大学计算机基础1

大学计算机基础教材与参考书大学计算机基础第一章概论第一章概论主要内容1.1计算机的发展过程1.2计算机的工作特点及分类1.3未来计算机的发展趋势1.4信息与信息化社会

计算机是一种能在计算机程序的指令集控制下，接受输入、处理数据、存储数据并产生输出的多用途电子设备。什么是计算机?计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。计算机的主要任务是处理数据。计算机处理数据的方式包括执行计算、修改文档或图片、记录快速动作游戏中的得分、绘图、对词汇或数字的列表进行排序等。CPUCentralProcessingUnit(CPU)是计算机的处理器，其职责是控制和执行计算机中存储的指令。计算机中最重要的部件，是计算机的“大脑”。1.1.1计算机的产生1.1计算机的发展过程手指计数、木棍、石块算盘:几百年前我国发明手动式计算工具计算尺:1621年英国数学家冈特根据对数表设计1642年法国数学家帕斯卡发明了加法器，人类有史以来第一台机械计算机。采用齿轮旋转进位方式执行运算，但是只能做加法和减法。1.1计算机的发展过程1671年，著名的德国数学家莱布尼兹（G.W.Leibnitz）制成了第一台能够进行加、减、乘、除四则运算的机械式计算机。英国剑桥大学的数学教授,英国数学家查尔斯•巴贝奇（CharlesBabbage）,是计算机概念第一奠基人。他写出了世界上第一部关于计算机程序的专著。巴贝奇发明的解析机是现代电子计算机的雏型。因此他也被称为现代计算机之父。

1.1计算机的发展过程巴贝奇在上大学时就发现了航海表中的错误。最早的航海表是英国在1766年发表的，尽管造表人费了大量心血进行了精心计算，但表中还是有许多错误，这严重影响了轮船在海上定方位的准确性。巴贝奇萌生了想用机器来制作数表的念头。18世纪末法国组织的一项规模巨大的、复杂的计算工作给巴贝奇留下了深刻的印象。由于当时法国引进了米制，法国政府决定在数学中采用十进位制。法国政府甚至把十进位制引入到对圆周、角度的度量上，这样一来，就必须重新计算大量的数表，首先是三角函数表和对数表。令人惊讶的是，这项浩繁的计算工作在较短的时间内完成了，数表共有大开手抄本30余卷，能基本上满足应用上的需求。巴贝奇对这项工作的开展过程颇感兴趣，他了解到全部工作是分三步完成的：第一步由数学家提出数学解析公式；第二步由熟悉数学的人把公式转换成便于处理数据的形式；第三步由稍具数学知识的人按公式指定的顺序只做加减法的运算，得出最终结果。巴贝奇注意到，完成第三步工作的人所犯的错误最少，尽管他们并不具备高深的数学知识，因为他们的工作完全是机械式的，只需熟练地进行加减就可以了。巴贝奇认为这部分人的工作完全可以由机器来代替，机器可以做得更快、更准确。1822年巴贝奇发明了差分机。这是最早采用寄存器来存储数据的计算工具，体现了早期程序设计思想的萌芽，使计算工具从手动机械跃入自动机械的新时代。

差分机可以用于计算数的立方、对数、三角函数和其他许多表格。巴贝奇在1822年制成了小差分机。巴贝奇用这台机器计算了平方表和其他一些表格。

机械计算（齿轮传动）1832年巴贝奇开始研制分析机在分析机的设计中，巴贝奇采用了三个具有现代意义的装置：

⑴存储装置：采用齿轮式装置的寄存器保存数据，既能存储运算数据，又能存储运算结果；

⑵运算装置：从寄存器取出数据进行加、减、乘、除运算，并且乘法是以累次加法来实现，还能根据运算结果的状态改变计算的进程，用现代术语来说，就是条件转移；

⑶控制装置：使用指令自动控制操作顺序、选择所需处理的数据以及输出结果。

巴贝奇的分析机是可编程计算机的设计蓝图，实际上，我们今天使用的每一台计算机都遵循着巴贝奇的基本设计方案。但是巴贝奇先进的设计思想超越了当时的客观现实，由于当时的机械加工技术还达不到所要求的精度，使得这部以齿轮为元件、以蒸汽为动力的分析机一直到巴贝奇去世也没有完成。

