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1、第1章计算机的基础知识,2,4,1.1计算机的产生与发展,1.2计算机系统的结构,1.3计算机的分类、特点和应用领域,1.4信息编码,思考题,返回,1. 1计算机的产生与发展,1. 1计算机的产生与发展 计算机是能够自动进行算术运算和逻辑运算的电子设备。 计算机(Computer)的产生是20世纪最重要的科学技术大事件之一。它的发明经历几代科学精英的共同努力，是人类智慧的结晶。人类发明计算机最初的目的是帮助处理复杂的数字运算。而这种人工计算器的概念，最早可以追溯到17世纪的法国大思想家帕斯卡。帕斯卡利用齿轮原理，发明了第一台可以执行加减运算的计算器。后来，德国数学家莱布尼兹加以改良，发明了可以
2、做乘除运算的计算器。之后虽然在计算器的功能上多有改良与精进，但是离自动化的计算器还很远。直到20世纪以后，由阿兰麦席森图灵(Alan Mathison Turing）、约翰冯诺依曼(John Von Neumann),下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,等人提出了程序存储和程序控制理论，以及现代计算机架构理论，给计算机的研制带来革命性的突破。真正的电动计算机-一部真正可以称得上计算机的机器，诞生于1946年的美国，是由宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇利(J. Mauchiy)和埃科特(P. Eckert)研制的，他们把这台计算机命名为EVIAC(电子数字积分与计算器)。这台计算机使用
3、电子管来处理信号，所以体积庞大、耗电量高，而且存储容量又非常低(只有100多个字节)，但是，它取得了计算机技术的重大进展，确立了计算机的结构模型。此后，随着时代的发展，计算机技术也日益完善，功能越来越强大，今天的计算机性能已非当年能比。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,1.1.1计算机的发展史 根据计算机所采用的物理器件不同，可分为四个阶段。 第一代:电子管计算机，开始于1946年，结构上以CPU为中心，使用机器语言，速度慢、存储量小，主要用于数值计算。 第二代:晶体管计算机，开始于1958年，结构上以存储器为中心，使用汇编语言，应用范围扩大到数据处理和工业控制。 第三代:中
4、小规模集成电路计算机，开始于1964年，结构上仍以存储器为中心，增加了多种外部设备，软件得到一定发展，计算机处理图像、文字和资料的功能得到加强。 第四代:大规模和超大规模集成电路计算机，开始于1971年，应用更加广泛，并出现了一个新的分支微型计算机。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,计算机是通过执行程序指令来运行的，它所执行的指令及语法体系，被称为“计算机语言”。计算机语言也是人与计算机之间进行通信的工具。计算机语言的发展也经历了由低级语言到高级语言的发展过程。 第一代:机器语言。每条指令都是二进制代码，编程效率很低，但程序能被计算机直接识别和执行，属低级语言的范畴。 第二代
5、:汇编语言。将二进制代码指令符号化，便于记忆，称为助记符。用指令符号来编程，相对提高了编写程序的效率和可读性，但每一条汇编语言指令仍然只对应机器的一个细微动作，因而编写程序比较冗长和烦琐。用汇编语言编写的程序要经过“汇编”才能被识别和执行。 第三代:高级语言。和汇编语言相比，高级语言将许多相关的机器指令合成为单条指令并且去掉了与具体操作有关但与完成工作无关的细节，例,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,如使用堆栈、寄存器等，这样就大大简化了程序中的指令。程序结构和语法指令与人类的语言描述习惯一致，容易理解和接受，给编写程序带来极大的方便，但用它编写的程序也不能被计算机识别和执行，
6、需要经过“解释”或者“编译”的环节。高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB, VC, FoxPro和Delphi等，这些语言的语法和命令格式都各不相同。 高级语言的问世，给计算机程序编制带来了很大的方便，但机器语言和汇编语言并没有消亡，他们依然是计算机的底层资源，只是用户不直接与它们打交道而已。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,1. 1. 2我国计算机的发展 我国从1956年开始电子计算机科研和教学工作。由于起步较晚，我国的计算机水平相对较落后。从早期的推广应用，到现在的技术创新，我国的计算机技术发展也取得了一
7、些令世界瞩目的成就，如: 1983年12月研制成功每秒运行1亿次的“银河”巨型计算机; 1992年11月研制成功每秒运行10亿次的“银河11”巨型计算机; 1997年研制成功每秒运行130亿次的“银河111”巨型计算机。 今天，随着经济的发展和技术的进步，我国的微机普及水平已经很高，计算机在社会经济的每个领域都得到了广泛的应用。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,1. 1. 3计算机的发展趋势 计算机技术正向着微型化和巨型化、网络化和智能化的方向发展。 微型化指的是，现在的计算机体积越来越小，便于携带，而其功能日益丰富强大，能够满足人们日常工作的需要。由于大规模和超大规模集成电
8、路的飞速发展，微处理器芯片连续更新换代，微型计算机成本逐年降低，加上丰富的软件和硬件设备，使微型计算机很快普及到社会各个领域并走进了千家万户。随着微电子技术的进一步发展，微型计算机将发展得更加迅速，其中笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更高的性价比受到人们的欢迎。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,巨型化是指计算机的功能越来越强大，能够满足尖端科技的需要，有最快的运行速度、最大的存储容量和强大的指令系统，能够完成海量运算和海量存储。其运算能力一般在每秒百亿次以上，内存容量在几百兆字节以上。但其体积并不一定很大，比起ENIAC要小得多。巨型计算机主要用于尖端科学技术和军事国防系统
