大学计算机基础(第2版微课版科学出版社十三五普通高等教育本科规划教材)

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第1章 计算机基础知识
　　计算机是人类20世纪最重要的发明之一，自从有了计算机，人类的生活发生了翻天覆地的变化，随着计算机技术的飞速发展，计算机已经广泛地应用到社会各个领域，它在改变人们的生活，计算机把人类带入了信息化时代，浏览网页、网上购物、聊天、发送电子邮件、网上银行等，正在影响着人们的学习、生产、工作、生活方式，可以说人们的生活已经离不开计算机了。因此，掌握计算机基础知识和基本操作技能显得非常重要。
　　1.1 计算机的发展及应用
　　人类的计算工具从算盘到计算器，从计算器到计算机，是一个质的飞越。那么什么是计算机呢？电子计算机(Computer)是一种由电子器件构成的可以进行自动、精确、高速的运算，并具有内部存储和逻辑判断功能的电子设备，其工作方式可以模仿人的大脑活动，因此，计算机也称“电脑”。
　　1.1.1 计算机的产生与发展
　　1．计算机的产生
　　微课1.1.1
　　1946年2月14日，美国宾夕法尼亚大学研制出了世界上**台电子计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer，电子数字积分计算机)，如图1-1所示，ENIAC的问世标志着计算机时代的到来。**台电子计算机主要用于军事上的高速计算。
　　图1-1 世界上**台电子计算机ENIAC
　　ENIAC主要元器件为电子管，由18000多个电子管、10000个电容器、1500个继电器及其他元件组成，重约30t，占地面积约170m2，耗电量为150kW/h，每秒能进行5000次加法运算或400次乘法运算。
　　1944年7月，美籍匈牙利科学家冯 诺依曼在莫尔电气工程学院参观了正在组装的ENIAC，当时他正在美国参加**颗原子弹的研究，带着在研制的过程中遇到的问题，提出了“程序存储”，奠定了存储程序式计算机的理论基础，确立了现代计算机的基本结构。
　　2．计算机的发展阶段
　　从1946年**台电子计算机诞生至今，按电子计算机所采用的电子元器件，计算机主要经历以下几个发展阶段。
　　(1)**代计算机(1946～1957年)，电子管计算机时代。1946～1957年为计算机发展的初级阶段，在硬件方面，计算机采用的电子元器件为电子管，主存储器采用磁鼓或延迟线；外存采用纸带、卡片、磁带；软件方面采用机器语言或汇编语言编写程序，尚无操作系统。**代计算机体积庞大，耗电量大，价格昂贵，可靠性差，外设有限，存储容量小，运算速度为每秒几千次至几万次，主要应用于科学计算和军事领域。电子管如图1-2所示。
　　(2)第二代计算机(1958～1964年)，晶体管计算机时代。1958～1964年为计算机发展的第二阶段，在硬件方面，计算机采用的电子元器件为晶体管，主存储器采用磁芯；外存采用磁盘、磁带；软件方面出现了高级程序设计语言和操作系统，成本降低，可靠性提高；运算速度为每秒几万次至几十万次，应用领域从科学计算、科学研究扩大到数据处理、实务管理与过程控制等。晶体管如图1-3所示。
　　图1-2 电子管
　　图1-3 晶体管
　　(3)第三代计算机(1965～1970年)，中、小规模集成电路计算机时代。1965～1970年为计算机发展的第三阶段，在硬件方面，计算机采用的电子元器件为中、小规模集成电路，主存储器采用半导体存储器，存储容量和存储速度大大提高；计算机体积大大缩小，耗电量减少，可靠性与运算速度进一步提高，软件方面出现了结构化、模块化高级程序设计语言和分时操作系统，成本降低，可靠性提高；运算速度为每秒几十万次至几百万次，应用领域越来越广泛，计算机得到了普及。中、小规模集成电路如图1-4所示。