哈佛大学教授，美国数学家霍华德·艾肯（HowardHathawayAiken；1900～1973）发现了巴贝奇的设计，并被巴贝奇的远见卓识所震惊。艾肯提出用机电的方法，而不是纯机械的方法来实现巴贝奇的分析机。在1944年研制出了有深远影响的大型自动数字式（电动机械）计算机MarkI，而被首批授予计算机先驱奖。MarkI

的运算速度是，加法速度是300ms，乘法速度是6s，除法速度是11.4s。MarkI典型部件是普通的继电器，继电器的开关速度是1/100秒，使得机电式计算机的运算速度受到限制。1.1计算机的发展过程1.1计算机的发展过程世界上第一台通用电子数字计算机ENIAC（艾尼亚克）1946年2月诞生于美国宾夕法尼亚大学莫尔学院。重达30吨占地170m2耗电150千瓦使用18000个电子管5000次加减运算/秒电子管第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。ENIAC

ENIAC的最大特点就是采用电子器件代替机械齿轮或电动机械来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，因此，同以往的计算机相比，ENIAC最突出的优点就是高速度。ENIAC1.1计算机的发展过程

1958年8月，中国第一台电子管计算机（103）诞生。这台运算速度为每秒30次的电子管计算机，填补了我国现代电子计算机的空白。

119计算机是我国自行设计研制的第一台大型通用数字电子管计算机，平均浮点运算速度为每秒5万次。1964年初通过国家级鉴定。119机完成了大量原子能、天气预报等方面的计算任务。英国科学家艾兰.图灵（1912-1954）计算机发展史中的关键人物英国科学家图灵（AlanMathisonTuring）在计算机理论方面，做了许多开创性的工作。

他是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方法也源自于这位伟大的科学家。他对计算机的重要贡献在于他提出的有限状态自动机也就是图灵机的概念。对于人工智能，它提出了重要的衡量标准“图灵测试”，如果有机器能够通过图灵测试，那他就是一个完全意义上的智能机，和人没有区别了。他杰出的贡献使他成为计算机界的第一人，现在人们为了纪念这位伟大的科学家将计算机界的最高奖定名为“图灵奖”。

计算机发展史中的关键人物

“图灵机”不是一种具体的机器,而是一种思想模型，可制造一种十分简单但运算能力极强的计算机装置.读写头控制机制图灵机abdccabb图灵机1936年，阿兰·图灵提出了一种抽象的计算模型——图灵机(TuringMachine)。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作下列两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号；把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置；而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于(a)此人当前所关注的纸上某个位置的符号和(b)此人当前思维的状态。为了模拟人的这种运算过程，图灵构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成：一条无限长的纸带。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。纸带上的格子从左到右依此被编号为0,1,2,...，纸带的右端可以无限伸展。一个读写头。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指的格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。一套控制规则。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。注意这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程美籍匈牙利数学家冯.诺依曼（1903-1957）计算机发展史中的关键人物

20世纪30年代，普林斯顿大学数学教授冯·诺依曼。冯诺依曼理论核心是:存储程序方式。冯诺依曼理论的要点是：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。

其主要内容是：

1.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。

2.程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由地址确定。

3.控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令地执行。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的工作流程。

迄今为止，大部分计算机仍基本上遵循冯"诺依曼结构。

1.1.2计算机发展的四个阶段时代年份器件存储器软件应用运算速度一1946—1957电子管内存:汞延迟线外存:磁鼓使用机器语言和汇编语言军事研究科学计算几千次/s二1958—1964晶体管内存:磁芯外存:磁盘,磁带使用高级语言数据处理事务处理工业控制几十万次/s三1965—1971集成电路内存:磁芯,半导体存储器外存:磁盘操作系统、编译程序、网络软件开始广泛应用几十万到几百万/s四1972—大规模集成电路内存:半导体存储器外存:磁盘,光盘操作系统完善、数据库系统、计算机软件的开发广泛应用于各领域几百万到几亿万/s1.1.2计算机发展的四个阶段晶体管超大规模集成电路电子管集成电路微处理器

