大学计算机基础:Office 2010版

第1章 计算机基础知识 在电子计算机出现后短短的半个多世纪里，随着计算机及计算机应用技术的普及，计算机技术得到了飞速的发展，正迅速渗透到社会的各个领域中，并逐步进入家庭，成为一个国家现代化的重要标志之一。 近20年来，计算机的应用不断深入。由于计算机日益向智能化发展，人们形象地把微型计算机称为“电脑”。 1.1 计算机概述 计算机是一种能对数字化信息进行自动高速运算的通用处理装置。计算机科学与技术是第二次世界大战以来发展*快、影响*深远的新兴学科之一。计算机产业已在世界范围内发展成为一种极富生命力的战略产业。 1.1.1 计算机的产生和发展 1．计算机的产生 现代计算机问世之前，计算机的发展经历了机械式计算机、机电式计算机和萌芽期的电子计算机三个阶段。 在第二次世界大战爆发前后，军事科学技术对高速计算工具的需求尤为迫切。在此期间，德国、美国、英国都在进行计算机的开拓工作，几乎同时开始了机电式计算机和电子计算机的研究。 世界上**台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年2月15日由美国宾夕法尼亚大学研制成功，它主要用于计算弹道的各种非常复杂的非线性方程组。众所周知，这些方程组是没有办法准确求解的，只能用数值方法近似地进行计算，因此研究一种快捷准确计算的办法很有必要。ENIAC后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。 从技术而言，ENIAC并没有太明晰的CPU概念。因为它采用电子管作为基本电子元件，用了18000多个电子管，而每个电子管大约有一个普通家用25W灯泡那么大。这样，整部计算机有8ft高、3ft宽、100ft长（1ft=0.3048m），占地170m2，重达30t，功率高达140kW，每秒能进行5000次加法运算（而人*快的运算速度每秒仅5次加法运算），还能进行平方和立方运算，计算正弦和余弦等三角函数的值及其他一些更复杂的运算。这样的速度反映出当时人类智慧的*高水平。 2．计算机的发展 美国数学家冯 诺依曼于1945年提出了著名的“冯 诺依曼体系结构”理论，被西方人誉为“计算机之父”。冯 诺依曼体系结构的主要内容如下： （1）采用二进制形式表示数据和指令。在存储程序的计算机中，数据和指令都是以二进制形式存储在存储器中的。 （2）采用存储程序方式。这是冯 诺依曼体系结构的核心。“存储程序方式”是指事先编制程序，将程序（包含指令和数据）存入存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令执行。这是计算机能高速自动运行的基础。 （3）计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成，并规定了这五部分的基本功能。 上述这些概念奠定了现代计算机的基本结构思想，到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一体系结构，即冯 诺依曼型计算机体系。 计算机的发展根据电子元器件的不同可以分为五代，如表1-1所示。 表1-1 计算机的发展阶段 3．计算机的发展趋势 从目前的发展趋势来看，未来的计算机是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。计算机逐渐向巨型化、微型化、智能化和网络化等方向发展。 （1）巨型化。巨型化是指研制处理速度更高、传输速度更快、容量更大和功能更强的大规模并行处理超级计算机。目前，超级计算机的应用已与国计民生密不可分。它的应用多与国家重大工程相关，比如日本的“京”，主要用于地震海啸预测、生命科学、新药研制；美国的“泰坦”主要用于研究气候变迁、核研究、材料科学等。又如，在娱乐产业的应用，《阿凡达》电影中，超过2/3的人物与景象都是通过超级计算机计算出来的。 超级计算机已经变成“国之重器”，世界各国在超级计算机的研制上竞争激烈。2010年，我国研制的首台千万亿次超级计算机“天河一号”曾在全球TOP500超级大型计算机排行榜中排名**，但在2011年被日本研发的超级计算机“京”超越了。2012年，美国的“泰坦”又超越了日本的“京”。2013年，我国研制的“天河二号”超级计算机，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，成为全球*快的超级计算机。 （2）微型化。微型化是指由于微电子技术和超大规模集成电路技术的迅猛发展，计算机体积变得更小，出现了各种笔记本电脑、掌上电脑、腕上电脑等微型计算机。 （3）多媒体化。多媒体化是指计算机能处理文字、图形、声音、动画等多种形式的信息。多媒体技术是20世纪80年代中后期兴起的一门跨学科的新技术，采用这种技术，可以使计算机具有处理图、文、声、像等多种媒体的能力（即成为多媒体计算机），从而使计算机的功能更加完善，提高了计算机的应用能力。当前，全世界已形成一股开发应用多媒体技术的热潮。与人们生活息息相关的教育、医疗、娱乐等多方面都是大量计算机多媒体化以后的成果。例如，在远程教育中，多媒体技术的使用，使教材的思想性、科学性、艺术性充分结合，为各学科教学提供了丰富的视听环境，给受众以全方位的、多维的信息，提高了形象视觉和听觉的传递信息比率，缩短了教学时间、扩大了教学规模。 （4）智能化。智能化是指计算机具有类似人类的部分智能，如“思维”、“听觉”、“行为”等能力，它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，可以“看”、“听”、“说”、“想”、“做”，具有逻辑推理、学习与证明的能力。