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第1章计算机基础知识 本章要点 了解计算机的发展历史 基本应用 理解计算机中信息的表示方法 掌握计算机的系统组成 操作系统及其功能 1 1 1计算机概述 1 1 1计算机的发展自ENIAC诞生以来 计算机技术就在不断的发展 由于其主要组成部分是电子元器件 因此 计算机的发展进步与电子元器件的发展紧密相连 根据构成计算机的电子元器件不同 一般将计算机的发展划分为以下四个阶段 2 1 第一代计算机 1946年 1958年 第一代计算机主要采用电子管作为逻辑元件 内存储器采用水银延迟线 外存储器采用磁鼓 纸带 卡片等 每秒只能进行几千到几万次基本运算 内存容量只有几千个字 第一代计算机的编程语言主要采用二进制表示的机器语言或者汇编语言 由于第一代计算机体积庞大 功耗大 造价高 使用不便 因而主要用于军事和科研部门的数值计算 在第一代计算机中 人们常把UNIVAC UniversalAutomaticComputer 看作第一代计算机的代表 它于1951年6月制成并交付美国人口统计局使用 它的问世 标志着计算机从实验室走向社会 其应用范围也从原来的军事领域进入了服务领域 3 2 第二代计算机 1958年 1964年 第二代计算机主要使用晶体管代替原来的电子管作为开关元件 较之电子管 晶体管具有速度快 寿命长 重量轻 体积小 功耗低等优点 内存储器大量采用磁芯 外存主要采用磁带 磁盘 这些使得第二代计算机的体积缩小 功耗降低 运算速度提高到每秒几十万次的基本运算 内存容量扩大到几十万字 这一时期软件设计语言也取得了较大发展 汇编语言的使用已经非常普遍 一批早期高级语言如FORTRAN COBOL也相继投入使用 使编程工作明显简化 大大方便了计算机的使用 4 3 第三代计算机 1964 1970年 第三代计算机的特点是采用集成电路 IntegratedCircuit 简称IC 代替了分立元件 集成电路是在几平方毫米的基片上 集成数十个 小规模集成 SSI 至数百个 中规模集成 MSI 晶体管的电路 较之晶体管分离元件 集成电路不仅体积更小 功耗更省 而且寿命也更长 在正常环境下几乎不会失效 集成电路的优良性能使得计算机的计算速度提高到每秒几十万次乃至几百万次 存储器方面 第三代计算机已经开始使用性能优良的半导体存储器取代磁芯存储器 这使得存储器在容量和可靠性等方面都有了较大的提高 从而极大地提高了计算机的整体性能 5 4 第四代计算机 1971年至今 随着半导体技术的快速发展 集成电路的集成度不断提高 出现了每片基片上能够集成几百到几千个逻辑门的大规模集成电路 Large ScaleIntegration简称LSI 和超大规模集成电路 VeryLarge ScaleIntegration简称VLSI 第四代计算机的主要特征是使用LSI或VLSI来构成计算机的主要功能部件 主存储器也使用集成度很高的半导体存储器 其运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算 同时 软件也得到极大程度的发展 数据库系统 分布式操作系统等层出不穷 硬件与软件呈齐头并进的局面 随着以VLSI为核心的微处理器 Microprocessor 的研制成功 微型计算机应运而生 经过十几年的发展 微机由于其价格低廉和简单易用 得以迅速普及 应用到了人们生活的方方面面 6 7 1 1 2计算机的类型 计算机的种类很多 根据不同的分类标准 可以将计算机分为不同的类别 通常有如下分类方法 1 按照计算机的体积大小和功能的强弱 一般可以把计算机分为巨型计算机 大型计算机 中型计算机 小型计算机和微型计算机五类 目前最常见的是微型计算机 微型计算机由于体积较小 价格便宜 适合个人使用 因而将微型计算机称为个人计算机 PersonalComputer 简称PC机 微型机还可以细分为台式机 便携式计算机 笔记本电脑 掌上电脑等 如下图所示 8 a 巨型计算机 b 大型计算机 9 c 台式机 d 笔记本电脑 e 掌上电脑 10 1 1 3计算机的特点 1 运算速度快计算机采用电子器件作为逻辑运算部件 而电子技术的发展是一个飞速的过程 