大学计算机基础教程

1、第 1 章 绪 论电子运算机是 20 世纪人类最宏大的技术创造之一,是科学技术和生产力进展的结晶；第一台运算机于 1946 年产生至今,已有半个多世纪；目前运算机及其应用已经渗透到社会生活的各个领域,有力的推动了整个信息社会的进展；在21 世纪,把握以运算机为核心的信息技术的基础学问和应用技术已经成为现代高校生必备的基本素养,运算机基础学问和应用才能是现代高校生学问结构的重要组成部分；1.1 运算机的产生和进展1.1.1 电子运算机的问世1946 年 2 月,世界上第一台运算机在美国宾夕法尼亚高校产生,取名为“ 电子数值积分器和运算器（ Electronic Numerical Integra

2、tor And Calculator）” ,简称埃尼亚克（ENIAC ）,如图1-1 所示；这台运算机占地 167m 2 ,重达 30 余吨,运算速度只有 5000 次/秒；这台运算机从1946 年 2 月开头投入使用,到 1955 年 10 月最终切断电源,服役 9 年多；虽然它每秒只能进行 5000 次加减运算,但它预示了科学家将从繁重的运算中解脱出来；至今人们公认,ENIAC机的问世,说明白电子运算机时代的到来,具有划时代意义；图 1-1 ENIAC 机ENIAC 机本身存在两大缺点：一是没有储备器；二是用布线接板进行掌握,运算速度也就被这一工作抵消了；在 ENIAC 尚未投入运行前,被

3、称为运算机之父的美籍匈牙利数学家冯 诺依曼（图1-2）就已开头预备对这台电子运算机进行脱胎换的改造；在短短10 个月里,冯 诺依曼快速把概念变成了方案；他和他的同事研制了人类其次台运算机,新机器方案命名为“ 离散变量自动电子运算机”,英文缩写 EDVAC ；1945 年 6 月,冯 诺依曼与戈德斯坦等人,联名发表了一篇长达 101 页纸洋洋万言的报告,即运算机史上闻名的“101 页报告” ；这份报告奠定了现代电脑体系结构坚实的根基,直到今日,仍旧被认为是现代电脑科学进展里程碑式的文献；图 1-2 冯 诺依曼在 EDVAC 报告中,冯诺依曼明确规定出运算机的五大部件：运算器 CA、 规律掌握器

4、CC、 储备器 M 、输入装置 I 和输出装置 O,并描述了五大部件的功能和相互关系；与 ENIAC相比, EDVAC 的改进第一在于冯 诺依曼奇妙地想出“ 储备程序” 的方法,程序也被他当作数据存进了机器内部,以便电脑能自动一条接着一条地依次执行指令,再也不必去接通什么线路；其次,他明确提出这种机器必需采纳二进制数制,以充分发挥电子器件的工作特点,使结构紧凑且更通用化；人们后来把按这一方案思想设计的机器统称为“ 诺依曼机”；自冯 诺依曼设计的 EDVAC 运算机始,直到今日我们用“ 奔腾” 芯片制作的多媒体计算机为止,电脑一代又一代的“ 传人”,大大小小千千万万台运算机,都没能够跳出“ 诺依

5、曼机” 的掌心；冯 诺依曼为现代运算机的进展指明白方向,从这个意义上讲,他是当之无愧的“ 电子运算机之父”；当然,随着人工智能和神经网络运算机的进展,“ 诺依曼机” 一统天下的格局已经被打破,但冯 诺依曼对于进展电脑做出的巨大功绩,永久也不会因此而消灭其光辉；世界上第一款商用运算机是1951 年开头生产的UNIV AC 运算机； 1947 年, ENIAC 的两个创造人莫奇莱和埃克特创立了自己的运算机公司,生产UNIV AC 运算机；运算机开头作为商品出售；莫奇莱和埃克特以及他们的 UNIV AC 运算机奠定了运算机工业的基础；1.1.2 运算机的进展近 60 年来,运算机技术的进展突飞猛进；

6、依据运算机采纳的物理器件,一般将运算机的 进展分为 4 个阶段；1第一代运算机 电子管运算机（1946 年 1957 年）第一代运算机的基本特点是采纳电子管作为运算机的规律元件；数据表示主要是定点数；用机器语言或汇编语言编写程序；由于当时电子技术的限制,第一代运算机每秒运算速度仅为几千次, 内存容量仅几KB ；这个时期运算机的特点是：体积巨大, 运算速度慢, 牢靠性差,耗电量大且修理困难；第一代运算机主要用于军事和科学讨论工作；2其次代运算机 晶体管运算机（1958 年 1964 年）其次代运算机的基本特点是其规律元件逐步由电子管改为半导体晶体管,内存所使用的器件大多使用磁芯储备器；运算速度可