微型计算机简称微型机，其特点是将运算器、控制器及寄存器集成在一块半导体芯片上，这种芯片称为微处理器(MPU).1971年，Intel公司制成了世界上第一款微处理器4004，在12平方毫米上集成了2300个晶体管。摩尔定律：集成电路芯片上的晶体管数量每年翻一番。微处理器的集成度一直遵循着“摩尔定律”在飞速发展。2011年Intel公司还要推出含有10亿个晶体管、每秒可执行1千亿条指令的芯片。微处理器1.2计算机的工作特点及分类1.2.1计算机的工作特点运算速度快:

运算部件采用电子器件，曙光5000A达到每秒230万亿次以上。（运算速度依赖硬件配置）计算精度高:

增加二进制位数提高精度，避免了各种误差，

圆周率计算精度200万位以上。（通用性强）多功能性:运行不同程序，完成不同任务存储能力:存储设备容量大，存储能力不断提高

适合逻辑运算:计算机工作的基础，根据判断的结果决定执行命令，完成各种复杂问题的处理运算过程自动化:程序控制执行过程，自动连续工作1.2.2计算机的分类按计算机处理数据的方式分类

（1）电子数字计算机以数字量（也称不连续量）作为运算对象进行运算，特点是运算速度快，精确度高，具有记忆和逻辑判断能力。计算机的内部操作和运算是在程序控制下自动进行的。数字数据：是指转换成离散数字（如0或1的序列）的文本、数字、声音和视频。

1.2.2计算机的分类按计算机处理数据的方式分类（2）电子模拟计算机以连续变化的模拟量（如电压、长度、角度来模拟实际所需要计算的对象）作为运算量的计算机。主要用于过程控制和模拟仿真。

1.2.2计算机的分类按计算机的用途和使用范围分类

（1）专用计算机为解决某类特殊应用而设计，功能单一，配有解决特定问题的软件、硬件，能高速、可靠地解决特定问题。一般用于过程控制应用中，如在导弹和火箭上使用的计算机。（2）通用计算机为解决各类问题而设计，通用性好、综合处理能力强，适合各类应用领域。一般的数字式电子计算机都属于通用计算机。按计算机的运算速度和性能指标分类巨型机（超级计算机）：

运算速度最快、存储能力最大、处理能力最强。能够承担其他计算机不能处理的复杂任务和计算密集型问题。如分子计算、大气模型、宇宙研究、密码破译全球气象系统建模以及核弹爆炸模拟等。

例如：银河、曙光系列,

曙光5000A,速度可达每秒230万亿次。IBM研制Roadrunner(走娟),运算速度达到每秒1.105千万亿次，Cray公司的捷豹位居第二

。

大型机：大型、通用、较快、较强,承担服务器功能.能同时为成百上千的用户处理数据。例如：IBM-360。

按计算机的运算速度和性能指标分类微型机：以小、巧、轻、使用方便、价格便宜、软件丰富、功能齐全等优势而拥有广大的用户。小型机：规模小，结构简单，设计试制周期短,工艺先进、使用维护简单。如:IBM的AS/400。按计算机的运算速度和性能指标分类服务器：网络环境下为多用户提供服务的计算机系统。工作站：

介于PC与小型机之间,

高分辨率、大容量内外存，图形功能较强。进行医学成像和CAD等。Sun、HP都是著名的工作站厂家。1.3未来计算机的发展趋势

巨型化微型化网络化智能化更快的运算速度、更大的存储容量、更强的处理能力以及更高的可靠性。运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。集中体现了计算机科学技术的发展水平。1.计算机发展趋势银河亿次巨型计算机

兰色基因/L超级计算机1.3未来计算机的发展趋势

巨型化微型化网络化智能化使用方便、体积小，成本低和功能齐全方向发展嵌入式技术家电、仪器仪表，笔记本电脑，掌上计算机1.3未来计算机的发展趋势

巨型化微型化网络化智能化利用计算机技术与通信技术结合,把分布在不同地点的计算机互连起来,组成规模强大的计算机网络。实现方便、及时、可靠、安全、高效的信息服务1.3未来计算机的发展趋势

