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1、第一章 导论本章简要介绍计算机的有关基础知识，包括计算机的发展史与应用、计算机系统的组成、计算机模型与工作原理等。1. 1计算机技术的发展1.1.1计算机发展简史世界公认的第一台通用电子数字计算机是1946年由美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫奇利和埃克特领导的科研小组建造的，取名为ENIAC（即电子数字积分计算机的英文缩写）。ENIAC计算速度为5000次秒，每次至多只能存储20个字长为10位的十进制数。计算程序是通过插件式“外接”线路实现的，尚未采用“程序存储”方式。为了在机器上进行几分钟的数字计算，其准备工作要用几小时甚至12天的时间，使用很不方便。计算机发展的分代史，通常是以计算机所采用的
2、逻辑元件作为划分时代的标准的。迄今为止，计算机的发展已经历四代，正向新一代计算机过渡。1. 第一代电子计算机（19461958年）其主要特征是采用电子管作为基本逻辑元件。存储器早期采用水银延迟线，后期采用磁鼓或磁芯。由于采用电子管，第一代计算机的体积大、耗电多、价格贵，运行速度低，存储容量小，可靠性差。编程语言使用低级语言，即机器语言或汇编语言，几乎没有什么软件配置，主要用于科学计算。尽管如此，这一代计算机却奠定了计算机的技术基础，如：二进制、自动计算和程序设计等，对以后计算机的发展产生了深远的影响。2. 第二代电子计算机（19581964年）其主要特征是采用晶体管作为逻辑元件。晶体管与电子管
3、相比，具有体积小、寿命长、开关速度快、省电等优点。内存主要采用磁芯存储器，外存开始使用磁盘。这个时期，计算机的软件也有很大发展，各种早期的高级语言（FORTRAN、COBOL、ALGOL等）相继问世，因而在程序设计中降低了程序设计的复杂性。由于采用了晶体管，第二代计算机的体积大大减小，运算速度及可靠性等各项性能大为提高。计算机的应用已由科学计算拓展到数据处理、过程控制等领域。3. 第三代电子计算机（19641974年）其主要特征是采用半导体中小规模集成电路作为逻辑元件，半导体存储器取代了沿用多年的磁芯存储器。这一时期的中、小规模集成电路技术，可将数十个、成百个分离的电子元件集中做在一块硅片上。
4、集成电路体积更小，耗电更省，寿命更长，可靠性更高，这使得第三代计算机的总体性能较之第二代计算机有了大幅度的跃升。计算机系统结构有了很大改进，在商品计算机设计上出现了标准化、通用化、系列化的局面。软件技术也日趋完善，并有了操作系统。此外，计算机的应用进入到许多科学技术领域。4. 第四代电子计算机（1974年以后）采用大规模集成电路作为逻辑元件是第四代计算机的主要特征。这个时期是计算机发展最快、技术成果最多、应用空前普及的时期。自进入第四代计算机以来，计算机的硬件与软件技术都获得了惊人的发展。计算机系统向微型化、巨型化、网络化和智能化的方向发展，计算机的系统软件的功能日趋完善，规模越来越大、应用软
5、件的开发日趋简便。多媒体技术的兴起引起计算机应用领域的革命，人们利用声音、符号、图形、图像即可开发计算机的应用。在网络技术的支持下，信息表达工具（电话、电视、终端）、信息处理工具（计算机）和信息传输工具（有线通讯、无线通讯及卫星通讯）已经趋于一体化，为人类方便地处理信息开辟了更广阔的前景。1.1.2 计算机的特点及分类一、计算机的特点计算机之所以发展如此迅速，有如此广泛的应用，主要是由于有以下几个方面的特点：1. 运算速度快2. 计算精度高3. 存储容量大4. 具有逻辑判断功能5. 自动化程度高，通用性强二、计算机的分类电子计算机发展到今天，可谓品种繁多，门类齐全，功能各异，争奇斗妍。通常从三
6、个不同的角度对电子计算机分类。1. 按工作原理分类根据计算机的工作原理可分为： 电子数字计算机(采用数字技术，处理离散量) 电子模拟计算机(采用模拟技术，处理连续量)其中，使用得最多的是电子数字计算机，而电子模拟计算机用得很少。由于当今使用的计算机绝大多数都是电子数字计算机，故将其简称为电子计算机。2. 按应用分类根据计算机的用途和适用领域，可分为： 通用计算机 专用计算机通用计算机的用途广泛，功能齐全，可适用于各个领域。专用计算机是为某一特定用途设计的计算机。其中，通用计算机数量最大，应用最广。3. 按规模分类根据计算机的规模（主要指硬件性能指标及软件配置）大小，可分为： 巨型机 大型机 中
7、型机（在国外也称为主机） 小型机 微型机当今计算机的发展呈现出多极化的趋势，而微型化和巨型化则是其中的两个重要方向。多极化是指巨、大、中、小、微各机种，均在发展，它们在计算机家族中都占有一席之地，拥有各自的应用领域。其中，微型机发展最快，数量最多，应用最普及。以上是计算机的传统分类法，事实上，随着计算机科学技术的发展，各机种之间的界限已不是很分明。例如，大型机与中型机的界限比较模糊，而当今使用的某些超级微型机的功能已超过了当年的中、小型机，甚至可以与大型机匹敌。1.2计算机系统的组成计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。硬件系统和软件系统组成一个完整的系统，是计算机系统中缺一
8、不可的两个方面。其中，硬件是软件的基础，软件是硬件功能的完善和扩充，它们相互依存，相互渗透，相互促进。1.2.1计算机硬件系统计算机硬件系统实际是由各种物理部件组成的，直观上看，计算机硬件系统就是一大堆物理设备，是看得见、摸得着的那些东西，硬件系统是计算机的物质基础。我们将组成计算机系统的所有电子和机械装置称为硬件（Hardware）。计算机的硬件系统包括计算机的全部硬设备和功能部件。1.2.2计算机软件系统仅有硬件系统的计算机是无法工作的，必须为它编制出由一条条指令组成的程序，它才能正常工作。计算机系统的所有程序及相关的文档称为软件（software）。计算机的软件系统就是为了运行、管理和维