7、达每秒几十万次,内存容量扩大到几十KB ；与此同时,运算机软件也有了较大进展,显现了FORTRAN 、COBOL 、ALGOL 等高级编程语言；相对于第一代运算机而言,其次代运算机的特点是：体积削减,重量减轻,耗电量削减,运算速度 加快,牢靠性增强；其次代运算机除了用于科学运算外,仍用于数据处理和事务处理；3第三代运算机 中、小规模集成电路运算机（1965 年 1970 年）随着固体物理技术的进展,集成电路工艺已可以在几mm2的单晶硅片上集成十几甚至上百个电子元件组成的规律电路；第三代运算机的基本特点是其规律元件采纳小规模集成电路SSI（Small Scale Integration ）和中规

8、模集成电路MSI （Middle Scale Integration ）；第三代运算机的运算速度可达每秒几十万次到几百万次；储备器进一步进展,体积越来越小,价格越来 越低,而软件越来越完善；其特点是：体积更小,耗电量、价格等方面进一步下降,运算速 度、牢靠性等进一步增加；这一时期,运算机开头广泛应用在社会的各个领域；4第四代运算机 大规模和超大规模集成电路运算机（1971 年至今）进入 20 世纪 70 岁月以来,运算机采纳大规模和超大规模集成电路作为基本器件,其特 点是：体积、重量、耗电量、价格等方面比上一代运算机进一步下降,运算速度和牢靠性等 方面大幅度提高,并不断地向大储备容量、高速度方

9、面进展；目前,运算机的速度最高可以 达到每秒几十万亿次浮点运算；操作系统不断完善,应用软件已经成为现代工业的一部分；1.2 运算机的分类1.2.1 运算机的特点1运算速度快 由于运算机是由高速电子器件构成,加之能自动连续工作,因而具有很高的运算速度；现代巨型运算机的速度已达每秒万亿次,其一秒钟完成的运算量,相当于一个人用手工运算 几十年的工作量；运算机的快速运算为人们赢得了时间；2运算精度高 运算机内部采纳二进制数的表示方法,其有效位数越多,精度也就越高,因此运算精度 可用增加位数（字长）来获得；另外仍可通过算法来提高精度；3具有很强的“ 记忆” 和规律判定才能 运算机的储备器使运算机具有“

10、记忆” 的功能,它能够储备大量信息；运算机除了能进 行算术运算外,仍能进行规律运算,做出规律判定,并依据判定的结果自动挑选以后应执行 什么操作；4程序掌握下自动操作运算机与以前全部运算工具的本质区分在于它能够摆脱人的干预,自动、连续地进行各 种操作；运算机从正式操作开头,到输出结果,整个过程都是在程序掌握下自动进行的；5储备容量大 目前的运算机配备了大容量的内存和外存,如目前标准配置的微型机内存容量已达 512MB ；硬盘容量已达 80GB ；1.2.2 运算机的分类电子运算机从总体上来说分为两大类:电子模拟运算机和电子数字运算机；电子模拟运算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的；

11、电子数字运算机的主要特点是按位运算,并且不连续地跳动运算；数字运算机与模拟运算机的主要区分见表 1.1；表 1.1 数字运算机与模拟运算机的主要区分比较内容数字运算机模拟运算机数据表示方式数字 0 和 1 电压运算方式数字运算电压组合和测量值掌握方式程序掌握盘上连线精度高低数据储备量大小规律判定才能强无电子数字运算机是以近似于人类的“ 思维过程” 来进行工作的,所以有人把它叫做电脑；它的创造和进展是 20 世纪人类最宏大的科学技术成就之一,也是现代科学技术进展水平的重 要标志；数字运算机又可分为专用运算机和通用运算机；专用和通用是依据运算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的；专用

12、机是最有效、最经济和最快速的运算机,它是 针对某一任务设计的运算机,但是它的适应性很差；通用机适应性很大,但是牺牲了效率、速度和经济性；通用运算机又分巨型机、微型机、工作站、服务器、单片机等；它们的区分在于体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据储备容量、指令系统规模和机器价格；巨型运算机现在又称为高性能运算机；高性能运算机的运算速度在每秒一万亿次以上,数据储备容量很大,结构复杂,价格昂贵；其数量虽然不多,但却有重要和特别的用途；在 军事上,可用于战略防备系统、大型预警系统、航天测控系统等；在民用方面,可用于大区 域中长期天气预报、大面积物探信息处理、大型科学运算和模拟等；近年来,我国高性能计算

13、机的研发也取得了很大成果,推出了“ 曙光”并在国民经济的关键领域得到了应用；、“ 联想” 等代表国内最高水平的巨型机系统,微型运算机又称为个人运算机（Personal Computer, PC）；1971 年 Intel 公司的工程师成功地在一个芯片上实现了中心处理器（Central Processing Unit , CPU）的功能,制成了世界上第一片 4 位处理器 Intel 4004,组成了世界上第一台 4 位微型运算机MCS-4 ,从今掀开了 世界运算机大进展的帷幕；自 IBM 公司于 1981 年采纳 Intel 微处理器推出 IBM PC 以来,微型运算机因其小、巧、轻、使用便利、