巨型化微型化网络化智能化使计算机具有视觉、听觉、语言、行为、思维、逻辑推理等能力。第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”Deepblue(“深蓝”）Garry

Kasparov

（1）光子计算机

光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、存储和传输，以光互连来代替导线制成计算机。目标是充分利用光的特性设计更高速、更大容量存储和更快访问的计算机。在光子计算机中，不同波长的光表示不同的数据，可快速完成复杂的计算工作。可具有与人脑相似的容错性能。光子计算机并行处理能力强，因此具有超高速的运算速度。未来新一代计算机（2）生物计算机（分子计算机）生物计算机由生物工程技术产生的蛋白质分子组成的生物芯片构成，通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。这类芯片不仅具有巨大的存储能力，而且能以波的形式传播，具有并行处理的功能，最快的处理速度。生物计算机还具有较高的智能性，能如同人脑那样进行思维、推理、识别文字，还能理解人的语言，因此，可以应用在各种重要的控制领域。运算速度比最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。(3)量子计算机量子计算机是一种采用基于量子力学原理的深层次计算模式进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机，是一种信息处理的新模式。在量子计算机中，用“量子位”代替电子计算机的二进制位，量子位用粒子的量子力学状态来表示信息。（粒子从一个能态到另一个能态转变——二进制）不仅运算速度快、存储量大，功耗低，而且体积会大大缩小。计算机最新技术热点简介嵌入式系统是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电器工程师协会（U.K.InstitutionofElectricalEngineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。网格计算利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。网格计算是把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。计算机最新技术热点简介计算机最新技术热点简介云计算

云计算(CloudComputing)是分布式处理(DistributedComputing)、并行处理(ParallelComputing)和网格计算(GridComputing)的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。

云计算是分布式计算技术的一种形式，提供资源的网络被称为“云”，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。

计算机最新技术热点简介

云计算的几大形式：

1.SAAS（软件即时服务）

2.实用计算（UtilityComputing）

3.网络服务

4.MSP（管理服务提供商）

5.商业服务平台

6.互联网整合

计算机最新技术热点简介物联网(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，“智慧的地球”与“信息高速公路”

计算机的新技术综上，在本世纪的科学技术发展史中,时间短暂但对人类社会影响却十分深远的发明,首推电子计算机.电子计算机是20世纪最重大的科技成就之一.自1946年世界上第一台电子计算机"艾尼亚克"诞生以来,计算机科学得到了惊人的发展,已经经历了第一代电子管计算机,第二代晶体管计算机,第三代集成电路计算机,第四代大规模集成电路计算机的更新，到第五代超大规模集成电路计算机，而第六代计算机——生物计算机必将从质改变计算机的发展，他做为21世纪的新客人，必将推动人类自身的极大发展。

1.4.1信息的基本概念1.信息与数据1.4信息与信息化社会数据(Data)是记录下来可以鉴别的符号，是对客观实体的一种描述形式，这种描述形式可以进行通信、翻译转换或加工处理。数据的多种表现形式：数字、文字（字符数据）、图形（图形数据）、图像（图像数据）、音频（声音数据）和视频（声音和图象数据）等。信息(Information)

