大学计算机基础教程

1、第 1 章 绪 论电子计算机是 20 世纪人类最伟大的技术发明之一，是科学技术和生产力发展的结晶。第 一台计算机于 1946 年诞生至今，已有半个多世纪。目前计算机及其应用已经渗透到社会生活 的各个领域，有力的推动了整个信息社会的发展。在21 世纪，掌握以计算机为核心的信息技术的基础知识和应用技术已经成为现代大学生必备的基本素质，计算机基础知识和应用能力 是现代大学生知识结构的重要组成部分。1.1 计算机的产生和发展1.1.1 电子计算机的问世1946 年 2 月，世界上第一台计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名为“电子数值积分 器和计算器( Electronic Numerical Inte

2、grator And Calculator )”，简称埃尼亚克( ENIAC )，如图 1-1 所示。这台计算机占地 167m2 ，重达 30 余吨，运算速度只有 5000 次/秒。这台计算机从 1946 年 2 月开始投入使用，到 1955 年 10 月最后切断电源，服役 9 年多。虽然它每秒只能进 行 5000 次加减运算，但它预示了科学家将从繁重的计算中解脱出来。至今人们公认，ENIAC机的问世，表明了电子计算机时代的到来，具有划时代意义。图 1-1 ENIAC 机ENIAC 机本身存在两大缺点：一是没有存储器；二是用布线接板进行控制，计算速度也就被这一工作抵消了。在 ENIAC 尚未投

3、入运行前，被称为计算机之父的美籍匈牙利数学家冯诺依曼（图 1-2）就已开始准备对这台电子计算机进行脱胎换的改造。在短短 10 个月里， 冯诺依曼迅速把概念变成了方案。他和他的同事研制了人类第二台计算机，新机器方案命 名为“离散变量自动电子计算机” ，英文缩写 EDVAC 。1945年 6月，冯诺依曼与戈德斯坦 等人，联名发表了一篇长达 101 页纸洋洋万言的报告，即计算机史上著名的“ 101 页报告”。 这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基，直到今天，仍然被认为是现代电脑科学发展 里程碑式的文献。图 1-2 冯诺依曼在 EDVAC 报告中， 冯诺依曼明确规定出计算机的五大部件： 运算器 C

4、A 、 逻辑控制 器 CC、 存储器 M 、输入装置 I 和输出装置 O，并描述了五大部件的功能和相互关系。 与 ENIAC 相比， EDVAC 的改进首先在于冯诺依曼巧妙地想出“存储程序”的办法，程序也被他当作 数据存进了机器内部，以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令，再也不必去接通什么 线路。其次，他明确提出这种机器必须采用二进制数制，以充分发挥电子器件的工作特点， 使结构紧凑且更通用化。人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“诺依曼机” 。自冯诺依曼设计的 EDVAC 计算机始， 直到今天我们用“奔腾”芯片制作的多媒体计 算机为止，电脑一代又一代的“传人” ，大大小小千千万万台计算

5、机，都没能够跳出“诺依曼 机”的掌心。冯诺依曼为现代计算机的发展指明了方向，从这个意义上讲，他是当之无愧 的“电子计算机之父” 。当然，随着人工智能和神经网络计算机的发展， “诺依曼机”一统天 下的格局已经被打破，但冯诺依曼对于发展电脑做出的巨大功绩，永远也不会因此而泯灭 其光辉。世界上第一款商用计算机是 1951 年开始生产的 UNIV AC 计算机。 1947 年， ENIAC 的两 个发明人莫奇莱和埃克特创立了自己的计算机公司，生产 UNIV AC 计算机。计算机开始作为 商品出售。莫奇莱和埃克特以及他们的 UNIV AC 计算机奠定了计算机工业的基础。1.1.2 计算机的发展近 60

6、年来，计算机技术的发展突飞猛进。根据计算机采用的物理器件，一般将计算机的 发展分为 4 个阶段。1第一代计算机 电子管计算机（ 1946 年 1957 年） 第一代计算机的基本特征是采用电子管作为计算机的逻辑元件；数据表示主要是定点数； 用机器语言或汇编语言编写程序。由于当时电子技术的限制，第一代计算机每秒运算速度仅 为几千次， 内存容量仅几 KB 。这个时期计算机的特点是： 体积庞大， 运算速度慢， 可靠性差， 耗电量大且维修困难。第一代计算机主要用于军事和科学研究工作。2第二代计算机 晶体管计算机（ 1958 年 1964 年） 第二代计算机的基本特征是其逻辑元件逐步由电子管改为半导体晶体