纵观计算机的发展历史 由电子管升级到晶体管 再升级到SSI MSI LSI VLSI等 其运算速度以每隔几年提高一个数量级的水平不断发展 计算机的运算速度的衡量单位为MIPS MillionsofInstructionsPer Second 每秒执行多少百万条指令 现在计算机的运算速度在几十MIPS以上 巨型计算机的运算速度甚至达到数亿MIPS 如果一个人在一秒钟内能作一次运算 那么一般的电子计算机一小时的工作量 一个人得做一百多年 很多场合下 运算速度起决定作用 例如 计算机控制飞行导航时 要求 运算速度比飞机飞得还快 使用计算机进行火箭制导时 要求计算机能够快速处理火箭飞行过程中返回控制中心的大量信息 并且瞬时地向火箭发出制导指令 11 2 计算精度高数据在计算机内部使用二进制数字表示 而通过提高计算机的位数可以提高计算机的计算精度 因此 计算机的计算精度理论上不受限制 现在的计算机有几十位有效数字 而且随着技术的进步 计算机可以实现任何精度的计算 例如 著名数学家挈依列花了15年时间才将圆周率 算到第707位 而计算机几个小时内就可计算到10万为 12 3 存储容量大计算机的存储器可以存储大量的数据和程序 以备随时调用 通过相应的逻辑控制系统 存储器不但能够存储大量的信息 而且能够快速准确的调取这些信息 计算机的存储器不像人脑一样会遗忘所记忆的信息 只要存储设备不损坏 信息可以永久保存 并且存储器的容量可以无限扩展 13 4 具有逻辑判断能力计算机能够对文字 符号 数字的大小 异同等进行判断和比较 进而分析怎样处理这些信息 计算机的这种逻辑判断能力 使其能够超越本身的 计算 功能 根据各种条件进行判断 分析 并根据判断分析的结果决定下一步的执行方法和步骤 因而能够完成许多非数值计算问题 比如信息检索 图象识别 逻辑推理等 14 5 具有按照程序自动工作的能力一般的机器通常都是由操作员操作 机器按照操作指令即时执行 和这些机器一样 计算机的各种动作也受人的控制 不过计算机具有存储功能 它可以将人们预先编制的操作运算程序存入存储器 再按照这些程序所规定的步骤逐条执行 完成程序既定的各种操作 直到得出计算结果 人类可以不必干预计算机的工作 真正实现操作的自动化 另外 计算机还具有可靠性高 通用性强等特点 15 1 1 4计算机的用途 如今 计算机的应用已经遍及人们生产 生活 工作和学习的方方面面 根据计算机的工作方式不同 计算机主要应用于以下几个方面 1 科学计算由于计算机能够进行高难度 高精度的数值计算 因而 可以用计算机来完成科学研究领域和工程技术中存在的复杂数学问题的计算过程 而这些工作通常是人力无法胜任的 例如气象部门在做天气预报时要收集 整理和计算大气温度 气压 风力湿度等大量观测数据 找出大气的运动规律 这样多的数据 人力是无法在短时间内处理完毕的 而使用计算机很快就能完成全部过程 并且得出比较准确的结果 目前 科学数值计算仍然是计算机应用的一个重要领域 16 2 数据处理计算机能够对大量数据进行加工 分析 处理 例如 银行可以使用计算机进行电子交易 账目处理 结算等工作 图书馆可以使用计算机完成图书的分类管理 书籍报刊的借阅 资料的查询等工作 人事部门可以使用计算机建立 管理人事档案等 数据处理主要是对大量数据进行综合和分析 一般不涉及复杂的数学计算 但是要求处理的数据量极大而且经常要求在短时间内处理完毕 计算机以其快速高效的数据处理能力 在这些部门完成了许多人类无法完成的工作 也使得数据处理成为计算机应用范围最大的一个领域 远远超过了科学计算 17 3 实时自动控制又称过程控制 就是使用计算机适时地采集 检测被控制对象的数据 通过计算处理 按照最佳方案发出调节信号对控制对象进行自动调节 计算机在过程控制方面的应用非常广泛 过程控制应用中的计算机对被检测对象所提供的信息的处理结果的输出总是实时进行的 例如 导弹的发射与制导 飞机的飞行制导 生产线的自动控制 锅炉的自动调温 输电线的自动稳压等 图1 3所示的就是一个计算机实时控制的例子 18 4 计算机辅助系统顾名思义 计算机辅助系统就是使用计算机辅助人力完成特定领域的工作 目前应用较广泛的计算机辅助系统有计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 