信息是客观事物属性的反映。是经过加工处理并对人类客观行为产生影响的数据表现形式。

当数据用人能够理解和使用的形式表现出来时，它就变成了信息。1.4.1信息的基本概念1.信息与数据1.4信息与信息化社会1.4.1信息的基本概念数据与信息的关系：

既有联系，又相互区别。数据是信息的载体，是信息的具体表现形式，而信息是数据的内涵，是有用的、经过加工处理的数据。信息有意义，数据则没有。活动数据信息决策例如，数据1、3、5、7、9、11、13、15，它是一组数据，如果我们对它进行分析便可以得出它是一组等差数列，我们可以比较容易地知道后面的数字，那么它便是一条信息。它是有用的数据。而数据1、3、2、4、5、1、41，它不能告诉我们任何东西，故它不是信息。1.4.1信息的基本概念例如，一幅图像可以用整数矩阵这样的数据来表示，矩阵的元素位置(i,j)就对应于图像上的一个像素点的位置，矩阵的元素的值是一个二维函数f(i,j)，称为表示图像在该点上的强度或灰度，或简称为像素值。二值图象的矩阵取值：f(i,j)=0(黑),f(i,j)=1(白)0000000000111111000000000111011100000001111111110000001110111111000001110111111100001110111111110001111111111111001101111111111111111111111111111101111111111111这个整数矩阵数据经过加工后，以人能够理解的二值图像的形式展现出来，该图像是信息。而这个整数矩阵也包含了黑白对比的信息。2.信息技术信息技术：指获取信息、处理信息、存储信息和传播信息中所用到的技术。1.4.1信息的基本概念信息技术的组成微电子技术计算机技术通信技术传感技术微电子技术是信息技术的基础，它扩展了人类对信息的控制和使用能力；计算机技术是信息技术的核心，计算机的信息处理能力在不断加强；

通信技术加快了信息传递的速度和广度，扩展了人的神经系统传递信息能力传感技术扩展了利用人的感觉器官收集信息的能力。信息化社会的特征完善的信息基础设施先进的信息技术高素质的信息人才广泛的信息产业良好的信息环境3.信息化社会信息社会给人类带来全新的工作方式和生活方式。在信息化社会里，信息是知识，是技术，是一种最宝贵的资源。人们利用各种方式获取信息，了解世界，也让世界了解自己。在信息时代，人们的许多活动都与网络有着密切的联系，通过网络的方式实现。1.4.1信息的基本概念1.4.2计算机在信息社会中的应用1.科学计算天文、地质、核物理2.数据处理企业管理、办公自动化、统计3.过程控制冶金、机械、化工、航天4.计算机辅助系统

CAD(辅助设计）CAM（辅助制造）CAE（辅助教育、CAI辅助教学、CMI计算机管理教学）5.人工智能模拟人脑，计算机诊断6.计算机模拟虚拟实验室，工厂，仿真，汽车、航天员模拟训练1.4.2计算机在信息社会中的应用数字成像技术扫描使用的X射线断层成像（CT技术）在医学上具有重大影响。数字成像改变了摄影行业。数字视频对电影中的特效、三维动画等产生特殊影响。数字音乐使在线音乐商店迅速流行起来。人的语音也被数字化了，如电话交费和查询系统为人们带来了极大的便利。1.4.2计算机在信息社会中的应用皮克萨工作室（PixarStudios)的动漫画家开发一种叫做FIZT的软件，可以独立模拟由全身覆盖毛皮的主角的移动引起的300万根毛发中每一根的流动和飘动。1.4.2计算机在信息社会中的应用7.计算机网络在信息时代，人们的工作几乎每天都要面对计算机，借助计算机完成各项工作。计算机网络改变了人们传统的生活工作方式信息交流与传播

电子邮件、聊天、通讯、传媒

电子商务网上订票、网上购物等电子政务虚拟政府、网上办公

文化教育浏览新闻、查阅书刊、接受教育远程教育、网上招生、报名、信息共享8.娱乐消遣欣赏DVD影碟、音乐进行游戏或娱乐1.4.2计算机在信息社会中的应用9.计算机及网络等信息技术对表达自由的影响

因特网（全球化的计算机网络）具有扩大言论自由的潜力。

在各种严重网络危害的侵袭下，各国都意识到采取一些限制的必要。

世界上没有哪个国家不对网络监管，德国一家网络公司负责人埃茗说，现在网络技术的发展已经“失去控制”，从一定意义上说，用户和国家遭到互联网的“绑架”。埃茗认为，“网络监管从来都是必需的，没有监管的自由就是放纵，就是自我毁灭。”回顾人类文明发展历史不难发现，当任何一种新事物的影响力扩展到社会各个层面时，就必须加以限制，以保证良性秩序的实现。

9.计算机及网络等信息技术对表达自由的影响

各国互联网立法的重点在于解决两个问题：一是对网络言论和行为进行界定，明确保护什么，禁止什么；二是明确政府、服务商、网民等互联网主体参与者的权利和义务。例如没有一个国家对分离主义思想的传播会坐视不理。

例如禁止宣传仇恨、暴力、种族歧视、反人类的观点等。

9.计算机及网络等信