大学计算机基础教程(Windows10+Office2019高等师范院校一流专业计算机系列教材)

第1章计算机基础知识 1.1　计算机概述 计算机是一种能自动、高速、精确地进行信息处理的电子设备，自1946年计算机诞生以来，它的发展极其迅速，得到了广泛应用，它使人们传统的工作、学习、生活甚至思维方式都发生了深刻变化。在人类发展史中，计算机的发明具有特别重要的意义，它既是科学技术和生产力发展的结果，又大大地促进了科学技术和生产力的发展。 1.1.1　计算机的发展历史 计算机从诞生以来，无论在技术上还是在应用上都得到了非常迅速的发展。根据其采用的电子器件的不同，可将计算机的发展划分为以下四个阶段。 1.**代计算机（1946～1957年） 1946年，世界上公认的**台电子数字计算机在美国费城的宾夕法尼亚大学研制成功，取名ENIAC（electronic numerical integrator and computer），标志着人类从此进入电子计算机时代。 ENIAC长30.48m，宽6m，占地170m2，拥有30个操作台，重达30t，耗电量150kW，造价48万美元，如图1-1所示。它使用了18 000个电子管，每秒可执行5 000次加法或400次乘法运算，计算速度是手工计算的20万倍。虽然这是一台耗资巨大、功能不完善的、笨重的庞然大物，但它的出现却是科学技术发展史上的伟大创造，使人类社会从此进入电子计算机时代。 图1-1　**台电子数字计算机ENIAC 2.第二代计算机（1957～1964年） 晶体管和磁芯存储器促使了第二代计算机的产生。图1-2展示的是我国1965年发明的**台晶体管计算机DJS-5机。采用晶体管作为逻辑元件的第二代计算机体积较小、功耗低、性能更稳定，计算速度已从每秒几千次提高到了几十万次。此外，这一时期还出现了更高级的计算机语言，代替了二进制机器码，使得计算机编程更容易。 3.第三代计算机（1964～1971年） 在20世纪60年代初期人类发明了集成电路，采用集成电路作为主要电子元器件是第三代计算机的标志。集成电路的使用，使得计算机变得更小、功耗更低且速度更快，如图1-3所示。同时，计算机语言也进入了“面向人类”的语言阶段，被人们称为“高级语言”；操作系统逐步成熟成为第三代计算机的显著特点。 4.第四代计算机（1971年至今） 20世纪70年代到80年代出现了大规模和超大规模集成电路。图1-4所展示的第四代计算机是我国的“天河一号”超级计算机。第四代计算机采用大规模集成电路和超大规模集成电路作为主要的电子器件，体积和价格不断下降，同时功能和可靠性不断增强。 从20世纪70年代初开始，许多国家的科研工作者开始研制第五代智能计算机。第五代智能计算机应具有学习和掌握知识的机制，并且能模拟人的感觉、行为和思维等，但至今还没有根本性的突破。 1.1.2　计算机的分类 计算机的种类很多，可以根据不同的标准进行分类。下面分别从信息的形式及处理方式、计算机的用途、规模几个方面进行分类。 1）按信息的形式及处理方式分类 （1）数字计算机：处理的是二进制数字信号，其特点是解题精度高，便于信息存储，是通用性很强的计算工具。数字计算机适于实现科学计算、信息处理、实时控制和人工智能等应用。通常所说的电子计算机指的就是数字计算机。 （2）模拟计算机：用电压的大小来表示数的，即通过电的物理变化过程来进行数值计算，其优点是速度快，适于求解高阶的微分方程，故在模拟计算和控制系统中应用较多。虽然模拟计算机运算速度快，但其运算精度低、通用性差、信息存储困难，这种计算机主要用于求解数学方程或自动控制模拟系统的连续变化过程。 （3）数字模拟混合计算机：综合了数字计算机和模拟计算机的优点，所以既可以处理数字信号，也可以处理模拟信号，既能高速运算，又便于信息存储，但这种计算机设计困难，造价昂贵。 2）按计算机的用途分类 （1）专用计算机：面向某个特定应用领域设计的，具有效率高、速度快、价格低等优点，同时存在适应性差的缺点，如银行系统的计算机、网络计算机等。 （2）通用计算机：人们通常所说的计算机指的就是通用计算机，其功能多、配置全、用途广、通用性强，可在各种行业、各种工作环境下使用。 3）按计算机的规模分类 计算机按规模的不同，可分为嵌入式计算机、微型计算机、工作站、小型计算机、大型计算机和超级计算机六类，如图1-5所示。它们的差异存在于简易性、体积、功耗、性能、存储容量、指令系统和价格等方面。一般来说，嵌入式计算机结构简单、体积小（只作为系统的一个部件）、功能简单、运算速度较低、存储容量小、指令系统简单、价格低。超级计算机的结构复杂、体积大、功能强大、运算速度高、存储容量大、指令系统丰富、价格昂贵。介于嵌入式计算机与超级计算机之间的微型计算机、工作站、小型计算机和大型计算机，它们的结构规模依次增大，性能依次增强。 （1）嵌入式计算机：在很多应用中，计算机只作为一个部件，成为其他设备的一部分，如作为机器人的大脑或者作为家用电器的控制部件，这种计算机称为嵌入式计算机。它成本低、用途广，其结构通常是面向特定应用，为特定应用专门开发设计的。 （2）微型计算机：用于满足单个用户的信息处理需要的计算机，通常也称为PC（个人计算机）、微机。微型计算机以其设计先进（率先采用高性能微处理器）、软件丰富、功能齐全、价格便宜等优势而拥有较多的用户，大大推动了计算机的普及应用。个人计算机无须连接其他计算机的处理机、磁盘、打印机等共享资源，可独立工作。 （3）工作站：一种以个人计算机和分布式网络计算为基础的，主要面向专业的应用领域，具备强大的数据运算与图形图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务及模拟仿真等专业领域需求而设计开发的高性能计算机。常见的工作站有计算机辅助设计工作站、办公自动化工作站、图像处理工作站等。 （4）小型计算机：体积小、结构简单、可靠性高、设计试制周期短、成本较低，便于及时采用先进工艺，不需要经长期培训即可维护和使用，这些特点使小型计算机的应用范围更加广泛，如大型仪器的数据采集和分析、大学和研究所的科学计算、工业自动控制及企业管理等，也用作大型、巨型计算机系统的辅助机。 （5）大型计算机：包括国内常说的大、中型机，其特点是大型、通用，具有很高的运算速度和很强的管理能力。大型计算机的输入输出能力、非数值计算能力，以及稳定性、安全性都是微型计算机望尘莫及的，主要用于大型银行、大型公司、规模较大的高校和科研院所。 （6）超级计算机：也称巨型机，在所有计算机类型中具有所占面积*大、价格*贵，功能*强、浮点运算速度*快等特征。目前，巨型机多用于战略武器（如核武器和反导弹武器）的设计、空间技术、石油勘探、中长期大范围天气预报以及社会模拟等领域。巨型机研制水平、生产能力及其应用程度，已成为衡量一个国家经济实力与科技水平的重要标志。 我国在巨型机上取得了许多傲人的成绩。2022年5月，国际TOP500组织公布了*新全球超级计算机500强，我国共有173台超级计算机进入排行榜，占全球34.6%，上榜总数排名**。 1.1.3　计算机的发展趋势 从**台计算机产生至今的半个多世纪里，计算机应用得到不断拓展，计算机类型不断分化，计算机也朝着微型化、巨型化、网络化、多媒体化和智能化等不同方向发展。 1）微型化 微型化指计算机的体积微型化。当前微型计算机的标志是运算部件和控制部件集成在一起，今后会逐步发展为存储器、通道处理机、高速运算部件、图形卡、声卡的集成，并进一步将系统的软件固化，以达到整个微型机系统的集成。 2）巨型化 巨型化即计算机功能巨型化，是指计算机具有高速运算、大存储容量等强大的功能，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。计算机巨型化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、硬件和软件理论与技术，计算数学以及计算机应用等多个科学分支的发展。 由于硅芯片技术越来越接近其物理极限，所以超级计算机发展的另一个趋势是采用全新的元件和技术，使计算机的体系结构与技术都产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机和纳米计算机，在21世纪将会走进我们的生活，遍布各个领域。 3）网络化 计算机网络是计算机技术发展中崛起的又一个重要分支，是现代通信技术与计算机技术结合的产物。计算机网络将不同地理位置上具有独立功能的不同计算机通过通信设备和传输介质互连起来，在通信软件的支持下，实现网络中的计算机之间共享资源、交换信息、协同工作。计算机网络的发展水平已成为衡量国家现代化程度的重要指标，在社会经济发展中发挥着极其重要的作用。进入20世纪90年代之后，计算机网络已经广泛应用于政府、学校、企业、科研、家庭等领域，越来越多的人接触并了解到计算机网络的概念。 4）多媒体化 多媒体化是指计算机具有全数字式、全动态、全屏幕播放、编辑和创作多媒体信息的功能，具备控制和传输多媒体电子邮件、电视会议等多种功能。计算机的多媒体化使计算机由办公室、实验室中的专用品变为信息社会的普通工具，广泛地应用于工业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域。 5）智能化 智能化指计算机的处理能力智能化，就是让计算机来模拟人的感觉、行为、思维过程的机理，使计算机具备“视觉”“听觉”“语言”“行为”“思维”“学习”“证明”等能力，这也是第五代计算机要实现的目标。智能化的发展将使各种知识库及人工智能技术得到进一步普及，人们将用自然语言和机器对话。计算机将从以数值计算为主过渡到以知识推理为主，从而使计算机进入知识处理阶段。 未来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结合的产物。20世纪90年代中期，**台超高速光子数字计算机研制成功，其运算速度比电子计算机快1000倍。相信在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机、量子计算机等全新的计算机也会诞生，计算机将会发展到一个更高、更先进的水平。 1.2　信息科学与信息技术 信息科学是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机相关技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴综合性学科。信息科学是由信息论、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相结合而形成的。 在信息科学中，常见的3个基本概念简介如下。 1）信息 世界充满信息（information），信息的内容千差万别，有的是能看得见、摸得着的有形的客观事物，如物体形状的大小、人体的胖瘦、花卉的颜色等；有的是看不见、摸不着的抽象的事物和概念，如天气的冷暖、价格的高低、味道的酸甜等。一般来说，信息是客观事物状态和特征的反映，是关于事物运动状态和规律的表征，也是关于事物运动的知识。日常生活中，符号、信号或消息所包含的信息可以帮助人类消除对客观事物认识的不确定性。 在计算机中，数据是信息的载体，数据均以二进制编码形式（0和1组成的字符串）表示。信息和数据是两个相互联系、相互依存又相互区别的概念。数据是信息的表示形式，而信息是数据所表达的含义。例如，100km是一项数据，但这一数据除了数字上的意义外，并不表示任何内容，而汽车已走了100km是对数据的解释，这就是信息。 2）信息系统 信息系统是一个由人、计算机及外围设备等组成的，能进行信息收集、传送、存储、维护和使用的系统，管理信息系统、决策支持系统、银行信息系统等都属于这个范畴。 3）信息技术