9、的研究开发。巨型计算机的发展集中体现了计算机科学技术的发展水平，推动了计算机系统结构、硬件和软件的理论和技术，计算数学以及计算机应用等多个科学分支的发展。 网络化:网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机连接起来，以达到共享软件、硬件和数据资源的目的。现在，计算机网络在交通、金融、企业管理、教育、邮电、商业等各行各业中得到了广泛的应用。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,目前各国都在开发三网合一的系统工程，即将计算机网、电信网、有线电视网合为一体。将来通过网络能更好地传送数据、文本资料、声音、图形和图像，用户可随时随地在全世界范围拨打可视电话或收看任意国家的
10、电视和电影。 智能化:智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力，也是第五代计算机要实现的目标。智能化的研究领域很多，其中最有代表性的领域是专家系统和机器人。目前已研制出的机器人可以代替人从事危险环境的劳动，还有运算速度为每秒约十亿次的“深蓝”计算机在1997年战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。,上一页,下一页,返回,1. 1计算机的产生与发展,展望未来，计算机的发展必然会取得更多新的突破。未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。第一台超高速全光数字计算机，已由欧盟的英国、法国、德国、意大利和比利时等国的70多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算
11、速度比电子计算机快1000倍。在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机等全新的计算机也会诞生。届时计算机技术将发展到一个更高、更先进的水平。,上一页,返回,1. 2计算机系统的结构,1. 2计算机系统的结构 计算机系统分为硬件和软件两部分，如图1-1所示。 硬件指构成计算机的物理实体;软件指控制和支持计算机运行的各种程序以及与其有关的文档资料。 现代计算机的结构理论是由冯诺依曼提出来的，故用他的名字命名，即冯诺依曼结构。硬件和软件的概念已被延伸到社会生活方面，通常人们把有形的东西都称其为硬件，把无形的或者属于意识形态的东西都称为软件。,下一页,返回,1. 2计算机系统的结构,1. 2. 1计算
12、机硬件 从计算机的架构和功能来讲，计算机硬件可以分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1-2所示。它们既可以说是组成部件，也可以说成是不同的功能模块。运算器:计算机中承担运算功能的部件。控制器:计算机中用来协调各功能部件按一定步调来运作的部件。存储器:计算机中用来存储信息的部件。存储器按其存储性质可以分为只读存储器(ROM)和读写存储器(RAM)两种。前者存储的信息是固化在其中的，不能擦除(或说要用特殊方法才能擦除)，而后者存储的信息可以擦除。只读存储器往往用于永久存储，读写存储器一般用于临时存储(内存)或一定时间内的信息存储(外存)。 输入设备:将信息输送到计算机系统内部从而进
13、行处理的部件。 输出设备:将信息以人类可识别的形式重现的设备。,返回,上一页,下一页,1. 2计算机系统的结构,1.2.2计算机软件 软件指控制和指挥计算机系统正常运行的各种指令程序，以及文档资料的集合。软件按其功能地位又可分为系统软件和应用软件。 系统软件指管理和控制计算机运行所必需的程序，如操作系统、计算机语言处理程序、工具软件等。 应用软件指解决各种实际问题的程序。每个行业甚至每个工种岗位都有可能用到比较专业的软件，这些用来解决特定的问题，如Office, Photoshop等都属于应用软件。,返回,上一页,1.3计算机的分类、特点和应用领域,1.3计算机的分类、特点和应用领域 1.3.
14、1计算机的分类 计算机的分类标准很多，以下可以列举一些。 按照信息在计算机内的表述方式，可以将计算机分为模拟计算机和数字计算机两大类。 模拟计算机的主要特点是:参与运算的数值等对象由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的。模拟计算机由于受元器件质量的影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。,返回,下一页,1.3计算机的分类、特点和应用领域,数字计算机的主要特点是:参与运算的数值等对象用离散的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算。通常人们用到的计算机都是数字计算机。数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。通常情况下所说的计算机
15、，都指的是数字计算机。 按照计算机的用途划分，可以将计算机分为专用计算机和通用计算机。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，但它的适应性较差，不适于其他方面的应用。在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。 通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。,返回,上一页,下一页,1.3计算机的分类、特点和应用领域,按照规模、速度和功能等综合指标来划分，计算机又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设
16、备及软件配置等的不同。一般来说，巨型计算机的运算速度很高，可每秒执行几亿条指令，数据存储容量很大，规模大，结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算，它也是衡量一国科技实力的重要标志之一。单片计算机则只由一片集成电路制成，其体积小、重量轻、结构十分简单。性能介于巨型机和单片机之间的就是大型机、中型机、小型机和微型机，它们的性能指标和结构规模则相应地依次递减。,返回,上一页,下一页,1.3计算机的分类、特点和应用领域,1.3.2计算机的特点 计算机具有以下一些显著的特点。 能自动地运行程序。计算机能在程序控制下自动连续地高速运算。由于采用存储程序控制的方式，因此一旦输入编制好的程序，就能自动地执行下去直至完成任务。这是计算机最突出的特点。 运算速度快。计算机能以极快的速度进行计算。现在普通的微型计算机每秒可执行几十万条指令，而巨型机则达到每秒几十亿次甚至几百亿次基本运算。随着计算机技术的发展，计算机的运算速度还在提高。例如天气预报，由于需要分析大量的气象资料数据，单靠手工完成计算是不可能的，而用巨型计算机只需十几分钟就可以完成。,返回,上一页,下一页,
