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1、第1章计算机基础知识1.1 计算机与信息社会电子计算机是20 世纪人类最伟大的发明之一，随着计算机科学的发展与应用的普及，计算机已经融入人们的生活，成为人们日常生活、工作、学习中不可缺少的一个基本工具。“21 世纪是以计算机为基础的信息时代”，掌握以计算机为核心的信息技术基础知识和应用能力是现代大学生必备的基本素质。1.1.1 计算机的发展一般认为，世界上第一台数字式电子计算机诞生于1946 年2 月，它是由美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利(J.Mauchly)和工程师埃克特(J.P.Eckert)等人共同开发的电子数值积分计算机(Electronic Numerical Integrator
2、 And Calculator，简称ENIAC)。ENIAC 体积非常庞大，其占地面积为170 平方米，总重量达30 吨，如图1-1 所示。机器中约有18 800 只电子管、1 500 个继电器、70 000 只电阻以及其他各种电气元件，每小时耗电量约为140 千瓦。这样一台“巨大”的计算机每秒钟可以进行5 000 次加减运算，相当于手工计算的20 万倍、机电式计算机的1000 倍。这台计算机的功能虽然无法与今天的计算机相比，但它的诞生却是科学技术发展史上一次意义重大的事件，展现出新技术革命的曙光。图1-1 ENIAC(电子数值积分计算机)ENIAC 虽是第一台正式投入运行的电子计算机，但它却
3、并不具备现代计算机“存储程序” 2 大学计算机基础的思想。由于其结构设计不够弹性化，导致对它的每一次再编程都意味着电气物理线路的再连接。ENIAC 的开发小组针对其缺陷又进一步完善了设计。1946 年6 月，冯诺依曼博士发表了“电子计算机装置逻辑结构初探”论文，并设计出第一台“存储程序”的离散变量自动电子计算机(The Electronic Discrete Variable Automatic Computer，简称EDVAC)，于1952年正式投入运行，其运算速度是ENIAC 的240 倍。冯诺依曼提出的EDVAC 计算机结构为人们普遍接受，并成为当今所有计算机的基础结构。1. 计算机的发
4、展历程ENIAC 诞生至今半个多世纪以来，计算机获得了突飞猛进的发展。人们依据计算机性能和当时的软硬件技术，将计算机的发展划分成以下四个阶段，如表1-1 所示。表1-1 计算机发展的四个阶段年代第一代19461957第二代19581964第三代19651970第四代1971现在电子器件 电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路存储器延迟线、 磁芯、磁鼓磁带、纸带磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁带、磁盘光盘处理方式机器语言汇编语言监控程序高级语言实时处理操作系统实时/分时处理网络操作系统应用领域 科学计算科学计算数据处理过程控制科学计算系统设计等科技工程领域各行
5、各业运算速度 5000至3 万次/秒 几十万至百万次/秒百万至几百万次/秒几百万至千亿次/秒典型机种ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC从20 世纪80 年代开始，日本、美国以及欧盟都相继开展了对新一代计算机的研究。新一代计算机是把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统，它不仅能进行一般的信息处理，而且能面向知识处理，具有形式推理、联想、学习和解释能力，能帮助人类开拓未知的领域和获取新的知识。2. 计算机的发展趋势计算机技术一直保持着高速发展的趋势，在21 世纪
6、，将会不断地有越来越多被世人瞩目的新产品研发出来，计算机的发展越来越向功能巨型化、体积微型化、资源网络化和处理智能化方向发展。第1 章 计算机基础知识 3 (1) 功能巨型化功能巨型化是指具有高速运算能力、大存储容量和强功能的巨型计算机。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。巨型计算机主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。(2) 体积微型化微型计算机已应用于不同种类的小型仪器设备，作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”是微型计算机的特点。随着微电子技术的进一步发展，笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性价比受到人们的欢迎。(3) 资源网络化资源网络化是
7、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互联起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户都可共享软件、硬件和数据资源的目的。现在，计算机网络在各行各业中都得到了广泛的应用。目前开发的三网合一系统工程，便是将计算机网、电信网、有线电视网合为一体。将来人们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电视和电影。(4) 处理智能化处理智能化是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机，将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理，进行“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。展望未来，计算机的发展必然要经历