14、价格廉价等优点,在过去的 20 多年里得到快速进展,成为运算机的主流；今日,微型机的应用已经遍及社会的各个领域,从工厂生产掌握到政府 办公自动化,从商店的数据处理到家庭的信息治理,几乎无所不在；微型机的种类许多,主要分为 3 类：台式机、笔记本和个人数字助理 PDA ；工作站是一种介于微型机和小型机之间的高档微机系统；自 1980 年美国 Appolo 公司推出世界上第一个工作站 DN-100 以来, 工作站快速进展,成为专特长理某类特别事务的一种独 立的运算机类型；工作站通常配备有高辨论率的大屏幕显示器和大容量的内、外储备器,具 有较强的数据、图形处理才能；服务器是一种在网络环境中为多个用户

15、供应服务的运算机系统；从硬件上来说,一台普 通的微型机也可以充当服务器,关键是它要安装网络操作系统、网络协议和各种服务软件；服务器的治理和服务有：文件、数据库、图形、图像以及打印、通信、安全、保密和系统管 理、网络治理等服务；依据所供应的服务,服务器可以分为文件服务器、数据库服务器、应 用服务器和通信服务器等；单片运算机是只用一片集成电路做成的运算机,体积小,结构简洁,性能指标较低,价 格廉价；主要应用于工业自动掌握；介于巨型机和单片机之间的是大型机、中型机、小型机和微型机,它们的结构规模和性 能指标依次递减；随着超大规模集成电路的快速进展,今日的小型机可能是明天的微型机,而今日的微型机可能是

16、明天的单片机；1.3 运算机的应用目前,运算机的应用特别广泛,已渗透到社会的各个领域,从科研、生产、学习到家电 的使用,都涉及到运算机技术；运算机的应用主要表现在以下几个方面：1. 数值运算 数值运算是运算机的一个传统应用领域,也是应用最早、最重要的一个应用领域；创造 运算机的最基本目的就是解决工程讨论与设计中所涉及的各种复杂的数学问题的运算,目前它已广泛应用于航空航天、造船、建筑等方面；2. 信息处理 信息处理是指运算机对外部设备送来的各种复杂的数据信息进行采集、加工、分类、存储、传送、检索等综合性的处理工作；如生产治理、财务治理、档案治理等各种治理中的数 据库应用,以及办公自动化中的文字处

17、理和文件治理；3. 过程掌握 生产过程的自动掌握,是运算机应用中的另一广泛领域,即由运算机进行数据搜寻、采 集,实现自动检测、自动调剂和自动掌握,其特点是精度高、速度快、反应灵敏；典型的应用领域有：生产过程掌握、交通自动治理、火警自动警报系统、导弹掌握系统等；4. 运算机帮助系统运算机帮助系统包括帮助设计、帮助训练、帮助制造等；运算机帮助设计 CAD （Computer-Aided Design）是利用运算机帮忙各类设计人员进行设计的技术,它可以取代传统的图纸设计,加快设计速度,提高设计的精度和质量,在建筑工程、机械部件、家电产品和服装等设计领域应用特别广泛；运算机帮助训练 CBE（Compu

18、ter-Based Education ）包括运算机帮助教学 CAI ,运算机辅助测试 CAT,运算机治理教学 CMI ；其中 CAI 是通过人机交互方式帮忙同学自学,代替老师供应丰富的教学资料和进行各种问答式教学,转变了过去传统的教学模式,使教学内容生动形象、图文并茂；CAT 是利用运算机进行模拟试验、自我测评等,帮忙同学明白试验的过程,分析学习过程中的不足；随着多媒体技术和网络技术的进展与应用,远程教学和网上学习已越来越普及,为学习者供应了更多、更便利的学习方式；运算机帮助制造 CAM （Computer-Aided Manufacturing ）是利用运算机掌握生产过程,即用运算机进行生

19、产设备的治理、掌握和操作,它能提高产品质量、降低成本、缩短生产周期,对经济的进展起着重要的作用；5. 运算机通讯与网络运算机通过网络互连,可以实现运算机之间的硬件、软件资源共享,促进地区间、国际间的通信与各种数据的传输和处理；随着互联网的进展,运算机通信的应用已达到前所未有的境域；其中电子商务是指在 Internet 上进行的商务交易,它涉及企业和个人的各种形式的基于数字化信息处理和传输的商业活动；6. 人工智能人工智能（ AI ）是运算机应用进展的又一个前沿方向,它的主要目的是用运算机来模拟人类的某些智能活动,使其具有“ 学习”、“ 适应才能”、“ 推理” 等功能,在肯定程度上具有“ 思维” 才能；AI 的应用主要包括：模式识别、专家系统、机器人、智能检索等；总之,运算机的应用已特别普及,特别是网络技术的进展,使得运算机的应用产生了许多新理