9、护计算机而编写的程序（当然包括文档）的总和。软件系统是计算机的灵魂。程序是为实现一定功能，用计算机程序设计语言所编制的语句的有序集合。文档是描述程序设计的过程及程序的使用方法的有关资料。在软件的这两种成分中，程序是可由计算机执行的部分，文档是不能执行的部分，在软件的整个生命期内，这两种成分缺一不可。整个软件系统按其功能可分为系统软件和应用软件两大部分。 操作系统 语言处理程序 系统软件 数据库管理程序 软件编程支持程序 软件系统 数值处理软件 信息管理软件 应用软件 过程控制软件 CAD/CAM/CAI软件 图形图像处理软件 智能模拟软件 各种行业应用软件1系统软件系统软件是为有效利用计算机系
10、统的资源、充分发挥计算机系统的工作潜力、正常运行、尽可能方便用户使用计算机而编制的软件。如汇编程序、编译程序、操作系统、数据库管理系统及计算机网络软件等。没有这些软件，计算机将难以发挥其功能，甚至无法工作。系统软件有两个特点：一是通用性。即无论哪个应用领域的计算机用户都要用到它们；二是基础性，即应用软件要在系统软件的支持下编写和运行。操作系统系统软件的核心是操作系统。操作系统（Operating System，简称OS）是由指挥与管理计算机系统运行的程序模块和数据结构组成的一种大型软件系统，其功能是管理计算机的全部硬件资源和软件资源，为用户提供高效、方便的服务界面。例如，Windows 200
11、0，UNIX等。没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机。裸机向外部世界提供的界面只是机器指令，为了控制令人费解且难以使用的裸机，用户及其他程序都利用了系统软件，即通过操作系统来使用计算机。语言处理程序使用计算机时，事先要为待处理的问题编排好确定的工作步骤，把预定的方案用特定的语言表示出来，即编写程序。这种计算机系统所能接受的语言称之为程序设计语言。语言处理系统是与用户接触最多的一类软件。它的作用是将用程序设计语言书写的源程序翻译成机器语言的程序，主要包括汇编程序、编译程序和解释程序。数据库管理系统数据库是以一定的组织方式存储起来的具有相关性的数据集合。数据库中的数据没有不必要的冗余，且独立于任何
12、应用程序而存在，可为多种应用服务。数据库管理系统就是在具体计算机上实现数据库技术的系统软件，用户用它来建立、管理、维护、使用数据库等。借助数据库管理系统建立起来的管理信息系统，可使一个部门更好地利用、控制它的宝贵数据资源，因此数据库管理系统是提高数据处理工作效率的重要工具。软件编程支持程序这是为提高软件编制效率和质量的软件。其中有多种支持程序与软件开发过程中各个阶段相对应，如输入阶段的编辑程序、系统分析工具、测试阶段的排错程序、测试数据产生程序等。2应用软件应用软件是用户利用计算机及其提供的系统软件，为解决实际问题所开发的软件的总称。随着计算机应用的推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块化
13、，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用。应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运转，但它必须在系统软件的支持下才能工作。123计算机语言和软件的发展1计算机语言计算机语言分为三类：机器语言、汇编语言和高级语言。l 机器语言语言是人类进行信息交流的工具，人与计算机也有相互交流的语言，那就是机器语言。机器语言就是计算机在进行硬件设计时已经确定的机器硬件可以直接识别的语言，机器语言也称机器指令集。每台计算机出厂时，厂家都为它配备一套机器语言，不同的计算机，其机器语言通常是不同的。有了机器语言，人们就可以用机器语言编写程序，然后输入计算机，计算机就可以通过运行程序来体现人们的意图，即计算
14、或处理相应的问题。l 汇编语言由于机器语言是面向具体机器的，所以其程序缺乏通用性，编写程序的过程繁琐复杂，易出错，错了又不易查找和修改，编出的程序可读性极差。繁杂的机器代码程序很难记忆，未受过专门训练的人又不易掌握，这严重阻碍了计算机的应用和发展。于是，人们又在机器语言的基础上研制了汇编语言。汇编语言采用符号表示操作码和地址码，比机器语言的指令代码易于记忆。用汇编语言编写的程序（又称源程序）经汇编器加工处理后，就可转换成在计算机上可以直接执行的机器语言程序。汇编语言实质上是机器语言的符号化形式，仍属面向机器的一种低级语言。l 高级语言人们希望有独立于机器，接近于数学表达形式和自然语言的计算机语
15、言。从20世纪50年代末、60年代初开始，相继开发了多种高级程序设计语言。所谓高级，主要是指通用性好，不必对计算机的指令系统有深入的了解就可以编写程序。采用高级语言编写的程序在不同型号的计算机上只需做某些微小的改动便可运行，只要采用这些计算机上的编译程序重新编译即可。高级语言的出现，使得计算机的应用范围扩大到各行各业。2计算机软件的发展计算机软件的发展受到应用和硬件发展的推动和制约。反之，软件的发展也推动了应用和硬件的发展。软件的发展经历了如下阶段三个阶段：第一阶段（20世纪40年代中期到50年代中期）从第一台计算机上的第一个程序开始到实用的高级程序设计语言出现以前。在计算机发展初期，应用领域较窄，主要是科学计算与工程计算。处理对象是数值数据。编制程序所用的工具是低级语言。程序的设计和