简称CAD 如图1 4所示 计算机辅助教学 ComputerAidedInstruction 简称CAI 计算机辅助制造 ComputerAidedManufacturing 简称CAM 以及计算机辅助工程 ComputerAidedEngineering 简称CAE 等 19 图1 3实时控制系统图1 4计算机辅助设计 5 人工智能人工智能 ArtificialIntelligence 简称AI 又称 智能模拟 主要研究使用计算机系统来模拟人类的思维和行为 对出现的各种情况进行比较 分析和判断 并且通过自己的 学习 功能来提高自己的 能力 如今 AI的应用主要表现在以下几个方面 机器人 Robots 专家系统 ExpertSystem 模式识别系统 PatternRecognition 和智能检索系统 IntelligentRetrieval 20 6 虚拟现实虚拟现实 VirtualReality 技术又称为计算机模拟 就是利用计算机模拟现实的三维环境 将现实中的一些需要投入大量人力 物力 财力的实验或者场景在计算机中用数字模拟出来 如图1 5 20世纪70年代 美国阿拉莫斯实验室曾经在计算机上模拟核武器的设计过程 此举使得现场核试验的次数由原来的20余次减少到6次 节约试验费用9000万美元 在今天的工业领域中 产品的设计 测试和完善过程中的许多环节都可以在计算机中模拟进行 大大地降低了商品成本 提高了质量 一些危险的实验 比如战争模拟和军事演习 飞机的模拟驾驶 新式武器的杀伤力等 都可以使用计算机软件模拟实现 21 7 多媒体技术多媒体 Multimedia 技术是一种把文本 Text 图形 Graphics 图像 Images 动画 Animation 和声音 Sound 等形式的信息结合在一起 通过计算机进行综合处理和控制 并支持完成一系列交互式操作的信息技术 多媒体技术的发展改变了计算机的使用领域 使计算机由办公室 实验室中的专用品变成了信息社会的普通工具 广泛应用于工业生产管理 学校教育 公共信息咨询 商业广告 军事指挥与训练 甚至家庭生活与娱乐等领域 图1 6所示的是著名的国产多媒体播放软件 超级解霸 的界面 22 图1 5虚拟现实 23 24 8 计算机网络应用简单地说 计算机网络就是通过电缆 电话线或者无线连接将两台以上的计算机互连起来的集合 通过计算机网络 将地理位置不同的 具有独立功能的多台计算机及其外部设备使用通信线路连接起来 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下 实现资源共享和信息传递 计算机网络是人类智慧的结晶 如今 世界上成百上千万台计算机已连接成一个全球超大型网络 Internet 它的诞生和普及为人类的工作和学习带来了极大的便利 人们可以通过计算机网络进行资料查询 收发电子邮件 聊天 网上购物等活动 借助网络 人们可以第一时间接收到世界各地的信息 也可以将信息瞬时发布到世界各地 计算机网络强大的通讯功能正使我们的世界变得越来越 小 如今人类赖以生存的地球正因通讯 交通的日益便利而逐渐演变成为 地球村 25 1 2计算机中数据的表示 1 2 1进位计数制及二进制数制也称为计数制 这种方法用一组固定的符号和统一的规则来表示数值 其中按进位的方法进行计数的 称为进位计数制 在日常生活和计算机中采用的都是进位计数制 在日常生活中 常用的是十进位计数法 以下简称十进制 下面 我们就从这种再熟悉不过的计数方法 十进位计数法入手 了解这种计数制的特点 进而举一反三 研究计算机是如何表示 数 的 以及它是如何对 数 进行计算的 26 1 十进制十进制中 可以用来计数的一共有10个符号 0 1 2 9 不同的数字符号代表大小不同的数 对于计算机而言 就产生了 基数 的概念 基数是指在某种进位计数制中所能使用的数码的个数 譬如十进制中基数为十 27 2 二进制二进制具有如下特点 有两个不同的数码符号0 1 每个数根据它在这个数中的数位 按 逢二进一 来决定其实际数值 3 八进制八进制具有如下特点 有八个不同的数码符号1 2 3 4 5 6 7 每个数根据它在这个数中的数位 按 逢八进一 来决定其实际数值 28 4 十六进制十六进制具有如下特点 