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第一章基础知识 第一章概述 1 1计算机系统1 2计算机的发展与展望1 2 1原始计算1 2 2机械式计算1 2 3电子计算机1 2 4未来计算机的发展趋势1 3计算机的分类1 4计算机的应用领域1 5小结 1 1计算机系统 计算机系统的构成硬件软件其管理的数据 返回 计算机硬件 计算机硬件是计算机装置 即物理设备计算机的性能 如 运算速度 存储容量 计算精度 可靠性等 很大程度上取决于硬件的配置计算机硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称是计算机完成各项工作的物质基础 计算机硬件系统 计算机硬件系统由五大功能部件组成运算器控制器存储器输入设备输出设备这些部件通过总线有机地连接在一起 相互配合 协同工作 是计算机能够运行的物质基础 返回 计算机软件 计算机软件是指以下三者的集合用某种计算机语言编写的程序数据相关文档计算机软件系统是在计算机上运行的所有软件的总称 计算机软件系统 计算机软件系统分为系统软件应用软件 返回 系统软件 系统软件是控制计算机运行为应用软件提供支持和服务的软件在系统软件的支持下 用户才能运行各种应用程序 系统软件 系统软件通常包括操作系统数据库管理系统计算机语言处理程序实用程序 返回 操作系统 操作系统是位于计算机硬件之上的第一层软件 实现对计算机硬件的首次扩充是应用软件依附的基础 为其它软件的运行提供环境和平台对硬件设备进行分配管理 使得不同程序可以安全有序地共享硬件资源目前 微型计算机上广泛使用的操作系统WindowsXPLinux 返回 数据库管理系统 数据库管理系统是对数据进行管理的一个复杂的系统软件建立在操作系统的基础上 支持用户对数据的组织 管理和存取负责维护数据库 保证数据库的完整性和安全性任何一个程序使用数据时必须先通过数据库管理系统通常使用的关系型数据库有FoxPro Access Oracle以及SQLServer等 返回 计算机语言处理程序 计算机语言是程序设计的工具 也称为程序设计语言 一般分为机器语言汇编语言高级语言 返回 机器语言 机器语言是计算机唯一能直接识别并执行的语言编写的程序是二进制形式的指令代码无须计算机翻译即可直接识别运行程序不易阅读和修改 返回 汇编语言 汇编语言一种面向机器的程序设计语言用简洁的英文字母或助记符代替机器语言作为指令代码更方便 有效地编写程序 返回 高级语言 高级语言最为接近于自然语言的计算机语言采用接近自然语言的字符和表达形式编写程序 返回 计算机语言处理程序 只有机器语言编写的程序能够被计算机直接理解和执行其它计算机语言编写的程序 计算机都不能直接执行必须通过相应的编译程序翻译成机器语言程序后才能执行 或者通过解释程序边解释边执行实现翻译过程的工具就是计算机语言处理程序 返回 实用程序 实用程序完成与管理计算机系统资源及文件有关的任务解决计算机发生各种问题 如 硬盘损坏 病毒感染 运行速度下降等 当今的操作系统包含一些实用程序 也有软件开发商提供的独立的实用程序WindowsXP中的备份 磁盘清理 碎片整理程序等反病毒程序 文件压缩程序等 返回 应用软件 应用软件是为解决某一应用领域的实际问题而开发的软件随着微型计算机性能的提高和Internet网络的发展 应用软件的种类不断推陈出新如人口普查软件 飞机订票软件 财务管理软件等 返回 计算机系统的层次结构 对于完整的计算机系统 硬件系统和软件系统是按照一定层次组织起来的 计算机系统的层次结构 最内层是硬件系统 只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为 裸机 只能识别由0和1组成的机器代码 难以发挥应有作用与硬件系统直接接触的是操作系统 它把硬件和其它软件分割开来 向下直接控制计算机硬件系统 向上支持各种语言处理程序 实用程序和数据库管理程序等系统软件最外层则是用户使用的应用软件 1 2计算机的发展与展望 计算 是一个历史悠久的数学概念 