　　(4)第四代计算机(1971年至今)：大规模、超大规模集成电路计算机时代。1971年至今为计算机发展的第四阶段，硬件方面，计算机采用的电子元器件为大规模和超大规模集成电路，出现了中央处理器。计算机的软硬件得到日益完善，计算机的性能大幅度提高，运算速度达到几千万次到千百亿次。计算机体积更小、功能更强、价格更便宜，计算机朝着巨型化和微型化两极发展，出现了微型计算机，微型计算机的出现使计算机的应用进入了飞速发展时期，开始进入了办公室和家庭，应用领域越来越广泛。大规模、超大规模集成电路如图1-5所示。
　　图1-4 中、小规模集成电路
　　图1-5 大规模、超大规模集成电路
　　现代计算机正逐步进入人工智能计算机(第五代计算机)时代。目前，计算机正朝着人工智能方向发展，现代计算机可以帮助人们完成许多人类难以完成的工作，在一定程度上替代了人类的部分脑力劳动，具备了一定的“智能”，但是不能真正听懂人类的语言，不具备真正的人类思维活动，如推理、情感、分析、决策等。
　　第五代计算机的发展与人工智能、专家系统等研制密切相连，将突破传统的冯 诺依曼体系结构，把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合起来，具有形式推理、联想、学习和解释能力。
　　3．微型计算机阶段
　　微型计算机诞生于20世纪70年代，属第四代计算机，是大规模和超大规模集成电路的产物。人们通常把微型计算机称为PC(PersonalComputer)或个人计算机。微型计算机以微处理器(CentralProcessingUnit，CPU)为其核心部件，常以CPU的字长为标志划分其阶段。
　　根据微处理器的字长和功能，可将微型计算机的发展划分为以下几个阶段。
　　(1)Intel 4004微处理器，字长4位。Intel8008微处理器，字长8位。
　　(2)Intel 8080/8085，字长8位。
　　(3)Intel 8086/8088，字长16位。
　　(4)Intel 80386，字长32位。
　　(5)奔腾、奔腾2、奔腾3、奔腾4。
　　(6)酷睿(Core)系列微处理器时代。
　　4．当前计算机的发展趋势
　　从**台电子计算机诞生到现在，计算机体积越来越小、功能越来越强大、成本越来越低、性能越来越稳定、价格越来越便宜。计算机的飞速发展推动了教育、医疗、航天、农业等行业的发展，随着计算机应用越来越广泛，又向计算机技术提出了更高、更新的要求。当前，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化方向发展。
　　(1)巨型化。巨型化是指运算速度更快、存储容量更大、功能更强大的计算机。巨型计算机采用多处理器结构和并行处理技术，主要用于尖端科学技术和军事国防领域的研究开发。
　　例如，我们对地震的预测、宇宙飞船的发射、天气预报的预测都需要高精度、高速度的计算机。2016年6月，由中国国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威 太湖之光”超级计算机，成为全球运行速度最快的超级计算机，如图1-6所示。神威 太湖之光超级计算机在2020全球超算500强排行榜中位居第四名，此届全球超算500强排行榜中国共计217台超级计算机上榜，数量遥遥领先其他国家。
　　图1-6 “神威 太湖之光”超级计算机
　　(2)微型化。随着大规模和超大规模集成电路技术的快速发展，集成度越来越高，计算机体积变得越来越小，功能越来越强大，价格越来越便宜。出现了笔记本电脑、掌上电脑、台式计算机等微型计算机，如图1-7～图1-9所示。
　　图1-7 笔记本电脑
　　图1-8 掌上电脑
　　图1-9 台式计算机
　　(3)网络化。网络化指的是计算机网络将分布在不同地理位置的计算机和各种通信设备用通信线路连接起来，组成一个规模更大、功能更强的网络系统，实现资源共享和相互通信。计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商务等行业中得到了广泛的应用。例如，我们可以上网浏览网页、在线看电影或听音乐、网上购物。