美国海军的X-47B隐形无人机是世界上**架完全依靠人工智能进行控制的无人机，它和以往的无人机所不同的是不需要操作人员通过远程控制设备和系统对其进行实时遥控，工作人员只需在X-47B起飞之前为其设定好飞行任务即可，随后安装在飞机上的“控制显示单元”能够根据任务进行独立计算，依靠GPS、自动驾驶仪和防撞传感器等先进的设备和技术调整飞机的前进方向和飞行模式，从而自行完成飞行任务。 （5）网络化。网络化是指众多的计算机系统通过通信线路灵活方便地连接在一起，收集和传递信息，并实现资源共享、均衡负载。计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，它已在现代企业管理中发挥着越来越重要的作用，如银行系统、商业系统、交通运输系统等。计算机网络化也极大地改变了人们的生活模式，例如，网络购物已经在很大程度上成为人们购物时的首选，网络上看视频和听音乐也成为了很多家庭娱乐生活的方式之一。 展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。**台超高速全光数字计算机，已由英国、法国、德国、意大利和比利时等国家的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。 1.1.2 计算机的分类 按处理数据的方式，计算机分为模拟计算机和数字计算机；按应用特点，计算机分为专用计算机和通用计算机。根据计算机的规模和性能，计算机分为以下几类。 1．巨型计算机 巨型计算机指运算速度快、存储容量大的高性能计算机。目前，巨型计算机主要用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、长期天气预报、极端气候模拟、模仿火山爆发、应急气候、纳米技术、激光技术、流体动力学和社会模拟等领域。巨型计算机的研制水平，可以在一定程度衡量一个国家的科学技术能力、工业发展水平和国家综合实力，世界上只有少数几个国家能生产巨型计算机。我国继1983年成功制造了运算速度为每秒1亿次的巨型机“银河Ⅰ号”后，在1993年研制成功运算速度为10亿次的“银河Ⅱ号”，1997年6月又研制成功“银河Ⅲ号”并行计算机，全系统内存容量为9.15GB，峰值性能为每秒130亿次浮点运算。由国防科学技术大学研制、安装部署在中国国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机峰值运算速度达到了2.507千万亿次每秒。这表明我国研制巨型计算机的水平已经进入世界先进行列。 2．大型计算机 大型计算机运算速度没有巨型计算机那样快，一般只有大中型企事业单位才有必要配置和管理它。以大型主机和其他外部设备为主，并且配备众多的终端，组成一个计算机中心，才能充分发挥大型主机的作用。美国IBM公司生产的IBM360、IBM370、IBM9000系列，就是国际上有代表性的大型主机。 3．中型计算机 中型计算机与大型计算机的区别不甚明显，通常用于国家重点科研机构、重点理工科院校。 4．小型计算机 小型计算机一般为中小型企事业单位或某一部门所用，如高等院校的计算机中心都以一台小型机为主机，配以几十台甚至上百台终端机，以满足大量学生学习程序设计课程的需要。当然其运算速度和存储容量都比不上大型主机。美国DEC公司生产的VAX系列机、IBM公司生产的AS/400机，以及我国生产的太极系列机都是小型计算机的代表。 5．工作站 工作站是介于个人计算机和小型计算机之间的一种高档微型机。1980年，美国Apollo公司推出世界上**台工作站DN-100。十几年来，工作站迅速发展，现已成长为专用于处理某类特殊事务的一种独立的计算机系统。著名的SUN、HP和SGI等公司是目前*大的几个生产工作站的厂家。工作站通常配有高档CPU、高分辨率的大屏幕显示器和大容量的内外存储器，具有较强的数据处理能力和高性能的图形功能。它主要用于图像处理、计算机辅助设计等领域。 6．微型计算机 微型计算机也称为个人计算机，简称微机、PC机。微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器设备中，同时也作为工业控制过程的心脏，使仪器设备实现“智能化”。20世纪70年代以来，由于大规模和超大规模集成电路的飞速发展，微处理器芯片连续更新换代，微型计算机连年降价，加上丰富的软件和外部设备，操作简单，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。 随着计算机技术的发展，各类机器之间的差别越来越不明显。近几年的高档微机的速度、性能甚至超过了前几年的小型计算机。 1.1.3 计算机的特点 1．运算速度快 计算机能以极快的速度进行运算和逻辑判断。由于计算机运算速度快，使得许多过去无法处理的问题都能得以及时解决。例如，天气预报问题，要迅速分析大量的气象数据资料，才能作出及时的预报。若手工计算需十几天才能得出结论，从而失去预报的意义。现在用计算机只需十几分钟就可完成一个地区内数天的天气预报。 2．计算精度高 计算机具有以往计算工具无法比拟的计算精度，一般可达几十位、几万位有效数字的精度。这样的计算精度能满足一般实际问题的需要。1949年，瑞特威斯纳（Reitwiesner）用ENIAC把圆周率？算到小数点后2037位，打破了著名数学家商克斯（W.Shanks）花了15年时间于1873年创下的小数点后707位的记录。这样的计算精度是任何其他工具所不可能达到的。 3．记忆能力强 计算机的存储系统具有存储和“记忆”大量信息的能力，能存储输入的程序和数据，保留计算结果。现代计算机存储容量极大，一台计算机能轻而易举地将一个中等规模的图书馆的全部图书资料信息存储起来，且不会“忘却”。人用大脑存储信息，随着脑细胞的老化，记忆能力会逐渐衰退，记忆的东西会逐渐遗忘，相比之下计算机的记忆能力是超强的。 4．逻辑判断能力 计算机的逻辑判断能力是实现计算机自动化和具备人工智能的基础，是计算机基本的、也是重要的功能。 5．自动控制能力 计算机是自动化电子装置，能自动执行存放在存储器中的程序。人们事先编好程序后，向计