它伴随着人类文明的起源而发展在原始社会时期生产力低下 生产技术落后 人们采用最简单和最形象化的方式进行计算 如 指算 结绳计算等随着文明的进步 出现了越来越多 越来越复杂的计算工具 如 当今人们经常借助计算机进行复杂 精确的计算 返回 1 2计算机的发展与展望 原始计算机械式计算电子计算机 返回 1 2 1原始计算 人类最初的计算机工具是人类的双手双手的局限性 人类开始学习用小木棍 石子等身外物作为计算工具直至2000多年前的春秋战国时代 古代中国人发明了世界上最早的计算工具 算筹 它可以进行加 减 乘 除 开方以及其它的代数计算大约六 七百年前 中国人又发明了算盘 返回 1 2 2机械式计算 1621年 英国人冈特发明了计算尺 这是世界上最早的模拟计算工具1642年 法国数学家帕斯卡发明了机械的齿轮式加法机1673年 德国数学家莱布尼兹设计了机械乘除器 返回 1 2 2机械式计算 1822年 巴贝奇发明了差分机巴贝奇提出的分析机的结构和设计思想体现了现代计算机的构想 具有输入 处理 存储 输出及控制5个基本装置 是现代通用计算机的雏形 奠定了现代数字计算机的基础 巴比奇和差分机 返回 1 2 3电子计算机 19世纪后期 计算装置开始从机械向电气控制方向发展 电子器件逐渐成为计算机的主体 由此导致了电子计算机的问世1946年 世界上第一台通用的 完全电子计算机由美国宾夕法尼亚大学 莫尔小组 的四位科学家和工程师研制出 它被称为ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndComputer 返回 ENIAC 一秒内进行5000次加法运算3毫秒进行一次乘法运算占地160m2 体积庞大使用了1 8万个电于管 1500个电子继电器 7万个电阻 1 8万个电容器工作时至少需要200KW电力存储容量很小 只能存储20个字长为10位的十进位数用线路连接方法来编排程序为了指示计算 它用了6000多个开关和配线盘 1 2 3电子计算机 随后 美国数学家冯 诺依曼提出了 程序存储方式 的解决方案 把原来通过切换开关和改变配线来控制的运算步骤 改为将程序方式预先存放在计算机中 然后让其自动计算 这台计算机就是EDVCA 在以后的日子中 计算机的发展正是沿着 程序存储方式 这一道路前进 虽然计算机发展至今 在性能指标 运算速度 工作方式 应用领域等方面与当时的计算机有很大差别 但其基本结构都没有改变 都属于冯 诺伊曼模型 返回 1 2 3电子计算机 以计算机的主要电子元器件来划分计算机系统的发展阶段电子管阶段晶体管阶段集成电路阶段大规模和超大规模集成电路阶段智能计算机 第一代计算机 20世纪40年代 50年代 电子管阶段 采用电子管 又称为真空管 作为主要电子器件 主存采用磁鼓 外存使用磁带 用绝缘导线将它们互联起来运算速度仅有每秒几千次 内存容量仅为几KB用户在计算机上的操作和编程完全由手工完成 以绝对的机器语言形式 二进制代码 编程 采用开并板来控制计算机操作 没有显示设备 仅运用数码显示没有操作系统 对计算机的操作完全是人工操作方式 一台计算机的全部资源只能为一个用户独占 CPU的利用率非常低 返回 第二代计算机 20世纪50年代 60年代 晶体管阶段 用晶体管元件代替了电子管器件作为主要电子器件 主存采用磁芯 外存不仅使用磁带 而且使用磁盘 存取速度变快运算速度提高到每秒几十万次 内存容量也扩大到几十KB算法语言出现 即各种高级语言及其编译程序 如 FORTRAN和COBOL 可以用类似于英语的语句编写指令为了提高CPU等资源的利用率 出现了以单道批处理为主的操作系统 突出的特点是 批量 返回 第三代计算机 20世纪60年代 70年代 集成电路阶段 普遍采用了小 中规模集成电路主存用半导体代替了磁芯 外存使用磁盘运行速度更快 可达到每秒几十万次至几百万次引入多道程序批处理系统在软件方面 诞生了如BASIC Pascal等简单易用的高级语言此时的系统软件是由操作系统 语言翻译程序和处理频繁执行任务的实用程序构成 返回 第四代计算机 20世纪70年代 