7、管，内存所使用的 器件大多使用磁芯存储器。 运算速度可达每秒几十万次， 内存容量扩大到几十 KB 。与此同时， 计算机软件也有了较大发展，出现了FORTRAN 、COBOL 、ALGOL 等高级编程语言。相对于第一代计算机而言，第二代计算机的特点是：体积减少，重量减轻，耗电量减少，运算速度 加快，可靠性增强。第二代计算机除了用于科学计算外，还用于数据处理和事务处理。3第三代计算机 中、小规模集成电路计算机（ 1965 年 1970 年） 随着固体物理技术的发展，集成电路工艺已可以在几mm2 的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的逻辑电路。第三代计算机的基本特征是其逻辑元件采用小规模集成电

8、路 SSI（ Small Scale Integration ）和中规模集成电路 MSI （ Middle Scale Integration ）。第三代计算 机的运算速度可达每秒几十万次到几百万次。存储器进一步发展，体积越来越小，价格越来 越低，而软件越来越完善。其特点是：体积更小，耗电量、价格等方面进一步下降，运算速 度、可靠性等进一步增加。这一时期，计算机开始广泛应用在社会的各个领域。4第四代计算机 大规模和超大规模集成电路计算机（ 1971 年至今） 进入 20 世纪 70 年代以来，计算机采用大规模和超大规模集成电路作为基本器件，其特 点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代计算

9、机进一步下降，运算速度和可靠性等 方面大幅度提高，并不断地向大存储容量、高速度方面发展。目前，计算机的速度最高可以 达到每秒几十万亿次浮点运算。操作系统不断完善，应用软件已经成为现代工业的一部分。1.2 计算机的分类1.2.1 计算机的特点1运算速度快由于计算机是由高速电子器件构成，加之能自动连续工作，因而具有很高的运算速度。 现代巨型计算机的速度已达每秒万亿次，其一秒钟完成的计算量，相当于一个人用手工计算 几十年的工作量。计算机的快速运算为人们赢得了时间。2计算精度高 计算机内部采用二进制数的表示方法，其有效位数越多，精度也就越高，因此计算精度 可用增加位数（字长）来获得；另外还可通过算法来

10、提高精度。3具有很强的“记忆”和逻辑判断能力 计算机的存储器使计算机具有“记忆”的功能，它能够存储大量信息。计算机除了能进 行算术运算外，还能进行逻辑运算，做出逻辑判断，并根据判断的结果自动选择以后应执行 什么操作。4程序控制下自动操作计算机与以前所有计算工具的本质区别在于它能够摆脱人的干预，自动、连续地进行各 种操作。计算机从正式操作开始，到输出结果，整个过程都是在程序控制下自动进行的。5存储容量大 目前的计算机配备了大容量的内存和外存，如目前标准配置的微型机内存容量已达 512MB ；硬盘容量已达 80GB 。1.2.2 计算机的分类电子计算机从总体上来说分为两大类 :电子模拟计算机和电子

11、数字计算机。 电子模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。 数字计算机与模拟计算机的主要区别见表1.1。表 1.1 数字计算机与模拟计算机的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字 0 和 1电压计算方式数字计算电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无电子数字计算机是以近似于人类的“思维过程”来进行工作的，所以有人把它叫做电脑。它的发明和发展是 20 世纪人类最伟大的科学技术成就之一，也是现代科学技术发展水平的重 要标志。数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。专用

12、和通用是根据计算机的效率、速度、 价格、运行的经济性和适应性来划分的。专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，它是 针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性很差。通用机适应性很大，但是牺牲了效率、 速度和经济性。通用计算机又分巨型机、微型机、工作站、服务器、单片机等。它们的区别在于体积、 简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格。巨型计算机现在又称为高性能计算机。高性能计算机的运算速度在每秒一万亿次以上， 数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵。其数量虽然不多，但却有重要和特殊的用途。在 军事上，可用于战略防御系统、大型预警系统、航天测控系统等；在民用方面，可用于大区 域

13、中长期天气预报、大面积物探信息处理、大型科学计算和模拟等。近年来，我国高性能计 算机的研发也取得了很大成绩，推出了“曙光” 、“联想”等代表国内最高水平的巨型机系统， 并在国民经济的关键领域得到了应用。微型计算机又称为个人计算机( Personal Computer， PC)。 1971 年 Intel 公司的工程师成功地在一个芯片上实现了中央处理器(Central Processing Unit， CPU)的功能，制成了世界上第一片 4 位处理器 Intel 4004，组成了世界上第一台 4 位微型计算机 MCS-4 ，从此揭开了 世界计算机大发展的帷幕。自 IBM 公司于 1981年采用

