型機(jī)可達(dá)到十幾位有效數(shù)字。3.存儲(chǔ)功能（有記憶功能）：能存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。4.能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。5.在程序的控制下能自動(dòng)工作。計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用：1、科學(xué)計(jì)算：密碼破譯，天氣預(yù)報(bào)，地質(zhì)勘探，衛(wèi)星軌道計(jì)算2、數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)庫(kù)管理，企業(yè)信息管理，統(tǒng)計(jì)匯總、辦公自動(dòng)化3、自動(dòng)控制：機(jī)器人以及各種自動(dòng)化裝備4、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析制造教學(xué)：機(jī)械CAD，建筑CAD，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI5、智能模擬：

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

9、如80386，80486，PIV等。對(duì)于數(shù)據(jù)，字長(zhǎng)愈長(zhǎng)，運(yùn)算精度愈高；對(duì)于指令，字長(zhǎng)愈長(zhǎng)，則功能愈強(qiáng)，而尋址的存儲(chǔ)空間也愈大。2.速度不同配置微型計(jì)算機(jī)按相同的算法執(zhí)行相同的任務(wù)所需要的時(shí)間可能是不同的，這和微型計(jì)算機(jī)的速度有關(guān)。微型計(jì)算機(jī)速度指標(biāo)可以用主頻和運(yùn)算速度來(lái)評(píng)價(jià)。主頻也稱時(shí)鐘頻率，是指CPU工作時(shí)的頻率。主頻是衡量微型機(jī)運(yùn)行速度的主要參數(shù)，主頻越高，執(zhí)行一條指令的時(shí)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(jī)的主頻在500MHz左右，高的可達(dá)1000MHz左右，甚至更高。運(yùn)算速度是以每秒百萬(wàn)指令數(shù)（MIPS）為單位。這個(gè)指標(biāo)較主頻更能直觀的反映微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。速度是一個(gè)綜合指標(biāo)，影響微型計(jì)算機(jī)速度的因素還有許多，如存儲(chǔ)器的存取時(shí)間系統(tǒng)總線的時(shí)鐘頻率等。3.存儲(chǔ)系統(tǒng)容量存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括主存儲(chǔ)器（也稱內(nèi)存）和輔助存儲(chǔ)器（也稱外存）。內(nèi)存儲(chǔ)器容量是指為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所配置的內(nèi)存總字節(jié)數(shù)，CPU可直接訪問(wèn)的大部分存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)容量以字節(jié)

11、（B）為單位，一個(gè)字節(jié)由8位二進(jìn)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(lái)越大，對(duì)存儲(chǔ)空間要求也越來(lái)越高，很多復(fù)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(yùn)行。4.系統(tǒng)可靠性計(jì)算機(jī)的可靠性以平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）表示：其中：Ti：第i次無(wú)故障時(shí)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(hù)性計(jì)算機(jī)的可維護(hù)性以平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）表示：其中：Ti：第i

12、次故障修復(fù)時(shí)間M：修復(fù)總次數(shù)。MTTR愈大，系統(tǒng)性能愈好。6.性價(jià)比性價(jià)比是用來(lái)衡量計(jì)算機(jī)產(chǎn)品優(yōu)劣的概括性指標(biāo)。性：指性能，代表計(jì)算機(jī)的使用價(jià)值，它包括計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)的可靠性。價(jià)：指價(jià)格，代表計(jì)算機(jī)的售價(jià)。性價(jià)比愈大，表明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)愈好。2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)包括：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。兩個(gè)部分又由若干個(gè)部件組成(如圖）。硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的“軀干”，

13、是物質(zhì)基礎(chǔ)。而軟件系統(tǒng)則是建立在這個(gè)“軀干”上的“靈魂”。（一）計(jì)算機(jī)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(gè)軟盤扇區(qū)的使用情況。文件目錄表區(qū)用來(lái)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(zhǎng)度以及文件建立和修改的日期和時(shí)間。數(shù)據(jù)區(qū)是存放文件內(nèi)容的區(qū)域。引導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)軟盤無(wú)法使用。軟盤的特點(diǎn)是成本低，重

14、量輕，價(jià)格便宜，便于攜帶，缺點(diǎn)是存儲(chǔ)容量小，且軟盤容易損壞。硬盤硬盤也稱固定盤。硬盤的存儲(chǔ)容量，讀寫速度均比軟盤高得多。磁盤是按柱面磁頭號(hào)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(hào)，同一柱面上的各個(gè)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(guò)柱面號(hào)，磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)三個(gè)參數(shù)來(lái)確定的，硬盤與硬盤驅(qū)動(dòng)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(guò)盤