　　(4)多媒体化。多媒体计算机就是把计算机、电视机、录音机等媒体结合起来，多媒体技术是一门跨学科的技术，采用多媒体技术使计算机能够处理文字、图形、声音、动画等多种形式的信息。现代远程教育、医疗、娱乐都与多媒体技术的发展密切相关。
　　(5)智能化。智能化指让计算机具备人类的某些智能行为，使计算机具备“视觉”“听觉”“语言”“分析”“推理”等能力，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。美国研究的无人机，不需要人为远程控制，它会按照事先安排好的任务自动飞行。
　　1.1.2 计算机的特点
　　微课1.1.2
　　1．运算速度快
　　计算机的运算速度是计算机最显著的特点之一，也是最主要的性能指标之一，已从最初的每秒几千次发展到现在的最高每秒千百亿次。由于计算机的运算速度快，过去许多无法处理的问题得以及时解决。例如，天气预报，需要计算大量的气象数据，如果手工计算，可能还没有计算出来天气已经过去了，就失去意义了。
　　2．计算精度高
　　计算机内部采用二进制数据，可以满足各种计算精度的要求。计算机的有效数字可达几十位，几百位，甚至几万位。利用计算机可以把圆周率π推算到小数点后几千位，1949年，瑞特威斯纳(Reitwiesner)用ENIAC把圆周率π算到小数点后2037位，打破了著名数学家商克斯(W.Shanks)花了15年时间于1873年创下的小数点后707位的纪录。
　　3．存储功能强
　　计算机能存储大量的数据和信息，当需要时，又能准确无误地取出来，计算机具有很强的“记忆”功能，这也是和传统的计算工具的一个重要的区别。现在微型计算机主存储器的容量一般为1GB、2GB、4GB，外存储器可以达到1TB以上。计算机存储的信息不会“忘却”，但是人脑所记忆的东西会随着时间的推移而逐渐忘记。
　　4．自动控制能力高
　　计算机采用程序存储的方式进行工作，把人们事先编写好的程序存储在计算机中，一旦向计算机发出指令，就可以自动快速地按照指定的步骤执行。现在很多大中型企业采用计算机的自动控制能力。高度自动化是计算机最突出的特点，也是计算机与其他计算工具最本质的区别。
　　5．可靠性高
　　随着大规模和超大规模集成电路的发展，计算机的性能在不断地提高，计算机可以无故障地运行数月甚至几年。
　　6．具有逻辑判断能力
　　计算机除了可以进行算术运算，还可以对文字、符号进行判断、比较，对事件进行逻辑推理和证明。空调、冰箱、全自动洗衣机等设备利用计算机芯片对环境温度、湿度进行逻辑判断，然后启动或停止。
　　1.1.3 计算机的分类
　　微课1.1.3
　　计算机的分类方式很多，通常可以按照计算机对信息的表示形式和处理方式、用途、规模和性能等角度进行分类。
　　1．按信息的表示形式和处理方式分类
　　(1)数字计算机。数字计算机是用来对离散数字信号进行处理的计算机，所处理的信号是离散的，计算机内部采用二进制数据，二进制数据只有0和1两个符号，0对应低电平，1对应高电平。
　　(2)模拟计算机。模拟计算机是用来对连续的信号进行处理的计算机，所处理的信号是连续的，如电流、电压、声音等都是连续的信号。
　　(3)混合式电子计算机。混合式电子计算机结合了数字计算机和模拟计算机的技术，同时具备处理数字信号和模拟信号的功能。
　　2．按照计算机的用途进行分类
　　(1)通用计算机。通用计算机是具有广泛的用途和使用范围，可以完成不同性质的工作的计算机。它的功能很多，我们日常用的计算机都属于通用计算机。
　　(2)专用计算机。专用计算机是为解决某一特定问题、适用于某一特殊领域而专门设计的计算机，如为军事系统而专门设计的计算机。
　　3．按照计算机的规模和性能进行分类
　　(1)巨型计算机。巨型计算机是指运算速度快、精度高、功能强大、存储容量大、价格昂贵的高性能计算机。由于巨型计算机性能好