8、很多新的突破。从目前的发展趋势来看，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。届时计算机将发展到一个更高、更先进的水平。3. 计算机的分类计算机发展到今天，已是琳琅满目、种类繁多，并表现出各自不同的特点。可以从不同的角度对计算机进行分类。(1) 按数据类型分类电子计算机可以分为数字计算机、模拟计算机和数模混合计算机三种。在数字计算机中，所
9、处理的数据都是以“0”、“1”数字代码的数据形式来表示，这些数据在时间上是离散的，称为数字量，经过算术与逻辑运算后仍以数字量的形式输出；在模拟计算机中，要处理的数据都是以电压或电流量等的大小来表示，这些数据在时间上是连续的，称为模拟量，处理后仍以连续的数据(图形或图表形式)输出；在混合计算机中，要处理的数据用数字与模拟两种数据形式混合表示，它既能处理数字量，又能处理模拟量，并具有在数字量和模拟量之间相互转换的能力。目前的电子计算机绝大多数都是数字计算机。 4 大学计算机基础(2) 按元件分类电子计算机可以分为电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机和大规模集成电路计算机等。随着计算机的发展，
10、电子元件也在不断更新，将来的计算机将发展成为利用超导电子元件的超导计算机，利用光学器件及光路代替电子器件电路的光学计算机，利用某些有机化合物作为元件的生物计算机等。(3) 按规模分类电子计算机可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机等。“规模”主要是指计算机所配置的设备数量、输入输出量、存储量和处理速度等多方面的综合规模能力。(4) 按用途分类电子计算机可以分为通用计算机和专用计算机两种。通用计算机的用途广泛，可以完成不同的应用任务，个人计算机就是典型的通用计算机；专用计算机是为完成某些特定任务而专门设计研制的计算机，用途单纯，结构较简单，工作效率也较高，像银行取款机、电信资费查询机、M
11、P3 下载机等都属于专用计算机。1.1.2 信息与信息技术1. 信息及信息技术的概念(1) 信息信息是无处不在的，信息既是对各种事物的变化和特征的反映，又是事物之间相互作用和联系的表现特征。信息可以通过语言、文字、图像、声音、视频、动画等多种形式表现。一般来说，我们可以从信息的含义、表现形式、载体这三个方面来认识信息。一句话，通过各种渠道知道的内容或消息都通称信息。(2) 信息技术随着信息技术(Information Technology，简称IT)的发展，其内涵在不断变化，因此目前还没有统一的定义。可以这样说，凡是能扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。它主要是指利用电子计算机和现代通信手段
12、实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。2. 信息技术的内容一般来说，信息技术包含 3 个层次的内容：信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术。信息基础技术是信息技术的基础，包括新材料、新能源、新器件的开发和制造技术。近几十年来发展最快、应用最广泛、对信息技术以及整个高科技领域影响最大的是微电子技术和光电技术。信息系统技术是指与信息的获取、传输、处理、控制的设备和系统有关的技术。感测技术、通信技术、计算机与智能技术、控制技术是它的核心支撑技术。信息应用技术是为满足各种实用目的，如信息管理、信息控制、信息决策而发展起来的具体的技术群，如企业的自动化、办公自动化
13、、人工智能和互联网通信技术等，它们是信息第1 章 计算机基础知识 5 技术开发的根本目的所在。3. 信息技术的特征有人将计算机与网络技术的特征数字化、网络化、多媒体化、智能化、虚拟化，当作信息技术的特征。我们认为，信息技术的特征应从如下两方面来理解： 信息技术具有技术的一般特征技术性。具体表现为：方法的科学性，工具设备的先进性，技能的熟练性，经验的丰富性，作用过程的快捷性，功能的高效性等。 信息技术具有区别于其他技术的特征信息性。具体表现为：信息技术的服务主体是信息，核心功能是提高信息处理与利用的效率、效益。决定信息技术的信息特性还有普遍性、客观性、相对性、动态性、共享性、可变换性等特性。1.
14、1.3 计算机在信息社会的应用计算机的应用十分广泛，目前已渗透到人类活动的各个领域，国防、科技、工业、农业、商业、交通运输、文化教育、政府部门、服务等各行各业都在广泛地应用计算机来解决各种实际问题。归纳起来，目前计算机主要应用在以下几个方面：1. 科学计算(数值计算)科学计算是计算机最早应用的领域，所解决的大都是一些十分复杂的数学问题。科学计算的特点是计算公式复杂，计算量大和数值变化范围大，原始数据相应较少。这类问题只有具有高速运算和信息存储能力，以及高精度的计算机系统才能完成。例如数学、物理、天文学、生物学等基础科学的研究以及航天飞船、飞机设计、天气预报、地质探矿等方面的大量计算都可以使用计
15、算机来完成。2. 数据处理(信息处理)数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。它是目前计算机应用最广泛的领域。数据处理的特点是原始数据多，时间性强，计算公式相应比较简单。例如财务管理、物资管理、市场预测等工作。目前，在数据处理方面已进一步形成事务处理系统(TPS)、办公自动化系统(OAS)、电子数据交换系统(EDI)、管理信息系统(MIS)、决策支持系统(DSS)等应用系统。3. 过程控制(实时控制)过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。4. 计算机辅助