15、符標(biāo)識(shí)符來(lái)確認(rèn)。硬盤的盤符通常為“C：”，若系統(tǒng)配有多個(gè)硬盤或?qū)⒁粋€(gè)物理硬盤劃分為多個(gè)邏輯硬盤，則盤符可依次為“C：”、“D”、“E”、“F”等。(圖4)目前微型計(jì)算機(jī)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(shí)稱這類硬盤為溫盤。硬盤的特點(diǎn)是可靠性高，存儲(chǔ)容量大，讀寫速度快，對(duì)環(huán)境要求不高。缺點(diǎn)是不便于攜帶，切工作時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。光盤光盤是用光學(xué)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(shí)，

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(wú)小坑表示數(shù)字“0”和“1”，當(dāng)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(shí)，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(lái)區(qū)分“0”和“1”。目前微型計(jì)算機(jī)中大都配有只讀式光盤（COMPACTDISKREADONLYMEMY，簡(jiǎn)稱CDROM），每張關(guān)盤容量可達(dá)650MB，可存放程序，文本，圖象，音樂(lè)和電影等各種信息。光盤需

17、要語(yǔ)光盤驅(qū)動(dòng)器配合使用。光盤驅(qū)動(dòng)器（簡(jiǎn)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(gè)英文字母來(lái)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(wú)法修改其中的數(shù)據(jù)。②一次性寫入光盤（WriteOnceReadManytime簡(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行多次讀寫操作。④光盤的特點(diǎn):1)存儲(chǔ)容量大價(jià)格低2)不怕電磁干擾

18、存儲(chǔ)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(biāo)（Mouse）:機(jī)械和光電鼠標(biāo)兩種手寫筆觸摸屏麥克風(fēng)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(jī)：針式、噴墨、激光打印機(jī)。繪圖儀音箱＊總線＊總線計(jì)算機(jī)總線是一組連接各個(gè)部件的公共通信線。計(jì)算機(jī)中的各個(gè)部件是通過(guò)總線相連的，因此各個(gè)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(gè)部件發(fā)往另一個(gè)部件的信息，這意味著總線只能分時(shí)使用，而這是需要加以控制的?？偩€使用權(quán)的控制是設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)要認(rèn)真考慮的重要問(wèn)題?？偩€是一組物理導(dǎo)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(shí)別信息存放位置的編號(hào)，主存儲(chǔ)器的每個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器和IO接口傳送數(shù)據(jù)的通道。另一方面，是主存儲(chǔ)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(zhǎng)有關(guān)。③控制總線控制總線傳送控制信號(hào)?？刂瓶偩€是CPU向主存儲(chǔ)器和IO接口發(fā)出命令信號(hào)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(lái)表示總線的特征?？偩€寬度為一次能并行傳輸?shù)亩M(jìn)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(lái)表示總線的速度，目前常見(jiàn)的總線頻率為66MHZ，100MHZ，133MHZ或更高?？偩€在發(fā)展過(guò)程中已逐步標(biāo)準(zhǔn)化，常見(jiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)有ISA總線PCI總線、EISA總線和AGP總線。ISA（IndustryStardArchiitecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）總線是一種16位的總線結(jié)構(gòu)，適用范圍廣，因?yàn)楹芏嗟慕涌诳ǘ际歉鶕?jù)ISA標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展到64位，與ISA總線兼容。目前，高性能微型機(jī)主板上都設(shè)有PCI總線。該總線標(biāo)準(zhǔn)性能先進(jìn)，成本較低，可擴(kuò)充性好，特別是對(duì)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(jí)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(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。三維圖形對(duì)計(jì)算機(jī)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(wèn)途徑。EISA（ExtendedIndustryStardArchitecture，擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）總線是對(duì)ISA總線的擴(kuò)展。（二）計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)必備的，用以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的管理、控制、運(yùn)行、維護(hù)，并完成應(yīng)用程序的裝入、編譯等任務(wù)的程序。系統(tǒng)軟件與具體應(yīng)用無(wú)關(guān)，是在系統(tǒng)一級(jí)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(yǔ)言處理程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等。例如：操作系統(tǒng)：DOS、Windows95982000、Unix、Linux、WindowsNT；編譯系統(tǒng)：機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：Foxpro，Access，ale，Sybase，DB2和Infmix應(yīng)用軟件：應(yīng)用軟件是為了解決計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題而編制的程序。它包括商品化的通用軟件和實(shí)用軟件，也包括用戶自己編制的各種應(yīng)用程序。按照應(yīng)用軟件的應(yīng)用領(lǐng)域與開發(fā)方式，可以把應(yīng)用