14、Intel 微处理器推出 IBM PC 以来，微 型计算机因其小、巧、轻、使用方便、价格便宜等优点，在过去的20 多年里得到迅速发展，成为计算机的主流。今天，微型机的应用已经遍及社会的各个领域，从工厂生产控制到政府 办公自动化，从商店的数据处理到家庭的信息管理，几乎无所不在。微型机的种类很多，主 要分为 3 类：台式机、笔记本和个人数字助理PDA 。工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微机系统。自 1980 年美国 Appolo 公司推 出世界上第一个工作站 DN-100 以来， 工作站迅速发展， 成为专长处理某类特殊事务的一种独 立的计算机类型。工作站通常配备有高分辨率的大屏幕显示器和大

15、容量的内、外存储器，具 有较强的数据、图形处理能力。服务器是一种在网络环境中为多个用户提供服务的计算机系统。从硬件上来说，一台普 通的微型机也可以充当服务器，关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件。 服务器的管理和服务有：文件、数据库、图形、图像以及打印、通信、安全、保密和系统管 理、网络管理等服务。根据所提供的服务，服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应 用服务器和通信服务器等。单片计算机是只用一片集成电路做成的计算机，体积小，结构简单，性能指标较低，价 格便宜。主要应用于工业自动控制。介于巨型机和单片机之间的是大型机、中型机、小型机和微型机，它们的结构规模和性 能指标依次递

16、减。 随着超大规模集成电路的迅速发展，今天的小型机可能是明天的微型机， 而今天的微型机可能是明天的单片机。1.3 计算机的应用目前，计算机的应用非常广泛，已渗透到社会的各个领域，从科研、生产、学习到家电 的使用，都涉及到计算机技术。计算机的应用主要表现在以下几个方面：1. 数值计算 数值计算是计算机的一个传统应用领域，也是应用最早、最重要的一个应用领域。发明 计算机的最基本目的就是解决工程研究与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的计算，目前 它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面。2. 信息处理 信息处理是指计算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存 储、传送、检索等综合

17、性的处理工作。如生产管理、财务管理、档案管理等各种管理中的数 据库应用，以及办公自动化中的文字处理和文件管理。3. 过程控制 生产过程的自动控制，是计算机应用中的另一广泛领域，即由计算机进行数据搜索、采 集，实现自动检测、自动调节和自动控制，其特点是精度高、速度快、反应灵敏。典型的应 用领域有：生产过程控制、交通自动管理、火警自动警报系统、导弹控制系统等。4. 计算机辅助系统计算机辅助系统包括辅助设计、辅助教育、辅助制造等。计算机辅助设计 CAD ( Computer-Aided Design)是利用计算机帮助各类设计人员进行设 计的技术，它可以取代传统的图纸设计，加快设计速度，提高设计的精度

18、和质量，在建筑工 程、机械部件、家电产品和服装等设计领域应用非常广泛。计算机辅助教育 CBE(Computer-Based Education )包括计算机辅助教学 CAI ，计算机辅 助测试 CAT，计算机管理教学 CMI 。其中 CAI 是通过人机交互方式帮助学生自学，代替教师 提供丰富的教学资料和进行各种问答式教学，改变了过去传统的教学模式，使教学内容生动 形象、图文并茂。 CAT 是利用计算机进行模拟实验、自我测评等，帮助学生了解实验的过程， 分析学习过程中的不足。随着多媒体技术和网络技术的发展与应用，远程教学和网上学习已 越来越普及，为学习者提供了更多、更便利的学习方式。计算机辅助制

19、造 CAM ( Computer-Aided Manufacturing )是利用计算机控制生产过程，即 用计算机进行生产设备的管理、控制和操作，它能提高产品质量、降低成本、缩短生产周期， 对经济的发展起着重要的作用。5. 计算机通讯与网络 计算机通过网络互连，可以实现计算机之间的硬件、软件资源共享，促进地区间、国际 间的通信与各种数据的传输和处理。随着互联网的发展，计算机通信的应用已达到前所未有 的境界。其中电子商务是指在 Internet 上进行的商务交易，它涉及企业和个人的各种形式的基 于数字化信息处理和传输的商业活动。6. 人工智能人工智能( AI )是计算机应用发展的又一个前沿方向，它的主要目的是用计算机来模拟 人类的某些智能活动，使其具有“学习” 、“适应能力” 、“推理”等功能，在一定程度上具有 “思维”能力。 AI 的应用主要包括：模式识别、专家系统、机器人、智能检索等。总之，计算机的应用已非常普及，尤其是网络技术的发展，使得计算机的应用产生了许