90年代 大规模和超大规模集成电路阶段 采用大规模集成电路和超大规模集成电路运行速度可达每秒几百万次到几亿次主存采用半导体 外存采用大容量的软 硬磁盘 并开始使用光盘相继出现了微机操作系统 并行操作系统 分布式操作系统 网络操作系统和嵌入式操作系统 返回 第五代计算机 20世纪90年代 现在 智能计算机 第五代电子计算机是超大规模集成电路 人工智能 软件工程以及新型计算机等技术的综合产物智能化程度高 能识别文字 图像 声音等信息 且具有思维 联想 学习和推理功能 能解决复杂问题 具有汇集 记忆 检索等能力伴随着软件管理能力的提高 需要操作系统具备更高的处理能力 更易扩展性 以及更好兼容性 返回 计算机各个发展阶段的比较 返回 1 2 4未来计算机的发展趋势 计算机技术的发展将会沿一条怎样的轨道进行呢 电子计算机的发展方向计算机的未来 返回 电子计算机的发展方向 从类型上看 今天的电子计算机技术正在向四个方向发展巨型化微型化网络化智能化 返回 计算机的巨型化 巨型机并不指计算机的体积大 而是指具有运算速度高 存储容量大 功能更完善的计算机系统运算速度通常在每秒1亿次以上 存储容量超过百万兆字节在航空航天 军事工业 气象 人工智能等领域发挥巨大的作用 特别是在复杂大型科学计算领域 其它机种是很难与其抗衡的 返回 计算机的微型化 计算机的微型化得益于大规模和超大规模集成电路的发展 它可以将计算机的核心部件 运算器和控制器 集成在一块大规模或超大规模集成电路芯片上 作为中央处理单元 称为微处理器 使得 个人计算机 成为可能微型计算机已经成了人们生活中不可缺少的工具 计算机还会继续向着微型化的趋势发展从笔记本电脑到掌上型电脑 再到嵌入到各种各样家电中的电脑控制芯片 甚至进入到人体内部 或是嵌入到人脑中的微电脑都将成为现实 返回 计算机的网络化 计算机的网络化已突破了 帮助计算机主机完成了与终端通信 的网络概念网络技术只是将众多计算机相互联结起来形成一个规模庞大的网络系统 实现信息的相互传递和共享 体现了 电脑联网 的功效 网络电脑 将网络接口集成到主机的母板上 电脑进网络如同电话机进市内电话交换网一样方便 返回 计算机的智能化 智能化要求计算机具有人的智能 让计算机能够进行图像识别 定理证明 研究学习 探索 联想 启发和理解人的语言等 这是新一代计算机要实现的目标目前的智能计算机具有模拟人的思维能力 俗称 机器人 它能代替人类进行一些体力 脑力劳动 实现 说 看 听 想 做 的功能机器人技术发展迅速 越来越广泛地应用到人们的生活 工作和学习中 返回 计算机中多核处理器 计算机中多核处理器正处于快速发展时期1981年 国际商用机器公司 IBM 推出世界上首台个人单核计算机 即计算机内只有一个运算中心 2001年 IBM公司又率先推出双核产品所谓 双核 就是将两个运算中心集成在一个处理器中 从而提高计算能力目前市场上 双核处理器在台式计算机 笔记本计算机 服务器领域取代单核的速度迅速目前已有4核 8核的处理器 今后将出现内核数量更多的产品 返回 计算机的非冯 诺依曼体系结构 计算机的非冯 诺依曼体系结构是提高现代计算机性能的另一个焦点从第一台电子计算机诞生到现在 各种类型计算机都以存储程序方式进行工作 仍然属于冯 诺依曼型计算机随着计算机应用领域的开拓更新 程序存储和控制 所表现出的 集中顺序控制 已成为提高计算机性能的瓶颈人们提出许多非冯 诺依曼体系结构的计算机理论 如 光子计算机 神经网络计算机 及 生物计算机 返回 计算机的多媒体化 计算机的多媒体化是指以数字技术为核心 集声音 图像 通信与计算机等融为一体的信息环境实质上是利用计算机使人们能以更接近自然的方式进行信息交换高质量的多媒体设备和相关技术 如视频和音频数据的压缩 解压缩技术 接口的实现方案等还需进一步研制 返回 计算机的未来 计算机中最重要的核心部件是芯片 芯片制造技术的进步是推动计算机发展的根本的动力 然而以硅为基础的芯片制造技术日益走向它的物理极限 要解决这一矛盾 必须开拓新的制造技术 有可能的技术包括三种 光技术生物技术神经网络技术 返回 光子计算机 