有十六个不同的数码符号0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 由于数字只有0 1 2 9十个 而十六进制要使用十六个数字 所以用A B F六个英文字母分别表示数字10 11 15 每个数根据它在这个数中的数位 按 逢十六进一 来决定其实际数值 29 1 2 2数制之间的转换 不同进位计数制之间的转换 实质上是基数间的转换 一般转换的原则是 如果两个有理数相等 则两数的整数部分和小数部分一定分别相等 因此 各数制之间进行转换时 通常对整数部分和小数部分分别进行转换 然后将其转换结果合并即可 1 各进制转十进制 2 十进制转各进制把十进制数转换为二 八 十六进制数的方法是 整数部分转换采用 除R取余法 小数部分转换采用 乘R取整法 30 3 二进制 八进制和十六进制之间的转换由于一位八 十六 进制数相当于三 四 位二进制数 因此 要将八 十六 进制数转换成二进制数时 只需以小数点为界 向左或向右每一位八 十六 进制数用相应的三 四 位二进制数取代即可 如果不足三 四 位 可用零补足 反之 二进制数转换成相应的八 十六 进制数 只是上述方法的逆过程 即以小数点为界 向左或向右每三 四 位二进制数用相应的一位八 十六 进制数取代即可 31 注意 八进制 十六进制数之间的转换要通过二进制 即先将八进制 或十六进制 数转换为二进制数 然后再将转换后的二进制数转换为十六进制 或八进制 数 32 1 2 3数据的存储单位 位 bit 计算机中最直接 最基本的操作就是对二进制位的操作 一个二进制位可表示两种状态 0或l 两个二进制位可表示四种状态 00 01 10 11 位数越多 所表示的状态就越多 33 字节 Byte 为了表示出所有字符 字母 数字以及各种专用符号 大约有256个 需要用7位或8位二进制数 因此 我们选定8位为一个字节 Byte 通常用B表示 l个字节由8个二进制数位组成 一个字节可以代表种状态 字节是计算机中用来表示存储空间大小的最基本的容量单位 例如 计算机内存的存储容量 磁盘的存储容量等都是以字节为单位表示的 一次传送256种状态 这样数据传输的速度就加快了 不过byte作为数据的计量单位仍然太小 所以除用字节为单位表示存储容量外 还可以用千字节 KB 兆字节 MB 以及千兆字节 GB 等表示存储容量 34 字 word 字是由若干字节组成的 通常取字节的整数倍 字是计算机进行数据存储和数据处理的基本运算单位 字长是计算机性能的重要标志 它是一个计算机字所包含的二进制位的个数 不同档次的计算机有不同的字长 按字长可以将计算机划分为8位机 如APPlell 中华学习机 16位机 如286机 32位机 如386机 486机 64位机 奔腾系列微机或巨型机 我们一般说的8位 16位指的其实是CPU的规格 通常用数据的bit数目来显示 计算机的字长是在设计机器时规定的 它表示存储 传送 处理数据的信息单位 字长越长 在相同时间内能传送的信息越多 从而使计算机运算速度越快 字长越长 计算机有更大的寻址空间 从而使计算机的内存储器容量更大 字长越长 计算机系统支持的指令数量越多 功能也就越强 35 1 2 4数据编码 BCD码 二一十进制编码 ASCII码EBCDIC码中文字码其他信息在计算机中的表示 36 1 3计算机系统 计算机由两大部分组成 一部分是机器系统 即组成计算机的一切机械的 磁性的 电子的装置和部件 也即是看得见摸得着的物理设备 所以 机器系统又叫硬件 或硬设备 另一部分是程序系统 即管理和使用机器的各种程序的总称 是一些信息的集合 所以程序系统又叫软件 或软设备 计算机的硬件和软件是相辅相成 缺一不可的统一体 计算机的硬件功能只有通过完善的软件才能更好地发挥出来 37 1 3 1计算机系统的组成 一个完整的计算机系统包括硬件 Hardware 系统和软件 Software 系统两大部分 1 计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称 例如计算机的处理芯片 主板 机箱 键盘 鼠标 显示器 打印机 软盘 硬盘等等 2 计算机软件是指计算机程序及其相关文档的总和 与传统观念不同的是 程序 软件 软件的定义