光子计算机是利用光子代替现代半导体芯片中的电子主要优点超高速的运算速度超大规模的信息存储容量能量消耗小 散发热量低 是一种节能型产品 返回 生物计算机 生物计算机就是利用DNA计算技术代替传统电子技术的新型计算机运算速度比当今最新一代计算机快10万倍 具有很强的抗电磁干扰能力 能彻底消除电路间的干扰能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一 具有巨大的存储能力 从而解决了现代计算机中由于半导体硅晶片的电路非常密集 散热问题难以解决的困境生物计算机体现出的性能优势 比硅晶片计算机在速度和性能上有质的飞跃 它已成为当今计算机技术研究的前沿领域 返回 神经网络计算机 神经网络计算机是具有模仿人的大脑判断能力和适应能力 可并行处理多种数据功能的计算机判断对象的性质与状态 能采取相应的行动 可同时并行处理实时变化的大量数据 并引出结论神经网络计算机的信息不是存在存储器中 而是存储在神经元之间的联络网中 若有节点断裂 计算机仍有重建资料的能力具有联想记忆 视觉和声音识别能力 返回 1 3计算机的分类 按计算机处理数据的方式分类电子模拟计算机电子数字计算机 返回 模拟计算机 模拟 是相似的涵义存储和处理的数据都是模拟量 如电压 电流 温度等 这些数据在时间上都是连续的精度和解题能力都有限 应用范围较小 返回 数字计算机 用数字来表示数量的大小 存储和处理的数据都是数字量 这些数据在时间上是离散的以近似于人类的 思维过程 来进行工作 返回 数字计算机与模拟计算机对比 返回 1 3计算机的分类 按计算机的用途分类通用计算机专用计算机 通用计算机 通用计算机是指为解决各种问题 具有较强的通用性而设计的计算机具有广泛的用途和使用范围 适应性很大 可以应用于科学计算 数据处理和过程控制等其运行效率 速度和经济性会因不同的应用对象而受到不同程度的影响 返回 专用计算机 专用计算机针对某类问题能显示出最有效 最快速和最经济的特性适用于某一特殊的应用领域 如智能仪表 生产过程控制 军事装备的自动控制等适应性面窄 不适于其他方面的应用 返回 1 3计算机的分类 按计算机的规模分类巨型机大型机小型机服务器工作站微型机单片机 巨型机 大型机 服务器 巨型机的CPU由成千上万个微处理器组成 有极强的计算能力 运算速度可达每秒万亿次以上 主要用于大型科学计算及航空航天 军事和气象等领域 如我国研制的 银河 和 曙光 系列计算机 天河一号 超级计算机大型机也具有较高的运算速度 较大存储容量 通常作为银行 铁路等大型应用系统中的计算机网络的主机服务器一般是在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备 可分为文件服务器 通信服务器 打印机服务器等 返回 工作站 微型机 单片机 工作站区别于网络系统中的 工作站 它是为了某种特殊用途具有高性能的微型计算机系统 可用于特殊领域 如图像处理 计算机辅助设计等微型机使用大规模集成电路芯片制作的微处理器 存储器和接口 并配置相应的软件 从而构成完整的微型计算机系统 它的问世推动了计算机的普及 使其成为无所不在的常用工具单片机是只用一片集成电路做成的计算机 体积小 结构简单 性能指标低 价格便宜 返回 单片机 微型机 小型机 大型机 巨型机 服务器 工作站之间的区别 返回 可见 介于巨型机和单片机之间的是大型机 小型机和微型机 它们在结构规模和性能指标上是依次递减的随着巨大规模集成电路的迅速发展 微型机和单片机等彼此之间的概念也在发生变化 今天的微型机可能成为明天的单片机 返回 1 4计算机的应用领域 计算机的应用已经涉及到经济 政治 军事以及社会生活的各个领域 归纳起来 有如下多个方面科学计算数据处理过程控制计算机辅助系统人工智能网络通信嵌入式系统 返回 科学计算 又称为数值计算 是计算机的传统应用领域计算机具有很高的运算速度和精度 过去用手工无法完成的计算使其成为可行的事情在尖端科学研究领域 如工程设计 气象预报 人造卫星轨迹的计算等都需要由计算机担任庞大而复杂的计算任务 返回